2017 Fiscal Year Annual Research Report
Cumulative Damage Estimation of Steel Piles under High-rige Buildings due to Dynamic Buckling Subjected to Long Period Earthquake
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16H04445
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
木村 祥裕 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (60280997)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古川 幸 東北大学, 工学研究科, 助教 (30636428)
田村 修次 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (40313837)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 鋼管杭 / 高層建築物 / 液状化 / 動的曲げ座屈 / 非液状化層 / 回転拘束効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 非液状化地盤による回転拘束効果を考慮した液状化層における鋼管杭の曲げ座屈耐力評価
申請者らはこれまでに，杭全長で地盤が液状化する場合を想定し，液状化地盤による水平抵抗を考慮した杭の遠心載荷実験を行ってきた。しかし，液状化層は杭全長の一部（数m~20m程度）で生じることから，液状化層における杭が動的曲げ座屈を生じる際，液状化層の上下の地盤が座屈する杭の回転抵抗として働き，杭の曲げ座屈長さを低減できる可能性がある。ここでは，エネルギー法による変分原理を用いた手法を参考にし，液状化層以外における地盤を境界条件における回転拘束とした杭の曲げ座屈荷重式を誘導する。これにより，液状化層における地盤の水平拘束効果，液状化層以外の地盤による回転拘束効果を考慮した座屈荷重式を，建築学会の鋼構造限界状態設計指針の曲げ座屈細長比に適用した座屈曲線により，このような杭の弾塑性曲げ座屈応力度を求める。そして，有限要素法による弾塑性大変形解析により鋼管単杭の弾塑性曲げ座屈耐力を求め，ここで提案する弾性座屈荷重式及びそれを適用した座屈曲線の妥当性を検証する。
(2) 非液状化層を有する地盤・鋼管杭－高層上部構造の遠心載荷実験
(1)の知見を踏まえて，非液状化層厚を有する地盤・鋼管杭基礎－上屋構造の遠心載荷実験を行い，(1)の曲げ座屈耐力式の妥当性を実験により得られた杭の動的曲げ座屈耐力により検証する。非液状化層と液状化層の間に，極薄で非透過性のフィルムを敷き，両者を明確に分離する工夫を考えている。既往の実験結果と比較し，非液状化層厚をパラメータとして非液状化層による液状化層の杭の動的曲げ座屈に対する回転拘束効果を明らかにする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究課題である(1) 非液状化地盤による回転拘束効果を考慮した液状化層における鋼管杭の曲げ座屈耐力評価，(2) 非液状化層を有する地盤・鋼管杭－高層上部構造の遠心載荷実験が順調に進んでいることから，上記の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)複数回地震動を受ける鋼管杭の動的不安定化の進展
今年度の研究成果では，大地震を一回経験したとき，杭が動的曲げ座屈を生じる条件を検証しているが，一回の地震動により杭には塑性歪が蓄積していくものの，損傷が顕在化せず，地震後，上部構造物の転倒モーメントにより生じた変動軸力が除荷され，長期荷重に対して杭が鉛直支持能力を保持できることになる。本震とほぼ同程度もしくは杭を塑性化させる大きさの余震が作用した場合，または上部構造物の耐用年数内（50年間以内）で同程度の地震動が生じた場合，杭の塑性歪は蓄積し，動的不安定性が増し，急激な水平変形を生じる可能性がある。そこで，本研究では本年度までの知見を踏まえて，一回の地震動では動的曲げ座屈を生じなかったケースのうち，複数回，同じ入力地震動を受ける鋼管杭に塑性歪が蓄積していく過程を明らかにする。杭に作用する初期圧縮軸力及び地震時の変動軸力による杭頭及び杭地中部での損傷発生過程と杭の鉛直支持能力喪失過程を明らかにする。地震動特性や地盤特性により，一回の地震動で杭が損傷するレベルと，一回では損傷が顕在化しないものの，複数回により杭の損傷が蓄積し，顕在化する地震動レベルの組み合わせに着目し，上屋構造物の不同沈下等による機能不全に至るまでの傾斜との関係を明らかにする(ⅳ)経験した地震動により鋼管杭に内在する損傷度と予測地震動による杭の損傷予測法の確立
１回の地震動による鋼管杭の塑性歪の蓄積と動的不安定化の進展，そして動的曲げ座屈による上屋構造物の不同沈下の発生と機能不全に至るまでの傾斜を，地震動の大きさ，地震動の回数，地盤特性（地盤密度，液状化後の地盤周期など），上屋構造物の特性（杭に作用する初期軸力比，変動軸力比，水平力（重量，固有周期）など）のパラメータから明らかにし，傾斜するまでの杭の損傷度指標を提案する。
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