2019 Fiscal Year Annual Research Report

制振鋼構造のダンパーと主架構間の変動応力伝達を考慮した合成梁－柱の保有性能評価

Research Project

Project/Area Number	19H02280
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	木村祥裕東北大学, 工学研究科, 教授 (60280997)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	古川幸東北大学, 工学研究科, 助教 (30636428) 吉野裕貴仙台高等専門学校, 総合工学科, 助教 (70756428)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	制振鋼構造 / 局部座屈 / 横座屈 / 変動軸力 / 塑性変形能力 / 累積塑性変形能力
Outline of Annual Research Achievements	建築学会から刊行された鋼構造制振設計指針（2014）では，制振鋼構造骨組を構成する梁，柱の要求性能が示されているが，特にダンパーを有する制振構面における梁や柱の保有性能に関する研究成果が乏しく，極めて安全側の指標を設定している。一方，建物における多くの梁には，コンクリート床スラブが取り付き，大地震時に梁が局部座屈や横座屈を生じる際，高い補剛効果を発揮すると考えられてきた。しかし，地震時には床スラブも大きな繰り返し応力を受け，剛性や耐力が引張時には大きく低下し，圧縮時には回復するというメカニズムを繰り返し，徐々に低下する。そこで，合成梁や柱の保有性能をより高精度に評価するとともに，制振構面と非制振構面の応力伝達機構を解明することを目的とする。ダンパーから変動軸力を受けるH形鋼梁の局部座屈・横座屈耐力，塑性変形能力及び累積塑性変形能力を評価してきた。また，骨組内の多くの梁には床スラブが取り付き，梁の上フランジ局部座屈及び横座屈に対して高い補剛効果を有するものと考え，連続補剛された梁が圧縮軸力を受ける場合の横座屈耐力に及ぼす軸力の影響や連続補剛効果を明らかにしてきた。しかし，地震時に梁にはランダムな繰り返し曲げ応力とダンパーからの変動軸力が作用することから，本研究ではこのような繰り返し応力下における連続補剛された梁の横座屈挙動を載荷実験及び有限要素解析により明らかにし，既往の研究で提案した一般化細長比を適用し，梁の横座屈耐力，塑性変形能力及び累積塑性変形能力の評価を試みた。併せて，連続補剛により上フランジの局部座屈変形が拘束される場合（正曲げ時）の保有性能評価，ダンパーによる変動軸力及び床スラブによる中立軸の移動に伴う梁断面の応力変動が局部座屈性能に及ぼす影響を明らかにした。最終的には，上フランジを連続補剛された梁が繰返し荷重下で局部座屈及び横座屈するときの保有性能を評価した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 繰り返し応力下における連続補剛された梁の横座屈挙動を載荷実験及び有限要素解析により明らかにし，既往の研究で提案した一般化細長比を適用し，梁の横座屈耐力，塑性変形能力及び累積塑性変形能力の評価を試みた。その結果，補剛剛性を求めることができることが前提で，評価式の妥当性が示された。併せて，連続補剛により上フランジの局部座屈変形が拘束される場合（正曲げ時）の保有性能評価，ダンパーによる変動軸力及び床スラブによる中立軸の移動に伴う梁断面の応力変動が局部座屈性能に及ぼす影響を明らかにした。これは，要素試験体と数値解析により面内曲げに及ぼす床スラブの剛性寄与を明確にできたことよる。以上を踏まえて，上フランジを連続補剛された梁が繰返し荷重下で局部座屈及び横座屈するときの保有性能評価に本研究成果の適用性を明らかにした。
Strategy for Future Research Activity	本年度の研究成果を踏まえて，以下の項目を遂行する。１）繰返し応力を受ける床スラブの剛性・耐力変化が梁の座屈拘束効果に及ぼす影響床スラブとH形鋼梁の一部を取り出し，床スラブには梁の面内曲げモーメントに相当する繰り返し応力を与えつつ，梁には横座屈を想定したねじり変形を与える載荷実験を考案し，同様に試験体部分を取り出したモデルの有限要素解析を行う。これにより，大変形に伴い剛性低下を生じた床スラブが梁の横座屈変形拘束効果に与える影響について，載荷条件（横座屈が生じるタイミングの違い），梁断面と床スラブ厚・鉄筋径の違い（相対的な補剛剛性・耐力），床スラブの有効幅（応力負担領域）をパラメータとして，大変形時に刻々と変化する床スラブの補剛効果を明らかにする。２）床スラブによる応力変動及び補剛効果を考慮したH形鋼梁の保有性能評価床スラブ・H形鋼梁，柱－ダンパー系の部分架構モデルの有限要素解析モデルを構築し，ダンパーからのH形鋼梁，床スラブへの変動軸力，柱フェイスから床スラブへの支圧応力，梁からスタッドを介し，床スラブに伝達される曲げモーメントなどの応力伝達機構を詳細に把握する。一方で，有限要素解析ではパラメトリックスタディに加え，実験では計測できなかったスタッドの支圧応力，スラブの応力伝達，応力幅なども把握する。