2021 Fiscal Year Research-status Report

不整形立体骨組における極限的地震動の最悪入力方向と塑性崩壊メカニズムの解明

Research Project

Project/Area Number	20K14871
Research Institution	Kyoto Institute of Technology
Principal Investigator	小島紘太郎京都工芸繊維大学, デザイン・建築学系, 助教 (10822786)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	不整形立体骨組 / 極限的地震応答 / 断層近傍地震動 / 最悪地震動入力方向 / ダブルインパルス / 平面骨組 / 地震動の特性化
Outline of Annual Research Achievements	先行の研究では、断層近傍で観測されるパルス性地震動の特徴を再現可能な「ダブルインパルス」を用いて、線形弾性不整形立体骨組に入力する地震動エネルギーを最大にする断層近傍地震動の極限的パルス周期と最悪入力方向の評価方法を提案した。しかし、柱や梁の損傷や塑性化などの弾塑性特性を考慮すると、入力エネルギーが最大になる地震動特性やその最悪入力方向は変化すると考えられる。本研究課題では、弾塑性立体骨組モデルの極限的地震動の最悪入力方向の解明および、このような現象を考慮した立体骨組の崩壊メカニズムの解明を目的としている。また、2020年度では、バイリニア＋スリップ型１自由度系を対象に、28波の断層近傍地震動に対する地震応答解析結果との比較から極限的ダブルインパルス応答の妥当性を検証した。この検証の過程で新たに課題として挙がったダブルインパルスを用いた地震動のモデル化・特性化に関して2021年度では改善を行った。 2021年度は、材端に塑性ばねを有する平面骨組を対象として極限的ダブルインパルスに対する弾塑性極限応答の評価を行った。さらに、骨組モデルの耐震性能を決定するためのパラメターとしてインパルス速度振幅（地震動の速度振幅に対応）を採用し、特定の速度振幅の極限的ダブルインパルスに対する最大層間変位を制約条件として、鉄骨重量を最小化する柱と梁の断面を求める最適化問題を定式化し、逐次二次計画法により最適な柱、梁断面を求める方法を開発した。本最適化により、極限的ダブルインパルスに対する最大層間変位を制約条件としたときの最適化後の骨組の重量はインパルス速度振幅と線形の関係になることを確認した。また、断層近傍地震動の実観測記録を用いた検討により、特に断層近傍地震動のパルス周期である１秒付近の固有周期を持つ10層建物において、最適な骨組が効果的に地震応答を低減可能であることを示した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 2021年度は、弾塑性立体骨組の地震動レベルと極限的地震動の周期特性、および最悪入力方向の関係を評価する手法を確立し、不整形立体骨組の最悪ケース時の塑性崩壊メカニズムの解明を実施することを目的としていたが、弾塑性挙動を考慮した地震応答解析によるパラメトリック解析が順調に進まず、塑性崩壊現象の解明およびそれを再現するための小型模型実験の実施ができなかった。そのため、進捗状況は「やや遅れている」と判断した。一方で、2020年度に新たに挙がった課題であるダブルインパルスによるモデル化の精度向上の一環として、2021年度はダブルインパルスのパラメター（インパルス速度振幅と時間間隔）によりパルス性地震動の特性を解明する方法として、エネルギースペクトルのピーク値の等価性を用いる方法を提案した。弾塑性平面骨組を対象とした地震応答解析により、本提案特性化手法により得られたパラメターを持つダブルインパルスと2016年熊本地震の実地震動波形に対する最大応答値を求め、比較した結果、両入力に対する最大応答値が良好に対応した。精度良く地震動特性を再現するための特性化手法を開発したという点では、本研究課題が進展したと考えられる。
Strategy for Future Research Activity	2022年度の研究計画は以下の通り進める予定である。 (1) 弾塑性立体骨組モデルを対象とした極限的ダブルインパルスの最悪入力方向評価法を整理する。確立した評価法を用いて弾塑性骨組の最悪入力方向がどのように変化するのか、パラメトリック解析を行い、その結果に基づいてそのメカニズムを解明する。 (2) (1)の手法および最悪入力方向のメカニズムを応用して、「最悪ケース」における塑性崩壊メカニズムの解明および塑性崩壊時の極限的地震動の地震動強さ評価法を提案する。 (3) 「最悪ケース」における塑性崩壊メカニズムおよび塑性崩壊時極限地震動強さに基づいて、小型立体骨組試験体の設計を行い、振動台実験を実施する。さらに、小型模型の崩壊挙動を参考に極限的ダブルインパルスの最悪入力方向評価法および解析モデルの改善を行う。 (4) (1)～(3)の成果を取りまとめ、最悪ケース塑性崩壊地震動強さ算定法に基づく不整形建物の耐震性能評価法を提案する。 (5) 地震動の特性をより精度よく再現可能なインパルス列地震動モデルの開発を行い、(1)～(4)の過程を応用して、提案するインパルス列地震動モデルを用いた極限的地震動の最悪入力方向算定法および崩壊メカニズムの解明を行う。
Causes of Carryover	2021年度に所属研究機関の実験室の実験設備が改善し、それに伴って計測機器の再検討を含めた実験計画の修正を行ったため、次年度使用額が生じた。具体的には、振動台実験装置が納入されたため、実験方法の変更を行い、それに伴って必要な計測機器やセンサーの再検討が必要となった。また、コロナウィルスの影響でシンポジウム等がオンラインでの実施になったため、旅費が不要になったことも次年度使用額が生じた理由である。 2022年度では、立体骨組の塑性崩壊現象の調査のために新しく導入された振動台を用いた振動台実験を行う予定であり、試験体および実験に用いるセンサーやロガーの購入のための費用および解析・実験補助の人件費に次年度使用額を用いる予定である。また、追加解析に必要なソフトウェアおよびPCの導入にも使用する予定である。