2021 Fiscal Year Research-status Report

減衰部材を有する鋼構造建物の大地震後の継続利用を志向した合理的設計解導出法

Research Project

Project/Area Number	21K04337
Research Institution	Tokyo Metropolitan University
Principal Investigator	高木次郎東京都立大学, 都市環境科学研究科, 准教授 (90512880)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	大崎純京都大学, 工学研究科, 教授 (40176855)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	大地震後の継続利用 / 高耐震設計 / 鋼構造 / 最適化 / 座屈拘束ブレース / 優良設計解 / 限界耐力計算
Outline of Annual Research Achievements	高耐震設計建物への理解と普及を促進するため、最適化手法を利用した鋼構造建物の耐震性能とコストの関係評価を進めた。座屈拘束ブレース（BRB）などの減衰部材の耐力と配置および主架構を構成する柱梁部材の断面寸法と架構型式を設計変数とした多制約条件下の多変数コスト最小設計解（優良設計解）群を求めた。減衰部材と主架構を同時に最適化して耐震システム全体を効率化した。減衰部材による地震エネルギー吸収効果を積極的に評価するため、優良設計解の導出に際しては限界耐力計算による設計アルゴリズムをプログラムした。許容応力度設計と限界耐力計算の設計制約条件を満足し、総鋼材量が最小化された7階建鋼構造建物の優良設計解を導出し、設計条件の影響や複数の構造と架構型式の構造性状を比較評価した。ほぼ全ての柱梁接合部を剛接合とする架構型式（全体型）と外周部に耐震架構を集約する架構型式（集約型）に対して純ラーメン構造、BRBあるいは鋼管ブレース（PB）を有するブレース構造などを検討した。純ラーメン構造では、集約型が全体型よりも経済的になる可能性があり、限界耐力計算の安全限界変形角RSLを2.0%とする設計の合理性を確認した。BRBのブレース構造では、RSLの設定よりもBRBの許容応力度の制約条件が支配的であり、BRBのコスト設定に対して優良設計解は比較的鈍感であった。PBのブレース構造では、限界耐力計算の制約を満足しても，一般的な時刻歴応答解析の設計クライテリアを満足しない可能性を確認した。免震構造についても、上部構造の応答と免震層の最大変位を制約条件とし、免震層の免震装置のコスト最小化のプログラムを作成した。これにより、免震構造の耐震性能とコストの関係性を評価するための設計解群を導出する体制を整備した。上記の研究により、査読付き論文を2編（うち1編は海外専門誌論文）と学会発表論文1編を執筆した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究の進捗は概ね順調である。当初計画では、(a)最適化問題の定式化とアルゴリズムの構築、(b)複数の荷重モードを用いた応答低減評価、(c)高耐震設計解の導出、などが2021年度から2022年度にかけての研究項目であった。そのうちの(a)に関しては、限界耐力計算の設計体系をプログラムに組み込むことができており、ほぼ計画通りの進捗と言える。(b)については、検討対象の建物の範囲では各階の水平剛性が大きく違わないことから、荷重モードが解析結果に及ぼす影響が限定的であり、現時点では定式化やプログラムには至っていないが、今後、不整形な建物を検討していく中で実施していく計画である。また、(c)に関しては、BRBを有する構造架構に対して、要求耐震性能を1.25倍および1.5倍にした場合の設計解の導出を行い、入力レベルと設計解のコストとの関係を導いた。要求耐震性能に応じて設計解が変化する傾向を分析し、耐震性能と設計解の関係を総合的に評価する基礎資料を得た。また、研究成果の発表に関しても、査読付き論文の執筆を進めており、概ね順調な進捗と言える。
Strategy for Future Research Activity	申請時にも提示した次のそれぞれの項目に対して研究を進める。それらは、(a)最適化問題の定式化とアルゴリズムの構築、(b)複数の荷重モードを用いた応答低減評価、(c)高耐震設計解の導出、(d) 検討建物の拡充と最適化設定の検証、(e) 成果発表、である。 (a)と(b)および(d)については、これらを関係づけながらほぼ並行して作業を進める。2021年度までに検討してきた比較的整形な建物から不整形な検討建物を設定し、時刻歴応答解析から得られる複数の荷重モードに対する各層の変形を求めて有効な減衰部材の配置を求める方法を提案する。不整形な検討建物は、偏心があり、上下方向の剛性分布も一様ではない建物を想定する。提案方法を最適化のアルゴリズムに組み込む。(c)については、要求耐震性能を増大させた場合の設計解を求め、要求耐震性能とコストの関係を整理する。成果は随時査読論文にまとめて発表する。
Causes of Carryover	国内外でのシンポジウムへの参加費と旅費で使うことを考えていたが、オンライン開催となったたので繰り越した。