Collapse mechanism of steel moment frames with columns under high axial load subjected to bi-directional ground motions

• Project/Area Number: 17H04944
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Building structures/Materials
• Research Institution: Hokkaido University (2018-2019); Tokyo Institute of Technology (2017)
• Principal Investigator: Matsui Ryota 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00624397)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥14,300,000 (Direct Cost: ¥11,000,000、Indirect Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2017: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 柱材 / 局部座屈 / 高軸力比 / 載荷実験 / 数理モデル / 塑性変形性能 / 崩壊解析 / 地震応答 / 鋼柱部材 / 座屈性状 / 数値解析 / 履歴モデル / 終局耐震性能

Outline of Final Research Achievements

A facility for thermal power generation is one of the most important urban infrastructures. Steel structures are typically used for the facility. This kind of facilities necessary to support heavy masses such as a boiler, which in turn lead to high axial load of steel columns. This study presents the strength and ductility of the steel columns subjected to high axial load based on physical tests of members. A phenomenological fiber element was proposed to reproduce the local buckling-induced softening of those steel columns reasonably. The number of elements of the phenomenological fiber element was relatively less than that of the finite element analysis with shell elements. A numerical program for time history response analysis was developed using the phenomenological fiber element to assess the seismic performance of the facilities with heavy masses. The program was validated by a past shake table test of a 4-story steel moment frame including local buckling-induced softening.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究より、これまで未解明であった、高い軸力が作用した鋼柱材の耐震性能が、一次元部材モデルにより分析し得ることが明らかとなった。本研究で構築した一次元部材モデルは、火力発電プラントのみならず、他形式の鋼構造骨組にも適用可能と考えられる。一次元部材モデルは、有限要素解析より相対的に少ない計算量で、有限要素解析と同等に鋼柱材の挙動が分析できた。本研究で提案した手法を用いることにより、要素数の多い立体鋼構造骨組を迅速に検証できるようになり、都市基盤上重要な施設の耐震安全性を向上させることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] STICK MODEL OF RECTANGULAR HOLLOW STRUCTURAL SECTION STEEL COLUMNS WITH LOCAL BUCKLING UNDER HIGH AXIAL FORCE (2019)
  • Author(s): 松井良太，橋本舟海，竹内徹
  • Journal Title: Journal of Structural and Construction Engineering (Transactions of AIJ) Volume: 84 Issue: 760 Pages: 863-873
  • DOI: 10.3130/aijs.84.863
  • NAID: 130007670225
  • ISSN: 1340-4202, 1881-8153
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] COLLAPSE ANALYSIS OF PLANE FRAMES USING PHENOMENOLOGICAL FIBER MODEL OF WIDE FLANGE STEEL COLUMNS (2019)
  • Author(s): 松井良太，有賀 惇，森下邦宏，加藤基規，竹内 徹
  • Journal Title: Journal of Structural and Construction Engineering (Transactions of AIJ) Volume: 84 Issue: 761 Pages: 973-982
  • DOI: 10.3130/aijs.84.973
  • NAID: 130007684595
  • ISSN: 1340-4202, 1881-8153
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CUMULATIVE DEFORMATION CAPACITY AND STRUCTURAL DUCTILITY FACTOR OF CIRCULAR HOLLOW SECTION STEEL BRACED FRAMES WITH DIFFERENT DIAMETER THICKNESS RATIO (2017)
  • Author(s): 寺澤 友貴,松井 良太,中村 毅,竹内 徹
  • Journal Title: Journal of Structural and Construction Engineering (Transactions of AIJ) Volume: 82 Issue: 739 Pages: 1485-1495
  • DOI: 10.3130/aijs.82.1485
  • NAID: 130006107924
  • ISSN: 1340-4202, 1881-8153
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 高軸力を受けるH形断面鋼柱の繰返し曲げ載荷実験 その1 実験概要および実験結果 (2019)
  • Author(s): 竹原 遼，松井良太，竹内 徹，森下邦宏，加藤基規
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 高軸力を受けるH形断面鋼柱の繰返し曲げ載荷実験 その2 一次元ファイバーモデルによる分析 (2019)
  • Author(s): 有賀 惇，竹原 遼，松井良太，竹内 徹，森下邦宏，加藤基規
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] Experimental investigation of inelastic behavior of wide flange columns under high axial force (2019)
  • Author(s): Ryota Matsui, Ryo Takehara, Matthew Eatherton, Kunihiro Morishita, Motoki Kato, Toru Takeuchi
  • Organizer: 12th Pacific Structural Steel Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高軸力下において局部座屈を伴う箱形断面鋼柱の一次元数値解析モデル その1 一次元ファイバーモデルの構築 (2018)
  • Author(s): 小泉光市，橋本舟海，松井良太，竹内 徹
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 高軸力下において局部座屈を伴う箱形断面鋼柱の一次元数値解析モデル その2 既往実験結果および既往履歴モデルとの比較 (2018)
  • Author(s): 竹原 遼，橋本舟海，松井良太，竹内 徹
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 一次元数値解析モデルを用いたH形断面鋼部材で構成された平面架構の崩壊解析 その1 H形断面軸力部材における累積塑性歪の精度評価 (2018)
  • Author(s): 有賀 惇，松井良太，竹内 徹，森下邦宏，加藤基規
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 一次元数値解析モデルを用いたH形断面鋼部材で構成された平面架構の崩壊解析 その2 高軸力比の柱を有するブレース付平面骨組の地震応答性状 (2018)
  • Author(s): 松井良太，有賀 惇，竹内 徹，森下邦宏，加藤基規
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] Shake Table Testing of Steel Braced Frame Considering Member Fracture (2018)
  • Author(s): YuKi Terazawa,Ryota Matsui,Toru Takeuchi
  • Organizer: The 9th International Conference on the Behavior of Steel Structures in Seismic Areas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Collapse Analysis of Steel Frames Considering Fracture of Braces and End of Beams (2018)
  • Author(s): Ryota Matsui,Shunji Urui,Masaki Tokunou,Toru Takeuchi
  • Organizer: The 9th International Conference on the Behavior of Steel Structures in Seismic Areas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 径厚比の異なる円形鋼管ブレース付鋼構造骨組の累積変形性能および構造特性係数 その1 振動台実験を用いた累積変形性能と崩壊挙動の比較 (2017)
  • Author(s): 中村 毅，寺澤友貴，松井良太，竹内徹
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 径厚比の異なる円形鋼管ブレース付鋼構造骨組の累積変形性能および構造特性係数 その2 円形鋼管ブレースの母材部破断に対する構造特性係数の余裕度 (2017)
  • Author(s): 寺澤友貴，松井良太，竹内徹
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 高軸力下におけるH形断面鋼柱の弾塑性座屈挙動の数値解析による分析 その1 H形断面軸力部材の全体および局部座屈挙動 (2017)
  • Author(s): 橋本舟海，松井良太，小林隼也，竹内 徹，森下邦宏，加藤 基規
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 高軸力下におけるH形断面鋼柱の弾塑性座屈挙動の数値解析による分析 その2 高軸力比のH形断面鋼柱部材の地震応答性状 (2017)
  • Author(s): 小林隼也，松井良太，竹内 徹，森下邦宏，加藤基規
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 高軸力下におけるH形断面鋼柱の弾塑性座屈挙動の数値解析による分析 その3 一次元部材モデルの復元力特性の修正 (2017)
  • Author(s): 加藤基規，森下邦宏，松井良太，小林隼也，竹内 徹
  • Organizer: 日本建築学会
• [Presentation] 鋼材ブレースの座屈後履歴挙動および累積変形性能の検証 (2017)
  • Author(s): 橋本舟海，松井良太，竹内徹
  • Organizer: 日本鋼構造協会