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本研究課題では、溶接継手の低サイクル疲労性能(ひずみ振幅ε-破損サイクル数Nf曲線)から鉄骨架構全体の多数回繰り返し載荷下での保有性能(塑性率μ-Nf曲線)を推定する手法を具体的に提示することを目指した。提案手法の特色は、部材・架構実験を経ずに継手実験結果と数値シミュレーションを組み合わせることで、鉄骨架構の低サイクル疲労性能をそのばらつきも含めて評価できることである。
はじめに、溶接継手試験体の挙動(局所的なひずみの状況)と鉄骨架構の挙動(架構・部材変形や塑性率)を相互に対応付けるための載荷実験と数値シミュレーションを実施した。本研究での提案手法で基礎となる溶接継手の低サイクル疲労実験結果については既往の研究結果が多数存在するが、本研究課題では新たに高強度鋼材を用いた溶接継手のせん断繰り返し載荷実験も実施し、超高層鉄骨架構のパネルゾーン内での低サイクル疲労検証にも使えるデータを得た。ここで、Nfの変動係数がひずみ振幅に依存しないという仮定をおけば、溶接継手レベルの確率疲労曲線(P-ε-Nf関係)を容易に得ることができる。
次いで、有限要素解析による数値シミュレーションを援用して部材変形量とひずみ集中箇所(溶接止端縁またはスカラップ底)での局所ひずみの対応関係を求め、溶接継手のひずみ応答と部材・架構の変形応答とを結びつけることができた。最終的には、本研究で提案する鉄骨架構の低サイクル疲労性能評価法は、超高層鉄骨架構の地震応答解析を実施して検証した。具体的には、既往の国交省基整促事業の成果として公開されている鉄骨架構モデルに準じた骨組モデルを作成して長周期地震動を入力し、架構中の全ての部材の端部の累積損傷度を得た。ここで、溶接継手のP-ε-Nf関係を考慮すれば、各部の累積損傷度は直ちに破損確率に変換できるため、低サイクル疲労による破損確率を部材レベルで得ることができた。
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