2015 Fiscal Year Annual Research Report
高層鋼構造建物の倒壊挙動における構造骨組と外装材の損傷過程解明と予測技術の構築
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26249080
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
吹田 啓一郎 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70206374)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 康裕 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70324704)
聲高 裕治 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80343234)
高塚 康平 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90758351)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 建築鋼構造 / 倒壊挙動 / 魚骨形骨組 / 柱梁耐力比 / 構造実験 / 角形鋼管柱 / 立体解析 / MSモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）高層建物の平面骨組低層部3層を取り出した形の魚骨形骨組試験体による大変形載荷実験のために，魚骨梁端部をリンク材で結合することにより梁端の境界条件を実現し，上層の自重を模した鉛直力を柱頂部に載荷し，地震力を模した水平力を頂部の柱梁交点に加力することが可能な載荷装置を開発した。試験体は，柱梁耐力比、部材幅厚比、柱軸力比をパラメータとし，崩壊形が異なる3種類の魚骨形骨組を選定し，これを対象に大変形載荷実験を行い，梁端破断，柱・梁・柱脚の局部座屈，パネル降伏の損傷を経て倒壊に至る挙動を把握した。また，同一条件の数値解析を実施し，崩壊型を決定づける部材耐力劣化の怪異時期や劣化の進行を実験と比較・分析した。
２）柱梁部材の大変形繰返し載荷実験。魚骨形骨組試験体の構造要素の履歴特性を把握するための繰返し載荷実験は，１）の魚骨形骨組実験において柱，梁，接合部パネル，柱脚の全ての構造要素の弾塑性履歴挙動を取得可能な計測機器を配備することにより，必要なデータを取得した。
３）ロッキング方式PCa帳壁付架構の変位追従限界後の挙動を検討するために実施された、構面方向パネル，構面外方向パネル，2方向が直交するコーナー部の3種類の配置の異なる載荷実験結果を分析し，変位追従時とその限界を越えた後のパネルによる層せん断力―層間変形角の関係式を導出した。その結果，パネル水平力が地震時に骨組耐力に及ぼす影響を検討するためのモデルを構築することに成功した。
４）角形鋼管柱の載荷実験で観察された局部座屈と破断による劣化域を含む履歴挙動を再現できるようにMS要素を用いた解析モデルの構築を行い，部材端部にMS要素を配置した立体骨組解析プログラムを作成し，バイリニア型の履歴特性で地震応答解析を行った。その結果，柱の損傷を抑制して梁降伏先行型の安定した履歴挙動を確保するのに必要な柱梁耐力比を提示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
１）魚骨形平面骨組試験体による3層の大変形載荷実験を実施することが今年度の目標であり，初年度の2層実験結果をもとに，梁端のローラー支持，頂部から鉛直荷重を作用させることによる柱全体への長期軸力の導入，梁端の構面外変位および梁端のねじり変形を拘束する載荷装置を設計した。新規購入設備の長尺油圧ジャッキ（容量±1000kN，ストローク1200mm）は試験体頂部の大変形載荷用に導入したものである。3体の載荷実験に使用してその有効性を確認することにより目的を達成した。
２）冷間ロール成形角形鋼管柱を対象として，溶接部の延性亀裂または局部座屈に起因する耐力劣化域の挙動を繰返し載荷実験によって確認した． 既に実施した冷間プレス成形角形鋼管柱の実験結果と比較すると，ロール成形角形鋼管柱の方が早期に局部座屈が発生すること，平板部の亀裂発生時期が早まることなどを確認した．概ね順調に研究を進められている。
３）当初はコーナー部を含むPCa帳壁の載荷実験を実施する予定であったが，これは初年度に順調に進んで前倒しで実施したため，今年度はその実験結果も含めて過去のロッキング形式PCa帳壁の全ての実験を用いた，水平抵抗力算定モデルの構築を実施することができた。これは当初の予定になかった成果であり，予定以上に発展的成果を得て研究の進展を早めることができている。
４）倒壊解析のための角形鋼管柱の履歴挙動を扱う数値解析モデルを予定どおり構築することができた．また，MS要素を使った立体骨組解析プログラムを作成し，地震応答解析による必要柱梁耐力比の検討を行った．これについては当初予定どおりの成果を得ている．
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| Strategy for Future Research Activity |
１）魚骨形骨組試験体の大変形載荷実験は，初年度の2層魚骨形骨組の鉛直，水平載荷実験の結果に基づいて載荷方法を検討し， 3層以上の実験を実施する目処を立てることが目標であり，これを達成したため，次年度は当初予定どおりに3層以上の魚骨形骨組試験体を対象とする実験を実施する予定である。また，次の新たな研究の展開としては2方向梁から曲げを受ける柱の挙動を考慮するために2方向魚骨梁が接合される立体魚骨骨組による実験を検討する必要がある。この両面から今後の研究方策を検討する必要があり，後半の年間でこれらの課題に取り組む予定である。また，3層魚骨形骨組の大変形載荷実験の結果と平面骨組解析の結果を照合することにより，数値解析による予測精度を検証することができた。この結果を踏まえて，今後の試験体設計に関する予備検討解析を実施する見通しを立てることができた。
２）PCa帳壁の変位追従限界後の挙動については，ロッキング方式の変位追従機構を対象に，構面方向パネル，コーナーパネルの挙動を予測する方法を構築し，その精度を確認することができた。これまでの研究は主にパネルの変異追従限界と，限界を超えた後の破壊挙動に着目していたが，このような大変形領域においてパネルが負担する水平力に大きさにも関心がある。今年度はこの方面にも研究の範囲を広げることができ，当初計画以上に研究の成果は広く挙がっている。
３）鋼構造立体骨組の大変形解析による倒壊挙動の分析については，柱部材の大変形挙動を再現できる解析モデルと，立体骨組解析プログラムを完成させることができたため，次の段階では，柱解析モデルの立体骨組解析への組み込み，大変形に対応するための幾何非線形挙動への対応，柱梁接合部パネルの履歴モデルの構築，に取り組む予定である。
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