143

3.1.3.3 鉄骨系高層建物柱部材の崩壊余裕度解析

(1) 業務の内容

(a) 業務の目的

・企業の本社機能の多くを占める高層鉄骨事務所建物や都心のマンションに多用される

鉄筋コンクリート（以下、RC と称す）建物が、特に長周期地震動または直下地震を

受けたときの損傷の進展と崩壊に至るまでの余裕度を、部分構造物に対する構造実験、

建物に対する大型振動台実験、高度数値解析から明らかにする。また獲得されたデー

タを用いて、揺れの大きさと被害の関係に対する定量的評価法を整備する。

(b) 平成２５年度業務目的

・代表的な数値解析コードを用いた予備崩壊シミュレーション解析と、その妥当性を把

握するための破壊解析検証用要素実験を継続し、数値解析の精度を把握することによ

って、崩壊余裕度推定に関する知見をさらに蓄積する。

・本節では、柱部材の破壊解析検証用要素実験と、対応する崩壊シミュレーション解析

について説明する。

(c) 担当者

所属機関 役職 氏名 メールアドレス

京都大学 教授 中島 正愛 nakashima@archi.kyoto-u.ac.jp

JSPS 研究員 林 和宏 hayashi.kazuhiro.34n@st.kyoto-u.ac.jp

東京大学 研究員 林 旭川 lin@eri.u-tokyo.ac.jp

(2) 平成２５年度の成果

(a) 業務の要約

・超高層の鉄骨系建物などで用いられるコンクリート充填鋼管構造の柱部材を対象とし、

縮小試験体による準静的載荷から崩壊余裕度評価のための破壊解析検証用実験を実施

した。実験では、柱の断面形状と鋼材の種類を変数とし、当該柱部材の弾塑性変形性状

と最大耐力以降の劣化挙動を中心に、鉄骨系建物における柱部材の局所的な破壊挙動と、

建物全体の変形性状の関係についての実験データを蓄積した。

・汎用有限要素法解析コード Marc20121)を用いて、コンクリート充填鋼管造柱部材の破

壊シミュレーションを実施した。

(b) 業務の成果

1) 崩壊余裕度評価のための破壊解析検証用準静的実験

図 1 に試験体断面を、表 1 に試験体一覧を示す。また、試験体の立面図を、図 2 に載荷

計測システムとともに示す。試験体は断面形状と鋼材種（引張強度）を変数とし、通常軟

鋼 SM490 を用いた円形断面試験体 C8-25C、SM490 を用いた角形断面試験体 C8-25R、建

築用超高強度鋼 H-SA700 を用いた円形断面試験体 H8-25C、H-SA700 を用いた角形断面

試験体 H8-25R の計 4 体とした。試験体柱部の鋼管は、鋼板を冷間形成した後、溶接を施

144

した。ここで、円形鋼管は 1 シーム、角形鋼管は 2 シームとした。図 3 と表 1 に、鋼材の

引張試験結果を示す。超高強度鋼 H-SA700 の降伏応力は 788MPa であり、通常軟鋼 SM490の降伏応力 387MPa に比べ、約 2 倍の弾性変形能力を持つ。一方、破断伸びは 13%程度と、

SM490 に比べ 50%以下である。充填コンクリートは、普通ポルトランドセメントを用い

た高強度コンクリートとし、試験体の断面寸法を考慮して粗骨材の最大粒径は 15mm とし

た。導入軸力は、表 1 に示すように各試験体で降伏軸力の 25%とした。 試験体は、下端固定の片持ち柱形式とし、H-300×300×15×10 の基礎梁をコンクリート

充填鋼管構造柱部材に溶接接合した。試験体柱部高さは、危険断面位置から水平外力作用

位置までの距離で、1,100mm とした。

水平ジャッキ

1,100

1,554反力壁

2,000kN 鉛直ジャッキ

200kN

反力梁水平方向固定冶具

DT1

DT2

反力梁

載荷ジャッキ

接続用冶具

試験体

反力床

図 1 試験体断面図（Unit : mm） 図 2 載荷計測システム（Unit : mm）

図 3 鋼材の応力－ひずみ関係

表 1 試験体一覧

鋼管径 鋼管厚 降伏応力 引張強度 破断伸びコンクリート

圧縮強度 降伏軸力 軸力比

D t σy σt ε σb Ny n 試験体名 断面形状

(mm) (mm) (N/mm2) (N/mm2) （％） (N/mm2) (kN) H8-25C 150 6 788 837 13.5 79.28 3,325 0.25C8-25C

円形断面 150 6 387 488 28.3 79.28 2,236 0.25

H8-25R 150 6 788 837 13.5 79.28 4,102 0.25C8-25R

角形断面 150 6 387 488 28.3 79.28 2,778 0.25

(a) 円形断面 (b) 角形断面

145

試験体基礎梁は反力床に剛接合し、柱頭部はピン治具を介して 2,000 kN の鉛直ジャッ

キおよび 200kN の水平ジャッキと接続した。表 1 に示した作用軸力で一定に保持するよ

うに、鉛直ジャッキをコントロールしつつ、水平ジャッキを用いて正負交番漸増繰返曲げ

圧縮載荷を行った。正負交番載荷ステップは、部材変形角 0.025、0.005、0.01、0.02、0.03、

0.04、0.06、0.08、0.10rad とし、各ステップを正負 2 サイクルずつ(直下型地震動におけ

る繰返載荷を想定)とする。ここに部材変形角は水平ジャッキの水平変位を柱頭ピン治具か

ら基礎梁上部までの距離(1,100mm)で除した値と定義する。

図 2 に示すように、部材変形角算定のため、水平ジャッキ接続高さに変位計を配し、水

平変位を計測する。また、鋼管のひずみ量を検証するため、基礎梁上部から上側 50mm の

位置に、図 1 に示すひずみゲージを貼付した。

2) 有限要素解析

汎用非線形有限要素解析プログラム Marc20121)を用い、準静的載荷実験検証に対応す

る数値解析を実施した。解析モデルの柱断面を図 4 に、立面を図 5 に示す。解析モデル断

面はファイバー要素で構成し、角形断面の分割数は縦横とも 10 分割、円形断面は円周方

向を 16 分割、円周直交方向を 5 分割とした。また、材軸方向は 8 分割とし、分割寸法は

断面幅と同じ 150mm とした。

鋼材の材料構成則を図 6(a)に、コンクリートを同図(b)に示す。鋼材の引張側は、表 1 の

コンクリートファイバー

鉄骨 ファイバー

(a) 角形断面 (b)円形断面

図 4 解析モデル断面 図 5 解析モデル立面

応力

ひずみ e1

e0

Ψ=e1/e0

円形CFT : 0.0 角形CFT : 0.6

鋼材引張破断

応力

ひずみ

角形鋼管

プレーン コンクリート

円形鋼管

クラック

(a) 鋼材 (b) コンクリート

図 6 材料構成則

柱幅

変位制御

柱脚固定

軸力

146

材料特性に基づくトリリニアモデルとし、破断延びを超えると応力が消失するものとした。

一方、圧縮側は崎野ら 2)が示した鋼管の局部座屈を表現できるモデルを援用いた。コンク

リートは、崎野・Sun3)が示した鋼管の拘束によるコンファインド効果と最大耐力以降の

靭性変形が考慮できるモデルを用い、コンクリートテストピースの圧縮試験結果から、所

定数を決定した。 解析では、危険断面位置から高さ方向 1,100mm の点に強制変位を与える変位制御解析

を行い、実験システムと同様の条件を再現している。

3) 実験結果と有限要素法解析

図 7 に試験体 4 体の曲げモーメント‐部材変形角関係を示す。図は横軸に部材変形角を、

縦軸に試験体危険断面位置に作用した曲げモーメントを取る。ここで、曲げモーメントは

水平ジャッキの荷重に危険断面までの距離 1,100mm を乗じた値と、鉛直ジャッキの荷重

に水平変位を乗じた値（P‐Δ効果分）を足し合わせている。図中の実線は正負交番繰返載

荷実験結果を、破線は有限要素法解析結果を示している。各試験体はいずれも最大曲げ

実験

解析

150

100

50

0

-50

-100

-150

150

100

50

0

-50

-100

-150-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04 0.08 0.12-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04 0.08 0.12

Mom

ent (

kN.m

)

Drift angle (rad) Drift angle (rad)

Mom

ent (

kN.m

)

(a) C8-25R (b) C8-25C

150

100

50

0

-50

-100

-150

150

100

50

0

-50

-100

-150-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04 0.08 0.12-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04 0.08 0.12

200

150

100

50

0

-50

-100

-150

-200

Mom

ent (

kN.m

)

Mom

ent (

kN.m

)

Drift angle (rad) Drift angle (rad) (c) H8-25R (d) H8-25C

図 7 曲げモーメント‐部材変形角関係

147

耐力に至るまで安定的な挙動を示しており、初期剛性、降伏耐力、最大耐力の全てで、有

限要素法解析結果が良好に対応している。

図 8 に、各試験体の実験終了後の柱脚部写真を示す。外側鋼管に H-SA700 鋼を用いた

角形鋼管試験体 H8-25R では、部材変形角 0.06rad の最大曲げ耐力以降、危険断面位置上

方に局部座屈が発生し、その進展に伴う部材曲げ耐力の劣化を確認した。この角形試験体

における局部座屈は、円形試験体に比べ格段に大きく、部材変形角 0.10rad に至るまで、

鋼管には引張破断が発生しなかった。この鋼管の局部座屈変形挙動と、それに伴う部材耐

力劣化性状は、通常軟鋼 SM490 を用いた試験体 C8-25R でもほぼ同様である（図 8(a)お

よび(c)参照）。図 7 の曲げモーメント－部材変形角関係では、最大耐力以降の劣化領域に

おいても有限要素法解析結果が実験結果を良好に追跡できており、図 4～6 の解析モデル

が、鋼材の種類を問わずコンクリート充填鋼管構造柱部材の局部座屈を表現できることが

わかる。

一方、外側鋼管に超高強度鋼 H-SA700 を用いた円形断面試験体 H8-25C では、最大曲

げ耐力以降に外側鋼管に破断が発生した。この鋼管破断は、最大曲げ耐力を記録した次の

ステップである 0.08rad で破断が生じている。破断が生じた後は試験体の耐力が大幅に低

下しており、部材変形角 0.10rad での残存耐力は最大値の 50%程度に止まる。既往の文献

4)では、H-SA700 鋼を用いた鉄骨柱部材が曲げ圧縮を受ける場合、危険断面位置に局部座

屈が発生すると引張ひずみ量が頭打ちとなり、結果的に鋼材の破断が回避される結果を得

た。本実験のコンクリート充填鋼管構造柱試験体も同様に、局部座屈が大きい角形断面で

は破断が発生せず、局部座屈が小さい円形断面では鋼管が破断に至っている。図 7 の曲げ

モーメント－部材変形角関係では、部材変形角 0.08rad 以降の領域で、鋼管の破断に伴う

耐力劣化が有限要素法解析でも再現されており、破断後の残存耐力および変形挙動も概ね

実験と対応している。通常軟鋼 SM490 を用いた円形試験体 C8-25C は、0.10rad の最終載

200

150

100

50

0

-50

-100

-150

-200

Mom

ent (k

N.m

)

(a) C8-25R (b) C8-25C

200

150

100

50

0

-50

-100

-150

-200

Mom

ent (k

N.m

)

(c) H8-25R (d) H8-25C

図 8 実験終了後柱脚部写真

148

荷ステップに至るまで劣化が生じず耐力が上昇し続けており、こちらも有限要素法解析と

の対応が良好であった。

(c) 結論ならびに今後の課題

・コンクリート充填鋼管構造柱を模した試験体の準静的載荷実験を実施し、柱の断面形

状と鋼材の種類（材料強度）を変数とした場合の部材弾塑性変形挙動、局部座屈とそ

れに伴う劣化性状、鋼管の破断とそれに伴う大幅な耐力に関する詳細情報を蓄積した。

・汎用有限要素法解析コード Marc2012 を用いて、コンクリート充填鋼管構造の柱部材

の変形挙動を再現する解析モデルを構築した。解析結果は、準静的載荷実験において

計測された試験体の初期剛性や最大耐力を精度良く表せるだけでなく、最大耐力以降

に発生する局部座屈や鋼管破断に伴う耐力劣化・低下をも適切に追跡することができ

た。

・鉄骨造建物の崩壊に直結する柱部材の終局変形挙動（平成 25 年度実施分）と、柱梁

接合部における梁端破断現象（平成 24 年度実施分）に関して、準静的載荷実験による

挙動と崩壊を精度良く追跡できる解析モデルを構築した。今後は、対象とする構造形

式をさらに増やすことや、他の構造部材の崩壊挙動を吟味するなど解析モデルの精度

向上を図り、それらに基づいた鉄骨造建物全体の崩壊シミュレーションに着手する。

(d) 引用文献

1) MSC software：Marc 2012、2012.

2) Sakino K and Sun Y. (1994). Stress–Strain Curve of Concrete Confined By

Rectilinear Hoop.’’ J. Struct. Constr. Eng. AIJ, Vol 461. pp. 95–104.

3) Sakino K, Nakahara H, Morino S and Nishiyama I. (2004). Behavior of Centrally

Loaded Concrete-Filled Steel-Tube Short Columns. Journal of Structural

Engineering, ASCE, Vol 187. Issue February. pp. 180-188.

4) 林和宏、岡崎太一郎、林旭川、中島正愛：H‐SA700 鋼を用いたボルトによる組立柱

部材の曲げ性能、 日本鋼構造協会鋼構造論文集、Vol.19、 No.76、 pp.25-35、 2012.

12.

(e) 学会等発表実績

学会等における口頭・ポスター発表

なし

学会誌・雑誌等における論文掲載

掲載論文（論文題目） 発表者氏名 発表場所

（雑誌等名）

発表時期 国際・国

内の別

鉄骨造溶接柱梁接合部の繰

返し載荷挙動 その1 準

静的載荷実験

林 和宏

羅 雲標

林 旭川

2013年度日本建築

学会大会学術講演

梗概集

2013年8月 国内

149

倉田 真宏

中島 正愛

Cyclic Behavior of Welded

Moment-Resisting Beam-to

-Column Connection Part

2 Structural Zooming

Analysis on Local Behavior

X. Lin

Y. Luo

K. Hayashi

M. Kurata

M.

Nakashima

2013年度日本建築

学会大会学術講演

梗概集

2013年8月 国内

マスコミ等における報道・掲載

なし

(f) 特許出願、ソフトウエア開発、仕様・標準等の策定

1)特許出願

なし

2)ソフトウエア開発

なし

3) 仕様・標準等の策定

なし

(3) 平成２６年度業務計画案

・平成 25 年度に実施した大型振動台実験の解釈と崩壊余裕度評価法の構築のために、

要素実験と材料試験を実施する。

150