Transcript 柱崩壊と梁崩壊 - 岐阜建築鉄骨技術交流会

1
第４回岐阜建築鉄骨技術交流会
（かんたん構造講義）
第3部 その1
柱崩壊と梁崩壊
(塑性設計の話)
塑性設計の概要
那由多デザインオフィス
多田 昌司
2
柱崩壊と梁崩壊とは
柱、梁のどちらが先に塑性変形するか
ということです。
塑性変形を考慮した設計法を
塑性設計と言います。
3
よく、昭和56年の建築基準法改正以前に建てられ
た建物は、耐震強度が低いと言われます。
しかし、改正によって、想定地震力が引き上げられ
たわけではありません。
昭和56年の改正の内容は、
・バランスの悪い建物を制限した
・塑性設計を取り入れた
この2点に集約できます。
(1) 塑性変形とは
最初の状態
引っぱる
弾性変形
力をぬく
さらに引っぱる
塑性変形
力をぬく
4
5
弾性と塑性
応力(N/mm2)
1000
780N/mm2鋼
800
590N/mm2鋼
600
590N/mm2高性能鋼
400
塑性領域
200
弾性領域
途中で力を抜いても、
元の形に戻らない
0
0
10
20
30
40
歪み(%)
6
しつこいですが
元の形に戻らないとは
どういう事でしょうか？
塑性変形した例
普通はこんな変形まで考えません
7
もういちど弾性と塑性
応力(N/mm2)
600
400
200
0
0
10
20
30
40
歪み(%)
8
(2) 塑性設計するわけ
塑性領域まで使っても、それほど
耐力が大きくなるわけではありません
では、いったい、何のために
建築では、塑性変形まで
考えるのでしょうか
9
10
地震荷重の特殊性(1)
大きな物体が振動すると、
その上の小さな物体は大きく揺れます。
11
地震荷重の特殊性(2)
地震は、地球の一部が揺れ動く
長野
金沢
福井
京都
富士山
岐阜
大津
名古屋
豊橋
津
静岡
浜松
東海地震
東南海地震
南海地震
そのエネルギーは
広島原爆
千～数万個分
12
どうやら、われわれは
とんでもないものを相手にしているらしい
ということが、わかってきました。
まともに太刀打ちできる相手ではないので、
その力をうまく逃がす工夫が必要です。
地震力をうまく逃がした例
法隆寺 五重塔
13
14
法隆寺の五重塔が
どうやって地震力を逃がしているのかは
いろいろな説がありますが
そのひとつは
組み合わされた部材が擦れあうことで
エネルギーを吸収している
というものです。
ではなぜ、エネルギー吸収が有効なのでしょう
エネルギーと運動の関係
大きな質量の運動が、小さな質量に伝わると、
運動（速度）が増幅される
しかし、エネルギー吸収があると、増幅が少ない
15
鋼材の塑性変形で吸収できるエネルギー
仕事によるエネルギー量 ＝ 力×移動距離
つまり、エネルギーは下図の水色の面積に等しい
応力(N/mm2)
600
400
200
0
0
10
20
30
40
歪み(%)
16
17
エネルギー吸収によって、
建物に伝わる振動がへる
ただし、これは現在では
仮説のひとつにすぎません。
しかし、鋼の大きな塑性変形能力が
鉄骨造の耐震性を高めているのは
まちがいないようです。
(3)どんなとき塑性設計するのか
現在の建物は、次の3つのうちの、どれかの方法で設計されています。(*1)
ル
ー
ト
建物
規模
計算方法
１ 小規模
許容応力度計算
２ 超高層
以外の
すべて
３
許容応力度計算と
保有水平耐力計算
想定
その他の条件
地震力
0.3G
仕口破断の防止
強度指向型
0.2G
～
0.3G
仕口破断の防止
柱脚の破壊防止
靭性に富む柱梁
バランスの良い
建物
仕上げ材脱落の
防止
靭性指向型
0.2G
1.0G
仕上げ材脱落の
防止
塑性設計型
(*1)平成12年の建築基準法改正で、これらと大きく異なる計算
方法（限界耐力設計法）が追加されました。
18
ルート1の設計
強度指向型
強く作ることで塑性設計を免除
• 規模等
： 小さいものに限る
（階数3・高さ13m・軒高9m・スパン6m・延面積500㎡ 以下）
• 計算方法
： 許容応力度計算のみ
• 地震力
： 0.3G(通常の1.5倍)
• 塑性の考慮 ： 仕口の破断防止
19
ルート2の設計
20
靭性指向型
個々の材に十分な伸び性能を
持たせることで全体的な塑性設計を免除
・規模等
： 超高層以外すべて。ただしバランスの良い
建物に限る(偏心率、剛性率の制限)
・計算方法 ： 許容応力度計算のみ
・地震力
： 0.2G
ただしブレースの割合に応じて最大0.3G
・塑性の考慮： 仕口の破断防止・柱脚の破壊防止・座屈防
止、局部座屈防止(板厚の制限)
・その他
： 仕上げ材脱落の防止（過大な変形禁止）
21
ルート3の設計
塑性設計型
保有水平耐力計算による塑性設計
・規模等
：超高層以外すべて
・計算方法
：許容応力度計算と保有水平耐力計算
・地震力
：許容応力度計算 0.2G
保有水平耐力計算 1.0G
(ただし伸び能力に応じて0.25～0.55倍に低減)
・塑性の考慮 ：個別の制限はない
(すべて、保有水平耐力計算で考慮)
・その他
：仕上げ材脱落の防止（過大な変形禁止）
(4)塑性設計から見たSN鋼
降伏比 YR = YP / TS
応力(N/mm2)
600
破断伸び
400
引張強度 TS
200
降伏点強度 YP
0
0
10
20
30
40
歪み(%)
22
23
SS鋼とSN鋼の違い（2）
降伏点強度 引張強度
降伏比 炭素量 破断伸び 特徴
YR(%) C(%) (実測%)
YP(N/mm2)
TS(N/mm2
SS400
16<t ≦40
235 ≦
400 ≦
≦510
---
SN400A
t ≦40
235 ≦
400 ≦
≦510
SN400B
12<t ≦40
235 ≦
SN400C
12<t ≦40
21 ≦
ほんらい溶接に
は使えない
---
≦0.23 21 ≦
軽微な溶接に耐
えるようCを制限
400 ≦
≦355
≦510
≦ 80
≦0.20 22 ≦
溶接用
SM400を改良
235 ≦
400 ≦
≦355
≦510
≦ 80
≦0.18 21 ≦
厚み方向の試験
を義務付け
BCR295
12<t ≦22
295 ≦
400 ≦
≦445
≦550
≦ 90
≦0.20 27 ≦
(23 ≦)
冷間加工鋼材
()は t<16
BCP235
16<t ≦40
235 ≦
400 ≦
≦355
≦510
≦ 80
≦0.20 22 ≦
冷間加工鋼材
---
24
SS400の場合
規格からは、実線のような鋼材もありえます
応力(N/mm2)
降伏点に上限なし
引っ張り強度はこの間に
600
400
200
0
0
10
20
30
40
歪み(%)
25
ＳN４００B,C , BCP235の場合
応力(N/mm2)
降伏点に上限あり
この間が2割以上離
れている
600
400
200
降伏比≦80%
0
0
10
20
30
40
歪み(%)
26
BCR295の場合
応力(N/mm2)
冷間加工するとはっきり
した降伏点が出なくなる
(0.2%オフセットを採用)
この間が1割以上離
れている
600
400
200
降伏比≦90%
0
0
10
20
30
40
歪み(%)
角型鋼管の規格
SN400B →冷間加工→ BCR２９５
降伏点強度が上昇
SN400Bと異なる規格
SS400 →冷間加工→ STKR400
降伏点強度が上昇 （平均355N/mm2）
が、SS400の規格をそのまま適用
SN400B →冷間加工→ BCP２3５
加工は角の部分だけ
SN400Bと同じ規格
27
28
引っ張り、圧縮を交互にかけた場合
応力 500 (N/mm2)
SN400B
引張側
歪み
-4
-2
0
圧縮側
-500
2
4 (%)
29
後半へ続く・・・・・・
30
参考文献
井上一郎 / 建築工構造の理論と設計 / 京都大学学芸出版会
(社)鋼材倶楽部 / 建築構造用圧延鋼材(SN材)JIS G3136-1994
(財)日本建築センター / 冷間成型角型鋼管設計・施工マニュアル
足利裕人 / 力学シミュレーション入門 / 現代数学社
31
最後のスライドです
おまけ
ページに空きができたので、ここで、建築基準法の
地震力の考え方などを紹介しておきます。
0.2倍
建築基準法では、昭和56年以前は
震度係数=0.2という呼び方で、そ
れ以降は層せん断力係数=0.2とい
う呼び方で、許容応力度設計で使
う地震力を規定しています。
多少計算方法に違いはあるものの、
どちらも「建物自身の重さの0.2倍
を水平力としてかける」という考
えが基本になっています。
建物重さ
32
33
≒200ガル
これは、建物1階に入ってきた振動として、
0.2G(≒200ガル)の水平加速度を想定する。
と言うことになるのでしょう。建築基準法には、
加速度、ガル、などの言葉は出てきませんが。
１G = 980ガル = 980cm/sec2 です。
最近は、TVでも、大地震のニュースで、ガルを
表示するようになって来ました。建築基準法を
意識しているのかもしれません。
ただし、こちらは地面のゆれ、建築基準法は建
物1階のゆれです。
関東大震災(1923)
十勝沖地震(1968)八戸
宮城県沖地震(1978)
兵庫県南部地震(1995)
330ガル
235ガル
432ガル
818ガル
M=7.9
M=7.9
M=7.4
M=7.2
34
とはいえ、多くの方々には、「ガル」よりも「震度」のほうがお馴
染みでしょう。
震度は、昔は、気象台の予報官が、体感で決めていました。
平成8年から加速度地震計を使うようになりましたが、体感で決
めていた時代と整合するように・・・
1. 地震計の出力をフィルター関数で処理する。
2. 0.3秒以上連続しないピークは取り除く。
3. 対数表示にする。
１
２
振動周期
３
経過時間
35
という手順をふんで決められます。
ガルは地震計の出力そのままですから、震度とはあまり
整合しません。
気象庁のホームページより
36
震度の処理の最後に「対数」があるため、震度が２増
えると、加速度は10倍増える、という関係になります。
つまり、ようやく揺れを感じる震度０の地震と、震度7
の激震を比べると、3000倍も加速度が違うことになりま
す。これでは尺度が粗すぎて、建物の設計には使えない
わけです。
日本では7段階の震度を使いますが、外国では12段階の
震度を使うところが多いです。外国のニュースを聞くと
きは、どの震度なのかに注意する必要があります。
また、震度を使わずマグニチュードだけで表す国もあ
ります。これは震源となる地盤が1種類しかない場合は、
それだけで被害の大きさや範囲が決まってしまうからで
す。