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柱崩壊と梁崩壊

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. 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。. 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

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Presentation Transcript

  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。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。

  4. (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 力をぬく 塑性変形

  5. 弾性と塑性 応力(N/mm2) 1000 800 600 400 200 0 780N/mm2鋼 590N/mm2鋼 590N/mm2高性能鋼 SM490 SS400 塑性領域 途中で力を抜いても、元の形に戻らない 弾性領域 010203040　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？

  7. 塑性変形した例 普通はこんな変形まで考えません

  8. もういちど弾性と塑性 応力(N/mm2) 600 400 200 0 SS400 010203040 歪み(%)

  9. (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

  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. 長野 金沢 福井 富士山 岐阜 大津 京都 名古屋 静岡 豊橋 浜松 津 東海地震 東南海地震 南海トラフ 南海地震 地震荷重の特殊性(2) 地震は、地球の一部が揺れ動く 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。

  13. 地震力をうまく逃がした例 法隆寺　五重塔

  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

  15. 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

  16. 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 SS400 010203040　歪み(%)

  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。

  18. (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 強度指向型 ～ 靭性指向型 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。

  19. 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

  20. ルート2の設計 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）

  22. (4)塑性設計から見たSN鋼 降伏比　YR = YP / TS 応力(N/mm2) 600 400 200 0 破断伸び SS400 引張強度 TS 降伏点強度 YP 010203040　歪み(%)

  23. SS鋼とSN鋼の違い（2）

  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) 600 400 200 0 降伏点に上限なし 引っ張り強度はこの間に 010203040　歪み(%)

  25. ＳN４００B,C , BCP235の場合 降伏点に上限あり この間が2割以上離れている 応力(N/mm2) 600 400 200 0 降伏比≦80% 010203040　歪み(%)

  26. BCR295の場合 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 応力(N/mm2) 600 400 200 0 降伏比≦90% 010203040　歪み(%)

  27. 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

  28. 引っ張り、圧縮を交互にかけた場合 SN400B 応力　500 (N/mm2) 引張側 歪み -4 -2 0 2 4 (%) 圧縮側 -500

  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

  32. 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。 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。 0.2倍 建物重さ

  33. 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。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) 330ガル M=7.9十勝沖地震(1968)八戸 235ガル M=7.9宮城県沖地震(1978) 432ガル M=7.4兵庫県南部地震(1995) 818ガル M=7.2 ≒200ガル

  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。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・・・ • 地震計の出力をフィルター関数で処理する。 • 0.3秒以上連続しないピークは取り除く。 • 対数表示にする。 １ ２ ３ 経過時間 振動周期

  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。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。

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