角形薄肉 CFT 柱の曲げせん断実験による劣化挙動の分析および耐力評価

佐藤
1. 序論

亮輔

での角形 CFT 柱の構造性能や耐力劣化性状を分析、評

近年、CFT 構造(Concrete Filled Steel Tube)は S価することが目的である。

造、RC 造、SRC 造に次ぐ構法として普及が進んでおり、

2. 実験計画

高層建築物への適用が多くみられる。建物のさらなる2.1 試験体および載荷装置

高層化に伴い、一般には使用する材料も高強度化する

表 1 に本実験で使用する試験体、表 2 に鋼材引張試傾向にある。一方、高強度材を使用することによる材験結果、充填コンクリートのシリンダー試験結果を示

料価格の上昇や、施工難度が上がるなどのデメリットす。また、図 1 に試験体図面、図 2 に載荷装置の全体がある。技術力の高さや施工事例に富むゼネコンなど

図を示す。柱脚部はベースプレート上部に溶接されてには普及するが、そうでない施工者への CFT の適用はおり下端は固定端とした。上端はピンで 10MN 試験機今後の課題ともいえる。また、使用する鋼管を薄肉化および 1000kN ジャッキに接続した。また、柱脚の固することにより、経済的な設計が可能になる。

定端から柱頭ピンまでは 1140mm であり、径高さ比が以上の理由から、本実験では鋼管幅厚比の大きい領4（Lk/D=8）の中柱に分類される（CFT 構造設計施工域を対象として、実験を行う。また、材料強度は鋼材指針（以下 CFT 指針））1)。

を 590N/mm²級程度、コンクリートを Fc80～90 程度を上限値として実験変数を決定した。
実験を通して、薄肉かつ超高強度材を使用しない範囲
表1

実験で使用する試験体
コンクリート

No.

試験体名

鋼管規格

設計基準強度

柱幅B[mm][N/mm²]

柱せい
D[mm]

表2
板厚t[mm]

幅厚比D/t軸力比

コンクリート単調載荷
No.1

t6n023No.2

t6n042No.3

t6n0600.23SN49060285

材料試験結果285647.5

0.420.60

ヤング係数

鋼管板厚tN/mm²

N/mm²

mm

N/mm²64.8

32306.2

6.24380.6

降伏ひずみ

引張強度

t6n023cNo.5

t6n042cNo.60.23
SN49060285%

N/mm²0.18545.9

285647.5

t6n060c0.420.60

図1

降伏応力

鋼材

繰返し載荷
No.4

鋼材

シリンダー強度

試験体図面

図261-1

降伏比69.7

試験機全体図（西面）

ヤング係数
N/mm²205803

図3

変位計 計測位置

図42.2 載荷方法

ひずみゲージ 計測位置った。

柱頭のピン治具を介し、10MN 試験機により一定3.2 単調載荷と繰返し載荷の対応関係の軸力を与える。一定軸力下で 1000kN ジャッキに

図 6 に同軸力比の単調載荷、繰返し載荷の曲げモより柱頭部に水平力を与え、単調載荷と正負交番載ーメント－部材角関係の対応関係を示す。図中の赤荷を行う。付与する軸力は載荷治具の制約により決線が単調載荷、黒実線が繰返しにおける正側、破線定し、その範囲で低軸力、高軸力とその中間をとるが負側の繰返しによる累積変形を表している。累積軸力比を設定した。繰返し載荷のプログラムは柱脚

変形は、モーメントが正の部分と負の部分で分けて、からピンまでの部材角で制御し、R=±0.25%で 1 サそれぞれの履歴曲線をつなぎ合わせたものである。

イクル、その後は R=±0.5%から 2 サイクルごとにいずれの軸力比の実験においても単調載荷は繰返し0.5%ずつ増加する漸増振幅載荷を行う計画とした。

載荷を概ね包絡するような傾向にある。ことがわか

2.3 測定方法る。このような傾向は津田等 2)の論文でも示されて

図 3、図 4 に変位計、ひずみゲージの計測位置をいる。

示す。計測位置は全体の挙動、および柱脚部の局部座屈性状を観察できるように設定した。
3. 実験結果
3.1 破壊性状および荷重－変形関係
図 5 に単調載荷、および繰返し載荷の水平力－部材角関係を示す。繰返し載荷のグラフには単調載荷のグラフを重ねて表示した。各グラフに燈色の破線（a）No.1 t6n023（b）No.4 t6n023c（c）No.2 t6n042（d）No.5 t6n042c（e）No.3 t6n060（f）No.6 t6n060c

による剛塑性崩壊機構直線を重ねて示しており、終局曲げ耐力は CFT 指針 1)に従って求めた値を使用した。また、写真 1 に水平載荷終了時点の各試験体（北西柱脚部）の写真を示す。No.1 では最大耐力発現後の勾配が塑性崩壊機構直線の勾配とほぼ一致しており、柱脚部の耐力劣化がほとんど起こらなかった。
図には示していないが、柱脚部の曲げモーメントも一定値を保持し続けた。No.2 では最大耐力発現後に塑性崩壊機構直線の勾配を大きく上回る勾配を示しており、変形の進行に伴い徐々に劣化は緩やかになっていった。No.3 では前述した 2 体に比べて急激に耐力劣化が進行した。繰返し載荷においては、最大耐力点までは単調載荷をやや上回る形で進行するが、それ以降は同目標部材角のサイクルで明確な耐力低下が見られ、高軸力の実験ではその傾向が顕著であ

写真 161-2

破壊性状（水平載荷終了時）

（a）No.1 t6n023（b）No.2 t6n042（c）No.3 t6n060（d）No.4 t6n023c（e）No.5 t6n042c（f）No.6 t6n060c

図5

水平力－部材角関係
リートは Popovics の提案式を使用し、劣化域は崎野・孫式 5)の提案による 2 段階に線形化したモデルである。

（a）No.1, No.4（n=0.23）（b）No.2, No.5（n=0.42）（a）鋼材（c）No.3, No.6（n=0.60）
図6（b）充填コンクリート

図7

応力―歪関係モデル 3)

図8角形 CFT 柱の断面分割単調挙動と繰返し挙動の対応

4. 耐力劣化を考慮した解析
4.1 解析概要
本解析では、河野等が開発した解析プログラム 3)を使用している。柱梁などの要素は材軸方向、また断面要素を任意に分割することで応力繊維を構成する。平面骨組の各要素に任意の材料特性を与え、変4.3 解析結果および断面分割の提案

位や荷重を指定することで本解析が実行される。

コンクリートの全断面を均一な材とみなす従来の手要素ごとの応力－歪関係モデルは小俵氏の修士論文

法に加えて、角部付近の拘束効果が強いことを考慮で使用されたモデルを使用した。過去の論文ではした断面分割（図 9）を提案する。

様々な既往の研究および実験を再現しており、本解図 10 に各断面分割モデルの解析結果を示す。No.1

析の妥当性を示している。

においては Type5 の解析が比較的精度よく水平力減

4.2 応力－歪関係モデル

少の勾配を示した。No.2、No.3 では Type4 の解析が4)

図 7 に本解析で使用する応力－歪関係モデルを示

比較的実験結果に近しい劣化性状を示した。Type1す。鋼材は Menegotto-Pinto モデルを基本とし、繰返（従来の解析モデル）では、特に低軸力の場合は水しによる剛性低下を考慮したモデルである。コンク

平力減少勾配がやや過大に表現されている。この傾61-3

向を修正するために、角部の拘束効果をコンクリー

果による圧縮強度の増加を期待できる。松井らの著

トのモデルに反映させることは有効な手段といえる

書 6)において、角形鋼管の拘束効果について言及さだろう。

れている。すなわち、軸圧縮時に側圧により充填コンクリートが三軸圧縮状態となり圧縮強度の上昇が期待できる。図 11 は上記の考察に従って終局曲げ耐力を割り増したものを剛塑性崩壊機構直線に適用した結果である。

劣化考慮

劣化考慮しない

劣化考慮

劣化考慮

劣化考慮しない劣化考慮しない（a）Type1（従来）（b）Type2（d）Type4
劣化考慮

図9

劣化考慮

劣化考慮

劣化考慮しない（c）Type3

劣化考慮しない（e）Type5（劣化なし）（a）No.1

劣化考慮しない（b）No.2

充填コンクリートの断面分割モデル（a）No.2（b）No.3（b）No.3
図 11

柱脚部の材料強度を割増した
剛塑性崩壊機構直線

6. まとめ
単調載荷と繰返し載荷の両方において、高軸力下では耐力劣化が顕著に現れた。ファイバー要素解析（c）No.3に関しては図 9 に示した断面分割の方法を適用することで精度良く劣化性状を示すことができた。
角形 CFT に関する既往の研究と同様に、曲げ耐力

図 10

実験値と解析値の比較は理論値を上回る傾向にあった。柱脚部の拘束効果

5. 耐力評価の考察を考慮して終局曲げ耐力を割り増しすることにより既存の耐力評価では、柱脚部の曲げモーメントが実験値に近い値を示した。

全塑性曲げモーメントに達した状態を曲げ終局状態とする。曲げモーメントが作用する鋼管柱脚部の応

参考文献

力状態を考えると、軸方向と柱幅（せい）方向の二1)

軸圧縮ないしは二軸引張となることが考えられる。

2)

軸方向圧縮の状態になると鋼材は軸縮みを起こし、直交方向の伸びが生じる。しかし、柱脚部はベース

3)プレートに溶接されており、直交方向の伸びが拘束4)され、その結果圧縮応力が生じる。二軸応力状態の降伏はミーゼスの降伏条件で考えることができ、降5)伏に至るための軸方向応力の割増が期待できる。ま6)

た、充填コンクリートに関しても同様である。鋼管
柱脚部は溶接により固定されており、鋼管の拘束効
61-4

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