B-04-02

第24回計算工学講演会

計算工学講演会論文集

計算工学会

Vol.24 (2019年5月)

制振ブレースの損傷を考慮した
超高層鋼構造骨組の長時間時挙動解析
Dynamic Analysis of Super High-Rise Steel Building Frame Model
Considering Fatigue Fractures of Damping Braces under Long-Duration Earthquake Motion武田拓1)，磯部大吾郎2)
Takumi Takeda and Daigoro Isobe
1) 筑波大学大学院（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail: tkm0515hrkz@gmail.com)
2) 博（工）筑波大学教授（〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1, E-mail:isobe@kz.tsukuba.ac.jp）
In this paper, behaviors of super high-rise steel building frame with damping braces under long-duration
earthquake motion were simulated. The adaptively shifted integration (ASI)-Gauss code, which can stably
simulate those phenomena with strong nonlinearities such as member fracture, was used in this analysis.
The numerical result had shown the reduction of displacement and acceleration of the building owing todamping braces. However, it had also shown a transition of dynamic characteristics during long-duration
earthquake motion, due to low-cycle fatigue fractures of damping braces located in lower floors.
Key Words : Finite element method, Dynamic analysis, High-rise building, Buckling restrained brace,
Low-cycle fatigue fracture, ASI-Gauss code1.

緒言

層鋼構造骨組に設置されたブレースの制振機能を評価す

科学技術の発展に伴い我が国の都市近郊では高層建造る．解析手法には大規模な骨組構造の挙動を低コストで物が増加の一途をたどっており，地震時の被害を軽減す解析することができるASI-Gauss法[2]に基づく有限要素るために制振技術の適用・開発が盛んに行われている．制

解析コードを用いる．

振技術を大きく分類すると，外部からのエネルギー入力

超高層鋼構造骨組の地震時挙動解析なしで，それ自体が変形することで揺れを抑制するパッ2.

シブ制振，少量の電力を入力して制振するセミアクティ(1) 中心鋼材の疲労破断アルゴリズム

ブ制振，外部から主に電力を得て振動を制御するアクテ本研究では，制振ブレースとして一般的に広く普及しィブ制振があるが，その中でも設計・施工性が高く安価でている座屈拘束ブレースを解析対象とする．座屈拘束ブあることから，パッシブ制振が広く普及している．

レースでは，中心鋼材とモルタルの間にアンボンド材とパッシブ制振の減衰機構にはいくつか種類がある.その呼ばれる緩衝材を用い，鋼管とモルタルには軸力が伝達中で，中心鋼材に低降伏点鋼を用い，その周囲をモルタルしないようにしている．使用する座屈拘束ブレースは中と鋼管で覆い座屈を拘束し，安定的に塑性化させること

心鋼材の断面形状が＋型で，使用されている鋼材はBT-により制振する座屈拘束ブレースは，メンテナンス性がLYP225である．

高いためよく用いられる．しかし，既往の研究[1]により座屈拘束ブレースの破断アルゴリズムは，新日鉄住金

低降伏点鋼は繰り返し荷重を受けることで低サイクル疲エンジニアリングにより行われたアンボンドブレースの労破断を起こすことが示されており，長時間地震動のよ疲労試験[3]の結果を基に構築した．この試験ではブレー

うな外乱下では座屈拘束ブレースの制振機能が消失する

スを鉛直に設置し，±10.9mmの変位制御で軸方向交番載恐れがある．さらに，近年発生が危惧されている南海トラ荷を行い，中心鋼材が破断するまで続ける．試験の結果，フ沖地震が生じると都市部の建築物は長時間・長周期の18回の繰り返し載荷で疲労破断することが確認された．

地震力を受けることが予測されているため，低サイクル

座屈拘束ブレースの破断条件には，以下の式で定義す

疲労破断を考慮した上で座屈拘束ブレースの制振性能をる累積塑性変形倍率を用いる．

評価し，適切な制振設計に生かすことは都市防災上極めて重要な課題であるといえる．

ηf =そこで本研究では，座屈拘束ブレースの疲労破断を考∑𝜀𝑝𝜀𝑦(1)

慮した上で，南海トラフ沖地震を受けた際の超高層鋼構造骨組の挙動を有限要素法を用いて解析する．そして，得ここで𝜀𝑝 は塑性ひずみ，𝜀𝑦 は降伏ひずみ(=降伏応力/ヤンられた解析結果を基に，長時間地震動を受けた際の超高グ率)である．Σ𝜀𝑝 は座屈拘束ブレースの履歴曲線における© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-02 -B-04-02

第24回計算工学講演会

塑性ひずみの総和である．今回解析対象とする座屈拘束ため，この疲労破断アルゴリズムは妥当であるといえる．

ブレースに用いられている塑性化部の鋼材の降伏応力は(2) 解析モデルの概要

252225N/mm ，ヤング率は2.06×10 N/mm であるため，降伏解析対象は，地上31層，高さは129.7m，平面形状は50.4m

ひずみは1.09×10−3 となる．また，疲労試験結果から破断×36mの事務所ビルとし，ブレース無しモデル[4]及びブ時の累積塑性変形倍率は1,261とした．

レースを設置したモデルの2種類を作成した．架構形式は以上の破断判定アルゴリズムの妥当性を検証するため，センターコア形式のS造である．ブレース無しモデルは総疲労試験の再現解析を行った．解析モデルの寸法と詳細

要素数23,115，総節点数は14,674，固有周期はX(NS)方向

図を図1に示す．全体の要素数は6，節点数は7である．こが2.94秒，Y(EW)方向が3.36秒である．ブレースを設置しこでヒンジ要素とは，設置した面と垂直になる軸回りのているモデルは要素数25,719，節点数16,844である．固有曲げ剛性のみを10−12 倍している微小要素である．疲労試

周期はX(NS)方向が2.61秒，Y(EW)方向が2.96秒である．な験と同様に，所定の軸方向変位が生じるように変位制御

お，ブレース有りモデルに関しては，疲労破断を考慮しなしながら荷重を作用させた．解析によって得られた累積

い場合とする場合の2通りで解析を行った．ブレース有り

塑性変形倍率-繰り返し数関係を図2，応力-軸ひずみ関係モデルの概観を図4に示す．また，設置したブレースの取を図3に示す．解析の結果，破断するまでの繰り返し回数

り付け位置と材料特性を図4，図5と表1に示す．

は17回となり，疲労試験結果の18ループと概ね一致した

以降，行った3種類の解析について，座屈拘束ブレースが設置されていないモデルの解析をcase A，座屈拘束ブレースが設置されており，疲労破断が考慮されていないモ

Y (EW)

評価点
X (NS)

ヒンジ要素
弾性要素
弾塑性要素

1200

129.7m

Accumulation of Plastic Deformation Magnification

図 1 疲労試験再現解析モデルの寸法と詳細図

800400Z (UD)Z (UD)
0246810 12 14 16 18 20

Repeat Count50.4m

図 2 累積塑性変形倍率‐繰り返し数関係

36.0m

X (NS)

図 4 座屈拘束ブレース有りモデルの平面図と立面図

200Stress [Mpa]1000-100Y (EW)-200-0.03

-0.02

-0.01
00.01
Axial Strain

0.020.03

X (NS)

図 5 超高層鋼構造骨組の伏図

図 3 応力―軸ひずみ関係© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-02 -Y (EW)

B-04-02

第24回計算工学講演会

表 1 座屈拘束ブレースの材料特性
V1V2V11階層 ヤング率[Mpa] ポアソン比 密度[kg/mm3]
1，22060.3
7.86×10-6-63～31
206
0.3
7.86×10

中心鋼材の断面積[cm2]6789

1，23～31206
206

0.3
0.3

7.86×10
7.86×10-6-678
100

1，22060.3

7.86×10-6

89

3～31

206

0.3

7.86×10-6

67

1200

Acceleration [gal]符号

デルの解析をcase B，座屈拘束ブレースが設置されており，

X(NS)
Y(EW)

800

Z(UD)

4000

疲労破断が考慮されているモデルの解析をcase Cとする．

0123456

Period [s](3) 解析条件

図 7 南海トラフ地震模擬地震波の応答加速度スペクトル

本解析の加振波には，図6，図7に示す，防災科学技術研
究所地震研究グループによって作成された南海トラフ地震模擬地震波（大阪波）[5]の200%を用いる．推定震源域

タの時間刻みは0.001秒である．

解析結果

3.

は，南海，東南海，想定東海，四国沖の4連動となっておまず，case A と case B モデルを比較する．評価点を図り，500秒と長い揺れであるが，ここでは大きな揺れとな4 の赤点の位置とした際の応答変位の比較を図 8 に示す．

る100秒時から500秒時までを使用し，以降，原波100秒時

case A は全体的に応答変位が大きく，加振から 165 秒付を解析時刻0秒時とする．なお，時間増分および入力デー

近より 1 階部分が NS 方向に倒壊し，続いて 220 秒付近で 2 階部分が斜め方向に倒壊した．これは長時間地震により柱に想定を超えた負荷がかかったためだと考えられる．一方，case B では初期の段階から応答変位が抑制されており，全ての加振を終えても倒壊は見られなかった．以上より，座屈拘束ブレースによる制振性能が確認された．
次に case B と case C それぞれの結果を比較する．
図 9，
図 10 にそれぞれの応答変位と応答加速度の時刻歴を示す．
これらの図より，最初の破断が発生した 160 秒後以降か
ら応答変位，応答加速度ともに疲労破断を考慮した case(a) X(NS)方向

C の方が大きくなっていることが分かる．
最後に，case C における座屈拘束ブレースの破断状況
を図 11，図 12 に示す．NS 方向の第 2 ピークの地震加速度が作用する 160 秒付近から，1 階，2 階の低層階で座屈拘束ブレースが破断し始めた．その後，加振されるにしたがって下層から破断していった．加振を終えた 400 秒時
点では 9 階までにおいて 114 本のブレースが破断しており，10 階以上ではブレースの破断が見られなかった．解析初期の case A，case B のモデルの固有周期，解析終了時の case C のモデルの固有周期を表 2 に示す．これより，(b) Y(EW)方向

座屈拘束ブレースが疲労破断した状態での固有周期は
NS 方向が 2.70 秒，EW 方向が 3.29 秒となり，躯体の固有周期が座屈拘束ブレースを設置していないモデルのものに近づくことが確認された．

4． 結言
本研究では，座屈拘束ブレースが設置された超高層鋼構造骨組と設置されていない超高層鋼構造骨組をモデル化し，中心鋼材の疲労破断アルゴリズムを導入したASIGaussコードを用いて南海トラフ地震の想定波を入力した際の挙動を解析した．解析結果から，長時間地震時の制(c) Z(UD)方向
図 6 南海トラフ模擬地震動 200％の加速度波形© 一般社団法人 日本計算工学会

振ブレースの性能に関して以下の知見が得られた．
⚫

南海トラフ地震のような長周期かつ長時間地震の際は，制振ブレースが疲労破断することにより固有周- B-04-02 -B-04-02

第24回計算工学講演会case A
case BNS 方向

EW 方向
図 8 応答変位の比較（case A と case B）

case Bcase CNS 方向

EW 方向
図 9 応答変位の比較（case B と case C）© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-02 -B-04-02

第24回計算工学講演会

case Bcase CNS 方向

EW 方向
図 10 応答加速度の比較（case B と case C）

0s

200s

100s
図 110s

図 12© 一般社団法人 日本計算工学会

400s

300s

400s

case C の解析結果（正面図）

200s

100s

300s

case C の解析結果（側面図）- B-04-02 -B-04-02

第24回計算工学講演会

参考文献

表 2 固有周期の比較[1]

case Acase Bcase C（解析初期） （解析初期） （解析終了時）
NS 方向

2.94

2.612.70

EW 方向

3.36

2.94

3.29

章：低降伏点鋼の低サイクル疲労促成に関する研究，日本建築学会構造系論文集，第 472 号，pp.139147，1995.
[2]

単位：[s]

Daigoro Isobe: Progressive Collapse Analysis ofStructures

期が座屈拘束ブレースを設置していないモデルのものに近づく可能性がある．
⚫

佐伯英一郎，杉沢充，山口種美，望月晴雄，杉田

[3]

中村
佐々木

制振ブレースの破断は主に低層階で発生し，高層階

CodesandApplications,

博志，竹内 徹，前田考雄，岩田泰史，中田衛，和田安洋，

章：実大アンボ

ンドブレースの疲労試験に関する研究，新日鉄技

では制振ブレースの破断が見られない．
今回用いた破断アルゴリズムは疲労試験の結果を基にNumerical

Butterworth- Heinemann，2017.

報第 372 号，1999．
[4]

宮村倫司，大崎純，梶原浩一：ソリッド要作成したものである．今後は，制振ブレースが設置された素でモデル化した超高層鋼構造骨組の地震時応答構造物全体のねじりと制振ブレースの破断関係を調査す

解析，
日本建築学会構造系論文集，
第 755 号，pp.39-る予定である．

49，2019．
[5]長周期地震予測地図作成等事業平成 23 年度成果
報告書，文部科学省研究開発局，独立行政法人防災科学技術研究所，2012．

© 一般社団法人 日本計算工学会- B-04-02 -