広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 207-213

報

告

鋼構造２層純骨組小模型の振動台実験の地震波加振レベルの違いによる応答比較
木 曽 翔 太 ・岩 井哲(平成19年10月31日受理)

Comparison of Earthquake Response of Two-StorySteel Pure Frames Due to the Differenceof Earthquake Wave and the Maximum Acceleration Level by Shaking Table Tests

Shota KISO and Satoshi IWAI
(Received Oct.31,2007)

Abstract
In order to investigate the safety on response level of steel structures under dynamic excitation as
an earthquake,simple one-story and two-story steel pure-frame structure models were tested using ashaking table controlled by acceleration input of seismic wave. The two-story frame structures withrigid roof and rigid floor consists of two types of columns:the one is “weak”first-story model andthe other is “strong”first-storymodel. The test results were traced bya dynamic response analysis.
The elasto-plastic tri-linear restoring force-deformation curves were employed to compare themaximum load and the maximum story-displacement of the test behavior for each model. It is foundthat the predominant period in the velocityspectrum propertyof the input seismic wave is influenced
with the acceleration level where the deformation response of the model got into plastic range.
Key Words: steel pure frame,shaking table,seismic wave pattern,elasto-plastic response analysis,
restoring force-deformation curve

ベルで応答にどの程度違いが現れるかについて比較を行

１．研究目的い，その関連性を実験的に検証した。さらにこれらの実験

地震に対する構造物の安全性を検討するためには，動的挙動に対して弾塑性応答解析プログラムを使用して算出し外乱を受ける構造物の挙動を正確に把握することが重要とた予想挙動を照らし合わせて，単純な鋼骨組の地震時応答なる。本研究では，鋼構造骨組の単純な１質点系モデルとがどの程度解析的に推定が可能かを検証した。また実験に２質点系モデルの小模型試験体に対して波形，ならびに最使用した振動台は加速度レベルを上げることによってシス大レベルの異なる地震波を加速度制御で振動台に入力し応テムダウンする場合があった。そこで，どの程度まで加振答を調べた。ここでは地震動の波形や継続時間の違いを含可能なのか，また入力した地震波を正確に再現できている

む特性の違いによって，柱に塑性変形が起る最大入力加速かなどの，性能の検証も目的としている。

度，頂部の最大応答加速度にどの程度の差異が現れるか，また１質点系モデルと２質点系モデルで同じ入力加速度レ
広島工業大学大学院工学研究科建設工学専攻
広島工業大学工学部建築工学科

207木曽翔太・岩井 哲

め，片面だけを計測している。柱両側での復元力特性と，片２．実験概要

側の柱から得られた復元力特性を弾性域，塑性域について2.1 試験体仕様比較したが，大きな差は見られなかったため，片面計測だ

試験体は３種類とし，柱と剛な屋根板及び剛な床板よりけでも大きな問題はないとえる。

構成される１スパンの純骨組で１層を１種，２層を２種用意した。柱材にはすべて幅 100㎜，せい 2.3㎜の SS 400材を2.2 実験方法使用し，柱の内法高さを 150㎜とした。柱材の引張試験結果

実験に用いた振動装置は，広島工業大学耐震防災研究棟を表１に示す。屋根・床板の重量は 78.85㎏で，柱に比しての水平・垂直同時２軸振動試験機（島津製作所製）である。

40㎜厚の剛なものである。１層試験体の形状と実験計測装主な性能を表３に示す。試験体の１層と２層の層間変位は置の設置状況，２層試験体の形状を図１に示す。柱は１層レーザー変位計（KEYENCE 社製，LB‑300，LK‑500）をでは上下端を 40㎜角の鋼ブロックを用いてＭ 10ボルト各各屋根板と平行に設置し，非接触で計測した。また屋根板２本で屋根板及び床板に固定し，２層では上下端と１層部及び床板の中央上部に５Ｇ（Ｇは重力加速度）用の加速度分について同様に固定している。２層では，通し柱２本の計（NEC 三栄社製，9E‑07Ａ 3)を設置した。２層試験体のものを「弱一層」と称し，１層が４本の柱で構成される「強設置状況を写真１に示す。

一層」と称した２種類の試験体を用意した。１層と「強一表１ 柱材の引張試験結果層」では，「強一層」の２層部分が１層試験体と近い挙動を示すとえられる。また１層と「弱一層」では大きい鉛直荷重を受ける「弱一層」のほうが小さい加速度で塑性化すると思われる。これらについて実験を行い塑性化の具合を表２ 各試験体の減衰定数と固有周期検証する。自由振動実験より求めた各試験体形状での減衰定数と固有周期を表２に示す。
柱の作用せん断力を求めるために各柱の面側に，柱中央高さから内法高さの 1/4ずつの位置に４枚の弾性歪ゲージ
表３ 振動試験機仕様を貼付した。また柱の降伏を判定するため，柱の上下端からそれぞれ 7.5㎜の位置に片面に１枚ずつ，２つの柱で計４ヶ所に塑性歪ゲージを貼付して歪を計測した。ゲージ貼付位置を図１に示す。本来は両面に貼付すべきであるが，計測に使用するブリッジボックスの数に限りがあるた⒜ １層試験体形状及び動的載荷実験計測装置設置図⒞ 歪ゲージ貼付位置⒝ ２層試験体形状図（左：２本通し柱「弱一層」，右：１層４本柱「強一層」）図１ 試験体図208

鋼構造２層純骨組小模型の振動台実験の地震波加振レベルの違いによる応答比較

写真１ 試験体設置状況
図４ 地震波の速度応答スペクトル

取駅（EW 成分，最大加速度 656Gal）と，神戸海洋気象台(NS 成分，最大加速度 817Gal)の加速度記録を使用した。試
験体の柱が塑性域で応答を示すまで，地震波の最大加速度レベルを 25Gal 毎に段階的に上げるように設定した。実験において振動台上で計測した各地震波の加速度波形を図３，速度応答スペクトルを図４に示す。
2.4 柱の復元力の計測方法⒜ 加速度履歴 宮城県沖地震波（NS 成分）

図５に示すように各柱の復元力は以下の式で算定した。弾塑性ゲージ貼付位置を図１⒞に示す。
−＝
ここで，

−

−
,,………………………………(1),は左側及び右側柱での上下２点の曲げモーメントで， は左側及び右側柱における歪計測点間距離である。柱の断面両端のひずみ値：(ε〜ε)から，各断面の曲げモーメントは次式で算定できる。
＝ε………………………………………………(2)であるから，⒝ 加速度履歴 JR 鷹取地震波（EW 成分）＝ ε−ε−ε＋ε＋ε−ε−ε＋ε
ここでト，は柱のヤング係数， は柱の断面２次モーメンは柱せいで， ＝75㎜である。

⒞ 加速度履歴 JMA 神戸地震波（NS 成分）
図３ 地震波の加速

2.3 入力地震波
入力地震波には 1978年宮城県沖地震の開北橋（NS 成分，最大加速度 150Gal），1995年兵庫県南部地震のＪＲ鷹図５ 復元力209……(3)

算定方法

木曽翔太・岩井 哲

３．解析方法弾塑性応答解析プログラムは Answer(有限会社ストラクチャー)を使用した。応答解析を行うのに必要なデータ
は，試験体の質量・階高・減衰定数・剛性，入力地震波の加速度履歴である。実験により振動台上で計測された地動加速度を入力加速度とする。
3.1 プログラムの入力値
第１剛性，第２剛性，降伏後の剛性低下率の３要素につ⒜ 復元力履歴応答 弾性域

いて入力する tri-linear での解析を行う。入力値は以下のように算定した。
⑴剛性
弾性剛性は降伏荷重，降伏変位から算定する。
降伏時の水平荷重＝σ3は以下の式で求める。

……………………………………………(4)ここで，σは柱材の降伏応力である。また， ， ，験体の幅，せい，柱の内法高さである。

は試は柱本数で二本⒝ 復元力履歴応答 塑性域

柱では２，四本柱では４である。

図６ 降伏後の剛性低下率の算定方法

降伏変位 Δ は以下の式となる。
Δ＝22×示す。１つ目は試験体が塑性変形する直前の実験（弾性23………………………………………(5)域），２つ目は塑性変形した実験（塑性域１），３つ目は目測によって残留変形が確認された実験（塑性域２）である。

これより，＝486.7N，Δ ＝3.94㎜である。この降伏荷地震波は宮城県沖‑NS である。図７は１層，図８は２層「弱重，降伏変位の値を使用して，第１剛性，第２剛性を設定一層」，図９は「強一層」である。なお塑性変形の判断は最する。第１剛性は算定した降伏荷重・降伏変位の 3/4の値と大歪の大きい方を選んだ。２層「弱一層」では一層部分，「強した。そして第２剛性は Δが降伏変位の 1.7倍で，一層」では二層部分である。

は⑶で述べる降伏後の剛性低下率を使用して算出する。
第１剛性は＝0.3kN，δ＝2.4㎜で，第２剛性は弾性域の剛性は理論値とほぼ一致している。また最大変＝形量もある程度対応している。しかし解析での最大の復元

0.6kN，δ＝6.8㎜と設定した。また２層「強一層」の一層力が実験よりも小さく，解析の耐力が低い設定であること部分はが分かる。これは動的実験では，静的実験での降伏耐力よを２倍にした値である。

⑵減衰定数

りも高くなるひずみ速度効果が原因の一つだとえられ

自由振動試験より求めた。１層試験体は h＝0.30％，２層「弱一層」は h＝0.19％，２層「強一層」は h＝0.19％となった。
⑶降伏後の剛性低下率
降伏後の剛性の初期剛性に対する比 βは，静的載荷実験を行い求めるのが一般的であるが，本研究では，動的載荷⒜ 弾性域 αgmax 225Gal実験より算定し，β＝0.3とした。図６に示すように，実験⒝ 塑性域１ αgmax 284Gal

結果での弾性域と塑性域の復元力履歴応答から求める。
は剛性の理論値である。
3.2 復元力履歴応答
復元力履歴応答について実験結果と解析結果の比較をσ行った。 ＝207 172000＝0.0012よ り，最 大 歪 1200μεと⒞ 塑性域２ αgmax 764Galなった時を基準として塑性変形を判定し，３種類の段階で図７ １層試験体の復元履歴応答比較

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鋼構造２層純骨組小模型の振動台実験の地震波加振レベルの違いによる応答比較が実験の弾性域で既に起きている。これはボルトの締付による柱材の固定度が低く，柱の内法高さが実際より高いため，降伏変位が設定した値より大きい可能性がある。

４．塑性変形時の最大加速度の比較
塑性変形発生時の最大入力加速度と最大応答加速度が，⒜ 弾性域 αgma 127Gal（左：一層，右：二層）

地震波，試験体形状によってどの程度の差異があるかを調べた。また解析結果での塑性変形時の加速度レベルも調べた。解析に使用する入力地震波は最大加速度を実験と同様に 25Gal 毎に上げて設定し，降伏変位に達した時の入力，応答加速度を実験と比較した。ここでの塑性変形の判定
は，解析結果がひずみ値を得ることができないため，降伏⒝ 塑性域１ αgma 176Gal（左：一層，右：二層）

変 位 ４ ㎜ を 基 準 と し て 変 位 量 に よって 確 認 す る。な お，
JM A 神戸地震波の比較がないのは，「強一層」試験体の実験を行っていないからである。
図 10に最大入力加速度と降伏変位と応答変位量の比の関係，図 11に頂部最大応答加速度と降伏変位と変位量の比の関係について実験結果，解析結果を示す。ここで，変位⒞ 塑性域２ αgma 519Gal（左：一層，右：二層）

量は「弱一層」の試験体では塑性変形が先に起こる第１層

図８ ２層「弱一層」試験体の復元履歴応答比較の柱の層間変位を，「強一層」の試験体では第２層の柱の層間 変 位 を 使 用 し た。グ ラ フ の 降 伏 変 位 と 変 位 量 の 比 が100％である時が塑性変形を生じた加速度である。図 12に各試験体形状，各地震波での塑性変形時の最大入力加速度の比較を示す。また同様に図 13に頂部最大応答加速度の比較を示す。

⒜ 弾性域 αgma 30Gal（左：一層，右：二層）⒝ 塑性域１ αgma 78Gal（左：一層，右：二層）⒜ 実験結果⒞ 塑性域２ αgma 510Gal（左：一層，右：二層）
図９ ２層「強一層」試験体の復元履歴応答比較る。また降伏後の剛性低下率は静的実験，または解析的に求めるべきであるので，材料試験より算定する方法をする必要がある。これらのことを察慮し，文献調査や様々な実験データと比較を行い対応する tri-linear モデルの設⒝ 解析結果

定を研究する必要がある。また解析結果では材の塑性変形

図 10 最大入力加速度と降伏変位と変位量の比211

木曽翔太・岩井 哲⒜ 実験結果図 12 降伏変位達成時の最大入力加速度⒝ 解析結果図 11 最大応答加速度と降伏変位と変位量の比

図 13 降伏変位達成時の頂部最大応答加速度

１層試験体では，宮城県沖地震波において最大入力加速果が原因となっている可能性がある。また地震波の違いに度が 160Gal で塑性変形が生じた。一方，ＪＲ鷹取地震波でよる各試験体の応答は，あまり差異がなかった。実験結果

は最大入力加速度が 400Gal で塑性変形を生じた。宮城県

では試験体の固有周期と各地震波の速度スペクトルの卓越

沖地震波実験の方が小さい加速度で塑性変形を生じてい周期が近いところにある場合，共振により大きな応答を示る。これは継続時間が長いことよりも，速度応答スペクトしたように見られた。しかし，解析では差異が現れなかっルの卓越周期が試験体の固有周期と近い値であることの影た。また，応答加速度に関して，塑性変形が生じた時の加響が大きいと思われる。

速度が「弱一層」試験体では 290Gal，１層試験体と「強一２層「弱一層」試験体は宮城県沖地震波の実験において，層」試験体は 400Gal となった。実験結果で得られたことと最大入力加速度が 90Gal で塑性変形が生じ，ＪＲ鷹取の地同じく１層試験体と「強一層」の２層部分が近い挙動を示

震波では最大入力加速度が 110Gal で塑性変形が生じていしたことは，「弱一層」の１層部分に２層部分の鉛直荷重をる。１層と比較すると，２層「弱一層」は小さい加速度で受けているため，大きい荷重がかかることが原因と塑性変形している。これは，２層「弱一層」が１層よりもる。

２層部分の大きい鉛直荷重を受けていることと整合する。

察す

５．まとめ

２層「強一層」試験体は宮城県沖地震波の実験では最大応答加速度が 500Gal で塑性変形が生じ，ＪＲ鷹取地震波⑴の実験では 560Gal で塑性変形が生じている。１層での最層「強一層」と，通し柱２本の２層「弱一層」の３種であ大応答加速度と近い加速度で塑性化している。これは，「強る。１層と「強一層」では「強一層」の２層部分が１層試一層」の１層部分が４本柱で剛いため，地盤面と同じよう験体と近い挙動を示すため，近い加速度レベルで塑性変形に揺れたために１層試験体と「強一層」の２層部分が近いが生じた。また「弱一層」は他に比べて大きい鉛直荷重を挙動を示したと受け取れる。

受けるため，小さい加速度レベルで塑性変形が生じた。

解析結果では入力加速度，応答加速度ともに実験と比較⑵

試験体は１層と，１層部分が４本の柱で構成される２実験結果と解析結果を比較すると，入力加速度は各試して小さい加速度で塑性変形が生じている。これより実験験体，各地震波の違いであまり加速度に大きな差異が見らの降伏耐力が動的な場合に増大していることが伺える。3.2

れなかった。応答加速度では小さい加速度で解析は塑性変の復元力履歴応答の項でも述べたが，これはひずみ速度効形が生じた。これはひずみ速度効果が原因だと212える。ま鋼構造２層純骨組小模型の振動台実験の地震波加振レベルの違いによる応答比較

た，復元力履歴応答も剛性は一致したが，最大時の復元力

文等，対応しなかった部分が多かった。tri-linear 復元力モデルの設定をさらに研究する必要がある。
⑶

１) 水田新也：鋼構造骨組の復元力履歴特性における動的実験結果では，JR 鷹取地震波より，宮城県沖地震波の載荷の影響，広島工業大学修士論文，(2006)

方が小さい入力加速度で塑性変形が生じている。これは宮２) 栢木慧太：振動台加振実験による１層鋼構造骨組の地城県沖地震波の速度応答スペクトルの卓越周期と試験体の固有周期が対応しているためだと

献

震時応答，広島工業大学卒業論文，(2007)

える。しかし，解析結

３) 得能昌憲：振動台加振実験による２層鋼構造骨組の地果では，地震波特性による影響は見られなかった。

震時応答，広島工業大学卒業論文，(2007)４) 若林實：鉄骨構造学詳細，丸善株式会社，(1985)

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