広島工業大学紀要研究編
第 43 巻（2009）pp.241-247

論文

せん断パネルダンパー付鉄骨架構の統合化耐震性能評価に関する研究
玉井宏章＊，高松隆夫＊，山西央朗＊＊，多田元英＊＊＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Collaborative Seismic Performance Evaluation of Steel Structurewith Shear Panel Damper
Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI and Motohide TADA

（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
In the previous paper, we improved a substructure online system for investigating
the restoring force characteristics of exposed column-base. This substructure online
system and interface of CSA ( Collaborative structural analysis ) forms a collaborativeseismic performance evaluation system. This system enables collaboration among
researchers by linking their programs and experimental systems through the Internet.
As participants can shear data such as interactions between structural members,
distribution of seismic loading and overall failure mode of building structures, it makes
it very easy to investigate the seismic performance evaluation using the sophisticatedknowledge of participants. Hence, we call it a collaborative seismic performance
evaluation ( CSPE ). Also, the hysteretic damper is used to use the building frame inseismic area. In this paper, we evaluate the seismic performance of building frame witha shear panel dampers using this CSPE system. Evaluation results show validity andpossibility of the presented CSPE system.

Keywords: collaborative seismic performance evaluation, shear panel damper, Internet

種構造実験システムを容易に接続できる分散型解析・実験

1．はじめにの接続法（インターフェイス）を開発している 2）。

著者の 1 人は，世界各地に点在する，ある構造部分につインターネットによる接続法を解析プログラムに実装すいては詳細かつ精密な解析プログラムを異種 OS，異種言れば，国内外の研究者と分散型解析・実験が可能となり，語を用いていても，容易に接続でき，建物全体の挙動を解

それらの研究者とは建築構造学の知見，特に，部材相互の1）析できる『統合化解析手法』を提案した 。また，これら関連や作用の影響に関する知見が共有できるので，複雑なの状況を背景に，この実大部分構造加力装置を用いて，部構造挙動の解明が容易になる。この，遠隔地にいる国内外

分構造法によるオンライン実地震応答シミュレータを構築の研究者が協力・協調して，対象とする建物の部分構造のし，インターネットを介して異種構造解析プログラム/異解析や実験を相互作用を考慮して行い，個々の部分構造の* 広島工業大学工学部建築工学科** 広島工業大学大学院工学研究科知的機能科学専攻*** 大阪大学大学院地球総合工学専攻―241―玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，多田元英

v2
θ2u2

θ1u1

（b）Shear panel damper model（a）Target structure（a）せん断パネルダンパー詳細（b）せん断パネルダンパー付架構（c）Location of organization

Fig. 1 間柱型せん断パネルダンパー

Fig. 2 統合化評価法の概念（a）Data の流れ（b）Firewall，Proxy server と HOST，STATION の位置

Fig. 3 Proxy サーバーを通ったソケット通信法

挙動から，各研究者の専門知識を駆使して建物全体の耐震性能を明らかにする評価方法を，本研究では，統合化評価

2．せん断パネルダンパーと統合化評価システムの概要法と呼んでいる。
本研究では，せん断パネル間柱ダンパー付鉄骨架構に着2.1 せん断パネルダンパー
本研究で取扱う間柱型せん断パネルダンパー付架構の一目し，この統合化評価法を用いて，耐震性能を検討するシステムを構築することを目的としている。まず，せん断パ

例を Fig.1（a），（b）に示す。

ネルダンパーに着目した構造解析プログラム（ステーショ

せん断パネルダンパーは，Fig.1（a）に示すように，鋼ン）を新たに作成する。次いで，せん断パネルダンパーの板パネルの左右辺にフランジプレートを，上下辺にエンド間柱を含む架構からの相互作用による特性の変化を実験プレートを溶接したものである。このせん断パネルダンパ的，解析的に明らかにするとともに，せん断パネル間柱ダーよりも強度の高い間柱の中央部に，エンドプレートを介ンパー付鉄骨架鋼について，統合化解析を行って接続法のしてボルト接合して用いる。
地震入力エネルギーを積極的に吸収するダンパーとし検証を行うとともに耐震性能の評価を行った結果を示す。て，このせん断パネルダンパーの他に，座屈拘束ブレース―242―

せん断パネルダンパー付鉄骨架構の統合化耐震性能評価に関する研究

Table 1 素材特性

Table 2 有限要素解析用素材特性と試験体形状

Fig. 5 定常振幅繰返し載荷解析の Q/Q by - d/h関係（純せん断変形下)Fig. 4

Fig. 6 非定常振幅繰返し載荷解析の Q/Q by - d/h関係

既往実験の試験体形状（純せん断変形下)がある。座屈拘束ブレースは，1）降伏耐力を決めると剛性が決まるので層剛性の調整できないこと，2）ブレース

Program 1，せん断パネルダンパーを詳細に解析できるなので，構面を塞いでしまうので，広い間口部が取れない

Program 2，更に，ダンパーと間柱との半剛接特性を追跡こと，等の欠点を有している。

しうる Program 3 をそれぞれ Fig.2（b）のように遠隔地に間柱型せん断パネルダンパーは，1）降伏耐力はせん断存在する研究者が所有しているとする。

パネルダンパーのパネル形状で用意に設定でき，層剛性はせん断パネルダンパーは，周辺架構からの影響で，間柱間柱の断面性能を変化させることで容易に調整できるこの反曲点位置がダンパー部中央からずれて，要素実験でよと，2）普通鋼でも製作でき安価であること，などの利点く行われる純せん断応力状態とは異なる曲げせん断応力状を有している。

態となる。また，間柱とダンパーとをエンドプレートを介これら，履歴ダンパーを利用した建物は，激震時に建物に入力されるエネルギーをダンパー部で集中して吸収するして，ボルト接合した場合，半剛接状態となり，その固定度は柔らかくなる。

ので，主要架構に損傷を与えないため，耐震性能が格段に従って，それぞれの構造部材の特性を追跡しうる向上する。そのため，地震国である日本における建築構造

Program 1，2 及び半剛接状態を表現できる Program 3 がでは，ダンパー付架構が主流となると考えられる。

それぞれの接続情報を共有しあえば，フレーム，間柱，及2.2 システム構成

び，せん断パネルダンパーの相互作用の効果を考慮して，統合化評価システムを利用した Pushover 解析を考える。Fig.2（a）の例題を解析対象にする。この構造物を，仮想的にフレームと間柱及びせん断パネルダンパーの 3 つの部分に分割する。梁，柱の特性を詳細に解析できる―243―

架構全体の挙動を調べることができる。
本研究の対象は，インターネットを介して，これらを接続し，解析・実験を行う方法である。

玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，多田元英

Table 3 解析対象のせん断パネルダンパーの素材特性と形状

Fig. 7 解析対象のせん断パネルダンパー（a） Q/Q by - d/h関係（b） L 0 /h - d/h関係

Fig. 10 曲げせん断変形による相当塑性歪の集中特性

Fig. 8 曲げせん断変形の復元力特性に及ぼす影響（a） Q/Q by - d/h関係（b） L 0 /h - d/h関係

Fig. 9 初期軸変形の復元力特性におよぼす影響

2.3 接続通信法について

接続後は 2 つの通信を結びつける Proxy サーバーを，フ本システムでは，遠隔地にある異種構造解析プログラムァイヤーウォールの外に設置する。と接続・通信する仕組みが必要となる。

これにより，インターネットを利用した比較的高速度な特に，長時間の接続で通信障害が生じないプロトコルを通信が，ファイヤーウォールの有無に拘わらず実行できる。

採用し，ファイヤーウォール等で保護された研究機関とも，通信・接続を可能にする工夫が必要である。

3．せん断パネルダンパーの有限要素解析（NETSHEAR）

更には，異種構造解析プログラムとも接続できるように，本節では，せん断パネルダンパーの解析手法，解析モデ接続条件をなるべく緩和しておく必要もある。

ルの概要と解析精度について示す。

本研究では，この問題点を解決するため Fig.3 に示すよ3.1 解析モデル

うな直接ソケット通信を行うこととし，各研究機関のファイヤーウォール対策には，代理サーバー（Proxy サーバー）

解析対象は，せん断抵抗材であり，解析対象全領域が平を利用する。すなわち，研究機関の外から内への通信は拒面応力状態であると仮定して 2 次元問題として取り扱う。

否されるが，内から外への通信は通過できるというファイ

Fig.2（c）に示すように，上下エンドプレートを除くせん

ヤーウォールの性質を利用し，各通信の要求を待ちうけ，断パネル全領域を解析対象とし，加力は，間柱要素との接―244―

せん断パネルダンパー付鉄骨架構の統合化耐震性能評価に関する研究

Table 4 各部材の断面性能

Fig. 11 層せん断力-層間変形角関係（a）Case I（b）Case II（c）Case III

Fig. 12 せん断力-せん断方向相対変位関係と反曲点位置

続を考慮して上下ベースプレート内側表面中央に，強制変また，本研究では，多軸応力下での塑性ひずみの集中特位 パ ラ メ ー タ ； 水 平 ・ 上 下 ・ 回 転 成 分 （ u 1 , v 1 , i 1 ），性を検討するため，その指標として，次式で定義される相（ u 2 , v 2 , i 2 ）を設定し，Fig.2（c）の太線上の並進自由度

当塑性ひずみ： f (eqp)を用いる。

を，これら変位パラメータと適合させて行っている。解析に用いた要素モデルは，Lagrange 型の形状関数を仮定した，9 節点 Iso-parametric 要素であり，数値積分法は，（3x3）の標本点を有する Gauss-Legendre の求積法を採用した。尚，溶着金属部の変断面部分の板厚は，エネルギーf (eqp) = # df (eqp) ……………………………………………（1.a）
ここに，1df (eqp) = 2 d df (xp) + df (yp) + df (xp) : df (yp) + 1 dc(xyp) n432222…（1.b）

積分時に正確に評価している。

であり df (xp)， df (yp)， dc(xyp)は，各塑性ひずみの増分である。

3.2 構成方程式と相当塑性ひずみ

塑性ひずみは，ひずみエネルギーの数値積分の標本点位大きな塑性変形が生じるせん断抵抗材の繰り返し載荷時置で評価されるので，その位置で相当塑性ひずみを算定しも含めた荷重経路下でのひずみ硬化特性を追跡するため，ている。また，以降の解析例で解析領域全体の分布を示す

本研究では，文献 3 を参考に，構成方程式として，単軸状ときには，この算定値を基に，要素モデルの形状関数を重態の応力−ひずみ関係を Tri-linear 直線で近似し，硬化則み関数とした平滑化を施して求めた値を採用している。

は等方硬化則と移動硬化則とを併用したものを採用した。

3.3 解析精度の検証

降伏条件及び塑性ポテンシャルは，Von-Mises 式を用い，本有限要素解析法の精度を検証するため，Fig.4 に示す

ひずみ硬化の寄与を等方硬化成分と移動硬化成分に分け，既往の研究 5）の普通鋼せん断抵抗材について解析を行い，それらの比は一定とし，移動硬化成分については Zieglar

載荷実験結果と比較した。の修正則に従うものとした。構成方程式の定式化の詳細に載荷実験に用いたせん断抵抗材は，溶接組み立て時に生じる熱影響に基因する素材特性の不均一性を除去するためついては，文献 4 を参照されたい。
―245―

玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，多田元英に完全焼鈍処理（雰囲気温度 780 ℃で 1 時間保持した後炉し，相対せん断方向変形 d (= u 2 - u 1 )を 10mm まで単調に冷）を施した。完全焼鈍処理後の試験体と同質・同厚・同載荷する計 5 ケースを解析した。

温度履歴の 5 号試験片を用いた素材試験結果を Table 1

4.2 解析結果に，また，この素材試験結果を基に設定した解析に用いる

解析シリーズ I の結果を Fig.8（a），（b），Fig.10 に，解材料定数パラメータを Table 2 に，それぞれ，示す。尚，析シリーズ II の結果を Fig.9（a），（b）に示す。

溶着金属の素材特性は不明のため，ロックウェル硬さがほFig.8（a），Fig.9（a）には，せん断力， Q とせん断方向ぼ等しいウェブ部鋼板と同一とした。また，補剛スチフナには，両端の曲げモー相対変位， d との関係を，Fig.8（b）は水平耐力に影響しないので解析対象から除外した。

メント反力から求めた下端からの反曲点位置， L 0 とパネ

解析シリーズは，純せん断変形下（ i 1 = i 2 = v 1 = v 2 = 0 ）ル高さ h との比，(L 0 /h)と d の関係を，Fig.8（b）には，とし，せん断方向相対変位振幅：（= u 2 - u 1 ）を 7.7，11.0，せん断パネルダンパーの全塑性軸力， N y (= 738.8kN)で無15.0，22.5（mm）の定変位振幅で 1 サイクル載荷する定常

次 元 化 し た 軸 反 力 N/N y と d の 関 係 を ， F i g . 9 に は振幅繰り返し載荷解析及び地動最大速度を 75（ kine）に基(i : h/d) = 0.96 の場合の載荷完了時の相当塑性歪 f (eqp) の分準化した神戸港工事事務所記録地震波 NS 成分を入力した布を示す。

15 層制振ブレース架構における第 3 層の応答変位履歴をこれらの図より，以下のことがわかる。

用いた非定常振幅繰り返し載荷解析の計 5 ケースとした。

せん断パネルダンパーの耐力は，純せん断変形の時純せん断変形下での定変位繰返し載荷解析，および，非(i : h/d = 0)が最も高く，次いで，曲げせん断変形となり，定常振幅繰返し載荷解析における，せん断方向荷重，Q反曲点位置が上部エンドプレート近くなる(i : h/d = 0.48)とせん断方向相対変位， d との間の関係を Fig.5 およびと純せん断変形時より 2 割，パネルせいの 2Fig.6 に，それぞれ，示す。

倍(i : h/d = 0.96)となると 5 割も低下する。この時，曲げ変形により下端部フランジに塑性化が集中して生じる。

これらの図より，本解析では，繰返し載荷の大変形時における耐力値を高目に評価する傾向にあるものの，載荷初従って，間柱形式でせん断パネルダンパーを設置する場期や際降伏時の初期段階の耐力値は一致すること，また，合は，周辺架構の相互作用を考慮した耐力設定が必要で，非定常変位振幅を受けたときの耐力上昇を良好に再現でき反曲点位置を考慮した塑性変形性能を評価すべきであり，ることが分かる。以上のことから，純せん断変形下でのせ安易にせん断バネモデルに置換したり，純せん断変形下でん断パネルダンパーのせん断耐力は，本解析により大略予の繰返し載荷試験のみで塑性変形性能を評価してはならな測できることがわかる。

いことがわかる。
また，初期軸変形が，全塑性軸力に達する程大きくても，4．せん断パネルダンパーの復元力特性の注意点

せん断変形により塑性化が生じると，軸力は消失するため，本節では，間柱を含む架構からの相互作用によって起こ初期軸変形は，せん断耐力に全く影響を及ぼさないことがるであろう，せん断パネルダンパーの特性変化を解析的・わかる。

実験的に示す。

5．せん断パネルダンパー付架構の統合化解析（予定）

4.1 解析シリーズ
3.3 節で示した解析プログラム単体を用いて，Fig.7 に示

統合化解析の有効性を示すため，Fig.1 に示す，せん断す，適正形状の普通鋼せん断パネルダンパーの解析を行っ

パネル間柱ダンパー付 1 層 1 スパン架構について解析を行た。素材特性，形状を Table 3 に示す。

う。解析対象の各部材の断面性能を Table 4 に示す。せん断パネルダンパーについては，4 節で取扱った Fig.7 のも

解析シリーズは，曲げせん断変形を受ける場合（解析シのを用いる。

リーズ I）と，初期軸変形と純曲げ変形を受ける場合（解析シリーズ II）を用意した。解析シリーズ I では，初期軸ホストプログラムと，柱，梁と，間柱とせん断パネルダ

変形 v 0 (= v 1 - v 2 )は 0 とし，相対回転角 i (= i 2 - i 1 )とパンパーとの接合部には，NETBASE2）を，せん断パネルダ

ネル高さ h の積と相対せん断方向変形 d (= u 2 - u 1 )との比ンパーについては，3 節で示したステーションプログラム(i : h/d) を 0.00，0.12，0.24，0.48，0.96 と保って， dNETSHEAR を用いて解析を行う。

=10mm まで単調に載荷する計 5 ケースを，解析シリーズ

解析ケースは，せん断パネルダンパーの初期降伏状態に

II では，初期軸変形 v 0 (= v 1 - v 2 )と相対せん断方向変形振は耐えられるが，加工硬化すると，今回の解析では，上下幅 d a (= 10mm)との比 v 0 /d a を 0.0，0.00625，0.0125，0.0185，のダンパー接続用間柱に塑性ヒンジを生じるケース

0.0250 として与え，その後，相対回転 i (= i 2 - i 1 )を 0 と（Case I，上下間柱の v y を 235MPa とした場合），せん断―246―

せん断パネルダンパー付鉄骨架構の統合化耐震性能評価に関する研究

パネルダンパーのみが塑性化するケース（Case II，上下集中がおきるので，純せん断のみの繰返し載荷実験で，間柱の v y が 325MPa とした場合），下側の間柱に塑性ヒン塑性変形性能を評価すべきではない。

ジを生じるケース（Case III，上側の間柱の v y が 325MPa，3）せん断パネルダンパーの繰返し変形を伴う耐力上昇を下側の間柱の v y が 235MPa とした場合）の 3 ケースにつ見込んだ十分な耐力を，接続用間柱には設定すべきでいて，層間変形角振幅 D/H を 1/150rad として，2 サイクある。

ル繰返す統合化解析を行った。

4）載荷中，せん断パネルダンパーの反曲点位置は変化す

Fig.11 には，フレームのみの降伏層せん断力で無次元化した層せん断力， Q/Q fy と層間変形角， D/H の関係を，Fig.12（a）〜（c）には，Case Ⅰ〜Ⅲについてせん断パネルる。
5）間柱ダンパー付加工の構造特性を調査するためには，
本統合化解析法は有用である。

ダンパーの初期降伏耐力で無次元化したせん断力， Q/Q by

参考文献とパネル高さで無次元化したせん断方向相対変位， D/Hの関係と，両端の曲げモーメント反力から求めた下端から

1）多田元英，桑原進：インターネットで異種プログラムの反曲点位置とパネル高さとの比， L 0 /hと D/H の関係をを統合した構造解析システムの基本考察，日本建築学示す。

会構造系論文集，第 580 号，pp.113-120，2004.6.

これ等の図より，以下のことが分かる。

2）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，多田元英，五十嵐秀

せん断パネルダンパーの繰返し変形に伴う耐力上昇を把一，統合化評価法のための分散型仮動的実験システム

握した上で，十分な耐力を接続用間柱に設定しなければ，の構築，日本建築学会中国支部研究報告集，第 29 巻，ダンパーを十分に機能させることはできない。

pp.237-240，2006.3.

載荷中，せん断パネルダンパーの反曲点位置比， L 0 /h

3）山田稔，辻文三：鋼材の応力-歪み関係に関する研究，は，0.5 を中心に変化する。特に，荷重の正負が入れ替わ

日本建築学会論文報告集，第 270 号，pp.17-22，1978.8.

る時点で大きく変化する。したがって，せん断パネルダン4）金澤寛，居田貴史，玉井宏章，近藤一夫，花井正実，パーの耐力は，接続用間柱の構造特性により変化するので，

藤波健剛：制振ブレースエネルギー吸収部材の弾塑性

この構造特性を調査するためには，提案した統合化解析は繰り返し載荷解析，日本建築学会中国支部研究報告集，有用である。

第 21 巻，pp.229-232，1998.3.
5）玉井宏章，近藤一夫，花井正実，岩岡信一，龍神弘明，

6．まとめ

藤波健剛：普通鋼を用いた制振ブレースエネルギー吸

せん断パネル間柱ダンパー付鉄骨架構の統合化耐震性能

収部材のパネル面外補剛効果とエネルギー吸収性能に評価に向けて，ステーションプログラムとしてのついて，構造工学論文集，Vol.44B，pp493-502，1998.3.

NETSHEAR を作成した。これを用いた統合化解析により，

6）多田元英，玉井宏章，吉村真人：露出柱脚と合成梁部

以下の新たな知見が得られた。

材の解析プログラムを検討した鋼骨組みの断塑性解析

1）反曲点位置により，降伏耐力は変化する。したがって，コラボレーション，鋼構造論文集，第 12 巻，第 47 号，安易なせん断バネモデルの置換は，適切ではない。

pp.43-55，2005.9.

2）曲げせん断変形によって，フランジに大きな塑性歪の―247―