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そよさわまつ
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1 座屈設計ガイドライン講習会 (2005 年 10 月 28 日, 東京 ; 11 月 28 日, 大阪 ) 第 19 章変形性能名古屋大学大学院宇佐美勉内容 19.1 概説 19.2 耐震要求性能と照査法 19.3 単柱式鋼製橋脚の限界値の推定式 19.4 板要素および短柱の変形性能評価 19.5 せん断を受ける板要素およびはりの変形性能評価 19.6 構造物の変形性能評価法 -Pushover 解析 20.7 まとめと将来展望

2 内容 1. なぜ変形性能? 2. 耐震照査法 3. 限界値の算定法 4. まとめと将来展望

3 1. なぜ変形性能? 大地震に対しては, 塑性変形による履歴減衰を期待する耐震設計が経済的終局点までの変形性能の利用消散エネルギー ( 履歴減衰 )

4 P P H 4

5 繰返し荷重を受ける鋼構造物の H- 関係の包絡線 H H max 0.95H max 変形性能局部座屈観察終局点局部座屈進展 H y 降伏点亀裂発生 0 y u ( 終局変位 ) δ

6 Box: Strong stiffeners Box: Weak stiffeners Pipe: Thin-walled

7 ( まとめ ) 大地震時の鋼構造物の終局限界 1. 塑性域での局部座屈と全体座屈の連成座屈 2. 低サイクル疲労 : 研究途上 ( 終局ひずみに制限 ) 局部座屈クラック連成座屈低サイクル疲労

8 基本 2. 耐震照査法限界状態を設定し, それを適切に照査できる手法レベル 2 地震動に対する鋼構造物の限界状態終局限界 : (1) 局部座屈と部材座屈の連成 (2) 低サイクル疲労損傷限界 : 塑性変形による損傷度 ( 健全度 ) 照査終局限界に対する照査損傷限界に対する照査安全性照査 ( 地震後の ) 使用性照査

9 耐震安全性照査法のメニュー照査法応答値 S (Demand) 限界値 R (Capacity) 性能指標適用範囲変位照査法等価 1 自由度系の複合非線形動的解析 δ max 構造全体の Pushover 解析 δ u 変位基本モード卓越ひずみ照査法構造全体の複合非線形動的解析 ε a ) max 終局ひずみ ( 経験式 ) ε u ひずみ制限無し性能照査 : R 1. 0 i S S d : 設計応答値 R d : d / d 設計限界値 Note: 解析は, はり要素を用いて行う. 局部座屈は限界値で考慮.

10 3. 限界値の算定法変位照査法 Pushover 解析による終局変位ひずみ照査法終局ひずみ ( 経験式 ) Pushover 解析はり要素を用いた複合非線形静的解析局部座屈無視 ( 終局の判定に終局ひずみを利用 ) 終局ひずみ部材セグメントが局部座屈により変形能を失う限界に対応する平均最外縁ひずみ : u

11 終局ひずみの計算 (1) 橋脚部材セグメント P = Constant ダイアフラム M ダイアフラム M P = Constant

12 終局ひずみの計算 (2) 補剛箱形断面部材セグメント Y P = Constant 補剛材 M D/2 Z B/2 D/2 B/2 X M P = Constant

13 終局ひずみの計算 (3) M m M 終局点 0.95M m M y 0 y m u 終局ひずみ = 圧縮最外縁の平均ひずみ

14 終局ひずみ算定式 ( 表 ) u 無補剛箱形 f R P / P ) y ( f, y 補剛箱形 u y f ( R,, P / P f s y ) 20.0 u パイプ f R P / P ) y ( t, y R f = フランジ幅厚比パラメータ R t = パイプ断面の径厚比パラメータ P/P y = 軸力比 = 補剛材細長比パラメータ s 低サイクル疲労防止

15 Pushover 解析による終局変位の算定 H H P = 一定 le Critical member segment (CMS) 終局点 ( a = u ) 0 終局変位 u 終局ひずみ CMSの平均ひずみ

16 Web Flange Stiffeners Diaphragm l e = 0.7 b Diaphragm 有効破壊長領域

17 W k h W W H ( ) Pushover 解析 H Hu Hy 1 ζk 終局点 1 与えられた構造物の 1 次設計 2Pushover 解析モデル破壊基準 0 1 K δ y 解析値バイリニアー近似 ( 吸収エネルギー不変 ) δ u δ 3H- 関係および終局変位 δ u の算定 δ max δ u 残留変位推定式 δ δ max SDOF の地震応答解析 H H u H y 1 ζk K M C δ R δ R ) lim t 入力地震動 0 K 1 δ y δ u δ 6 耐震照査 5 応答量の計算 4 41 自由度 (SDOF) モデルと復元力特性 ( 移動硬化則 ) 変位照査法の流れ (1 自由度系構造物 )

18 ひずみ照査法のイメージ図圧縮 a ) max u 終局 y g M e Critical member segment (CMS) a u u ( 終局ひずみ ) 0 a ( 圧縮フランジの平均応答ひずみ ) t

19 8 解析結果と実験結果の比較 ( 全供試体 ) 破壊点 ε u (95% 耐力点 ) δ 95 /δ y ) analysis 実験 : 土木研究所等の大型供試体 16 体 δ 95 /δ y ) test

20 変位照査法に関するコメント構造全体の耐震性能を直接照査部材座屈 : はり要素による複合非線形解析 (Pushover 解析 ) 局部座屈 :Pushover 解析の終点の算定適用可能条件基本モード卓越 : 有効質量比 >0.75( 十分条件 ) 適用可能橋梁の例単柱式橋脚 ( 含 : 免震橋脚 ) 1,2 層ラーメン橋脚 ( 含 : 免震橋脚 ) 連続橋 ( 橋軸方向, 橋軸直角方向 ) アーチ橋 ( 橋軸直角方向, X 橋軸方向 )

21 ひずみ照査法に関するコメント部材部品の損傷度の照査で, 構造全体の耐震性能との関連がやや希薄部材座屈 : はり要素を用いた複合非線形動的解析局部座屈 : 終局ひずみ現行設計示方書との整合性が採りやすい. 汎用性があり, ほとんどの構造物に適用可能.

22 鋼構造物の耐震設計ガイドライン (JSSC) 作成中 2003 年

23 (4) まとめと将来展望耐震設計においては, 塑性変形による履歴減衰を期待するため, 強度のみならず変形性能変形性能が重要. 大地震時の鋼構造物の限界状態は (1) 局部座屈と全体座屈の連成, (2) 低サイクル疲労, によって決まる場合が多い. 座屈に対しては研究がかなり進み照査法も確立されているが, 低サイクル疲労の照査法は研究途上. Research need 耐震照査法として変位照査法変位照査法とひずみ照査法ひずみ照査法がある. 変位照査法は静的解析と 1 自由度系の動的解析ですむため, 計算は楽であるが基本モード卓越基本モード卓越という制約がある. ひずみ照査法はは, あらゆる構造物に適用出来るが, 多自由度系の動的解析が必要. いずれの照査法でも, 部材セグメントの変形能の限界を表す終局ひずみの算定式が必要 ( ガイドラインに公式が与えられている ). 将来的には耐震構造から制震構造制震構造へへ. Research need

24 Coffee Break Application of BRBs to Steel Arch Bridge (completed in 2004) BRB Hiroshima Prefecture in Japan BRB

25 BRB による高架橋落橋防止装置 BRB ( 名古屋高速道路公社 )

26 座屈設計ガイドライン講習会 (2005 年 10 月 28 日, 東京 ; 11 月 28 日, 大阪 ) 第 20 章鋼製橋脚内容名古屋大学大学院葛漢彬大阪大学大学大学院大学院小野潔名古屋高速道路公社前野裕文 20.1 概説 20.2 鋼製橋脚の被災例 20.3 鋼製橋脚の準静的および動的性状 20.4 鋼製橋脚の耐震性能を支配するパラメータ 20.5 耐震設計法および耐震解析法の考え方 20.6 耐震補強の考え方 20.7 まとめと今後の展望

27 内容鋼製橋脚の破壊パターン局部座屈低サイクル疲労に伴う破壊鋼製橋脚の変形性能の支配パラメータ幅厚比 ( 径厚比 ), 細長比, 軸力比, 固有周期, 補剛材剛比, 補剛材細長比コンクリート充填高さ, 角溶接方法繰り返し回数, 偏心率など

28 限界値 (Capacity) 算定多くの単柱式鋼製橋脚,1,2 層のラーメン式鋼製橋脚は変位照査法が適用出来る. 単柱式橋脚 ( 逆 L 型橋脚を含む ) 経験式がある. 断面形は無補剛箱形, 補剛箱形, パイプ ( 表 ~ ) コンクリート部分充填橋脚, ラーメン式橋脚 Pushover 解析によって求める.

29 支配パラメータの影響 ( 経験式 ) 幅厚比 or 径厚比パラメータ 95/ y ' s =0.25, P/P y =0.15 =0.3 =0.4 = R f 補剛箱形断面 95/ y =0.3 =0.4 =0.5 P/P y = R t パイプ断面

30 目標塑性率と細長比パラメータの最大値補剛箱形断面目標塑性率 μ の最大値 M M-S (P/Py=0.2, Rf =0.35 )

31 目標塑性率と細長比パラメータの最大値パイプ断面目標塑性率 μ の最大値 (P/Py=0.2, Rt =0.05)

32 変形性能の高い鋼製橋脚の繰り返し載荷実験結果 2 S T[05] Stiffened Box w/o concrete Local Buckling H/H y 0-2 R f =0.355 =0.362 P/P y = / y

33 支配パラメータの影響 ( 実験結果 ) y Linearly Elastic コンクリート充填高さ SC [3] S45-25[3](Steel Column) SC [3] ll c c /h=0 ll c c /h=0.30 ll c c /h=0.50 Initiation of Crack in Flange 補剛箱形断面 ( 繰り返し載荷実験 ) R f =0.45 λ= / y0

34 局部座屈コンクリート充填高さ局部座屈 30% 充填 50% 充填

35 ハイブリッド地震応答実験結果コンクリート無充填および充填 ( c / h 0.2 ) 鋼製橋脚 10 W ith ou t C o ncrete W ith C oncrete / y JR Takatori Time Time (sec) (sec)

36 ハイブリッド地震応答実験結果コンクリート無充填および充填 ( c / h 0.2 ) 鋼製橋脚 H/Hy Without Concrete Local Buckling / y0 H/Hy With Concrete / y0

37 ( まとめ ) 変形性能の高い鋼製橋脚コンクリート b 板厚 :t (a) コンクリート部分充填単柱式橋脚の場合 c / h 0.2~0.3 (b) 小幅厚比断面, 高剛性補剛材 * R 0.35 / 3. 0 f a b a ダイアフラム間隔

38 鋼製橋脚の耐震設計法新技術小委員会 ( 土木学会, 1996) コンクリート部分充填鋼製橋脚の地震時保有水平耐力照査法 Pushover 解析破壊基準 ( 平均圧縮ひずみが終局ひずみに達する状態 ) 次世代土木鋼構造委員会 (JSSC, 2000) 保有水平耐力照査法に代わり, 変位照査法またはまたはひずみ照査法が提案された.

39 道路橋示方書 Ⅴ 耐震設計編 ( 日本道路協会, 2002) 動的照査法による耐震性能の照査ぜい性的破壊を防ぎ, じん性 ( 変形能 ) を確保できる構造の採用残留変形の制限アンカー部の設計 ( 塑性化させない ) (a) 矩形断面橋脚における角割れ (b) 円形断面鋼製橋脚における変形の集中, 進展に伴う傾斜, 割れぜい性的破壊モード

40 鋼製橋脚の耐震補強 ( 日本道路協会参考資料 ) 基本的な考え方基礎, アンカー部への負担を小さくするため, 橋脚の変形能を向上させ, 水平耐力が過度に上がらないような補強工法の採用橋脚各断面の耐力とアンカー部の耐力の大小関係に応じて, 塑性ヒンジの位置および補強手法を検討耐震補強設計手法として, コンクリート充填による方法, 角補強による方法を例示

41 鋼製橋脚の耐震補強例 ( ゆりかもめの例 ) 高力ボルトによる角補強曲げ加工したコーナープレート高力ボルト後打ちコンクリートゆりかもめ車両衝突による変形防止用の中詰めコンクリート高力ボルトによる角補強の適用

42 耐震補強例 ( 名古屋高速道路公社 ) マンホール T 形補強材既設縦補剛材縦補剛材補強追加充填コンクリート既設中埋めコンクリート高力ボルト

43 まとめ局部座屈に対する耐震性能照査はほぼ確立されている. 耐震性能の向上補強策 : コンクリート充填, 小幅厚比 ( 小径厚比 ), 高剛性補剛材, 角補強など

44 今後の展望低サイクル疲労に伴う脆性的破壊評価法の確立ラーメン隅角部のひずみ集中低減構造高靭性鋼の応用残留変位低減構造の開発多方向地震動の影響制震構造による耐震性向上大型震動台による破壊シナリオの検証

45 Pushover 解析鋼材の応力 - ひずみ関係 E st E' y E E st exp( y st ) 0 y st 45

46 兵庫県南部地震における鋼製橋脚の被災例倒壊した鋼製橋脚大きく傾いた鋼 46 製橋脚

47 支配パラメータの影響細長比パラメータ 95/ y ' s =0.25, P/P y =0.15 R f =0.3 R f =0.4 R f =0.5 95/ y P/P y =0.15 R t =0.04 R t =0.06 R t = 補剛箱形断面パイプ断面 47

48 支配パラメータの影響軸圧縮力 95/ y R f =0.3 R f =0.4 R f =0.5 95/ y =0.3 R t =0.05 R t =0.08 R t = =0.3, ' s = P/P y 補剛箱形断面 P/P y パイプ断面 48

49 支配パラメータの影響補正補剛材細長比パラメータ u,s/ y 推定式単調片振り両振り 95/ y =0.3, P/P y =0.15 R f =0.3 R f =0.4 R f = ' s 補剛板 ' s 補剛箱形断面 49

50 支配パラメータの影響繰り返し回数 2 R f =0.45, =0.4,P/P y =0.2, / * =3 H/H y0 1 LINEARLY ELASTIC C-M (n=0) C-C-1 (n=1) C-C-3 (n=3) C-C-5 (n=5) C-C-8 (n=8) n=8 n=1 n=0 n=5 0 n= / y0 補剛箱形断面 50

51 支配パラメータの影響偏心率 95/ y R f =0.3 R f =0.4 R f =0.5 95/ y =0.3 P/P y =0.15 R t =0.04 R t =0.06 R t =0.08 =0.30, P/P y = e/h e/h 補剛箱形断面パイプ断面 51

国土技術政策総合研究所資料

国土技術政策総合研究所資料 5. 鉄筋コンクリート橋脚の耐震補強設計における考え方 5.1 平成 24 年の道路橋示方書における鉄筋コンクリート橋脚に関する規定の改定のねらい H24 道示 Ⅴの改定においては, 橋の耐震性能と部材に求められる限界状態の関係をより明確にすることによる耐震設計の説明性の向上を図るとともに, 次の2 点に対応するために, 耐震性能に応じた限界状態に相当する変位を直接的に算出する方法に見直した 1)