951 日本建築学会技術報告集 第 24 巻 第 58 号,951-956,2018 年 10 月 AIJ J. Technol. Des. Vol. 24, No.58, 951-956, Oct., 2018 DOI https://doi.org/10.3130/aijt.24.951 上部構造と免震層の等価周期比 を用いた免震建物の応答予測式 RESPONSE PREDICTION FORMULA FOR BASE-ISOLATED BUILDING BY USING PERIOD RATIO BETWEEN SUPERSTRUCTURE AND SEISMIC ISOLATION LAYER 付 慧鑫ー ーーーー *1 佐藤大樹ー ーーーー *2 北村春幸ー ーーーー *3 松田頼征ー ーーーー *4 宮川和明ー ーーーー *5 植木卓也ー ーーーー *6 村上行夫ー ーーーー *6 キーワード: 免震建物,上部構造周期,等価変形,予測曲線 Keywords: Base-isolated building, Superstructure period, Equivalent deformation, Prediction curve Huixin FUーーーーーーーーーー *1 Daiki SATOー ーーーーーーー *2 Haruyuki KITAMURAー ー *3 Yoriyuki MATSUDAー ーー *4 Kazuaki MIYAGAWAーーー *5 Takuya UEKIー ーーーーーー *6 Yukio MURAKAMIー ーーー *6 Since 1995, seismic isolation structures have been applied effectively to buildings whose superstructure is characterized to have a long fundamental period such as steel-framed and high-rise buildings. However, for logistics warehouses which are designed to be long span and a high floor height to create a large internal space, there is a possibility that such buildings will not deform as expected. This study proposes a response prediction formula for base-isolated building by using period ratio between the superstructure and the seismic isolation layer. *1 東京理科大学大学院理工学研究科建築学専攻 大学院生 (〒 278-8510 千葉県野田市山崎 2641) *2 東京工業大学未来産業技術研究所 准教授・博士(工学) *3 東京理科大学 副学長・博士(工学) *4 東京理科大学理工学部建築学科 助教・博士(工学) *5 JFEシビル㈱ 博士(工学) *6 JFE スチール㈱ *1 Graduate Student, Dept. of Architecture, Tokyo Univ. of Science *2 Assoc. Prof., FIRST, Tokyo Inst. of Technology, Dr. Eng. *3 Vice President, Tokyo Univ. of Science, Dr. Eng. *4 Assist. Prof., Dept. of Architecture, Tokyo Univ. of Science, Dr. Eng. *5 JFE Civil Engineering & Construction Corp., Dr. Eng. *6 JFE Steel Corp. 1.はじめに 1995 年以降,免震建物が増加し,鉄骨造建物や超高層建物にも免 震構造が適用されるようになり,上部構造の 1 次固有周期が長い免 震建物も設計されるようになってきた 1) 。また,インターネット通販 市場の拡大と 2011 年東北地方太平洋沖地震の影響で,物流倉庫に免 震構造を採用する事例が増えてきた。物流倉庫では,内部空間を広く 確保したいという要求から,スパンが長く,階高が高く設計されてい る。そのような建物に免震構造を採用する場合,上部構造の周期と免 震周期の差が小さくなるため,免震効果が十分に発揮されない可能 性がある。免震層の最大応答について,応答スペクトルを用いた新た な予測方法が提案され,精度改善の検証が行われた 2), 3) 。一方で,こ れまでの検討では,基礎固定時での上部構造の 1 次固有周期が長い 免震建物は上部構造のせん断力係数が大きくなり,上部構造でもエ ネルギーを吸収することを確認した 4) 。これに伴い,上部構造の変形 の増大を引き起こすことも考えられる。笠井らは,上部構造・免震層 のバランス,免震層の剛性と減衰,による免震効果の変化について, 等価線形化手法を用いて,上部構造の柔性を考慮した免震応答の仕 組みを示すとともに,免震性能曲線も提案している 5) 。 本報では,エネルギーの釣合に基づいて免震建物を設計する際,上 部構造の周期について,設計クライテリアを満足するための適切な 範囲を把握できる手法を提案することを目的とする。具体的には,免 震層の等価周期と基礎固定時での上部構造の 1 次固有周期の比率を 用いた,免震建物の上部構造の変形予測式を提案する。検討では, 基礎固定時での上部構造の 1 次固有周期,アイソレータのみの周期, 免震層に設置された履歴ダンパーの降伏せん断力係数および入力地 震動をパラメータとする。さらに,免震層の変形と上部構造の層間 変形角を設計クライテリア内に収めるための適切な上部構造の周期 について,本予測式を用いた設計例を示す。 2.解析条件および入力地震動の概要 2.1 解析モデルの概要 本報では,長辺方向 11.2 m スパン,短辺方向 10.4 m スパン,平面 67.2 m × 41.6 m の整形な形状を持つ 4 階建ての鉄骨造物流倉庫を対 象とする。階高は 1 ~ 3 階が 7.5 m,4 階が 6.6 m である。基準階伏図 と検討対象とする長辺方向の軸組図を図 1 に示す。床の固定荷重と 地震用積載荷重の合計は 10.8 kN/m 2 とする。柱部材は□-400×400× 22 ~ 28,梁部材は長辺方向に H-700×300×14×22,短辺方向に H- 700×250×14×28 を採用している。免震層は天然ゴム系積層ゴムと 履歴ダンパーで構成される。図 2 に,免震層の配置例を示す。積層ゴ ムは外柱下に 800 mm,中柱下に 1000 mm をそれぞれ,20 基,15 基,ダンパーを 16 基配置する。基礎固定時でのラーメン架構の 1 次 固有周期は 3.0 s である。本報では,基礎固定時での上部構造の 1 次 固有周期 T u を調節するために,1,5 通りの全面に弾性ブレースを配 置する。解析にあたっては,上部構造とアイソレータは弾性,ダンパ ーは完全弾塑性型の復元力特性とする。履歴ダンパーの降伏変形 s δ y は 3 cm である。減衰定数は上部構造の 1 次固有周期 T u に対して h = 2 %となる初期剛性比例型の減衰を上部構造のみに与え,免震層は 無減衰とする。
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Since 1995, seismic isolation structures have been applied effectively to buildings whose superstructure is characterized to have a long fundamental period such as steel-framed and high-rise buildings. However, for logistics warehouses which are designed to be longspan and a high floor height to create a large internal space, there is a possibility that such buildings will not deform as expected. This study proposes a response prediction formula for base-isolated building by using period ratio between the superstructure and the seismic isolation layer.
*1 Graduate Student, Dept. of Architecture, Tokyo Univ. of Science
*2 Assoc. Prof., FIRST, Tokyo Inst. of Technology, Dr. Eng.*3 Vice President, Tokyo Univ. of Science, Dr. Eng.*4 Assist. Prof., Dept. of Architecture, Tokyo Univ. of Science, Dr. Eng.*5 JFE Civil Engineering & Construction Corp., Dr. Eng.*6 JFE Steel Corp.
上部構造と免震層の等価周期比を用いた免震建物の応答予測式
RESPONSE PREDICTION FORMULAFOR BASE-ISOLATED BUILDING BYUSING PERIOD RATIO BETWEEN SUPERSTRUCTURE AND SEISMICISOLATION LAYER
Huixin FU *1 Daiki SATO *2 Haruyuki KITAMURA *3 Yoriyuki MATSUDA *4 Kazuaki MIYAGAWA *5 Takuya UEKI *6Yukio MURAKAMI *6
Since 1995, seismic isolation structures have been applied effectively to buildingswhose superstructure is characterized to have a long fundamental period such as steel-framed and high-rise buildings. However, for logistics warehouses which are designedtobe long spananda high floorheight tocreatea large internal space, there isa possibilitythat such buildings will not deform as expected. This study proposes a responseprediction formula for base-isolated building by using period ratio between thesuperstructure and the seismic isolation layer.
1.はじめに
1995 年以降,免震建物が増加し,鉄骨造建物や超高層建物にも免
震構造が適用されるようになり,上部構造の 1 次固有周期が長い免
震建物も設計されるようになってきた 1)。また,インターネット通販
市場の拡大と 2011 年東北地方太平洋沖地震の影響で,物流倉庫に免
震構造を採用する事例が増えてきた。物流倉庫では,内部空間を広く
確保したいという要求から,スパンが長く,階高が高く設計されてい
る。そのような建物に免震構造を採用する場合,上部構造の周期と免
震周期の差が小さくなるため,免震効果が十分に発揮されない可能
性がある。免震層の最大応答について,応答スペクトルを用いた新た
な予測方法が提案され,精度改善の検証が行われた 2), 3)。一方で,こ
れまでの検討では,基礎固定時での上部構造の 1 次固有周期が長い
免震建物は上部構造のせん断力係数が大きくなり,上部構造でもエ
ネルギーを吸収することを確認した 4)。これに伴い,上部構造の変形
の増大を引き起こすことも考えられる。笠井らは,上部構造・免震層
のバランス,免震層の剛性と減衰,による免震効果の変化について,
等価線形化手法を用いて,上部構造の柔性を考慮した免震応答の仕
組みを示すとともに,免震性能曲線も提案している 5)。
本報では,エネルギーの釣合に基づいて免震建物を設計する際,上
部構造の周期について,設計クライテリアを満足するための適切な
範囲を把握できる手法を提案することを目的とする。具体的には,免
震層の等価周期と基礎固定時での上部構造の 1 次固有周期の比率を
用いた,免震建物の上部構造の変形予測式を提案する。検討では,
基礎固定時での上部構造の 1 次固有周期,アイソレータのみの周期,
免震層に設置された履歴ダンパーの降伏せん断力係数および入力地
震動をパラメータとする。さらに,免震層の変形と上部構造の層間
変形角を設計クライテリア内に収めるための適切な上部構造の周期
について,本予測式を用いた設計例を示す。
2.解析条件および入力地震動の概要
2.1 解析モデルの概要
本報では,長辺方向 11.2 m スパン,短辺方向 10.4 m スパン,平面
67.2 m × 41.6 m の整形な形状を持つ 4 階建ての鉄骨造物流倉庫を対
象とする。階高は 1 ~ 3 階が 7.5 m,4 階が 6.6 m である。基準階伏図
と検討対象とする長辺方向の軸組図を図 1 に示す。床の固定荷重と
地震用積載荷重の合計は 10.8 kN/m2 とする。柱部材は□-400×400×
22 ~ 28,梁部材は長辺方向に H-700×300×14×22,短辺方向に H-
700×250×14×28 を採用している。免震層は天然ゴム系積層ゴムと
履歴ダンパーで構成される。図 2 に,免震層の配置例を示す。積層ゴ
ムは外柱下に 800 mm,中柱下に 1000 mm をそれぞれ,20 基,15
基,ダンパーを 16 基配置する。基礎固定時でのラーメン架構の 1 次
固有周期は 3.0 s である。本報では,基礎固定時での上部構造の 1 次
固有周期 Tu を調節するために,1,5 通りの全面に弾性ブレースを配
置する。解析にあたっては,上部構造とアイソレータは弾性,ダンパ
ーは完全弾塑性型の復元力特性とする。履歴ダンパーの降伏変形 sδy
は 3 cm である。減衰定数は上部構造の 1 次固有周期 Tu に対して h =
2 %となる初期剛性比例型の減衰を上部構造のみに与え,免震層は
無減衰とする。
*1 東京理科大学大学院理工学研究科建築学専攻 大学院生
(〒278-8510 千葉県野田市山崎 2641)
*1 Graduate Student, Dept. of Architecture, Tokyo Univ. of Science
*2 東京工業大学未来産業技術研究所 准教授・博士(工学) *2 Assoc. Prof., FIRST, Tokyo Inst. of Technology, Dr.Eng.*3 東京理科大学理工学部建築学科 教授・博士(工学) *3 Prof., Dept. of Architecture, Tokyo Univ. of Science, Dr.Eng.*4 東京理科大学理工学部建築学科 助教・博士(工学) *4 Assist. Prof., Dept. of Architecture, Tokyo Univ. of Science, Dr.Eng.*5 JFE シビル株式会社 博士(工学) *5 JFE Civil Engineering & Construction Corp., Dr.Eng.*6 JFE スチール株式会社 *6 JFE Steel Corp.
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解析パラメータとして,弾性ブレースの断面を変えることによっ
て,基礎固定時での上部構造の 1 次固有周期 Tuを 0.8 s ~ 2.6 s に変動
させる。また,上部構造剛体時のアイソレータのみの周期 Tf を 4 s,
6 s に,免震層に設置される履歴ダンパーの降伏せん断力係数 αs を
0.010 ~ 0.050 の範囲で変動させる(表 1)。
2.2 入力地震動の概要
入力地震動は,HACHINOHE(1968)EW 成分と JMA KOBE(1995)
NS成分を位相特性に用い,コーナー周期以降で擬似速度応答スペク
トル pSv (h = 5 %)が 80 cm/s で一定となる告示波の入力レベルを 0.5
倍,1.0 倍,1.5 倍した地震動とする。それぞれ,ART HACHI 40,
ART HACHI 80,ART HACHI 120,ART KOBE 40,ART KOBE 80,