減衰部材を有する鋼構造建物の大地震後の継続利用を志向した合理的設計解導出法

大震后带阻尼构件钢结构继续使用合理设计解推导方法

基本信息

批准号：
21K04337
负责人：
高木次郎
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

最適化手法を利用して鋼構造建物のコスト最小設計解（優良設計解）を求め、耐震性能や架構型式、構造種別、規模等に応じたコスト変化を分析した。架構型式については、ほぼ全ての柱梁接合部を剛接合とする架構型式（全体型）と外周部に耐震架構を集約する架構型式（集約型）を評価した。構造種別については、純ラーメン構造、座屈拘束ブレース（BRB）あるいは鋼管ブレース（PB）を有するブレース構造などを検討した。純ラーメン構造では柱梁部材の断面寸法を設計変数とし、ブレース構造ではそれに加えて、ブレースの耐力と配置を設計変数とした。BRB（減衰部材）と主架構を同時に最適化して合理的な耐震システムを導出した。最適化の制約条件は、長期荷重と中小地震に対する許容応力度設計を満足することと、大地震に対する設計として限界耐力計算による安全限界の制約を満足することとした。限界耐力計算中の静的増分解析による建物の水平耐力と変形性能の評価により減衰部材による地震エネルギー吸収効果を積極的に評価した。純ラーメン構造では集約型の鋼材量が少ないことやBRBを有するブレース構造では主架構の剛性が相対的に低い全体型が合理的であることなどを確認した。また、集約型の架構型式は米国をはじめとする諸外国で一般的に使われることに着目して、米国の一般的な耐震設計法であるEquivalent Lateral Force (ELF) procedureを満足する全体型と集約型の優良設計解を導出した。日本の設計と比較してELFに準拠した純ラーメン構造の水平剛性が大幅に小さいことなどを確認した。さらに、高層免震構造についても上部構造の応答と免震層の最大変位を制約条件とする優良設計解を導出して、免震装置と上部構造のコストの総和を最小化する優良設計解を導出した。上記の研究により、査読付き論文1編を執筆した。

我们采用优化方法来寻找钢结构建筑成本最低的设计方案（优秀设计方案），并分析了成本随抗震性能、框架类型、结构类型、规模等的变化。对于框架类型，我们评估了两种类型：几乎所有柱梁节点都是刚性连接的框架类型（整体型）和外周加固抗震框架的框架类型（整体型）。关于结构类型，我们考虑了纯刚架结构、屈曲约束支撑（BRB）或钢管支撑（PB）的支撑结构。在纯刚架结构中，柱和梁构件的横截面尺寸被用作设计变量，而在支撑结构中，除此之外，支撑的承载强度和布置也被用作设计变量。通过同时优化BRB（阻尼构件）和主框架，导出合理的抗震系统。优化的约束条件是满足长期荷载和中小地震的许用应力设计，以及满足大地震基于极限强度计算的安全极限约束。在极限强度计算过程中，通过静力增量分析评价建筑物的水平强度和变形性能，主动评价阻尼构件的地震吸能效果。经证实，纯刚性框架结构需要少量的密集钢材，而对于带有BRB的支撑结构，采用主框架刚度相对较低的整体结构是合理的。此外，针对美国等国家普遍采用的集中框架式的特点，我们开发了满足等效侧向力（ELF）程序的整体结构，这是目前国际上通用的抗震设计方法。导出了优秀的一体化设计方案。经证实，符合ELF标准的纯刚性框架结构的水平刚度明显低于日本设计。此外，对于高层隔震结构，我们以上部结构的响应和隔震层的最大位移为约束，得出了优秀的设计方案，找到了使隔震总成本最小化的优秀设计方案装置和上层建筑派生。作为上述研究的结果，我写了一篇同行评审的论文。