@phdthesis{oai:nagoya.repo.nii.ac.jp:00009383,
 author = {護, 雅史 and Mori, Masafumi},
 month = {Nov},
 note = {1995年兵庫県南部地震においては､杭基礎建物の被災調査や被災シミュレーション解析による被災要因の分析が精力的に行なわれた｡これを契機として､杭基礎建物に対する非線形地震応答性状の把握や､地盤一杭一建物連成系の実用的な非線形地震応答解析手法の開発の必要性が高まった｡また､1995年兵庫県南部地震以後､性能規定型設計への移行が始まり､杭基礎構造の耐震設計についても､今後は緩やかではあろうが､世の中の趨勢として､性能規定型設計を実施する方向へ進んでいくものと推察される｡今後､杭基礎構造の性能規定型設計が実施されるとした場合の新しい課題として､塑性化を含めた杭の変形量(あるいは塑性率)を明確に表現した設計法の確立が考えられる｡本論文は､以上のような背景を踏まえて､杭基礎建物の強震時挙動が評価できる地盤一杭一建物連成系の実用的な非線形地震応答解析手法を構築すること､強震時における杭基礎建物の非線形応答性状や耐震性能を包括的に把握すること､また､設計的観点から､杭基礎の性能規定型設計体系への移行を想定して､杭の変形性能を考慮した実用的な設計法を提案することを目的として行なった研究である｡本論文は､以下に示す全8章より構成されている｡第1章序論　第2章質点-ばね系モデルによる地盤一杭一建物連成系の非線形地震応答解析手法の構築　第3章簡便法による地盤ばね定数の質点-ばね系モデルヘの適用性の検討　第4草地盤一杭一建物連成系の非線形地震応答性状に関する検討　第5章杭種や杭頭接合条件の異なる杭基礎建物の非線形地震応答性状や耐震性能に関する検討　第6章1995年兵庫県南部地震において被災した杭支持建物のシミュレーション解析と杭基礎の耐震性能に関する検討　第7章杭の曲げ耐力と最大応答塑性率に関する解析的検討　第8章結論　第1章では､まず､近年の杭基礎建物の状況や地震被害､あるいは性能規定型設計体系への移行の動向等から､杭基礎建物の耐震設計における問題点や課題について指摘することにより､本研究を行なうに至った背景を述べるとともに､本研究の目的について明記した｡次に､杭基礎建物の動的相互作用に関する既往の研究について概説し､杭基礎建物の非線形動的相互作用や耐震性能に関わる解析的研究や､実用的な解析法の開発が､発展途上にあることを示して､本研究の位置づけと意義を明確にした。次に､本研究の目的を達成するために実施した研究項目について､章ごとに概説した｡最後に､各章の対応関係について､フロー図を用いて示した｡第2章では､質点-ばね系のスティックモデルによる地盤一杭一建物連成系の非線形地震応答解析手法の構築方法について述べた｡まず､質点-ばね系のスティックモデルにおける数学モデルとその解析方法の概略について述べた｡質点-ばね系のスティックモデルは､モデル自体が簡便であるが故に､群杭効果を考慮した地盤ばねの設定方法､ならびに地盤反力など各部における非線形性のモデル化方法に十分な注意を払う必要がある｡そこで､本章では､まず動的サブストラクチャー法の容積法に基づく､地盤一杭一建物連成系の運動方程式の導出を行い､地盤ばねが3次元薄層法などの理論解より得られることを示した｡次に､杭､地盤ばねの集約化､および集約された地盤ばねの､簡便性に配慮した､軸ばねとせん断ばねへのスカラー化の方法について示した｡そして､簡単な数値実験により､地盤ばねの集約化と､軸ばねとせん断ばねによるスカラー化の精度や､その有効性について検討した｡次に､軸ばねとせん断ばねの非線形パラメータの設定方法について示した｡そして､本解析手法は､自由地盤の非線形性と､杭周辺地盤の非線形化に伴う杭から逸散減衰の非線形性を､軸ばね､せん断ばねの復元力特性に考慮している点が特徴であることを述べた｡また､これら地盤の材料非線形性に加えて､杭と周辺周辺地盤間の幾何学的非線形性､すなわち剥維を同時に考慮できる復元力モデルも提案した｡最後に､鋼管杭の遠心模型実験と本解析手法によるシミュレーション解析において､両者が良好な対応関係を示している結果を紹介することにより､本解析手法の妥当性を示した｡また､軸ばねの復元力特性を規定する極限地盤反力の算定における､群杭効率に関わる有効杭本数の設定方法に､問題が残されていることを述べた｡第3章では､経験式等に基づく簡便な地盤ばね算定手法の､質点-ばね系モデルヘの適用性について検討した｡具体的には､建築基礎構造設計指針(2001)【126】に示された､N値で表される簡便な水平地盤反力係数による算定式を簡便法､薄層法を用いた算定方法を精算法と位置づけ､両手法から得られる地盤ばね剛性を､単杭と群杭の場合で比較することにより､簡便法の適用性や問題点について検討した｡その結果､単杭における地盤ばね剛性では､砂質土で9倍程度､粘性土で､N値に依存して､18～24倍程度､精算法の方が簡便法に比べて大きいこと､群杭の場合､精算法と簡便法での地盤ばね剛性の比は､杭本数や杭間隔比だけではなく､地盤タイプや深さ方向でも異なる傾向が見られること等を明らかにした｡また､地盤条件によっては､簡便法による地盤ばね剛性でも､簡単な補正を行なうことで､適用可能であることを示した｡次に､地盤ばね剛性の他に､簡便法により求めた粘性減衰係数､および極限地盤反力係数を用いて､仮想杭基礎建物の非線形地震応答解析を行い､地盤ばねの各非線形パラメータが､連成系の地震時応答に与える影響について検討した｡その結果､本章で行なった検討範囲内では､簡便法による地盤ばねの各非線形パラメータが､連成系の地震時応答に与える影響は小さいことを示した｡第4章では､第2章で構築した解析手法を用いて､非液状化地盤に建つ仮想杭支持RC建物を対象とした非線形地震応答解析を実施した｡そして､地盤の非線形性､建物の非線形性､杭の非線形性のそれぞれが､地盤一杭一建物連成系の地震時応答に与える影響について､定性的検討を行なった｡まず､自由地盤の非線形性の影響については､建物と杭を弾性とし､入力地震動の最大地動加速度Agを50Gal､100Gal､200Galと変えることにより､段階的に検討した｡これより､Agの増加に伴い､地盤の非線形化が進展するため､Agで基準化された建物応答や､杭頭インピーダンスは低減すること､対照的に､Agで基準化された杭の応答は､地盤変形の増大に伴い増大すること､さらには､建物への入力損失効果は､Agにほとんど影響されない事などを明らかにした｡次に､建物､及び杭の非線形性の影響については､Agが200Galの場合について検討した｡その結果､建物の非線形化により､建物応答は低減され､杭応答については､建物慣性力による応答には低減が見られるが､地盤震動による応答は相村的に大きくなること､杭頭インピーダンスにおける剛性低下は､建物弾性時に比べて少ないこと､杭の非線形性が､建物の応答に与える影響は非常に小さいことを明らかにした｡杭と杭周辺地盤の剥離が地盤一杭一建物達成系の地震時応答に与える影響については､剥碓を考慮した地盤ばねの復元力モデルを新たに提案し､これを用いた検討を行なった｡まず､提案した復元力モデルを用いて､単杭の杭頭加振実験のシミュレーション解析を行ない､両結果の良好な対応関係を確認することにより､同復元力モデルの有効性を示した｡また､仮想杭支持建物の非線形地震応答解析を行ない､杭と杭周辺地盤の剥離が建物､杭の応答に与える影響は小さいことを明らかにした｡最後に､自由地盤の剛性低下や軸ばねの剛性低下に伴う逸散減衰効果の低減が､地盤一杭一建物連成系の地震時挙動に与える影響について検討し､自由地盤の剛性低下は､建物や杭の応答に影響を与えるが､逸散減衰効果が､建物や杭の応答に与える影響は小さいことを明らかにした｡第5章では､杭種や杭頭接合条件が異なる杭基礎建物の､強震時における振動性状や耐震性能の違いについて検討した｡検討では､液状化を考慮しない軟弱地盤､および液状化地盤に建つ仮想9層RC造杭基礎建物を対象とし､杭種としてはRC杭と鋼管杭､杭頭接合条件としてはピン接合と剛接合を想定した｡はじめに､動的な観点から､質点-ばね系モデルを用いた地盤一杭一建物連成系の非線形地震応答解析を行い､杭種や杭頭接合条件が異なる場合の連成系の応答性状について比較､検討した｡建物応答については､RC杭､鋼管杭いずれの場合も､杭頭接合条件の影響は小さいこと､杭応答については､地盤震動による応答は､杭頭接合条件の影響を受けにくいこと､ピン接合における地中部最大曲げモーメントは､剛接合における杭頭曲げモーメントよりも小さくなること､杭頭における建物慣性力による応答変位は､ピン接合の方が大きいこと等の結果を得た｡さらに､杭頭せん断力と杭と地盤の相対変位との履歴曲線から､ピン接合､あるいは鋼管杭の方が､履歴吸収エネルギー効果が大きいことを示した｡また､剛接合である鋼管杭が塑性化した場合には､変形性能の面で留意する必要があることを指摘した｡次に､静的な観点から､RC杭に着目して､フレームモデルを用いた杭基礎の静的増分解析を実施し､杭頭接合条件が異なる場合の杭基礎の保有水平耐力と変形性能について比較､検討した｡その結果､剛接合の場合､保有水平耐力は大きいが､逆に変形性能が小さく､ピン接合の場合､保有水平耐力は小さいが､変形性能は､各接合条件で同じ終局状態を想定すると､剛接合よりも大きくなる傾向にあることを明らかにした｡第6章では､1995年兵庫県南部地震により被災した､埋立地に建つ被災状況の大きく異なるRC造杭支持建物とS造杭支持建物について､本論で構築した非線形地震応答解析法による被災シミュレーション解析を行ない､動的相互作用の観点から､被災要因を考察した｡また､フレームモデルを用いた杭基礎の静的増分解析を行なって､杭の損傷過程を辿ることによっても､両建物の被災要因を検討した｡静的増分解析では､杭頭せん断力の他に､地盤の強制変位も荷重として考慮した｡その結果､両建物の被災状況を､地震応答解析と静的増分解析により､ある程度再現することができた｡そして､両建物の被災要因を､建物の規模や耐震性能､地盤の卓越周期や非線形性の影響等によって説明できることを示した｡また､本論で構築した非線形地震応答解析法と､静的荷重解析法を組み合わせることにより､杭支持建物の耐震性能を総合的に評価することが可能であることを述べた｡第7章では､まず､変形性能を考慮した杭の設計法を示した｡この設計法では､上部建物の構造特性係数に相当する､杭の曲げ耐力と応答塑性率の関係が必要となる｡そこで､杭の降伏曲げ耐力に関する係数を､｢耐力低減係数｣と定義し､杭の応答塑性率と耐力低減係数の関係式の推定を試みた｡検討は､鋼管杭とRC杭と対象とし､地盤一杭一建物連成系の非線形地震応答解析による経験的手法に基づいて行った｡はじめに､人工地震波5波による地震応答解析結果から､杭の耐力低減係数と応答塑性率の関係を回帰することによって､RC杭と鋼管杭に対する推定式をそれぞれ導出した｡次に､推定式が実地震波を用いた地震応答解析結果を包絡することを示すことにより､同推定式の妥当性を明らかにした｡さらに､本推定式を用いて算定される杭頭せん断力を作用させた場合の､杭の曲げモーメント分布を､通常､杭の設計で用いられる静的増分解析や弾性支承梁による解法を用いて算定した｡そして､それらの結果が､地震応答解析結果と比較的良く対応していることから､本推定式の設計への適用性を確認した｡本章で示した推定式は､2次設計を想定し､入力加速度を400Galとした場合の検討結果であるため､実際の適用にあたっては､2次設計のレベルを越える地震動が生じた場合の杭の損傷レベルも考慮に入れた上で､2次設計における杭の損傷レベル(塑性率)を設定していく必要があることを注意点として述べた｡第8章では､第2章から第7章で得られた結論を総括して要約するとともに､今後の課題や展望について記すことにより､本論文の結びとした｡, Since the 1995 Hyogoken Nanbu Earthquake, in Japan, so many researchers and engineers have been energetically performing simulation analyses of pile-supported buildings damaged due to the earthquake.  As a result of these works, the establishment of nonlinear earthquake response analysis codes because very necessary in order to comprehend the nonlinear dynamic characteristics of pile-supported buildings under strong ground motions. Such analysis codes will be also useful to design these buildings which have high earthquake resistance performance in the future.  Furthermore, the design paradigm for these buildings will shift by slow degree from the specification based design to the performance based design.  To carry out the performance specification design for pile-supported buildings under strong ground motion, it is necessary to clear relations between deformations (or ductility) and strength of piles (or pile foundations). Under these backgrounds, main objectives of this thesis are the following three points. 1.Establishment of a nonlinear earthquake esponse analysis code for pile-supported buildings considering the dynamic interaction between piles and soil. 2.Comprehension of the nonlinear dynamic characteristics and earthquake resistance performance of pile-supported buildings under strong ground motions. 3.Proposition of a practical design method of pile foundations considering deformation performance of piles including their plastic behavior. The composition of this thesis is shown as follows. Chapter 1.  Introduction  Chapter 2. Establishment of a nonlinear earthquake response analysis code for pile-supported buildings by use of a mass-spring system.Chapter 3. Applicability of soil spring parameters calculated by some simplified methods to the present analysis model. Chapter 4. Nonlinear dynamic characteristics of pile-supported buildings under strong ground motions. Chapter 5. Seismic performance of pile-supported buildings with different types of pile cap condition and different materials. Chapter 6. Simulation analyses of pile-supported buildings damaged due to the 1995 Hyogoken Nanbu Earthquake. Chapter 7. Relationship between bending strength and maximum ductility factor of piles. Chapter 8. Conclusions of this thesis In Chapter 1, we describe briefly objectives and backgrounds of this thesis by showing current problems about the earthquake resistance design of pile-supported buildings through their status, their earthquake disaster and paradigm shift of the earthquake resistance design for buildings in late years.  The previous works on the dynamic soil-pile interaction problems are reviewed.  Important points from the review for this thesis are that the nonlinear soil-pile interaction and the earthquake resistance performance of pile supported buildings are not sufficiently investigated and that practical nonlinear earthquake response analysis codes are developed insufficiently at this stage. In Chapter 2, a nonlinear earthquake response analysis methods for a soil-pile-structure system by use of a mass-spring model is proposed.  The dynamic formulation of the soil-pile-structure system is introduced by the flexible volume methods.  Through this formulation, it is indicated that the complex stiffness of soil springs is calculated by a theoretical solution such as the three-dimensional thin layer method.  As the proposed model is a stick model, which is composed of masses and springs, it is necessary to condense pile groups and the soil springs.  So, the condensation method is illustrated in detail.  The condensed soil springs are substituted for horizontal axis spring and shear for convenience.  Some simple numerical tests are carried out to verify the accuracy of the condensed springs and the substituted horizontal axis and shear springs. Subsequently, hysteresis characteristics of the horizontal axis springs and the shear springs are shown.  The hysteresis characteristics include the material nonlinearity of the free field, the nonlinearity of the radiation damping from piles in accordance with the plastic behavior of soils around the piles and the geometrical nonlinearity, which is known as the separation between piles and the surrounding soils.  At the end of this chapter, the simulation analysis of the centrifuge experiment of steel piles is introduced to show the applicability of the proposed method. In Chapter 3, we describe the applicability of stiffness of soil springs calculated by a conventional method based on a coefficient of horizontal subgrade reaction to a mass-spring model for nonlinear response analysis. Stiffness distributions of soil springs by use of the conventional method are compared with those obtained from the three-dimensional thin layer method as a detailed analysis method.  Some different pile conditions; diameter, number, and span of piles are considered in this paper.  Some types of soil deposits in urban areas in Japan (OHSAKI 1973) are employed in this analysis.  Results indicated that, for a single pile, soil spring stiffness by use of the detailed analysis method is nine times for sandy soil and from eighteen to twenty times for clayey soil as large as that by the conventional method. In Chapter 4, some nonlinear response analysis results of an assumed pile-supported reinforced concrete building constructed at a non-liquifable ground are indicated.  The main objective of these analyses is to clear how the nonlinearity of the soil, the building and the piles affect on the dynamic characteristics of this soil-pile-structure system under strong ground motions.  Conclusions of this chapter are summarized as follows.  The building responses and impedances at the pile head decrease as the nonlinearity of the soil proceeds.  On the other hand, the pile responses increase because the deformation of the soil grows up in accordance with the progress of the soil nonlinearity.  The input loss effect to the building is rarely affected by the progress of the soil nonlinearity.  The nonlinearity of the building affects the responses of the pile and the buildings.  The nonlinearity of the pile has effects on the responses of the piles. The geometrical nonlinearity of the soil around the pile rarely has effects on the responses of the piles.  The geometrical nonlinearity of the soil around the rarely has an impact on the nonlinear characteristics of the soil-pile-structure system.  As the last study in this chapter, it is declared that the installation of the nonlinearity of the free field to the axis soil spring affects the nonlinear responses of the soil-pile-structure system. In Chapter 5, the seismic performance of pile-supported 9-story RC buildings with different types of pile cap condition and material is compared.  For the building supported by cast-in-place reinforced concrete piles and the same building supported by steel pipe piles, earthquake response analyses are carried out.  Pile cap conditions of their pile foundations are assumed to be pin joints or rigid joints.  The soil surrounding these foundations is supposed to have the same properties.  The mass-spring models are used for their analyses.  It is found that the maximum bending moment of piles with pin joints is smaller than that with rigid joints.  In case of the steel pipe piles, most part of the maximum bending moment is induced by the inertial force of the superstructure.  Pile cap condition gives less effects on the seismic performance of the superstructures.  Furthermore, to compare the ultimate strength and the deformation capacity of the pile foundation with rigid joints to those of the pile foundation with pin joints, nonlinear static analyses are applied to the same building supported by the cast-in-place reinforced concrete piles.  Frame models are used for the analyses.  It is concluded that the foundation with pin joints has the larger deformation capacity and the smaller ultimate strength than that with rigid joints. In Chapter 6, the earthquake simulation analyses of pile supported steel-frame-building and reinforced concrete-frame-building are conducted by using the simple stick-beam on spring model to demonstrate the nonlinear behavior of the soil-pile-structure system.  These buildings are damaged due to the 1995 Hyogoken Nanbu Earthquake.  Subsequently, in order to investigate the seismic performance of piles, the static elasto-plastic analysis is made by employing a frame model of the pile-soil system. The applying incremental equivalent seismic loads to the model are the shear force at the pile head and the forced displacements of the free field.  Thus, the actual damage of the piles can be estimated by a combination of dynamic and static analyses. In Chapter 7, we demonstrate a new seismic design flow chart for pile foundations considering the deformation capacity of piles. ‘Strength degrading factor’ is defined as the coefficient to decrease the yield bending strength of piles according to their deformation capacity.  This factor, which is similar to the structural characteristics of super structures, is presented as the function of the ductility factor of piles.  The function is introduced by the regression analysis of yield bending strength of piles to their ductility factors calculated by earthquake response analyses.  For the earthquake response analyses, five  artificial and four observed seismic motions are selected.  The applicability of the proposed function is verified by comparing bending moment distributions of piles evaluated by static incremental analyses and the theoretical solutions for the beam on an elastic foundation with those calculated by the earthquake response analyses. In Chapter 8, summary and conclusions of this thesis are remarked.  Remaining works and further scope on the nonlinear dynamic interaction problems of pile foundation are also described., 名古屋大学博士学位論文 学位の種類:博士(工学) (論文) 学位授与年月日:平成14年11月29日},
 school = {名古屋大学, Nagoya University},
 title = {杭基礎建物の強震時における非線形応答性状と耐震性能評価に関する研究},
 year = {2002}
}