The following are the vedeos introducing our laboratory.
研究室紹介ビデオです。
■ 山田研究室
■ 伊山研究室

The following are some of the recent studies conducted in the Steel Structure Laboratory.
以下では、鋼構造研究室で行っている最近の研究を簡単に紹介します。

1) 鋼材の低サイクル疲労 / Low-Cycle Fatigue of Structural Steel

　鉄鋼材料は強度に優れるだけでなく、延性に富んだ材料であることから、鉄骨造建物は地震危険度の高い地域でよく採用されています。 大地震時には、鋼部材は塑性変形を受け、例えば、梁端は低サイクル疲労や極低サイクル疲労といった、大きなひずみ振幅を受けて破壊に至る可能性があります。 そこで、建築構造で使われる構造用鋼材の低サイクル疲労あるいは極低サイクル疲労特性を把握するための繰返し材料試験を行っています。
　このような低サイクル疲労の実験を困難にする要因の一つが座屈です。そこで、大きな圧縮ひずみを与えても座屈しない試験片形状を開発し、 これまで行われてこなかったような非常に大きな塑性ひずみ振幅を与える繰返し載荷実験を行い、鋼材の終局時の特性の把握を試みています。

　Steel materials are not only strong but also ductile, and steel buildings are extensively used in high seismic zones. During large earthquakes, steel members may be subjected to plastic deformation, and beam ends may be subjected to large strain amplitudes, ranging from low-cycle fatigue to extremely low-cycle fatigue, which can lead to failure. Therefore, we conduct cyclic material tests to investigate low-cycle fatigue or extremely low-cycle fatigue characteristics of structural steels used in building structures.
　Buckling is one of the factors that make these low-cycle fatigue experiments difficult. Therefore, we have developed a specimen shape that prevents buckling even when subjected to large compressive strain, and we are conducting cyclic loading tests under extremely large plastic strain amplitude, which has never been done before, in an attempt to understand the steel properties at the ultimate state.

素材の繰返し載荷試験の様子
Cyclic loading test of round bar specimen.

2) 小振幅下での鋼部材の限界性能 / Critical Performance of Steel Members under Small Amplitude

　近年、長周期長継続時間地震動による超高層建築物の繰返し荷重に対する耐震安全性の検証方法が課題となっています。 これまで長周期地震動を想定した多数回の繰返し載荷実験が多方面で行われてきましたが、塑性率が１程度以下の小さな振幅での繰返し載荷実験の例は少なく、実験的なデータの蓄積が必要です。 そこで、塑性率が１程度以下のごく小さな振幅での繰返し載荷実験を行い、鋼構造部材の限界性能の調査を行っています。

　In recent years, the method to verify the seismic safety of high-rise steel buildings under cyclic loading due to long-period, long-duration seismic motion has become an issue. Although numerous cyclic loading tests have been conducted by various research institutes assuming long-period earthquake motion, there are few examples of cyclic loading tests at small amplitudes with plasticity rate of less than about 1, so experimental data must be accumulated. Therefore, we are conducting cyclic loading tests at small amplitudes with plasticity rate of about 1 or less to investigate the ultimate performances of steel structural members.

Ｈ形梁の小振幅繰返し載荷実験の様子
Small-amplitude cyclic loading test of H-shaped beam.

3) 鋼構造溶接接合部の脆性破断を考慮した応力解析と破断予測 / Stress Analysis and Fracture Prediction considering Brittle Fracture of Steel Structure Welded Joints

　大型構造物には、溶接で製作された大型の角形鋼管柱が用いられますが、その内ダイアフラムの溶接にはエレクトロスラグ溶接が用いられます。 エレクトロスラグ溶接は、大電流を用いて見えない部分の板を効率よく溶接する優れた方法ですが、入熱量が大きく部材が接触しただけの部分が残るため、脆性的な破壊が起こりやすいとされています。 そこで、製鉄会社や業界団体、他大学との共同研究により、この部分の脆性破壊を予測し、その可能性を低減する方法の研究を行っています。

　A large square column made by welding is used for large steel structures, and electroslag welding is used for welding the diaphragm. Electroslag welding is an excellent method for efficiently welding invisible parts of the plate using a large current, but on the other hand, the part with a large amount of heat input remains just in contact with the members, so brittle fracture is likely to occur. In this research, we are conducting joint research with steel companies, industry groupes, and other universities to research methods for predicting brittle fracture in this area and reducing its possibility.

エレクトロスラグ溶接部の有限要素解析の例
Example of finite element analysis of electroslag welding joint.

4) 角形鋼管柱の局部座屈で限界づけられる梁崩壊型骨組の耐震性能 / Earthquake Resistance of Steel Moment Resisting Frames Considering Local Buckling of SHS Columns

　鉄骨造の柱材として我が国で最も広く用いられているのが角形鋼管ですが、幅厚比の大きな角形鋼管部材は、比較的早い段階で局部座屈を生じ、その後の耐力低下が急であることが知られています。 柱を梁やパネルに比べて強く設計し、建物の終局状態が全体崩壊型となるように設計したとしても、建物最下層（１階）の柱の脚部は塑性化することが想定されています。 そのため、幅厚比の大きな角形鋼管が柱材として使用されると、大地震時には局部座屈を生じ、柱の耐力劣化により、建物の耐震性能が不十分となる可能性があります。 そこで、梁崩壊型骨組を対象に、局部座屈によって決まる角形鋼管柱の最大耐力とその後の耐力劣化挙動を反映した数値解析モデルによる地震応答解析を行い、柱の幅厚比に応じた骨組の必要保有水平耐力について検討を行っています。

　Square steel tubes are the most widely used members for columns in steel buildings in Japan, but it is well known that square steel tube members with a large width-to-thickness ratio may cause local buckling at a relatively early stage, followed by a rapid strength deterioration. Even if columns are designed to be stronger than beams or panels and the columns are designed to remain elastic at the ultimate state of the building, the column at the lowest level of the building (first floor) are expected to be plastic. If square steel tubes with a large width-to-thickness ratio are used, local buckling may occur in the event of severe earthquakes, resulting in inadequate seismic performance of the building due to the strength deterioration of the columns. Therefore, we are conducting a seismic response analysis using a numerical analysis model that reflects the maximum bearing capacity of square steel tubular columns determined by local buckling and their subsequent bearing capacity deterioration behavior for a weak-beam-type frame model. Through these analytical studies, we are investigating the necessary horizontal bearing capacity of the steel frame according to the width-to-thickness ratio of the columns.

5) 球面すべり支承を用いた免震建物の動的解析 / Response Analysis of Isolated Buildings with Spherical Sliding Bearings

　建物の耐震性を確保する方法には、耐震構造・制振構造・免震構造の三つがあります。一般的な耐震構造では、地震力に対して、柱や梁が抵抗することで建物の倒壊を防ぐため、大地震時には柱や梁に損傷が生じてしまいます。 一方、制振構造や免震構造では、制振デバイスや免震デバイスが地震エネルギーを吸収することで柱や梁の損傷を減少させる、あるいは柱や梁を損傷させないことで、建物の被害を低減することができます。
　球面すべり支承（SSB）は、振り子の原理による復元機能と摩擦力による減衰機能を有した免震装置であり、近年、注目を浴びている免震デバイスの一つです。 この球面すべり支承の力学的な挙動を追跡するために、温度・速度・面圧依存性を考慮した数値解析モデルを作成し、実験との比較により、モデルの有効性を確認しています。 この数値解析モデルを用いて、実験を行うことが困難な実建物モデルや大きな重量偏心を持つ建物モデルの動的解析を行い、球面すべり支承を用いた免震建物の耐震性能について研究を行っています。

　There are three methods of achieving earthquake resistance in buildings: (1) earthquake-resistant structures, (2) vibration control structures, and (3) seismic isolation structures. In earthquake-resistant structures, the columns and beams resist seismic forces to prevent the building from collapsing, and in the event of severe earthquakes, the columns and beams may be damaged. On the other hand, vibration control or seismic isolation structures can reduce damage to buildings by decreasing or not damaging columns and beams through the absorption of seismic energy by the vibration control or isolation devices.
　The spherical sliding bearing (SSB) is a seismic isolation device with a restoring function based on the pendulum principle and a damping function based on frictional force, and is one of the seismic isolation devices that have been attracting attention in recent years. To trace the mechanical behavior of this SSB, a numerical analysis model that takes into account temperature, velocity, and surface pressure dependence has been developed, and the validity of the model has been verified by comparison with experiments. Using this numerical analysis model, we are conducting dynamic analyses of actual scale building models and building models with large weight eccentricities, which are difficult to perform experiments, to study the seismic performance of seismically isolated buildings using SSB.

6) 微小ひずみ振動計測に基づく鉄骨構造損傷検知 / Steel Structure Damage Detection Based on Micro-Strain Vibration Measurement

　多くの建物の構造ヘルスモニタリングは、応答加速度の計測によるものが主流となっていますが、応答加速度の計測のみでは、個別部材の損傷を特定するには不十分であると考えています。 そこで、鉄骨構造においてはひずみ計測が比較的容易であることに着目し、実建物においてひずみを計測することにより、各部材の応力状態や損傷状態を検知する手法の研究を行っています。
　最近では、立体トラス屋根、角形鋼管柱の脚部、平屋建ての実建物スケールの骨組において、微小ひずみ振動計測を行い、鉄骨造建物の構造損傷検知についての研究を進めています。 また、有限要素解析を用いて、鋼部材のひずみ性状の詳細な分析なども行っています。

　Although structural health monitoring of many buildings is mainly based on measurement of response acceleration, we believe that measurement of response acceleration alone is not sufficient to identify damage to inidividual components. Therefore, focusing on the fact that strain measurement is relatively easy in a steel structure, we are studying a method to detect the stress state and damage state of each member by measuring the strain in an actual building.
　Recently, we have conducted microstrain vibration measurements on three-dimensional truss roofs, square steel tubular column, and single-story building frame model to study structural damage detection in steel structures. We also use finite element analysis to investigate strain properties of steel members in detail.

東京大学柏キャンパスでの実験の様子
Experiments at Kashiwa Campus, The University of Tokyo.

7) 実建物の動ひずみ計測による構造部材レベルの性能評価 / Structural Member-Level Performance Evaluation Using Dynamic Strain Measurements in Real Buildings

　実建物におけるひずみ計測の事例は少ない状況にありますが、今後は、計測されたひずみ記録が理論上の構造計算とどの程度整合するのか、ばらつきやノイズの影響はどの程度であるのか、 損傷の進展に応じてどのような変化を見せるのかなどの基礎的データを蓄積し、分析していくことが必要です。このような考えのもと、企業や自治体の協力を得て、実建物における実測プロジェクトを進めています。

　There are few cases of strain measurement in actual buildings at this moment. For practical application of strain measurement for evaluation of structural performance, it is necessary to accumulate basic data about, for example, how well the measured strain records match the theoretical structural calculation, how much variation and noise influence, and the progress of damage. Based on this idea, we are proceeding with a measurement project on an actual building with the cooperation of companies and local governments.

東京大学工学部11号館の鉄骨ブレースのひずみ計測
Strain measurement of steel braces in Building 11, Faculty of Engineering, The University of Tokyo.