トップページ > 北山研ヒストリー> 北山研での研究：2002年

　この年、モリケンが大学院に進学した。北山研は相変わらず人気がなくてまたもモリケンが、同級生で一年遅れの佐藤くん（通称テル）を連れてきてくれた。この年あたりから一研究室あたりの定員が厳しくなったようで（もう忘れましたが）、最後まで席が空いていたのは北山研と永田研の二つだけとなった。

　そして、かわいそうなことに志望するところをことごとく断られて最後に北山研に流れ着いてきたのが平良さんであった。私の部屋にやって来たときにはもう疲れ果てた表情で、それでも「先生の研究室に入れていただけますか」とさばさば言ったことをよく憶えている。もう時効だろうからこんな経緯も記したが、平良さんはその後、こんなことはなかったかのように研究室に馴染み、実験をやって立派な卒論を執筆した。そして生まれ故郷の沖縄に戻って行ったのである。

　2002年度のスタッフは以下の通りである。

助手　岸田　慎司（きしだ　しんじ）
D4　森田　真司（もりた　しんじ）
M2　加藤　弘行（かとう　ひろゆき）
M1　森山　健作（もりやま　けんさく）
卒論　佐藤　照祥（さとう　てるよし）
　　 平良美智子（たいら　みちこ）

1. 連層鉄骨ブレースで耐震補強したRC平面骨組の静的載荷実験

　前年度から加藤弘行さんと一緒に設計してきた鉄骨ブレース補強RC骨組試験体をいよいよ作ることになった。連層鉄骨ブレースを含むRC骨組部の基礎が浮き上がり回転して破壊する試験体と、連層鉄骨ブレース脇のRC柱の全主筋が引張り降伏する、いわゆる全体曲げ破壊の試験体の二体である。なお本実験のチーフはM2の加藤さんだが、４年生の佐藤照祥くんにも卒論研究として担当してもらった。

　スポンサーは科学研究費補助金・基盤研究Cである。試験体の作製は当時成田にあった入部工業にお願いしたが、実物の約1/4のスケールを有する2層3スパンの平面骨組に鉄骨ブレースを組み込むという複雑な形態であったため、いろいろと苦労した。ただ実験の目的上、鉄骨ブレースの破壊は避けることが必要なため、鉄骨ブレース自体は剛強に作れば良かったので助かった。そこで鉄骨ブレースは6mm厚さの鋼板を溶接して作製した。

　
写真　連層鉄骨ブレース補強試験体の作製（ブレースを押さえているのは佐藤照祥くん）

　また鉄骨ブレースとRC部材とは、実物では間接接合部を介して接合する。しかしこの実験では間接接合部の損傷を防ぐことが必要なため、間接接合部は設けないでアンカー筋を鉄骨枠に溶接したブレースをあらかじめ鉄筋カゴに組み込んで、コンクリートを打設して両者を一体化した。コンクリート打設は平打ちとした。

　こうして試験体はなんとか出来たが、加力する際の治具を考えるのがまたひと苦労だった。水平力を与えるための二基のジャッキと試験体とを接続する鉄骨治具（十字形の平面形でかなりの代物）の作製は本学工学部の工作施設にお願いした。また三基の鉛直ジャッキの接続方法や試験体の面外転倒防止の方策、さらには浮き上がり回転するときのブレースを含む部分骨組の水平反力の取り方など、悩み出したらキリがないという感じであった。

　こうして次々に出来する課題を一つずつ解決していった。しかし最後の関門がまだ待ち構えていた。実はこの年、大型実験棟のジャッキ制御システムおよび電動ポンプを理研精機の最新式のものにリプレースした。もちろんそのためには多額の資金が必要だったのだが、建築学科に回ってきた国庫補助予算をこのために使用することを建築学科の先生方がお許しくださったのである。本当にありがたかった。

　しかしその制御システムは、配線のやり方や専用プログラムの使い方など一筋縄ではゆかなかった。もちろん理研精機から、この道専門の五十嵐秀一さんに来ていただいて指導してもらった。だがそれでも一体めの加力の際、水平ジャッキを思うように制御できずにアッというまに降伏直前まで加力してしまう、という事態にあいなった。

　連層鉄骨ブレース補強RC骨組実験はこの後さらに、面外加力および立体三方向加力という２シリーズを実施することになるのだが、いずれもジャッキの制御に失敗するという事故が起こっており、今思えばこれがケチの付き始めだったのである。ただ怪我人が出なくてよかったのは不幸中の幸いであったが。

　こうした試行錯誤の末に、やっと実験実施にたどり着いた。そして多分世界で初めて、連層鉄骨ブレースで耐震補強されたRC骨組の浮き上がり回転破壊あるいは全体曲げ破壊をこの目で見ることができたのである。このような破壊過程を観察できただけでも価値ある研究だったと今でも自負している。

　
　左から加藤弘行くん（チーフ）、岸田慎司助手、森山健作くん

　　　
　実験装置の全体がよく分かる（左は岸田慎司助手）　浮き上がり破壊した試験体

　
　写真　連層鉄骨ブレース補強試験体による実験　全体曲げ破壊した試験体

　以下に、科研費の報告書に記載した謝辞を再掲しておく。

「本研究の端緒は岡田恒男先生（芝浦工業大学教授）の発した一言であった。文教施設協会（RIEF）に設置されている「学校建物の耐震診断・耐震補強設計等判定委員会」の本委員会において耐震補強された学校建物の性能評価を議論しているとき、連層鉄骨ブレースの破壊モードがタイプ３（全体曲げ降伏）と判定されているのをご覧になった岡田委員長が「こんなふうに壊れることが現実にあるんだろうか。基礎梁の特性、基礎回転の有無、鉄骨横枠のアンカーが引張り力に対して有効に抵抗する範囲などによって変わるんだろうね。」とコメントされた（私のノートを見ると1998年5月6日のことである）。

　このとき提示され、喚起された問題意識が本研究の出発点となった。そして当時修士１年であった田島祐之君にCANNYによる静的骨組解析をスタートするように指示したのであった（同年6月3日付け）。当初の解析研究はその翌年に卒論生だった福島智祐君に引き継がれ、鉄骨ブレースと既存RC躯体との力学特性を再現できるモデルが悪戦苦闘の末にほぼ完成した。この成果を土台にして、連層ブレースの浮き上がり回転が生じる際の立体建物の静的漸増載荷解析および非線形地震応答解析まで発展させたのが、続いて北山研究室に入ってきた加藤弘行君である。

　ここまで解析研究を行ってきて、連層ブレースが浮き上がり回転で破壊したり、全体曲げ降伏によって破壊したりするのを実際にこの目で見てみたい、という欲求が勃興したのは当然と言えばあまりに当然の成り行きである。こうして本研究の主体である縮小フレーム試験体を用いた実験研究が実施されたのである。

　実験の実施にあたっては、主担当者となった加藤弘行君の努力に負うところが非常に大きい。試験体の設計から実験の実施、さらに結果の検討と大いに活躍した。学部4年の佐藤照祥君も卒業研究として実験研究に取り組んだ。実際に連層ブレースの浮き上がり回転を実現させるための加力方法については、連層耐震壁の浮き上がり回転を20年近く前に実験で検討した加藤大介先生（新潟大学教授）から懇切丁寧なご助言をいただいた。思えば私が東京大学青山研究室で卒論生だった頃、院長（D3）だった加藤大介さんはこんなことをやっていたのである。そういうことに今更ながら気が付いて、自分の至らなさに愕然としたりもした。

　そのほか岸田慎司助手や北山研究室の学生諸君には試験体の作製から加力まで大いに働いていただいた。試験体の作製では（有）入部工業の皆さんにお世話になった。また本学工学部工作施設には加力治具の作製にご尽力いただいた。なお本実験は、2002年度に導入した静的ジャッキ・コントロールシステム（（株）理研精機製）によって実施された最初の実験であることを付記する。制御プログラムの使用法などについては同社五十嵐秀一氏に大変お世話になった。

　研究費のご援助をいただいた日本学術振興会および、うえに挙げた全ての方々に対してここに深甚なる感謝の意をあらわすものである。

北山和宏　記（2003年3月12日）」

（謝辞終わり）

2. 主筋付着性能を向上させたRC十字形柱梁接合部パネルのせん断性状

　こちらは西川孝夫先生を研究代表者とする科研費・基盤研究B「３方向外力を受ける鉄筋コンクリート柱・梁接合部の立体的な破壊モデルの構築」による研究である。主担当者は博士課程の森田真司さんで、東急技研の白都滋さんにも加わっていただいて、試験体の実験変数などの検討を前年度から行ってきた。そして2002年度には平良さんが卒業研究として担当した。

　今回の実験では東大の塩原等さんのご研究を強く意識したために、柱幅と梁幅とを同じにしてコンクリート面を面一にすることによって、接合部パネルの斜めひび割れを観察し易くした。塩原さんが接合部パネル４分割モデルで主張するような、入り隅からパネル中央に向かって進展する斜めひび割れが生じるかどうか見よう、というのである。また柱軸力も塩原モデルで想定されたように０とした。

　さて梁主筋（あるいは柱主筋）の付着を良好にするための細工だが、以前の田島くんの実験で主筋の片側に同径の鉄筋を溶接して表面積を増やす、というDetailを採用した。このときは溶接主筋に偏心曲げが生じて作用した引張り力を明確に求めることができなかった、という苦い経験があった。

　そこで今回は、柱梁接合部内を通し配筋される主筋の両側に同径の鉄筋を溶接して表面積を増大させることにした。これによって主筋の表面積が２倍程度増大して、結果として接合部パネル内の主筋に沿った付着性状を良好に保持することができた。

　
　主筋に同径の異形鉄筋を抱き合わせたところ　　接合部パネル内の梁主筋を抱き合わせ鉄筋とした


接合部パネル内の柱主筋を抱き合わせ鉄筋とした

　そのほかに、柱梁接合部パネルの横補強筋量を過大に配筋した（横補強筋比で2.5%）試験体、二段配筋した二段めの梁主筋を梁部材の途中で切断していわゆるRelocated hingeを実現した試験体、といった北山研らしい工夫が満載の実験シリーズであった（ただ正直にいえば、この二体についてはあまり深い検討が為されずに埋もれてしまったのは残念である）。さらに通常は惜しくてやらないのだが、今回は思い切って同一配筋の試験体を二体作って、そのうちの一体に単調載荷する実験も加えたのである。

　試験体作製は吉村工業に依頼して、本学の実験ヤードにおいて七月末にコンクリートを打設した。

　この実験の成果はその後に森田さんの博士論文の主要な部分を構成することになる。柱梁接合部内での梁主筋あるいは柱主筋の付着が良好に維持されると十字形柱梁部分架構の最大層せん断力を増大させること、柱梁接合部パネルの破壊の進展とともにパネル・コンクリートが水平に膨張し、このことが接合部パネルに入力される水平せん断力の大きさに影響を与えること、などの重要な知見を得ることができた。

　

　
　前列左端がチーフの森田慎司さん、後列右端が卒論生・平良美智子さん

　
写真　平面十字形RC試験体による実験

3. 梁曲げ降伏するRC十字形柱梁部分架構の等価粘性減衰定数の定量評価

　2000年度のところでもちょっと紹介したが、AIJの耐震性能評価小委員会（壁谷澤寿海主査）の作業の一貫として、梁曲げ降伏するRC十字形柱梁部分架構の等価粘性減衰定数の評価式を提案した。既往の実験研究をサーベイして、梁主筋の降伏が先行した十字形柱梁接合部試験体108体を選定し、層せん断力と層間変位との履歴曲線から等価粘性減衰定数を調べたのである。108体という数がこの研究における煩悩を象徴しているようで、自分自身何だかおかしかった。

　このデータベースを基にMacintoshの統計解析ソフトIgor Pro.を駆使して、梁主筋の付着指標と塑性率とを変数とした重回帰分析をいろいろとトライした。重回帰分析による評価式の指数とか係数とか定数とかを様々に組み合わせたり、ある数を固定化したり、といろんなことをやってみた。なるべく相関係数が大きくなるようにそれらを選ぶのだが、だんだんと訳が分からなくなる。だが、そのうち結果が収束して来て、見た目も簡単そうでそれらしい評価式ができた。

　こうして得た評価式は、2004年１月に学会から出版された『RC建物の耐震性能評価指針（案）・同解説』に紹介されている（というか、梁部材の性能評価の項は私が執筆したので我田引水、手前味噌ということになる、あははっ）。ちなみにこの研究はデータベース作りから評価式の作成まで、学生さんの手を借りずに自分ひとりで行ったことは特筆に値する、と自分では思っている。

4. 構造力学の教科書をつくる

　西川孝夫先生が構造力学の教科書を作ろう、というお話を持って来られた。出版社は朝倉書店である。静定から不静定まで、ひとりで全部執筆するのはつらいなあと思っていると、大勢で分担して執筆するから大丈夫だ、とのこと。そこで本学の藤田香織さん（現東京大学）、山村一繁さんのほかに、隈澤文俊さん(芝浦工業大学)、荒川利治さん(明治大学)、小寺正孝さん(本学OB)に加わっていただき、教科書作りを始めた。

　各章を分担して（場合によっては章内も分割して）執筆したので、トーンや図の感じが異なったりしてしまった。隈澤文俊さんとは学生の頃からの友人で、地震被害調査に同行したりした間柄なので、お互いの調整や議論はざっくばらんに進めることができたのは良かった。

　できれば私が全体を読んで調整して、図のタッチも揃えればよかったのだが、そんな時間もなく結局見切り発車的に2003年2月に出版した。ただ私が担当したところは、本学の建築構造解析１および３（現在では建築構造力学１および３）という講義で私が説明している内容を、図も含めてほぼ忠実に記載したので、私の授業を受けている学生さんにとっては分かり易いはずだと思っている。

　
　写真　『建築構造の力学　初歩から学ぶ構造力学』の表紙

　ページ数がそんなにないわりに価格はそこそこなので、ほかの方には魅力的には映らないようで、あまり売れていないのは残念である。もっとも出版社からは、出版後に訂正・修正内容の確認の依頼が一度あっただけで、その後はなしのつぶてという具合なので、版元の熱意も感じられない。こんな調子なので、まあ売れなくても当然、といった感じもしますな。これに較べるとその後、RCの教科書を出してもらった市ヶ谷出版社は人使いは荒いが本作りに情熱を感じるので、やはり出版社の姿勢と言うのも大切だと思いました。

5. 下階壁抜け柱に隣接して連層鉄骨ブレース補強したRC立体建物の解析

　これまで加藤弘行さんがやってきた、連層鉄骨ブレースで耐震補強したRC立体建物の骨組解析をさらに発展させることにした。張間方向の下階壁抜け柱に桁行方向の連層鉄骨ブレースを沿わせたときの主として下階壁抜け柱の軸力変動を検討するために、加藤弘行さんの学校建物モデルを改良してCANNYによる骨組解析を行うことにしたのである。担当はM1の森山健作君としたが、ノートを見るとその打ち合わせの記録は2002年11月が初見であるから、結構集中的に作業したことになる。

　　　
　　　　　　　　　　図　解析対象骨組のポンチ絵（北山自筆です）

　このような骨組をモデル化する際に容易に想像されるが、桁行方向の連層鉄骨ブレースに隣接するRC柱と張間方向のRC耐震壁端部のRC柱とが同一となる場合の、そのRC柱のモデル化がなかなか難しかった。すなわち桁行方向のRC柱では上下のヒンジ領域にはMSバネを導入し、そのあいだに軸バネとせん断バネとを設置する。これに対して張間方向の耐震壁は通常は壁谷澤モデルでモデル化するので、両端のRC柱はピンーピンの軸バネのみで表現される。しかしこの両者は同一のRC柱なので、各方向の軸変形は適合しないとおかしい。CANNYのプログラム内では両方向の軸バネは同一のものとして扱われるので問題ない、と森山君は言っていたが、ソース製作者の李康寧さんに確認した訳ではなかったので一抹の不安は残った。

　解析は連層鉄骨ブレースの基礎が浮き上がり破壊するタイプとして、水平二方向に静的漸増載荷解析を行った。建物の破壊経過や下階壁抜け柱の軸力変動について検討して、建築学会大会に梗概を発表できた（以下の通り）のは立派だった。ただ折角ここまでやったのだから、パラメトリック解析や地震応答解析までやればよかったのに、とは思いましたが。

森山健作、北山和宏、李康寧：連層鉄骨ブレースで補強された下階壁抜け柱を含む鉄筋コンクリート立体建物の静的載荷解析、日本建築学会大会学術講演梗概集、Ｃ−２構造IV、pp.617-618(2003年9月)

6. 圧着接合されたプレキャスト・プレストレストコンクリート柱梁接合部パネルのせん断伝達機構について

　2001年度に圧着接合されたプレキャスト・プレストレストコンクリート(PCaPC)柱梁部分架構の静的載荷実験を鹿島技術研究所と協同で行ったが、引き続き鹿島との共同研究として、PCaPC柱梁接合部パネルの設計法について検討した。この研究は実験結果の整理と平面保持を仮定した梁断面解析とを岸田慎司助手にお願いして、私が十字形およびト形柱梁接合部パネルのせん断伝達機構を考えた。

　ここでは柱梁接合部パネルに入力されるせん断力の算定法について、パネルの形状毎に提示した。この成果は建築学会にて現在（2010年）作成中の「PC部材の構造性能評価指針（案）・同解説」に取り込まれている。

　この研究では、柱梁接合部パネルがせん断破壊するときの層せん断力を簡易に求める方法についても考察した。この成果は2004年のAIJ大会に梗概として発表した。また、柱梁接合部パネルを通し配筋される梁PC鋼材の付着性能と単位架構のエネルギー吸収性能（ここでは等価粘性減衰定数）との関係を定量的に評価しようという先駆的な試みにもトライした。この段階では必ずしも上手くゆかないところもあったが、この考え方はその後、田島祐之さんによってさらに改良が加えられ、彼の博士論文（2010年３月）の一部を構成することになる。

　このように数年間の鹿島技研との共同研究は、何度も書いているように北山研でのPC構造研究の基礎を築くとともに、その後約十年に渡って続く研究の種を蒔いてくれた貴重なプロジェクトとして位置付けることができる。共同研究者であった丸田誠さん、真田暁子さんには本当に感謝しています。

鹿島技研に提出した報告書のPDFファイルはこちら（容量：13.9MB）をどうぞ

7. 大阪での国際会議

　この年の10月に大阪でfibの第１回国際会議が開かれ、我が社からは岸田慎司助手と大成建設技研に就職した小坂英生さんが英文論文を執筆して採択され、ポスター・セッションで発表した。私は授業や会議があったので、そのあい間に日帰りで大阪に行って来た。なおこのときのポスターの縮小版は、私の研究室の前の廊下に吊るしてあるので見た方も多いと思う。

　
　岸田慎司助手　　　　　　　　　　　　　　　　　　小坂英生さん