広島工業大学紀要研究編
第 49 巻（2015）61-65

論文

楔デバイス付柱継手に関する解析的研究
高松隆夫 *・玉井宏章 **・景山

朋定 ***・國井翔平 ****
（平成26年10月30日受付）

Analytical study on column joint with wedge device
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Tomosada KAGEYAMA and Shohei KUNII（Received Oct. 30, 2014）

Abstract
A column joint with self-centering capability is proposed and numerical analysis of a structurewith the column joint is carried out to clarify the self-centering performance of the structure. It isobtained from the analytical results that the frame with the proposed column joints shows equivalent stiffness to rigid column-base and no residual deformation after an earthquake grand motion.
Key Words: Self centering, wedge-device connection, End plate type, Earthquake response analysis

著者等は，SC 架構を設計する際，通常の架構の設計後，１．はじめに楔デバイス付接合部を別途設計し，そのまま適用するという手法で設計を行うことを目指している。しかしながら，鋼構造の露出柱脚には，アンカーボルトを強くし，柱を塑性化させるものと，アンカーボルトを弱くし，アンカーボルトを塑性化させる二つのタイプが存在する。前者は柱脚を保有耐力接合とするため，後者に比べ耐力が大きくなるが，柱に塑性ヒンジが形成され，柱に残留変形が生じる。
後者は，アンカーボルトを降伏させるため耐力が落ちるが，残留変形が生じにくいと言われるスリップ型復元力特性を持つ。

図１

本研究室では，地震後の継続使用を困難にする要素であ

ノンスリップ型露出柱脚る残留変形が生じない構造物の実現を目指した研究を行っている。これは，柱脚に図１に示す「ノンスリップ型露出柱脚１）」，梁継手に図２に示す「楔デバイス付梁継手２）」を導入したものであり，これらの接合部は，残留変形低減に効果のある原点立上り型復元力特性を有している。これ
らの接合部を総称して「楔デバイス付接合部」と呼び，この復元力特性を付与した架構をセルフセンタリング（SC）架構と称する。
＊＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

長崎大学工学部工学科＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学系研究科知的機能科学専攻＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学系研究科建設工学専攻

図２― 61 ―

楔デバイス付接合部

高松隆夫・玉井宏章・景山朋定・國井翔平

図５
図３

提案する楔デバイス付柱継手

力学モデル

して設計し，エンドプレートを変形させ，圧縮合力点位置を柱フランジ外縁とする。アンカーボルトには伸び能力の高い転造ねじアンカーボルト３）を用いる。アンカースタン
ド側のアンカーボルトに内ナットを設け，ボルトの塑性変形が楔デバイス側に生じ，楔の貫入によって原点立上り型復元力特性を得る。柱下部と基礎コンクリートの接合は埋込み形式か保有耐力接合として十分な剛性・耐力を持った露出形式とする。
本工法の特徴として，柱下部の高さによって設計用継手耐力を定められ，柱下端に塑性ヒンジを作る場合と同等の図４保有耐力を得られる。ボルトを塑性化させるため架構に残抵抗機構

留変形を生じず，楔デバイスによって原点立上り型復元力
現在の中層程度の鋼構造物は柱脚を保有耐力接合とするも特性が得られる。また，アンカースタンド高さによりボルのが多く，ノンスリップ型露出柱脚のようにアンカーボルト長さが決められ，曲げ耐力を変えることなく弾性回転剛トを降伏させる柱脚では，保有水平耐力が低下する。アン性を調整できる４）。ボルトは露出柱脚とは異なりコンク

カーボルト降伏型で設計する場合，一層部分の層剛性が低リートに埋め込まないため損傷したボルトの交換が容易に下し，部材断面を大きくする必要がある。

行える。

また，楔デバイス付接合部はボルトに損傷を集中させ，継手耐力設定は，架構の崩壊メカニズム時における曲げ損傷が大きくなったボルトは交換するものとしているが，応力から求める。継手曲げ耐力設定値 jMUd の算定式を以ノンスリップ型露出柱脚ではアンカーボルトがコンクリー下に示す。

トに埋め込まれているため，ボルト交換が困難であった。

・・・（2.1）

そこで，本論文の目的は，上述の課題を解決する新しい接合部を提案し，それを適用した架構の性能を確かめることである。方法として，接合部形式を変数とした数値解析

・・・（2.2）

を行う。

ここに，CMPT，CMPB：崩壊メカニズム時の柱頭・柱脚

２． 楔デバイス付柱継手の曲げモーメントである。

図３に提案する楔デバイス付柱継手を，図４に抵抗機構

３． 解析概要を，図５に力学モデルを，それぞれ，示す。
楔デバイス付柱継手は，柱下部と柱上部より構成される。

数値解析は静的増分解析と地震応答解析の２種類行う。

柱下部にはアンカーボルトを定着させるためのアンカース
3.1

タンドおよびエンドプレートを取り付ける。柱上部にはボ解析手法ルトを緊結させるアンカープレートおよび楔デバイスを取解析には，「CLAP.f 5,6）」を楔デバイス付接合部の原点立り付ける。アンカープレート・アンカースタンドは剛体と上り型復元力特性を有する回転ばねが利用できるように― 62 ―

楔デバイス付柱継手に関する解析的研究

コード修正したものを用いる。部材の塑性化は，一般化硬

ここに，K: 弾性回転剛性，E: ヤング係数，ni : i 列目の化ヒンジ法により考慮し，部材の応力度－ひずみ度関係は，ボルト本数，A: ボルトの断面積，R: ボルト以外の要素のbi-linear 型（降伏後剛性比１/100）としている。静的増分

弾性変形を考慮した低減係数（=28）），lb: ボルトの有効長解析では，Ai 分布に基づく外力分布による荷重を与える。

さ（ナット間距離），jMU: ボルト接合部の最大曲げモーメ

地震応答解析では，ニューマーク β 法の β 値 0.25，数値ント，σY : ボルトの降伏応力度である。

積分時間間隔 1/200 秒，減衰のタイプは瞬間剛性比例減衰

楔デバイス付柱継手の弾性回転剛性・曲げ耐力は露出柱とし，一次減衰定数は，一般的な構造物を想定して 0.02脚のものと同様の算定式８）である。柱継手の評価式は，今としている。入力波には，JMA Kobe 波 NS 成分の速度を後，実験により確かめるが，露出柱脚と似た抵抗機構であ50kine および 100kine に基準化した波を用いる。尚，床スることから露出柱脚の式を用いる。

ラブの梁の合成効果による剛性・耐力の増加，柱脚の変動3.3

軸力による影響は考慮していない。

解析対象架構

図７に解析モデルを，表１に部材リストと断面性能を，3.2ボルト接合部評価式

表２に回転ばね特性値を，表３に固有周期を，それぞれ，示す。

図６に復元力特性モデルを，示す。

解析モデルは「パッシブ制振構造設計・施工マニュア

本解析では，ボルト接合部に図６に示す原点立上り型復９）

元力特性を有する回転ばねを設置する。柱継手の特性値のル 」の４層４スパンモデルを基にする，側柱と中柱を含算出には，以下の式を用いる。尚，梁継手は文献７）の式

んだ魚骨モデルとしている。鉛直荷重は各接点に集中荷重を用いている。

として与えている。解析変数として，一般的な柱脚を保有耐力接合としたモデル（N type）と本論文で提案する楔デバイス付柱継手および楔デバイス付梁継手を導入したモデ・・・（3.1）

ル（SC type）の２種類とする。SC type における柱継手の位置および耐力は２章に従って決定している。尚，柱継手・・・（3.2）

表１
層種別

1234

柱梁
ブラケット
梁
3
ブラケット
梁
4
ブラケット
梁
R
ブラケット
2

部材断面リストと断面性能σy

断面寸法

IxZp

Mp

（N/mm2） （mm4） （mm3） （kNm）▪-500x500x22
325
1.61x109 7.55x1062,452▪-450x450x22
325
1.15x109 6.05x1061,966▪-450x450x19
325
1.02x109 5.30x106
1,722▪-400x400x16
325
6.05x108 3.54x106
1,151
H-650x250x12x25325
1.44x109 4.99x106
1,621
BH-650x300x16x28
325
1.91x109 6.64x106
2,157
H-600x250x12x22
325
1.10x109 4.11x106
1,335
BH-600x300x16x25
325
1.46x109 5.52x106
1,795
H-550x250x9x19
325
7.71x108 3.11x106
1,011
BH-550x300x12x22
325
1.05x109 4.25x106
1,382
H-550x200x9x16
325
5.61x108 2.31x106752
BH-550x250x12x19325
8.04x108 3.31x106
1,075

図６復元力特性モデル

σy: 降伏応力度 Ix: 断面２次モーメント Zp: 塑性断面係数 Mp: 全塑性モーメント

表２回転ばね特性値

K部位

MU

j（kNm/rad） （kNm）
柱脚部
3.28x105
3,131
1 層側柱継手部
2.25x105536
1 層中柱継手部
1.46x105232
2 階梁継手部
5.51x105
1,235
3 階梁継手部
3.99x105968
4 階梁継手部
2.96x105760
R 階梁継手部
1.97x105504
4 層中柱継手部
1.75x105423

K: 弾性回転剛性

表３モデル

N typeSC type

固有周期
1 次固有周期（sec）
1.02
1.15

MU: 最大曲げ耐力

図７j― 63 ―解析モデル

高松隆夫・玉井宏章・景山朋定・國井翔平のアンカーボルトの長さをボルト径の 10 倍とし，回転剛４． 結果と考察

性 K を算出している。梁継手のブラケットは，材長をス
パンの１割である 640mm とし，断面を梁より大きくした

静的増分解析結果により架構の剛性と耐力を比較し，地溶接組立て H 鋼としている。梁継手の設計は保有耐力を

震応答解析結果より残留変形と応答変形について考察す低減しないよう耐力を設計している。また，節点振り分ける。

法で考えた際，４ 層中柱柱頭部には塑性ヒンジが形成さ4.1れる。梁継手にエネルギー吸収をさせようとすると，大き静的増分解析

図８にベースシア C1- 層間変形角 r1 関係を，図９に１く耐力を低減させる必要があるため，４層中柱にも柱継手を 4FL から－ 1500mm の位置で用いている。

層側柱曲げモーメント分布を，それぞれ，示す。
図８より，SC type は N type と比較して，剛性・耐力ともわずかながら低下するが，同等の値を示している。図９

図８

ベースシア C1- 層間変形角 ri 関係(a) N type(b) SC type
図９

図 10

１層側柱曲げモーメント分布(a) 50kine(a) 50kine(a) 50kine(b) 100kine(b) 100kine(b) 100kine

最大層間変形角 ri

図 11

残留層間変形角 lastri― 64 ―

図 12

層せん断力係数 Ci 分布

楔デバイス付柱継手に関する解析的研究

は，ある層間変形角時の１層側柱における曲げモーメントしたセルフセンタリング架構は，残留変形をほぼ０にで分布であり，柱の CMp と柱継手の jMU をあわせて示してきる。

いる。これを見ると，SC type の曲げモーメントの分布が３）セルフセンタリング架構と通常架構を比較すると，

N type と同じ形状であり，楔デバイス付柱継手の保有水50kine に お い て 最 大 層 間 変 形 角 が 同 等 の 値 を 示 し，平耐力を調整できる性能が発揮されている。また，SC50kine，100kine とも層せん断力係数分布が同様の形状

type は柱継手に塑性ヒンジが形成され，柱脚は塑性化しを示す。ていないことがわかる。柱継手耐力と位置によって柱脚に作用する曲げ応力を制御できる。
4.2

参考文献

地震応答解析１）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰 : アンカーボ

図 10 に最大層間変形角 ri を，図 11 に残留層間変形角

ルトを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力

Ci 分布を，それぞれ，示す。

特性－無軸力下の場合のセルフセンタリング性能，日

図 10 より，SC type の残留層間変形角は，50kine でほ

本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集， 第 621 号 pp.155-162，

図 12 に層せん断力係数
last i を，rぼ生じず，100kine で継手のひずみ硬化による耐力上昇で2007.11.

母材が塑性変形し，１，２層に若干生じているが，N type２）景山朋定，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，國井翔平：と比べれば非常に小さい。構造物の継続使用が可能な残留長締めボルトを用いた楔デバイス付梁継手の載荷実10）変形角は 1/200 という研究結果があり，それを利用する

験，日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿），CD-と，N type の 100kine でこれを超えている。しかしながら，ROM 論文番号 -22393，2014.9

原点立上り型復元力特性を持った継手に塑性ヒンジを形成

３）社団法人日本鋼構造協会：建築構造用アンカーボルト

する SC type では生じる残留変形角を，継続使用が可能なを用いた露出柱脚設計施工指針・同解説，2009.10.

水準まで落とすことができる。

４）山西央朗，笠井和彦，高松隆夫，玉井宏章：弾性回転

図 11 より，層間変形角は，50kine で同等の値を示すが，剛性と耐力を広範囲・高精度で調整できる鉄 骨柱 脚100kine では大きめになる傾向がある。100kine では架構

－性能指定型設計に対応できる柱脚に関する研究 そのの塑性変形が大きく生じており，復元力特性により応答が１－，日本建築学会構造系論文集，第 683 号 pp.213-

原点から始まる SC type の応答と異なるためである。残留222, 2013.1.

変形角が大きくない 50kine では近い値を示すため，SC 接

５）小川厚治，多田元英：柱・はり接合部変形を考慮した合部にすることで最大層間変形角は大きくならないことが静的・動的応答解析プログラムの開発，第 17 回情報・わかる。

システム・利用技術シンポジウム論文集，pp79-84，

図 12 より，50kine，100kine どちらの地震波においても1994.12

層せん断力係数分布が同様の形状を示している。SC type６）多田元英：CLAP．f 利用説明書 ･ 解析方法説明書，
鋼材倶楽部

でも大きく変わらない外力分布を示すことがわかる。

７）景山朋定，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，國井翔平：

５．結論

楔デバイス付接合部を有する架構のエネルギー吸収性

本論文では楔デバイス付柱継手を提案し，数値解析を行能，鋼構造年次論文報告集，pp498-503，2013.11

うことで，その有用性を示した。得られた結論を以下に示

８）秋山宏：鉄骨柱脚の耐震設計，技法堂出版，1985.3.

す。

９）日本免震構造協会：パッシブ制震構造設計施工マニュ

１）楔デバイス付柱継手は，継手の位置によって設定耐力アル，2003.10を調整でき，ボルト降伏型でありながら保有水平耐力を10）油野弘，池永昌容，Jason McCormick，中島正愛，生保有耐力接合とした場合と同等の値を得ることができ

活・技術・安全から見た許容残留変形－文献調査とる。

1970 年に建設された建物調査－，日本建築学会近畿２）楔デバイス付柱継手および楔デバイス付梁継手を導入

支部研究報告集，pp.221-224，2007.

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