広島工業大学紀要研究編
第 43 巻（2009）pp.147-155

論文

楔デバイスによる鋼構造建築物の耐震補強工法について
高松隆夫＊，玉井宏章＊，山西央朗＊＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Rehabilitation technique of steel structure by means of wedge device
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI and Teruaki YAMANISHI（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
A wedge device consisting of a wedge, a counter-wedge and a spring, is proposed bythe authors. The device is applied to earthquake-resistant elements to provide more
effective energy absorption under seismic ground motion. New structural elements arealso proposed: a non-slip-type column base, a non-compression brace, a self-centeringbeam-to-column connection and a non-compression knee-brace. An experimental study
has been make on these structural elements subjected to cyclic loadings to clarify
their earthquake-resistant performance and applicability to rehabilitation.

Key Words: rehabilitation, wedge device, column base, brace, beam-to-columnconnection, knee-brace

きる。； 3）弾塑性繰返し載荷下において，いずれのサイ

1．はじめにクルにおいても単調載荷曲線と同様の履歴を描くため，復著者等は，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚のスリップ現象を改善する装置として， 楔デバイス

元力特性モデルの定式化が容易である。； 4）楔デバイスを提案しては簡単に設置できるので，柱脚においては耐震改修工法といる。この装置を設置した柱脚を， ノンスリップ型柱脚して適用できる。； 5）ボルト列の内，一列でも弾性範囲と呼び，載荷実験により，スリップ現象を解消できることに留まる列が存在すればを明らかにしている

1-9）。また，この装置を，梁端部をエン原点指向型の復元力特性（セルフセンタリング性能） が得られる。

ドプレート形式にして柱梁接合部に適用することで，柱梁

特に，柱梁接合部においては，溶接接合形式が一般的で接合部にも同様の性能を付与することができ，この接合部あるために耐震補強工法としてはあまり期待できないもの

10）。これ等の，セルフセンタリング性能を付与して残留変形を低減すが，以下のような利点を有していることを明らかにしていることで，地震後にも構造物の継続使用が可能となり，更る。に，母材（柱，梁部材）を弾性範囲に留めることができる。

を セルフセンタリング接合部 と呼んでいる

1）アンカーボルトや長締めボルト降伏後も接合部に緩みが生じず，常に固定度が保持される。； 2）大地震および中小地震に対するエネルギー吸収ダンパーとして設計で***

広島工業大学工学部建築工学科
広島工業大学大学院工学研究科知的機能科学専攻―147―

これ等の性能により，サステナブル構造システムを構築できる。
次いで，ブレースおよび方杖の端部に楔デバイスを設置

高松隆夫，玉井宏章，山西央朗（a）作動概念（b）原点立上り型復元力特性

図 1 ノンスリップ型露出柱脚（a）抵抗機構（b）2 列のアンカーボルトが抵抗する場合の復元力特性モデル計算方法（c）セルフセンタリング性能

図 2 アンカーボルト多数配列型のノンスリップ型露出柱脚の抵抗特性することで，引張変形にのみ抵抗する部材を実現でき，これを，ブレースでは X 型に設置することでを，図 3 に試験体形状を，図 4 に載荷装置を，図 5 に実験

11-14），方杖は梁の上下に対に結果を，それぞれ，示す。また，表 1 に試験体の素材試験15）,16），完全弾塑性型の復元力特性が得ら

結果を，表 2 にバネの特性を示す。

れることを明らかにしている。これ等は，以下のような利

尚，本実験では，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚に点を有している。

関する実験を行うため，ベースプレート，柱，および，基1）引張力にのみ作用するので，座屈を考慮する必要が礎部分には，各載荷に対して弾性範囲に留まる素材特性・なく，ブレースおよび方杖部材を細長く設計できる。； 2）断面性能を採用している。

ブレースおよび方杖部材と同様に，母材との接合部の設計

2.1 ノンスリップ型露出柱脚の機能も，座屈を考慮する必要がなく容易に設計できる。； 3）

ノンスリップ型露出柱脚は，アンカーボルト降伏先行型完全弾塑性型の復元力特性を有しており，安定したエネル

露出柱脚のナットとベースプレートの間に，楔デバイスをギー吸収性能を有しているので，エネルギー吸収ダンパー設置したものである。

として設計できる。； 4）いずれの機構も単純であるため，

図 1 に示すように，ノンスリップ型露出柱脚に地震外力既設構造物に設置できるので，耐震補強工法として適用でが作用すると，従来のアンカーボルト降状先行型露出柱脚きる。と同様にアンカーボルトが伸ばされ，降伏して塑性伸びがこのように，楔デバイスは様々な部材に適用でき，優れ生じる。アンカーボルトの塑性伸びにより，ナットとベーた抵抗特性を有した部材を実現できることを明らかにしてスプレートとの間に間隙が発生するが，この間隙にバネのいる。これまで，楔デバイスを適用した個々の構造実験に力により楔を貫入させることで間隙が消滅する。
このため，より評価してきたが，本論文では，各構造実験の結果をま

再度地震外力が作用した際も，柱脚は緩むことなく直ぐにとめ，改めて，楔デバイスを適用した部材の構造特性を検地震外力に抵抗する。

証する。

2．ノンスリップ型露出柱脚

このような楔デバイスの機能により，弾塑性繰返し載荷下におけるスリップ現象が解消され，図 1（b）に示すように，原点立上り型の復元力特性となる

図 1 にノンスリップ型露出柱脚の機能を，図 2 に復元力

また，図 2 に示すように，複数列が抵抗する場合，復元特性モデルの計算方法とセルフセンタリング性能の概念

力特性は Tri-linear 型となる。このため，内側のアンカー―148―

楔デバイスによる鋼構造建築物の耐震補強工法について

表 1 試験体の素材特性と主要寸法
表 2 バネの特性（b）アンカーボルト（a）ベースプレート
図 3 試験体形状
図 4 載荷装置と計測位置（a）実験Ⅰ（a）実験Ⅱ

図 5 曲げモーメント M −ベースプレート回転角i関係

ボルト（図 2（a）中の b 列）が弾性範囲であれば，図 2（c）

尚，本実験では，楔の貫入角度を 30 度としており，n=0.78に示すように原点を指向する復元力特性を得ることがで程度であれば，アンカーボルトから伝達される圧縮力に対き，セルフセンタリング性能が期待できる。この，セルフして抵抗して滑らない。また，バネは，楔を水平移動させセンタリング性能が期待できる範囲を，弾性限界回転角る程度の復元力を有していれば良いので，表 2 に示す程度（ b i y : b 列のアンカーボルトが降伏する回転角）と呼ぶ。の小さなバネ定数を持つバネを用いている。

2.22.3

試験体

実験方法

柱には Box-200x200x12，ベースプレートには PL-

本実験では，露出柱脚付き片持ち柱に水平繰返し載荷実400x400x50 を用い，柱とベースプレートとは全周隅肉溶験を行う。載荷装置は，試験体柱頭部に設置したヨークに接接合している。アンカーボルトには軸部に十分な塑性伸水平ジャッキを接合し，柱頭部に水平載荷を行うものであびが期待できる転造ねじアンカーボルト M16 を使用し，る。載荷は，正負交番漸増繰返し載荷を行い，ベースプレ

また，実験時には軸部降伏軸力の 30%（15kN）を初期張力ート回転角を制御値とする。実験としては，以下の 2 種類として導入する。基礎部には，鋼製基礎 BH-400x400x32x36を行う。実験Ｉは，セルフセンタリング性能が期待できるを使用する。

回転角で繰返し載荷を行う；実験 II は全アンカーボルト

楔デバイスに使用する楔，楔受けは，発処理（塩分濃が降伏する弾塑性繰返し載荷を行う。

度 5%程度の食塩水により，1 週間ほど湿潤状態を保つ）

次いで，変位計測としては，ベースプレートに設置したを施して，静止摩擦係数 n がおよそ 0.78 となっている。

変位計によりベースプレート左右の鉛直変位を，荷重計測―149―

高松隆夫，玉井宏章，山西央朗

表 3 試験体の素材特性と主要寸法

表 4 バネの特性（a）各部材の復元力特性（b）試験体の復元力特性
図 6 ノンコンプレションブレースの作動概念

図 7 復元力特性モデル（a）試験体セットアップ

図 9 載荷装置と計測方法（b）ブレース
図 8 試験体形状としては，水平ジャッキ先端に設置したロードセルにより

図 5（a）より，いずれの載荷においても，原点を指向す

水平載荷荷重 P を計測している。それぞれ，ベースプレーる復元力特性が得られており，変形が弾性限界回転角以下

ト鉛直変位よりベースプレート回転角 i を，水平載荷荷重であれば，セルフセンタリング性能が期待できることが分より柱脚部曲げモーメント M を算出している。

かる。

2.4

実験結果と考察

図 5 に，実験結果を示す。図 5 には，曲げモーメン
ト M −ベースプレート回転角 i 関係を示し，更に，復元力

図 5（b）より，いずれの載荷においても，原点立上り型の復元力特性を示しており，スリップ現象が改善されていることが分かる。

特性モデルも併せて示す。曲げモーメント M についてはまた，復元力特性モデルは良好に対応しており，ノンス水平載荷荷重 P に柱高さ L を乗じた値，ベースプレート回リップ型露出柱脚の性能を，簡便に推定できることが分か

転角 i については柱下端部の鉛直変位より算出している。

る。
―150―

楔デバイスによる鋼構造建築物の耐震補強工法について

M12 を使用している。また，ブレースには初期載荷時に楔が貫入して弾性剛性が変化することを防ぐために，降伏軸力の 50 ％を初期張力として与えている。
楔デバイスに使用する楔，楔受けは，発処理（塩分濃度 5%程度の食塩水により，1 週間ほど湿潤状態を保つ）を施して，静止摩擦係数 n がおよそ 0.73 となっている。
尚，本実験では，楔の貫入角度を 30 度としており， n=0.73 程度であれば，ブレースから伝達される圧縮力に対して抵抗して滑らない。また，バネは，楔を水平移動させ
図 10

水平荷重 P −水平変位d関係る程度の復元力を有していれば良いので，表 4 に示す程度の小さなバネ定数を持つバネを用いている。

3.

3.3

ノンコンプレションブレース

実験方法

本実験では，ブレース付門型ラーメン架構の載荷実験を

図 6 にノンコンプレションブレースの機能を，図 7 にノ行う。載荷装置は，門型ラーメン架構柱頭部に，水平ジャンコンプレションブレース付架構の復元力特性モデルを，ッキをピンを介して接合し，水平載荷を行う。載荷は，層図 8 に試験体形状を，図 10 に載荷装置を，図 11 に実験結間変形角を制御値として，1/1000，1/500，1/250，1/200，果を，それぞれ，示す。また，表 3 に試験体の素材試験結1/125 と漸増させて各 2 サイクル行い，楔が貫入限界を迎果を，表 4 にバネの特性を示す。

えた時点で，実験を終了している。

尚，本実験では，柱および梁は終始弾性範囲に留まり，次いで，変位計測としては，柱頭部の水平変位を計測しブレースのみが塑性化する。て，層間変形位 d としている。荷重計測としては，ジャッ2.1

キ先端に設置したロードセルより，水平荷重 P を計測してノンコンプレションブレースの機能

ノンコンプレションブレースは，ブレースを X 型に配置し，ブレースの上端部に楔デバイスを設置したものであいる。
3.4

実験結果と考察図 10 に，実験結果を示す。図 10 には，水平載荷荷重 Pる。
図 6 に示すように水平荷重が作用すると，ノンコンプレションブレースにおいては，ブレース L が引張抵抗して，−層間変位 d 関係を示し，更に，復元力特性モデルも併せて示す。

降伏，塑性伸びが発生する。一方，ブレース R では端部

図 10 より，ノンコンプレション付門型ラーメン架構はが移動して圧縮力は作用せず，隙間が生じるが，この隙間Bi-linear 型の復元力特性を示し，エネルギー吸収効率が良に楔が貫入していく。次いで，除荷すると，ブレース Lいことが分かる。更に，常に一定の弾性剛性が保たれておの上端部は塑性伸び分だけ移動して隙間ができていくが，り，安定した性状を示している。また，復元力特性モデル

この隙間に楔が貫入するので，ブレースに緩みは生じない。

は良好に対応しており，ノンコンプレションブレース付付

また，ブレース R は，楔デバイスが間隙を埋めているの

門型ラーメン架構の復元力特性を簡便に推定できることがで，除荷により引張変形が作用すると直ぐに引張抵抗を開分かる。

始する。
このような楔デバイスの機能により，図 7（ a）に示すよ4.

セルフセンタリング接合部

うに，各ブレースは引張力のみに抵抗する完全弾塑性型の

図 11 に試験体形状を，図 12 にセルフセンタリング接合復元力特性となる。試験体としては，ブレース L, R と架部の機能と復元力特性モデルを，図 13 に載荷装置を，図構の復元力特性を累加したものとなるので，図 7（b）に示

14 に実験結果を，それぞれ，示す。また，表 5 に試験体

すように Bi-linear 型の復元力特性を示す。の素材試験結果を示す。

3.24.1

試験体

セルフセンタリング接合部の機能

架構の柱には H-100x100x6x8 を，梁には H-150x75x5x7

セルフセンタリング接合部とは，梁端部をエンドプレーを使用し，柱通し型としてそれぞれ強軸方向に完全溶け込ト形式にし，楔デバイス付長締めボルトで，梁を柱に緊結み溶接接合している。また，架構の隅角部にはブレース設したものである。

置用のガセットプレート： PL-350x150x9 を全周隅肉溶接

図 12 に示すように，楔デバイスを用いたセルフセンタ接合している。ブレースには，転造ねじ付丸鋼ブレース

リング接合部では，地震外力に対して，長締めボルトを塑―151―

高松隆夫，玉井宏章，山西央朗表 5 試験体の素材特性と主要寸法（a）機能（b）長締めボルト（a）セットアップ（b）復元力特性（c）接合部詳細
図 11

図 12

試験体形状

図 14

図 13

セルフセンタリング接合部

水平荷重 P −水平変位d関係

載荷装置と計測位置性化させることでエネルギーを吸収すると共に，真ん中の待することができる。

長締めボルトを弾性範囲に留めることでセルフセンタリン

4.2

試験体グ性能を得ることができる。また，外側の長締めボルトが試験体としては，側柱を取り出した部分架講試験体（ト塑性化することにより，ナットとエンドプレートとの間に字型試験体）を使用する。試験体の柱には H-間隙が発生するが，この間隙にバネの力により楔を貫入さ200x200x8x12 を，梁には H-250x125x6x9 を使用する。梁せることで間隙が消滅する。このため，再度地震外力が作端部にエンドプレート PL-450x200x35 を全周隅肉溶接接用した際も，接合部は緩むことなく直ぐに地震外力に抵抗合し，長締めボルトには M16 の転造ねじアンカーボルトする。

を使用する。また，長締めボルトには，降伏軸力の 30 ％このように，エネルギー吸収すると共にセルフセンタリを初期軸力として与えている。尚，長締めボルトの引張力ング性能を得ることができ，更に，母材を弾性範囲に留めにより，柱フランジが面外変形することを防ぐために，柱ることができる。地震後においても，残留変形を軽減するには，補剛プレートおよびスチフナプレートを溶接接合しことができ，更に，構造部材をリユースすることが可能でている。

あるため，本工法を，サステナブル構造システムとして期楔デバイスに使用する楔，楔受けは，2.2 節と同様の処―152―

楔デバイスによる鋼構造建築物の耐震補強工法について

表 6 試験体の素材特性と主要寸法（b）復元力特性
（a）機能
図 15

ノンコンプレション方杖（b）方杖（a）セットアップ（c）方杖端部詳細
図 16

試験体形状

図 18
図 17

水平荷重 P −水平変位d関係

載荷装置と計測位置

理を施し，静止摩擦係数 n がおよそ 0.73 となっている。

=0.73 程度であれば，長締めボルトから伝達される圧縮力

また，本実験では，楔の貫入角度を 30 度としており， nに対して抵抗して滑らない。また，バネは，ノンスリップ―153―高松隆夫，玉井宏章，山西央朗

型柱脚と同様のものを使用している。

ラップ付完全溶け込み溶接接合し，梁端上下に，M16 の4.3転造ねじアンカーボルトを方杖として使用する。また，方実験方法

本実験では，ト字型柱梁接合部の載荷実験を行う。試験杖には，降伏軸力の 50 ％を初期軸力として与えている。

体を 90 度回転させて，柱上下端をピンを介して反力梁に尚，方杖の引張力により，柱および梁フランジが面外変形設置し，梁先端部に水平ジャッキをピンを介して接合し，することを防ぐために，柱および梁の方杖設置位置周辺に載荷を行う。載荷は，梁先端部の変位を制御値として，正は，スチフナを溶接接合している。

負交番漸増繰返し載荷実験を行う。

楔デバイスに使用する楔，楔受けは，2.2 節と同様の処

次いで，変位計測としては，梁先端の水平変位 d を計測

理を施し，静止摩擦係数 n がおよそ 0.77 となっている。

している。荷重計測としては，ジャッキ先端に設置したロ

また，本実験では，楔の貫入角度を 30 度としており， nードセルより，水平載荷荷重 P を計測している。

=0.77 程度であれば，方杖から伝達される圧縮力に対して4.4抵抗して滑らない。また，バネは，ノンスリップ型柱脚と実験結果と考察

図 14 に，実験結果を示す。図 14 には，水平載荷荷重 P同様のものを使用している。

−水平変位 d 関係を示し，更に，復元力特性モデルも併せ5.3て示す。

実験方法

本実験では，ト字型柱梁接合部の載荷実験を行う。試験

図 14 より，セルフセンタリング接合部は，柱脚と同様体を 90 度回転させて，柱上下端をピンを介して反力梁にの原点立上り型の復元力特性を示すと共に，原点を指向す設置し，梁先端部に水平ジャッキをピンを介して接合し，る復元力特性を示していることが分かる。このように，エ載荷を行う。載荷は，梁先端部の変位を制御値として，正ネルギー吸収すると共にセルフセンタリング性能が得られ負交番漸増繰返し載荷実験を行う。
次いで，変位計測としては，梁先端の水平変位 d を計測ており，また，梁は終始弾性範囲に留まっている。また，している。荷重計測としては，ジャッキ先端に設置したロ復元力特性モデルと良好に対応している。

5.

ードセルより，水平載荷荷重 P を計測している。

ノンコンプレション方杖

5.4

実験結果と考察図 15 にノンコンプレション方杖の機能と復元力特性モ

図 18 に，実験結果を示す。図 18 には，水平載荷荷重 Pデルを，図 16 に試験体形状を，図 17 に載荷装置を，図−水平変位 d 関係を示し，更に，復元力特性モデルも併せ18 に実験結果を，それぞれ，示す。また，表 6 に試験体て示す。
図 18 より，ノンコンプレション方杖付柱梁接合部は，の素材試験結果をを示す。
尚，本実験では，柱および梁は終始弾性範囲に留まり，Bi-linear 型の復元力特性を示し，エネルギー吸収効率が良方杖のみが塑性化する。

いことが分かる。弾性剛性は，架構と方杖の剛性を足し合5.1わせたものとなり，二次勾配は架構のみの剛性となる。まノンコンプレション方杖の機能

ノンコンプレション方杖とは，接合部近傍の梁上下に，た，方杖以外の部材は終始弾性範囲に留まっている。モデルと良好に対応している。

ノンコンプレションブレースと同様の機構を有した部材を，方杖として設置したのもである。

6.

図 15 に示すように，NC 方杖付ト字型試験体に地震外まとめ楔デバイスを各部材に適用し，要素実験および部分架構力が作用すると，NC 方杖に軸方向変形が生じ，圧縮方向に変形する方杖は楔と楔受けが離間して抵抗せず，引張方実験を行った結果以下の知見が得られた。

向に変形する方杖は抵抗をする。楔と楔受けが離間して隙

1）ノンスリップ型露出柱脚およびセルフセンタリング接間が生じると，バネの力で楔が貫入する。このため，方杖合部では，原点立上り型復元力特性が得られると共に，に引張変形が生じると，直ぐに抵抗し始める。

セルフセンタリング性能が期待できる。また，接合部

このような楔デバイスの機能により，図 15（b）に示すよ

においては，長締めボルト以外の部材は終始弾性範囲

うに，各方杖は引張力のみに抵抗する完全弾塑性型の復元に留まり，サステナブル構造システムとしても期待で力特性となり，試験体は，Bi-linear 型の復元力特性を示す。

きる。

5.2

試験体

2）ノンコンプレションブレースおよびノンコンプレショ

試験体としては，側柱を取り出した部分架講試験体（トン方杖は，Bi-linear 型の復元力特性を示し，エネルギ字型試験体）を使用する。試験体の柱には H-200x200x8x12ー吸収効率が良い。また，常に一定の弾性剛性を示し，を，梁には H-250x125x6x9 を使用する。柱と梁を，スカ安定しているので，エネルギー吸収ダンパーとしても―154―

楔デバイスによる鋼構造建築物の耐震補強工法について期待できる。

プ型露出柱脚のセルフセンタリング性能に関する研究，
鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.173-180, 2005.11.

柱脚，ブレース，エンドプレート形式接合部，方杖に楔8）T. Takamatsu, H. Tamai, T. Yamanishi & A. Matsuo

デバイスを設置した場合の載荷実験を行い，いずれも簡便（2006a）, Self-centering performance of non-slip-typeな工法により，期待通りの抵抗特性を付与できることが分

exposed column-base, Proceeding of fifth international

かった。特に，柱脚，ブレース，方杖においては，既設のconference on構造物にも適用することが可能であり，耐震補強工法としSeismic Areas（ STESSA2006） , Yokohama, Japan,て期待できる。

357-362, 2006.8.

謝9）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：アンカーボ

辞ルトを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究センター」（代表者

Behaviour of Steel Structures in高松隆夫教授）のプロジェクト研究の一環として実施されました。

特性―無軸力下の場合のセルフセンタリング性能―，
日本建築学会構造系論文集，第 621 号，pp.155-162,2007.11.

また，フルサト工業株式会社には各試験体の転造ねじア10）小畑寛行，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，松尾彰，

ンカーボルト，転造ねじ付ブレースを提供していただきまト字型柱梁接合部の耐震補強と新接合システムに関すした。ここに，感謝の意を表させていただきます。

る実験的研究，鋼構造年次論文報告集，第 14 巻，pp.717-724, 2006.11.

参考文献

11）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレション

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2006.114）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，石原節夫，松尾彰：14）高松隆夫，玉井宏章，岡部政和ノンコンプレションブ

既存屋内運動場露出柱脚の復元力特性について，鋼構

レース付鋼構造骨組の地震応答性状に関する振動台実

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よる鉄骨ラーメンの耐震補強工法に関する研究，鋼構

column base, Journal of Constructional Steel Reserch,

造年次論文報告集，第 15 巻，pp.113-120, 2007.11.

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プレッション方杖による H 形鋼柱梁接合部の耐震補強

露出柱脚の復元力特性モデル，構造工学論文集，法,鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.215-222,Vol.51B, pp.293-302, 2005.3.

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