広島工業大学紀要研究編
第 41 巻（2007）pp. 133-141

論文

外付け鉄骨のはり上下空間を利用した
RC 建物制震補強システムの機構について
玉井 宏章＊ ・高松 隆夫＊ ・檜谷本浩二＊＊
尾木 靖夫＊＊＊・原田 秀秋＊＊＊＊・森下 邦宏＊＊＊＊＊（平成18年10月30日受理）

Mechanism on Rehabilitated RC Frame Using Hysteretic Damper Installed in Beam
Upper and Lower Space of Outer Steel Frame
Hiroyuki TAMAI , Takao TAKAMATSU , Koji HIYAMATO
Yasuo OGI , Hideaki HARADA and Kunihiro MORISHITA(Received Oct. 30, 2006)

Abstract
We have proposed the rehabilitation system of RC frame using hysteretic damper installedin beam lower space. To make damper effective, it is desirerable to make the damper strong.
The system has limitation of damper’s strength because shear strength of RC frame joint isvery low in ordinary old building. To solve the difficulty, we propose the outer steel frame withthe damper installed in beam lower and upper space. We performed the cyclic loading tests onscaled RC frame with the outer steel frame with dampers to show the availability of the presentsystem. From these results, conclusions and remarks are drawn as follows.
1) Four hysteretic dampers yield within small story drift, so that the system absorbs theseismic energy effectively.
2) The system improves the shear strength of RC frame, so that we can install the strongerdamper.
Key Words: RC frame, Outer steel frame, Hysteretic damper, Cyclic loading test

より実験的に制震効果を検討した。

１．は じ め にしかしながら，階高が低い RC 建物には適用が困難であ

開口部を閉塞しない RC 建物の補強工法として，比較的ること，また，RC フレームのせん断耐力の制約により，階高が高く開口部を塞ぐことのできない商業 RC 建物（例

ダンパー耐力を大きく設定できないという難点があった。

えば多層１スパン架構）に，履歴ダンパーをはり下の天井

そこで，外付け鉄骨補強工法の柱・はりを利用し，鉄骨は空間内にコンパクトに設置し，建物空間を有効にしうる，り上下空間に履歴ダンパーを組み込む制震補強システムをはり下空間を利用したエネルギー吸収型の制震補強システ提案する。この構法では，１）ダンパーからの抵抗力は外ムを提案した。前報１），２）では，その縮小構造模型に付け鉄骨フレームに作用し RC フレームとは並列型の抵抗＊＊

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土木工学専攻＊＊＊
三菱重工業株式会社 広島製作所＊＊＊＊
MHIソリューションテクノロジーズ株式会社＊＊＊＊＊
三菱重工業株式会社 広島研究所＊＊― 133 ―

玉井宏章・高松隆夫・檜谷本浩二・尾木靖夫・原田秀秋・森下邦宏

要素となるため，ダンパーの耐力は RC フレームの耐力の制約をうけない，２）はり上部にも配置可能なので配置スペースが２倍確保できる，という利点が得られる。本論文
では，この制震補強システムを有するフレームの１／２縮小構造模型の載荷実験を行って，構造特性等を検討する。
その際に，２種類の外付け鉄骨と RC フレームとの接合形式に着目して試験を行う。
Fig.3

２．制震補強システムの概要2.1

試験体の外観図制震補強システムの機構提案する制震補強システムを Fig.1 に示す。制震補強システムは，RC 架構外面に鉄骨柱・はりを無収縮モルタルとスタッドを介して接合し，その鉄骨はり中央部の上下に高剛性の鋼製束材を取り付け，その先端部と左右の鉄骨柱間に計４本の履歴ダンパーを組み込んだものである。制震補強システムの作動概念図を Fig.2 に示す。RC 架構の柱・はり接合部，架構と鉄骨フレームとの接合が剛結合された（a）TypeSB 試験体

架構が水平地震力を受けると，節点での部材のなす角は変化しないため，はりは曲げ変形する。この曲げ変形による高剛性の鋼製束材の回転を利用して，鉄骨はり上下に設置した履歴ダンパーに軸変形させて，塑性化させることにより地震入力エネルギーを吸収する。

（b）TypePSB 試験体
Fig.4

RC フレームと外付け鉄骨フレームの接合詳細図

Fig.1 制震補強システムの概念図（a）TypeSB 試験体

Fig.2 履歴ダンパーの作動概念

３．実 験 概 要3.1

試験体

試験体を Fig.3 に示す。柱の反曲点位置で取り出した（b）TypePSB 試験体

１スパンの RC フレームに，履歴ダンパー付外付け鉄骨（ 柱 : H-244 × 175 × ７ × 11， は り : H-244 × 175 × ７ ×― 134 ―

Photo.1

RC フレームと外付け鉄骨フレームの接合詳細図

外付け鉄骨のはり上下空間を利用した RC 建物制震補強システムの機構について
Table1

各素材試験結果（a）コンクリート

材齢日37142128

Fc （N/mm2 ）

7.1

14.0

19.7

22.524.5

E

Fc2（kN/mm ）（N/mm2 ）

25.1

25.8

TypeSB
TypePSB

24.524.3

TypeN25.423.3

グラウト−−（b）鋼材

ダンパー鋼板(a) 配筋断面図

材質SN400B

De or TeAe鉄筋D10D136SD295SD295SR235（mm）

12.09.53

12.75.60（mm2）−71.312724.6y（N/mm2）

273327331287u（N/mm2）4304564683380.630.720.710.85

43.015.516.4

18.8y/uu（％）

E：ヤング係数，Fc：圧縮強度，De,Te：直径，厚さ，Ae：断面積， y：降伏応力， u：引張強度， u：伸び11）を付与した補強試験体（TypeSB，TypePSB）及び無補強試験体（TypeN），計３体を用意した。本システムの補強試験体は室外の外周構面への設置を前提に，RC フレームと履歴ダンパーとを並列型に配置した形式となっ(b) 配筋側面図
Fig.5

RC フレーム配筋詳細図ている。補強試験体のパラメータは，RC フレームと外付け鉄骨フレームの接合形式である。RC フレームと鉄骨フレームとの接合詳細図を Fig. 4 に，RC フレームの配筋図を Fig. 5 に，履歴ダンパーの詳細図を Fig. 6 に，それぞれ，示す。Table1 に，コンクリート各材齢・実験日の圧縮強度・割線剛性及び履歴ダンパーの塑性化部位と鉄筋類の素材試
験結果を示す。
履歴ダンパーは，平鋼の芯材を座屈拘束用の溝形鋼で挟み込む，いわゆる座屈拘束型ブレースを採用する。特に，芯材の両端近傍には小さな軸変形でも降伏しうるように断（a）拘束材面縮小部を設けている。
3.2

RC フレームと外付け鉄骨フレームの接合形式

本制震システムを既存 RC 建物の補強に適用する際には，履歴ダンパーは小さな軸変形で塑性化することから，
RC フレームと外付け鉄骨フレームとのずれ変位により（b）芯材
Fig.6

履歴ダンパー

履歴ダンパーの軸力伝達が良好に図れない可能性がある
ため，ずれ変位を小さくする工夫が必要となる。従来型― 135 ―

玉井宏章・高松隆夫・檜谷本浩二・尾木靖夫・原田秀秋・森下邦宏（TypeSB）とあと施工アンカーのせん断抵抗部位の長さ3.3加力装置を短くした補強設置型（TypePSB）の２種類に着目する。

加力装置の概要を Fig.7 に示す。試験体の柱頂部に取りTypeSB 試験体における RC フレームと外付け鉄骨フ付けたピンを介して，剛性の高い十字型の配力材が取り付

レームとの接合方法は，RC フレームの柱はりにあと施けられており，そこに試験体の表裏から２本の水平オイル工アンカー（ケミカルアンカー：柱 M16−L＝215，はりジャッキにより正負交番の水平力を載荷する。柱の下部にM16−L＝220）を取り付け，鉄骨フレームにはスタッドはピンが取り付けられており， 柱上部とこの下部ピンと（M10，L＝70）を溶植し，無収縮モルタル（グラウト）をを，RC 柱の断面中心を貫通する中央１本のアンボンド型

RC フレームと外付け鉄骨フレームの間に注入して一体化

PC 鋼棒（ 26）でつなぎ，上部に取り付けた鉛直センターしている（Fig.4（a），Photo１（a）参照）。TypePSB 試験

ホールジャッキで初期軸力150kNを導入する。２本の水平体における RC フレームと外付け鉄骨フレームとの接合方

オイルジャッキと２本の鉛直センターホールジャッキは，

法は，RC フレームの柱はりにあと施工アンカー（ケミカそれぞれ，分岐管を介して油圧ポンプをつないでおり，２ルアンカー：柱 M16−L＝280，はり M16−L＝220）を取

本の水平オイルジャッキ相互及び２本の鉛直センターホー

り付け，外付け鉄骨フレームにはスタッド（M10，L＝70）

ルジャッキ相互には，同じ力が作用する仕組みとなっていを溶植し，RC フレームと外付け鉄骨フレームとの間に鋼る。

板（PL−1085 × 300 ×９）を取り付け，外付け鉄骨フレー
ム H 形鋼フランジと側面隅肉溶接を行った。また，あと3.4

計測方法

施工アンカーは，鋼板と外付け鉄骨フレーム H 形鋼ウェ

各計測諸量の模式図を Fig. 8 に示す。

ブを貫き，あと施工アンカー頂部を外付け鉄骨フレーム H

荷重計測は，水平ジャッキ先端に取り付けたロードセル

形鋼柱ウェブと溶接接合を行い固定し，無収縮モルタル（グから層せん断力，Q を，鉛直センターホールジャッキ上端ラウト）を RC フレームと外付け鉄骨フレームの間に注入に取り付けたロードセルから柱の軸力，N を，外付け鉄骨して一体化している（Fig. 4（b）
，Photo１（b）参照）。

はりの鋼製束と履歴ダンパーとの間に設けたロードセルから試験体中心から左上，右上，左下，右下位置にある履歴ダンパーの軸力，を，それぞれ，計測した。

変位計測は，試験体左下柱脚のピン軸を不動点とする支持治具に変位計を取り付け，柱上部の層間変位， を，鋼製束先端の回転角， を，また，履歴ダンパー両端に取り付けピン軸間の相対変位を計測する治具により，各履歴ダンパーの軸方向変位，骨フレームとの相対関係の変位を，RC フレームと鉄（Fig. 8（a）参照）を，それぞれ，計測した。
ひずみ計測は，RC フレームの鉄筋と鉄骨フレームはり端部近傍の各部で行った。RC フレームの鉄筋ゲージ位置
を Fig.8（b）に，鉄骨フレームはり端のひずみゲージ位置（a）立面図を Fig.8（c）に，それぞれ，示す。検長５mm の箔ひずみゲージを使用した。また，RC フレームの損傷の程度を観察するために，各サイクル載荷時における最大変位時にひび割れ状況をチェックした。
3.5

載荷プログラム

載荷は，層間変位角を制御する変位制御とし，１/1500rad，１/750rad，１/500rad，１/250rad，１/150rad，１/75rad 振幅を漸増させ，各振幅レベルで２サイクル繰り返す，正（b）平面図
Fig.7

加力装置

負交番漸増振幅繰り返し載荷を採用した。尚，柱１本当りの初期軸力（鉛直オイルジャッキによる導入軸力），N は，150kN で載荷中一定に制御した。

― 136 ―

外付け鉄骨のはり上下空間を利用した RC 建物制震補強システムの機構について

TypePSB 試験体は TypeN 試験体と較べ，試験体全体の層せん断耐力が増加しているのみでなく除荷時剛性が高いことから，エネルギー吸収効率が向上している。４）RCフレームに外付け鉄骨フレームを付与することにより，TypeN 試験体と較べ 2.0 倍，更に履歴ダンパー取り付けることにより 3.2 倍近く弾性層せん断剛性が上昇する。５）TypeSB 試験体と TypePSB 試験体を較べ，両試験体とも（a）荷重・変位計測諸量

あと施工アンカーの影響による層せん断耐力の低下の履歴は示さないが，層間変位角/H ＝１/150 振幅時から層せん断耐力差が生じた。

（b）RC フレーム鉄筋ひずみ計測諸量（a）TypeSB 試験体（c）鉄骨フレームはり端ひずみ計測諸量
Fig.8 各計測諸量

４．実験結果と考察
以下に得られた各実験結果と項目毎の考察を示す。
4.1（b）TypePSB 試験体

層せん断力と層間変位角の関係

Fig.9 に層せん断力，Q と層間変位角， /H との関係を，（a）
TypeSB 試験体，（b）TypePSB 試験体，（c）TypeN 試験体に分けて示す。また，Fig.10（a）に各試験体における骨格曲線，（b）には弾性範囲における TypeSB 試験体と TypeSB 試験体での履歴ダンパーを取り外した試験体の Q と /H との関係を， /H は頂部変位を柱下部ピンから柱上部ピン間での距離（Fig.7（a）に参照，H＝1700mm）で割って求めている。
Fig.9，10 から以下のことが分かる。１）各試験体は，振幅が大きくなるにつれ逆 S 字形の紡錘型の履歴ループとなる。２）層間変位角/H ＝１/75 振幅時における補強（c）TypeN 試験体

試験体 TypeSB と TypePSB の層せん断耐力は，無補強試
験体 TypeN と較べ，2.7 倍程度上昇する。３）TypeSB，― 137 ―Fig.9

層せん断力と層間変位角の関係

玉井宏章・高松隆夫・檜谷本浩二・尾木靖夫・原田秀秋・森下邦宏（a）右下・左上ダンパー（a）骨格曲線（b）右上・左下ダンパー（b）初期せん断弾性剛性Fig.11
Fig.104.2

TypeSB 試験体の履歴ダンパー軸力と軸方向変位の関係

各試験体の骨格曲線と TypeSB 試験体における初期せん
断弾性剛性

履歴ダンパー軸力と軸方向変位の関係

Fig.11 に TypeSB 試験体，Fig.12 に TypePSB 試験体における試験体中心から左上，右上，左下，右下位置にある履
歴ダンパーの軸力，（位，（）とそれらの軸方向変）との関係を，（a）左上ダンパーと右下ダンパー，（b）右上ダンパーと左下ダンパーに分けて示す。Table2 には，層間変位角が１/250，１/150 の第１，第２サイクル時におけるフレーム全体の履歴吸収エネルギー，W，最大変位時におけるポテンシャルエネルギー，W，各（a）右下・左上ダンパー

履歴ダンパーの履歴吸収エネルギー， WUL ， WUR ， WLL，WLR，及びフレーム全体の履歴吸収エネルギーから履歴ダンパーの履歴吸収エネルギーを差し引いた RC フレームの履歴吸収エネルギー，WF，フレーム全体の等価粘性減衰定数，hef，履歴ダンパーの等価粘性減衰定数，hed を示す。また，WF には鉄骨フレームの吸収エネルギー量も含まれている。
Fig.11，12，Table2 から以下のことが分かる。１）本システムの４つの履歴ダンパーは，軸方向変形の引張側振幅が大きくなる傾向があるものの，エネルギー吸収効率の良い安定した紡錘型の履歴特性となる。２）小さな層間変（b）右上・左下ダンパー

位時から良好に作動し，小さな軸変位で塑性変形してエネルギーを吸収する。３）各４つの履歴ダンパーは，正方向

Fig.12― 138 ―TypePSB 試験体の履歴ダンパー軸力と軸方向変位の関係

外付け鉄骨のはり上下空間を利用した RC 建物制震補強システムの機構について
Table2

試験体名称

各サイクル下でのエネルギー吸収量Type SB/H

1/250

Cycle

1st

Type PSB
1/150

1/250

Type N
1/150

1/250

1/150

2nd

1st

2nd

1st

2nd

1st

2nd

1st

2nd

1st2ndW (kN・mm)

1123.9874.7

2454.62055.11026.2949.92511.52122.9

227.0

122.6

477.9

275.5

W (kN・mm)

655.6

645.131378.91318.1

671.6

678.9

1439.71405.1

208.4

200.1

450.7

431.4

hef

0.136

0.108

0.142

0.124

0.122

0.111

0.139

0.120

0.087

0.049

0.084

0.051

WUL (kN・mm)

144.0

146.1

362.5

354.3

187.1

206.2

439.9

435.4

----

WUR (kN・mm)

164.8

157.1

365.3

361.9

141.2

163.1

367.0

377.5

----

WDL (kN・mm)

150.4

154.0

372.8367.2

137.3

154.6

332.1

327.0

-

-

-

-

WDR (kN・mm)

157.1

154.2

347.9

343.8

158.4

180.9

390.5

397.9

-

-

-

-

hed

0.075

0.075

0.084

0.086

0.074

0.083

0.085

0.087

-

-

-

-

WF (kN・mm)

507.6

263.3

1006.0627.7402245.1

982585.1

227.0

122.6

477.9

275.5

W：全体の履歴吸収エネルギー W：最大変位時のポテンシャルエネルギー
WUL, WUR , WDL , WDR：上下左右履歴ダンパーの履歴吸収エネルギー
hef：RC 架構の等価粘性減衰定数

hed：履歴ダンパーの等価粘性減衰定数

WF : RC 架構 ( 鉄骨フレームも含む ) の履歴吸収エネルギーの層間変位下では左上と右下の履歴ダンパーは圧縮力，右る。１）RC フレームと鉄骨フレームとの接合形式によるあ上と左下の履歴ダンパーは引張力がそれぞれ作用し，負と施工アンカーのせん断変形の変位は小さい。２）弾性範方向の層間変位下では，左上と右下の履歴ダンパーは引張囲時では，TypeSB 試験体と TypePSB 試験体を較べて差は力，右上と左下の履歴ダンパーは圧縮力が作用する。５）生じないが，振幅が大きくなるにつれ顕著ではないがずれ

TypeSB 試験体と TypePSB 試験体エネルギー吸収量はほ変位に差が生じていることが分かる。このことから，従来/H ＝１/75 振幅時では履歴ダ型の接合方法（TypeSB 試験体）でも RC フレームにおけるぼ等しいが，層間変位角

層せん断力は，あと施工アンカーを介して外付け鉄骨フレーンパー変位に微小であるが差が生じている。

ムに良好に伝達されたと考えられる。
4.3

鋼製束の回転角と層間変位角の関係

Fig.13 には，鋼製束の回転角 ，と層間変位角/H との関係を示す。Fig.13 から，TypeSB，TypePSB 試験体の補強システムは最終サイクルの層間変位角までほぼ安定して鋼製束は回転し，鋼製束ははりの微小変形に良好に追随してい回転することが分かる。

（a）TypeSB 試験体

Fig.13 鋼製束の回転角と層間変位角の関係

4.4

RC フレームと鉄骨フレームとの相対変位関係

Fig.14（a）TypeSB 試験体，（b）TypePSB 試験体における RC フレームと鉄骨フレームの相対変位関係（b）TypePSB 試験体と 層間変位角， /H との間の関係から以下のことが分か― 139 ―

Fig.14

RC フレームと鉄骨フレームとの相対変位関係

玉井宏章・高松隆夫・檜谷本浩二・尾木靖夫・原田秀秋・森下邦宏

4.5/H ＝ 150 までに接合部のせん断ひび割れが生じた。しRC フレームの柱・はり鉄筋及び鉄骨フレームのはりひずみ状況

かし，TypeN 試験体と較べひび割れが多いものの崩壊機

Fig.15 には，TypeSB 試験体において各箇所で計測した構の変化がないことが分かる。

ひずみ値（ひずみゲージ位置は，Fig.8（b），（c）参照），，と層間変位角/H との間の関係を示す。
（a）には TypeSB

試験体の RC フレーム柱・はり鉄筋ひずみ値，（b）にはTypeSB 鉄骨フレームはりに貼り付けたひずみ値をそれぞれ示す。RC フレームの鉄筋ひずみを柱とはりとで較べるとはり降伏先行型であること，鉄骨フレームはり端ひずみ値が線形であることからはり端部が降伏する性状は顕著に（a）TypeSB 試験体は見られないこと，等のことが分かる。

（b）TypePSB 試験体（a）RC フレーム柱・はり鉄筋ひずみ（c）TypeN 試験体

５．まFig.16

コンクリートひび割れ状況とめ

１）外付け鉄骨に組み込んだ４体の履歴ダンパーは，非常に小さな軸方向変形で塑性化し，エネルギー吸収する。
２）本システムを RC フレームに付加することにより，フ（b）外付け鉄骨フレームはり端ひずみ

レームにおける層せん断耐力が上昇する。

Fig.15 RC フレームの柱・はり鉄筋及び外付け鉄骨フレームはり端ひずみ状況

３）本システムによる RC フレームの崩壊機構は，変化し4.6

４）RC フレームと外付け鉄骨フレームとの接合方法は，ない。
コンクリートひび割れ状況

Fig.16 には，各試験体の層間変位角/H ＝ 150 の第２従来型の接合形式を用いても履歴ダンパーに及ぼす影響は顕著には生じない。

サイクル後のひび割れ状況を（a）TypeSB 試験体，（b）
TypePSB 試験体，（c）TypeN 試験体に，それぞれ，分けて示す。TypeSB，TypePSB 試験体は，はり端の接合部以上のことから，本システムは小さな層間変位下におい付近の曲げひび割れが先行し， /H ＝ 150 までに柱接合ても良好に動作することが確認でき，RC フレームにおけ部のせん断ひび割れが生じた。また，RC フレームに鉄骨る層せん断耐力とエネルギー吸収性能が向上する構造特性

フレームの付加による偏心によって，RC フレーム柱にねを有していること，RC フレームと外付け鉄骨フレームとじれひび割れが生じていることが分かる。TypeN 試験体の接合部を十分な剛性と耐力を設定すれば，従来型の外付は，はり端の接合部付近の曲げひび割れが先行して発生し，け鉄骨補強方法でも本システムを設置することは可能であ― 140 ―

外付け鉄骨のはり上下空間を利用した RC 建物制震補強システムの機構についてることを示した。

参 考 文 献謝辞１）尾木靖夫，他 : はり下空間を利用した RC 建物制震補強システムの開発（その１）〜（その４）日本建築学

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」（代表者会大会学術講演梗概集（近畿），構造Ⅲ，pp.499-506，高松隆夫教授）のプロジェクト研究2005．９。の一環として実施されました。また，実験実施にあたり，2005 年度広島工業大学工学部建築工学科高松研究室・玉２）尾木靖夫，他 : はり下空間を利用した RC 建物制震井研究室の学生には，多大な協力を得ました。ここに記し補強システムの載荷実験，鋼構造年次論文報告集，て謝意を表します。

pp.385-392，2005．11。

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