広島工業大学紀要研究編
第 43 巻（2009）pp.165-172

論

文

合成梁を有する鉄骨柱梁接合部の梁端破断に対する方杖補修について
高松隆夫＊，玉井宏章＊，三好行則＊＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Experimental Study on Knee-Brace Rehabilitation of Steel Beam-to-Column
Connection with Composite Beams
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Yukinori MIYOSHI（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
Many steel beam-to-column connections were damaged to both the 1994 Northridge
and the 1995 Hyogoken-Nanbu Earthquakes, especially bottom beam flanges near bythe connection with a composite beam. After those earthquakes, many studies havebeen carried out on brittle fractures of the beam-column connections. Most of thosestudies have employed moment-resisting frames to clarify fracture mechanism ofconnections. This experimental study was conducted on connections with acomposite beam to propose a new method for rehabilitation of fractured bottomflange near by the connection. Non-compression knee-brace was used to strengthen
the bottom-flange.

Keywords : composite beams, non-compression knee-brace, beam fracture,rehabilitation, beam-to-column connection

鉄骨柱梁接合部を方杖やハンチ等で補強するという研究は1．はじめに行われているが，合成梁の破断に対する補修という研究は1994 年ノースリッジ地震および 1995 年兵庫県南部地震

極めて少ない。また，梁端部の溶接部の脆性破断を防ぐたにおいて，鋼構造建築物の被害の中では，柱梁接合部に被め，梁のスカラップ形状について改良型スカラップを用い害が集中した。特に，合成梁の鉄骨梁端下フランジが破断たり，ノンスカラップ工法が現在では使われているが，既するという被害が多く見られた。合成梁では，スラブとの設構造物へは適用できない。

合成効果により，正曲げ時（スラブ上端が圧縮，鉄骨梁下本研究では，著者等の 1 人が提案している圧縮力を負担フランジが引張となる場合）に中立軸が上昇するため，鉄しないノンコンプレション方杖 2）（以後，NC 方杖と呼ぶ）

骨梁下フランジでの引張ひずみが増大し，破断に至ることを用いた合成梁の梁端下フランジ破断に対する柱梁接合部がよく知られている

3），4）。の補修工法を提案し，繰返し載荷実験を行って，補修効果

この様な背景のもと，兵庫県南部地震以降，鋼材の破断に関する研究が数多く行われている。しかしながら，それらの研究の多くが，純鉄骨架構を対象としており，また，* 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系研究科建設工学専攻―165―

や問題点等を確認する。
研究目的は，以下の 3 点にある。
1）合成梁の梁端破断後，NC 方杖で補修すれば，正曲げ高松隆夫，玉井宏章，三好行則

表 1 材料特性σσ 降伏応力σσ

表 2 合成梁試験体の評価値

σ σ σε純鉄骨降伏モーメント

図 2 切断位置

図 1 合成梁試験体

図 3 接合部詳細図

図 4 外ダイアフラム詳細図

時の耐力をもとの鉄骨架構と同等程度にできる。

を用意した。図 2 に下フランジの切断位置を示す。

2）補修後の正曲げ時の剛性を確認する。
3）負曲げ時の剛性の変化からフランジ再接触の効果を調べる。

2．実験概要2.1

試験体

図 5 方杖接合部形状

合成梁試験体は，床スラブはデッキプレートを捨て型枠としスラブ厚は 100mm，幅は設計指針での有効幅である1,125mm とした。コンクリートは普通コンクリートで，スラブ筋は D10@150mm である。スタッドコネクタは 13 z，L=100mm であり，所要本数は試験体が完全合成梁となるように「各種合成構造設計指針・同解説」1）に準拠して算

本実験は，図 1 に示す合成梁試験体を使用する。試験体定した。柱梁接合部は，通しダイアフラム形式とする。試は 1 体で，正曲げ単調載荷を行い，最大合成梁変形角験体の柱およびパネルゾーンは，梁が終局曲げモーメント0.06rad を与えた（基本試験体）。その後，下フランジをデに達した場合においても塑性化しないように十分強く設計ィスクグラインダーで切断し，NC 方杖を取付け，NC 方した。また，スカラップ形状はいわゆる旧スカラップを用杖による下フランジを補修した試験体（補修試験体）1 体いる。図 3 に柱梁接合部の詳細を示す。
―166―

合成梁を有する鉄骨柱梁接合部の梁端破断に対する方杖補修について

表 3 仮想仕事法による値と結果

αH形鋼の断面二次モーメント
T字形の断面二次モーメント
方杖設置後の剛性

梁端部から方杖までの距離
方杖から載荷点までの距離

図 7 簡易置換モデル

図 6 NC 方杖作動概念

図 9 変位計測定位置

図 8 載荷装置

図 10

ひずみ測定位置

表 1 に材料特性を，表 2 に合成梁試験体の評価値を，そ必要な軸力を求める。なお，このときの中立軸は梁図心にれぞれ示す。表 2 は，本試験体を完全合成梁とし，鋼材とあるとして算定している。また，断面を決定した後，仮想RC スラブのヤング係数比 n を 15 とし，RC スラブを鋼材仕事法を用いて，剛性がもとの鉄骨架構以上となることを1）である。また，表 2 の剛性確認した。この時，梁端部の剛性は，フランジが欠損したは，柱端部を固定端とした片持ち梁として求めたモーメン

T 字形の剛性とし，それ以外の部分については，H 形鋼

ト-梁変形角関係の剛性を純鉄骨架構の剛性としている。の剛性にして計算した。これは，方杖を設置することで，の等価断面に置換した計算値

方杖より先の部分については，下フランジが抵抗するよう2.2方杖の設計方法になるためである。今回，計算を簡単化するため，方杖軸方杖を取付ける目的は，鉄骨梁下フランジの破断による力が作用する箇所までを T 字形とした。その場合，実際欠損を補い，耐力と剛性を回復させることにある。合成梁よりも梁の剛性は低く出るため，計算値が純鉄骨の剛性と変形角 1/20rad を与えた試験体はスラブが破壊しており，同等でも，実際は同等以上の剛性を確保したことになる。

スラブとの合成効果は期待できない。このため，方杖補修

柱に取付ける方杖接合部は，柱に取付けた外ダイアフラ試験体は，純鉄骨架構の耐力・剛性と同等以上とする。

ムに設置する。方杖接合部は，方杖が最大軸力を達しても，方杖は，方杖設置位置を任意に設定した後，下フランジ弾性域に留まるように設計した。図 4 に外ダイアフラムの欠損前と方杖補修後のモーメントの釣合いを考え，方杖に詳細を示す。外ダイアフラムは，2 枚の平鋼で柱を挟み込―167―

高松隆夫，玉井宏章，三好行則

表 4 解析用材料定数

除荷は，基本試験体で± 1/1000 の点で弾性載荷を行った
後，破断後の方杖を設置していない無補修試験体で±1/200 を，方杖を設置した補修試験体で± 1/120 の点で行う。最後に，補修試験体を載荷装置の限界まで載荷し，補図 11

解析モデルと要素分割修試験体の耐力・剛性を調べた。

2.5

むようにし，完全溶込み溶接接合した。また，梁側の方杖接合部には，鉄骨梁の面外変形を防ぐためにスチフナを設

計測方法

変位計測定位置の詳細を図 9 に，ひずみ測定位置を図けた。

10 に，それぞれ示す。計測は，荷重は油圧ジャッキ先端以上のことから分かるように，本研究で提案する補修工のロードセルにより鉛直荷重 P を計測し，変位は，図 9 に法は既存の柱や梁に特別な加工が必要なく簡単に取付ける

示す柱上下に設置したピンの軸を支持点とする変位計支持ことができる。

治具を用いて，試験体梁先端部に設置した変位計からの平図 5 に方杖接合部形状，および楔デバイスの形状を示す。

均値として鉛直変位を計測する。方杖軸力は，方杖の先端また，図 6 に NC 方杖の作動概念を示す。また，図 7 には，に取付けたロードセルにより計測する。また，合成梁変形仮想仕事法で用いたモデルを示す。表 3 には，仮想仕事法

角は，梁先端部の鉛直変位による回転角から，柱の回転角で求めた剛性，及び，図 7 中の値を示す。

を差し引いて求める。柱の回転角は，接合部パネル上下の

図 6 に示すように，NC 方杖は塑性伸びを解消するだけ通しダイアフラムの水平変位から求めた。変位の計測値よでなく，常に引張力に抵抗するため，負曲げ除荷時の際にり，柱の回転角 i C を次式で求めた。上下の通しダイアフも負曲げ剛性に NC 方杖の剛性が加わることになる。

ラムの中心間距離は 238mm である。

表 2，3 より，方杖を設置した際の剛性が純鉄骨の剛性

i C = tan - 1 d d DL - d DT n …………………………………（1）hより高いことが確認された。
方杖接合部と柱フランジ，及び，外ダイアフラムは，高ここに， i DL ：パネル下のダイアフラム水平変位， i DT力ボルトで接合し，方杖接合部と柱は長締めの中ボルトで：パネル上のダイアフラム水平変位， h：通しダイアフラ接合している。NC 方杖は，圧縮力を負担しないため，座ム中心間距離である。

屈をすることがなく，正曲げ及び負曲げ除荷時では安定し試験体の合成梁変形角 i は（1）式を用いて，次式で求めた性能を示す。

た。
2.3

試験体シリーズ

本実験での試験体名を次の通りとする。

i = sin - 1 d d B n - i C ……………………………………（2）L

破断する前の試験体を「基本試験体」，破断した試験体

ここに， d B ：梁先端部の変位， i C ：柱の回転角， L ：スパンである。

を「無補修試験体」，方杖で補修した試験体を「補修試験体」と以上の 3 つにする。

2.43．有限要素法解析
3.1

載荷方法

解析概要

本補修工法の補修効果を吟味するため，実験を行った合載荷は図 8 に示す加力フレームを組み，柱上端をピン支成梁試験体について有限要素法解析を行った。

持，柱下端をピンローラ支持とし，梁先端部に取付けた油圧ジャッキにより鉛直上下方向に載荷を行う。載荷は，正検討する試験体は，無補修試験体と補修試験体である。

負交番変位繰返し載荷を行い，合成梁変形角で制御する。

載荷実験では，合成梁変形角 1/20rad 以上の変形を与え―168―合成梁を有する鉄骨柱梁接合部の梁端破断に対する方杖補修について

表 5 各試験体初期水平剛性および FEM 解析結果

表 6 基本試験体・補修試験体と純鉄骨の比較

正曲げ剛性（実験値）

正曲げ剛性（FEM解析値）

負曲げ剛性（実験値）

負曲げ剛性（FEM解析値）

図 12

図 14

全試験体結果

図 13

基本試験体結果

無補修試験体結果

図 15

補修試験体結果たため，スラブが破壊しており，スラブの合成効果はない

ジとダイアフラムには接触問題を適用した。柱上下のピンと考える。そのため，純鉄骨架構のみの解析を行う。また，位置に節点を設け，柱上下端の各節点を剛リンク要素で接下フランジをダイアフラムと節点を一体化せず分離させ，合した。純鉄骨架構に方杖を取付けて補修試験体として解方杖を設置している。鋼材は等方性材料とし，降伏条件は析した。解析領域は全領域とした。要素分割数は 1,025，

Von-Mises の降伏条件を採用し，完全弾塑性モデルとする。

節点数は 2,043，全自由度数は 12,258 である。

解析プログラムには，汎用非線形構造解析ソルバー

方杖はトラス要素で要素分割した。
断面性能については，「MSC.Marc2005r2」を用いた。本解析に用いる材料定数

M24 の転造ねじアンカーボルトの公称断面積 5）および断を表 4 に示す。

面二次モーメントを与えた。

3.2

3.3

解析方法

境界条件

有限要素法解析の解析モデルを図 11 に示す。柱，ダイ

剛リンク要素で接合したピン位置の節点に対し，一端をアフラム，梁の上フランジとウェブは完全に接合している

ピン支持，他端を Y 軸方向をローラー支持として，載荷ものとし，8 節点立体要素で要素分割した。梁の下フラン点にも節点を設け梁先端部の下フランジの各節点を剛リン―169―高松隆夫，玉井宏章，三好行則

図 16

図 17

補修試験体（終局性能）結果

図 18 コンクリートスラブ破壊状況

無補修試験体と補修試験体

写真 1 コンクリートスラブ破壊状況

図 13 には，「各種合成構造設計指針・同解説」1）に準じク要素で接合した。この載荷点の節点に対しては，Y 軸方向に載荷する。て求めた合成梁の計算値を，図 14 〜 15 には，FEM 解析載荷は，変位で制御し，無補修試験体および補修試験体の結果を併せて示す。図 16 には，FEM 解析の結果，及については，1/120rad の変位を 1 サイクル与えた。また，び，比較のため片持ち梁として求めた純鉄骨架構の計算値

補修終局試験体については，1/20rad まで単調載荷を与えを示している。表 5 には各試験体ならびに有限要素法解析た。の初期剛性を示す。また，各試験体剛性を FEM 解析結果で除した値を示す。表 6 には，基本試験体と補修試験体お3.4

下フランジの離間と接触よび純鉄骨の降伏モーメントと剛性を示す。
○基本試験体梁端下フランジは破断しているため，正負交番の載荷では，下フランジとダイアフラムは離間と接触を繰返す。そ

図 13 より，合成梁基本試験体は，合成梁の変形角のため，接触問題を適用した。また，接触面には n =0.450.03rad 付近でスラブが破壊し，最大モーメント 250kN : mの COULOMB 摩擦則を適用した。

まで達した。
図 18，写真 1 には，柱付近でのスラブの破壊状況を示

4．試験結果と考察す。

図 12 〜 15 に各試験体の層梁端モーメント M -合成梁

また，完全合成梁として計算した剛性・耐力等の計算値

変形角 i の関係を示す。図 12 に全試験体の結果を，図 13は，実験結果とほぼ対応している。このことから，現在のに基本試験体の結果を，図 14 に無補修試験体の結果を，「各種合成構造設計指針・同解説」で示している設計式で，

図 15 に補修試験体の結果を，そして，図 16 に載荷装置の試験体の剛性・耐力が容易に評価できることが分かる。

性能限界まで補修試験体を載荷した際の結果を示す。
―170―

合成梁を有する鉄骨柱梁接合部の梁端破断に対する方杖補修について

図 19 正曲げと負曲げ時における下フランジの離間と接触○無補修試験体

写真 2 下フランジの離間と接触図 17，表 5 より，正曲げでは，NC 方杖の効果のため，

図 14，表 5 より，無補修試験体の正曲げ剛性は，破断剛性は無補修試験体の 3 倍となっており，純鉄骨と同等程の影響で，純鉄骨架構の 1/3 まで低下した。一方，負曲げ度となる。負曲げでは，無補修試験体と補修試験体の剛性剛性は，下フランジの亀裂が閉じ，メタルタッチすることは同じである。このことからも，NC 方杖は正常に作動しで応力が伝播して，剛性が純鉄骨とほぼ同等となった。しており，2 サイクル以降の正曲げでは安定した性能を示しかしながら，基本試験体に較べると負曲げ剛性は低下してている。

いる。これは，スラブの合成効果がなくなったためであると考える。

また，下フランジが引張力で破断した際，脆性破断であれば，ネッキングによる断面減少が少ないため，メタルタ

正曲げでは，無補修試験体の試験結果と FEM 解析結果は良好に対応している。そのため，コンクリートの合成効果がほとんどないことが分かる。また，メタルタッチを再現しているため，負曲げ剛性が正曲げ剛性に比べて上昇している。しかしながら，負曲げでは，試験結果と FEM 解析結果は良好に対応しているとは言えない。これは，負曲げでは，スラブ内の鉄筋が抵抗し，純鉄骨よりも負曲げ剛ッチ時の剛性・耐力への影響は少なく，本実験結果と同等の再接触による効果が得られると考える。

5．まとめ
基本試験体と無補修試験体および補修試験体の載荷実験を行った。得られた知見は以下の通りである。
1）補修試験体はスラブの合成効果はなく，正曲げ剛性性が高くなったためであると考えられる。

は純鉄骨架構とほぼ同等である。また，NC 方杖に○補修試験体よって安定した正曲げ挙動を示す。

図 15，表 2，表 5 より補修試験体の正曲げ剛性は，純鉄

2）破断後，負曲げ時では，フランジの亀裂が閉じ，メ骨架構とほぼ同等となった。しかしながら，除荷時に，方タルタッチし剛性・耐力が回復するため，負曲げ側杖軸力が 0 となることで，剛性が無補修試験体と同等になでは，NC 方杖が圧縮力を負担しなくても何ら問題る。負曲げ時には NC 方杖が抵抗しないため，負曲げ剛性ない。

は，無補修試験体と同じく，純鉄骨架構と同等となった。
図 16 より，補修試験体の終局状態では，方杖が降伏後

3）破断後，負曲げ耐力は，フランジの幅厚比の関係上，局部座屈による影響は小さいと考える。

も耐力が上昇した。これは，方杖のひずみ硬化，スラブの4）提案する補修工法により，もとの鉄骨架構と同等以圧縮抵抗，及び，直交梁の捩れ抵抗が累加されたためと考上の剛性・耐力にすることができ，十分有効である。

6）

えられる 。

謝

正曲げでは，補修試験体の試験結果と FEM 解析結果は辞良好に対応している。しかしながら，負曲げでは，対応し本研究は広島工業大学「高性能構造システム開発研究セていない。これは，無補修試験体と同じく，スラブ内の鉄ンター」（代表者：高松隆夫教授）のプロジェクト研究の筋の影響であると考えられる。

一環として実施しました。

また，負曲げ除荷では，NC 方杖の効果により剛性が負参考文献

曲げ剛性より上昇している。
○補修効果

1）日 本 建 築 学 会 ： 各 種 合 成 構 造 設 計 指 針 ・ 同 解 説 ，

図 17 には，無補修試験体と補修試験体の比較を示す。
また，図 19 には，正曲げと負曲げの挙動を示す。写真 2

1985.2.
2）高松隆夫，玉井宏章，小畑寛行：ノンコンプレション
方杖で補強された H 形鋼柱梁接合部の復元力特性，広には，下フランジの離間と接触時の写真を示す。
―171―高松隆夫，玉井宏章，三好行則

島工業大学紀要研究編，vol.40，pp.119-128，2006.2.の 2. 合成梁の変形能力とスラブの効果，日本建築学会

3）山田哲，岡田健，呉相勲，和田章：柱梁接合部におけ

大会学術講演梗概集，pp.803-804，2001.9.

る破断に着目した合成梁の変形能力に関する研究：そ5）（社）日本鋼構造協会：建築構造用転造ねじアンカーボの 1. 実験計画と実験概要，日本建築学会大会学術講演

ルト・ナット・座金のセット，JSS Ⅱ 13-2000，2000.6.

梗概集，pp.801-802，2001.9.

6）桑村仁，杉田朋哉，横山幸夫：鉄骨梁破断後の床スラ4）岡田健，山田哲，呉相勲，和田章：柱梁接合部におけブのバックアップ効果，日本建築学会構造系論文集，

る破断に着目した合成梁の変形能力に関する研究：そ第 547 号，pp.169-176，2001.9.

―172―