広島工業大学紀要研究編
第 55 巻（2021）47-51

論文

高力ボルト摩擦接合の滑り挙動を利用した
塑性ヒンジ形成工法の抵抗機構について
中村亮太＊・山西央朗＊・山根拓実＊＊（令和2年10月30日受付）

A study on resisting mechanism of plastic-hinge developed by stick-slip of
high-strength-bolts-connection
Ryota NAKAMURA, Teruaki YAMANISHI and Takumi YAMANE（Received Oct. 30, 2020）

Abstract
General plastic-hinge is evaluated by full perfect elastoplasticity type shown in Figure l.
But it is difficult to make the location of plastic-hinge in actuality. The stress increases whilebearing gentle slope after expressing full plastic endurance. As above, the separation between
the evaluate and the actual behavior is a problem of present structures. In this study, we study
plastic-hinge developed by stick-slip of high-strength-bolts-connection to match the actual
behavior and full perfect elastoplasticity type behavior. We investigated correspondence withthe behavior of general plastic-hinge through partial processing experiment.
Key Words: plastic-hinge, stick-slip of high-strength-bolts-connection

り評価することは比較的簡便で、かつ一定の精度を確保で1．はじめにきる観点から非常に有用な概念として利用されている。

一般的に塑性ヒンジは図 1 に示すような完全弾塑性で評しかしながら、実挙動とは潜在的に乖離しているため、価され、かつ当該塑性ヒンジが材端部に形成されると考える。しかしながら、実際にはポアソン効果の拘束等により形成位置は、材端部より梁中央形に以降し、その位置は定めにくい。さらに、ひずみ硬化の影響などで、全塑性耐力発現後も緩やかな二次勾配を有しながら耐力が増大する。
この耐力の増大は具体的に評価しにくく、全塑性耐力は一般的に用いられるものの、その耐力は比較的下限値的に用いられる。また、塑性変形が蓄積していくと、幅厚比を確保していてもいずれは局部座屈が発生して、劣化勾配が現われる。
このように、曲げを受ける部材を一般塑性ヒンジ法によ＊＊＊

図1

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― 47 ―

荷重 - 変形関係概念図

中村亮太・山西央朗・山根拓実

評価精度を追及することが難しく、かつ現実的な幅厚比のフランジにて発生する合力に分解して、それぞれ偶力の関範囲では、地震時に局部座屈の発現を許容せざるを得ない。

係にある。よって、弾性域における継手の負担モーメントM は⑴式で表される。

このような背景の下、本研究では、物理的な塑性変形挙動を、一般塑性ヒンジ法の概念に整合させるため、摩擦接合滑り挙動を利用した塑性ヒンジ形成工法を提案し、当該工法の確立を目的とする。本論文では先ず、摩擦接合滑り挙動が発生する部分架構実験を行い、一般的な塑性ヒンジ挙動との対応について吟味する。

2．梁継手の抵抗機構〇弾性限界

2-1．梁継手形状の設計方法

下フランジに滑り挙動が発現した状態を弾性限界とよ

本研究で実現させる塑性ヒンジは、高力ボルト摩擦接合び、これを図 4 に示す。この段階では下フランジでは滑りに滑り挙動を発生させることで一定の耐力を持ちながら回耐力に到達しているが、ウェブでは滑り挙動が発現してい転挙動を発現させるというものである。そのため、形状は、ない。このときの継手の負担モーメント M y は⑵式で表さ

通常の摩擦接合による継手と類似しているが、以下の点にれる。

相違がある。
１．部分的に配置ボルトを少なくし、意図的に滑り挙動が生じるように工夫する。
〇塑性ヒンジ形成

２．図 2 に梁継手における母材の形状を示す。塑性ヒンジ形成後、回転挙動をさせるためには母材同士が干渉し下フランジが滑った後に、ウェブにも滑り挙動が発現し、ないために、付き合せる梁断面間に回転を許容できる回転挙動が生じる状態を塑性ヒンジ形成状態とよび、これ切り欠きを設ける。

を図 5 に示す。このときの継手負担モーメントを塑性ヒンジモーメントとよぶ。M J-U は⑶式で表される。

３．また、滑り耐力に到達した後、ボルトとボルト貫通鋼の内壁とが接触すると支圧接合に移行する。これにより、耐力が再び上昇するが、単純な要素とは見なせなくなるため、一定の耐力を持ちながら変形のみを進行させるということの阻害をすると考えられる。
よって、滑り挙動が発現する部位について支圧接合に移行しないように、母材に長孔加工を施している。

図2

梁継手における母材の形状

図3弾性域

図4

弾性限界

2-2．継手の抵抗機構と耐力〇弾性域
梁継手のどの部位も滑り挙動が発現していない状態を弾性域とよび、これを図 3 に示す。摩擦力に起因する引張り
図5

合力と圧縮合力は中立軸を基軸として、上下ウェブ、上下― 48 ―塑性ヒンジ形成状態

高力ボルト摩擦接合の滑り挙動を利用した塑性ヒンジ形成工法の抵抗機構について

3-4．塑性ヒンジ回転中心位置評価式

3．実験方法—任意の基準線からの回転中心位置 Hr は図 8 の幾何学的3-1．試験体諸量を用いて以下の式で表現できる。
δT ：上端変位量、δB ：下端変位量

図 6 に試験体を示す。H-125 × 6 × 9 および PL-6 を使用した。柱には□ -200 × 12 を使用した。高力ボルトはフ

θ：回転角

ランジにおいて 20 本配置し、ウェブには 3 本配置した。

hT ：基準線から上端までの距離

なお、滑り挙動が発現するフランジに取り付ける高力ボル

hB ：基準線から下端までの距離

トは 2 本とした。摩擦面はディスクグラインダー処理とした。

図6

試験体

3-2．載荷装置
図 7 に載荷装置を示す。試験体を図のように設置し、梁端部を上下繰り返し載荷した。なお、滑り挙動が発現しな

図8

いフランジが下側になるように試験体を設置した。

—任意の基準線からの回転中心位置 Hr

下端からの回転中心位置 H r は以下の式で表現できる。

δT 、δB を測定するために継手に変位計を設置した。
写真 1 に変位計の取り付け方を示す。図 9 に示すように、上下フランジそれぞれの添え板上端を測定するように変位計を設置した。
図7

載荷装置

3-3．塑性ヒンジモーメント評価式
塑性ヒンジモーメント MJ-U は⑷式で表される。

滑り耐力 Q f および Qfw は以下の式で表すことができる。

⑸、 ⑹式を⑷式に代入して、μについて整理することで、次の式が得られる。

写真 1― 49 ―継手に取り付けた変位計の様子中村亮太・山西央朗・山根拓実

ディスクグラインダー処理を施している場合において、この滑り係数は整合性がある。よって、継手の最大耐力を⑷式で評価できたといえる。
図94-2．回転中心位置‑鉛直変位関係

測定変位位置

図 12 に回転中心位置 - 鉛直変位関係を示す。図 12 から、
3-5．剛性の評価式

塑性ヒンジ形成時における回転中心位置は下側フランジ近傍

載荷点鉛直変位は写真 2 に示すように仕口から固定したに位置していることがわかった。つまり、滑り挙動が発現し木材に直接取り付けた変位計により梁の相対変位を測定しない部位中心に回転挙動をする塑性ヒンジが形成された。

た。、継手で母材の連続性は断たれているが上下フランジ、4-3．荷重‑変位関係

ウェブに添え板を取り付けており応力伝達は一様に連続体である梁と等価であるので図 10 のようにモデル化するこ

図 13 に荷重 - 変位関係を示す。剛性は K' ＝ 5.7kN/㎜ととができる。よって、剛性は次の式で評価できる。

なった。
73］,l 1＝1625㎜,
ここで、⑼式に I＝3.89×10［㎜9E＝205000N/㎜2を代入してK＝5.6kN/㎜を得る。

20M (kN m)

100-10-20

写真 2-0.01 -0.005

00.005 0.01(rad)

鉛直変位測定方法

図 11

継手モーメント - 部材角関係

500Hr (㎜)2500-250

図 10試験体力学モデル-500-20-1001020(㎜)４．実験結果および考察

図 12

回転中心位置 - 鉛直変位関係

4-1．継手モーメント-部材角の関係
10ら実験で得られた履歴形状は二次勾配がほぼ 0 であり完全5P (kN)

図 11 に継手モーメント - 部材角の関係を示す。図 11 か弾塑性型の履歴形状と整合する。
実験結果から、最大耐力である塑性ヒンジモーメントはM J-U ＝ 16kN・m であり、この塑性ヒンジモーメントに対0-5-10応する滑り係数は⑺式を用いて求めることができる。

-6m＝2, T0＝30kN, n＝2, n w＝1, h＝241㎜,-303(㎜)
図 13h 1＝57.5㎜を⑺式に代入する。
― 50 ―

荷重 - 変位関係

6高力ボルト摩擦接合の滑り挙動を利用した塑性ヒンジ形成工法の抵抗機構について

よって、実験値と理論値の誤差は 2％という結果となった。
実験値と理論値は整合性が取れているものと判断できる。

した。得られた結果は以下のように要約される。
⑴

曲げモーメント - 部材角関係において完全弾塑性型の履歴形状が得られ、一般的な塑性ヒンジの挙動とほぼ5．まとめ対応した。

梁継手という特定の位置に形成される摩擦接合滑り挙動⑵

を利用した塑性ヒンジの挙動と、一般的な塑性ヒンジがも滑り挙動を発現しないフランジ中心に回転挙動が発現した。

つ挙動との対応について、繰り返し載荷実験を通して吟味― 51 ―