広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.105-111

論文

楔デバイス付柱梁接合部の載荷実験
高松隆夫 *・山西央朗 **・玉井宏章 *・田邉真二郎 ***・弘永佑太 ***（平成22年11月２日受付）

Analytical study on residual deformation of steel structurewith self-centering beam-to-column connection
Takao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI, Hiroyuki TAMAI, Shinjirou TANABE and Yuta HIRONAGA(Received Nov. 2, 2010)

Abstract
Beam-to-column connections with a wedge device show linear-from-origin-type restoring
force characteristics and can possess self-centering capability that reduces residual horizontal
displacements of a structure acted by an earthquake force. The connection with the wedge device can be used at an outer column, but it can hardly to be applied to an inner column. This
paper proposes a new idea that the wedge device can be installed the beam-to-column connection of the inner column. An experimental study on the beam-to-column connection with thewedge device of the inner column subjected to cyclic loadings was carried out. The experimental
results showed that the cyclic characteristics became linear-from-origin-type in loadings andoriented-to-origin-type in unloading.
Key Words: non-slip-type resotoring force characteristics, wedge-device, Beam-to-column connection, loading tests

ノンスリップ型露出柱脚を提案している６-10）。また，この１．はじめに機構を柱梁接合部に導入することにより，母材（柱，梁）近年の構造物に要求される性能の中に，構造物の損傷をを弾性状態に留め，更に，残留変形を低減できることも示抑えて地震直後の耐震性能（残留変位を生じず，地震に対している 11，12）。これにより，地震後も構造物の継続使用がする抵抗力を有している状態）を確保し，更に，補修が簡可能となると考えている。加えて，補修方法もボルト交換便で次の地震に対して直ぐに対応可能であるという性能といった簡便なものである。

（構造物の継続使用）を有することが期待されている。こしかしながら，これまでに提案してきた柱梁接合部は，のような要求性能に対して，接合部に原点を指向する復元接合ボルトが柱断面を貫通して取り付いていたため 11，12），力特性を付与する工法，制振ダンパーを用いて応答を抑え中柱へは適用できなかった（図１（b））。

る工法など，多くの研究が行われている

１-５）

そこで，本論文では，接合ボルトを柱断面外に設けるた。

著者等もこれまでに，露出柱脚に楔デバイスを用いるこめのブロック（接合ボルトがを設置する部位）を設け，ブとで，アンカーボルト降伏後も外力が除去されると柱脚回ロックを柱梁接合部に溶接接合した試験体の載荷実験を行

転角が常に０に戻り残留変形を低減できる性能を有した，

い，中柱型柱梁接合部に楔デバイス付接合部を適用する。

＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発研究センター＊＊＊

広島工業大学大学院建設工学専攻― 105 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・田邉真二郎・弘永佑太
表１

素材特性

（a）試験体（a）本論文で提案する工法（中柱タイプ）（b）試験体１（c）試験体２

図２ （a）〜（c）試験体

2.1

試験体

図２に試験体を，表１に素材特性を示す。
本実験では，図１（a）に示すように，中柱に取付く左右の梁それぞれを独立した接合ボルトで接合して，梁端毎に期待する性能（原点立上り型および原点を指向する復元力特性）が得られる工法としている。また，試験体は，水平荷重に対する各部材の曲げモーメントの反曲点位置まで（b）既報の工法（側柱タイプ）
図１を取り出したものとする。

楔デバイス付接合部の適用図

試験体の柱には H-200x200x8x12, 梁には H-250x125x6x9,また，ブロックの設置位置を変数とし，それぞれの性能の接合ボルトには転造ねじアンカーボルト M16, エンドプ違いについても検討，考察を行う。

レートには PL-450x200x36 を使用する。接合ボルトは３列に２本ずつ，計６本を配置し，楔デバイスを介してダブ

２．実験概要

ルナットにより梁端部を柱に接合する。また，梁フランジ

試験体の階高，スパン長や断面性能を一般的なものの１レベルで囲われる領域をパネルゾーンとして耐力を算出/ ３程度とし，中柱とそれに取り付く片側の梁とを取り出し，接合部の最大耐力に対して十分な耐力を有していなしたト字型試験体を用いる（図１（a）参照）。ト字型試験

かったので，ダブラープレート PL-220x150x4.5 を隅肉溶体とすることで，柱の応力状態が実際のものとは異なるが，接接合して補強する。

本機構における柱は弾性体であり，更に，柱フランジ補剛

中柱において左右に取付く梁毎に楔デバイス付接合部のプレート（後述の図２（d）参照）およびダブラープレー機構を独立させるためには，それぞれ，独立したボルトでトによって接合部パネルは降伏しない。よって，応力状態梁を接合する必要がある。しかしながら，エンドプレートの差異が復元力特性に与える影響は無視できるものと考のみでは，接合ボルトの有効長さが十分に確保できず，従え，ト字型試験体を用いている。

来のディテールに比較して，接合ボルトの累積塑性変形倍

また，接合ボルトによる最大耐力を梁の全塑性モーメン
トの 80% 程度とし，母材を弾性状態に留める。

率が増大することが推測される。そこで，本実験で使用する試験体においては，柱と各梁との間にブロックを設ける。

― 106 ―

楔デバイス付柱梁接合部の載荷実験（d）接合部詳細（e）楔デバイス

図３載荷装置

図４

計測位置（f）転造ねじボルト

図２（d）〜（f）試験体

こ の ブ ロ ッ ク は， ２ 枚 の プ レ ー ト PL-450x200x36 で 梁
H-250x125x6x9 を挟み込んで，接合ボルトの有効長さ領域を確保するディテールとなっている。また，柱・梁間の応力伝播をスムーズにするため，リブプレート PL-12 を設ける。但し，エンドプレートは，フランジフェイスライン上に仮定したヒンジラインを用いて，降伏耐力を降伏線理論より算出し，エンドプレートと柱間に生じる接触反力（引部の変位から算出した層間変形角 ri を制御値とした正負張り側接合ボルト降伏軸力の総和）に対して崩壊しないよ交番繰返し載荷を行う。載荷サイクルは，1/1000，1/500，うに設計している13）。尚，ブロックは梁端部に完全溶込1/250，1/125，1/75rad の各振幅を２サイクルずつ行う。尚，

み溶接接合した試験体 1, 柱側に全周隅肉溶接接合した試

梁の横座屈を防止するため，載荷点の構面外たわみを抑え験体２の，計２種類を用意した。また，接合ボルトに初期ている。

軸力として，軸部降伏軸力の 30% と 80% とを導入した，計４体について，実験を行う。

2.4

計測方法

図４に計測位置を示す。計測は，柱上下端部を計測基準
2.2点とし，梁上端部の変位 δv，エンドプレート左右の鉛直楔デバイス付柱梁接合部の概要

図２（d）に示すように，楔デバイスは，楔，楔受け，変位 δ１，δ２，及びエンドプレート位置の柱左右の鉛直変バネおよびバネ反力板から構成されている。楔および楔受

位 δ３，δ４ を変位計により，梁端部に作用するの荷重 P をけは，転造ねじボルトから伝達される圧縮力の接触面方向

油圧ジャッキ先端に取り付けたロードセルにより，ボルト分力に対して，接触面における摩擦力により抵抗し，滑ら軸力 T を転造ねじボルト下端部に設置したセンターホーないようにしてある。このため，楔と楔受けの接触面には，ル型ロードセルにより，それぞれ，計測している。
また，層間変形角 ri，エンドプレート回転角 eθ を次式

発錆処理を施して，静止摩擦係数を増大させている。

により算出する。
2.3

載荷装置と載荷方法

v

載荷装置を図３に示す。載荷は，試験体を 90 度回転させて，柱上下端をピンを介して反力梁に設置する。また，反力柱に取り付けた油圧ジャッキを梁端部に設置し，梁端― 107 ―………………………………………………… （1.a）……………………………… （1.b）

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・田邉真二郎・弘永佑太
表２

楔デバイス付接合部特性値

図７3.1

復元力特性モデル

耐力評価

耐力評価については，中央列ボルト降伏時抵抗力 PU を梁の降伏耐力 bPy 以下に設定しなければならない。
図５

図６の抵抗機構から，最外列ボルト降伏時抵抗力 PY と履歴モデル

中央列ボルト降伏時抵抗力 PU は，次式により求められる。
………………………… （2.a）………………………………… （2.b）
ここで，n はボルト本数，TY はボルトの降伏軸力，d1，d2 は圧縮合力点位置からボルト軸心までの距離，Lb は梁の長さ（図４中の L/2）である。
図６

抵抗機構

3.2
ここで，L は載荷点から柱図心までの距離，D はエンドプレート及び柱に設置した変位計間の距離である。

弾性剛性

各ボルト列におけるボルトの弾性伸びから求められる弾性剛性は次式より求めることができる。

３．評価方法……………………………………（3）接合部の履歴モデルを図５に，表２に楔デバイス付接合

ここで，Eb はボルトのヤング係数，n は各列のボルト本部の特性を示す。図中へは，漸増繰返し載荷における履歴

数，Ab はボルト断面積，di は圧縮合力点位置から各ボルを示す。また，圧縮合力点位置及び回転中心位置を同じ位

ト軸心までの距離，lb はボルト有効長さ，R はエンドプレー置と仮定し，梁断面図心から圧縮合力点位置迄の距離をトと柱材の弾性変形を考慮した低減係数であり，R= ２をdc=d2=125mm としたときの抵抗機構を図６に示す。

採用している。

梁端部に曲げモーメントが作用すると，ボルトに伸び変

尚，水平変位 δv は，エンドプレート回転角と柱梁の弾形が生じ，エンドプレートが回転する。更に載荷すると，性剛性 Kf から求められる弾性変形を累加するもとのし，ボルトが降伏・塑性伸びする。この時，除荷と共に生じる降伏変位 δY は次式より求められる。

塑性伸びによるエンドプレートとナットとの間の隙間に楔…………………………………………（4）が貫入する。このため，図５に示すように再載荷したときには，原点立上り型の復元力特性となる。
更に，２列のボルトが抵抗して，弾性範囲のボルトが存3.3在する場合には，原点を指向する復元力特性が得られる。

復元力特性モデル

図７に復元力特性モデルを示す。復元力特性モデルは，
式（2.a），（2.b）の各耐力と，式（4）より求められる水平変位を用いて，Tri-linear 型とする。また，いかなる載荷― 108 ―楔デバイス付柱梁接合部の載荷実験（a）試験体１30％（c）試験体２30％（e）初期軸力 30％の比較（b）試験体１80％（d）試験体２80％（f）初期軸力 80％の比較

図８ （a）〜（f）水平荷重−水平変位関係（g）試験体１の比較（a）試験体１30％（c）試験体２30％（h）試験体２の比較（b）試験体１80％（d）試験体２80％

図８ （g）〜（h）水平変位−水平変位関係

図９下においても，原点より荷重が上昇する。
尚，文献 11）では，エンドプレート離間耐力を考慮しボルト軸力−エンドプレート回転角関係

４．結果と考察て復元力特性モデルを作成していた。しかし，本実験で使図８に，実験結果と解析値の水平荷重 P- 水平変位 δv の用した試験体には，溶接によるエンドプレートの湾曲が見関係を，図９に，ボルト軸力 T- エンドプレート回転角 eθ

られた。湾曲していると，載荷初期（回転角が 0.005radの関係を示す。

以下）の時に，dc ≒０となり，エンドプレート回転に対する接合ボルトの抵抗力が小さくなるため，本論文では，

尚，図９中には，各列のボルト軸力を TL，TC，TR としてそれぞれ記している（図５参照）。

復元力特性のモデル化において，ボルト初期軸力による離間耐力の増加を考慮していない。
― 109 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・田邉真二郎・弘永佑太

4.1

水平荷重 - 水平変位関係

る復元力特性を付与できる。

図８（a）〜（d）より，エンドプレート離間位置や初２）ブロックを柱側に設置することで，耐力，剛性，エネ

期軸力の大きさに関わらず，原点立上り型および原点を指ルギー吸収量が増加する。

向する復元力特性を示している。また，実験値と解析値はほぼ対応しているものの，実験結果の耐力が高目になってエンドプレートの湾曲によって，初期軸力が増加した場いる。これは，モデルの圧縮合力点位置が，梁フランジ位合の差異が見られなかった。今後，エンドプレートの湾曲置に固定してあるのに対して，実験では回転と共にエンドによる影響を回避する方法を検討する必要がある。

プレート端部へと推移していったためである

12）

。

謝

図８（e）〜（f）より，試験体１よりも，試験体２の耐力・剛性が高目なことがわかる。これは，エンドプレート辞

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究離間位置の耐力は一定であるのに対して，載荷点からエンセンター」（代表者

ドプレート離間位置までの距離が短い（モーメントアームの一環として実施されました。また，試験体作成にあたりが小さい）試験体２の方が，梁せん断力が高めになり，結フルサト工業株式会社には，転造ねじアンカーボルトを提果として，柱梁接合部の見かけの耐力が増加するためであ供していただきました。ここに記して謝意を表わします。

高松隆夫教授）のプロジェクト研究る。

参考文献

図８（g）〜（h）より，初期軸力を 30％と 80％とした
場合では，履歴に大きな差異が生じていない。本来，エン

１）中島正愛，吹田啓一郎，池永昌容，松宮智央，倉田真

ドプレート形式の接合部ボルトに初期軸力を導入すると，

宏：セルフセンタリング導入による鋼構造骨組の残留離間耐力の増大，降伏変位の減少が生じる。しかしながら，変形低減効果，日本建築学会大会学術講演梗概集（北本実験で用いた試験体のエンドプレートが湾曲しており，海道），pp.765-766,2004.8.

変形が小さい領域ではエンドプレート回転中心位置が，柱２）J . M . R i c l e s ， R . S a u s e ， S . W . P e n g ， L . W . L u :図心線上に位置するため，初期軸力導入による効果が明瞭

Experimental evaluation of earthquake resistantには現れていない

11）

posttensioned steel connections，ASCE Journal of。

structural engineering，pp.850-859, 2002.7.
4.2

３）池永昌容，松宮智央，倉田真宏，中島正愛，吹田啓一

ボルト軸力 - エンドプレート回転角関係

図９（a）〜（d）より，いずれの試験体の除荷時にお郎：セルフセンタリング導入による鋼構造骨組の残留いても，エンドプレート回転角が０になる前に，圧縮側の変 形 低 減 効 果， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 12 巻，最外列ボルト（例えば，正方向除荷時の TR）が抵抗を開pp.163-168，2004.11.

始している。これは，溶接によってエンドプレートが湾曲

４）池永昌容，長江拓也，中島正愛，吹田啓一郎：ダンパーしていたため，回転中心位置が最外列ボルトよりも梁図心付セルフセンタリング柱脚の開発と大変形下の挙動，方向に在り，回転角が０に戻る前に圧縮側ボルトに伸び変日本建築学会大会学術講演梗概集（近畿），pp.643-

形が作用したためである。

644, 2005.9.

更に，試験体２の方が早期に抵抗を開始していることが５）池永昌容，長江拓也，中島正愛，吹田啓一郎：残留変わかる。これは，ブロック側のプレートも，溶接によって形低減をめざしたセルフセンタリング柱脚の開発と載湾曲していたためと考えられる。また，試験体２の方が，荷 実 験， 日 本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集， 第 612 号，エンドプレートの最大回転角が大きくなっているため，ボ

pp.223-230, 2007.2.

ルト伸び量が大きくなる。これは，載荷点からエンドプレー

６）Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI: Non-slip-

ト離間位置までの距離が試験体１よりも短いためである。

type restoring force characteristics of exposed-type

５．結

column base, Journal of Constructional Steel Reserch,

論Vol.61, pp.942-961, 2005.

本研究では，中柱における楔デバイス付柱梁接合部を導７）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗：ノンスリップ型鉄骨入する工法を用いた試験体の正負交番繰返し載荷を行い，

露 出 柱 脚 の 復 元 力 特 性 モ デ ル， 構 造 工 学 論 文 集，以下のような結論を得た。

Vol.51 B, pp.293-302，2005.4.

１）本論文で示す工法によって，中柱の柱梁接合部に楔デ８）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，松尾彰：ノンスリッバイス付柱梁接合部を導入できることがわかった。こプ型露出柱脚のセルフセンタリング性能に関する研のため，中柱にも，原点立上り型および原点を指向す

究， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 13 巻，pp.173-180,― 110 ―

楔デバイス付柱梁接合部の載荷実験

2005.11.

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

９）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，白木剛，多田元秀：2007.11.

統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚の11）高松隆夫，玉井宏章，山石健司，山西央朗：エンドプ

仮 動 的 実 験， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻，レート形式ト字型柱梁接合部のセルフセンタリング性

pp.269-276,2006.11.

能，第 16 巻，pp.237-244，2008.11.

10）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰 : アンカーボ

12）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：単調載荷下ルトを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力

における鉄骨露出柱脚の FEM 解析，鋼構造年次論文

特性 - 無軸力下の場合のセルフセンタリング性能 -，報告集，第 14 巻，pp.689-696，2006.11.

― 111 ―