フジタ技術研究報告第 52 号 2016 年

角形鋼管で補剛した座屈拘束ブレースに関する実験的研究

小 原泉

佐々木佐々木 康人
西概拓 馬

吉田聡

文久*1*1

要座屈拘束ブレースは、軸力を負担する芯材の周囲に設置した鋼管などの座屈拘束材により圧縮軸力時の座屈を拘束することで、引張軸力時と同等の復元力特性を有する耐震性に優れた部材である。これまでに芯材に H 形鋼を、座屈拘束材に鋼管とモルタルを用いた FIRST ブレース（Fujita Improved and Reinforced Steel Brace）の開発を行い、数多くの実績がある。しかし、適用できる H 形鋼の断面が限られていることや、モルタルを充填する工程が必要などの課題があった。これに対し、設計の自由度が高い平鋼の芯材を角形鋼管で補剛する鋼製座屈拘束ブレース（DUAL CORE BRACE）の開発を行った。本稿では、鋼製座屈拘束ブレースの構成および力学性能確認のための漸増繰返し載荷実験、疲労性能確認のための一定振幅繰返し載荷実験の結果について示す。開発した鋼製座屈拘束ブレースは安定した履歴特性を示し、その疲労性能は既往の指針式により評価できることを確認した。

Experimental study on buckling restrained brace using RHS steel tubes
Abstract
A buckling restrained brace is a member that restrains the buckling due to the compressive axial force,achieving superior seismic resistance. The buckling restrained braces comprising of an H-shaped steel core,a steel tube and mortar (FIRST Brace: Fujita Improved and Reinforced Steel Braces), has been developed
and utilized in the building structure. However, it has some disadvantages such as that the design of coresection is not easy in low axial force.
In this study, the buckling restrained brace using RHS steel tubes (DUAL CORE BRACE) was developed.
The brace comprised only steel parts and mortar is not used. This paper details the structure of the brace
and the results of cyclic loading tests to verify the seismic performance and constant amplitude tests toverify the fatigue performance. As a result of the test, it was confirmed that the brace has stable restoring
force characteristics and superior fatigue performance, and that the fatigue characteristics can be evaluatedwith the previously provided formula.

キーワード： 座屈拘束ブレース、角形鋼管、＊１ 大和ハウス工業
大和ハウス工業株式会社

繰返し載荷実験、疲労性能－45－

フジタ技術研究報告 第 52 号

§１．はじめにが必要などの課題があった。そこで、鋼材のみで構成され、幅広い範囲での軸力の設計を柔軟に行うことができる鋼製
座屈拘束ブレース（DUAL CORE BRACE）の開発を行っ

座屈拘束ブレースは鉄骨ブレースの周囲を鋼管やモルタルなどで覆い、圧縮軸力時の座屈を拘束することで、引た。

張軸力時と同等の復元力特性を有する耐震性に優れた部

本稿では、この鋼製座屈拘束ブレースの構成と疲労性能材である。これまでに、さまざまな座屈拘束ブレースが実用について示す。なお、本ブレースは耐震部材および制振部化され、建物の耐震部材ならびに制振部材として用いられ材として一般財団法人日本建築総合試験所の建築技術性ている 1)。当社でも芯材に H 形鋼、拘束材に鋼管を使用し能証明を取得している（GBRC 性能証明 第 13-21 号改）。

た FIRST ブレースを開発し 2)、数多くの適用実績がある。し

§２．鋼製座屈拘束ブレースの構成

かし FIRST ブレースは芯材に H 形鋼を使用するため、軸力が小さい部材での設計の自由度が低く、要求される設計条件に柔軟な対応ができないこと、モルタルを充填材に使図1、2 にブレースの構成と完成図をそれぞれ示す。鋼製用するために、工場や現場でモルタルを充填するプロセス

座屈拘束ブレースは芯材である平鋼を 2 本の角形鋼管で挟み、芯材の座屈を拘束している。2 本の鋼管は接合板を溶接することで接続している。拘束材の局部座屈を防止する効果を高めるために芯材と角形鋼管の間に鋼管と同幅同長の鋼板を設置することができる（以下、内挿板とする）。また、芯材中央にスリットを設けることにより、任意の軸力の設計が可能となっている。スリットを設けた場合はスリット内にスペーサーを挿入し、芯材強軸方向への座屈を防止する。
アンボンド材としてブチルゴムテープを芯材と座屈拘束材の間に挿入する。また、ブレース端部に補強板を設置し、座屈拘束材の補剛効果を高めている。芯材の鋼種は、耐震部材では、従来の 400 N/mm2 級鋼材、490N/mm2 級鋼材のほか、550N/mm2 級鋼材が使用できる。また、制振部材では建築構造用圧延鋼材（SN400B、C、SN490B、C）、建築構造用低降伏点鋼（LY225）が芯材として使用できる。
鋼管は STKR400 である。接合部は H 形断面または十字形断面とし、高力ボルト摩擦接合とする。

図 1 ブレースの構成§３．漸増繰返し載荷実験
3.1 実験概要
鋼製座屈拘束ブレースの力学的性能および破壊状況を確認するために漸増繰返し載荷実験を行った。表 1 に試験体一覧を、図 3 に試験体形状を示す。パラメータは芯材の鋼種（SN400、SN490、LY225、HBL385-L）、接合板の

図 2 ブレースの完成図表 1 試験体一覧および実験結果
試験体諸元
芯材

試験体名

F400
F400-RJ9F400-ns
F225
F490
F385-i4

板厚mm
161616161612

スリット幅
鋼種mmmm
25SN400B①25SN400B②0SN400B①25LY225
25SN490B
30HBL385B-L

鋼管

mm
100x50x3.2
100x50x3.2
100x50x3.2
100x50x3.2
100x50x4.5
100x50x3.2

実験結果
接合板板厚mm696699鋼種
SS400
SS400
SS400
SS400
SS400
SS400

内挿板
板厚
鋼種mm
4.5 SS400－46－

降伏
軸力
Ny
kN
328323442245453
387

最大軸力
引張Nmax(+)
kN
507512669388611489

圧縮Nmax(-)
kN650663803530
767567

限界塑
性ひずみ

累積塑
性変形
倍率

εpu%
6.82
6.71
7.57
9.99
5.57
4.93

η
倍
7198531233
681885631

破壊時
載荷ひずみ

破壊モード

3.0% 4回目
3.0% 6回目-3.0% 10回目
3.0% 2回目
3.0% 11回目
3.0% 9回目

引張破断
引張破断
局部座屈
引張破断
引張破断
引張破断

角形鋼管で補剛した座屈拘束ブレースに関する実験的研究

板厚、スリットの有無である。試験体の長さは 3000mm とし3.3 実験結果た。芯材の寸法は 16mm×98mm であり、F400-ns 以外は実験結果概要を表 1 に示す。最終の破壊モードは、座屈25 または 30mm のスリットを設けている。拘束材には拘束材の局部座屈により耐力低下したものを局部座屈、芯STKR400 材の鋼管を用い、サイズは 100×50mm、板厚材の引張破断により耐力低下したものを引張破断と分類しは 3.2～4.5mm である。アンボンド材であるブチルゴムのた。限界塑性ひずみは、図 6 に示す方法で算定した骨格厚さは 0.5mm とした。鋼材の引張試験による機械的性質を曲線における、最大耐力時の変位から算定した値であり、表 2 に示す。

表中の値は引張側と圧縮側の最小値を示している。また、累積塑性変形倍率()は耐力が最大耐力の 95%以下に低下した時点までの履歴吸収エネルギーを降伏軸力の計算

3.2 載荷装置載荷装置を図 4 に示す。実験は柱脚及び上梁端にピンを値と降伏変位の積で除した値であり、引張側と圧縮側の合設けたフレームに試験体を 45 度方向に設置し、梁端を油圧ジャッキにより水平方向に加力する方式とした。載荷柱下

正負 ピン

油圧ジャッキ(1500kN)

部はピン支持とし、油圧ジャッキ(1500kN)により正負繰返し載荷を行った。試験体はガセットプレートを介して加力装置に取付けた。載荷は芯材塑性化部の軸ひずみで制御した。
なお芯材に引張力の生じる方向を正とした。載荷履歴を図5 に示す。漸増繰返し後、最大耐力の 95%以下に耐力が載荷柱低下するまで、芯材の軸ひずみ 3%で繰返し載荷を行った。

ピン

図 4 載荷装置図

図 3 試験体形状（F400）
図 5 載荷履歴

表 2 使用鋼材の機械的性質部位

寸法PL-16PL-16
芯材 PL-16PL-16PL-12□-100x50x3.2
鋼管 □-100x50x3.2□-100x50x4.5
PL-3.2
内挿板
PL-4.5鋼種
LY225
SN400B①
SN400B②
SN490B
HBL385B-L
STKR400①
STKR400②
STKR400
SS400SS400

板厚 降伏点 引張強さ 降伏比 破断伸び(mm) (N/mm2 ) (N/mm2 )(%)(%)
16.0212308694216.0276437632916.0276427653116.0376539702712.0447582
77
233.2435485
90
263.2371419
89
374.5436505
86303.2397465
85
224.5337464
73
25(a)F400（引張破断）(b)F400-ns（局部座屈）
図 7 破壊状況－47－

図 6 骨格曲線

フジタ技術研究報告 第 52 号

εε(a)F400

ε(c)F225(b)F400-ns

εε(d)F490

ε(e)F400-RJ9(f)F400-i4

図 8 荷重-ひずみ関係計を示す。図 7 に試験体の破壊状況の写真を示す。

表 3 耐力上昇率

図 8 に荷重-ひずみ関係を示す。縦軸は芯材軸力を材料引張試験結果による降伏軸力 Ny で無次元化した値（正側が引張、負側が圧縮）であり、横軸は芯材の塑性化部の平均軸変位をその長さで除した軸ひずみ ε である。
各試験体ともに安定した紡錘形の履歴特性を示した。破
壊状況は F400-ns を除き、引張破断となった。F400-ns では芯材弱軸方向の力により鋼管が局部座屈した。各試験体ともに限界塑性ひずみεpu が 4.5～10%、累積塑性変形倍率ηが 630~1200 と十分な変形性能を示した。
接合板の板厚を厚くした F400-RJ9 では累積塑性変形倍率が F400 より増大している。また、F490 では芯材強軸方向の局部座屈に対する拘束材の余裕度が F400，F225
より大きく、累積塑性変形倍率も大きい。これより強軸方向

F400
F400-RJ9
F400-nsF225
F490
F385-i41.5%ひずみ時
引張
圧縮
1.261.401.271.451.251.371.131.271.121.271.101.21

破壊モード
破断
破断
局部座屈
破断
破断
破断

アランスが生じるため、局部座屈が生じやすくなり、拘束材に伝わる軸力が増加する。そのため耐力上昇率がやや大きくなったと考えられる。

§４．一定振幅繰返し載荷実験の拘束条件が変形性能に影響を与えることが確認できた。
また、芯材の鋼種の異なる F225，F385-i4 は F400 と同等の累積塑性変形倍率を示した。

4.1 実験概要
制振部材として、鋼製座屈拘束ブレースの疲労性能を確認するために一定振幅繰返し載荷実験を行った。実験装設計において主架構の最大層間変形角を 1/75 程度とした場合、座屈拘束ブレースの軸ひずみは最大で 1.5%程度であるため、各試験体の載荷軸ひずみ 1.5%時の降伏軸力
実験値に対する耐力上昇率 N/Ny を表 3 に示す。一般の座屈拘束ブレースと同様 1)に、引張時より圧縮時の耐力上昇率の方が大きい。スリットのない F400-ns は他の芯材が置は 3 章の漸増繰返し載荷実験と同様である。実験のパラメータは鋼種（SN400、LY225、SN490）、載荷ひずみ振幅(0.75%、1.5%、3%)、スリットの有無である。試験体一覧
を表4 に示す。試験体の形状および使用材料は 3.1 の漸増
繰返し載荷実験と同様であり、試験体数(N)は各条件に対し 1~2 とした。載荷は弾性範囲での剛性確認後、芯材の引SN400 の試験体と比較し、やや耐力上昇率が低い。スリッ

張破断あるいは圧縮時の耐力低下を確認するまで、所定のトがある場合、スリット部おいて芯材とスペーサー間にもクリ－48－

角形鋼管で補剛した座屈拘束ブレースに関する実験的研究

表 4 試験体一覧および実験結果
試験体名

F400

F225

F490

F400-ns

F400-0.75-2
F400-0.75-3
F400-1.5-1
F400-1.5-2
F400-3-1
F400-3-2
F225-0.75-1
F225-0.75-2
F225-1.5-1
F225-1.5-2
F225-3-1
F225-3-2
F490-0.75-1
F490-0.75-2
F490-1.5-1
F490-1.5-2
F490-3-1
F490-3-2
F400ns-1.5
F400ns-3

載荷ひずみ振幅
(%)
0.75
0.75
1.5
1.5
3.0
3.0
0.75
0.75
1.5
1.5
3.0
3.0
0.75
0.75
1.5
1.5
3.0
3.0
1.5
3.0

降伏
軸力
Ny(kN)
327332341331327326252251240240246244457467470463464464437425

最大軸力
引張
圧縮
Nmax(+) Nmax/Ny (+) Nmax(-) Nmax/Ny (-)
(kN)
(kN)
379
1.16406
1.24
382
1.15
409
1.23
459
1.35491
1.44
439
1.33
495
1.50
503
1.54
649
1.98
515
1.58
707
2.17
296
1.17
322
1.28
312
1.24
356
1.42
347
1.45
433
1.80
348
1.45
433
1.80
402
1.63
553
2.25
425
1.74
591
2.42
473
1.04
488
1.07
476
1.02
496
1.06
545
1.16
622
1.32
540
1.17604
1.30
617
1.33
766
1.65
613
1.32804
1.73
594
1.366381.46664
1.56802
1.89

ε(a) F400-0.75-2(回)
212
162
51
4956154254
242255301
270
67
66
111163
10

破壊モード

破断
破断
破断
破断
局部座屈(強軸)
局部座屈(強軸)
破断
破断
破断
破断
局部座屈(強軸)
破断
破断
破断
破断
破断
破断
破断
破断
局部座屈(弱軸)

累積塑性
変形倍率
η(倍)
3794
2909
2009
1930
443
527
3803
6273
1265
1159
528
534
3703
3324
1843
1813
643
643
2498
863

εε(b) F400-1.5-2ε(d) F225-1.5-2

繰返し回数(c) F400-3.0-2ε(e) F490-1.5-2
図 9 荷重-ひずみ関係

ひずみ振幅で載荷を行った。最大耐力の 95%以下に耐力が低下する前の回までを繰返し回数とする。
(a) F400-1.5-1 引張破断(b) F400-3.0-2 局部座屈（強軸）(c) F400-ns-1.5 局部座屈（弱軸）図 10 芯材破壊状況－49－ε(f) F400-ns-1.5

フジタ技術研究報告 第 52 号

ひずみ振幅で載荷を行った。最大耐力の 95%以下に耐力が低下する前の回までを繰返し回数とする。
3 (1)式4.2 実験結果
実験結果概要を表 4 に、各試験体の荷重-ひずみ関係を図 9 に示す。各試験体ともに安定した紡錘形の履歴特性を示した。破壊モードは大半が芯材の引張破断であったが、(1)式

ひずみ振幅 3%で載荷した F400、F225 など一部の試験体

13 (1)式で、局部座屈により耐力が低下した。図 10 に試験体写真を示す。加力終了後に試験体を解体し芯材の状況を観察した。引張破断はブレース中央付近または芯材の端部での発生が多く、局部座屈はブレースの端部より 1/3 程度の位

図 11 塑性化部ひずみ振幅と繰返し回数の関係

置のスリット部の中央付近で多く発生した。また、塑性化部全長にわたって面外変形が生じていた。載荷軸ひずみが参考文献

大きいほど、降伏軸力実験値に対する耐力上昇率(N/Ny)1) 日本建築学会：鋼構造制振設計指針、2014 年

は高くなり、破壊モードが局部座屈による破壊となる傾向が

2) 吉井靖典、佐々木聡、鈴木泉、佐々木康人、桂大輔、塩田ある。

博之：芯材に H 形鋼を用いた座屈拘束ブレースに関する実験的研究 その 1～3、日本建築学会学術講演梗概集、4.3 疲労性能
図 11 に実験結果と(1)式に示す制振指針 による座屈拘
1）2013 年 8 月

束ブレースの疲労性能曲線を示す。

 a  5.108N f 2 0.385(1)

ひ と こ とここで、εa は片ひずみ振幅(%)、Nf は繰返しサイクル数

今回のブレースの開発は大和ハウ（回）である。図中の点線は制振指針による疲労性能曲線

ス工業様との共同研究で行いましたの上限及び下限とされる(1)式の 3 倍および1がいろいろと勉強になることが多く、3 倍となる曲線である。実験結果は制振指針の疲労曲線と同様の傾向を示した。F400、F225 より F490 の方が高い疲労性能を小原 泉示した。これは漸増繰返し載荷実験と同様に、F490 では芯材強軸方向の局部座屈に対する拘束材の余裕度が、F400，F225 より大きかったためと考えられる。本座屈拘束ブレー
スでは破壊モードにかかわらず、制振指針の疲労性能曲線を満足することができた。

§５．まとめ
平鋼の芯材を鋼管で補剛した座屈拘束ブレースについて漸増繰返し載荷実験および一定振幅繰返し載荷実験を行い、その力学的特性および疲労性能、破壊状況について確認した。得られた知見を以下に示す。
1)

本ブレースの軸力―軸ひずみ関係は安定した紡錘形の復元力特性を示す。

2)

刺激になりました。

本ブレースの疲労性能は鋼構造制振設計指針の疲労曲線と同様の結果を示し、概ね指針式より安全側に評価可能であることを確認した。

－50－