広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.143-149

論

文

２方向載荷を受けるせん断パネルダンパーの弾塑性挙動に関する研究
玉井宏章 *・高松隆夫 *・三好行則 **・山西央朗 ***（平成21年10月30日受理）

Elasto-plastic behavior of shear panel damper under bi-axial loading
Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Yukinori MIYOSHI and Teruaki YAMANISHI(Received Oct. 30, 2009)

Abstract
Shear panel steel damper are used as a hysteretic damper for building. Bracing and post
type structure adopted with the shear panel damper. Although post column with shear paneldamper are subjected to bi-axial loading under severe earthquake, the restoring force characteristics of shear panel damper are not clarified so far. Hence, we were investigate the resistance mechanism of the damper under bi-axial loading through cyclic loading test.
Key Words: steel damper, vibration-controlled structures, bi-axial loading, shear panel damper

１．はじめに地震入力を積極的に吸収し，建物の地震応答を低減することのできる鋼材履歴ダンパーが実用化されている。これ
ら鋼材履歴ダンパーのうち，せん断パネルダンパーは，ファブリケーターでも簡単に製作でき，かつ，性能の確保が容易で，繰返し載荷実験などの研究基礎データ２）～５）も充実している。本研究では，せん断パネルダンパーを研究対象

図１とする。

せん断パネルダンパー

このせん断パネルダンパーの設置形式には，ブレース形式の他に，間柱形式がある。コンクリートの剛強な間柱の計式を整理した後に，２方向載荷を受けるせん断パネルの中央に，せん断パネルダンパーを設置する例もある。この

漸増振幅繰返し載荷実験を行って，その復元力特性を示す

ような設置形式では，地震時に，せん断パネルダンパーはとともに設計式（性能算定式）の妥当性を検討する。

２方向の加力を受けることになる。しかしながら，２方向載荷時のせん断パネルダンパーについての研究は見当たら

２．設計法ず，その復元力特性は究明されていない。また，せん断パ履歴ダンパーとして用いられるせん断パネルは，図１にネルダンパーの設計式も十分に整備されているとは言い難

示す様な鋼板パネルに左右フランジプレートと上下エンドい。

プレートを溶接した簡単なものである。図２の様に支持ブ

そこで本研究では，まず，せん断パネルダンパーの諸設＊＊＊

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＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発研究センター

レースや間柱に設置して鉄骨骨組に設置される。以下にせ― 143 ―玉井宏章・高松隆夫・三好行則・山西央朗⒜

ブレース形式

図２⒝

骨組架構への設置例

ん断パネルダンパーの設計式を示す。

間柱形式

力が，左フランジ軸耐力より大きい条件は次式となる。

○パネル幅厚比Af･σfu ＞＿ τcr･tw･L………………………………………………………………… ⑸パネルの幅厚比は，塑性変形能を十分に発揮するよう少ここに，Af：片フランジプレートの断面積なくとも塑性化するまではせん断座屈させない値以上を設

σfu：フランジの引張強さ定する。文献１によればせん断力を受ける周辺単純支持板

L：反曲点位置で通常 L=h/2の非弾性座屈応力は次式で与えられる。

尚，左右フランジプレートの幅厚比 b/(2･tf) は５～ 10 程√τcr＝α1－ß1･ h ･ τy ･τy… ……………………………………… ⑴twк･E 度以下と設定されている。⑸式を満足しない場合，変形モードは図３⒝のようにパネル部で不連続な変形が生じるた
め，その位置でひずみの集中が生じ，最大塑性ひずみ値がここに，α1 と β1 は実験定数で α1=1.80，β1=0.978極端に大きくなり，変形能力が劣化する。

h：パネル高さ，tw：パネル板厚

また，支持架構に引張ボルト接合する場合には，フラン

τy：降伏せん断応力，E：ヤング係数
κ：周辺単純支持板の板座屈係数で次式で与えらジの作用引張軸力：τcr･tw･L でエンドプレートが曲げ降伏れる。

しないような板厚を設定する必要がある。

hh 2＿1 のとき，к＝5.34＋4.0･ ＜dd…………………… （２.a）

hh 2＞ 1 のとき， κ＝4.0＋5.34･ … ………………… （２.b）
dd○剛性の評価式５）
文献５には，以下の剛性評価式が提案されている。弾性解析を行なう時には，補剛材を無視し，パネルのせん断変形を考慮した H 形鋼曲げ材として扱う。

ここに，d はパネル幅である。

せん断剛性：G･tw･dτcr が τy 以上となる，幅厚比は，次式で求まる。

曲げ剛性：E･I√hτyα －1･＜＿ 1＝ 0.82
twк･E
ß1…………………………………………… ⑶ここに，G：せん断弾性係数，E：ヤング係数

I：強軸断面２次モーメント反曲点がせん断パネルの中央にある時の弾性せん断剛性

本研究では⑶式以下となるせん断パネルを対象とする。
文献２，３によれば，⑶式以下の幅厚比の範囲で，パネルK は，次式で得られる。の最大せん断応力は次式で表される。
0.288 ＜＿h･twK=

τ＜＿ 0.532 のとき√к･Euτ ･τ√ к･E

τcr＝α2･ h ･ tw－ß2u

u…………………………………………………

1
1
1 ……………………………………………………………………… ⑹＋Kb Ks

ここに，Kb ＝⑷

12・E･I
G・tw･dである。
，Ks ＝
h3
h

○降伏耐力と最大耐力の評価式

ここに，α2，β2 は実験定数で α2=0.629，β2=0.620⑸式の等号が成立するフランジ断面積を確保した場合

τu：引張せん断強さ○フランジプレートとエンドプレートの形状

は，降伏耐力および最大耐力は，次式で評価できる。

⑷式のパネルの最大応力 τcr を生じさせることができる
ようにフランジプレートに所要の軸耐力を付与する。図３⒜のように反曲点位置が L で，せん断力 Q を受けるせん
断パネルを考える。
長さが L の片持ち梁として考えると，全ウェブが純せん断状態で τcr の値を持つ時の左フランジ下端部の作用軸― 144 ―

Qy＝ σwy ･tw･d＋ Mp … ……………………………………………… （７.a）√3L
Qu=τcr･tw･d ＋Mu… ………………………………………………… （７.b）
L
ここに２方向載荷を受けるせん断パネルダンパーの弾塑性挙動に関する研究

M p＝

2b・（2･tf）･σfy… ………………………………………………… （８.a）
4mm（幅厚比 b/2tf =4）及び板厚９mm（幅厚比 b/2tf =3）
エンドプレートはいづれも板厚 22mm の鋼板を用いて，（2･tf） σ … …………………………………………………
Mu＝ b・･ fu（８.b）
4

パネルの四辺を隅肉溶接したものである。フランジプレーであり，σwy は，パネル部の降伏応力，σfy，σfu は，フラン試験体に用いた鋼材の素材特性を表１に，寸法と設計パ2

トとエンドプレートは完全溶け込み溶接をした。

ジ部の降伏応力，引張強さ，τcr は，パネルの幅厚比と材ラメータを表２に示す。

料特性により求める最大せん断応力，L は，せん断パネル〇載荷装置と載荷方法
図４に載荷装置を，写真１に載荷治具と載荷角度 45°の下端から反曲点までの距離である。

状況を，それぞれ，示す。

フランジプレート断面積を⑸式を満足するように設定すると，パネルは，せん断力を主体的に負担するようになり，L 型の載荷フレームにせん断パネルをボルト接合し，上左右のフランジプレートには，図３⒜に示すように，パネ部鉛直ジャッキから正負の鉛直力を作用させ，せん断パネ

ルから圧縮・引張の分布軸方向力が作用して，機構が形成

ル試験体にせん断力を載荷する。上部 L 型載荷フレームされる。左右のフランジプレートを合わせて（２・tf）のが載荷中に横面内方向に回転しないようジャッキで回転をせいの一本のはりが全塑性曲げモーメント状態となってい調整している。尚，上部 L 型載荷フレームの構面外変形ると考えると，（8. a，b）式が導ける。Mp/L，Mu/L は，は治具で拘束している。
載荷は，写真１に示すように，パネル面方向と強制せんフランジプレートが負担しうるせん断力の上限値となる。

断変形軸とを 45°傾けた，２軸載荷（以降では，45°方向３．実験方法載荷と呼ぶ）と，パネル面方向と強制せん断変形軸が一致

前節で示した諸設計式の妥当性と２方向載荷を受けた時する単軸載荷（０°方向載荷と呼ぶ）の２種類とし，強制のせん断パネルの力学的特性を調べるため以下の実験を

変形軸方向相対変位 δh を振幅を１mm から４mm まで１行った。

mm 刻みで漸増させ各サイクルで，２サイクル繰返した後，○試験体10mm（0.05rad）で２サイクル繰り返す。漸増振幅繰返し

図１に試験体形状を示す。

載荷試験を行った。

試験体はパネル部に普通鋼（SS400）で板厚 3.2mm（幅○計測方法

厚比 h/tw=64），及び板厚 4.5mm（幅厚比 h/tw=43）を，左図５に計測荷重の模式図を示す。

右フランジプレートとして，各パネル厚に対して，板厚６試験体に作用するせん断方向荷重：Q の計測 は，鉛直

表１

素材試験結果

表２

試験体シリーズ

Af･σfu＝τcr･tw･L のとき⒜モデル

図３

Af･σfu＜＜τcr･tw･L のとき⒝ 剛塑性変形モード
せん断パネルの加力モデルと剛塑性変形モード４）― 145 ―

玉井宏章・高松隆夫・三好行則・山西央朗

ジャッキの先端に設置したロードセルにより計測する。変位 δh との関係を各試験体に分けて示す。同図には，降伏位の計測は，試験体のせん断変形量として，試験体表裏に荷重，Qy・cosφ，最大耐力，Qu・cosφ，初期剛性，K・設置した変位計により載荷フレーム間のせん断方向相対変cos2φの算定値を併せて示している。

位量：δh を，また，試験体左右フランジ位置の軸方向変位

写真２⒜～⒟には試験後における，試験体パネルの座屈量：δ1，δ2，パネル面外方向変位：w を計測した。

状況をすべての試験体について左右フランジの変形状況を○試験体シリーズ

S45，W45 試験体について示している。図７には，S00 試

表２に試験体シリーズを示す。

験体の正負方向の累積せん断変形角と荷重との関係を示

パネル幅厚比を 64，43 としたものについて，載荷角度す。
表４には，降伏荷重，最大荷重，初期剛性の実験結果，正・を０°，45°とした計４体を用意した。
表３には，各試験体の⑷～⑺式で求める設計諸量を示し負方向の限界の累積せん断変形角と（）内に算定値とのた。左右フランジの条件である⑸式はいずれも満足してい比を示す。ここで，限界状態として，Q-δh 関係がせん断る。また，載荷方向における降伏荷重，最大荷重，初期剛座屈によって勾配が０となるか，耐力が最大耐力の９割に2性の算定値 Qy・cosφ，Qu・cosφ，K・cos φ を示している。

低下することと定義した。
これらの結果から以下のことがわかる。

４．実験結果と考察

１）載荷角度が０°の場合には，降伏荷重，最大耐力とも算定式とほぼ一致する。

実験結果を，図６⒜～⒟，写真２⒜～⒟，表４に示す。
図６⒜～⒟には，載荷方向せん断力 Q と相対せん断変表３２）また，幅厚比が 64 の場合は，面外変形量の大きなせ各試験体の設計諸量

写真１

図４

載荷治具及び載荷角度 45°の状況

載荷装置
図５― 146 ―

計測諸量の概要

２方向載荷を受けるせん断パネルダンパーの弾塑性挙動に関する研究⒜

h/tw=64，φ=45°，S45⒝h/tw=43，φ=45°，W45⒞h/tw=64，φ=0°，S00⒟

h/tw=43，φ=0°，W00

図６

実験結果

表４

試験結果

― 147 ―

玉井宏章・高松隆夫・三好行則・山西央朗

図７⒜⒞

累積せん断変形角（S00 試験体）

h/tw=64，φ=45°，
（S45）

⒝

h/tw=64，φ=0°，
（S00）

⒟
写真２

h/tw=43，φ=0°，（W00）

載荷後の試験体状況― 148 ―

h/tw=43，φ=45°，（W45）２方向載荷を受けるせん断パネルダンパーの弾塑性挙動に関する研究

ん断座屈が，43 の場合には，若干，観察できる波形の金（課題番号 20560541），及び日本鉄鋼連盟「2007 年度鋼せん断座屈がパネルに生じる。

構造研究教育助成事業による一般研究助成」より賄われま３）載荷角度が 45°の場合には，幅厚比 64 の場合でも全した。また，本研究実施にあたり，玉井研究室・高松研究

くせん断座屈は生じない。降伏荷重・最大耐力は算定値

室の平成 20 年度修論生・卒論生にはお手伝いいただいた。

より３割程小さめとなる。

ここに記して，謝意を表します。

４）フランジの幅厚比を４程度以下とすれば 45°の載荷角

参考文献

度 と し て も， フ ラ ン ジ 端 部 に 局 部 座 屈 は 見 ら れ ず，0.05rad の振幅下においても，亀裂は生じない。

１）日本建築学会：鋼構造座屈設計指針・1996

５）初期剛性は，算定式と較べて小さめとなり載荷角度が２）田中清，佐々木康人：極低降伏鋼を用いた制震パネル

45°の時は算定式と較べて 0.36 ～ 0.29 倍と大幅に小さくダンパーの静的履歴減衰性能に関する研究，日本建築なる。

学会構造系論文集，第 509 号，pp.159-166，1998.7．
３）池田耕一，桑原進，降伏応力度が 225N/mm2 級の鋼５．まとめ材を用いたシヤパネル型履歴ダンパーの静的加力実験と履歴モデル（その４衰形性能，耐力上昇），日本建

せん断パネルダンパーの諸設計式を示し，２方向載荷を築学会学術講演梗概集，pp.605-606，2002.8．

受けるせん断パネルの漸増振幅繰り返し載荷試験を行っ

４）金澤寛，玉井宏章，近藤一夫，花井正実，藤波健剛，た。得られた知見は以下のように要約される。

制震ブレースに用いるエネルギー吸収部材の耐力略算

１）設計式は，載荷角度が０°の場合は初期剛性を除き実式と適正形状について，日本建築学会構造系論文集，験値とほぼ一致する。

第 564 号，pp.125-133，2003.2．

２）載荷角度が 45°の場合には，パネル幅厚比が 64 の場

５）桑原進，諸石智彦，池田耕二，陶山貴宏，降伏応力度合においても，せん断座屈しない。
３）フランジ幅厚比を４程度とすれば，載荷角度 45°の場

が 225N/mm2 級の鋼材を用いたシヤパネル型履歴ダ合においても，フランジ端部に大きな損傷は生じない。

ンパーの静的加力実験と履歴モデル，日本建築学会学

謝術講演梗概集，pp.629-634，2001.9．

辞本研究の経費の一部は，日本学術振興会科学研究費補助― 149 ―