広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.71-76

論文

既存鉄骨造柱梁接合部のリブ補強に関する研究
高松隆夫 *・玉井宏章 *・弘永佑太 **・山西央朗 ***（平成22年11月６日受付）

A study on rehabilitation of existing steel beam-to-column connection
by means of rib-plates
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Yuta HIRONAGA and Teruaki YAMANISHI(Received Nov. 6, 2010)

Abstract
Existing gymnasiums can not satisfy the load-carrying capacity in the seismic capacity evaluation because of non-load-carrying-capacity joint of beam-to-column connections.
This reason is caused by using fillet-weld in stead of full-penetration-weld. In these connections rib-strengthening technique is generally employed as an earthquake resistant construction method. In this paper, experimental and FEM analytical study on the beam-to-column connection strengthened by the rib-plate was carried out.
The following conclusions were obtained from the results: 1) Resistant mechanism of the ribplate was clear, 2) position of the plastic hinge of the beam moved from the beam-end to theedge of the rib-plate.
Key Words: beam-to-column connection, rehabilitation by means of rib-plates, FEM analysis,collapse mechanism

断されることがある．そのような場合，溶接接合部が保有

１．はじめに耐力接合とならず，結果として倒壊の危険性があると診断される．

既存鉄骨造屋内運動場は，大地震等の災害時に避難場所として利用される．このような構造物は，建物を地震直後これまで，このような構造物の研究が行われており，溶も使用可能とするために高い耐震性能が要求されている．

接方法が手動アーク溶接，かつ溶接サイズが小さいものでまた，構造物の耐震性能を向上させるために，部材端部にあれば，終局耐力は溶接接合部の破断により決定すること十分な塑性変形能力を確保しなければならない．そのため，が示されている１）．

接合部には保有耐力接合が採用されている．

一般的な補強工法として，上フランジ溶接接合部の補強

しかしながら，近年，1981 年施行の新耐震設計以前のには方杖を，下フランジ溶接接合部の補強にはリブが用い屋内運動場で耐震診断が行われており，その結果として倒られる．リブ補強は，下フランジ溶接接合部の破断・座屈壊の危険性があると指摘される場合が多い．特に，柱梁接を抑制でき非常に効果的な補強工法である２）−５）．しかし合部の溶接部については，設計図書では完全溶込み溶接接ながら，リブ補強の設計を行う際には，リブの抵抗機構や合とされている部位でも，実態調査等で隅肉溶接接合と判リブ補強された構造物の崩壊機構等，不明瞭な部分が多く＊＊＊

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― 71 ―

高松隆夫・玉井宏章・弘永佑太・山西央朗

図１

図２

解析対象

表１

素材特性

解析変数

具体的な設計法は提示されていない．
そこで本論文は，リブ補強した場合の崩壊機構を検証することを目的とする．方法としては，まず既存鉄骨造柱梁
図３接合部を想定した門型ラーメン架構の載荷実験を行い，FEM 解析モデル

FEM 解析結果と比較することで解析モデルの妥当性を検証する．次いで，補強スチフナ及びリブフランジの有無をとした．なお，リブ補強されていない接合部も比較のため変数とした，リブ補強されたラーメン架構の FEM 解析に加える．

より崩壊機構の検証を行う．対象とする構造物は，パネル・補強されていないもの（case-0）

は十分補強されているものとした．但し，本論文の目的を・三角リブのみで補強されたもの（case-1）

リブ補強した場合の崩壊機構の検証とするため，溶接接合・三角リブへリブフランジを取付け，更にリブ端部の柱及部の欠陥は考慮していない．

び梁へ補強スチフナを取付けたもの（case-2）

２．FEM 解析
2.1

2.2

解析対象

図２に解析対象を示す．

解析変数

解析対象は屋内運動場をモデルとすることから柱に比べ図１に解析変数を示す．
屋内運動場でリブ補強を行う事例は多いが，リブの接合方て梁が長い門形ラーメン架構を用いる．柱と梁は同サイズ法，スチフナ及びリブフランジの有無等の様々な形状がある．のものを用いており，既存屋内運動場で一般的に使用されそこで，最も一般的に行われている２種類のリブ補強を変数ているものの約半分の断面積となる H-250x125x6x9を使用― 72 ―

既存鉄骨造柱梁接合部のリブ補強に関する研究

図５

図４

ゲージ計測位置・水平載荷として，梁に強制変位を与える．Y 軸方向へ水実験装置

平変位 δ＝33.3mm（層間変形角θ＝1/30rad）までの単調載荷を行う．
○塑性化の取り扱い
素材特性は素材試験より得られた値（表１）を用いる，完全弾塑性型とする．また，リブフランジ及び補強スチフナは素材特性を得られていないため，リブと同じものを用いた．降伏条件は VonMises の降伏条件を用いた．
○その他
載荷点及びピン位置へ節点を設け，各々の節点と剛リンク接合した．
図６

試験体形状とモデル

３．載荷実験した．パネルを十分に強くするため，ダブラープレートをFEM 解析と比較を行うことで解析手法の妥当性を示す用いて補強している．

ため，載荷実験を行う．試験体は三角リブで補強された門

三角リブは溶接接合とし，モデルとした構造物とほぼ同形ラーメン架構のもの（case-1）を用いた．

サイズのものとする．また，リブフランジ及び補強スチフナの板厚は三角リブのものと同じものとした．

3.1

実験装置

図４に実験装置を示す．
2.3

解析モデル

反力フレームに試験体及び油圧ジャッキを設置する．な

図３に FEM 解析モデルを，表１に素材特性を，それぞお，柱下端部にはピンを設置している．油圧ジャッキを柱れ，示す．

頭部へ接合し，水平載荷を行う．載荷方法は単調水平載荷とし，変位制御で水平変位 δ＝33.3mm まで行う．

本 解 析 に は 汎 用 有 限 要 素 解 析 プ ロ グ ラ ム「ADINAver8.5」を用いた．また，柱梁接合部の溶接部は欠陥を考慮せず，剛接合とした．

3.2

計測方法

○要素形式

図５にゲージ計測位置を示す．

・各部材の要素は，4 節点シェル要素とした．

油圧ジャッキに取付けられたロードセルにより荷重 Pを，柱頭部へ設置した変位計により水平変位 δ を，それぞ・降伏・塑性化するリブ周辺の要素は，細目にメッシュ分割した．

れ計測する．
図５に示す単軸ゲージより，各々のひずみ ε を計測する．

○幾何学的境界条件
・柱下端部をピン支持とするため，X 軸回りの回転以外をパネルには３軸ひずみゲージを貼付する．

拘束した．（XYZ の並進：拘束，X 軸回りの回転のみ自４．理論値の算出

由）・圧縮側となるリブには，初期不整として中央部に X 軸

図６に試験体形状とモデルを示す．

方向へ 0.1 ㎜のたわみを与えて座屈現象を考慮した．

モデルは，試験体の対称性を考慮して梁の反曲点位置（深○力学的境界条件中央部）までの半領域とした．柱下端部をピン支持，梁の― 73 ―

高松隆夫・玉井宏章・弘永佑太・山西央朗

図７⒜P - δ 関係

図８δ＝10mm⒝図９δ＝20mm

モーメント図反曲点位置をピンローラー支持とした静定構造物とする．

図 10 には，FEM 解析より得られた降伏時の応力分布

最大耐力 Pu は以下の式で算出する．
……………………………………

リブ σ - δ 関係

図と終局時の塑性ひずみ分布を示している．
図 11 には，FEM 解析の水平荷重 P- 水平変位 δ 関係を⑴示しており，併せて理論値を示している．また，図中の数字は図 10 に示す分布を得た場所を示す．

ここに，Mp：梁の全塑性モーメント，lb：梁反曲点位置から梁端部までの距離，lc：柱下端部から柱頭部までの距離，lbʼ：梁反曲点位置から塑性ヒンジ形成位置までの距離

5.1

FEM 解析モデルの妥当性

図７〜８の実験結果から，FEM 解析と良く対応しておである．

り，本論文で示す FEM 解析モデルで実験値を十分追跡でcase-0 においては，梁端部へ塑性ヒンジが形成されるときることが分かる．図７において，実験値と FEM 解析値仮定して最大耐力を算出する．の最大耐力に差が生じている．これは，FEM 解析では素

case-1 及び case-2 においては，リブ端部まで塑性ヒン材特性にひずみ硬化を考慮しておらず完全弾塑性型としてジ形成位置が移動すると仮定して最大耐力を算出する．

いたためであり，実験では部材がひずみ硬化領域に達して５．結果と考察耐力が上昇したものと考えられる．また，モデルから算出

図７〜８に実験結果を，図９にモーメント図を，図 10した理論値で最大耐力を十分評価できている．このことかに応力度分布と塑性ひずみ分布を，図 11 に解析結果を，らリブを取付けることによって塑性ヒンジ形成位置をリブそれぞれ，示す．

端部にまで移動させることができるといえる．一方，終局

図７には，水平荷重 P- 水平変位 δ 関係を示す．また，状態において梁の横座屈現象が見られた．しかしながら，

FEM 解析の水平荷重 P- 水平変位 δ 関係（case-1）と，解耐力の減少はわずかなものであり，更に，FEM 解析にお析モデルより算出した理論値も併せて示す．

いても終局状態で梁の横座屈現象が生じていた．

図８には，リブに貼付したひずみゲージより算出した主図９のモーメント図より水平変位 δ=10mm の場合にお応力 σ- 水平変位 δ 関係を示す．また，FEM 解析から求めいては，架構はほぼ弾性状態であったが，図８からリブがたリブの主応力 σ- 水平変位 δ 関係（case-1）も併せて示す．

降伏していることが分かる．水平変位 δ=20mm において

実験ではリブに貼付したゲージは単軸ひずみゲージであっは，全塑性モーメントにまで達しており，リブが降伏してたが，FEM 解析により主応力方向が 45°であったため，いる場合でも塑性ヒンジはリブ端部で形成された．また，実験でのゲージの方向と一致している．

実験値，FEM 解析値ともに同様の結果となっていること

図９には，δ=10mm と δ=20mm 時のモーメント図を示から，FEM 解析モデルでリブ補強した場合の崩壊機構も十分検証できる．

している．
― 74 ―

既存鉄骨造柱梁接合部のリブ補強に関する研究

図 10（a）case-0

降伏時の応力分布と終局時の塑性ひずみ分布（b）case-1
図 115.2（c）case-2

解析結果

崩壊機構

case-1 の場合では，終局状態において梁端部の上フラン

図 10 より，塑性ヒンジは，case-0 では梁及び柱端部，ジまで塑性ひずみが蓄積されていたが，case-2 の場合ではcase-1 ではリブ端部，case-2 ではリブ端部よりさらに梁中梁端部の上フランジの塑性ひずみはほぼなく，補強スチフ央寄りに形成されていることが分かる．よって，リブ補強ナの周辺に蓄積された．更に，三角リブの塑性ひずみもを行うことで，塑性ヒンジ形成位置を移動させることがで

case-1 よりも case-2 の方が減少していた．

き，更に，図 11 より，最大耐力は，リブ端部へ塑性ヒン

降伏時の応力状態において，パネルに作用している応力ジが形成されるものとして評価できる．また終局状態におに着目してみると，リブ補強することで応力を減少できていて，case-0 では柱及び梁に塑性ヒンジが形成されたが，いることが分かる．また，case-2 の方が減少量が多い．同

リブ補強されている case-1 及び case-2 では，リブ先端の様のことが三角リブに作用している応力にもいえ，case-2梁へ塑性ヒンジが形成された．

ではリブは降伏状態まで至らなかった．
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高松隆夫・玉井宏章・弘永佑太・山西央朗

６．結論

参考文献

本論文では，リブ補強した場合の試験体で，FEM 解析

１）丸山陵，尾熊政男，高松隆夫，石原節夫，南宏一：既及び載荷実験を比較・検証し，崩壊機構を明らかにした．

存鉄骨造屋内運動場の柱梁接合部の耐震性能に関する得られた知見を以下に示す．

研究，日本建築学会中国支部研究報告集，pp. 225-１）本論文で示す FEM 解析モデルで実験値を十分評価す

228, 2002. 3.

ることができる．

２）山口清司，丸山陵，尾熊政男，石原節夫，高松隆夫，

２）リブ補強することで塑性ヒンジ形成位置がリブ端部ま松尾彰，南宏一：既存鉄骨造屋内運動場の耐震性能にで移動する．

関する研究（その７），日本建築学会大会学術講演便
概集，pp. 1027-1028, 2003. 9.

本論文では，実験値と比較・検証するために門形ラーメ

３）丸山陵，山口清司，尾熊政男，石原節夫，高松隆夫，ン架構とした．今後は山形ラーメン架構で解析する予定で松尾彰，南宏一：既存鉄骨造屋内運動場の耐震性能にある．また，塑性ヒンジ形成位置が移動することで耐力が関する研究（その８），日本建築学会大会学術講演便

上昇することを示したが，鉛直荷重も考慮した場合，崩壊概集，pp. 1029-1030, 2003. 9.

機構が変化することも考えられる．よって，リブ補強設計

４）岡崎梨恵，尾熊政男，石原節夫，大垣克己，山口清司，

では，塑性ヒンジ形成位置は梁降伏型と同じとして保有耐

高松隆夫，南宏一：既存鉄骨造屋内運動場の耐震性能

力接合を満足する設計とすることが望ましいと考える．

に関する研究（その 11），日本建築学会大会学術講演

謝便概集，pp. 661-662, 2004. 8.

辞５）佐藤真二，尾熊政男，石原節夫，大垣克己，山口清司，高松隆夫，南宏一：既存鉄骨造屋内運動場の耐震性能

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究センター」（代表者に関する研究（その 12），日本建築学会大会学術講演高松隆夫教授）のプロジェクト研究

便概集，pp. 549-550, 2006. 9.の一環として実施されました．

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