軽量鋼材によるユニットハウスの柱梁接合部の耐震性能を検証する実験
外山 寛太郎1．はじめに折畳み可能なユニットハウスの耐震性能を検証する研究1),2)の一環として、その柱梁接合部の繰返し載荷実験を実施した。研究対象のユニットハウスは、軽量鋼材で構成され、壁パネルの受け材の役割も兼ねる梁部材が、特異な開断面をもち、柱に偏心接合されている。短辺方向の柱梁接合部は溶接されるが、長辺方向の柱梁接合部は、柱を折畳み可能にするために、高力ボルト摩擦接合されている。
梁形状や接合方法が異なる4種類の接合部を検証することを、研究目的に掲げた。本報では、主に、長辺方向の柱梁接合部に関する実験結果を述べる。

ブラケット板と梁の滑り回転角を測定し、支点間変位から算定した変形角に基づいて、準静的載荷を制御した。試験体 LT と LB について、5 体ずつ用意した試験体から、単調引切り載荷、単調押切り載荷、繰返し載荷を少なくとも1 体ずつ実施した。繰返し載荷は、荷重制御で設計荷重の振幅 50、100％を 1 回ずつ繰返したあと、変形角で振幅0.015、0.02、0.025、0.03、004、0.05 rad を 1 回ずつ繰返し、最後に引切りまたは押切りを行った。
リニアスライダー

試験体

ロードセル

2．実験計画
図 1 に、試験体の形状と梁断面形状を示す。ユニットハ
ウスの主架構は、角形鋼管□-100×100×4.5（STKR400）の柱と、3.2 または 4.5mm の薄鋼板（SGH400）を冷間形成した梁材で構成された。試験体は、接合部まわりを取り出した L 字形部分架構で、部材長は断面せいの 4 倍とした。長辺上梁 LT、長辺下梁 LB、短辺上梁 ST、短辺下梁SB の 4 種類について、それぞれ 5 体ずつ、計 20 体の試験体を製作した。長辺方向は、ガセットプレートを介した高力ボルト摩擦接合、短辺方向は、溶接接合であった。高力ボルト摩擦接合では、摩擦面を目荒らし処理してジンクリッチ・ペンキが塗られ、高力ボルト S10T - M16 を試験体 LT では 3 本、試験体 LB では 4 本使用した。
図 2 に、試験体を設置した実験装置を示す。試験体の柱側をピン支持、梁側をローラー支持した。柱端・梁端のエンドプレートと柱頂部を面外補剛した。ロードセルで荷重を測定した。支点間変位と、高力ボルト摩擦接合における200.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Rotation [rad]（a）荷重－変形角関係

図3P2P140200150（ｄ）短辺下梁（SB）

000.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18
Relative Rotation [rad]Load [kN]

P2
P1

Load [kN]

6060

Load [kN]80130t = 4.5600（b）長辺下梁（LB）（c）短辺上梁（ST）
図 1 試験体形状 [寸法：mm]8040173720600（a）長辺上梁（LT）

95t = 3.2400400720080150180400t = 4.5

実験装置

3．実験結果図 3 に、引切り載荷試験体 LT1 について測定した、荷重と変形角の関係と、荷重とすべり回転角の関係を示す。
荷重 34.6 kN で高力ボルト摩擦接合が滑ったが、そののち荷重が再び上昇し、0.11 rad で最大耐力 73.1 kN を記録した。滑り回転角が、荷重が再上昇した過程でほとんど増加しなかったのは、力の伝達機構が、摩擦抵抗から支圧抵抗に移行した結果だと考えられる。最大耐力を記録したあと、ブラケット板と柱を接合した隅肉溶接に亀裂を生じ、その83.2

t = 3.20

図240088

油圧ジャッキ-25P1P2-50-75-100-0.2（b）荷重－滑り回転角関係

引切り載荷結果（LT1）-0.15 -0.1 -0.05
Rotation [rad]0荷重－変形角関係

図4

押切り載荷結果（LT2）

Experimental Validation of Beam-to-Column Connections in a Unit House System ComprisingLight-Gauge Steel Members
Kantaro TOYAMA

亀裂が進展するにしたがって、耐力が低下した。
図 4 に、押切り載荷試験体 LT2 について測定した、荷重と変形角の関係を示す。試験体 LT1 と異なって、接合部の滑り過程が明瞭でなく、最終的に、梁が柱面を押し込む変形が進行して耐力低下を来した。最大耐力は、試験体
LT1 より 1.3 割高い-82.4 kN であった。
図 5 に、繰返し載荷試験体 LT3 について測定した、荷重と変形角の関係と、荷重と滑り回転角の関係を示す。振幅 0.015 rad の圧縮側で、荷重-32.2 kN で高力ボルト摩擦接合が初めて滑った。その後の繰返し載荷で、正負交番で滑るたびに滑り耐力が低下し、正負で合計 5 回滑ったあと、引張・圧縮側とも滑り耐力が 17.5 kN に収束した。
表 1 に、実験結果を整理する。試験体 ST は、引切り載荷でねじれが先行することが確認されており 1)、実験手法を再検討する必要がある。試験体 SB は、現時点で未実施である。試験体 LT も LB も、初期滑り耐力は 27.9 kN から 39.0 kN で、平均値は変わらなかったが、高力ボルトの本数が少なく、その配置も変則的な LT の方がばらついた。
最大耐力は、試験体 LT も LB も、押切り載荷のほうが引切り載荷に比べて大きかった。破壊モードは、試験体 LTと LB で変わらなかった。
4．考察
表１に示すように、ユニットハウスの柱梁接合部は、変形角 0.02 rad 内外で滑り、0.10 rad 近くで最大耐力を発揮した。2019 年に実施した振動台実験 2)によると、二次設計の想定の倍に相当する地震動でも、検証するユニットハウスの最大層変形角は 0.03 rad 程度であった。したがって、ユニットハウスが極めて稀な地震動を受けたとき、長辺方向の柱梁接合部は繰り返し滑るが、変形能力に非常に大きな余裕があるので、地震抵抗能力を喪失する可能性は、非常に低いと考えられる。設計で陽に考慮されないが、接合部が滑ったあとも、接合部の荷重抵抗機構が支圧に移行し、部材が降伏し局部変形しつつ、安定的に荷重に抵抗できるために、ユニットハウスの耐震余裕度は高い。
図 3 から 5 に、高力ボルト摩擦接合の滑り耐力の計算値

5. まとめ
軽量鋼材によるユニットハウスから取り出した、長辺上梁、長辺下梁の柱梁接合部について、準静的載荷実験を実施し、下記の知見を得た。
1) ユニットハウスの長辺方向の柱梁接合部は、設計での想定を遥かに超える変形性能を有している。
2) 極めて稀な地震動を受けたとき、柱梁接合部が、繰返し滑り、その過程で滑り耐力は徐々に小さくなると考えられる。しかし、滑ったあとも、接合部の荷重抵抗機構が摩擦から支圧に移行することで、極めて安定的に荷重支持能力を保持する。
今後は、試験体 ST と SB の実験も行い、振動台実験の結果と合わせて、より総合的にユニットハウスの耐震性能を検証する。
参考文献
1) 青柳克弘：種々の鋼構造における柱梁接合部の耐震性能、北海道大学大学院工学院修士論文、2020
2) 松田良介：振動台実験によるユニットハウスの耐震性能の検証、北海道大学工学部学士論文、20203) 日本建築学会：鋼構造許容応力度設計規準、2019

80P2P140Pu
Pt

0P1
P2-40-80-0.06 -0.02 0.02 0.06 0.10
Rotation [rad]0.14

Load [kN]

80
Load [kN]を示す。計算に際し、日本建築学会『鋼構造許容応力度設計規準 3)』に基づいて、M16 高力ボルトの標準設計張力を117kN、摩擦係数を 0.45 とした。二通りの算定方法を用い、一つ目は、回転中心を高力ボルト群の重心に置いた P1、二つ目は、全ての高力ボルトが等しい抵抗力を発揮すると仮定して回転中心を求めた、P2 であった。2 つの計算値に2 割の差があり、この差は、実測値のばらつきと同程度に大きかった。
図 6 に、試験体 LT3 の載荷終後に撮影した、梁側のボルト孔を示す。塗料の剥落と、高力ボルトの支圧による孔の変形を確認できる。繰返し載荷によって、滑り係数が低下し、高力ボルトの張力が抜けたことが、滑り耐力の低下につながった可能性がある。

0ボルト孔の支圧による変形

P1P2-40-80-0.06 -0.02 0.02 0.06 0.1
Relative Rotation [rad]0.14

塗料の剥落（b）荷重－滑り回転角関係（a）荷重－変形角関係

図5P2P140図6

繰返し載荷結果（LT3）
表１

試験体名載荷方法

LT1LT2LT3
LB1LB3LB4LB5

引切り
押切り
繰返し+引切り引切り繰返し+引切り押切り
繰返し+押切り変形角 [rad]初期滑り 最大耐力
0.014-0.017-0.009
0.025
0.016-0.016-0.010

0.11-0.11
0.072
0.085
0.069
-0.11-0.12

実験結果一覧
滑り耐力 [kN]
計算値+載荷後のボルト孔付近の様子

P1 = 29.7
P2 = 37.3
P1 = 33.4
P2 = 38.2

34.6
27.9
38.2
35.4
37.4

−

最大耐力[kN]

破壊モード

-39.0
-32.2
-32.8
-38.6
-31.6

75.5
-82.4
73.1
60.1
62.5-69.2-74.0

隅肉溶接に亀裂進展
柱の押込み変形
隅肉溶接に亀裂進展
隅肉溶接に亀裂進展
隅肉溶接に亀裂進展
柱の押込み変形柱の押込み変形