太短い鋼材ブレースの幅厚比と破壊モードの関係
定永

1．はじめに鋼材ブレースの構造性能を評価する一手法である現行の建築基準法では、塑性変形性能が高く評価される細長比30以下の太短いブレースを実建物へ適用した例は少なくない。前報1)において、角形鋼管の太短いブレースでは局部座屈が全体座屈に先行して生じる場合（局部座屈先行型）が見られ、同程度の細長比かつ他断面のブレースで全体座屈が局部座屈に先行して生じる場合（全体座屈先行型）よりも、塑性変形性能が低いことを実験で確認した。本論文
では、前報1)に加え、端部に異なる仕様を設けた太短いブレースの繰返し載荷実験を実施し、各種条件が耐力、塑性変形性能に及ぼす影響を検証した。過去の実験結果も参照
し、種々の規基準で定義された圧縮耐力と短縮量の関係や、細長比と幅厚比の組み合わせと破壊モードとの関係を確認したので、ここに報告する。
2．実験計画
図1に、採用した試験装置と試験体を示す。鋼材ブレースの試験体を水平方向となす角度が45°となるよう配置した。ブレース接合部には、両端固定とガセットプレート（G.PL）付きの2種を採用した。表1に、前報1)と併せて、各試験体の諸元を示す。断面形状には、H形、円形鋼管、角形鋼管の3種を採用し、細長比が15から20となるよう試験体を設計した。試験体19と試験体20で異なる仕様は、G.P Lに接合したブレースの溶接長さで、それぞれ323mmと259 mmとした。H形鋼ではフランジ幅の半分をフランジ厚さで、円形鋼管では直径を厚さで、角形鋼管では断面角部の除いた幅を板厚で除した値を幅厚比、径厚比とした。座屈長さ係数𝑘は、両端固定では0.65、G.PL接合では1.0とした。引張試験より得られた各鋼材の機械的特性を表2に示す。H形鋼はフランジとウェブの強度の平均値、角形鋼管は溶接シームのない平板部の強度を示している。
ブレースの軸変形Δ𝑙と材長𝐿の比Δ𝑙 ⁄𝐿を等価軸ひずみとし、同ひずみの正負交番繰返し履歴で載荷を制御した。耐力が劣化し始めた時点まで載荷を継続した。
3．実験結果図2に軸方向応力𝑁⁄𝐴（𝑁：軸力、𝐴：断面積）と等価軸ひずみΔ𝑙 ⁄𝐿 の関係を示す。両端固定の円形鋼管で細長比20.7、径厚比38.8の試験体12では、載荷振幅0.6％1回目で全体座屈が先行して発生し、1.0％1回目で材中央と両端部に局部座屈が発生した。載荷振幅2.0%1回目で、材中央の構面外変形は材長の4.2％に達し、局部座屈部で生じた亀裂が進展するに伴い耐力が劣化した。角形鋼管ブレースである試験体14では、載荷振幅0.4％1回目で下端部に局部座屈が先行して発生し、鋼構造規準の座屈耐力σ より低い最大圧縮耐力を示した。1.0%1回目で、断面の角部に生じた亀裂が進展し、耐力が劣化した。端部をG.PLに接合した角形鋼管で細長比19.9、幅厚比35.1の試験体19では、載荷振幅0.4％1回目で中央から125 mm離れた位置に局部座屈が先行して生じた後、構面外へ変形した。0.6%1回目

直樹に、全試験体の中で最も早期に亀裂が生じ、耐力が劣化した。一方、試験体19よりG.PLとの溶接長さが長い試験体20では、載荷振幅0.4％1回目で上部に局部座屈が生じたが、構面外には変形せず、耐力が劣化した。図3に最大短縮時の試験体19と試験体20の変形状況を示す。試験体19で局部座屈が先行した後に構面外変形が生じたこと、試験体20では局部座屈部に変形が集中したことが分かる。
4．考察
図4に、円形鋼管と角形鋼管のブレースについて、短縮量と限界状態設計指針3)（LSD）で規定された座屈耐力𝑁に対する圧縮耐力𝑁の比の関係を示す。短縮量は、引張側のピークから圧縮側のピークの等価軸ひずみの変化量と定義する。図4に示すように、幅厚比が36程度で、細長比が15、20、40程度に対して、局部座屈を生じた短縮量は、

図1

試験装置と試験体表1

試験体諸元
材長 細長比番号※

断面形状・寸法111Ｈ形 100x100x6x811721541

30.440.16.3

2*129*618

円形鋼管 139.8x3.5116715363144
9641115

15.7
20.7
42.4
20.0
23.1

38.8 両端固定

3*

円形鋼管 139.8x4.5

1177

15.831.1 両端固定

4* 角形鋼管 125x125x3.2 1176
1541
143144
10*986
1911142015.3
20.2
41.3
19.9
22.5

35.1 両端固定

5* 角形鋼管 125x125x4.5 1189 15.5
※前報 1)で報告した試験体に*を付す。

23.8 両端固定

表2
断面・寸法
H-100x100x6x8○-139.8x3.5□-125x125x3.2

Width-to-thickness ratio and failure mode of squat steel braces

JIS13B
12B
13B

幅厚比 接合方法
両端固定

G.PL

G.PL

鋼材の機械的特性
323360341454465448

伸び[％]
31.738.437.5

SADANAGA Naoki

レースの破壊モードと、細長比、幅厚比の関係を示す。局部座屈支配型は、細長比概ね20以下または、細長比概ね40以下かつ幅厚比30以上の範囲に分布した。

円形鋼管で1.2%、2.0%、3.0%、角形鋼管で0.6%、0.7%、0.8%であった。円形鋼管の径厚比はLSDで柱がP-1-1に区分される制限値と同程度で、角形鋼管の幅厚比はLSDの制限値の1.5倍ほどであった。局部座屈を生じる短縮量は、LSDの制限値を満たせば細長比が大きいほど大きいが、満たさなければ細長比とは相関がないと考えられる。いずれの断面、細長比でも局部座屈発生前までは概ね圧縮耐力比0.8以上を保持しており、亀裂発生した時点の短縮量は局部座屈を生じた時点の2倍程度であった。細長比21以下の試験体で座屈耐力の0.3倍となった短縮量は、円形鋼管で2.5％、4 .0％、角形鋼管で1.2％、1.4％、2.5％であった。
図5に、本論文の試験体と前報1)、文献2)を併せた、短縮量1.0%における鋼材ブレースの耐力比𝑁/𝑁 と有効細長比λ の関係を示す。図中に、𝐹235 N/mm として算定したLSDによる安定耐力を併せて示す。H形鋼ブレースででは圧縮耐力が安定耐力の3倍まで大きい場合も見られる。
円形鋼管ブレースでは、LSDでのP-1-1の柱の径厚比制限値である36未満であれば評価値を上回るが、36以上では安定耐力を下回る例が見られた。同様に、角形鋼管ブレースでは、LSDでのP-1-2の幅厚比制限値28未満で圧縮耐力が安定耐力を上回った。一方、局部座屈支配型の破壊モードが見られた幅厚比28以上では圧縮耐力が安定耐力を下回った。以上より、LSDにおける柱の幅厚比・径厚比制限値で鋼材ブレースの耐力を評価できると考えられる。
図6に、既往の論文と本論文で確認された、角形鋼管ブ5．まとめ
1) 細長比が 15 から 20、と太短い鋼材ブレースでは、座屈耐力の 0.3 倍を維持できる短縮量は、局部座屈支配型の場合で 1.0%から 2.0%、全体座屈支配型で2.0%から 4.0%であった。
2) 鋼構造限界状態設計指針・同解説で示された柱の幅厚比制限値を満足すれば、短縮量 1.0%における鋼材ブレースの安定耐力を維持できる。
3) 角形鋼管ブレースでは、細長比が 40 を下回り、幅厚比が 20 を上回ると、塑性変形能力の乏しい局部座屈支配型の破壊モードが生じる可能性がある。
参考文献
1)

IA Raheem, R Matsui, D Ilanildo, Y Abe, T Okazaki.,(2022) Cyclic Loading Performance of Squat Braces -Part
1 Test program and results-, Summaries of TechnicalPapers of Annual Meeting, Structural III, 2022, 981-982.

2)

R Matsui, Z Yiyue, T Okazaki, T Takeuchi (2022) A
Database for Steel Braces with Respect to Inelastic
Strength and Ductility Capacity3)

日本建築学会(2010) 鋼構造限界状態設計指針・同解説, 丸善出版

400

400

σy300

400

400

σyσy300

200

200

200

100

100

100

100000-100σu -100-200-200σcr(a)-300

σu-2-1

図20𝛥𝑙/𝐿 [%]12σcr -300

(c)

-300

-10𝛥𝑙/𝐿 [%]軸方向応力と等価軸ひずみの関係

12-2(a)試験体 12-10𝛥𝑙/𝐿 [%](b)試験体 14-22-10𝛥𝑙/𝐿 [%]12(d)試験体 201.2
λ=15.71λ=15.3, D/t=35.1
λ=20.2, D/t=35.1
λ=41.3, D/t=35.1
λ=15.5, D/t=23.8

1

λ=20.70.8

0.8

λ=42.4

0.6

0.6

0.4

0.4

0.20.200012

図434短縮量[%]

56短縮量と圧縮耐力比

1.2

Ｈ形
円形 D/t≦36
円形 D/t>36
角形 B/t≦28角形 B/t>28
LSD指針

10.80.6
0.40.2(a)(b)
図 3 最大短縮時の試験体(a)試験体 19 (b)試験体 201(c)試験体 191.2(a)σcr(d)-400-400-2σu-100-200-200-400-4000σu-100σcr(b)-300

σy300200(b)01(a)円形鋼管

234短縮量[%]56(b)角型鋼管

50

全体座屈先行-実験
全体座屈先行-文献
局部座屈先行-実験
局部座屈先行-文献

4030
幅厚比

𝑁⁄𝐴 N/mm

300

2010000

図51000細長比・幅厚比と座屈後耐力

図6204060
有効細長比80204060
有効細長比

80

100

細長比・幅厚比と破壊モード