構造用接着剤による鋼梁継手と鋼木合成梁の実験的検証
An Experimental Study on Adhesively Bonded Steel Beams Splices and Steel-Timber Composite Beams
建築都市空間デザイン専攻

空間防災講座 建築構造工学研究室 林 天裕

Abstract
The structural performance of adhesively bonded joints was examined in two applications: steel beam splices
and steel-and-timber composite beams. Steel beam splices of different splice dimensions and using either
epoxy or acrylic adhesives were subjected to different proportion of shear and bending moment. The
measured strength and failure was compared against a previously proposed design formula. The pealresistance in the flange splice was found to be rather significant. Three-point bending tests of composite
beams were planned to clarify whether the strength is affected by compression introduced in the adhesive.
Keywords: Adhesive joint, Structural adhesive, Beam splices, Composite beam.
1. はじめに
金属材料の接着は、さまざまな産業分野で普及しており、建築鋼構造に適用可能な構造用接着剤も商用販売されている。しかし、建築鋼構造の実寸法と実条件を反映した接着接合の設計、施工方法は確立されておらず、実験による検証も限られている。そこで、本研究室では、実寸法に近い梁継手と鋼と木を用いた合成梁を検証する一連の実験を実施してきた。総合的な知見を得るために、
鋼梁継手実験について、過去の実験 1)-3)を踏まえて、追加実験を計画・実施し、鋼・木合成梁について、永井 4)で残された課題を解消するための実験を計画した。
2. 実験計画
表 1 に、鋼梁継手の試験体一覧を、図 1 に試験体寸法と載荷条件を示す。表には、本実験で実施した 11 体と、井上ら 1)が実施した 2 体、渡邊ら 2)が実施した 4 体を併せて示す。接着継手に作用する曲げモーメントとせん断力の比を違えるために、3 点曲げ、4 点曲げ、片持ち載荷①と②の 4 種類の条件で、単調載荷試験を実施した。母材に H300×150×6.5×9 の SN400B 鋼材、フランジ継手板に厚さ 9 mm、ウェブ継手板に厚さ 6 mm の SS400
鋼材を用い、全ての鋼材にショットブラスト処理（スチールショット、SB-12、粒形約 1 mm、硬度HRC-40-50）を施した。接着剤には、エポキシ系接着剤のコニシ(株)製 2 液混合型接着剤 E258 とE258R、アクリル系接着剤の 3M 社製 ScotchWeld™製 2 液混合型接着剤メタルグリップとメタルボンダーを使用した。なお、E258 と E258R で挙動と耐力の差がみられなかったため、本論では両者を区別しない。
図 2 に、継手寸法を示す。各フランジとウェブを、裏表 2 枚の継手板を介して接着した。継手型
Ⅲは継手型Ⅳよりも、耐力が大きくなるように設計した。継手型ⅢW とⅢF は、継手型Ⅲのウェブのみまたはフランジのみを接着した。
接着前に、すべての接着面をアセトンで脱脂した。母材の突合せ部と接着面の締付けに使用した高力ボルト F8T-M12 を、試験後に取り外せるように、高力ボルトの首とワッシャーにメンディングテープを貼り、ナットのねじ部に剥離剤を塗った。
接着完了後、7 日間以上養生し、載荷した。
破壊耐力と破壊モードを、二面せん断引張に基づく材料の破壊強度と、藤野ら 3)による応力分布で予測と比較した。
3. 実験結果
図 3 に、片持ち①載荷した、継手型ⅢW について得た荷重の変形の関係を、接着剤ごとに示す。
どの試験体も、一定の剛性に沿って荷重が上がり、
表1 鋼梁継手試験体一覧
接着剤
E258
E258R

メタルグ
リップ

メタルボ
ンダー

載荷方法

継手型

片持ち①
片持ち②
3点曲げ
4点曲げ
片持ち①
片持ち②
3点曲げ
4点曲げ
片持ち①
片持ち②
3点曲げ
4点曲げ

ⅢW
ⅢW
Ⅲ/ⅢW/Ⅳ
Ⅲ/Ⅳ
ⅢW
ⅢW
Ⅲ/ⅢF
Ⅲ/ⅢF
ⅢW
ⅢW
Ⅳ
Ⅳ

養生
期間
7440
9/27/7
7357
441
10/7
10/7
773621

Laboratory of Structural Engineering, Research Group of Structural and Urban Safety DesignTenyu HAYASHI

300

bf2lf

150

tf=6170505(a)1050510202040(c)lw29569510150

10295 2952040(b)720(d)

695(梁せい)tw=6継手寸法 [mm]
継手 ウェブ
フランジ型
lw hw
lf
bf1 bf2
Ⅲ 150 170 150 60 150
Ⅳ 100 100 120 50 150

170720bf1 d=300

hw

29510

図 2 継手寸法

寸法 [mm]

図 1 鋼梁継手実験 試験体寸法：(a) 三点曲げ；(b) 四点曲げ；(c)
片持ち載荷①；(d)；片持ち載荷②×で示した点で最大荷重を記録したあと、急速に耐力を喪失した。そのあと、ボルトのせん断抵抗によって再び耐力が上昇したことを確認した時点で除荷を開始した。図には、除荷点まで示す。
アクリル系接着剤のメタルグリップとメタルボンダーは、エポキシ系接着剤の E2 58R と比較して、剛性はいずれも 7 割で、耐力は前者が 9 割、後者が 10 割だった。メタルグリップは、予測耐力の 9 割、E258R とメタルボンダーは予測耐力の 7割で破壊した。
図 4 に、片持ち②載荷した、継手型ⅢW について得た荷重と変形の関係を、接着剤ごとに示す。
片持ち①と同様に、E258R はメタルボンダーより高い剛性を示した。E258R は予測耐力の 8 割、メタルボンダーは予測耐力の 6 割で破壊した。
図 5 に、継手型Ⅳに、E258R を使用した場合について得た荷重と変形の関係を、載荷方法ごとに示す。3 点曲げの剛性は理論剛性をわずかに下回り、4 点曲げの剛性は理論剛性とほぼ一致した。
試験体の耐力は、予測耐力の 10 割から 11 割の間に収まっていた。
図 6 に、継手型Ⅳに、メタルボンダーを使用した場合について得た荷重と変形の関係を、載荷方法ごとに示す。3 点曲げの剛性は、理論剛性をわずかだが上回り、4 点曲げの剛性は、理論剛性とほぼ一致していた。試験体の耐力は、予測耐力の3020108050060400

荷重 [kN]

E258R
メタルグリップ
メタルボンダー

荷重 [kN]

荷重 [kN]

409 割から 11 割の間に収まっていた。
図 7 に、
3 点曲げ載荷または 4 点曲げ載荷した、継手型ⅢF にメタルグリップを用いた場合について、荷重と変形関係を示す。3 点曲げの予測耐力
は 0、4 点曲げの予測耐力は 250 kN と大幅に異なったが、いずれも耐力は 150 kN で差がなかった。
藤野ら 3)の予測耐力では、フランジ継手はせん断耐力を伝達しないと仮定したが、この仮定の妥当性を再検討する必要がある。
図 8 に、4 点曲げ載荷した継手型ⅢとⅢW に、E258R を用いた場合の荷重と変形の関係を示す。
ウェブのみを接着した試験体ⅢW は、フランジとウェブを接着した試験体Ⅲに比べて、剛性が 3/5であった。耐力は、継手型Ⅲが予測耐力の 11 割、継手型ⅢW が 13 割とよく一致した。
図 9 に、せん断力 Q と曲げモーメント M の相関平面に、継手型Ⅲ、ⅢW、ⅢF の予測連成耐力を示す。各載荷線と予測連成耐力が交わった交点が予測耐力となる。設計式では、フランジはせん断力を無視し、ウェブの曲げモーメントの負担率は 1 割程度と予測される。したがって、フランジ継手は、せん断耐力に寄与しないが、曲げモーメントのほとんどを負担し、ウェブ継手は、せん断体力の全てを負担するが、曲げモーメントへの寄与がわずかだと予測される。
図 10 から図 13 に、継手型Ⅲ、ⅢW、ⅢF、Ⅳについて得た破壊耐力を、上述の M-Q 相関平面に

402002468

載荷点鉛直変位 [mm]

図 3 片持ち載荷①1020010000300024載荷点鉛直変位 [mm]

図 4 片持ち載荷②600246載荷点鉛直変位 [mm]

図 5 継手型Ⅳと E258R

8300400250300200100500400

200

荷重 [kN]

荷重 [kN]

1501002460082

図 6 継手型Ⅳとメタルボンダー

4点曲げ

200400600

Q [kN]

図 9 継手型Ⅲ、ⅢW、ⅢFの予測連成耐力考察
図 13 に、片持 ち①載 荷で接 着 剤 にE258R を用いた 試験体 について、継手と母材 の相対 変形を 計測す るた
め の変位 計の10025E258R

20

M [kNm]M [kNm]Ⅲ1510
メタルボンダー5メタルグリップ

002040Q [kN]

6080

図 10 継手型ⅢW の MQ 相関曲線

Pcr(ⅢF)

60ⅢF208120Pcr(Ⅲ)

80406

図 8 継手型ⅢとⅢW

120304点曲げ

M [kNm]4.

04配置と、15 倍に拡大した、最大荷重時（図(a)）と破壊直後（図(b)）の相対変形を示す。鋼材の変形は無視している。最大荷重時は、載荷点から遠い左側の接着面が動き、載荷点に近い右側の接着面はほとんど動かなかった。脆性後は、左側だけがさらに動いた。載荷点から遠い側で破壊を生じる傾向は、今回実施した試験体 11 体全てに共通して見られたが、いったん破壊すると、載荷点に近い側の接着面も破壊する試験体もあった。
図 14 に、片持ち①載荷から得た、荷重と、母材と継手の相対変形角の関係を示す。載荷点から遠い側の変形角をθ1 とし、近い側の回転角を θ2 とした。一般的に、エポキシ系接着剤はアクリル系接着剤より剛性が高いことが知られており、同じ試験体の全体応答（図 3）でも、その傾向が確認出来たが、局所的な変形には、逆の結果を得た。
この原因は考察中である。
図 15 に、継手型ⅢF にメタルグリップを使用した場合について、継手に作用した曲げモーメントと、フランジ継手と母材の相対変位の関係を載荷方法ごとに示す。3 点曲げでは、上フランジと母材を、4 点曲げでは下フランジと母材についての相対変位とした。3 点曲げでも、4 点曲げでも、剛性が徐々に低下したあと、最大荷重を記録した瞬間に破壊した。剥離が作用した分だけ、継手の剛性と耐力が低かった。

20002

載荷点鉛直変位 [mm]

図 7 継手型ⅢF整理する。図 10 に、継手型ⅢW の耐力と M-Q 相関曲線を示す。測定耐力は、片持ち①載荷のメタルグリップでは、予測耐力の 9 割、その他では、予測耐力の 7 割程度であった。
図 11 に、継手型ⅢとⅢF にメタルグリップを用いた場合について、耐力と M-Q 相関曲線を示す。
継手型ⅢF の測定耐力は、予測耐力が 0 の 3 点載荷で、継手型Ⅲの半分、4 点曲げ載荷では、予測耐力の 6 割、継手型Ⅲの半分だった。せん断を負担した分だけ、3 点曲げの方が 4 点曲げより曲げ耐力が小さかったと考えられる。未実施だが、継手型ⅢＷも計画しており、継手型Ⅲの耐力が、継手型ⅢF とⅢW の加算となるかを検証する。
図 12 に、継手型Ⅳの耐力と M-Q 相関曲線を示す。測定耐力は、予測耐力の 9 割から 13 割であった。

のみ

06

載荷点鉛直変位 [mm]

載荷点鉛直変位 [mm]150 フランジ

4E258R
メタルボンダー

100ⅢⅢF6040200E258R
メタルボンダー80
4点曲げ0502000010030010050M [kNm]

荷重 [kN]

5000050100150200

Q [kN]

図 11 継手型ⅢF の MQ 相関
曲線

050100Q [kN]

150200

図 12 継手型Ⅳの MQ 相関曲線

25002468

載荷点鉛直変位 [mm](b):図示箇所(a):計測計画

θ1(d)

105x

θ22515荷重 [kN]

荷重 [kN]y30(c)

202015相対変形角θ110θ2E258R

5

メタルグリップ
メタルボンダー

000.0005

0.0010.0015

0.002

継手変形角 [mm](c):最大荷重時

図 14 片持ち載荷①の母材-継手間の変形角(d):脆性破壊後

図 13 計測計画と破壊モード
5. 鋼木合成梁
表 2 に、鋼木合成梁実験の試験体一覧を、図 16に試験体寸法と載荷条件を示す。過去、永井 4)が行った実験では、鋼と木のせん断接着耐力が予想より大幅に高かった。この原因が、合成梁を上から押さえつける載荷方法によって、接着に意図せぬ圧縮力が働いたためであると考え、永井 4)と同じ載荷方法と、合成梁の下側フランジを押し、接着に圧縮力が作用しない載荷方法を比較する実験を計画した。

図 15 継手型ⅢF の継手のずれ変位
究報告集 86 巻, pp.197-200, 2013.3
永井佑佳ほか：接着による鋼・木合成構造に関する基礎実験, 日本建築学会大会学術講演
梗概集, pp.783-784, 2019.94)

5. まとめ
接着接合された鋼梁継手について、接着剤、継手形状、載荷方法をパラメータに、11 体の実験を行った。過去に実施された実験結果と合わせて、以下の知見を得た。
1） ウェブとフランジの両方を接着した場合の耐力は、予測耐力の 0.8 から 1.2 倍であった。しかし、ウェブのみを接着した試験体の耐力は、予測式の 0.6 倍程度と低く出る傾向があり、フランジのみを接着した場合は、予測耐力が0 に関わらず、ウェブとフランジの両方を接着した場合の半分程度の耐力を得た。フランジ継手に作用する剥離応力を無視できない。
2） 母材-継手間の相対変位は、最大荷重を記録するまで、片側に集中して進行し、片持ち載荷ではモーメントが集中する側が大きく変形した。一度、破壊を生じると、継手の両側に破壊が伝播する場合がある。

表 2 鋼-木合成梁試験体一覧
接着剤種
載荷方法
養生期間
上フランジ 1 週間以上
E258R
下フランジ 1 週間以上
上フランジ 1 週間以上
ボンド
下フランジ 1 週間以上
支圧⾧さ：10cm
50cm

1550
(a)

2)

3)

3100

1550

P

参考文献
1)

P

井上圭輔ほか：構造用接着剤を用いた鋼梁継手の曲げせん断実験, 構造年次論文報告集第23 巻, pp.262-269,2015.11渡邊洋介ほか：構造用接着剤を用いた鋼梁継手の曲げせん断実験 その 2, 鋼構造年次論
文報告集, pp.602-609, 2017.11
藤野大知ほか：構造用接着剤を用いた鋼構造
用梁継手の設計, 日本建築学会北海道支部研1550
(b)

3100

1550

図 16 合成梁実験 試験体寸法 [mm]：(a) 上から支圧、(b) 下から引張