広島工業大学紀要研究編
第 ₅₀ 巻（₂₀₁₆）49 – 55論

文

日の字補剛ブレース付架構の復元力特性に関する研究
高松隆夫*・山西央朗**・深澤拓真***（平成₂₇年₁₀月₃₀日受付）

Restoring force characteristics of plate stiffened H-shaped steel braced frame
Takao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI and Takuma FUKAZAWA(Received Oct. 30, 2015)

Abstract
Compressive loading tests of H-shaped steel member stiffened plate are carried out to examine
bucklingstrength and strength after buckling. Numerical analyses of braced frames ussing H-shapedmembers with/without stiffened plate as the brace member are conducted to clarify restoring force
characteristics of the braced frame. The cyclic behavior of theframe with the stiffened brace is bi-linear-type and models of the restoring force characteristics are proposed to evaluate experimentalresults.
Key Words: stiffened H-shaped steel brace, restoring force characteristics

材軸の中央部を日の字型断面に補剛プレートを溶接した日

₁ ．はじめにの字補剛ブレースの研究を行っている。このブレースの特鋼構造における耐震のための構造要素として，最も一般徴として，補剛プレートを設置することによる補剛部分の的なものにブレースが挙げられる。低層建築物などに用い曲げ剛性の向上から，細長比が小さくなることが予想されられるブレースには通常軽微な部材が利用されることが多る。よって，このブレースを K 型に配置した場合のブレー

く，細長比が大きいために圧縮力を受けるとすぐに座屈す

ス付架構は，比較的安定した紡錘型に近い復元力特性を示ることから，圧縮抵抗力を期待せず引張抵抗力のみを期待すと考えられる。そこで本論文では，先ず，単調圧縮載荷する引張ブレースとして用いられる。一方，中低層建築物実験を行い，日の字型断面補剛された H 形鋼圧縮ブレースなどにあっては，構造上効果的な役割を果たさせるためにの耐力・軸剛性の評価方法を検証する。次に，日の字補剛はある程度の断面をもつ部材が要求される。このようなブブレースを用いた ₁ 層 ₁ スパンラーメン架構の有限要素法

レースの細長比が中程度となる場合，圧縮力が作用するブ解析を行い，日の字補剛ブレース付架構の復元力特性を明レースを無視することはできない。また，ブレースを含むらかにする。最後に，解析結果をもとに簡単な復元力特性

架構の性状はブレースの座屈による不安的現象により複雑モデルを提案することを目的とする。

な性状を示す。このような複雑な復元力特性を簡単に表現

₂ ．H 形鋼材圧縮ブレースの単調圧縮載荷実験するモデルはまだ適当なものが提案されていない。よって，ブレース付架構の性状はできる丈単純な復元力特性である₂.₁試験体ことが望ましいといえる。著者等は，中低層建築物に幅広試験体は，ブレースには H-₁₀₀×₅₀×₅×₇の材長 ₁₃₅₀

く使用される H 形鋼圧縮ブレースを対象として，ブレースmm を，補剛プレートには板厚 ₄.₅ mm，幅 ₁₁₀ mm，長さ* 広島工業大学工学部建築工学科** 広島大学大学院*** 広島工業大学大学院工学系研究科建設工学専攻
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高松隆夫・山西央朗・深澤拓真

図₁

試験体形状

₉₄₅ mm を，それぞれ，用いる。ブレースと補剛プレートはブレースのフランジ側部に隅肉溶接によって取り付けて図₂いる。尚，ブレース端部にはエンドプレートを取り付け，載荷装置載荷装置にボルト ₄ 本で固定している。実験変数は以下に示す，計 ₂ 種類とする。
・補剛をしていないもの（N type）
・材軸の中央部を補剛をしたもの（R type）₂.₂

載荷装置・計測位置

図 ₂ に載荷装置・計測位置を示す。
ブレース端部の支持条件は，両端ピン支持とし，ブレースの弱軸方向をピン回転方向として設置している。通常，ブレースは勾配を持って設置されるが，作用する軸方向力に対して抵抗する部材であるため，本実験では鉛直に設置して載荷実験を行っている。載荷方法は，ブレースが圧縮状態となる方向に載荷装置上部に設置した油圧ジャッキにより圧縮力を加える。計測値は，鉛直ジャッキ先端に設置したロードセルにより圧縮軸力 N を，ブレース上下端のエンドプレートに設置した変位計により縮み量 δ v を，それぞれ，計測する。
₂.₃

図₃

有限要素法モデル

有限要素法解析₂.₄

図 ₃ に有限要素法モデルを示す。

耐力・軸剛性の評価方法

有限要素法解析には，汎用有限要素法解析プログラム

図 ₄ に耐力評価モデルを，図 ₅ に軸剛性評価モデルを，「ADINA ver. ₈.₉」を用いる。H 形鋼・補剛プレートをシェそれぞれ，示す。先ず，耐力の評価方法においては，補剛ル要素で作成し，上端を載荷点，下端を支持点とする。そプレートを設置した領域（部材中央の lR 部分）の曲げ剛性

れぞれ，実験載荷条件と一致するような境界条件を入力しは無限大と仮定しており，これを考慮して部材の曲げ座屈ている。尚，座屈解析の初期不整として，載荷点と支持点長さを判定する。よって曲げ座屈長さは，₂ lN（＝l-lR）となを Y 軸方向に ₀.₅ mm 偏心させている。解析変数は載荷実り，文献 ₅ ）に示す座屈耐力式を用いて耐力算定を行う。

験で行ったものを含み，ブレース材長に対して ₀ ％から次に，軸剛性の評価方法においては無補剛部分・補剛部分₉₀％補剛したものを₁₀％刻みでごととして₁₀体行う。また，を直列バネに置換し，無補剛部分・補剛部分の各軸剛性

補剛プレートのヤング係数を₁₀倍としたものを₁₀体行い，KN，KR を用いて，全体の軸剛性 K を算出する。

計₂₀体とする。
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日の字補剛ブレース付架構の復元力特性に関する研究

KN =AN ⋅ ElN（₁）

KR =AR ⋅ ElR（₂）

K=

111+KN KR=₂.₅

実験結果・解析結果

図 ₆ に圧縮軸力 N－縮み量 δ v 関係を，図 ₇ に座屈耐力 Nc－
曲げ座屈細長比 λ c 関係を，図 ₈ に座屈後耐力 Nu－曲げ座屈細長比 λ 関係を，それぞれ，示す。同時に，図 ₆ は（₁）
式による計算値を，図 ₇ ，図 ₈ には文献 ₅ ）に示す耐力曲

1（₃）

lN
lR+
AN ⋅ E N AR ⋅ E R

線，補剛プレートのヤング係数を₁₀倍にした E₁₀を，それぞれ，示している。尚，図 ₈ に示す座屈後耐力においては，部材の縮み量が ₁₀ mm 生じた時点での耐力としている。図₆ （a），（b）より，補剛プレートを用いることで座屈耐力・座屈後耐力が増大している。また，N type と R type どちらも実験結果と解析結果が概ね対応していることから，

図₄

図₅

耐力評価モデル

剛性評価モデル

図₆

図₇

座屈耐力 Nc－曲げ座屈細長比 λ c 関係

図₈

座屈後耐力 Nu－曲げ座屈細長比λ関係

圧縮軸力 N－縮み量 δ v 関係
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高松隆夫・山西央朗・深澤拓真

H 形鋼圧縮ブレースの座屈挙動を有限要素法解析により評は， ₁ 層 ₁ スパンのラーメン架構に日の字補剛ブレースを価できることがわかる。さらに，（₁）式による軸剛性の計K 型に配置したもの（K-R type），補剛していない従来型の算値とも良好に対応している。尚，R type の実験結果は座ブレースを用いたもの（K-N type）とする。また，架構の屈を生じるまでとなっているが，これは座屈による急激な弾性剛性の算出のために，ブレースのないラーメン架構の耐力低下により計測が困難にとなったためである。図 ₇ ，みの解析も行う。ラーメン架構の柱と梁に H-₁₂₅×₁₂₅×

図 ₈ より，曲げ座屈長さを無補剛部分の長さと換算して算₆.₅×₉を使用している。尚，本解析では，ブレースを除く出した曲げ座屈細長比による耐力曲線と実験結果・解析結

柱と梁は弾性範囲に留まる断面性能を有している。ブレー果が概ね対応していることから，曲げ座屈長さを無補剛部

スには，BH-₈₀×₈₀×₄.₅×₄.₅を，補剛プレートには板厚分の長さとすることで，一般的な H 形鋼圧縮ブレースと同₆ mm，幅 ₉₀ mm，長さ ₁₀₈₀ mm を，それぞれ，用いる。

様に耐力の算出が可能である。また，補剛プレートのヤン

また，ブレースの曲げ座屈長さの算定にあたり，ガセットグ係数を₁₀倍とした E₁₀の耐力と，通常のヤング係数としプレートの面外可撓域をフィンスチフナ端に設けているこた E₁の耐力はほぼ同様となっている。これは，実験及び解とから₆︶，ブレース端部をピン支持と仮定し，その可撓間析に使用した H-₁₀₀×₅₀×₅×₇は，補剛プレート PL-₄.₅に距離としている。

よって，図 ₄ に示す耐力評価モデルに適合していることを₃.₂表している。

図₁₀に有限要素法解析モデルを示す。

₃ ．日の字補剛ブレース付架構の有限要素法解析
₃.₁

有限要素法解析

有限要素法解析には，汎用有限要素法解析プログラム

解析対象「ADINA ver. ₉.₀」を用いる。柱・梁・ブレースをシェル要

図 ₉ にラーメン架構，ブレース及びガセットプレート詳素で作成し，架構に発生する水平力を再現するために，梁細を，表 ₁ にブレース性状を，それぞれ，示す。解析対象の軸心位置に X 軸方向強制変位を与えている。また，座屈

図₉

表₁

解析対象

ブレース性状ブレース

ブレース断面曲げ座屈長さ（可撓間距離）
Lk（mm）

λcλλNc（kN）

Nu（kN）

従来型

BH-₈₀×₈₀×₄.₅×₄.₅

₁,₈₂₀

₁.₁₅₀.₈₆₉₅₁₇₄.₈₄₀.₂

日の字

BH-₈₀×₈₀×₄.₅×₄.₅

₁,₈₂₀₀.₄₇₀.₃₅₃₉₂₆₈.₁₁₀₅.₂

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日の字補剛ブレース付架構の復元力特性に関する研究

力特性は，架構とブレースを含むトラス構造に分解して，それぞれの復元力特性を算出したものの総和で求めることができる。
₃.₃.₁

架構

架構の弾性剛性は，柱の上端部にガセットプレートが取り付けられており，柱の曲げ剛性の算出が複雑なため，架構のみの有限要素法解析により算出した弾性剛性を用いる。
₃.₃.₂

ブレース

従来型ブレースは，細長比が中程度のために小さいながらも圧縮側の耐力が存在すると考えられるが，本論文においてはスリップ型の復元力特性モデルを用いる。日の字補剛ブレースは，補剛プレートを用いることで細長比がちい
図₁₀さくなるため，圧縮側の耐力を考慮した復元力特性モデル

有限要素法解析モデルを用いる。尚，圧縮側の耐力として，座屈後耐力で一定に解析のための初期不整として，K-N type はブレース中央部なるものとしている。これは，鋼材が繰返し弾塑性載荷をに，K-R type は補剛プレート上端部に弱軸方向の水平力を受けるとバウシンガー効果により座屈耐力が低下するが，加えている。各要素の素材特性には，ヤング係数は ₂₀₅₀₀₀

この履歴を表現した復元力特性モデルは複雑になると考え

₂₂N/mm ，ポアソン比は₀.₃，降伏応力は ₃₀₀ N/mm を入力られるためである。またブレースの伸び剛性は，ブレースしている。応力度－ひずみ度関係は，完全弾塑性型とする。

が圧縮力を受けて座屈が生じると，ブレースがほぼ真っ直載荷プログラムは，層間変形を層高さで除した層間変形角

ぐになるのは前回の引張荷重の除荷点であると考えられるの振幅を₁/₁₀₀₀，₁/₃₀₀，₁/₂₀₀，₁/₁₅₀，₁/₁₀₀[rad] と漸増ため，その間を直線で結ぶことによって近似的な BQ-δ 関係させるものとする。

が得られるものとする。よって，ブレースの伸び剛性は，繰返しの振幅の増加と共に低下するものとなる。ブレース₃.₃

復元力特性モデルの耐力，及び，弾性剛性は以下の式で示すことができる。

図₁₁に復元力と特性モデルを示す。ブレース架構の復元

図₁₁

復元力特性モデル
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高松隆夫・山西央朗・深澤拓真

B Q y = A ⋅ σ y ⋅ cos θ（₄）

B Qnu = N u ⋅ cos θ（₅）

B Qu = B Q y + B Quu（₆）

KB =A⋅ E⋅ cos 2 θ
LQ
K B4 = B u
δ4Q
K B2 = B uδ2

ことにより細長比が小さくなったことから，圧縮側の耐力か増大し，紡錘型に近い復元力特性を示していることがわかる。また，解析結果と復元力特性モデルを比較すると，圧縮側の耐力として座屈後耐力を採用しているため安全側のとなっているが，提案するモデルで概ね評価できると考えられる。尚，座屈耐力を考慮することで，より実際の性Q
K B3 = B u
δ3QK B5 = B u
δ5

補剛ブレースを用いた K-R type は，補剛プレートを用いる状に近いモデルを算出することが可能であると考えられ，（₇-₁₁）

このことについては今後検討する。図₁₃より，K-N type がスリップ型に近い復元力特性を示しているのに対し，K-R

ここに，A：ブレースの断面積，σ y：ブレースの降伏応力

type 紡錘型に近い復元力特性を示している。しかしながら度，E：ブレースのヤング係数，EA/L：ブレースの軸剛性，繰返し回数の増加に伴い，弾性剛性が低下していることがθ：ブレースの設置角度，Nu：ブレースの座屈後耐力，δ ：わかる。これは，座屈により横撓みが発生したブレースは，繰返し振幅である。尚，日の字補剛ブレースの軸剛性は横撓みがゼロになるまでは引張抵抗力を持たないことによ（₁）式，座屈後耐力は文献 ₅ ）に示す耐力式を用いる。

る，ブレースの伸び剛性の低下が起因していると考えられる。よって，弾性剛性は単純にブレース ₂ 本分とはならず，₃.₄

解析結果

繰返し回数の増加に伴い低下するが，ブレースの伸び剛性

図₁₂に水平荷重 P- 水平変位 δ 関係を，図₁₃にブレース負の低下を考慮したモデルで概ね評価できることがわかる。

担せん断力 BQ- 水平変位 δ 関係を，それぞれ，示す。尚，

₄ ．まとめ

図₁₃は架構のみの有限要素法解析から得られた，架構の負担するせん断力を水平荷重から差し引いたものとしている。

本論文では，日の字型断面補剛された H 形鋼圧縮ブレー

図₁₂より，従来型のブレースを用いた K-N type は，ブレースの単調圧縮載荷実験，及び，日の字補剛ブレースを用いスの細長比が大きいため圧縮側の耐力が小さくなっている。

た ₁ 層 ₁ スパンラーメン架構の有限要素法解析を行い，以よってスリップ型に近い復元力特性を示している。日の字下の知見が得られた。

図₁₂

図₁₃

水平荷重 P- 水平変位δ関係

ブレース負担せん断力 BQ-- 水平変位δ関係
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日の字補剛ブレース付架構の復元力特性に関する研究₁ ）H 形鋼圧縮ブレースに補剛プレートを用いることで，座屈耐力・座屈後耐力の増大が可能である。また，その座形鋼部材の曲げ座屈解析，日本建築学会九州支部研究報告，第₄₆号，pp. ₄₅₃ – ₄₅₆，₂₀₀₇.₃
₂ ）竹の谷幸宏，赤羽正寛，石鍋雄一郎，新井祐一郎，半屈挙動を有限要素法解析により評価できる。
₂ ）曲げ座屈長さを無補剛部分の長さとすることで，一貫敏夫，秋山宏：繰返し荷重を受ける H 形鋼筋違材の般的な H 形鋼圧縮ブレースと同様に耐力の評価が可能であ

実験的研究，日本建築学会大会学術講演梗概集（関東）₃ ）高松隆夫：軸組筋違の復元力特性について，日本建築る。
₃ ）日の字補剛ブレースを用いることにより，K 型ブレース付架構の復元力特性は紡錘型となる。

₄ ）加藤勉，秋山宏：軸組筋違付骨組の復元力特性，日本

₄ ）提案する復元力特性モデルにより，日の字補剛ブ
レース付架構の履歴を安全側で評価できる。

文学会論文報告集，第₂₆₀号，₁₉₇₇.₁₀
建築学会中国支部研究報告集，第₂₅巻，₂₀₀₂.₃
₅ ）日本建築学会：鋼構造限界状態設計指針・同解説，₂₀₁₄.₄

献₆ ）日本建築学会：鋼構造接合部設計指針，第 ₃ 版

₁ ）木村潤一，李文聡：一部分が日の字型に補剛された H─ 55 ─