広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.129-134

論文

セルフセンタリング柱梁接合部を用いた構造物の残留変位に関する解析的研究
高松隆夫 *・山西 央朗 **・玉井 宏章 *・弘永
澤田 樹一郎 ****・松尾 彰 ****

佑太 ***（平成21年10月31日受理）

Analytical study on residual deformation of steel structure with
self-centering beam-to-column connection
Takao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI,Hiroyuki TAMAI, Yuuta HIRONAGA,Kiichirou SAWADA and Akira MATSUO(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
An experimental study on self-centering beam-to-column connections was carried out, and in
this paper earthquake response analysis of steel structures with the connections is conducted toverify reduction of residual story drift after an earthquake. Multi-stories and multi-spans steelbuildings are selected and analytical results are discussed. It is concluded that the self-centering connections are more effective than the rigid ones.
Key Words: self-centering performance, wedge-device, numerical analysis,
Beam-to-column connection

ると回転角が常に０に戻り残留変位を低減できる性能（以１．はじめに後，セルフセンタリング性能と記す）が得られることを示

現在の耐震設計は，主に保有水平耐力計算法を用いてのしてきた２）。また，柱梁接合部の接合方法にエンドプレー設計が行われている。この場合，柱，梁の端部に塑性ヒン

ト形式を採用し，更に，楔デバイスを設置することで，エジを生成させて全体崩壊を起こすように各部材を設計する

ネルギー吸収すると共に残留変位の低減が期待できる柱梁ことで，地震エネルギーを効率的に吸収するという利点を接合部を提案している３）。

有している。しかしながら，地震後に残留変位が生じる可
１）

能性があり，地震後継続使用が困難になる 。

しかしながら，楔デバイス付接合部（ノンスリップ型露出柱脚，楔デバイス付きのエンドプレート形式柱梁接合部）

著者等はこれまでに，アンカーボルト降伏先行型露出柱が構造物全体の地震時変形挙動に与える影響は明らかに脚に楔デバイスを設置することで，原点立上り型復元力特なっていない。更に，側柱の柱梁接合部へ本工法を適用し性を示すノンスリップ型露出柱脚について研究を行い，復て実験は行っているが，中柱に適用した実験的な検討は行

元力特性から，アンカーボルト塑性化後も外力が除去されえていない。

＊＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発・研究センター＊＊＊＊

広島工業大学工学研究科建設工学専攻＊＊＊＊

広島大学大学院社会環境システム専攻― 129 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・弘永佑太・澤田樹一郎・松尾

図１

図２

図４

彰

楔デバイス付きのエンドプレート形式柱梁接合部作動概念

セルフセンタリング柱梁接合部の M- 関係

曲げモーメント－エンドプレート回転角

図３

そこで，本研究では，楔デバイス付接合部を有した多層多スパン鋼構造骨組の地震応答解析を行い，骨組の地震時挙動の特性を明らかにする。方法としては，先ず，中柱の試験体

２．セルフセンタリング柱梁接合部
2.1

作動概念

柱梁接合部における楔デバイス付接合部の適用工法，並び

図１，図２は，楔デバイス付きのエンドプレート形式柱に実験的検討を行う。次いで，得られた復元力特性を有す梁接合部の作動概念と，復元力特性を示している。楔デバる回転ばねを各接合部に配置した解析を行う。更に，比較イス付きのエンドプレート形式柱梁接合部に地震力が作用のため，柱梁を剛接合とした骨組の地震時応答解析結果もすると，まず最外列ボルトが降伏し，塑性伸びが生じる（図示し，楔デバイス付接合部を有する構造物の有効性を検証

中の B → C）。更に，大きな荷重が作用すると，続いて中する。

央 列 ボ ル ト が 降 伏 し， 塑 性 伸 び を 生 じ る（ 図 中 のC → D））。
次いで，除荷によりエンドプレート回転角が０に戻る場― 130 ―

セルフセンタリング柱梁接合部を用いた構造物の残留変位に関する解析的研究

図５

図６

柱梁接合部に使用する材端ばねの復元力特性

図７

エルセントロ NS 波加速度時刻歴

図８⒜１層柱梁接合部寸法

図８⒝２層柱梁接合部寸法

２層２スパンラーメン構造骨組

表１

表２

柱断面性能

回転ばね特性図８⒞

柱脚部寸法合，ナットとエンドプレートとの間に間隙が発生するが，ト塑性化領域を設けており，中柱にも適用できる形状であこの間隙にばねの復元力により楔を貫入させることで間隙る。

が消滅する（図中の E → F → A）。このため，再載荷時においても，変位増分に対して即座に地震外力に抵抗する（図2.3

中の A → B → C → G）。

実験結果

図４にエンドプレート回転角−曲げモーメント関係を示す。原点立上り型復元力特性を示すと共に，除荷時に僅か2.2 中柱に楔デバイス付のエンドプレート形式柱梁接合ではあるが，原点を指向する復元力特性が得られる。尚，部を適用した載荷の実験

最終サイクルでは，中央列ボルトが塑性化したため，原点楔デバイス付きのエンドプレート形式柱梁接合部を中柱を指向する復元力特性が得られなかったが，除荷時に変形に適用する実験を行うため，図３に示す試験体を用いて載角を 0 にする過程でエネルギーを必要とすることはなく，荷実験を行う。試験体はト字型ではあるが，梁端部にボル残留変位が生じ難い復元力特性を有している。

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図９

図 10

表３2.4

彰

第２層の層間変位時刻歴

第２層の層せん断力－層間変位

各層残留・最大層間変位（層間変形角）

楔デバイス付接合部の復元力特性モデル

時間間隔 1 ／ 200 秒，減衰のタイプは瞬間剛性比例減衰と

図４１）より，本解析に使用する回転ばねの復元力特性モし，一次減衰定数は，一般的な構造物を想定して 0.02 とデルは図５のように設定した。漸増変位振幅に対して，０している。また，部材の応力度－ひずみ度関係は，bi-linear→１→２→３→４→５→６→０→１→７→８→９→ 10 →０型（降伏後剛性比 1/50）としている。

１）
，
３）

→４→ 11 → 12 → 13 → 14 →０のように履歴をたどる。
3.3

３．地震応答解析
3.1

入力地震動

平面骨組の構面内水平方向にエルセントロ NS 波を入力

解析プログラムする。また，最大加速度が 576.79（cm/sec2）となるように，地震応答解析には，「CLAP. ｆ（4（5」を楔デバイス付接合部の復元力特性を有する回転ばねが利用できるようにコー加速度記録に倍率を乗じて基準化した。入力時振動の加速度時刻歴を図６に示す。

ド修正したものを用いる。部材の塑性化は，一般化硬化ヒンジ法により考慮される。また，幾何学的非線形性が考慮

3.4

解析骨組

解析骨組を図７に示す。鋼材の降伏強さは，235（N/mm2），されている。数値微分には，ニューマークβ法が用いら

52
ヤング係数は，2.05 × 10（N/mm）としている。表 1 の柱れている。

梁断面に対して，柱梁接合部および柱脚部に楔デバイス付
3.2

解析条件

接合部を想定した回転ばねを用いる SC 型，柱梁接合部お本解析例では，ニューマークβ法のβ値 0.25，数値微分よび柱脚部を剛接合とする N 型の 2 パターンを設定する。

― 132 ―

セルフセンタリング柱梁接合部を用いた構造物の残留変位に関する解析的研究

図 11

SC 型材端部 M- 関係

図 12

N 型材端部 M- 関係また，SC 型で使用する回転ばねについては，柱梁を降伏留変位と最大層間変形角を示す。ここでは，地震波入力後させないめに降伏比（接合部は梁に対する降伏比，柱脚はにせん断力が 0 となった時刻の層間変位を残留変位として柱に対する降伏比）をそれぞれ 0.8 程度となるように図８いる。SC 型ではおよそ 20sec までの振幅が大きくなって（a），（b），（c）に示す柱脚，柱梁接合部寸法，並びに各ボいるが，N 型ではそれ以降の振幅が大きくなっていることルト径を算定した。柱脚・柱梁接合部の最外列ボルトの降がわかる。また，SC 型では，残留変位はほぼ０となって伏曲げモーメント Mby1，同じく中央列ボルトの降伏曲げいるが，最大層間変形角が N 型と比較して１層では約 1.7

モーメント Mby2，弾性回転剛性は，次式より算定している。

倍，２層では約 1.3 倍となっている。これは，剛接合よりも各接合部の弾性回転剛性や降伏曲げモーメントが低いた…………………⑴めだと考えられる。図 10 に第２層目の層せん断力−層間変位を示す。SC 型では原点を指向する復元力特性を示し… ………………………⑵ており，各接合部の性能により残留変位の生じ難い履歴（原点立上り型となり，また，除荷時に変位を０にする過程で… …………………⑶エネルギーを必要としない性能）を有していることが分かる。図 11 は，SC 型の柱梁接合部及び柱脚回転ばねの曲げここで，E：ヤング係数，n：各列の引張ボルト本数，モーメント−回転角関係を示している。図 12 に示した N

At：ボルト断面積， ：ボルト降伏強さ，dt：部材断面図心型の 1 層梁端部の曲げモーメント−回転角関係と比較するから引張側ボルト軍図心までの距離，dc：部材断面図心かと，いずれの回転ばねも弾塑性挙動を示しており，SC 型

ら圧縮側フランジ外縁までの距離，lb：ボルト有効長さ，K：では原点立上り型，N 型では完全弾塑性型の復元力特性をKBS 並びに KEP の初期剛性である。

示している。また，N 型に対して SC 型の弾性回転剛性及び降伏曲げモーメントは低目であるので，最大回転角は，４．地震応答解析結果

いずれも SC 型の方が大き目となっている。尚，中柱と側図９に第２層の層間変位時刻歴を示す。表３に各層の残柱については，履歴特性に大きな差異が見られなかったた― 133 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・弘永佑太・澤田樹一郎・松尾

め，中柱の結果を示している。

彰謝以上より，SC 型では，N 型と比べて耐力・剛性が低目になるため，構造物の最大変位及び各接合部での回転角は辞

本研究では , 広島工業大学「高性能構造システム開発研大き目となるが，残留変位が生じ難い履歴を有しているの究センター」（代表者で，地震後残留変位がほぼ０になった。このため，楔デバ究の一環として実施されました。

イス付接合部がセルフセンタリング性能を有しており，構参考文献

造物の残留変位低減へ効果があることを地震応答解析により明らかにした。

高松隆夫教授）のプロジェクト研

１）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，松尾彰：ノンスリッ
プ型露出柱脚のセルフセンタリング性能に関する研究，

５．まとめ

鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp173-180，2005.11

本論文では，中柱に楔デバイス接合部を適用する工法，

２）高松隆夫，玉井宏章，小畑寛行，松尾彰，山西央朗：

楔デバイス付接合部を有した多層多スパン鋼構造骨組の地転造ねじボルト接合された H 形鋼梁端接合部の復元

震応答解析結果を示し，骨組の地震時の挙動の特徴（特に力特性に関する実験的研究，日本建築学会大会学術講セルフセンタリング性能や梁の損傷状態）を明らかにした。

演梗概集（関東），pp597-598，2006.9
３）高松隆夫，玉井宏章，山石健司，山西央朗：エンドプレー

本研究で得られた知見を以下に記す。

ト形式ト字型柱梁接合部のセルフセンタリング性能，⑴ 本論文で示す工法により，中柱に楔デバイス付柱梁接鋼構造年次論文報告書第 16 巻，pp237-244，2008.11

合部を適用でき，期待通りの性能（セルフセンタリング

４）小川厚治，多田元英，：柱・はり接合部変形を考慮した性能）が得られる。

静的・動的応答解析プログラムの開発 , 第 17 回情報・シ⑵ 多層多スパン鋼構造骨組全体の復元力特性にセルフセ

ステム・利用技術シンポジウム論文集，pp79-84，1994.12

ンタリング性能を付与することができる。
⑶ 最大層間変位は大きくなるが，残留変位を低減するこ５）多田元英：CLAP.f 利用説明書・解析方法説明書，鋼材倶楽部とができる。

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