広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.113-120

論文

弱パネル型柱梁接合部のノンコンプレション方杖補強に関する研究
高松隆夫 *・玉井宏章 *・弘永佑太 **・三好行則 **（平成21年10月31日受理）

A study on rehabiritation of week-panel-type beam-to-column connection by means of
non-compression knee-breace
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Yuuta HIRONAGA and Yukinori MIYOSHI(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
Weak-panel-type beam-to-column connections exist in steel structures with H-shaped columns. These connections possess good energy absorption capability, but the structures withthem show less strength and larger residual deformation after an earthquake than strong-panel-type ones. Therefore, authors propose rehabilitation of the connections by use of non-compression knee-braces, and experimental study on the technique is carried out to verify morestrength of the connections.
Key Words: beam-to-column connection, restoring force characteristics, rehabilitation bymeans of non-compression knee-brace, loading test.

れている１）－２）．

１．はじめに一方，著者等は，楔デバイスを用いたノンコンプレショ

柱梁接合部において，柱に H 形鋼を用いた場合，強軸ンブレースを提案している３）－４）．このブレースの利点は，方向では，弱パネル型柱梁接合部となる可能性がある．一圧縮変形時にブレースに圧縮力を作用させないために座屈般的に，柱梁接合部は，柱または梁に塑性ヒンジを設ける現象が生じないことと，楔デバイスの機能によりスリップ保有耐力接合（強パネル型）で設計される．弱パネル型は，現象が生じないことである．また，引張力にのみ抵抗するエネルギー吸収効率は良いとされているが，地震後の残留ので，剛性・耐力の評価が容易で，エネルギー吸収量も楔変形を補修する工法が確立されておらず，現在ではパネル貫入量で評価できるため，性能設計に適したブレースであを塑性化させる設計はほとんど行われていない．

る．

また，1981 年施行の新耐震設計以前の鋼構造には，強これまでに，このブレースを方杖に適用したノンコンプ

パネル型柱梁接合部として設計されたものでも，パネルがレション方杖５）－６）（以後，NC 方杖と呼ぶ）を提案し，載先行降伏して，設計で期待する耐力が得られない場合があ荷実験を行っている．

り，このような構造物を簡便に補強する工法が必要である．

本研究では，強パネル型以上の保有水平耐力を確保する

柱梁接合部の耐震補強工法としては，地震時において鋼ことを目的に NC 方杖付弱パネル型柱梁接合部試験体の載構造の梁端における下フランジ接合部近傍に亀裂が生じる

荷実験を行い，方杖を設置することによる架構の補強効果という震害を軽減するため，座屈拘束ブレースを方杖としの評価方法，およびパネル保護効果について検討を行う．て梁下に設置する補強工法が提案され，その有用性が示さ＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊

広島工業大学大学院工学系研究科建設工学専攻― 113 ―

高松隆夫・玉井宏章・弘永佑太・三好行則

図１

図３

図２

NC 方杖

方杖端部接合部

図４

方杖材

図５

作動概念

間することによって方杖には圧縮力が作用しない．よって，

２．ノンコンプレション方杖
2.1

楔デバイス

座屈は生じない．また，方杖端部が離間することによって構成生じた間隙には，楔後方に取付けられたバネの復元力によ

図１に NC 方杖を，図２に楔デバイスを，図３に方杖端り，楔が貫入する．よって，方杖に緩みは生じさせず，引張方向の変形が作用するとすぐに抵抗する．

部接合部を，図４に方杖材を，それぞれ，示す．
ノンコンプレション方杖は，楔，楔受け，楔台，バネ，方杖材及び方杖端部接合部から構成されている．また，方３．実験概要

杖材には転造ねじアンカーボルトを使用する．

試験体には，中柱タイプを想定した十字型部分架構試験

両端にネジがついた方杖材の一端は，方杖端部接合部に体を用い，実験変数をパネル耐力比と NC 方杖の有無とすピン接合されている．もう一端は，楔，楔受けを介して方る．また，比較のために強パネル型の試験体も使用する．

杖端部接合部に接合されており，方杖材に圧縮力が作用す
3.1

ると楔と楔受けが離間し，ローラー支持となる．
楔および楔受けは摩擦係数を増大させることを目的に発錆処理を施している．楔の後方には，楔が滑らかに貫入す

試験体

図６に試験体を，図７にパネル部詳細を，表１に素材特性を，それぞれ，示す．

るようにバネが設置されている．

試験体は，弱パネル型（パネル耐力比 0.3，0.7）となる
無補強試験体と NC 方杖を取付けた補強試験体，強パネル2.2作動概念型（パネル耐力比 1.2）となる計５種類の試験体を用意した．

図５に楔デバイスの作動概念を示す．

無 補 強 試 験 体 は， 柱 に H-200x200x8x12， 梁 に H-250x

地震力が作用して，方杖に引張力が作用する場合，方杖125x6x9 を使用しており，梁フランジと柱は完全溶込み溶材は効率よく抵抗し，方杖材が塑性伸びして地震入力エネ接接合，梁ウェブと柱は隅肉溶接接合されている．また，ルギーを吸収する．圧縮力が作用する場合，方杖端部が離梁端部には脆性破断が生じないように改良型のスカラップ― 114 ―

弱パネル型柱梁接合部のノンコンプレション方杖補強に関する研究

図６

試験体性モーメントに達した時のせん断力を，は梁が全塑性モーメントに達した時のせん断力を示している．
鋼材種は，どの部材においても SS400 材を使用した．
また，方杖材には ABR400 材を使用した．
3.2

載荷装置

図８に載荷装置を示す．
図７

梁端部に取付けた油圧ジャッキにより載荷する．尚，地パネル部詳細

震外力を想定しているので，左右のジャッキの載荷方向は逆方向となるように作用させる．柱上部をピン支持，柱下を設けている．柱は梁が全塑性モーメントに達した場合に部をピンローラー支持とし，鉛直方向に自由に移動するこおいても降伏しないように設計した．とができるため，柱に軸力は作用しない．ローラー部分に補強試験体は，試験体の４隅角部に柱と梁の図心から偏おいては，挟み込んでいる横架材との間にテフロンシート心しないように NC 方杖を取付けている．方杖端部接合部を配置し，移動しやすくしている．また，載荷点付近にボーは高力ボルト接合とした．文献６）より，方杖の設置角度

ルベアリングを設置し，両側から鋼板で挟み込むことには 45°とした．方杖を設置することで強パネル型以上のよって梁の横振れを防止している．

耐力となるように方杖径を設計した．このため，パネル耐力比 0.3 の試験体は M27 を，パネル耐力比 0.7 の試験体に3.3 載荷方法

は M22 を用いる．方杖有効長さは，ナット間距離となる

載荷方法は，柱に軸力のかからない正負交番漸増繰返し

ため 430mm とする．方杖材には初期張力として降伏軸力逆対称曲げ載荷を行う．梁先端の鉛直変位による層間変形の 50％の軸力を与えている．これは，初期載荷時において，角楔が貫入することによる弾性剛性の変化を防ぐためであ1/100，1/50rad までとし，各振幅レベルで２サイクルづる．また，NC 方杖が設置される柱及び梁の位置にはスチつ行う．また，補強試験体は楔貫入限界のため，1/100radフナを溶接接合している．これは，NC 方杖に作用する引までとする．

で変位制御する．載荷サイクルは，1/400，1/200，張力によるフランジの面外変形を防止するために設けてい3.4 計測方法

る．
パネル耐力比（＝図９に計測点位置を示す．

）を調整するため，ダブラープレートを用いた．パネル耐力比 0.7 とするために PL-ジャッキ先端にあるロードセルから荷重 P を計測する．ま9x220x150 のダブラープレートをパネル部の片側に１枚，た，梁先端に取付けた変位計より，鉛直変位 を計測する．

パネル耐力比 1.2 とするために PL-12x220x150 のダブラー
プレートをパネル部を挟み込むように２枚，全周隅肉溶接

柱にかかるせん断力，およびパネルのせん断変形角 は，計測諸量より以下の式から求められる．

接合されている．また，のど厚がダブラープレート厚となるように溶接されている．ここに，，層間変形角はパネル部が全塑― 115 ―… ……………………（1, 2）

高松隆夫・玉井宏章・弘永佑太・三好行則
表１

素材特性とから，仮想仕事法を用いて不静定軸力を算出する．
4.1

仮定

復元力特性モデルは，以下の仮定を用いて導出する．
図８・NC 方杖は，引張方向の変形に対して抵抗する．

載荷装置

・方杖端部接合部は，剛体とする．
・柱梁接合部と方杖の履歴モデルは，完全弾塑性モデルを採用する．
・方杖設置間距離は，柱梁軸線の交点から方杖軸線と梁または柱軸線が交わる交点までとする．
4.2

方杖降伏時のせん断力

方杖が降伏する時のせん断力は，以下の式から求められる．
………………………………（4）

ここに， : 仮想仕事法により求めた係数（＝－ 10 /A : 方杖材の断面積，また，
図９），

11: 方杖材の降伏応力度である．

は以下の式で表される．

計測点位置… ……………（3）
ここに，P : ロードセルより計測した荷重，…（5）: 梁先端変位計より計測した鉛直変位の平均を，p 上 及び p 下 : パネ

ここに，Ib : 梁の断面２次モーメント，l' : 方杖設置間距離，lab : 方杖の有効長さである．

ル部上下の変位計より計測した変位，E : ヤング係数，Ic :柱の断面２次モーメント，lb : スパン長の半分，lc : 階高の4.3半分，db : 梁フランジ中心間距離である．

パネル全塑性時，及び梁全塑性時のせん断力

パネル部にかかるモーメント pM は，文献７）より以下の式で求められる．

４．復元力特性モデルの算定… …（6）

図 10 に解析モデルと曲げモーメント分布を，図 11 に補

ここに，bMR 及び bML : 左右の梁端部に作用する曲げモー強試験体の仮想仕事法で使用する解析モデルと曲げモーメント分布を，それぞれ，示す．

メント，c

無補強試験体は，柱上部をピン支持，柱下部をピンロー

U及び cL: 上下の柱端部に作用するせん断力である．

ラー支持とすることから，静定構造物となる．

これより，パネル全塑性時のせん断力 p補強試験体の解析モデルは，内的不静定構造物となるこ

以下の式が導出される．

― 116 ―

pを求めると，

弱パネル型柱梁接合部のノンコンプレション方杖補強に関する研究

図 10

図 11補強試験体

解析モデルと曲げモーメント分布図

仮想仕事法で用いる解析モデルと曲げモーメント分布図

図 12

復元力特性モデル………………………………（7）……………………………………（9）ここに，bMp : 梁全塑性モーメントである．

ここに，pMp: パネル部全塑性モーメントである．
また，pMp は，文献８）より以下の式から求められる．

4.4… ………………………………（8）ここに，pV : パネル部の体積，無補強試験体のせん断剛性

柱梁接合部のせん断剛性 f k は，仮想仕事法より以下の: パネル部の降伏せん断式で求められる．

応力度である．

……………………………
（10）

また，梁全塑性時のせん断力 bQp は以下の式から求められる．

ここに，f， pf : 仮想仕事法における架構全体の鉛直変位，パネル部のせん断変形による鉛直変位を，それぞれ示― 117 ―

高松隆夫・玉井宏章・弘永佑太・三好行則

している．

せん断剛性で荷重が上昇し，式（7），（9）で求めたせん断耐力で耐力が一定になる完全弾塑性型の履歴を示すとする．

……………………………
（11）

補強試験体は，式（13）によるせん断剛性で荷重が上昇し，式（4）の方杖降伏時のせん断耐力に到達すると，無補強試験体のせん断剛性で荷重が上昇するものとする．す… ……………
（12）

なわち，Bi-linear 型の履歴を示すとする．

５．結果と考察

ここに，G : せん断弾性係数である．

正負交番漸増繰返し逆対称載荷試験の結果を，表２及び4.5

補強試験体のせん断剛性

図 13 に示す．
表２には，各試験体の弾性範囲での層せん断力

NC 方杖付き柱梁接合部のせん断剛性 k は，仮想仕事法により，以下の式で求められる．

変形角まで載荷したときの最大耐力 E: 鉛直変位を求めるために適

ここに，から求めた初期せん断剛性 EK と，GYP 法により降伏点を求め，図 13 より求めた降伏耐力 E……………………
（13）と層間

ネル耐力比 1.2 との E

maxmaxyと，1/100radと，無補強試験体のパでの比と，梁端部に貼付したひ用した仮想仕事法における柱，梁，方杖の鉛直変位，パネずみゲージよりモーメントを求め，そのモーメントがパネル部のせん断変形による鉛直変位を，それぞれ示している．

ルに作用するモーメントと仮定した，パネルモーメント

M と，1/100rad まで載荷したときのせん断変形角を式（3）pより求めたパネルのせん断変形角と，1/100rad まで載荷したときのパネルに貼られたひずみゲージより計測した
せん断ひずみ量 を，それぞれ，示す．また，補強試験体のEyは，パネルの耐力で比較するので，２次剛性が変わりはじめた点で求めている．尚，試験体名の N と R は……
（14）

無補強試験体と補強試験体を表し，その後の数値はパネル耐力比を示している．
図 13 には，各試験体の層せん断力－層間変形角関係と補強試験体と強パネル型試験体を比較した実験結果を示す．また，４章の算定法で求めた復元力特性モデルも併せて示す．
5.1

……
（15）

復元力特性

無補強試験体は，安定した紡錘型の復元力特性を示して…………………………………
（16）

おり，パネル部が効率よくエネルギー吸収していることがわかる．強パネル型の試験体においても，紡錘型の復元力特性を示した．また，梁が降伏したあとにパネル部の降伏がみられた．
補強試験体でも，安定した紡錘型の復元力特性を示した．

……
（17）

また，パネル耐力比 0.7 の試験体では１/100rad で楔貫入
ここに，lb' : 梁先端の載荷点から方杖設置位置までの距限界に達したので，パネル部が全塑性化するまでには至ら

離，lc' : 柱端部に設置してあるピン中心から方杖設置位置なかった．パネル耐力比 0.3 の試験体では，方杖とパネルまでの距離である．

部がほぼ同時に降伏していた．
それぞれの補強試験体で，試験体に貼付したゲージより4.6

復元力特性モデル

モーメント図を求め，塑性ヒンジ生成位置を確認すると，

図 12 に，復元力特性モデルを示す．

方杖の軸線と梁の軸線が交わる交点の付近に生成されると無補強試験体及び強パネル型試験体は，式（10）による考えられる．

― 118 ―

弱パネル型柱梁接合部のノンコンプレション方杖補強に関する研究

表２

実験結果

図 13

実験結果

― 119 ―

高松隆夫・玉井宏章・弘永佑太・三好行則

補強試験体と強パネル型試験体を比べると，1/100radである．

におけるせん断耐力が上回っていることがわかる．これよ４）本論文で示す復元力特性モデルを用いれば，ノンコンり，適切な方杖径を用いることにより弱パネル型の耐力をプレション方杖付柱梁接合部の復元力特性を精確に評価

強パネル型以上まで上昇させることが可能であることがわすることができる．

かる．

謝

また，方杖を設置することによるせん断ひずみの抑制は確認できなかったが，せん断変形とパネルモーメントの低辞

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究減は確認できたため，パネル補強は十分に期待できる．こセンター」（代表者

れは，方杖で補強することによってパネルモーメントが低の一環として実施されました．また，試験体作製にあたり減するためである．

フルサト工業株式会社には，転造ねじアンカーボルトを提高松隆夫教授）のプロジェクト研究供していただきました．ここに記して謝意を表します．
5.2

復元力特性モデルとの比較

参考文献

無補強試験体において，復元力特性モデルと比較すると，ほぼ良好に対応している．最大耐力の差に関しては，パネ

１）吹田啓一郎，井上一朗，竹内一郎，宇野暢芳：座屈拘ル降伏後にパネル枠組みによる補強効果により，耐力が上束された方杖ダンパーによる柱梁高力ボルト接合構造昇するものと考えられる．強パネル型の試験体においても，の力学挙動，日本建築学会構造系論文集，第 571 号，ほぼ良好に対応している．

pp.153-160,2003.9.

補強試験体においても，復元力特性モデルとほぼ良好に

２）竹内一郎，金尾伊織，吹田啓一郎，中島正愛：方杖ダ対応している．また，パネル耐力比 0.3 においては，2 次ンパーにより接合された鋼梁の横座屈挙動と必要横補勾配に誤差が生じている．これは，方杖とパネルがほぼ同剛，日本建築学会構造系論文集，第 585 号，pp.185-

時に降伏したためと考えられる．

192,2004.11.

若干の差異は生じたが，本論文で示した復元力特性モデ

３）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレション

ルにより，方杖補強後の柱梁接合部の復元力特性を評価でブレースの履歴性状とエネルギー吸収について，鋼構きる．

造年次論文報告集，第 11 巻，pp.129-136,2003.11.
４）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブ

６．結論

レースの耐震性能向上について，日本建築学会構造系
論文集，第 595 号，pp.131-138,2005.9.

弱パネル型柱梁接合部にノンコンプレション方杖を設置し，正負交番漸増繰返し逆対称載荷を行い，耐力の上昇，

５）高松隆夫，玉井宏章，小畑寛行，竹内一郎：「ノンコパネル保護効果，およびノンコンプレション方杖付柱梁接ンプレション方杖で補強された H 型鋼柱梁接合部の合部の評価方法について検証した．得られた知見を以下に

復 元 力 特 性 」 広 島 工 業 大 学 紀 要 研 究 編， 第 40 巻，示す．

pp.119-128,2006.2.

１）ノンコンプレション方杖で補強された柱梁接合部は，

６）高松隆夫，玉井宏章，檜谷本浩二，小畑寛行：方杖に楔デバイスの機能によりスリップ現象をおこさず，モデよる鉄骨ラーメンの耐震補強工法に関する研究，鋼構ル化の容易な紡錘型復元力特性となる．

造年次論文報告集，第 15 巻，pp.113-120,2007.11.

２）適切な方杖径を用いれば弱パネル型の耐力を強パネル

７）日本建築学会：鋼構造接合部設計指針 ,2001.11.
８）井上一朗，吹田啓一郎：建築鋼構造―その理論と設計

型以上の耐力まで上昇させることができる．
３）方杖を設置することによりパネルモーメントとパネルせん断変形を低減させることができ，パネル保護に有効― 120 ――，pp ２-24-2-28,2007.12.