広島工業大学紀要研究編
第 48 巻（2014）75-80

論文

楔デバイスを用いたセルフセンタリング架構のエネルギー吸収分布
高松隆夫＊・玉井宏章＊＊・景山朋定＊＊＊・國井翔平＊＊＊＊（平成25年10月30日受付）

Energy absorption distribution of self-centering frame structure with wedge-device connection
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Tomosada KAGEYAMA and Shohei KUNII（Received Oct. 30, 2013）

Abstract
Earthquake-response analysis of the frame structure with the wedge-device connection was carried out to evaluate story deformation angle and horizontal load-carrying capacity. Energy absorption capacity of the frame is investigated in this paper. Earthquake response analysis of the structurewith some kinds of the connections as variable shows the result that the frame with the wedge-device connection absorbs less energy capacity than the rigid frame.
Key Words: wedge-device connection, End plate type, earthquake response analysis

位置を調整することで，一般的な梁降伏型架構と同等の保1 ．はじめに有水平耐力を得ることが可能である８）。

大地震時における鋼構造架構の柱脚部や梁端部には，塑しかしながら，これまで行われてきた解析は，残留変位性ヒンジとしてのエネルギー吸収が可能な変形能力を確保低減性能を持った架構が実現可能なことを示すことを目的する必要がある。しかしながら，梁端部において，柱梁接としており，そのエネルギー吸収量は，一般的な架構と比合部のディテールによれば応力集中を起こし，変形能力をべ少な目になる９）ことがわかっていたが，詳しい議論も行確保できない場合がある。変形能力が確保された場合におわれていなかった。

いても，過大な塑性変形によって構造物の継続使用が困難

そこで，本論文の目的として，楔デバイス付接合部を導となり，経済的価値を喪失することとなる。近年の構造物

入した架構のエネルギー吸収量について議論を行う。方法には，地震に対して倒壊させないことだけでなく，部材がとして，低層鋼構造物の梁継手と柱脚に楔デバイスを設置損傷しても，簡単な補修のみで構造物を継続的に使用できした場合の地震応答解析を行い，通常架構（各部剛接合）る性能が求められ，様々な研究が行われている。の解析結果と比較して，上記内容を検討する。

著者等は，エンドプレート形式の柱脚部および梁継手部

2 ．楔デバイス付接合部に楔デバイスを設置した楔デバイス付接合部を提案している１）～９）。これらの接合部は，原点立上り型復元力特性を

図１に楔デバイス付接合部を示す。

有しており，鋼構造架構に導入すれば，構造物の地震後残本工法は，ボルト降伏型の半剛接合接合部であり，接合留変位をほぼ０にできることを，数値解析より明らかにし部曲げ耐力を母材（柱・梁）の 0.8 倍程度とすることで，ている。また，ボルト降伏型の接合部でありながら，継手架構に生じる損傷を接合ボルトに集中させ，柱や梁端部を＊＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

長崎大学工学部工学科＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学研究科知的機能科学専攻＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学研究科建設工学専攻― 75 ―

高松隆夫・玉井宏章・景山朋定・國井翔平
ᰕᴂࢹࣂ࢖ࢫM

ղṇ᪉ྥ㍕Ⲵ
OэAэ B

ձ㍕Ⲵ๓
O（a）ノンスリップ型露出柱脚ᰕ࣮࣋ࢫࣉ࣮ࣞࢺ࢔࣮ࣥ࢝࣎ࣝࢺረᛶఙࡧᰕᴂ ࢹࣂ ࢖ࢫ࣎ࣝࢺ ࣉ࣮ࣞ ࢺ࢚ࣥࢻ ࣉ࣮ࣞ ࢺMᱱᴂࡀ㛫㝽࡟㈏ධ

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ճ㍕Ⲵᚋ
CэOෆࢼ ࢵࢺࣈࣛ ࢣࢵ ࢺ（a）作動概念ᴂࢹࣂ ࢖ࢫM（b）楔デバイス付梁継手
図１My楔デバイス付接合部

࢔ࣥ ࣮࢝ ࣎ࣝ ࢺࣂࢿ ࡢ཯ ຊᯈ㸦 ᴂྎ 㸧ࢼࢵ ࢺᴂᴂ ཷࡅࣂࢿABDཎⅬ❧ୖࡾθO

C（b）復元力特性
図３࢚ࣥࢻࣉ࣮ࣞࢺ

図２

մ෌ᗘ㍕Ⲵ
OэAэ D

作動概念と復元力特性

楔デバイス構成同様である。このため，再度地震外力が作用した際も，すぐに地震外力に抵抗する（O ⇒ A ⇒ D）。

弾性状態に留めるものである。楔デバイスを使用することで，原点立上り型復元力特性を有する。特に柱脚をノンス

このような楔デバイスの機能により，弾塑性繰り返し載

リップ型露出柱脚，梁継手を楔デバイス付梁継手と呼ぶ。

荷下におけるスリップ現象が解消され，図３（b）に示すように，原点立上り型復元力特性となる。

2.1

楔デバイス
2.3

図２に楔デバイスの構成を示す。楔デバイスは，楔・楔

楔デバイス付梁継手

受け・バネ及び反力板により構成され，ナット－ベースプ

楔デバイス付梁継手は梁継手位置でボルト接合を行う。

レート間に楔，楔受けおよび楔台を，楔と半力板との間にそのため，継手部の応力よりもブラケットに作用する応力ばねを設置するのみの簡単なものである。また，楔貫入角が大きくなり，弾性範囲に留めるにはブラケットの断面を度を 30°とし，楔と楔受けの接触面には，高い摩擦係数大きくする必要がある。その際，ブラケットは，梁からのとなるように発生処理をおこなっている。

応力伝播を考慮し，梁と同一の成とする。また，ブラケッ
ト位置と梁継手耐力を調整することで，通常の架構と同等2.2作動概念と復元力特性の保有水平耐力を得ることができる。

図３にノンスリップ型露出柱脚の作動概念と復元力特性

3 ．地震応答解析を示す。尚，図３（a）中に示したアルファベットは，図３（b）の復元力特性における履歴ルートの記号と対応し本解析では，4 層４スパンラーメン架構について，各接合部の接合方法を変数とした地震応答解析を行い，それぞている。

れの解析結果を比較検討することで，楔デバイス付接合部

ノンスリップ型露出柱脚に地震外力が作用すると，従来を有した架構の性能や地震時挙動特性を示す。

型露出柱脚と同様にアンカーボルトが伸ばされ，降伏して塑性伸びを生じる（O ⇒ A ⇒ B）。アンカーボルトの塑性

3.1

伸びにより，ナットとベースプレートとの間に間隙が発生

解析手法

するが，この間隙にバネの力により楔を貫入させることで地震応答解析には，「CLAP．f 10），11）」を楔デバイス付接間隙が消滅する（C ⇒ O）。逆方向に曲げを受けた場合も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― 76 ―

楔デバイスを用いたセルフセンタリング架構のエネルギー吸収分布コード修正したものを用いる。部材の塑性化は，一般化硬M化ヒンジ法により考慮する。

-θU

本解析例では，ニューマーク β 法の β 値 0.25，数値積

K

分時間間隔１/200 秒，減衰のタイプは瞬間剛性比例減衰とし，一次減衰定数は，一般的な構造物を想定して 0.02K0 θU-Mとしている。また，部材の応力度－ひずみ度関係は，bi-図４linear 型（降伏後剛性比１/50）としている。入力地震波

θU

復元力特性モデル

Mには，El Centro 波 NS 成分，Taft 波 EW 成分および八戸波 NS 成分の最大速度が 50kine となるように，それぞれ

ࣈࣛࢣࢵࢺ最大加速度を基準化した波を用いる。
3.2

MU

ᱱ

ᅽ⦰ྜຊⅬ

ボルト接合部評価式
ᅽ⦰ྜຊⅬ

図４に復元力特性モデルを，図５に抵抗機構を，それぞM

れ，示す。
本解析では，ボルト接合部に図４に示す復元力特性を有（a）柱脚部する回転ばねを設置する。それぞれの特性値の算出には，（b）梁継手部
図５

抵抗機構

以下の式を用いる。尚，ボルトを多数配列としているためmulti-linear 型となるが，簡単のために引張側全ボルトに解析対象としては，接合部形式を変数としたモデルを作よる弾性回転剛性と最大曲げ耐力を有する bi-linear 型と成する。柱脚には，固定柱脚（R type），アンカーボルト
先行降伏型露出柱脚（S type），ノンスリップ型露出柱脚（Nして取り扱う。

type）を，梁継手には，剛接合（R type），楔デバイス付・・・・・・・・・・（1）

梁継手（W type）を用い，それぞれの組合せにより，計６種類のモデルを作成する。

・・・・・・・・・・・（2）

S type の柱脚にはスリップ型復元力特性を有する回転ばねを，N type の柱脚，Wtype の梁継手には原点立上り型
復 元 力 特 性 を 有 す る 回 転 ば ね を， 設 置 す る。 ま た，W・・・・・・・・・・・・・・・（3）type の梁継手を設置する場合，ブラケットを設けるので，
例えば N-Wtype は図６（b）のようになる。回転ばねは，柱心から 640mm の位置としている。

・・・・・・・・・・・・・（4）各架構の耐力は，S type・N type は柱脚の耐力を低減しているため R type と比較して弱くなっている。W type でここに，Ki : i 列目の弾性回転剛性，E : ヤング係数，niは，ブラケット位置を調整することで，通常と同等の保有: i 列目のボルト本数，A: ボルトの断面積，di : 圧縮合力点水平耐力が得られるため，梁継手形式の違いで架構の耐力位置から i 列目のボルト中心までの距離，R : ボルト以外の差はない。

12）の要素の弾性変形を考慮した低減係数（=2） ，lb : ボルト

固有周期は，CLAP.f 付属の固有値解析用プログラムかの有効長さ（ナット間距離），MYi : i 列目のボルトによるら求めている。表３より，固有周期は，楔デバイス付梁継降伏曲げモーメント，σY : ボルトの降伏応力度，K : 弾性手を適用することで，0.05s 長くなる。

回転剛性，j : ボルト列数，MU : ボルト接合部の最大曲げ4 ．結果と考察モーメントである。

図７に残留層間変形角 lastRi の分布を，図８に最大層間3.3解析対象架構

変形角 maxRi の分布を，図９にエネルギー吸収量を，それ表１に部材断面リストを，表２に回転ばね特性値を，表ぞれ，示す。尚，図７の最大層間変形角 maxRi は，各層の３に固有周期を，図６に解析モデル例を，それぞれ，示す。

層間変形角の最大値を示したものである。図９のエネル13）

ギー吸収量は各タイプの平均を取ったもので，引き出し線を基本として使用している。また，各荷重は，事務所ビルで示す値は，各モデルの総エネルギー吸収量に対する各接を想定しており，各節点に入力している。

合部が吸収したエネルギーの割合を示し，円の面積は，吸架構は，制震構造テーマストラクチャーの４層モデル― 77 ―

高松隆夫・玉井宏章・景山朋定・國井翔平

種別

1234

柱

234R梁
ブラケット
梁
ブラケット
梁
ブラケット梁ブラケット ᅇ㌿ࡤࡡ

σyIx
断面寸法（N/mm2） （mm4）▪-500x500x223251.61x109▪-450x450x22
325
1.15x109▪-450x450x19
325
1.02x109▪-400x400x16
325
6.05x108
H-650x250x12x25325
1.44x109
BH-650x300x16x28
325
1.91x109
H-600x250x12x22
325
1.10x109
BH-600x300x16x25
325
1.46x109
H-550x250x9x19
325
7.71x108
BH-550x300x12x22
325
1.05x109
H-550x200x9x16
325
5.61x108
BH-550x250x12x19325
8.04x108

ZP
MP（mm3） （kNm）
6
7.55x102,452
6.05x1061,966
5.30x106
1,722
3.54x106
1,151
4.99x106
1,621
6.64x106
2,157
4.11x106
1,335
5.52x106
1,795
3.11x106
1,011
4.25x1061,382
2.31x106752
3.31x106
1,075

284kN

206kN

412kN

412kN

412kN
206kN

206kN

412kN

412kN

412kN
206kN

412kN

412kN

412kN
206kN

206kN

σy：降伏応力度 Ix：断面２次モーメント ZP：塑性断面係数 MP：全塑性モーメント

K: 弾性回転剛性 MU: 最大曲げ耐力

柱脚形式

－

R type－S type－N type－梁継手
形式

R typeW typeR typeW typeR typeW type568kN

１次固有周期（sec）
1.02
1.07
1.11
1.16
1.11
1.16

568kN

568kN

284kN
4,000

K
MU部位
（kNm/rad） （kNm）
5
柱脚部
3.28x101,898
２階梁継手部
5.51x105
1,235３階梁継手部
3.99x105968
４階梁継手部
2.80x105748
R 階梁継手部
1.64x105416

固有周期18,0004,000 4,000

表３回転ばね特性値

収したエネルギーの大きさを示している。

ࢫࣜ
ࢵࣉ
ᆺ᚟ඖ
ຊ
≉
ᛶ

（a）S-R type

284kN

206kN

412kN

412kN

412kN
206kN

206kN

412kN

412kN

412kN
206kN

412kN

412kN

412kN
206kN

206kN

6,000

表２

 ࣈࣛࢣࢵࢺ

568kN

568kN

568kN

284kN

18,0004,000 4,000 4,000

層部材断面リスト

6,000

表１ࣀࣥࢫࣜࢵ
ࣉᆺ᚟ඖຊ≉ᛶ

図７より，50kine 級の地震波を使用しており，残留変6,400形角が生じている場合も許容残留変形角 1/20014）と比較す6,400

6,400

6,400

25,600

ればそれほど大きな値ではないが，楔デバイス付梁継手を（b）N-W type

適用すれば，構造物に生じる残留変形をほぼ０できる。

図６

解析モデル

図８より，最大層間変形角は，楔デバイス付梁継手を適用したモデル（W type）が大き目になる傾向がある。こた，２～４層が吸収したエネルギー量も大きくなっており，れは，楔デバイス付梁継手の復元力特性に起因する。通常これらの層が負担した割合で見ると，S-R type は５％程の紡錘型であれば，地震時における塑性変形の生じる方向度の負担量であるが，N-W type は 20％負担している。こにより，図 10（a）に示すように，地震外力による層間変れらを要因として，楔デバイス付梁継手を用いることで，形角が相殺されることがある。一方，原点立上り型復元力１層目梁端部の損傷が緩和される。

特性は，常に原点から応答が始まる。これらの影響により，柱脚形式の違いで比較すると，スリップ型柱脚とノンス

本解析では，R type の最大層間変形角が小さ目になってリップ型露出柱脚では，柱脚自体のエネルギー吸収量は，いる。したがって，楔デバイス付梁継手を適用することで，スリップ型柱脚の方が値が小さ目になる。しかしながら，架構の応答値が決まって大き目になるわけではなく，地震

S-R type と N-R type の総エネルギー吸収量を比較すれば，波や解析モデルにより，図 10（b）のように，地震時残存S-R type の値の方が大きくなっている。これは，柱脚部の変形に層間変形角が累加されれば，R type の方が大きく復元力特性がスリップ型であるため，柱脚部がスリップしなる場合もある

８），9）ている間の固定度が無くなることで，1 層目柱頭部の応力。

柱脚形式毎で比較すると，S type，N type では柱脚の塑が大きくなり，中柱側梁端部の損傷が増大したためである。

性化度合いが小さいため，大きな違いは表れていない。まこれらから，楔デバイス付梁継手の影響により，架構全体

た，R type は固定であるため，1 層目における変形角の値に塑性ヒンジが形成され，バランスのよい崩壊機構となる。
また，エネルギー吸収量の総量は W type が小さ目になっが他の柱脚に比べ小さい。
図９より，各モデルとも全体崩壊形の崩壊機構を示してている。これは，復元力特性の違いが起因して，通常の紡おり，層崩壊とはなっていない。エネルギー吸収割合が大錘型の半分ほどの履歴面積しか持たない原点立上り型履歴

きい１層目側柱の梁端部を梁継手形式で比較すると，Rでは，エネルギー吸収量が小さくなると考えられる。

type の方が損傷の割合が大きくなっており，W type にす5 ．結論ることで，損傷集中が緩和され，３層中柱側の梁端部や４層側柱の梁端部も塑性化し，エネルギー吸収をしている。ま

本論文では，楔デバイス付接合部を導入した鋼構造架構― 78 ―

楔デバイスを用いたセルフセンタリング架構のエネルギー吸収分布㻠㻠㻟㻞㻝㻞㻜㻚㻜㻜㻜㻡 㻜㻚㻜㻜㻝 㻜㻚㻜㻜㻝㻡 㻜㻚㻜㻜㻞㻜㻜ṧ␃ᒙ㛫ኚᙧゅ lastRi (rad)㻜㻜㻚㻜㻜㻜㻡 㻜㻚㻜㻜㻝 㻜㻚㻜㻜㻝㻡 㻜㻚㻜㻜㻞（c）八戸波残留層間変形角 lastRi の分布㻠㻟㻟㻟㻞㻝story㻠

story㻠㻞㻝㻜㻜㻚㻜㻜㻡㻜㻚㻜㻝㻜㻚㻜㻝㻡㻜㻚㻜㻞᭱኱ᒙ㛫ኚᙧゅ maxRi (rad)㻜㻜㻜㻚㻜㻜㻡㻜㻚㻜㻝㻜㻚㻜㻝㻡 㻜㻜㻚㻜㻜㻡（b）Taft 波㻜㻚㻜㻞

最大層間変形角 maxRi の分布





          













㻜㻚㻜㻝㻡

（c）八戸波 㻜㻚㻜㻝᭱኱ᒙ㛫ኚᙧゅ maxRi (rad): 5kNm࣭rad㸪 : 10kNm࣭rad㸪 㻞㻜㻜㻚㻜㻞᭱኱ᒙ㛫ኚᙧゅ maxRi (rad)図８ R-R type
R-W type
S-R type
S-W type
N-R type
N-W type

㻝（a）El Centro 波㻜㻚㻜㻜㻜㻡 㻜㻚㻜㻜㻝 㻜㻚㻜㻜㻝㻡 㻜㻚㻜㻜㻞（b）Taft 波図７㻜㻜ṧ␃ᒙ㛫ኚᙧゅ lastRi (rad)ṧ␃ᒙ㛫ኚᙧゅ lastRi (rad)（a）El Centro 波story㻞㻝㻝㻜

R-R type
R-W type
S-R type
S-W type
N-R type
N-W type㻟story

storystory㻟㻜㻠

 

: 20kNm࣭rad㸪 ⥲࢚ࢿࣝࢠ࣮྾཰㔞࡟༨ࡵࡿ๭ྜ()       ⥲࢚ࢿࣝࢠ࣮྾཰㔞 : 294kNm࣭rad⥲࢚ࢿࣝࢠ࣮྾཰㔞 : 224kNm࣭rad⥲࢚ࢿࣝࢠ࣮྾཰㔞 : 197kNm࣭rad（a）R-R type（c）S-R type（e）N-R type                                      

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⥲࢚ࢿࣝࢠ࣮྾཰㔞 : 124kNm࣭rad⥲࢚ࢿࣝࢠ࣮྾཰㔞 : 148kNm࣭rad⥲࢚ࢿࣝࢠ࣮྾཰㔞 : 150kNm࣭rad（b）R-W type（d）S-W type（f）N-W type

図９

エネルギー吸収量― 79 ―

高松隆夫・玉井宏章・景山朋定・國井翔平

２）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗：ノンスリップ型鉄骨
露出柱脚の復元力特性モデル，構造工学論文集，Vol.
51 B，pp.293-302，2005.4.
３）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，
鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.173-180，2005.11.

ṧ␃ኚᙧ᢬ᢠ࡞ࡋ

４）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，白木剛，多田元秀：
᢬ᢠ࠶ࡾ（a）変形角相殺時
図 10: R type

統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚の: N,W type

仮 動 的 実 験， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻，pp.269-276，2006.11.

（b）変形角累加時

５）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰 : アンカーボル

荷重－変形関係

トを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力特について地震応答解析を行い，以下の知見が得られた。

性 - 無軸力下の場合のセルフセンタリング性能，日本建

１）本解析モデルにおいても，楔デバイス付梁継手を導入

築学会構造系論文集，第 621 号 pp.155-162，2007.11.

した架構は，地震後残留変位がほぼ生じない。

６）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：

２）楔デバイス付梁継手は架構全体でエネルギー吸収を行

２軸曲げを受ける従来型およびノンスリップ型露出柱

え，１層目梁端部の損傷集中を緩和できる。

脚に関する実験的研究，日本建築学会構造系論文集，

３）楔デバイス付梁継手を適用することで，通常架構では第 73 巻

第 634 号 pp.2223-2230，2008.12.

塑性ヒンジが形成されなかった層の梁においても塑性７）景山朋定，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗：楔デバイヒンジが形成され，エネルギー吸収が可能である。復ス付梁継手の載荷実験，日本建築学会大会学術講演梗

元力特性によって総エネルギー吸収量は小さいが，塑概集（東海），CD-ROM 論文番号-22641，2012.9

性ヒンジごとのエネルギー吸収量の割合は減少する。

８）高松隆夫，玉井宏章，澤田樹一郎，田邉真二郎，山西央朗：楔デバイス付接合部を有した架構の保有水平耐提案・検討している接合部は，エンドプレート間で接触・離間が発生する接合部形式である。このため，床スラブの力と最大層間変形角，鋼構造年次論文報告集，第 19 号，pp.755-760，2011.11.

16）

影響や，柱の拘束効果による圧縮軸力 が生じ，ボルト接９）高松隆夫，玉井宏章，澤田樹一郎，山西央朗，景山朋定：

合部耐力の上昇や母材（梁・ブラケット）の降伏曲げモー楔デバイス付接合部を有する架構の地震応答性状，鋼メントが低下することが考えられる。その場合，母材が降構造年次論文報告集，第 20 巻，pp.807-814，2012.11.

伏・塑性変形等異なる崩壊機構が発生する可能性があるが，

10）小川厚治，多田元英：柱・はり接合部変形を考慮した

本論文では，これらを考慮できていない。さらに，複雑な静的・動的応答解析プログラムの開発，第 17 回情報・形状になるため施工面に関しても課題が残される。

システム・利用技術シンポジウム論

今後，上述の影響を考慮した検討を行い，更に一般的な

84，1994.12

復元力特性モデルの定式化や，施工性にも考慮したディ

11）多田元英：CLAP.f 利用説明書 ･ 解析方法説明書，鋼テールの提案を行って，数値解析等により楔デバイス付接材倶楽部合部の有効性を明らかにしていく予定である。

謝文集，pp79-

12）秋山宏：鉄骨柱脚の耐震設計，技法堂出版，1985.3.
13）日本免震構造協会：パッシブ制震構造設計施工マニュ

辞アル，2003.10
14）油野弘，池永昌容，Jason McCormick，中島正愛，生

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究高松隆夫）のプロジェクト研究の一

活・技術・安全から見た許容残留変形 - 文献調査と環として実施されました。ここに記して，謝意を表します。

1970 年に建設された建物調査 -，日本建築学会近畿支センター」（代表者部研究報告集，pp.221-224，2007.

【参考文献】

15）社団法人日本鋼構造協会：建築構造用アンカーボルトを用いた露出柱脚設計施工指針・同解説，2009.10.

１）Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI: Non-slip-

type restoring force characteristics of exposed-type16）吉敷祥一，山田哲：高力ボルト半剛接合部に対する柱column base, Journal of Constructional Steel Reserch,の拘束効果に関する基礎検討，鋼構造年次論文報告集，Vol.61, pp.942-961, 2005.

第 17 巻，pp.81-86，2009.11.
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