Experimental Study on Seismic Performance of Steel Frame with Brace Using a Single Angle

(Faculty of Architecture and Structural Engineering)Masaru TERAOKA and Yutaka NIHO (Advanced Architecture and Civil Engineering Course)Satoshi KAKE and Tatsuyuki NAKAMOTO

ABSTRACT

This paper describes an experimental study on seismic performance of steel frames with

braces using a single angle. To study joint with load-carrying capacity, two specimens were employed and tested. Test variable is the joint with or without welding reinforcement. The following findings were obtained from this study:

(1) The steel frame with braces, in which brace joint was reinforced by weld, had sufficient seismic performance.

(2) On existing steel frame with brace using a single angle brace, the welding reinforcement for the brace joint was effective retrofit method.

(3) Structural behaviors on the steel frames with braces were estimated approximately by ordinary equations.

Keywords: Steel frame with brace, Angle brace joint, Seismic retrofit, Joint with load-carrying capacity

1

��

��� �����

��������

��������� ��������������

����������� !�"#�$%&'(��)*

���+,�- ./����01�2 ./345467)

��#��89:;"<=>��?��?@A�$%�)��

� BCD. ��������E� F.G<H.�IA�JKLM

N�$%&OP%�BCD��34/�����Q��)��

��01�2 G /67)���RS�����TUV�W

X@YY ���)*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

* ���� �Z�[K���\]�^_�OP`�

a/���b#�cd[Kefg[hijkl/fm�

� �no[K������_pefg#q�r<-sA�

$%&tu��vw�-�/67)b#�cd[K/x7m

�� �no[K��BCDy� z�{�BCDG � |}{�~��

�����/Z�[K��/P�&%P%)���BCD�/

��&������/fm������w����&%P%

������Z�[K��/P�&%m\���J%���

�4m)*

�

����� �� ����Y���* C�* �C���* ����* �C�� ¡�¢¢£���*

¡�¤�¡��£¥�

���*

��b#

cd[K*

¦§¨©ªB«*

�� *

no[K*

�§¬©ªB«*

�§¬­¦§¨

BCD.* ��D. �Dz�

BCDG*®@D�*

z¯DG �D|}

¥[Ku°01�- 8�±² �

��������������

³$��"#��´�Kµ¶�·�- @/67)̧ ¹� @

��º»¹�67)¼½��� �¾�*�¿À/ÁÂ&O��)*

*

*

*

*

*

*

������� !"#$���

%&�����

* ��ÃÄ�2 �/67)źÆÇ�����È �ÉÊ�

ËÌÍÎÏÐ�$%�ÑÒÓ;Ô �D¯Õ.����.Õ.����

GD¯Õ.����̄ Õ.����®D¯Õ.����.�Õ.����.¯Õ.����G�Õ.����

@�Õ.����¯�Õ.����.��Õ.���* ¢��D*�Ö×34549ØÙ

Ú�O��)Pe�Û/ÜÝ&Þ�ß��àá/âã%�a�

ÑÒÓ;Ô��ä°��źÓå�Û� æçèé�ê

��¹�$%�)*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

%�&#$���

* ����ÓåtëÄåÄ�2 �ì/67)ÑÒÓå���

�È �ÉÊÛíÞ�� ì�åÄ/ëÄ��Óåt/f��

��îï����ðã�ñÂÔr�ëÄ��Óå

t/f��ò�Þ�ÛÒîïÓå����È �Þ ó/ë

Ä��èUôÓåt/f��õ/���pö÷øÓå�

��ìù �-ú/34549ûÙÚëÄ��Óåt

/f��3454��)*

Ûefg���ü�tä7m�a/�2ý/67åÄ

/üþÍ�����)*

������������*C�*����*�¤�¡�Y���

����¹���� BCDG

'()��������*C�*����*�¤�¡�Y���

'()��������*C�*������*¢����C¢¡�Y�����

�������F�¡����¡��*¤¢C¤�¢����*C�*�����

���́(mm)

cd ��y(N/mm2)

���Es(N/mm2)

¼½��*�u(N/mm2)

îg(%)

�!éÍ 8.92 312 1.81×105 456 29.8��� 5.90 255* 1.83×105 427 36.3�� 2.97 317 1.78×105 414 17.2

¥cd � �DG����ÏN[K

'()*�I���*��� �¤*�¢�Y�*�¤�¡�Y��*����*�¢�¡��

�����

Û©YY«

Þ©YY«

��©YY«

JKLMNE

©H.�I©F.G««

���� ����

BCD. �

BCDG �� .��?z�?z?} � .̄ �?.̄ �?®?.� = ��?��?@

�̧� 3454GEÙÚ

��������� � ������������

����

����

����

����

���

�

��

���

���

���

���

���� ���� ��� � �� ��� ������ ���������

���� ���

����

������ !"#$%&'(

�������� !")$%&'(

����

����

����

����

���

�

��

���

���

���

���

���� ���� ��� � �� ��� ������ ���������

���� ���

����

������ !"#$%&'(

�������� !")$%&'(

�

��

���

���

���

���

� �� �� �� *� �� +� ,� -� .� ���

��� ���������

/���� ���

�01� �01� ����

����

����

����

����

���

������.��-��,��+�����*�����������

��� ���������

2���� ���

�01� �01� ����

*

*

*

*

*

*

*

*

*

�

�

��� ��+,�

� -./01234�

%&�56789:;<=>?@�

2 z/źÇ�>ÑÒÓ;Ô����� �67)2!/

����/Ú%&�Öí×�Ç�"�źÇ�>ÑÒÓ;Ô

��#$� �Ü%�&67)*

* ��� BCD. � BCDG �Ü%7m��¯Õ.���¢��D�" �

��� BCDG � BCD. /ÜÝ&źÇ��âã&P�&%m)

®D¯Õ.���¢��D'c�Öí×��źÇ��/( .¯ªB �[K

�)�*�4m)*

-+/,âÇ�"-��Ü%�67)��� No.2 ��No.1/ÜÝ&,âÇ�� 1.12.�,âÇ�"ÑÒÓ;Ô�1.59 .�P�&e������ �����/fm/�%�w�*�4m)*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

�

�

�����*�0CY¤�¢��C�*C�*¤¢C¤�¢����*��*Y�1�Y�Y*�C���

*

%�&ABCD�

2345�- ¯/67)��� BCD. ��GD¯Õ.���¢��D�

6KTU M����7�� /cd�897m��/�

JKLMN�:��89��̄Õ.���¢��D�6KTU M�Ì

ï;��7 /o <=�89��®D¯Õ.���¢��D�6K

TU M�Ìï;��/�><=�89��.�Õ.���¢��D

�6KTU M�Ìï;��7 /?4�89��

.¯Õ.���¢��D�6KTU M�Û�cd��)¯�Õ.���¢��D

�6KTU M���¼½;���� /@A�89��

Öí×�,âÇ��89��)3�B�®¯Õ.���¢��D�6K

TU M�¼½;���� �2_�&[K�C�9

�������nD��)*

��� BCDG ��¯Õ.���¢��D�6KTU M�Ìï;��

��><=�Ìï;��7 �o <=efg¼½

;��ìù/cd�89��).�Õ.���¢��D�6KTU

M�EF<ÛA�cd��).¯Õ.���¢��D�6KTU M

�Ìï;��7/?4�89��)ò��¯�Õ.���¢��D*

�6KTU M�Ìï���� ���/@A�89

��ò�ÛG/o <=�9Â�)®¯Õ.���¢��D*�6KTU

M�¼½���� ��/@A�89��Öí×�Ç

�"�,âÇ��89��)®¯Õ.���¢��D*�6KTU M�

�¼½;���� �@A�Hâ�&2_/I��[

���6K

÷ø

,âÇ

�©ªB«

ñÉÓ;Ô*

©?.� @*¢��D«*

,âÇ�)

©ªB«*

ñÉ*

ÜJ*

Ö* .|.D. �GD®*BCD.*

×* .|GDG �GD®*@z@D@

Ö* G��D� zGD�*BCDG*

×* G�®D. ®�D.*��®D¯

.D.G

'()E�F����¢��*�C¡���C��*C�*��¢���*�

%&�¤�¡�Y��*BCD.�

%�&�¤�¡�Y��*BCDG�

'()F*=���¢��*�C�� *�¢���*�����*¢�����C��*C�*

���*�¤�¡�Y��*

GHIK�*¤C����L�*�C���

'()J� =���¢��* �C��* M�¢���* �����* ��L��C¤�*

¢�����C��*C�*���*�¤�¡�Y���

GKIK�*������L�*�C���

����������� ����������������������� !"#$%�&'()*+,-

44 呉工業高等専門学校研究報告 第 72号(2010)

力低下を生じたので実験を終了した。 9に示す。軸方向変位には，プレース母材，間接合部および

ガセットプレートなどの変形が含まれている。最大荷重時ま

での軸変位量は，試験体 No.1で伸び ・縮みが共に 20mm弱で

あるのに対して，NO.2では約 25mmとなっている。なお，試

験体 No.2に関して，加力の最終サイクノレで、は変位計が外れ，

縮み変位が測定できていない。

水平荷重一プレース平均軸歪(L]LlL) 関係履歴曲線を図

10に示す。図 10の Lの値は，図 11に示すブレース両端

の接合部内側ボルト 聞の距離である。ブレース平均軸歪は，

試験体 NO.lの最大荷重時で伸び，縮みが共に約 3%である

Table 5 Failure processes

(1) Specimen No. 1

力日カサイクル水平荷重 層同官3杉角

収祝府。 (xlO.3叫)

2.5/100 100.1 2.20 ブレース端接合剖1年伏発生

110.3 2.53 高カボルトすべり発生

-2.5/1000 -98.6 -1.9ヨブ、レース端蛤剖鰍発生

5/1ωo 127.5 4.ω 圧縮()(I)フ守レース局部座屈発生

-5/10的 117.0 -2.35 圧粥融Itフ守レース局部座屈発生

7.5/10∞ 131.0 5目25圧縮Jl.Itプレーア岳E屈発生

-7.5/1000 -152.5 -7.13 圧策融1)ブレ」刻盟百発生

10/1000 148.6 8.73 圧資融1)ブレースねじれ発生-10/1000 -105.0 -2.9ヨ圧資融1)フ守レースねじれ発生

15/1000 157.1 13.28 骨組(柱3降侠発生

168.0 50目85引調)(1)ブレース切れ自発生

50/1000 179.0 50目65圧縮()(I)ブレース黒皮はがれる

181.1 42.68 正倶崎大荷重

-50/1αxl -169.7 -51.88 151弼)(Itプレース黒皮はがれる

-182.2 42目73負イR憶大荷重

75/10∞ 149.1 69目38引調贈れ目掛て

141.0 76.25 引調)(1)ブレース弱断

-75/1000 -150.4 -77目48ヲ|張(Jl.Itプレーア布嫡?

(2) Specimen NO.2

力wrサイクノレ 水明寵草 層も喰形角制兄府。 (X1U31泌)

5'IC削 149.3 5.05 国緬員1):7'‘レ一刻翠雷発生

-5'IC削-126.0 -260 鵬 首買Itプレース曙随謂艶生

-148 -5.05 引醐1):7"レース中賠閥均性10/1000 l買13 日13掛主T瑞筑場位-10/11αxl -167，8 -9.18 相主民拘紛号泣

-15/10ω -129.8 418 圧縮)(1):7"レー対ユじれ発生

5αlαp 151.5 20.40 国撤Itプトス溜鋼1分切閣発生

191.5 4990 樹詩画語性

75'1000 l労E 6875 引醐Itプレース溺期切1日発生

:ID.4 61.98 18Jl.1肢大荷重75/10ω -207，1 -7405 負{同厳大荷重100/1側 140.C %.8C 引醐)):7"ぃーヌ棚7

ーl仰 1000-192.4 品 75号闘)(1):7"レース切れ日間てー136.5 -101.78 引醐Itプトス噺

3.2梁

試験体 NO.lを例に とり、水平荷重 柱問梁伸縮変位関係

履歴曲線を図 8に示す。図からみて、 軸ひずみはかなり 小 さ

く、梁が剛体的な挙動をした ことがわかる。

}

ε

μ

O

E臨み

一'ず

斗

ひ

nυ 5

1

nυ 内

4

nvnunununununununununu

5

0

5

0

5

5

0

5

0

5

2

2

1

1

↑

1

1

2

2

一F

一

一

室岡停昨者

10 15 20

Fig.8 Lateral load of the frame -upper side

beam elongation relation

3.3ブレース

(1) ブレース軸方向変位関係

水平荷重一ブレース軸方向変位(L]L)関係履歴曲線を図

のに対して， NO.2では約 5%となっている。

250 2∞ 150

お0

200 150 100

三印刷 D

*"'-50 "*汁∞

150 200 -2501 l 1 -2ヨD-30 -20 ーm m m w ~ ~ ~ m m w

変位量mm) 変位量(mm)

(1) Spec imen No. 1

2ω

2∞ 150

100 主切首ot: ~ ..司俳句

-*-100 -150

4∞ 2ω -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40

変位量mm) 変位置(mml

(2) Specimen No. 2

Fig.9 Lateral load of the frame - brace axial

displacement relations

2!l 2叩aJ) 2加1:D 1叩

z l∞ ~ loo

ぎ骨 白 さ叩

栴時そD。 相.量 0 同 一叩

者ー1日1 者ーl曲

-1:D -1叩

-aJ) -2加-l日 -2日

-{l{E 4凪 。 自由 oa: -0.08 -0.04 。 0.04 E曲

dλ LlLlL

(1) Specimen No. 1

2日 2叩2田 20C 1日 15C

~ 1田 1凹ごZさ叩

細目

4刷'" 0 揮。持+

時 一日 者一叩者-1田 -1凹

-1日←15C

-2田←20C

-2日 -2叩-0.08 -0.04 。 0.04 E田

-0回一0加 一自帥-0.02 0 凹 0.04 0.06 0.08 LlLlL LlLlL

(2) Specimen No. 2

Fig.10 Lateral load of the frame - brace

average axial strain (~L/L) relations

45 寺岡・仁保・掛・中本 :単一山形鋼をブレースに用いたブレース付き鋼構造骨組の耐震性能に関する実験的研究

250

2凹

150

五100さ 5日時価船 内

'"' -時 50

者 1∞-150

2∞ 250

-9000 -6000 -3000 3000 6000 9000

Uずみ度( ~ ，)

2叩

200

150

五 100三 5日時掛

0 4臨時一50

者100

1 : n 一1叩 ir i

200 I い-250 L.Lム」

-5000 0 5000 10000 15000 20000 25∞030000

ひずみ度( ~ ，)

g-11

叶

一

250

200

1印

~ 100 z 三 50晴樹 。拒

畔 50

者 ー100

-150

-200

-250 9叩O 曲叩 30叩 ∞。

ひずみ度(p，1

the

(2)ブレースの面外変位

水平荷重 ブレース面外変位関係履歴曲線を，図 12に示

す。図より見て，試験体 No.2の面外変位は， No. 1に比べて

大きい面外変位を示している。

( L) for calculating

average axial strain of the brace

Length Fig.11

90∞

250

200

150

;:1∞ さ 50帽 。ネ厚

昨日

曜 100

-150

200

-250

90∞ 9∞o -6000 -3∞∞o 6000 9000

ひずみ度( ~ ，)

Specimen No. 1

601111

250

200

150

五1∞』) 印時働

0 4厚時一50

垣 間O

150

-200

-250

9000 -6000 -3000 3000 6000

ひずみ度( ~ E)

(1)

間 20 30 40 卯 60 ]j) ω 90

iii*霊位置町川)

2閃

2∞ 1関

1∞ 王印刷

0 .. 時一関根

1∞ ・1卯

一2∞2閃

-10 0 10 20 30 40 50 印市初鈎

画外蓋世量11m刊

(1)

'50

2咽

1閃

1∞ {

三回• 0 8与

時 開耗

1∞ 150

2咽

.，咽

-10 0

250

200

150

100

三 50

6倒 0

550

咲-100

-150

200

250 901111 -9000 -6000 ・3000 3000

Uずみ度(με)

250

200

150 _，叩z 王 50酬 0

"" 怯ト 50

世100

-150

-200

-250 9000 -6000 -3000 3000

Uずみ度(με)

No. 1 Specimen

m

加

畑

叩

団

関

0

咽

問

団

叩

四

一

(Zさ

脚

侮川町

咲

1∞ so 211 411ω

画外車位量1m"心1∞ 8附2 0 ω ω

画外蓋世量(mm)

6∞o 9∞o 6000

印00 佃0

2日

2凹

150 _ 11111 z ど三 回。叫

0

"" 時一回

科 100

ー150

200

2沼O

9000 -6000 -3∞ 30∞ 6叩o 9000 Uずみ度(με)

Specimen No. 2

図中の一点、鎖線は降伏歪

9倒。6000

250

200

150

100

三印刷 0

"" 昨日

長 100

ー150

-200

-250 -9000 -601111 -3回日 3000

Uずみ度(με)250

200

150

100

Z印

刷 0

"" 持ト 50 耗叶00

ー150I

-200 I ト

-250 I

9000 -6000 -3000 3000 Uずみ度(με)

但)

(2) Specimen No.2

Fig. 12 Lateral load of the frame-brace lateral

displacement relations

Fig. 13 Lateral load of the frame -brace strain

relations

(3)ブレース母材および接合部の歪挙動

正面プレースについて，プレース母材中央 (g-17，g-18)

および接合部 (g-11~g-13) の荷重 ひずみ関係履歴曲線を

図 13に示す。同図では，試験体 No.1は層間変形角で

10/1000rad.終了時，試験体 No.2は 15/1000rad.終了時まで

の測定値を示 した。図中には，降伏ひずみを一点鎖線で示す。

試験体 No.1は，ブレースの中央部より先に接合部が引張

降伏し，試験体 No.2の場合では，ブレースの接合部より先

に中央部が引張降伏している。その後，試験体 No.1はプレ

ース中央部においても引張降伏を発生するが，そのひずみ度

は， No.2の半分程度であった。なお，試験体No.2のブレー

ス中央部の引張ひずみ度は，局部的に 10%を超え，十分な

靭性性能を示した。

以上のことより，プレース接合部に溶接補強を施すことは，

補強効果が大きく，補強条件によっては保有耐力接合を可能

にすることがわかる。

46 呉工業高等専門学校研究報告 第 72号(2010)

3.4 実験終了時の破壊状況

(1) 骨組の柱およびガセットプレートの破壊状況

実験終了時のブレースイ寸き骨組の破壊状況を写真 lに示

す。試験体 No.1および No.2は，共に柱に局部塑性座屈を生

じていた。図 14に柱の変形を示した。柱ウェブは，ガセッ

トプレートによって面外変形を生じていた。また，図 15に

示すように，試験体 No.2の正面から見て右上と左下のガセ

ットプレー トと柱のウェブの溶接部に亀裂が生じていた。

(1) Specimen No. 1 (2) Specimen No. 2

Photo 1 Failure condition of the frames at end

of tests

Fig.14 Damage condition of column web at

end of test

Fig. 15 Failure condition of gusset plates at

end of test (No.2)

(2)ブレースの破壊状況

実験終了時のブレース破壊状況の詳細を，試験体 No.1に

関しては図 16に，試験体 No.2に関しては図 17に，それぞ

れ示す。その際，試験体 No.2についてはブレース接合部に

溶接補強を施していたので，接合部をガス切断した後の状況

を示す。実験終了時のブレース破断状況を写真 2に示す。実

験終了時のプレースのボルト孔状況を写真3に示す。

面外変位量は，図 16および 17からみて，試験体 No.1が

78mmで，NO.2が 102mmであり ，NO.2が No.1に比べて大き

い変位量を示している。また，試験体 No.2のブレース破断

時の骨組の水平変位量は 38.72mmで，NO.lの 30.99mmと比

べて大きい。このことより，プレースの変位量は当然のこと

ながら骨組の水平変位量と関係していることがわかる。また，

圧縮プレースは，接合部端の山形鋼の刃の寸法問 (40mm)で，

山形鋼の非接合の刃の方向に著しい振れ(ガセット面に対し

て約 45度)を生じていた。それより中央部で，単一山形鋼

は最小断面二次半径まわりに曲げ座屈を生じ，中央部で山形

鋼の断面が開くような変形をした。

接合部の破壊形式について，試験体 No.1は引張側ブレー

スの第一ボルト孔の位置で有効断面積の小さいところから，

ブレース軸に直角に破断した。試験体 NO.2は，引張側プレ

ースの溶接補強箇所の溶接の端からボノレト孔に向かつて斜

め45度に破断していた(写真 2参照)。

写真 3から分かるように，ボノレト孔は軸力のみならず接

合部に作用する局部曲げおよび捻りモーメン トの影響を受

けた変形状況を示した 2).3)。

J::J~三宝、L

T 主主三三三三T〕ー| 臼

己デ夕、、口

己二工二二二三』

(1) Compressive brace

588

で三つ士三三三竺±三竺T

三ヨE三三三三三二三G

(2) Tensile side brace

Fig. 16 Detail of failure condi tions at end of test

(Specimen No. 1)

dヨ、!ミEE三三三ヨ

r----~ 」 一一一一---一二斗

(1) Compressive brace

τ士三二一一一二ゴ

ci---一一一一一二三---~ーー--

そー←一一十一一一ーー÷一一一「、

(2) Tensile brace

Fig.17 Detail of failure conditions at end of

test (Specimen No.2)

寺岡 ・仁保 ・掛・ 中本 :単一山形鋼をブレースに用いたブレース付き鋼構造骨組の耐震性能に関する実験的研究 47

(1) Specimen No. 1

(2) Specimen NO.2

Photo 2 Failure patterns of the brace at end

of tests

( 1) Joint ho1es of tensile brace

(2) Joint ho1es of compressi ve brace

Photo 3 Joint hole configurations of the brace

at end of test (Specimen No. 1)

94 実験結果の検討

4. 1耐力の算定

(1)骨組のみの水平耐力

骨組の水平耐力は，柱頭，柱脚に塑性ヒンジが生じると仮

定し，降伏時 (CFQy)および終局耐力時 (CFQU)について求め

た。その際，ウェブの効果は無視し，フランジのみで耐力を

もつものと仮定した。降伏時の耐力はフランジ素材の降伏点

( G y)を用いて求め、終局時の耐力はフランジの引張強さ

(σ)を用いて求めた。計算結果を表 6に示す。

Table 6 Calculated Values of strengths on the

frame without braces

降伏耐力 (σ y時)

α•f)y (kN)

50.12

(2)ブレースの水平耐力

(a)引張ブレースの水平耐力

終局耐力 (σ U時)

af)u(kN)

73. 14

引張ブレースの水平耐力は，ブレース接合部の耐力を計算

し，耐力の水平成分を求めた。ブレースの角度は 32度であ

る。試験体 No.1のブレース接合部は，ボル ト接合となって

いるため，図 18に示すように無効となる突出長さがある。

今回の試験体はボル トが 2本だ、ったので無効となる突出長

さは， 耐震改修指針による高さの 7/10とした場合断面積を

求めた 5)。

:IL Fig. 18 Effective cross sectional area of the

brace5)

水平耐力 :Q=σuXA e X C 0 5 320

・・・・・ ・・(1)

ブレース母材水平耐力 Q=σyXAXc0 5320

・・・ (2)

ここで，A e ブレースの有効断面積(耐震改修指針) =

A-(bXt チα7hX t人 A:プレース母材の断面積 t

ブレースの厚さ， b ボルト孔の直径， h ブレースの高さ，

Q :水平せん断耐力， σyブレース素材の降伏点 Gu ブ

レース素材の引張強さ，である。

(b)溶接の耐力

溶接は隅肉溶接なので溶接の有効長さ，のど厚，せん断応

力度より求めた 4)。

溶接補強水平耐力 Q= ， uX A X c 0 5320

・・・・・ (3)

ここで，A.溶接有効断面積 =L;(O.7SXL)， 'u:溶接

終局強度=σu(ブ、レースの引張強さ)/ F3， S :隅肉溶接の

サイズ，L:溶接の有効長さ(第 1ボル トより内側の溶接長)，

である。

(c)圧縮側プレースの耐力

圧縮側ブレースの耐力はブレースの細長比と限界細長比

を求め，それらを比較し， johnson式を用いて求めた 2)。ヤ

ング係数はブレース素材の値を用いた。曲げ座屈長さは，内

側のボル ト聞として求めた。

48 呉工業高等専門学校研究報告 第 72号(2010)

圧縮ブレース曲げ座屈時の水平耐力 となっておらず，実験事実と異なる。一方，鋼構造設計基準

Q=σcrXAXcos320 ------------(4ノ

ここで， λ 細長比=L/iv'L :ボルト孔からボルト孔ま

でのブレースの長さ 1 v 最小断面二次半径(v-v軸 図

1参照)， σ 座屈応力度 A ブレースの全断面積，で

ある。

(d)ブレース水平耐力の合計

ブレースの圧縮，引張および溶接の各水平耐力およびそれ

らを足し合わせた耐力を表 7に示す。

Tab I e 7 Calculated values of strengths on the

brace

降伏耐力 (σy時) 終局耐力 (σU時)

oIJy(kN) BQu(kN)

プレース(圧縮座屈) 52.36 52. 36

ブレース(引張:有効28. 71 37.47

断面使用)

溶接 13.71 17.89

ブレース水平耐力合 NO.1 : :81. 07 No. 1 :89.83

計(圧縮+引張+溶接) No. 2 : : 94. 78 NO.2: :107.72

4.2ブレース接合部の保有耐力接合の検討

表8はブレース母材の降伏耐力，ブレース接合部(有効断

面使用)および接合部溶接の終局耐力の計算値を示したもの

である。その際，接合部有効断面積は，耐震改修指針による

高さの 7/10が無効とした場合と鋼構造設計基準による高さ

の1/2が無効とした場合(耐震改修指針による高力ボ、ル卜

3本に相当)の 2種類を求めた。

表 8によると，耐震改修指針による計算値は，先に表 2で

見たように試験体 No.2においても，計算上は保有耐力接合

Table 8 Judgment of joint with load一carrylng

capaclty

断面積 応力度 耐カ 耐力の比較

(mm2) (N/mm2

) (kN) (kN)

プレース母231. 4 317.4'[ 73.4 73.4

材(降伏)

プレース接 106. 7 44. 1 414.2叫 65.2叫

合部(終局) (130.4)柑 (54.1)同(75.2)時

溶接(終局) 88. 2 239.1刊 21. 1

※l ブレースの降伏応力度(σy)、※2 ・プレースの引張強さ (σu)

※3 τu (σUをnで除した値)、※4 ・プレース端部と溶接部の

耐力の合計、※5 鋼構造設計基準による高さの1/2が無

効とした場合の値

による計算では，試験体 NO.2は保有耐力接合となっており，

実験事実と符合する。このことより，接合部の溶接補強は，

溶接による直接の接合部補強効果の他に，接合部の振り拘束

として作用し，その効果はボル ト1本分以上の有効断面積拡

大効果を生じたためと考えられる。

4.3 ブレース付き骨組の水平耐力

(1)降伏耐力

図 18に示した正荷重時の水平荷重 層問変形角関係包絡

線に，ゼネラルイール ドポイント法を適用すると共に，各部

のひずみ測定結果を参考に して降伏耐力 (eFQy)を定め，表

9中に示した。また，表中には骨組 (crQy)およびブレース

(品)の各降伏耐力計算値とその合計耐力を示し，実験値

と比較した。計算値と実験値とは，概ね対応している。

Table 9 Yield strength of the frame with brace (At

positive load)

試験 実験値 降伏耐力計算値 c~r<kN) 墨墜盤

体 eA(kN) 骨組 ブレース 同左合計 計算値

No. 1 121. 7 50. 1 81. 1 131. 2 O. 93

No. 2 147.8 50. 1 94.8 144.9 1. 02

(2)ブレースの曲げ座屈時耐力

表 10中に，表 5に示 した実験時観察によるブレース曲げ

座屈時荷 (ebQO)，および図 12に示した水平荷重 ブレース

面外変位関係履歴曲線中に，各加カサイクルの最大荷重の接

線をひき，その接線の荷重軸 (y軸)との交点より求めた座

屈荷重 (ebQ.) を示す。また，表中には骨組 (crQy)およびブ

レース (BQy) の降伏耐力計算値とその合計耐力を示し，実

験値と比較した。実験値/計算値は， 1. OO~ 1. 07であり，計

算値は若干低めの評価を与えている。

Table 10 Strength of the frame with brace at

flexural buckling of the brace

実験値(kN) 実験値/計算値

試験 力日力 ebQO ebQg

計算値図 12

体 方向 観察に接線

cbQy(kN) eb Q，〆cbQy ebQ/cQy

よるから

正 131. 0 141. 0 1. 00 NO.1 131. 2

負 140.0

正 149.3 157.0 1. 03 No. 2 144.9

負 150.0

(2 )最大耐力

表 11に最大荷重 (cFQmax表4参照)と，骨組(CFQU)および

ブレース (BQU)の終局耐力の合計値 (cFQU)を比較して示す。

1. 07

1. 07

1. 08

1. 04

寺岡・仁保 ・掛・ 中本:単一山形鋼をブレースに用いたブレース付き鋼構造骨組の耐震性能に関する実験的研究 49

計算値に対する実験値の比は1. 11~ 1. 14 であり，計算値は

実験値を安全側に評価する結果となっている。この原因とし

て，プレースの座屈長さの評価およびプレース接合部耐力の

評価の精度が適切でないことが考えられる。この点について

は今後の検討課題としたい。

なお、図 6中には、先に示した降伏耐力および最大耐力レ

ベルを示した。

Table 11 Maximum strength of the frame with brace

試験体加力 実験値 計算値 実験値

方向 j町 (kN) crJikN) 計算値

正 181. 1 1.11 No. 1 163. 0

負 182. 2 1. 12

正 200.4 1.11 NO.2 180.9

負 207. 1 1. 14

4.4 ブレース付き骨組の水平荷重一層間変形関係の検討

4.4.1 初期剛性の検討

(1)骨組のみの弾性水平剛性

試験体上 ・下部の梁の岡iJ性は非常に大きいため，柱頭 ・柱

脚は固定端と仮定する。ヤング係数はフランジ素材の値を用

いた。また，せん断変形を求めるための形状係数は1.2，ポ

アソン比は O.3として計算した。

骨組のみの弾性剛性 FK=Q/d •.•.•.• . (5)

ここで， 8 = 8計七 8 層の全たわみ量 8s :曲げ変

位 8s せん断変形，である。

(2)ブレースのみの弾性水平剛性

ブレースの水平剛性は次式によって求める 2)。

プレースのみの弾性剛性:

Q=(互三ご~i X cos2 (J . . . . . . . . . . . . (6ノd l L )

ここで， E ヤング係数， A ブレースの断面積， L ブ

レースの長さ，である。

(3)ブレース付き骨組の剛性

ブレース付き骨組の弾性水平剛性は，骨組とブレースの弾

性水平岡IJ性を足し合わせたものとする。計算で求めたブレー

ス付き骨組の弾性剛性と，試験体No.1およびNO.2の水平荷

重一変形角関係包絡線とを比較して図 19に示す。

ブレース付き骨組の弾性水平剛性は、試験体 No.1および

No. 2の初期岡IJ性とほぼ一致している。

4.4.2 水平荷重ー層間変形角関係包絡線の検討

水平荷重一層間変形角包絡線に関して，先に示した耐力と

剛性を用いた計算値と，実験値とを比較して図 20に示す。

その際，圧縮ブレースの耐力は座屈後の安定耐力を考慮して

座屈荷重の 70%耐力を用いた 3)。

図から分かるように，計算値は実験値の特性をよく追跡し

ているが，最大耐力を若干小さめに評価している。

z

250

200

i長時 叩100

50

。。 10 20 30

層間変形角(x1O-3rad)

→←No.l ー←No.2 企ー骨組 吋・ープレース〈号l張、匡繍) ー←骨組+ブレース(圧縮、弓l張〉

Fig.19 Comparison of initial stiffness and

elastic stiffness of the frame with brace

2印 250

2叩 2∞ 面」正1印 ~150

相

51∞ ま1田キぐ ， 耗

印¥'./ 印

20 40 60 80 ∞ 20 40 60 80 叩日

層間査部角(x10-3 rad) 層間重臨角(x10-3 ra叫一 骨組 ヲレース旺錨)

ヲレース{引彊) 骨粗+ブレースE綿引張)匝 醐刷。1輔 釦

一骨粗 ーー ブレス{圧縮)プレース{習船 骨粗+プレース圧縮引張)

4 一院厳体制d実酸値)

(1) Specimen No. 1 (2) Specimen NO.2

Fig.20 Comparison of measured and calculated

envelope curves of lateral load -drift

angle relations

4.5ブレースの面外変位量と軸変位量との関係の検討

図21で示すように，弾性座屈後の状態に対して次の仮想、

変位を考える 6).7)。

L1 u = L1 ucsin互三 ・・・・・・・・・・・・のL

Z

X

Fig.21 Virtual displacement ムU

微小要素の軸方向長さを dzとみなせば，式(7)の仮想、変

位に対する軸方向変形L1wは次式のように得られる 6)，7)。

50 呉工業高等専門学校研究報告 第 72号(2010)

dffMdz=J77守 dz

= ucL1uc(Zr r(ωs子rdZ=弓ヂ ω

式(8)を積分すると，軸方向縮みW と部材中央の横たわみ

Ucの関係は次式により求めることができる 6)，7)。

干す(ラr両試験体のプレースの面外方向変位量と対角線方向変位

量との関係の実験値と，式 (9) による計算値とを比較して

図 22に示す。

計算に際し，Lはブレースの座屈箇所を考慮、して①プレー

ス両端の内側ボルト聞の距離(L=473mm)と，②ボルトとボノレ

トの中心から中心までの距離(L=533mm)の2つを考慮、した。

両試験体の包絡曲線実験値と計算値とは，ほぼ対応してい

る。また，今回の変位計取り付け位置でも近似した値を得る

ことができることがわかった。

100

Z40 2ま

田 m

"' 1 0 」当

γ、-20 ~ ~ ~ m m _

対角韓方向変位量m叫

| 重量瞳 ー・ 計耳置凶73酬 )→一計草直Lニ5珂m吋|

1∞ E

E ω 咽

唱 団融

巨

択 40

'" 圃 20

"' 10 ムT、

20

35 -25 -15 -5 15 25 35 対角輯方向変位量m叫

|一実腫直 +計算直 L~73m同，計算直(L=533m同|

(1) Specimen No， 1

目

函

い蜘一望

100

E印

刷

'"閃蜘

長 404正之丞

初回

"' 1 0 ム

I' -2C

35 -25 -15 -5 15 25 35

対角韓方向聖位量mm)

|一翼瞳直 4 計算直L=473m同十計算値(Lニ533m叫

(2) Specimen No， 2

Fig.22 Comparison of measured and calculated

envelope curves of lateral displacement -

axial displacement relations of the braces

~5 まとめ(1)ブレース付き骨組の検討結果から

①ブレース接合部に溶接補強を施すことで耐力、靭性の向上

がみられた。

②既往の評価式を用いて、耐力・岡IJ性の評価が概ね可能であ

った。

(2)ブレースの検討結果より

①試験体No，2は、保有耐力接合になっていた。

②既存の鋼構造物のブレース接合部に溶接補強を施すこと

は、保有耐力接合にするために効果的である。

③面外変位量を概ね評価できた。

謝辞

本研究を遂行するに当り、平成 21年度呉工業高等専門学

校建築学科本科卒業生赤瀬広幸、平満真之および山内亮太の

各氏の多大な協力を得た。ここに深甚なる謝意を表する。

引用文献並びに参考文献

1)社団法人 鋼材倶楽部 :地震 ・強風 ・豪雪による鉄骨構

造の被害と設計 ・施工の手引き、 E編 地震， pp17-148，

昭和 55年 2月

2)日本建築学会:鋼構造設計基準一許容応力度設計法 ，

2005，9.

3)日本建築学会:鋼構造座屈設計指針， pp，242-244，2000， 2.

4) 日本建築学会 : 鋼 構 造接合部設計指

童十，pp，206-216， 2001，11

5)日本建築防災協会-耐震改修促進法のための既存鉄骨建築

物の耐震診断および耐震改修指針 ・同解説(1996)、

pp，36-37，pp，47-48、 1996.9

6)小野薫、加藤渉:応用弾性学の基礎、 pp.216-217，コロナ

干土，昭和 23，11

7)井上一郎 :建築鋼構造の理論と設計、 pp.3-1O-3一11，京都

大学学術出版会， 2003.8