Basic study on single shear bolted connections applicable to buckling-restrained braces

• Project/Area Number: 22K20471
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0304:Architecture, building engineering, and related fields
• Research Institution: Hokkaido Research Organization
• Principal Investigator: 高島 将人 地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 建築研究本部 北方建築総合研究所, 研究職員 (60964054)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 鋼構造 / 座屈拘束ブレース / 一面摩擦接合 / 偏心 / 繰返し載荷試験

Outline of Research at the Start

制振部材である座屈拘束ブレース（以下、BRB）の接合部には、二面摩擦接合を採用することが多いが、必要となる接合部材が多いため施工性が低く、鋼材使用量が多いというデメリットがある。一方で、一面摩擦接合は、二面摩擦接合に比べ接合部材が大幅に減るため、施工性の向上に期待ができる。しかし、接合部に偏心が生じるという力学的な課題があるため、これまでBRBには用いられていない。
本研究では、接合部の繰返し載荷実験を行い、一面摩擦接合部の偏心が耐力と変形性能に及ぼす影響を解明することで、BRBに適用できる一面摩擦接合部の最適な形状を提案する。提案する一面摩擦接合部は、施工の合理化に大きく貢献できる。

Outline of Annual Research Achievements

一面摩擦接合された座屈拘束ブレース接合部を対象として、理論的に圧縮耐力を評価し、試験体の設計を行った。圧縮耐力評価値は、既往文献を参考にガセットプレートの可撓領域と芯材端部の縮み代を回転ばねに置換した剛体-ばねモデルを用いて、力の釣合から算出した。2つの回転ばねが塑性ヒンジになるときの軸力を圧縮耐力としたが、パラメータの設定によっては、塑性ヒンジが2つ形成された時に力の釣合状態を満たす軸力が存在しない場合が確認されたため、評価式はさらなる検討が必要である。提案する一面摩擦接合部では、リブを用いて接合部を補強したこと、ガセットプレートとブレースの材軸を一致させ偏心圧縮を防止したことによって、圧縮耐力評価値は想定する芯材の降伏荷重よりも十分大きくなり、接合部で生じる首折れ座屈を防止することができると予測された。
一面摩擦接合は二面摩擦接合に比べて接合面が半分になりボルト1本あたりのせん断耐力は半分になるが、ボルトサイズを調整することにより、ボルト全体のせん断耐力を同等に設計した場合でも、両者の接合部長さを等しくできることが分かった。接合部の長さを同等に設計した試験体において、一面摩擦接合と二面摩擦接合の鋼材使用量を積算した結果、部材ごとの使用鋼材量は異なるものの、その総量は概ね等しくなった。ただし、一面摩擦接合は二面摩擦接合に比べ部材数が少ないため、施工性の点で有利である。また、この結果は、接合部の長さを実験のパラメータから除くために、ボルトピッチを調整して一面摩擦接合と二面摩擦接合の試験体の長さを等しくしたことによって生じたものである。そのため、標準ボルトピッチを採用した一般的な寸法の接合部では、一面摩擦接合部の方が使用鋼材量を抑えることができると考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画調書に記載した内容のうち、接合部の載荷試験については試験体の設計が完了しており、使用鋼材量の検討については設計した試験体について実施した。鋼材価格の高騰などにより、試験体及び治具の製作費用が研究予算よりも高額になったため、それらの設計について修正が必要となり、R4年度は載荷試験を実施することはできなかった。ただし、現時点において試験体は発注済であることから、R5年度中に予定する載荷試験は実施できると見込まれるため、進捗状況は概ね順調と判断した。

Strategy for Future Research Activity

R4年度に設計した試験体について載荷試験を実施する。一面摩擦接合の偏心量やガセットプレートの剛性が圧縮耐力に与える影響を確認する。また、提案する一面摩擦接合部が従来の二面摩擦接合部と比較して、同等の圧縮耐力を有することを確認する。これらの試験結果から、座屈拘束ブレースに適用可能な一面摩擦接合部の最適なディテールを検討する。さらに載荷試験で得られた圧縮耐力と理論的検討から得られた圧縮耐力評価値を比較して、評価手法の妥当性を検討する。また、標準ボルトピッチを採用した一般的な大きさの接合部について、一面摩擦接合と二面摩擦接合の使用鋼材量を比較する。
研究計画では接合部の繰返し軸方向載荷試験を実施するとしていたが、圧縮載荷試験に変更することとした。これは、試験体を設計する際にボルトの縁端距離などの理由から、試験体サイズを十分に小さくすることができず、試験体の引張耐力が治具・ジャッキの容量よりも大きくなると考えられたからである。但し、ブレースの耐震性能を低減させる大きな要因である首折れ座屈は圧縮により生じるため、圧縮載荷試験でも研究の目的とする一面摩擦接合部の性能の検討は可能であると判断した。また、研究経費を勘案して試験体の数量を当初予定していた16体から8体に変更したが、研究計画において記載した試験体パラメータ（ブレース-ガセット間の偏心量、ガセットプレートのサイドスチフナの有無）については設計した試験体に反映できているため、研究目標は達成できると考えられる。