47-1
アンダーマッチング溶接により組み立てられた超高強度鋼 C F T 部材の
構造性能と設計法
一定軸力と 繰返し曲 げせん断 が作用する 片持ち柱 に関する 実験的検討
永山 啓太 表 1 試験体一覧 図 1 試験体詳細図 表2 鋼材の機械的性質 5000kN試験機 ロードセル(1000kN) 650 1 0 00 8 25 変位計 h=D/2 h=D h=2D 2軸ゲージ 3軸ゲージ 1 0 00 ( 60 0 ) 8 2 5( 4 2 5) 1 2 3 4 5 6 7 8 8 1 . 序 近年，引張強さ 800N/mm2～ 1000N/mm2の超高強度鋼を 用いて，震度 7 クラスの地震に対しても無損傷の建築 構造物の実現を目指し様々な研究が行われており，超 高強度材を用いた C F T 部材の実物件への適用事例も報 告されている． 超高強度鋼を用いた溶接組立材には，一般に母材強 度と同等以上の強度を溶接部に与えるオーバーマッチ ング溶接( 以降，OM ）が適用されるが，OM は鋼材および 溶接材料の割れ防止の予熱・後熱や，溶接部の強度確 保のための入熱・パス間温度の制限が厳しく，溶接加 工効率の低下を招き，超高強度鋼の普及を阻害する要 因となっている． それに対し，現在では，溶接部に母材よりも低強度 な溶接材料を用いるアンダーマッチング溶接( 以降， U M ）に関する研究が進められている．しかし，コンク リート充填鋼管（以降，CFT ) 柱に UM を用いた研究はほ とんど行われていないのが現状である． そこで，本研究では，U M を用いて組み立てられた超 高強度鋼 C F T 部材を対象とし，その構造性能の実験的 図２ 載 荷装置 な把握と設計法の確立を目的とする．本論では，柱角 溶接部強度をパラメーターとした一定軸力と繰返し曲 げせん断が作用する超高強度鋼 C F T 柱材の実験を行い， その力学的挙動を明らかにするとともに，耐力評価法 について検討する． 2 . 実験計画 2 . 1 試験体 本研究の試験体詳細図を図 1 に示す．試験体は H -SA700 鋼板の溶接組立による箱型断面柱に 75 N/mm2の高 強度コンクリートを充填した C F T 柱 2 体である．試験 体の断面形状は□ -250 × 250 × 9，lk/D は 8，軸力比を 0 .4 とした．なお，コンクリート充填鋼管構造設計施工 指針１)（以降，CFT 指針)では，4 ＜l k/D ≦ 12 の柱は中柱 に分類されている．試験体柱角部は完全溶け込み溶接 とし，パラメーターである溶接条件の比較のため溶接 材料のみ異なる試験体をそれぞれ製作した．溶接材料 鋼種 降伏点 (N/mm2) 引張強さ (N/mm2) 伸び (％) H-SA700B 797 824 24.5 MG-50 520 625 30.4 MG-S88A 786 989 21.2 角形鋼管柱材 □-250x250x9 1 0 0 0 5 0 0 GL 2 9 1 8 5000kN試験機 ロードセル(1000kN) Iビーム 1 4 1 8 7 8 5 4 0 50 1 25 試験体 断面 B×D mm 板厚 t mm 幅厚比 B/t 鋼種 コンクリート強度 Fc N/mm2 高さ ho mm lk/D 軸力比 N/No 溶接条件 CNH-250U 250×250 9 27.8 H-SA700B 75.4 1000 8 0.40 U CNH-250O O47-2 はアンダーマッチング溶接が MG-50，オーバーマッチン グ溶接が MG-S88A である．試験体の柱部分と基礎スタブ は柱通しにより接合した．コンクリートは柱部分およ びスラブ内鋼管部分に充填した． 表 1 に試験体一覧を，表 2 に溶着金属を含む鋼材の 機械的性質を示す． 2 . 2 載荷方法及び測定方法 図２に載荷装置を示す．また，測定装置については 図１に併せて示している．載荷方法は，試験体の柱上 端をピン支持となるように設置し，上部の 5 0 0 0 ｋ N 試 験機からピンを介して所定の軸力を導入する．その軸 力を導入した状態で，柱上端に水平力の載荷を行った． 図 3 に本実験の載荷プログラムを示す．水平力は基 礎梁上面から水平力載荷点までの部材変形角 R で制御 し，R= ± 0.5％から 2 サイクルごとに 0.5％ずつ漸増さ せる正負交番漸増載荷とした． ここで，δは補正後の水平力載荷点の変位，δxはx 番変位計計測値，h は基礎スタブ上面から水平力載荷 図 3 載荷プログラム -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 水 平 力 (k N ) 部材角 (%) 局部座屈 cK1 (CFT指針) 角溶接部 破断 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 水 平 力 (k N) 部材角 (%) 局部座屈 cK1 (CFT指針) 角溶接部 破断 測定方法は，図１に示す１から８の変位計で行った． 変位計１，２において軸方向の縮みを，５により基礎 スタブ上面から水平力載荷点までの部材角 R o を測定 し，さらに，変位計３，４により、基礎スタブの面外 変形による回転性分を測定し、部材角の補正を以下に 示す式で行った． ( ａ) C N H - 2 5 0 U （ｂ）C N H - 2 5 0 O 図 4 水平力 - 部材角関係 = 5 ℎ − ( 3− 4) ∙ ℎ (1.1) = ℎ (1.2) -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 4 8 12 16 20 24 部材角 (% ) 回数（回） 点までの距離，b は変位計３，４の中心間距離である． また，変位計６は既往研究との比較，７は試験体と 架台のずれを測定するために設置した．変位計８は， 局部座屈を確認することを目的に，鋼管のフランジ面 からウェブの開きを測定した．鋼管表面のひずみは， 柱軸に沿った断面のうち，フランジ部に 2 軸ゲージを ４カ所（下端，下端より 0.5D，1.0D，上端），およびウェ ブ部に 3 ゲージを 1 カ所（下端より 2.0D）の計 5 カ所に おいてひずみゲージにより測定した． 3 . 実験結果 3 . 1 荷重 - 変形関係及び破壊性状 図 4 に水平力 - 部材角関係，図 5 に軸変位 - 部材角関 係，写真 1 に両試験体の破壊状況を示す．図 4 にはコ ンクリート充填鋼管（C F T ）造技術基準・同解説の運用 及び計算例等2 )（以降，新都市指針）に基づく初期剛性 計算値ｃＫ1を併せて示している． 試験体 CNH-250U は部材角 R=1.5% までほぼ弾性挙動を 示し，部材角 R=+2.0% で最大耐力を記録後，柱脚部圧縮 側フランジに局部座屈が生じた．また，R=+3.0 % の 1 サ イクル目で局部座屈が全周に進展した後，R ＝ - 3 . 5 ％ １サイクル目で局部座屈が生じた範囲で鋼管角溶接部 が破断した． 試験体 CNH-250O も部材角 R=1.5% までほぼ弾性挙動 を示し，R=+2 .0% で柱脚部圧縮側フランジに局部座屈 が生じた．また，R = +3 . 0 ％１サイクル目で局部座屈が
47-3 表 4 降伏耐力及び終局耐力 全周に達した後，R=-3.0% の 1 サイクル目に柱脚の局 部座屈が生じた範囲で鋼管角溶接部が破断した． 図５から，両試験体とも水平載荷の繰り返しとも に軸変位は徐々に増大していき，柱脚に局部座屈が 生じたあとは，局部座屈の進展とともに軸変位が増 大している． 3. 2 初期剛性 表 3 に初期剛性の実験値と計算値の比を示す．初期 剛性実験値は R=0.25% 時の割線剛性とした．また，計算 値ｃK はコンクリート部分と鋼管部分の弾性剛性を累加 した次式で求めた． ｃ = 1 1 ｂ+ 1 ｓ (2.1) ｂ= 3 ｓ ｓ +ｃ ｃ ⁄ (2.2) 3 ｓ= ｓ ｗ +ｃ ｃ ｘ ⁄ (2.3) ここで，Kｂは曲げ剛性，Kｓはせん断剛性，E はヤング 係数，I は断面二次モーメント，A は断面積，L は変形 長さ，ｘは形状係数（ｘ＝ 1 . 5 ）である． 両試験体とも初期剛性実験値は新都市指針に基づく 計算値より２～３割程度低い値となった．また，充填 図 5 軸変位 - 部材角関係 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 軸 変 位 ( m m) 部材角 (%) 局部座屈 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 軸 変 位 ( m m) 部材角 (%) 局部座屈 写真 1 破壊状況 ( ａ)CNH-250U （ｂ）CNH-250O 表 3 初期剛性 コンクリートについて引張側は弾性剛性に寄与しない という仮定で初期剛性を算定した場合，計算値は実験 値を 1 割程度の誤差で評価した． 3.3 耐力評価 表 4 に降伏耐力及び終局耐力を示す．実験値①，③ は柱脚に生じるモーメントであり，実験値②，④は水 平力と柱高さを掛けたもの（P- δモーメントを考慮）で ある．計算値①，④は CFT 指針（短柱評価式），計算値 ②，⑤は新都市指針に従い求めた曲げ耐力式である． 計算値②，⑤ではコンクリートのコンファインド効果 を考慮している．また，計算値③，⑥は C F T 指針に従 い求めた中柱の曲げ耐力式である．ここで，既往の耐 力評価式は C F T 指針，新都市指針に準ずる． 降伏耐力実験値は接線剛性が初期剛性実験値eK の 1 / 3 となる時の耐力とした．降伏耐力計算値①，②はいず れの試験体も実験値①を 3 割程度過小評価した．計算 値③については，CNH-250Uで 3 割程度，CNH-250Oで 4 割程 度過小評価した．また，降伏耐力実験値はCNH-250Uが CNH-250Oに比べ 5％程度小さい． 終局耐力計算値④は，CNH-250Uでやや過大評価である が，CNH-250Oと良い対応を示した．また，計算値⑤はい ずれの試験体も 1 割程度過大評価した．計算値⑥につ いては，いずれの試験体も 1 ～ 2 割程度安全側に評価 した．降伏耐力と同様，終局耐力実験値はCNH-250Uが CNH-250Oに比べ 5％程度小さい． 表 5 に CFT 指針の使用材料の適用範囲外の評価式（CFT 指針に記載）に基づく計算値と実験値の比較を示す． 算定式は以下に示す通りである． 試験体 降伏耐力 終局耐力 実験値 ① 計算値① (CFT指針) 短柱 計算値② (新都市指針) 実験値 ② 計算値③ (CFT指針) 中柱 実験値 ③ 計算値④ (CFT指針) 短柱 計算値⑤ (新都市指針) 実験値 ④ 計算値⑥ (CFT指針) 中柱 kN・m kN・m kN・m kN・m kN・m kN・m kN・m kN・m kN・m kN・m CNH-250U 554 426 1.30 432 1.28 503 382 1.32 707 749 0.94 822 0.86 627 551 1.14 CNH-250U 577 426 1.35 432 1.34 526 382 1.38 749 749 1.00 822 0.91 659 551 1.20 ( ａ)CNH-250U （ｂ）CNH-250O 試験体 実験値 (新都市指針)計算値① 計算値② (新都市指針) ※コンクリート圧縮のみ kN/mm2 kN/mm2 kN/mm2 CNH-250U 54.4 74.0 0.74 61.2 0.89 CNH-250O 56.0 74.0 0.76 61.2 0.92
47-4 図 6 M - N 相関曲線 （ａ） 断面耐力評価式 （ｂ） 中柱評価式 ここで，N は軸方向力，M は曲げモーメント，D は部 材のせい，B は部材の幅，xｎはコンクリートの圧縮縁 から中立軸までの距離，σは垂直応力，ｃσB はコンク リートのシリンダー強度，ｔは板厚，k1，k2，S は高強 度材料の影響を考慮し，CF T 部材の曲げ耐力低減のため に乗ずる係数である． 前述の評価式を用いることで，いずれの試験体も終 局耐力実験値を精度よく評価できた． また，図 6 に M-N 相関関係と実験値の関係を示す．図 5 にはR=0.5，1.0，1.5% 時の実験値及び最大耐力を示す． 図中の実験値で軸力にややばらつきが見られるのは， 試験機による導入軸力に変動があったためである． 4 . 結論 以上，本研究では，アンダーマッチング溶接により 組み立てられた超高強度鋼 C F T 柱材の一定軸力下繰り 返し曲げせん断実験について述べた．以下に，本実験 で得られた知見について記述する． １）試験体 CNH-250U と試験体CNH-250Oは，局部座屈発生 時まで同様の挙動を示し，いずれも角溶接部の破断に -終局耐力算定式(CFT指針適用範囲外)- = + (3.1) = + (3.2) = 1∙ ∙ ∙ (3.3) = 1∙ ∙ ∙ 2 − 2∙ (3.4) = ( − 1) + 2 ( + 1) − 2 (3.5) = ( − 1)( − ) 2 + ( + 1) − (3.6) 1= 0.831 − 0.076 42 (3.7) 2= 0.429 − 0.010 42 (3.8) ⎝ ⎛ ⁄ ≤ 1.5 23 1000 ⁄ のとき ⎠ ⎞ = 1 (3.9.1) ⎝ ⎛ ⁄ > 1.5 23 1000 ⁄ のとき ⎠ ⎞ = 1 0.698 + 0.128 4.00 6.97⁄ (3.9.2) 2= ( ⁄ ) (3.10) より破壊に至ったが，試験体CNH-250Uの方が靱性に優れ ていた． ２）降伏耐力及び最大耐力は，ともに試験体CNH-250Uが 5 % 程度小さい． ３）試験体の断面耐力について，既往の降伏耐力評価 式（CFT 指針，新都市指針）は，いずれの試験体も 3 割 程度過小評価した． ４）既往の終局耐力評価式は，実験値を概ね精度良く 評価したが，試験体CNH-250Uをやや過大評価した． ５）既往の中柱評価式は，降伏耐力，終局耐力ともに 安全側に評価した． 参考 文献 １）日本建築学会：コンクリ―ト充填鋼管構造設計施 工指針，2008.10 ２）新都市ハウジング協会：コンクリート充填鋼管 （CFT）造技術基準・同解説の運用及び計算例等，2014.3 表 ５ 終局耐力（適用範囲外評価式） 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 N ( kN ) M (kN・m) CFT指針短期耐力 (中柱） CFT指針終局耐力 (中柱） CNH-250U CNH-250O 0.5％ 1.0％ 1.5％ 最⼤耐⼒ 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 N ( k N ) M (kN・m) CFT指針終局耐力（適 用範囲外） CFT指針短期耐力(短 柱） CFT指針終局耐力（短 柱） 新都市指針短期耐力 新都市指針終局耐力 CNH-250U CNH-250O 0.5％ 1.0％ 1.5％ 最⼤耐⼒ 試験体 終局耐力 実験値 計算値 (CFT指針) 適用範囲外 kN・m kN・m CNH-250U 707 707 1.00 CNH-250O 749 707 1.06
