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乾式工法で組積したブロック壁を摩擦ダンパーとして用いる場合に
適する主体構造との接合方法に関する研究
吉永 哲大 １．序 本研究はコンクリートブロックを乾式組積した壁 体を，鉄骨ラーメン構造などの比較的剛性の低い建築 物の制振壁として利用する方法の開発を目的として行 っている．この制振壁に用いるコンクリートブロック 壁はモルタルなどの接着剤を用いずに，乾式工法で組 積する．これによって，分別解体が容易となり，解体 で得られた材料はリユースやリサイクルが可能となる． 本研究では，これまで検討してきた乾式ブロック造 制振壁と主体構造との新たな接合方法（以下，新接合 法）を考案した．また，新接合法を用いた制振壁と鋼 材の柱梁フレームを組み合わせた試験体の繰り返し水 平載荷実験を行い，その基本性状を調べた．加えて， 既往の研究 1)で検討した制振壁と新接合法の性状を比 較し，最適な接合方法を検討した． ２．新接合法による乾式ブロック造制振壁 所属する研究室ではこれまで，資源循環に寄与する 建築構造体として，乾式ブロック造制振壁を考案し1)， その基本性状の把握や設計施工マニュアルの検討を行 ってきた．しかし，これまで提案された制振壁は壁体 の積み上がり高さの誤差や水平変形に伴う柱梁フレー ムの鉛直方向の変位の影響を受ける面を摩擦面として いた．そのため摩擦接合面において導入プレストレス 以外の抵抗要素の影響を受けやすかった． 写真 1 に新接合法による制振壁の状況を，図 1 に新 接合法の概要を示す．今回提案する新接合法の施工手 順を以下に示す． ＜新接合法の施工手順＞ ① ブロック壁体を構築する1)． ② 壁体に壁体接合用山形鋼（以下，下部アングル） を固定する． ③ 柱梁フレームの梁 H 形鋼下部に梁接合用山形鋼 （以下，上部アングル）を仮止めする．上部アン グルは柱梁フレームの面外方向に固定位置を微調 整できる長孔を有する． ④ 上部アングル及び下部アングルの所定の孔へ水平 方向に M12 のボルトを通しながら，ECC ブロック を下部アングルの両面に挟み込む．下部アングル には柱梁フレームの上下動にも対応できるような 長孔を設けている．このとき，前述の上部アング ルの長孔により，背面 ECC ブロックを二つのアン グル間で密着するように調整する． ⑤ 梁 H 形鋼と上部アングルを固定する．内側の ECC ブロックに抑え用の角座金を取り付け，固定する． ⑥ 溝形鋼を上部アングルに固定する． ⑦ 固定用鋼板を溝形鋼と M12 ボルトに固定する． ⑧ 上部アングルの外側にロードセルを設置し，摩擦 接合部における導入プレストレスを管理する． 写真 1 新接合法による制振壁の状況 図 1 新接合法の概要 82 120 240 240 120 720 82 60 120 120 120 120 120 60 (b) 施工手順⑤・⑥・⑦・⑧の概要 82 120 240 240 120 720 82 60 120 120 120 120 120 60 下部アングル 上部アングル ※長孔による 位置調整が可能 M12 ボルト ECC ブロック （正面） ECC ブロック （背面） ECC ブロック 抑え座金 溝形鋼 固定用鋼板 ロードセル (a) 施工手順①・②・③・④の概要 長孔66-2 ３．実験概要 試験体の構成要素のうち，接合 用山形鋼（上部・下部）を図 2 に， 溝形鋼を図 3 に，ブロック壁に挿入 する水平補強鋼板を図 4 に，コンクリートブロックを 図 5 に示す．使用するコンクリートブロックの全面圧 縮強度は 26.9N/mm2である． 接合用山形鋼はいずれも SS400 で黒皮の等辺山形鋼 を使用した．溝形鋼は SS400 で黒皮のものを用い，ね じれ防止のため厚さ 6mm のスチフナを溶接した．摩 擦接合部に通す M12 ボルトの振れ止めに用いる固定 用鋼板は SS400 で黒皮のものとした．摺動材となる ECC ブロックは厚さが 12mm で圧縮強度が 34.4N/mm2 のものを作製した．ECC ブロックを抑える角座金は厚 さ 12mm で SS400 の黒皮のものを用いた． 試験体の形状，載荷位置及び変位測定位置を図 6 に 示す．試験体はコンクリートブロックを長手方向に 3 個並べた長さで，高さ方向に 6 層，破れ目地状に組積 した．この壁体と，接合部がピンの鋼製門形フレーム を接合した．接合手順は前述の通りとした．フレーム は柱，梁ともに SS400 で黒皮の H 形鋼 250×250×9× 14 を使用した． 試験体の構成を図 7 に示す．ブロック壁の各層のボ ルトに与えたプレストレスは，下から 1～3 層目に 7.0kN/本，4～6 層目に 10.0kN/本とし，摩擦接合部に 与えるプレストレスはロードセルで管理して，これを 実験変数とした．実験変数は表 1 に示す通りとした． 実験は，試験体の梁端部（図 6 の白矢印位置）に 2 つのピンジョイントを介して動的アクチュエーターを 接合し，繰り返し水平載荷を行った．試験体は，表 1 に示す計 8 種類とした．加力は，振動数 0.2Hz の正弦 波形で片振幅 12mm，24mm，36mm，24mm，12mm の 強制変位を各 10 サイクルずつ与えた．各試験体は，プ レストレスが小さい試験体の載荷が終了した後，接合 部のプレストレスを次の試験体の値まで増し締めする ことによって作製し，実験を行った． BA1-3 1kN×3本（プレストレス合計値：3kN） 12，24，36，24，12 -BA2-3 2kN×3本（プレストレス合計値：6kN） 〃 -BA3-3 3kN×3本（プレストレス合計値：9kN） 〃 -BA4-3 4kN×3本（プレストレス合計値：12kN） 〃 ダブルナット（外側） BA5-3 5kN×3本（プレストレス合計値：15kN） 〃 ダブルナット（両側） BA6-3 6kN×3本（プレストレス合計値：18kN） 〃 ダブルナット（両側） BA7-3 7kN×3本（プレストレス合計値：21kN） 〃 ダブルナット（両側） BA8-3 8kN×3本（プレストレス合計値：24kN） 〃 ダブルナット（両側） 試験体名 実験変数（接合部の導入プレストレス） 加振片振幅（単位：mm） 備考 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 40 48 100 52 120 240 240 120 720 120 240 240 120 720 200 48 100 52 200 46 82 72 200 40 40 上面 上面の図 上面の図 上面 6- 100 6-20 30 50 48 120 120 120 75 75 150 47 103 150 150 75 75 (a) 上部アングル（L-200×200×t15） 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 40 48 100 52 120 240 240 120 720 120 240 240 120 720 200 48100 52 200 46 82 72 200 40 40 上面 上面の図 上面の図 上面 6- 100 6-20 30 50 48 120 120 120 75 75 150 47 103 150 150 75 75 (b) 下部アングル（L-150×150×t15） 図 2 接合用山形鋼（上部・下部） 図 3 溝形鋼（C-50×100×tw5×tf7.5） 図 4 水平補強鋼板 (a) 基本タイプ (b) 1/2 タイプ 図 5 コンクリートブロック 60 120 60 240 60 60 120 50 70 120 50 70 120 60 60 120 60 60 120 50 70 120 50 70 120 60 120 60 240 60 60 120 50 70 120 50 70 120 60 60 120 60 60 120 50 70 120 50 70 120 (a) プレート A 60 120 120 55 355 60 120 120 120 120 120 60 720 50 50 100 50 50 100 (b) プレート B 60 120 120 55 355 60 120 120 120 120 120 60 720 50 50 100 50 50 100 載荷位置 ：水平変位測定位置 1107 82 図 6 試験体の形状，載荷位置及び水平変位測定位置（単位：mm） 表 1 試験体の種類 プレートA×1枚 プレートB×2枚 プレートB×2枚 層 導入プレストレス （kN/本) 1 2 3 4 5 6 7.0 7.0 7.0 10.0 10.0 10.0 「実験変数」（kN/本） ※ロードセルにより， 導入プレストレスを 管理 図 7 試験体の構成 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 60 120 120 120 120 120 60 40 48 100 52 120 240 240 120 720 120 240 240 120 720 200 48 100 52 200 46 82 72 200 40 40 上面 上面の図 上面の図 上面 6- 100 6-20 30 50 48 120 120 120 75 75 150 47 103 150 150 75 75 ロードセル
66-3 ４．実験結果及び考察 図 8 に水平荷重-変形角関係を，図 9 に見かけの摩 擦係数-累積水平変位関係を，図 10 に張力保持率-累積 水平変位関係を示す．見かけの摩擦係数とは水平荷重 を，その時点の接合部のボルト張力合計値の 2 倍で除 した値であり，見かけ上の値である．張力保持率とは， 載荷前の接合部のボルト張力合計値に対する載荷中の 同値の比である．図 8～図 10 は見やすくするために載 荷前半の片振幅 12mm，24mm，36mm の各 10 サイク ルずつの結果を示している．また，図 8 における水平 荷重は引張時を正，圧縮時を負として示している． 今回，BA8-3 試験体以外の 7 試験体は想定した摩擦 面で滑りを生じさせることができた．図 8 より，履歴 曲線は導入張力が小さいほど，また変形角が小さいほ ど概ね剛塑性型となった．また，各試験体は変形角の 増加に伴い，水平荷重が増大する傾向が見られた．こ れは，加力方向の偏心により，接合用山形鋼にねじれ が生じ，接合部両端への負荷が増大したことが一因と 考えられる．図 9 より，見かけの摩擦係数は，導入プ レストレスを増加させるほど，安定する傾向にある． これは，導入プレストレスが比較的小さい段階では， 外側の ECC ブロックは全面に材間圧縮力が伝わって いないことが一因と考えられる．ブロック壁体の水平 耐力以下の範囲で，導入プレストレスは可能な限り高 くするのが望ましい．図 10 より，各試験体とも載荷の 進行に伴い，導入プレストレスが減少している．これ は，今回の力学特性を有する ECC ブロックを本制振壁 の摺動材に用いるには，耐摩耗性が十分でなく，摺動 による摩耗が生じたためと考えられる．耐摩耗性の十 分な材料の検討と，ダブルナットのみならず，ボルト
(a) BA2-3 試験体 (b) BA4-3 試験体
図 8 水平荷重―変形角関係
(a) BA2-3 試験体 (b) BA4-3 試験体 (c) BA6-3 試験体
図 9 見かけの摩擦係数―累積水平変位関係 0 20 40 60 80 100 120 140 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 張力 保持率（ %） 累積水平変位（mm） 0 20 40 60 80 100 120 140 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 張力 保持率（ %） 累積水平変位（mm） 0 20 40 60 80 100 120 140 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 張 力 保 持 率（% ） 累積水平変位（mm）
(a) BA2-3 試験体 (b) BA4-3 試験体 (c) BA6-3 試験体
図 10 張力保持率―累積水平変位関係 (c) BA6-3 試験体 -30 -20 -10 0 10 20 30 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 水 平 荷 重 （kN） 変形角（%） -30 -20 -10 0 10 20 30 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 水 平 荷 重（ kN ） 変形角（%） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 見 か け の摩擦 係 数 累積水平変位（mm） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 見か けの摩擦 係数 累積水平変位（mm） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 見 か け の摩 擦 係 数 累積水平変位（mm） -30 -20 -10 0 10 20 30 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 水 平 荷 重 （kN） 変形角（%）
66-4 の緩みを防止する更なる対策が必要である． 図 11 に BA8-3 試験体の水平荷重―変形角関係を示 す．BA8-3 試験体は摩擦接合面が摺動せず，壁体上部 が接合部とともに変位し，壁体にひび割れが生じた． 同図には，既往の研究で提案されたブロック壁体の水 平耐力算定式 2)による壁体耐力予測値を併せて示して おり，その値は 16.4kN である．実際の水平耐力は 25.6kN となり，算定式による予測値は 36%の過小評価 となった． ５．既往の研究における制振壁と新接合法の性状比較 文献 1)で検討した制振壁①と②新接合法の性状を比 較・検討する．比較には載荷前半の片振幅 12，24，36mm の結果を用い，変形角を求めて検討した． 図 12 は制振壁①と②新接合法の各試験体が受けた 水平荷重（平均値）を比較したものである．図 13 及び 図 14 には①と②の試験体のうち，導入プレストレスの 合計値が 12kN で等しい試験体の実験結果を比較し， 図 13 には見かけの摩擦係数の比較を示す．また同図に は，各変形角段階における見かけの摩擦係数の最小値 と最大値を併せて示している．図 14 には張力保持率の 比較を示す． 図 12 より，制振壁①は導入プレストレスを増加させ るほど受ける水平荷重が増加しているが，新接合法は 高いプレストレスを与えた試験体が受ける水平荷重が， 与えたプレストレスに比例して増加していない．図 13 より，見かけの摩擦係数は①と②ともに載荷で与える 変形角の増大に伴い，変動が大きくなる傾向を示して いる．また，図 14 より，新接合法と制振壁①は与える 変形角の増大に伴って同様の張力減少傾向を示してい る．新接合法は導入プレストレスの減少を抑制して滑 り耐力を保持することと，見かけの摩擦係数の変動を 抑制することが課題といえる． ６．結 本研究では，提案する乾式ブロック造制振壁の摩擦 接合面の課題に対応する新接合法を考案し，実験によ りその基本性状を調べた．また，既往の研究で検討し た制振壁と新接合法の性状を比較し，最適な接合方法 を検討した．得られた知見と今後の課題を以下に示す． ＜本研究で得られた知見＞ （１）新接合法による制振壁は，導入張力が比較的小 さく，載荷で与える変形角が小さい範囲では概 ね剛塑性型の履歴特性を示した． （２）新接合法は，今回検討した構成では高いプレス トレスを与えても，それに伴って試験体が受け る水平荷重の増大はほとんど見られなかった． ＜今後の課題＞ 摩擦接合部における導入張力の緩和防止策の検討， 耐摩耗性の高い摺動材の検討，及び接合部と加力の中 心位置の偏心の解消などが挙げられる． 謝辞 本研究の遂行にあたり，文部科学省科学研究費補助金（基盤研究 （A），課題番号：26242034，研究代表者：川瀬 博）の助成を受 けた．末尾ながら記して謝意を示す． 参考文献 1)吉永哲大：摩擦抵抗型乾式ブロック造制振壁の繰り返し水平載 荷実験，九州大学卒業論文，2013 年 2 月 2)黒田亮太郎：摩擦抵抗型乾式組積構造を利用した制振壁の開発 に関する研究，九州大学修士論文，2011 年 2 月 図 11 水平荷重―変形角関係 (BA8-3 試験体) 図 13 見かけの摩擦係数の比較 図 14 張力保持率の比較 -40 -20 0 20 40 -1 -0.5 0 0.5 1 水平荷重（kN） 壁体耐力予測値(kN） 水 平 荷 重 （kN） 変形角（%） 図 12 水平荷重の比較 0 10 20 30 40 50 0 1 2 3 4 ①：BA1-4 ①：BA2-4 ①：BA3-4 ①：BA4-4 ①：BA4-6 ①：BA4-8 ①：BA4-10 ②：BA1-3 ②：BA2-3 ②：BA3-3 ②：BA4-3 ②：BA5-3 ②：BA6-3 ②：BA7-3 水 平 荷 重 の平 均 値 （k N） 変形角（%） 0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 制振壁① 新接合法 張 力 保 持 率（ %） 変形角（%） 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 1 2 3 4 制振壁①：平均値 制振壁①：最小値 制振壁①：最大値 新接合法：平均値 新接合法：最小値 新接合法：最大値 見 か け の摩 擦 係 数 変形角（%）
