広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 113-119

論

文

一定軸力下の露出柱脚に関する実験的研究
高松 隆夫 ・玉井 宏章 ・山西 央朗(平成19年10月31日受理)

Experimental Study on Exposed Column-Base under Constant Column Axial-Force

Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI and Teruaki YAMANISHI(Received Oct.31,2007)

Abstract
An anchor-bolt-yield-type column base shows slip-type restoring force characteristics. Thecolumnbase subjected to constant axial and cyclic horizontal forces shows more complicated characteristics.
An experimental studyon the column bases under constant axial-force and cyclic bending was carriedout. The following conclusions were obtained from the loading tests:
1) Three types of resistant mechanisms of the column base under constant axial-force were classified
to evaluate the strength and the elastic rotational stiffness.
2) In the case of axial-tension N＝0.3Ny,the restoring force characteristics of the column base wereobtained combined all types of the resistant mechanisms.
3) In the case of axial-tension N＝0.6Ny, the restoring force characteristics became perfectly
elasto-plastic curves without slip behavior.
Key Words: exposed column-base,restoring forcecharacteristics,axial-force,anchor-bolt-yield-type

復元力特性モデルの定式化等については行っていない。

１．はじめに

これまでに，著者等は，一定圧縮軸力を受ける露出柱脚

中柱の柱脚においては，地震時でも，一定圧縮力が作用の実験的研究を行っており，実験結果に良く対応する復元すると仮定できる場合がある。しかしながら，側柱におい力特性モデルを提案している６)。また，変動軸力を受ける露ては，地震時には変動軸力が作用するのが一般的であり，出柱脚の復元力特性モデルは圧縮軸力下では一定圧縮軸力引張力が作用する場合もある。更に，ブレースが取り付くを受ける柱脚のモデルにより求められることが報告されて柱脚においては，ブレース軸方向力が作用するために，よいる４)。

り大きな変動軸力を慮しなければならない。変動軸力をそこで，変動軸力を受ける柱脚の復元力特性モデルを提１〜４)。

案するために，まず，本報告では，一定軸力下の露出柱脚

しかしながら，引張軸力下における履歴性状について詳しの繰返し水平力載荷実験を行うことにより，軸力の大きさ慮した露出柱脚の研究はいくつか報告されている
５)

く検討はされていない。一方，九谷・増田 は，一定圧縮・による復元力特性の違いを明らかにする。特に，一定引張引張軸力下の繰返し載荷実験結果を示しているものの，終軸力下における実験結果はほとんど報告されていないの

局耐力の検討を主に行っており，復元力特性の検討及び，で，２つの引張領域における載荷実験を行う。更に，一定

広島工業大学工学部建築工学科
広島工業大学大学院工学研究科知的機能科学専攻113高松隆夫・玉井宏章・山西央朗
表１ 材料特性軸力下の復元力特性モデルを提案し，実験結果と比較検討する。

２．実験
2.1 試験体
本論文で取扱う露出柱脚を図１に，ベースプレート及び，アンカーボルトの詳細を図２，図３に示す。また，材料特性を表１に示す。
柱には，Box‑200x200x12 を使用し，ベースプレートには，PL‑400x400x50 を使用する。柱とベースプレートは，全周隅肉溶接で接合する。アンカーボルトには，十分な塑性伸びが期待できる転造ねじアンカーボルトを使用する。
基礎には，塑性化による影響を回避するために，本実験のいずれの載荷に対しても塑性化しない断面を有する鋼製
基礎：BH‑400x400x32x36 を使用する。
図２ ベースプレート

2.2 実験方法
実験装置を図４に示す。載荷は，試験体柱頭部に設置したヨークとピンを介して，各ジャッキにより柱軸力と水平力を加える。柱脚回転角による変位制御載荷実験とし，回図１ 露出柱脚転角は，1/200，1/100，3/200，1/50をそれぞれ１サイクル行う。回転角は，ベースプレートに設置した変位計により計測した鉛直変位から求める。ベースプレートの柱図心部
鉛直変位：ω も併せて計測する。
また，柱軸力，および水平力はジャッキ端部に設置したロードセルにより測定する。更に，アンカーボルト下端部

図３ アンカーボルトに，センターホール型ロードセルを設置し，アンカーボルト張力を測定する。尚，アンカーボルトには初期張力として，軸部降伏張力：の 30％(15kN)を導入している。

2.3 一定軸力単調載荷の場合には，全ての軸力作用下において常にベースプレートと基礎が接触するが，引張軸力下の繰返し載荷の場合には，軸力の大きさにより抵抗するアンカーボルト本数が変化する。引張軸力の場合には，その境を，全アンカーボルトの降伏耐力の総和：5とした。つまり 0.5の半分である 0.

以下の場合は，アンカーボルト１列(２本)で抵抗し，0.5より大きい場合は，アンカーボルト１列では抵抗できず，最終的にアンカーボルト２列(４本)で抵抗するとえる。一定軸力として，引張軸力の場合は，アンカーボルト２本で抵抗できる範囲(0＜ ＜0.5)である 0.3抵抗する範囲(0.5縮軸力の場合は，0.6，及び，アンカーボルト４本全てで≦ ＜)である 0.6とし，圧とする計３種類を設定する。

図４ 実験装置114

一定軸力下の露出柱脚に関する実験的研究⒜ 抵抗機構Ａ⒝ 抵抗機構Ｂ⒜ 接触時⒞ 抵抗機構Ｃ

図５ 抵抗機構⒝ 離間時

図６ せん断に対する抵抗機構

する。このとき，圧縮合力点位置は，圧縮側ベースプレー３．抵抗機構

ト端部とする。この抵抗機構の曲げ耐力は，アンカーボル3.1 仮定トによる曲げ抵抗力と作用する柱軸力による曲げ抵抗力に

本論文では，以下の仮定に基づいて，各抵抗機構の提案より決定される。

を行う。

この抵抗機構の場合，抵抗するアンカーボルトは引張側１．柱脚の降伏要素は，アンカーボルトに限定する。の２本であるため，0.5を超える引張軸力が作用した

２．露出柱脚の構成要素である基礎コンクリート，および

場合，引張側アンカーボルトは２本とも降伏張力に達してベースプレートは，弾性変形のみを許容し，塑性化はししまう。そのため，この抵抗機構は，N＜0.5ないものとする。柱脚の弾性回転剛性を求める際に，基発生する。

礎コンクリート，および，ベースプレートの弾性変形を3.2.2 抵抗機構Ｂ慮するための係数：R を導入する。の領域で抵抗機構Ｂは，ベースプレートと基礎とが離間し，引張３．圧縮合力点位置は，ベースプレートと基礎が接触して側，もしくは，圧縮側どちらかのアンカーボルトのナットいる場合は，圧縮側ベースプレート端部に設ける。また，とベースプレートとが接触している場合の抵抗機構であ

いかなる軸力作用下においても，ベースプレートと基礎り，その状態を図５⒝に示す。また，せん断力に対する抵が接した場合，圧縮合力点位置は，移動しないものとす

抗機構は，図６⒝に示すものとなり，アンカーボルトのせる。

ん断力により抵抗する。

４．ベースプレートと基礎が接触している場合には，引張側アンカーボルトの抵抗力のみを

この抵抗機構の場合，アンカーボルトの軸方向力は，柱慮する。

軸力に等しくなる。曲げ耐力は，一定値：となる。

５．柱せん断力は，ベースプレートと基礎コンクリート接

この抵抗機構は，アンカーボルトが塑性伸びを生じた後触時には，ベースプレートと基礎コンクリート間に発生に発生し，載荷を進めていくとベースプレートと基礎とがする摩擦で抵抗し，離間時には，アンカーボルトのせん接触し，抵抗機構Ａとなる。

断力で抵抗するものとする。

3.2.3 抵抗機構Ｃ

６．アンカーボルトの材料特性には，完全弾塑性体モデル

抵抗機構Ｃは，ベースプレートと基礎が離間し，圧縮側，を用いる。

および引張側両アンカーボルトがベースプレートと接触している場合の抵抗機構であり，その状態を図５⒞に示す。

3.2 抵抗機構の種類

また，せん断力に対する抵抗機構は，図６⒝に示すものと軸力と曲げモーメントに対する抵抗機構を図５に，せんなり，抵抗機構Ｂと同様にアンカーボルトのせん断力によ断力に対する抵抗機構を図６に示す。それぞれの抵抗機構

り抵抗する。この抵抗機構の曲げ耐力は，アンカーボルトの特徴とその抵抗機構になるための条件を以下に示す。たの曲げ抵抗と柱軸力による曲げ抵抗により決定する。抵抗だし機構Ａに比べ，曲げ耐力は低下する。

：柱脚に作用する柱軸力とする。

3.2.1 抵抗機構Ａ

４．評価式の提案

抵抗機構Ａは，ベースプレートと基礎とが接触している場合の抵抗機構であり，その状態を図５⒜に示す。また，せ4.1 抵抗機構

ん断力に対する抵抗 機 構 は，図 ６ ⒜ に 示 す も の と な り，各抵抗機構における評価式を以下に示す。

ベースプレートと基礎との間に発生する摩擦力により抵抗4.1.1 抵抗機構Ａするため，アンカーボルトは，曲げモーメントにのみ抵抗

抵抗機構Ａでは，ベースプレートと基礎が接触している115

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗

ため，圧縮合力点位置は圧縮側ベースプレート端部にな＝る。従って，アンカーボルトによる曲げモーメント：
は，以下のようになる。
＝

σ＋び変形から求められる弾性回転剛性：………………………(1.a)
は，以下のように＝………………………………………(1.b)＋−

4.2.1 圧縮軸力(0.6圧縮軸力(0.6………………(1.c)＋しているので抵抗機構Ａとなり，圧縮側ベースプレート端部が圧縮合力点位置となる。降伏耐力は，式(1.c)であり，…………………………(2)

ここで， ：アンカーボルト本数，)作用下における復元力特性モデルを

圧縮軸力作用下では，常にベースプレートと基礎が接触は，以下のようになる。

＝)

図７⒜に示す。

さらに，アンカーボルトの弾性伸び変形から求められる
弾性回転剛性：…………………………………(5)

各一定軸力下における復元力特性モデルを図６に示す。

は，以下のようになる。
σ44.2 復元力特性モデル

以上，式(1.a)，(1.b)より，抵抗機構Ａにおける曲げ抵＝を求める式は，以下のようになる。

なる。

抗：

………………………(4.c)

さらに，この抵抗機構におけるアンカーボルトの弾性伸

また，軸力による曲げモーメント：

＝−

σ 2 −

弾性回転剛性は，式(2)となる。

：アンカーボルト

圧縮軸力の場合には，軸力が曲げに対して抵抗するた軸部断面積， σ：アンカーボルト降伏応力， ：柱図心かめ，初期の段階ではベースプレートは回転せず，軸力によらアンカーボルト図心までの距離，る曲げ抵抗を超過すると回転し始める。

：柱図心からベースプレート端部までの距離， ：柱軸力(引張を正とする)，：アンカーボルトのヤング係数，4.2.2 引張軸力(0.6：アンカーボルト有引張軸力(0.6効長さとする。

N＜4.1.2 抵抗機構Ｂす。

抵抗機構Ｂでは，ベースプレートと基礎が離間し，片側))作用下，つまり引張軸力が 0.5≦の領域における復元力特性モデルを図７⒝に示

引張軸力(0.6)の場合には，ベースプレートと基礎がの列のアンカーボルトのナットがベースプレートと接触し常に離間し，抵抗機構Ｃとなる。そのため，履歴曲線は，完ている場合の抵抗機構であるため，アンカーボルトは，柱全弾塑性型となる。

軸力にのみ抵抗する。また，偶力による曲げモーメントが4.2.3 引張軸力(0.3発生するので，抵抗機構Ｂにおける曲げ抵抗：は，以下引張軸力(0.3のようになる。
＝−))作用下における復元力特性モデルを

図７⒞に示す。正方向載荷の場合は，圧縮側アンカーボルトが常にベースプレートと接触しているが，負方向載荷の……………………………………………(3)場合は，圧縮側アンカーボルトが離間しているため，Ｅ4.1.3 抵抗機構Ｃ〜Ｆ間，Ｉ〜Ｆ間において，引張側アンカーボルトのみで抵抗機構Ｃでは，ベースプレートと基礎が離間し，引張抵抗している領域が存在する。

側，および圧縮側両アンカーボルトのナット が ベース プ

図７⒞の各点における各抵抗機構に対応する点は，以下レートと接触している場合の抵抗機構である。よって，このようになる。の 抵 抗 機 構 に お け る ア ン カーボ ル ト の 曲 げ 抵 抗：抵抗機構Ａ：ABCD，DCJK，FGHI，IHNP

は，以下のようになる。

抵抗機構Ｂ：AD，EF，KL，M I，IF，PF＝

σ 2

抵抗機構Ｃ：OA，DE，FA，LM……………………………(4.a)

また，各抵抗機構における耐力，および弾性回転剛性は，また，軸力による曲げモーメントは，抵抗機構Ｂと同様各抵抗機構において提案したものとなる。に，以下のようになる。
＝−

4.3 接触･離間条件………………………………………(4.b)

ベースプレートが回転を起こす時，ベースプレート端部

以上，式(4.a)，(4.b)より，抵抗機構Ｃにおける曲げ抵
抗：と基礎が接触して回転する場合(図５⒜参照)と，ベースプは，以下のようになる。

レートが完全に基礎から離間して回転する場合(図５⒝参116一定軸力下の露出柱脚に関する実験的研究

図８ 接触・離間条件⒜ 圧縮軸力 0.6５．実験結果
各一定軸力下における実験結果を図９，図 10，図 11に示す。曲げモーメント：Ｍと回転角：θとの関係を図９に，アンカーボルト張力：Ｔと回転角：θとの関係を図 10に，更にベースプレート柱図心部鉛直変位：ω とベースプレー
ト回転角：θとの関係を図 11に示す。図９においては，復元力特性モデル，図 11においては，判別式との比較を行う。
○圧縮軸力(0.6圧縮軸力(0.6))作用下の実験結果を，それぞれ，図９⒜，図 10⒜，図 11⒜に示す。
図９⒜より，実験結果が提案した復元力特性モデルに良⒝ 引張軸力 0.6好に対応し，一般的なスリップ型を示していることが分かる。図 10⒜より，アンカーボルト張力が０になっていることから，圧縮側アンカーボルトが抵抗していないこととスリップ現象が生じていることが分かる。図 11⒜より，圧縮軸力が作用し，ベースプレートと基礎が常に接触しているため，実験結果は判別式のライン上に位置している。
○引張軸力(0.6引張軸力(0.6))作用下の実験結果をそれぞれ，図９⒝，図 10⒝，図 11⒝に示す。
図９⒝より，実験結果と提案した復元力特性モデルは，良好に対応している。

⒞ 引張軸力 0.3

図 10⒝より，この引張軸力作用下では引張側及び，圧縮

図７ 復元力特性モデル

側両アンカーボルトがベースプレートと接触しているた照)がある。端部が接触している場合と完全に離間した場合

め，除荷後，逆方向載荷を開始するとすぐに圧縮側アンを判別するために，ベースプレート端部を回転の中心としカーボルトが抵抗するため，スリップ現象を生じることなた場合におけるベースプレート柱図心位置の鉛直変位：

く，完全弾塑性型復元力特性モデルになる。また，図 11⒝ω とベースプレート回転角：θの関係式を以下に示す。

より，実験値が判別式のラインより，常に上にあることかω＝ら，常にベースプレートと基礎が離間していることが分か

tanθ……………………………………………(6)る。

また，判別式と接触・離間との関係を図８に示す。実験結○引張軸力(0.3果が判別式のラインより上にある場合は，ベースプレート引張軸力(0.3))の実験結果を，それぞれ，図 10⒞，図と基礎が離間しており，ライン上にある場合は，ベースプ９⒞，図 10⒞に示す。図 11⒞より，レートと基礎が接触している。

実験結果は，一般的なスリップ型ではなく，正負非対称な形を示している。実験結果と提案した復元力特性モデルは117

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗⒜ 圧縮軸力 0.6⒜ 圧縮軸力 0.6⒝ 引張軸力 0.6⒝ 引張軸力 0.6⒞ 引張軸力 0.3⒞ 引張軸力 0.3

図９ 曲げモーメント−回転角関係

図 10 アンカーボルト張力−回転角関良好に対応しているため，抵抗機構が様々に変化すること６．結論がいえる。図 10⒞より，逆方向載荷する際に反対側のアンカーボルトが抵抗し始める回転角の値が異なることが原因と以上のことから，以下のことが明らかになった。

えられる。さらに，図 11⒞より，実験値が判別式のラ

１) 柱脚の抵抗機構は，３種類に大別でき，各抵抗機構にインより上になる場合とライン上になる場合が存在するこおける耐力および弾性回転剛性を求めることができとから，ベースプレートと基礎は，接触と離間を繰り返すた。

ことが分かる。

２) 引張軸力が 0＜ ＜0.5以上より，それぞれの軸力作用下において，提案した復元力特性モデルと実験結果とが良好に対応しているとの範囲では，提案した３つの抵抗機構全てを適用した，復元力特性モデルとなえる。

ることができる。

３) 引張軸力が 0.5118＜ ＜の範囲では，スリップ一定軸力下の露出柱脚に関する実験的研究現象が生じず，完全弾塑性型の復元力特性モデルとなる。

謝辞

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究センター」(代表者：高松隆夫教授)のプロジェクトの一環として実施しました。また，本研究の経費の一部は，社団法人日本鉄鋼連盟「2006年度鋼構造研究･教育助成事業(建築)」の助成金から支出しました。また，フルサト工業株式会社より転造ねじアンカーボルトを提供していただきました。ここに記して，感謝の意を表します。

⒜ 圧縮軸力 0.6参文献

１) 田中秀宣，亀元靖彦，三谷勲，藤永隆，伊藤倫夫：変動軸力を受ける露出柱脚の曲げ挙動と復元力特性，鋼構造論文集，第 10巻第 39号，pp.39‑49，2003.9２) 田沼吉伸，橋本健一：引張軸力を受ける露出形式柱脚の 終 局 挙 動，鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集，第 ６ 巻，pp.
181‑188，1998.11３) 宗宮由典，福地保長，陳文慶：変動軸力を受ける露出型柱脚の弾塑性挙動及び耐力評価に関する実験的研
究，日本建築学会構造系論文集，No.562. pp.137‑143，⒝ 引張軸力 0.6

2002.12４) 玉井宏章：変動軸力と繰り返し曲げを受ける露出柱脚の載荷実験，日本建築学会構造系論文集，第 567号，pp.
149‑156，2003.5５) 九谷和秀，増田貫志：鉄骨構造露出形式の終局耐力に関する実験的研究，日本建築学会構造系論文報告集，第 433号，1992.3６) 高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：改良型復元力特性を有する鉄骨露出柱脚に関する研究，鋼構造年次論文
７) 伊藤倫夫，三谷勲，大谷恭弘，藤永隆，田中秀宣：基礎部の配筋を簡略化したアンボンド型アンカーボルトを用いた露出柱脚の構造性能，鋼構造論文集，第８巻⒞ 引張軸力 0.3

第 31号，pp.43‑55,(2001.9)

図 11 柱図心部鉛直変位−回転角関係

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