広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.105-111

論文

せん断力および引張力を受ける露出柱脚の単調載荷実験高松隆夫 *・山西央朗 **・玉井宏章 ***・福原章宏 ****・松尾彰 *****（平成21年10月31日受理）

Monotonic loading experiment on exposed column-bases subjected to shear and tensile force
Takao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI, Hiroyuki TAMAI, Akihiro FUKUHARA and Akira MATSUO(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
Column-bases are generally designed to consider a bending moment and an axial force, and itis clear that the axial force affects strength and stiffness of anchor-bolt-yield-type exposed column-bases. The column-base with a brace is acted by a strong axial- force and a strong shearing force, then it can be destroyed by excessive shearing force. Therefore, a monotonic loading
test on a braced frame with weak column-bases is carried out to clarify shearing fracture behavior of the column-base.
Key Words: braced frame , exposed column base , anchor-bolt-yield-type , collapse mechanism

１.

で抵抗する。しかしながら，柱に引張軸力が作用する場合，はじめに基礎とベースプレートが接触していても，引張軸力が大き

現在，既存建築物の補強工法として，簡便に補強できる

くなるにつれて基礎からの支圧反力が小さくなるため，基ことから，ブレースが多く利用されている。ブレースを設礎とベースプレートとの間に生じる摩擦力は減少し，アン置した露出柱脚付フレームでは，ブレースの軸力により，カーボルトが負担するせん断力が増加する。また，同時に柱脚には軸力とせん断力が作用する。

引張軸力に対してもアンカーボルトで抵抗して，２軸応力柱脚に軸力を作用させた研究として，中柱を想定した一状態になるため，柱脚の早期に降伏することが考えられる。

定軸力作用下における露出柱脚の研究，また，側柱を想定

しかしながら，柱脚に引張軸力とせん断力を同時に作用した変動軸力作用下における露出柱脚の研究が行われておさせた研究，柱脚を有するブレース付フレームの研究はあり，柱脚に軸力が作用した場合，アンカーボルト降伏先行まり行われていない。１），５）～７）このため，引張軸力および型露出柱脚では，圧縮軸力作用時には曲げ耐力および弾性せん断力を受ける柱脚の崩壊機構，降伏耐力や水平剛性の剛性が増加，引張軸力作用時には曲げ耐力および弾性剛性算出方法は明らかになっていない。

が減少することが明らかとなっている

２）～４）。また，せん

そこで，柱脚を有するブレース付フレームを用いた単調断力に対しては，柱に圧縮軸力が作用する場合，基礎とベー載荷実験を行い，柱脚に引張軸力とせん断力とが同時に作

スプレートとは常に接触しており，基礎とベースプレート用する場合におけるアンカーボルト降伏先行型露出柱脚のとの間に生じる摩擦力，およびアンカーボルトのせん断力性能を明らかにする。

＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発研究センター＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科

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＊＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学系研究科建設工学専攻
広島大学大学院社会環境システム専攻― 105 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・福原章宏・松尾彰（b）ベースプレート詳細（a）試験体（c）ブレース詳細（e）下部ガセットプレート詳細（d）上部ガセットプレート詳細
図１

試験体・各部詳細

尚，本研究では，ブレース降伏軸力の鉛直成分が全アンを，梁は H-250x125x6x9 を使用する。柱梁接合部は，柱にカーボルトの降伏軸力（柱脚に設置してあるアンカーボル設けたガセットプレートに梁ウェブのみを高力ボルト M24トの降伏軸力の合計値）程度のブレースを使用する。

を２本用いて摩擦接合した，ピン接合とする。ベースプレー

２.

トは PL-400x400x50 とし，隅角部にアンカーボルト M16実験概要を各１本ずつ計４本配置する。また，アンカーボルトは軸本研究では，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚を有す部の塑性伸びが十分に期待できる転造ネジアンカーボルトるブレース付フレームの単調載荷実験を行う。ブレース架を使用している。アンカーボルトには降伏軸力の 30% を構を想定しているため，柱を弱軸方向にする。尚，アンカー初期軸力として導入している。
尚，ベースプレートのボルト孔とアンカーボルトとのクボルトはブレースより先に降伏するものとし，ブレースは，リアランス部，および鋼製基礎のボルト孔とアンカーボル弾性域に留まるものとする。

トとのクリアランス部をセメントペースト（水セメント比2.1試験体概要

50% 程度）で埋めることで，クリアランスによる試験体

図１に試験体および各部詳細を，表１に素材特性を示す。のせん断スリップを抑制している。

試験体はアンカーボルト降伏先行型露出柱脚，柱梁接合

ブレースは L-65x65x8 を２本使用し，ガセットプレート部をピン，柱を弱軸としたブレース付フレームとする。使を両面から挟み込んで，高力ボルト（M20）３本で摩擦接用している鋼材は全て SS400 級とし，柱は H-200x200x8x12合している。また，ボルト孔による断面欠損部での破断を― 106 ―

せん断力および引張力を受ける露出柱脚の単調載荷実験
表１

図２

素材特性載荷装置
図３

計測位置防ぐため，ブレース両端部に羽子板 PL-12 を隅肉溶接接合

を，ベースプレート横に取り付けた変位計により柱脚部水する。ガセットプレートは PL-12 を使用し，ガセットプレー

平変位 CbδH を，ベースプレート上部に取り付けた変位計

トのちぎれ破断を防ぐため，片面に PL-12 のプレートを全よりベースプレートの鉛直変位 δL，δR を計測する。また，周隅肉溶接接合する。

ベースプレートの鉛直変位 δL，δR を用いベースプレート回転角 θ を，柱鉛直変位 δV，ベースプレート回転角 θ を2.2載荷プログラム用い，柱脚部離間変位 CbδV を⑴式，⑵式を用い算出する。

図２に載荷装置を示す。試験体を反力床 H-400x400x13x21に設置し，反力柱 H-400x400x13x21 および試験体柱頭部に… ……………………………………………… ⑴取り付けた載荷梁（H 形鋼 H-300x300x10x15）を介して油圧ジャッキを接合し，地震外力を想定した水平荷重を加え… ……………………………………… ⑵ていく。尚，２台の油圧ジャッキにより載荷を行うため，各油圧ジャッキの伸び量が等しくなるよう制御する。載荷

ここに，D：ベースプレートの鉛直変位 δL，δR の計測間方法は単調載荷とし，アンカーボルトが破断するまで荷重距離，dc：柱図芯から圧縮合力点位置までの距離（本試験を加えていき，破断した時点で載荷終了とする。

体ではベースプレートの変形はないものとし，圧縮合力点位置はベースプレート端部とするため，dc=200mm）とす

2.3

計測計画

る。

図３に計測位置を示す。計測には変位計，ロードセルおよびひずみゲージを用いる。

荷重計測は油圧ジャッキ先端に取り付けたロードセルにより水平荷重 P を，アンカーボルト下部に取り付けたロー

変位計測は，柱頭部に取り付けた変位計により水平変位ドセルによりアンカーボルト軸力 TAB を計測する。

δ を，柱頭部天端に取り付けた変位計により柱鉛直変位 δV― 107 ―

柱の上部および下部に取り付けたひずみゲージにより柱高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・福原章宏・松尾

図４

図５

柱脚の抵抗機構

彰

ブレース軸力の水平成分－鉛直成分が負担する層せん断力 QC を算出する。また，柱の材端モー（QC-δ）関係を，図９にブレース軸力水平成分‐柱脚部水平メント M を算出する。ブレース中央に貼り付けたひずみ変位（BRNx-CbδH）関係を，図 10 に柱脚曲げモーメント‐ベーゲージによりブレース軸力 NBR を算出する。

スプレート回転角（M-θ）関係を，図 11 に柱脚部離間変位

３.

‐ベースプレート回転角（CbδV-θ）関係を，図 12 にアンカー

降伏耐力

ボルト張力‐ベースプレート回転角（TAB-θ）関係を示す。

図４に柱脚の抵抗機構を，図５にブレース軸力の鉛直成

ブレース負担せん断力 QBR は，ブレースに貼り付けたひ分 - ブレース軸力の水平成分 (BRNy-BRNx) 関係を示す。また，

ずみゲージより算出したブレース軸力の水平成分とする。

降伏条件，破断条件も併せて示す。尚，本試験体の柱脚にまた，柱せん断力 QC は柱上下に貼り付けたひずみゲージはアンカーボルトを４本配置しているため，降伏条件およより算出したモーメント勾配とする。

び破断条件の履歴はアンカーボルト４本分の降伏耐力，破断耐力とする。

また，図６，図７，図９に図５に示したブレース軸力鉛直成分‐ブレース軸力水平成分とミーゼスの降伏条件式曲ブレースによって柱脚に生じるせん断力（ブレース軸力線との交点の値（BRNx）を併せて示す。尚，図６は，ミーの水平成分 BRNx）および引張軸力（ブレース軸力の鉛直成

ゼスの降伏条件式曲線との交点の値（BRNx）と，そのとき分 BRNy）は，アンカーボルトのみが抵抗するものとする。の柱せん断力との合計値とする。

アンカーボルトにはせん断力と引張力軸力が同時に作用するため，ミーゼスの降伏条件式を用いアンカーボルトの降4.1伏耐力を求める。

水平荷重－水平変位

図 ６ よ り， ブ レ ー ス 付 フ レ ー ム は， 水 平 荷 重 がP=140KN 付近から剛性が大きく減少している。ブレース…………………………………………… ⑶の降伏耐力は，約 BRQY=500kN のためブレースは弾性であり，引張側柱のアンカーボルトが降伏したためである。一…………………………………………… ⑷方，アンカーボルトのミーゼスの降伏条件式曲線とブレーここに，σ: 垂直応力度，τ: せん断応力度，σY: 降伏応力

スからの応力関係から，PY=120kN となるが，実験結果は，度（表１よりアンカーボルトの降伏応力度は σY=294kN/これを大きく上回っている。これは，摩擦力による影響で，2mm ），σU: 引張強さ（表１よりアンカーボルトの引張強さ

柱脚の耐力が増大したためと考えられる。

2

ブレース付フレームは，降伏後の２次勾配（K’=12.5kN/は σU=435kN/mm ）とする。
図５より，ミーゼスの降伏条件と実験値の交点を降伏耐mm）が弾性剛性（K=70.0kN/mm）の約 18% 程度であり，力とした場合，ブレース軸力の水平成分および鉛直成分は，水平荷重が P=260kN 付近でアンカーボルトが破断した。アンカーボルトの素材特性としては，降伏棚（ひずみ流れ域）

Nx=107kN，BRNy=64kN となる。

BR

４.

が存在するが実験結果において降伏棚は生じていない。こ

実験結果

れは，引張側柱脚のアンカーボルトには引張軸力だけでは図６に水平荷重‐水平変位（P-δ）関係を，図７にせん断なく，せん断力も作用しているため，ひずみの増加が大きく，力‐水平変位（Q-δ）関係を，図８に柱せん断力‐水平変位

降伏棚が明解に表われることなくひずみ硬化に入ったと考― 108 ―

せん断力および引張力を受ける露出柱脚の単調載荷実験

図６

水平荷重－水平変位

図８

柱せん断力－水平変位

図７

図９

えられる。

4.3

その後，破断するまで徐々に剛性は減少していったが耐力は増加し続けた。

せん断力－水平変位

BR 軸力水平成分－柱脚部水平変位

柱せん断力－水平変位

図８より，柱のせん断力は，引張側の柱がほとんど抵抗しないため，圧縮側の柱のせん断力とほぼ等しくなる。本
試験体は，柱梁接合部をピン接合に近い状態にしているた

4.2

せん断力－水平変位

め，ブレースと圧縮側の柱でトラス架構となるため，引張

図７よりブレース付フレームの耐力，剛性はブレース負担せん断力と柱せん断力の合計となるため，ブレースの性側の柱と梁にはほとんど応力が作用しない。このため，圧縮側のせん断力のみの抵抗となる。

能が大きく影響することが分かる。引張側柱脚の降伏により，ブレースの剛性が減少した影響が図６に現れている。

4.4

柱せん断力も引張側柱のアンカーボルトが降伏した時点

BR 軸力水平成分－柱脚部水平変位

図 ９ よ り， 実 験 値 で は， ブ レ ー ス 軸 力 水 平 成 分 がで，僅かではあるが剛性が減少している。これは，引張側BRのアンカーボルトが降伏することでブレースが抵抗できな大きく増加しており，アンカーボルトが大きく塑性変形しくなってしまい，柱に作用する圧縮軸力の増加量が減少したことが分かる。また，図５より，破断時の耐力は破断条たためと考えられる。柱に作用する圧縮軸力はアンカーボ

件式曲線と実験値との交点では，BRNx=159kN となるが，ルトが破断するまで増加し，また，柱梁接合部は高力ボル

実際の破断耐力は，BRNx=220kN となり，条件式の履歴よ

ト２本を用い摩擦接合しており，完全なピン接合でないたり大きく上回っている。

Nx=125kN で降伏している。その後，柱脚部水平変位はめ摩擦力の影響を受けていることから，圧縮側柱脚が降伏後も耐力は増加する。

ミーゼスの降伏条件式から求めた降伏耐力は

Nx=107kN と約 20kN 低い値を示した。これは，アンカーBRボルトが降伏するまで基礎とベースプレートが接触しており，摩擦力が作用することでブレース軸力の水平成分に対― 109 ―高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・福原章宏・松尾

図 10

図 11

柱脚曲げモーメント－ベースプレート回転角

彰

柱脚部鉛直変位－ベースプレート回転角（a）AB1,2（手前側）
図 12

図 13

アンカーボルト配置位置(b) AB3,4（奥側）
アンカーボルト張力‐ベースプレート回転角

図 14

引張側柱脚抵抗機構

図 15

圧縮側柱脚抵抗機構

して，アンカーボルトが負担する力が，僅かではあるが軽構造を成すため，ほとんど力が作用することがなく，柱脚減されたと考えられる。に曲げモーメントは生じない。また，曲げモーメントが生実験値の降伏耐力とミーゼスの降伏条件式の降伏耐力のじないため，ベースプレートの回転角は生じない。

結果より，柱脚やブレースを設計をする上では，ブレースアンカーボルト降伏先行型露出柱脚のため，圧縮軸力が軸力の鉛直成分とブレース軸力の水平成分に対して，アン作用することで付加曲げが生じ，耐力，剛性は（無軸力でカーボルトが全て負担すると仮定しておけば，耐力の評価の降伏耐力 MY=35kN.m）増加した。圧縮軸力により柱脚として安全側の結果になると考えられる。の耐力は増加するが，柱の耐力は減少するため，圧縮側柱では，M=45kN.m 付近でアンカーボルトより先に柱が降4.5

柱脚曲げモーメント－ BP 回転角

伏した。その後，アンカーボルトが降伏し，圧縮軸力は増

図 10 より，引張側柱は，圧縮側柱とブレースでトラス加し続けているため，耐力は引張側アンカーボルトが破断― 110 ―

せん断力および引張力を受ける露出柱脚の単調載荷実験するまで増加した。

（7）引張側柱脚には曲げモーメントがほとんど生じず，ベースプレートが回転することなく鉛直方向に変位するた

4.6

柱脚部離間変位－ BP 回転角

め，アンカーボルトには４本とも同程度の引張軸力が

図 11 より，引張側柱脚は，ベースプレート回転角が生作用する。

じることなく，鉛直方向に変位していることから，アンカー（8）圧縮側柱脚は，基礎とベースプレートが離間すること

ボルトは４本とも均等に塑性伸びを生じていることが分かはなくベースプレート端部付近を支点とし回転するたる。

め，アンカーボルト２本のみに引張軸力が作用する。

圧縮側柱脚は，鉛直方向に変位せずにベースプレートが謝回転していることから，アンカーボルト１列のみが塑性伸びしていることが分かる。

本研究では，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

4.7

辞

AB 張力－ BP 回転角高松隆夫教授）のプロジェクト研究の一環として実施されました。

図 12（a）に AB １，２（手前側）を，図 12（b）に AB

また，試験体作成に当たりフルサト工業株式会社には，３，４（奥側）結果を示す。図 13 には，アンカーボルトの転造ネジアンカーボルトを提供して頂きました。ここに記配置位置を示す。尚，引張側および圧縮側のアンカーボルして謝意を表します。

ト配置位置は，同じものとする。

参考文献

引張側柱脚は回転することなく鉛直方向に変位することからアンカーボルト４本に同程度の引張軸力が作用してい

１）高松隆夫，玉井宏明，福原章宏，山西央朗：ブレースることが分かる。

付門型骨組みの復元力特性，広島工業大学紀要，研究アンカーボルトの最大引張耐力は，約 ABTmax=70kN であ編，第 43 巻，pp173-183，2009．2.

るが，実験値の最大引張耐力は，ABTmax=32kN となっている。

２）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，小澤拓雄，松尾彰 :これは，アンカーボルトがブレース軸力の鉛直成分以外に変動軸力を受けるアンカーボルト降伏先行型露出柱脚もブレース軸力の水平成分に対しても抵抗したためであの 復 元 力 特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻

る。

pp.283-290，2008．11．

圧縮側柱脚は，載荷方向側のベースプレート端部を支点

３）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰 :に回転するため，AB１，AB３に引張軸力が作用し，AB ２，一定引張力を受ける露出柱脚の抵抗機構と復元力特性

AB ４にはほとんど引張軸力は作用しない。

モデル日本建築学会構造系論文報告集，第 74 巻，第５.

637 号，pp.561-567，2009．3．

まとめ４）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：露出柱脚の弾性回転剛性について‐アンカーボルト降伏先行型のせん断力および引張力を受ける露出柱脚の単調載荷実験を行い得られた知見を以下に示す。

場合‐日本建築学会構造系論文集，第 73 巻，第 624 号，（1）引張側柱のアンカーボルトが降伏することで，ブレー

pp.317-324，2008．2．
５）伊藤倫夫，三谷勳，大谷恭弘，藤永隆，田中秀宣：基スが抵抗できなくなり剛性が減少した。
（2）アンカーボルトは引張軸力とせん断力を同時に受ける礎部の配筋を簡略化したアンボンド型アンカーボルトことで，降伏棚を示すことなくひずみ硬化に入ったとを用いた露出柱脚の構造性能，鋼構造論文集，第８巻，考えられ，引張側アンカーボルト降伏後，ブレースは第 31 号，pp.43-55，2001．9．
６）田中秀宣，亀元靖彦，三谷勳，藤永隆，伊藤倫夫：変直に２次勾配を示し抵抗した。

動軸力を受ける露出型柱脚の曲げ挙動と復元力特性，（3）引張側柱脚が降伏後，圧縮側柱のせん断力にはほとん

鋼構造論文集，第 10 巻，第 39 号，pp39-49，2003．9．

ど影響しない。
（4）引張側柱脚が降伏後，柱脚は鉛直方向および水平方向

７）田中秀宣，三谷勳，島村洋子，伊藤倫夫：変動軸力を受ける露出柱脚を有する鋼構造骨組の弾塑性挙動，鋼に大きく変位する。
（5）ベースプレートと基礎間で摩擦力が作用すると考えら

構造論文集，第 12 巻，第 45 号，pp.171-184，2005．3．

れるため，ミーゼスの降伏条件式を用いた降伏耐力は

８） 秋山宏，黒沢稔，和国信之，西村功：鋼構造露出柱脚のせん断耐力‐アンカーボルト，シアープレートの実験値より低い値を示した。
（6）ミーゼスの降伏条件式を用いた場合，降伏耐力の評価

せん断抵抗‐，日本建築学会論文報告集，第 338 号，pp71-76，1984．4．

としては安全側の設計ができると考えられる。
― 111 ―