広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.199-206

論文

変動軸力と曲げを受けるノンスリップ型露出柱脚に関する研究
山西央朗 *・高松隆夫 **・玉井宏章 **（平成21年10月31日受理）

A study on non-slip-type exposed column-base subjected tovariable axial-force and bending
Teruaki YAMANISHI, Takao TAKAMATSU and Hiroyuki TAMAI(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
An experimental study on non-slip-type exposed column bases proposed by the authors, subjected toboth cyclic horizontal loadings and variable axial forces in the limits of compression was carried out tomake clear bending moment characteristics of the column bases and to propose models of restoring
force characteristics.
The following conclusions were drawn from the experimental results,

1)The restoring force characteristics of the non-slip-type column bases become linear-from-origin-type under variable axial forces, and the restoring force characteristics show curves similar
to those under monotonic loading.
Key Words: Anchor-bolt-yield-type exposed column-base, Variable axial-force,
Multi-rows of anchor-bolt, Models of restoring force characteristics

柱からの圧縮軸力の大きさに比例して増減する13,14）。更に，

１．はじめに柱軸力が引張軸力領域に入る場合，ベースプレートと基礎，著者等は，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚に楔デバおよび，ベースプレートとアンカーボルトのナットとの接イスを設置した，ノンスリップ型露出柱脚の研究を行って触・離間条件により抵抗機構が変化し，これに伴い，復元１－10）。この柱脚は，スリップ現象が改善でき，その性力特性（履歴性状）が様々に変化する15－17）。このように，能は，変動軸力下においても期待できることが明らかに

アンカーボルト降伏先行型露出柱脚は，ボルト配置や柱軸いる

８－10）なっている。また，ノンスリップ型露出柱脚では，繰力により復元力特性が大きく変化する。このため，一般的返し載荷下の復元力特性においても，単調載荷時の復元力なアンカーボルト降伏先行型露出柱脚の復元力特性におい特性に類似したものとなり，復元力特性の予測が比較的容ては，その予測が非常に困難な場合がある。

６－７）

易である

上述の背景より，本論文では，ノンスリップ型露出柱脚。

一方，一般的なアンカーボルト降伏先行型露出柱脚では，を用いて，一般的なアンカーボルト降伏先行露出柱脚ではアンカーボルト列数（配置本数）の増加により，各列のア復元力特性の予測が困難になる引張軸力領域を含む変動軸ンカーボルトが段階的に降伏して復元力特性の接線数が力下の載荷実験８），10），15－17）を行い，ノンスリップ型露出柱（変曲点が）増加するため，繰返し載荷下の履歴が複雑に脚の優位性を明らかにする。載荷実験は，アンカーボルト７,11－12）なる。また，柱脚の降伏曲げ耐力・弾性回転剛性は＊＊＊

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

配置，変動軸力の種類を実験変数として行う。

― 199 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章
表１

素材特性と主要寸法

材質

E(N/mm2)柱STKR400 205,000
ベースプレート SS400
205,000
アンカーボルト ABR400 205,000

σY(N/mm2)349409273

主要寸法(mm)□ -200x200x12
PL-50x400x400
φg=14.6, abl=629

E：ヤング係数 σY：降伏応力度 φg：軸部径
表２l：有効長さ

ab

バネの特性

外径 バネ径 自由長さ 最大たわみ 最大荷重 バネ定数(mm) (mm)
(mm)
(mm)
(N)
(N/mm)
26.1
2.0
94.0
70.3
93.5
1.33

（a）ペースプレート （b）ペースプレート （c）ペースプレート（Type 0）（Type I）
（Type I'）

図２

載荷装置

2.1 試験体
表１，表２に試験体の素材特性と主要寸法，楔デバイス（d）アンカーボルトに用いるバネのバネ特性を示す。また，図１に試験体形状を示す。尚，本実験では，ベースプレート，柱，および，基礎部分には，各載荷に対して弾性範囲に留まる素材特性・断面性能を採用している。更に，ノンスリップ型露出柱脚の装置である楔デバイスが機能するためには，ベースプレートの面外曲げ変形を小さくする必要がある。そのため，各載荷による基礎からの接触反力に対して，圧縮側ベース（e）楔デバイス
図１

プレートのヒンジラインを仮定18）し，ベースプレートの曲試験体げ耐力剛性を十分に確保している。
試験体には，ベースプレート隅角部に１本ずつのアンまた，通常，復元力特性モデルの定式化を行うには，抵カーボルトを配置したノンスリップ型露出柱脚（Type0）

抗機構の変化等を予測して，各抵抗機構毎の評価式（降伏に１種類の変動軸力を載荷し，また，アンカーボルトを多曲げ耐力，弾性回転剛性等）を適用する必要があるが，一数配列したノンスリップ型露出柱脚（TypeI, TypeI'）に般解は非常に煩雑になることが予想される。そこで，抵抗３種類の変動軸力（Var.I, Var.II, Var.III）を載荷する，合機構の変化等を無視した，簡易復元力特性モデルの定式化計４種類の試験体を用意した。

を行い，実験結果との整合性を取り，変動軸力下において柱 に は □ -200x200x12 を， ベ ー ス プ レ ー ト に は，PL-も，ノンスリップ型露出柱脚の復元力特性は非常に簡便に

50x400x400 にアンカーボルトをベースプレート隅角部に予測可能であることを示す。尚，変動軸力を受ける柱脚と１本ずつ配置した Type0，アンカーボルト８本を３列にして，本研究では中低層ラーメン構造物の側柱を想定し９），均等配置した TypeI およびアンカーボルト６本を２本ず主に柱軸力と曲げにより崩壊する柱脚を対象としている。

つ３列に均等配置した TypeI' を用い，柱とベースプレートは全周隅肉溶接接合している。アンカーボルトには転造

２．実験

ねじアンカーボルト M16 を使用し，また，実験時には軸本実験では，ノンスリップ型露出柱脚付き片持ち柱に，部降伏軸力の 30%（15kN）を初期軸力として導入する。

変動軸力と同時に水平繰返し載荷する実験を行う。試験体

基礎部には，いずれの載荷に対しても塑性化しない，鋼製変数を，アンカーボルト配置，柱軸力 N とする。

基礎 BH-400x400x32x36 を使用する。
― 200 ―

変動軸力と曲げを受けるノンスリップ型露出柱脚に関する研究（a）（Type 0）（b）（Type I）
図３図５（c）（Type I'）

変動軸力の制御方法

図４

柱脚の変形状態と各種諸量

楔デバイスの楔および楔受けは，楔貫入角度を 30°とし，かつ，楔と楔受けの接触面には，発錆処理（塩分濃度

このように，１列のアンカーボルトが降伏するか否かが境となり，２つの領域に分けられる。

５% 程度の食塩水により，１週間ほど湿潤状態を保つ）を施して，静止摩擦係数 µ を増大させている。この発生処

計測位置

また，TypeI においては，以下のように領域分けを行うことができる。

理は，アンカーボルトから伝達される圧縮力の接触面方向

0 < N < 8TY を満足するとともに，分力に対して，接触面における摩擦力により抵抗し，滑らN < 2TY : 		引張軸力領域 Iないようにするために施している。

2TY ≦ N < 5TY :引張軸力領域 II

5TY ≦ N < 8TY :

引張軸力領域 III

2.2 載荷装置と載荷方法

このように，中央の列に配置された２本のアンカーボル

図２，３に載荷装置，変動軸力を示す。載荷は，試験体トが降伏するか否かと，中央と外側の一列の合計５本のア柱頭部のヨークに接合した鉛直・水平ジャッキにより，柱ンカーボルトが降伏するか否かが境となり，３つの領域に脚部分に柱軸力 N と曲げモーメント M を作用させるもの分けられる。
本実験では，最大の引張軸力が，それぞれ，Type0 でである。
水平載荷は，制御値をベースプレート回転角 θ として，は引張軸力領域 I となるものを，TypeI では引張軸力領域0.005（rad）から 0.025（rad）まで 0.005（rad）ずつ振幅

I，II，III に入る３つの変動軸力 Var.I，Var.II，Var.III をを漸増させる正負交番漸増繰返し載荷を行う。

載荷する。但し，８本を均等配置した試験体では，引張軸鉛直載荷は，ベースプレート回転角 θ の一次の従属関数

力領域 III の載荷を行うのに，300（kN）以上の荷重が必となるように変動軸力を載荷する。また，アンカーボルト要であり，本実験装置の鉛直ジャッキでは載荷能力が不足

降伏先行型露出柱脚が引張軸力を受ける場合，引張軸力のし，載荷できない。このため，外側に配置されたアンカーみで何列のアンカーボルトが降伏するかにより，発生するボルト本数を２本に減らした TypeI' で載荷実験を行う。

抵抗機構が変化する。

このため，引張軸力領域 III の範囲は以下のようになる。

このため，Type0 においては，N=2.0TY（TY : アンカー

0 < N < 6TY を満足するとともに，ボルト１本当たりの降伏軸力）が境となり，以下のように4TY ≦ N < 6TY : 引張軸力領域 III領域を分ける必要がある。

このため，Var.III は図３（c）に示すものを載荷する。

0 < N < 4TY を満足するとともに，N < 2TY:		引張軸力領域 I

2TY ≦ N < 4TY :引張軸力領域 II2.3 計測方法と整理方法
図４に計測位置を示す。変位としては，柱下端部の鉛直― 201 ―山西央朗・高松隆夫・玉井宏章

図７
図６

簡易復元力特性モデル

 ンスリップ型露出柱脚ノの復元力特性モデル

変位 δL，δR を計測してベースプレート回転角 θ を算出する。

３．基 礎，および，ベースプレートの弾性変形による弾また，図５に示す幾何学的条件から求めた以下の式を用い性回転剛性の低減を考慮するため，低減係数 R を導て，ベースプレートと基礎との離間変位 δv を算出する。

入する。

⑴

４．アンカーボルトの抵抗力は，引張側に位置しているボルトのみを考慮する。
５．柱脚の復元力特性は図７に示すように，原点立上り型

ここに，D: ベースプレートの幅である。の復元力特性とする１－10）。
荷重としては，各ジャッキ先端に設置したロードセルに６．複数列抵抗する場合は，各アンカーボルト列の復元力

より水平荷重 P および鉛直荷重 N を，アンカーボルト下特性を累加したものを柱脚の復元力特性とする６,７）。

端部に設置したセンターホール型ロードセルによりアン

７．アンカーボルトの材料特性には，完全弾塑性体モデル

カーボルト軸力 T を計測する。また，ひずみゲージを柱を用いる。の２箇所（１箇所当たり，４枚）に貼付して，柱の軸方向直ひずみを計測し，曲率と柱の曲げ剛性から柱脚部に作用

3.2 降伏曲げ耐力と弾性回転剛性する曲げモーメント M を算出する。尚，ひずみゲージより算出した，曲げモーメント勾配から柱のせん断力を算出

任意 i 列のアンカーボルトによる，降伏曲げ耐力 iMy，および，弾性回転剛性 iKBS を以下の式により求める。

し，水平荷重 P と一致することを確認している。

⑵

３．簡易復元力特性モデル
既報の文献15－17）より，引張軸力・圧縮軸力を受ける⑶

アンカーボルト降伏先行型露出柱脚の場合，複数の抵抗機構が発生することが分かっている。それぞれの抵抗機構にここに，in : i 列のアンカーボルト本数，abA : アンカーボ

おける，降伏曲げ耐力，付加曲げ耐力，弾性回転剛性の評

ルト軸部断面積，abσy : アンカーボルト降伏応力度，di:i 列

価方法は異なり，また，引張軸力領域では軸力の大きさにのアンカーボルト中心から圧縮合力点位置までの距離，E:より，発生する抵抗機構の種類・数が変化するので，抵抗アンカーボルトのヤング係数，R : ベースプレートと基礎機構の変化を予測して復元力特性をモデル化することは非の弾性変形を考慮した低減係数（=2.0）13），abl : アンカーボ常に煩雑になる場合もある。更に，変動軸力を受ける場合，ルトの有効長さである。

時々刻々と引張軸力領域が変化し，発生する抵抗機構を予測すること自体が煩雑であり，一般的な復元力特性モデル

3.3 復元力特性モデルの定式化を行うことは容易ではない。

図６に示すように，復元力特性モデルは柱軸力 N によ

本論文では，簡易復元力特性モデルの定式化手法として，図６に示す，復元力特性モデル定式化手法を用いる。

る付加曲げの抵抗力を，柱軸力の領域・大きさに関係なく，常に以下の式で評価するものとする。
⑷

3.1 仮定以下の仮定のもと，復元力特性モデルの定式化を行う。

すなわち，本論文の復元力特性モデルは，アンカーボル

１．降伏要素をアンカーボルトに限定する。

トの抵抗力は無軸力下の復元力特性モデルを用い６），７），柱２．圧縮合力点位置をベースプレート端部に設ける。

軸力による付加曲げ抵抗力は軸力の大きさに関係なく圧縮― 202 ―変動軸力と曲げを受けるノンスリップ型露出柱脚に関する研究（a）（Type 0）（b）Type I - Var, I（c）Type I - Var, II（d）Type I' - Var, III
図８

部曲げモーメント M - ベースプレート回転角 θ 関係（a）（Type 0）（b）Type I - Var, I（c）Type I - Var, II（d）Type I' - Var, III

図９

アンカーボルト軸力 T - ベースプレート回転角 θ 関係

― 203 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章（a）（Type 0）（b）Type I - Var, I
図 10（a）（Type 0）（c）Type I - Var, II

離間変位 δT - ベースプレート回転角 θ 関係（b）Type I - Var, I
図 11（d）Type I' - Var, III（c）Type I - Var, II（d）Type I' - Var, III

エネルギー吸収量 e - ベースプレート回転角 θ 関係

軸力下と同様の方法３）で算出し，これ等を累加したものと4.1 復元力特性（M-θ 関係）する。

図８より，ノンスリップ型露出柱脚は，試験体の形状および変動軸力の大きさに関係なく，いずれの場合において４．実験結果と考察もスリップ現象を改善し，原点立上り型復元力特性を示し

図８～ 11 に各試験体の実験結果を，それぞれ，示す。ている。これは，ベースプレート回転角が 0 に戻った時点

図８に曲げモーメント M- ベースプレート回転角 θ 関係を，で，柱軸力が圧縮軸力領域に入り，楔がナットとベースプ

図９にアンカーボルト軸力 T - θ 関係を，図 10 にベースプレートとの間の隙間を埋めることができるからである８－レート離間変位 δv - θ 関係を，図 11 にエネルギー吸収量 e10）- θ 関係を，それぞれ，示す。但し，離間変位は式（1）よ特性モデル（引張軸力を受けることによる抵抗機構の変化り算出し，エネルギー吸収量は図８における復元力特性の等を考慮していないモデル）と実験結果とは，ほぼ対応し履歴を積分して算出している。ている。これは，載荷時には，載荷と共に直ぐアンカーボ。また，引張軸力領域においても，本論文の簡易復元力

また，図８においては，本論文に示している簡易復元力

ルトが抵抗するので，ベースプレートの離間変位が抑制さ特性モデルを点線で，原点立上り型復元力特性を明確にすれ（図 10 参照），引張軸力領域においても基礎とベースプるために最終サイクルの復元力特性を太線で示す。図９にレートが接触しており，次いで，除荷時には圧縮側のアン

おいては，最終サイクル除荷時のアンカーボルト抵抗状態カーボルトが抵抗する（図９参照）ことで，ベースプレーを明確に示すために，最終サイクルの履歴を併せて示してトの回転と同じ向きの曲げ抵抗が発生するためである。
但し，引張軸力領域 III に入る（d）TypeI'-Var.III についる。図 11 においては，復元力特性より求めたエネルギー

いては，アンカーボルトに対して引張軸力が大きいために，吸収量を併せて示している。
尚，図８中の右縦軸と上横軸は，式（2）より求めた降圧縮側のみのアンカーボルトでは軸力に抵抗できず，曲げ伏曲げ耐力解析値 MY と，式（2）,（3）より求めたアンカー抵抗力が小さくなる。このため，実験結果と復元力特性モボルト降伏時ベースプレート回転角解析値 θY で無次元化

デルとが対応していない。このように，簡易復元力特性モしている。

デルと整合性が取れる限界がある。

― 204 ―

変動軸力と曲げを受けるノンスリップ型露出柱脚に関する研究

4.2

アンカーボルト軸力た場合のモデルの定式化は非常に煩雑になることが分かっ

図９より，アンカーボルトの履歴も原点立上り型となり，ている 15－17）。更に，引張軸力領域を含む変動軸力下では更に，引張軸力領域においては，圧縮側アンカーボルト（正繰返す毎に離間変位が増加し，また，引張軸力下では復元方向載荷時の右側ボルト）が抵抗している。これは，楔デ力特性の履歴の減少が生じるためにエネルギー吸収量は無バイスの機能により，圧縮側アンカーボルトの塑性伸びに軸力下より減少する。

よる隙間も常に埋められており，引張軸力が作用すること

ノンスリップ型露出柱脚は，上述の一般的なアンカーボで，基礎とベースプレートとが接触している状態においてルト降伏先行型露出柱脚の問題点を改善し，性能評価（復も，圧縮軸力下に比較してベースプレートの鉛直変位が高元力特性・エネルギー吸収量の予測）が容易であり，設計めになる（図 10 参照）ためと考えられる。また，引張軸上においても非常に優位であることは明らかである。

力下の除荷時においては，引張側アンカーボルト（左側ボルト）が抵抗しなくなった分の柱軸力を圧縮側アンカーボ

５．まとめ

ルト（右側ボルト）が負担して，除荷と共に軸力が増加している。

ノンスリップ型露出柱脚を用い，アンカーボルト配置および軸力の大きさを変数とした，変動軸力下の繰返し載荷

尚，最終サイクルにおいて外側ボルトの（右および左側ボルト）の耐力が増加しているのは，塑性変形によりひず実験から以下の知見が得られた。
１．様々な変動軸力を受ける場合においても，ノンスリッみ硬化に達して，軸耐力が増加したためである。

プ型露出柱脚は，原点立上り型復元力特性を示す。
２．変動軸力が引張軸力領域に入る場合おいても，ノンス4.3

離間変位

リップ型露出柱脚の実験結果は，本論文で示した簡易図 10 より，引張軸力下（正方向載荷）においては，圧復元力特性モデルとほぼ対応している。このため，引縮軸力下（負方向載荷）に比べ，離間変位が高目となって張軸力領域を含む変動軸力下においても非常に簡便にいる。これは，引張軸力によりアンカーボルトが伸びてい評価できる。但し，引張軸力が大きい場合においては，るためである。

ノンスリップ型露出柱脚でも簡易復元力特性モデルと一方，繰返し載荷下で変動軸力 III のような柱脚の全塑対応しない場合がある。

性軸力（アンカーボルトの降伏軸力の総和）近くの軸力を３．楔デバイスの機能により，アンカーボルトの塑性伸び受けても，鉛直変位は２mm 以下に抑えることができていによる緩みを解消して，引張軸力が作用しても直ぐにる。これは，楔デバイスを設置することにより，ボルトのアンカーボルトが抵抗するため，引張軸力を受ける場塑性伸びによる緩みを解消するためである。このように，合においてベースプレートの離間変位を抑えることが楔デバイスを設置することにより，ベースプレートの離間できる。

変位を抑えることができることがわかる。

４．エネルギー吸収量は，無軸力下とほぼ同等の量が得られる。このため，変動軸力下においても，エネルギー4.4 エネルギー吸収量吸収量が容易に予測できる。

図 11 より，実験結果と復元力特性モデルより求めたエネルギー吸収量は，ほぼ対応している。復元力特性モデル

本論文で検討したいずれの実験結果においても，一般的のエネルギー吸収量は無軸力下のエネルギー吸収量に等しなアンカーボルト降伏先行型露出柱脚に比較して優位な性

く，変動軸力を受ける場合においても，ノンスリップ型露能を有している。また，復元力特性およびエネルギー吸収出柱脚のエネルギー吸収量は無軸力下とほぼ同等の値を期量等の設計における重要な性能も容易に評価できるため，待できることがわかる。

設計上においても非常に優位であることは明らかである。

謝以上より，ノンスリップ型露出柱脚では，アンカーボルト配置および引張軸力に関係なく，スリップ現象を改善す

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究ると共に，引張軸力が大きい場合を除けば，非常に簡便にセンター」（代表者

復元力特性モデルの定式化が行える。更に，離間変位も抑の一環として実施されました。

えることができ，また，柱脚のエネルギー吸収量は無軸力下と同程度の量を期待できることがわかる。

辞高松隆夫教授）のプロジェクト研究

また，試験体の転造ねじアンカーボルトを提供していた
だきましたフルサト工業株式会社に対して，感謝の意を表一般的なアンカーボルト降伏先行型露出柱脚では，アンします。

カーボルトを多数配列した場合や，更に，引張軸力を受け― 205 ―山西央朗・高松隆夫・玉井宏章

10）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：

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16）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：

特性 - 無軸力下の場合のセルフセンタリング性能 -，一定引張軸力を受ける露出柱脚の抵抗機構と復元力特日本建築学会構造系論文集，第 621 号，pp.155-162,

性モデル，日本建築学会構造系論文集，第 74 巻 第2007.11.

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８）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，小澤拓雄，松尾彰：

17）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：

変動軸力を受けるアンカーボルト降伏先行型露出柱脚

一定軸力を受けるアンカーボルト多数配列型露出柱脚の 復 元 力 特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻，の 復 元 力 特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻，pp.283-290，2008.11.

pp.267-274，2008.11.

９）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，，白木剛，多田元秀：

18）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：単調載荷下統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚のにおける鉄骨露出柱脚の FEM 解析，鋼構造年次論文

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― 206 ―