広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.207-213

論文

変動軸力と曲げを受けるアンカーボルト多数配列型露出柱脚に関する実験的研究
山西央朗 *・高松隆夫 **・玉井宏章 **（平成21年10月31日受理）

A experimental study on anchor-bolt-yield-type exposed column-base with multi-rowsof anchor bolts subjected to variable axial-force and bending
Teruaki YAMANISHI, Takao TAKAMATSU and Hiroyuki TAMAI(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
Experimental studies were carried out on anchor-bolt-yield-type exposed column bases subjected to constant compression or tension to obtain different types of resistant mechanisms andrestoring force characteristics due to a magnitude of the constant axial force. In this paper,models of resistant mechanisms and restoring force characteristics are proposed on exposedcolumn bases subjected to a variable axial force by use of the experimental results and themodels of restoring force characteristics under constant axial forces.
Key Words: Anchor-bolt-yield-type exposed column-base, Variable axial-force,
Multi-rows of anchor-bolt, Resisting mechanism, Restoring force characteristics

分けることができ，領域毎に（軸力の大きさにより）１．はじめに復元力特性の履歴が変化する。

アンカーボルト降伏先行型露出柱脚は，柱からの圧縮軸

２）ベースプレートと基礎，ベースプレートとアンカーボ力に比例して復元力特性の降伏曲げ耐力・弾性回転剛性がルトのナットとの接触離間条件により各抵抗機構を定１-２）増減する

義して，抵抗機構毎に降伏曲げ耐力，弾性回転剛性等。また，柱から引張軸力を受ける場合，ベーを評価できる。

スプレートと基礎，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触・離間条件により抵抗機構が変化し，

３）抵抗機構の変化等が予測できれば，各評価式を用いてこれに伴い，復元力特性（履歴性状）が変化することが明

実験結果を精確に評価できる復元力特性モデルが算出

３）

できる。

らかとなっている 。
著者等はこのようなアンカーボルト降伏先行型露出柱脚４）アンカーボルトの列数が増加すると，軸力の領域の種の復元力特性と抵抗機構との相互関係を明らかにするた類が増加する。更に，抵抗機構の種類も増加する。

め，一定圧縮・引張軸力と曲げを受けるアンカーボルト降

このため，アンカーボルト先行降伏型露出柱脚が引張軸

伏先行型露出柱脚の載荷実験を行い，以下のことを明らか

力を受ける場合は，復元力特性は複雑な挙動を示すことがにしている

４-６）

予想される。これまでに，アンカーボルトをベースプレー。

１）アンカーボルト列当たりの耐力により，軸力の領域をト隅角部に１本ずつ配置した単純な試験体が変動軸力を受＊＊  

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― 207 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章
表1
材質

素材特性と主要寸法
σY

E

主要寸法

（N/ ㎟）（N/ ㎟）（㎜）
柱STKR400

205,000349□ -200x200x12

ベースプレートSS400

205,000409

PL-50x400x400

アンカーボルト

ABR400205,000

273

φg = 14.6, abl = 590

E：ヤング係数 σY：降伏応力度 φg：軸部径（a）ベースプレート （b）ベースプレート（Type I）
（Type I'）
図１

abl：有効長さ（c）アンカーボルト

試験体
図２

ける場合については，載荷実験を行い，復元力特性と抵抗載荷装置機構との相互関係を明らかにし，復元力特性モデルの定式化を行っている７－９）。しかしながら，アンカーボルトを多50x400x400 にアンカーボルト８本を３列に均等配置した数配列した場合については，十分な検討を行えていない。

Type I およびアンカーボルト６本を２本ずつ３列に均等そこで，本論文では，アンカーボルト降伏先行型露出柱配置した Type I' を用い，柱とベースプレートは全周隅肉脚を用いて，引張軸力領域を含む変動軸力下の載荷実験を溶接接合している。アンカーボルトには転造ねじアンカー行い，変動軸力下の復元力特性を明らかにすることを目的

ボルト M16 を使用し，また，実験時には軸部降伏軸力のとする。また，アンカーボルト軸力，ベースプレートと基30％（15kN）を初期軸力として導入する。基礎部には，礎との接触反力等から，復元力特性と抵抗機構との相互関

い ず れ の 載 荷 に 対 し て も 塑 性 化 し な い， 鋼 製 基 礎 BH-係も明らかにする。

400x400x32x36 を使用する。

尚，変動軸力を受ける柱脚として，本研究では中低層ラー
メン構造物の側柱を想定し７），主に軸力と曲げにより崩壊

2.2載荷装置と載荷方法

図２，３に載荷装置，変動軸力を示す。載荷は，試験体する柱脚を対象としている。

柱頭部のヨークに接合した鉛直・水平ジャッキにより，柱２．実験

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

本実験では，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付き片である。
水平載荷は，制御値をベースプレート回転角 θ として，持ち柱に，変動軸力と同時に水平繰返し載荷する実験を行

0.005（rad）から 0.025（rad）まで 0.005（rad）ずつ振幅う。試験体変数を柱軸力 N とする。

を漸増させる正負交番漸増繰返し載荷を行う。
2.1

試験体

鉛直載荷は，ベースプレート回転角 θ の一次の従属関数

表１に試験体の素材特性と主要寸法を示す。また，図１となるように変動軸力を載荷する。また，アンカーボルトに試験体形状を示す。尚，本実験では，ベースプレート，柱，降伏先行型露出柱脚が引張軸力を受ける場合，引張軸力のおよび，基礎部分には，各載荷に対して弾性範囲に留まるみで何列のアンカーボルトが降伏するかにより，発生する素材特性・断面性能を採用している。

抵抗機構が変化する。
このため，Type I においては，以下のように領域分け

試験体には，アンカーボルトを多数配列した露出柱脚（Type I，Type I'）に３種類の変動軸力（Var. I，Var. II，を行うことができる。
0 < N < 8TY を満足するとともに，Var. III）を載荷する，合計３種類を用意した。
柱 に は □ -200x200x12， ベ ー ス プ レ ー ト に は，PL― 208 ―N < 2TY :

引張軸力領域 I

変動軸力と曲げを受けるアンカーボルト多数配列型露出柱脚に関する実験的研究

図５（a）（Type I）
図３

柱脚の変形状態と各種諸量（b）（Type I'）

変動軸力の制御方法
図６2TY ≦ N < 5TY :引張軸力領域 II

5TY ≦ N < 8TY :

引張軸力領域 III

柱脚の鉛直方向力

図４

このように，中央の列に配置された２本のアンカーボル

計測位置

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分けられる。

する曲げモーメント M を算出する。尚，ひずみゲージよ本実験では，最大の引張軸力が引張軸力領域 I，II，IIIに入る３つの変動軸力 Var．I，Var．II，Var．III を載荷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し，水平荷重 P と一致することを確認している。

する。但し，８本を均等配置した試験体では，引張軸力領域 III の載荷を行うのに，約 300（kN）以上の荷重が必要

更に，図６に示す柱脚回りの鉛直方向力の釣合から以下の式を導出して，接触反力 C を算出する。

であり，本実験装置の鉛直ジャッキでは載荷能力が不足し，C=N−載荷できない。このため，外側に配置されたアンカーボル
ト本数を２本に減らした Type I' で載荷実験を行う。このため，引張軸力領域 III の範囲は以下のようになる。

（2）

ここに，ΣT：アンカーボルト軸力の総和である。但し，N，T，C のいずれも，引張側を正（＋）とする。

0 < N < 6TY を満足するとともに，4TY ≦ N < 6TY :ΣT

引張軸力領域 III

３．抵抗機構

このため，Var．III は図３（b）に示すものを載荷する。

本論文の試験体が圧縮，引張軸力を受ける場合，図７に示す５種類の抵抗機構が発生する。以下に，各抵抗機構の2.3

計測方法と整理方法

特徴と発生領域を示す。

図４に計測位置を示す。変位としては，柱下端部の鉛直（a）の抵抗機構 A は，ベースプレートが基礎に接触して変位 δL，δR を計測してベースプレート回転角 θ を算出する。

いる場合の抵抗機構である。圧縮軸力領域にある場合は常また，図５に示す幾何学的条件から求めた以下の式を用いにこの抵抗機構となり，引張軸力の場合は，引張軸力領域て，ベースプレートと基礎との離間変位 δv を算出する。

I，II で発生する。

δv= w −

DD
δ +δ· sin θ = L R −· sin θ222（1）（b）の抵抗機構 B は，ベースプレートが基礎から離間し，中央のアンカーボルト列のナットがベースプレートに接触している場合の抵抗機構である。この抵抗機構は，引張軸ここに，D：ベースプレートの幅である。

力領域 I のみで発生する。この抵抗機構では，柱軸力に対荷重としては，各ジャッキ先端に設置したロードセルにして中央のアンカーボルトが抵抗し，柱軸力とアンカーボより水平荷重 P および鉛直荷重 N を，アンカーボルト下ルトの抵抗力との間の距離が０であるので，曲げ耐力は０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となり，柱脚はピン接合状態となる。

カーボルト軸力 T を計測する。また，ひずみゲージを柱（c）の抵抗機構 C は，ベースプレートが基礎から離間し，の２箇所（１箇所当たり，４枚）に貼付して，柱の軸方向外側のアンカーボルト列のナットがベースプレートに接触― 209 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章

圧縮軸力領域
引張軸力領域 I： 抵抗機構Ａ： 抵抗機構Ａ
抵抗機構Ｂ
抵抗機構Ｄ
引張軸力領域 II ： 抵抗機構Ａ
抵抗機構Ｅ
抵抗機構Ｄ
引張軸力領域 III ： 抵抗機構Ｅ（a）抵抗機構 A（b）抵抗機構 B（c）抵抗機構 C
図７（d）抵抗機構 D（e）抵抗機構 E （f）各領域で発生する抵抗機構

曲げに対する抵抗機構

している場合の抵抗機構である。この抵抗機構は，引張軸4.1力領域 I，II で発生する。この抵抗機構では，耐力は常に復元力特性（M-θ 関係）と抵抗機構

図８より，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚は，変動付加曲げ耐力となる。

軸力の大きさに関係なく，いずれの場合においてもスリッ（d）の抵抗機構 D は，ベースプレートが基礎から離間し，プ現象が生じている。また，負方向載荷では圧縮軸力が増中央のアンカーボルト列および外側片方のアンカーボルト加するため回転角の増加と共に耐力が増加，正方向載荷で列のナットがベースプレートに接触している場合の抵抗機は圧縮軸力が減少した後に引張軸力が増加するため回転角構である。この抵抗機構は，引張軸力領域 I，II で発生する。の増加と共に耐力が減少している。

この抵抗機構では，中央の列が降伏している場合と，外側変動軸力 I の場合については，正方向の最終サイクルでの列が降伏している場合とで降伏曲げ耐力が異なる。

は，載荷時の抵抗機構が A ⇒ B ⇒ A となり，抵抗機構 A（e）の抵抗機構 E は，ベースプレートが基礎から離間し，で柱脚が降伏している。また，除荷時には，耐力が０にな全てのアンカーボルトのナットがベースプレートに接触しると共に抵抗機構 B となり，軸力が圧縮軸力領域に入るている場合の抵抗機構である。この抵抗機構は，引張軸力まで耐力が０のままであった。塑性化した区間では，ほぼ領域 I，II，III で発生する。

抵抗機構 B で耐力が０，また，引張側アンカーボルト（左側ボルト）が接触すると同時にベースプレートと基礎とが以上より，各軸力領域で発生する抵抗機構は，図７（f）接触するため，無軸力下の復元力特性に類似している。に示すようになる。

変動軸力 II の場合については，履歴性状は変動軸力 Iの場合に近いが，最大引張軸力が大きいために正方向載荷４．実験結果と考察時の耐力の減少が大きい。抵抗機構 B の発生により，耐

図８～ 11 に各試験体の実験結果を，それぞれ，示す。

力が０になることと，引張軸力による耐力の減少が変動軸

図８に曲げモーメント M - ベースプレート回転角 θ 関係

力 I に比べて大きいため，復元力特性の履歴の減少が明瞭を，図９にアンカーボルト軸力 T - θ 関係を，図 10 に接触に現れている。更に，除荷時においては，抵抗機構 D が反力 C - θ 関係を，図 11 にベースプレート離間変位 δv - θ発生している。
変動軸力 III の場合については，他の変動軸力の場合と関係を，それぞれ，示す。但し，離間変位は式（1）より算比較して，多目の抵抗機構が発生している。これは，各軸出し，接触反力 C は式（2）より算出している。
また，図８においては，最終サイクルの履歴を極太線と力領域を通る影響と，図 11 から分かるように離間変位がして各時点での抵抗機構を表しているものも併せて示して大きいためである。また，その履歴性状は非常に複雑であいる。図９においては，最終サイクル除荷時のアンカーボり，復元力特性のみではスリップ現象が発生している部分

ルト抵抗状態を明確に示すために，最終サイクルのみの履の判定も困難である。更に，引張軸力が大いために，正方歴も併せて示している。

向載荷での中央ボルトの塑性伸び量が大きく，負方向載荷尚，図８中の抵抗機構については，図９の T - θ 関係かで抵抗し難くなっている。このため，負方向載荷の履歴がらベースプレートとアンカーボルトのナットとの接触離間ノコギリの刃のような形状となり，他の変動軸力の場合と状態を，図 10 の C - θ 関係からベースプレートと基礎と異なる履歴となっている。の接触離間状態を判断し，３節と図７の定義に基づいて抵抗機構を決定している。接触離間状態の判断においては，

4.2

図 11 より，引張軸力が大きくなるほど，離間変位が大T および C 共に，値が０となったら離間状態であると判断した。

離間変位きくなっている。これは，引張軸力をアンカーボルトが負― 210 ―変動軸力と曲げを受けるアンカーボルト多数配列型露出柱脚に関する実験的研究（a）Type I - Var.I（b）Type I - Var.II（c）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 関係担し，また，引張軸力に抵抗できない（引張軸力のみで降伏する）場合に，ボルトが大きく塑性伸びするためである。

以上より，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚では，変このため，変動軸力 III では，６㎜近くの離間変位が生じ動軸力を受ける場合もスリップ現象が生じる。また，引張ている。

軸力を受ける場合，引張軸力の大きさにより発生する抵抗また，アンカーボルトが塑性伸びした場合，引張軸力を機構が変化する。

受けるとベースプレートとナットとが接触するまで，鉛直このため，復元力特性モデルの定式化を精確に行うには上方向に変位するので，塑性化した区間では離間変位が大全ての抵抗機構を考慮して抵抗機構発生の判定式を設け，きくなる。

更に，抵抗機構毎の降伏曲げ耐力および弾性回転剛性を評― 211 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章（a）Type I - Var.I（b）Type I - Var.II
図９（c）Type I’- Var.III

アンカーボルト軸力 T - ベースプレート回転角 θ 関係（a）Type I - Var.I（b）Type I - Var.II
図 10

接触反力 C - ベースプレート回転角 θ 関係（b）Type I - Var.II（a）Type I - Var.I
図 11（c）Type I’- Var.III

離間変位 δv - ベースプレート回転角 θ 関係

― 212 ―（c）Type I’- Var.III変動軸力と曲げを受けるアンカーボルト多数配列型露出柱脚に関する実験的研究

価することになる。各アンカーボルトをスプリングに置き参考文献換えて増分解析を行うか，有限要素法解析等を行えば解析できるが，実務設計を考えた場合，容易に評価できるとは

１）秋山宏：鉄骨柱脚の耐震設計，技報堂出版，1985.3.

考え難い。また，復元力特性の履歴性状においても，規則２）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：露出柱脚の性はないと思われ，回転バネ等を用いた設計式を導出する

弾性回転剛性について - アンカーボルト降伏先行型ののも困難と思われる。

場合 -，日本建築学会構造系論文集，第 73 巻号

５．まとめ

第 624

pp.317-324，2008．２．

３）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-

アンカーボルト降伏先行型露出柱脚を用い，軸力の大き188，1998．11．

さを変数とした，変動軸力下の繰返し載荷実験から以下の４）高松隆夫，玉井宏章，松村高良，山西央朗，松尾彰：知見が得られた。

一定軸力下の鉄骨露出柱脚の復元力特性モデル，鋼構

１．様々な変動軸力を受ける場合においても，スリップ型造年次論文報告集，第 15 巻，pp.97-104，2007．11．

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は，変動軸

５）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：力の大きさにより，発生する抵抗機構が異なり，引張一定引張軸力を受ける露出柱脚の抵抗機構と復元力特軸力が大きくなるにつれて復元力特性が複雑化する。

性モデル，日本建築学会構造系論文集，第 74 巻
637 号

３．抵抗機構が複数個有り，また，その発生条件が容易に

第pp.561-567，2009．３．

想定し難いこと，復元力特性に規則性が見られないこ

６）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：とから，実験結果を追跡できる復元力特性モデルを定

一定軸力を受けるアンカーボルト多数配列型露出柱脚式化することは容易ではない。の 復 元 力 特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻，pp.267-274，2008．11．

４．離間変位は，引張軸力が大きくなる程大きくなり，最７）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，白木剛，多田元秀：

大で６㎜程度の離間変位が生じた。

謝

統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚の辞

仮 動 的 実 権， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻，pp.269-276，2006．11．

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）のプロジェクト研究８）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，小澤拓雄，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の一環として実施されました。の 復 元 力 特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻，また，試験体の転造ねじアンカーボルトを提供していた

pp.283-290，2008．11．

だきましたフルサト工業株式会社に対して，感謝の意を表します。

９）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：引張領域を含む変動軸力を受けるノンスリップ型露出
柱脚の抵抗特性に関する実験的研究，日本建築学会構造系論文集，第 74 巻 第 642 号，pp.1495-1502，2007．
11．

― 213 ―