広島工業大学紀要研究編
第 ₄₆ 巻（₂₀₁₂）115 – 120論

文

ブレース付き露出柱脚の補強工法に関する実験的研究
高松隆夫*・山西央朗**・景山朋定***（平成₂₃年₁₀月₂₈日受付）

Experimental study on reinforcing method of exposed column-base in braced frame
Takao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI and Tomosada KAGEYAMA(Received Oct. 28, 2011)

Abstract
Brace strengthening methods are widely applied to seismic retrofit of low-stor y steel structures.
Exposed column-bases are strengthened by increase of the number of anchor-bolts. Hole-in anchorbolts are usually used, though performance of the bolts is different. A new idea for the method of thehole-in anchor-bolt resisting effectively needs to be proposed.
Therefore, in this paper a new technique is proposed to strengthen the exposed column-base by useof the horizontal-displacement constraint plate. From experimental results, the proposed method cansucceed in the rational resistant mechanism that the existing anchor-bolts resist the tensile axial force
and the hole-in anchor-bolts resist the shearing force.
Key Words: exposed column-bases, braced frame, hole in anchor-bolts, loading test

して作用し，ブレース軸力の水平成分がせん断力として柱₁ ．はじめに脚に作用するようになる。この補強として，現在は，ベー屋内運動場や工場等においては大空間を実現するためスプレートの拡張（ベースプレートに鋼板を溶接接合する）に，梁間方向をラーメン架構，桁行き方向をブレース架構を行い，拡張した部位にあと施工アンカーボルトを設置すとして設計・施工された低層鋼構造物が多く採用されていることで柱脚耐力を増加させる工法が行われている₃,₄︶。

る。更に，このような構造物では，柱下端部と基礎との接しかしながら，あと施工アンカーボルトに引張軸力が作合部に露出柱脚形式を採用しているのが一般的である。

用することによる性能劣化等が指摘されると共にその抵抗昨今，耐震診断が盛んに行われている中で，屋内運動場機構を正確にとらえることは難しい₃,₄︶。

等の低層鉄骨架構で，保有水平耐力が不足している事例がこのような背景の下，本研究では，ブレースからの応力多く存在する。この場合，耐力および剛性の向上が容易にに対して露出柱脚の耐力が不足している場合における補強行えることから，ブレースの新設や交換による断面増加を工法を提案すると共に，載荷実験によりその有効性を検討

₁,₂︶行う補強が一般的である。また，ブレースの軸断面を増することを目的とする。方法としては，露出柱脚にブレー加することは，ブレース以外の構造部材（柱，梁，各接合ス軸力を想定した載荷実験を行い，提案する補強工法の抵部等）への応力負担が増加するため，構造物全体の改修抗機構，期待できる性能等を議論するものとする。尚，本（補強）を行う必要がある。特に，ブレースが直接設置され研究は提案する工法の基礎的な実験研究として位置付けるている柱脚においては，ブレース軸力の鉛直成分が軸力とものとし，損傷・降伏する要素をアンカーボルトに限定し* 広島工業大学工学部建築工学科** 東京工業大学都市地震工学センター*** 有限会社景山構造設計事務所
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高松隆夫・山西央朗・景山朋定（a）構成（b）抵抗機構
図₁

提案する補強工法

図₂

従来の補強工法（b）抵抗機構（a）構成

し，鉛直変位は既設のアンカーボルトの引抜き抵抗によりて載荷実験および評価を行う。

支持するものとなっている。このため，各ボルトに作用す₂ ．提案する補強工法る応力が明瞭になると共に，各ボルトには特性に合った応図 ₁ に，提案する補強工法，図 ₂ に従来の補強工法の構力が作用することとなり，合理的な設計が可能となる。
尚，本工法はアンカーボルト降伏型に適用する工法であ成と性能を，それぞれ，示す。
提案する補強工法は図 ₁ （a）に示すよう，ベースプレートの側部に水平変位拘束材（ベースプレート程度の板厚のり，ベースプレートが大きく面外曲げ変形する場合には，適用できない可能性がある。

鋼板）と呼ぶ部材を設置し，これをあと施工アンカーボル

₃ ．実験概要

トにより基礎に緊結するものである。この工法の主な工程
はあと施工アンカーボルトを設置するのみである。図 ₂

実験では，露出柱脚にブレースの軸力の影響のみを再現（a）の従来の補強工法では，補強プレートを溶接接合で増した載荷実験を行う。実際の架構では，ブレース軸力に加設して，あと施工アンカーボルトを設置するのに対して，えて，架構からの応力も作用するが無視するものとする。

比較的容易に施工することが可能である。このため，既存露出柱脚付き片持ち柱の下端部にガセットプレートを溶構造物の耐震改修工法としても十分適用可能である。ま

接接合して，ガセットプレートに設置した油圧ジャッキでた，図 ₂ （b）に示すように，従来の補強工法では既設のブレース軸力を想定した荷重を載荷する。

アンカーボルトとあと施工アンカーボルトに，柱脚軸力 N

また，提案する工法の有効性を検討するために，試験体（ブレース軸力鉛直成分：BR T・sin α ）と柱脚せん断力 Q変数として，補強を施さないものと，従来の補強を施した（ブレース水平成分：BRT・cosα ）が同時に作用する抵抗機ものの実験も併せて行う。尚，本実験ではアンカーボルト構になるため，アンカーボルトは組み合わせ応力下になのみを降伏・塑性化させるため，鋼製基礎を用いると共₅,₆︶

り，早期に破断する可能性があるに，水平変位拘束材に PL-₇₀ の鋼材を，水平変位拘束材を。それに対して，図 ₁（b）に示す提案する補強工法では，あと施工アンカーボル緊結するボルトに高力ボルト M₂₄ を ₅ 本用いて，所定の初トは柱脚せん断力 Q（ブレース水平成分：BRT・cosα ）を，期軸力を導入する。このため，試験体の内，アンカーボル既設のアンカーボルトは柱脚軸力 N（ブレース軸力鉛直成トのみが降伏し，それ以外の部材は弾性範囲に留まるよう分：BRT・sinα ）を，それぞれ，負担する抵抗機構となる。に設計したものを用いている。

すなわち，水平変位拘束材とベースプレートとを接触状態

尚，本研究は，柱脚の応力状態を明らかにし，著者等がとすることで，ベースプレートの水平変位は水平変位拘束提案する水平変位拘束材の性能を検証することを目的とし材を介してあと施工アンカーボルトのせん断力により抵抗ている。

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ブレース付き露出柱脚の補強工法に関する実験的研究（a）Nr,Sh

（b）Gr
図₄

図₃₃.₁

ベースプレート

図₅

試験体

アンカーボルト

実験の試験体

図 ₃ ～ ₅ に載荷実験の試験体形状を，図 ₆ に柱脚（アンカーボルト）のミーゼスの降伏条件を，表 ₁ に載荷実験試
験体の素材特性を，それぞれ，示す。
試験体は，柱には H-₃₄₆×₁₇₄×₆×₉ を，ベースプレー
トには PL-₃₀ を，アンカーボルトには M₁₆ の転造ねじアンカーボルトを，ガセットプレートには PL-₁₆ を，ブレースには PL-₁₉×₃₀ を ₂ 本用いる。試験体の変数としては，補強を施さないものとしてアンカーボルトを ₄ 本配置した
Nr，提案する補強工法を適用したものとしてアンカーボル
トを ₄ 本配置して水平変位拘束材を設置した Sh，一般的な補強工法を想定した（ベースプレートを拡張し，あと施工アンカーボルトを設置した）ものとして ₈ 本のアンカーボルトを配置した Gr，以上の計 ₃ 体を用いる。それぞれ，アンカーボルトには初期導入軸力として，降伏軸力の₃₀％部 材 名（約₁₅（kN））を導入している。
尚，水平変位拘束材には，ボルトに対して大き目のボル

図₆

ミーゼスの降伏条件表₁

試験体の素材特性

材 種

SS₄₀₀
柱
ベースプレート SS₄₀₀
アンカーボルト ABR₄₀₀

ト孔径（ボルト径＋₃ mm）が掘削している。試験体 Sh において，ボルトクリアランス分の滑りを防ぐために，高力

ヤング係数 降伏応力度
引張強さ
₂E（N/mm₂） σ （N/mm） σ u（N/mm₂）
y₂₀₅₀₀₀
₂₀₅₀₀₀₂₀₅₀₀₀₂₇₆₂₅₇₂₉₁₄₀₉
₄₂₀₄₂₇ボルト F₁₀T-M₂₄ を ₅ 本配置して締め付け，所定の載荷に対して鋼製基礎と水平変位拘束材間で生じる滑り耐力が超破断するまで，Sh と Gr はアンカーボルトが降伏した後に過するように設計している（滑り耐力＝本数・静止摩擦係

大きく塑性変形するまで載荷をする。

数・導入軸力＝₅×₀.₃×₂₃₆＝₃₅₃（kN））。

また，柱脚の回転を回避するために，柱頭部に設置した水平油圧ジャッキにより，片持ち柱の部材角が ₀ になるよ

₃.₂

載荷装置

うに柱頭部と柱脚部の水平変位に差異が生じないよう調整

図 ₇ に要素実験の載荷装置を示す。載荷装置としては，している。

ガセットプレート・ブレースを介して設置角度を₄₀°とした油圧ジャッキにより，ブレース軸力を想定した応力（柱脚₃.₃

計測位置と計測方法

せん断力，柱軸力）を柱脚に与える単調引張載荷とする。

図 ₈ に計測位置をそれぞれ，示す。計測は，柱脚部の変尚，ブレース軸力を想定したした油圧ジャッキの最大出位量を計測するために，柱下端部の鉛直変位 CBδ V，ベース力が ₂₀₀ kN のものを ₂ 台用いて，Nr はアンカーボルトがプレートの水平変位 CB δ H を計測する。

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高松隆夫・山西央朗・景山朋定

（a）Sh

図₇

載荷装置

（b）Gr

図₈

計測位置

尚，柱頭部の水平変位 C δ H を計測し，柱脚の回転を回避するため，ベースプレートの水平変位 CBδ H 差異が生じないようにしている。
各部材に作用する応力を計測するために，ブレースと（c）Nrジャッキとの間に設置したロードセルによりブレース軸力

図₉BR T を，アンカーボルト下端に設置したロードセルにより

BR T-CB δ H

アンカーボルト軸力 ABT を，ベースプレートと水平変位拘に試験体 Sh のアンカーボルト軸力－柱脚部鉛直変位関係

束材との間に設置したロードセルにより水平変位拘束材がを，それぞれ，示す。

負担する柱脚せん断力 ShQ を，それぞれ，計測する。

図 ₉ ，₁₀より Nr は柱脚が水平方向に ₉ mm 程度移動し尚，ベースプレートと水平変位拘束材間に作用する摩擦てブレース軸力が ₂₅₀ kN となった時点でアンカーボルト力を軽減するため，水平変位拘束材とベースプレートとのが破断した。Sh および Gr はブレース軸力が ₃₀₀ kN を超間にテフロンシートを設置（図 ₁ （a）を参照）している。

過してもアンカーボルトは破断することなく，それぞれ，柱脚の補強効果が得られていることが分かる。また，図₁₀

₄ ．実験結果と考察（a），（b）より，Sh は鉛直変位が大きく生じているもの

図 ₉ にブレース軸力－柱脚水平変位関係を，図₁₀にブの，水平変位は Gr より小さいことが分かる。

レース軸力－柱脚鉛直変位関係を，図₁₁に試験体 Sh の水図₁₁よりせん断力は水平変位拘束材がほぼ全て負担して平変位拘束材負担せん断力－柱脚部水平変位関係を，図₁₂いるため，既設のアンカーボルトにはせん断力が殆ど作用─ 118 ─

ブレース付き露出柱脚の補強工法に関する実験的研究

図₁₂

（a）Sh

BR TV-CB δ Vしていない。
次いで，図₁₂より，既設のアンカーボルトは降伏軸力の総計 ₁₉₂ kN を超過するまではほぼ全てのブレース軸力の鉛直成分を負担していることが分かる。降伏軸力の総計が₁₉₂ kN を超過すると既設のアンカーボルトが全てを負担しておらず，₁₆ kN ほど差が生じている。これは，水平変位拘束材とベースプレート間で摩擦力が発生しているためである。しかしながら，降伏軸力の総計の ₈ ％程度であるため，あと施工アンカーボルトには鉛直力が作用していない（b）Grとみなす。
尚，載荷初期は基礎とベースプレート間に発生する摩擦力（初期導入軸力による摩擦力）が水平成分に抵抗するが，摩擦力が減少してくると，水平変位拘束材にせん断力が作用し始める。
以上の結果から，ブレースからの軸力を受ける場合，従来の柱脚ではアンカーボルトに軸力とせん断力が同時に作用するため，組合わせ応力状態となり早期に破断するが，水平変位拘束材を用いることで，既設のアンカーボルトはブレース軸力の鉛直成分のみを負担し，靭性のある挙動を示している。

（c）Nr
図₁₀

BR T-CB δ V

このように，水平変位拘束材が期待通りの性能（せん断力のみを負担する）を有していることが分かる。通常，ブレース架構ではアンカーボルトを弾性設計するが，アンカーボルトを降伏させた場合の終局状態における実験結果
より，想定外の応力を受ける場合においても脆性的な破壊を回避することができ，また，設置時にナットに緩み等がありベースプレートが離間した場合にも抵抗機構は変化しないことが分かる。

₅ ．まとめ
ブレースからの応力を受ける柱脚の補強工法として，水平変位拘束材による補強工法を提案するとともに，載荷実験を行い，以下の知見が得られた。
図₁₁

₁ ．水平変位拘束材を設置することで，ブレースからの応BR TH-CB δ H

─ 119 ─

高松隆夫・山西央朗・景山朋定

耐震性能規準（平成₁₈ 年版），₂₀₀₆．

力に対して柱脚を補強することが可能である。
₂ ．水平変位拘束材を用いた柱脚は，アンカーボルト降伏

₂ ）財団法人 日本建築防災協会：耐震改修促進法のための後では荷重および水平変位はほとんど増加しないが鉛既存鉄骨造建築物の耐震診断および耐震改修指針・同直変位は増加し，靭性のある挙動を示している。

解説（₁₉₉₆），₁₉₉₆.₉.

₃ ．本論文で提案する補強工法によって，あと施工アン₃ ）畑中理沙，田渕基嗣，田中剛，益居綾：ブレース付き

カーボルトはせん断力のみを，既設のアンカーボルト

鉄骨造骨組における露出柱脚の耐震補強に関する研究は軸力のみを負担する抵抗機構が実現できる。これに（その ₁ ．実験概要），日本建築学会大会学術講演梗概
集（北陸），構造 III C-₁ pp. ₈₀₁ – ₈₀₂，₂₀₀₂.₈.

より，合理的な改修設計が可能となる。
以上，水平変位拘束材を設置した露出柱脚の載荷実験を₄ ）益居綾，田渕基嗣，田中剛，畑中理沙：ブレース付き行い，水平変位拘束材の有効性を示した。今後は，実構造鉄骨造骨組における露出柱脚の耐震補強に関する研究物を想定した試験体を用いた載荷実験を行い，実用化に向（その ₂ ．実験結果），日本建築学会大会学術講演梗概

けての課題と解決方法，設計手法を検討する。

集（北陸），構造 III C-₁ pp. ₈₀₃ – ₈₀₄，₂₀₀₂.₈.

謝₅ ）竹本泰聖，山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，福原章

辞宏，松尾彰：引張軸力とせん断力を受けるアンカーボ

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の一環として実施されました。更に，試験体の転造ねじアンカーボルトをフルサト工業株式会社より提供していただき

単調載荷下の崩壊機構，日本建築学会大会学術講演会（北陸），pp. ₈₄₁ –
₈₄₂，₂₀₁₀.₉.
₆ ）福原章宏，山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，竹本泰聖，松尾彰：引張軸力とせん断力を受けるアンカーボました。ここに記して，感謝の意を表します。

文

ルト降伏先行型露出柱脚―その ₁

ルト降伏先行型露出柱脚―その ₂

献繰り返し載荷実験，日本建築学会大会学術講演会（北陸），pp. ₈₄₃ –

₁ ）文部科学省大臣官房文教施設企画部：屋内運動場等の─ 120 ─

₈₄₄，₂₀₁₀.₉.