広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.199-206

論文

アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付ブレース架構の繰返し載荷実験
山西央朗*・高松 隆夫**・玉井 宏章**・竹本澤田樹一郎****・松尾 彰****泰聖***（平成22年10月29日受付）

Loading tests of braced-frame with anchor-bolt-yield-type exposed column-baseTeruaki YAMANISHI, Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI,Yasumasa TAKEMOTO, Kiichirou SAWADA, Akira MATSUO(Received Oct. 29, 2010)

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

未だ抵抗機構，崩壊機構および架構の復元力特性は不明な

１．はじめに点を多く含んでいる。更に問題として，ブレース架構にお近年，耐震補強のために既存鋼構造建築物においては，いては，せん断力の影響が大きくなると共に，引張軸力が耐力および剛性の向上が容易に行えることから，ブレース作用して基礎とベースプレート離間して，全てのせん断力を用いた補強工法（ブレースの取替え，ブレースの追加等）がアンカーボルトに作用することとなり早期に降伏およびが多く用いられている。また，このような架構においては，破断する可能性がある。このために，弾性柱脚を設計する

弾性設計されたアンカーボルト降伏先行型露出柱脚が用い場合には，ラーメン架構を想定した抵抗機構等は適用できられていることが多く，一般的に引張軸力およびせん断力ず，また，そのために適切な柱脚の補強工法も確立できてに対しての検討はされているが，上述のようにブレースをいない。

用いた補強を行うことにより，柱脚に作用する応力は増加

柱脚の引張軸力とせん断力とを同時に受けるアンカーボし，既存の柱脚を弾性柱脚とするためには補強が必要とな

ルト降伏先行型露出柱脚の抵抗特性については，要素実験・る。

部材実験により明らかにされているが 13−15），実際の構造

露出柱脚に関しては，ラーメン架構を想定しての曲げと物においては，曲げの影響も含まれる。実際の構造物の挙軸力を受ける場合について研究しているものが多く１−10），動を検討するには，架構試験体を用いた実験を行うべきで

柱脚付ブレース架構を想定した場合の研究は少なく11，12）＊＊＊＊

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＊＊＊＊

広島工業大学大学院＊＊＊＊

広島大学大学院，あるが，これまでの研究では，柱脚付ブレース架構の架構

建設工学専攻

建築学専攻― 199 ―

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2011/01/18 18:10:01

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・竹本泰聖・澤田樹一郎・松尾
表１

彰

素材特性

ヤング係数 降伏応力度 降伏ひずみ ひずみ硬化 引張強さ
開始ひずみ
22E（N/mm2） σ（N/mm） ε（％））εST（％） σ（N/mmYYu

主要寸法

部材名

材種

フランジSN490

2050003950.142.51491

ウェブ

SN490

205000399

0.162.61487

フランジ

SS400

2050002950.152.84412

ウェブ

SS400

2050003180.173.62434

ベースプレート

SN490

2050003470.181.94

487

PL-50

ブレース

M24

SNR4002050002870.142.58

441

M24 軸部径φ＝22.2mm

M30

SNR4002050002960.142.14472

M30 軸部径φ＝27.7mm

M33

SNR4002050002800.132.53

440

M16 軸部径φ＝31.0mm

アンカーボルト

ABR4002050002940.142.55

435

M16 軸部径φ＝14.5mm

柱梁（a）ベースプレート（mm）

H-250x250x9x14
H-250x125x6x9（b）アンカーボルト
図２

各ブレースの耐力実験を行っている研究は数少ない 11，12）。
そこで，データの蓄積と，精確な抵抗機構を判断・検討することを目的に，本論文では，軸力とせん断力を同時に受ける柱脚の降伏条件や崩壊機構を明らかにすることと，また，ブレース架構の復元力特性を明らかにすることを目的とする。
方法としては，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付ブレース架構を用いて，ブレースを変数とした載荷実験を行い，実験結果より崩壊機構を明らかにすると共に，実験結果の復元力特性を検討・考察する。
（c）ブレース

２．実験概要本実験では，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付ブレース架構を用いて，ブレースの断面を変数とした水平繰返し載荷実験を行う。尚，実験変数であるブレースの断面は，図１（b）に示す柱脚のアンカーボルトについて，図２のミーゼスの降伏条件より得られる柱脚の降伏耐力以下のもの（M24），降伏耐力を超過し最大耐力以下のもの（M30），そして最大耐力を超過するもの（M33）を，それぞれ，選定する。

（d）試験体設置状況
図１ 試験体2.1

試験体概要

表１に試験体の素材特性と主要寸法を，図１に試験体形状を示す。柱には H-250x250x９x14 を，梁には H-250x125x― 200 ―

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2011/01/18 18:10:19アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付ブレース架構の繰返し載荷実験６x９を使用し，柱下端部にベースプレートを隅肉溶接接ドから当てて挟み込んだものであり，接触面における摩擦合し，柱を弱軸方向としてガセットプレートと梁のウェブ力を小さくしてローラー支持とするため，鋼板にテフロンを高力ボルト接合している。柱脚には，ベースプレートのシートを貼り，グリスを塗っている。

隅角部にアンカーボルトを４本配置した PL-400x400x50

載荷は，試験体柱頭部に水平の油圧ジャッキを設置し，を使用し，アンカーボルトには転造ねじアンカーボルト

水平変位 δ を制御値とした正負交番漸増繰返し載荷を行M16 を使用する。尚，アンカーボルトには降伏軸力のう。目標値を，１/1000，１/500，１/250，１/125，１/75

30%（15kN）を初期軸力として導入する。ブレースには，として，それぞれ，２サイクル行う。尚，２台の油圧ジャッターンバックル付転造ねじブレース M24，M30，M33 をキにより載荷を行うが，試験体にねじれや曲げが作用しな使用する。ブレースは架構の対角線上に配置しており，設いようにするために，各油圧ジャッキの伸び量が等しくな置角度は 30.96 度である。尚，初期載荷時より直ぐに圧縮るよう制御する。また，アンカーボルトが破断した時点で軸力がブレースに作用することを防ぐため，ブレース降伏載荷終了とする。

軸力の 50%（M24 の場合 55kN，M30 の場合 90kN，M33の場合 103kN）を初期軸力として導入する。初期軸力導2.3

入方法としては，ブレースに取り付けてあるターンバック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，柱頭部に設置した変位計により柱頭部水平変位 δ を，各柱下端部の鉛直変ルを締めて，初期軸力を導入している。

位 δL,R を計測してベースプレート回転角 θ を算出し，柱下22端部に設置した変位計により柱脚水平変位 CBδH を計測す

載荷装置と載荷方法

図３に載荷装置を示す。載荷装置は，反力梁 H-400x400xる。荷重としては，ジャッキ先端のロードセルにより水平13x21，反力柱 H-400x400x13x21 および油圧ジャッキによ

荷重 P を，アンカーボルト下端に設置したセンターホーり構成されており，試験体を反力梁に設置し，反力柱に取ル型ロードセルにより，各アンカーボルトの軸力 ABT を計り付けた油圧ジャッキはピンを介し試験体に設置する。ま測する。また，ひずみゲージを柱および梁に貼付して，各た，載荷時における試験体梁の座屈を防ぐため座屈拘束装ブレース軸力の水平成分 BRNX を算出する。

置を用いる。座屈拘束装置は，梁の中央部に鋼板を両サイ（b）載荷装置：前（a）載荷装置：横
図３

載荷装置

（a）抵抗機構 A
図４

計測位置（b）抵抗機構 B
図５

柱脚の抵抗機構― 201 ―27̲43山西央朗.indd 201

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山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・竹本泰聖・澤田樹一郎・松尾彰

３．降伏耐力および抵抗機構
図５に柱脚の抵抗機構を，図６に柱脚が曲げモーメントで崩壊する場合の解析モデルおよび復元力特性モデル（柱脚付架構，ブレース，摩擦抵抗）を，図７にミーゼスの降伏条件を用いて算出したアンカーボルト４本分の Q-N 耐（c）摩擦抵抗モデルおよび復元力特性モデル

力相関関係上の降伏曲線および最大耐力曲線を，それぞれ，示す。
柱脚の抵抗機構としては，抵抗機構 A，抵抗機構 B を以下に示す。
3.1

抵抗機構 A で抵抗する場合16）

図５（a）示すような抵抗機構 A では基礎とベースプレートが接触し，曲げで柱脚が崩壊した抵抗機構であり，柱脚は曲げモーメントにより損傷するものの，基礎とベースプ（d）抵抗機構 B による崩壊モデル

レートとが接触していることにより摩擦力が発生してせん

図６（c）（d） 解析モデル

断力に抵抗している。このことにより，トラス架構を形成する上でのピン支持としての機能を有していることとなり，復元力特性は，ブレース架構が成立すると考えて，図６の柱脚付架構モデル，ブレースモデル，摩擦抵抗モデルと３つのモデルに分解し，各モデルで評価した結果を足し合わせたもので復元力特性モデルを算出する。
○柱脚付架構
図６（a）に解析モデルと復元力特性モデルを示す。柱
脚付架構の解析モデルは，柱梁接合部をピン，柱脚部に回転バネを用いたモデルとする。本試験体の柱脚はアンカー

図７

ボルト降伏先行型露出柱脚であり，スリップ現象を生じる

Q − N 耐力相関関係ため，回転バネはスリップ型復元力特性モデルとする。柱
頭部に水平荷重を与えることで柱には変動軸力が作用する

層せん断力については，変動軸力の影響を無視できる16）（左が，左右の柱に作用する変動軸力の影響は相殺しあって，右の柱脚で，抵抗機構 A が成立している場合に限る。）。
このため，変動軸力の影響はないとして復元力特性モデルを作成する。
○ブレース
図６（b）に解析モデルと，ブレースの復元力特性モデルを示す。柱梁接合部をピン接合，柱脚部をピンとしたフレームにブレースを取り付けたトラスフレームのモデルとする。ブレースは圧縮軸力と引張軸力が繰返されていくと（a）柱脚モデルおよび復元力特性座屈と塑性伸びが生じるため，スリップ型復元力特性モデルとする。尚，ブレースは圧縮軸力に抵抗しないものとして評価する。また，トラス架構が成立して，柱梁はブレースに対して十分剛性が高いので，ブレースのみの軸方向変形を考慮して水平剛性を算出する。
○摩擦抵抗
図６（c）に解析モデルと，復元力特性モデルを示す。

（b）ブレースモデルおよび復元力特性

本試験体は，柱梁接合部をピン接合としているが，実際は図６（a）（b） 解析モデル

完全なピン接合ではなく摩擦力による抵抗の影響が柱に伝― 202 ―

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アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付ブレース架構の繰返し載荷実験播するため，摩擦抵抗を考慮した復元力特性モデルを作成と崩壊荷重を，図９中には，ブレース降伏時の軸力水平成して，評価する。柱梁接合部に弾塑性バネを用い，柱脚を分を，併せて示す。また，図 11 のアンカーボルト軸力はピンとする。弾塑性バネの復元力特性モデルは完全弾塑性各列ごとに累加している。更に，M30 および M33 の試験型とし，摩擦抵抗の最大耐力は，実験値を用い算出する。

体は載荷中にアンカーボルトがせん断破断したので，その摩擦抵抗モデルの最大耐力は，解析モデルでの梁端部の曲位置を図８中に×印で示す。表２には，実験値と復元力げモーメントが，実験値で正負での梁端部の曲げモーメン特性モデルの水平弾性剛性を，表３には図８〜 10 のグラトの最大値の平均値に達したときの値としている。

フの履歴を積分して算出した実験終了時エネルギー吸収量を，それぞれ，示す。

3.2 抵抗機構 B で抵抗する場合
図５（b）示すような抵抗機構 B は引張軸力により基礎とベースプレートとが離間してせん断力で柱脚が崩壊する

4.1

水平荷重−水平変位およびブレースの状態○試験体 M24

抵抗機構である。せん断力をアンカーボルトが負担するの

図８および表２より，実験値と抵抗機構 A を仮定したで，降伏耐力は引張軸力とせん断力の組合せ応力を考慮し（柱脚が曲げにより崩壊すると仮定した）復元力特性モデて，ブレース成分とミーゼスの降伏条件曲線（アンカーボルは良好に対応している。これは，アンカーボルトの降伏ルト降伏）とが交わった点の水平成分とする。この場合の耐力以下のため，ブレース軸力による引張軸力およびせん崩壊機構は，図６（d）のようになり，耐力は引張側柱脚断力の影響が少なく，図 11 に示すように，回転角が載荷の耐力で決定する。

と共に増加し，柱脚の降伏が曲げによるもので，柱脚の降伏後も柱脚がピン支持を維持でき，ブレース架構が維持で４．結果と考察きているため，３章で求めたモデルと対応していると考え

図８〜 11 および表２，３に実験結果を，写真１に試験体られる。
○試験体 M30の状態を，それぞれ，示す。
図８に水平荷重 P −水平変位 δ 関係を，図９にブレー

図８および表２より，実験値と抵抗機構 A を仮定した

スおよび架構が負担する層せん断力 Q−δ 関係を，図 10（柱脚が曲げにより崩壊すると仮定した）復元力特性モデにブレース軸力水平成分（柱脚部に作用するせん断力）

ルは良好に対応している。これは，ブレースが降伏軸力にBR

NX −柱脚の水平変位 CbδH 関係を，図 11 にアンカーボル達しているからであり，図 11 に示すように，回転角がア

ト軸力 ABT−柱脚の回転角 θ 関係を，また，表２，３に各ンカーボルト破断まで進んでいるため対応している。しか実験結果より算出したエネルギー吸収量を各結果と共に記しながら，ミーゼスの降伏条件を超過しているため，ブレー載し，写真１に柱脚が曲げにより崩壊する試験体（M24）

ス軸力からのせん断力が柱脚に大きく影響し，図 10 のよとせん断により崩壊する試験体（M30）の柱脚および実験

うに，柱脚が水平に大きく変位している。このために，ア後のアンカーボルトの写真を，それぞれ，示す。尚，図８

ンカーボルトがせん断降伏し，載荷の途中でアンカーボル中には，図６の解析モデルから算出した復元力特性モデル

トがせん断方向に破断して，実験が終了している。

表２

実験結果

（a）実験後のアンカーボルト（M24）（b）実験後のアンカーボルト（M30）（c）最大変位時引張側柱脚（M24）（d）最大変位時引張側柱脚（M30）
写真１

試験体

― 203 ―

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2011/01/18 18:10:24

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・竹本泰聖・澤田樹一郎・松尾（a）M24（b）M30

彰（c）M33

図８ P − δ（a）M24（b）M30

Q−δ

図９（a）M24（b）M30
図 10（a）M24（c）M33（c）M33

NX−CbδHBR（b）M30
図 11（c）M33

T−θ― 204 ―

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2011/01/18 18:10:25

アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付ブレース架構の繰返し載荷実験○試験体 M33

している。これは，ブレースからの軸力に対して弾性設計

図８および表２より，実験値と抵抗機構 A を仮定した

していても，架構が変形することにより柱脚に曲げモーメ（柱脚が曲げにより崩壊すると仮定した）復元力特性モデントが作用して，曲げによる回転でアンカーボルトが降伏

ルは良好に対応している。これは，試験体 M30 と同様のしたためである。

結果であり，また，試験体 M30 より，ミーゼスの降伏条○試験体 M30，M33件を超過しているため，柱脚は水平方向に大きく変位し，M30 および M33 の場合には，柱脚の水平変位が大きく，また，他の試験体より早期にアンカーボルトがせん断降伏

また，図 10，11 において，エネルギー吸収量を比較したしている。

場合，アンカーボルトに作用する力は軸力より水平成分の但し，アンカーボルトが鉛直力と曲げにより大きく塑性方が大きい。M24 と比べ M33 では軸力は大きく減少して変形するために，負方向ではベースプレートと基礎とが離いる。更に，図 11 に示すように試験体 M24 より回転が進間した抵抗機構 B となり，耐力が正方向より低下している。

行していないことが分かり，写真１（c）より基礎とベー

このため，抵抗機構 B を想定した崩壊機構を想定して求スプレートとが離間しているために，柱脚の崩壊機構におめた耐力と実験結果の最大耐力とが，良好に対応している。

いてせん断力が強く支配しており，抵抗機構 B を示していることが分かる。このため，P − δ 関係上においても復以上より，ミーゼスの降伏条件を超過している場合にお元力特性モデルとほぼ対応しているものの，アンカーボルいても，柱脚部分はベースプレートの回転により曲げ抵抗トに作用するせん断力が大きくなるにつれ柱脚が水平方向が作用して，抵抗機構 A を想定した復元力特性モデルで変位し，アンカーボルトが破断して実験を終了している。

評価できることが分かる。但し，表３の実験終了時エネルギー吸収量からも分かるように，ブレースが大きくなると，5. まとめ

柱脚がせん断崩壊して早期にアンカーボルトが破断するた露出柱脚を有するブレース付フレームの実験を行い得らめ，エネルギー吸収量は低下する。すなわち，塑性変形能れた知見を以下に示す。

力（靭性）を期待する架構として設計する場合においては，

１）ミーゼスの条件式より求めた最大耐力の値を超過するブレースからの応力が，アンカーボルトのミーゼスの降伏場合においても，本実験で使用した試験体の範囲ならば，条件ラインを超過しないように設計する必要がある。

ブレースが降伏して，抵抗機構 A を想定して算出した復元力特性モデルと実験結果はほぼ対応している。

4.2

柱脚の崩壊機構

しかしながら，載荷の途中でアンカーボルトがせん断○試験体 M24方向に破断して，実験を終了するため，架構としての靭柱脚の崩壊機構は，M24 の場合には柱脚の水平変位は性は期待できない。

小さく，また，図 10，11 において，エネルギー吸収量を２）崩壊機構は，ブレースからの応力が，ミーゼスの降伏比較した場合，アンカーボルトに入ってくる力は軸力に比条件より算出した降伏耐力を超過している場合は，柱脚べて，水平成分の方が小さいことが分かる。更に，図 11

はせん断力により崩壊する抵抗機構 B を示す。柱脚のに示すように回転角が載荷と共に進行しているため，柱脚耐力を超過していない場合は，曲げモーメントにより崩の抵抗機構として曲げによるものが大きく，写真１（a）壊する抵抗機構 A を示す。但し，ブレースからの応力からわかるように最大変位時においても基礎とベースプが柱脚の降伏耐力を超過していない場合においても，架レートとが接触して曲げにより崩壊する抵抗機構 A を示

構の変形に伴い，柱脚は曲げ降伏する。

していることが分かる。このため，アンカーボルトが破断する等の現象は発生することなく，P−δ 関係上において

本実験で得られた結果のように，ブレースからの応力も柱脚が曲げにより崩壊すると仮定した復元力特性モデル

が，柱脚の降伏耐力を超過する場合においても，柱脚のと良好に対応している。但し，ブレースからの応力に対し曲げによって生じる摩擦力（ベースプレートと基礎間のて弾性設計していても，架構が変形に伴うベースプレート摩擦力）がせん断力を負担するため，見かけ上の耐力が回転角の増加により，アンカーボルトは曲げ降伏する。露増加する。一方，柱脚の降伏耐力以下の場合においても，出柱脚付ブレース架構を設計する場合には，せん断力，軸ベースプレートの回転に伴い柱脚は降伏する。

力による影響のみではなく，架構の変形に伴う曲げの影響

このように，露出柱脚付ブレース架構を検討する場合，ブレースからの応力により柱脚が降伏するか否かに着目も考慮して設計する必要がある。
尚，写真１（b）から分かるように，アンカーボルトはして検討することが必要であるが，更に，柱脚には架構僅かにせん断変形しており，更に，軸方向にも伸びて降伏の変形に伴う曲げ（ベースプレート回転）の影響も含ま― 205 ―

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山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・竹本泰聖・澤田樹一郎・松尾

統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚のれるので，これらの総合的な判断が必要とされる。

謝

仮 動 的 実 権， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻，辞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」（代表者彰９）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：アンカーボ
ルトを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力

高松隆夫教授）のプロジェクト研究

特性−無軸力下の場合のセルフセンタリング性能−，の一環として実施されました．

日本建築学会構造系論文集，第 621 号，pp.155-162,

また，試験体の転造ねじアンカーボルトを提供していた

2007.11.

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10）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，松村高良，石原節夫，します．

松尾彰：既存屋内運動場露出柱脚の復元力特性と楔デ

参考文献

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鉄骨造骨組に露出柱脚の耐震補強に関する研究−その第９巻，pp.415-422, 2001.11.

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― 206 ―

27̲43山西央朗.indd 206

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