広島工業大学紀要研究編
第 ₄₇ 巻（₂₀₁₃）105 – 111

論文

水平変位拘束材を用いたブレース付き露出柱脚の補強工法に関する研究
高松隆夫*・山西央朗**・玉井宏章***・嶋本仁****（平成₂₄年₁₀月₃₁日受付）

Study on strengthening method of exposed base-column in braced
frame by horizontal displacement constraint plate
Takao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI, Hiroyuki TAMAI and Hitoshi SHIMAMOTO(Received Oct. 31, 2012)

Abstract
Experimental study on the exposed column-base with the horizontal displacement constraint plate
subjected to tensile axial force of the brace member was carried out to make resistant stress of eachanchor-bolt clear and to examine the design method of the constraint plate. The function of the constraint
plate can realize the resistant mechanism that existing anchor-bolts resist the vertical force and holein anchor-bolts resist the horizontal force. The strengthening method of the exposed column-base by
the constraint plate assists the column-base with the brace member.
Key Words: exposed column-bases, braced frame, hole in anchor-bolts, loading test

補強工法（以後，補強工法と記す）は，図 ₁ に示すように

₁ ．はじめに水平変位拘束材を設置することでブレースからの応力に対

著者等はこれまでに，屋内運動場や工場等の低層鋼構造して補強するとともに，既存のアンカーボルトにブレース物の耐震改修時に多用されているブレースの増設・新設に鉛直成分を，あと施工アンカーボルトにブレース水平成分

₁,₂︶

よる補強設計・施工の課題の一つである，ブレース付露出柱脚の簡便な補強工法を提案・研究している₃,₄︶。当該

図₁をそれぞれ負担させる抵抗機構を確保して，各部材負担応力を明瞭化できるという利点を有している。

提案する補強工法* 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*** 長崎大学工学部工学科**** 広島工業大学大学院工学系研究科建設工学専攻
─ 105 ─

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・嶋本仁

本論文では架構実験を行った結果に基づき₄︶，実構造物における設計・施工時の設計手法や施工工法の留意点に着目した検討を行う。
先ず，架構実験の概要を ₂ 章にて示し， ₃ 章にて架構実験試験体のモデル化手法と実験結果との整合性を検討して，補強工法を適用した架構の抵抗機構とその評価方法について議論する。そして， ₄ 章においては， ₃ 章の架構の抵抗機構とその評価方法に基づいて考察した設計手順を提示する。更に，同章にて層またはスパン方向に連続してブレース架構が配置された場合の設計留意点を提示する。 ₅章にて，実施工時に想定される問題の提起とその解消方法を提案し， ₆ 章に各知見をまとめるものとする。

₂ ．実験概要
本実験では，水平変位拘束材の機能を検討するため， ₁

図₂

層 ₁ スパン架構に水平変位拘束材を設置した載荷実験を行試験体の形状う。尚，実験を簡単化するため単調載荷実験とし，ブレーベースプレートの隅角部に対角になるように ₂ 本配置する。

ス引張力を負担する側の柱脚のみをアンカーボルト降伏型

尚，初期軸力としてアンカーボルトの降伏軸力の₁₅％露出柱脚とし，かつ水平変位拘束材を設置する。

（AB T＝約 ₇ kN）を，ブレースの降伏軸力の₃₀％（BR T＝約もう一方の柱脚は，モデル化を簡便にするため高力ボル₃₀ kN）を，それぞれ，導入している。

トにより拘束し固定端と見なせるものとしている。
₂.₂₂.₁

試験体載荷装置

図 ₃ に載荷装置を示す。
柱は弱軸方向に設置し， ₂ 本の高力ボルトにより梁ウェ

表 ₁ に試験体の素材特性を，図 ₂ に試験体の形状を，そブをシヤープレートと摩擦接合している。

れぞれ，示す。
試 験 体 は，柱 に H-₂₅₀×₂₅₀×₉×₁₄ を，梁 に H-₂₅₀×

尚，ブレースは引張側にのみ設置するため，左の柱の柱₁₂₅×₆×₉を，ベースプレートに PL-₅₀ を，アンカーボルト脚にのみブレースからの引張力が作用するので，ベースプに M₁₆ の転造ねじアンカーボルトを，ブレースには M₃₃

レートが移動する方向に水平変位拘束材を設置する。
載荷は，ブレースが引張状態となる方向に柱頭部の油圧を用いる。

ジャッキにて水平力を加え，層間変形角₁/₁₀₀（rad）までそして，水平変位拘束材には PL-₅₀ を用いて高力ボルト単調に加力する。

M₂₄・F₁₀T を ₄ 本用いて ₂ 行 ₂ 列に配置して，摩擦接合する。

₂.₃

また，アンカーボルトのみが引張降伏するとし，ブレー計測位置

ス径の選定の際にはブレースおよび他の部材は弾性範囲に図₄ に載荷実験の計測位置を示す。

留めるため，図 ₂ （a）に示すように，アンカーボルトは計測は，層間変位を計測するために柱頭部の水平変位

表₁
部材名

材種

ヤング係数

試験体の素材特性
降伏応力度

引張強さ

主要寸法

₂₂（mm）

₂E（N/mm ） σ（N/mm） σ（N/mm）
yu

柱 フランジ
柱 ウェブ

SN₄₉₀
SN₄₉₀

₂₀₅₀₀₀₂₀₅₀₀₀₃₉₅₃₉₉₄₉₁
₄₈₇

H-₂₅₀×₂₅₀×₉×₁₄

梁 フランジ
梁 ウェブ

SS₄₀₀
SS₄₀₀

₂₀₅₀₀₀₂₀₅₀₀₀₂₉₅₃₁₈₄₁₂
₄₃₄

H-₂₅₀×₁₂₅×₆×₉

ベースプレート

SN₄₉₀

₂₀₅₀₀₀₃₄₇₄₈₇

PL-₅₀

ブレース

SNR₄₀₀₂₀₅₀₀₀₂₈₀₄₄₀

M₃₃ 軸部径 φ＝₃₀.₅ mm

アンカーボルト

ABR₄₀₀₂₀₅₀₀₀₃₁₃₄₃₅

M₁₆ 軸部径 φ＝₁₄.₆ mm

─ 106 ─

水平変位拘束材を用いたブレース付き露出柱脚の補強工法に関する研究

図₃

図₄載荷装置

計測位置

60

CQ=(BML+BMR)/H (kN)5040

K3-2 =1.6kN/mm

30K3=15kN/mm

200.00135(rad)δ 2.09(mm)
C h=

100

図₅0

実験結果
モデル化

0.005

ri(rad)解析モデル

C δ h，柱脚部の変位量を計測するために，柱下端部の鉛直変0.01

図₆

接合部曲げ抵抗による影響は摩擦接合による弾塑性バネとしている。

位 CB δ v，ベースプレートの水平変位 CB δ h，水平変位拘束材

すなわち，トラス架構の水平剛性 K₁に右側柱を片持ち柱水平変位 SH δ h を，それぞれ，計測する。次いで，各部材にとして考えた水平剛性 K₂と，柱梁接合の摩擦接合による抵作用する応力を計測・算出するために，油圧ジャッキ先端抗剛性 K₃を累加したものが，全体の剛性となる。但し，柱に設置したロードセルにより水平荷重 P を，アンカーボル梁接合部の摩擦接合による抵抗剛性 K₃は，モデル化が困難

ト下端に設置したロードセルによりアンカーボルト軸力 ABTだったので，接合部モーメント BML， BMR から，柱のせんを，ブレース軸部に添付したひずみゲージよりブレース軸断力 C Q を導出し，図 ₆ に実験結果の C Q と層間変形角 r i

方向直ひずみ BR ε を計測してブレース軸力 BRT を算出（ブ関係より算出している。尚，それぞれの勾配は，降伏前後レース軸部は弾性域である）する。のデータを分割して最小二乗法で導出している。また，ブまた，柱梁接合部に作用するモーメント BMR， BML を算

レース上端部のブラケットは，架構の変形に追随して剛塑出するため，梁フランジに添付したひずみゲージより梁ひ体挙動を示すため，剛性は摩擦接合による抵抗剛性 K₃としずみ B ε も計測を行う。ている。
先ず，トラス架構のみの水平剛性 K₁は，ブレースの軸剛₃ ．力学モデルと復元力特性性 B K，全アンカーボルトの軸剛性 A K，柱の軸剛性 C K を

本章では， ₂ 章で行った載荷実験結果を用いて，水平変用いて，以下のように表すことができる。

位拘束材を有するブレース架構のモデル化を行う。先ず，

K1 =

力学モデルより架構の剛性，耐力を誘導し，次いで，実験結果との比較により力学モデルの妥当性を検討する。

=
₃.₁

力学モデルと理論式

11

BK+ 1+ 1CKEBL(B A ⋅ cos

図 ₅ に解析モデルを示す。ブレースによるトラス架構

AK2α)+AL⋅( tan α ) + H ⋅ ( tan α )2AA2（₁）

CAに，右柱の下端を固定端，もう一方の下端を鉛直方向に軸そして，トラス架構に対して，右側の柱の曲げ抵抗によばねを設置したローラ支持としている。また，柱梁接合部

る水平剛性 K₂，接合部の抵抗による水平剛性 K₃ は並列バ─ 107 ─高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・嶋本仁

ネとして換算されるので，全体の剛性 K₁st は以下のようにのブレース軸力と実験結果が対応している（BT/BTmax＝₁.₀表すことができる。

で頭打ちとなり）と同時に柱脚にブレースからの応力が大K 1 st = K 1 + K 2 + K 3 = K 1 +3 ⋅ E ⋅C I+ 15( kN/mm )H3（₂）

きく作用していることがわかる。さらに，（b）より，柱脚に発生している曲げモーメントは非常に小さく，柱脚に作ここに，L：部材の長さまたは有効長さ，A：部材の断面用する力はブレース軸力からの鉛直成分による影響が支配積，E：ヤング係数である。各添え字は，B：ブレース，的であることが分かる。この結果から，架構の変形に伴うA：アンカーボルト，C：柱を意味している。

曲げモーメントが作用しても，柱脚の鉛直方向軸耐力は影次に，アンカーボルト降伏時の水平変位 C δ hy ，水平力響を受け難いことが分かる。
このように，水平変位拘束材を設置してアンカーボルトP y ，ブレースの最大荷重 B Tmax および水平変位拘束材に作のみが降伏する場合，各部材に作用する応力は図₅ の解析用する最大荷重 Rmax は以下の式で算出できる。
C δ hy =A Ty

K 1 ⋅ tan α=n ⋅A A ⋅A σ y
K 1 ⋅ tan α

3 ⋅ E ⋅C I
Py =C δ hy ⋅ K 1 st =C δ hy ⋅  K 1 ++ 15( kN/mm ) H3B Tmax =A Tysin α=n ⋅A A ⋅A σ ysin αRmax = B Tmax ⋅ cos α（₃）

モデルで簡便に評価できることが分かる。

₄ ．水平変位拘束材とブレース架構の設計
（₄）
（₅）

₄.₁

図 ₈ に，ブレースおよび水平変位拘束材の設計フローを示す。
各 柱 設 計 法 に 基 づ き，必 要 保 有 水 平 耐 力 Q un を 算 定（₆）

また，アンカーボルト降伏後の ₂ 次勾配 K₂nd は，右側の片持ち柱のみが弾性抵抗要素として残存するので，以下の₁,₂︶

し次に，判定①では , 柱脚に作用する鉛直成分 CB N に対し（₇）

ここに，A σ y：アンカーボルトの降伏応力度である。
₃.₂，改修上適切なブレース設置構面数 m を決定すれば，必要ブレース断面積 B A が定まる。

式で算出できる。
K 2 nd = K 2

各アンカーボルトの耐力についてて，既設アンカーボルトの降伏軸力 pby の総計が超過していることを（₈）式により判定する。
CB N < n ⋅ ρby →実験結果との整合性

図 ₇ に ₁ 層 ₁ スパン架構試験体の結果を示す。

CB N<1n ⋅A A ⋅A σ y（₈）

最後に，判定②では，あと施工アンカーボルトの降伏せ

図 ₇ （a）に水平荷重 P- 層間変形角 ri 関係を（b）に柱脚ん断耐力 q by ，あと施工アンカーボルト設置本数 n＇ をそれ（拘束材設置側の柱脚）に作用する軸力 N- 柱脚に作用するぞれ決定して，柱脚に作用する水平成分 CB Q に対して，あ曲げモーメント M 関係を，（c）に柱脚に作用するせん断力と施工アンカーボルトの降伏せん断耐力の総計が超過してQ- 水平変位 δ h 関係を，（d）にブレース軸力 B T - 層間変形いることを（₉）式により判定する。

角 r i 関係を，それぞれ，示す。（a）には，₃.₁節の解析モ

CB Q < n ’⋅ qby →デルの解析結果を併せて示している。
また，それぞれの図は，解析モデルより算出した値を用CB Qn ’⋅ A A ’⋅ A σ y ’/ 3

<1（₉）となる。

いて，（a）は（₄）式より算出したアンカーボルト軸ばね降原則として，柱脚の水平成分は水平変位拘束材により支伏時の水平荷重 Py で，（b）はアンカーボルト降伏軸力の総持する必要があるので，式（₉）の値に対してあと施工アン

計 n・ATy と無軸力下の柱脚の降伏曲げ耐力 My で，（c）はカーボルトを設計する。尚，柱脚軸力 CB N が圧縮軸力であ（₆）式より算出した拘束材に作用する最大せん断力 Rmax

る場合は，軸力による摩擦力が柱脚のせん断抵抗力としてで，（d）は（₅）式より算出したブレースの最大荷重 B T max

期待できる₅︶。従って，コンクリート基礎が圧縮破壊しなで，それぞれを無次元化している。

い限り，圧縮軸力時（図 ₉ 右側柱）のせん断補強を検討す

図 ₇ （c）より， ₁ 層 ₁ スパン試験体を用いた載荷実験にる必要はない。

おいても，アンカーボルトのせん断降伏耐力を超過した耐力を有しており，水平変位拘束材が有効に機能しているこ

₄.₂

実構造物の柱脚に作用する応力についてとが分かる。また，（a）に示す解析モデルと実験結果との₄.₁ 節では，引張ブレースの影響しか検討しておらず，曲線が概ね対応している。尚，実験結果の初期剛性が解析

また，構造物自重も考慮していない。実構造物においてモデルより算出した理論値より高い要因としては，初期張は，圧縮にもある程度抵抗するブレースを用いることが多力を導入しているためである。

く，更に，いかなる構造物でも柱脚には構造物自重が作用次いで，（d）に示すようにアンカーボルト軸ばね降伏時する。これらの影響については，図₉ に示すように既設の─ 108 ─

水平変位拘束材を用いたブレース付き露出柱脚の補強工法に関する研究

図₇

実験結果

アンカーボルトまたはあと施工アンカーボルトに作用する応力に，構造物自重と圧縮側ブレースの項を追加することで対応できる。
よって，既存アンカーボルトに作用する鉛直成分 CB N，あと施工アンカーボルトに作用する水平成分 CB Q については次式で，それぞれ，表すことが出来る。
CB N 1 = ( B N Ty 1 + B N cr 1 ) ⋅ sin α −CB Q1 = B N Ty 1 ⋅ cos α

図₈W1 ⋅ L12（₁₀）（₁₁）

ここに，B NTy：引張耐力，B Ncr：座屈耐力，W：構造物

水平変位拘束材を用いた場合の設計フロー─ 109 ─

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・嶋本

図₉

仁

図₁₀

圧縮ブレース及び建物自重の影響

₁ 層 ₂ スパン架構の応力状態の自重である。
以上により，それぞれのアンカーボルトに作用する応力が明快となるため，水平変位拘束材による補強を施せば，簡便かつ合理的に設計できる。
₄.₃

ブレースのスパン方向連続配置について

図₁₀に ₁ 層 ₂ スパン架構の応力状態を示す。
左および右側の柱においては，図 ₉ に示す左右の柱の状態と同一となるので，₄.₂節と同様の考えで設計可能である。一方，中柱については，柱上端および下端に，それぞれ圧縮および引張側ブレースが取りつき，柱内部でブレースの鉛直成分がそれぞれ釣り合っているので，柱脚部にブレースの鉛直成分が作用することはない。しかしながら，柱脚部にはブレースの水平成分は作用し，

図₁₁

W1 ⋅ L1 + W2 ⋅ L2CB N 2 = −2（₁₂）

CB Q2 =（₁₃）( NBTy 2 + B N cr 1) ⋅ cos α

₂ 層 ₁ スパン架構の応力状態

CB N 3 = ( B N Ty 3 + B N Ty 4 + B N cr 3 + B N cr 4 ) ⋅ sin α(W3 + W4 )⋅ L32CB Q3 = B N Ty 3 ⋅ cos α−となる。
原則として，柱脚の水平成分は水平変位拘束材により支持する必要があるので，式（₁₃）の値に対してあと施工ア（₁₄）（₁₅）

₅ ．実施工においての水平変位拘束材ンカーボルトを設計する。

今回の載荷実験に用いた水平変位拘束材は，鋼製基礎に₄.₄ブレースの層方向連続配置について高力ボルトを用いて摩擦接合により固定を行ったが，実構図₁₁に ₂ 層 ₁ スパン架構の応力状態を示す。

造物においてはコンクリート基礎にあと施工アンカーボルブレースを層方向に連続配置する場合においては，柱脚トを用いて支圧接合となる。に作用する鉛直成分及び水平成分が増加する。しかし，こあと施工アンカーボルトの施工精度は決して高いものでれらの影響については， ₂ 層部分のブレース及び建物自重はないため，水平変位拘束材をあと施工アンカーボルトでを₄.₂節の（₁₀），（₁₁）式に追加するのみで，簡便に評価す

固定する場合においては，水平変位拘束材のボルト孔はボることが出来る。

ルトの径に対して過大に設計する必要があり，クリアランよって， ₂ 層にわたってブレースを配置する場合においスが生じる。このため，水平変位拘束材のボルト孔とあとても，既存アンカーボルトに作用する鉛直成分 CB N，あと施工アンカーボルトが直接接触して応力を伝達することが施工アンカーボルトに作用する水平成分 CB Q については次困難となり，既設のアンカーボルトに軸力とせん断力が同式で，それぞれ，表すことが出来る。

時に作用し，早期に降伏および破断をする可能性がある。
そこで，図₁₂に実構造物のコンクリート基礎に水平変位
─ 110 ─

水平変位拘束材を用いたブレース付き露出柱脚の補強工法に関する研究

図₁₂

水平変位拘束材の施工方法

拘束材を用いる場合の施工方法を示す。施工方法として

拘束材は，柱脚に応力が作用した際に直ぐに抵抗をは，ベースプレート側部に水平変位拘束材を接触させ，過開始する必要があり，当該事項を実現するための工大孔のクリアランスに無収縮モルタルを充填しナットによ法を提示した。

り固定する。よって，過大孔のクリアランスが解消され，謝ブレースからの応力が作用した場合においてもあと施工アンカーボルトがただちに抵抗することができると考えられる。

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

但し，当該の工法については，今後，別途検証実験を行辞高松隆夫教授）のプロジェクト研究の一環として実施されました。

い，性能を明らかにする必要がある。

また，試験体作製にあたりフルサト工業株式会社には，転造ねじアンカーボルト，並びに，建築用ターンバックル筋か₆ ．まとめいを提供して頂きました。ここに記して謝意を表します。

ブレースからの応力を受ける柱脚の補強工法として，水文

平変位拘束材による補強工法を提案し，架構実験を行い，以下の知見が得られた。

献₁ ）文部科学省大臣官房文教施設企画部：屋内運動場等の₁ ．水平変位拘束材による補強工法により，ブレース付耐震性能規準（平成₁₈年版），₂₀₀₆.₂.

露出柱脚の補強が可能である。また，その抵抗機構

₂ ）財団法人日本建築防災協会：耐震改修促進法のためのは明快であるため，合理的な補強設計・工法が可能

既存鉄骨造建築物の耐震診断および耐震改修指針・同となる。

解説，₁₉₉₆.₉.

₂ ．架構実験に基づく解析モデルから，水平変位拘束材

₃ ）高松隆夫，山西央朗，景山朋定：ブレース付き露出柱による補強設計方法を提示し，その手法は非常に簡脚の補強工法に関する実験的研究，広島工業大学紀便である。

要，第₄₆巻，pp. ₁₁₅ – ₁₂₀, ₂₀₁₂.₂.

₃ ．実構造物を想定し，層およびスパン方向にブレース₄ ）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，竹本泰聖，松尾 彰：架構が連続する場合の柱脚応力に着目し，その設計ブレース軸力を受ける露出柱脚の補強工法に関する実験式を提示した。

的研究，鋼構造年次論文報告集，第₁₉巻，pp. ₁₃₃ – ₁₄₀,

₄ ．水平変位拘束材が機能しない場合，既存のアンカーボルトに水平変位が作用して本研究で期待する抵抗機構が得られない可能性がある。従って，水平変位

─ 111 ─₂₀₁₁.₁₁.
₅ ）日 本 建 築 学 会：鋼 構 造 接 合 部 設 計 指 針，第 ₃ 版，
₂₀₁₂.₃.