広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.85-92

論文

露出柱脚を有するノンコンプレションブレース付き架構に関する研究
高松隆夫 *・山西央朗 **・玉井宏章 *・竹本泰聖 ***（平成22年10月29日受付）

A study on non-compression braced-frame with exposed column-baseTakao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI, Hiroyuki TAMAI and Yasumasa TAKEMOTO(Received Oct. 29, 2010)

Abstract
Non-compression braces show perfectly elastic-plastic restoring force characteristics withoutboth buckling and slip behavior because of wedge-device function. Those braces possess excellent energy absorption capability and slender members can be chosen as earthquake resistantbraces. When strength of column bases is weaker than the braces, it is not clear that behaviorof the column bases influences the restoring force characteristics of the braces in cyclic loadings. Experimental study on cyclic loading tests of non-compression-braced frames with exposed-type column bases was carried out to clarify resistant mechanism of the column base andcyclic behavior of the braced frame. The following conclusions were obtained from the experimental results: 1) The braced frames showed bi-linear-type cyclic curves in case of bracestrength less than von Mises yield condition of anchor-bolts; 2) The braces were yielding because of reduction of shear stress of anchor-bolts caused by friction of the base-plate and thefoundation in case of brace-strength larger than von Mises yield condition of anchor-bolts.
Key Words: non-compression brace, exposed column-base, anchor-bolt-yield-type, resistingmechanism

性がある。

１．はじめに鋼構造の柱脚としては，安価で簡便に施工ができること

近年，低層鋼構造建築物の耐震改修には，耐力および剛から，露出柱脚が多く用いられている。また，アンカーボ性の向上が容易に行えることから，ブレースの増設やブルト降伏先行型露出柱脚ではスリップ現象などの問題点な

レース断面の増大をする工法が多く用いられている。このどがあり，多くの研究が行われている。柱脚付ブレース架ような耐震改修は，ブレース周辺部材への応力増大を招く構とすることで柱脚には，ブレース軸力の鉛直・水平成分ので，設計の際には留意する必要がある。

が軸力とせん断力として作用するが，せん断力についての研究は数少ない。

一般的に，柱脚はブレース架構とする際に弾性設計されている。しかし，ブレースの増設，又は，ブレース断面を一方，ノンコンプレションブレースは，座屈現象および増大することで柱脚に作用する応力が増大して，柱脚が弾塑性伸びによるスリップ現象を改善するので，完全弾塑性性ではなくなり，ブレースが本来の性能を得られない可能

型の復元力特性を示し，エネルギー吸収性能の良いブレー＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発研究センター＊＊＊

広島工業大学工学系研究科建設工学専攻― 85 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・竹本泰聖
表１
部材名

材種

柱フランジ
柱ウェブ
梁フランジ
梁ウェブ
ベースプレートブレース M24
ブレース M30
ブレース M33
アンカーボルト

SN490
SN490
SS400
SS400
SN490
SNR400
SNR400
SNR400
ABR400素材特性

ヤング係数 降伏応力度 降伏ひずみE（N/mm2） σY（N/mm2）
205000395
205000399
205000295
205000318
205000347
205000282
205000303
205000285
205000
294

εY（％）
0.14
0.16
0.15
0.17
0.18
0.13
0.13
0.14
0.14

ひずみ硬化
引張強さ
開始ひずみεST（％） σU（N/mm2）
2.51
491
2.61
487
2.84
412
3.62
434
1.94
487
2.38
438
2.24
470
1.79
4372.55435

柱：H-250x250x9x14，梁：H-250x125x6x9，ベースプレート：PL-50
ブレース：M24 軸部径 φ=21.9mm，ABR=377mm2，M30 軸部径 φ=27.6mm，ABR=599mm2
M33 軸部径 φ=30.9mm，ABR=748mm2
アンカーボルト：M16 軸部径 φ=14.5mm，AAB=165mm2（b）ノンコンプレションブレース：M24（c）ノンコンプレションブレース：M30（d）ノンコンプレションブレース：M33（e）ベースプレート詳細図（a）試験体
図１（f）アンカーボルト詳細図

試験体概要

ス架構が実現できる。このため，従来型のブレースに比べて地震外力に対するエネルギー吸収性能が良く，耐震改修設計時には，ブレース断面を小さく設計することができる。
しかし，柱脚の耐力に比べて，大きな断面のブレースを設置することによって，柱脚にどのような影響があるか確認されていない。
そこで，ノンコンプレションブレースから柱脚に作用する応力が，ミーゼスの降伏条件未満の場合，以上の場合，および最大耐力以上となる場合のブレースを選定し，それ

図２

ミーゼスの降伏条件ぞれ，載荷実験を行う。この結果より，ノンコンプレションブレースが，架構に及ぼす影響，柱脚の抵抗機構を明らSS400，その他の部材は SN490B とする。柱は弱軸方向とかにする。

し H-250x250x9x14 を，梁に H-250x125x6x9 を用いる。柱
梁接合部はガセットプレートに梁ウェブのみを高力ボルト

２．実験概要２本により摩擦接合するピン接合である。ベースプレートには載荷時において変形しないよう PL-50 を用いる。柱脚図１に試験体概要を，表１に素材特性を，図２にミーゼは，ベースプレートの隅角部にアンカーボルトを４本配置スの降伏条件示す。
本論文では，ブレース付き架構について検討を行う。一した露出柱脚とする。尚，アンカーボルト，ブレースには，般的にブレースは，H 型柱の弱軸方向に設置される。そのそれぞれ，降伏軸力の 30％および 50％を初期軸力としてため，本実験では露出柱脚を有する弱軸方向のブレース付導入し，軸部の十分な塑性伸びが期待できる転造ねじ付丸き架構の水平載荷実験を行う。実験変数はブレース径とす鋼を使用する。
ブレースが引張抵抗すると，軸力とせん断力が同時にアる。

ンカーボルトに作用する。このときアンカーボルトは２軸本実験で用いるブレース架構に使用する鋼材は，梁は― 86 ―

露出柱脚を有するノンコンプレションブレース付き架構に関する研究

図３

載荷装置・計測計画

図４

NC ブレースの構成（b）NC30・33（a）NC24
図５楔・楔台・楔受け詳細図

図６

NC ブレース作動概念

応力状態となるため，ミーゼスの降伏条件式を用い，降伏ブレースを X 型に配置し，ブレース降伏軸力の 50％を初耐力および最大耐力を算出する。更に，図２に示すように期軸力として導入することで，弾性抵抗時はブレース２本各領域区分をし，ブレースの選定を行う。

分の弾性剛性を示す。また，弾塑性載荷時においても，ブレース端部に生じた間隙部に楔が貫入することで，弾性抵

2.1

ノンコンプレションブレース

抗時にはブレースが常に２本で抵抗するため，弾性剛性は

従来のブレースは，圧縮力により座屈，引張力により塑

常にブレース２本分の値を示し，更に，復元力特性は完全性伸びが生じるため，ブレースに緩みが生じて，スリップ弾塑性型となる。

現象が生じる。一方，NC ブレースは，引張力のみに抵抗し，圧縮力には抵抗しないため座屈現象は生じない。また，塑

2.2載荷装置・載荷方法

性伸びにより生じた楔受けと楔台との間隙に楔がバネの復載荷装置は，反力床 H-400x400x13x21，反力柱 H-400x

元力により貫入し，ブレースに緩みが生じることなく抵抗400x13x21 および油圧ジャッキにより構成されており，試するためスリップ現象が生じない。その他の特徴として，

験体の鋼製基礎を反力床に設置し，反力柱に取り付けた水― 87 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・竹本泰聖

図７解析モデル（a）抵抗機構１
図８（a）柱脚付架構モデル

剛性変化に伴う柱脚の抵抗機構（b）ブレースモデル
図９（b）抵抗機構２（c）摩擦抵抗モデル

復元力特性モデル

平の油圧ジャッキはピンを介し試験体柱頭部に設置する。

スモデル，摩擦抵抗モデルの３つのモデルに分解し各モデ載荷方法は，正負交番漸増繰返し載荷とする。層間変形

ルで評価した結果を足し合わせたものとしている。更に，角を制御値とし，1/1000，1/500，1/250，1/200，1/100

柱脚の抵抗機構を考慮したモデルとして，架構の変形から，（rad）を各２サイクル行う。

ベースプレートの回転によって，アンカーボルトの降伏・塑性伸びによる柱脚の鉛直変位をモデルに反映する。

2.3

計測計画
3.1

計測には変位計，ひずみゲージおよびロードセルを用い柱脚付架構モデル

る。尚，変位計は，鋼製基礎に設けた計測基準点に固定し本試験体の柱脚はアンカーボルト降伏先行型露出柱脚でた治具へ設置しており，いずれの変位計も，基礎からの相あり，スリップ現象が生じるため，回転バネはスリップ型対変位を計測している。

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変位計により，柱頭部水平変位 δ を，また，柱脚部の鉛で柱には変動軸力が作用するが，軸力の影響は無視して復直変位からベースプレート回転角 θ，柱脚部離間変位 CbδV

元力特性モデルを作成する
柱脚付架構モデルの水平弾性剛性 KC，降伏耐力 CQY のを，ロードセルから，水平荷重 P を柱に貼付けたひずみゲージから，柱の軸方向直ひずみを，それぞれ，計測する。

算出方法を以下に示す。

また，柱の直ひずみから，各ブレースの負担せん断力（1）

QBR，QBL を，柱頭部水平変位 δ を柱高さ lC で除して，層間変形角 ri を，それぞれ，算出する。

（2）

３．復元力特性モデル（3）

図７に解析モデルを，図８に剛性変化に伴う柱脚の抵抗機構を，図９に復元力特性モデルを，それぞれ，示す。

（4）

本試験体を評価するにあたり，柱脚付架構モデル，ブレー― 88 ―

露出柱脚を有するノンコンプレションブレース付き架構に関する研究

ここに，CQ：柱せん断力，δ：水平変位，δ1：柱の曲げ（9）による水平変位，δ2：柱脚の回転による水平変位，MY：柱脚の曲げ耐力，lC：柱材長，EC：柱材のヤング係数，IC：

ここに，FrQY：摩擦抵抗力，δFr：摩擦抵抗力モデル水平

柱の載荷方向の断面２次モーメント，lAB：アンカーボルト

変位，lC：柱材長 BMmax：梁端部に作用した曲げモーメン

有効長さ，EAB：アンカーボルトのヤング係数，dc：柱図

トの正負での最大値の平均値とする。

心から圧縮合力点位置までの距離，d：t 柱図心からアンカーボルトの中心までの距離とする。

3.4

柱脚の回転を考慮したモデル

図８（b）に示すように，柱脚が降伏して以降，アンカー3.2

ボルトの塑性伸びによって，アンカーボルトとベースプブレースモデル

レートが１列しか抵抗しないため，柱脚が弾性のときの剛ブレースのみが変形・降伏するトラスフレームのモデルを考える。NC ブレースは，座屈およびブレースの緩みが性に比べ低くなる。

生じないため，スリップ現象が生じない。また，初期軸力（a）のときの回転弾施剛性 KBS1 はとしてブレース降伏軸力の 50％を導入しているため初期（10）載荷時よりブレース２本分の弾性剛性を示し，弾塑性載荷時における弾性抵抗時でも両ブレースが抵抗するため，常で表すことができる。にブレース２本分の弾性剛性を示す完全弾塑性型の復元力（b）のときの回転弾施剛性 KBS2 は特性モデルとする。

（11）

ブレースモデルの水平弾性剛性 KBR，降伏耐力 BRQY の算
出方法を以下に示す。

で表すことができる。
（5）
（6）
（7）

ここに，nB：ブレース抵抗本数，BQ：ブレース負担せん

ここに，nAB：アンカーボルト抵抗本数，AAB：アンカー
ボルト断面積，E：ヤング係数，dc：柱図心から圧縮合力点位置までの距離，dt：柱図心からアンカーボルト図心までの距離，lAB：アンカーボルトの有効長さ，CbδV：柱脚部離間量，R：基礎およびベースプレートの弾性変形を考慮した低減係数（鋼製基礎を用いた場合 R=2）とする。

４．実験結果断力，δ：水平変位，θB：ブレース設置角度，BNY：ブレース軸降伏耐力，BσY：ブレースの降伏応力度，AB：ブレー

図 10 に水平荷重 P- 水平変位 δ 関係を，図 11 にブレースの断面積，δB：ブレース軸方向変位，lB：ブレース有効ス負担せん断力 QBR，QBL- 水平変位 δ 関係を，図 12 に柱長さ，EBR：ブレースのヤング係数，とする。尚，弾性抵

脚部鉛直変位 CbδV- 水平変位 δ 関係を，図 13 にベースプレー抗時のブレース抵抗本数は，NC ブレースなので nB=2 でト回転角 θ- 水平変位 δ 関係を示す . また，図 10 には復元ある。但し，降伏耐力算定時はブレース１本分とする。

力特性モデルを併せて示す。
図 10 には，グラフの右縦軸に水平荷重 P を降伏荷重 PYで除し無次元化した値を，上横軸に柱頭の水平変位 δ を柱3.3 摩擦抵抗モデル

材長 lC で除した層間変形角 ri を示す。

本試験体は，柱梁接合部をピン接合としているが，実際は完全なピン支承ではなく摩擦力による抵抗が柱に伝播す

図 11 には，グラフの右縦軸にブレース負担せん断力るため，摩擦抵抗を考慮した復元力特性モデルを作成し，QBR，QBL を降伏荷重 BRQY で除し無次元化した値を，上横評価する。柱梁接合部に弾塑性バネを用い，弾塑性バネの軸に柱頭の水平変位 δ を柱材長 lC で除した層間変形角 ri

復元力特性モデルは完全弾塑性型とする。摩擦抵抗モデルを示す。の最大耐力は，解析モデルでの梁端部の曲げモーメントが，実験値で正負での梁端部の曲げモーメントの最大値の平均

図 13 には，グラフ上横軸に柱頭の水平変位 δ を柱材長lC で除した層間変形角 ri を示す。

値に達したときの値とする。
摩擦抵抗力モデルの水平弾性剛性 KFr，降伏耐力 FrQY の4.1

算出方法を以下に示す。

水平荷重 - 水平変位関係

図 10 には柱脚がベースプレートの回転によって降伏す（8）― 89 ―る時の変位を，それぞれ，示している。M24 試験体は実験値と復元力特性モデルが良好に対応している。NC24 試

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・竹本泰聖（a）M24（b）M30
図 10（a）M24（c）M33

水平荷重 P- 水平変位 δ 関係（b）M30（c）M33

図 11 ブレース負担せん断力 QBR，QBL- 水平変位 δ 関係ためである。

験体はミーゼスの降伏条件未満であり，ブレースからの軸力とせん断力では柱脚は降伏しない。しかし，最終サイクルで実験値の架構の弾性剛性が変化している。これは，柱4.2

ブレース負担せん断力 - 水平変位関係

脚が，降伏したためである。柱脚の降伏する点は，ベース

図 11 にはそれぞれの試験体の降伏耐力を示している。

プレート回転角を含んだ水平変位から，予測できる。柱脚更に，M33 試験体には，ミーゼスの最大耐力曲線とブレーが降伏するまでは，曲げによってベースプレートが回転し，ス降伏軸力の交点の値を示している。M24 試験体は降伏基礎と接触するため，摩擦力でせん断力に抵抗する。しかし，最大耐力を満足している。これは，ミーゼスの降伏条し，柱脚が降伏して以降は，アンカーボルトが降伏・塑性件未満であり，ブレースからの軸力とせん断力では降伏し伸びするため，１列のみで，抵抗するため，弾性時に比べないためである。しかし，柱脚が曲げによって降伏するた剛性が変化する。このため，架構の水平弾性剛性が変化しめ，紡錘型の復元力特性となる。M30 試験体も M24 と同たと考えられる。

様に降伏耐力を示している。本来であれば，M30 試験体

M30 試験体はほぼモデルと対応している。M30 試験体はミーゼスの降伏耐力曲線以上であり，ブレースは降伏しはミーゼス降伏条件以上の試験体であり，ブレースは降伏ない。しかし降伏軸力を示した理由は，架構の変形によっしないはずであるが，降伏したのは，架構の変形によっててベースプレートが回転し，基礎と接触して摩擦力でせん

ベースプレートが回転し，基礎と接触して摩擦力でせん断断力に抵抗したためである。このため，ブレースは降伏し，力に抵抗したためである。このため，アンカーボルトに伝ブレースとしての耐力を満足した。M33 試験体は，正載わるせん断力が低減したため，ブレースが降伏した。その荷時に抵抗するブレースは降伏し，負載荷時に抵抗するブため，復元力特性モデルと実験値が対応した。

レースは降伏していない。M33 試験体は，ミーゼスの最M33 試験体はモデルと対応していない。M33 試験体は大耐力を超えるためブレースは降伏しない。M30 試験体

ミーゼスの最大耐力を超え，ブレースは，降伏しない。しと同様に，架構の変形によってベースプレートが回転し，かし，正載荷時に抵抗するブレースが降伏した。これは，基礎と接触して摩擦力でせん断力に抵抗したためである。

M30 試験体と同様に架構の変形によってベースプレート

しかし，本来であればブレースは降伏しないため，図 11

回転し，基礎と接触するため，摩擦力でせん断力に抵抗しのブレース軸力水平成分 BRNx- 水平変位 δ 関（c）に示すよ― 90 ―

露出柱脚を有するノンコンプレションブレース付き架構に関する研究（a）M24（c）M33（b）M30
図 12（a）M24

柱脚部鉛直変位 CbδV- 水平変位 δ 関係（c）M33（b）M30
図 13

ベースプレート回転角 θ- 水平変位 δうにミーゼスの最大耐力曲線とブレース降伏軸力の交点である，BRNx ＝ 159kN を使用し耐力を評価する必要がある。

５．まとめ
１．NC24 試験体では，ブレースが降伏し，ブレース架構4.3として成立するため，完全弾塑性型の復元力特性を示

柱脚部鉛直変位 - 水平変位関係す。

図 12 の M24 試験体と M30 試験体から，柱脚が降伏するまでは，0.5mm 程度の離間量となっている。柱脚が降２．ブレース架構とした場合においても，ベースプレート伏して以降に，柱脚部の離間量が増えている。これは，曲の回転は，架構の変形に依存し，柱脚が弾塑性域あれげによってアンカーボルトが降伏し・塑性伸びをするためば，回転によって，アンカーボルトが降伏・塑性伸びである。さらに，本来であれば，アンカーボルトが２列抵するため架構の水平剛性が変化する。ベースプレート抗するはずであるが，降伏・塑性伸びによって１列しか抵の回転角は，架構の層間変形角に依存するため，ブレー抗できず，図 10 のように架構の水平弾性剛性が変化した。

スが完全弾塑性の応答を示す限界の水平変位は容易にM33 試験体は，曲げモーメントで柱脚が降伏する点より予想できる。
３．柱脚の抵抗機構の変化を考慮し，実験結果を追跡でき以前に，柱脚が破断している。しかし，せん断力と軸力にる復元力特性モデルを提案できた。

よる影響が大きいため，柱脚部の離間量が大きくなった。

４．NC30 試験体では，柱脚が曲げによって，ベースプレー
4.4

トと，基礎が接触し，摩擦力でせん断力に抵抗し，ア

ベースプレート回転角 - 水平変位関係

ンカーボルトに伝わるせん断力が低減し，ブレースが

図 13 から，層間変形角が進むにつれて，べースプレー降伏した。

トーの回転角が増加しており，線形関係になっている。つまり，ブレースが設置されている場合の架構においても，５．M33 試験体は柱脚が先行して崩壊するため，ブレーベースプレートの回転角は，架構の層間変形角に依存してスが降伏することなく，復元力特性モデルと対応しないることがわかる。そのため，柱脚が降伏する点は，曲げい。但し，ミーゼスの最大耐力により，最大耐力は評による変形と，水平荷重による変形から予想し，ブレース価可能である。

が完全弾塑性型の復元力特性を示すまでの変位が予測できる。
― 91 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・竹本泰聖

謝２）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブ

辞

レースの耐震性能向上について，日本建築学会構造系
論文集，第 595 号，pp131-138：2005．９．

本研究では，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３）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌，小畑寛行：ノンコン高松隆夫教授）のプロジェクト研

プレションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力特究の一環として実施されました。
また，試験体作成にあたりフルサト工業株式会社には，性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻 pp.429-436：
2006．11．

転造ネジアンカーボルト，並びに，ターンバックル付転造

４）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌：ノンコンプレション

ネジ付ブレースを提供して頂きました。ここに記して謝意

ブレースによる耐震補強工法に関する実験的研究，広を表します。

島 工 業 大 学 紀 要・ 研 究 編， 第 42 巻，pp.105-111：

参考文献

2008．２．

１）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレション

５）高松隆夫，玉井宏明，福原章宏，山西央朗：ブレース

ブレースの履歴性状とエネルギー吸収性について，鋼付門型骨組みの復元力特性，広島工業大学紀要，研究

構造年次論文報告集，第 11 巻 pp.129-136：2003．11．

編，第 43 巻，pp173-183，2009．２．

― 92 ―