広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.215-222

論文

ノンスリップ型露出柱脚を有する門型フレームに関する研究
山西央朗 *・高松隆夫 **・玉井宏章 **・福原章宏 ***（平成21年10月31日受理）

A study on steel portal frame with non-slip-type exosed colum-baseTeruaki YAMANISHI, Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI and Akihiro FUKUHARA(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
Anchor-bolt-yield-type exposed column bases are generally employed in steel buildings. Restoring force characteristics of the building deteriorate, because cyclic curves show slip behavior
due to anchor-bolts yielding and rigidity of the column base decreases. Non-slip-type columnbases were proposed by authors to improve slip behavior. In this paper, loading tests were carried out on steel portal frames with column base to clarify response of the frames.
Key Words: Anchor-bolt-yield-type exposed collumn-base, Portal frame, Variable axial-forceに議論できていない。特に，引張軸力領域を含む場合つい１．はじめにて，ノンスリップ型露出柱脚を用いることで，骨組にどの著者等は，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚のスリッような利点をもたらすのかを検討する必要がある。また，プ現象を改善する，ノンスリップ型露出柱脚を提案・研究

従来のアンカーボルト降伏先行型露出柱脚についても，変している。これまで，露出柱脚付き片持ち柱を用いた要素

動軸力による影響を考慮した研究は数が少なく 17-20），基礎１－14）実験を行い，各荷重下におけるノンスリップ型露出柱的な資料を蓄積する必要がある。

脚の復元力特性を示してきた。また，柱脚付き門型フレー

そこで，本論文では，１層１スパンの柱脚付き門型フレー

ムの振動台実験および地震応答解析により，柱脚をノンスム試験体を用いて，柱脚に引張軸力領域を含む変動軸力がリップ型露出柱脚とすることで，スリップ現象による骨組作用する載荷実験を行い，変動軸力を考慮した柱脚付き門の剛性低下を防ぎ弾塑性加振試験時においても安定した振型フレームの抵抗特性について検討する。また，ノンスリッ

15），構造物の残留変形を低減するプ型および従来のアンカーボルト降伏先行型露出柱脚（従効果が得られ，かつ，第一層上梁（２階の床部分の梁）へ来型露出柱脚）の実験結果を比較・検討し，ノンスリップの損傷集中が緩和される傾向にあることが明らかになって型露出柱脚の優位点を明らかにする。

動性状が得られること

いる16）

。

一方，構造物の側柱では，柱脚部に作用する柱軸力が変２．実験動する場合がある。アンカーボルト降伏先行型露出柱脚で本実験では，柱脚付き門型フレームを用いて，柱脚をノは，柱軸力の影響で復元力特性が変化することは知られてンスリップ型露出柱脚および従来型露出柱脚とした場合のいるが 13，14，17），これまでの架構実験・解析の研究では，変繰返し載荷実験を行う。

動軸力による復元力特性の変化が骨組に及ぼす影響を十分＊＊＊

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工学系研究科建設工学専攻― 215 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・福原章宏
表１

素材特性と主要寸法

材質

Eσyσu
主要寸法
各降伏耐力
（N/mm2）（N/mm2）（N/mm2）（mm）（kN, kNm）
My ＝ 140
柱フランジ SS400
205,000
304428H-200x200x8x12ウェブ
205,000332437
My ＝ 102
梁
フランジ SS400
205,000
327459H-250x125x6x9
ウェブ
205,000
429517
My ＝ 68.2
ベースプレートSS400
205,000
388522PL-400x400x50l
アンカーボルト : S
ABR400 205,000
300
408
φg ＝ 14.6, ab ＝ 350 Ty ＝ 49.5, My ＝ 35.2
:N
ABR400 205,000
300
408
φg ＝ 14.6, ab l ＝ 390 Ty ＝ 49.5, My ＝ 35.2
σy : 降伏応力度

E : ヤング係数

表２φg : 軸部径

abl : 有効長さ

バネ特性

外径
バネ径 自由長さ 最大たわみ 最大荷重 バネ定数（mm）（mm）（mm） （mm）
（N）
（N/mm）
26.1
2.094.0
70.3
93.5
1.33（b）ベースプレート（a）セットアップ（d）楔デバイス
図12.1（c）アンカーボルト

試験体

試験体

きる転造ねじアンカーボルト M16 を使用する。基礎部に表１，表２に試験体の素材特性と主要寸法，楔デバイは，いずれの載荷に対しても塑性化しない，鋼製基礎スに用いるバネのバネ特性を示す。また，図１に試験体

H-400x400x13x21 を使用し，適宜スチフナを配置している。

形状を示す。尚，本実験では，アンカーボルト降伏先行

楔デバイスの楔および楔受けは，楔貫入角度を 30°と型露出柱脚を取扱うために，ベースプレート，柱，梁，し，かつ，楔と楔受けの接触面には，発錆処理（塩分濃度および，基礎部分には，各載荷に対して弾性範囲に留ま５% 程度の食塩水により，１週間ほど湿潤状態を保つ）をる素材特性・断面性能を採用している。（ベースプレート施して，静止摩擦係数 µ を増大させている（µ=0.73）。尚，の降伏耐力は，ヒンジラインを仮定して，降伏線理論よこの発錆処理は，アンカーボルトから伝達される圧縮力のり算出している

21）

接触面方向分力に対して，接触面における摩擦力により抵。）

試験体には，ノンスリップ型露出柱脚を有する門型フ抗し，滑らないようにするために施している。

レーム（Type N）と，従来型露出柱脚を有する門型フレー2.2ム（Type S）を用意した。

載荷装置と載荷方法

柱には H-200x200x8x12 を，梁には H-250x125x6x9 を使

図２に載荷装置を示す。載荷は，試験体柱頭部に水平の用し，柱下端部にベースプレートを隅肉溶接接合し，柱を油圧ジャッキを設置し，水平変位 δ を制御値とした正負交強軸方向の通し柱として梁を保有耐力接合したものであ番 漸 増 繰 返 し 載 荷 を 行 う。 目 標 値 を，1/1,000，1/500，る。柱脚には，ベースプレートの隅角部にアンカーボルト1/250，1/125，1/75 として，それぞれ，２サイクル行う。

を配置した PL-50x400x400 を使用する。また，実験時には軸部降伏軸力の 30%（15kN）を初期軸力として導入し2.3ている。アンカーボルトには十分な塑性変形能力を期待で― 216 ―

計測方法と整理方法

図３に計測位置を示す。変位計測は，基礎部に設けた計ノンスリップ型露出柱脚を有する門型フレームに関する研究

図２

載荷装置

図３

計測位置

解析モデル

図４

3.1

解析モデルの概要

解析モデルには，柱脚部に回転バネを有するフレームを用いる。これを，柱脚部をピン接合としたフレームと，柱脚部を回転バネ，柱頭部をピン接合としたフレームに分解する。それぞれの柱頭部に水平方向の強制変位 δ を作用させ，抵抗力 P１，P２ を算出し，これ等を累加したものを，（a）ノンスリップ型露出柱脚
図5

柱脚付き門型フレームの復元力（水平荷重 P）とする。尚，（ｂ）従来型露出柱脚抵抗力の計算には，柱・梁の断面二次モーメント Ic，Ib を各柱脚の無軸力下の復元力特性モデル用いる。
測基準点に設置した計測治具からの相対変位を計測している。変位としては，柱頭部に設置した変位計により，柱頭3.2 柱脚部の復元力特性モデル

部水平変位 δ，柱頭部鉛直変位 Cδv を，柱下端部に設置し柱脚部の復元力特性モデルには，図５に示すように，ノた変位計により鉛直変位を計測しベースプレート回転角

ンスリップ型露出柱脚では原点立上り型の復元力特性を，

θ，柱脚部鉛直変位 Bδv を算出する。荷重としては，ジャッ従来型露出柱脚ではスリップ型の復元力特性を用いる。
また，柱脚の降伏曲げ耐力 My，および，弾性回転剛性

キ先端のロードセルにより水平荷重 P を，アンカーボルト下端部に設置したセンターホール型ロードセルによりアKBS は以下の式により求める。

ンカーボルト軸力 T を計測する。また，柱・梁フランジ⑴に貼付したひずみゲージにより垂直ひずみを計測し，柱脚曲げモーメント M，柱軸力 N と骨組の曲げモーメント図を算出する。

３．

⑵

解析モデル

ここに，n：引張側アンカーボルト本数，abA：アンカー

図４，図５に解析モデルと，柱脚の復元力特性モデルを示す．

ボルト軸部断面積，abσy：アンカーボルト降伏応力度，d：引張側アンカーボルト中心から圧縮合力点位置までの距
離，E：アンカーボルトのヤング係数，R：ベースプレー17）
トと基礎の弾性変形を考慮した低減係数（=2.0），abl：― 217 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・福原章宏（a）ノンスリップ型露出柱脚（b）従来型露出柱脚
図６（a）点Ａ

水平荷重 P －水平変位 δ 関係（b）点Ｂ
図７（c）点Ｃ（d）点Ｄ各時点の曲げモーメント図

但し，エネルギー吸収量 e は，図６の履歴面積を積分して算出している。また，柱脚の M － θ 関係は，左右の柱脚でほぼ一致した挙動を示しているので，図２中の左側の柱脚（正の水平載荷時に，正の回転角を示す）の結果のみを示す。
また，図６には３章に示した解析モデルを，図 10 には３章に示した柱脚の復元力特性モデルおよび図 12 に示したモデル用の軸力を用いて，文献 13,14）の計算方法により算出した（変動軸力を考慮した）復元力特性モデルを，また，
図８

図６，図 10 にはそれぞれ，柱脚降伏時の耐力を降伏耐力

エネルギー吸収量 e －水平変位 δ 関係

Py，My として，それぞれ，示す。更に，図９には，最終アンカーボルトの有効長さである。

サイクルのフレームと柱脚の挙動の概念図も併せて示している。

このように，柱脚部の復元力特性は，軸力が変動することによる影響を無視して計算する。

４．

尚，図６，８，９中の上横軸は，水平変位を階高で除して求めた層間変形角 ri を示している。

実験結果と考察4.1

水平荷重－水平変位関係

図６－ 12 に各試験体の実験結果を，それぞれ，示す。

図６より，ノンスリップ型露出柱脚の場合は，いずれの図６に水平荷重 P －水平変位 δ 関係を , 図７に図６中に示

載荷サイクルにおいても，載荷時の履歴曲線はほぼ一致しす各点の曲げモーメント図を，図８にエネルギー吸収量 eている。一方，従来型露出柱脚の場合においては，前サイ－水平変位 δ 関係を , 図９に柱脚・柱頭部鉛直変位 Cδv，クルの除荷時の履歴曲線に一致している。これは，図 10，B v

δ －水平変位 δ 関係を , 図 10 に柱脚の曲げモーメント M

11 の結果から分かるように，従来型露出柱脚ではスリップ－ベースプレート回転角 θ 関係を，図 11 にアンカーボル現象が発生しているが，ノンスリップ型露出柱脚では，ス

ト軸力 T －ベースプレート回転角 θ 関係を，図 12 に柱軸リップ現象が改善されて，原点立上り型復元力特性を示し

力 N －ベースプレート回転角 θ の関係を，それぞれ，示す。ているためである。このように，柱脚の復元力特性はフレー― 218 ―ノンスリップ型露出柱脚を有する門型フレームに関する研究（a）ノンスリップ型露出柱脚（b）従来型露出柱脚
図９

柱頭・柱脚部鉛直変位 Cδv, Bδv －水平変位 δ 関係ムの挙動にも影響を与えることが分かる。但し，ノンスリッほぼ一致している。また，左右の柱脚曲げモーメントの差

プ型露出柱脚の場合においても，柱脚の降伏曲げ耐力およ異がある点 A，B，D のいずれの場合においても，左右のび弾性回転剛性は，従来型露出柱脚と同じであるため，フ柱頭部の曲げモーメントの比は 0.98 ～ 1.02 程度であり，レームの弾性剛性や各耐力は増減しない。しかしながら，大きな差異は生じていない。このように，本試験体のよう

図８の結果より，フレームが吸収したエネルギー吸収量は，なディテール（柱の耐力に比較して柱脚の降伏曲げだ耐力

ノンスリップ型露出柱脚の場合，従来型露出柱脚の場合のが小さい：表１参照，アンカーボルト１列分の降伏軸力よ約 1.4 倍（=7,300/5,300）程度となっている。

り小さい範囲の変動 13，14））では，柱脚の性能がフレームのまた，本論文で示した解析モデルの結果は，実験結果と応力状態に与える影響は小さいことがわかる。

ほぼ一致しており，実験結果と解析モデルの柱脚降伏時耐力の比は，0.97 ～ 1.03 となっている。解析モデルでは，4.3

柱頭・柱脚部鉛直変位

柱脚の復元力特性モデルを無軸力下のものを使用している

図９より，各試験体の柱頭部鉛直変位と柱脚部鉛直変位が，図 10 から分かるように，柱脚では変動軸力の影響にとは，類似した挙動を示しており，フレームの応答に柱脚より，無軸力下の復元力特性とは異なる挙動を示し，正方の変位量が大きく影響することが分かる。ノンスリップ型

向と負方向の降伏曲げ耐力等も異なっている。これら，柱露出柱脚では，鉛直変位は２（mm）程度であるのに対して，脚の復元力特性の変化を考慮しなくても，フレームの挙動

従来型露出柱脚では，最大で３（mm）以上の変位が生じてを追跡できるのは，左右の柱脚で，変動軸力の影響を相殺いる。これは，変形の概念図にも示してあるように，ノンしているからであると考えている。

スリップ型露出柱脚では，楔の機能によりアンカーボルトのナットとベースプレート間の間隙が埋められ，いずれの4.2フレームの曲げモーメント図

サイクルにおいても柱脚が鉛直上方向に変位しようとした

図７から，柱脚部がスリップ現象を起こしている点 C際に，アンカーボルトが抵抗して変位を抑えるためである。とスリップ現象が発生していない点 A とを比較した場合，一方，従来型露出柱脚では，アンカーボルトの塑性伸びに各点の柱頭部曲げモーメントの比は 0.99 ～ 1.00 であり，よる隙間が生じているため，柱脚が鉛直上方向に変位する― 219 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・福原章宏（b）従来型露出柱脚（a）ノンスリップ型露出柱脚
図 10

柱脚部曲げモーメント M －ベースプレート回転角 θ 関係（b）従来型露出柱脚（a）ノンスリップ型露出柱脚
図 11

アンカーボルト軸力 T －ベースプレート回転角 θ 関係

柱脚に作用する軸力が正負で異なり，正方向では引張軸力により耐力が現象，負方向では圧縮軸力により耐力が増加するためである。このため，本論文の解析モデルに用いた，無軸力下の復元力特性モデルは実験結果を追跡できていない。
尚，正方向載荷に比較して負方向載荷の最大回転角が小さいが，これは，柱脚の回転剛性（耐力）の違いにより，柱脚部分に作用する回転角が変化したためである。また，ノンスリップ型露出柱脚の試験体において，溶接による入図 12（a）ノンスリップ型露出柱脚

熱でベースプレートが反り変形しており，この影響で，正柱軸力 N －ベースプレート回転角 θ 関係

方向 0.005（rad）以下の範囲では，従来型露出柱脚と比較して低目の降伏曲げ耐力・弾性回転剛性を示している。

場合，アンカーボルトのナットとベースプレートとが接触4.5するまで，鉛直上方向変位が生じるためである。

柱軸力について図 12 より，ノンスリップ型露出柱脚および従来型露出4.4

柱脚曲げモーメント－ベースプレート回転角

柱脚共に，柱軸力の変動は，ほぼ類似した挙動を示してい

図 10 より，ノンスリップ型露出柱脚は原点立上り型復る。履歴ループが生じているものの，本試験体のようなフ元力特性を，従来型露出柱脚はスリップ型復元力特性を示

レームの側柱に作用する変動軸力が，ベースプレート回転している。これは，楔デバイスの機能により，図 11 から角とほぼ線形関係に近いことが分かる。また，同図中に近分かるように，アンカーボルトにスリップ現象が生じない似直線を示している。この近似直線式を用いて文献 13），ためである。

14）に示した復元力特性モデル定式化により算出した結果

次いで，正方向と負方向とで，弾性回転剛性および曲げ降伏耐力が大きく異なる。これは，図 12 に示すように，を，図 10 に併せて示しているが，実験結果とほぼ対応している。

― 220 ―

ノンスリップ型露出柱脚を有する門型フレームに関する研究

以上，ノンスリップ型・従来型露出柱脚付門型フレーム

参考文献の架構実験を行い，それぞれの結果を比較検討することにより，ノンスリップ型露出柱脚の場合，柱脚のスリップ型

１）高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：露出型柱脚の復元復元力特性を改善することで繰返し載荷時のエネルギー吸力特性に関する実験的研究，鋼構造年次論文報告集，収量が増加すること，いずれのサイクルにおいても引張軸

第９巻，pp.415-422，2001．11．

力が作用することによる鉛直上向き変位を抑えることが出

２）高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：鉄骨露出型柱脚の来る点で有利であり，柱脚要素実験と同じ知見が得られた。

復元力特性に関する研究，鋼構造年次論文報告集，第10 巻，pp.499-506，2002．11．

５．まとめ３）高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：改良型復元力特性を有する鉄骨露出柱脚に関する研究，鋼構造年次論文

ノンスリップ型露出柱脚付き門型フレームの載荷実験を報告集，第 11 巻，pp.563-570，2003．11．

行い，以下の知見を得た。
１）ノンスリップ型露出柱脚骨組は従来型露出柱脚の場合

４）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，石原節夫，松尾彰：と比べ，スリップ現象改善，エネルギー吸収効率向上，既存屋内運動場露出柱脚の復元力特性について，鋼構柱頭（柱脚）の鉛直変位を減少が期待できる点で有利

造年次論文報告集，第 12 巻，pp.281-288，2004．11．

であり，変動軸力が発生するフレームに適用した場合

５）Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Non-slip-においても，要素実験と同じ利点が得られる。

type restoring force characteristics of exposed-type２）ノンスリップ型および従来型露出柱脚共に，本実験でcolumn base, Journal of Constructional Steel Reserch,
Vol.61, pp.942-961, 2005.

作用した程度の変動軸力であれば，変動軸力による柱脚の復元力特性の変化を無視した解析モデルでも，フ

６）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗：ノンスリップ型鉄骨

レームの応答（水平荷重 - 水平変位関係）を追跡でき

露 出 柱 脚 の 復 元 力 特 性 モ デ ル， 構 造 工 学 論 文 集，た。これは，変動軸力による柱脚の復元力特性の変化

Vol.51B,pp.293-302,2005．3．
７）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，松尾彰：ノンスリッを，左右の柱脚で相殺するためと考えられる。
３）スリップ現象の有無，変動軸力による左右の柱脚の耐プ型露出柱脚のセルフセンタリング性能に関する研力の差異により，柱頭部の曲げモーメントに大きな差究， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 13 巻，pp.173-180，異は生じなかった。このため，本試験体のようなディ

2005．11．

テールを有する場合，柱脚の性能がフレームの応力状

８）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，白木剛，多田元秀：
統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚の態に与える影響は小さいことがわかる。

仮 動 的 実 権， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻，

４）柱軸力の変動は，ベースプレート回転角に対してほぼpp.269-276，2006．11．

線形関係を示した。また，近似直線に置き換えたモデルを用いて，変動軸力を考慮した柱脚の復元力特性モ９）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：アンカーボデルの定式化による結果は，実験結果と良好に対応しルトを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力ている。

特性－無軸力下の場合のセルフセンタリング性能－，

謝日本建築学会構造系論文集，第 621 号，pp.155-162，

辞2007．11．

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究10）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，松村高良，石原節夫，高松隆夫教授）のプロジェクト研究

松尾彰：既存屋内運動場露出柱脚の復元力特性と楔デの一環として実施されました。また，本研究の経費の一部バイスによる耐震改修工法について，構造工学論文集，

は，社団法人 日本鋼構造協会「平成 19 年度 鋼構造研究

Vol.54B,pp.715-722，2008．3．

センター」（代表者

助成事業（鋼構造研究グループ）」（ノンスリップ型露出柱11）松村高良，山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：

脚がラーメン架構に与える影響について，申請代表者：山２軸曲げを受けるアンカーボルト降伏先行型露出柱脚西央朗）の助成金から支出いたしました。更に，試験体のの 復 元 力 特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻，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

pp.275-282，2008．11．

していただきました。ここに記して，感謝の意を表します。

12）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：
２軸曲げを受ける従来型およびノンスリップ型露出柱脚に関する実験的研究，日本建築学会構造系論文集，
第 73 巻 第 634 号 pp.2223-2230，2008．12．

― 221 ―

山西央朗・高松隆夫・玉井宏章・福原章宏

13）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，小澤拓雄，松尾彰：

本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集， 第 73 巻 第 629 号，

変動軸力を受けるアンカーボルト降伏先行型露出柱脚pp.1151-1157，2008．7．の 復 元 力 特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻，

17）秋山宏：鉄骨柱脚の耐震設計，技報堂出版，1985．3．

pp.283-290，2008．11．

18）伊藤倫夫，三谷勲，大谷恭弘，藤永隆，田中秀宣：基14）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：礎部の配筋を簡略化したアンボンド型アンカーボルト

引張領域を含む変動軸力を受けるノンスリップ型露出を用いた露出柱脚の構造性能，鋼構造論文集，第８巻

柱脚の抵抗特性に関する研究，日本建築学会構造系論

第 31 号，pp.43-55，2001．9．

文集，第 74 巻 第 642 号 pp.1495-1502，2009．8．（印19）田中秀宣，亀元靖彦，三谷勲，藤永隆，伊藤倫夫：変刷中）

動軸力を受ける露出型柱脚の曲げ挙動と復元力特性，

15）高松隆夫，玉井宏章，岡部政和，澤田樹一郎，松尾彰：

鋼構造論文集，第 10 巻 第 39 号，pp.39-49，2003．9．

アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付きラーメン架構20）田中秀宣，三谷勲，嶋村洋子，伊藤倫夫：変動軸力をの 振 動 台 実 験， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 16 巻，受ける露出柱脚を有する鋼構造骨組の弾塑性挙動，鋼pp.545-552，2008．11．

構造論文集，第 12 巻 第 45 号，pp.171-184，2005．3．

16）澤田樹一郎，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰，山西央朗：21）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：単調載荷下地震応答解析によるノンスリップ型露出柱脚付鋼構造における鉄骨露出柱脚の FEM 解析，鋼構造年次論文

骨組のセルフセンタリング性能と累積損傷応答評価日

報告集，第 14 巻，pp.689-696，2006．11．

― 222 ―