広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 99-104

論文

スリップ型露出柱脚を有する門型ラーメンの振動特性に関する研究
高松 隆夫 ・玉井 宏章 ・澤田 樹一郎 ・岡部 政和(平成19年10月31日受理)

A study on Vibration Characteristics of Steel Portal Framed Structuresof Slip-Type Exposed Column-Bases

Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Kiichirou SAWADA and Masakazu OKABE(Received Oct.31,2007)

Abstract
Steel buildings generally use anchor-bolt-yield-type exposed column-base, which shows slip-type
restoring force characteristics. Anchor bolts show slip phenomena and fixed rigidity of the columnbasedeteriorates. Thedeterioration ofthefixed rigiditycauses thechangeofthevibration characteristics of a structure. Shaking table tests on the steel frame with the anchor-bolt-yield-type exposedcolumn-base were conducted to clarify the vibration behavior of the frame.
The following conclusions were drawn from the experimental results.
1) Anchor bolts show slip phenomena.
2) The deterioration of the fixed rigidity of the column-base affects the natural frequency of thestructure
Key Words: exposed column-base, anchor-bolt-yieid-type, shaking table experimentなった建物も多数報告されている。

１．はじめに柱脚の固定度に着目した骨組の地震応答の研究は数多く

鉄骨露出柱脚は，鋼構造における柱脚工法の中で最も簡行われているが３)〜６)，これらの研究は，静的載荷下におけ易な工法であり，中低層の鋼構造物の柱脚部には，鉄骨露る研究成果が多く，動的載荷下における研究は数が少な出柱脚が多く採用されている。しかし，図１に示すように，い。

露出柱脚に地震外力が作用して，アンカーボルトが先行降

そこで，本論文では，門型ラーメンの柱脚部を従来型と伏すると，スリップ現象が発生し１),２)，柱脚の固定度が劣化した時の振動台実験および数値解析を行い，柱脚がスリッする。柱脚部は，上部構造と基礎構造との接合部で重要なプ現象を生じた際，架構全体の振動性状にどのような影響部分である。このため，柱脚の固定度は，構造物の振動性を与えるかを確認すること，また，数値解析を行うことで，状に大きな影響を与えるとされている。さらに第１層部の振動台実験の有効性を確認することを目的とする。

層耐力低下による，損傷集中も懸念されている。

２．実験

実際の地震被害として，1995年の兵庫県南部地震等の大地震では，建物に残留変形が生じ，継続的な使用が困難とアンカーボルト降伏先行型露出柱脚を有する１層１スパ

広島工業大学工学部建築工学科
広島大学大学院社会環境システム専攻
広島工業大学工学研究科建設工学専攻99高松隆夫・玉井宏章・澤田樹一郎・岡部政和

図１ アンカーボルト先行降伏型露出柱脚

図２ 試験体形状および計測点位置

ン門型鉄骨骨組を用いた動的載荷実験を行う。の合計質量約 1.15ton とする。アンカーボルトの初期導入

2.1 試験体

軸力は手締め程度に留める。

図２に試験体形状, 図３にアンカーボルトを示す。
柱脚部は，アンカーボルト降伏先行型について，ベース2.5 計測方法

プレート隅各部に１本づつ，計４本のボルトを配置した２

図２に計測位置を示す。

列４本タイプの固定形式を用意する。使用するアンカーボ

計測には加速度計（A.T.），ひずみゲージ（S.G.），変位ルトには，長さ 285㎜の無加工アンカーボルト（B0）に，ア計（D.T.）を使用した。

ンカーボルトが先行降伏するように一部を切削したアン

加速度の計測は，振動台中心位置と錘上部の中心位置のカーボルト（B1）を用いる。

加速度：α および α について行う。質点に作用する層せ柱脚直下に設置する鋼性基礎は，いずれの載荷に対してん断力：も塑性化しない素材特性・断面性能を有している。

は，質点の質量：と α との積として式(1.a)

から算定する。

柱には冷間成形角型鋼管材：□‑50x50x2.3(STKR400)，＝ ×α

エ ン ド プ レート 及 び ベース プ レート に は PL-150x150x16(SS400)，梁には H-100x100x6x8(SS400)を使用している。

(1.a)

変位の計測は，錘側面の中心位置の層間変位：Δについ柱の上下にエンドプレート及びベースプレートを全周隅肉て，計測用柱に取り付けた変位計から行った。

溶接接合する。エンドプレートと梁を高力ボルトにより緊応力の計測は，フレームの負担する層せん断力：結し，ベースプレートと基礎をアンカーボルトにより緊結

ンカーボルトの軸力：して構成する。試験体はこの架構を２組並列させ，梁下フ，ラ ン ジ を PL-85x1,000x15(SS400)と PL-150x1,000x15，，アについて行った。

は表裏構面における２本のアンカーボルト軸部の軸ひずみの平値と軸剛性から算定した。

(SS 400)により連結した立体骨組である。そして，試験体には表裏各構面について，柱 16ヶ所に貼付したひずみ錘（PL-800x1,000x25 を６枚，PL-200x1,000x25 を２枚）を値の値から式(1.b)により算定し，柱の任意断面の線ひず約 10kN 積載し，質点としての質量： は，試験体中央上部

みの平100値 ε ,ε から，任意断面の曲げモーメント：

スリップ型露出柱脚を有する門型ラーメンの振動特性に関する研究

は，式(1.b)，(1.c)で算定できる。
−＝2×
＝ × ×
ここに，,＝，,(1.b)ε −ε

2.5 加振プログラム
補助試験として，錘位置に水平打撃力を与え，自由振動(1.c)

させるインパルス試験，および，振動台振動数を１㎐につは左側柱及び右側柱におけき 10秒づつ加振し合計 210秒間，つまり１〜20㎐まで変化

る上下２点の曲げモーメント， は左側及び右側柱におけさせていく SWEEP 試験を行う。尚，いずれの場合も，補る曲げモーメント計測間距離（ ＝450㎜）である。

助試験では塑性化を被らない。本試験は，弾性正弦波加振また，,−−する。

は柱のヤング係数，は柱の断面せい， は柱試験及び弾塑性正弦波加振試験を振動台の振動数を７㎐との断面２次モーメントであり，各諸量は，表１に示す値をして載荷する。

用いる。

載荷手順としては，ⅰ インパルス試験，ⅱ SWEEP 試
験，ⅲ 弾性正弦波加振試験，ⅳ 弾塑性正弦波加振試験，ⅴ

インパスル試験における減衰定数： は式(1.d)から求インパルス試験，ⅵ SWEEP 試験を一連の流れとする。

７)

める 。

３．数値解析

1＝1n2 π:周期，(1.d)
における振幅，:

図５に，数値解析に用いる解析モデルを示し，解析に用における振幅いる入力データを表１にまとめて示す。
数値解析には任意形平面骨組の複合非線形解析プログラ

2.4 載荷装置と載荷方法

ム「Combined non-Linear Analysis for Plane frame

図４に本実験で用いる加振装置を示す。加振装置は，水(CLAP.f)」を用いる。

平垂直同時２軸振動試験機（水平・垂直の最大振幅：±50

解析モデルは，柱は，２節点ビーム要素，梁は，錘の質㎜，最大加速度：３G）を使用した。また，加振には，水平量を有する２節点ビーム要素とする。柱および梁には，表方向のみを入力し，上下方向成分は入力していない。尚，振１に示す断面積，断面２次モーメント，塑性断面係数，せ動台加速度：α をフィードバック制御する加速度制御とん断有効断面積を入力する。また，柱下端部とベースの間

図３ アンカーボルト
図４ 加振装置

表 1 解析入力データ

図５ 解析モデル101

高松隆夫・玉井宏章・澤田樹一郎・岡部政和⒜ 弾性正弦波加振試験⒝ 弾塑性正弦波加振試験
図６ 加速度応答時刻歴⒜ 弾性正弦波加振試験⒝ 弾塑性正弦波加振試験

図７ 層せん断力： ‑層間変位：Δの関係には，表１に示す柱脚の降伏モーメントと初期剛性を用い速度振幅が徐々に大きくなっている点も要因の一つとしてた，Bi-linear のスリップ型復元力特性を有する回転バネを挙げられる。しかし，主な要因としては，図８，９から，ア設置する。

ンカーボルトが塑性伸びを起こし，スリップ現象を生じたことで，固有振動数が８㎐であった試験前の架構が（図 11

４．試験結果参照）4.8s の時点で，７㎐まで低下し，地動の振動数７㎐

図６に加速応答時刻歴の結果を，図７に層せん断力：と一致し，共振現象を起こしたためと‑層間変位：Δの関係を，図８にアンカーボルト軸力：

4.8s 以降では，架構の剛性低下が進み，固有振動数が最終と層間変位：Δの関係を，図９に柱脚部の曲げモーメン的に６㎐になるため（図 11参照），地動の振動数７㎐から遠ト：ざかり，頂部の加速度振幅が徐々に小さくなったととベースプレート回転角：θの関係を，それぞれ示す。また，図 10に弾性，弾塑性正弦波加振試験前後のインえられる。さらに，えられる。

パルス試験の結果，図 11に弾性，弾塑性正弦波加振試験前解析結果が，実験結果に比べて，低い振幅を示している。

後の SWEEP 試験の結果を，それぞれ示す。

これは，解析において柱に作用する軸力を○振動性状について点が原因と図６⒜から，弾性正弦波加振試験において，振動台の最慮していないえられる。

○復元力特性について

大加速度振幅は約 34（gal）となり，頂部の最大加速振幅は図７⒜から，弾性正弦波加振試験では層せん断力： ‑層約 164（gal）となった。

間変位：Δの関係は，４s〜10s 間同じ履歴を示しているた

また，図６⒝から，弾塑性正弦波加振試験において，振め，弾性正弦波加振試験においては，各部材が塑性変形し動台の最大加速度振幅は約 720（gal）となり，頂部の最大ていないことが分かる。なお，解析値も実験値と良好に対加速振幅は約 2,250（gal）となった。頂部の加速度振幅が応している。また，実験値は，直線にならず紡錘型となっ

４s〜4.8s までは時間の経過に伴って徐々に大きくなり，ているが，層間変位を測るための変位計を設置した計測用4.8s で最大加速度振幅を示している。これは，振動台の加柱も若干ながら振動しているためだと102えられる。

スリップ型露出柱脚を有する門型ラーメンの振動特性に関する研究

図８ アンカーボルト軸力：と層間変位：Δの関係

図９ 柱脚部の曲げモーメント： とベースプレート回転角：θの関係⒜ 弾性，弾塑性正弦波試験前⒝ 弾性，弾塑性正弦波試験後
図 10 インパルス試験結果

図 11 SWEEP 試験結果

図７⒝から，弾塑性正弦波加振試験では，アンカーボルとトが塑性伸びを起こし，スリップ現象を生じたことで（図５．まとめ８参照），架構にもスリップ現象を示している。なお，解析値が実験値に比べて履歴が小さくなっている。これは，解析において，柱に作用する軸力をえられる。

本論文では，スリップ型露出柱脚を有する門型ラーメン

慮していないためだとに関する振動性状を求めるため，柱脚部を２列４本 TYPEえられる。とした架構の動的載荷試験を行った。得られた知見は以下○インパルス試験および SWEEP 試験のように要約できる。

SWEEP 試験は，１㎐につき 10秒間としているが，振動１）アンカーボルトが塑性伸びを起こすことによって，ス数が変化した直後の波形は不安定なため，振動数の変化よリップ型復元力特性を示した。

り５秒経過後からの波形を用いて各振動数の加速度を求め

２）アンカーボルトがスリップ現象を起こすことで，柱脚る。また，倍率はα/αから求める。の固定度が低下し，架構自体の剛性も低下する。その

図 10⒜から，弾性，弾塑性正弦波加振試験前の固有周期ため，安定した振動性状を従来型では得ることが出来

は 0.129s，固有振動数は 7.75㎐，減衰定数： は 0.01とない。

なった。図 11から弾性，弾塑性正弦波加振試験前の固有振３）柱軸力を解析の中で動数は８㎐である。

慮していないため，弾塑性正弦波加振試験において，実験値と解析値とで誤差が生じ

図 10⒝から，弾性，弾塑性正弦波加振試験後の固有周期た。

は 0.173s，固有振動数は 5.78㎐，減衰定数： は 0.01と謝なった。図 11から弾性，弾塑性正弦波加振試験後の固有振動数は６㎐である。

辞本研究は，広島工業大学 高性能構造システム開発研究セ

よって，弾性，弾塑性正弦波加振試験前後のインパルスンター （代表者

試験の結果と SWEEP 試験の結果は良好に対応している

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。また，ここに記して感謝の意を103高松隆夫・玉井宏章・澤田樹一郎・岡部政和表します。

局耐震性能に与える影響，日本建築学会構造系論文

参文集，第 496号，pp.113‑118，1997.6.

献５）河野昭雄，松井千秋：柱脚の復元力特性の違いがはり

１）秋山宏：鉄骨露出柱脚の耐震設計，技報堂，1985.3

降伏型鉄骨ラーメンの地震応答性状に与える影響につ２）高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：露出型柱脚の復元

い て，日 本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集，第 507号，pp.

力特性に関する実験的研究，鋼構造年次論文報告集，

139‑146，1998.5.

第９巻，pp.415‑422，2001.11.

６）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，白木剛，多田元英：３）加藤勉，佐藤邦昭，鎌形修一，田上淳：鋼構造露出型

統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚の柱脚の復元力特性が上部架構に与える影響について

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

（その１）（その２），日本建築学会大会学術講演梗概

269‑276，2006.11.

集，pp.867‑870，2001.11.

７）柴田明徳：最新建築学シリーズ 最新耐震構造解析，

４）山田哲，秋山宏：柱脚の固定度が鋼構造多層骨組の終森北出版，pp.14‑16，1981.

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