広島工業大学紀要研究編
第 48 巻（2014）69-74

論文

水平変位拘束材を柱脚部に用いたノンコンプレションブレース架構に関する研究
高松隆夫＊，山西央朗＊＊，玉井宏章＊＊＊，嶋本仁＊＊＊＊（平成25年10月31日受付）

Study on non-compression braced frame with horizontal displacement constraint column baseTakao TAKAMATSU, Teruaki YAMANISHI, Hiroyuki TAMAI and Hitoshi SHIMAMOTO（Received Oct. 31, 2013）

Abstract
Non-compression braces show excellent capability of no buckling and no slip behavior. The
braces can be applied to seismic rehabilitation of low-rise steel structures. The looseness due toplastic elongation of the anchor-bolts caused by brace axial forces and column bending moment
need be diminished to keep stiffness of the braces. Numerical analysis of the column-base withhorizontal displacement constraint plate and wedge-device is carried out to clarify usefulness of thenon-compression braces.
Key Words: Exposed column-bases, Braced frame, Wedge device, Horizontal displacement constraint plate

構造物に大きな影響を与えるため，より大きなブレースを1 ．はじめに設置することが耐震安全上望ましい。同じく，完全弾塑性

近年，低層鋼構造建築物の耐震改修では，保有水平耐力型の復元力特性を示す座屈拘束ブレースと比較して低容量および架構の剛性を向上させる合理的な工法として，ブを実現できるので，構造部材の保有耐力が小さめとなる低１）

レースの新設や増設工法 が多く採用されている。通常，層鋼構造物に適合している。

低層鋼構造建築物は引張ブレースが用いられるが，ブレー一方，実務設計および施工を合理的に実施するためには，ス降伏により生じる塑性伸びや圧縮力作用時に座屈を生じ一ヶ所当たりのブレース抵抗力を可能な限り大きくして，る問題があり，地震時のような繰返し荷重下でブレースがブレース構面数を少なくすることが望ましい。従って，周有効に抵抗できない。

辺部材の補強を実施することが多く，特に柱脚部の耐力不足による補強事例が少なくない。このため，ブレース抵抗

そこで著者等は，低層鋼構造物に対してノンコンプレ
２）ションブレース （以後，NC ブレースと記す）を設置す

力に対する柱脚の補強工法はあと施工アンカーボルトを追ることを提案している。NC ブレースはブレース端部に設加することが一般的であるが，著者等は水平変位拘束置した楔と楔受けに生じた間隙にバネの復元力で楔が貫入

材３）～５）により，明快な補強が実施できることを示してきた。

することによって，完全弾塑性型の復元力特性示す。また，また，既往の研究によって，NC ブレースを有効に機能

ブレース架構においては，ブレースの軸剛性・降伏耐力がさせるには，ブレースに対して柱脚が十分な耐力を保有し，＊＊＊＊広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

広島大学大学院建築学専攻＊＊＊＊

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― 69 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・嶋本

仁

（a）構成

（b）抵抗機構
図１

提案する補強工法（a）M24
図２

ベースプレート（b）M30
図３

図４

アンカーボルト
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
アンカーボルト M16

SN490
SN490
SS400
SS400
SN490
SNR400
SNR400
ABR400ブレース

試験体の素材特性
降伏応力度

ヤング係数
E（N/mm2）
2050002050002050002050002050002050002050002050002σ（Y N/mm ）395
399295318347282303292

かつ架構の変形に伴う曲げによるアンカーボルトの塑性伸

引張強さ

2σ（U N/mm ）491487412434487431460437

主要寸法

H-250 ⊗ 250 ⊗ 9 ⊗ 14
H-250 ⊗ 125 ⊗ 6 × 9
PL-50
ϕ＝21.9mm
ϕ＝27.5mm
ϕ＝14.5mm lAB＝436mm

2 ．提案する補強工法

びの影響によるスリップ現象を生じるスリップ型柱脚（以後，S 柱脚）による影響を解消する必要がある６）。対して，提案する補強工法は，図１に示すように，ベースプレー

アンカーボルトの塑性伸びにはブレースと同様に柱脚に楔ト側部に水平変位拘束材を設置し，あと施工アンカーボル

７）デバイスを設置するノンスリップ型柱脚 （以後，NS 柱脚）

トで固定することによって，柱脚水平変位を拘束する工法

で解消できる。

である。柱脚水平変位を拘束することにより既設のアンそこで，本研究では１層１スパン架構に NC ブレースをカーボルトにはブレース軸力からの鉛直成分のみが作用す

用いた無補強柱脚の実験の結果５）に対して，著者等が提案る。既設アンカーボルトの組み合わせ応力状態を回避できしている柱脚補強工法を適用した場合の解析結果を用いると同時に，水平変位拘束材を固定するあと施工アンカーて，NC ブレースが有効に機能することを検証することをボルトはブレース軸力からの水平成分に対してのみ抵抗す目的とする。さらに，柱脚が S 柱脚と NS 柱脚の違いによるため，あと施工アンカーボルトの引抜き等における性能り架構に及ぼす影響を検討する。

劣化を解消でき，各ボルトの特性を発揮できる抵抗機構である。
― 70 ―

水平変位拘束材を柱脚部に用いたノンコンプレションブレース架構に関する研究

図５

ミーゼスの降伏条件

図７

解析モデル

載荷装置

図８

柱脚弾性回転ばねモデル

ピン接合とする。

3 ．実験概要
3.1

図６

載荷方法は，柱頭部に設置した油圧ジャッキにより正負試験体

交 番 漸 増 繰 り 返 し 載 荷 を 行 い， 制 御 値 は 層 間 変 形 角
1/1000，1/500，1/250，1/200，1/100（rad）を，それぞれ，図２にベースプレート，図３にアンカーボルト，図４にブレース，表１に試験体の素材特性をそれぞれ示す。

各２サイクルずつ行う。

ベースプレートの隅角部には M16 の転造ねじアンカー3.3ボルトを１本ずつ計４本配置する。ブレースには，図５に計測位置示すミーゼスの降伏条件による柱脚耐力関係よりブレース

計測は，柱頭部水平油圧ジャッキに設置したロードセルからの軸力に対して柱脚を弾性範囲内に留まる M24 と弾により水平荷重 P を，変位計により架構の層間変位 δ を，性領域を超過する M30 のターンバックル付転造ネジ丸鋼ブレースに添付したひずみゲージよりブレース軸力 BRT をブレースをそれぞれ使用し，設置角度は 31.0 度とする。

計測する。

尚，楔が貫入して弾性剛性が変化することを防ぐためブレース降伏軸力の 50％を初期軸力として導入する。また，

4 ．数値解析と力学モデル
4.1

ブレースと同様にアンカーボルトの降伏軸力の 30％を導入している。

解析概要

本章では，3 章に示す載荷装置に水平変位拘束材を用いたブレース架構のモデル化を行う。

3.2

載荷装置

先ず，載荷実験に用いた部材の剛性，耐力を誘導し解析

図６に載荷装置を示す。

モデルを作成し，水平変位拘束材を用いない場合にブレー

柱 は H-250x250x 9 x14 を 弱 軸 方 向 に 配 置 し， 梁 はスからの軸力に対して柱脚が弾性範囲に留まるブレース

H-250x125x 6x 9を用いて，柱梁接合部はガセットプレー

M24 を使用した場合の実験結果および柱脚に弾性回転ばトに梁ウェブのみを高力ボルト２本により摩擦接合としたねを導入したモデルとの比較により解析モデルの妥当性を― 71 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・嶋本

200

200

100

100P(kN)

300

P(kN)

300

0-100仁0-100-200-200NS-Nᰕ⬮ᅇ㌿ࣂࢿࣔࢹࣝ

-300-20-10010NS-Nᰕ⬮ᅇ㌿ࣂࢿࣔࢹࣝ

-300-20200δ(mm)δ(mm)（a）M24-NS-N（b）M30-NS-N
300

200200100100P(kN)

300P(kN)-100-100

200-100-200-200NS-Rᰕ⬮ᅇ㌿ࣂࢿࣔࢹࣝ

-300-20-10010NS-Rᰕ⬮ᅇ㌿ࣂࢿࣔࢹࣝ

-300-2020-100

δ(mm)

δ(mm)

（c）M24-NS-R（d）M30-NS-R
300

200200100100P(kN)

300P(kN)

10010200-100-100-200-200

NS-RS-R-300-20-10010-300-2020δ(mm)01020（f）M30
図９

試験体-10δ(mm)（e）M24表２NS-R
S-R

P-δ 関係4.2

エネルギー吸収量解析モデル

図７に解析モデルを，図８に柱脚弾性回転ばねモデルを，エネルギー吸収量kNmそれぞれ示す。

M24-S-R

11.1

M24-NS-R

12.1

解析モデルは，載荷実験に用いた試験体を再現し，アン

M30-S-R

16.4

M30-NS-R

18.1

カーボルトにせん断力を作用させないため柱脚部に水平変位拘束材と見なした柱脚水平変位を拘束した鉛直ローラー支持を設置したものである。柱梁接合部はピン接合とし，載荷実験においての接合部の摩擦抵抗の影響は考慮しない検討する。
次に，水平変位拘束材を用いない場合にブレースからのものとし，柱脚には，引張に抵抗するアンカーボルト軸ば軸力に対して柱脚が弾性範囲を超過するブレース M30 をねを，接触反力に抵抗する圧縮ばねをそれぞれ導入している。

使用した場合の実験結果と水平変位拘束材を用いた場合の尚，初期剛性の低下を防ぐため，載荷実験と同様にブレースには降伏軸力の 50％を初期軸力として導入する。

解析結果を比較し，水平変位拘束材を用いることによる優位性の検証を行う。また，柱脚を NS 柱脚とした場合と S

解析の制御値は層間変形角 1/1000，1/500，1/250，1/200

柱脚とした場合において架構に及ぼす影響も解析により検を各１サイクルずつ行い，最終サイクル 1/100 は２サイク証する。

ル行う。解析プログラムには Clap.f を用いる。
― 72 ―

水平変位拘束材を柱脚部に用いたノンコンプレションブレース架構に関する研究
300
200300BRT Y=106kN
BRT Y

100BRT(kN)

BRT(kN)

1000-100

0-100-200-200NS-RNS-Nᰕ⬮ᅇ㌿䜀䛽䝰䝕䝹-300-20-10010NS-RNS-Nᰕ⬮ᅇ㌿䜀䛽䝰䝕䝹-300-2020-10δ(mm)T-δ 関係
120

ABT L

10060

40

20200-0.01-0.005

00.0050-0.01

0.01-0.005

0BPθ(rad)BPθ(rad)（a）M24-S-R（b）M24-NS-R

120120

ABT Y =85.3kN
ABT L

ABT R

100

ABT L

ABT R

0.005

0.01

ABT Y =84.3kN

80
ABT(kN)80
ABT(kN)

60

40

60

60

40

40

20

20

0-0.01ABT Y =84.3kN
ABT L

ABT R

80
ABT(kN)

ABT(kN)80

10020BRABT Y =85.3kN
ABT R

10（b）M30
図 101200

δ(mm)（a）M24100

BRT Y=177kN

BRT Y

200-0.005

00.0050-0.010.01-0.005

00.005

0.01BPθ(rad)BPθ(rad)（c）M30-S-R（d）M30-NS-R
図 11ABT-BPθ 関係

尚，実験結果と解析結果の整合性を検討するために図８も，NC ブレース架構として成立していることがわかる。に示すような柱脚に弾性回転バネを導入したモデルとも比

よって，ブレースからの軸力に対して柱脚が十分に耐力を較を行う。

有する場合は図８の解析モデルで簡便に評価できることがわかる。

5 ．実験結果と解析結果の考察

しかし，図９（b）に示すように M30 の場合は，弾塑性

図９に荷重 P- 層間変位 δ 関係を，図 10 にブレース軸領域の実験載荷剛性（第２象限と第４象限の弾性剛性）が力 BRT- 層間変位 δ 関係を，図 11 にアンカーボルト軸力低目となり，復元力特性モデルと対応していない。柱脚にABT- 左側柱のベースプレート回転角 BPθ を，表２にエネル

ブレースの鉛直成分と水平成分による組合せ応力が作用すギー吸収量を，それぞれ示す。各図の記号は N を無補強型，ることで，柱脚に変形集中が生じ，図 10（b）に示すよう

R は水平変位拘束型を NS は NS 柱脚を，S は S 柱脚を，にブレース抵抗効率に影響しているためである。更に，最それぞれ意味している。

終サイクルではアンカーボルトが破断している。これに対

図９（a），（c）より，M24 の場合は実験結果，解析結して，図９（d）では，解析結果と復元力特性モデルとは果と復元力特性モデルがほぼ対応しており，柱脚の耐力が対応している。これは，M30 を用いた場合でも，水平変十分に確保できている場合は水平変位拘束材を用いなくて位拘束材により柱脚が弾性抵抗できる範囲に留まったため― 73 ―

高松隆夫・山西央朗・玉井宏章・嶋本仁である。水平変位拘束材を用いると，柱脚補強が可能であセンター」（代表者り NC ブレースを有効に機能させることができる。の一環として実施されました。

高松隆夫教授）のプロジェクト研究

また，試験体作製にあたりフルサト工業株式会社には，次に水平変位拘束材を用いた場合においても，S 柱脚は
図 11（a）（c）に示すようにスリップ現象を生じ，アンカー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ボルトが有効に抵抗できていない。対して，NS 柱脚は図かいを提供して頂きました。ここに記して謝意を表します。

11（b）（d）に示すようにスリップ現象を生じず，アンカー

参考文献

ボルトは有効に抵抗できていることがわかる。これ等の影響により，ベースプレートとナットの間に生じたクリアラ

１）文部科学省大臣官房文教施設企画部：屋内運動場等のンスがなくなるまでは架構の変形に伴う曲げのみならず，耐震性能規準（平成 18 年版），2006.2

ブレースからの応力に対しても抵抗できず，図９（e）（f）

２）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレッション

や表２に示すように S 柱脚は NS 柱脚に対してエネルギーブレースの耐震性能向上について，日本建築学会構造吸収量が低めとなっている。従って，ブレースの容量が大系論文集，第 595 号 pp.131-138，2005.9．

きくなると S 柱脚では，繰返し載荷下では支持できない

３）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，竹本泰聖，松尾彰：ことが分かった。その判断の指標は BRTY・sinα/n・ABTY でブレース付き露出柱脚のせん断補強に関する基礎的研表現でき，次期研究で詳細に行う。

究，広島工業大学紀要，第 45 巻，pp115-120，2011.2．
４）高松隆夫，山西央朗，景山朋定：ブレース付き露出柱

6 ．まとめ

脚の補強工法に関する実験的研究，広島工業大学紀要，
第 46 巻，pp115-120，2012.2．

NC ブレース架構において，水平変位拘束材による補強

５）高松隆夫，山西央朗，玉井宏章，嶋本仁：水平変位拘工法を提案し，柱脚性能を変数とした数値解析を行い，以下の知見を得た。

束材を用いたブレース付き露出柱脚の補強工法に関す

1．柱脚がブレースに対して十分な耐力を有している場合

る 研 究， 広 島 工 業 大 学 紀 要， 第 47 巻，pp105-111，
2013.2．

は，NS 柱脚を用いることで NC ブレースを有効に機

６）高松隆夫，山西央朗，玉井宏章，中村友一：アンカー能させることができる。
2．水平変位拘束材を用いれば柱脚補強が可能であり，かボルト降伏先行型露出柱脚付きブレース架構の復元力

つ NC ブレース架構を理想的に機能させることができ

特性，広島工業大学紀要，第 47 巻，pp95-103，2013.2．

る。また，その復元力特性は弾性回転バネを柱脚に導７）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松村高良，松尾彰：引張領域を含む変動軸力を受けるノンスリップ型露出入したモデルで評価できる。

謝

柱脚の抵抗特性，日本建築学会構造系論文集，第 74

辞巻第 642 号 pp.1495-1502，2009.8．

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究― 74 ―