広島工業大学紀要研究編
第 41 巻（2007）pp. 177-185

論

文

分散型載荷実験システムによる統合化耐震性能評価法に関する研究（その３）露出柱脚を有する５層建物の評価
玉井 宏章＊ ・高松 隆夫＊ ・山西 央朗＊＊
白木剛＊＊＊・五十嵐秀一＊＊＊＊（平成18年10月30日受理）

Distributed Loading System for Collaborative Seismic Performance Evaluation on Overall Buildings（Part 3）
− Seismic Performance Evaluation on 5-Story Steel Buildings with Exposed Column-Bases −Hiroyuki TAMAI,Takao TAKAMATSU,Teruaki YAMANISHI,
Tsuyoshi SHIRAKI and Hideichi IGARASHI(Received Oct. 30, 2006)

Abstract
In this study, a substructure online system for investigating the seismic responses ofbuildings is developed along with the loading system. In addition, we develop an interface
between analysis and experiment that can easily connect with each other. This substructure
online loading system (so-called distributed loading system) and the interface of CSA(collaborative structural analysis) forms a collaborative seismic performance evaluation
system. This system enables collaboration among researchers by linking their programsand experimental systems through the Internet. Also we developed a new effective columnbase (non-slip-type column-base) to improve seismic performance of a building frame. Hence,collaborative seismic performance evaluations using distributed loading system were carriedout on 5-story-2-bay steel buildings with a non-slip-type exposed column-base, and theeffectiveness and availability of a distributed loading system were investigated.The results
obtained from those tests were drawn as follows:
1) A pseudo-dynamic test method using the presented distributed loading system cansimulate the elasto-plastic response of a 5-story steel building under a strong earthquake.
2) The maximum base plate rotation response in a non-slip-type column-base was less than
10% of that in a conventional column-base under a severe earthquake.
3) A non-slip-type column base has high self-rehabilitation and its structural characteristics
may not change after a severe earthquake.
Key Words: pseudo dynamic test, internet, distributed loading system, non-slip-type exposedcolumn-base＊＊

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研究科知的機能科学専攻

＊＊＊
＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学研究科建設工学専攻
理研精機株式会社

技術部― 177 ―

玉井宏章・高松隆夫・山西央朗・白木剛・五十嵐秀一

Fig. 2 ノンスリップ型露出柱脚の機能

１．は じ め に
建築物に耐震安全性を付与させるため，多くの研究者が研究を行っている。その際，建物の部分に着目して，部分構造の解析・実験が行われている。建築物の地震時における弾塑性挙動を明らかにするためには，各部分構造間の連成効果・相互作用を考慮すべきであるが，建物全体を対象とした解析・実験は，現状では容易に行えない。
著者等は，各研究者が保有する，部分的に精確な解析を行えるプログラムや，部分構造実験システムを，インターネットをインターフェイスとして，現在の一般的な施設・技術を用いて構造物を精確に評価する手法「統合化評価法」を提案している。
Fig. 1

ところで，現在，構造物の耐震性能に大きな影響を与え柱脚載荷システム

る柱脚部分に，アンカーボルト降伏先行型の柱脚が多く採用されている。このタイプの柱脚はスリップ現象が発生す

Fig. 1 に柱脚載荷システムを示す。外法寸法で 9,000mmxることによって，エネルギー吸収効率が低下し，ひいては6,000mm の口型反力フレーム（BH-1,000x450x26x40，BH-応答が増大することが危惧されている。柱脚の履歴性状を

800x450x26x40，SM490）にストローク 500mm，載荷能力十分な精度で考慮した地震応答解析や仮動的実験を行った± 3,000kN の複動式油圧ジャッキが３台設置されている。

研究は数少なく，未解明な部分を多く含んでいる。

露出柱脚付柱が鋼製基礎に緊結された実大試験体をゲビ

一方，これまで著者等は，スリップ現象を解消できる「ノ８）

ンデで反力フレームに固定している。鉛直力を作用させる

ンスリップ型柱脚」を開発・提案している 。ノンスリッ

ジャッキが，柱軸線上に，ピンを介して，接続され，水平プ型柱脚は，部分架構試験体による載荷実験および解析に力を作用させる左右２本のジャッキが柱直交方向に圧縮力より検証が行われているものの，地震応答実験などによるのみ作用するように設置されている。この載荷システムの不規則な繰り返し載荷下の性能検証は行えていない。

３本のジャッキを載荷制御とジャッキストローク制御とを

これらの背景から，本論文では，分散型実験システムの概切替えながら，互いに連動させて試験を行う。

要を示し，回転角を接続自由度とする，分散型仮動的実験とジャッキ先端のロードセル（容量 3,000kN）とストローして，アンカーボルト降伏先行型柱脚およびノンスリップ型ク計測用のデジタル変位計とが各油圧ユニットコントロー

柱脚を有する５層２スパン鉄骨構造物について，統合化評価法ラーに接続されている。

を用いて分散型実験・解析（オンライン実地震応答シミュレー

独立した３台の油圧ユニットコントローラーは，RS485ション）を行って，通常柱脚のものとノンスリップ型柱脚の応通信回線で，制御用コンピュータと接続されている。制御答性状から，ノンスリップ型柱脚の耐震有効性を検討する。

用コンピュータは，イーサネット回線でインターネットに接続されている。本分散型実験システムは，ソケット通信

２. 分散型実験システムの概要

プログラムを介して全世界の研究者，研究機関と，統合化分散型実験の実験システムとして構築した，実大柱脚載実験を実施することができる。

荷装置の概要を以下に示す。
― 178 ―

分散型載荷実験システムによる統合化耐震性能評価法に関する研究（その３）露出柱脚を有する５層建物の評価

3.2３. 対象建物の構造特性
3.1

対象建物

対象建物の梁伏図を Fig. 3（a）に，軸組図を Fig. 3（b）に，それぞれ，示す。柱梁の部材断面を Table 1 に示す。

ノンスリップ型露出柱脚の概要

ノンスリップ型露出柱脚の機能・概念を Fig. 2 に示す。

対象とする構造物は，角形鋼管柱，中幅 H 形鋼梁と露アンカーボルトに塑性伸びが生じると，ナットとベースプ出柱脚を有する５層２スパンの純フレーム鉄骨造架構（１レートとの間に間隙が発生し，ナットとベースプレートが構面）である。鋼種は，梁は SN400（接触するまで，アンカーボルト張力に基因する曲げ抵抗はBCR295（生じない。このことが，復元力特性におけるスリップ現象ラブ（150mm 厚）による合成効果をヤング係数のみ 1.4 倍の原因である。ノンスリップ型露出柱脚では，ベースプレーして考慮する。露出柱脚及びノンスリップ型柱脚の諸元をトとナットとの間に楔デバイスを設置するのみでこのス

Fig. 3（c），（d）に，それぞれ，示す。アンカーボルトにはリップ現象を防止できる。この楔デバイスは，楔，楔受けM42（ 38.9），ABR400（およびベースプレートが一体となってナットを押し上げ，間距離を 1,260mm とし，ベースプレート四隅に設置した。

楔が常に間隙を埋めることにより，アンカーボルトに引張骨組モデルを Fig. 4 に示す。骨組の軸心位置として，鉄力が作用して曲げに抵抗する。結果として，復元力特性に骨梁部材芯を採用していることに留意されたい。Table 2

スリップ現象は生じないことになる。に仮定設計荷重を示す。第２種地盤，地震地域係数 1.0 の

yy=235N/mm２），柱は=295N/mm２）とする。梁はコンクリートスy=235N/mm２）を用い，ナット地点に建設すると仮定すると，各節点に作用させる架構
Table 1 各層の柱梁断面検討用鉛直荷重と，１次設計用地震荷重（Ai 分布）は，Table 3 のように得られる。
また，対象建物の性能としては，Table 4（a）に１次設計

Table 2 荷重設計（a）梁伏図Table 3架構検討用鉛直荷重と１次設計用地震荷重（b）軸組図
Fig. 3― 179 ―対象建物

玉井宏章・高松隆夫・山西央朗・白木剛・五十嵐秀一
Table 4 静的加力解析結果（a）層間変形角制限（短期）（b）保有水平耐力（c ）通常柱脚（d）軸組図
Fig. 3 対象建物

用地震荷重と鉛直荷重を作用させた時（短期荷重時）の層間変形角を示す。いずれの階も，制限時の 0.005rad（１/200）を満足している。Table 4（b）には，建物頂部の変形角が１/30rad の時の層せん断力を建物重量で割った値を示す。本建物の保有水平耐力は 0.427 であり，塑性ヒンジの発生状況から，梁降伏型の崩壊機構を有することがわかっている。
尚，露出柱脚は半剛接とし，回転ばねを組み込んで，応Fig. 4力解析を行うのが一般的であるが，この通常の方法では長骨組モデル

期軸力による回転剛性の上昇特性が表現しえないため，著者の一人が開発した，文献７）の方法を用いて解析を行う。

Table 5

試験体の素材特性

また，部材の塑性化は塑性ヒンジ法で評価した。

４．５層建物の仮動的分散型実験の概要
4.1

分散型実験の概要

実験に用いた構造モデルは，Fig. 4 に示すように，中柱又は側柱柱脚に関しては実験により，それ以外の柱脚，柱，梁，スラブと動的外力に関しては，解析により評価することとした。

試験体は，□−550x22（BCR295）の角形鋼管柱に PL900x900x60（SM490）のベースプレートを溶接し，図中柱（FEM 解析）と柱脚（実験）との接続自由度形式は，ベースプレートの黒丸の位置で転造ネジアンカーボルト

解析から軸力，N と回転角， を与えて，抵抗する曲げモー（M42，ABR400）４本を用いて，鋼製基礎と緊結した露出メント，M を得る方式を採用した。

柱脚付片持柱である。尚，ナット間の距離は 1,260mm で用いた試験体を Fig. 5 に示す。

ある。これら試験体の素材特性を Table 5 に示す。
― 180 ―

分散型載荷実験システムによる統合化耐震性能評価法に関する研究（その３）露出柱脚を有する５層建物の評価（b）ベースプレート（a）柱（c）アンカーボルト

Fig. 6

実験試験体の測定箇所

Fig. 5 試験体の形状・寸法

Table 6 様々な柱脚を持つ建物の地震応答解析結果

入力地震動は，地動最大速度を 50kine に基準化した El
centro NS 波を用い，継続時間は主要動を含む 10s とした。

モーメント，M とベースプレート回転角， は，次式により評価できる。

系の１次・２次固有周期は，0.817s，0.269s であり，積分……………………………………（1）

時間刻みは 0.005s とした。減衰は，１次の減衰定数を 0.02とする初期剛性比例型内部粘性減衰を採用した。柱脚のI………………………………… （2.a）

7仮定回転剛性，K を計算回転剛性，KBS（=8.17x10 kN・mm）の 150 倍，ベースプレート回転角の位置決め条件，を３x1.43x10−５rad とし，直接積分法として…………………………… （2.b）

T-OS 法を用いることとした。
実験シリーズは，柱脚形式を，通常柱脚，ノンスリップ

ここに， : 水平荷重，: ベースプレート左右両端の型柱脚と変化させ，地震動を連続して２回加振する弾塑性

鉛直変位，DB : ベースプレート幅，L : 水平加力点からベー

地震応答実験とした。

スプレート位置までの距離，また，比較のために，解析のみを用いた，地震応答解析

EI : 柱の曲げ剛性である。

を行った。その際，柱の境界条件をピン支持，固定とした場合も解析を行った。

: 水平加力点の水平変位，柱に塑性化が生じない場合，（2.a），（2.b）は同一の値が得られるので，本研究では式（2.a）を採用した。
接触状況や柱脚の耐力を推定するには，基礎からの圧縮4.2

実験試験体の評価方法合力の位置が判ればよい。

Fig. 6 に，実験試験体の測定箇所を示す。柱脚部の曲げ― 181 ―そこで，次式により，圧縮合力点位置を算定した。

玉井宏章・高松隆夫・山西央朗・白木剛・五十嵐秀一

Fig. ７には，中柱を実験対象とした場合の，建物の重量…………………………（3）で無次元化した第１層の層せん断力，Bi と第１層の層間変形角，ri の関係を，Fig. 8，及び Fig. 9 には，中柱及びこ こ に，dc : 柱 図 心 か ら 圧 縮 合 力 点 位 置 ま で の 距 離，側柱を実験対象とした場合について，柱脚の曲げモーメン: 引張側アンカーボルトのアンカーボルト軸力の総ト，M とベースプレート回転角， との関係を，Fig. 10 には，和，dt : 柱図心からアンカーボルト位置までの距離，N : 柱側柱における，柱脚軸力，N と柱脚の曲げモーメント，M軸力である。の関係を，それぞれ，示す。
Table 6 には，柱脚及び柱下端支持条件を，通常柱脚，５. 実験結果とその考察

ノンスリップ型柱脚，ピン支持及び固定とした場合におけ

連続して２回地震応答実験を行った実験結果を Fig. ７

る，建物の基本固有周期，T1 ，地震入力エネルギー及び損〜 10 に示す。圧縮合力点位置，dc - ベースプレート回転角，傷に寄与するエネルギーの速度換算値，VI ，VH ，各層の最関係を Fig. 11 に示す。また，解析のみの結果を Table 6

大応答層間変形角，ri 及び建物重量で無次元化した最大応に示す。Fig. ７〜 10 の図中（a）は通常柱脚 ，（b）はノンス

答層せん断力，Bi を示す。

リップ柱脚の結果である。いずれの図も第１回目の加振をこれらの図・表から以下のことがわかる。

実線で，第２回目の加振を破線で示している。

（a）通常柱脚（b）ノンスリップ型柱脚Fig. 7

ベースシヤー係数 - 層間変形角関係（a）通常柱脚（b）ノンスリップ型柱脚Fig. 8 柱脚の曲げモーメント−ベースプレート回転角関係（中柱を実験対象とした場合）― 182 ―

分散型載荷実験システムによる統合化耐震性能評価法に関する研究（その３）露出柱脚を有する５層建物の評価（a）通常柱脚（b）ノンスリップ型柱脚Fig. 9 柱脚の曲げモーメント - ベースプレート回転角関係（側柱を実験対象とした場合）（b）ノンスリップ型柱脚（a）通常柱脚Fig. 10 柱軸力−柱脚曲げモーメント関係（側柱を実験対象とした場合）

ント関係から，軸力の変動によって柱脚の抵抗しうる曲げ○柱脚復元力の層間変位応答に及ぼす影響
Fig. ７のベースシヤー係数−層間変形角関係から，いずモーメント耐力は，正負で約 20％程度差が生じることがれの柱脚においても，ベースシヤー係数−層間変形角関係わかる。また，その履歴特性は非常に複雑となる。Fig. 10は S 字型の復元力特性となる。これに基因して，ノンスには，この軸力変動による曲げモーメント耐力変化を示す，リップ型柱脚の最大層間変形角は，通常柱脚のそれと比べ文献７）の柱脚の M-N 耐力相関関係式を示している。
柱脚の降伏耐力，My および，付加曲げ抵抗力，Mn は，て 25％程度小さくなることがわかる。
Fig. 8，9 の柱脚の曲げモーメント−ベースプレート回次式により評価できる。

転角関係から，初期軸力の効果で初期回転剛性は高くなり，………（４.a）

履歴ループはフラッグ型となること，通常柱脚では，顕著なスリップ現象が生じる一方，ノンスリップ型柱脚では大……………………………（４.b）

きなスリップ現象は生じず，最大ベースプレート回転角は，ここに，Ty：アンカーボルトの降伏軸力（通常柱脚のそれと比べて 10％程度小さくなることがわか），n：引張側アンカーボルトの本数である。

る。
○側柱の軸力変化が，曲げモーメント耐力に及ぼす影響
Fig. 10 から分かるように，側柱柱脚では，大きな軸力降伏耐力は，YeildI ライン近傍に留まり，通常柱脚は変動が生じる。また，Fig. 8，9 の柱脚の曲げモーメントR-slip I ラインに沿った軌跡が明瞭に表れていることがわ−ベースプレート回転角関係及び柱軸力 - 柱脚曲げモーメ

かる。

― 183 ―

玉井宏章・高松隆夫・山西央朗・白木剛・五十嵐秀一

知見は以下のように要約できる。
１）インターネットを介して，実験システムと有限要素法解析プログラムを接続する統合化評価法によれば，建物全体の耐震性能を評価できる。
２）地動最大速度が 50kine の激震に対して，通常柱脚の場合ではスリップ現象が生じ，スリップ現象が生じない
ノンスリップ型柱脚の場合と較べて 10％程度最大ベースプレート回転角が大きくなる。
３）ノンスリップ型柱脚は，２度の激震を受けた際も，その構造性能は劣化しないという高い自己修復性を有する。
Fig. 11

圧縮合力点位置−ベースプレート回転角関係

本研究で開発した分散実験システムで，統合化評価を行えば，新しい構造システムの開発に役立てることができる。
現状は，平面構造のみを対象としているが，今後，擬似立○柱脚の特性評価を高精度化する意義について
Table 6 から，柱脚の固定度を変化させると，基本固有体，立体構造への適用・拡張を行う予定である。

周期は，ピン支持 1.050s，通常柱脚 0.817s，固定 0.787s と謝大きく変化し，地震入力エネルギーが変化する。
従って，固有周期帯によっては，柱脚特性評価が建物全体の応答値に大きく影響する。

本研究は，平成 17 年度

辞実大三次元震動破壊実験施設（E- ディフェンス）を活用した構造物の耐震性に関する国柱脚の復元力特性は，複雑であるため，ノンスリップ型

内外共同モデル研究

鉄骨建物実験研究「統合化評価法の柱脚のように新しい構造形式の可能性を評価するには，本ための部分構造分散載荷システムの構築（研究代表者：玉方法は有効と考えられる。

井宏章）」，並びに広島工業大学「高性能構造システム開発○ノンスリップ型柱脚の性能評価研究センター」（代表者：高松隆夫教授）のプロジェクト

Fig. 8，9 から，２回目の加振では通常柱脚は大きくス研究の一環として実施しました。直接ソケット通信プログリップが生じており，これに基因して，層間変形角が大ラムは，京都大学 Peng Pan 博士が作成したプログラムをきくなる一方，ノンスリップ型柱脚では，ごく初期を除利用させていただきました。また，フルサト工業株式会社

き，１回目と２回目の加振時における履歴特性はほぼ一より転造ねじアンカーボルトを提供していただきました。

致することがわかる。このことから，ノンスリップ型柱脚ここに記して，感謝の意を表します。

は，激震を受けた後もその構造性能は全く劣化することが文なく，高い自己修復性能を有している。

献

また，２度の激震に対しても，破損等生じないことか

１）多田元英，桑原進：インターネットで異種プログラムら，十分な塑性変形能力を有している。従って，メインテを統合した構造解析システムの基本考察，日本建築学ナンスフリーな柱脚であることがわかる。

会構造系論文集，第 580 号，pp.113-120，2004. ６.

○圧縮合力点位置について

２）Hiroyuki Tamai and Motohide Tada: Internet-Fig. 11 に示す，圧縮合力点位置，dc - ベースプレート回Based Collaboration in Structural Elasto-Plastic

転角， の関係から，中柱と側柱の圧縮合力点位置の推移

Numerical Analysis（Part 3 Analysis of Exposed

より，圧縮合力点位置は柱フランジ近傍に推移している

Column-Base）,

こと，また，Fig. 10 からわかるように，正方向載荷では，側柱の柱脚軸力が低減し，圧縮合力点位置がベースプレー
pp.537-542，2004. ７.

ト端部方向へ推移していることがわかる。

６．まと

３）多田元英，玉井宏章，吉村真人：露出柱脚と剛性梁

め

部材の解析プログラムを統合した剛骨組の弾塑性解析
コラボレーション，鋼構造論文集，第 12 巻，第 47 号

異種構造解析プログラムや実験システムを統合化し，建pp.43-55，2005. ９.

築構造物の耐震性能を詳細に調べるための分散型載荷システムを構築し，ノンスリップ型柱脚を有する５層２スパン

４）中島正愛，赤澤隆士，坂口理：実験誤差制御機能を鉄骨建物について統合化耐震性能評価を行った。得られた有したサブストラクチャ仮動的実験のための数値積― 184 ―

分散型載荷実験システムによる統合化耐震性能評価法に関する研究（その３）露出柱脚を有する５層建物の評価

分法，日本建築学会構造系論文報告集，第 454 号，

７）玉井宏章：変動軸力の影響を考慮した露出柱脚付骨組の弾塑性解析法，日本建築学会構造系論文集，第 571

pp.61-71，1993.12．

号，pp.127-135，2003. ９.

５）Hilber, H. M., Hughes, T.J.R, Taylor, R.L.: Improved
numerical dissipation for time integration algorithms

８）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗：ノンスリップ型鉄骨
露出柱脚の復元力特性モデル，日本建築学会構造工学

in structural dynamics,

論文集，Vol. 51 B，pp293-302，2005. ３.

Vol. 4, pp.283-292, 1977.
-Operator Splitting time９）玉井宏章，高松隆夫，山西央明，多田元英，五十嵐秀integration technique for pseudo dynamic testing

一：統合化評価法のための分散型仮動的実験システム

Error propagation analysis,の構築，日本建築学会中国支部研究報告集，第 29 巻，６）Combescure, D., Pegon, P :pp237-240，2006. ３.

Vol. 16, pp427-443, 1997.

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