広島工業大学紀要研究編
第 43 巻（2009）pp.205-212

論文

ノンスリップ型露出柱脚付門型ラーメン架構の振動台実験高松隆夫＊，玉井宏章＊，山西央朗＊＊，澤田樹一郎＊＊＊，松尾彰＊＊＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Shaking Table Tests of Portal Framed with Non-Slip-Type Exposed Column-BaseTakao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Teruaki YAMANISHI,
Kiichiro SAWADA and Akira MATSUO（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
Anchor-bolt-yield-type exposed column bases are generally employed in steelbuildings. Vibration characteristics of the building deteriorate because cyclic curves
show slip behavior due to anchor-bolts yielding and rigidity of the column basedecreases. Non-slip-type column bases were proposed by authors to improve slip
behavior. In this paper, shaking table tests were carried out on steel portal frameswith either column base to clarify vibration characteristics of the frames. The
following conclusions were drawn from the experimental results: 1) The natural
frequency of the frame with slip-type column bases decreased due to anchor-boltyielding. 2) The vibration characteristics of the frame with non-slip-type columnbases showed constant.

Keywords: shaking table tests, anchor-bolt-yield-type exposed column-base, natural
frequency

抵抗特性が構造物の残留変形に影響を与えることを明らか

1. はじめににしている。著者等も，仮動的実験により柱脚の性状が応アンカーボルト降伏先行型露出柱脚では，アンカーボル答性状に与える影響を検討し，柱脚の固定度が地震入力エトの塑性伸びに起因したスリップ現象の発生により，第 1

ネルギー量に影響を与えることを明らかにしている 5）。す層部の層耐力低下や，曲げモーメント反曲点位置の下降になわち，柱脚の性能が構造物に大きな影響を与えることが1）

よる第一層上梁への損傷集中が懸念されている 。また，柱脚の性能が上部構造物に与える影響について検討した研2）〜 5）

一方，著者等は，図 1 に示すように，スリップ現象を改は，柱脚の抵抗特性を善できる柱脚（以後，ノンスリップ型露出柱脚と記す）に考慮して上部構造物を設計すべきであることを，山田・秋ついての研究を行っており，その抵抗性状を静的実験によ究も行われているは，柱脚の固定度が構造物の終局状態を決定する重り明らかにしている 6-14）。しかしながら，動的載荷下の検要な要因であることを，更に，河野・松井 4） は，柱脚の証をほとんど行っておらず，ノンスリップ型露出柱脚の抵山3）。加藤等

2）

明らかにされている。

***
***

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
広島大学大学院社会環境システム専攻―205―高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一郎，松尾彰

表 1 試験体の素材特性と主要寸法

表 2 バネ特性

E：ヤング係数v y ：降伏応力度（a）楔デバイスの作動概念

z g ：軸部径ab,：有効長さ（b）原点立上り型復元力特性

図 1 間柱型せん断パネルダンパー

楔受け（a）ベースプレート（b）アンカーボルト

楔（c）楔および楔受け

図 2 試験体形状

抗特性が振動性状に与える影響についての検討を行ってい伸びにより，ナットとベースプレートとの間に間隙が発生ない。

するが，この間隙にバネの力により楔を貫入させることでそこで，本論文では，スリップ現象を改善することで構間隙は消滅する（D ⇒ A）。このため，再度地震外力が作造物の動的性能にどのような影響を与えるかを明らかにす用した際も，柱脚は緩むことなく直ぐに地震外力に抵抗することを目的とし，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付る（A ⇒ B ⇒ E）。

ラーメン架構を用いて，柱脚としてはスリップ現象が生じこのような楔デバイスの機能により，弾塑性繰返し載荷る従来の露出柱脚（以後，従来型露出柱脚と記す），ある下におけるスリップ現象が解消され，図 1（b）に示すよういは，ノンスリップ型露出柱脚を採用した時の振動台実験に，原点立上り型の復元力特性となる。

を行う。

3. 実験方法

2. ノンスリップ型露出柱脚の作動概念

本実験では，露出柱脚付門型ラーメンを用いて振動台実

ノンスリップ型柱脚は，図 1（ a）に示すように，楔，楔験を行う。試験体変数は，柱脚の種類（楔デバイスの有無）

受けおよび楔台をナットとベースプレートとの間に設置とする。

し，バネを楔と反力板との間に設置するのみである。尚，
図 1（a）中の下部に示したアルファベットは，図 1（b）の復3.1 試験体

元力特性における履歴ルートの記号に対応している。

図 2 に試験体形状を，図 3 に試験体のセットアップを，ノンスリップ型露出柱脚に地震外力が作用すると，従来

表 1 に試験体の素材特性を，表 2 にバネのバネ特性を，そ型露出柱脚と同様にアンカーボルトは伸ばされ，降伏してれぞれ，示す。尚，本実験では，アンカーボルト降伏先行

塑性伸びを生じる（A ⇒ B ⇒ C）。アンカーボルトの塑性型露出柱脚を有する門型ラーメンを取扱うために，柱，梁，―206―ノンスリップ型露出柱脚付門型ラーメン架構の振動台実験

図 3 試験体セットアップ

85x1,000x15 により接合した立体架構とし，更に，この桁の上に錘（PL-200x1,000x25 を 26 枚：約 10kN）を積載する。試験体柱頭部の質量 m は，およそ 1,152kg である。
楔デバイスは，楔，楔受け，バネ，およびバネの反力板から構成されている。楔および楔受けは，アンカーボルトから伝達される圧縮力の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抗し，滑らないようにする必要がある。このため，楔と楔受けの接触面には，発錆処理（塩分濃度 5%程度の食塩水により，1 週間ほど湿潤状態を保つ）を施して，静止摩擦係数 n を増大させている。本実験
図 4 計測位置で用いた楔デバイスは，静止摩擦係数 n =0.78 であり，楔が滑らないように貫入角度を 30 度としている 11）。また，ベースプレートおよび基礎には，各載荷に対して弾性範囲

図 1（a）からもわかるように，楔デバイスに用いるバネにに留まる素材特性・断面性能を採用している。

は，楔を水平移動させる程度の復元力を有していれば良い

試験体には，従来のアンカーボルト降伏先行型露出柱脚（従来型露出柱脚を以後 S 型と記す），楔デバイスを設置ので，表 2 に示す程度の小さなバネ定数を持つバネを用いている。

したアンカーボルト降伏先行型露出柱脚（ノンスリップ型
3.2 計測方法

露出柱脚を以後 N 型と記す）の，合計 2 体を用意した。
柱には冷間成形角形鋼管材 Box-50x50x2.3(STKR400)，

図 4 に計測位置を示す。変位としては，図 3 に示す計測

梁には H-100x100x6x8(SS400)，そして，エンドプレート用柱に設置した変位計により試験体層間変位 Dを，ベースおよびベースプレートには PL-150x150x16(SS400)を使用

プレートに設置した変位計により楔貫入量 d w を，それぞする。柱脚としては，アンカーボルトをベースプレート隅れ，計測している。加速度としては，振動台中心位置の加角部に 1 本ずつ，計 4 本配置する固定形式を採用している。

速度 a b ，錘上面の中心位置の加速度 a c を計測し，応答倍アンカーボルトには M12 のスタッドボルトを用い，アン率(= a c /a b )を算出する。また，ひずみとしては，柱の 2カーボルトを降伏させるため，軸部に切削加工を施して塑断面にひずみゲージを貼付して柱軸方向ひずみ f c1 + f c8 ，性化部位を設けている。基礎部には，H-175x175x7.5x11

アンカーボルトの塑性化部位にひずみゲージを貼付してアを加工した鋼製基礎を用いており，基礎コンクリートの損ンカーボルト塑性化部位軸方向ひずみ f a を計測する。柱傷による実験結果の非線形化を回避している。

軸方向ひずみから求めた曲率と柱の曲げ剛性より，架構の柱の上下に，それぞれ，エンドプレートおよびベースプ層せん断力 Q を，アンカーボルト塑性化部位軸方向ひずレートを全周隅肉溶接接合する。エンドプレートと梁を高み f a と，アンカーボルトの軸方向剛性よりアンカーボル

力ボルトにより緊結，ベースプレートと基礎をアンカーボ

ト軸力T L ，T R を算出する。

ルトにより緊結し，1 層 1 スパンの門型ラーメン架構を構成する。この門型ラーメン架構を 2 組並列させて，桁 PL―207―

高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一郎，松尾彰

表 3 数値解析入力値

図 5 載荷装置

3.3 加振方法
図 5 に本実験で用いる振動台を示す。振動台に基礎を緊結し，基礎の上に門型ラーメン架構を設置する。加振としては，振動台を水平方向に加速度加振する。振動数と振動台直下に設置した加速度計より得られた加速度を制御値とする。
弾塑性加振試験の前後に，固有振動数を求めるための弾図 6 解析モデル

性 SWEEP 試験を行う。SWEEP 試験としては，1Hz から20Hz まで，1 秒に 1Hz ずつ振動数を上昇させて行くものである。弾塑性加振試験では，入力する振動数を SWEEP

そして，節点 2，3，4 は剛接合とし，節点 1，5 は半剛試験より得られた試験体の固有振動数とし，入力加速度を接合として回転バネを設置している。このとき，回転バネN 型では 200(gal)，S 型では 700(gal)としている。尚，Nの降伏曲げ耐力 M y と回転剛性 K は，アンカーボルト降伏型および S 型の入力加速度に相違があるのは，N 型では先行型露出柱脚の値を用いるため，文献 12）の評価方法を試験体を共振させて塑性化しているが，S 型においては弾用いて算出している。また，回転バネの復元力特性には，

塑性加振試験の前後で固有振動数が変動し（後述の 5.4 節

N 型の場合は原点立上り型を，S 型の場合はスリップ型をを参照），N 型と同じ加速度では直ぐに共振現象が治まり入力している。
解析には，先ず，固有値解析を行って固有振動数を求め塑性化が進行しないため，N 型よりも大きな加速度を入力している。

た後に，実験と同じ加速度と固有振動数を入力する。

4. 数値解析方法

5. 結果と考察

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

図 7 〜 10 に弾塑性正弦波加振試験の結果を，図 11 にム「Combined non-Linear Analysis for Plane frame

SWEEP 試験の結果を，それぞれ，示す。図 7 には振動台(CLAP.f)」を用いる。

上面および錘上面加速度 a b ， a c の応答時刻歴を，図 8 に

図 6 に解析に用いるモデルを，表 3 に解析に用いる入力データを，それぞれ，示す。

は層せん断力 Q -層間変位 D関係を，図 9 にはアンカーボ
ルト軸力 T L ， T R - 層間変位 D 関係を，図 10 には楔貫入解析モデルは，5 つの節点を 2 節点ビーム要素で構成し量 dw - 層 間 変 位 D 関 係 を ， 図 1 1 に は 加 速 度 応 答 倍たものである。各ビーム要素には，断面諸量として，断面率 a c /a b -振動数関係を，それぞれ，示す。また，図 7 に積，断面二次モーメント，塑性断面係数，せん断有効断面は数値解析より得られた値も併せて示す。そして，図 8 に積を入力し，軸剛性，曲げ剛性，全塑性耐力，せん断耐力

おいては，塑性化前後の抵抗特性を比較するため，図 7 にを算定する。①部材に柱の，②部材に梁の断面諸量を入力おける 0 〜 2.0（s）の曲線，塑性化前（stage 1）と塑性化後する。また，節点 2，4 には錘の質量を入力している。但（stage 2）の曲線を併せて示すが，曲線が重複するため Xし，断面諸量は 1 架構分の諸量を入力するので，質量は半方向に 1 グリッドずつ平行移動して示す。また，図 9 にお分を入力する（試験体は 2 架構を連結している）。

いては，試験終了時の塑性化部位のひずみ fa と，アンカ―208―ノンスリップ型露出柱脚付門型ラーメン架構の振動台実験（a）N 型（b）S 型
図 7 錘上部の加速度応答時刻歴（a）N 型（b）S 型
図 8 層せん断力Q -層間変位 D関係（a）N 型（b）S 型
図 9 アンカーボルト軸力T - 層間変位 D関係―209―高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一郎，松尾（a）N 型

彰（b）S 型
図 11

加速度応答倍率 a c /a b -振動数関係ためと考えられる。更に，0.8s 以降では，架構の剛性低下が進み，固有振動数が最終的に 6Hz になるため，地動の振動数 7Hz から遠ざかり，頂部の加速度振幅が徐々に小さくなったと考えられる。
一方，図 9（a）から，N 型は，アンカーボルトが塑性伸びを起こしてもスリップ現象を生じないため，架構の剛性は変化しないことが，図 8（ a）より分かる。このため，stage 2 の時点でアンカーボルトに塑性化が生じているも
図 10

楔デバイス貫入量 d w -層間変位 D関係のの，stage 1 と stage 2 の復元力特性に殆ど差異がない。
また，S 型と比較して応答が小さ目となり，更に，弾塑性ーボルトのスリップ現象の有無を比較するために最終サイ正弦波加振試験前後の固有振動数も一致しており，常に安クルを太い点線にて示している。

定した加速度応答を示していることが分かる。尚，最大層層せん断力 Q は試験体柱に貼付したひずみゲージ値よせん断力が，S 型とくらべ N 型が低目なのは，N 型の入り，アンカーボルト軸力T L ， T R はアンカーボルト塑性化

力加速度が小さく，層間変位量が小さいためである。

部位のひずみゲージ値より算出している。

また，数値解析の結果においても，図 7（ b）より，S 型
では stage 1 よりも stage 2 における加速度が減少してお5.1 振動性状り，柱脚の塑性化により固有振動数が低下して，加速度が

図 7（b）から，弾塑性正弦波加振試験において，S 型は，低下したことが分かる。図 7（a）
より，N 型では stage 1 お振動台の最大加速度振幅は，約 720(gal)となり，頂部の最よび stage 2 における加速度はほぼ等しく，柱脚が塑性化

大加速度振幅は，約 2,250(gal)となった。頂部の加速度振しても加速度が低下していないことが分かる。

幅が，0s 〜 0.8(sec)までは時間の経過に伴って徐々に大きくなり，0.8(sec)で最大加速度振幅を示し，その後，加速5.2 復元力特性度振幅は低下していく。これは，振動台の加速度振幅が

図 9（ b）から，S 型は弾塑性正弦波加振試験において，徐々に大きくなっている点も要因の一つとして挙げられる

アンカーボルトが塑性伸びを起こしてスリップ現象を生じが，アンカーボルトのスリップ現象により，入力振動数とており，図 8（b）より，架構の復元力特性もスリップ現象固有周期が一致し，更に，固有周期が低下して共振現象がを示していることが分かる。スリップ現象が生じることに生じなくなったためと考えられる。図 9（b）から，アンカより，初期剛性と比較して，stage 2 での剛性が大きく低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下していることが分かる。一方，図 （9 a）
から，N 型はアンで，図 11（b）からも分かるように，架構の固有振動数は弾カーボルトが塑性伸びを起こしてもスリップ現象を生じて塑性正弦波加振試験の前後で低下しており，固有振動数がおらず，図 8（a）より，架構の復元力特性にスリップ現象

8Hz であった試験前の架構が，0.8s の時点で，7Hz まで低などの劣化が見られない。このため，stage 2 においても，下し，地動の振動数 7Hz と一致し，共振現象を起こした初期剛性とほぼ同等の剛性が得られていることが分かる。
―210―

ノンスリップ型露出柱脚付門型ラーメン架構の振動台実験

また，図 9 の試験終了時の塑性化部位ひずみの値より，3. 数値解析により，従来型露出柱脚を有する場合は，架いずれのアンカーボルトも塑性化しており，更に，S 型で構の剛性の変化により応答が変化すること，ノンスリ

約 2,600(n) 程度，N 型で約 5,000(n) 程度塑性化しており，ップ型露出柱脚を有する場合，架構の剛性が変化する

N 型の方が塑性変形量が大きいことが分かる。

ことなく，安定した応答を示し，実験結果と同様の結尚，N 型の初期剛性，アンカーボルトの剛性が，S 型と果を得ることができた。

比較して，低目に出ているのは，楔デバイスを設置したこ

謝とによりアンカーボルトの有効長さが長くなったためであ

辞本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究る。

センター」（代表者
5.3 楔デバイス高松隆夫教授）のプロジェクト研究の一環として実施されました。

図 10 より，楔デバイスは動的載荷下でも，アンカーボ

本研究の経費の一部は，社団法人日本鉄鋼連盟「2007ルトのナットとベースプレートの間に貫入して，機能して年度鋼構造研究・教育助成事業（建築）」の助成金から支いることが分かる。

出しました。ここに記して，感謝の意を表します。

参考文献

5.4 固有振動数の変化
図 11 より，各試験体の固有振動数は，S 型は弾塑性正01）秋山宏：鉄骨露出柱脚の耐震設計，技報堂，1985.3

弦波加振試験の前後で約 8Hz から 6Hz に低下している

02）加藤勉，佐藤邦昭，鎌形修一，田上淳：鋼構造露出型

が，N 型は弾塑性正弦波加振試験の前後で変化すること

柱脚の復元力特性が上部架構に与える影響についてなく常に 7Hz である。

（その 1）（その 2），日本建築学会大会学術講演梗概集，S 型では，スリップ現象により門型ラーメン架構の剛性

pp.867-870，2001.11.

が低下しているために固有振動数が変化したと考えられ，

03）山田哲，秋山宏：柱脚の固定度が鋼構造多層骨組の終N 型ではスリップ現象が改善されることで，S 型のような局耐震性能に与える影響，日本建築学会構造系論文集，固有振動数の変化が現れなかったと考えられる。

第 496 号，pp.113-118，1997.6.
04）河野昭雄，松井千秋：柱脚の復元力特性の違いがはり以上より，N 型は，図 9 より試験終了時のアンカーボ

降伏型鉄骨ラーメンの地震応答性状に与える影響につルト塑性化部位ひずみが S 型より高く，更に，試験前後いて，日本建築学会構造系論文集，第 507 号，の復元力特性，振動数は殆ど変化なく，S 型に比べてエネ

pp.139-146，1998.5.

ルギー吸収効率が良く，常に安定した振動性状を示すこと

05）玉井宏章，高松隆夫，山西央朗，白木剛，多田元英：
統合化評価法を用いた実大ノンスリップ型露出柱脚のがわかる。

仮動的実験，鋼構造年次論文報告集，第 14 巻，6. まとめ

pp.269-276，2006.11.

本論文では，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚を有す06）高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：露出型柱脚の復元る門型ラーメン架構に関する振動性状を求めるため，振動力特性に関する実験的研究，鋼構造年次論文報告集，

台実験および数値解析を行った。得られた知見は以下のよ

第 9 巻，pp.415-422，2001.11.

うに要約できる。

07）高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：鉄骨露出型柱脚の1. 従来型露出柱脚を有する架構では，アンカーボルトが塑性伸びを起こすことによって，スリップ型復元力特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.

性を示した。このため，門型ラーメン架構の剛性が低08）高松隆夫，銅木弘和，中村慎太郎：改良型復元力特性

下して，固有振動数が変化し，安定した振動性状を得を有する鉄骨露出柱脚に関する研究，鋼構造年次論文ることが出来ない。

報告集，第 11 巻，pp.563-570，2003.11.

2. ノンスリップ型露出柱脚を有する架構では，アンカー09）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，石原節夫，松尾彰：

ボルトが塑性伸びを起こすが，動的載荷下でも楔デバ

既存屋内運動場露出柱脚の復元力特性について，鋼構イスが機能し，スリップ型復元力特性を示さない。こ造年次論文報告集，第 12 巻，pp.281-288，2004.11.のため，架構自体の剛性が変化せず，固有振動数が一10）Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI: Non-slip-定となり，安定した振動性状を得ることが出来る。

type restoring force characteristics of exposed-type―211―

高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一郎，松尾彰

column base, Journal of Constructional Steel Reserch,(2006a), Self-centering performance of non-slip-type

Vol.61, pp.942-961, 2005.

exposed column-base, Proceeding of fifth international
conference on “Behaviour of Steel Structures in Seismic

11）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗：ノンスリップ型鉄骨

Areas (STESSA2006)”, Yokohama, Japan, 357-362.

露出柱脚の復元力特性モデル，構造工学論文集，14）山西央朗，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰：アンカーボ

Vol.51B，pp.293-302，2005.3.
12）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，松尾彰：ノンスリッ

ルトを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力

プ型露出柱脚のセルフセンタリング性能に関する研究，

特性―無軸力下の場合のセルフセンタリング性能―，

鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.173-180，2005.11.

日本建築学会構造系論文集，第 621 号，pp.155-162，2007.11.

13）T. Takamatsu, H. Tamai, T. Yamanishi & A. Matsuo―212―