広島工業大学紀要研究編
第 43 巻（2009）pp.185-194

論文

アンカーボルト多数配列露出柱脚の 2 軸曲げ載荷実験
高松隆夫＊・玉井宏章＊・山西央朗＊＊・松村高良＊＊＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Exposed Column-Base with Multi-Rows of Anchor-Bolts under Bi-Axial Bending
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Teruaki YAMANISHI and Takayoshi MATSUMURA（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
An anchor-bolt-yield-type exposed column base subjected to biaxial bending
moment shows complicated restoring force characteristics due to increase of numberof anchor-bolts resisting the bending moment. A wedge device proposed by theauthors is applied to the exposed column base to simplify the restoring force
characteristics and to improve slip phenomena. The non-slip-type exposed columnbase with multi-rows of anchor-bolts shows self-centering performance. An
experimental study was carried out on both slip-type and non-slip-type exposedcolumn bases to verify advantages of the non-slip-type over the slip-type.

Key Words: Anchor-bolt-yield-type, Bi-axial bending moment, Multi-rows of anchor-bolt,
Restoring force characteristics

た，著者等も，単純なアンカーボルト配列の柱脚（固定柱1. はじめに脚と呼ばれる形式）を用いて，柱脚の 2 軸曲げ載荷実験をアンカーボルト降伏先行型露出柱脚は，スリップ型復元行っている 11），12）。2 軸曲げを受けることにより，単純な力特性を示し，また，アンカーボルトの配置により降伏耐アンカーボルト配列の柱脚においても，アンカーボルトの1-8）。一般

列数が複数になり，このことに起因して復元力特性が折線的な柱脚においてはアンカーボルトが多数配列されてお型になること，更に，アンカーボルト列が柱断面図心線上力，弾性回転剛性と共に復元力特性も変化する

り，この場合，降伏要素であるアンカーボルトが段階的に降伏するため，復元力特性が折線型となる

3-8）に位置する場合は，その列が不連続なスリップ現象を示し
1），2），12）。

，復元力特性が複雑になることを明らかにしていところで，これまでのアンカーボルト降伏先行型露出柱脚に関する研究では，1 軸曲げ載荷下の柱脚に関する研究る。
一方，著者等はアンカーボルト降伏先行型露出柱脚のスが主に行われているが，実際の柱脚においては 2 軸曲げをリップ現象を改善することを目的に受ける場合も想定される。2 軸曲げを受ける露出柱脚につし，これを設置した柱脚をいては，崔，大井等

9-10）

により，1 軸曲げを受ける場合とは異なる復元力特性を示すことが明らかにされている。ま******

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―185―

研究してきた楔デバイスを開発

ノンスリップ型柱脚と呼び1-8），12）。このノンスリップ型柱脚は，スリップ現象の改善のみではなく，多数配列することや 2 軸曲げ高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・松村高良

表 1 アンカーボルト 4 配置 0-deg の試験体の素材特性と主要寸法

表 2 アンカーボルト 4 配置 15，30，45-deg の試験体の素材特性と主要寸法（a）楔

表 3 アンカーボルト 8 配置従来型の試験体の素材特性と主要寸法（b）楔受け

表 4 アンカーボルト 8 配置ノンスリップ型の試験体の素材特性と主要寸法（c）楔デバイスセットアップ
図 2 楔デバイス形状（a）アンカーボルト（S-4type）（b）アンカーボルト（N-4type）（c）アンカーボルト（8type）（d）ベースプレート

図 1 試験体形状

図 3 2 軸曲げを受ける露出柱脚の抵抗機構を受けることにより複雑化する復元力特性を単純化でき
5），12）

これまでの研究では，2 軸曲げを受ける場合は，単純な。更に，多数配列した場合においては，弾性範囲アンカーボルト配列の柱脚についてのみ行っており，多数のアンカーボルトを残すことで，セルフセンタリング性能配列型が 2 軸曲げを受ける場合において，復元力特性が複る5）が得られることも明らかにしてきた 。

雑化すること，ノンスリップ型柱脚がセルフセンタリング―186―

アンカーボルト多数配列露出柱脚の 2 軸曲げ載荷実験（b）A-A 断面図（a）正面図（c）B-B 断面図
図 4 載荷装置

図 5 計測装置

表 5 バネ特性

図 6 載荷方向とアンカーボルト位置関係性能を有しているか否かの検証は行っていない。

deg）および 45 °（S-45-deg）とした２軸曲げの場合と，ノンそこで，本論文では，アンカーボルトを多数配列した露スリップ型露出柱脚（N）の水平載荷角度を 0 °（N-00-deg）

出柱脚の 2 軸曲げ載荷実験を行い，その実験結果より，2とした 1 軸曲げ，15 °（N-15-deg），30 °（N-30-deg）および軸曲げ載荷下の復元力特性を明らかにする。また，単純な

45 °（N-45-deg）とした 2 軸曲げの場合，合計 8 種類を用意

アンカーボルト配列の柱脚との比較検討を行い，アンカーした。

ボルトを多数配列した場合の抵抗特性を明らかにする。

柱には Box-200x200x12，ベースプレートには PL400x400x50 を用い，柱とベースプレートは全周隅肉溶接

2. 実験概要接合している。アンカーボルトには転造ねじアンカーボル

本実験では，アンカーボルト降伏先行型露出柱脚付き片ト M16 を使用し，また，実験時には軸部降伏軸力の 30 ％持ち柱を用いて載荷実験を行う。実験変数は，水平載荷角（=15（ kN））を初期張力として導入する。基礎部には，い度，および楔デバイスの有無とする。尚，比較のため 1 軸ずれの載荷に対しても塑性化しない，鋼製基礎： BH-曲げの載荷実験も行う。

400x400x32x36 を使用する。
楔デバイスは，楔，楔受け，バネ，および，バネ反力板

2.1 試験体概要から構成されている。楔および楔受けは，アンカーボルト

表 1，2，3，4，5 に試験体の素材特性と主要寸法，およから伝達される圧縮力の接触面方向力に対して，接触面にび，楔デバイスに用いるバネの特性を示す。また，図 1，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

2 に試験体形状，および，楔デバイス形状を示す。尚，本る。このため，楔と楔受けの接触面には，発錆処理（塩分実験では，ベースプレート，柱，および，基礎部分には，濃度 5 ％程度の食塩水により，一週間ほど湿潤状態を保つ）

各載荷に対して弾性範囲に留まる素材特性・断面特性を採を施して，静止摩擦係数： n を増大させている。本実験用している。

で用いた楔デバイスは，静止摩擦係数： n =0.78 であり，試験体は，従来型露出柱脚（S）の水平載荷角度： { を楔が滑らないように貫入角度を 30 度としている。また，0°（S-00-deg）とした 1 軸曲げ，15 °（S-15-deg），30 °（S-30-

図 2（ c）からも解るように，楔デバイスに用いるバネは，―187―高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・松村高良（a）従来型露出柱脚（a）従来型露出柱脚（b）ノンスリップ型露出柱脚
図 7 従来型露出柱脚とノンスリップ型露出柱脚の作動概念（b）ノンスリップ型露出柱脚
図 8 従来型とノンスリップ型の復元力特性（a）載荷履歴（b）従来型露出柱脚（c）ノンスリップ型露出柱脚 （d）ノンスリップ型露出柱脚
多数配列型

図 9 ノンスリップ型露出柱脚のセルフセンタリング性能

楔を水平移動させる程度の復元力を有していれば良いのまで 0.005 (rad)ずつ振幅を漸増させる正負交番繰返し載荷で，表 5 に示す程度の小さなバネ定数を持つバネを用いてとする。
尚，水平載荷角度： { を有することで，試験体が載荷方いる。

向と直交方向にたわむ可能性がある。このため，図 4（b）
2.2 載荷装置と載荷方法に示すように，たわみ拘束部材をヨークおよびロードセル

図 3，4，6 に載荷方法の概念図，本実験で用いる載荷装の先端位置に設置して，これらを試験体前後に設置したレ置，各載荷方向とアンカーボルト位置関係を示す。載荷装ールと接触させ（接触面にはテフロンシートを設置），ヨ置は，試験体柱頭部のヨークへ水平ジャッキを接合し，水ークを載荷方向に移動自由なローラー支持としている。こ平載荷を行うものである。図 4（c）に示すように，試験体れにより，載荷方向のみに，強制変位を与えられる載荷と設置時に水平載荷角度： { だけ試験体を回転させて設置しなる。

y 軸回りおよび x 軸回りに同時に曲げ載荷する繰返し載荷実験を行う。また，載荷制御値は 4 本配置時では，y 軸回2.3 計測方法と整理方法

りのベースプレート回転角： i y を制御値として， 0.005 (rad)

図 5 に計測位置を示す。変位としては，柱下端部の鉛直から 0.025 (rad)まで 0.005 (rad)ずつ振幅を漸増させる正負

変位： d L ， d R ， d F ， d B を計測し，載荷方向回りのベース交番繰返し載荷とする。そして，8 本配置時では x 軸およプレート回転角： i x ， i y を算出する。荷重としては，水び y 軸から求めた回転角： i x ， i y を用いて求めた水平載平ジャッキ先端に設置したロードセルにより水平荷荷方向の回転角を制御値とし， 0.005 (rad)から 0.025 (rad)重： Ph を計測する。また，ひずみゲージを柱に 2 断面（1―188―アンカーボルト多数配列露出柱脚の 2 軸曲げ載荷実験

断面あたり 8 箇所）に貼付して軸方向直ひずみを計測し，範囲内に留まれば，図 9（d）に示すように，除荷時に原点曲率と柱の曲げ剛性から柱脚部モーメント： M x ， M y をを指向する復元力特性が得られる。

算出する。ひずみゲージより算出した，曲げモーメント勾

本論文では，これら，載荷時には原点から耐力が立上る配から柱のせん断力を算出し，水平荷重： P h と一致すると共に，除荷時には原点を指向する復元力特性を，ノンスことを確認して，校正を行っている。

リップ型露出柱脚におけるセルフセンタリング性能と定義

各軸回りの回転角： i x ，i y ，直交方向回りの回転角： {，直交方向回りの曲げモーメント： M を以下の式より求める。

i x = d F - d B ， i y = d L - d R ， i = i 2x + i 2yRDRD（1.a~c ）M = M y : cos{ + M x : sin{，（ 2.a, b）する。

4. 実験結果
図 10，14（a），表 6（a）にアンカーボルト 4 本配置在来型露出柱脚の実験結果を，図 11，図 14（b），表 6（b）にアンカーボルト 8 本配置在来型露出柱脚の実験結果を示し，図3 b）
ここに， d L ， d R ， d F ， d B ：柱下端部鉛直変位（図 （12，15（a），表 7（a）にアンカーボルト 4 本配置ノンスリッ参照）， R D ：変位計間距離（図 3（b）参照）， { ：柱脚部にプ型露出柱脚の実験結果を，図 13，図 15（b），表 7（b）に作用する曲げ合力の回転角と y 軸との軸角である。

アンカーボルト 8 本配置ノンスリップ型露出柱脚の実験結

3. 従来型露出柱脚とノンスリップ型露出柱脚の抵抗の違い果を示す。
図 10 〜 15 には，柱脚の曲げモーメント： M -ベース
プレート回転角： i の関係を，表 6，7 には実験結果より

図 7，8 に，各露出柱脚の作動概念と復元力特性を，そ求められた曲げモーメント： M の正負の最大値と，そのれぞれ示す。

正負の最大値の比を記載した。尚，図 10 〜 13 中において，○従来型露出柱脚の抵抗実験結果を実線で，最終サイクルの実験結果を太線で示す。

従来型の露出柱脚では，地震外力により柱脚に曲げモーメント作用した時， 図 7（a）のように，アンカーボルトに4.1 従来型露出柱脚塑性伸びが起こる。このため，ベースプレートとナットと○アンカーボルト 4 本配置の特徴の間に間隙が生じる。この時，再度曲げモーメントが作用

図 10 より，従来型露出柱脚のアンカーボルト 4 本配置

しても，アンカーボルトは抵抗できず，回転角だけ進行す時では，いずれの載荷角度においても，スリップ型の復元る。これにより，スリップ現象が発生する。

力特性を示していることが分かる。また，図 14（ a）よ○ノンスリップ型露出柱脚の抵抗り， 0c ， 15c ， 30c ， 45c の順に降伏耐力が増加している。

ノンスリップ型露出柱脚に地震外力が作用すると，従来更に， 45cの場合は正方向および負方向載荷の復元力特性型露出柱脚と同様にアンカーボルトが伸ばされ，降伏してに差異があり，他の載荷角度に比べて復元力特性が複雑に塑性伸びが生じる。アンカーボルトの塑性伸びにより，ナなっている。これは， 45cの場合，柱断面図心上にアンカットとベースプレートとの間に間隙が発生するが，この間ーボルトが配置されており，正方向および負方向載荷時共隙にバネの力により楔を貫入させることで間隙が消滅すに抵抗するため，正方向での塑性伸びの影響が負方向にもる。このため，再度地震外力が作用した際も，柱脚は緩む

現れる不連続なスリップ現象が現れる影響である。

ことなく直ぐに地震外力に抵抗する。

○アンカーボルト 8 本配置の特徴

このような楔デバイスの機能により，弾塑性繰返し載荷

図 11 より，従来型露出柱脚のアンカーボルト 8 本配置下におけるスリップ現象が解消され，図 8（b）に示すよう時では，いずれの載荷角度においても，スリップ型の復元に，原点立上り型の復元力特性となる。

力特性を示していることが分かる。また， 0cの場合，正方○繰返し載荷下の抵抗特性向および負方向載荷の復元力特性に差異が生じている。こ

図 9 に正負交番繰返し載荷時のノンスリップ型と従来型

れは，柱断面図心上に配置されているアンカーボルトによ露出柱脚の復元力特性を模式的に示す。載荷は，図 9（a）る影響である。このため，柱断面図心上にされていないに示すように，大きな振幅の後に小さな振幅が生じるとす

15c， 30cでは，正負の載荷方向の差異があまり生じていなる。

い。次いで，図 14（ b），表 6（ 6）より，降伏耐力は載荷角

従来型では，小さな振幅時にスリップ現象が生じる。一度が上昇するほど増加しているが，その増加率は，4 本配方，ノンスリップ型では載荷時に原点から耐力が立上り，置に比較して低い。これは，8 本配置では柱を囲うように更に，最大振幅時において一列でもアンカーボルトが弾性アンカーボルトが配置されており，載荷角度が変化するこ―189―高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・松村高良（a）S-00-deg（b）S-15-deg（c）S-30-deg（d）S-45-deg
図 10アンカーボルト 4 本配置従来型露出柱脚（a）S-00-deg（b）S-15-deg（c）S-30-deg（d）S-45-deg
図 11

アンカーボルト 8 本配置従来型露出柱脚―190―

アンカーボルト多数配列露出柱脚の 2 軸曲げ載荷実験（a）N-00-deg（b）N-15-deg（c）N-30-deg（d）N-45-deg

図 12アンカーボルト 4 本配置ノンスリップ型露出柱脚（a）N-00-deg（b）N-15-deg（c）N-30-deg（d）N-45-deg

図 13

アンカーボルト 8 本配置ノンスリップ型露出柱脚―191―

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・松村高良（a）アンカーボルト 4 本配置従来型露出柱脚（b）アンカーボルト 8 本配置従来型露出柱脚図 14（a）アンカーボルト 4 本配置ノンスリップ型露出柱脚
図 15従来型露出柱脚（b）アンカーボルト 8 本配置ノンスリップ型露出柱脚

ノンスリップ型露出柱脚

表 6 従来型露出柱脚の載荷方向における耐力と耐力比（a）アンカーボルト 4 本配置従来型露出柱脚（b）アンカーボルト 8 本配置従来型露出柱脚

表 7 ノンスリップ型露出柱脚の載荷方向における耐力と耐力比（a）アンカーボルト 4 本配置ノンスリップ型露出柱脚（b）アンカーボルト 8 本配置ノンスリップ型露出柱脚―192―

アンカーボルト多数配列露出柱脚の 2 軸曲げ載荷実験とによる，アンカーボルトの配置の変化が少ないためと思受ける場合においても，除荷時に明確な折線型の復元力特われる。

性を示すので，セルフセンタリング性能が期待できるといえる。

4.2 ノンスリップ型露出柱脚5. まとめ○アンカーボルト 4 本配置の特徴
図 12 より，ノンスリップ型露出柱脚のアンカーボルト2 軸曲げを受ける，アンカーボルト多数配列型露出柱脚4 本配置時では，いずれの載荷角度においても，原点立上の繰返し載荷実験を行い，以下の知見が得られた。

り型復元力特性を示している。また，図 15（a）より，従来

1. アンカーボルトを多数配列した露出柱脚が 2 軸曲げを型同様に，載荷角度が上昇することにより降伏耐力が増加受ける場合においても，従来型柱脚はスリップ型復元している。次いで，載荷角度が上昇すると復元力特性が折力特性を，ノンスリップ型柱脚は原点立上り型の復元線型となり，これは，抵抗アンカーボルトの列数が増加す力特性を示す。

る影響である。更に，N-30-deg と N-45-deg においては，2. アンカーボルトを多数配列した場合，2 軸曲げを受ける

除荷時の復元力特性が明確な折線型となっており，セルフと，載荷方向の曲げ降伏耐力は 1 軸曲げ載荷下のものセンタリング性能を期待できるといえる。

耐力と比較して 1 割程度増加する。

更に，従来型では， 45c方向載荷時に正方向および負方3. アンカーボルトを多数配列したノンスリップ型柱脚に向の復元力特性に差異が生じていたが，楔デバイスの機能おいては，載荷角度に関係なく，セルフセンタリングによりアンカーボルトの塑性伸びによるスリップ現象が改性能が期待できる。

善されるため，正方向および負方向の復元力特性に差異が謝生じない。
○アンカーボルト 8 本配置の特徴

辞

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究

図 13 より，ノンスリップ型露出柱脚のアンカーボルトセンター」（代表者高松隆夫教授）のプロジェクト研究8 本配列時では，いずれの載荷角度においても，原点立上の一環として実施されました。また，本研究の経費の一部り型復元力特性を示している。また，図 15（b）より，従来

は，社団法人日本鉄鋼連盟「2008 年度鋼構造研究・教育型と同様に，載荷角度が上昇しても降伏耐力が殆ど増加し助成事業（建築）」の助成金から支出しました。更に，フていない。1 軸載荷下では，Tri-linear 型の復元力特性をルサト工業株式会社には試験体の転造ねじアンカーボルト示していたが，載荷角度が上昇すると復元力特性が折線型を提供していただきました。ここに，感謝の意を表させてとなり，これは，抵抗アンカーボルトの列数が増加する影いただきます。

響である。このように，アンカーボルト多数配列したノン

参考文献

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型の復元力特性を示している。また，4 本配置の場合，載05）T. Takamatsu, H. Tamai, T. Yamanishi & A. Matsuo

荷角度が上昇することで抵抗力が大きく上昇していたが，(2006a), Self-centering performance of non-slip-type

8 本配置の場合，4 本配置ほどの上昇率は見られない。

exposed column-base, Proceeding of fifth international

また，4 本配置の載荷角度が 30c， 45cの場合や 8 本配置した場合のノンスリップ型露出柱脚であれば，2 軸曲げを―193―

conference on “Behaviour of Steel Structures in SeismicAreas(STESSA2006)”, Yokohama, Japan, 357-362.

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・松村高良

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―194―