テーマ 1 小課題番号 1.3
鉄骨置屋根構造スライド支承部の可動性に関する研究
置屋根 支承部 アンカーボルト テフロンパッド 山下哲郎＊ 白鳥和希＊＊ 摩擦係数 伏木淳＊＊＊ 山口倫我＊＊＊ １．はじめに 2011 年 3 月の東日本大震災においては、鉄筋コン クリート構造の上に鉄骨造 の大スパン屋根の載った、 いわゆる置屋根構造におい て、屋根と鉄筋コンクリ ート下部構造を繋ぐ接合部 （以下支承部）の破壊が 多発した（写真 1）1,2)。 一般的に、支承部は 露出柱 脚と同様、コンクリー ト下部構造に埋め込んだア ンカーボルトを、屋根構 造側のベースプレートに固 定する構造である。しか しながら、置屋根構造は造 形面や水勾配からライズ のある形状とすることが多く、図 1 の例に示すよう に、放射方向をスライド支 持として鉛直荷重による スラストや温度変化による 伸縮を逃がすよう設計さ れる。このために、写真 1、後述する図 4 のように ベースプレートの穴を長穴 （ルーズホール）とし、 かつベースプレート下にス テンレスやテフロンパッ ドを敷いて滑りが生じるよう設計される。 一方、支承部の被害 原因の 一つに、従来設計上考 慮されていなかった下部鉄 筋コンクリート柱の振動 （図 2）による大きな慣性 力が指摘されている 1,2)。 図 1 に示したように支承に可動性があれば柱の揺れ をルーズホールの長さ分吸 収でき、支承部へ入力 す る慣性力はその分低減され ると考えられるが、 写真 1 のように、ルーズホール にスライドした形跡がな くベースモルタルの破壊や アンカーボルトの破断が 生じた例が散見された。2012 年度実施した支承部の 実験 3,4)でも、写真 2 のよ うに、スライドが生じず に引っ掛かり、全体回転を生じた試験体があった。 このような背景から、2013 年度はスライド支承の 可動条件を明らかにすることを目的とした 2 軸加力 実験を実施する。 ２．実験概要 2.1 実験装置 図 3、写真 3 に実験装置の概要を示す。 2013 年度 はスライドの可動性に注目 する実験であるため、文 献 5)などを参考にスライド機構から下の、アンカー ボルトを固定する架台を鉄 骨とし、ベースモルタル も省略した。鉄骨と鉄筋コ ンクリート ではアンカー ボルトの引抜に対する剛性が異なる 6)が、鉄骨架台 とすることでアンカーボル ト 軸力が直接ロードセル で計測可能となる。 ＊ ：工学院大学建築学部 建築学科准教授， ＊＊：工学院大学大学院 建築学専攻 ＊＊＊：工学院大学工学部 建築学科 写真１ 支承の被害例2) 図 1 屋根版の境界条件例 （矢印はスライド方向） 写真 2 傾斜した試験体 (2012) 重い下部構造の振動 を受け止める 屋根版の振動 図 2 下部構造の振動の影響テーマ 1 小課題番号 1.3 試験体上方にレール付スラ イダーを用いて設置した 鉛直加力用ジャッキで一定 の鉛直荷重を与えつつ、 水平加力用ジャッキで繰り 返し漸増振幅強制変位を 加える。鉛直荷重は、実験 開始直前に所定の荷重を 与え、その後油圧をロック してほぼ一定の荷重を与 える。 2.2 試験体詳細 アンカーボルトは転造ねじ ABR400 規格（軸部鋼 材 SNR400）の M22（軸径 20.2mm）を使用する。表 1 に 材料の 機 械 的 性 質 を 示 す 。 埋め込み長さに該当 す る 鉄 骨 架 台 の 天 端 か ら 定 着 板 ま で の 距 離 は 503mm（呼び径の 約 23 倍 ）である 。 図 4 にベースプレートまわりの詳細を示す。ベース プ レ ー ト の ル ー ズ ホ ー ル 長 さ は 穴 芯 位 置 で ±50mm、 ルーズホール幅は 27mm である。ルーズホールの抑 え に は 厚 さ 12mm の ワ ッ シ ャ ー プ レ ー ト （ SS400, 100×100mm）を使用する。 テフロンシートを圧着した厚さ 9mm の敷プレー ト（写真 4）を設置する。テフロンシートと接触す るベースプレート裏面には鏡面加工した厚さ 2.3mm のステンレス板を溶接し、摩擦係数を抑える。 アンカーボルト以外で大き な変形を生じないよう、 ベースプレート厚さは 40mm、偏心曲げを受ける十 字プレートの厚さを 32mm とし、十分な強度と剛性 を確保する。 写真 3 実験装置全容 水平加力ジャッキ ロードセル 鋼製架台 アンカーボルト ベースプレート ワッシャープレート 700 270 リニアスライダー 鉛直加力ジャッキ ロードセル 7 1 6 e 2 7 8 50 0 5 0 2 δ1,2 δ3 図 3 実験装置全容(
↔
:変位計) SpecYield strength (σy) N/mm2 309 Tensile strength (σu) N/mm2 440 Yield ratio (YR ) % 70 Elongation % 29 JIS G3138 SNR400B 表 1 アンカーボルト鋼材の 機械的性質 写真 4 テフロンパッド SUS鏡面仕上 t=2.3 （ベースプレート裏面） スライディングパッド アンカー孔φ27 敷プレート（別部品） 450 4 0 0 370 2 0 0 185 185 1 0 0 1 0 0 450 4 0 0 135 135 1 3 5 1 3 5 75 7 5 75 75 PL-9 （ ベ ー ス プ レ ー ト 上 面 ） ワッシャーPL-12 90x90 450 5050 27 37 0 40 0 270 27 0 400 1 2 3 4 9 40 ベ ー ス プ レ ー ト ス テ ン レ ス 板 テ フ ロ ン パ ッ ド 敷 プ レ ー ト 図４ ベースプレートまわり詳細
テーマ 1 小課題番号 1.3 表 2 に実験条件をまとめて示す。架台天端から水 平加力芯まで の偏心距 離 e、アンカーボルト初期張 力 To、鉛直ジャッキの荷 重 PVの 3 条件を変化させ て実験を行う。e は 271mm と 603mm の 2 種類、To は 1,15,25kN の 3 種類と、完全にアンカーボルトを 緩 め 、 ナ ッ ト と ワ ッ シ ャ ー プ レ ー ト と の 間 に 2mm 程度の隙間を設けた 0kN、PVは 0,50,100kN の 3 種類 である。またテフロンパッドを 2 枚用意し、途中で 交換した。テフロンパッド の公称摩擦係数は 0.06 で ある。 2.3 加力と計測 水平方向に振幅漸増繰返 し加力を与える。滑りが 生じている間はベースプレ ートの水平変位、引っ掛 かりが生じてベースプレー トの傾斜が生じた後は回 転角をモニターしつつ手動 で制御 するが、試験体の 挙動を見ながら加力振幅を 定めているため、全試験 体に統一した加力プログラムを与えた訳ではない。 図 3 に示したように、ジャッキの荷重はジャッキ 先端のロードセル、支承部 の変位は機械式変位計で 計測する。またセンターホ ール型ロードセルを用い てアンカーボルトの軸力を 直接計測する。 実験結果 の 整 理に 用い る ベー スプ レー ト 水平 変位 δBH、 支 承 部回転角γ を式(1a)(1b)で定義する。 (1a) (1b) δ1～3は図 3 参照。h はベースプレート厚さの中心か ら 加 力 芯 ま で の 距 離 で e=271mm の 試 験 体 で は 238mm、 e=604mm の 試験体 では 584mm である。 ３．実験結果 3.1 偏心 271mm の試験体 図 5(a)-(g)に水平加力ジャッキの荷重 PHとベース プレート水平変位 δBHの関 係、PHと支 承部回転角 γ の関係および、鉛直荷重 PV、4 本のアンカーボルト 張力の合計ΣTi と PV+Σ Ti と 水平変位 δBHの関係を 示す。試験体の挙動を以下概説する。 偏心 271mm の試験体では引っ掛かりは生じず、 支 承 は ス ラ イ ド を 生じ た 。PH～δBH 曲 線 は い ず れ も 剛塑性形を示し、摩擦が生 じていることが推定され る。しかしながら、例えば同じ PV=100kN を受ける M22-271-100kN-T15kN-1 と M22-271-100kN-T1kN-1 試験体を 比較す ると、 前者 は 摺動を 生じる PH が約 40kN で あ る の に 対 し 、後 者 は 約 20kN で あ る 。ま た M22-271-100kN-T1kN-1 試 験 体 と M22-271-50kN-T1kN-1 試 験 体 を 比 較 す る と 、PVが約 1/2 と な っ て い る に も 関 わ ら ず 摺 動 を 生 じ る 荷 重 は あまり変化がない。アンカ ーボルト張力の影響が大 きいことが覗える。また、M22-271-100-T1kN-1、同 -2 試験体の摺動時の水平荷 重は、前者が約 20kN で あるのに対し、後者は 10kN 強で、テフロンパッド 交換後に摩擦荷重が減少している。 図 6(a)(b) に M22-271-100kN-T25kN-2 と M22-271-0kN-T25kN-2 試 験 体 の ア ン カ ー ボ ル ト 張力 の変動を示す。偏心の影響 で軸力に変動が生じてい るが、変動幅は小さく応力も弾性域にある。Pvが作 用するとアンカーボルト軸 力の変動幅は小さい。鉛 直荷重で回転が抑制されるためと推定される。
h
BH BH 3 2 12
表 2 実験条件No. Experiment Teflon Pad Anchor bolt Eccentricity Vertical load Pretension e PV To mm mm kN kN 1 M22-271-100kN-T15kN-1 M22 100 15 2 M22-271-100kN-T1kN-1 M22 100 1 3 M22-271-50kN-T1kN-1 M22 50 1 4 M22-271-0kN-T25kN-1 M22 0 25 5 M22-271-0kN-T25kN-2 M22 0 25 6 M22-271-100kN-T1kN-2 M22 100 1 7 M22-271-100kN-T25kN-2 M22 100 25 8 M22-604-100kN-T15kN-2 M22 15 9 M22-604-100kN-T0kN-2 M22 0 10 M22-604-100kN-T1kN-2 M22 25 1 271 2 604 100
テーマ 1 小課題番号 1.3 図５ 偏心 271mm 試験体 (a)M22-271-100kN-T15kN-1 (b)M22-271-100kN-T1kN-1 (c)M22-271-50kN-T1kN-1 (d)M22-271-0kN-T25kN-1 (e)M22-271-0kN-T25kN-2 (f)M22-271-100kN-T1kN-2 (g)M22-271-100kN-T25kN-2
テーマ 1 小課題番号 1.3 3.2 偏心 604mm の試験体 図 7(a)-(c)に偏心 604mm 試験体について、図 5 と 同 様 の デ ー タ を 示 す 。 試 験 体 計 ３ 体 の う ち 、 M22-604-100kN-T15kN-2、M22-604-100kN-T1kN-2 で は初期から引っ掛かりが生 じ、回転が生じた（写真 5）。写真６に実験後に抜き 出した アンカーボルトを 示す。大きな曲げ変形が観 察されるが、回転に伴う 大きなアンカーボルト張力 により、ワッシャープレ ートとベースプレート上面 が固着したと推定される。 図 8 に M22-603-100kN-T15kN-2 試験体のアンカーボ 写真５ 傾斜した試験体 (M22-604-100kN-T15kN-2) 図６ アンカーボルト張力の変動 (b)M22-271-100kN-T25kN-2 (a)M22-271-0kN-T25kN-2 図７ 偏心 604mm 試験体の挙動 (a)M22-604-100kN-T15kN-2 (b)M22-604-100kN-T0kN-2 (c)M22-604-100kN-T1kN-2
テーマ 1 小課題番号 1.3 ルト張力を示す。降伏張力の 99kN 付近に至る張力 が生じている。正負交番の 回転により両側のアンカ ーボルトに塑性伸びが生じ てナットが浮き上がり、 その後アンカーボルト張力 はほぼゼロとなって 安定 した摺動が生じた。一方完 全にアンカーボルトを緩 めた M22-603-100kN-T0kN-2 試験体は引っ掛かりを 生じず、水平荷重 6kN 程度で問題なく摺動を生じた。 ４．可動性に関する考察 4.1 摩擦係数 引っ掛かりが生じず摺動 が生じる場合、水平荷重 PH は テ フ ロ ン シ ー ト 部 の 摩 擦 力 お よ び ワ ッ シ ャ ー プレートとベースプレート 上面の間に生じる摩擦力 の合計と釣り合う（図 9）。テフロンシートの摩擦係 数をμSL、ベースプレート上 面と ワッシャープレート 間の摩擦係数が 4 本のアンカーボルトで等しいと仮 定してμWとおくと、釣り 合い式は式 (2)となる。 (2) Tiは i 番目のアンカーボルト張力である。 引っ掛かりを生じた 2 例を除き、摺動部である荷 重 変 位 曲 線 平 坦 部 の PH と 式 (2)の 計 算 値 （ PV、ΣTi は計測値を代入）を比較し 、最小二乗法により摩擦 係数μSLとμWを近似的に同 定する 。同定した摩擦係 数（表 3）を用いて計算した PH～δBH関係を実験結 果と重ね合わせたものを図 10 に示す。概して同定精 度は良好である。 μSLはテフロンパ ッド 2 の方が低く、ほぼ公称値と なった。μWは μSLより大幅 に高く可動性に大きな影 響を及ぼす。実験順序が後の試験体ほどμWが低 い 。 ベースプレートとワッシャ ープレートを交換 せず同 じ 部 品 を 使 用 し 続 け た た め 、 両 者 の 間 の 摩 擦 面 が 徐々に摩耗してμWが低下 したものと推定される。今 回ベースプレートとワッシ ャープレートの表面は と も に 黒 皮 で あ る が 、 実 際 は 防 錆 塗 装 さ れ る た め μW の値は異なる可能性がある。 4.2 引っ掛かるメカニズム 当実験の結果から、スライ ド支承が 引っ掛かり摺 動しなくなるメカニズムを推定する（図 11）。 ① アンカーボルトの初期張力と回転に伴う張力の 増 加 に よ り 、摩 擦 係 数の 大き い ベ ー ス プレ ー ト とワッシャープレート間で固着が生じる。 ② 固着が生じると水平荷重 PHと、偏心 e によるモ ーメントが増加する。 ③ 増 加 し た モーメントにより引張側アンカーボル トが伸びる。 ④ 引張側アンカーボルトの伸びにより支承が傾斜 し 、 ベ ー ス プレ ー ト の角 が 敷 プ レ ー ト に直 接 接 触 し 、 回 転 の支 点 に なる 。こ の 支 点 の 反力 は 大 きく摺動は生じず、後は支 点の回転が進行する。 実験で引っ掛かりに最も 大きな影響を与えた因子 は偏心距離 e であり、e が極力小さくなるよう詳細 設計を実施する必要がある 。またワッシャープレー トとベースプレート上面間 の摩擦が引っ掛かりの引 き金になるため、その間に 低摩擦材を挟む などの工 夫や、通常の露出柱脚とは 逆に、アンカーボルトを 締め付けない施工管理が必要である。 上記のメカニズムを定式化 し、摺動が生じる条件 を定量化する必要がある。次の課題とする。
4 1 4 1 i i W i i V SL HP
T
T
P
写真６ 実験後のアンカーボルト (M22-604-100kN-T15kN-2) 図 8 アンカーボルト張力 (M22-603-100kN-T15kN-2)テーマ 1 小課題番号 1.3 Pv PH μWΣTi μSL (Pv+ΣTi) ΣTi 図９ 水平方向の力の釣合
No. Experiment Glide
μ
SLμ
W (Pv+ΣTi)avr (ΣTi)avrkN kN 1 M22-271-100kN-T15kN-1 ○ 0.12 0.51 153 40.0 2 M22-271-100kN-T1kN-1 ○ 0.16 0.51 107 7.7 3 M22-271-50kN-T1kN-1 ○ 0.17 0.45 56.7 6.8 4 M22-271-0kN-T25kN-1 ○ 0.09 0.29 94.3 94.3 5 M22-271-0kN-T25kN-2 ○ 0.07 0.32 88.4 88.4 6 M22-271-100kN-T1kN-2 ○ 0.11 0.36 103.5 3.3 7 M22-271-100kN-T25kN-2 ○ 0.05 0.30 195.5 92.2 8 M22-604-100kN-T15kN-2 × - - 137.9 41.2 9 M22-604-100kN-T0kN-2 ○ 0.07 - 103.2 -10 M22-604--100kN-T1kN-2 × - - 115.6 12.5 表３ 摩擦係数 図１０ 同定した摩擦係数の精度 検証 (b)M22-271-100kN-T1kN-1 (a)M22-271-100kN-T15kN-1 (c)M22-271-50kN-T1kN-1 (d)M22-271-0kN-T25kN-1 (e)M22-271-0kN-T25kN-2 (f)M22-271-100kN-T1kN-2 (g)M22-271-100kN-T25kN-2 (h)M22-604-100kN-T0kN-2 図１１ 引っ掛かるメカニズム
テーマ 1 小課題番号 1.3 ５．まとめ スライド支承が可動する条 件を特定、定量化する ことを目的とした実験を実施し、以下の結果を得た。 ・偏心距離 e が最も可動性に影響する。 ・テフロンパッドの摩擦係 数は 0.05～0.15 程度であ り、個体差が大きい。 ・ルーズホール上のワッシ ャープレートとベースプ レート上面の間の摩擦係数は大きく 0.3～0.5 程度で あった。 ・引っ掛かりはワッシャー プレートとベースプレー ト上面の間の固着が引き金 になると推定される。通 常の露出柱脚とは逆に、施 工時にアンカーボルトを 締め付けない管理が必要である。 今後の課題として、引っ 掛かりのメカニズムを定 式化し、可動条件を定量化する。 謝 辞 本 研 究 の 実施 に あた り 、東 京工業 大 学 教 授 、竹 内 徹博 士 よ り 貴 重 な 助 言 を 得 た 。 実 験 に 用 い た ア ン カ ー ボ ル ト は ， 2012 年 度 に 引 き 続 き フ ル サ ト 工 業 株 式 会 社 よ り 提 供 を 受 け た 。ジャ ッ キ の調 整 には オ ック ス ジ ャ ッキ の 協力 を 得た。 参 考 文 献 1) 建 築 研 究 振興 協 会：東 日 本大 震災 に お け る鉄 骨 置屋 根 構 造 の 被 害調 査 報告 、 2012.6 2) 竹 内 徹 ： 学 校 体 育 館 の 被 災 状況 と 被 災 後 改 修 の 実 例 、 大 空 間 施 設 の 耐 震 性 能 を 考 え る―東 日 本 大 震 災 を 経 験 し て―、 2012 年 度 日 本 建 築 学 会 大 会 PD 資 料 、 pp.40-59、 2012/9 3) 竹 内 良 太 、白鳥 和 希 、山下 哲 郎：鉄 骨空 間 構造 上 屋と 下 部 RC 躯体をつなぐ支承部の繰り返し加力実験 － そ の 1 実験概要－、－その 2 繰り返し荷重に対す る 挙 動 － 、 2013 年度日本建築学会大会梗概集、構造 Ⅰ 、 pp.929～930、2013.9 4) 山 下 哲 郎：置 屋 根支 承 部 の実 験、建 築 研 究開 発 コン ソ ー シ ア ム 鉄 骨 置 屋 根 構 造 の 耐 震 性 能 に 関 す る 研 究 会 資 料 、「 鉄 骨 置 屋 根 構 造 の 被 害分 析 お よ び 耐 震 診 断 の 進 め 方 」、 pp.100-110、2013.9 5) 山 西 央 朗 、玉 井 宏章 、高 松隆 夫、松 尾 彰：露 出 柱脚 の 弾 性 回 転 剛 性 に つ い て － ア ン カ ー ボ ル ト 降 伏 先 行 型 の 場 合 －、日 本 建築 学 会構 造 系論 文 集 第 73 巻、第 624 号 、 pp.317-324、2008.2 6) 鋼 構 造 接 合部 設 計指 針 、日 本建 築 学 会 、 2011
