広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.121-127

論文

Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動性状に関する研究
高松隆夫 *・玉井 宏章 *・三好 行則 **・澤田 樹一郎 ***山西 央朗 ****・荊尾 友裕 **・松尾 彰 ***（平成21年10月31日受理）

A study on vibration behavior of Z-type non-compression braced frame
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Yukinori MIYOSHI, Kiichiro SAWADA
Teruaki YAMANISHI, Tomohiro KATARAO and Akira MATSUO(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
A non-compression brace does not resist a compressive force but a tensile one by means of awedge device. Therefore the brace does not buckle or loosen due to plastic elongation of thebrace. Response of Z-type non-compression braced frame under dynamic loading is predicted tobe one-sided. The Z-type brace is proposed as an earthquake resistant element with new behavior. Shaking table tests were carried out on one-storey Z-type braced frame specimens toclarify the one-sided response.
Key Words: Z-type brace, Vibration characteristics, Relative storey displacement, Convergenceof the deformation, Shaking table test

ることで，地震等の繰返し載荷下において，構造物の変形１．はじめに方向を制御することが可能になる新しい構造システムが開

著者等は，ブレース端部に楔デバイスを取付け，端部の発できると考えられる。

離間・接触を利用してブレースが引張力のみに抵抗するノZ 型 NC ブレース架構の場合，弾性範囲では変形した後ンコンプレションブレース（以後，NC ブレースと呼ぶ）に NC ブレースの軸力が常に作用していれば，それ以上傾１）～７）。

くことはない。また，弾塑性において，一定荷重を与えた

この NC ブレースの特徴の一つとしては，ブレースを圧場合，ある程度，変形後に同じ地点をループすることで，縮する方向では端部が離間して，楔が貫入すると共に，ブ変形の進行が収束すると考えられる。本実験において，変レースを引張る方向に変位する場合は，すぐに引張抵抗す形方向の確認と共に，変形の収束の確認も併せて行う。

を開発・提案している

ることが挙げられる。この NC ブレースの特徴に着目する

本研究では，実験及び解析において，NC ブレースを Zと，ブレースを圧縮する方向に構造物が変形した後に徐荷型に配置した１層１スパンの Z 型 NC ブレース架構の振すると，ブレースを引張る方向側にブレース端部が変位，動台実験を行い，構造物の変形方向，変形の収束を確認す

NC ブレースがすぐに引張抵抗することで，架構が傾く。

る。

そのため，図１に示すように，NC ブレースを Z 型配置す＊＊＊＊

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系研究科建設工学専攻＊＊＊＊

広島大学大学院社会環境システム専攻＊＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発研究センター― 121 ―

高松隆夫・玉井宏章・三好行則・澤田樹一郎・山西央朗・荊尾友裕・松尾
表１⒜

載荷時

図１

素材特性試験結果

彰

表２⒝ 最大変位
Z 型 NC ブレース架構の変形性状

⒞

徐荷後

図３

楔と楔受けの詳細図

⒜

⒜

正面図

図２⒝

試験体

ブレース形状⒝ 塑性化部位
図４ ブレース詳細図（Fuse）をブレースに設けている。

２．実験概要２．１

立面図

バネの形状・特性表１に試験体の素材試験結果を，表２に NC ブレース端試験体部に設置するバネの詳細を，それぞれ，示す。

図２に試験体を，図３に楔デバイスの詳細を，図４にブ２．２

レースの詳細を，それぞれ，示す。

図５に楔デバイスを設置したブレースの材端部詳細を，試験体に NC ブレースを，Z 型に配置したもの（NC 型試験体）を用意した。また，架構の振動特性を得るために，

NC ブレースの概要

図６に作動概念を，それぞれ，示す。
NC ブレース材端部は，楔，楔受け，楔台，バネとナッブレースを取付けていない架構のみの試験体（N 型試験体）

トで構成されている。ブレースから力を受けても，楔と楔の弾性加振実験を行った。
試 験 体 は， 柱 に 平 鋼（PL-140x9）， 梁 に H 形 鋼

受けが滑らないように摩擦係数を確保している。本実験で（H-100x100x5x8）を使用し，溶接接合しているラーメンは，摩擦係数を確保するために発錆処理を施している。ガ架構である。柱と梁の接合部および柱とベースプレートのセットプレートや楔台は，水平荷重及びブレース軸力に対接合部には，ガセットプレート及びリブプレートを全周隅して，十分な強度と面外曲げ剛性を有している。

肉溶接接合している。試験体は，ブレースが最大耐力に達NC ブレースは，ブレース軸力が０以下のときに，ブレーした場合においても柱と梁は弾性範囲に留まるように十分ス圧縮方向（負方向）に架構が変形すると，NC ブレース強く設計した。

端部が離間し，圧縮力が作用せず，座屈が生じることはな

試験体は，上記の架構を２列並列させ，各架構の梁下フい。この端部に隙間が生じても，楔に取付けられたバネのランジの３箇所に桁（PL-1000x150x16）を高力ボルト接復元力により，楔が楔台と楔受けとの間に貫入するため，合して，連結した立体骨組架構である。桁には，錘としてブレースに緩みは生じない。負方向からブレース引張方向

平鋼（PL-200x1000x25）を 26 枚積載し，質点質量 m は約側（正方向）に架構が変位すると，ブレースが引張抵抗を1.15t である。

始める。

ブレースは，丸棒鋼（M8，φ9，L=1030）を使用し，図７に NC ブレースの復元力特性を示す。図７に示すよブレース軸耐力を調整するため，図４⒝に示す塑性化部位

うに，NC ブレースは，負方向から正方向に増分する変形― 122 ―

Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動性状に関する研究

図５

ブレース端部の詳細

図８

図６

図７

NC ブレースの作動概念

図９

ブレースの復元力特性

図 10

振動台加力装置

計測位置

図 11

ブレース引張試験結果

N 型試験体の実験結果

SWEEP 試験を行った。SWEEP 試験は，１Hz から 20Hzに対して，抵抗する復元力特性にしている。

まで，１秒に 0.1Hz ずつ振動数を上昇させるものである。
２．３

載荷方法

この SWEEP 試験の結果を基に，S 型及び NC 型試験体の図８に本実験で使用する振動台を示す。振動台は，垂直各頂部加速度が揃うように入力加速度を調整した。

水平２軸振動試験機（島津製作所 EHV-5x/4z 形）で，加振は，水平方向に行い，振動台加速度 αb をフィードバッ

２．４

計測方法

計測には，加速度計（２G），ひずみゲージ，変位計をク制御する加速度制御で行った。試験体のベースプレート使用した。図９に計測位置を示す。

を振動台に緊結して，試験体を設置する。
加振は，N 型試験体，NC 型試験体の弾性正弦波加振実

加速度の計測は，試験体の錘上部の中心位置および振動験２種類と，S 型試験体および NC 型試験体の弾塑性正弦台中心位置の加振方向の加速度，αc，αb について行った。

波加振実験２種類の，計５種類の実験を行った。

試験体に作用する層せん断力 Q は，次式で算定する。

また，固有振動数 f を求めるために，実験の前後で，― 123 ―高松隆夫・玉井宏章・三好行則・澤田樹一郎・山西央朗・荊尾友裕・松尾彰

表３ 解析データ⒜ 柱と梁⒝⒜

ブレース

NC ブレースとフレームの抵抗⒝ NC ブレース架構の抵抗
図 12 NC ブレース架構の収束

図 13

解析モデル

⒜

Q=m·αc…………………………………………………………………………………………

NC 型試験体弾性加振⑴

図 14⒝
入力地震動

NC 型試験体弾塑性加振に変位が増分する場合は架構とブレースの値の和を，負ここに，m は試験体上部の質量である。

方向に変位が増分する場合は架構のみの値とする。図11 に N 型試験体の結果を示す。

変位の計測は，層間変位，Δ について行った。変位量は，試験体の２つの架構の変位計の計測値を平均して求めた。

３．２

ひずみは，柱 16 箇所とブレース軸部にひずみゲージを貼付し，計測した。

図 12 ⒜に，ブレースなしの架構と NC ブレースのみの復元力特性を，図 12 ⒝に，Z 型 NC ブレース架構の復元

本実験では，加速度計より算出した層せん断力と，ひず力特性を，それぞれ示す。

みゲージから算出した層せん断力はほぼ一致した。そのため，層せん断力は，⑴式を用いる。

図 12 ⒜には，簡単化のため，NC ブレースの抵抗を弾性範囲と弾塑性範囲とに分ける。図 12 ⒜より，図中のAB 範囲の弾性載荷であれば，NC ブレース架構の剛性に

３．試験体評価
３．１

変位の収束性変化がないため，それ以上，負方向に傾かない。つまり，水平弾性剛性

地震時に弾性範囲での最大荷重が分かれば，変位が収束す

NC 型試験体は，門型架構にブレースを Z 型に配置したる位置が分かる。また，ある程度傾くと，一定の荷重に対ものである。試験体の水平弾性剛性評価式を算出するにあしてもブレース軸力が増大するため，ブレースが降伏する

たり，以下の仮定を設ける。

ようになる。そのため，弾塑性載荷に対して，CD 範囲の１）ブレースは，軸部，軸部と塑性化部位の接合部，塑性荷重であれば，CD 範囲を基点とする復元力特性になる。

化部位を含む不均等断面を有しており，軸方向弾性剛性以上のことより，Z 型 NC ブレース架構は，一方向に傾の算出が複雑なため，図 10 に示す引張試験結果より，軸方向弾性剛性及び降伏耐力を求める。
２）ブレースに，引張試験結果を基とした完全弾塑性型モ

くと同時に，変位がある値で収束することが分かる。

４．数値解析

デルを用いる。

図 13 に，数値解析に用いる解析モデルを示す。表３に，３）架構の水平弾性剛性は，柱上下端部にガセットプレー解析に用いる入力データを示す。

トおよびリブプレートを溶接接合されており，柱の曲げ数値解析には，任意形平面骨組の複合非線形解析プログ剛性が簡単に計算できないため，架構のみの振動台実験

ラム「Combined non-Linear Analysis for Plane frame (CLAP.

より算出した水平弾性剛性を用いる。

８）f)」に，図７に示す NC ブレースの復元力特性を利用でき

４）ブレースを Z 型に配置し，正方向変位に抵抗するよるように修正したものを用いる。

うに設置している。そのため，水平弾性剛性は，正方向― 124 ―

数値積分には，Newmark の β 法を使用しており，β 値

Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動性状に関する研究⒜

NC 型試験体弾性加振⒜従来型試験体弾性加振⒜NC 型試験体弾性加振⒝NC 型試験体弾塑性加振
図 15 Q-Δ関係

図 16

図 17

層間変位時刻歴

層間変位時刻歴（解析結果）― 125 ―⒝

NC 型試験体弾塑性加振⒝NC 型試験体弾塑性加振高松隆夫・玉井宏章・三好行則・澤田樹一郎・山西央朗・荊尾友裕・松尾彰

を１/ ４（平均加速度法），時間刻みを１/1000 としている。

位に達し，それ以降は層間変位がそれ以上負方向に傾かな平均加速度法は，時間刻みの大小に関わらず，無条件に安いことが分かる。また，図 16 ⒝より，弾塑性加振実験で定かつ発散が生じない。

も同じく，７秒付近より傾く変位量が減少し，15 秒以後

解析モデルは，柱は２節点ビーム要素，梁の各節点は錘

では，ほぼ傾く変位量が０となっていることが分かる。の質量を有する２節点ビーム要素とする。また，柱は，高図 17 より，NC 型試験体は，解析においても，実験とさを調整することで，加振実験より求めた水平剛性と等し同様の挙動を示し，弾性加振および弾塑性加振ともに，傾くなるような剛比にしている。減衰定数は 0.01 とする。

く変位量が減少・収束していることが分かる。

柱および梁には，表２に示す断面積，断面２次モーメン以上のことから，傾く変位量は，荷重の大きさによってト，塑性断面係数，降伏応力度を，ブレースには，軸方向決定し，構造物が受ける最大荷重以降は，傾かない。その剛性，引張降伏軸力を，それぞれ，入力する。NC 型試験ため，地震時の応答が分かれば，変形が収束する値が分か体のブレースには，図７の NC ブレースの復元力特性を入る。

力する。入力波形には，振動台実験の入力波形使用した。
図 14 に，振動台実験及び数値解析に使用した入力波形

６．まとめを示す。

ノンコンプレションブレース（NC ブレース）を Z 型に配置した試験体の振動台加振実験を行った。得られた知見

５．実験結果と解析結果は，以下のように要約できる。

図 15 に実験結果及び解析結果の層せん断力，Q‐層間１）弾性および弾塑性の加振に対して，構造物を一方向に変位させる性能を有する。

変位，Δ の関係を，図 16 には層間変位時刻歴の結果を，
図 17 には NC 型試験体の層間変位時刻歴の解析結果を，２）NC ブレースにより層間変位が一方向に傾くと同時に，次第に傾く変位量が減少し，最終的に収束する。

それぞれ，示す。図 15 には，架構のみの振動台実験およびブレースの引張試験の結果より算出したブレース架構の３）地震時の応答値が分かれば，Z 型 NC ブレース架構の変形が収束する値を特定できる。

剛性（Kf+Kb）と架構のみの剛性 Kf を併せて示している。

４）NC ブレースを Z 型配置することで，変形方向が制御

表４には，各試験体の算定値と実験結果を示す。

できる。

実験結果より，以下のことが分かる。
○層せん断力－層間変位関係

謝

図 15 ⒜，⒝より，NC ブレース架構の弾性加振実験お辞よび弾塑性加振実験のいずれにおいても，層間変位が初期

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究位置より負方向に漸増している。そのため，弾性および弾センター」（代表者：高松隆夫教授）のプロジェクト研究

塑性に関係なく，変位の方向が一方向に進む性能を示しての一環として実施されました。ここに，記して感謝の意をいることが分かる。NC ブレースは，いずれの場合におい表します。ても，負方向から正方向に変位が増分する際に端部に設置

参考文献

している楔が貫入して抵抗を開始するためである。弾塑性加振実験においても，同様の性能を得られる。ただし，入１）玉井宏章，高松隆夫，小持明宏：ノンコンプレション

力エネルギー量が大きく，弾性加振実験よりも，変位量がブレースの復元力特性に関する実験的研究，その１．

大きくなる。

Z 型鉄骨ブレースの場合，日本建築学会中国支部研究○層間変位時刻歴

発表会，第 26 巻，pp. 237-240, 2003. 3．

図 16 ⒜，⒝より，NC 型試験体は，加振直後では，初２）小持明宏，高松隆夫，玉井宏章：ノンコンプレション

期位置より正方向側に層間変位が生じているが，その後，ブレースの復元力特性に関する実験的研究，その２．

NC ブレースにより，負方向へ徐々に変位しているのが分

X 型鉄骨ブレースの場合，日本建築学会中国支部研究かる。

発表会，第 26 巻，pp. 241-244, 2003. 3．

従って，NC ブレースを Z 型配置した NC 型試験体での３）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレッション

期待した性能（変位が一方向に漸増する性能）を確認でき，ブレースの耐震性能向上について，日本建築学会構造変位方向を制御することが可能である。

系論文集，第 595 号，pp, 131-138, 2005. 9．

○傾く変位量の収束

４）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレション

図 16 ⒜より，NC 型試験体は，弾性加振実験の７秒付ブレースの履歴性状とエネルギー吸収性能について，近より傾く変位量が減少し，13 秒付近で負方向の最大変

鋼構造年次論文報告集，第 11 巻，pp. 129-136, 2005. 9．

― 126 ―

Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動性状に関する研究

５）加藤孝昌，高松隆夫，玉井宏章，小畑寛行：エネルギー

ガセットプレートへのノンコンプレションブレースのの釣合いに基づくノンコンプレションブレース付き鋼簡易設置工法，鋼構造年次論文報告集，第 16 巻，pp.

構造骨組の耐震設計法，日本建築学会中国支部研究発

611-618, 2008. 11．
８）小川厚治，多田元英：柱・はり接合部変形を考慮した

表会，第 30 巻，pp. 53-56, 2007. 3．
６）高松隆夫，玉井宏章，岡部政和：ノンコンプレション

静的・動的応答解析プログラムの開発，第 17 回情報・ブレース付鋼構造骨組の地震応答性状に関する振動台

システム・利用技術シンポジウム論文集，pp.79-84,実験，日本建築学会構造工学論文集，Vol. 54B，pp.

1994. 12．
９）柴田明徳：最新建築学シリーズ－最新耐震構造解析

707-714, 2008. 3．
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第２版－，森北出版株式会社，pp.16-54, 2007. 6．