広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.113-119

論文

Ｚ型ノンコンプレションブレースの構造システムと数値解析（その２高松ブレース架構）

隆夫 *・玉井 宏章 *・山西 央朗 **・土江
澤田 樹一郎 ****・松尾 彰 ****

葉菜子 ***（平成22年11月８日受付）

Numerical analysis and structural system of frame with Z-type non-compression brace(Part 2 Braced-frame)
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Teruaki YAMANISHI, Hanako TSUCHIE,
Kiichirou SAWADA and Akira MATSUO(Received Nov. 8, 2010)

Abstract
A non-compression brace subjected to cyclic loadings shows resistant characteristics withoutboth buckling and slip-type behavior, and cyclic curves of X-type braces become perfectly-elastic-plastic-type. Cyclic curves of a Z-type brace move to a compressive side of the brace in a cyclic loading test. The analytical study on Z-type braced multi-story frames subjected to earthquake ground motions verified that each story of the frames drifted horizontally to thecompressive side of the brace. In this paper, two arrangements of Z-type braces were analyzed
to examine applicability of the Z-type braces to multi-story frames. It was concluded from theanalytical results that alternate arrangements of the Z-type braces in the multi-story frames
showed perfectly-elastic-plastic restoring force characteristics.
Key Words: non-compression brace, z-type arrangement, braced-frame, numerical analysisている６−９）。

１．はじめにところで，NC ブレースは引張抵抗型復元力特性を示す

これまでに，ノンコンプレションブレース（以後，NCので，Z 型 NC ブレースをブレース架構（H 形鋼柱を用い，ブレースと記す）は，X 型に配置することで，細長いブレー柱梁をピン接合した架構）に用いると，ブレースは圧縮力

ス材を用いても座屈現象およびスリップ現象を起こすことには抵抗せず，架構が不安定構造物になることは明らかでなく，完全弾塑性型復元力特性を示すことを明らかにしてある。しかしながら，多層構造物においては，柱材を通し１−５）。更に，振動台実験等により，NC ブレースを Z柱として，更に Z 型 NC ブレースを各層毎に交互に配置型に配置（以後 Z 型 NC ブレースと記す）すれば，架構すれば，任意層のブレースが抵抗しなくても，柱を介しての変形が一方向に漸増する性能を付与できることが分かっ

上下層のブレースに応力が伝播して抵抗することが予想さいる＊＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発研究センター＊＊＊＊

広島工業大学大学院建設工学専攻＊＊＊＊

広島大学大学院建築学専攻― 113 ―

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・土江葉菜子・澤田樹一郎・松尾

図１
表１

彰

楔デバイスの機能と作動の概念

断面性能と材料特性

図２

解析モデルの架構とブレース対して端部が離間することで，圧縮力を負担しない（A）。
２）楔が端部の離間による隙間を埋めるので，ブレースの引張側の変位増分に対して，ブレースは直ぐに引張抵抗すれる。

る（B）。

このように，Z 型 NC ブレースをブレース架構に適用でこのため，図１に示すように，Z 型 NC ブレースを配置きる可能性があり，更に，X 型に配置した場合と同様の抵した架構では，正方向載荷に対してはブレースが抵抗する

抗特性が付与できれば，耐震要素として使用することがでが，負方向載荷に対してはブレースは抵抗しない。更に，きる。ブレース架構においても NC ブレースを Z 型に配楔デバイスが機能することで，負方向載荷時に楔が貫入し置することが可能であれば，設計の自由度が広がると共に，て，除荷と共にブレースが抵抗を開始する。このため，繰

新しい構造システムを考案できる可能性がある。

返し載荷に伴ない架構の変形は一方向へ漸増していそこで，本論文では，NC ブレースの復元力特性（引張方向の変位増分には抵抗し，圧縮方向の変位増分には抵抗しない抵抗特性）を用いて，Z 型 NC ブレースの配置方法

く６−９）。

３．数値解析

を変数とした数値解析を行い，ブレース架構に Z 型 NC

本解析では，Z 型 NC ブレースの配置方法を変数とし，ブレースを用いた場合の変形挙動・抵抗特性を検討するこ

ブレース架構に適用した場合の数値解析を行い，Z 型 NCとを目的とする。

ブレースの配置方法により，ブレース架構がどのような挙動を示すかを検討する。

２．Z 型 NC ブレース

また，比較のために，ブレースに一般的な完全弾塑性型

Z 型 NC ブレースの概要とブレースのみの復元力特性を復元力特性を有するブレースを導入した場合の解析も併せて行い，比較・検討する。

図１に示す。
NC ブレースは，ブレースの上端部に楔デバイスを配置したものである。特徴としては，１）圧縮側の変位増分に― 114 ―

Ｚ型ノンコンプレションブレースの構造システムと数値解析

数値積分には，Newmark の β 法を使用しており，β 値を 1/4（ 平均加速度法），解析の時間増分を 0.005 秒とし，減衰を考慮して減衰定数を 0.02 とする。平均加速度法は，時間刻みの大小に関わらず，無条件に安定かつ発散が生じない。
解析モデルは，柱は２ 節点ビーム要素，梁の各節点は錘の質量を有する２ 節点ビーム要素とする。
図３

解析には，表１に示す断面積，断面２ 次モーメント，配置方法とモデル名称

塑性断面係数，降伏応力度を使用する。また，ブレース材には，軸方向剛性，降伏軸力，ひずみ硬化係数を入力する。
入力地震波は，構造物の終局状況を検討するために，図４に示す EL CENTRO NS 波を最大加速度が 766.2gal（75kine：震度６強相当）となるように基準化したものを使用する。
図４3.1

４．実験結果と考察

EL CENTRO NS 波

架構とブレース

図５−図 13，表２に解析結果を示す。

図２に解析に用いる架構を，表１に架構の断面性能と材料特性を，それぞれ，示す。

図５には，１層，３層，６層の層間変位時刻歴を，図６には１層，３層，６層の層せん断力 - 層間変位関係を，図

架構は，柱を弱軸方向に配置し，柱梁接合部および柱脚７には３層のブレースおよび柱負担層せん断力 - 層間変位をピン接合としたものである。柱が強軸方向である場合関係を，図８には変形領域と地震後残留変位の分布を，図（ラーメン架構である場合），１次許容設計荷重を受けても９には水平最大変位（地盤からの最大相対変位）の分布を，層間変位が 1/200（rad）以内に納まるように設計してい図 10 には架構の振動時変形状態を，図 11 には各層の最大る架構である。

過速度の分布を，図 12 には各層の地震終了時のエネルギー

Z 型 NC ブレースの断面には，柱が強軸方向である場合吸収量を，図 13 にはエネルギー吸収量の比較を，表２にと同程度の保有水平耐力となるような断面を有するものをは解析結果として，固有周期，ブレースの累積塑性変形倍選定している。

率，全エネルギー吸収量を，それぞれ，示す。また，図図３に配置方法を示す。配置方法としては，先ず，Z 型

14 にブレースおよび柱負担層せん断力の模式図を示す。

NC ブレースを各層毎に方向を交互に配置したもの（Z-R），

尚，図７中の柱負担層せん断力は，層せん断力とブレー最下層および最上層を X 型に配置したもの（Z-R+X）をス軸力水平成分の差分（=Q - QB）として算出し，i 層の水選定する。交互に配置することで，正負の水平力に抵抗可平変位（地盤からの相対変位）は i 層と i 層より下層の層能となり，更に，Z - R+X では，最上層および最下層を安間変位量を累加して求め，変位領域は各層の正負の水平最定させることで，変形が一方向に大きく生じないように安大変位をプロットした領域である。エネルギー吸収量は Q定させる。

- δ 関係を積分して求めている。

尚，比較のために，一般的な完全弾塑性型復元力特性を有するブレースを配置したもの（P）として，NC を X 型に4.1ブレースの累積塑性変形倍率配置したものの解析も行う。P のブレースの断面は，Z 型

表２より，ブレースの累積塑性変形倍率は最大でもに配置するブレースの半分程度の断面積となるようにブ16.90 であり，塑性ひずみに換算すると 27,000μ 程度となる。

レースを選定する。

JJS 規 格 に 則 っ た ブ レ ー ス で あ れ ば， 伸 び の 能 力 10 ％（100,000μ）は確保されるので，ブレースの変形性能を超3.2解析方法えることはない。

数値解析には，任意形平面骨組の複合非線形解析プログ
ラム「Combined non-Linear Analysis for Plane frame（CLAP.

4.2f）」を用いる。尚，プログラムをコード修正して，図１○Z - R

中の NC ブレースの復元力特性が利用できるようにしている。

架構の変形状態

図５の層間変位時刻歴より，ブレースが抵抗しない側へと大きな変位が生じると共に，地震終了時においても１層― 115 ―高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・土江葉菜子・澤田樹一郎・松尾（b） Z - R + X（a） Z - R

図５図６（c） P

層間変位時刻歴（b） Z - R + X（a） Z - R彰

層せん断力 Q - 層間変位 δ 関係― 116 ―（c） P

Ｚ型ノンコンプレションブレースの構造システムと数値解析（a） Z - R
図７３層のブレースおよび柱負担層せん断力 QB，QC - 層間変位 δ 関係（a） Z - R（b） Z - R + X
図８（a） Z - R（c） P（b） Z - R + X

（c） P

図９

水平最大変位分布の比較

変形領域と残留変位（b） Z - R + X（c） P

図 11最大加速度分布の比較

図 10 振動時挙動（a） Z - R（b） Z - R + X（c） P

図 12 エネルギー吸収量の分布― 117 ―図 13 エネルギー吸収量の比較

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・土江葉菜子・澤田樹一郎・松尾
表２彰

解析結果

耐力はほぼ等しく，更に，復元力特性は bi-linear 型である。
このように bi-linear 型復元力特性を示すのは，図７，14に示すように，ブレースのせん断力に対して柱のせん断力が逆方向に作用するためである。
但し，いずれの層においても，P の復元力特性とは大き

図 14 ブレースおよび柱負担層せん断力の模式図

く異なる挙動を示している。
目では 150mm 程度の層間変位（層間変形角にして 1/27

○Z - R + X（rad））が生じている。これは，中間層（最下層と最上層

図６より，１層および６層はほぼ弾性挙動を示しており，以外の層）では，ブレースが抵抗しない場合においても上３層目が bi-linear 型復元力特性を示している。３層目が下層のブレースが抵抗するが，１層目では，２層目のブレーbi-linear 型となるのは，上述したようにブレースおよび柱スが抵抗するのみで，正負のバランスが取れない不安定な負担層せん断力が，それぞれ，逆方向に発生するためであ状態になるためである。

る。

また，図８，９からも，１層目に大きな変形が生じており，更に，この Z-R+X は，いずれの層の復元力特性も P と更に，頂部の水平変位を見ても P と比較して３倍近くの類似した挙動を示しており，Z-R で現れたような一方向に値が出ている。そして，変形の状態としては，図 10 より，大きく変位が生じたり，正負の降伏耐力が異なったりする

負方向に大きくたわんだ弓なり状の変形をしており，全体ような不安定な挙動は生じていない。これらは，最上層お的に負方向に大きく傾いて変形しているのは，第１層の影よび最下層を X 型配置して，安定した挙動を示すように響であると考えている。

調整したためと考えられる。

○Z - R + X
図５の層間変位時刻歴より，１層および３層は地震後の4.3

加速度応答

残留変位がほぼ０（mm）であり，６層の残留変位がほぼ

図 11 より，いずれのモデルの最大過速度分布も，逆三10（mm）程度であった。また，図８，９より，変形が集中角形分布となっている。Z-R の１層目が他のモデルより高している層はなく，頂部の水平最大変位を見てもほぼ P目の値を示しているものの，全体的に，いずれのモデルのと同程度の値（± 100（mm）程度）となっている。これは，分布も類似している。

最上層と最下層を X 型に配置することで，上下端は正負

P は，各層が完全弾塑性型復元力特性を示すブレースをの水平力に対して安定した応答を示すためである。また，使用しており，履歴特性はほぼラーメン架構と同じである。

図 10 より，変形状態は各層の変位が交互に生じて複雑なすなわち，P と類似した分布状態であれば，一般的な Ai挙動を示しているが，各層の変位が相殺し合うため，最上分布等を使用した許容応力度設計を行うことが可能である部の変位等は大きくは生じていない。と言え，ブレース架構に Z 型 NC ブレースを配置する場合においても，一般的な設計法が適用できることが分かる。

4.2

各層の復元力特性
4.4○Z - R

エネルギー吸収量

図６より，１層目は，負方向に変位が大きく生じて，そ

図 12，13 より，各層のエネルギー吸収量の分布，およの復元力特性は Z 型 NC ブレース単体の復元力特性に類

び値は，Z-R と P とは分布の傾向が大きく異なっているが，似している（図１参照）。これは，１層の正方向では 750

これは，4.1 節および 4.2 節にも示したように，最下層と（kN）程度の層せん断力を受けても降伏していないのに対最上層の応答が不安定なためと考えている。

して，負方向では 500（kN）程度で降伏しており，正方向一方，Z-R+X と P とは，構造物の総エネルギー吸収量と負方向との復元力のバランスが取れていないためであetotal がほぼ一致し，更に，分布の傾向も類似している。こる。一方，３層目および６層目においては，それぞれ，負れは，それぞれの復元力特性が類似しているためと思われ方向と正方向とに大きく変位しているものの，正負の降伏る。

― 118 ―

Ｚ型ノンコンプレションブレースの構造システムと数値解析

鋼構造年次論文報告集，第 11 巻，pp129-136，2003．
以上より，数少ないモデルでの検討結果ではあるが，Z

11．

型 NC ブレースをブレース架構に適用する場合において，

２）Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU: Cyclic

最上層および最下層を X 型配置すれば，完全弾塑性型復loading tests on Non-compression brace considering

元力特性を有したブレースを配置した構造物と類似した安performance-based seismic design, Journal of定した挙動を示すことが分かった。

Constructional Steel Research, Vol.61, Issue 9,
pp.1310-1317, 2005. 9.

５．まとめ３）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブ
レースの耐震性能向上について，日本建築学会構造系

ブレース架構に Z 型 NC ブレースを配置した架構の数

論文集，第 595 号，pp.131-138，2005．９．

値解析を行い，以下の知見が得られた。
１）ブレース架構に Z 型 NC ブレースを配置する場合に４）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌，小畑寛行：ノンコン

おいても，ブレースの方向を交互に配置すれば，ブレープレッションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力スが抵抗しない方向の水平力が作用しても，水平力は特性，鋼構造年次論文報告集，第 14 巻，pp429-436，

柱を介して上下のブレースに力が分散されて，各層は2006．11．
５）高松隆夫，玉井宏章，岡部政和，古賀稔章：ノンコン

bi-linear 型復元力特性を示す。
２）全層に Z 型 NC ブレースを配置した場合，最上層とプレッションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力

最下層の復元力が不安定になり（正負の降伏耐力が異特性，鋼構造年次論文報告集，第 14 巻，pp349-356，なり），変形集中が生じる可能性がある。

2006．11．

３）Z 型 NC ブレースを用いる配置する場合，最上層と最６）荊尾友裕，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一

下層を X 型配置とすれば，変形集中等は生じない。

郎，松尾彰：Z 型ブレース付き門型ラーメン架構の振このため，各層の復元力特性やエネルギー吸収量は，動応答性状について，日本建築学会中国支部研究報告

完全弾塑性型復元力特性を有するブレースを配置した集，CD-ROM 論文番号 -233，2009．３．
７）高松隆夫，玉井宏章，荊尾友裕，三好行則，山西央朗，

場合と類似した挙動を示す。
４）Z 型 NC ブレースを用いる場合においても，最大過速

澤田樹一郎，松尾彰：２層 Z 型ノンコンプレション度の分布は Ai 分布と同じ逆三角形分布となる。

ブレース架構の振動台実験について，広島工業大学紀謝

要 第 45 巻 研究編，2010，２．

辞８）荊尾友裕，高松隆夫，玉井宏章，三好行則，山西央朗，澤田樹一郎，松尾彰：２層Ｚ型ノンコンプレション弱

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究センター」（代表者

軸方向架構の振動特性について，日本建築学会中国支高松隆夫教授）のプロジェクト研究

部研究報告集，CD-ROM 論文番号 -249，2010．３．の一環として実施されました。

９）土江葉菜子，高松隆夫，澤田樹一郎，玉井宏章，三好行則，山西央朗，荊尾友裕，松尾彰：Ｚ型ノンコンプ

参考文献

レションブレース鉄骨架構に関する振動解析，日本建

１）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレション
ブレースの履歴性状とエネルギー吸収性能について，― 119 ―

築学会中国支部研究報告集，CD-ROM 論文番号 -250，
2010．３．