広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.77-84

論文

Z 型ノンコンプレションブレース付き２層骨組みの振動台実験と数値解析
高松隆夫 *・玉井 宏章 *・荊尾 友裕 ***・土江 葉菜子 ***山西 央朗 **・澤田 樹一郎 ****・松尾 彰 ****

（平成22年11月４日受付）

Shaking table tests and Numerical analysis of
2-storys-1-bay frame with Z-type non-compression brace
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Tomohiro KATARAO, Hanako TSUCHIE
Teruaki YAMANISHI, Kiichiro SAWADA and Akira MATSUO(Received Nov. 4, 2010)

Abstract
Buckling restraint braces have resistant capability to both tension and compression becauseof blocking buckling phenomena. On the other hand, non-compression braces resist no compression and only tension by function of a wedge device. The buckling restraint braces do not possess such unique capability. Shaking table tests on one story frame with the brace arranged inz-type were carried out to verify one direction vibration and constant convergence.
In this paper, shaking table tests and numerical analysis on two stories frame are carriedout to obtain the same results as the one story tests.
Key Words: non-compression brace, Z-type braced frame, Shaking table tests, Numerical analysis

地震波により振動させると，振動と共に構造物の変形が一１．はじめに方向へ漸増することを明らかにしている。

著者らは，楔デバイスを設置したブレースをノンコンプ

これまで，ノンコンプレションブレースを Z 型に配置レションブレースと呼び，このブレースを用いた１/ ３〜した１層１スパン架構と２層１スパン架構の振動台実験を１/ ４スケールの部分架構試験体で静的載荷実験を行って行い，以下の知見が得られている。

いる。ノンコンプレションブレースは，楔デバイスの機能

１）架構の変形が，振動と共にブレースが抵抗しない側へと漸増していく。

により，ブレースに引張方向の変位増分が作用した場合には抵抗するが，圧縮方向の変位増分が作用しても抵抗しな

２）ブレースが抵抗する側とブレースが抵抗しない側ではい抵抗特性を有している。このため，座屈現象やスリップ弾性剛性が異なる。そして，ブレース端部に生じた間現象を起こさない。また，このブレースを Z 型に配置し隙に楔が貫入し，ブレースに張力が導入されるため，た場合の振動特性についての研究を行っており，構造物を架構の剛性が高くなり，加振前より加振後の固有振動＊＊＊

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＊＊＊

広島工業大学工学系研究科建設工学専攻＊＊＊＊

広島大学大学院工学研究科建築学専攻― 77 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・土江葉菜子・山西央朗・澤田樹一郎・松尾

図１

図２

彰

楔デバイスの作動概念

復元力特性の模式図

図３

数が高くなる。

変形状態

ノンコンプレションブレースは以下の機能を保有してい３）正弦波による弾性加振実験の場合，一方向へ変形が漸る。

増して収束する。収束時には，架構の荷重−変形関係

１）ブレースに引張力が作用すると直ぐに抵抗する。

は，完全な線形関係を示す。

２）圧縮方向変位に対して，ブレース端部がローラー支持

４）正弦波による弾塑性加振実験の場合，一方向へ変形がの状態となっているため，ブレース端部が離間し，ブ漸増して収束すると共に，楔が貫入限界を迎えない限レースには圧縮力が作用しない。このため，座屈現象り，一定の履歴ループを示す。

を起こさない。

５）２層の架構に１層目と２層目にブレースを Z 型で同３）ブレース端部に生じた間隙に，予め設置してある楔がじ向きに配置した場合，１層の架構と同様にブレースバネの復元力により貫入するため，ブレースには緩みの抵抗しない側へ変形が漸増する。

が生じない。

６）２層の架構の１層目と２層目にブレースを Z 型で配以上より，ノンコンプレションブレースには，圧縮力が置方向を交互（１層目と２層目が逆向き）にした場合，作用せず，座屈が生じない。また，楔の貫入によりブレー１層目の変形と２層目の変形が相殺し，構造物頂部でスは緩まないので，細長比の大きなブレースを使用しても，の変形を抑えることができる。

スリップ現象が生じることはない。

このように，新しい抵抗特性を有している。

また，ノンコンプレションブレースを Z 型に配置した

そこで，本論文では，Z 型に配置したノンコンプレショ

場合，図２に示すように，一方向の変位増分には抵抗して，ンブレース付き２層骨組みの振動台実験と数値解析を行逆方向の変位増分には抵抗しない。このため，ブレースにい，振動特性について検討する。

初期軸力を導入したような状態となり，架構の変形が一方向に漸増する。

２．ノンコンプレションブレースの性能

３．実験概要図１にノンコンプレションブレースにおける楔デバイスの作動概念を，図２にノンコンプレションブレースの復元

3.1 試験体力特性の模式図を，図３にノンコンプレションブレースを表１に試験体の素材特性を示す。また，図４に試験体形Z 型に配置したときの変形状態を，それぞれ，示す。

状を，図５にブレースの配置方法を，図６にブレース詳細― 78 ―

Z 型ノンコンプレションブレース付き２層骨組みの振動台実験と数値解析
表１

素材特性

図４

試験体形状

図７

塑性化部位（Fuse）詳細図

φ10

図５

実験変数

図６

ブレース詳細図

図８

楔・楔受け詳細図を，図７に塑性化部位（Fuse）詳細を，図８に楔・楔受

１層目と２層目が Z 型で同じ方向になるようにブレースけの詳細を，それぞれ，示す。

を配置したもの（同方向型），２層目の向きを１層目と逆架構の柱に PL-12x50 を，梁に H-100x50x5x7 を使用し，の方向になるように配置したもの（逆方向型）の２種類と２層１スパンの架構としている。柱と梁，柱とベースプレーしている。また，抵抗特性を確認するために，架構のみのトの接合部には，ガセットプレートおよびリブプレート全試験体の実験も行っている。尚，本実験では，ブレース以周隅肉溶接接合している。尚，ブレースは柱断面の弱軸方外の部位には，各実験時に弾性範囲に留まるような素材特向に設置している。試験体はこの架構を２組並列させ，桁性・断面特性を採用している。

として各層の梁下フランジの中央部に PL-25x100x990 をブレースには，丸鋼棒（M10, φ９）を使用する。ブレー１枚，両端部に PL-25x50x990 を１枚ずつ設置して，ボルスの中央部には，ブレース軸耐力を調整するために，塑性ト接合している。そして，各層の桁の上部には，錘として，化部位（Fuse）を１層目には２枚，２層目には１枚取付

PL-28x200x700 を各層 12 枚（約４kN）積載し，質点の質けている。

量 m を 430kg とする。

楔および楔受けは，発錆処理を施して，静止摩擦係数µ=0.78 とし，楔が滑らないように貫入角度を 45 度としてブレースの配置方法は，ノンコンプレションブレースを― 79 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・土江葉菜子・山西央朗・澤田樹一郎・松尾
表２

固有振動数・減衰定数

表３表４

彰

解析用素材特性水平弾性剛性

図 10

図９加振装置と計測位置

図 11

ブレース引張試験結果

架構の Q−δ 関係

図 12解析モデルいる。また，楔デバイスに用いるバネは，楔を水平移動さ変位を計測するために，ベースプレートに計測用柱せる程度の復元力を有していれば良いので，小さなバネ定H-100x100x6x8 を隅肉溶接接合している。尚，計測用柱は数をもつバネを用いている。

固有振動数を高くし，加振時に変形しないことを確認している。そして，頂部に変位計を設置し，各層の絶対変位Δ1，Δ2（地動に対する相対変位）を計測し，各層の層間3.2 計測方法

変位 δ1（＝Δ1），δ2（＝Δ2 −Δ1）を算出する。

図９に本実験で用いる加振装置と計測位置を，表２に各加速度としては，加速度計から振動台上面の加速度 αb，試験体の固有振動数と減衰定数を，それぞれ，示す。

各層の錘上面の加速度 αt1，αt2 を計測する。そして，試験試験体のベースプレートを振動台に緊結して，振動台を水平方向に加速度加振する。本実験では，先ずインパルス

体各層の層せん断力 Q を加速度より算出する。

実験と SWEEP 実験を行い，その後，正弦波加振実験をまた，ひずみとしては，柱の２断面にひずみゲージを貼行う。インパルス実験から１層目と２層目の減衰定数を平付けて，柱軸方向ひずみ εc1 〜 εc8 を計測する。尚，柱軸均し，試験体の減衰定数を求める。また，SWEEP 実験で方向ひずみは，架構のねじれ等は生じないものとして，架は，1Hz から 20Hz まで 0.1 秒間に 0.01Hz ずつ振動数を上構の１構面のみ計測している。

昇させ，共振曲線から各試験体の固有振動数を求める。また，正弦波加振実験で使用する振動数は，SWEEP 実験に3.3 水平弾性剛性より得られた試験体の固有振動数としている。尚，弾塑性

各水平弾性剛性を表３に示す。

加振実験では，各試験体の振動性状が異なるため，徐々に各試験体の水平弾性剛性を求めるにあたり，ブレースは，加速度を上昇させ，ブレースが塑性化したところで，加速変断面であり，軸方向弾性剛性の算出が煩雑なため，図度を一定に保っている。

10 に示す引張試験結果より軸方向弾性剛性を求めている。
― 80 ―

Z 型ノンコンプレションブレース付き２層骨組みの振動台実験と数値解析（a）同方向型（実験）（b）同方向型（解析）（c）逆方向型（実験）（d）逆方向型（解析）図 13

加速度時刻歴（a）同方向型（実験）（b）同方向型（解析）（c）逆方向型（実験）（d）逆方向型（解析）図 14

層間変位時刻歴― 81 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・土江葉菜子・山西央朗・澤田樹一郎・松尾（a）同方向型（実験）彰（b）同方向型（解析）（c）逆方向型（実験）（d）逆方向型（解析）図 15

変形状態と加振後変位（a）同方向型（実験）（b）同方向型（解析）（c）逆方向型（実験）（d）逆方向型（解析）図 16

層せん断力−層間変位関係― 82 ―

Z 型ノンコンプレションブレース付き２層骨組みの振動台実験と数値解析

素材特性には，完全弾塑性型モデルを用いる。また，架構

5.3 変形状態と加振後変位の水平弾性剛性は，柱上下端部にガセットプレートおよび

図 15 より，振動台実験値と数値解析値は概ね対応してリブプレートが溶接接合されており，柱の曲げ剛性が容易おり，同方向型では，各層でブレースの抵抗しない側へ変に算定できないため，図 11 に示す架構のみの振動台実験形が漸増している。また，逆方向型では，１層目の変位をより算出した水平弾性剛性を用いる。

２層目の変位で相殺し，構造物頂部での変位を抑えることができている。

４．解析概要5.4 層せん断力−層間変位関係

表４に数値解析に用いた材料特性を，図 12 に解析モデ

図 16 から，正方向載荷時には架構とブレースで抵抗し，ルを，それぞれ，示す。
数値解析には，任意形平面骨組の複合非線形解析プログ

負方向載荷時には架構のみで抵抗している。ただし，逆方

ラム「Combined non-Linear Analysis for Plane frame

向型では，２層目のブレースを逆向きに設置しているため，（CLAP．f）」をコ−ド修正し，ノンコンプレションブレー逆の性能が出ている。また，最終状態では，ブレースが塑スの復元力特性が利用できるものを用いる。

性化することで，履歴ループを示している。

数値積分には，NewMark の法を利用しており，値を１/ ４６．まとめ（平均加速度法），解析の時間増分を 0.005 秒としている。
解析モデルは，柱は２節点ビーム要素，梁の各節点は錘Z 型に配置したノンコンプレションブレース付き２層骨の質量を有する２節点ビーム要素とする。尚，柱の断面２組みの振動台実験と数値解析を行い，以下の知見が得られ次モーメントを調整することで，加振実験より求めた水平た。

弾性剛性と等しくなるようにしている。

１）数値解析結果においても，振動と共に架構の変形がブ

また，解析に用いる入力波と減衰定数は，振動台実験とレースの抵抗しない側へ変形が漸増する。また，ノン同じものを用いる。

コンプレションブレースを Z 型に配置することで，正負の水平弾性剛性は異なるが，正負の加速度は等し５．結果と考察い。
２）いずれも振動台実験値と数値解析値は，概ね対応して

図 13 〜 16 に各実験結果と数値解析結果を示す。図 13いる。に加速度時刻歴を，図 14 に層間変位時刻歴を，図 15 に変形状態と加振後変位を，図 16 に層せん断力−層間変位関係を，それぞれ，示す。また，それぞれ図の（a）に同方以上の結果から，Z 型に配置したノンコンプレションブ向型の実験結果を，（b）に同方向型の解析結果を，（c）にレース付き２層骨組みの数値解析においても構造物の変形逆方向型の実験結果を，（d）に逆方向型の解析結果を，に方向性を持たせ，変形のモードを調整・制御することがそれぞれ，示す。

できる。

謝5.1 加速度時刻歴
架構の水平弾性剛性は，図 16 に示されているように正辞本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発セン負で異なるが，図 13 より，正負の加速度の大きさはほぼター」（代表者一致している。これは，徐々に加速度漸増させることで，して実施されました。ここに，感謝の意を表させていただ直ぐに応答が収束して，図 16 の最終状態に見られるようきます。に，正負の弾性剛性が一定の履歴ループを示すためと考え高松隆夫教授）のプロジェクトの一環と参考文献ている。また，２層目の加速度において，数値解析結果より振動台実験結果の方がやや大きくなった。

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，5.2 層間変位時刻歴

鋼構造年次論文報告集，第 11 巻，pp.129-136，2003．

図 14 より，振動台実験では SWEEP 実験の時に楔が貫11.

入するため，変位がわずかに生じた状態から計測を行って

２）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰 : ノンコンプレションブいる。いずれも各層でブレースの抵抗しない側へと変形がレースの耐震性能向上について，日本建築学会構造系漸増している。また，振動台実験値と数値解析値は概ね対論文集，第 595 号，pp.131-138，2005.9.

応している。

３）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌，小畑寛行 : ノンコン
― 83 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・土江葉菜子・山西央朗・澤田樹一郎・松尾彰

プレションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力特特性について，日本建築学会大会学術講演梗概集 B，性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻，pp.429-436．

構造Ⅱ，pp.743-744，2009．8.

2006．11６）土江葉菜子，高松隆夫，澤田樹一朗，玉井宏章，三４）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一朗，松尾彰 :Z次行則，山西央朗，荊尾友裕，松尾彰 :Z 型ノンコン型ブレース付門型ラーメン架構の振動台実験，広島工

プレションブレース鉄骨架構に関する振動解析，日本業大学紀要研究編，第 43 巻，pp.213-220，2009．2.

建築学会中国支部研究会報告集，CD-ROM 論５）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，荊尾友裕，澤田樹一

号 -253，2010．3.

朗，松尾彰 :Z 型ブレース付門型ラーメン架構の振動― 84 ―

文番