広島工業大学紀要研究編
第 51 巻（2017）77-84

論文

非対称 Z 型 NC ブレース架構の静的載荷実験
高松隆夫＊・玉井宏章＊＊・小松真吾＊＊＊・栗原将平＊＊＊＊（平成28年11月１日受付）

Static loading tests on anti-symmetric Z-type NC braced frames
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Shingo KOMATSU and Shouhei KURIHARA（Received Nov. 1, 2016）

Abstract
The authors reached the conclusion from shaking table tests and seismic response analyses thatanti-symmetric Z-type NC braced frames show seismic response reduction performance due to accumulated elastic strain energy based upon incremental torsional deformation. Static loading tests
on the NC braced frames are carried out to estimate the incremental torsional deformation behavior
in detail. From experimental results, the incremental torsional deformation is clariﬁed based upon
monotonic increase of torsional moment.
Key Words: NC brace, Anti-symmetric Z-type, Static loading testsに検討できていない。

１. はじめにそこで，本論では漸増捩り変形性状をより詳細に検討することを目的に，1 層 1 スパン架構試験体の静的載荷実験

著者等は，端部に楔デバイスを設置することで圧縮力がを実施した。

作用しないノンコンプレションブレース（以下，NC ブレースと呼ぶ）を開発した。

２. 非対称 Z 型 NC ブレース架構の力学特性

図３のように，NC ブレースを Z 型かつ非対称に配置した非対称 Z 型 NC ブレース架構の開発・研究を行っている。
本架構の特徴は次に示すとおりである。

2.1

楔デバイスの作動概念

NC ブレースはその一端部に楔デバイスと呼ばれる装置（1） 振動時，層間捩り角が一方向に漸増する特性（以下，漸増捩り変形と呼ぶ）を生じる。

を設置したブレースである。楔デバイスは，図２（a）に示すように，楔，楔受け，楔台，バネにより構成される。

（2） 漸増捩り変形の弾性ひずみエネルギー蓄積により，楔デバイスの作動概念は，図１に示すように平面架構に弾性時の絶対加速度，速度応答等を低減できる。

NC ブレースを Z 型に配置した，Z 型 NC ブレース架構に（3） NC ブレース弾塑性時には，Bi-linear 型復元力特性水平力が作用した場合で説明できる。また，図２（b）～（d）を示す。に楔デバイスの様子を示している。先ず，ブレースが圧縮

文献１）では，振動台実験並びに実大架構の数値解析をされる方向の水平力が作用すると，図２（b）のように楔行い，本架構は上記（1）～（3）の性能を有することを明と楔受けの間に離間が生じる圧縮力が作用しない。離間にらかにしたが，漸増捩り変形の詳しい機構については十分

よって生じた間隙には，（c）に示すようにバネの復元力に＊＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

長崎大学工学部工学科＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学系研究科知的機能科学専攻＊＊＊＊

広島工業大学大学院工学系研究科建設工学専攻― 77 ―

高松隆夫・玉井宏章・小松真吾・栗原将平

図１

Ｚ型 NC ブレース架構

図２

図３

楔デバイスの様子

非対称 Z 型 NC ブレース架構

図４

z 軸回りのつり合いよって楔が貫入する。そのため，水平力の除荷を開始する

ここに，Kθ：主架構の捩り剛性，bQYi, bQXi：Yi, Xi 構面と NC ブレースには引張変位が生じるので，（d）に示すよ

ブレース負担水平力，kYi, kXi, ckθj：Yi, Xi 構面骨組の剛性，うに直ちに抵抗を開始する。水平力が繰り返し作用するこ柱 j の捩り剛性。とで，平面架構の変形が一方向に漸増する（一方向漸増変MT が単調増加することが漸増捩り変形の機構であり，形）。

これは図３の x 方向に繰返し水平力が作用する場合で説明できる（図５）。簡単のため，ブレース系が負担する水平2.2

漸増捩り変形機構

力のみを考えるとともに，剛性偏心は考慮しない。

引張力のみ作用する NC ブレースを図３のように配置しまず，（a）のように水平力 P が作用すると，Y１構面ブたとき，各構面のブレース負担水平力は重心 G に同一回

レー ス のみ が抵 抗して MT は 1/2P･l と なる。次に，（b）

転方向の捩りモーメントを生じさせる。この捩りモーメンのように水平力が ΔP 除荷されると，Y１構面ブレースにト MT が生じたときの捩り角 θ は，図４に示す z 軸回りのは除荷により，Y２構面ブレースには直ちに生じる引張抵モーメントの静的なつりあいから，（１）式のように表せる。

抗により，それぞれ正方向に 1/2ΔP の水平力が作用して x方向の力がつりあう。これにより，MT は除荷後において（1）も変わらずに保持される。（b）における MT は 0 ≤ ΔP ≤2P，すなわち，外力の大きさが |P| 以下の領域で保持され，― 78 ―

非対称 Z 型 NC ブレース架構の静的載荷実験（b）試験体伏図

図５

MT の単調増加（a）Y1 構面軸組図
図６

区間の下限 ΔP=0 が（a）に，上限 ΔP=2P が（c）に対応試験体する。（c）から水平力が ΔP 増加して，水平力の大きさが|P| を超えることで，（d）に示すように MT は再び上昇する。
（d）において，P+ΔP が増加してブレース降伏水平力

試験体中心部の載荷位置にはピン設置するため，ボルト

bQy に達したとする。ブレース材料を完全弾塑性と仮定し孔を設けた小梁（H-150×150×7×10）に，更に小梁を２た場合，ブレースの耐力は降伏水平力 bQy 以上とならない本直行して，溶接接合している。また，床の面内剛性を高ので，ブレース降伏時の降伏捩りモーメント MTy=1/2bQy･lめるため，水平ブレース（M16）を採用計８本配置していが限界であることが分かる。（e）には（a）→（b）→（c）る。これらのブレースに張力を導入しており，載荷時，水→（d）に至るまでの MT の時間的変化を示す。

平力を伝達できるようにしている。
表１に構成部材の素材試験結果，表２に試験体の諸元を

３. 実験概要
3.1示す。本試験体の主架構は載荷点の剛性を高めるため，梁試験体断面を大きめに設計したため，柱先行降伏型となっている，

図６に試験体を示す。試験体は１層１スパンの立体架構

ただし，応力解析により求めた主架構降伏時の層間変形角である。柱には□ -60×60×6（STKR400），梁には H-150

は 1/85rad となっており，3.5 節で後述の載荷プログラムの×150×7×10（SS400）を使い，接合部は梁通し型となっおいて主架構が塑性化することはない。ている。本架構に図３のように NC ブレースを設置できる3.2ように，ガセットプレート（t=12,SS400）及びリブプレーブレースと楔デバイス

ト（t=12,SS400）設けている。また，ブレース抵抗時に軸図８にブレースを示す。ブレースの材質は，みがき棒鋼

心のずれによる偏心の影響を排除するため，１構面にブの SGD-400D であるが端部を転造ねじとするために軸部レースを２本配置とできるガセットプレートとなっていを引抜架構して縮径したため，表３に示すように 0.2％オる。

フセット耐力による降伏応力度 σy, 引張強さ σu が 400 級鋼― 79 ―

高松隆夫・玉井宏章・小松真吾・栗原将平表１部材の素材試験結果

表２

図７

試験体諸元

ガセットプレートとブレースの図心（a）M6（φ：5.3）（a）楔デバイス（b）楔（b）M8（φ：7）
図８
表３ブレース（単位：mm）

ブレースの素材試験結果（c）楔受け
図９（d）楔台，反力板
楔デバイスと詳細寸法

材としてはかなり高く，また破断伸びは小さくなる。M6（軸2部φ：5.3mm），M8（軸部φ：7mm）の２種類を採用する。
主架構に対するブレース系の剛性は M6：1.69 倍 , M8：3.083倍となっている。
図９に楔デバイスの構成及び詳細を示す。楔の限界貫入

ここに，tMxj, tMyj：x, y 方向 j 柱の柱頭側曲げモーメント，量（NC ブレースが機能する限界の楔移動量）はブレースbの有効長さ 1410mm に対して約 4.0% となっている。

ひずみゲージ間隔，σt：ブレースの応力度，Ab：ブレース

Mxj, bMyj：x, y 方向 j 柱の柱脚側曲げモーメント，hb：柱の断面積，θb：ブレース取り付け角である。
3.3

計測方法

変位計は，各構面の梁図心に設置し，Yi,Xi 構面変位

図 10 に試験装置，ひずみゲージの位置及び変位計設置

δYi, δXi を計測する。荷重 P は油圧ジャッキの先端に取り位置を示す。ひずみゲージは，柱：２断面（１断面あたり付けたロードセルにより計測する。

４枚），梁：２断面（１断面あたり４枚），ブレース：３断面その他の実験値の計算方法をまとめる。層間変形 δx, x,（１断面あたり１枚）に貼付け，それぞれ，柱：x, y 方向 j

y 方向の変位計より求めた捩り角 θy, θx, 平均捩り角 θ，層柱の負担水平力 cQxj, cQyj, ブレース：ブレース負担水平力

せん断力 Qx, Kθ・θ：主架構の抵抗モーメントは以下のよQ を計測する。

うに算出する。

b― 80 ―

非対称 Z 型 NC ブレース架構の静的載荷実験
表４実験変数（b）試験体伏図
試験体中央ピン

図 12載荷プログラム

生じる捩り変形を拘束しないように，3 種類のピンを組み（a）Ｙ１構面軸組み図
図 10

図 11

実験装置，計測計画合わせた。それぞれ，反力梁に設置したピン：鉛直軸回りの回転を拘束しない，ロードセル端部に設置したピン：y
軸回りの回転を拘束しない，試験体中央に設置したピン：4

鉛直軸回り及び y 軸回りの回転を拘束しないように設置している。試験体中央部のピンの詳細を図 11 に示す。この5ピンは，内部にシャフト，外部にベアリングをはめ込めるプレートにより構成されている。ベアリングには，自動調6心ころ軸受を採用し，軸受の円滑な回転を妨げないようになっている。
載荷方法は，図３における x 方向の正負交番漸増繰り返し載荷を行う。制御方法は，変位制御とし，外周構面の最大層間変形角が± 1/1000, ± 1/500, ±1/250, ±1/150rad とここに，fQYi, fQXi：Yi, Xi 構面フレーム（柱２本分）の負なるように載荷する（図 12）。各層間変形角のサイクルは担水平力である。

２回繰り返す。なお，M6 Type は± 1/250rad に続き ±1/125rad の載荷を行う計画としたが，ブレースがネジ部3.4

実験変数で早期に破断したため，他３試験体は上記のように ±1/125rad を± 1/125rad に代えて行っている。

表４に実験変数を示す。実験変数は，ブレース径２種類とブレースの初期張力の有無であり，ブレースの初期張力

4. 実験結果

は，Yi 構面ブレースにのみブレース降伏時水平力の 50%4.1（0.5・bQy）を導入する。

漸増捩り変形

図 13 に M8 Type の θy, θx を， 図 14 に M8-T Type の3.₅載荷方法

θy, θx を，横軸を載荷サイクルとして，示す。また，それぞれ，ブレースがネジ部で破断した時点まで表示している。

載荷は，油圧ジャッキよりピンを介して行う。本架構に― 81 ―

高松隆夫・玉井宏章・小松真吾・栗原将平

図 13

M8 Type の θy,θx

図 14

M8 Type の θy,θx

図 15

M8 Type の MT

図 16

M8 Type の MT

図 18

M8 Type の θ

図 19

M8 Type のθ（a）M6 Type
図 17

MT -θ

θx はある制御値で見ると１サイクル目で漸増捩り変形し，２サイクル目は変わっていない。対して，M8-T Type はほとんど変化していない。
図 15 に M8 Type の MT, Kθ・θ を，図 16 に M8-T Typeの MT, Kθ・θ を示している。また，MT はブレースの弾性（b）M6-Type
図 20範囲まで示している。Kθ・θ は主架構の抵抗モーメントでM6, M6-T Type の θあり，MT とつりあうため，両者は逆対称となることが確認できる。M8 Type の MT は θy, θx と同じように，１サイ

θy, θx は両者ともに，概ね対応しており，載荷中は床が剛クル目に単調増加し，２サイクル目は変化していない。対体的に回転していることが確かめられる。M8 Type の θy,して，M8-T Type は終始，変化していない。
― 82 ―

非対称 Z 型 NC ブレース架構の静的載荷実験

図 21

図 22

MT（1/1000rad）（a）正載荷時（b）除荷開始時（c）除荷終了時（d）負載荷時
図 23

QYi-δYi（1/1000rad）

b

図 24

M8 Type のΣbQYi, ΣcQxj － δx

図 26

ブレースの抵抗状態

図 25

M8-T Type の P －δx

M8-T Type のΣbQYi, ΣcQxj

図 27― 83 ―M8 Type の P －δx高松隆夫・玉井宏章・小松真吾・栗原将平

ここで，MT と θy, θx の平均値 θ の関係を図 17 に示す。

スの破断までΣcQxi-δx 関係は両者ともに線形関係であり，主架構は弾性範囲であることがわかる。

MT と θ は比例関係であることが確認できるため，MT と θは同じ性状を示した理由がわかる。図 18，19 には θ の実

図 26，図 27 に M8 Type，M8-T Type のブレース破断

験値と計算値を示しており，これらは対応していることかまでの P-δx 関係を示す。ここでも M8 Type は弾性時に履ら，MT を捩り剛性 Kθ で除すことで θ を追跡できること歴が生じており，両者ともブレース降伏後は，bi-linear 型が わ か る。 ま た，0.5・bQy の 初 期 張 力 を 導入した M8-Tの復元力特性を示している。

Type は初期状態において M8 Type のブレース降伏後と５. まとめ同じθを生じており，また，θ は変化していない。
図 20 に，M6,M6-T Type の θ 及び θ の理論値を示す。

本研究では，非対称 Z 型 NC ブレース架構の漸増捩りθ は，M8 Type と比較して小さくなっているが，これは変形のより詳細な検討を目的として，静的載荷実験を行っブレース径を小さくしたことにより，限界の MT も小さくた。以下に得られた知見を記す。

なったためである。また，図 17 の θ は MT に比例すると１．θ は実験値と理論値が対応するとともに，MT が単調ともに，θ の理論値と対応していることがわかる。

増加することで漸増捩り変形する。
２．ブレースに 0.5bQy の初期張力を導入することで，θ は4.2 MT の単調増加変化しない。

図 21，図 22 に 1/1000rad の１サイクルまでの MT, bQYi-３．|P’| の範囲では MT は保持され，以前経験していたδYi を，その時のブレースの抵抗状態を図 23 に示す。図|P’| より大きくなることで増加する。

23 中の P’は，P にΣfQYi を減じた値で，重心に作用する

４．本架構は，弾性で履歴を生じ，弾塑性では bi-linear 型の復元力特性を示す。

P の内，ブレース系が負担する成分である。
まず，初めの正載荷時，P’に対して，Ｙ１構面ブレース今後の課題が抵抗している（①）
。Ｙ２構面では，ブレース端部の楔受けが離間し，圧縮力が作用しないため，δY2 のみが進行し既往の数値解析により，質量偏心させた非対称 Z 型 NCている（①’）
。また，MT は増加している。次に除荷開始時

ブレース架構は偏心の影響を受けないことを知見として得は，P’が減少しているのに対して，Ｙ１構面ブレースは水た２）。今後は，試験体に偏心荷重を作用させた実験を行い，平力が減少するが（②），Ｙ２構面ブレースが抵抗している偏心が無い場合と比較して，偏心を有する非対称 Z 型 NCことがわかる（②’）
。これは，Ｙ２構面の楔が離間した際ブレース架構の妥当性を検討する。に直ぐに楔が貫入することで，除荷開始時から即座にブレースが抵抗できるためである。ここでは，MT は変化していな謝い。除荷終了時から負載荷時には，ブレースの抵抗状態が辞

両側構面の抵抗からＹ２構面に移行し，Ｙ１構面の楔が離本研究を進めるにあたり，広島工業大学教授 高松隆夫先間することで，Ｙ１構面ブレースは圧縮力に抵抗していな

生には，丁寧かつ熱心なご指導を賜りました。また，大学いことがわかる。また，MT は増加した。

院生の方々には，細かな点まで適切に，且つ親切に対応をして頂いたことにつきまして，ここに感謝の意を表します。

ここで，P’と MT に着目すると，正載荷時，P’は増加しMT が増加する。除荷開始・終了時，P’は除荷で減少し，終了時に方向が変わり正載荷時と同じとなり，MT は変化し参考文献ていない。MT が再び増加するのは負載荷時に P’の絶対値|P’| が増加した時である。このように，|P’| が増加すれば

１）小松真吾，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗：１層非対MT は増加し，これまでに経験した |P’| の範囲では MT は一

称 Z 型 NC ブレース架構の地震応答低減に関する研定であることがわかる。

究，日本建築学会構造系論文集，第 79 巻，第 705 号，pp.1677-1685,2014.11
4.3

復元力特性

２）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗 , 小松真吾，栗原将平：

図 24，図 25 に M8 Type，M8-T Type のブレース破断

偏心を有する非対称 Z 型 NC ブレース架構の地震応答

までの，ΣbQYi-δx,ΣcQxi-δx 関係を示す。M8 Type は初期性状，広島工業大学紀要，研究編，第 50 巻，pp.27-

からΣbQYi-δx に履歴が生じるのに対して，M8-T Type は32，2016.2

初期張力を導入したため弾性時には履歴が生じず，ブレース降伏後は紡錘型の復元力特性を示している。また，ブレー― 84 ―