広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.135-142

論文

２層 Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動台実験について
高松隆夫 *・玉井 宏章 *・荊尾 友裕 **・三好 行則 **山西 央朗 ***・澤田 樹一郎 ****・松尾 彰 ****
（平成21年10月31日受理）

Shaking table tests of 2-storys-1-bay steel potal framed with Z-type brace
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Tomohiro KATARAO, Yukinori MIYOSHI,
Teruaki YAMANISHI, Kiichirou SAWADA and Akira MATSUO(Received Oct. 31, 2009)

Abstract
Non-compression braces resist no compression and only tension by function of a wedge device. Shaking table tests on one story frame with the brace arranged in z-type were carried out
to verify one direction vibration and constant convergence. Therefore, shaking table tests on
two stories frame are carried out to obtain the same results as the one story tests.
Key Words: non-compression braced, z-type braced frame, shaking table tests

弾性剛性が異なり，構造物の固有振動数は，架構のみと１．はじめにブレースを X 型に配置した架構との間の値を示す。

著者等は，楔デバイスを設置したブレースをノンコンプ
レションブレースと呼び

３）正弦波を入力した弾性加振実験の場合，一方向へ変形１～３）が収束し，変形の漸増が生じなくなる。この時，架構の，このブレースを Z 型に配置した場合の振動特性について研究を行っている。このブ

荷重 - 変形関係は，完全な線形挙動（線形関係）となる。

レースは，楔デバイスの機能により，ブレースに引張方向４）正弦波を入力した弾塑性加振実験の場合，楔デバイスの変位増分が作用した場合には抵抗し，圧縮方向の変位増が機能する限り（楔が貫入限界を迎えない限り），エネ分に対しては抵抗しない抵抗特性を有している。このため，ルギーを吸収すると共に，ブレースが抵抗しない側への座屈現象やスリップ現象を防ぎ，Z 型に配置した構造物に変形を保持したまま，一定の履歴を示す。

地震波を入力して振動させると，振動と共に構造物の変形このような抵抗特性を有しており，これから新たな構造システムを確立できる可能性がある。

が一方向へ漸増する。
４～５）では，１層１スパンの架構にノンコンプ

そこで，本研究では，多層構造物においてノンコンプレ

レションブレースを Z 型に配置した振動台実験を行い，ションブレースを Z 型に配置した場合，どのような影響以下の知見が得られている。

を与えるかを明らかにすることを目的とし，２層１スパン

１）構造部の変形が，振動と共にブレースが抵抗しない側の架構を用いて振動台実験を行う。方法としては，実験変既報の文献

数を２層１スパンの架構へのブレースの配置方法として，へと漸増していく。
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＊＊＊＊

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研究科建設工学専攻＊＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発・研究センター＊＊＊＊

広島大学大学院社会環境システム専攻

架構の固有振動数を有する正弦波を入力する弾塑性加振試― 135 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・三好行則・山西央朗・澤田樹一郎・松尾
表１

図１

図２

彰

素材特性

ノンコンプレションブレースの作動概念

図３

復元力特性

験を行う。

変形状態

３）ブレース端部が移動することで生じた間隙に，予め設置してある楔がバネの復元力により貫入するため，ブ

２．実験概要レースには緩みは生じない。
以上より，ノンコンプレションブレースには圧縮力が作

本実験では，２層１スパンのラーメン架構にノンコンプレションブレースを Z 型に配置して振動台実験を行う。

用せず座屈が生じないため，また，楔の貫入によりブレー２．１

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，ノンコンプレションブレース

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スリップ現象等が生じることはない。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

また，ノンコンプレションブレースを Z 型に配置した力特性の模式図を，図３にノンコンプレションブレースを場合，ブレースに圧縮変形が作用すると楔が貫入し，ブレーZ 型に配置したときの変形状態を，それぞれ，示す。

スに軸力が導入されていくので，構造物の層間変位が一方ノンコンプレションブレースの機能として，以下の機能向に増加していく。このため，構造物の変形を一方向に生が挙げられる。

じるように制御する事が可能となる。

１）架構がいかなる変形状態であっても，ブレースに引張２．２

試験体

表１に試験体の素材特性を示す。また，図４に試験体形変形が作用すると直ぐに引張抵抗する。
２）圧縮方向の変形に対してはブレース端部がローラー支状を，図５にブレース配置方法を，図６にブレース詳細を，持の状態となっているため，ブレース端部が離間し，ブ

図７に塑性化部位詳細を，図８に楔・楔受けの詳細を，そレースには圧縮力が作用しない。このため，座屈現象をれぞれ，示す。
鉄 骨 架 構 の 柱 に は，PL-12x50（SS400） を， 梁 に は起こさない。
― 136 ―

２層 Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動台実験について

ベースプレート : PL 29

ベースプレート : PL 29

図４

図５

試験体形状

図６

実験変数

ブレース詳細図H-100x100x5x7（SS400）使用し，柱と梁を隅肉溶接接合し，で同方向になるようブレースを配置したもの（１・２層同２層１スパンの架構としている。そして，柱と梁および柱方向 Z 型）及び，２層目のブレースを向きを変えて逆方とベースプレートの接合部には，ガセットプレートとリブ向になるよう配置したもの（１・２層逆方向 Z 型）とし，プレートを全周隅肉溶接接合している。尚，ブレースは柱計４種類としている。また，抵抗特性を確認するために，断面の弱軸方向に設置している。試験体は，この架構を２ブレースのない架構のみの実験も行っている。尚，本実験

組並列させ，桁として各層の梁下フランジの中央部に PL-では，ブレース以外の部位は各実験時に弾性範囲に留まる25x100（SS400），両端部に PL-25x50（SS400）を設置して，素材特性・断面特性を採用している。

ボルト接合した立体骨組である。そして，試験体の各層のブレースには，１層目に材長 525mm，２層目に材長桁 の 上 部 に は， 錘 と し て PL-28x200x700 を 12 枚（ 約 ４500mm の丸鋼棒（M10，φ９，SS400）を使用する。全kN）積載し，質点としての質量 m を 430kg とする。

長の中央には，ブレース軸耐力を調整するための塑性化部

ブレース配置方法として，まずノンコンプレションブ位（Fuse）を１層目には２枚２層目には１枚取付け，２レースを１層目のみに設置したもの（１層 Z 型），２層目層目より１層目の剛性を高くしている。ブレースの初期導のみに設置したもの（２層 Z 型），１層目と２層目に Z 型

入軸力に関しては，ナットを軽く締める程度に留めている。

― 137 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・三好行則・山西央朗・澤田樹一郎・松尾

図７

塑性化部位詳細図

図９
図８

彰

加振装置と測定位置

楔・楔受け詳細図

楔および楔受けは，ブレースから伝達される圧縮力の接頂部に変位計を設置し，各層で振動台との相対変位（絶対触面方向分力に対して，接触面における摩擦力により抵抗変位）Δ１，Δ２を計測する。また，各層の層間変位 δ１，δ２し，滑らないようにする必要がある。このため，楔と楔受は，δ１＝ Δ１，δ２＝ Δ２－ Δ１として算出する。尚，計測用

け，楔と楔台との接触面には，発錆処理（塩分濃度５％程柱は加振方向に対して強軸となるように設置している。こ度の食塩水により，２週間程度湿潤状態に保つ）を施して，のため，固有振動数が高く加振時においても振動すること静止摩擦係数μを増大させている。本実験で用いた楔デがないため，計測値としては，それぞれの層と振動台とのバイスは，静止摩擦係数μ＝0.78 であり，楔が滑らない相対変位を計測している。

ように貫入角度を 45 度としている。また，楔デバイスに加速度としては，加速度計から振動台中心位置の加速度用いるバネは，楔を水平移動させる程度の復元力を有してα b，各層の錘上面中心位置の加速度 α t１，α t２を計測する。

いれば良いので，小さなバネ定数を持つバネを用いている。

そして，試験体の層せん断力 Q を加速度より算出する。

２．３

加振装置と加振プログラム

また，ひずみとしては，柱の２断面にひずみゲージを貼

図９に本実験で用いる加振装置と計測位置を示す。

付して柱軸方向ひずみ ε c１ ～ ε c８ を計測する。尚，柱軸方振動台の上に試験体のベースプレートを緊結して，試験向ひずみにおいては，架構の１構面のみ計測し，２倍する体を設置する。加振としては，振動台を水平方向に加速度加振する。振動数と振動台直下に設置した加速度計より得られた加速度を制御値とする。

ことで架構全体のひずみとしている。

３．水平弾性剛性

本実験では，SWEEP 試験と正弦波加振試験をそれぞれの試験体で行う。SWEEP 試験は，１Hz から 20Hz まで 0.1

試験体は，２層１スパンの門型フレーム架構にノンコンプレションブレースを Z 型に配置したものである。

秒間に 0.01Hz ずつ徐々に振動数を上昇させ，共振曲線か試験体の水平弾性剛性評価式を算出するにあたり，図ら試験体の固有振動数を求める。また，正弦波加振試験で10 に示す力学モデルを用い，図 11 に復元力特性モデルを入力する振動数は，SWEEP 試験により得られた試験体の示す。ブレース架構であるので，架構とブレースによるト固有振動数としている。尚，各試験体の性状が異なるため，ラス構造とに分解して，それぞれの剛性を算出した後に，徐々に加速度を上昇させ，ブレースが塑性化したところで，足し合わせるものとする。剛性を算出するにあたり，以下加速度を一定に保っている。の仮定を設ける。尚，各水平剛性は表２にまとめた。

２．４計測方法

１）ブレースは，軸部，軸部と塑性化部位の接合部，塑性変位を計測するために，ベースプレートに計測用柱化部位を含む偏断面を有しており，軸方向弾性剛性の算H-100x100x6x8（SS400）を隅肉溶接接合している。そして，出が煩雑なため，引張実験結果より軸方向弾性剛性を求― 138 ―

２層 Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動台実験について

表２

図 10

水平剛性

力学モデル

図 11

復元力特性モデル

める。また，降伏耐力については，塑性化部位の降伏耐２層目の加速度は⒝のほうが小さい。これは，⒝の１層目力を用いる。

が２層目よりも固有振動数が小さく免震のような効果を発２）ブレースの素材特性には，完全弾塑性型モデルを用い揮したものと考えられる。

る。

⒜，⒝，⒞より，いずれも試験体の負方向に比べ，正方３）架構の水平弾性剛性は，柱上下端部にガセットプレー向の加速度が大きくなっている。これは，１層１スパンのトおよびリブプレートが溶接接合されており，柱の曲げ架構の結果と同様にブレースが抵抗する側は，ブレースの剛性が容易には算定できないため，架構のみの振動台実抵抗しない側より加速度が大きくなるためである。

験より算出した水平弾性剛性を用いる。

また，⒝の１層目にはブレースを設置していないが，上４）ブレースを Z 型に配置し，正方向載荷で抵抗するように設置している。このため，水平弾性剛性は，正方向正負の加速度に差異が生じているのは，２層目に影響されたためと考えられる。

載荷では，架構とブレースの値を足したもの，負方向載荷では，架構のみの値とする。

そして，⒟においては，１層目では負方向の加速度が大きく，２層目では正方向の加速度が大きい。ブレースの設置状態としては，１層目が⒜と同じで，２層目が⒝と逆で４．実験結果と考察ある。２層目については，同様の結果が得られているが，

図 12，図 13，図 14 に各実験結果を示す。図 12 に加速１層目では逆の結果が出ている。これは，１層目が２層目度時刻歴を，図 13 に層せん断力 Q －層間変位δ関係を，からの影響を受けやすいためと考えられる。

図 14 に相対変位時刻歴をそれぞれ示す。

４．２

４．１

加速度時刻歴層せん断力 Q －層間変位 δ 関係

図 13 ⒜に１層 Z 型，⒝に２層 Z 型，⒞に１・２層同方

図 12 ⒜に１層 Z 型，⒝に２層 Z 型，⒞に１・２層同方向 Z 型，⒟に１・２層逆方向 Z 型の実験結果を示す。

向 Z 型，⒟に１・２層逆方向 Z 型の実験結果を示す。尚，⒜から１層目のブレースにおいて，正方向では，フレーいずれかの楔が貫入限界を迎えるまでのデータを使用してムとブレースを足し合わせた剛性で抵抗し，負方向ではフいる。

レームのみの剛性で抵抗したことが良く分かる。そして，⒜，⒝より，１層目の最大加速度がほぼ同じであるが，正方向への変位は，生じなかった。更に，変形が収束して― 139 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・三好行則・山西央朗・澤田樹一郎・松尾

図 12

図 13

加速度時刻歴層せん断力 Q －層間変位δ関係― 140 ―

彰

２層 Z 型ノンコンプレションブレース架構の振動台実験について

図 14

相対変位時刻歴おり，完全な線形挙動を示した。

図 14 ⒜に１層 Z 型，⒝に２層 Z 型，⒞に１・２層同方⒝において，２層目のブレースは１層目と異なり，ブレー向 Z 型，⒟に１・２層逆方向 Z 型の実験結果を示す。

スの剛性が低いため，最大の正方向にもわずかに層間変位ブレースを設置している層においては，SWEEP 試験のが生じたが，全体として変形に方向性を持たせることがで時に楔が貫入してしまうので，負方向へ変位が生じた状態きている。

から計測を行っている。いずれの試験体も，全体では，負⒞では，⒜と⒝におけるブレース設置層の結果と同じに方向へ変形が漸増していくのがわかる。

なったが，⒟では，２層目のブレースを逆方向に配置して⒞においては，前述にも述べたように，２層目は１層目いるため，２層目において⒝とは逆の性能が出ている。

よりも剛性が低く，正方向へわずかに戻っている。⒟では，いずれの試験体においても，変形が一方向へ漸増する性１層目の変形が２層目で相殺されて，最終的に，0.8mm能が得られていることがわかる。楔デバイスの機能により，程度となった。このように，逆方向にブレースを配置するブレースが抵抗しない側へ変形したとき，楔が貫入するこことで，頂部の変形を抑えることができる。とで変形が反対側へ移動すると共に，ブレースが直ぐに抵抗するため，張力を導入するような作用が生じて，構造物５．まとめの変形が一方向へ漸増するためである。また，ブレースを２層鋼構造 Z 型ノンコンプレションブレース架構の振設置していない層では，変形が漸増する現象は生じていな動台実験を行い，以下の知見が得られた。

い。このため，各層における Z 型ブレースの性能は独立

１）１・２層同方向 Z 型にブレースを配置した場合には，していることがわかる。ただし，地震波の入力量について１層１スパンの架構と同様にブレースの抵抗しない一方は，４．１節からもわかるように他層の影響を受ける可能向へ変形が漸増する。

性があるので，架構の応答を検討するには，各層間におけ

２）１・２層逆方向 Z 型にブレースを配置した場合には，る相互の影響を考慮する必要がある。

１層目の変形を２層目の変形で相殺し，構造物頂部での４．３変形を抑えることが出来る。

相対変位時刻歴― 141 ―

高松隆夫・玉井宏章・荊尾友裕・三好行則・山西央朗・澤田樹一郎・松尾謝論文集，第 595 号，pp.131-138，2005. 9．

辞３）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌，小畑寛行：ノンコン
プレションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力特

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」（代表者彰性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 14 巻，pp.429-436.

高松隆夫教授）のプロジェクト研究2006.11の一環として実施されました。

４）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一朗，松尾彰：

参考文献

Z 型ブレース付門型ラーメン架構の振動台実験，広島

１）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレション

工業大学紀要研究編，第 43 巻，pp.213-220，2009. 2．

ブレースの履歴性状とエネルギー吸収性能について，

５）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，荊尾友裕，澤田樹一

鋼構造年次論文報告集，第 11 巻，pp.129-136，2003.

朗，松尾彰：Z 型ブレース付門型ラーメン架構の振動11．

特性について，日本建築学会大会学術講演梗概集，B，

２）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― 142 ―

構造Ⅱ，pp.743-744，2009. 8．