広島工業大学紀要研究編
第 ₅₀ 巻（₂₀₁₆）19 – 26

論文

2 層 Z 型 NC ブレース架構の振動台実験と数値解析
高松隆夫*・玉井宏章**・山西央朗***・小松真吾****・中山雅隆*****（平成₂₇年₁₀月₂₉日受付）

Shaking table tests and numerical analysis on two-story Z-type NC braced frame
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Teruaki YAMANISHI,
Shingo KOMATSU and Masataka NAKAYAMA(Received Oct. 29, 2015)

Abstract
The authors propose a Z-type NC braced frame with reduction capability of earthquake response inelastic region by elastic strain energy accumulation. The following conclusions were obtained fromshaking table tests and numerical analyses of one-story NC braced frames. 1) Z-type NC braced framescharacterize one-directional incremental deformation performance. 2) Earthquake responses of theelastic frames can be reduced by function of the energy accumulation. 3) The frames in plastic region
show bi-linear-type restoring force characteristics and therefore they absorb equal level of plastic strainenergy to BRB braced ones. In this paper shaking table tests of two-stories Z-type NC braced frames
are carried out to examine these functions of multi-stories frames. The experimental results clarify theperformance of one-story frames applying to multi-stories ones.
Key Words: two-story, Z-type NC braced frame, shaking table tests, numerical analyses

₁ ．序ダンパーとして機能する₂︶。近年，著者等はこの NC ブレー論

スを鉄骨ラーメン架構に Z 型配置した Z 型 NC ブレース架昨今大地震後における建物の継続使用がさけばれており，構を提案している。この構造システムの最大の特徴は Z 型

主架構の損傷は微々たるものに抑えなければならない。そNC ブレースの性能により架構の層間変形を一方向に漸増のためブレース等の部材に地震のエネルギーを吸収させるさせる一方向漸増変形性能を付与し，弾性ひずみエネル

たとえば ₁︶。

ギーを蓄積できる点である。これまでに ₁ 層架構の研究を従来より用いられている引張ブレースは耐震ブレースとし行い，次のことを明らかにした。振動台実験により₃︶， ₁ ）ての要求に応えることができない。一方，著者等が開発しZ 型 NC ブレース架構は振動時に漸増変形性能を示す。また NC（ノンコンプレション）ブレースは楔デバイスによた，漸増変形性能による振動後残留変形はブレース降伏耐り座屈とスリップ現象を解消したブレースである。NC ブ

力の増加に伴い大きくなる。 ₂ ）数値解析により振動台実レースは完全弾塑性型の復元力特性を描くことにより，大験を良好な精度で追跡できる。また，実大架構の数値解析

地震時に効率よくエネルギーを吸収することができる履歴

により₄︶， ₃ ）Z 型 NC ブレース架構は弾性ひずみエネル

耐震要素が兵庫県南部地震以降急速に広まっている* 広島工業大学工学部建築工学科** 長崎大学工学部工学科*** 広島大学大学院建築学専攻**** 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
─ 19 ─

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・小松真吾・中山雅隆
荷重楔デバイス楔台が移動

荷重

除荷

楔が貫入

抵抗開始

楔受け楔
ばね

楔台

(a)

(b)

(c)

図₁NC ブレースの抵抗機構(d)

ギー蓄積により，履歴ダンパー架構と比較して，弾性地震時の絶対加速度応答を低減できる。 ₄ ）Z 型 NC ブレース
架構はブレース弾塑性時に Bi-linear 型復元力特性を示すため弾塑性振動時には履歴ダンパー架構と同様の地震応答低減効果が期待できる。 ₅ ）漸増変形性能による弾塑性振動後の残留変形をブレース剛性比，入力地震動によらず良好な精度で評価できた。
本論では Z 型 NC ブレース架構を多層へと拡張するため入力に ₂ 層模型試験体の振動台実験および数値解析を行う。実

図₂

入力

Z 型 NC ブレース架構の変形状態

験変数を NC ブレースの配置として多層 Z 型の基本的な振動性状，漸増変形性状を明らかにする。

Qf

₂ ． ₁ 層 Z 型 NC ブレース架構の特徴
図 ₁ に NC ブレースの抵抗機構を示す。NC ブレースはKf

図 ₁ （a）のようにブレース上端に楔デバイスによる接合方

δO法を用いたブレースである。楔デバイスは楔，楔台，楔受け，ばねによって構成されている。楔は，主架構と一体と（a）主架構なった楔台と楔受けとの間に設置されており，主架構やブQb

レースと一体になっていない。ばねは常に復元力が働くように設置している。NC ブレースは圧縮力に対しては抵抗せず，楔と楔受けの間に離間が生じる（図 ₁ （b））。同時にバネの復元力により離間により生じた隙間に楔が瞬時にKbO貫入する（図 ₁ （c））。従って NC ブレースは楔と楔受けの間に緩みが生じず引張力に対して常に抵抗できる（図 ₁δ（b）NC ブレース（d））。以上から NC ブレースは以下の性能を有する。 ₁ ）Q

圧縮力が働かないため座屈しない。 ₂ ）スリップを生じずQby

常に引張抵抗できる。
この NC ブレースを ₁ 層鉄骨ラーメン架構に Z 型に配置すると ₁ 層 Z 型 NC ブレース架構となる。地震時に ₁ 層 Z

0.5QbyAKf+Kb型 NC ブレース架構は図 ₂ のように NC ブレースが抵抗しKfO

δ

ない方向に架構が漸増変形する一方向漸増変形性能を有する。

弾性ひずみエネルギー蓄積量

復元力特性について説明する。Z 型の一方向漸増変形性能により主架構，NC ブレースの復元力特性は図 ₃ （a），
─ 20 ─（c） ₁ 層 Z 型 NC ブレース架構
図₃各復元力特性

2 層 Z 型 NC ブレース架構の振動台実験と数値解析（b）となる。Qf , Qb：主架構，NC ブレースの負担水平力，を効率よく吸収する。地震後層間変形は A 点に収束する。

Qby：NC ブレース降伏水平力，Kf , Kb：主架構，NC ブレー

多層 Z 型 NC ブレース架構の場合は i 番目の層についてスの水平剛性，δ ：層間変形とする。層せん断力 Q は Qf と₁ 層の場合と同様の一方向漸増変形性能や復元力特性を適Qb を合計したものとなり，Z 型 NC ブレース架構の復元力用できると考えられる。

特性としては図 ₃ （c）となる。ブレース弾性状態である時

₃ ．振動台実験と数値解析

は地震時に漸増変形によって生じた弾性ひずみエネルギー₃.₁を架構に蓄積することができ，同図の復元力特性上では着試験体色部分の領域に該当する。この性能が弾性の地震応答低減

図 ₄ に試験体を，図 ₅ にブレースを，表 ₁ に素材特性ををもたらす重要な要素となる。また，NC ブレース降伏後示す。試験体は ₂ 層 ₁ スパンの立体架構であり，各部材はは Bi-linear 型の復元力特性を示し地震時の入力エネルギー全周隅肉溶接接合されている。各層には錘を積載しており，

錘:PL-1000x200x24750

桁:PL-1100x150x25

錘:PL-700x200x28

1,516

桁:PL-965x100x25750

梁:H-100x100x8x6

柱:Box-40x40x2.3。

z36.9

16x1,000
図₄

単位:mm₂ 層試験体920

単位:mm50305

M8210φ9305

部材

図₅ブレース表₁

素材特性σyσu（N/mm₂） （N/mm₂）

鋼種

M8

φ9φ7YRe（％）

柱

STKR₄₀₀₃₇₂₄₇₄₀.₇₈

₁₉

梁フランジ

SS₄₀₀

₃₁₀₄₄₂₀.₇₀

₂₈

梁ウェブ

SS₄₀₀

₃₄₀₄₅₆₀.₇₅

₂₆

ガセットプレート

SS₄₀₀

₃₄₂₄₃₃₀.₇₉

₂₉

σ y：降伏応力度，σ u：引張強さ，YR：降伏比，e：破断伸び─ 21 ─50

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・小松真吾・中山雅隆

₁ 層の質量を ₆₅₅ kg， ₂ 層の質量を ₈₁₀ kg としている。ブさせるだけのばね定数を有し，楔と楔受けの摩擦面についレースは耐力調整用の Fuse を軸部に装着する形式である。ては発錆処理を施して楔デバイスの機能に必要な摩擦係数

なお，一構面に NC ブレースを ₂ 本配置して接合部の偏心を確保している。故に本ブレースは NC ブレースの動作機曲げを回避している。Fuse は図 ₆ に示すもので，予め引張構を有している。

試験を行い，素材特性の確認を行った。引張試験結果を図₃.₂₇ に示す。ブレース上端部の楔デバイスについてはばねと計測計画

計測計画図を図 ₉ に示す。地動加速度 α g，i 層絶対加速

図 ₈ の楔と楔受けを設置する。ばねは楔をスムーズに貫入

度 i α x を加速度計により計測する。計測用架構に取付けた変位計で i 層の振動台からの絶対変位 iΔx を計測し，i 層の34 1628 16 832

層間変位 i δ x を次式により算出する。

厚さ3.2mm

図₆（i＝₁） 1 δ x =1 ∆ x・・・（₁）（i＝₂） 2 δ x = 2 ∆ x −1 ∆ x・・・（₂）

またひずみゲージにより i 層柱のせん断力 iQc，i 層 NC

Fuse（塑性化部位）

軸力(kN)
32086.249.2

1720
5 10 52.547.250.2。
44231.5

9.4 5
14.4

210
110

34151610 10 103050.5
軸方向伸び (mm)0031269

図₇

引張試験結果15単位:mm
図₈ii

楔と楔受け

αx

∆x

計測用架構

iQbi

Qc

計測用架構

:変位計

αg
アクチュエータ
加振方向振動台
図₉計測計画図

─ 22 ─:加速度計:ひずみゲージ

10 10 103081.2

1

2 層 Z 型 NC ブレース架構の振動台実験と数値解析ブレースの負担水平力 iQb を計測する。また i 層層せん断試験体と一致させるため，解析モデルにおいて柱頭および力 iQx は iQc と iQb を合計したものとする。なお，ブレース柱脚部の剛域長さを調整した。NC ブレースは軸ばねで表付の計測用架構は固有周期が ₀.₀₂ s であり本実験の入力波

現し，i 層 NC ブレース降伏水平力および水平剛性 iQby, iKbに用いる正弦波の周期 ₀.₃₃₃ s と比較して非常に短く，計は本実験結果から得られたものとし完全弾塑性モデルとし測が正確に行えるものである。

た。圧縮降伏耐力は ₀.₀₀₁ kN として圧縮力が作用しない特性を再現した。図₁₃に軸ばねモデルの復元力特性を示す。

₃.₃

実験変数と加振プログラム

本実験では振動台のロッキングが無視できないため，振動実験変数を NC ブレースの配置とする。図₁₀のように各台の回転角と転倒モーメントの関係から回転剛性 Ktable＝層同方向に配置したものを A-type， ₂ 層部分を逆方向に配₂₈,₀₀₀ kN・m/rad を算出し，モデル下部の回転ばねに入置したものを B-type とする。加振は一方向の加振とし，図₁₁のプログラムで行った。図₁₁は振動数 ₃ Hz（周期 ₀.₃₃₃1,000s）の正弦波で加振Ⅰでは ₁ 層部分の NC ブレースに Fuseの引張試験結果より得られた降伏耐力の₅₀％の軸力が作用

m2=810kgするように，加振Ⅱでは₁₀₀％の軸力が，それぞれ定常応答750時に作用するよう入力加速度を調整している。加振ⅢはFuse が破断伸びの₉₀％の塑性伸びを生じる入力である。なH-100x100x6x8

お，予備加振として Whitenoise 加振を行い， ₂ 層の絶対加速度のフーリエスペクトルと地動加速度のフーリエスペク

m1=655kgトルの比から i 次の固有周期を求めた。またこのフーリエスペクトル比に₁/√ ₂/法を適用して i 次の減衰定数を算出した。
₃.₄750Box-40x40x2.3z

数値解析モデル
x解析プログラム「SNAP. ver ₆」を用いて解析モデルの作Ktable = 28, 000 kN・m/rad

成，数値積分を行う。図₁₂はモデルの一構面を示す。柱梁は試験体と同断面のものを設定している。主架構の剛性を単位 :mm
図₁₂₂ 層解析モデル

Qbi0.5 iQby

00.5 iKbi0.001kN
A-typeB-type

図₁₀ブレース配置

6α g (m/s2 )−3

1.94m/s20.98m/s20軸ばねモデル復元力特性※₁ 構面当たり4.60m/s230

図₁₃510152025time(s)

−6加振Ⅰ

加振Ⅱ

図₁₁加振プログラム
─ 23 ─δx加振Ⅲ

30

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・小松真吾・中山雅隆

θ table(×10 -4 rad)を ₀.₀₀₂ s とし解析モデルの ₁ 次減衰定数および入力波をExp.

4Ana.

実験で得られたものを入力した。表 ₂ に Whitenoise 加振と2固有値解析結果から得た解析モデルの固有周期を示す。各0-2 0-4520

1510

次固有周期は実験結果とほぼ同じであると判断し本解析モtime(s)

図₁₄デルにて解析を実施する。

振動台回転角時刻歴

₄ ．実験・解析結果
₄.₁

力した。図₁₄に回転角 θ table 時刻歴を実験結果（Exp.）および解析結果（Ana.）を併せて示す。これより実験結果と解時刻歴応答結果（加速度・変位）

図₁₅に各層の絶対加速度応答時刻歴を示す。両 type とも析結果は概ね良好に一致している。

解析結果は各層とも実験結果と概ね良好に対応しているが加振Ⅱにおいて実験結果が解析結果より若干応答が大きく

₃.₅

数値解析概要表れている。これは本実験の楔デバイスが不安定な状態に数値積分は Newmark-β 法（β ＝₀.₂₅）とする。時間刻み表₂試験体なり，NC ブレースが抵抗時にスリップを生じたためであWhitenoise 加振・固有値解析結果

iTExp.（s）iTAna.（s）iTExp./iTAna.

ih

i＝₁i＝₂i＝₁

i＝₂i＝₁i＝₂i＝₁i＝₂

主架構

₀.₁₇₈

₀.₀₅₈

₀.₁₇₅

₀.₀₅₇

₁.₀₂

₁.₀₂

₀.₀₂₃

₀.₀₀₇

A-type

₀.₀₉₇

₀.₀₂₆

₀.₀₉₈

₀.₀₂₈

₀.₉₉

₀.₉₃

₀.₀₂₈

₀.₀₀₈

B-type

₀.₀₉₈

₀.₀₂₅

₀.₀₉₆

₀.₀₂₆

₁.₀₂

₀.₉₆

₀.₀₃₀

₀.₀₁₁

iTExp.，iTAna.：i 次モードの固有周期，ih：i 次モードの減衰定数

Exp.

8Ana.

51015202530

α x (m/s2 )400−4−811

α x (m/s2 )8time(s)Exp.

400−4−8Ana.

581015202530

α x (m/s2 )Ana.

5time(s)Exp.

400−4−8545200−2−415202530

δ x (mm)Ana.
10time(s)4Ana.
51015202530

δ x (mm)

Exp.

202530Exp.

202530202530Ana.
51015time(s)（b） B-type（ ₁ 層）

2

δ x (mm)
1200−2−415time(s)（a） A-type（ ₁ 層）
410

各層絶対加速度応答時刻歴1δ x (mm)1Exp.

30（b） B-type（ ₂ 層）

図₁₅200−2−425Ana.

（a） A-type（ ₂ 層）420（b） B-type（ ₁ 層）

2α x (m/s2 )2Exp.

400−4−815time(s)（a） A-type（ ₁ 層）
810time(s)Exp.

200−2−4（a） A-type（ ₂ 層）Ana.

51015time(s)（b） B-type（ ₂ 層）

図₁₆

各層層間変位応答時刻歴─ 24 ─

2 層 Z 型 NC ブレース架構の振動台実験と数値解析

Exp.

10

520152530

2∆ x (mm)26B-type30
0−3−6∆ x (mm)6time(s)A-typeAna.

B-type300−3−610510−3−21−1−10100−51−3−1−2δ x (mm)110−4−3δ x (mm)−211−3−21−10−10101−4−31−1−10100−4−3δ x (mm)−21−100−101

δ x (mm)

1−4−3−2
110K f = 2.76 kN/mm−1052

最大履歴5K f +2 Kb

5−100
2 K f = 2.83 kN/mm−5−4−3−22−1

10−100−5−10−4−3−2δ x (mm)−102 Q x (kN)

2 Q x (kN)

2 Q x (kN)

2 Q x (kN)

2−51−4−3−22K f = 2.83 kN/mm
2 Q x (kN)

2 Q x (kN)

2 Q x (kN)

20−5−1012234−10

δ x (mm)−2−101

δ x (mm)

最大履歴

552 Q x (kN)

5−10−3K f = 2.83 kN/mm

10加振Ⅰ～Ⅲ

2−10−4210
最大履歴−5−1012（a.₂） A-type₂層（Ana.）

10加振Ⅰ～Ⅲ00

δ x (mm)（a.₂） A-type₂層（Exp.）

5−1

K f +2 Kb

0−52 δ x (mm)101

δ x (mm)

10加振Ⅰ～Ⅲ

最大履歴

0K f +1 K b（b.₁） B-type₁層（Ana.）1051−5（b.₁） B-type₁層（Exp.）

加振Ⅰ～Ⅲ

1

最大履歴−5K f = 2.76 kN/mm−2

δ x (mm)100

δ x (mm)

51 Q x (kN)

1 Q x (kN)

1 Q x (kN)

1 Q x (kN)

−4−1−2

10

5−5−10−3

加振Ⅰ～Ⅲ

K f +1 K b

5−5−4

1

10
最大履歴

0−101

K f = 2.76 kN/mm（a.₁） A-type₁層（Ana.）

10加振Ⅰ～Ⅲ501

δ x (mm)（a.₁） A-type₁層（Exp.）
10−1

K f +1 K b

0−5K f = 2.76 kN/mm−10−4151 Q x (kN)

0−5−4

最大履歴

51 Q x (kN)

1 Q x (kN)

1 Q x (kN)

K f +1 K b

5−510加振Ⅰ～Ⅲ
最大履歴
1−10

頂部絶対変位応答時刻歴10加振Ⅰ～Ⅲ0A-type（b） Ana.

図₁₇530time(s)（a） Exp.

1025

2015020−5−5−10−10K f +2 Kb

122234−1

δ x (mm)012（b.₂） B-type₂層（Exp.）234−10δ x (mm)（b.₂） B-type₂層（Ana.）
図₁₈iQx-iδ x 関係

─ 25 ─K f = 2.83 kN/mm

K f +2 Kb

122δ x (mm)34高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・小松真吾・中山雅隆

る。実験結果および解析結果において各加振の正負応答のB-type で応答に大きな違いは見られなかった。実験結果と絶対値はほぼ同じである。これは Fuse 弾性時において本解析結果は良好に対応している。

実験のような徐々に加振力が漸増する入力では，漸増変形₂ 層部分では最大応答時にも Fuse は弾性であり漸増変も徐々に進展するためである。すなわち漸増変形時 NC ブ形により履歴が生じる。NC ブレース配置方向が異なるこレースの剛性が消失する区間が小さくなる。よって ₁ サイとにより B-type は各 type の ₁ 層部分および A-type の ₂ 層クルのうち漸増変形が生じる負側と引張抵抗する正側の履部分とは復元力特性が点対称となっている。実験結果と解歴に大差が生じないため正負の応答が同等となる。また本析結果の比較では B-type の最大履歴は実験の方がやや大き実験では A-type と B-type で各層の絶対加速度応答は同等でめに現れたが概ね対応している。

ある。

₅ ．結

図₁₆に各層の層間変位応答時刻歴を示す。両 type の各層とも解析結果は実験結果と概ね良好に対応している。Fuseが弾性である加振Ⅱまでは両 type の各層において漸増変形論

₂ 層 Z 型 NC ブレース架構の振動台実験および数値解析を行い以下の知見を得た。

性状が確認できる。違いとして NC ブレースを逆向きに Z₁ ）本実験では多層 Z 型 NC ブレース架構は正負で絶対型配置した B-type の ₂ 層部分では他と比べ逆向きに漸増変加速度応答の大小は生じない。また A-type と B-type の絶対形が起こっている。また ₁ 層部分の Fuse が弾塑性となる加速度応答はほぼ等しい。

加振Ⅲにおいて両 type の ₂ 層部分では加振Ⅱまでと同様漸増変形を生じている。 ₁ 層部分でも生じているが，これに₂ ）多層 Z 型 NC ブレース架構は NC ブレースを Z 型配置した層ごとに一方向漸増変形する。
₃ ）NC ブレース降伏後は Bi-linear 型に近似できる復元はひずみ硬化による Fuse の耐力上昇の影響が含まれている。加振Ⅲ終了後の残留変形はいずれの場合においても実力特性を示す。
₄ ）多層 Z 型 NC ブレース架構では NC ブレースの配置験結果が解析結果よりもわずかに小さい。これは上述にあ方向を変更することで試験体頂部の絶対変位を制御できる。

る楔デバイスのスリップに起因するものである。

₅ ）数値解析結果は実験結果と良好に対応する。
₄.₂

架構の頂部絶対変位

謝

図₁₇に架構頂部の絶対変位 ₂Δx の応答時刻歴を示す。ま辞ず実験結果と解析結果は良好に対応している。次に試験体実験を実施するに当たり本大学大学院生栗原将平さん，の type ごとに比較してみる。実験も解析も A-type の方が本大学学部生上石裕也さんおよび倉本朝水さんには大変なB-type よりも負方向に大きく変位している。その差は加振お力添えをいただきました。ここに記して感謝の意を表しが進むにつれ大きくなっており，振幅が最も大きくなる加ます。

振Ⅲの時には最大で B-type の ₂ 倍以上変位が大きく生じた。

文すなわち B-type の方が絶対変位が大幅に低減されたといえ献るが，これは ₂ 層部分の漸増変形を ₁ 層部分と逆向きにな

₁ ）佐伯英一郎，前田泰史，中村秀司，緑川光正，和田るように NC ブレースを Z 型に配置し，層ごとで変位を相章：実大アンボンドブレースに関する実験的研究，日殺することでもたらされる。すなわち多層 Z 型層 NC ブレー

本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集 第 ₄₇₆ 号，pp. ₁₄₉ – ₁₅₈，

ス架構では NC ブレースの配置方向を変更することで架構

₁₉₉₅.₁₀.
₂ ）玉井宏章，高松隆夫，松尾章：ノンコンプレッション

頂部の絶対変位を制御できる。

ブレースの耐震性能向上について，日本建築学会構造
₄.₃

iQx-iδx 関係系論文集第₅₉₅号，pp. ₁₃₁ – ₁₃₈，₂₀₀₅.₉.

図₁₈に各 type 各層の iQx-i δ x 関係を示す。それぞれ加振₃ ）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，小松真吾，中山雅

Ⅰ～Ⅲまでのものと全加振中最大となる加振Ⅲの ₂₅ s 付近

隆：Z 型 NC ブレース架構の一方向漸増変形性能に関すの履歴を示す。まず，全てに共通する事項として一方向漸る研究，広島工業大学紀要第₄₉巻，研究編，₂₀₁₅.₂.

増変形性能により iKf のみで抵抗する区間と iKf＋iKb で抵抗₄ ）中山雅隆，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，小松真する区間が現れている。さらに iKf において実験結果と解吾： ₁ 層 Z 型 NC ブレース鉄骨架構の地震応答解析，析結果は一致している。

日本建築学会中国支部研究報告集，CD-ROM，論文番

₁ 層部分について両 type とも Fuse が塑性伸びを生じ最大時に Bi-linear 型の復元力特性を示している。A-type と─ 26 ─

号 – ₂₂₈，₂₀₁₅.₃.