広島工業大学紀要研究編
第 45 巻（2011）pp.121-126

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１高松ラーメン架構）

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 1 Rigid-frame)
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Teruaki YAMANISHI, Hanako TSUCHIE,
Kiichirou SAWADA and Akira MATSUO(Received Nov. 8, 2010)

Abstract
Non-compression (NC) braces resist only a tensile axial force. A frame with Z-type NC braces
deform in a single side of direction under a cyclic ground motion. An analytical study on frameswith Z-type NC braces was carried out to clarify deformation behavior of the rigid frames. The
following conclusions were obtained from the analytical results: 1) Multi-story frames withsame-directional Z-type braces deform in a single direction under seismic ground motions. 2)
Frames with alternate Z-type braces deform in small top displacement because of multi-degrees
of deformation under earthquakes.
Key Words: non-compression brace, z-type arrangement, rigid-frame, numerical analysis

た際には楔が貫入するので，振動と共にブレースに張力が１．はじめに導入され，架構の変形が一方向に漸増していく。著者等は，ノンコンプレションブレース（以後，NC ブレースと記

この抵抗特性を，振動台実験にて実証している６−９）。

す）は，X 型に配置することで，細長いブレース材を用い更に，２層架構のモデル試験体を用いた振動台実験によても座屈現象およびスリップ現象を起こすことなく，完全り，Z 型 NC ブレースを配置する向きを，１層および２層弾塑性型復元力特性を示すことを明らかにしている

１−５）

。

共に同一方向に配置すれば，各層の層間変位が累加される

ところで，NC ブレース単体では，引張方向の変位増分ので，上層に向う程，構造物の水平変位（地盤からの相対に対してのみ抵抗する特性を有している。このため，架構変位）が大きくなる。一方，１層と２層が逆方向になるよに NC ブレースを Z 型に配置すれば（これを Z 型 NC ブレー

うに配置すれば，各層の層間変位が相殺し合って頂部の水スと呼ぶ），一方向にのみブレースが抵抗すると共に，図平変位は小さくなることが明らかになっている８）。

１に示すように，ブレースに圧縮方向の変位増分が作用し＊＊＊＊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― 121 ―

このように，多層ラーメン架構においては，Z 型 NC ブ

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

楔デバイスの機能と作動の概念
表１

断面性能と材料特性（a） F, Z, ZR

図３

彰（b） FF

配置方法とモデル名称

図２

解析モデルの架構とブレースレースの配置方法を調整することで，地震時および地震後したものである。特徴としては，１）圧縮側の変位増分にの変形状態を制御することができると考えられる。本論文

対して端部が離間することで，圧縮力を負担しない（A）。

では，NC ブレースの復元力特性（引張方向の変位増分に２）楔が端部の離間による隙間を埋めるので，ブレースのは抵抗し，圧縮方向の変位増分には抵抗しない抵抗特性）

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を多層ラーメン構造物に付与することで，架構の振動時おる（B）。

よび地震後の変形状態を制御できることを明らかすること

このため，図１に示すように，Z 型 NC ブレースを配置を目的とする。方法としては，Z 型 NC ブレースの配置方した架構では，正方向載荷に対してはブレースが抵抗する法を変数とした数値解析を行い，変形状態や地震時応答性が，負方向載荷に対してはブレースは抵抗しない。更に，状を検討するものとする。

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て，除荷と共にブレースが抵抗を開始する。このため，繰

２．Z 型 NC ブレース

返し載荷に伴ない架構の変形は一方向へ漸増していZ 型 NC ブレースの概要とブレースのみの復元力特性をく６−９）。

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― 122 ―

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

錘の質量を有する２ 節点ビーム要素とする。
解析には，表１に示す断面積，断面２ 次モーメント，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（75図４EL CENTRO NS 波kine：震度６強相当）となるように基準化したものを使用する。

３．数値解析

４．実験結果と考察

本解析では，Z 型 NC ブレースの配置方法を変数とした

図５- 図 12，表２に解析結果を示す。

数値解析を行い，Z 型 NC ブレースの配置方法により，ラーメン架構がどのような応答性状を示すかを検討する。

図５，図６には，１層および６層の加速度時刻歴を，図７には頂部水平変位（地盤からの相対変位）時刻歴を，図また，比較のために，ラーメン架構のみのモデル（F），８には変位領域と残留変位を，図９には各層の地震終了時Z 型 NC ブレースを設置した場合と同程度の水平剛性を有エネルギー吸収量の分布を，図 10 には１層目の層せん断するように柱梁断面を調整したモデル（FF）の数値解析も力 - 層間変位関係を，図 11 には各層の最大過速度の分布を，併せて行い，比較・検討する。

図 12 には地震終了時の構造物の残留変位を，表２には解析結果として，固有周期，全エネルギー吸収量を，それぞ3.1れ，示す。また，図 13 に楔貫入後における Z 型 NC ブレー解析変数

図２に解析に用いる架構を，表１に架構の断面性能と材ス付き架構の復元力特性の模式図を示す。
尚，図７，図８，図 12 中の，i 層の水平変位および残料特性を，それぞれ，示す。
架構は，柱を強軸方向に配置し，柱梁接合部および柱脚留変位は，i 層と i 層より下層の層間変位量を累加して求を剛接合としたものである。１次許容設計荷重を受けてもめ（地盤からの相対変位を求め），変位領域は各層の正負層間変位が 1/200（rad）以内に納まるように設計していの水平最大変位をプロットした領域である。エネルギー吸る架構である。

収量は各層の Q -δ 関係を積分して求めている。

Z 型 NC ブレースの断面には，ブレース降伏時水平耐力が，架構の保有水平耐力と同程度になるような断面を選定4.1している。

加速度応答

図５より，１層目の加速度応答は，F と他のモデルとで図３に解析変数とモデル名称を示す。モデルには，架構は，あまり対応していない。特に 10 秒〜 20 秒の間は従来のみの F，Z 型 NC ブレースを設置した場合と同程度の水型に比較して低目の加速度となっている。一方，図６より，平剛性を有するラーメン架構の FF，F に Z 型 NC ブレー６層目の加速度応答は，F に比較して Z と ZR とは，１層スを同一方向に配置した Z，F に Z 型 NC ブレースを交互目と同様に対応していない。また，FF は F よりも小さめに配置した ZR の，合計４種類の解析を行う。の分布を示している。
このように，ブレース付架構とすることで，加速度の応3.2

解析方法

答が小さくなる傾向にある。これは，ブレースが導入され数値解析には，任意形平面骨組の複合非線形解析プログたことによる剛性の増大や，図 10 から分かるように，架ラム「Combined non-Linear Analysis for Plane frame（CLAP.

構に比較してブレースは早期に降伏するため，ブレース塑f）」を用いる。尚，プログラムをコード修正して，図１性化に伴う履歴減衰が生じたためと考えられる。
また，図 11 より，Z 型 NC ブレースを配置した場合も中の NC ブレースの復元力特性が利用できるようにしてい最大加速度の分布は逆三角形型となっている。Z 型 NC ブる。
数値積分には，Newmark の β 法を使用しており，β 値レースを配置すると，図 13 の復元力特性の概念図に示すを 1/4（平均加速度法），解析の時間増分を 0.005 秒とし，ように，地震動初期の段階（０-step）の時点では，正方減衰を考慮して減衰定数を 0.02 とする。平均加速度法は，向はブレースと架構を足し合せた剛性 K+，負方向では架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構のみの剛性 K−となっている。この時点では，正負の弾ない。

性剛性が異なるので，同一周期の波に対する正負の応答倍解析モデルは，柱は２ 節点ビーム要素，梁の各節点は率が異なることは明らかである。しかしながら，i-step の― 123 ―高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・土江葉菜子・澤田樹一郎・松尾（a） Z（b） ZR
図５（a） Z（a） Z

１層目の加速度時刻歴（c） FF

６層目の加速度時刻歴（b） ZR
図７（a） F（c） FF（b） ZR
図６（c） FF

頂部水平変位時刻歴（b） Z
図８彰（c） ZR（d） FF

変位領域と残留変位

時点では，楔が振動と共に貫入してブレースに初期軸力を4.2水平変位導入したような状態になっているため，正負の剛性が等し

図７より，頂部の水平変位は，F と比較していずれのモ

く K+ になっている。このように，楔が貫入した荷重下でデルも低目の応答を示している。特に，ZR と FF とは地は正負の応答が等しくなり，一般的なラーメン架構と同様震後の頂部水平変位がほぼ０付近であると共に，図８の変の加速度分布を示すものと考えられる。

位領域や図 12 の残留変位の結果は類似している。

すなわち，一般的な Ai 分布等を用いた許容応力度設計

一方，図 10 に示すように，FF はほぼ線形の挙動を示を行うことが可能であり，Z 型 NC ブレースを配置する場しているのに対して，ZR は早期に降伏して bi-linear 型復合においても，一般的な設計法が適用できることが分かる。

元力特性を示している。このように，Z 型 NC ブレースによる補剛・補強のみで，同程度の剛性を有するラーメン架― 124 ―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） F（b） Z
図９（a） F（c） ZR
エネルギー吸収量の分布（c） ZR（b） Z
図 10（d） FF（d） FF

１層目の層せん断力 Q - 層間変位 δ 関係
表２

図 11

最大加速度分布の比較

図 12

解析結果

残留変位の比較

構と同等の応答性状を得られることが分かる。
次いで，Z においては，Z 型 NC ブレースを全層同一方向に設置しているため，図 12 の頂部の地震後残留変位は70（mm）程度となり，更に，図７の結果より，頂部にお図 13

Z 型 NC ブレース付架構の復元力特性模式図

いて殆ど正方向へ変位が生じていないことが分かる。このように，Z 型 NC ブレースを同一方向に配置すれば，水平ルギー吸収量が少な目ではあるが，分布の傾向はブレース変位を一方向のみに生じさせるように制御することができ付架構と類似している。

ることが分かる。

この様に，Z 型 NC ブレースを配置した場合においても，エネルギー吸収量の分布等は一般的なラーメン架構と同じ4.3エネルギー吸収量であり，特別な検討を必要としないことが分かる。

図９，表２より，各層のエネルギー吸収量の分布，およ尚，FF は，入力波に対して保有水平耐力が高く，ほぼび値は，ブレースを設置している Z と ZR とがほぼ対応し全層が弾性挙動を示したので，塑性変形によるエネルギーている。また，ラーメン架構の F は，ブレースよりエネ吸収は，殆ど行われていない。

― 125 ―

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・土江葉菜子・澤田樹一郎・松尾彰

Constructional Steel Research，Vol.61，Issue 9，５. まとめ

pp.1310-1317，2005. 9.

ラーメン架構に Z 型 NC ブレースを配置し，配置方法

３）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブを変数とした数値解析を行い，以下の知見が得られた。

レースの耐震性能向上について，日本建築学会構造系

１）Z 型 NC ブレースを交互に配置すれば，頂部の水平変論文集，第 595 号，pp.131-138，2005．９．
４）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌，小畑寛行：ノンコン

位は，地震後においてもほぼ０となる。
２）Z 型 NC ブレースを同一方向に配置すれば，地震後のプレッションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力残留変位が発生する方向を制御することができる。

特性，鋼構造年次論文報告集，第 14 巻，pp429-436，
2006．11．

３）Z 型 NC ブレースを用いる場合においても，最大過速度の分布は Ai 分布と同じ逆三角形分布となる。また，

５）高松隆夫，玉井宏章，岡部政和，古賀稔章：ノンコン

交互に配置した場合は，ブレースの履歴減衰や剛性上プレッションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力

昇の影響により，同程度の弾性剛性を有するラーメン特性，鋼構造年次論文報告集，第 14 巻，pp349-356，架構と同等の応答（加速度分布，水平変位領域や地震

2006．11．

後残留変位）が得られる。このため，Z 型 NC ブレー

６）荊尾友裕，高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一

スを用いる場合においても，特殊な設計法を適用する郎，松尾彰：Z 型ブレース付き門型ラーメン架構の振必要はなく，一般的な設計法が適用できると言える。

動応答性状について，日本建築学会中国支部研究報告

謝集，CD-ROM 論文番号 -233，2009．３．

辞７）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：２層 Z 型ノンコンプレション

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

ブレース架構の振動台実験について，広島工業大学紀高松隆夫教授）のプロジェクト研究

要 第 45 巻 研究編，2010，２．の一環として実施されました。

８）荊尾友裕，高松隆夫，玉井宏章，三好行則，山西央朗，

参考文献

澤田樹一郎，松尾彰 : ２層Ｚ型ノンコンプレション弱１）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレション

軸方向架構の振動特性について，日本建築学会中国支ブレースの履歴性状とエネルギー吸収性能について，

部研究報告集，CD-ROM 論文番号 -249，2010．３．

鋼構造年次論文報告集，第 11 巻，pp129-136，2003．

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

11．
２）Hiroyuki TAMAI，Takao TAKAMATSU: Cyclic

レションブレース鉄骨架構に関する振動解析，日本建

loading tests on Non-compression brace considering

築学会中国支部研究報告集，CD-ROM 論文番号 -250，

performance-based seismic design，Journal of

2010．３．

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