広島工業大学紀要研究編
第 51 巻（2017）177-182

論文

原点立上り型復元力特性を有するブレースを設置した
１層鋼構造物に関する研究
山西央朗＊（平成28年11月１日受付）

A STUDY ON PORTAL-FRAME WITH BRACE HAVING BUILD-UP-FROMORIGIN-POINT-TYPE
Teruaki YAMANISHI（Received Nov. 1, 2016）

Abstract
R-brace own the performance of residual deformation reduction in a steel building. This paper
shows performance of residual deformation reduction and earthquake response behavior of the steelbuildings with R-brace obtained by the numerical analysis. The response behavior is similar to thebuildings with earth-quake magnitude and the usual design technique can be applied to capacity ofR-brace. The damage concentration of story in usual buildings can be decreased by the R-brace.
Key Words: moment resist frame with brace, build-up-from-origin-point-type, seismic analysis

ト形式接合部の抵抗特性は部材軸力から支配的な影響を受

１ 序論

ける３）ため，制振ダンパーを設置した架構に導入するには，制振ダンパーは地震時の水平力に対して効率よく抵抗・高度な設計技術を要する。

エネルギー吸収するが，一方で，架構の層間変形角とダンそこで，本研究では，セルフセンタリング性能が期待できパー力の位相差により，弾塑性領域においては地震後，架る原点立上り型復元力特性４）,５）を，ブレースに付与したシス構に残留変形を生じさせる可能性を有している。これは，紡テムを提案する。当該システムの最大応答，従来の紡錘型履錘型の復元力特性を示すラーメン架構にも該当する（図１参

歴形状と比較したときの残留変形の変化について議論する。

照）。すなわち，制振（履歴型）ダンパーにより制振設計を適用した鋼構造物においては，架構の応答を低減する利点

当該システムの特徴は，・ブレースによりシステムを構築するので，既設構造物へと共に，地震後の残留変形が生じ易いという問題を内包している。の導入が可能である。
・ブレース設置可能な構面があれば，制振ダンパーと併用

このような残留変形の問題に対し，各接合部にエンドプレート形式を採用し，緊結要素であるボルトにポストテン可能である。
・比較的低容量から実現できるため，小規模構造物にも適ションを導入することで原点を指向する復元力特性を架構用可能である。に付与し，内部応力の釣合のみで架構の残留変形を抑制す

本論文では先ず，ブレースに原点立上り型復元力特性を１）,２）る“セルフセンタリング”が提唱されている。しかし，これらは既設構造物への導入が難しく，また，エンドプレー＊＊＊付与する工法を実験的に検証し，次いで，１層１スパンラー
メン鋼構造物に適用した場合の効果を吟味する。

広島工業大学工学部建築工学科― 177 ―山西央朗
バネ(楔用)

楔受け
ナット

楔溶

接接合

ブレース

鋼管支持台
楔台
鋼管ナット01

ナット台
バネ
鋼管

鋼管ナット02

図1

ラーメン架構の層間変位と層せん断力
図2R-brace の構成

２. 原点立上り型復元力特性を有するブレース（R-brace）
圧縮方向

ここでは，原点立上り型復元力特性を有するブレース（以後，R-brace と記す）の構成・機構を示す。

02.1

T

R-brace の構成

R-brace の構成を図２に示す。片端に楔，楔受け，バネ，楔台で構成される“楔デバイス”を配置し，更に，ブレース

TY軸部全体を覆う鋼管，鋼管ナット 01・02，バネ，バネ台で構成される“圧縮変位吸収機構”を設置している。

02.2

0R-brace の機構（動作と復元力特性）

次いで，動作を図３に，同図の記号に対応した復元力特性概念を図４に示す。架構からの変位は，ガセットプレー

0

ト，ナット台または楔台を介してブレースの軸方向変位として入力される。ここでは，ナット台は不動，楔台のみが0移動すると考えて各種挙動を以下に列挙する。また，初期T値を変位０として表現する。

引張方向

O
O~AA~BC
C~OO~D
O
O~A

ブレース
楔デバイス
楔台 , ナット台
圧縮変位吸収機構

・楔台が右方向に変位すると，ブレースは引張の弾性抵抗を開始し，引張方向への変位入力を続けると引張降伏・

図3

R-brace の動作

塑性伸びを呈する。（O → A → B）
・除荷すると，弾性剛性で荷重は低下する。引張軸力が０となると楔受けが楔から離間して抵抗力が喪失し，抵抗force（brace axial）

力が０のまま変位０に向かう。この機構により，①ブレーA

BE

スには圧縮変位が入力されない。（C → O）
尚，この時，楔台と楔受け（右側ナット）間の相対距離が広がると，楔がバネの力により常に楔台と楔受け間に貫入を続ける。この動作により，楔台と楔受け間の物理的な隙間は解消され続けるので，引張方向の変位入力にDOC対して，直ぐに抵抗を開始する機構を確保できる。
・楔台が，変位０よりも左方へ変位すると楔台から鋼管ナッ― 178 ―deform.

（wedge stand）

図4

R-brace 単体の復元力特性

原点立上り型復元力特性を有するブレースを設置した 1 層鋼構造物に関する研究がある。図５の接触面における静止摩擦係数 μ と接触面角

ブレースからの圧縮力
楔受け楔PN

PC:圧縮力: 垂直反力接触面の静止摩擦力

PFD度 θD との関係式を展開すれば，・・・・・・・・・・（1）

D: 静止摩擦力となる。期待される静止摩擦係数より，接触面角度＝楔の力の平衡状態
接触面の垂直反力

角度を決定すれば，ブレースからの圧縮力（ブレース引張軸

図5力抵抗時）に楔と楔受けは固着し，図４の機能を確保できる。

楔デバイスの力の平衡状態

1,00020（a） ブレース

ここでは，R-brace の部材実験概要と，その実験結果を示し，R-brace の復元力特性を議論する。

25

11.56φ8stainless pipe（φ25）

図62010850（b） 鋼管

３. R-brace の部材実験
252550505brace（screw bar M20）

5058663.150

図６，７にブレース，楔デバイス，圧縮変形吸収機構と（c） 鋼管用留め駒

ガセットプレート周りの詳細を示す。

部材実験試験体

brace

部材実験概要ブレースには M20 の全ネジ鋼を用い，楔デバイスの楔

wedge device

は平鋼溶接接合で構成，楔受けは極厚鋼板を切断・切削加

wedge standnut stand

工して作成，圧縮変形吸収機構は薄肉円形鋼管と鋼管端部pipepipe stopper 02

pipe stopper 01に設ける交換用ナットに替わり簡易留め駒を設置する。
載荷は，ナット台を固定してブレース台にブレース軸方

wedge device

bracenut stand向変位 δ を入力して実施する。載荷プログラムは図８に示

wedge stand

すように，漸増・漸減載荷とする。

pipe
pipe stopper 02

pipe stopper 01

3.2

図 7 R-brace 部材実験セットアップ

部材実験結果

図９に実験結果として，ブレース軸力 T - ブレース軸方

δ向変位 δ 関係を示す。ブレース軸力は，ブレースが引張変δ形を受ける領域でしか発生しておらず，更に，降伏・塑性Cycle

伸びした後においても原点より抵抗を開始しており，図４に示す履歴形状が再現できることを実証できた。
図8以上より，単一のブレースにより図３に示す挙動を示し

部材実験載荷用プログラム

たが，更に，図 10 に示すように R-brace を X 型に配置すト 01 が接触抵抗し，鋼管ナット 02 のナット台からの物理ることで，原点立上り型復元力特性を実現できる。従って，的離間を生じさせる。この機構により，楔台と楔受け間のR-brace においては X 型に配置した場合を基本として，以相対距離の広がりを回避でき，鋼管ナット 02 とナット台後の議論を行う。

間の物理的離間が解消されるまでは，引張方向の変位入力がなされても，ブレースは抵抗しない。
（O → D → O）

４. １層１スパン架構の時刻歴地震応答解析

すなわち，変位０より圧縮側の領域においては，ブレーここでは，１層１スパン架構の時刻歴地震応答解析を実スはいかなる変位入力に対しても抵抗力を発揮しないこと施して，R-brace による残留変形低減効果を議論する。解となる。

析には，複合非線形解析プログラム CLAP. f を用いる。

・その後，変位０より引張方向へ変位が入力されると，ブ4.1

レースは直ぐに弾性抵抗を開始する。

解析対象

ラーメンのみの架構，一般的な小規模鋼構造物に用いられ2.3

楔デバイスに関する基礎技術

４）る引張ブレース（=G-brace と呼び，スリップ型復元力特性楔デバイスの機能を確保する上で，ブレースに引張軸力を示すもの）を導入した架構の応答・残留変形を従来の応答が作用したときに楔と楔受けが摩擦力により固着する必要とする。これに対し，ラーメン架構に R-brace を導入したも― 179 ―

山西央朗
表１150T（kN）

No.

100

-10-505δ（mm）

beam

mm

002

□-300x300x12

H-400x250x8x13300

0.1503□-300x300x9

H-300x200x8x12810

0.40

H-250x175x7x11

1,2200.60□-200x200x12

H-298x149x5.5x8

1,4000.7006□-200x200x9

H-250x125x6x9

1,5200.7507□-200x200x6

H-200x150x6x9

1,6500.8008□-300x300x12

H-400x250x8x13

3000.1509□-300x300x9
ラーメン架構 □-300x300x6

H-300x200x8x12

8100.40

H-250x175x7x11

1,2200.60□-200x200x12

H-298x149x5.5x8

1,4000.70

12□-200x200x9

H-250x125x6x9

1,5200.75

13□-200x200x6

H-200x150x6x9

1,6500.80

ラーメン架構 □-300x300x6+

G-brace+R-brace表２

story shear forceR-

columnbraceeracstory drift anglebR-

図 10R-brace を X 型に配置した場合の復元力特性

１次固有周期

ブレース水平力負担率

1次固有周期-sec

00.4390.150.356

0.40

0.338

0.60

0.310

0.700.3100.750.299

0.800.293

表３

入力加速度

（a） 水平方向

図 11

ブレース水平力負担率2011

図 9 ブレース軸力 T －ブレース軸方向変位 δ 関係

ブレース断面積mm
H-350x250x9x141010梁断面mm
ラーメン架構 □-300x300x16050

柱断面010450

時刻歴応答解析変数

フレーム解析モデルのの応答・残留変形を用いて，R-brace の有用性を議論する。

（b） 鉛直方向

earthquake

direction

maximum acc.
galnoteel centro

NS510

for 50 kine

taft

EW492

for 50 kine

BCJ-L2-356

4.2

earthquake

direction

maximum acc.
galGravity

UD981

解析結果と考察

表１, ２に解析変数，１次固有周期，入力加速度を，図図 12, 13 に解析結果の一例として, el centro を入力した

11 に解析モデルの構成を示す。先ず，ラーメン架構のみの場合のラーメン架構のみ，ブレース水平力負担率 β=0.40

モデルとして，柱に□ -300x300x16，梁に H350x250x9x14の場合の G-brace，R-brace の層せん断力 – 層間変形角関を 用 い た も の を 設 定 す る。 次 い で， 柱 断 面 を □係と層間変形角の時刻歴を，それぞれ示す。また，各解析-300x300x12~ □ -200x200x6 の間で変化させ，梁は接合部の最大・最小応答と，地震後の残留変形として最終ステッ係数が 1.2 程度となるよう設定する。更に，保有水平耐力

プの層間変形角の分布を図 13 に示す。

がラーメン架構のみの場合と同一となるブレース断面を設

図 12，13 より，先ず，ラーメン架構のみでは紡錘型の復定し，システムとしての保有水平耐力に占めるブレースの元力特性を示すため，地震動後に 0.0025（rad）程度の残留割合を，ブレース水平力負担率としている。なお，１次固変形が生じている。次いで，G-brace を導入することで履歴

有周期はおよそ 0.3~0.4 秒の範囲にある。

形状は変化しているものの，残留変形は生じ，更に，最大応図 11 の解析モデルには，柱，梁に断面性能を入力し，答はやや大きくなっている。これは，スリップ現象によってブレース部としては原点立上り型復元力特性を再現したせ繰返し載荷時のエネルギー吸収効率が低減したことに基因ん断バネを架構に並列に設定して，ブレースによる弾性水したものである。そして，R-brace を入れた場合は，残留変平剛性と降伏水平耐力を入力している。

形は０となり，更に，最大応答も低減している。このように，最後に，時刻歴応答解析には表３（a）に示す３種の波R-brace は紡錘型の復元力特性を示すラーメン架構と並列にを入力する。また，解析ステップは 0.0025 秒刻みとして設置しても，残留変形低減効果を発揮することが分かる。
更に，図 14 より，R-brace は β および入力地震波によいる。
― 180 ―

原点立上り型復元力特性を有するブレースを設置した 1 層鋼構造物に関する研究
0.015

600

0.010.005

r (rad)Q story (kN·m)

400
20000-0.005

-200

-0.01

-400-0.015-600-0.015 -0.01 -0.0050010

θ(rad)（a） ラーメン架構
600

R-brace

0.015

G-brace

-200

0-400

-0.01

-600
-0.015 -0.01 -0.005-0.01500.005 0.01 0.015

0102030

4050

600

600

400

400

200

200

00-200-200-400-400
0θ(rad)0.005 0.01 0.015

6070（b） 0.15
0.015
0.010.005r (rad)Q story (kN·m)

70-0.005-600-0.015 -0.01 -0.005

0-0.005-0.01-600-0.015 -0.01 -0.005

0θ(rad)0.005 0.01 0.015-0.0150102030

40time(sec)

50（c） 0.40

60

70 0

1020300.015
0.01

2000.005

r (rad)

400

0-200

0-0.005

-400

-0.01

-600
-0.015 -0.01 -0.005-0.01500.005 0.01 0.015

01020304050（d） 0.606070（d） 0.60

6000.015

4000.01200

r (rad)

0.005

0-200

0-0.005

-400

-0.01

-600
-0.015 -0.01 -0.005

0-0.0150.005 0.01 0.015

r (rad)01020304050（e） 0.706070（e） 0.70

600

0.015
0.01

2000.005

r (rad)

400

0-200

0-0.005

-400

-0.01

-600
-0.015 -0.01 -0.005-0.01500.005 0.01 0.015

r (rad)r (rad)010

2030（f） 0.80

40506070（f） 0.80
図 13

層せん断力－層間変形角関係（el centro）― 181 ―

40time(sec)（c） 0.40

600

Q story (kN·m)

60

G-brace（b） 0.15

Q story (kN·m)

500.005

0r (rad)Q story (kN·m)

40time(sec)

R-brace0.01200

図 1230（a） ラーメン架構r (rad)Q story (kN·m)

400200.005 0.01 0.015

層間変形角の時刻歴（el centro）

50

6070

山西央朗

0.02

0.02

ri (rad)0.04

ri (rad)0.04

0-0.02max
minresidual

-0.04
00.2

0.4

0.6

brace strength ratio : β

宏：セルフセンタリング導入による鋼構造骨組の残留-0.02

変形低減効果，日本建築学会大会学術講演梗概集（北-0.04

海道），pp.765-766,2004.8.
00.04

0.02

0.02

max
min
residual
00.2

0.4

0.6

0.8

pp.22₃-230, 2007.2.

構造系論文集、第 76 巻 第 660 号、pp.397-₄05、2011.2.
0ri (rad)ri (rad)max
minresidual
0.40.6brace strength ratio : β0.20.40.6

brace strength ratio : β0.8４）アンカーボルトを多数配列したノンスリップ型露出柱脚の復元力特性 – 無軸力下の場合のセルフセンタリ（d） G-brace（taft）

0.02

0.8（e） R-brace（BCJ-L2）
図 14

荷 実 験， 日 本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 集， 第 612 号，

ルト多数配列型露出柱脚に関する研究、日本建築学会

0.020.2

形低減をめざしたセルフセンタリング柱脚の開発と載-0.020.040２）池永昌容，長江拓也，中島正愛，吹田啓一郎：残留変引張軸力領域を含む変動軸力と曲げを受けるアンカーボ

0.04

00.8-0.04

brace strength ratio : β-0.04

0.6３）山西央朗、高松隆夫、玉井宏章、澤田樹一郎、松尾彰、（c） R-brace（taft）

-0.02

0.4

0

ri (rad)ri (rad)

0.04

-0.04

0.2

brace strength ratio : β（b） G-brace（elcentro）（a） R-brace（elcentro）-0.02

１）中島正愛，吹田啓一郎，池永昌容，松宮智央，倉田真

00.8

0

参考文献

ング性能 –、山西央朗、高松隆夫、玉井宏章、松尾彰、
日本建築学会構造系論文集、第 621 号、pp.155-162、2007.11.
５）楔デバイス付接合部を有する架構の地震応答性状、高0

松隆夫、玉井宏章、澤田樹一郎、景山朋定、山西央朗、-0.02

日 本 鋼 構 造 協 会 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集、 第 20 巻、-0.04

pp.807-₈14、2012.11.
00.2

0.40.6brace strength ratio : β0.8（f） G-brace（BCJ-L2）

最大・最小応答と残留変形の分布ることなく，いずれも残留変形を解消している。一方，

G-brace の場合は図 13（d）より，ラーメン架構のみの場合よりも大きな残留変形角が生じている場合もあり，更に，βが増大すると最大・最小応答は増大する傾向にある。
これより，R-brace の応答・残留変形低減効果が架構の弾性剛性増大（短周期化）によるものではないことが分かる。

５. 結論
原点立上り型復元力特性をブレースに付与する工法の提案，部材実験，１層１スパンの時刻歴地震応答解析を実施し，以下の知見を得た。
１．提案したブレースを X 型に配置することにより，ブレースに原点立上り型復元力特性を付与できることを明らかにした。
２．原点立上り型復元力特性を付与したブレースをラーメン架構に導入することで，最大応答を低減，架構の残留変形を解消できることを明らかにした。

― 182 ―