広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 137-142

論文

エネルギーの釣合に基づくノンコンプレションブレースの耐震設計法
高松 隆夫 ・玉井 宏章 ・加藤 孝昌(平成19年10月31日受理)

Earthquake-Resistance Design Method for Non-Compression Brace on Energy Balance

Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI and Takamasa KATO
(Received Oct.31,2007)

Abstract
The authors have proposed a non-compression brace converting a conventional brace by means ofa wedge device. The advantages of the braces are the following: 1) No buckling phenomenon
happens. 2) No slip phenomenon due to plastic deformation of the brace happens. 3) The restoring
force characteristics show spindle-shaped curves.
The non-compression braces are examined on the basis of the energy method.
The following conclusions are obtained from viewpoint of the energy method:
1) The non-compression brace is applicable as an energy absorption damper.
2) The energy absorption capacity of the brace is estimated easily.
3) An earthquake-proof repair method by the non-compression braces can be done very easily.
Key Words: wedge device, energy-method, earthquake-resistance design method, restoring force
characteristics

２）引張力による塑性伸びを生じても，スリップ現象を生１．はじめにじない。

現在，ブレースは鋼構造の耐震補強要素として頻繁に採

３）対にして使用すれば，紡錘型復元力特性を示す。

用されている。しかしながら，在来型引張ブレースは圧縮

４）在来型ブレース端部接合部に楔デバイスを設置するの力を受けると座屈を起こし，引張力を受けるとスリップ現みで，ノンコンプレションブレースに容易に変換でき象を生じるという２つの問題点を有している。

る。

これらの問題点を克服するために，著者等はブレース端

しかしながら，楔デバイスを用いて補強を行っても降伏部接合部に楔デバイスを設置するのみで，圧縮力を作用さ耐力や弾性剛性については，補強前と比較して変化しない

せないことによりブレースは座屈を起こさず，引張力によため，許容応力度等計算法および保有水平耐力計算法におり塑性伸びを生じてもスリップ現象を起こさない性状を持いては，ノンコンプレションブレースで補強することによつノンコンプレションブレースを提案している

１)〜４)

。

る優位性を明確に主張できなかった。

このブレースは次のような利点を有している。

一方，平成 17年６月 28日に公布され，同年９月１日より

１）圧縮力を受けないため，曲げ座屈や局部座屈を起こさ施行された「エネルギー法」が，限界耐力計算法と同等以ない。

上の建築物の耐震安全性を確かめることができる構造計算

広島工業大学工学部建築工学科
広島工業大学工学研究科建設工学専攻137

高松隆夫・玉井宏章・加藤孝昌
表１ 試験体素材特性

図２ ブレース詳細図

図１ 試験体概要図⒜ 楔形状⒝ 楔受け形状
図３ 楔デバイス

図４ 楔デバイス設置図法として適用可能となった５),６)。「エネルギー法」による建コンプレションブレースを X 型に配置した試験体を用意

築物の耐震性能検証法は，各層において保有エネルギー吸する。

収量が必要エネルギー吸収量を超過していることを確認す

柱にはH-100x100x6x8(SS400材)，梁にはH-150x75x5x7

ることである。

(SS400 材)を使用し，通し柱型となるように柱と梁を完全本論文においては，ノンコンプレションブレースを，「エ溶込み溶接接合する。

ネルギー法」の観点から，耐震性能を検討し，耐震設計法のまた，ブレース取付け用のガセットプレート：PL‑9を，えについて示す。その方法としては，実験を行い，得柱と梁に全周隅肉溶接する。ブレース材には，軸部の十分られた復元力特性を示し，これを用いて繰返し水平載荷下な塑性伸び能力を確保できる転造ねじアンカーボルトを使のエネルギー吸収性能を検討するものとする。

用する７)。

２．実験

2.2 ノンコンプレションブレース

ノンコンプレションブレース付き鉄骨架構の正負交番繰

図３〜５に楔デバイス形状，楔デバイス設置状況および返し載荷実験を行い，ノンコンプレションブレースの性能ノンコンプレションブレースの機能を示す。楔デバイス確認を行う。

は，楔，楔受け，楔台およびバネから構成されており，片2.1 試験体概要面摩擦で貫入角度 30度のものを用いる。設置方法は，楔と図１,２にノンコンプレションブレースを設置した試験楔受けをナットと楔台との間に設置するのみであり，非常体の設置状況および試験体形状，ブレース形状を示す。表に簡便な方法となっている。

１に試験体の素材特性を示す。

楔および楔受けは，ブレースから伝達される圧縮力に試験体は，１層１スパンの柱・梁ラーメン架構に，ノンよって滑らないようにするため，接触面には発錆処理を施
138

エネルギーの釣合に基づくノンコンプレションブレースの耐震設計法

図５ 楔デバイス作動概念

け 高 さ：−を 差 し 引 い た 高 さ と な る（＝）。ボルトの材料特性から算定した塑性伸び量，あるいは，必要なエネルギー吸収量から算定した塑性伸び量より，を決定する。

３．実験概要と結果
図６に，実験で用いる載荷装置を示す。鉄骨架構の下梁を反力フレームに固定し，反力柱の柱頭部にピンを介して接合した油圧ジャッキにより水平載荷を行う。載荷は，柱図６ 載荷装置概要

頭部水平変位：δを制御値とした，正負交番漸増繰返し載し，静止摩擦係数を増大させる必要がある。

荷とする。

ノンコンプレションブレースは，X 型にブレースを配置

変位計測は，柱頭部水平変位：δを計測する。荷重計測

し，ブレース下端部に楔デバイスを設置する。

は，ジャッキ先端に設置したロードセルにより水平荷重：

在来型のブレース付ラーメン架構においては，地震外力を計測する。尚，柱および梁は終始弾性範囲に留まり，ブにより，図５のようにラーメン架構が変形すると，左側のレースのみが塑性変形を被る。

ブレース（ブレース L）は伸び変形を起こし，一方，右側のまた，初期載荷時に楔が貫入して弾性剛性が変化するこ

ブレース（ブレース R）は縮み変形を生じる。そのため，引とを防ぐために，ブレースには予め降伏軸力の 50%を初期張側ブレースは塑性伸びを生じてスリップ現象の原因とな張力として導入している。

り，圧縮側ブレースは座屈を生じる。

図７にノンコンプレションブレース付ラーメン架構の実ノンコンプレションブレースにおいては，ブレース L は験結果を，図８に，実験結果より求めた復元力特性モデル

引張抵抗するが，ブレース R では端部が移動して圧縮力はを示す。図７⒜には，水平荷重：と水平変位：δの関係を作用しない。また，端部が移動することにより生じた間隙示す。図７⒝には，せん断力：と水平変位：δの関係をに，楔デバイスが貫入して間隙を埋める。そのため，圧縮示す。図７に示す荷重−変形関係は，紡錘型の復元力特性力は作用せず，更に，いかなる変形下においても伸び変形を示している。これは，ノンコンプレションブレースは座が作用すると直ぐに抵抗を開始する。尚，バネは楔を水平屈を起こさないことと，楔が貫入することによりブレース移動させる程度のバネ定数を有していれば良い。

が引張力にすぐに抵抗できるため，スリップ現象を解消で以上の機能を地震時に発揮させるために，楔デバイスのきることに基因する。図８に示すように，水平力を架構と寸法は，以下の条件を満たすように設計するのが望まし

左右のブレースが負担するせん断力に分解した場合には，い。

架構は弾性状態であり，ブレースのみが塑性化してエネル

１）楔受けは，使用するボルトの座金より一回り大きい平ギーを吸収している。また，ブレースに予め初期張力を導面を有する。
２）図３⒝に示す入しておくことで，ブレース２本分の抵抗剛性を初期剛性の高さは，使用するボルトの座金の厚とできる。

さ以上を有する。

４．エネルギー法

３）接触面の静止摩擦係数により，力の平衡を十分に保てる楔貫入角度：θ を有する。
４）楔の貫入限界高さ：

は，楔の高さ：「エネルギー法」は次の４つの定理に基づく耐震設計法とから，楔受えることできる。
139高松隆夫・玉井宏章・加藤孝昌⒝ 各種抵抗力−水平変位関係⒜ 水平荷重−水平変位関係

図 7 ノンコンプレションブレースの実験結果⒝ 各種抵抗力−水平変位関係⒜ 水平荷重−水平変位関係

図 8 ノンコンプレションブレースの復元力特性モデル

１）１つの地震動により構造物にもたらされる総入力エネ

ノンコンプレションブレースは X 型とすることで，図７にルギーは，構造物の総質量および１次固有周期から求示すように，完全弾塑性型復元力特性を有し，更に，鉛直められる。

荷重を負担するような形式ではない。このため、ノンコン２） 地 震 に よ る 総 入 力 エ ネ ル ギーは，弾 性 振 動 エ ネ ル

プレションブレースを，ダンパーとして取扱うことができギー，累積塑性エネルギーおよび減衰により消費される。この場合，以下のようにしてダンパー同様の方法で性るエネルギーの総和に等しい。

能を決定する。

３）各層の累積塑性エネルギー（必要エネルギー吸収量）

・ダンパーに配分される履歴吸収エネルギー，つまりダンは，構造物全体の累積塑性エネルギーを損傷分布則にパーの必要履歴吸収エネルギーには， 層に分布される基づき配分することにより求められる。

エネルギー値をダンパーの保有水平耐力と層の保有水

４）各層の累積塑性変形性能（保有エネルギー吸収量）は，平耐力の比で乗じた値に加え，稀に発生する地震に対す各層の各要素累積塑性変形性能を累加して求められるダンパーの履歴吸収エネルギーESdpi と，ごく稀に発る。

生する地震に対するダンパーの履歴吸収エネルギーが含まれる。

即ち，「エネルギー法」による構造物の耐震性能検証は，・保有累積塑性変形倍率が，必要累積塑性変形倍率を上回

各層毎に，保有エネルギー吸収量が必要エネルギー吸収量る必要がある。

よりも大きくなることを確認することである。
ノンコンプレションブレースは引張にのみ抵抗するの５．ノンコンプレションブレースの性能評価法

で，ブレース材の素材特性が得られれば，保有エネルギー5.1 性能評価吸収量は容易に算出できる。

「エネルギー法」では，ダンパーの定義は，完全弾塑性型

降伏耐力・弾性剛性はブレース材の大きさを変えること復元力特性を有し，鉛直荷重を支えない構造としている。

で調整でき，エネルギー吸収量はブレースに保証されてい140

エネルギーの釣合に基づくノンコンプレションブレースの耐震設計法

る塑性変形量の範囲内であれば，楔デバイスの寸法により平成分として調整できるため、非常に容易に設計を行なえる。と同様のまた，ダンパーとしての保有累積塑性変形率の換算にえる。これらより，一般的なブレースえ方により，必要な剛性や保有水平耐力を得るための，ブレース断面積を決定する。

は，初期剛性，降伏耐力，全塑性耐力，最大耐力，限界変２）ノンコンプレションブレースは，ダンパーとして使用

形(最大変形)，累積塑性変形を用いる。ノンコンプレションできるため，ダンパーに必要な保有エネ ル ギー吸 収

ブレースでは，これらの各パラメータを以下の様に設定で量，ブレースの数，断面積，降伏応力度から，式(1)をきる。

用いて，楔貫入限界高さ：を算定する。

・初期剛性は，図７に示すように，初期張力を予め与えておくことで，ブレース２本分の抵抗剛性を初期剛性とで5.4 ノンコンプレションブレース付きラーメン架構の耐きる。

震設計における利点

・転造ねじアンカーボルトを使用することにより，軸部のノンコンプレションブレース付きラーメン架構の利点は

塑性伸び能力が充分に確保でき，降伏比が低く降伏棚が以下のようなものとなる。

得られることより，降伏耐力，全塑性耐力，最大耐力を・ノンコンプレションブレースの貫入量は，ブレースの塑ほぼ一定値とえる。また，その耐力は，降伏応力度と性伸び量とほぼ一致するため，ブレースの微量を設定す軸部断面積を乗じた値となる。

ることで，容易に楔貫入限界量を設定できる。つまり，使・限界変形は，楔貫入限界を迎える時のブレース塑性伸び用限界量を容易に設定でき，エネルギー量の調整が簡単量とする。に行える。
・ノンコンプレションブレースは，引張軸力にのみ抵抗す5.2 保有エネルギー吸収量る抵抗機構を有しているので，図２に示すような細長い地震外力によりブレースが伸ばされ，楔が貫入限界に達材を使用しても，スリップ現象・座屈現象等を起こすこ

すると，楔デバイスが機能せず，スリップ現象を示すこととはない。このため，従来型の引張ブレースと同等の断になる。このため，ノンコンプレションブレースの保有エ面積・細長比をもって，安定した履歴性状を示す。

ネルギー吸収量は，楔の貫入限界によって決定するものと・ノンコンプレションブレースは，楔貫入限界を迎えるまする。

で緩まないため，中小地震時においても，エネルギーダいかなる載荷下においても，ノンコンプレションブレーンパーとして使用することが可能である。また，大地震

スは単調に伸ばされるのみである。このため，ブレースが時においても，同様のことが言える。

完全弾塑性型の素材特性を有するとすれば，X 型に配置し・復元力特性が紡錘型を示すため，エネルギー吸収効率にたノンコンプレションブレースが保有する保有エネルギー優れている。
「エネルギー法」では，平吸収量：に，従来型が示すスリップ型復元力特性と，ノンスリッ＝は，以下の式により求められる。
σの判定

プ型が示す完全弾塑性型復元力特性が検討されており，・・・(1)

ここに， ：配置されているブレースの本数，塑性率

完全弾塑性型であればスリップ型と比較して半分の値で：ブレー良いとされている。つまり，構造物としての塑性変形をスの断面積， σ：ブレースの降伏点である。

抑えることが明らかとされている。
・ノンコンプレションブレースは，転造ねじボルトを使用

地震により，ブレースに大きな塑性変形が起こった場合しているため，設置・解体が非常に簡便である。このたは，地震後に，ブレース材を交換するのみで補修作業は完め，ブレースが十分に塑性伸び変形をして，ブレース交了する。

換期を迎えても，その補修作業は手間が掛かからない。

尚，ブレースには塑性変形が蓄積されるため，十分な伸

また，ブレース材のみの交換で良いので，特殊な材や工び 能 力 の あ る 転 造 ね じ 付 ブ レース を 使 用 す る 必 要 が あ程を得ることなく，コスト的に従来型と同等で，管理・

７)

る 。

維持費を抑えることができる。

６．まとめ

5.3 ノンコンプレションブレースの設計について
ノンコンプレションブレースの設計のえ方を以下に示

ノンコンプレションブレースを「エネルギー法 の観点かす。

ら，検討を行い，その性能評価および設計法について

１）X 型に配置し，耐力はブレース１本分の降伏軸力の水した結果を以下に示す。

平成分，水平剛性はブレース２本分の軸弾性剛性の水察

１）ノンコンプレションブレースの復元力特性は紡錘型復141高松隆夫・玉井宏章・加藤孝昌

元力特性となり，「エネルギー法」に記されているダン鋼構造年次論文報告集，第 11巻，pp 129‑136,2003.11.

パーとして使用できる。

２）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブ

２）ブレース材の素材特性が分かれば，降伏耐力はブレーレースの耐震性能向上について，日本建築学会構造系

ス断面性能により，保有エネルギー吸収量は，本論文

論文集，第 595号，pp 131‑138,2005.9.

で示す(1)式により，容易に調整ができる。

３）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌，小畑寛行：ノンコン

３）地震後における，ノンコンプレションブレースの耐震プレションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力特補修・改修工法が非常に容易に行える。

謝性，鋼構造年次論文報告集，第 14巻，pp 429‑436,2006.
11.

辞４）高松隆夫，玉井宏章，岡部政和，古賀稔章：ノンコン

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

プレションブレース付き鋼構造骨組の振動台実験，鋼高松隆夫教授）のプロジェクト研究の構造年次論文報告集，第 14巻，pp 349‑356,2006.11.

一環として実施されました。

５）秋山宏：エネルギーの釣合に基づく建築物の耐震設

また，試験体作製にあたりフルサト工業株式会社には，計，技報堂出版，1999.11.

転造ねじアンカーボルトを提供していただきました。ここ

６）国土交通省国土技術政策総合研究所，他：「エネルギーに記して謝意を表します。

参の釣合に基づく耐震設計法の技術基準解説及び計算例

文とその解説」，日本建築センター，2005.10.

献７）㈳日本鋼構造協会：建築構造用転造ねじアンカーボル

１）高松隆夫，玉井宏章，小待明宏：ノンコンプレション

ト・ナット・座金のセット，JISII 13‑2000,2000.6.

ブレースの履歴性状とエネルギー吸収性能について，

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