広島工業大学紀要研究編
第 41 巻（2007）pp. 101-108

論文

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性
高 松 隆 夫＊ ・玉 井 宏 章＊
加 藤 孝 昌＊＊・小 畑 寛 行＊＊＊

（平成18年10月30日受理）

Restoring Force Characteristics of Steel Framed Structure Strengthened
by Non-compression Brace
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI
Takamasa KATO and Hiroyuki KOBATA(Received Oct. 30, 2006)

Abstract
In this paper, horizontal loading tests of rigid frames with braces attached by high-strength
bolts were carried out in order to examine the applicability of the non-compression braces
to rehabilitation of existing structures. The K-shaped braces as well as the X-shaped ones
were employed to clarify the deformation behavior of strengthened frames and the cycliccharacteristics of the frames showed spindle-shaped. The following conclusions were drawn fromthe experimental results. 1) No buckling phenomenon happens. 2) No slip phenomenon due toplastic deformation of the brace happens. 3) The restoring force characteristics show spindleshaped curves.
Key Words: non-compression braces, repeated load experiment, restoring force characteristics,
steel frameを提案している４），５）。

１．は じ め に

このブレースは次のような利点を有している。１）圧縮

現在，ブレースは鋼構造の耐震補強要素として頻繁に採力を受けないため，曲げ座屈や局部座屈を起こさない。２）

用されている。しかしながら，在来型ブレースは圧縮力を引張力による塑性伸びを生じてもスリップ現象を起こさな受けると座屈を起こし，引張力を受けるとスリップ現象をい。３）対にして使用すれば紡錘型復元力特性を示す。４）生じるという 2 つの欠点を有している。これらの欠点を克在来型ブレース端部接合部に楔デバイスを設置するのみ服するために様々な工夫を施したブレースが提案されていで，ノンコンプレションブレースに変換できる。

１）
〜３）

る

本論文においては，既存鋼構造建築物の耐震補強にノン。

これまでに，著者等は，ブレース端部接合部に楔デバイコンプレションブレースを適用することを試みる。そのたスを設置するのみで，圧縮力を作用させないことにより座めに，鋼構造ラーメンに容易にブレースが取り付けられる屈を起こさず，引張力により塑性伸びを生じてもスリップように，ブレース端部接合部とラーメンとの接合には高力現象を起こさない性状を持つノンコンプレションブレースボルト接合を採用している。ブレース設置形式としては X＊＊＊

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＊＊＊

広島工業大学大学院工学研究科土木工学専攻― 101 ―

高松隆夫・玉井宏章・加藤孝昌・小畑寛行

型と K 型の２種類を選び，ノンコンプレションブレース性型となる。また，座屈を生じないことから，細長比の大付き門形ラーメンの繰返し水平載荷実験を行い，ノンコンきなブレースを利用でき，比較的大スパンの架構に対してプレションブレースによる耐震補強方法の有効性についても，過大な断面寸法を有するブレースを用いる必要がない。

検討する。

３．試 験 概 要

２．ノンコンプレションブレースの概要

ノンコンプレションブレースを X 型及び K 型に設置した場合の補強効果と復元力特性の差異を検討するため

以下に，ノンコンプレションブレースの概要を示す。に，１層１スパンの鉄骨架構にノンコンプレションブレー2.1スを設置した試験体を作製し，繰返し漸増振幅水平載荷実構成についてノンコンプレションブレースを有する１層１スパンのフ験を行う。

レームを Fig.1（a），（b）に，ブレース端部の詳細を Fig.2
3.1（a），（b）に，それぞれ，示す。

試験体

転造ねじボルトの一端は，楔及びテーパーのついた座

試験体の概要及びノンコンプレションブレース端部の詳金を介してダブルナットにより端部接合部に接合されてい細を Fig. 1（a），（b）及び Fig. 2（a），（b）に，それぞれ，る。端部接合部において，楔やナットを受けるプレートに示す。
試験体は，柱と梁を剛接とした１層１スパンの門形ラーは面外変形拘束のためにスチフナが溶接されており，柱やメンの対角方向に，丸棒鋼，楔と楔受けからなる２本のノ梁に高力ボルト接合されている。
楔とテーパー付座金には，大きな摩擦係数が確保される

ンコンプレションブレースを高力ボルト接合により設置しように発錆処理が施されている。また，楔の垂直面には楔た試験体（X-Type）と，梁の中央部と下部の柱梁接合部が間隙に滑らかに貫入するようにバネが設置されている。

中心部を結ぶ軸心に，ノンコンプレションブレースを高力ボルト接合により設置し補強した試験体（K-Type）の２2.2種類および無補強試験体を用意した。X-Type は，架構構機構

ブレース付き門形ラーメンに地震水平力が作用すると，面方向の図心から偏心距離 50mm の位置にブレースを設

ブレースは引張り方向には効率よく引張抵抗し，ブレース置する。K-Type は，柱や梁の図心から偏心が生じないよ全体が塑性変形して地震エネルギーを吸収する。一方，ブうに，柱及び梁のウェブ位置に設置する。楔・楔受けの傾

レースは圧縮する方向にはブレース端部が離間し，ブレー斜角度：θ は 45°とした。

スには圧縮力が作用しないため座屈は生じない。この端Fig.3 にブレース材の詳細を示す。

部に間隙が生じると楔に取り付けられたバネの復元力によ

楔受けプレートとブレース軸心とを直交させた端部接合

り，楔がテーパー付座金と楔受けプレートとの間の間隙に部を柱及び梁フランジにボルト接合により設置する。

貫入して，ブレースは緩みを生じない。よって，ブレースブレース材には，ネジ部の引張耐力を軸部の降伏耐力以の復元力特性は，スリップ現象を生じることなく完全弾塑上に設定されている，転造ネジ付き丸棒鋼（M16，軸部直Fig.1

試験体概要― 102 ―

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性

Fig.2

ノンコンプレションブレース端部接合部詳細

グラムは，層間変形による変位制御とし，層間変形を階高

径 14.5，ABR400）を用いた。
また，柱には，H-100x100x6x8 の SS400 材を使用し，梁で除した層間変形角：θ の振幅を 1/1000，1/500，1/250，には，H-148x100x8x9 の SS400 材を使用した。転造ネジ

1/150，1/100［rad］の順に漸増し各振幅レベルで２サイク付きブレースの素材特性を Table 1 に示す。

ル行う。楔が貫入限界に達するまで載荷を行い，貫入限界に達した後，1 サイクル行った時点で終了する。

3.2

尚，ブレースには，降伏耐力の 50％を初期軸力として載荷方法

載荷装置の概要を Fig.4 に示す。試験体は，反力梁の上与えた。

部に高力ボルト接合されている。反力柱に設置されたオイ
ルジャッキから上部の柱梁接合部位置に水平力を作用させ

3.3

計測方法

る。架構の構面外変形を防止するために，加力点近傍を鋼荷重計測として，オイルジャッキの先端に取り付けた板で設け挟み込み，拘束することで構面外変形を防いでいロードセルから水平荷重：Q と，ブレース下部に取り付ける。反力梁と試験体との接合には，十分な数の高力ボルト

たロードセルから左右のブレース軸力：TL，TR を計測を使用しているため，すべりは生じない。

した。変位の計測として，梁中央点の水平方向変位：d の載荷方法は，繰返し漸増振幅水平載荷とする。載荷プロ

計測は，下部の梁の中央位置を計測基準点とし計測冶具を用いて計測した。
層間変形角：θ は計測した水平変位：δ から次式によりTable 1 転造ネジ付きブレースの素材特性求めることができる。

Fig.3 ブレース形状

Fig.4― 103 ―

載荷装置概要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の場合には，常に，２本のθ ＝ δ/H…（1）

ブレースが水平荷重に対して抵抗していると考えることより，次式が得られる。

ここに，H は試験体高さである。
楔貫入量：∆L，∆R は，左右の楔貫入量であり，K-Type

Qb ＝ 2 ･ Tb ･ cos α…（3）では楔の前方変位であり，X-Type においては楔の後方から計測したものである。Fig.2 にノンコンプレションブレー（2.a）式と（3）式よりスの端部の詳細と併せて楔貫入量の計測方法を示す。

Qb ＝

X-Type，K-Type ともに，ブレースの中央部に２枚のひずみゲージを貼り，その２枚のゲージの平均をブレース軸ひずみ：εL，εR とする。

４．解Kb ＝

析2 ･ E ･ Ab ･ cos2αlb

2 ･ E ･ Ab ･ cos2α

lb･δ…（4.a）…（4.b）

ここに，Kb はブレースによるせん断剛性である。

解析モデルを Fig. 5（a）〜（d）に示す。フレームの解析モデルを（a）に，X-Type を（b），（c）に，K-Type を（d）（e），に，それぞれ，示す。以下の解析方法は X-Type を例に取尚，ブレースの初期軸力として，降伏耐力の 50％を導入しているため，初期剛性は Kb を採用する。

り説明する。ただし，K-Type も同様に求められる。Fig.5（b）からブレース１本当たりの軸力：Tb と軸方向変位：∆

次に，Fig. 5（a）から，フレームが負担するせん断力：

Qr と水平変位：δ の式が得られる。の関係式が次のように求められる。

Qr ＝Tb ＝ E ･ Ab ･ ∆ …（2.a）
lb∆=δ ･ cos α…（2.b）

24 ･ E･ δ …（5.a）
lB lC ⎞⎛l+⎝ IB IC ⎠2c

ここに，lB は梁の長さ，IB は梁の断面二次モーメント，

lC は柱の長さ，IC は柱の断面二次モーメント，Kr はフレー
ここに，E はヤング係数，Ab はブレース断面積，lb はブムのせん断剛性である。

レースの有効長さ，α はブレース設置角度である。

Fig.5

解析モデル

― 104 ―

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性
Table 2 試験体の基本特性

Fig.6

Fig. 5（c）に示す，ノンコンプレションブレースで補強

復元力特性モデルされた架構全体のせん断剛性：K とせん断力：Q は次式になる。

強していない無補強試験体の載荷実験を行ったので，そK ＝ Kr ＋ Kb…（6.a）の結果と解析結果を併せて示す。
（c），（d）には，ブレース下部に設置したロードセルから計測した左右それぞれのQ ＝ Qr ＋ Qb…（6.b）

ブレース軸力：TbL，TbR より求めたブレースが負担するせブレースの降伏せん断力：Qby は，ブレース降伏軸力：

Tby の水平成分であることから次式が得られる。

ん断力に，無補強試験体が負担するせん断力を加えた値：

QbL，QbR と層間変形角：θ の関係を示す。Table 3 は，各試験体について，層間変形角：θ が 1/1000rad までの弾性

Qby ＝ Tby ･ cos α…（7.a）

範囲において水平荷重：Q と層間変形角：θから求められる初期剛性：EK と，解析から求められるせん断剛性：Qδby ＝ Kby …（7.b）
bK を示す。併せて EK/AK も示す。また，ブレースが降伏Aしたときの水平荷重：EQy と，解析から求められる降伏

ここに，δby はブレースが降伏する時の水平変位である。

水平荷重：AQy も示す。比較のため，ブレース及び無補強試験体の復元力特性から求められる初期剛性：EK’ と EK

よって，ブレースが降伏する時の架構全体のせん断力：

Qy は次式となる。

/AK およびブレースが降伏したときの水平荷重：EQy’ も併せて示す。Fig. 8 には，ブレース軸力：Tb とブレースひず
み：εR，εL の関係及び素材試験から求めた曲線も併せて示

Qy ＝ Qr ＋ Qby…（8.a）

す。X-Type では εR を，K-Type では εL のブレースひずみを採用した。Fig. 9 には，ブレース軸力：Tb と楔貫入量：

Qr ＝ Kr ･ δby…（8.b）∆R，∆L の関係を示す。X-Type では ∆R を，K-Type では ∆L

K-Type の場合には，梁は十分大きな曲げ剛性および曲げ耐力を有していると仮定する必要がある。の楔貫入量を採用した。また，Fig. 9 に 1/100rad 以降の楔貫入経路を A 〜 H の記号で示し，ブレースが弾性であ門形ラーメン架構のみの降伏耐力：Qry は，70.1（kN）

る層間変形角：θ が 1/150rad までとブレースが降伏するとなり，降伏水平変位：δry は 20（mm）となった。Table

1/100rad の位置を図中に併せて示す。尚，Fig. 8 にも，ブ2 には，ブレースと補強架構の耐力比：Qby/Q 及び剛性比：

レース軸力：Tb とブレースひずみ：εR，εL における楔貫入

Kb/K，ブレース降伏時の架構の変形角：θr を示す。また，経路を併せて示す。楔は，ブレースに軸力がかかっている

Fig. 6 にノンコンプレションブレースで補強した架構の復時（A 点）には貫入せず，ブレースの軸力が 0（B 点）に元力特性モデルを示す。併せて，ブレースと架構の復元力なると貫入する。Table 4 には，ブレース軸力：Tb と楔貫特性モデルも示す。

入量：∆R，∆L の関係及びブレース軸力：Tb とブレース軸力より求めたブレースの伸び量：∆b の関係を示す。X-Type

５．実験結果と考察では ∆R を，K-Type では ∆L の楔貫入量を採用した。

繰 返 し 漸 増 振 幅 水 平 載 荷 実 験 結 果 を Fig. 7 〜 9 及 び
Table 3 に，それぞれ，示す。

5.1

復元力特性

Fig. （7 a），（b）には，各試験体における，水平荷重：Q復元力特性について，Fig. 7 より X-Type，K-Type とと層間変形角：θ の関係を示す。また，予め，ブレース補も Bi-linear 型復元力特性となる。これは，ブレースが座― 105 ―高松隆夫・玉井宏章・加藤孝昌・小畑寛行Fig.7

水平荷重−層間変形角関係

屈しないために，安定した引張性能が得られ，更に，楔デ5.2

軸力とひずみの関係

バイスを設置することで，スリップ現象が解消されているブレース軸力とブレースひずみの関係では，Fig. 8 の実ことに基因する。また，ブレースが引張力に対して効率よ験結果において圧縮側に値が出ていないため，ブレースく塑性化するため，エネルギー吸収が十分に期待できる。には圧縮力が作用していないことがわかる。そのため，ノ楔貫入限界に達した後の１サイクルは楔が機能しなくな

ンコンプレションブレースは効率よく機能していると言えり，ナットと wedge stand の間に離間が生じ，従来のブレーる。
また，素材試験から求めた曲線と実験結果とはひずみ硬スと同様，スリップ現象を示した。
補強架構全体の復元力特性と，ブレース及び無補強試験体の復元力特性を組み合わせたものは Table 3 より X-Type，化開始は若干異なるが，良好に対応している。これは，実験では先にねじ部が塑性したためだと考えられる。

K-Type ともに初期剛性やブレース降伏時の水平荷重がほ5.3ぼ一致しているため良好に対応していると言える。

楔貫入量

Table 3 より，せん断剛性について，K-Type においては，Fig. 8 及び Fig. 9 から，楔はブレース軸力が０になると実験値と解析値はほぼ良好に対応しているものの，最大振引張方向に対して押し戻されることなく滑らかに貫入す

幅のサイクルでは解析値よりも若干低くなった。これは，る。特に，ブレース降伏後その現象が顕著に見られ，等振ブレース端部に曲げ変形が生じたためである。X-Type で幅での楔貫入量はほぼ一定である。

は解析値の約 1/2 の剛性になった。解析ではブレース端部

また，ブレースが弾性状態である 1/150rad までは，ブ接合部は完全な剛体と仮定しているが，楔の設置上，設置レースの弾性変形に伴う，圧縮側のブレースのナットと形式を片持ち梁の形式にしたため，ブレース端部接合部のwedge stand の離間によって貫入量は決まる。1/100rad

剛性がブレースの引張力に対して小さくなり，弾性変形がのサイクルは，Table 4 にも示すように，ブレースがひず生じたためだと考えられる。降伏耐力については，実験値

み硬化になっていることから各サイクルでのブレース伸びと解析値はほぼ対応している。

量はほぼ一定であり，楔貫入量とブレース伸び量は一致している。X-Type の４サイクル目は貫入限界に達したため，― 106 ―

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性
Table 3Fig.8

載荷試験結果ブレース軸力−ブレースひずみ関係

Fig.9

楔貫入量

Table 4 ブレース軸力と楔貫入量及びブレース伸び量― 107 ―

高松隆夫・玉井宏章・加藤孝昌・小畑寛行

貫入量は他の３サイクルに比べ少なくなっている。また，入量を目で観察できるので，楔の貫入量よりブレースの伸架構の弾性変形で貫入する量はブレース伸び量より小さい

び量を求めることができ，ブレースのメンテナンスが容易ことから，ブレース降伏後の楔貫入量はブレースの伸び量にできるようになる。

によって決まる。

６．結謝論

辞本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究

本研究では，設置形式の異なる２種類のノンコンプレセンター」（代表者高松隆夫教授）のプロジェクト研究

ションブレースを設置した１層１スパンの鉄骨架構に繰返の一環として実施しました。また，実験実施にあたり，平し載荷試験を行い，X-Type と K-Type の復元力特性につ成 15 年度科学研究補助金（研究代表者いて検討した。

番号 15510152）で賄われた。また，試験体作製にあたり玉井宏章，課題

フルサト工業株式会社には，転造ねじアンカーボルトを提得られた知見は以下のように要約できる。
１）ノンコンプレションブレースには，圧縮力は作用せず供していただいた。ここに記して謝意を示す。

座屈は生じない。

参 考 文 献２）ノンコンプレションブレースで補強することにより，X-Type，K-Type ともにモデル化の容易な Bi-linear

１）長尾直治，高橋茂治：角鋼管を鉄筋コンクリートで型復元力特性となる。

被覆したアンボンドブレースの弾塑性性状，その２．

３）楔は，引張方向に対して押し戻されることなく滑らか

解析的考察，日本建築学会構造系論文集，第 422 号，に貫入する。また，ブレース降伏後の等振幅載荷でのブレース伸び量は一定であり，楔貫入量とブレース伸pp.45-56，2001.11．
２）中村庄滋，矢部喜堂，真瀬伸治，堀富博，石川二巳穂，

び量はほぼ一致している。

宮本秀樹：極低降伏点鋼を用いたアンボンドブレース

以上のことから，ボルト接合で設置するノンコンプレに関する研究，その３．アンボンドブレースダンパー

ションブレースは Bi-linear 型復元力特性となり，エネルを有する建物の試設計，日本建築学会大会学術講演梗

ギー吸収できることから既存建築物の耐震補強に有効であ

概集，c-1，構造Ⅲ，pp.411-412, 1995.8．

る。しかし，ボルト接合で設置した場合には，本論文で採

３）玉井宏章，近藤一夫，花井正実：X 型制振ブレース

用した X-Type ようにブレース端部接合部が弾性変形を生付架構の機構と弾塑性性状について，（その１）引張じ，剛性をうまく評価できない場合があるため，今後，ブ接合型ブレース架構，日本建築学会構造系論文集，第レースの剛性より高い剛性を有するような端部接合部の設

515 号，pp.139-146, 1999.1．

計法を考える必要がある。また，スパンの長い構造物にお４）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレショ

いては，K 型に設置することでブレースを短くし，楔の寸ンブレースの履歴性状とエネルギー吸収性能につい法も小さくできとともに開口部等をとることが可能になるて， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 11 巻，pp.129-136，

が，K 型ではブレースの引張力による梁の変形が問題とな

2003.11．

るため，梁は十分大きな曲げ剛性および曲げ耐力を有する

５）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブ設計を考慮する必要がある。また，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

レースは座屈を起こさないため，ブレースデザインの自由論文集，第 595 号，pp.131-138, 2005.9．

度が増大して，ブレースを見える位置に設置できる。楔貫― 108 ―