広島工業大学紀要研究編
第 49 巻（2015）49-54

論文

Z 型 NC ブレース架構の一方向漸増変形性能に関する実験的研究
高松隆夫 *・玉井宏章 **・山西央朗 ***・小松真吾 ****・中山雅隆 *****（平成26年10月30日受付）

Experimental study on one-direction incremental deformation behavior ofZ-type NC braced frame
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Teruaki YAMANISHI,
Shingo KOMATSU and Masataka NAKAYAMA（Received Oct. 30, 2014）

Abstract
The non-compression brace proposed by the authors is a slender brace with an end installed by aset of the wedge device. The NC brace resists tension without buckling due to no compression.
The steel framed structure arranged Z-type NC brace is named Z-type NC braced frame. The braced
frame can absorb elastic strain energy by one directional incremental deformation behavior. Shaking table tests and numerical analysis of a single story specimen are carried out to clarify a convergent point of the incremental deformation of the Z-type NC braced frame. It is concluded that noincremental deformation occurs in cyclic behavior of elastic-plastic NC braced frame.
Key Words: wedge device, Z-type NC braced frame, Shaking table tests, Numerical analysisのような楔デバイスを設置したブレースである１）。細長い

１．はじめにブレースを採用する上で一番の問題となるのが圧縮軸力に2011 年３月に起きた東北地方太平洋沖地震は多くの建よる座屈の問題である。しかし NC ブレースは圧縮方向に物に甚大な被害をもたらした。中でも屋内運動場のような軸力が作用すると図１（b）のように楔デバイス側の端部

大空間を有する建物では屋根と柱の接合部の破断，ブレーが離間するため圧縮力が作用しない。従って NC ブレース

スの座屈といった被害があったことが報告されている。まは座屈を起こさない。そして端部が離間するとバネの復元たこのような建物は災害時に避難場所として使用されるた力によりすぐに楔が貫入し隙間を埋めるため，引張方向にめ大地震にも耐えうる構造でなければならない。近年では力が働くとすぐに抵抗することができる（図１（c）～（d））。

大地震の応答を低減するため座屈拘束ブレースのような塑

このことから NC ブレースは地震時に座屈を起こさず引張性化させることでエネルギーを吸収することを目指した制力にのみ抵抗し，効率よくエネルギーを吸収するブレース

振ダンパー等が普及してきている。

として効果を発揮する。

一方著者らが研究しているノンコンプレションブレース

また，NC ブレースを鉄骨ラーメン架構に Z 型に配置し（以下 NC ブレースと呼ぶ）は細径の丸鋼の先端に図１（a）た「Z 型 NC ブレース架構」が提案されている。既往の研＊＊＊＊＊

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― 49 ―

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・小松真吾・中山雅隆

（a）

（b）
図１

図２（c）
楔デバイスの作動概念（d）

Z 型の一方向変形漸増究結果から Z 型 NC ブレース架構は地震時に NC ブレー

Bi-Linear 型の復元力特性を示す。さらに D → E 点間はスの抵抗特性によって図２のように変形が漸増することがNC ブレースに塑性伸びが生じるため，結果として C 点を２）明らかになっている 。これを一方向漸増変形性能と呼ん中心とした履歴ループを描く。よって収束位置も C 点ででいる。これまで実験や多層の解析を行い，Z 型の変位を弾性応答時と収束位置はほとんど変わらないと考えられある程度制御できることは分かってきた

３）４）

る。

。しかしさらに大きな地震によって NC ブレースが塑性化した後の変位応答や収束位置についてはまだ詳しく議論されていない。
また近年では Z 型 NC ブレース架構は一方向漸増変形性能により架構に生じた弾性のひずみエネルギーを吸収することができ，制振ダンパーを組込んだ建物以上に地震応答を低減できる可能性を秘めていることが示唆されている。
そこで著者らはまず漸増変形収束位置を明瞭にするため Z型 NC ブレース架構を模した１層試験体の振動台実験と数値解析を行った。

２．Z 型 NC ブレース架構の復元力特性と漸増変形収束位置

図３

Z 型の復元力特性

図３に Z 型 NC ブレース架構の復元力特性を示す。NCブレースに引張が作用する方向を正とする。また仮定とし

３．実験概要て正負で同じ大きさの水平力が作用すると考える。ブレー

3-1．試験体

スの初期張力無しの状態を O 点として負方向に水平力が作用すると主架構のみの剛性 KF で抵抗し，A 点まで変位

図４に試験体と計測計画を，表１に素材特性を，表２にする。そして正方向に水平力が作用すると主架構と NC ブ試験体諸量を示す。試験体は柱に角型鋼管▪-40x40x2.3 を，レースの剛性 KF+Kb で抵抗し，A’点まで変位する。つま梁に H-100x100x6x8 を用いて製作された１層１スパン（スり水平力に対して抵抗時の剛性が異なるため一方向の変形

パン長 x，y 各方向 1000mm）の整形な立体架構である。

漸増が生じる。またこの間に O，A 点を基点として履歴各部材は全周隅肉溶接されている。柱脚はベースプレート面積が生じるため架構は弾性状態でありながら，弾性のひと振動台をネジで緊結して固定端とみなしている。計測冶ずみエネルギーを吸収することができる。そして B ～ D具として試験体に近接している計測用柱は断面を比較的大点間は NC ブレースの弾性限界範囲の応答となる。故に弾きくして固有振動数を高めているため，振動時に計測値に性応答時の最大変位は B 点で漸増変形の収束位置は C 点大きな影響を与えることはない。NC ブレースは加振方向でとなる。以降これより水平力が増加すると弾塑性応答とに対して平行な Y１，Y２構面に設置する。本数はガセッな る。 そ う な っ た 場 合， 負 方 向 へ は G 点 ま で 変 位 し，トプレートに偏心曲げが作用しないように一構面に２本ずD → F → G 点を通る。この時 Z 型 NC ブレース架構はつ計４本としている。
― 50 ―

Z 型 NC ブレース架構の一方向漸増変形性能に関する実験的研究

3-3．加振プログラム

図５に楔詳細を，図６に NC ブレース詳細を示す。NCブレースにφ９の丸鋼棒を用い，軸方向耐力を振動台の図７に実験で用いた加振プログラムを示す。プログラム加振能力に合わせて調整している。調整方法は図６（b）のは全部で３ブロックに分かれており，その全てに振動数３ヒューズ（塑性化部位）を中間にボルトで緊結し，これをHz の調和外力を入力した。ブロック①は NC ブレースのNC ブレースの最小断面とする方法である。ヒューズの耐降伏軸力の 50％が作用する加振である。ブロック②は NC

力は引張試験の結果から 2.17kN である。実験変数はヒューブレースが弾性限界状態となるような加振である。ブロッズの枚数と初期張力の有無とした。試験体名称として

ク①と比較するとその入力の大きさはちょうど２倍とな「Ztype」を張力無しの試験体，「Ttype」を NC ブレースる。ブロック③は NC ブレースが塑性伸びを起こす弾塑性の降伏軸力の 50％まで初期張力を導入したものとして定加振である。総合的に見たこのブロック群は NC ブレースめる。表２に示す試験体 type の頭についている数字は一に作用する軸力で制御している。つまりブロックごとの構構面当たりのヒューズの枚数を表している。

造物の変位と NC ブレースの応力状態の関係を見て取るという目的に対して適切な加振プログラムと言える。図８に3-2．計測計画

例として２-Ztype の実験で計測された振動台上の加速度振動台上とその直上に位置する錘の上に加速度計を設置

αg を示す。表３にそれぞれの試験体で実施した加振プロ

し，地動加速度 αg および１層加速度応答 αx を計測した。

グラムをまとめている。

また計測用柱より変位計で各構面の変位 δY1，δY2 を計測した。層間変位 δx を（１）式で求める。
・・・（１）
応力計測のためひずみゲージを図４中の寸法に基づき，柱と NC ブレースに取り付けた。柱のせん断力 cQ，NCブレースの負担水平力 bQ を（２）式，（３）式により求める。

表１

降伏応力度 引張強さ
降伏比
（N/mm2）（N/mm2）
SS4003274360.75
梁フランジSS4003314430.75
梁ウェブ
SS4002964090.72
ガセットプレート
STKR4003784540.83
柱鋼種・・・（２）・・・（３）
ここで Zc は柱の断面係数，E はヤング係数，εc，εb は柱，ブレースのひずみ，θ は NC ブレースの設置角度である。
層せん断力 Qx は全ての柱とブレースの水平力について合計したものとする。

素材特性

表２諸量

固有周期 T 固有振動数 f 水平剛性 K
試験体
type
減衰定数 h（s）（Hz）（kN/mm）
主架構
Frame0.180
5.556
1.7700.0250.120
8.333
8.7200.080
ブレース架構
2-Z
2-T
0.120
8.333
8.790
0.080
0.070
14.28610.360
0.098
4-Z
0.053
18.86810.700
0.120
6-Z

図５

図４伸び（％）
40
343919

試験体と計測装置― 51 ―

楔詳細高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・小松真吾・中山雅隆

図６（b） ヒューズ（塑性化部位）

図６（a） 全体
図６ NC ブレース

図８

地動加速度

表３

試験状況

type①

試験ブロック②③４．数値解析

2-Z

○

○

○

4-1．解析モデル

2-T

○

○

○

4-Z

○

--

6-Z

○--

図７

加振プログラム
試験体

数値解析に用いた解析モデルを図９に示す。柱と梁は試験体と同サイズのものを用いている。質量は節点５～８に（○は実施した試験を示す）0.4t ずつ与え，試験体と同じにしている。１層の床に関しては剛床が成立しているものとする。試験体の柱頭と柱脚にはガセットプレートが付属しているため，断面二次モーメント，剛性の評価が複雑になる。したがって解析モデル
では柱の長さを調整し，試験体と剛性を一致させた。NCブレースは単軸バネにより表現し，図 10 に示す完全弾塑
性型の復元力特性を設定し，圧縮耐力を 0.001kN としている。これにより圧縮方向の軸力には抵抗せず，引張力のみに抵抗するという NC ブレースの力学特性を再現できるものとなっている。
4-2．地震応答解析概要
解析には任意形状立体フレームの弾塑性解析プログラム

図９

解析モデル

「SNAP」を用いる。以下解析条件を示す。
・解析方法として Newmark-β 法（β=0.25）を用いた。
・入力波は振動台実験にて振動台上に設置した加速度計で計測されたものを用いる。
・減衰定数は初期剛性比例型とし，各試験体と同じ値とした。
・刻み分割数は 0.01s で実験と同じである。

図 10― 52 ―NC ブレースの復元力特性モデル

Z 型 NC ブレース架構の一方向漸増変形性能に関する実験的研究

・変位応答時刻歴

５．実験結果と解析結果の比較

図 14 に変位応答時刻歴を示す。それぞれの解析結果は以下実験値と解析値について比較検討する。なお，結果実験結果と概ね対応している。Ztype では NC ブレースがについては代表して主に 2-Ztype 試験体のものを示すが，弾性状態にある間は変位漸増が見て取れる。Ttype では

必要とあればその他の結果も示していく。

NC ブレースが弾性状態では大きな変位漸増は見られな・加速度応答時刻歴かった。実験では両 type の３ブロック目の試験において

図 11 に１層部分の加速度応答 αx を示す。地動の入力はわずかながら漸増変形する傾向が見られた。これは２ブ正負でほぼ同じ大きさの値を記録している。これに対するロック目の試験終了時にヒューズの耐力についてまだ余力応答は実験も解析も加振が進むにつれて応答がどちらかにを残していたことが要因と考えられる。解析では弾塑性応偏るといったことはなく，正負で同じ応答性状を示してい答時に漸増変形は全く見られない。図 15 に各試験体の各る。Ttype 試験体も同じ結果が得られた。

試験サイクル終了後の変位収束位置を示す。図中に表示している括弧内の数字は解析値に対する実験値の比率であ・復元力特性る。なお 4-Ztype と 6-Ztype は１ブロック目の加振のみ実

図 12 に弾性限界時（２ブロック目終了時まで）の Qx-δx施したためグラフの横軸には試験体名称を示した。これら関係を，図 13 に弾塑性応答時（３ブロック目）の Qx-δxから解析は実験と概ね対応している。2-Ttype の１サイク関係を示す。図 12 について実験結果および解析結果は初ル目で実験値が解析にくらべて低いが，これは加振中に期位置（荷重，変位ともに０）から負方向に漸増変形しな

NC ブレース端部のナットに緩みが生じてしまったためにがら Bi-Linear 型の復元力特性を描き，正方向では線形応変位が少々正方向に戻ったと考えられる。ヒューズが２枚答を示している。解析結果は実験結果と比較すると概ね良の試験体について弾塑性加振後の収束変位は実験値の方が好に対応している。図 13 について実験では正方向で NC若干大きくなっている。4-Ztype と 6-Ztype は実験と解析ブレースの塑性伸びが生じており，紡錘型に近い復元力特が良好に対応している。

性を描いている。また最大層せん断力の大きさは正負で等しい。解析では NC ブレースの耐力をヒューズの引張試験の結果から得た耐力で設定したため実験よりも最大層せん断力は小さくなっている。

（a）実験

（b）解析
図 11（a）実験

加速度応答時刻歴（2-Ztype）

（b）解析

（a）実験

図 12 Qx-δx（弾性）（b）解析
図 13 Qx-δx（弾塑性）― 53 ―

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・小松真吾・中山雅隆（a）2-Ztype 実験（b）2-Ztype 解析（c）2-Ttype 実験（d）2-Ttype 解析
図 140(※数字は解析に対する実験の割合を示す。)−1
収束位置(mm)

変位応答時刻歴(80％)％−2(89％)％％％(107％)％％％％−3−4−5−6

解析値
実験値

123

ブロック数

（a）2-Ztype（b）2-Ttype
図 15（c）4-Ztype, 6-Ztype

漸増変形収束位置６．まとめ

参考文献

１層 Z 型 NC ブレース架構の振動台実験と数値解析を

１）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブ行い，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）NC ブレースが弾性範囲にある間は架構が一方向に漸論文集，第 595 号，pp131-138，2005.9

増変形する。

２）高松隆夫，玉井宏章，山西央朗，澤田樹一郎，松尾彰：

２）NC ブレース降伏後は Bi-Linear 型の復元力特性を示

Z 型ノンコンプレションブレースの構造システムと数す。

値解析，日本建築学会大会学術講演梗概集（関東），

３）外力の大きさが正負で同じと仮定した場合 NC ブレー

pp841-842，20011.8

ス降伏後は変位漸増が起こらず，弾性限界収束位置で収

３）澤田樹一郎，高松隆夫，玉井宏章，松尾彰，山西央朗，束する。

三好行則，荊尾友裕：振動台実験と時刻歴応答解析に

４）数値解析により Z 型 NC ブレース架構の挙動を追跡

よる Z 型 NC ブレース付き鋼構造骨組の一方向変形できる。

漸増性能と累積塑性エネルギー吸収量評価，日本建築謝学会構造系論文集，第 656 号，pp1883-1890，2010.10

辞４）高松隆夫，玉井宏章，荊尾友裕，澤田樹一郎，土江葉

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発セン

菜子：Z 型ノンコンプレションブレース付き２層骨組ター」（代表 高松隆夫教授）の研究の一環として実施され

みの振動台実験と数値解析，広島工業大学紀要研究編，ました。ここに記して感謝の意を表します。

第 45 巻（2011），pp77-84― 54 ―