広島工業大学紀要研究編
第 43 巻（2009）pp.213-220

論文

Z 型ブレース付門型ラーメン架構の振動台実験高松隆夫＊・玉井宏章＊・山西央朗＊＊・澤田樹一郎＊＊＊・松尾彰＊＊＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Shaking Table Tests on Steel Potal Framed Stractures with Z-type Brace
Takao TAKAMATSU, Hiroyuki TAMAI, Teruaki YAMANISHI,
Kiichirou SAWADA and Akira MATSUO（Received Oct.31,2008）

Abstract
A non-compression brace does not resist a compressive force but a tensile one bymeans of a wedge device. Therefore, the brace does not buckle or loosen due toplastic elongation of the brace. Response of z-type of non-compression braced frame
under dynamic loading is predicted to be one-sided. The z-type brace is proposed as
an earthquake resistant element with new behavior. Shaking table tests werecarried out on one-story z-type braced frame specimens to clarify the one-sidedresponse.

Key Words: non-compression braced, z-type braced frame, shaking table testsの復元力特性を示し，安定したエネルギー吸収効率を有す

1. はじめにるブレースとなる 3 − 6）。これら，各種ブレースにより，現在，一般的なブレース構造物においては，座屈拘束ブ構造物にエネルギー吸収能力を付与し，地震外力を受けたレースに代表されるエネルギー吸収ダンパーを設けて，地際の建築構造物を制御するという設計が行われている。

震エネルギーを塑性変形により吸収する設計が成されている。

一方，ノンコンプレションブレースを X 型ではなく Z型に配置した場合， 楔デバイスの機構から，構造物のエネルギー吸収ダンパーは圧縮引張繰返し載荷下におけ変形が一方向に進行することが容易に予想される（図 1 参るエネルギー吸収能力を確保する必要があり，座屈拘束ブ照）。このように，構造物の変形に方向性を持たせることレースにおいては，ブレース材が座屈しないように外周をにより，新たな構造システムを構築できる可能性がある。

拘束材で補剛することで圧縮軸力にも抵抗する性能を有し例えば，隣接する構造物間のクリアランスの問題の解消や，1，2）。また，著者等もエネルギー吸収ダンパーとし構造物の変形モードを調整・制御することが可能になるとて期待できるノンコンプレションブレースを提案してい考えられる。これまで研究されている，いずれの装置も，る。このブレースは，引張軸力のみに抵抗する機構を有し構造物の変形応答の方向性（応答が発生する向き）を制御ており，これを X 型に配置することにより完全弾塑性型するコンセプトを持った装置は提案されていない。ている

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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知的機能科学専攻
広島大学大学院社会環境システム専攻―213―高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・澤田樹一郎・松尾彰

表 1 試験体架構の耐力・剛性

図 1 変形状態

図 2 ノンコンプレションブレースの材端部詳細及び作動概念

在来型ブレース

ノンコンプレションブレース
図 3 復元力特性モデル

2.1 ノンコンプレションブレース

そこで，本論文では，先ず，ノンコンプレションブレー
スを Z 型に配置した場合において，期待通りの性能（構図 2 に楔デバイスを配置したノンコンプレションブレー造物の変形に方向性を持たせる性能）を付与できるか否か

スの材端部詳細図及び作動概念図を，図 3 に在来型ブレーを検証することを目的とする。当該性能を検証するには，スとノンコンプレションブレースの復元力特性のモデルを振動台実験を行う必要があるので，方法としては，モデル示す。

試験体として Z 型ブレース付門型ラーメン架構を用いたノンコンプレションブレースの機能は，①地震水平力が振動実験を行うものとする。

作用すると，架構がいかなる変形状態であっても，ブレースに引張変形が作用すると直ぐに引張抵抗し，塑性変形を2. 実験概要して地震エネルギーを吸収する。②一方，ブレースは圧縮

本実験では，従来型およびノンコンプレションブレース

方向の変形に対してはブレース端部がローラー支持の状態を設置した門型ラーメン架構を用いて，振動台実験を行う。となっているため，ブレース端部が離間し，ブレースには圧縮力が作用せず，座屈を起こさない。③ブレース端部が―214―

Z 型ブレース付門型ラーメン架構の振動台実験

立面図

側面図
図 4 試験体形状

楔

ブレース

楔受け

塑性化部位
図 5 ブレース・塑性化部位詳細

図 6 楔・楔受けの詳細

移動することで生じた間隙に，予め設置してある楔がバネ

試験体は在来型ブレースを Z 型に配置した（S 型）ものの復元力により貫入するため，ブレースには緩みは生じなと，ノンコンプレションブレースを Z 型に配置した（NCい。

型）ものの 2 種類を用意する。また，架構のみの抵抗特性以上より，ノンコンプレションブレースには圧縮力が作を検討するために，ブレース無しの架構（N 型）の試験用せず，座屈が生じないため，細長比の大きなブレースが体も用意する。尚，本実験では，ブレース以外の部位は各使用でき，比較的長いスパンの架構に対してもブレースの実験時に弾性範囲に留まる素材特性・断面特性を採用して断面を過大にすることなく適用できる。

いる。

また，ノンコンプレションブレースを Z 型に配置した鉄骨架構の柱には，PL-140x9（SS400）を，梁には H-場合，ブレースに圧縮変形が作用すると楔が貫入し，ブレ100x100x6x8（SS400）を使用し，柱と梁を隅肉溶接接合

ースに軸力が導入されていくので，構造物の層間変位が一する。そして，柱と梁及び柱とベースプレートの接合部に方向に増加していく。このため，構造物の変形を一方向には，ガセットプレートとリブを全周隅肉溶接接合している。

生じるように制御する事が可能となる。

尚，ブレースは柱断面の弱軸方向に設置する。試験体は，2.2 試験体

この架構を 2 組並列させ，各架構を梁下フランジにボルト

表 1 に試験体の素材特性を示す。また，図 4 に試験体形状，図 5 にブレース・塑性化部位詳細を，それぞれ示す。
―215―

接合した桁 PL-1000x150x16（SS400）3 列並列により連結した立体骨組架構である。

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・澤田樹一郎・松尾彰

伏図

図 8 加振装置

立面図

側面図
図 7 計測点位置と計測諸量＋
全体＝ブレース

フレーム

図 9 力学モデル

そして，試験体の桁に錘（PL-200x1000x25 を 26 枚）をて，静止摩擦係数 n を増大させている。本実験で用いた楔約 10kN 積載し，質点としての質量： m を試験体中央上デバイスは，静止摩擦係数 n =0.73 であり，楔が滑らない部の合計質量約 1.15t とする。

ように貫入角度を 30 度としている。また，図 2 からもわ

また，ブレースには，材長 1,030mm の丸鋼棒（M8， {かるように，楔デバイスに用いるバネは，楔を水平移動さ9，SS400）を使用する。全長の 1/3 の箇所にブレース軸せる程度の復元力を有していれば良いので，表 2 に示す程耐力を調整するための塑性化部位（Fuse）を取り付けて度の小さなバネ定数を持つバネを用いている。

いる。ブレースの初期導入軸力に関しては，ナットを軽く2.3 載荷装置と加振プログラム締める程度に留める。尚，在来型ブレースにおいては，座図 8 に本実験で用いる振動台を示す。振動台に試験体の屈現象が生じることで，応答が複雑になる。これを回避す

ベースプレートを緊結して，試験体を設置する。加振としるために，下端部の内側のナットを除去して，圧縮力が入ては，振動台を水平方向に加速度加振する。振動数と振動らないように設置している。

台直下に設置した加速度計より得られた加速度を制御値と

図 6 に楔・楔受けの詳細図，表 2 にバネの特性を，それする。

ぞれ示す。楔および楔受けは，アンカーボルトから伝達さ本実験では，純鉄骨架構（N 型），在来型ブレース付架れる圧縮力の接触面方向分力に対して，接触面における摩構（S 型），ノンコンプレションブレース付架構（NC 型）擦力により抵抗し，滑らないようにする必要がある。このの弾性正弦波加振試験（N-E，S-E，NC-E）と，S 型，NCため，楔と楔受けの接触面には，発錆処理（塩分濃度 5%型の弾塑性正弦波加振試験（S-P，NC-P）を行う。

程度の食塩水により，1 週間ほど湿潤状態を保つ）を施し弾性加振試験および弾塑性加振試験の前後には，固有振―216―

Z 型ブレース付門型ラーメン架構の振動台実験

図 10

図 11

ブレース軸力-軸方向伸び量関係

ブレース軸力-軸方向伸び量関係

動数を求めるための弾性 SWEEP 試験を行う。尚，

向弾性剛性を求める。また，降伏耐力については，塑

SWEEP 試験は，1Hz から 20Hz まで，1 秒に 1Hz ずつ振性化部位の降伏耐力を用いる。

動数を上昇させるものである。また，弾性加振試験および弾塑性加振試験では，入力する振動数を SWEEP 試験よ2）ブレースの素材特性には，完全弾塑性型モデルを用いる。

り得られた試験体の固有振動数とし，入力加速度を，S 型3）架構の水平弾性剛性は，柱上下端部にガセットプレーと NC 型の頂部平均加速度が同程度となるように載荷すトおよびリブプレートが溶接接合されており，柱の曲る。

げ剛性が簡単には計算できないため，架構のみの振動

2.4 計測方法

台実験より算出した水平弾性剛性を用いる。

図 7 に計測位置を示す。変位としては，図 4 に示す計測

4）ブレースを Z 型に配置し，正方向載荷で抵抗するよう用柱に設置した変位計により，変位 D1 ， D 2 を計測し，平に設置している。このため，水平弾性剛性は，正方向均値を試験体層間変位 Dとしている。加速度としては，振載荷では，架構とブレースの値を足したもの，負方向動台中心位置の加速度 a b ，錘上面の中心位置の加速度 a c載荷では，架構のみの値とする。

を計測し，応答倍率(= a c /a b )を算出する。また，ひずみとしては，柱の 2 断面にひずみゲージを貼付して柱軸方向4. 実験結果と考察

ひずみ f c1 ~f c8 ブレース軸部にひずみゲージを貼付してブ

図 12-14 に，各試験体の SWEEP 試験結果，弾性正弦波レース材軸方向ひずみ f b を，それぞれ計測する。柱軸方加振試験結果および弾塑性正弦波加振試験結果を，それぞ向ひずみから求めた曲率と柱の曲げ剛性より，架構の負担れ示す。

する層せん断力 Q f を，ブレース軸部の軸方向ひずみ f b と

図 12 には SWEEP 試験より得られた正弦波加振前後のT 2 を算出する。
ブレースの軸方向剛性よりブレース軸力T1 ，応答倍率 a c /a b -入力振動数 f 関係を，図 13 には正弦波加更に，試験体の層せん断力 Q を，架構の負担する層せん断振試験の層せん断力 Q -層間変位 D関係を，図 14 には正力 Q f とブレース軸力より算出するブレース負担層せん断弦波加振試験の層間変位 D時刻歴を示す。また，図 12 中力 Q b を足し合わせて算出する(Q = Q f + Q b )。には比較のために N 型の結果と既住の研究から X 型に各ブレースを設置した場合の弾性時の結果を，図 13 中には3. 水平弾性剛性

図 10 と図 11 より求めた水平弾性剛性を併せて示す。

試験体は，門型フレーム架構にブレースを Z 型に配置

各値については，応答倍率 a c /a b は振動台の加速度 a c と錘上面の加速度 a b より，入力振動数 f は試験台の振動数よしたものである。
試験体の水平弾性剛性評価式を算出するにあたり，図 9り，柱とブレース軸部に貼付したひずみゲージ(f c1 ~f c8 , f b )に示す力学モデルを用いる。ブレース架構であるので，架より，層間変位 Dは振動台と試験体柱頭部の相対水平変位構とブレースによるトラス構造とに分解して，それぞれのより，それぞれ算出している。

剛性を算出した後に，足し合わせるものとする。剛性を算

4.1 振動性状
図 12 より，いずれの試験体においても正弦波加振試験出するにあたり，以下の仮定を設ける。
1）ブレースは，軸部，軸部と塑性化部位の接合部，塑性前の振動数はほぼ 10Hz 前後で揃っている。また，試験後化部位を含む辺断面を有しており，軸方向弾性剛性のにおいては，S 型の振動数が減少し，NC 型の振動数は僅算出が煩雑なため，図 10 に示す引張試験結果より軸方かに増加しており，NC 型は弾塑性の加振を受けても振動―217―高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・澤田樹一郎・松尾彰（a）S − E（b）NC − E（c）S − P（d）NC − P
図 12

共振曲線比較数がほぼ一定であり安定していることが分かる。

答が約 0.5（mm），負方向の応答が約 1.0（mm）となり，正図 12（a），（c）より，弾性加振試験後よりも弾塑性加振方向の応答が抑えられていることが分かる。一方，図 13

試験後の方が振動数の減少が大きい。これは，弾性加振試（c）より，従来型ブレースの弾塑性加振試験では，正方向験によりブレースが多少緩んだ影響であると考えられ，一と負方向の剛性が異なるものの，正方向の応答が約 2.4

方，弾塑性加振試験では，図 13（c）からも分かるように，（mm），負方向の応答が約 2.7（mm）となり，正負の応答値ブレースに塑性伸びが生じることでスリップ現象が生じてに大きな差異は生じていない。これは，従来型ブレースで試験体の水平弾性剛性が低下した影響である。

は，ブレースが塑性伸びを起こすことで，スリップ現象が図 12（b），（d）より，いずれの加振試験後も振動数はほぼ一定である。これは，従来型では加振を受けることでブ生じ，試験体の水平弾性剛性が著しく低下し，負方向（架構のみの水平弾性剛性）と一緒になるためである。

レースに緩みが生じる傾向にあったが，ノンコンプレショ

図 13（b），（c）より，ノンコンプレションブレースの弾ンブレースでは，楔が貫入するのでブレースに緩みが生じ性加振試験および弾塑性加振試験共に，応答が負方向に進ることなく，更に，楔が貫入することによりブレースに張行している。弾性および弾塑性に関係なく，変形の方向が力が導入されるために，僅かではあるが振動数が増加して一方向に進む性能が得られていることがわかる。いずれのいる。

場合も，負方向に層間変位が生じた時に楔が貫入して，変4.2 層せん断力−層間変位関係形が正方向に増分すると共に抵抗を開始するため，張力を図 13 より，従来型（S 型）の正方向では架構とブレー導入するような作用が生じて，構造物の変形が負方向に進スの剛性を合わせた剛性で抵抗し，負方向では架構のみの行する。弾塑性載荷下において，ブレースに塑性伸びが生剛性で抵抗する。S-E では履歴を描くことなく Bi-linearじる場合においても，同様の性能が得られる。

型の履歴を，S-P ではスリップ型の履歴を，NC-E および4.3 層間変位時刻歴

NC-P ではいずれも徐々に負方向に層間変位が進行していることが分かる。

図 14 より，従来型ブレースでは，弾性加振試験および弾塑性加振試験で共に，終始，正方向および負方向に層間

図 13（a）より，従来型ブレースの弾性加振試験では，正変位が生じている。一方，ノンコンプレションブレースで方向と負方向の弾性剛性が大きく異なるため，正方向の応は，加振直後（NC-P では 5 秒まで，NC-P では 3 秒まで）
―218―

Z 型ブレース付門型ラーメン架構の振動台実験（a）S − E（b）NC − E（c）S − P（d）NC − P
図 13

層せん断力−層間変位関係（a）S − E（b）NC − E（c）S − P（d）NC − P
図 14

層間変位時刻歴―219―

高松隆夫・玉井宏章・山西央朗・澤田樹一郎・松尾彰

正方向にも層間変位が生じているものの，その後は，負方年度鋼構造研究・教育助成事業（建築）」の助成金から支向に変形が進行し，正方向には変形が生じていないことが出しました。ここに記して，感謝の意を表します。

分かる。

参考文献

以上より，ノンコンプレションブレースにより，弾性お1）長尾直治，高橋茂治：角鋼管を鉄筋コンクリートで被よび弾塑性関係なく，著者等の期待する性能（変形の方向覆したアンボンドブレースの弾塑性性状，その 2を制御する性能）が得られることが分かる。

析的考察，日本建築学会構造系論文集，第 422 号，解pp.45-56，2001. 11.

5. まとめ2）中村庄滋，矢部喜堂，真瀬伸治，堀富博，石川二巳穂，

Z 型ノンコンプレションブレースおよび Z 型従来型ブ

宮本秀樹：極低降伏点鋼を用いたアンボンドブレース

レース付門型ラーメン架構の振動台実験を行い，以下の知に関する研究，その 3.アンボンドブレースダンパーを見が得られた。

有する建物の試設計，日本建築学会大会学術講演梗概

1. 従来型ブレースを Z 型に配置することにより，弾性範

集，c-1，構造Ⅲ，pp.411-412，1995. 8.

囲であればブレースが抵抗する側の応答を小さくする

3）高松隆夫，玉井宏章，小持明宏：ノンコンプレションことができるが，弾塑性になると，スリップ現象が生ブレースの履歴性状とエネルギー吸収性能について，じるため，ブレースが抵抗する側の応答を小さくする

鋼構造年次論文報告集，第 11 巻，pp.129-136，2003. 11.

ことは期待できない。

4）玉井宏章，高松隆夫，松尾彰：ノンコンプレションブ

2. ノンコンプレションブレースを Z 型に配置することにレースの耐震性能向上について，日本建築学会構造系より，弾性および弾塑性の載荷に対して，構造物の変形を一方向に進行させる性能を付与できる。

論文集，第 595 号，pp.131-138，2005. 9.
5）高松隆夫，玉井宏章，加藤孝昌，小畑寛行：ノンコン

3. Z 型に配置した場合の固有振動数は，ブレース無しの架プレションブレースで補強した鋼構造骨組の復元力特構とブレースを X 型に配置した場合の中間の値を示す。

性，鋼構造年次論文報告集，第 14 巻，pp.429-436.

謝辞2006. 116）高松隆夫，玉井宏章，福原章宏，山西央朗，加藤孝

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」（代表者昌：ガセットプレートへのノンコンプレションブレー高松隆夫教授）のプロジェクト研究スの簡易設置工法，鋼構造年次論文報告集，第 16 巻，の一環として実施されました。

印刷中

本研究の経費の一部は，社団法人日本鉄鋼連盟「2007―220―