ブレース構造とは？ラーメン構造との違い・種類と地震力の負担メカニズム（設計上の特徴）

この記事の要点

ブレースは建物に斜めに入る部材で、地震力を軸力として伝える。

ラーメン構造が梁柱の曲げ剛性で水平力に抵抗するのと対照的な仕組みだ。

種類と受力メカニズム、設計上の注意点を整理する。

ブレースは引張力のみ負担するタイプ（引張ブレース）と引張・圧縮両方負担するタイプがあり、接合部の設計が重要です。

この記事では、ブレース構造とは何か、ラーメン構造とどう違うのか、引張ブレースと圧縮対応型はどう使い分けるのかを整理します。

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構造力学の教科書をみると、『ラーメン構造』や『トラス構造』の解き方は書いてあるのに、ブレース構造の解き方は書いていません。

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ブレース構造の仕組み

それは、とても簡単だから、という理由でしょうか。又は、トラス構造の解き方が書いてあるから説明不要、ということでしょうか。

鋭い人は、トラス構造とブレース構造が同じこと、と気づくかもしれません。しかし、僕が初学者だった時のように、『専門用語』が１つ違うだけで、これは違う構造だと思ってしまうのです。

今回は、そんなブレース構造の解き方について紹介します。※構造形式の種類、トラス構造の仕組みは、下記が参考になります。

構造形式とは？ラーメン・トラス・アーチの種類と建築物への適用

トラス構造とは？強さの理由・メリット・デメリット・計算法を解説

ブレース構造の仕組み

ブレース構造とは、ラーメン構造に次いで採用されている構造形式です。ラーメン構造が、柱と梁を剛強に接合して地震や長期荷重に耐え構造に対して、

ブレース構造は、『ブレース』と呼ばれる斜め部材で地震力を負担させ、合理的に部材断面を使うことができます。

※ラーメン構造も合わせて知りたい方は、下記を参考にしてください。

ラーメン構造とは？1分でわかる意味、特徴、由来、メリットとデメリット

なぜ、ブレース構造が合理的かというと、ブレースには軸力しか作用しないからです。

それは、トラス構造をみると良くわかるように、柱と梁、ブレースによって三角形が造られるからです。

曲げモーメントでは少ししか荷重を負担できない部材でも、軸力なら沢山の荷重を負担できます。

トラス構造とは？強さの理由・メリット・デメリット・計算法を解説

軸方向力とは？1分でわかる意味、読み方、軸力との違い、求め方、圧縮軸力と引張軸力

物理的なロジックは片隅において考えます。細い棒は手で簡単に曲がりますが、引張って、変形させようと思っても、中々難しい。

つまり、軸力で力を伝達することは、小さな部材で大きな力を伝達できる方法なのです。

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ブレース構造で留意する点

ブレース構造で留意する計算項目は３つあります。下記の通りです。

ブレースの応力算定
ブレースの断面算定
ブレースの保有耐力接合

上記の3点について、それぞれ説明します。

ブレースの応力算定

まず、ブレースの応力算定で注意が必要な点は、水平力がベクトル分、割増されること。水平力の方向は、ＸかＹ方向です。

この方向は、どちらも水平な力です。しかし、対するブレースは斜め部材なので、α＝斜め長さ／水平長さだけの割増が地震力に掛かってきます。

次にブレースの断面算定です。一般的にブレースは引張力にだけ効かせます。

どういうことかといと、先ほど書いたようにブレースは細い断面で大きな荷重を負担できます。

しかし、地震力は正負で作用するので、必ず引張、圧縮力の両方が作用します。しかし、部材を細くすると、『座屈』し、とても荷重を負担できるものではありません。

座屈とは？意味・座屈荷重・座屈長さ・種類をわかりやすく解説

引張力と圧縮力の違いとは？符号・強度・記号（σt・σc）を解説

よって、ブレースは普通『タスキ掛け（バッテンのブレース）』にするのです。

こうすれば、正負両方の地震力が作用しても、引張力が作用するブレースを設計すれば良いのです。

もちろん、座屈に耐えうるブレースにすれば、片側だけブレースを配置してもＯＫです。

例えば、アングル材とかチャンネル材とか、座屈耐力のある部材は正負両方向に耐えられます。但し今回は、引張ブレースのみを話題にしましょう。

※アングル材、チャンネル材の特徴については、下記が参考になります。

アングル材（等辺山形鋼）の規格一覧｜サイズ・断面性能

溝形鋼の規格・サイズ一覧と断面性能【JIS G 3192】

また、ここで言うブレースは、あくまでも地震力に耐えるブレースのことを言います。一般的にブレースは耐震要素です。

長期荷重は負担させないのが普通なのです。※地震力については、下記が参考になります。

ブレースの断面算定

さて、引張ブレースの断面算定でも注意点があります。それは、断面積と有効断面積を間違えないこと。

有効断面積とは、断面積からボルト穴や偏心曲げの影響を考慮して、断面積を小さく見積もるのです。

場合によっては、断面積の半分程度まで有効断面積が小さくなることも。必ず有効断面積により検討を行いましょう。

ブレース材の有効断面積の考え方については、下記が参考になります。

有効断面積とは｜突出脚・アングルブレースの断面算定

ブレースの保有耐力接合

これはブレース材の全強よりも接合部耐力が上回るようにする設計法です。詳細な計算は下記が参考になります。

接合部の保有耐力接合と計算方法

ブレース構造の応力算定

下図に示すブレース構造の応力算定を行いましょう。

まず、反力を算定します。水平力Ｐが作用しています。片側はローラー支点なので、反力はＰです。

また、鉛直反力ですが、Ｐ×Ｌ／Ｌ＝Ｐが求められます。外力として鉛直荷重は作用していないので、

鉛直荷重がトータルで０になるためには、鉛直反力＝『Ｐ又はーＰ』です。

いまブレースに作用する軸力は支点に作用する反力と釣り合います。左側の支点に着目すれば、水平反力―Ｐ、鉛直反力―Ｐです。

つまり、この合力はＰ×√２です。よって、釣り合う軸力は、√２Ｐ＝1.4Ｐです。

但し、こんなに丁寧に反力を求めなくても作用する水平力Ｐに対して、ブレースに発生する軸力は、Ｎ＝Ｐ×αです。

α＝Ｈ／Ｌ（Ｈは構造物高さ、Ｌは構造物スパン）。

あとは断面算定をするのですが、有効断面積に関しては、下記が参考になります。

有効断面積とは｜突出脚・アングルブレースの断面算定

混同しやすい用語

ブレース構造（ぶれーすこうぞう）

斜め部材（ブレース）で水平力に抵抗する構造形式。

水平剛性が高く変形を小さく抑えられるが、ブレースの入る位置に制約が生まれ開口が取りにくい。

ブレースは基本的に軸力のみ負担する。

ラーメン構造（らーめんこうぞう）

柱と梁の剛接合で水平力に抵抗する構造形式。

開口の自由度が高く間取り設計がしやすいが、ブレース構造より変形（層間変位）が大きくなりやすい。

接合部に曲げモーメントが生じる点がブレース構造と異なる。

試験での問われ方｜管理人の一言

一級建築士試験ではブレース構造とラーメン構造の違い、ブレースの種類（引張ブレース・座屈拘束ブレースなど）が出題されます。

「ブレースは軸力のみ負担」「接合部の偏心に注意」というポイントを覚えましょう。

また「引張ブレースのみの場合、地震の向きによって片方のブレースしか効かない」という設計上の留意点も押さえてください。

ブレース構造を整理した表を示します。

項目	内容	備考
負担する力	軸力のみ（引張力）	曲げモーメントは生じない
配置方法	タスキ掛け（X字配置）が一般的	正負両方向の地震力に対応
軸力の割増	N = P × α（α = H/L）	斜め部材なので水平力よりも大きくなる