JP2012052374A - 梁端制振構造 - Google Patents

Abstract

【課題】制振ダンパーを柱梁接合部に設置するうえでの制約が少なく、また制振ダンパーを効果的に作動させ得て充分な制振効果が得られる有効適切な梁端制振構造を提供する。
【解決手段】梁１を柱５に対して上下方向に相対回転可能にピン接合したうえで、梁の下フランジ３と下ダイヤフラム７との間に制振ダンパー１０としての鋼材ダンパーを介装する。制振ダンパーを、下フランジに締結されて固定される固定部１０ａと、一端部が下フランジに対して水平回転可能にピン接合されるとともに他端部が梁幅方向外側に延出して下ダイヤフラムに対して水平回転可能にピン接合されるアーム部１０ｂと、固定部とアーム部の一端部との間に設けられてアーム部の水平回転により塑性変形するダンパー部１０ｃとにより構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物等の構造物を対象とする制振構造、特に柱と梁との接合部に制振ダンパーを設置してなる梁端制振構造に関する。

周知のように、建物等の構造物を対象とする制振構造は、柱および梁で構成される構造骨組の要所に制振ダンパーを付加することにより、地震による振動エネルギーを制振ダンパーに集中させて吸収することによって構造骨組の損傷を最小限に抑制する耐震技術である。
この種の制振構造では、オイルダンパーや粘弾性ダンパー、摩擦ダンパー等、各種の形式の制振ダンパーが採用されるが、なかでも鋼材の塑性変形を利用する鋼材ダンパーを壁やブレースの形態で設置することが好適であるとされている。

しかし、制振ダンパーを構造骨組に対して壁やブレースの形態で設置する場合には、平面計画上や意匠上の制約を受けることが不可避であり、最適位置に最適配置できない場合も多い。
そのため、そのような制約が比較的少ない梁端部に対して制振ダンパーを設置することが検討され、たとえば特許文献１や特許文献２に示されるような梁端制振構造も提案されている。

特開２００３−２６１９９３号公報 特開２００２−３７１６２６号公報

特許文献１に示される構造は制振ダンパーとして機能する軸力抵抗接合要素を方杖の形態で柱梁接合部に設置するものであるが、方杖の形態では壁やブレースの形態よりも制約は少ないとはいえ、所望の梁下有効天井高を確保したうえで柱梁接合部にそのための設置スペースを確保し得ることが前提であるし、その周囲に設置される設備機器類との干渉も回避しなければならず、その点では必ずしも有効ではなく広く一般に適用できるものではない。
また、方杖の形態の制振ダンパーを有効に作動させるためには充分な座屈拘束が必要であるので、制振ダンパーの構成や柱および梁に対する接合構造が複雑になりコスト高とならざるをえない

特許文献２に示される構造は、軸力抵抗要素としての板状の先行降伏部材を梁の下フランジと平行に設けて制振ダンパーとして機能させるものであるが、これも制振ダンパーとして有効に機能するためには溝形鋼やＴ形鋼などの補剛材による充分な座屈拘束が必要であり、特許文献１に示されるものと同様に構成が複雑でありコスト高である。

さらに、いずれにしてもこの種の制振ダンパーは地震時に作動した後には交換が必要となるから、将来的な交換を想定して柱および梁に対して交換可能にボルト締結することが一般的であるが、柱梁がＨ形鋼のような開断面の場合には特に支障無くボルト締結することが可能であるものの、柱がたとえば角形鋼管のような閉断面である場合には単なるボルト締結ではなく特殊なワンサイドボルトを使用したり、タップおよびボルトによる接合とする必要があるので、その場合はコストおよび施工性の点で好ましくない。

上記事情に鑑み、本発明は柱梁接合部に対して制振ダンパーを設置するうえでの制約が少なく、またその制振ダンパーを効果的に作動させ得て充分な制振効果が得られる有効適切な梁端制振構造を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、構造物の柱と梁との接合部に鋼材からなる制振ダンパーを設置してなる梁端制振構造であって、前記梁をＨ形鋼により構成し、前記柱には該梁のウェブに対向する位置にシアプレートを設けるとともに該梁の下フランジに対向する位置に下ダイヤフラムを設けて、該下ダイヤフラムに設けた切欠凹部の内側に前記下フランジの先端部を配置し、前記梁の前記ウェブの上部を前記シアプレートの上部に対して上下方向に相対回転可能にピン接合するとともに、前記梁の前記下フランジと前記下ダイヤフラムとの間に前記制振ダンパーを介装してなり、前記制振ダンパーは、前記下フランジに締結されて固定される固定部と、一端部が前記下フランジに対して水平回転可能にピン接合されるとともに他端部が該梁の梁幅方向外側に延出して前記下ダイヤフラムに対して水平回転可能にピン接合されるアーム部と、前記固定部と前記アーム部の一端部との間に設けられて前記アーム部の水平回転により塑性変形するダンパー部とからなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の梁端制振構造であって、前記柱に前記梁の上フランジに対向する位置に上ダイヤフラムを設けて、前記梁の前記ウェブの上部を前記シアプレートの上部に対してピン接合することに代えて、前記梁の上フランジの先端部を前記上ダイヤフラムに対して上下方向に相対回転可能にピン接合してなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明の梁端制振構造であって、前記制振ダンパーにおける前記固定部、前記ダンパー部、前記アーム部をいずれも同一素材の鋼材により形成するとともに、前記ダンパー部を前記固定部および前記アーム部よりも小断面に形成してなることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の発明の梁端制振構造であって、前記制振ダンパーを前記梁の下フランジの下面側において前記ウェブの両側に対称配置してなることを特徴とする。

本発明の梁端制振構造によれば、柱梁接合部における回転運動を許容したうえでその振動エネルギーを制振ダンパーにより吸収することにより優れた制振効果が得られることはもとより、単なるＬ形のフラットな形態の制振ダンパーを梁の下フランジと柱に設けた下ダイヤフラムの間に介装するので、その制振ダンパーを設置するための格別のスペースを確保する必要はなく、したがって従来の梁端制振構造のように平面計画上および意匠上の制約を受けることが少ないし、柱や梁の周囲に設置される設備機器類との干渉も回避することができる。

また、本発明における制振ダンパーは主として面内のせん断力および曲げモーメントにより塑性変形するものであるので、面外への座屈が自ずと生じ難いものであり、したがって従来の各種の制振ダンパーのように座屈拘束のために格別の補剛要素を必要とせず、充分な簡易化と小形化を実現できるし、コスト的にも有利である。
さらに、固定部およびアーム部を梁の下フランジおよび柱の下ダイヤフラムに対して密着させた状態で単にボルト締結することで容易に設置できるから、施工性に優れることはもとより将来的な交換も容易にかつ支障無く行うことが可能である。
勿論、本発明の制振ダンパーは、ダンパー部の素材や形状・寸法の設定により、ダンパーとしての剛性、耐力、疲労寿命を自由にかつ幅広く設計することができ、様々な規模、用途の構造物に対して広範に適用可能である。

本発明の梁端制振構造の実施形態を示す図である。 同、制振ダンパーを示す図である。 同、他の実施形態を示す図である。 同、ＦＥＭ解析モデルを示す図である。 同、解析モデルであるダンパー鋼材の特性を示す図である。 同、解析結果（荷重−変形関係）を示す図である。 同、解析結果（座屈変形図）を示す図である。 同、構造実験の概要を示す図である。 同、構造実験における加力プログラムを示す図である。 同、構造実験結果（Ｍ−θ関係）を示す図である。

図１〜図２に本発明の梁端制振構造の実施形態を示す。
これは、梁１をウェブ２と下フランジ３と上フランジ４からなるＨ形鋼により構成するとともに、柱５を角形鋼管により構成し、その柱５には梁１のウェブ２に対向する位置にシアプレート６を設けるとともに、梁１の下フランジ３および上フランジ４に対向する位置にそれぞれ下ダイヤフラム７および上ダイヤフラム８を設けてある。
そして、下ダイヤフラム７には図１（ｃ）、（ｄ）に示すように切欠凹部７ａを設けて、その内側に梁１の下フランジ３の先端部を配置した状態で梁１を柱５に対して以下の構造で接合するようにしている。

すなわち、本実施形態では、梁１のウェブ２の上部のみをシアプレート６の上部に対してスプライスプレート９を介して上下２本の高力ボルトによってボルト締結することにより、梁１を実質的にピン接合の形態で柱５に対して接合しており、したがって地震時には図１（ａ）に示すように柱５に対する梁１の上下方向の相対的な回転運動を許容するようにしており、そのうえで梁１の下フランジ３と柱５に設けた下ダイヤフラム７との間に制振ダンパー１０を介装している。
なお、図示例では柱梁接合部全体に捩れが生じないように、２台の制振ダンパー１０をウェブ２を挟んでその両側に対称配置した状態で介装している。

本実施形態における制振ダンパー１０は、図１（ｄ）、図２に示すように全体の平面形状がＬ形をなす鋼材ダンパーであって、梁１の下フランジ３の下面側に固定される固定部１０ａと、下フランジ３と下ダイヤフラム７との間に跨ってそれらの下面側に固定されるアーム部１０ｂと、それら固定部１０ａとアーム部１０ｂとの間に固定されたダンパー部１０ｃとにより構成されている。
それら固定部１０ａ、アーム部１０ｂ、ダンパー部１０ｃはいずれも同一素材の鋼材（たとえばＳＮ４００Ｂ）からなるものであるが、固定部１０ａおよびアーム部１０ｂに比べてダンパー部１０ｃがやや幅狭かつ薄肉とされて断面積が小さくなっており、それにより上記の柱梁接合部における回転運動によりダンパー部１０ｃが降伏して塑性変形することによってダンパーとして機能するものである。

すなわち、制振ダンパー１０における固定部１０ａは梁１の下フランジ３に対して２本の高力ボルトにより相対回転不能に締結されて固定されているが、アーム部１０ｂはその一端部が下フランジ３に対して１本の高力ボルトにより水平回転可能にピン接合されているとともに、他端部は梁１の梁幅方向外側に延出して下ダイヤフラム７に対して１本の高力ボルトにより水平回転可能にピン接合されており、上記のダンパー部１０ｃは、下フランジ３に対して固定されている固定部１０ａと下フランジに対してピン接合されているアーム部１０ｂの一端部との間に設けられたものとなっている。
上記の制振ダンパーを上記の構造で柱梁接合部に設置することにより、地震時に柱５と梁１との間で上記のような相対的な回転運動が生じた際には、下フランジ３と下ダイヤフラム７に跨っているアーム部１０ｂには図１（ｄ）に示すような水平面内での回転が惹起され、それによりダンパー部１０ｃには図２（ａ）に示すようなせん断力Ｑと曲げモーメントＭが作用する。また、固定部１０ａおよびアーム部１０ｂが同一梁フランジ面に設置されるため、軸力が発生せず、ダンパーに圧縮力による座屈が発生しない。これによりダンパー部１０ｃが塑性変形して振動エネルギーが吸収されて制振効果が得られるものとなっている。

以上のように、本発明の梁端制振構造では、柱梁接合部における梁１の柱５に対する相対回転運動を許容したうえでその振動エネルギーを制振ダンパー１０により吸収することにより優れた制振効果が得られることはもとより、単なるＬ形のフラットな形態の制振ダンパー１０を梁１の下フランジ３と柱５に設けた下ダイヤフラム７の下面側に設置するので、その制振ダンパー１０を設置するための格別のスペースを確保する必要はなく、特許文献１や特許文献２に示される従来の梁端制振構造のように平面計画上および意匠上の制約を受けることが少ないし、柱５や梁１の周辺に設置される設備機器類との干渉も回避することができる。

また、本発明における制振ダンパー１０は主としてダンパー部１０ｃの面内に生じるせん断力Ｑおよび曲げモーメントＭにより塑性変形するものであるので、後述する解析および構造実験により実証されるように面外への座屈が自ずと生じ難いものであり、したがって従来の各種の制振ダンパーのように座屈防止のためのための格別の補剛要素を必要とせず、それにより充分な簡易化と小形化を実現できるし、コスト的にも有利である。
さらに、本発明における制振ダンパー１０は固定部１０ａおよびアーム部１０ｂをそれぞれ梁１の下フランジ３および柱５の下ダイヤフラム７に対して密着させた状態で単にボルト締結することで容易に設置できるから、施工性に優れるものであるし、将来的な交換も容易にかつ支障無く行うことが可能である。
勿論、本発明における制振ダンパー１０は、従来一般の鋼材ダンパーと同様に、ダンパー部１０ｃの素材や形状・寸法の設定によりダンパーとしての剛性、耐力、疲労寿命を自由にかつ幅広く設計することができ、様々な規模、用途の構造物に対して広範に適用可能である。

図３は他の実施形態を示す。上記実施形態では梁１のウェブ２の上部をシアプレート６の上部に対してピン接合することで梁の相対回転を許容するようにしたのであるが、本実施形態ではそれに代えて、梁１の上フランジ４を柱５に設けた上ダイヤフラム８に対してスプライスプレート１１およびフィラープレート１２を介して高力ボルトによりボルト締結するようにし、それ以外は上記実施形態と全く同様に構成したものである。
本実施形態においても、上記実施形態と同様に、梁１は柱５に対して実質的にピン接合の形態で接合されて地震時には上下方向の相対回転が許容され、そのうえで上記実施形態と同様に設置した制振ダンパー１０によって優れた制振効果が得られるものである。
さらに、梁１を柱５に対して実質的にピン接合としてそれらの相対回転が可能であるためには、梁１の上フランジ４のみを上ダイヤフラム８に対して溶接接合することでも良く、それによっても上記実施形態と同様に機能し同様の効果が得られる。

「ＦＥＭ解析によるダンパー挙動の検討」
ダンパー部の断面が同じで長さが異なる２種類の制振ダンパー（LLモデルおよびLSモデル）を対象として、その挙動をＦＥＭ解析で検討する。
解析に使用したモデルを図４に示す。アーム部の支点間距離を120mm、Ｌ字形の角部をピンとし、逆側のアーム端を水平方向に加力した。ダンパー部の板厚を9mm、幅を70mm、ダンパー長さはLLモデルが215mm、LSモデルが95mmである。解析に使用した鋼材はSN400Bであり、その材料特性を図５に示す。鋼材の降伏強さを235N/mm2、バイリニア型の応力−ひずみ関係とした。
解析結果として、解析モデルの水平荷重と加力点の水平変位の関係を図６に示す。この結果から、ダンパー長さの短いLSモデルの方がダンパー長さの長いLLモデルの約２倍の剛性を有していること、塑性化以降の耐力はLSモデルの方がLLモデルに対して約1.4倍〜1.5倍であることが分かる。
一方、曲げ・せん断力を受ける鋼材の低サイクル疲労寿命に関しては、塑性ひずみ振幅で表現されるマンソン・コフィン則が成立すると考えられることから、同一変位においてひずみの小さなLLモデルの方がLSモデルよりも疲労寿命が長いと考えられる。
図７に座屈変形図を示す。座屈荷重に関しては、座屈固有値解析の結果から、LLモデルが987kN、LSモデルが3198kNで、どちらのモデルもダンパーとして想定している変位の範囲では座屈が生じないと想定され、したがって格別の補剛要素は必要としない。

「構造実験による梁端部の復元力特性の検討」
本発明の構造による梁端部を模擬して約1/2の縮尺の試験体による構造実験を実施した結果を以下に示す。図８に実験の概要を示す。試験体は逆Ｔの字形で、柱を水平に固定し、柱の表面から2000mmの高さの梁を動的油圧ジャッキで水平方向に繰り返し加力した。制振ダンパーは上記のLLモデルと同様（SN400B、ダンパー部の板厚9mm、幅70mm、ダンパー長さ215mm、アーム部の支点間距離120mm）である。加力プログラムを図９に示す。１サイクルの周期は２秒である。
なお、本実験では梁のウェブを１本の高力ボルトのみでピン支持し、制振ダンパーのアーム部をブラケットを介して下ダイヤフラムに対して締結している（すなわち下ダイヤフラムにブラケットを固定することで切欠凹部を形成している）が、実質的に上記実施形態と等価である。
実験結果として、加力ステップ２，３，５，７における材端の曲げモーメントＭと部材変形角θを図１０に示す。本実験ではθ＝約２％までダンパー部にき裂は発生せず、安定した復元力特性（エネルギー吸収特性）が得られた。また、それ以降の加力によりダンパーにき裂を生じ加力を終了させるまで面外への座屈は生じることはなく、本実験により本発明の有効性が実証された。

以上で本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、要は梁の上部を柱に対して回転可能に接合したうえで梁の下フランジと柱に設けた下ダイヤフラムとの間に制振ダンパーを介装し、その制振ダンパーとして固定部とアーム部とダンパー部とからなるフラットなＬ形の形態の鋼材ダンパーを用いてそれを下フランジと下ダイヤフラムに対して締結して設置すれば良いのであって、その限りにおいて各部の具体的な構成については適宜の設計的変更や応用が可能であることが当然である。

１ 梁
２ ウェブ
３ 下フランジ
４ 上フランジ
５ 柱
６ シアプレート
７ 下ダイヤフラム
７ａ 切欠凹部
８ 上ダイヤフラム
９ スプライスプレート
１０ 制振ダンパー
１０ａ 固定部
１０ｂ アーム部
１０ｃ ダンパー部
１１ スプライスプレート
１２ フィラープレート

Claims (4)

1. 構造物の柱と梁との接合部に鋼材からなる制振ダンパーを設置してなる梁端制振構造であって、
   前記梁をＨ形鋼により構成し、前記柱には該梁のウェブに対向する位置にシアプレートを設けるとともに該梁の下フランジに対向する位置に下ダイヤフラムを設けて、該下ダイヤフラムに設けた切欠凹部の内側に前記下フランジの先端部を配置し、
   前記梁の前記ウェブの上部を前記シアプレートの上部に対して上下方向に相対回転可能にピン接合するとともに、前記梁の前記下フランジと前記下ダイヤフラムとの間に前記制振ダンパーを介装してなり、
   前記制振ダンパーは、前記下フランジに締結されて固定される固定部と、一端部が前記下フランジに対して水平回転可能にピン接合されるとともに他端部が該梁の梁幅方向外側に延出して前記下ダイヤフラムに対して水平回転可能にピン接合されるアーム部と、前記固定部と前記アーム部の一端部との間に設けられて前記アーム部の水平回転により塑性変形するダンパー部とからなることを特徴とする梁端制振構造。
2. 請求項１記載の梁端制振構造であって、
   前記柱に前記梁の上フランジに対向する位置に上ダイヤフラムを設けて、前記梁の前記ウェブの上部を前記シアプレートの上部に対してピン接合することに代えて、前記梁の上フランジの先端部を前記上ダイヤフラムに対して上下方向に相対回転可能にピン接合してなることを特徴とする梁端制振構造。
3. 請求項１または２記載の梁端制振構造であって、
   前記制振ダンパーにおける前記固定部、前記ダンパー部、前記アーム部をいずれも同一素材の鋼材により形成するとともに、前記ダンパー部を前記固定部および前記アーム部よりも小断面に形成してなることを特徴とする梁端制振構造。
4. 請求項１，２または３記載の梁端制振構造であって、
   前記制振ダンパーを前記梁の下フランジの下面側において前記ウェブの両側に対称配置してなることを特徴とする梁端制振構造。