JP2013036164A

JP2013036164A - 耐震構造

Info

Publication number: JP2013036164A
Application number: JP2011170225A
Authority: JP
Inventors: Shuya Futatsugi; 秀也二木; Masafumi Yamamoto; 雅史山本; Hiroki Hamaguchi; 弘樹濱口
Original assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Current assignee: Takenaka Komuten Co Ltd
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-03
Also published as: JP5767888B2

Abstract

【課題】小変形時からＰδ効果等によって耐震部材に耐力低下が生じる大変形時まで、架構の耐力を保持し、高いエネルギー吸収能力を発揮する。
【解決手段】層間変形角が１／２００を越えるような大きな変形であっても、架構１００を構成する梁１２０及び支持部以外の柱１１０の剛性が維持されると共に、支持部以外の柱１１０の曲げ降伏が防止又は抑制される。このように層間変形角が１／２００を越える大きな変形が可能となることで、第一耐震装置２００のブレース材２０２と第二耐震装置３００のブレース材３１０，３２０の両方が、例えば破断等で耐力を失うまで、架構１００全体として、エネルギー吸収効果を発揮する。したがって、小変形時から第一耐震装置２００のブレース材２０２と第二耐震装置３００のブレース材３１０，３２０の両方に耐力低下が生じる大変形時まで、架構１００の耐力が保持され、高いエネルギー吸収能力が発揮される。
【選択図】図２

Description

本発明は、制震構造に関する。

特許文献１には、摩擦ダンパーを備えたエネルギー吸収機能を有する剛性の高い剛ブレースを配置して成る剛架構と、剛性は低いが弾性範囲の大きい復元機能を有する柔ブレースを配置して成る柔架構と、を配置した制振架構において、柔ブレースと剛ブレースの各ブレースの剛性と弾性範囲とを独立して調整可能とすると共に、剛架構の梁長よりも柔架構の梁長を小さくした制震構造が提案されている。

特許文献２には、梁架構の面内にブレース状に配置された鋼材系の大振幅用ダンパーと、前記大振幅用ダンパーに直列状に結合された小振幅用ダンパーと、の組み合せから成り、前記小振幅用ダンパーにはその振幅の大きさを限定するストッパを設けた制震架構が提案されている。

特許文献３には、制震ダンパー自体にギャップ機構を付加することにより、経済性及び施工性を維持しつつ建物の層崩壊あるいは最弱層の甚大な被害を防止することを可能にし、且つ建物の層間変形量がギャップ幅未満である場合においても制震効果を発揮させることが可能な制震ダンパーが提案されている。

ここで、小変形時からＰδ効果等によって耐震部材に耐力低下が生じる想定外の大変形時まで、安定した耐力を保持することが求められている。

特開２００６―２５１１号公報特開平１０−２８０７２７号公報特開２０１０−１７００号公報

本発明は、上記事実を考慮し、小変形時から耐震部材に耐力低下が生じる大変形時まで、架構の耐力を保持し、エネルギー吸収能力を発揮させることが課題である。

請求項１の発明は、柱と前記柱にピン接合された梁とで構成された複数層の架構と、前記架構に設けられ、前記架構が第一の層間変形角になるまでは降伏しない第一耐震部材を有する第一耐震装置と、前記架構に設けられ、前記架構が前記第一の層間変形角よりも大きな第二の層間変形角になるまでは降伏しない第二耐震部材を有し、前記第二耐震部材に剛性が生じる前記架構の層間変形角が前記第一の層間変形角と一致又は略一致するように構成された第二耐震装置と、前記柱の柱脚部に設けられ、ピン接合された又は少なくとも前記第二の層間変形角を越えると曲げ降伏するように構成された支持部と、を備える。

請求項１の発明では、梁は柱にピン接合されているので、架構に水平力がかかっても柱と梁との接合部は回転する。また、架構にかかる水平力は第一耐震装置と第二耐震装置とで抵抗し、耐力が保持される。

第一の層間変形角になるまでは第一耐震装置の第一耐震部材が降伏することなく剛性が保持され、架構の耐力が保持される。第一の層間変形角を越えると第一耐震装置の第一耐震部材が降伏する。

しかし、第一の層間変形角を越えると、第二耐震装置の第二耐震部材によって、架構に剛性が付与され、耐力が保持される。なお、第一の層間変形角を越えると第一耐震装置の第一耐震部材が降伏し塑性変形することで、エネルギー吸収効果を発揮する。

第二耐震装置の第二耐震部材は、第二の層間変形角になるまでは、降伏することなくことなく剛性が保持され、架構の耐力が保持される。第二の層間変形角を越えると、第二耐震装置の第二耐震部材が降伏し塑性変形することで、エネルギー吸収効果を発揮する。

ここで、柱に梁がピン接合されているので柱と梁の接合部は回転する。また、柱の柱脚部にはピン接合又は曲げ降伏する支持部が設けられており、第二の層間変形角を越えると、この支持部が回転する。

よって、第一耐震部材と第二耐震部材とが降伏する第二の層間変形角を越えるような大きな変形であっても、架構を構成する梁及び支持部以外の柱の剛性が維持されると共に、支持部以外の柱の曲げ降伏が防止又は抑制される。つまり、架構は、脆性的な破壊が生じることなく、第二の層間変形角を越える大きな変形が可能となっている。

また、このように第二の層間変形角を越える大きな変形が可能となることで、第一耐震部材と第二耐震部材との両方が、例えば破断等で耐力を失うまで、架構全体として、エネルギー吸収効果を発揮する。

したがって、小変形時から第一耐震部材及び第二耐震部材の両方に耐力低下が生じる大変形時まで、架構の耐力が保持され、高いエネルギー吸収能力が発揮される。

請求項２の発明は、前記第一耐震装置の剛性と、前記第二耐震装置の剛性と、が一致又は略一致するように設定された請求項１に記載の耐震構造。

請求項２の発明では、第一耐震装置の剛性と第二耐震装置の剛性とが一致又は略一致するように設定されているので、第一耐震装置の剛性と第二耐震装置の剛性とが一致していない構成と比較し、安定した耐震性能が発揮される。

本発明によれば、小変形時から第一耐震部材及び第二耐震部材の両方に耐力低下が生じる大変形時まで、架構の耐力を保持し、エネルギー吸収能力を発揮することができる。

本発明の一実施形態に係る耐震構造が適用された架構を備える構造物の構造を示す立面図である。（Ａ）はレベル１の場合の架構を示す立面図であり、（Ｂ）はレベル２の場合の架構を示す立面図であり、（Ｃ）はレベル３の場合の架構を示す立面図である。第二耐震装置を示す（Ａ）が正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面の縦断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面を拡大した水平断面図である。（Ａ）はレベル１の場合の第二耐震装置の粘弾性ダンパー部の応力状態を説明する図３（Ｃ）に対応した説明図であり、（Ｂ）レベル２又はレベル３の場合の第二耐震装置の粘弾性ダンパー部の応力状態を説明する図３（Ｃ）に対応した説明図である。柱と梁との柱梁接合部を示す（Ａ）は水平断面図であり、（Ｂ）は梁の長手方向に沿った垂直断面図である。（Ａ）は柱の構造を説明するための斜視図であり、（Ｂ）柱の柱脚部を示す斜視図である。（Ａ）は本実施形態の耐震構造が適用された架構の層階変形角と層せん断力とを関係を示す荷重変形関係のグラフであり、（Ｂ）は第一耐震装置の荷重変形関係の示すグラフであり、（Ｃ）は第二耐震装置の荷重変形関係の示すグラフである。本発明が適用されていない架構の上に本発明の一実施形態に係る耐震構造が適用された架構が構築された構造物の構造を示す立面図である。

＜実施形態＞
図１には、本発明の一実施形態に係る耐震構造が適用された架構１００で構成された構造物１０が示されている。架構１００は、複数層からなり、地盤１２に設けられた基礎５０に支持された複数の柱１１０と複数の梁１２０と含んで構成されている。なお、本実施形態における梁１２０は、構造上主要な大梁である。

柱１１０は、本実施形態では、図５及び図６（Ａ）に示すように、鉄筋コンクリート製のプレキャストコンクリートで構成されている。また、架構１００の最下層の柱１１０の柱脚１５０は、図６（Ｂ）に示すように、コンクリート充填鋼管（ＣＦＴ）で構成された支持部１５２が設けられている。

柱１１０と梁１２０との柱梁接合部１２５は、ピン接合とされている。具体的には、図５に示すように、柱１１０に埋設されたブラケット１１２の上面部１１２Ａに（図６（Ａ）も参照）、梁１２０を載せて梁１２０の下端フランジ１２２を二本の高力ボルトでブラケット１１２にボルト接合されている。また、梁１２０の端部１２０Ｔと柱１１０の側面１１０Ｔの間は隙間（クリアランス）Ｌ１が設けられている。なお、本実施形態では、隙間Ｌ１は６０ｍｍに設定されている。

図１に示すように、正面視における架構１００における中央部分の各層には第一耐震装置２００が設けられている。第一耐震装置２００は、低降伏点鋼からなるブレース材２０２を正面視Ｘ状に配置し、ブレース材２０２の端部が柱１１０と梁１２０とで構成する角部１１５に固定された構成とされている。

架構１００における両側部には、二層に跨って配置された第二耐震装置３００が設けられている。第二耐震装置３００は、正面視においてＶ字形状の上側のブレース部材３１０と、逆Ｖ字形状の下側のブレース部材３２０と、を有している（図３（Ａ）も参照）。各ブレース部材３１０，３２０の端部は、柱１１０と梁１２０とで構成する角部（隅部）１１５に、ブラケット等を介して固定された構成とされている。

図３（Ａ）に示すように、第二耐震装置３００は、ブレース部材３１０、３２０と、粘弾性ダンパー部３５０と、を含んで構成されている。

上側のブレース部材３１０は、２本の鉄骨製のブレース材３１２をＶ字型に結合したＶ型ブレースとされ、下側のブレース部材３２０は、２本の鉄骨製のブレース材３２２をＡ字型（逆Ｖ字型）に結合したＡ型ブレースとされている。上側のブレース部材３１０と下側のブレース部材３２０とは、粘弾性ダンパー部３５０によって連結されている。

粘弾性ダンパー部３５０は、上側のブレース部材３１０（ブレース材３１２）の端部と一体となった上側部材３６０と、下側のブレース部材３２０（ブレース材３２２）の端部と一体となった下側部材３７０とを備えている。

上側部材３６０には複数の板部材３６２が面外方向に間隔をあけて設けられている。下側部材３７０には複数の板部材３７２が面外方向に間隔をあけ、且つ、上側部材３６０の板部材３６２の間に設けられている。板部材３６２と板部材３７２との隙間には、板状の粘弾性体３９０が設けられている。この粘弾性体３９０は、板部材３６２，３７２に加硫接着等で固定されている。

板部材３６２，３７２及び粘弾性体３９０には、貫通孔３６４，３７４，３９４がそれぞれ形成されており、これらの貫通孔３６４．３７４．３９４に円柱状のシャフト３８０が貫通されている。

板部材３６２の貫通孔３６４及び粘弾性体３９０の貫通孔３９４は、シャフト３８０と略同じ内径の円形の孔とされている。しかし、板部材３７２の貫通孔３７４は、水平方向を長手方向とする長孔とされている。また、板部材３７２の貫通孔３７４とシャフト３８０との水平方向（長手方向）の端部との隙間をＬ２とする。

＜設定（設計）＞
つぎに、本実施形態の耐震構造の各諸言の設定（設計）方法の一例について説明する。

[レベル１]
架構１００の層間変形角を１／４００以下と想定する。また、震度５相当を想定。

第二耐震装置３００に貫通孔３７４にシャフト３８０が当接しないように設定する。また、第一耐震装置２００のブレース材２０２が塑性化しないで弾性変形するように設定する（図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）を参照）。具体的には、ベースシア係数が０．１５として、ブレース材２０２を設計。

また、BCJ-L1波において、層間変形角が１／４００程度となる第二耐震装置３００の粘弾性ダンパー部３５０の減衰係数ｈを決定する（例えば、ｈ＝0.05）。

[レベル２]
架構１００の層間変形角が、１／４００よりも大きく、且つ１／２００と想定する。また、震度６相当を想定。

下側部材３７０の貫通孔３７４に当たり、上側部材３６０と下側部材３７０との相対変位が規制されるように設定する（本実施形態は隙間Ｌ２＝３０ｍｍ）。また、BCJ-L1波での応答速度Ｖの２倍に対して第二耐震装置３００の粘弾性ダンパー部３５０を設計する。

また、第二耐震装置３００を構成する上側のブレース部材３１０（ブレース材３１２）と下側のブレース部材３２０（ブレース材３２２）とが塑性化しないで弾性変形するように設定する（図７（Ｃ）を参照）。

なお、この状態でも、最下層の柱１１０の柱脚１５０におけるコンクリート充填鋼管（ＣＦＴ）で構成された支持部１５２は、曲げ降伏せずに弾性が維持されるように設定することが望ましい。

[レベル３]
架構１００の層間変形角１／２００よりも大きくなった場合を想定する。震度７相当以上を想定。

最下層の柱１１０の柱脚１５０におけるコンクリート充填鋼管（ＣＦＴ）で構成された支持部１５２が曲げ降伏するように構成する。

＜作用及び効果＞
つぎに本実施形態の作用及び効果について説明する。

梁１２０は柱１１０にピン接合されているので、架構１００に水平力がかかっても柱１１０と梁１２０との柱梁接合部１２５は回転する（図５参照）。また、架構１００にかかる水平力は第一耐震装置２００と第二耐震装置３００とが抵抗することで、耐力が保持される。

レベル１においては、図２（Ａ）及び図７に示すように、層間変形角が１／４００になるまでは第一耐震装置２００のブレース材２０２が降伏することなく剛性Ｋ１が保持され、架構１００の耐力が保持される。

また、図４に示すように、第二耐震装置３００の上側部材３６０と下側部材３７０とが相対変位し、粘弾性体３９０がせん断変形する。このように粘弾性体３９０がせん断変形することで、振動エネルギーが熱エネルギーに変換されて振動が低減される。

なお、本実施形態の架構と本発明が適用されていない架構とを比べると、応答値が減少するとともに応答のばらつきが大幅に減少することが、シミュレーション等で確認されており、ロバスト性が高い。なお、ロバスト性とは、「ある外力レベルの中での■確実性（外力特性・材料特性）に対して、応答のばらつきを抑制できること」である。

なお、層間変形角が１／４００になるまでは、第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２には剛性が生じない。また、ブレース材３１２，３２２は、層間変形角１／４００になるまでは、粘弾性ダンパー部３５０を支持する支持部材として機能する。

レベル２においては、図２（Ｂ）及び図７に示すように、層間変形角が１／４００を越えると第一耐震装置２００のブレース材２０２が降伏する（特に図７（Ｂ）を参照）。しかし、第二耐震装置３００の下側部材３７０の貫通孔３７４に当たり、上側部材３６０と下側部材３７０との相対変位が規制されブレース材３１２，３２２が剛性Ｋ２を生じ架構１００に剛性が付与され、架構１００の耐力が保持される（特に図７（Ｃ）を参照）。

また、第一耐震装置２００のブレース材２０２が降伏し塑性変形することで、エネルギー吸収効果を発揮する。

第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２は、層間変形角が１／２００になるまでは、降伏することなくことなく剛性Ｋ２が保持され、架構１００の耐力が保持される（特に図７（Ｃ）を参照）。

レベル３においては、図２（Ｃ）及び図７に示すように、層間変形角が１／２００を越えると、第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２が降伏し塑性変形することで、エネルギー吸収効果を発揮する（特に図７（Ｃ）を参照）。

さて、前述したように、柱１１０に梁１２０がピン接合されているので、柱１１０と梁１２０の柱梁接合部１２５は回転する。そして、層間変形角が１／２００を越えると、柱１１０の柱脚１５０の支持部１５２が曲げ降伏し回転する共にエネルギーが吸収される。

よって、層間変形角が１／２００を越えるような大きな変形であっても、架構１００を構成する梁１２０及び支持部１５２以外の柱１１０の剛性が維持されると共に、支持部１５２以外の柱１１０の曲げ降伏が防止又は抑制される。つまり、架構１００（構造物１０）は、脆性的な破壊が生じることなく、層間変形角が１／２００を越える大きな変形が可能となっている。

また、このように層間変形角が１／２００を越える大きな変形が可能となることで、第一耐震装置２００のブレース材２０２と第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２の両方が、例えば破断等で耐力を失うまで、架構１００全体として、エネルギー吸収効果を発揮する。

したがって、小変形時からＰδ効果等によって第一耐震装置２００のブレース材２０２と第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２の両方に耐力低下が生じる大変形時まで、架構１００の耐力が保持され、高いエネルギー吸収能力が発揮される。

つまり、一般的な鉄骨造建物では甚大な外力が作用すると梁やブレースの破断により脆性的な破壊に至る。しかし、本実施形態では、ブレースが破断するまで（理論上は層間変形角が１／１０程度まで）は、Ｐδ効果などにより水平耐力の低下はあるものの脆性的な破壊には至らす冗長性が高い構造となる。

柱梁接合部１２５は、梁１２０に鉛直荷重のみを負担させるピン接合とすることで、梁１２０の材料強度や寸法公差による耐震性能への影響を排除している。また、甚大な外力に対しても柱１１０の崩壊（層崩壊）となることなく、冗長性が更に向上する。

なお、本実施形態での冗長性が高い構造とは、「建築基準法で想定しているレベルを超えるような想定外の大きな外力に対しても、本発明を適用することで脆性的な破壊に至らないこと」である。別の観点から説明すると「本発明を適用していないと想定外の大きな外力を受けると脆性的な破壊に至る場合であっても、本発明を適用することで脆性的な破壊に至らない」ことである。

また、図７に示すように、第一耐震装置２００のブレース材２０２の剛性Ｋ１と第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２の剛性Ｋ２とが一致又は略一致するように設定されているので、安定した耐震性能が発揮される。

また、第一耐震装置２００のブレース材２０２を靭性の高い低降伏点鋼を用いることで、大変形時にも確実にエネルギー吸収能力を発揮する。また、Ｘ型としてフレームと取り合うことで梁１２０に軸力を負担させない架構形式となっている。

また、図５に示すように、柱１１０と梁１２０との柱梁接合部１２５は、ブラケット１１２に梁１２０を乗せてボルト接合した単純な接合形式であり、建設時の仮設部材も不要であるなど施工性と経済性が高い接合形式となっている。

なお、レベル２までは柱１１０と梁１２０の柱梁接合部１２５には水平力が作用するが、レベル３となり第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２に軸力が生じることによって、柱１１０が曲げ抵抗型から軸抵抗型へと変化する。そして、柱１１０にかかる軸力は、第二耐震装置３００のブレース材３１２，３２２の軸耐力によって制御することができる。このように、柱１１０は軸力で設計できるので柱断面が抑制できる。よって経済性が向上する。また、型枠の共有化になどからプレキャスト柱を採用することが可能となり、施工性を向上させることができる。

＜その他＞
尚、本発明は上記実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態では、架構１００は基礎５０の上に構築されていたがこれに限定されない。例えば、図８に示すように、本発明が適用されていない架構１０１の上に本発明の一実施形態に係る耐震構造が適用された架構１００が構築された構造物１１であってもよい。また、図示は省略するが、本発明の一実施形態に係る耐震構造が適用された架構１００の上に本発明が適用されていない架構１０１が構築された構造物であってもよい。

また、例えば、上記実施形態では、第二耐震装置３００には粘弾性ダンパー部３５０が設けられていたが、これに限定されない。粘性ダンパーであってよい。更に、粘弾性ダンパー又は粘性ダンパーがない構成であってもよい（一例として、上記実施形態の粘弾性ダンパー部３５０に粘弾性体３９０が設けられていない構成）。

また、第一耐震装置２００は、低降伏点鋼からなるブレース材２０２がＸ字状に配置されたＸ型ブレースであったが、これに限定されない。他の型のブレースであってもよい。更に、例えば、第一耐震装置が制振間柱や制振壁で構成されていてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、柱１１０の柱脚１５０の支持部１５２は、層間変形角が１／２００を越えるまで曲げ降伏することなく弾性が維持されていたが、これに限定されない。層間変形角が１／２００よりも小さくても曲げ降伏してもよい。また、支持部はピン接合であってもよい。

また、上記、レベル１、レベル２、及びレベル３で想定した層間変形角や震度は、一例であって、これに限定されるものではない。

更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない

１０構造物
１００架構
１１０柱
１２０梁
１５０柱脚部
１５２支持部
２００第一耐震装置
２０２ブレース材（第一耐震部材）
３００第二耐震装置
３１２ブレース材（第二耐震部材）
３２２ブレース材（第二耐震部材）
Ｋ１剛性
Ｋ２剛性

Claims

柱と前記柱にピン接合された梁とで構成された複数層の架構と、
前記架構に設けられ、前記架構が第一の層間変形角になるまでは降伏しない第一耐震部材を有する第一耐震装置と、
前記架構に設けられ、前記架構が前記第一の層間変形角よりも大きな第二の層間変形角になるまでは降伏しない第二耐震部材を有し、前記第二耐震部材に剛性が生じる前記架構の層間変形角が前記第一の層間変形角と一致又は略一致するように構成された第二耐震装置と、
前記柱の柱脚部に設けられ、ピン接合された又は少なくとも前記第二の層間変形角を越えると曲げ降伏するように構成された支持部と
を備える耐震構造。
前記第一耐震装置の剛性と、前記第二耐震装置の剛性と、が一致又は略一致するように設定された請求項１に記載の耐震構造。