JP4994009B2 - 鉄骨制振架構を有する建築物 - Google Patents

Description

本発明は鉄骨骨組を有する建築物に関するものであり、より具体的には隅柱に加わるＸＹ両方向の荷重集中を軽減した架構および当該架構を有する建築物に関するものである。

略矩形平面を有する軸組み構造建物において、柱梁をＸ方向（例えば建物の長手方向）とＹ方向（例えば建物の短手方向）ともに剛接骨組みとした場合、隅柱（建物平面の角に位置する柱）以外の柱にはＨ型鋼のような加工度が低く従ってコストの比較的安い型鋼を用いることができるが、隅柱には加工度が高く従ってコストの高い鋼管柱やクロスＨ柱を用いることが必要になる。これは、隅柱はＸ構面（Ｘ方向に並んだ柱梁によって構成される面）の柱であると同時に、Ｙ構面（Ｙ方向に並んだ柱梁によって構成される面）の柱でもあるために、ＸＹ両方向に所定の剛性・強度を有することが必要になるのに対して、Ｈ型断面柱は強軸まわりの剛性・強度に比較して弱軸まわりの強度・剛性が顕著に低いために、Ｈ型断面柱では一般にＸＹ両方向の必要剛性・強度を合理的に満足することができないためである。

また、略矩形平面を有する軸組み構造建物の隅柱はＸＹ両方向に高い剛性を有することから必然的に、Ｘ方向の地震力とＹ方向の地震力が同時に作用する現実の地震時には、構面内の柱（構面の端部でない柱）に比較して大きな軸方向力及び曲げモーメントが作用する。

一方、近年、大地震時に建物の構造骨組みの損傷を軽減するために、骨組み内に振動エネルギーを吸収する各種の制振ダンパーを設置することが多いが、制振ダンパーは建築空間の使用性、通風や採光を妨げないように、建物のコア回りの壁内や床下、天井裏などに設置せざるを得ないなど、設置箇所には多々制約がある。また、これら制振ダンパーは、大地震時以外に中小地震にも積極的に機能するように設計されるので、大地震後はもちろん中小地震後であってもダンパーの損傷の検査が容易で、損傷時には容易に交換可能なように設置されることが望ましいが、コア回りの壁内や床下や天井裏などに設置した制振ダンパーの検査・交換作業は容易でない。

さらに、ＸＹ両構面に同等の効果を発揮する制振ダンパーを配置することが望ましい場合であっても、ＸＹ両構面に制振効果を発揮させるように制振ダンパーを配置することは一般に困難である。

さらに、高層ビルやペンシルビルなど縦横比の大きい建物に地震力が作用した場合、特に建物の高層部では層間変位にとって骨組みの曲げ変形が支配的になるために、骨組みのせん断変形によって制振効果を発揮するブレース形式や間柱形式の制振ダンパーによる制振効果は高層部ほど低下するという問題がある。この問題に対する従来技術として、建物内に二つの連層耐震壁を設けて、当該２つの連層耐震壁を境界梁ダンパーで連結する方法などが提案されているが、建物内に連層耐震壁を２つ並べて設置することには建物の機能の点から制約があるなどの理由で、当該方法はごく限られた場合にしか適用することができない。
特開２０００−３２８８１０ 特開２００６−１３８１２７

従来の技術が有する上述の課題を解決するために、本発明は、
略矩形平面を有する軸組み構造の建築物において、
当該建築物のＸ方向およびＹ方向の外側部を構成するＸ構面及びＹ構面は、それぞれＸ方向およびＹ方向に高い曲げ剛性を有する柱と、当該柱に剛接合されたそれぞれＸ方向およびＹ方向の梁を含み、
Ｘ構面の端部柱はＹ構面外に、Ｙ構面の端部柱はＸ構面外にそれぞれ位置し、
Ｘ、Ｙ構面の互いに隣接する端部柱はＸＹ連結梁によって、平面視斜め方向に連結され、
該ＸＹ連結梁は地震時にＸ、Ｙ構面を構成する柱梁の降伏以前に降伏する架構を有する建築物を提案する。
本発明において略矩形平面とは、幾何学的矩形および平行四辺形、台形、平行でない四辺形、あるいは凹部または凸部を含むこれらの形状等を意味する。また、端部柱とは、ＸまたはＹ甲面を構成する柱のうち、最も外側に位置する一対の柱をいう。Ｘ方向及びＹ方向に高い曲げ剛性を有するとは、強軸回りの曲げの方向がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ対応していることを意味する。

本発明では、上記Ｘ、Ｙ構面は当該建築物の主要な耐震架構を構成するものであっても良い。また、Ｘ、Ｙ構面は、当該建築物の外側部を構成する耐震骨組みであるが、そのさらに外側に耐震骨組みあるいは非耐震骨組みが設けられていても良い。上記建築物において、Ｘ、Ｙ構面を構成する柱は何れもＨ型鋼であってもよいが、特に端部柱以外の柱はボックス型等であってもよい。

本発明では、前記ＸＹ連結梁は、履歴ダンパーとして作用することが好ましい。当該ＸＹ連結梁は、ウェブがせん断降伏するＨ型断面部材であってもよい。また、端部柱とＸＹ連結梁とはエンドプレートを介して着脱容易にボルト接合されていてもよい。

本発明では、上記建築物において、前記ＸＹ連結梁の降伏耐力は、上層階のものほど高く、あるいは、ＸＹ連結梁は上層階ほど間隔を密に設けられていてもよい。

本発明によれば、隅柱に加工度が高く従ってコストの高い鋼管柱やクロスＨ柱を用いることは不要になり、隅柱に代わるＸ、Ｙ構面の端部柱もＨ型鋼のような加工度が低く従ってコストの比較的安い型鋼を用いることができるので、建築物のコストを低減することができる。構面端部の端部柱が、Ｘ、Ｙ構面の隅柱を兼務しないので、Ｘ、Ｙ両方向の地震力に対して応力が過大になることが無いからである。

本発明によれば、制振ダンパーとして作用するＸＹ連結梁は平面内で斜め方向に（Ｘ方向、Ｙ方向のいずれとも平行でなく）設けられているので、１つの部材でありながらＸ方向及びＹ方向の変形に対して有効に作用する。また、本発明では、建築物の四隅に制振ダンパーを水平方向に設けることになるので、建物内部空間の設計自由度を阻害しない。制振ダンパーを含む耐震架構を建築物の外周のみとし、内部空間に耐震架構を設けないことも可能になるので、広々とした自由度の高い内部空間を確保することができる。同時にコア配置の自由度も向上する。

Ｘ、Ｙ構面が建物の最外層である場合には、ＸＹ連結梁の検査、交換は特に容易である。当該、交換の容易性は、端部柱とＸＹ連結梁とがエンドプレートを介して着脱容易にボルト接合されていればさらに向上する。もちろん、建物の適宜の位置にＸＹ連結梁以外の制振ダンパーを設けることは自由である。

さらに、本発明にかかる建築物の場合は、層間変形において曲げ変形成分が支配的な高層建物やペンシルビルの場合であっても制振効果は有効に作用する。このような高さ幅比の大きな建物に本発明を適用すると、上層部において履歴ダンパーに作用するせん断力は下層部より大きいので、建物の水平変形を抑制する効果が高い。

以下に実施例を参照して本発明を詳細に説明する。ただし、実施例は発明の理解を助けるための例示であって、本発明がこれらの実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。
本発明を適用した４スパン×３スパンの平面を有する１０層骨組みの梁伏せ図を図１に、軸組み図を図２に示す。柱梁ともＨ型断面の部材が用いられており、梁は柱に対してスプリットティー形式でボルト接合されている。Ｘ構面を構成する柱の強軸はいずれもＸ方向を向いており、Ｙ構面を構成する柱の強軸は何れもＹ方向である。したがって、Ｘ構面の端部柱１００とＹ構面の端部柱２００の強軸方向は互いに直交しており、これらの間にはＸＹ連結梁３００が、２つの端部柱１００、２００の間に設けられてエンドプレートを介して両者を連結している。梁伏せ図においては、ＸＹ連結梁はＸ方向から略４５°回転した向きに設けられている。

ＸＹ連結梁は、Ｈ型断面を有する部材からなり、ウェブがせん断降伏することによってせん断パネル型履歴ダンパーとして作用する。せん断パネルの鋼種は強度が低く変形能力に優れた建築構造用低降伏点鋼が最適であるが、従来の構造用鋼材を用いることもできる。このダンパーは建物の下層の６層までは各層に１つ設けられているが、７層以上の階では各層に２段に設けられている。これは上層階の曲げ変形を有効に抑制するためである。

図１および図２に示した実施例では、柱と梁の接合部の梁下部分に方杖型のブレースを配して、骨組みの剛性や強度、制振効果を高めている。この方杖型のブレースは座屈拘束ブレース型の制振ダンパーの例である。本ブレースは、本発明とは別個のものであるから、発明に必須ではない。また、梁は柱にスプリットティーを用いてボルト接合されているので組立および解体が容易であるが、溶接等による接合であっても良い。

本実施例は、外周架構により耐震架構を構成しているので、地震時の水平荷重は実質的に全て外周架構が負担する。したがって、建物内部空間の柱は、鉛直荷重のみを負担する間柱や床振動を減衰させる間柱であり、外周架構を構成する柱に比較して内部空間の柱の断面は小さい。もちろん、内部空間の自由度を阻害しない範囲で、内部の柱梁に地震力の一部を負担させても良い。
本発明を適用した耐震架構は、必ずしも建物の最外周でなくても良い。その場合、本発明を適用したＸ構面とＹ構面のさらに外周に位置する架構にも併せて本発明を適用することもできるし、外周の架構には本発明を適用しないことも可能である。

図３は、端部柱１００、２００とＸＹ連結梁３００の拡大斜視図である。Ｘ構面を構成する端部柱１００とＹ構面を構成する端部柱２００とは、ＸＹ連結梁３００、３１０によって連結されている。Ｘ構面を構成する端部柱１００はＨ型鋼からなりその強軸は、同じくＸ構面を構成する他の柱（端部でない柱、同様にＨ型鋼からなる、図示しない）と同様にＸ構面と平行であり、Ｙ構面を構成する端部柱２００もまたＨ型鋼からなりその強軸は、同じくＹ構面を構成する他の柱（端部でない柱、同様にＨ型鋼からなる、図示しない）と同様にＹ構面と平行である。梁４００、４０１、４１０、４１１もまたＨ型鋼からなる。柱梁の接合はスプリットティー接合である。また、柱梁の接合部近傍は方杖型のブレース５００によって補強されており、当該ブレースは座屈拘束型であって制振ダンパーとして作用する。

ＸＹ連結梁３００、３１０は梁４００、４０１、４１０、４１１と同一平面において、Ｘ構面及びＹ構面に対して４５°の方向に延在する。ＸＹ連結梁３００、３１０もまたＨ型鋼によって構成され、その両端部はエンドプレート６００、６０１、６１０、６１１を介して端部柱１００、２００にボルト接合されている。

図４は、本発明を適用した建物の地震時のＸ方向の変形状態を図示したものである。図において、Ｘ構面は端部柱１００と１０２との間に構成されている。Ｙ構面は、端部柱２００および２０１から紙面の奥方向に構成される構面である。地震時には、Ｘ構面およびＹ構面とも曲げせん断変形しているものと考えられるが、図４によれば、Ｘ面内において一体として曲げせん断変形するＸ構面と、Ｙ構面のＸ方向の挙動は異なり、結果的に端部柱１００と２００との間には、上層階に行くにしたがって大きな相対変位を生じていることが分かる。

高層建物等建物の幅に対して高さの大きな建物の上層階においては、曲げ変形が支配的であるにもかかわらず、本発明を適用した建物の場合にはＸＹ連結梁には上層階に行くに従って大きな変形が集中している。このことは、ＸＹ連結梁が制振ダンパーとして作用する場合には、建物の振動エネルギー、特に上層階の振動エネルギーを有効に吸収すること、さらにそのことによって制振作用を効果的に発揮することを意味している。つまり、本発明は幅に対して高さの高い建物に用いた場合にも有効に制振作用を発揮することが顕著に示されている。

本発明を適用した建築物の梁伏せ図 本発明を適用した建築物の軸組図 本発明による端部柱とＸＹ連結梁の斜視図 本発明を適用した建築物の地震時の変形図

符号の説明

１０、１１ Ｘ構面を構成する柱（端部柱以外の柱）
２０、２１ Ｙ構面を構成する柱（端部柱以外の柱）
１００ Ｘ構面を構成する端部柱
２００ Ｙ構面を構成する端部柱
３００、３１０ ＸＹ連結梁
４００、４１０ Ｘ構面を構成する梁
４０１、４１１ Ｙ構面を構成する梁
５００ 方杖型ブレース
６００、６０１、６１０、６１１ エンドプレート

Claims (1)

1. 略矩形平面を有する軸組み構造の建築物において、
   当該建築物のＸ方向およびＹ方向の外側部を構成するＸ構面及びＹ構面は、それぞれＸ方向およびＹ方向に高い曲げ剛性を有する柱と、当該柱に剛接合されたそれぞれＸ方向およびＹ方向の梁を含み、
   前記柱と前記梁の接合部の梁下部分に方丈型のブレースを配するとともに、
   Ｘ構面の端部柱はＹ構面外に、Ｙ構面の端部柱はＸ構面外にそれぞれ位置し、
   Ｘ、Ｙ構面の互いに隣接する端部柱はＸ方向およびＹ方向の変形に対してせん断パネル型履歴ダンパーとして作用するＸＹ連結梁によって、平面視斜め方向に連結され、
   該ＸＹ連結梁は地震時にＸ、Ｙ構面を構成する柱梁の降伏以前に降伏する架構を有する建築物。

Images