JP5196638B2 - 柱脚半剛接合建築物 - Google Patents

Description

本発明は大地震時の塑性変形を梁に集中させる架構を有する建築物に関し、特に、当該建築物において特定階の柱の下端部を半剛接合することによって、大地震時の柱脚部の曲げモーメントを低減すると同時に損傷を軽減することのできる建築物に関するものである。

柱梁からなる耐震架構を有する多層建築物においては、大地震時に、柱よりも先に梁が降伏する構造の方が、梁よりも先に柱が降伏する構造に比較して、一般に崩壊モードに到達するまでのエネルギー吸収が大きいために耐震上好ましいと考えられている。そのために、大地震時に塑性変形を梁に集中させる形式の架構がある。例えば、プレキャストコンクリート造の梁を柱に圧着接合した架構や部分的に降伏点の低い鋼材を使用した梁を有する架構である（図１)。このような建築物は、大地震時に、梁の特定部分（例えば、梁端の圧着接合部分や降伏点の低い鋼材の部分)に塑性変形を集中し、当該部分が塑性ヒンジとなって非線形挙動することが知られている。

図２Ａに示した従来の柱梁構造によれば、梁２１０はＰＣ鋼材（または高強度鋼材)２１２によって圧縮力を加えられたプレキャストコンクリート造であり、ＰＣ鋼材２１２の端部２０４は、柱１００を貫通して、梁２１０の反対側でアンカーされている。一方、梁２１０のＰＣ鋼材以外の鉄筋は柱１００にアンカーされておらず、梁２１０は、その端部において、ＰＣ鋼材の緊張力で柱１００に圧着されている。同図に示した例では、柱１００もまたプレキャストプレストレストコンクリート造であり、ＰＣ鋼材２０２は、柱の両端部においてアンカーされている。

図２Ｂに示した従来の柱梁構造は、柱の下端部２２２が基礎梁と一体化されている点が図２Ａに示した柱梁構造とは異なるが、プレキャスト梁がその端部２２０において柱に圧着接合されている点は同じである。図２Ｃに示した従来の柱梁構造は、一部に降伏点の低い鋼材を用いた梁２３２を柱２３０に片端を埋め込みもう一端を突出させた鋼製ブラケット２３１に対して、ボルト等によって接合したものである。当該構造の場合、柱梁は剛に接合されていてもよいが、ボルト接合によって柱梁接合部における梁の剛性を低くしたものであってもよい。

図２Ａ〜２Ｃに図示した柱梁構造は、ＰＣ鋼材の引張降伏または梁の一部に用いた降伏点の低い鋼材の降伏によって、大地震時には柱の降伏前に梁の降伏を生じさせる（つまり塑性変形させる)構造である。

一方、杭頭と基礎との接合を半剛接合として当該接合部分に発生する曲げモーメントを低減し、杭頭及び杭頭と接合される基礎の損傷を低減するとともに、これらの部材設計を合理化することが提案されている（特許文献１）。

大地震時に塑性変形を梁に集中させる上述のような架構の場合、必然的に梁の剛性が低くなるために、図３Ｂに示すように、第一層の柱脚部に応力が集中する傾向を生じる。柱梁接合部における梁３１０の剛性と柱３００の剛性の比（梁剛性／柱剛性)が低い建物は、柱の剛性が主として水平力に抵抗するからである。また、建物の変形モードは、梁３１０の変形と同時に第一層柱の柱脚部３０２の変形が支配的になる。梁が塑性変形した後は、第１層柱脚部への曲げモーメントの集中は一層顕著になる。したがって、大地震時に塑性変形を梁に集中させる架構の場合には特に、柱脚部分への応力集中を緩和する構造が望まれる。
特許第３６６１９９７号公報

上記の課題を解決するために、本発明は、梁に塑性変形を集中させる架構を有するとともに、特定層に下端部が半剛接合された鉄筋コンクリート柱を有する建築物を提案する。

本明細書において特定層とは、一般にはいわゆる１階部分をさすが、これに限定されない。特定層は地下階であっても良いし、１階よりも上の階であっても良い。また、一層のみであってもよいし、複数の層であってもよい。柱の下端部とは、本明細書では柱脚部あるいは柱の下端部から階高の４分の１程度の範囲、望ましくは柱の下端部から１０ｃｍ未満の範囲をいう。

半剛接合とは、一定断面積の柱梁の配筋を相互に貫通させてコンクリートに埋設する、いわゆる剛接合に比較して、接合部分の剛性が顕著に低い接合をいう。具体的には、柱の接合部分の断面積を他の部分に比較して低減する（あるいは柱を一部切り欠く)方法、柱の鉄筋を貫通させず実質的にコンクリートのみで接合する方法、断面の中心部近傍のみにおいて鋼材を貫通させる方法、特定の機械式ジョイントを用いる方法などによって実現することができる。柱の断面は、直線状あるいは曲線状になだらかに減少していてもよいが、階段状に減少してもよい。せん断力の伝達をより確実にするためには、柱は、半剛接合部分に軸方向鋼材を有するのが望ましい。軸方向鋼材は、減少した柱の断面内に位置し、柱とその下部の構造とを連結する。

本発明は、さらに、前記の構造を有する建築物であって、前記特定層の柱の下端部は、水平断面積が下方向に向かって漸減する建築物を提案する。

当該構造の場合、柱の断面積は、柱下端部において上から下に向けて直線的、曲線的あるいは階段状に減少する。このような柱断面積の減少は、柱下端部から例えば階高の1／４程度の範囲にわたってもよい。

上述のように下端部が半剛接合された柱は建物の第１層の柱であっても良いが、これに限定されない。また、複数の階にわたって半剛接合されても良い。また、特定層の柱すべてについて、柱の下端部が半剛接合されていることは必ずしも必要でなく、一定の柱だけが半剛接合されてもよい。

前記特定層の上層の床を支持する梁は、プレキャスト圧着工法によって柱と接合されていてもよいし、鋼製の梁、例えば極軟鋼を用いた履歴降伏型の制振構造梁であってもよい。また、建物全体にわたってプレキャスト梁がコンクリート柱に圧着された構造のように、大地震時の塑性変形が柱梁接合部分の梁側、特に柱フェイス位置近傍に集中する構造であることが望ましい。

また、特定層の柱の下端部近傍は、必要に応じて鉛直方向鋼材が柱の下端部とその下部構造とを連結しているものであってもよい。

本発明によれば、特定層の柱は、下端部においてその下部構造と半剛接合されることから、他の部分に比較して剛性が顕著に低い。したがって、地震時に特に柱脚部に発生する曲げモーメントを一層顕著に低減することができるだけでなく、建築物の水平変形を柱が柔軟に吸収することができる。さらに、半剛接合された柱下端部の回転変形が柱自体の曲げ変形、せん断変形を補なうことができ、半剛接合部の損傷を低減することが可能である。

また、軸方向鋼材が柱の外表面と平行に設けられているために、断面が漸減するにもかかわらず柱は高い耐力と靭性を維持しており、非常に大きな地震動に対しても安全にせん断力を伝達することができる。

特定層の柱の断面積が下方向に漸減する場合には、当該層の柱の変形能力を最大限に利用することができるので、地震時に発生する曲げモーメントの低減及び柱脚部の損傷軽減に一層有利である。一般には、地震時には第１層の柱脚部に最大の曲げモーメントが発生するので、第１層に本件発明を適用するのが有利であるが、本発明の適用は第１層には限定されず、地下階であっても、第２層以上であっても、上述の効果を得ることができる。

地震時に第１層の柱脚部に大きな曲げモーメントが発生する傾向は、第１層の柱梁が圧着接合されている場合、さらに、圧着接合された梁の剛性が低い場合、つまり、地震時の水平力によって柱に発生する曲げモーメントを、梁に効果的に伝達しにくい構造の場合に一層顕著である。したがって、特定層の上層の床を支持する梁がプレキャスト圧着工法によって梁と接合されている場合や、特定層の上層の床を支持する梁が鋼製の梁である場合には、本発明の効果は特に顕著である。

建物の高さが横幅に比較して割高な場合など、構造によっては地震時に柱に引張力が加わる場合がある。このような場合には、特定層の柱の下端部近傍において、鉛直方向鋼材が柱の下端部とその下部構造とを連結している構造が、有効に引張力を伝達することができる。この場合、鉛直方向鋼材を柱の水平断面の中心部近傍に集中させることで、軸方向の力に対して有効に抵抗し、モーメントに対しては剛性の低い接合部を実現することができる。

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。
図１は、本発明を適用した４スパン、７層の柱梁構造を有する建築物の骨組みを示す図である。柱は鉄筋コンクリート造であり、第１層の柱脚部が半剛接合されているが、上層の柱脚は通常の剛性を有している。第１層の柱脚部は、下部構造との接合部の断面積を低減している。つまり、この例においては、第１層が前述した特定層に当たる。梁は、プレキャストコンクリート造であって、梁のＰＣ鋼材に緊張力を導入して柱にアンカーすることによって、梁の端部は柱に圧着接合されている。

図４Ａは、図１に示した本発明の実施例の第１層部分を示したものである。ＰＣ鋼材４１２によってプレストレス力を与えられたプレストレストコンクリート梁４１０は、ＰＣ鋼材４１２の端部４０４が柱にアンカーされることによって、梁端部４１４において柱に対して圧着接合されている。柱の下端部は、下に向かって断面積が漸減しており、柱の最下端部の断面積は、上部の断面積よりも小さい。また、柱の主筋の下端部は、柱の内部にとどまっており、下の構造に貫入されていない。一方、柱断面の中央部近傍には鉛直方向鉄筋４０９が柱と下の構造に貫入して両者を連結している。

図４Ａに示した柱梁接合部は、梁が柱に対し押圧される方向には高い剛性を有するが、梁が柱から離れる方向にはＰＣ鋼材４１２の剛性のみによって抵抗するので剛性が低く、結果的に柱梁接合部分にとりつく梁の曲げ剛性が比較的小さい。また、大地震時には、ＰＣ鋼材４１２の抜け出しや降伏によって、梁の塑性変形が柱の塑性変形に先行する。

図５は、第１層の柱脚部を含めてすべての柱梁を剛接合した架構（従来の架構、図５Ａ）と本件発明を適用して第１層の柱脚部を半剛接合した架構（図５Ｂ)との地震時に発生する曲げモーメントの分布を模式的に示した図である。従来の架構においては柱脚部に大きな曲げモーメントが発生しているのに対して、本発明を適用した架構では柱脚部の曲げモーメントが低減していることが分かる。本発明にもとづいて、柱脚部を基礎梁に対して半剛接合しただけで、図に示されるように顕著な曲げモーメント（応力）低減効果が得られる。さらに、本発明では、半剛接合された接合部が変形する分、柱自体の変形が小さくなり、本発明による場合には柱下部の損傷がいっそう小さくなることが分かる。第１層の柱の靭性と変形能力を向上させれば大地震時の耐震尤度は一層向上する。

図４Ｂは極軟鋼を用いた履歴降伏型の制振構造梁を柱に接合した状態を示す概念図である。圧着工法による接合は剛性が低いこと、履歴降伏型の制振構造梁は梁自体の剛性が低いことにより、図４Ｂに示した構造の場合には、地震時に第１層の柱脚部の曲げモーメントが大きくなる傾向がある。したがって、このような構造の場合には本発明による曲げモーメントの低減と、接合部の損傷低減効果は一層顕著である。

本発明を適用した建築物の軸組図 大地震時に塑性変形を梁に集中させる従来の架構の柱梁部分を示す。 大地震時に塑性変形を梁に集中させる架構において大地震時に変形が集中する部分を示す。 本発明に基づく架構の柱梁部分を示す。 従来技術による架構と本発明による架構において地震時に発生するモーメントの分布を模式的に示した図である。

符号の説明

１００ 建築物の鉄筋コンクリート耐震架構
１０６ 第１層の柱の下端部
１１０ 架構を構成する柱（第１層以外の柱）
１２０、２１０、４１０ 架構を構成する梁
２１４、２２０、４１４ 柱に圧着接合された梁端部
４０８ 柱下端部（半剛接部分）
４０９ 軸方向鉄筋

Claims (4)

1. 梁に塑性変形を集中させる架構を有するとともに、特定層に下端部が半剛接合された鉄筋コンクリート柱を有し、柱の下端部は下に向かって断面積が減少しており、柱の最下端部の断面積は上部の断面積より小さく、また、柱の主筋の下端部は柱の内部にとどまっており、下の構造に貫入されておらず、柱の下端部近傍における断面の中央部近傍と下部構造に貫入して両者を連結している鉛直方向鉄筋が設けられている建築物。
2. 前記特定層は建物の第１層である請求項１に記載の建築物。
3. 梁がプリキャストコンクリート造で柱と圧着結合されている、請求項１または２に記載の建築物。
4. 梁が鋼製で、少なくともその一部には、降伏点の低い鋼材が用いられている請求項１または２に記載の建築物。

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