JP5405062B2 - 粘弾性ダンパーと座屈拘束ブレースを併用した制振間柱 - Google Patents

Description

本発明は、建物の骨組に組み込まれ、交通振動や地震等において建物に負荷されるエネルギーを吸収するために用いられる座屈拘束ブレースと粘弾性ダンパーを併用した制振間柱に関する。

鉄骨構造体等からなる建物において用いられる制振手段として、振動により粘弾性体にせん断変形を行わせて振動エネルギーを吸収するようになされた粘弾性ダンパーを用いたものや、芯材とこの芯材の長さ方向の伸縮を許容しながら座屈を拘束する拘束材とを有し、拘束材により座屈を防止しながらエネルギーを芯材の伸縮により吸収することによって構造体の損傷を回避する座屈拘束ブレースを用いたものなどが従来より種々提供されている。

特開２００６−２８３３７４号公報 特開平６−５７８２０号公報

しかし、粘弾性ダンパーによる制振では、中小地震や風による振動、交通振動などの小振動に対しては有効であるのに対し、大地震による大振動に対しては十分な効果を発揮できない。一方、座屈拘束ブレースによる制振では大地震による大振動に対しては有効であるのに対し、中小地震や風による振動、交通振動などの小振動に対しては十分な効果を発揮できない。

本発明は、以上のような問題点に鑑み、中小地震や風による振動、交通振動などの小振動に対しても、大地震による大振動に対しても十分な効果を発揮する粘弾性ダンパーと座屈拘束ブレースを併用した制振間柱を提供することを課題とする。

上記の課題は、建物の梁間に取付けられる制振間柱であって、
振動により粘弾性体にせん断変形を行わせて振動エネルギーを吸収するようになされるとともに該振動の可動幅が制限された粘弾性ダンパーと、
芯材とこの芯材の長さ方向の伸縮を許容しながら座屈を拘束する拘束材とを有する座屈拘束ブレースを併用したことを特徴とする制振間柱により解決される。

上記制振間柱では、振動により粘弾性体にせん断変形を行わせて振動エネルギーを吸収するようになされた粘弾性ダンパーが設けられるので中小地震や風による振動、交通振動などの小振動に対して有効に機能するとともに、大地震による大振動のときは、粘弾性ダンパーは振動の可動幅が制限されるため、芯材とこの芯材の長さ方向の伸縮を許容しながら座屈を拘束する拘束材とを有する座屈拘束ブレースが履歴型ダンパーとして有効に機能する。粘弾性ダンパーに振動の可動幅を制限する機構を設けることで一定の振動以上のときには粘弾性ダンパーの振動が制限されることにより、座屈拘束ブレースが優先的に機能し大きな振動に対応することができる。

また、粘弾性ダンパーが制振間柱の中央部に取付けられるとよい。粘弾性ダンパーが制振間柱の中央部に取付けられることで、粘弾性ダンパーを有する制振間柱としてユニット化することができ、建物本体と制振間柱の施工は建物の梁等と制振間柱の本体部とを接合するだけでよく、制振間柱の施工を容易に行うことができる。また、既存の建物に対して耐震補強をするときにもユニット化された制振間柱を利用して施工を容易に実施することができる。さらに粘弾性ダンパーを交換する場合、粘弾性ダンパーが制振間柱の中央部にあることで容易に交換することが可能となる。

また、座屈拘束ブレースが方杖形式で制振間柱と梁間に取付けられるとよい。座屈拘束ブレースが方杖形式で制振間柱と梁間に取付けられることで、縦揺れ、横揺れなど各方向の揺れに対しても効果的に座屈拘束ブレースが機能することができる。また座屈拘束ブレースが塑性変形し座屈拘束ブレースを交換する場合、制振間柱と梁間に方杖形式で取付けられるため取替えを容易に行うことができる。

さらに、粘弾性ダンパー及び／又は座屈拘束ブレースが交換可能であるとよい。粘弾性ダンパー内の粘性体が劣化した場合や仕様の変更が生じた場合、地震等のエネルギー吸収により座屈拘束ブレースが塑性変形した場合など交換が必要となったときに制振間柱全体を交換することなく、必要な粘弾性ダンパー及び／又は座屈拘束ブレースだけを交換することで、容易にまた費用をかけずに交換を実現し必要な諸性能を確保することができる。

本発明の粘弾性ダンパーと座屈拘束ブレースを併用した制振間柱は以上のとおりであるから、小地震や風による振動、交通振動などの小振動に対しても、大地震による大振動に対しても十分な効果を発揮することができる。

次に、本発明の実施最良形態を図面に基づいて説明する。

図１、図２に示す制振間柱１において、２は粘弾性ダンパー、３は座屈拘束ブレース、４は柱、５は梁である。また、６は柱、梁に取付けられた補強のためのリブである。制振間柱１は建物の梁間に設けられる。制振間柱１は柱４と柱４の中央部に取替え可能に取付けられる粘弾性ダンパー２と柱４と梁５間に方杖として取付けられる座屈拘束ブレース３とからなる。

粘弾性ダンパー２において、図３に示すように２１はプレート２１ａを有する粘弾性ダンパー上側部、２２は上部開放の函体２２ａを有する粘弾性ダンパー下側部であり、函体２２ａ内壁部とプレート２１ａ間は粘弾性体２３，２３が接着状態に介設され、粘弾性体ダンパー上側部２１と粘弾性体ダンパー下側部２２とが交通振動や地震等の振動により水平に方向に相対変位をすると、粘弾性体２３，２３がせん断変形をして振動エネルギーを吸収し、振動を減衰するようになされる。また、プレート２１ａは函体２２ａの内部を水平方向に移動可能であるが、プレート２１ａは函体２２ａの側壁により、水平方向の振動が制限され、一定量以上の水平方向の変位が規制されるようになされる。また、本実施形態においては、図３（ロ）に示すようにプレート２１ａは函体２２ａの内部を上下方向に移動可能であるが、プレート２１ａは函体２２ａを支持するベース部２２ｂ及びプレート２１ａを支持するベース部２１ｂにより、上下方向の振動が制限され、一定量以上の上下方向の変位が規制されるようになされる。
なお、図３及び後述の図４において、プレート２１ａ、函対２２ａ、粘弾性体２３の形状は粘弾性ダンパー２の可動状況を説明するために形状をデフォルメして作図している。

以上の構成により、図４（イ）、（ハ）に示すように、振幅の小さい小振動時には、粘弾性体ダンパー上側部２１と粘弾性体ダンパー下側部２２との相対移動量は小さく、プレート２１ａの移動は函体２２ａの側面により制限を受けず振幅を繰り返し、粘弾性体ダンパー２の粘弾性体層２３，２３がせん断変形をして振動エネルギーを吸収し振動を減衰する。一方、図４（ロー１）、（ロー２）、（ハー１）、（ハー２）に示すように、振幅の大きい大振動時には、粘弾性体ダンパー上側部２１と粘弾性体ダンパー下側部２２との相対移動量は大きくなるが、函体２２ａの側面によりプレート２１ａの左右への移動は制限され、粘弾性ダンパーとして機能しなくなる。この粘弾性ダンパー２は、一定の振幅以上では粘弾性ダンパーとして機能しないが、粘弾性ダンパーとしての機能を停止することで後述するように制振間柱１の座屈拘束ブレースが効果的に機能し、大きな振幅に対して振幅の減衰を図ることができる。

粘弾性体ダンパー上側部２１はプレート２１ａを支持するベース部２１ｂと建物躯体側の上フランジ、下フランジ及び両フランジを接続するウェブからなるＨ型鋼からなる柱４と接合するための接合部からなる。接合部はウェブ部２１ｃと上フランジ部２１ｄ、下フランジ部２１ｄより構成され、それぞれウェブ部２１ｃ、上フランジ部２１ｄ、下フランジ部２１ｄにはＨ型鋼からなる柱４と接合プレート１０を介してボルト接合するためのボルト孔が設けられている。

同様に、粘弾性体ダンパー下側部２２は函体２２ａを支持するベース部２２ｂと建物躯体側の上フランジ、下フランジ及び両フランジを接続するウェブからなるＨ型鋼からなる柱４と接合するための接合部からなる。接合部はウェブ部２２ｃと上フランジ部２２ｄ、下フランジ部２２ｄより構成され、それぞれウェブ部２２ｃ、上フランジ部２２ｄ、下フランジ部２２ｄにはＨ型鋼からなる柱４と接合プレート１０を介してボルト接合するための孔が設けられている。

柱４と粘弾性ダンパー２との接合は図１に示すように、柱４,４間に粘弾性体ダンパーが介設され、Ｈ型鋼からなる柱４，４のウェブ部、上フランジ部、下フランジ部と粘弾性ダンパー接合部のそれぞれウェブ部、上フランジ部、下フランジ部どうしをあわせプレート１０，１０を介してボルトにより接合される。粘弾性ダンパー２は柱４に対してボルトにより接合されているため、取外しが可能となる。

また、制振間柱１と梁５との接合は図１に示すように、Ｈ型鋼からなる柱４の一方のフランジとはＴ型鋼７、またもう一方のフランジとはＬ型鋼８を接合部材としてスプリットティー接合により接合されている。なお、９は梁５とＬ型鋼８の間隔を埋めるスペーサーである。

座屈拘束ブレース３は、図５に示すように芯材３１とこの芯材を囲んで設けられて芯材３１の長さ方向の伸縮を許容しながら座屈を拘束する拘束材３２とを有する。座屈拘束ブレース３は、芯材３１と拘束材３２とを有するものであれば、特にその構成を問わないが、例えば図５のように、芯材３１が断面方形の低降伏点鋼材とされ、その周囲に両端部分を残しアンボンド材３５を介してコンクリート製の断面中空角型の座屈拘束材３２が設けられたものとされる。芯材３１は、アングル材等の形鋼等であってもよい。アンボンド材３５にはグリースやアスファルト等が用いられる。芯材３１の両端部分は座屈拘束材３２の端部よりそれぞれ突出しており、この突出部分に柱４と接合する接合プレート３３、建物躯体の梁と接合する接合プレート３４がそれぞれの接合面を９０度異ならせ、座屈拘束ブレースを柱４と梁５の接合部に方杖としてそれぞれの接合部プレート３３，３４を柱４と梁５の接合面にあわせ、ボルト接合により取付けられる。これら接合プレート３３，３４には複数のボルト孔が設けられる。座屈拘束ブレース３は柱４及び梁５に対してボルトにより接合されるため、取外しが可能となる。特に、柱４と梁５に対して方杖形式で座屈拘束ブレースが接合されているため、取外しを容易に行うことができる。

座屈拘束ブレース３は、制振間柱１の一部として柱４と梁５の間に方杖として組み込まれるため、地震等の振動エネルギーが座屈拘束ブレースの芯材３１によって吸収される。芯材３１はその外周にそって設けられた拘束材３２によって座屈拘束されるため、圧縮耐力が付与され、構造物に対する良好な耐震補強機能を奏する。また、座屈拘束ブレースは芯材３１と拘束材３２との軸方向の相対移動が許容されることで座屈拘束の機能を得るものであるが、芯材３１と拘束材３２との間にアンボンド材３５を介在させることで、芯材３１と拘束材３２が接触してその摩擦により相対移動が妨げられることがなく、常に良好な相対移動の許容状態が維持され、座屈防止機能が確保される。

以上のように、制振間柱１は粘弾性ダンパー２及び座屈拘束ブレース３が取り外し可能に取付けられて構成されており、粘弾性ダンパー２が振動の可動幅が制限されるため、中小地震や風による振動、交通振動などの小振動に対しては粘弾性ダンパー２が有効に機能するとともに、大地震による大振動のときは、粘弾性ダンパー２は振動の可動幅が制限され、一定の振幅以上では粘弾性ダンパーとして機能しないが、粘弾性ダンパーとしての機能を停止することで制振間柱１の座屈拘束ブレース３が効果的に機能し、座屈拘束ブレース３が履歴型ダンパーとして有効に機能する。よって、交通振動や風、小地震などの小振幅の振動から大地震による大振幅の振動まで効果的に機能し振動を吸収することができる。

また、粘弾性ダンパー２が制振間柱１の中央部に取付けられることで、粘弾性ダンパー２を有する制振間柱１としてユニット化することができ、建物本体と制振間柱１の施工は建物の梁等と制振間柱１の本体部とを接合するだけでよく、制振間柱１の施工を容易に行うことができる。また、既存の建物に対して耐震補強をするときにもユニット化された制振間柱１を利用して施工を容易に実施することができる。さらに粘弾性ダンパー２を交換する場合、粘弾性ダンパー２が制振間柱１の中央部にあることで容易に交換することが可能となる。

また、座屈拘束ブレース３が方杖形式で制振間柱１と梁間に取付けられるので、縦揺れ、横揺れなど各方向の揺れに対しても効果的に座屈拘束ブレース３が機能することができる。また座屈拘束ブレース１が塑性変形し座屈拘束ブレース３の交換する場合、制振間柱と梁間に方杖形式で取付けられているため交換を容易に行うことができる。

さらに、粘弾性ダンパー２内の粘性体が劣化した場合や仕様の変更が生じた場合、地震等のエネルギー吸収により座屈拘束ブレース３が塑性変形した場合など交換が必要となったときに制振間柱１全体を交換することなく、必要な粘弾性ダンパー２及び／又は座屈拘束ブレース３だけを交換することで、容易にまた費用をかけずに交換を実現し必要な諸性能を確保することができる。

以上に、本発明の実施形態を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、発明思想を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。

また、上記実施形態では、粘弾性ダンパー２として柱４，４間に取付けた場合について示したが、粘弾性ダンパーの取付け位置に限定はなく、また粘弾性ダンパーの構成についても上記実施形態で示した形状に限定されず、粘弾性体により振動を吸収する粘弾性ダンパーであればよく、本実施形態では、水平の振動に対してだけでなく上下の振動に対しても機能する粘弾性ダンパーについて示したが、水平方向のみの振動に対して機能する粘弾性ダンパーであってもよい。
また、座屈拘束ブレースについても上記実施形態で示した構成に限定されず、芯材とこの芯材の長さ方向の伸縮を許容しながら座屈を拘束する拘束材とを有する座屈拘束ブレースであればよく、アンボンド材がなくてもよく、制振間柱に対する固定位置についても方杖形式に限定されない。

また、制振間柱の形鋼について、Ｈ型鋼の場合について示したが、Ｈ型鋼に限定されることはなく、任意の形鋼を用いることができ、粘弾性体ダンパーの接合部の形状についても形鋼の形状に対応すればよい。

本発明の実施形態である制振間柱の一部を示す要部拡大正面図である。 制振間柱を建物躯体に取付けた状況を示す正面図である。 制振間柱に取付けられる粘弾性ダンパーの構成を示すもので、図（イ）は側面図、（ロ）は正面図、（ハ）は（ロ）のＡ−Ａ線断面図である。 図（イ）、図（ロー１）、図（ロー２）、図（ハ）、図（ニー１）及び図（ニー２）は制振間柱に取付けられる粘弾性ダンパーの作動状況を示す説明図である。 制振間柱に取付けられる座屈拘束ブレースの構成を示すもので、図（イ）は正面図、（ロ）は側面図、（ハ）は（イ）のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１・・・制振間柱
２・・・粘弾性ダンパー
３・・・座屈拘束ブレース
４・・・柱
５・・・梁

Claims (1)

1. 建物の梁間に取付けられる制振間柱であって、
   振動により粘弾性体にせん断変形を行わせて振動エネルギーを吸収するようになされるとともに該振動の可動幅が制限された粘弾性ダンパーと
   芯材とこの芯材の長さ方向の伸縮を許容しながら座屈を拘束する拘束材とを有する座屈拘束ブレースが併用され、
   前記粘弾性ダンパーが前記制振間柱中央部に交換可能に取付けられ、
   前記座屈拘束ブレースが方杖形式で、前記粘弾性ダンパーを跨がない態様により前記制振間柱と前記梁間に交換可能に取付けられたことを特徴とする制振間柱。

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