JP2001336304A - 制振装置及び制振構造物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブレース構造において、地震時の応力をある
特定の部材に集中させ、降伏させることで地震時応答を
低減する場合の圧縮側ブレース材の座屈を防止し、その
断面を引張耐力で決めることを可能にする。 【解決手段】 ブレース材２の一端が隣接する柱５，５
と梁６，６で囲まれた空間の隅角部に接続され、他端
に、降伏耐力がブレース材２の降伏引張耐力より低い可
塑性体３が接続された制振装置１において、ブレース材
２のいずれかの部分に圧縮力によるブレース材２の軸方
向の変位を拘束しない変形解放装置４を介在させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は地震等による柱・
梁のフレームの面内変形時に構造物の振動エネルギを吸
収する制振装置、及びそれをフレーム内に組み込んだ制
振構造物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】構造物
は耐震構造上、ラーメン構造とブレース構造に大きく分
類される。

【０００３】ラーメン構造は柱・梁接合部を剛接合とす
ることで、数十年に一度の大地震に対して梁部材を塑性
変形させてエネルギを吸収する構造であり、柱・梁接合
部に応力が集中するため、座屈が発生しにくく、安定し
た履歴特性を有するが、主要構造部である梁部材が塑性
変形するため、継続使用が困難になるか、または可能で
あっても構造物の修復に莫大な費用を要することにな
る。

【０００４】ブレース構造では地震力をブレース材が負
担するため、主要構造部に損傷を生じさせることはない
が、ブレース材は座屈し易いことから、圧縮側ブレース
材が面外変形することにより内壁や外壁に損傷を与える
可能性がある。

【０００５】また地震力の向きが変わり、ブレース材が
圧縮力を負担した状態から引張力を負担するまでの間、
座屈により生じた撓み分の変形がなくなるまでは抵抗力
を発揮できず、履歴特性がスリップ型となることから、
エネルギ吸収性能が低いため、地震時の揺れが大きくな
り、地震終了後の残留変形が大きい問題がある。

【０００６】ブレース構造のスリップ型履歴特性による
エネルギ吸収性能の低下は、例えば特開平2-164953号、
特開平11−131860号等のように地震時の応力をある特定
の金属材料の部材に集中させることでブレース材の圧縮
力の負担を軽減しながら、部材の降伏を積極的に利用
し、その履歴減衰により地震時応答を低減することによ
り抑制される。

【０００７】前者は柱と梁で囲まれたフレームの隅角部
に一端が接続されたブレース材の他端に塑性化部材とし
ての鉛を接続する一方、柱部材と梁部材に高降伏点鋼を
用いることで、柱と梁の塑性化を防止しながら、地震の
エネルギを塑性化部材に集中させ、塑性化部材によるエ
ネルギ吸収性能を確保している。後者も同様にブレース
材の他端に塑性化部材を接続することで、地震のエネル
ギを塑性化部材に集中させ、エネルギ吸収を図ってい
る。

【０００８】しかしながら、上記いずれの方法において
も地震力の向きに関係なく塑性化部材にのみ応力を集中
させる上で、ブレース材が圧縮力で座屈しないよう、ブ
レース材の座屈耐力を塑性化部材の降伏耐力より高く設
定する必要があることから、ブレース材の断面が大きく
なるため、鋼材重量が増加し、高価になる。

【０００９】またＸ型ブレース構造の場合、ブレース材
は引張力に抵抗するように設計され、その断面は引張耐
力で決まるが、断面を圧縮力で座屈しないように圧縮耐
力で決める場合にはブレース材の断面が増大しているた
め、塑性化部材を組み込まないブレース材との互換性が
なくなる。

【００１０】この発明は上記背景より、スリップ型の履
歴特性を改善しながら、塑性化部材を組み込まないブレ
ース材との互換性を確保できる制振装置とそれを組み込
んだ制振構造物を提案するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明ではブレース材の
いずれかの部分に圧縮力によるブレース材の軸方向の変
位を拘束しない変形解放装置を介在させることにより、
ブレース材の断面を増すことなく、塑性化部材付きのブ
レース構造の履歴特性を改善して塑性化部材によるエネ
ルギ吸収性能を高める。

【００１２】制振装置は一端が、隣接する柱と梁で囲ま
れた空間の隅角部に接続されるブレース材と、ブレース
材の他端に接続され、降伏耐力がブレース材の降伏引張
耐力より低い塑性化部材である可塑性体と、変形解放装
置から構成される。制振装置は請求項３に記載のように
柱・梁のフレームとブレース等の耐震要素からなる鉄骨
造構造物等の、少なくとも一部の隣接する柱と梁で囲ま
れた空間に組み込まれることにより制振構造物を構成す
る。

【００１３】可塑性体は降伏耐力がブレース材の降伏引
張耐力より低いことで、引張側となるブレース材から引
張力を受けることにより、ブレース材が引張降伏する以
前に、その引張降伏耐力より低い荷重により降伏して塑
性化し、履歴ループを描いてエネルギを吸収する。可塑
性体がエネルギ吸収の機能を果たし、損傷が生じた場合
の交換は請求項２に記載のように可塑性体をブレース材
に着脱自在に接続することで対応する。

【００１４】可塑性体には変形解放装置により交互に対
角線方向に引張力が作用する。可塑性体は一方向に伸び
たときに他方向に同量、あるいは同量程度縮むように設
計され、可塑性体の変形量はブレース材の変形量に影響
しない。この結果、圧縮側ブレース材の圧縮変形量は引
張側ブレース材に生ずる引張変形量のみとなり、その圧
縮側ブレース材の圧縮変形量は変形解放装置によって吸
収されるため、柱・梁のフレームに水平力が作用した
後、作用方向が逆向きになったとき、圧縮側ブレース材
は即座に引張側ブレース材として抵抗力を発揮でき、制
振装置はエネルギ吸収性能の高い構造となる。

【００１５】変形解放装置は圧縮側となるブレース材
の、圧縮力の作用による軸方向の変位を拘束せずに許容
することで、ブレース材への圧縮力の作用を回避し、圧
縮力による座屈を防止する。圧縮側のブレース材はそれ
が架設される柱・梁のフレームに作用する水平力に伴う
対角線方向の圧縮力によりフレームに対して、または互
いに相対変位する。

【００１６】圧縮側となるブレース材が圧縮力を負担し
ないことで、可塑性体は圧縮側ブレース材からは圧縮力
を受けないため、引張側ブレース材から受ける引張力に
より曲げせん断変形して降伏する。

【００１７】ブレース材の座屈が防止されることで、そ
の面外変形の発生がなくなり、ブレース材による内壁や
外壁への損傷が防止される。また可塑性体の降伏よりブ
レース材の座屈が先行することがないことから、ブレー
ス材の座屈耐力を上げる必要がないため、ブレース材の
断面を増すことなく制振装置の安定した履歴特性を得る
ことが可能になる。

【００１８】ブレース材の断面を大きくする必要がない
ことで、ブレース材の座屈耐力を可塑性体の降伏耐力よ
り高く設定する必要がなく、断面を引張耐力で決めるこ
とができるため、塑性化部材を組み込まないＸ型ブレー
ス構造用のブレース材との互換性が確保される。併せて
鋼材重量の増加が抑えられるため、ブレース材の材料費
が低減される。

【００１９】

【発明の実施の形態】この発明の制振装置１は図１〜図
３に示すように隣接する柱５，５と梁６，６で囲まれた
フレームにおいて、一端がフレームの隅角部に接続され
るブレース材２と、ブレース材２の他端に接続される可
塑性体３と、ブレース材３のいずれかの部分に介在する
変形解放装置４から構成される。柱・梁からなるフレー
ムは鉄骨造の他、ＲＣ造、ＳＲＣ造の場合がある。

【００２０】ブレース材２には棒鋼や丸鋼、形鋼等の、
可塑性体３の材料より高強度の鋼材等が使用され、その
フレーム側の端部はブレース材２の断面に応じ、図１に
示すように隅角部に固定された定着プレート７にナット
８により直接、もしくは図２，図３に示すようにガセッ
トプレート９にプレート10を介してボルト11により、ま
たは溶接により接続される。

【００２１】可塑性体３には引張側のブレース材２から
受ける引張力によりブレース材２が弾性変形のまま降伏
するような強度の材料が使用されるか、材料強度に関係
なく引張力により降伏するような形状に形成される。材
料強度がブレース材２の強度より低い場合、可塑性体３
の形状は問われない。

【００２２】可塑性体３に例えばブレース材２と同一種
類の材料が使用され、可塑性体３の強度がブレース材２
と同等程度の場合、可塑性体３の形状はブレース材２の
軸方向の引張力による降伏耐力がブレース材２の引張降
伏耐力より小さくなるように設定される。

【００２３】図１，図２は可塑性体３を板状に形成し、
面内方向の引張強度を低下させ、降伏耐力を調整するた
めに部分的にスリット3aや開口3bを形成した場合、図３
は可塑性体３を環状の中空形状に形成した場合を示す。

【００２４】図１，図２の可塑性体３の板厚、及びスリ
ット3a等の大きさや数、図３の可塑性体３の肉厚、長
さ、及び円形の場合の径等の大きさはブレース材２から
の引張力によりブレース材２が引張降伏する以前に降伏
し、塑性変形量が大きくなるように決められる。可塑性
体３に鋼板を使用する場合、その鋼は普通鋼でもよい
が、エネルギ吸収効率の面からは低降伏点鋼が好まし
い。この場合、上記の通り、ブレース材２には可塑性体
３より高強度の鋼が使用される。

【００２５】ブレース材２の可塑性体３側の端部と可塑
性体３との接続はフレーム側の端部とフレームとの接続
と同様に行われるが、ボルト14とナット15を用いて接続
した場合は可塑性体３のブレース材２への接続とブレー
ス材２からの離脱が可能であるため、損傷した可塑性体
３の交換に対応できる。

【００２６】変形解放装置４は図１，図３に示すように
ブレース材２の少なくともいずれか一方の端部、または
図２に示すようにブレース材２の中間部に配置され、圧
縮力によるブレース材２の軸方向の変位を許容する。ブ
レース材２の中間部に配置される場合、ブレース材２は
複数本のブレース材21に分割され、変形解放装置４は隣
接するブレース材21，21間に跨って配置される。

【００２７】図４はブレース材２が棒鋼や丸鋼である場
合に、その端部に配置される図１，図３に示す変形解放
装置４の詳細例を示す。図１の場合、変形解放装置４は
ブレース材２の端部と、フレームの隅角部に固定されて
いる定着プレート７と、ブレース材２をその軸方向引張
力の作用方向に定着プレート７に係止させるナット８等
の係止部材から構成され、ブレース材２はその軸方向圧
縮力の作用方向に相対移動可能で、軸方向引張力の作用
方向に係止可能に定着プレート７に接続される。図３の
場合は図１の定着プレート７が環状の可塑性体３に代わ
る。

【００２８】ナット８を用いる場合、ブレース材２の端
部にはねじが切られ、その端部が貫通する定着プレート
７や可塑性体３の貫通孔7aはブレース材２の端部の断面
より大きく形成され、ナット８はブレース材２の端部
の、定着プレート７からフレーム側へ突出した部分、ま
たは可塑性体３からその内周側へ突出した部分に螺合す
る。

【００２９】図４においてブレース材２に圧縮力Ｐが作
用したときにはブレース材２がナット８と共に定着プレ
ート７に対して圧縮力の作用方向に移動することにより
ブレース材２が圧縮力を負担することが回避される。逆
向きの引張力が作用したときにはナット８によりブレー
ス材２の定着プレート７に対する移動が拘束されるた
め、ブレース材２は引張力を負担する。

【００３０】図２に示すようにブレース材２の中間部に
変形解放装置４を配置する場合、分割されたブレース材
21，21は連結材12に接続され、連結材12を挟んだ２本の
ブレース材21，21の内、少なくともいずれか一方のブレ
ース材21が連結材12に対して軸方向に相対移動自在に接
続される。

【００３１】この場合の変形解放装置４は図５に示すよ
うに図４と同様に、軸方向圧縮力の作用方向に連結材12
に相対移動自在に接続される少なくともいずれか一方の
ブレース材21と、その端部が貫通する貫通孔12ｂを有す
る板12ａを持つ連結材12と、板12ａを貫通したブレース
材21の端部に螺合し、端部を連結材12に連結するナット
13から構成され、貫通孔12ｂがブレース材21の端部の断
面より大きく形成される。ブレース材21は軸方向圧縮力
の作用方向には連結材12に対し、軸方向に移動して圧縮
力の負担から解放され、軸方向引張力の作用方向には連
結材12に係止して引張力を負担する。

【００３２】連結材12に相対移動自在に接続されないブ
レース材21は溶接により連結材12に固定される他、連結
材12の板の両側にナットを配置し、ブレース材21の端部
に螺合させることにより固定される。

【００３３】図６−(a) ，(b) は図１におけるブレース
材２の可塑性体３側の端部や、図２における両端部のよ
うにブレース材２の端部にプレート10を食い込ませて溶
接した場合に、プレート10をガセットプレート９、また
は可塑性体３に接続した場合の変形解放装置４の詳細例
を示す。

【００３４】この場合、変形解放装置４はプレート10
と、ガセットプレート９、もしくは可塑性体３と、両者
を貫通するボルト14及びナット15から構成され、プレー
ト10と、ガセットプレート９、もしくは可塑性体３の少
なくともいずれか一方にブレース材２の長さ方向にボル
ト14の軸が移動できる長孔9aが形成されることで、ブレ
ース材２がガセットプレート９、もしくは可塑性体３に
対して軸方向に移動でき、圧縮力の負担から解放され
る。

【００３５】引張力が作用したときにはボルト14の軸が
長孔9aに係止することで、ブレース材２のガセットプレ
ート９、もしくは可塑性体３に対する移動が拘束される
ため、ブレース材２は引張力を負担する。

【００３６】図７−(a) は制振装置１が組み込まれたフ
レームに水平力Ｑが作用し、層間変位δs が生じたとき
の、フレームの引張側の対角線距離の伸び量δ1 と、圧
縮側の対角線距離の縮み量δ2 の関係を概念的に示す。
(b) は可塑性体３の平常状態を、(c) はその変形状態を
示す。

【００３７】伸び量δ1 は引張側のブレース材２の引張
変形δb1と可塑性体３の引張変形δd1の和で、縮み量δ
2 は見かけの圧縮側のブレース材２の圧縮変形量δb2と
可塑性体３の圧縮変形量δd2の和となっており、柱間距
離をＷ、梁間距離をＨ、対角線距離をＬとしたとき、伸
び量δ1 と縮み量δ2 の絶対値は共にδs ・Ｗ／Ｌで等
しい（｜δ1 ｜＝｜δ2 ｜＝δs ・Ｗ／Ｌ）。

【００３８】但し、ブレース材２の圧縮変形δb2は実際
には変形解放装置４に吸収されることから、圧縮側のブ
レース材２に圧縮変形δb2は生じず、可塑性体３に圧縮
変形δd2が生ずるのみとなるため、縮み量δ2 は可塑性
体３の圧縮変形量δd2に等しい（｜δd2｜＝δs ・Ｗ／
Ｌ）。

【００３９】図８は図７における対角線方向の荷重Ｐと
変形δの関係を示す。可塑性体３の降伏耐力Ｐd はブレ
ース材２の引張降伏耐力Ｐt より低く、両者は直列に接
続されているため、Ｐd まではブレース材２と可塑性体
３は共に弾性変形するが、Ｐd を超えると可塑性体３が
降伏して塑性変形量δd1のみが進行し、ブレース材２の
弾性変形量δb1は増加しない。

【００４０】図９は図７における水平力Ｑの作用方向の
荷重と層間変位δs の関係を示す。図８よりフレームの
対角線方向の伸び量δ1 の多くを可塑性体３の引張変形
δd1が占め、伸び量δ1 に占めるブレース材２の引張変
形δb1は小さいことから、層間変位δs は実質的に可塑
性体３の引張変形δd1で決まる（δd1＝δs ・Ｗ／Ｌ）
ため、δs ＝δd1・Ｌ／Ｗとなる。

【００４１】図７の状態から水平力Ｑの向きが逆にな
り、引張側のブレース材２と可塑性体３が収縮しようと
し、そのブレース材２の変形δb1と可塑性体３の変形δ
d1が圧縮変形に変わろうとするとき、弾性変形δb1を生
じているブレース材２が復元するため、層間変位δs と
して弾性変形量δb1に対応したδb1・Ｌ／Ｗ分のスリッ
プを生じた後に可塑性体３の圧縮変形が始まる。ブレー
ス材２は上記の通り、圧縮変形しない。

【００４２】水平力Ｑの向きが変わるときに履歴にスリ
ップが生ずるものの、層間変位δsに占めるブレース材
２の弾性変形量δb1は小さいため、スリップの影響はほ
とんどなく、荷重−変形関係（復元力特性）は紡錘型の
履歴ループを描き、制振装置１は安定したエネルギ吸収
性能を有することになる。

【００４３】図10は可塑性体３と変形解放装置４が付か
ない通常のＸ型ブレース構造の水平力Ｑと、層間変位δ
s 、フレームの引張側の対角線距離の伸び量δ1 、圧縮
側の対角線距離の縮み量δ2 の関係を示す。この場合は
可塑性体３と変形解放装置４がないため、δ1 ＝δb1、
δ2 ＝δb2であり、δs ＝δb1・Ｌ／Ｗである。

【００４４】図11は図10における対角線方向の荷重Ｐと
変形δの関係を示す。ブレース材の座屈荷重Ｐc は引張
降伏耐力Ｐt より低く、圧縮側となったときには荷重Ｐ
に抵抗することはできず、引張側となったときにのみＰ
t まで弾性変形した後、塑性変形する。

【００４５】図12は図10における水平力Ｑの作用方向の
荷重と層間変位δs の関係を示す。ブレース材が引張側
から圧縮側へ移行するとき、ブレース材が座屈した後は
圧縮変形できないため、座屈後、引張側となるブレース
材が抵抗力を発揮するまでの間、座屈したときのブレー
ス材の変形量δb1に対応する層間変位δs ＝δb1・Ｌ／
Ｗ分のスリップが履歴に表れ、荷重−変形関係は完全な
スリップ型の履歴特性を示す。

【００４６】

【発明の効果】ブレース材の一端がフレームの隅角部に
接続され、他端に降伏耐力がブレース材の降伏引張耐力
より低い可塑性体が接続されたフレームにおいて、ブレ
ース材のいずれかの部分に、圧縮力によるブレース材の
軸方向の変位を拘束しない変形解放装置を介在させ、ブ
レース材に圧縮力を負担させないため、可塑性体による
エネルギ吸収能力を発揮させながら、ブレース材の座屈
を防止でき、安定した履歴特性を得ることができる。

【００４７】ブレース材の座屈が防止されることで、ブ
レース材の面外変形の発生がなくなるため、内壁や外壁
への損傷を防止することができる。

【００４８】またブレース材の断面を大きくする必要が
ないことで、ブレース材の座屈耐力を可塑性体の降伏耐
力より高く設定する必要がなく、断面を引張耐力で決め
ることができるため、塑性化部材を組み込まないＸ型ブ
レース構造用のブレース材との互換性を確保できる。併
せて鋼材重量の増加が抑えられるため、ブレース材の材
料費が低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】制振装置の構成例を示した立面図である。

【図２】他の制振装置の構成例を示した立面図である。

【図３】他の制振装置の構成例を示した立面図である。

【図４】ブレース材の端部における変形解放装置の構成
例を示した立面図である。

【図５】ブレース材の中間部における変形解放装置の構
成例を示した立面図である。

【図６】(a) はブレース材の端部における他の変形解放
装置の構成例を示した立面図、(b) は(a) の平面図であ
る。

【図７】(a) は制振装置が組み込まれたフレームに水平
力Ｑが作用したときの各部の変形の様子を示した立面
図、(b) は可塑性体の平常状態を示した立面図、(c) は
その変形状態を示した立面図である。

【図８】図７の場合の対角線方向の荷重Ｐと変形δの関
係を示したグラフである。

【図９】図７の場合の水平力Ｑの作用方向の荷重Ｑと層
間変位δs の関係を示したグラフである。

【図１０】Ｘ型ブレース構造のフレームに水平力Ｑが作
用したときの各部の変形の様子を示した立面図である。

【図１１】図10の場合の対角線方向の荷重Ｐと変形δの
関係を示したグラフである。

【図１２】図10の場合の水平力Ｑの作用方向の荷重Ｑと
層間変位δs の関係を示したグラフである。

【符号の説明】

１……制振装置、２，21……ブレース材、３……可塑性
体、3a……スリット、3b……開口、４……変形解放装
置、５……柱、６……梁、７……定着プレート、7a……
貫通孔、８……ナット、９……ガセットプレート、9a…
…長孔、10……プレート、11……ボルト、12……連結
材、12ａ……板、12ｂ……貫通孔、13……ナット、14…
…ボルト、15……ナット。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が、隣接する柱と梁で囲まれた空間
   の隅角部に接続されるブレース材と、ブレース材の他端
   に接続され、降伏耐力がブレース材の降伏引張耐力より
   低い可塑性体と、ブレース材のいずれかの部分に介在
   し、圧縮力によるブレース材の軸方向の変位を拘束しな
   い変形解放装置から構成される制振装置。
2. 【請求項２】 可塑性体はブレース材に着脱自在に接続
   されている請求項１記載の制振装置。
3. 【請求項３】 柱・梁のフレームと耐震要素から構成さ
   れ、少なくとも一部の隣接する柱と梁で囲まれた空間に
   請求項１、もしくは請求項２記載の制振装置が組み込ま
   れている制振構造物。