JP2003322203A

JP2003322203A - 遊隙充填引張型制震構造

Info

Publication number: JP2003322203A
Application number: JP2002128529A
Authority: JP
Inventors: 隆夫 ▲高▼松; Takao Takamatsu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2003-11-14
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: JP3936621B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】耐震強度に優れた露出型柱脚構造および筋か
い等の金属構造であって、地震によって生ずる遊隙を自
動的に充填し、地震エネルギーを吸収する機能に優れた
遊隙充填引張型制震構造を提供する。【解決手段】アンカーキルト６もしくは筋かい自体の
伸びによりナット７とベースプレート４の間隙に対し、
挿入型楔１０をコイルバネ１４の付勢力によって挿入
し、生じた遊隙を順に自動充填することにより、アンカ
ーキルトもしくは筋かいに有効に継続して地震エネルギ
を吸収させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は遊隙充填引張型制震構造
に関しより詳しくは耐震強度に優れた露出型柱脚構造お
よび筋かい等の金属構造であって、塑性変形によって地
震エネルギを吸収する機能に優れた遊隙充填引張型制震
構造に関する。

【０００２】

【従来技術と課題】従来、露出型柱脚等のコンクリート
基礎鋼柱脚構造ないし筋かいは、地震被害対策の要点で
あり、破壊エネルギの最も集中する場所である事が判っ
ている。

【０００３】そしてここで生じる引張応力部材であるア
ンカーボルトもしくは筋かい部材の引張塑性変形によっ
て、遊隙（遊び）が生じ、早急な繰返し震動の場合、次
の引張応力がかかるまでに必ず遊隙が生まれるために構
造物として必要な強度が出ず、必要とする塑性域におけ
るエネルギ吸収が充分に行えないという問題点があっ
た。

【０００４】従来の露出型柱脚は地震に対しアンカーボ
ルトを降伏させ、アンカーボルトの塑性伸びのみで地震
エネルギの吸収を行っている。この場合露出型柱脚の復
元力特性（荷重−変形履歴曲線）はスリップ型となる
が、柱脚により多くの地震エネルギを吸収させようとす
ると、必然に第１層において大きな層間変形角を生じる
事になる。

【０００５】そしてこの荷重−変形履歴曲線上のスリッ
プは、アンカーボルトの塑性伸びによってベースプレー
トとナット間に生じる遊隙によって発生する事が実例お
よび実験観察の結果明らかになった。これらの対策とし
ては次のようなものがあった。

【０００６】従来例としては特開平１０−２９９０８１
に記載の発明のように、柱脚の回転剛性を小さくするた
め、べースプレートとアンカーボルトナットの間に弾性
バネを挿入するものがあつた。また特開２００２−４４
２２のように柱脚を角鞘状の鞘管で支持するものも提案
されているが、これはアンカーボルトで固定したベース
プレートを切り離し、４箇のエネルギ吸収部材である低
降伏点鋼片を介して柱脚が自由に回動する事を許す手段
であって、これらは、所謂ピン柱脚もしくは半固定柱脚
と呼ばれるもので、本発明のように繰返し与えられる震
動に対して有効な固着とはならない事が明らかである。

【０００７】即ち前記先行技術ではアンカーボルトの塑
性変形で以て地震エネルギを有効に吸収する事が出来な
かった。

【０００８】一方従来のアンカーボルトはネジ部で破断
する事が多かったが、最近の転造ネジつきアンカーボル
トではネジ部の強度が高いためこのような事がなく、シ
ャフト部の塑性伸びを、例えば伸び率１０％程度まで期
待出来るようになった。加えてベースプレートについて
もこれの曲げ変形を少なくし、すなわちアンカーボルト
の伸び変形抵抗に比して、より変形抵抗を大きくし剛体
化する事の方が地震エネルギの吸収に有効である事が判
って来た。

【０００９】また筋かいの場合、特開平１１−３６４４
４のように所謂アンボンドブレース（Ｕｎｂｏｎｄｂ
ｒａｃｅ）があるが、これは引張と圧縮の両応力に抵抗
出来るメリットがあるものの、筋かい材が断面大となる
と共に複雑化大型化するため、Ｘ字型筋かい構造にする
事が困難となり、Ｋ字型ないしＶ字型筋かいを設ける必
要が生じるなどの問題点があった。加えてアンボンドブ
レースは前記遊隙対策にはならなかった。

【００１０】そこで本発明者は、鋭意実験研究の結果こ
の遊隙をなくす事によってスリップ現象を除去し、従来
よりも層間変形角を小さくし、より大きい地震エネルギ
を吸収可能とする本発明に到達した。

【００１１】当初遊隙充填手段としては実験途中でアン
カーボルトや筋かいのナットを増し締めする事で行って
効果を確認したが、実際の建築物に応用する場合、これ
を自動化する必要があり、更に実験研究の結果、本発明
のような自動充填機構を備える遊隙充填型制震構造と呼
ぶ本発明を完成するに至った。

【００１２】すなわち本発明者は鋭意実験・研究の結
果、遊隙自動充填機構を工夫、導入する事により、引張
抵抗力のみを有効活用し、アンカーボルトないし筋かい
の塑性域における引張変形のみで地震エネルギを吸収す
るようにする事が出来るようになった。また従来例では
圧縮応力による座屈対策のために必要としたようなアン
ボンドブレースを用いる事なく圧縮側に座屈が生じず、
継続的に充分引張応力に耐える筋かいを得る事が出来る
ようになった。

【００１３】

【発明の目的】本発明の第１の目的は、低周波振動が付
与される時、先の震動によって生じる遊隙の悪影響を後
の震動時に及ばなくする事である。

【００１４】本発明の第２の目的は特に建築物の鉄骨固
定脚柱のモーメントに対するエネルギ吸収能を増し、ま
た筋かいの場合も層間変形角を小さくして遊隙なく直ち
に変形抵抗を発揮出来るようにする事である。

【００１５】本発明の第３の目的は荷重−変形履歴曲線
が、露出型柱脚では従来のスリップ型でなくボウタイ型
（原点立上がり型）となり、筋かいでも同様に従来のス
リップ型でなく、紡錘型となり、エネルギ吸収が有効に
行われるようになり、また、コンピュータによる変形予
測もしくは強度計算がし易くなるようにする事である。

【００１６】

【発明の構成】本発明により、繰返し引張応力を受けた
場合、引張応力部材が塑性変形する事により震動エネル
ギを吸収する引張型制震構造において、先に生じた遊隙
を自動充填する自動充填機構を備え、次に与えられる引
張応力によって遊隙なく引張応力部材の変形が開始され
るようにした事を特徴とする遊隙充填引張型制震構造
（請求項１）、遊隙充填引張型制震構造が、主として建
築、土木構造における露出型柱脚もしくは筋かい用であ
る請求項１に記載の遊隙充填引張型制震構造（請求項
２）、自動充填機構が、弾性体付勢による挿入型楔を備
える自動充填機構である請求項１ないし２に記載の遊隙
充填引張型制震構造（請求項３）、挿入型楔の傾斜角θ
が１５°≦θ≦７５°、好ましくは３０°≦θ≦６０°
である請求項３に記載の遊隙充填引張型制震構造（請求
項４）、弾性体が、コイルバネ、つるまきバネ、板バ
ネ、ゴムクッションの内１または２以上の組合せである
請求項３ないし４に記載の遊隙充填引張型制震構造（請
求項５）、挿入型楔とベースプレートおよび／もしくは
楔受けとの摩擦面が挿入方向にのみ移動可能な一方向ク
ラッチである請求項３ないし５に記載の遊隙充填引張型
制震構造（請求項６）、荷重−変形履歴曲線が常時原点
立上がりボウタイ型をなす請求項１ないし６に記載の露
出型柱脚である遊隙充填引張型制震構造（請求項７）お
よび２本の筋かいの荷重−変形履歴曲線が紡錘型をなす
請求項１ないし６に記載のＸ字型筋かいである遊隙充填
引張型制震構造（請求項８）が提供される。

【００１７】以下に実施例を用いて本発明を詳細に説明
する。

【００１８】

【実施例】図１は震動開始前の柱脚部側面図、図２は震
動１／２サイクル後の柱脚部側面図、図３は震動１サイ
クル後の柱脚部側面図、図４は図１のＡ−Ａ矢視図、図
５は図２のＢ−Ｂ矢視図、図６は図３のＣ−Ｃ矢視図、
図７は挿入型楔の斜視図、図８は軸力Ｎと反時計廻りの
モーメントＭを受けた時の柱脚部側面図、図９は次に軸
力Ｎと時計廻りのモーメントＭ'を受けた時の柱脚部側
面図、図１０は次に復元して左右アンカーボルトネジ部
ナットとベースプレート間に塑性伸びによって遊隙
Ｇ_２，Ｇ_２が生じた状況を示す柱脚部側面図、図１１は
一方向クラッチを用いた実施例１の側面図、図１２は従
来例（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用しない場合）の荷
重−変形履歴グラフ、図１３は実施例１（軸力Ｎが作用
しない場合）の荷重−変形履歴グラフ、図１４は従来例
（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用する場合）の荷重−変
形履歴グラフ、図１５は実施例１（軸力Ｎが作用する場
合）の荷重−変形履歴グラフ、図１６は震動開始前の実
施例２の側面図、図１７は震動１サイクル後の実施例２
側面図、図１８は実施例２の荷重−変形履歴グラフであ
る。

【００１９】図１〜１８において、１は実施例１、２０
０は実施例２、２は柱脚部、４はベースプレート、６は
アンカーボルト、６Ａはアンカーボルトネジ部、７はナ
ット、１０，１０Ａ，１０Ｂは夫々挿入型楔、挿入前の
挿入型楔、挿入後の挿入型楔であり、１０Ｋはボルト長
孔，１０Ｐは傾斜壁、１０Ｓは傾斜面，１１は楔受け、
１３はバネ受け、、Ｇ_１，Ｇ_２，Ｇ_３は遊隙、Ｎは軸
力、Ｍはモーメント、Ｃは圧縮反力、Ｖは引張反力、Ｗ
は隅肉溶接部、１４Ａは圧縮されたコイルバネ、１４Ｂ
は伸びたコイルバネ、２０はコンクリート基礎，３０は
一方向ベアリング、３１はニードルローラ、３２，３３
はベアリングレース、３２Ａは傾斜溝、３４は可動リテ
ーナ、３５は押引きコイルバネである。＜実施例１＞先ず、柱脚部において、１／２サイクルだ
け震動が与えられた時、すなわち柱脚部に柱脚方向の軸
力Ｎと反時計方向のモーメントＭが掛ると柱脚部は図８
のような状態となり、ベースプレート左端部を支点とし
て左側に傾く。そしてベースプレート４の剛性が高いと
右側アンカーボルト６は短い弾性変形の後降伏し、略鉛
直方向の引張塑性変形を生じる。ここで震動エネルギが
アンカーボルト６に吸収される事になる。同様に図９は
時計方向のモーメントＭ'が加わる場合である。

【００２０】アンカーボルトの材質はＪＩＳＧ３１３８
建築構造用圧延棒鋼のＳＮＲ４００Ａ，ＳＮＲ４００
Ｂ，ＳＮＲ４９０Ｂ等が最も普通に用いられるが、筋か
い材を含む本発明用途には、一般に降伏比が比較的小さ
く（７５％以下）、加工硬化係数が比較的小さい塑性伸
びし易い材料が望ましい。経済性を度外視すれば上記軟
鋼材の他にＺｎ−Ａｌ合金等を超塑性材料として用いる
事も出来る。

【００２１】図７に斜視図を示す挿入型楔について説明
する。素材は靭性のある鋳鋼製が望ましい。

【００２２】次に図９のようにモーメントＭの反対方向
（時計方向）に逆モーメントＭ'が働くとベースプレー
ト４の右端部を支点として左側のアンカーボルトが引張
られて伸びる事になる。すなわち１サイクル以上の繰返
し荷重が与えられると左右１対のアンカーボルトが長手
方向に引張応力を受け、塑性伸びが生じる（図１０参
照）。

【００２３】ところが、図９のような従来例では夫々遊
隙Ｇ_１，Ｇ_２が生じるので、荷重−変形履歴曲線が図１
２もしくは図１４のようになり、再引張位置は原点復帰
せず、スリップ型となるので、制震効果が乏しい。

【００２４】従来例において、因みに図１４の場合は軸
力Ｎが作用する場合であり、図１２の場合は軸力Ｎが作
用しない場合である。

【００２５】ところが本発明実施例１では挿入型楔が遊
隙Ｇ_２，Ｇ_２…に挿入して遊隙を塞ぐので図１３，図１
５のように荷重−変形履歴曲線が原点立ち上がり型（ボ
ウタイ型）となりスリップが生じないから、地震エネル
ギが吸収され易くなり、制震効果が大きくなる。

【００２６】なお本発明の挿入型楔の傾斜角（頂角）θ
は１５°≦θ≦７５°であり、更に好ましくは３０°≦
θ≦６０°でなければならない。

【００２７】その限定理由について以下に述べる。

【００２８】先ずθは、１５°に達しないと挿入型楔の
水平移動距離の割に略鉛直方向の距離を稼げないので実
際的でないからであり、また楔受けの厚みが小さくなり
過ぎ、剛性が小さくなる恐れがあるからであり、７５°
を超えると逆に挿入型楔の水平移動距離に比して鉛直移
動距離が大きくなり過ぎ、また挿入型楔挿入後の斜面摩
擦力が小さくなるだけでなく、ベースプレートの上に露
出するアンカーボルト頭部が長大となり、力学的に不安
定となるので不都合であるからである。

【００２９】更に望ましくは３０°≦θ≦６０°である
が、この限定理由は次の通りである。

【００３０】θが３０°よりも小さいと本発明範囲では
あるものの挿入型楔が全体として薄くなり、剛性が保ち
難くなる傾向があり、かつ限られたベースプレート表面
積で本発明を実施し難くなるからである。またθが６０
°を超えると本発明範囲であってもやや挿入型楔高さが
大きくなり、前述のようにアンカーボルト頭部長が長目
になるので安定性がやや保ち難くなるからである。また
挿入型楔の製造工程においても３０°≦θ≦６０°の場
合は最も取り扱い易いメリットもある。

【００３１】なお、挿入型楔を押す弾性体はコイルバネ
の代わりに、つるまきバネや、板バネもしくはゴムクッ
ションを用いる事も出来る。またこれらを２以上組み合
せてもよい。挿入型楔とベースプレートおよび楔受けと
の摩擦面は各摩擦面について摩擦係数が長期に（例えば
５０年）に亘って楔挿入方向に小さく、後退方向には高
く保たれるような表面仕上げ、例えばサンドブラスト処
理および／もしくは亜鉛めっき処理等の表面処理をする
事が望ましい。

【００３２】挿入型楔はアンカーボルトの塑性伸びに生
じた遊隙Ｇ_１，Ｇ_２…を充填するためのものであり、ベ
ースプレートと楔受の間に無理矢理圧入させるものでは
ないから、前記コイルバネ等の弾性体付勢力は挿入型楔
を地震で生じた前記遊隙に間髪を入れず直ちに自動挿入
する程度の強さで足りる。この点は筋かいの実施例２で
も同様である。

【００３３】これらの摩擦面の一部もしくは全部には挿
入方向にのみ移動可能な一方向クラッチ３０もしくは同
様な傾向のある表面処理を加える事が望ましい（図１１
参照）。すなわち挿入型楔とベースプレートもしくは楔
受けとの摩擦面の摩擦係数は楔挿入方向の摩擦係数をμ
_ｉｎ、後退方向のそれをμ_ｏｕｔとすると、少なくとも
μ_ｉｎ＜μ_ｏｕｔである事が望ましい。

【００３４】図１１にニードルローラと傾斜溝付きベア
リングレースと可動リテーナでなる一方向クラッチを挿
入型楔下面とベースプレート上面間に用いた例の断面図
を示す。

【００３５】これは挿入方向に引張られる押引きコイル
バネで繋がれた可動リテーナ３４により、ニードルロー
ラ３１，３１…が傾斜溝の深い方に押されるため、挿入
方向にのみ移動可能となり、逆方向にはニードルローラ
上下間に強大な圧力が加わって停止するものである。こ
の型の一方向クラッチは特開平１０−６１７４３に開示
されている。

【００３６】＜実施例２＞実施例２は本発明を筋かいの
引張変形に応用した例である。

【００３７】図１６は繰り返し荷重を受ける前のＸ字型
筋かいの側面図、図１７はＸ字配置の筋かいに塑性伸び
を起させるような少なくとも１／２サイクルの繰り返し
荷重を受けた後のＸ字型筋かい側面図である。

【００３８】図１〜図１８において、更に１５Ａ，１５
Ｂは筋かい、１７，１８はブラケット、１７Ａ，１８Ａ
は筋かい取付部、１９はコイルバネ受け、２１は鉛直
枠、２２は水平枠、２５は耐力壁である。

【００３９】通常は図１６のように筋かいは１対の鉛直
枠２１と水平枠２２とに囲まれた耐力壁２５内でＸ字型
に配置されており、鉛直枠２１，水平枠２２で囲まれた
１ブロックが耐力壁２５をなしている。耐力壁２５に剪
断力Ｓ_１，Ｓ_２が働くと夫々筋かい１５Ａ，１５Ｂの順
に引張り力が働き、降伏すると塑性伸びが生じて地震エ
ネルギが吸収される。

【００４０】その他方の筋かい１５Ｂ，１５Ａには夫々
遊隙Ｇ_３，Ｇ_３が生じるので、実施例１の場合と同様に
挿入型楔１０Ａ，１０Ａが前記遊隙Ｇ_３，Ｇ_３に挿入
し、遊隙Ｇ_３，Ｇ_３は充填されてから、耐力壁２５にか
かる剪断力による歪みは地震サイクル後にはスリップが
なくなり、荷重−変形履歴曲線は図１８のように紡錘型
となる。

【００４１】

【発明の効果】本発明を実施する事により、前記目的の
すべてが達成される。すなわち低周波震動が付与される
時、先の震動によって生じる遊隙の悪影響を後の震動時
に及ばなくする事が出来る。

【００４２】また建築物の鉄骨固定脚柱のモーメントに
対するエネルギ吸収能を増し、筋かいの場合も層間変形
角を小さくして遊隙なく直ちに筋かい部材の変形抵抗を
発揮出来るようになった。

【００４３】更に荷重−変形履歴曲線が、露出型柱脚で
は従来のスリップ型でなくボウタイ型（原点立上がり
型）となり、筋かいでも同様に従来のスリップ型でな
く、紡錘型となり、エネルギ吸収が有効に行われるよう
になるので、コンピュータによる変形予測もしくは強度
計算がし易くなるという効果をもたらす。

【００４４】また本発明の挿入型楔でなる遊隙自動充填
機構は構造簡単、廉価であり乍ら、作動が確実であり、
上記の効果を容易に得る事が出来る。

【００４５】更に詳しくは、筋かいに本発明を用いる
と、次のような利点を有する筋かいを得ることが可能と
なる。（１）筋かいに圧縮力が作用しない。そのために、座屈
防止のための設計が不要である。（２）筋かい引張力が作用しはじめとすぐに引張抵抗を
始めるためスリップ型の復元力特性にはならない。その
ため、筋かいとしてのエネルギ吸収能力が最大限に発揮
できる。（３）引張力だけに抵抗するため、筋かいとしての復元
力特性は最も簡単な完全弾塑性体モデルとなる。断面積
と降伏応力度のみで筋かいを予測できる。更に、端部接
合部を保有耐力設計しておれば、筋かいの材長と限界ひ
ずみ度から限界層間変形角も簡単に算出できる。（４）地震後に筋かいがどの程度塑性伸びを起したか簡
単に測定できると共に、その後の余寿命（伸び能力）に
ついても検討可能である。（５）既存の筋かいについても、端部接合部のわずかな
改良により本発明装置は取り付け可能なので、耐震改修
の際に、改良型復元力特性を有する筋かいに取り替える
ことが容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】震動開始前の柱脚部側面図。

【図２】震動１／２サイクル後の柱脚部側面図。

【図３】震動１サイクル後の柱脚部側面図。

【図４】図１のＡ−Ａ矢視図。

【図５】図２のＢ−Ｂ矢視図。

【図６】図３のＣ−Ｃ矢視図。

【図７】挿入型楔の斜視図。

【図８】軸力Ｎと反時計廻りのモーメントＭを受けた時
の柱脚部側面図。

【図９】次に軸力Ｎと時計廻りのモーメントＭ'を受け
た時の柱脚部側面図。

【図１０】次に復元して左右アンカーボルトネジ部ナッ
トとベースプレート間に塑性伸びによって遊隙Ｇ_２，Ｇ
_２が生じた状況を示す柱脚部側面図。

【図１１】一方向クラッチを用いた実施例１の側面図。

【図１２】従来例（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用しな
い場合）の荷重−変形履歴グラフ。

【図１３】実施例１（軸力Ｎが作用しない場合）の荷重
−変形履歴グラフ。

【図１４】従来例（遊隙充填なし）（軸力Ｎが作用する
場合）の荷重−変形履歴グラフ。

【図１５】実施例１（軸力Ｎが作用する場合）の荷重−
変形履歴グラフ。

【図１６】震動開始前の実施例２の側面図。

【図１７】震動１サイクル後の実施例２側面図。

【図１８】実施例２の荷重−変形履歴グラフ。

【符号の説明】

１実施例１２００実施例２２柱脚部４ベースプレート６アンカーボルト６Ａアンカーボルトネジ部７ナット１０挿入型楔１０Ａ挿入前の挿入型楔１０Ｂ挿入後の挿入型楔１０Ｋボルト長孔１０Ｐ傾斜壁１０Ｓ傾斜面１１楔受け１３バネ受けＧ_１，Ｇ_２，Ｇ_３遊隙Ｎ軸力ＭモーメントＣ圧縮反力Ｖ引張反力Ｗ隅肉溶接部１４Ａ圧縮されたコイルバネ１４Ｂ伸びたコイルバネ２０コンクリート基礎３０一方向ベアリング３１ニードルローラ３２，３３ベアリングレース３２Ａ傾斜溝３４可動リテーナ３５押引きコイルバネ１５Ａ，１５Ｂ筋かい１７，１８ブラケット１７Ａ，１８Ａ筋かい取付部１９コイルバネ受け２１鉛直枠２２水平枠２５耐力壁

フロントページの続きＦターム(参考） 2E125 AA04 AA33 AA45 AB13 AC15 AC18 AG20 CA05 CA33 CA63 CA64 CA65 3J048 AA01 AD05 AD14 BC02 DA04 EA38

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】繰返し引張応力を受けた場合、引張応力部
材が塑性変形する事により震動エネルギを吸収する引張
型制震構造において、先に生じた遊隙を自動充填する自
動充填機構を備え、次に与えられる引張応力によって遊
隙なく引張応力部材の変形が開始されるようにした事を
特徴とする遊隙充填引張型制震構造。
【請求項２】遊隙充填引張型制震構造が、主として建
築、土木構造における露出型柱脚もしくは筋かい用であ
る請求項１に記載の遊隙充填引張型制震構造。
【請求項３】自動充填機構が、弾性体付勢による挿入型
楔を備える自動充填機構である請求項１ないし２に記載
の遊隙充填引張型制震構造。
【請求項４】挿入型楔の傾斜角θが１５°≦θ≦７５
°、好ましくは３０°≦θ≦６０°である請求項３に記
載の遊隙充填引張型制震構造。
【請求項５】弾性体が、コイルバネ、つるまきバネ、板
バネ、ゴムクッションの内１または２以上の組合せであ
る請求項３ないし４に記載の遊隙充填引張型制震構造。
【請求項６】挿入型楔とベースプレートおよび／もしく
は楔受けとの摩擦面が挿入方向にのみ移動可能な一方向
クラッチである請求項３ないし５に記載の遊隙充填引張
型制震構造。
【請求項７】荷重−変形履歴曲線が常時原点立上がりボ
ウタイ型をなす請求項１ないし６に記載の露出型柱脚で
ある遊隙充填引張型制震構造。
【請求項８】２本の筋かいの荷重−変形履歴曲線が紡錘
型をなす請求項１ないし６に記載のＸ字型筋かいである
遊隙充填引張型制震構造。