JP2005282230A - 建物の制震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸組フレームの小変形時から大変形時まで効果的に減衰性能を発揮させる。
【解決手段】 軸組フレーム１内に、斜辺材８、短辺材９、補強材１０、ブレース１１によって形成されるやぐらフレーム６，６と、そのやぐらフレーム６，６と横架材４，４との間に設けられる粘弾性ダンパー７ａ，７ｂとを、水平材５を中心とした軸対称形となるように夫々配設すると共に、下側の粘弾性ダンパー７ｂに用いられる粘弾性体２６の厚みを、軸組フレーム１面に対する垂直方向で上側の粘弾性ダンパー７ａの粘弾性体１９よりも大きくした。一方、薄肉の粘弾性体１９が用いられる粘弾性ダンパー７ａの芯プレート１４に、粘弾性体１９の限界歪みを超える変形を規制するストッパ板１５，１５を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、住宅等の建物に、地震により発生する振動の減衰を図るために設けられる制震構造に関する。

建物の制震構造としては、一対の柱と、柱間に架設される横架材とを有する軸組フレームにおいて、壁体と横架材との間や、柱と横架材との仕口部に粘弾性ダンパーを配設したものが知られている。すなわち、軸組フレームの変形に伴う粘弾性体の剪断変形により、地震によるエネルギーを粘性減衰エネルギーとして吸収し、制震効果を得るものである。具体的に挙げると、例えば特許文献１には、軸組フレーム内に、ブレース本体と、そのブレース本体の端部に固定され、二枚のプレート間に粘弾性体を介在させてなる端部ダンパーとからなるダンパー装置が記載されている。また、このようなダンパー装置を軸組フレーム内に複数設ける場合もある。

特開２００３−４９５５６号公報

このような制震構造においては、用いられる粘弾性体は単一で、或いは粘弾性ダンパーが複数あっても全て同じ厚さとなっており、この厚みは、粘弾性体の限界歪みに合わせるか、或いは減衰性を優先するかして設計されている。よって、軸組フレームの小変形時に剪断変形が小さくなり、充分な減衰性能が得られなくなっている。この小変形時にも減衰を効果的に利かせるためには粘弾性体の厚みを薄くする必要があるが、厚みを薄くすると、逆に軸組フレームの大変形に追従できなくなり、粘弾性体が破断してしまう。

そこで、請求項１に記載の発明は、軸組フレームの小変形時から大変形時まで効果的に減衰性能を発揮でき、制震効果に優れる建物の耐震構造を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、一対の柱と、その柱間に架設される横架材とを有する軸組フレーム内に、軸体によって形成される内フレームと、その内フレームと横架材との間に設けられる粘弾性ダンパーとを夫々一対配設すると共に、２つの粘弾性ダンパーに夫々用いられる粘弾性体間に、軸組フレーム面に対する垂直方向で一方が他方よりも厚くなるように厚みの差を設定し、薄肉側の粘弾性体が用いられる粘弾性ダンパーに、当該粘弾性体の限界歪みを超える変形を規制するストッパ手段を設けたものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、軸組フレームの小変形時に薄肉側の粘弾性ダンパーを確実に動作させるために、両粘弾性体のバネ定数を、所定の低歪み領域で同等となるように設定したものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の目的に加えて、内フレームの座屈のおそれを少なくして低コストで剛性を確保するために、軸組フレーム内を、柱の中間部位間に架設される中間横架材によって上下に二分割し、内フレームと粘弾性ダンパーとを、中間横架材を中心とした軸対称形となるように上下に配設したものである。

請求項１に記載の発明によれば、軸組フレームの小変形時には薄肉側の粘弾性ダンパーが、大変形時には厚肉側の粘弾性ダンパーが夫々効果的に減衰性能を発揮できると共に、ストッパ手段によって薄肉側の粘弾性体の破断も防止される。よって、軸組フレームの小変形から大変形まで対応できる信頼性の高い制震構造を得ることができる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、軸組フレームの小変形時に薄肉側の粘弾性ダンパーが確実に動作して減衰性能を発揮できる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加えて、内フレームに必要な剛性が小さくなって、座屈防止のために特に強度を大きくする必要がなく、剛性確保にかかるコストは最小限で済む。また、中間横架材に変形のおそれが生じない上、ターンバックル等のブレースの併用も容易に行えて施工性の向上も期待できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の制震構造を適用した軸組フレームの一例を示す正面図で、この軸組フレーム１は、軽量形鋼を用いた鉄骨系プレハブ構造に採用されるもので、二本の形鋼を互いに結合してなり、所定間隔をおいて配設される一対の中柱２，２と、中柱２，２の両側に所定間隔をおいて配設され、単一の形鋼からなる外柱３，３と、中柱２，２間及び中柱２と外柱３との間の上下端を夫々接続する横架材４，４・・とを備えた構造となっている。

この軸組フレーム１において、中柱２，２間には、両中柱２，２を中間部位同士で接続する中間横架材となる水平材５が架設されており、水平材５によって二分割される上下のフレーム内に、内フレームとしての台形状のやぐらフレーム６，６と、各やぐらフレーム６と上下の横架材４との間に設けられる粘弾性ダンパー７ａ，７ｂとが、水平材５を中心とした略軸対称形となるように夫々上下に配設されている。なお、粘弾性ダンパー７ａ，７ｂは、住宅の梁Ｂと直接、又は軸組フレーム１の横架材４を介して住宅の梁Ｂと固定される。

まず、やぐらフレーム６は、中柱２における水平材５との接続際に基端が接続され、横架材４へ近づくに従って徐々に間隔が狭くなる一対の斜辺材８，８と、その斜辺材８，８の先端間で水平に架設される短辺材９と、短辺材９と水平材５との間を等分する格好で斜辺材８，８間に架設される水平方向の補強材１０と、補強材１０の上下で対角線方向に架設されるブレース１１，１１とからなる。

上側の粘弾性ダンパー７ａは、図２に示すように、横架材４の下面中央に溶接された断面Ｔ字状の連結材１２にボルト１３，１３・・で固着され、左右端にストッパ板１５，１５を直交状に固着した矩形状の芯プレート１４と、その芯プレート１４のストッパ板１５，１５の内法よりもやや短い幅を有して芯プレート１４の前後に配置され、短辺材９の上面に溶接された断面Ｔ字状の連結材１６にボルト１７，１７・・で固着された矩形の外プレート１８，１８と、芯プレート１４と外プレート１８，１８との間に介在された一対の粘弾性体１９，１９とからなる。粘弾性体１９は、ゴム系、アスファルト系、アクリル系等の高分子化合物を材料としたシート体で、両面が芯プレート１４と外プレート１８との対向面に夫々接着されるものである。また、ストッパ板１５，１５は、芯プレート１４と外プレート１８，１８との水平方向の相対移動を、粘弾性体１９の限界歪みで規制する位置で設けられている。

一方、下側の粘弾性ダンパー７ｂは、上側の粘弾性ダンパー７ａと略同様の構造で、図３に示すように、下側の横架材４に溶接された連結材２０にボルト２１，２１・・で固着された矩形状の芯プレート２２と、短辺材９側の連結材２３にボルト２４，２４・・で固着され、芯プレート２２と同幅の外プレート２５，２５と、芯プレート２２と外プレート２５，２５との間の粘弾性体２６，２６とからなる。
ここで、下側の粘弾性体２６は、軸組フレーム１面に対する垂直方向で上側の粘弾性体１９よりも厚さを大きくしている。なお、粘弾性体２６の厚みは、粘弾性体２６の限界歪みに合わせて設計されている。

但し、粘弾性体１９，２６においては、１／２００ｒａｄ程度（例えば剪断歪み２００％以下）の低歪み領域で、バネ定数が同等になるように設計されている。同じ材質、同じ面積で厚みのみ変えると、厚肉側の粘弾性ダンパー７ｂのみが動作し、薄肉側の粘弾性ダンパー７ａが動作しないからである。
ここで、粘弾性体の剛性ｋは、
ｋ＝Ｇ・Ｓ／ｄ
（Ｇ：粘弾性体の材料の剪断弾性率、Ｓ：面積、ｄ：厚み）
で決定されるため、上下の粘弾性体で材料を変えたり、同じ材料で接着面積を変えたりすることで設計すれば良い。

以上の如く構成された軸組フレーム１においては、地震によって軸組フレーム１に水平方向の外力が作用すると、粘弾性ダンパー７ａ，７ｂによる制震作用が得られることになるが、上述のように上下の粘弾性体１９，２６の厚みの相違により、両者の動作が異なる。まず、軸組フレーム１の小変形時では、図４（Ａ）に示すように、上下夫々のやぐらフレーム６と横架材４とが互いに逆向きとなる水平方向へ相対的に移動すると、上下の粘弾性体１９，２６に水平方向の剪断力が加わり、剪断歪みの小さい領域でバネ定数が同等である粘弾性体１９，２６は略同様に剪断変形する。この剪断変形による抵抗力が減衰力となって制震作用が得られる。

そして、軸組フレーム１の大変形時にも、上下夫々のやぐらフレーム６と横架材４とが互いに逆向きとなる水平方向へ相対的に移動しようとするが、上側の粘弾性ダンパー７ａにおいては、芯プレート１４と外プレート１８，１８との相対移動が芯プレート１４のストッパ板１５，１５によって規制されているため、図４（Ｂ）に示すように、上側の粘弾性体１９，１９は限界歪みを超える剪断変形を起こさない。一方、下側の粘弾性ダンパー７ｂにおいては、粘弾性体２６，２６が大きく剪断変形し、大きな外力に対して効果的な減衰力を生じさせることになる。

このように、上記形態の制震構造によれば、軸組フレーム１内に、やぐらフレーム６，６と、やぐらフレーム６，６と横架材４，４との間に設けられる粘弾性ダンパー７ａ，７ｂとを夫々配設すると共に、軸組フレーム１面に対する垂直方向で下側の粘弾性体２６の厚みを上側の粘弾性体１９よりも大きく設定し、上側の粘弾性体１９が用いられる粘弾性ダンパー７ａの芯プレート２２に、粘弾性体１９の限界歪みを超える変形を規制するストッパ板１５，１５を設けたことで、軸組フレーム１の小変形時には粘弾性ダンパー７ａ，７ｂが、大変形時には粘弾性ダンパー７ｂが夫々効果的に減衰性能を発揮できると共に、ストッパ板１５，１５によって粘弾性体１９の破断も防止される。よって、軸組フレーム１の小変形から大変形まで対応できる信頼性の高い制震構造を得ることができる。

特に、両粘弾性体１９，２６のバネ定数を、所定の低歪み領域で同等となるように設定しているから、軸組フレーム１の小変形時に薄肉側の粘弾性ダンパー７ａが確実に動作して減衰性能を発揮できるようになっている。
一方、軸組フレーム１内を、水平材５によって上下に二分割し、やぐらフレーム６，６と粘弾性ダンパー７ａ，７ｂとを、水平材５を中心とした軸対称形となるように上下に配設しているから、やぐらフレーム６に必要な剛性が小さくなって、座屈防止のために特に強度を大きくする必要がなく、剛性確保にかかるコストは最小限で済む。また、水平材５に変形のおそれが生じない上、ターンバックル等のブレースの併用も容易に行えて施工性の向上も期待できる。

なお、内フレームの具体的な形状は、上記形態のやぐらフレームの形状に限定するものではなく、短辺材や斜辺材の長さは適宜変更して良いし、補強材やブレースについても、その数を増減したり、省略したりしても差し支えない。また、内フレームの外形も台形状に限らず、三角形状や四角形状等の他の形状も採用可能である。
さらに、中間横架材を中心とした軸対称形とするものに限らず、図５に示すように、下側のやぐらフレーム６の粘弾性ダンパー７ｂが中間横架材２７の下側に連結される積み重ね構造とすることもできる。一方、中間横架材をなくして、図６に示すように、上下の横架材４，４間に亘って形成されるやぐらフレーム２８，２８を、互いに上下逆向きとなるように配設することも考えられる。

一方、粘弾性ダンパーは、上記形態では上側の粘弾性体を薄肉、下側を厚肉としているが、上下の厚みを逆にすることは勿論可能である。また、ここでは芯プレートとその前後の外プレートとの間に一対の粘弾性体を介在させる形態としているが、一対の外プレートの間に一つの粘弾性体を介在させる形態も採用可能である。逆に、芯プレートを複数枚にして粘弾性体を３層以上用いることもできる。
さらに、ストッパ手段は、芯プレートに設けるものに限らず、外プレートを芯プレートよりも長くしてその両端にストッパ板を設けることで規制を図っても良いし、板状に限らず、ボルトやピン等を利用しても良い。
その他、上記形態の軸組フレームも一例であって、例えば柱は一対のみであっても良く、また、軽量形鋼を使用した軽量鉄骨系プレハブ構造に限らず、鉄骨構造や木構造等の他の構造においても本発明の制震構造は採用可能である。

軸組フレームの正面図である。 上側の粘弾性ダンパーの説明図である。 下側の粘弾性ダンパーの説明図である。 軸組フレームの変形状態を示す概略図で、（Ａ）が小変形時、（Ｂ）が大変形時である。 軸組フレームの変更例を示す概略図である。 軸組フレームの変更例を示す概略図である。

符号の説明

１‥軸組フレーム、２‥中柱、４‥横架材、５‥水平材、６‥やぐらフレーム、７ａ，７ｂ‥粘弾性ダンパー、８‥斜辺材、９‥短辺材、１４，２２‥芯プレート、１５‥ストッパ板、１８，２５‥外プレート、１９，２６‥粘弾性体。

Claims (3)

1. 一対の柱と、その柱間に架設される横架材とを有する軸組フレーム内に、軸体によって形成される内フレームと、その内フレームと横架材との間に設けられる粘弾性ダンパーとを夫々一対配設すると共に、前記２つの粘弾性ダンパーに夫々用いられる粘弾性体間に、軸組フレーム面に対する垂直方向で一方が他方よりも厚くなるように厚みの差を設定し、薄肉側の粘弾性体が用いられる粘弾性ダンパーに、当該粘弾性体の限界歪みを超える変形を規制するストッパ手段を設けてなる建物の制震構造。
2. 両粘弾性体のバネ定数を、所定の低歪み領域で同等となるように設定した請求項１に記載の建物の制震構造。
3. 軸組フレーム内を、柱の中間部位間に架設される中間横架材によって上下に二分割し、内フレームと粘弾性ダンパーとを、前記中間横架材を中心とした軸対称形となるように上下に配設した請求項１又は２に記載の建物の制震構造。

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