JP2006132150A - 制震柱とその構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 施工性に優れていて、残留応力が発生することのない優れた制震機能を発現する、制震柱とその構築方法を提案する。
【解決手段】 複数階からなる建築物の各階の梁柱架構２０において、上下の梁２１，２２の間に設けられて、その一部が塑性変形することにより当該建築物に加わる外力を吸収して制震する制震柱１であって、鉄骨部材１１と、この鉄骨部材１１の上面に当接して構築される上部コンクリート部材１２と、鉄骨部材１１の下方に隙間Ｓを有して構築される下部コンクリート部材１３と、隙間Ｓに充填される充填材１５とから構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地震時や強風時に生じる建物の揺れを抑制する、制震柱とその構築方法に関する。

高層建築物に加わる地震や強風等の水平外力に対して、該高層建築物の制振効果を高めることを目的として、その一部が塑性変形することによりエネルギーを吸収して水平外力を減衰する制震柱を配設することは公知である。

例えば、特許文献１には、プレキャストコンクリート部と、このプレキャストコンクリート部に埋設した主筋の上端部に固定された制震部材（制震装置）と、主筋の下端部を延出させた現場打ちコンクリート打設部とを有する制震柱（制震用建築材料）を用い、階下の制震柱を階下の梁に一体化させた後、階上の梁にその主筋を貫通させた階上の制震柱を階上の梁に設置し、階上の制震柱の現場打ちコンクリート打設部の主筋下端部を階下の制震柱の制震部材に連結固定した後、階上の現場打ちコンクリート部の打設箇所にコンクリート型枠を取り付け、その内部に床用コンクリートを打設して階上の梁と一体化させる制震構造及びその構築方法が開示されている。
特許第３００４２４２号公報（［００３６］−［００６４］、図１）

ところが、前記の制震構造は、プレキャストコンクリート部と制震部材と現場打ちコンクリート部とが当該建築物の構築段階で一体に構築されているため、施工中の上階荷重の応力（以下「残留応力」という場合がある）を制震構造に導入してしまう構成となっている。つまり、制震柱が残留応力を有しているため、地震時や強風時の揺れに対して、十分な制震機能を発揮しない場合があるという問題点を有していた。

また、このような残留応力を制震柱に影響させないことを目的として、残留応力の影響が及ばないとされる階まで、躯体の構築が進行した段階で、制震柱のコンクリート打設を実施する場合があった。ところが、複数階における同時のコンクリート打設には手間を要するとともに、そのための設備や人件費に費用が嵩むという問題点を有していた。

本発明は、前記の問題点を解決することを目的とするものであり、施工性に優れていて、残留応力が発生することのない優れた制震機能を発現する、制震柱とその構築方法を提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、請求項１に係る発明は、制震部材と、前記制震部材の上面に設けられる上部部材と、が一体に構成されてなり、前記制震部材と前記上部部材との間及び前記制震部材と前記下部部材との間の少なくとも一方には隙間が形成されており、該隙間に充填材が充填されていることを特徴としている。

本発明は、その一部が塑性変形することにより当該建築物に加わる外力を吸収して制震する制震柱であって、少なくとも制震部材の上面又は下面のいずれかに隙間が形成されている。つまり、制震部材と上部部材または下部部材とが縁切りされており、建築物の構築中に上階の応力を制震部材が負担することがないため、残留応力が発生することがない。また、この制震柱は、上部部材と制震部材と下部部材とが一体に構築されているため、水平力が制震部材に伝達吸収される、優れた制震機能を発揮することを可能としている。ここで、制震部材とは、建築物に加わる外力に対して、自身が変形することによりその外力を吸収するものであり、低降伏点鋼からなる部材や、積層ゴム部材、バネ部材等から構成されている。また、上部部材及び下部部材の材質は限定されるものではなく、制震柱を設置する建築物の構造に応じて、鉄筋コンクリート造、鉄骨造等による構築が可能である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制震柱であって、前記上部部材及び前記下部部材は鉄筋コンクリートにより構築されており、前記制震部材が、下階の上部部材の上面から突出する主筋の上端に固定されており、前記下部部材が、前記主筋を利用して構築されていることを特徴としている。

かかる制震柱により、上階の制震部材及び下部部材と下階の上部部材との一体化がなされるとともに、制震柱と建築物の梁柱架構との一体化がなされて優れた制震機能を発揮することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の制震柱であって、前記制震部材の少なくとも一部が、前記上部部材及び前記下部部材よりも剛性または強度の低い材料により形成されていることを特徴としている。

かかる制震柱は、制震部材が上部部材及び下部部材よりも剛性または強度の低い材料により形成されているため、当該制震部材が塑性変形して、水平力を吸収するため、制震機能に優れている。ここで、上部部材及び下部部材よりも剛性または強度の低い材料としては、低降伏点鋼（いわゆる極軟鋼を含む）などの、通常の鉄骨材や鉄筋コンクリートなどよりも柔らかく、エネルギーの吸収性に優れた材料をいう。

また、請求項４に記載の発明は、複数階からなる建築物の各階の梁柱架構において、上下の梁の間に制震柱を構築する方法であって、制震部材と、当該制震部材の上面に当接して構築された上部部材とを備えるプレキャスト部材を梁柱架構における下の梁と間隔を有して設置するプレキャスト部材設置工程と、前記下の梁と前記プレキャスト部材との間隔に、前記制震部材の下面と隙間を有して下部部材を構築する下部部材構築工程と、前記隙間に充填材を充填する充填工程とを含むことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の制震柱の構築方法であって、前記プレキャスト部材設置工程において、前記プレキャスト部材を、前記下の梁を貫通して突出された下階の上部部材の上面から突出した主筋に固定手段を介して固定することを特徴としている。

さらに、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の制震柱の構築方法であって、前記充填工程の前段に、前記固定手段を緩める工程が含まれていることを特徴としている。

かかる制震柱の構築方法により、制震柱が残留応力を有することなく、制震柱を構築することが可能となるため、地震時や強風時における水平外力に対して、優れた制震機能を発現することが可能となる。また、当該制震柱の構築方法により、梁柱架構との一体化がなされるため、外力が伝達されて、その効果を発揮することが可能となる。
つまり、隙間に充填材を充填する直前に、固定手段を緩めることにより、建築物の躯体の構築に伴い、制震柱に負荷される上載荷重等の応力を解放することが可能となるため、制震柱に残留応力が発生することがなく、優れた制震機能を発現することが可能となる。

本発明により、施工性に優れていて、残留応力が発生することなく優れた制震機能を発現する、制震柱の構築が可能となった。

本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素には同一の符号を用い、重複する説明は省略する。
図１は、本実施形態に係る制震柱を示す正面図あり、図２は、制震柱の断面図を示している。

本実施形態に係る制震柱１は、図１に示すように、鉄筋コンクリートにより構築される複数階からなる建築物の各階の梁柱架構２０において、上の梁２１と下の梁２２の間に設けられていて、地震時等において建築物に負荷される水平力を吸収する制震部材である鉄骨部材１１と、この鉄骨部材１１の上面に当接して配置された上部コンクリート部材（請求項の上部部材）１２と、鉄骨部材１１の下方に隙間Ｓを有して構築された下部コンクリート部材（請求項の下部部材）１３と、この隙間Ｓに充填される充填材１５とから構成されている。なお、図１における符号２４は、床スラブである。また、以下において、「上の梁２１」と「下の梁２２」とを区別しない場合は単に「上下の梁２１，２２」と称する場合がある。

鉄骨部材１１は、図２に示すように、低降伏点鋼により断面Ｈ型に形成された型鋼部材１１ａと、その上面と下面に配設された平角鋼板からなる取付け板１１ｂ，１１ｃとから構成されている。取付け板１１ｂ，１１ｃにはそれぞれ上部コンクリート部材１２の下面及び下部コンクリート部材１３の上面から突出する主筋１４，１４’に対応する位置に鉄筋挿通孔１１ｄ（図３（ａ）参照）が貫通されている。

また、上部コンクリート部材１２は、図２に示すように、その上面が上の梁２１の下面に当接し、その下面が鉄骨部材１１の上面に当接するように形成されている。そして、鉄骨部材１１と上部コンクリート部材１２との固定は、上部コンクリート部材１２の下端から突出した主筋１４を、鉄骨部材１１の上側の取付け板１１ｂの鉄筋挿通孔１１ｄに挿通した後、ダブルナットである固定手段１９で締着することにより行われている。ここで、鉄骨部材１１と上部コンクリート部材１２は、工場または現場内の作業ヤードにおいて予め一体に構築されたプレキャスト部材１０に含まれており、現場では、所定の位置に当該プレキャスト部材１０を配置することにより制震柱１の構築を行うものとする。なお、上部コンクリート部材１２の上面から突出した主鉄筋１４は、上の梁２１を貫通して上階の下部コンクリート１３に埋設されている。

また、下部コンクリート部材１３は、図２に示すように、その下面が下の梁２２の上面に当接し、鉄骨部材１１の下面と隙間Ｓを介して形成されている。この下部コンクリート部材１３は、下階の上部コンクリート部材１２の上面から突出した主筋１４’を利用して構築されており、下階の上部コンクリート部材１２と一体化がなされている。そして、鉄骨部材１１は、下部コンクリート部材１３の上面から突出した主筋１４’の上端を下側の取付け板１１ｃの鉄筋挿通孔１１ｄに挿通した後、ダブルナットである固定手段１６とナットである固定手段１７（図４（ｂ）参照）により締着することで下部コンクリート部材１３と隙間Ｓを介して固定されている。
なお、下部コンクリート部材１３は、制震柱１を構築するために下の梁２２に予め形成された開口部２２ａと、スラブ２４とともにコンクリートが打設されることにより、下の梁２２及びスラブ２４と一体に形成されている。

ここで、本実施形態に係る主筋１４，１４’は、ネジ鉄筋からなり、固定手段１６，１７，１９には、この主筋１４，１４’のネジ山にあわせてネジ加工が施されているものを使用する。なお、主筋１４は、ネジ鉄筋に限定されるものではなく、普通鉄筋や異形鉄筋の先端にネジ加工が施されたものを使用してもよい。また、固定手段１６，１９は、ダブルナットに限定されるものではなく、あらゆる公知の固定手段が適用可能であることはいうまでもない。

そして、鉄骨部材１１と下部コンクリート部材１３との間に形成された隙間Ｓに充填材１５が充填されており、その鉄骨部材１１と下部コンクリート部材１３との一体化がなされている。

以下、図３〜図６を参照して、本発明の制震柱の構築方法について説明する。
ここで、図３はプレキャスト部材構築工程を示す図であって、（ａ）はプレキャスト部材の斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。また、図４はプレキャスト部材設置工程を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。また、図５は下部コンクリート部材構築工程を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。さらに、図６は充填工程を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。

まず、工場または施工現場内の作業ヤード内において、図３に示すように、鉄骨部材１１の上方に、鉄骨部材１１の上側の取付け板１１ｂ（図２参照）と当接する上部コンクリート部材１２を構築してプレキャスト部材１０を構築する。
プレキャスト部材１０の構築は、図３（ｂ）に示すように、鉄骨部材１１の上側の取付け板１１ｂに主筋１４を固定手段１９により固定して、帯筋１４ａ（図２参照）を配筋した後、図示しない型枠を組立ててコンクリートを打設することにより行う。ここで、プレキャスト部材１０は、主筋１４を上下に突出させた状態で上部コンクリート１２を構築した後、当該上部コンクリート１２を鉄骨部材１１の上に固定することにより構築してもよい。

次に、プレキャスト部材１０を、図４（ａ）に示すように、下階に設置されたプレキャスト部材１０の上部コンクリート部材１２の上面から突出した主筋１４’であって下の梁２２を貫通している主筋１４’の上端部に固定手段１６，１７を介して固定する（プレキャスト部材設置工程）。この際、プレキャスト部材１０と下の梁２２との間には間隔Ｉが形成されている。ここで、下の梁２２は、構築の際に制震柱１に対応する位置にはコンクリートを打設せずに、開口部２２ａを形成して構築されている。

プレキャスト部材１０の主筋１４’への固定は、図４（ｂ）に示すように、主筋１４’の先端から所定の高さまで固定手段１７をねじ込んだ後、プレキャスト部材１０を、その下側の取付け板１１ｃの鉄筋挿通孔１１ｄに主筋１４’を挿通させつつ上方から落とし込み、下側の取付け板１１ｃから突出した主筋１４’を固定手段１６により締着することにより行う。ここで、固定手段１７の高さは、予め設計された下部コンクリート部材１３の高さに応じた間隔Ｉが確保できるように設定されている。また、主筋１４’には、プレキャスト部材１０を落とし込む前に、後記する管材１８が挿通されている。

続いて、下の梁２２とプレキャスト部材１０との間に形成された間隔Ｉにおいて、主筋１４’を取り囲むように帯筋１４ａ’（図２参照）を配筋した後、主筋１４’の周囲に所定のコンクリート被りが形成されるように図示しない型枠を設置して、コンクリートを打設することにより下部コンクリート部材１３を構築する。
このとき、鉄骨部材１１の下側の取付け板１１ｃの下面と下部コンクリート部材１３の上面との間には、図５に示すように、所定の高さからなる隙間Ｓを形成する（下部部材構築工程）。

なお、下部コンクリート部材１３のコンクリート打設は、下の梁２２の開口部２２ａへのコンクリート打設及びスラブ２４のコンクリート打設と同時に行い、下部コンクリート部材１３と下の梁２２とスラブ２４とを一体に形成する。
また、下部コンクリート部材１３のコンクリート打設の際に固定手段１７の周囲には、所定の高さ（本実施形態では２ｃｍ）に形成された塩化ビニール管などの樹脂製材料からなる管材１８が配設されており、コンクリート打設時に固定手段１７を保護するとともに、隙間Ｓの高さを確保するためのスペーサとして使用されている。

その後、引き続き建築物の上階の施工を進行し、建築物の躯体フロアの構築が当該制震柱１の３階以上まで進行したら、固定手段１７の周囲の管材１８を撤去して、固定手段１７を緩める（固定手段を緩める工程）。そして、固定手段１７を緩めたら、図６に示すように、プレキャスト部材１０と下部コンクリート部材１３との間に形成された隙間Ｓに充填材１５を充填することにより制震柱１を完成させる（充填工程）。ここで、上階の施工を進行するにあたり、上の梁２１は、制震柱１に対応する位置に開口部２１ａを有して構築されている。
ここで、充填材１５の材質は限定されるものではなく、通常のグラウト材、モルタル等、適宜公知の充填材から選定して使用するものとする。

なお、最下階の梁柱架構２０内にプレキャスト部材１０を設置する際には、スラブ２４上に予め下部コンクリート部材１３をその上面から主筋１４を所定長突出させた状態で形成しておき、当該主筋１４にプレキャスト部材１０を設置することにより行う。なお、下部コンクリート部材１３の配筋が完了した段階で、下部コンクリート部材１３のコンクリート打設前に、プレキャスト部材１０を設置してもよい。

以上、本発明の制震柱とその構築方法によれば、鉄骨部材１１と下部コンクリート部材１３との間に隙間Ｓが形成されて、構造設計による残留応力の影響がないとされる段階まで当該建築物の建設が進行してから隙間Ｓを充填する構築方法により、残留応力が制震柱に導入されることがなく、地震時や強風時に建築物に作用する水平力を吸収するという、制震柱１が有する機能を最大限に発現することが可能となる。

また、隙間Ｓの充填材１５の充填直前に、固定手段１７を緩めることにより、主筋１４’に負荷されていたプレキャスト部材１０等の上載荷重を除去して、完全に制震柱１に残留応力が導入されることを防止することが可能となる。なお、固定手段１７は、下部コンクリート部材１３のコンクリート打設の際に管材１８により保護されているため、充填材１５の充填直前に緩めることが可能となっている。

また、本実施形態に係る制震柱１は、鉄骨部材１１として低降伏点鋼を使用しているため、建築物に水平外力が加わった際に、鉄骨部材１１が塑性変形することにより、水平外力を吸収して、建築物への影響を抑止することが可能となる。

また、従来は、制震柱のコンクリート打設を、制震柱への残留応力の導入を防止するために、構造設計による残留応力の影響がないとされる階まで建築物の構築が進行してから行っていたが、本発明により各フロアの構築とともに制震柱１の下部コンクリート部材１３のコンクリート打設を完了することが可能となるため、同時期に異なるフロアにおいてコンクリート打設を行う必要がなく、施工性に優れている。

また、下部コンクリート部材１３とスラブ２４のコンクリート打設を同時に行うことにより、作業の効率化を図ることが可能となる。
また、上の梁２１に開口部２１ａを設けて、そのコンクリート打設を上階の下部コンクリート部材１３と合せて行う構成とすることにより、上の梁２１が十分な養生期間を経過した後、制震柱１と梁との一体化がなされるため、下階の制震柱１へ梁柱架構２０等から負荷される上載荷重を最小限に抑えることが可能となる。

また、鉄骨部材１１と上部コンクリート部材１２とをプレキャスト部材１０として、工場または作業ヤードにおいて予め一体に構築することにより、施工性が向上するとともに、鉄筋工、大工、土工等の労務標準化が可能となる。

以上、本発明について、好適な実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、鉄筋コンクリート構造からなる建築物に本発明の制震柱を構築するものとしたが、対象となる建築物は限定されるものではなく、例えば、鉄骨造や鉄筋鉄骨造の建築物に採用してもよい。
また、上部部材及び下部部材の材質は鉄筋コンクリートに限定されるものではなく、対象となる建築物に応じて適宜設計変更が可能である。

また、前記実施形態では、鉄骨部材と下部コンクリート部材との隙間への充填材の充填を、建築物の躯体フロアの構築が３階以上進行してから行うものとしたが、制震柱への残留応力の影響がないとされるフロアまで進行していればよく、充填材の充填のタイミングは、建築物の規模や作業性等に応じて適宜設定すればよい。

また、前記実施形態では、鉄骨部材を低降伏点鋼により構成するものとしたが、当該制震柱が構築される建築物に負荷される地震時や強風時の水平力を吸収することが可能であれば、鉄骨部材を構成する材料は低降伏点鋼に限定されるものではない。また、鉄骨部材としてそのウェブのみを低降伏点鋼等の強度や剛性の低い材料により構成し、フランジは普通鋼により構成されたものを使用してもよいことはいうまでもない。
また、鉄骨部材の形状が断面Ｈ型に限定されるものではないことはいうまでもない。
また、制震部材は鉄骨部材に限定されるものではなく、例えば積層ゴムからなる部材、バネ部材、低降伏点鋼とゴム材を併用した部材またはダンパー等でもよく、水平外力を吸収して制震機能を発現することができるあらゆる部材が適用可能である。

また、前記実施形態では、鉄骨部材を直接主筋に固定する構成としたが、上部コンクリート部材及び下部コンクリート部材から突出させて配置したアンカーボルトに固定する構成としてもよい。
また、前記実施形態では、下部コンクリート部材と梁の開口部とスラブとのコンクリート打設を同時に行うものとしたが、それぞれ個別に行ってもよく、各部材のコンクリート打設のタイミングは施工手順等に応じて適宜設定すればよい。

また、前記実施形態では、鉄骨部材の下面に隙間を形成する構成としたが、プレキャスト部材の上下方向を逆にして、鉄骨部材の上面に隙間を形成してもよく、施工に伴い制震柱に負荷される上載荷重を解放することが可能であれば、隙間の位置は限定されるものではない。また、上部コンクリート部材、鉄骨部材及び下部コンクリート部材とをそれぞれ個別に形成した後、一体化することで、鉄骨部材の上下に隙間を有する構成としてもよい。

本発明に係る制震柱を示す正面図ある。 本発明に係る制震柱を示す断面図である。 プレキャスト部材構築工程を示す図であって、（ａ）はプレキャスト部材の斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 プレキャスト部材設置工程を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 下部コンクリート部材構築工程を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 充填工程を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。

符号の説明

１ 制震柱
１０ プレキャスト部材
１１ 鉄骨部材（制震部材）
１２ 上部コンクリート部材（上部部材）
１３ 下部コンクリート部材（下部部材）
１４，１４’ 主筋
１５ 充填材
１６，１７ 固定手段
２０ 梁柱架構
２１ 上の梁
２２ 下の梁
２３ 柱
Ｉ 間隔
Ｓ 隙間

Claims (6)

1. 制震部材と、前記制震部材の上面に設けられる上部部材と、前記制震部材の下面に設けられる下部部材と、が一体に構成されてなり、
   前記制震部材と前記上部部材との間及び前記制震部材と前記下部部材との間の少なくとも一方には隙間が形成されており、該隙間に充填材が充填されていることを特徴とする制震柱。
2. 前記上部部材及び前記下部部材は鉄筋コンクリートにより構築されており、
   前記制震部材が、下階の上部部材の上面から突出する主筋の上端に固定されており、
   前記下部部材が、前記主筋を利用して構築されていることを特徴とする、請求項１に記載の制震柱。
3. 前記制震部材の少なくとも一部が、前記上部部材及び前記下部部材よりも剛性または強度の低い材料により形成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の制震柱。
4. 複数階からなる建築物の各階の梁柱架構において、上下の梁の間に制震柱を構築する方法であって、
   制震部材と、当該制震部材の上面に当接して構築された上部部材とを備えるプレキャスト部材を梁柱架構における下の梁と間隔を有して設置するプレキャスト部材設置工程と、
   前記下の梁と前記プレキャスト部材との間隔に、前記制震部材の下面と隙間を有して下部部材を構築する下部部材構築工程と、
   前記隙間に充填材を充填する充填工程と、を含むことを特徴とする制震柱の構築方法。
5. 前記プレキャスト部材設置工程において、前記プレキャスト部材を、前記下の梁を貫通して突出された下階の上部部材の上面から突出した主筋に固定手段を介して固定することを特徴とする、請求項４に記載の制震柱の構築方法。
6. 前記充填工程の前段に、前記固定手段を緩める工程が含まれていることを特徴とする、請求項５に記載の制震柱の構築方法。

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