JP2007191854A - 耐力フレーム - Google Patents

Abstract

【課題】斜材の座屈及び連結部の破壊の発生が抑制されると共に、高い変形能を有する耐力フレームを提供する。
【解決手段】耐力フレーム１は、２本の柱材２、３と、２本の枠材４、５と、４本の斜材６〜９とを有している。柱材３と枠材４との連結点４１と、最も上方に配置された斜材６と柱材３との連結点４３とは距離Ｌ１だけ離隔しており、柱材３と枠材５との連結点４８と、最も下方に配置された斜材９と柱材３との連結点４７とは距離Ｌ２だけ離隔している。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築物の壁面を形成するために用いられる耐力フレームに関するものである。

一般的な耐力フレームは、２本の柱材の両端部が２本の枠材でそれぞれ連結された略矩形状であって、その２本の柱材が複数の斜材で斜めに連結されたトラス構造になっている（例えば、特許文献１、２参照）。ここで、従来の耐力フレームでは、最も上方及び下方に配置された斜材と柱材との連結点はフレームの角部と一致している。この構造の耐力フレームでは、力が円滑に伝達される反面、過大な水平荷重が作用した場合には、斜材及び連結部に応力が集中することにより、斜材の座屈や連結部の破壊が早期に発生し、フレーム全体の変形能が小さいという問題がある。この問題を解消するためには、斜材の強度（断面性能）や連結部の剛性を増大させることが考えられるが、この場合には最大耐力は増加するもののフレーム全体の変形能（ねばり）が小さくなるので、荷重が最大に達した後でフレーム全体が急激に崩壊することがある。また、上記問題のその他の解消方法としては、斜材と柱材との連結部を上下に離隔させることが考えられる（例えば、特許文献３参照）。この構造の耐力フレームでは、水平荷重が作用した場合には、斜材が軸方向に塑性変形すると共に、柱材も曲げ塑性変形するので、フレーム全体の変形能が向上する。
特開２００２−３０７４５号公報（図１） 特開２００４−１１６０３６号公報（図１） 特許２９４２４８１号明細書（図１）

しかしながら、この構造の耐力フレームでは、過大な水平荷重が作用した場合には、柱材が曲げにより塑性変形するので、鉛直方向の荷重を支える耐力が著しく低下してしまう。そのため、この耐力フレームは、建築物の主構造としては使用できず、鉛直荷重を支える別の柱材の近傍にしか配置することができない。

そこで、本発明の主な目的は、斜材の座屈及び連結部の破壊の発生が抑制されると共に、高い変形能を有する耐力フレームを提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明の耐力フレームは、第１の柱材と、第２の柱材と、前記第１の柱材及び前記第２の柱材のそれぞれの一端部を連結する第１の枠材と、前記第１の柱材及び前記第２の柱材のそれぞれの他端部を連結する第２の枠材とを有する耐力フレームにおいて、前記第１の柱材の両端部以外の連結位置と、前記第２の柱材の両端部以外の位置であり且つ前記連結位置よりも前記第２の柱材の一端部側の位置とを連結する第１の斜材、及び、前記第１の柱材の両端部以外の連結位置と、前記第２の柱材の両端部以外の位置であり且つ前記連結位置よりも前記第２の柱材の他端部側の位置とを連結する第２の斜材が、１又は複数の連結位置に関して設けられており、最も前記第２の柱材の一端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点は、前記第２の柱材と前記第１の枠材との連結点から離隔し、且つ、最も前記第２の柱材の他端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点は、前記第２の柱材と前記第２の枠材との連結点から離隔していることを特徴としている。

ここで、第１の斜材と第２の柱材との連結点とは第１の斜材の中心軸の延長線と第２の柱材の中心軸との交点を示し、第２の柱材と第１の枠材との連結点とは第２の柱材の中心軸と第１の枠材の中心軸との交点を示し、第２の柱材と第２の枠材との連結点とは第２の柱材の中心軸と第２の枠材の中心軸との交点を示す。

この構成によると、耐力フレームに水平荷重（柱材と垂直な方向の荷重）が作用した場合でも、水平荷重は斜材に直接伝わらず、フレームの角部と斜材との間の柱材を介して間接的に伝わるので、斜材及び連結部に過大な応力が発生するのが抑制される。また、斜材と柱材との連結点がフレームの角部と一致する従来のフレームと比較して、フレームの剛性が小さくなり変形し易くなるので、最大荷重に達した後の急激な崩壊を防ぐことができる。そのため、本発明では、斜材の座屈及び連結部の破壊の早期発生が抑制され、フレーム全体として変形能に優れたエネルギー吸収性能が得られる。

本発明の耐力フレームでは、最も前記第２の柱材の一端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点と、前記第２の柱材と前記第１の枠材との連結点との間の距離、及び、最も前記第２の柱材の他端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点と、前記第２の柱材と前記第２の枠材との連結点との間の距離は、前記第２の柱材の全長の５〜２０％に対応した距離であってもよい。

この構成によると、斜材の座屈及び連結部の破壊の早期発生を抑制すると共に、フレーム全体の耐力が大幅に低下するのを防止できる。

本発明の耐力フレームでは、前記第１の枠材の両端部以外の位置と前記第２の枠材の両端部以外の位置とを連結し、且つ、前記第１の斜材及び第２の斜材に接合されている補強材をさらに備えていてもよい。

この構成によると、斜材の長さがフレーム高さ（矩形枠高さ）に比べて長い場合（フレームの幅と高さとの比が大きい場合）でも、斜材の座屈耐力を向上させることができる。そのため、フレーム全体の耐力の向上を図ることができる。

本発明の耐力フレームでは、前記第１及び第２の柱材と前記第１及び第２の斜材との間に配置された連結部材をさらに備えており、前記連結部材は、前記第１及び第２の柱材の柱角部から内側に離隔した固定位置で前記第１及び第２の柱材に固定されていてもよい。

この構成によると、柱材から離れる方向への力が斜材に作用した場合でも、連結部材の塑性変形によりエネルギーが吸収される。そのため、フレーム全体の耐力が向上する。

本発明の耐力フレームでは、前記第１及び第２の柱材の柱角部と前記固定位置との間の距離は、前記第１及び第２の柱材の側面幅の２０〜３０％に対応した距離であってもよい。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る耐力フレームの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図である。図２は、柱材と連結部材との連結部近傍の拡大図である。図２では、柱材３と連結部材１０との連結部近傍が図示されているが、柱材２と連結部材１０との連結部近傍の構成は同様である。図３は、図２のIII-III線における断面図である。

図１に示す耐力フレーム１（以下、フレーム１と称する）は、スチールハウス用の鋼製フレームである。フレーム１は、２本の柱材２、３と、２本の枠材４、５と、４本の斜材６〜９とを有している。柱材２、３及び枠材４、５は、矩形状の断面を有する角管部材（図２参照）であり、斜材６〜９は、開断面形状の部材である。

２本の柱材２、３は、上下方向に延在し所定間隔を隔てて互いに平行に配置されている。２本の枠材４、５は、水平に配置されており、柱材２、３のそれぞれの上端部または下端部を連結している。従って、フレーム１の外形は、柱材２、３及び枠材４、５によって略矩形状に構成される。

４本の斜材６〜９は、柱材２、３の上端部及び下端部以外の位置同士を連結部材１０を介して連結する。ここで、斜材６〜９と連結部材１０とはスポット溶接により接合され、図１では接合位置が丸印（○印）で図示されている。また、連結部材１０と柱材２、３とは後述するようにねじ締結により接合される。

斜材６〜９は、上方から下方に向かって順に配置されている。そして、斜材６、８はその左端部が右端部より下方になるように傾斜し且つ互いに平行に配置されており、斜材７、９はその右端部が左端部より下方になるように傾斜し且つ互いに平行に配置されている。

さらに詳細には、斜材６は、柱材３と枠材４との連結点４１（柱材３の中心軸と枠材４の中心軸との交点）から距離Ｌ１だけ下方に離隔した柱材３の連結点４３と、柱材２と枠材４との連結点４２（柱材２の中心軸と枠材４の中心軸との交点）から距離Ｌ１＋Ｌ３だけ下方に離隔した柱材２の連結点４４とを連結する。ここで、例えば斜材６と柱材３とが連結点４３で連結される状態とは、柱材３の中心軸と斜材６の中心軸の延長線との交点が連結点４３で交差する状態を示している。

また、斜材７は、連結点４２から距離Ｌ１＋Ｌ３だけ下方に離隔した柱材２の連結点４４と、連結点４１から距離Ｌ１＋２×Ｌ３だけ下方に離隔した柱材３の連結点４５とを連結する。同様に、斜材８は、連結点４１から距離Ｌ１＋２×Ｌ３だけ下方に離隔した柱材３の連結点４５と、連結点４２から距離Ｌ１＋３×Ｌ３だけ下方に離隔した柱材２の連結点４６とを連結し、斜材９は、連結点４２から距離Ｌ１＋３×Ｌ３だけ下方に離隔した柱材２の連結点４６と、柱材３と枠材５との連結点４８（柱材３の中心軸と枠材５の中心軸との交点）から距離Ｌ２だけ上方に離隔した柱材３の連結点４７（連結点４１から距離Ｌ１＋４×Ｌ３だけ下方に離隔した柱材３の連結点と一致する）とを連結する。

本実施の形態では、柱材３と枠材４との連結点４１と、最も上方に配置された斜材６と柱材３との連結点４３との間の距離Ｌ１は柱材３の全長の８．８％に対応した距離である。また、柱材３と枠材５との連結点４８と、最も下方に配置された斜材９と柱材３との連結点４７との間の距離Ｌ２は柱材全長の１５．８％に対応した距離である。ここで、距離Ｌ１、Ｌ２が柱材３の全長の５％未満の距離の場合には、斜材と柱材との連結部の応力が過大となり、斜材の座屈及び連結部の破壊が早期に発生してしまう。一方、距離Ｌ１、Ｌ２が柱材３の全長の２０％を超える距離の場合には、斜材に伝達される力が過小になり、フレーム全体の耐力が大幅に低下する。従って、距離Ｌ１、Ｌ２は、柱材３の全長の５〜２０％に対応した距離であることが好ましい。

連結部材１０は、図２に示すように、コの字断面を有する部材であり、その一側面には８個のねじ穴１０ａ（図３参照）が形成されている。また、柱材２、３の一側面において連結部材１０の取り付け位置には、連結部材１０の８個のねじ穴１０ａに対応した８個のねじ穴２ａ、３ａ（図３参照）が形成されている。従って、図３に示すように、連結部材１０は、そのねじ穴１０ａと柱材２のねじ穴２ａまたは柱材３のねじ穴３ａとが一致した状態で、ねじ１１によってねじ締結される。

また、連結部材１０は、柱材２、３の一側面及び連結部材１０の一側面の幅をＤとすると、その両端から内側に距離Ｃだけ離隔した位置でねじ締結される。つまり、ねじ穴２ａ、３ａ、１０ａは、柱角部から距離Ｃだけ離隔した位置に形成されている。ここで、柱角部とねじ締結位置との距離Ｃは、柱材２、３の内側面の幅Ｄの２０〜３０％に対応した距離であることが好ましい。このように、柱角部から一定間隔だけ離れた位置で連結部材１０をねじ締結するのは、図４に示すように、柱材２、３から離れる方向（図４の矢印方向）への力が斜材に作用した場合に、連結部材１０が塑性変形することによってエネルギーを吸収するためである。図４では、塑性変形前の連結部材１０は破線で図示され、塑性変形後の連結部材１０は太線で図示されている。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る耐力フレームについて、図５を参照して説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る耐力フレームの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図である。

第２の実施の形態の耐力フレーム１０１（以下、フレーム１０１）が、第１の実施の形態のフレーム１と異なる点は、２枚の補強材１０２、１０２をさらに有している点である。フレーム１０１のその他の構成はフレーム１と同様であるので、同じ符号を付けて詳細な説明は省略する。

２枚の補強材１０２、１０３は平板状部材である。補強材１０２は、フレーム１０１の手前側の面に配置されており、枠材４の中央部と枠材５の中央部とを連結し、且つ、斜材６〜９の中央部に接合されている。同様に、補強材１０３は、フレーム１０１の奥側の面に配置されており、枠材４の中央部と枠材５の中央部とを連結し、且つ、斜材６〜９の中央部に接合されている。

次に、フレーム１、１０１に対する評価試験及びその結果について、図６及び図７を参照して説明する。図６は、評価試験におけるフレームの固定条件及び載荷条件を示す図である。図７は、試験結果を示しており、せん断変形角と水平荷重との関係（せん断変形角−水平荷重曲線の包絡線）を示す図である。ここで、評価試験は、フレーム１、１０１の下端部を固定した状態で、水平荷重をフレーム１、１０１の上端部に繰り返し作用させることにより行った。また、比較例として、フレーム１、１０１の他に、従来のフレームに関しても同様の試験を行った。

従来のフレームでは、連結部が破壊して終局に至った。一方、フレーム１では、連結部は破壊せず、図６の試験結果から分かるように、従来のフレームと比較して変形能及び最大荷重が大幅に高くなっている。そして、フレーム１は、最終的には斜材が塑性座屈して終局に至ったが、補強材を追加したフレーム１０１では、連結部の破壊は勿論のこと、斜材の座屈も発生せず、フレーム１よりもさらに高いエネルギー吸収性能が得られた。

以上説明したように、本実施の形態のフレーム１、１０１では、水平荷重が作用した場合でも、水平荷重は斜材６〜９に直接伝わらず、フレームの角部と斜材との間の柱材（柱材３の連結点４１と連結点４３との間に対応した部分、及び、柱材３の連結点４７と連結点４８との間に対応した部分）を介して間接的に伝わるので、斜材６〜９及び連結部に過大な応力が発生するのが抑制される。また、斜材と柱材との連結部がフレームの角部と一致する従来のフレームと比較して、フレームの剛性が小さくなり変形し易くなるので、最大荷重に達した後の急激な崩壊を防ぐことができる。そのため、本発明では、斜材６〜９の座屈及び連結部の破壊の早期発生が抑制され、フレーム全体として変形能に優れたエネルギー吸収性能が得られる。

また、本発明のフレーム１、１０１は、柱材の曲げ塑性変形によりエネルギーを吸収する構造ではなく、斜材の座屈及び連結部の破壊の発生を遅延させることで、フレーム全体としてバランスの取れたエネルギー吸収性能を実現できる。また、鉛直方向の荷重に対する耐力が著しく低下することはないので、建築物の主構造としても使用可能である。

また、距離Ｌ１、Ｌ２は、柱材３の全長の５〜２０％に対応した距離になっているので、斜材の座屈及び連結部の破壊の早期発生を抑制すると共に、フレーム全体の耐力が大幅に低下するのを防止できる。

また、フレーム１０１では、補強材１０２、１０３により補強されているので、斜材６〜９の距離がフレーム高さ（矩形枠高さ）に比べて長い場合（フレームの幅と高さとの比が大きい場合）でも、斜材の座屈耐力を向上させることができる。そのため、フレーム全体の耐力の向上を図ることができる。

また、連結部材１０は、柱材２、３の柱角部から内側に所定間隔だけ離隔したねじ締結位置で柱材２、３にネジ締結されているので、柱材２、３から離れる方向への力が斜材６〜９に作用した場合でも、連結部材１０の塑性変形によりエネルギーが吸収される。そのため、フレーム全体の耐力が向上する。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、フレーム１、１０１は４本の斜材６〜９を有しているが、斜材の数は変更してもよい。また、距離Ｌ１、Ｌ２は変更可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る耐力フレームの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図である。 柱材と連結部材との連結部近傍の拡大図である。 図２のIII-III線における断面図である。 連結部材の変形状態を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る耐力フレームの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図である。 評価試験におけるフレームの固定条件及び載荷条件を示す図である。 評価試験の結果を示す図である。

符号の説明

１、１０１ 耐力フレーム
２、３ 柱材
４、５ 枠材
６、７、８、９ 斜材
１０ 連結部材
１０２、１０３ 補強材

Claims (5)

1. 第１の柱材と、第２の柱材と、前記第１の柱材及び前記第２の柱材のそれぞれの一端部を連結する第１の枠材と、前記第１の柱材及び前記第２の柱材のそれぞれの他端部を連結する第２の枠材とを有する耐力フレームにおいて、
   前記第１の柱材の両端部以外の連結位置と、前記第２の柱材の両端部以外の位置であり且つ前記連結位置よりも前記第２の柱材の一端部側の位置とを連結する第１の斜材、及び、前記第１の柱材の両端部以外の連結位置と、前記第２の柱材の両端部以外の位置であり且つ前記連結位置よりも前記第２の柱材の他端部側の位置とを連結する第２の斜材が、１又は複数の連結位置に関して設けられており、
   最も前記第２の柱材の一端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点は、前記第２の柱材と前記第１の枠材との連結点から離隔し、且つ、最も前記第２の柱材の他端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点は、前記第２の柱材と前記第２の枠材との連結点から離隔していることを特徴とする耐力フレーム。
2. 最も前記第２の柱材の一端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点と、前記第２の柱材と前記第１の枠材との連結点との間の距離、及び、最も前記第２の柱材の他端部側に配置された前記第１の斜材と前記第２の柱材との連結点と、前記第２の柱材と前記第２の枠材との連結点との間の距離は、前記第２の柱材の全長の５〜２０％に対応した距離であることを特徴とする請求項１に記載の耐力フレーム。
3. 前記第１の枠材の両端部以外の位置と前記第２の枠材の両端部以外の位置とを連結し、且つ、前記第１の斜材及び第２の斜材に接合されている補強材をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の耐力フレーム。
4. 前記第１及び第２の柱材と前記第１及び第２の斜材との間に配置された連結部材をさらに備えており、
   前記連結部材は、前記第１及び第２の柱材の柱角部から内側に離隔した固定位置で前記第１及び第２の柱材に固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の耐力フレーム。
5. 前記第１及び第２の柱材の柱角部と前記固定位置との間の距離は、前記第１及び第２の柱材の側面幅の２０〜３０％に対応した距離であることを特徴とする請求項４に記載の耐力フレーム。

Images