JP2008095467A

JP2008095467A - 制震間柱

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Publication number: JP2008095467A
Application number: JP2006281338A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hanzawa; 徹也半澤; Kazuhiko Isoda; 和彦磯田; Shinichi Sakamoto; 真一坂本
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-16
Also published as: JP4858836B2

Abstract

【課題】充分な制震効果が得られ、かつ変形を抑制して周囲の仕上げ材との取り合いや納まりを簡略化し得る構造の制震間柱を提供する。
【解決手段】建物の上下の梁２の間に間柱として設けられて層間変形が生じた際にはダンパーとして機能する制震間柱１０であって、鋼材からなる間柱本体１１の上下両端部もしくはいずれか一方の端部と梁との間に、層せん断力により降伏する鋼材からなるせん断パネルを有するダンパー部材１２を介装し、該ダンパー部材を梁に対して剛接合するとともに、該ダンパー部材に対して間柱本体の端部を上下方向に間隔を隔てた２箇所でピン接合する。ダンパー部材をＨ形鋼としてそのウェブをせん断パネルとし、間柱本体をせん断パネルを挟み込む対の溝形鋼とする。あるいは間柱本体をＨ形鋼とし、ダンパー部材をせん断パネルと補剛フレームを有する対のダンパーユニットにより構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物の上下の梁の間に間柱として設けられて地震時等においてはダンパーとして機能する制震間柱に関する。

この種の制震間柱としてはたとえば特許文献１に示されるものが一般的である。これは、図８に模式的に示すように、左右の柱１と上下の梁２とによって構成される架構の内側に間柱３を設置するとともに、その間柱３の中間部に、たとえば鋼材の降伏によりエネルギー吸収効果を得るダンパー４を組み込んだものであって、この架構に地震や風等の水平力が作用して層間変形が生じた際にはダンパー４を作動させて振動減衰効果を得るものである。
従来において建物の架構にダンパーを設置する場合には、架構内にブレースや壁を設置してそれにダンパーを組み込むことが最も一般的であったが、上記のようにダンパー４を間柱３に組み込んだ形態で設置すれば、所要スペースが小さくて済み、またその両側には大きな開口部を確保することも可能であるので、ブレースや壁の形態で設置する場合に比べて設置場所に関する制約が少ないという利点がある。
特開２００４−１５０１８８号公報

しかし、特許文献１に示されるような従来一般の制震間柱は、間柱３をその中央部で分断してそこにダンパー４を配置するものであることから、この制震間柱全体の変形は図８（ｂ）に示すようにダンパー４の部分に集中して階高の中央部において折れ曲がるような大きな変形が生じてしまうものである。
したがって、このような制震間柱に対して間仕切り壁や外壁カーテンウォール等の仕上げ材５を取り付ける場合には階高中央部での大きな変形による仕上げ材５の損傷防止を考慮する必要があり、そのため従来一般には間柱３と仕上げ材５との間に充分なクリアランス６を確保したり、あるいは複雑な変形吸収機構や変形追随機構を設ける必要があり、間柱３とその周囲の仕上げ材５との間の取り合いや納まりが複雑にならざるを得ないものであった。

上記事情に鑑み、本発明は充分な制震効果が得られることはもとより、ダンパー作動時における変形を抑制してその周囲に取り付ける仕上げ材との取り合いや納まりを簡略化することのできる有効な制震間柱の構造を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、建物の上下の梁の間に間柱として設けられて上下両端部がそれぞれ上下の梁に対して剛接合され、上下の梁の間に層間変形が生じた際にはダンパーとして機能して振動エネルギーを吸収する制震間柱であって、鋼材からなる間柱本体の上下両端部もしくはいずれか一方の端部と梁との間に、層せん断力により降伏する鋼材からなるせん断パネルを有するダンパー部材を介装し、該ダンパー部材を梁に対して剛接合するとともに、該ダンパー部材に対して間柱本体の端部を上下方向に間隔を隔てた２箇所でピン接合してなることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の制震間柱において、ダンパー部材はＨ形鋼からなり、該ダンパー部材としてのＨ形鋼の基端を梁に溶接して剛接合することによりそのウェブがせん断パネルとして機能するものとされ、間柱本体は、前記ダンパー部材としてのＨ形鋼のウェブを両面側から挟み込む対の溝形鋼からなり、前記間柱本体としての溝形鋼の端部を、ダンパー部材としてのＨ形鋼の基部および先端部の２箇所において該Ｈ形鋼のウェブまたはフランジに対してそれぞれピン接合してなることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の制震間柱において、間柱本体はＨ形鋼からなるとともに、ダンパー部材は該間柱本体の端部のウェブを両面側から挟み込む対のダンパーユニットからなり、前記ダンパーユニットは、間柱本体としてのＨ形鋼のウェブに密着するせん断パネルと、該せん断パネルの周囲に一体に設けられた補剛フレームからなり、前記ダンパーユニットを前記補剛フレームを梁に対してボルト締結することによって梁に対して剛接合するとともに、前記間柱本体としてのＨ形鋼の端部を、前記ダンパーユニットの基部および先端部の２箇所において該ダンパーユニットのせん断パネルまたは補剛フレームに対してそれぞれピン接合してなることを特徴とする。

本発明の制震間柱によれば、せん断変形により降伏するせん断パネルを有するダンパー部材を間柱本体の端部と梁との間に介装したので、層間変形が生じた際にはせん断パネルの降伏による制震効果が得られることはもとより、その際には制震間柱の端部において変形が生じるのみで間柱本体自体は大きなせん断変形や曲げ変形を受けることなくそのまま鉛直に対して僅かに傾斜するに留まる。したがって従来一般の制震間柱のように階高の中間部において折れ曲がるような大きな変形が集中して生じることがなく、その結果、間仕切壁や外壁カーテンウォール等の仕上げ材との取り合いや納まりを簡略化することが可能となる。
また、間柱本体の端部とダンパー部材との接合を上下に間隔を隔てた２箇所でピン接合することから、間柱本体からせん断パネルに対して伝達されるせん断応力はてこの原理により拡大されて伝達され、それによりせん断変形が小さくても吸収エネルギーは大きくなり、優れた制震効果が得られる。

本発明の制震間柱の第１実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
本第１実施形態の制震間柱１０は、左右の柱１と上下の梁２とにより構成される架構の内側において上下の梁２の間に間柱の形態で設置されるものであって、鋼材からなる間柱本体１１の上下両端部と上下の梁２との間にそれぞれダンパー部材１２を介装したことを主眼とする。

上側の梁２に対して間柱本体１１の上端部を接合するための構造の詳細を図２〜図３に示す。なお、詳細な図示と説明は略すが、この制震間柱１０全体は上下対称形をなすものであって、下側の梁２に対する間柱本体１１の下端部の接合も上側と同様の構造で行われている。

図２〜図３に示すように、本第１実施形態においてはダンパー部材１２としてＨ形鋼が用いられており、そのダンパー部材１２の基端（図２〜図３において上端）は梁２に直接溶接されて剛接合されている。
ダンパー部材１２としてのＨ形鋼はそのウェブ１２ｂが架構面と平行に配置されるものであり、そのウェブ１２ｂが架構に作用する層せん断力によって面内降伏してエネルギー吸収効果を発揮するせん断パネルとして機能するものであり、したがってこのダンパー部材１２としてのＨ形鋼の素材は少なくともそのせん断パネルとしてのウェブ１２ｂが低降伏点鋼あるいは極低降伏点鋼であることが好ましい。
なお、梁２の側部にはダンパー部材１２としてのＨ形鋼のフランジ１２ａに対応する位置に補強リブ１３を溶接することが好ましい。

間柱本体１１としては、ダンパー部材１２としてのＨ形鋼のウェブ１２ｂ（すなわちせん断パネル）を両面側から挟み込む対の溝形鋼が用いられている。間柱本体１１としての対の溝形鋼どうしは中間部の適所（たとえば図１に示すように３箇所）においてスペーサ１４を介して綴りボルト１５により連結され、かつその端部がダンパー部材１２としてのＨ形鋼のウェブ１２ｂを挟み込んだ状態でダンパー部材１２の基部および先端部の２箇所に対してそれぞれせん断力伝達ボルト１６によって締結されて接合されているが、それら２箇所の接合形式は以下に示す構造で実質的にピン接合とされている。

すなわち、ダンパー部材１２の基部および先端部に対する間柱本体１１の接合は、それぞれ横１列に配置された複数（図示例では５本ずつ）のせん断力伝達ボルト１６によるボルト締結により行うものとされているが、そのためのボルト孔は中央に位置するものを除いて上下方向に長いルーズホールとされている。また、図２に示すように、ダンパー部材１２としてのＨ形鋼のフランジ１２ａと間柱本体１１としての溝形鋼のフランジ１１ａとは非接触とされてそこには若干のクリアランスが確保され、間柱本体１１としての溝形鋼の先端と梁２とも非接触とされてそこには若干のクリアランスが確保されている。これにより、２箇所のボルト締結箇所のそれぞれにおいてはダンパー部材１２と間柱本体１１との面内相対回転が可能であって、そのような個々のボルト締結箇所における接合形式は構造的には実質的にピン接合とみなすことができるものとなっている。

しかし、個々の接合がピン接合であるとはいえ、間柱本体１１の端部が上下に間隔をおいて２箇所でダンパー部材１２に対して接合されていることから、全体としては相対回転が拘束されるものであり、結局のところ、間柱本体１１とダンパー部材１２とはせん断力を伝達可能な剛接合の形式で接合されたものとなっている。
したがって、この架構に層せん断力が作用して上下の梁２の間に層間変形が生じた際には、層せん断力が間柱本体１１からせん断力伝達ボルト１６を介してダンパー部材１２にに対して確実に伝達され、そのせん断パネルとしてのウェブ１２ｂが所定のせん断力を受けた時点で間柱本体１１や梁２に先行してせん断降伏し、その結果、優れたエネルギー吸収効果を発揮するものとなっている。

本第１実施形態の制震間柱１０にあっては、上記のように間柱本体１１の上下両端部をそれぞれダンパー部材１２を介して上下の梁２に対して剛接合したことにより、図１（ｂ）に示すように上下の梁２の間に層間変形が生じた際には上下のダンパー部材１２におけるせん断パネルとしてのウェブ１２ｂがそれぞれせん断降伏し、間柱本体１１は大きなせん断変形や曲げ変形を受けることなくそのまま鉛直に対して若干傾斜する状態で倒れ込むに留まることになる。
したがって、この制震間柱１０では図８に示したように間柱３の中間部を分断してそこにダンパー４を設けている従来一般の制震間柱のように階高の中央部において折れ曲がるような大きな変形が集中することがなく、この制震間柱１０に対して間仕切壁や外壁カーテンウォール等の仕上げ材５を取り付けても間柱本体１１と仕上げ材５との間に大きな相対変形が生じることがない。そのため、従来のようにこの制震間柱１０と仕上げ材５との間に大きなクリアランスを確保したり、複雑な変形吸収機構や変形追随機構を設けるような必要もなくなり、仕上げ材５との取り合いや納まりを格段に簡略化することができる。

しかも、間柱本体１１の端部とダンパー部材１２との接合を、上記のように上下に間隔をおいて２箇所でせん断力伝達ボルト１６によってピン接合するという接合形式を採用したことにより、間柱本体１１からダンパー部材１２に対して伝達されるせん断応力は「てこの原理」により拡大されて伝達されることになり、それにより効率的なエネルギー吸収効果が得られる。
すなわち、図１（ｃ）に示すように、梁２と間柱本体１１の中央までの距離をＬとし、２箇所のピン接合箇所の間の距離をＬ_Ｂとした場合、この制震間柱１０を設置した架構に作用する層せん断力Ｑはダンパー部材１２に対してＬ／Ｌ_Ｂ倍に拡大されて伝達され、ダンパー部材１２に作用するせん断応力Ｑ_ＢはＱ_Ｂ＝Ｑ・Ｌ／Ｌ_Ｂとなる。

そして、そのようにダンパー部材１２に生じるせん断応力が拡大されて大きくなれば、せん断パネルとしてのウェブ１２ｂに生じるせん断変形を小さくしても吸収エネルギーは大きくできることになり、それにより架構全体のせん断変形を抑制しつつ充分な制震効果を得ることができることになる。
なお、てこの原理により拡大されて伝達される応力は、２箇所のピン接合の位置の設定（すなわち上記のＬ、Ｌ_Ｂの値の設定）によって変化するので、それらを適正に設定することによってせん断パネル（ウェブ１２ｂ）に対して拡大して伝達すべき最適なせん断応力の大きさを設定することができる。

以上で第１実施形態を説明したが、本第１実施形態にはたとえば以下のような変形が考えられる。
上記第１実施形態では間柱本体１１の上下両端部と上下の梁２との間にそれぞれダンパー部材１２を介装したが、ダンパー部材１２は必ずしも上下両端部に介装することはなくいずれか一方の端部にのみ介装することでも良く、たとえば図４に示すようにダンパー部材１２を間柱本体１１の上端部のみに介装して下端部においては省略し、間柱本体１１の下端部は下側の梁２に対して単に剛接合することでも良い。勿論、それとは逆に、ダンパー部材１２を間柱本体１１の下端部にのみ介装して上端部においては省略しても同様である。

また、上記第１実施形態ではダンパー部材１２としてのＨ形鋼のウェブ１２ｂをせん断パネルとして機能するものとし、そのウェブ１２ｂに対して間柱本体１１としての溝形鋼のウェブ１１ｂを直接的に接合することとしたが、それに代えて、図５に示すように双方の片側のフランジ１１ａ，１２ａどうしをスペーサ１７を介してせん断力伝達ボルト１６によりピン接合するようにしても良いし、あるいは２箇所のピン接合の一方をウェブ１１ｂ，１２ｂどうしのピン接合により行い、他方をフランジ１１ａ，１２ａどうしのピン接合することでも良い。
いずれにしても、ダンパー部材１２に対する間柱本体１１の接合の形式は、上下に間隔を隔てた２箇所に対してそれぞれせん断力伝達ボルト１６によってピン接合することによって、個々の接合箇所においては相対回転を許容しつつも全体としては相対回転を拘束した剛接合とし、それによってせん断力を拡大して伝達するものであれば良く、その限りにおいては任意の接合形式が採用可能である。
なお、上記のようにフランジ１１ａ、１１ｂどうしを接合する場合においては、図５に示しているように、ダンパー部材１２のウェブ１２ｂ（せん断パネル）と間柱本体１１のウェブ１１ｂとは単なる綴りボルト１５により綴るのみとすれば良い。

さらに、上記実施形態では２箇所のピン接合をそれぞれ横１列に配列した複数（上記の図示例では５本）のせん断力伝達ボルト１６によって行うものとし、そのためのボルト孔は相対回転を許容するためにルーズホールとする必要もあるが、それに代えて図６に示すようにそれぞれのピン接合を単一のせん断力伝達ピン１８による文字どうりのピン接合とすることでも良い。勿論、２箇所のうちの一方のみを複数のせん断力伝達ボルト１６によるピン接合とし、他方を単一のせん断力伝達ピン１８によるピン接合することでも良い。

次に図７を参照して第２実施形態の制震間柱２０について説明する。
本第２実施形態の制震間柱２０は、間柱本体２１としてＨ形鋼を用いるとともに、ダンパー部材２２として対のダンパーユニット２３を用いるようにしたものである。
ダンパー部材２２としてのダンパーユニット２３は、架構面と平行に配置されて間柱本体２１としてのＨ形鋼のウェブ２１ｂに密着するせん断パネル２３ｂと、そのせん断パネル２３ｂの周囲に一体に設けられた補剛フレーム２３ａからなるもので、せん断パネル２３ｂの上部の補剛フレーム２３ａが梁２に接合ボルト２４によってボルト締結されてこのダンパーユニットは梁２に対して剛接合されるものである。
そして、そのようにして梁２に剛接合した対のダンパーユニット２３によって間柱本体２１としてのＨ形鋼のウェブ２１ｂを両面側から挟み込んだ状態で、せん断パネル２３ｂの上部と間柱本体２１のウェブ２１ｂの上部とをせん断力伝達ボルト１６によるボルト締結によりピン接合し、かつせん断パネル２３ｂの下部に設けた補剛フレーム２３ａと間柱本体２１としてのＨ形鋼に設けた補強リブ２５とをせん断力伝達ボルト１６によるボルト締結によりピン接合するものとしている。

本第２実施形態においても、第１実施形態と同様に間柱本体２１の端部がダンパー部材２２に対して２箇所でピン接合されて各接合箇所においては相対回転が許容され、かつ全体としては相対回転が拘束されて間柱本体２１からせん断パネル２３ｂに対してせん断力が「てこの原理」により拡大されて伝達されるものであり、したがって第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本第２実施形態においても、図４〜図６に示したような第１実施形態の場合における変形例を同様に適用することができる。
すなわち、ダンパー部材２２は間柱本体２１の上端部と下端部の双方もしくはいずれか一方に設ければ良く、また間柱本体２１としてのＨ形鋼のフランジ２１ａとダンパーユニット２３の側部に設けた補剛フレーム２３ａとをせん断力伝達ボルト１６によるボルト締結によって片側の２箇所でピン接合することも可能であり、さらに２箇所のピン接合の双方もしくは一方を、せん断力伝達ボルト１６に代えてせん断力伝達ピン１８により行うことでも良い。

さらに、本発明は上記の第１〜第２実施形態に限定されるものでは勿論なく、間柱本体やダンパー部材の具体的な構成をはじめとして、梁に対してダンパー部材を剛接合するための構造、架構内への制震間柱の配置計画等については、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能であることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態である制震間柱を設置した状態を示す図である。同、制震間柱と梁との接合部を示す図である。同、組立状態を示す図である。同、変形例を示す図である。同、他の変形例を示す図である。同、他の変形例を示す図である。本発明の第２実施形態である制震間柱の組立状態を示す図である。従来一般の制震間柱の一例を示す図である。

符号の説明

１柱
２梁
５仕上げ材
１０制震間柱
１１間柱本体（溝形鋼）
１１ａフランジ
１１ｂウェブ
１２ダンパー部材（Ｈ形鋼）
１２ａフランジ
１２ｂウェブ（せん断パネル）
１３補強リブ
１４スペーサ
１５綴りボルト
１６せん断力伝達ボルト
１７スペーサ
１８せん断力伝達ピン
２０制震間柱
２１間柱本体（Ｈ形鋼）
２１ａフランジ
２１ｂウェブ
２２ダンパー部材
２３ダンパーユニット
２３ａ補剛フレーム
２３ｂせん断パネル
２４接合ボルト
２５補強リブ

Claims

建物の上下の梁の間に間柱として設けられて上下両端部がそれぞれ上下の梁に対して剛接合され、上下の梁の間に層間変形が生じた際にはダンパーとして機能して振動エネルギーを吸収する制震間柱であって、
鋼材からなる間柱本体の上下両端部もしくはいずれか一方の端部と梁との間に、層せん断力により降伏する鋼材からなるせん断パネルを有するダンパー部材を介装し、該ダンパー部材を梁に対して剛接合するとともに、該ダンパー部材に対して間柱本体の端部を上下方向に間隔を隔てた２箇所でピン接合してなることを特徴とする制震間柱。
請求項１記載の制震間柱であって、
ダンパー部材はＨ形鋼からなり、該ダンパー部材としてのＨ形鋼の基端を梁に溶接して剛接合することによりそのウェブがせん断パネルとして機能するものとされ、
間柱本体は、前記ダンパー部材としてのＨ形鋼のウェブを両面側から挟み込む対の溝形鋼からなり、
前記間柱本体としての溝形鋼の端部を、ダンパー部材としてのＨ形鋼の基部および先端部の２箇所において該Ｈ形鋼のウェブまたはフランジに対してそれぞれピン接合してなることを特徴とする制震間柱。
請求項１記載の制震間柱であって、
間柱本体はＨ形鋼からなるとともに、ダンパー部材は該間柱本体の端部のウェブを両面側から挟み込む対のダンパーユニットからなり、
前記ダンパーユニットは、間柱本体としてのＨ形鋼のウェブに密着するせん断パネルと、該せん断パネルの周囲に一体に設けられた補剛フレームからなり、
前記ダンパーユニットを前記補剛フレームを梁に対してボルト締結することによって梁に対して剛接合するとともに、前記間柱本体としてのＨ形鋼の端部を、前記ダンパーユニットの基部および先端部の２箇所において該ダンパーユニットのせん断パネルまたは補剛フレームに対してそれぞれピン接合してなることを特徴とする制震間柱。