JP2008285993A - 建物の補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地震などの水平外力に対する壁パネルの機能を的確に評価して利用できるようにする建物の補強方法を提供する。
【解決手段】複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、上下の梁に端部がそれぞれ連結される複数の間柱４と、間柱４に取り付けるためのフレーム５１と硬質木片セメント板５２とを備えた外壁パネル５とによって構成される建物の補強方法である。硬質木片セメント板５２の外側からフレーム５１を貫通して間柱に到達するリベット６を打込むことによって、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、フレーム５１と硬質木片セメント板５２との接合が破壊することなくリベット６を挿通させるフレーム５１又は間柱４の孔が塑性変形するように硬質木片セメント板５２とフレーム５１と間柱４とを接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地震や強風などによって設計値より大きな水平外力が作用した際の耐力に優れた建物の補強方法に関するものである。

従来、角部に配置された柱間に、天井梁と床梁を架け渡してラーメン構造体を構築し、その柱間に配置した間柱に外壁パネルを取り付けるユニット建物の構造が知られている（特許文献１など参照）。

また、特許文献２には、複数の柱とその上端に横架される梁とを組み合わせて形成される骨組構造体に、ブレース構造の耐力壁を配置して耐力を向上させた構造が開示されている。この耐力壁は、柱や梁と同様に構造部材として構造計算上で考慮され、この耐力壁の有無及び配置箇所によって建物の設計耐力が異なることになる。

さらに、特許文献３には、鉄骨ラーメン構造体の建物ユニットに間柱を介して取り付けられる外壁パネルは、設計上は耐震構造部材として考慮されていないが、実際に地震によって水平外力が作用すると、建物ユニットの変形を抑える機能を発揮することが開示されている。
特開平８−６０７６５号公報 特開２００２−１３８７０２号公報 特開２００５−３５０９６４号公報

しかしながら、従来の鉄骨ラーメン構造体などの骨組構造体では、間柱及びそれに取り付けられる外壁パネルなどの壁パネルは、構造設計計算上では無視されているので、実際には地震に強い建物であっても設計上で評価を受けることが難しい。

また、構造部材として設計されていなければ、耐震性能にもバラつきが生じる可能性があるので、建物の耐力の定量的な評価が難しい。

一方、すべての壁パネルを耐力壁とすると、建物の剛性が非常に高くなって、変形によってエネルギーを吸収するというラーメン構造体などの骨組構造体本来の特性が充分発揮されなくなるおそれがある。

そこで、本発明は、地震などの水平外力に対する壁パネルの機能を的確に評価して利用できるようにする建物の補強方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の建物の補強方法は、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される複数の間柱と、前記間柱に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物の補強方法であって、前記面材の外側から前記装着部を貫通して前記間柱に到達する棒状連結材を打込み、前記棒状連結材を複数、上記同様に打込むことによって、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形するように前記面材と前記装着部と前記間柱とを接合することを特徴とする。

また、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される複数の間柱と、前記間柱間に横架される横材と、少なくとも前記横材に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物の補強方法であって、前記面材の外側から前記装着部を貫通して前記横材に到達する棒状連結材を打込み、前記棒状連結材を複数、上記同様に打込むことによって、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記横材の孔が塑性変形するように前記面材と前記装着部と前記横材とを接合することを特徴とする。

さらに、複数の柱とその上端に横架される梁とを組み合わせて形成される骨組構造体と、前記梁に端部が連結される複数の間柱と、前記間柱に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物の補強方法であって、前記面材の外側から前記装着部を貫通して前記間柱に到達する棒状連結材を打込み、前記棒状連結材を複数、上記同様に打込むことによって、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形するように前記面材と前記装着部と前記間柱とを接合することを特徴とする。

また、このような補強方法によって補強された建物は、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される複数の間柱と、前記間柱に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物であって、前記装着部と前記間柱は複数の棒状連結材によって接合されるとともに、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することを特徴とする。

ここで、前記装着部と前記面材との間には、少なくとも前記装着部の縁部を囲繞するように接着材が介在されているように構成することができる。

また、前記間柱の少なくとも一部には、その間柱を中心に別体の前記壁パネルの側縁がそれぞれ接合されているものであってもよい。

さらに、前記間柱は、その本体部より弾性変形量の大きな連結構造を介して前記梁に連結されるものであって、前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱の連結構造が伸縮する構成であってもよい。

また、前記間柱は、その本体部より降伏点が小さな連結構造を介して前記梁に連結されるものであって、前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱の連結構造が塑性変形する構成であってもよい。

また、前記間柱の上下の端部は、前記本体部よりも断面積が小さくなるように形成されるものであって、前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱の端部が伸縮する構成とすることができる。

さらに、前記間柱の上下の端部又は前記間柱と前記梁との連結材の少なくとも一方は、前記本体部よりも低降伏点材料によって形成されるものであって、前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱の端部又は前記連結材が塑性変形する構成とすることもできる。

また、前記梁には両側に切欠部が設けられる可変部と不動部が形成され、その可変部に前記間柱の端部が連結され、前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱に連結される前記可変部が上下に移動する構成とすることもできる。

そして、前記間柱の上下の端部を前記梁の側面に沿って延出させ、その延出部又は梁の側面の少なくとも一方に設けた上下方向に延びる長穴に通したボルトによって両者を連結し、そのボルトの締め付け力によって連結強度を調整したものであって、前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱に作用する引張力が前記締め付け力を上回ると、前記長穴の範囲内で間柱が移動する構成であってもよい。

また、前記間柱の上下の端部は、粘弾性材料を備えているものであって、前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形することによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱の端部で前記粘弾性材料の緩衝機能が発揮される構成とすることができる。

さらに、この建物は、複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される複数の間柱と、前記間柱間に横架される横材と、少なくとも前記横材に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物であって、前記装着部と前記横材は複数の棒状連結材によって接合されるとともに、前記間柱はその本体部より弾性変形量の大きな連結構造を介して前記梁に連結され、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記横材の孔が塑性変形し、これによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱の連結構造が伸縮することを特徴とする。

また、複数の柱とその上端に横架される梁とを組み合わせて形成される骨組構造体と、前記梁に端部が連結される複数の間柱と、前記間柱に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物であって、前記装着部と前記間柱は複数の棒状連結材によって接合されるとともに、前記間柱はその本体部より弾性変形量の大きな連結構造を介して前記梁に連結され、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形し、これによってその壁パネルの拘束から解除された前記間柱の連結構造が伸縮することを特徴とする。

さらに、複数の柱とその上端に横架される梁とを組み合わせて形成される骨組構造体と、前記梁に端部が連結される複数の間柱と、前記間柱に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物であって、設計値内の水平外力が作用した際には、前記骨組構造体と前記壁パネルにてその水平外力に抵抗し、設計値より大きな水平外力が作用した際には、前記骨組構造体にてその水平外力に抵抗することを特徴とする。

ここで、前記設計値内の水平外力が作用した際には、前記壁パネルの内、屋外に面する外壁パネルのすべてが水平外力に対して抵抗するように設計することができる。

このように構成された本発明の建物の補強方法では、面材の外側から装着部を貫通して間柱に到達する棒状連結材を打込み補強する。そして、このようにして補強された建物では、ラーメン構造体の上下の梁間に連結される間柱に棒状連結材を介して取り付けられる外壁パネルなどの壁パネルは、大地震などの設計値より大きな水平外力が作用すると面材と装着部との接合が破壊する前に棒状連結材を挿通させる孔が塑性変形する。そして、この孔の塑性変形する過程において地震エネルギーが吸収される。

すなわち、水平外力が作用しても、棒状連結材を挿通させる孔が弾性変形する間は、間柱間を連結する壁パネルの作用によって建物の変形が抑えられる。

そして、大きな水平外力が作用して孔が塑性変形する過程で地震エネルギーを吸収することになる。また、さらに大きな水平外力が作用すると、孔が広がって棒状連結材を介して壁パネルに荷重が伝達されにくくなり、それに代わってラーメン構造体が変形して地震エネルギーを吸収する。

以上の作用を別の言葉で言い換えると、設計値内の水平外力が作用した際には、ラーメン構造体（骨組構造体）と壁パネルにてその水平外力に抵抗し、設計値より大きな水平外力が作用した際には、ラーメン構造体（骨組構造体）にてその水平外力に抵抗する、といえる。

このように面材と装着部との接合が破壊する前に棒状連結材を挿通させる孔が塑性変形して壁パネルが荷重を受けなくなるので、壁パネルが限界まで耐えた後に破壊して一気に建物が崩壊するというような破壊パターンにはならない。

そして、このような建物の地震時の挙動を把握してその挙動が再現される構造を構築することで、壁パネルの機能を的確に評価することができる。

また、このように設計された建物は、地震時の安全性が向上するうえに、地震によって損傷しても構造部材の再利用により容易に建物の修復をすることができる。

さらに、装着部の縁部を囲繞するように接着材を介在させることで、装着部と面材との間に水などが浸入し難くなり、接合部の劣化を防ぐことができる。

また、１本の間柱に圧縮力と引張力の向きが正反対の力を作用させることで荷重が相殺されるので、設計値以下の水平外力が作用しているときには変形が抑えられる。

そして、設計値より大きな水平外力が作用して棒状連結材を挿通させる孔が大きく塑性変形し、一方の壁パネルの拘束から間柱が解除されると、間柱は変形しやすくなってラーメン構造体の変形により地震エネルギーが吸収されるというように、間柱の機能を水平外力の大きさによって変えることができる。

さらに、間柱と梁との連結構造を、間柱の本体部より弾性変形量の大きな連結構造又は降伏点が小さな連結構造とすることで、壁パネルを連鎖的に損壊させないという機能を向上させることができる。

また、間柱間に横架されるまぐさなどの横材に壁パネルを取り付けた場合でも、壁パネルの作用によって上記と同様に地震エネルギーを吸収することができるので、地震時の安全性が向上するうえに、地震によって損傷しても構造部材の再利用により容易に建物の修復をすることができる。

そして、上述したような大きな水平外力が作用して孔が塑性変形する過程で地震エネルギーを吸収するという現象は、ラーメン構造体以外の骨組構造体で構成される建物に本発明を適用した場合にも発生する。この際においても、さらに大きな水平外力が作用すると、孔が広がって棒状連結材を介して壁パネルに荷重が伝達されにくくなり、それに代わって骨組構造体が変形して地震エネルギーを吸収することができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図２は、本実施の形態の建物を構成する建物ユニット１の概略構成を説明するための斜視図である。

この建物ユニット１は、横方向及び上下方向に複数連結させることでユニット建物（図示せず）を構成するものである。

まず、構成から説明すると、この建物ユニット１は、四隅に配置される４本の柱２，・・・と、その上端間に横架される梁としての天井梁３１，・・・と、その下端間に横架される梁としての床梁３２，・・・とから構成される骨組構造体としてのラーメン構造体１１を主たる構造部材としている。

この柱２と天井梁３１及び床梁３２とは、剛接合されているが、この剛接合はまったく柱２と梁３１，３２との角度が変わらないものに限定されるものではなく、現実的な構造物としての半剛接合で接合されているものも含むものである。

また、床梁３２，３２間には、所定の間隔を置いて複数の小梁３２１，・・・が架け渡されている。

そして、図２の前面側の柱間２，２には、４枚の壁パネルとしての外壁パネル５，・・・を取り付けるための５本の間柱４，・・・が配置されている。

この間柱４は、上端が天井梁３１に連結されるとともに、下端が床梁３２に連結される。また、柱２に隣接する間柱４，４を除いた中間の３本の間柱４，４，４には、それぞれ２枚の別体の外壁パネル５，５の側縁が接合される。

この外壁パネル５の外側から見た正面図を図３（ａ）に、建物ユニット１の内側から見た裏面図を図３（ｂ）に示す。

この外壁パネル５は、矩形の面材としての硬質木片セメント板５２と、その裏面側の縁部を囲繞するように配置される装着部としてのフレーム５１とから主に構成される。

このフレーム５１は、図３（ｂ）に示されるように、２本の縦枠５１ｂ，５１ｂと、その縦枠５１ｂ，５１ｂの上端間及び下端間を繋ぐ横枠５１ｃ，５１ｃと、その横枠５１ｃ，５１ｃ間に上下方向に間隔を置いて複数配置される中間枠５１ｄ，・・・とから主に構成される。

そして、この縦枠５１ｂ，５１ｂには、棒状連結材としてのリベット６を挿通させる孔としてのリベット孔５１ａが、上下方向に間隔を置いて複数開口されている。

また、図３（ａ）に示すように、硬質木片セメント板５２は、複数本のスクリュー釘５２ａ，・・・によってフレーム５１に固定されている。

この外壁パネル５の断面図を図１（ａ）に示す。この図に示すように、硬質木片セメント板５２とフレーム５１との間には、接着材としてのウレタン系の接着剤５３が隙間無く介在されている。

すなわち、このフレーム５１の裏面の少なくとも縁部を囲繞するように連続して接着剤５３を塗布し、硬質木片セメント板５２に貼りつけることで、面材と装着部との間に外部から水などが浸入する隙間の発生を防ぐことができる。

また、間柱４と外壁パネル５とは、棒状連結材としてのリベット６によって接合される。このリベット６は、ワンサイドリベットであり、間柱４側から打ち込むだけでフレーム５１と間柱４とを接合することができる。

なお、外壁パネル５の構成は、図１（ａ）に示すものに限定されるものではなく、例えば図１（ｂ）に示すような構成の外壁パネル１５であってもよい。

この外壁パネル１５は、石こうボード１５２ｃの両面を断面視略コ字形に成形した鋼板１５２ａと平板状の鋼板１５２ｂとで挟んで接着剤で一体化されるもので、両側縁には装着部としてのＬ形フレーム１５１，１５１が取り付けられている。

このＬ形フレーム１５１は、鋼板１５２ａの内側面と鋼板１５２ｂの外側面とにＬ形の一方の側面が挟まれて取り付けられるもので、Ｌ形フレーム１５１と鋼板１５２ｂとの間には接着材としてのウレタン系の接着剤１５３が介在されている。

また、この外壁パネル１５と間柱４も、棒状連結材としてのリベット６を間柱４側からＬ形フレーム１５１に打ち込んで接合させる。

一方、本実施の形態の間柱４には、梁に連結させる上端及び下端に、図５（ａ）に示すような連結構造としてのバネ部４２が形成されている。

このバネ部４２は、断面視略コ字形の本体部４１よりも断面積が小さくなるように、コ字形のウェブ部だけで形成されている。すなわち、バネ部４２においては、コ字形の両側面部が切り取られた平板状の小断面部４２ａが形成されるとともに、その小断面部４２ａは途中から略直角に折り曲げられて端面部４２ｂが形成されている。

また、この端面部４２ｂには、間柱４と床梁３２とを連結させるための連結ボルト４３，４３を挿通させる孔が２つ開口されている。

さらに、間柱４の本体部４１には、リベット６を挿通させるための孔としてのリベット孔４ａが開口されている。

このように構成されたバネ部４２を介して床梁３２に連結された間柱４に引張力が作用すると、図５（ｂ）に示すようにバネ部４２が本体部４１よりも伸びて大きく弾性変形するので、外壁パネル５に伝達される荷重が緩和されて、連鎖的に外壁パネル５，・・・が損壊していくという現象の発生を抑えることができる。

なお、間柱４の上端と天井梁３１との間も、このバネ部４２と同様の連結構造で連結される。

次に、本実施の形態の建物の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の建物ユニット１は、ラーメン構造体１１の上下の梁３１，３２間に連結される間柱４，・・・に、リベット６を介して外壁パネル５が取り付けられている。

そして、この建物ユニット１に、水平外力としての地震力（図６参照）が作用すると、始めは間柱４，４間を連結する外壁パネル５がブレースのような働きをしてラーメン構造体１１とともに建物ユニット１の揺れを抑える働きをする。すなわち、設計値内の水平外力が作用した際には、ラーメン構造体１１（骨組構造体）と外壁パネル５（壁パネル）にてその水平外力に抵抗する。

この状態は、設計値を建築基準法で定める地震力とした場合は、その大きさに至るまで確実に続く。また、設計値を建築基準法で定める地震力の1.25倍又は1.5倍とした場合は、その地震力に至るまで続く。

以下、さらに詳細に一次設計と二次設計における状態について説明する。ここで、一次設計の地震力は、建築基準法でいう標準せん断力係数Cdを0.2としたときの地震力、二次設計の地震力は、建築基準法でいう必要保有水平耐力となる地震力とする。

そして、作用する地震力の大きさが一次設計の範囲内ならば、間柱４と外壁パネル５のフレーム５１とを接合するリベット６に作用するせん断力は、フレーム５１の支圧耐力の範囲内に収まり、リベット孔５１ａが塑性変形することはない。

ここで仮に、リベット孔５１ａが拡大する前にフレーム５１と硬質木片セメント板５２との接着剤５３による接合が剥がれると、その影響によってある地震力に達したときに一気に建物ユニット１が崩壊してしまうおそれがある。

これに対して、地震力が増加してリベット孔５１ａが塑性変形して押し広げられて、外壁パネル５が荷重を徐々に受けなくなるようにすることで、建物ユニット１の変形量は大きくなるものの、それによって地震エネルギーを吸収することができるので、ラーメン構造体１１や外壁パネル５が壊滅的に損傷することを防止することができる。すなわち、設計値より大きな水平外力が作用した際には、ラーメン構造体１１（骨組構造体）の変形によってエネルギーを吸収するという本来の特性が発揮されて、その水平外力に抵抗する。

また、外壁パネル５が荷重を受けなくなると、間柱４のバネ部４２，４２の伸縮が大きくなって、その後の地震力の増加に対しても建物ユニット１はねばり強く耐えて、倒壊や崩壊を防ぐことができる。

また、損傷する前に荷重を受けなくなった外壁パネル５やラーメン構造体１１は、著しく損傷しておらず再利用することができるので、地震後に短期間かつ経済的に建物ユニット１の修復をおこなうことができる。

さらに、フレーム５１の縁部を囲繞するように接着剤５３を介在させることで、フレーム５１と硬質木片セメント板５２との間に水などが浸入し難くなり、接合部の劣化を防ぐことができる。

また、中間に配置される３本の間柱４，・・・は、１本の間柱４の一方の側縁に接合された外壁パネル５からは圧縮力が作用し、他方の側縁に接合された外壁パネル５からは引張力が作用することになり、向きが正反対の力によって荷重が相殺されるので、設計値以下の水平外力が作用して外壁パネル５，５が荷重を受けているときには建物ユニット１の変形が抑えられる。

そして、設計値より大きな水平外力が作用してリベット孔４ａが大きく塑性変形し、一方の外壁パネル５の拘束から間柱４が解除されると、間柱４は残った外壁パネル５からの一方向の荷重によって変形量が大きくなり、これによってラーメン構造体１１が変形して地震エネルギーが吸収されるので、残った外壁パネル５が連鎖的に損壊することがなくなる。

すなわち、建物ユニット１に作用する水平外力の大きさによって、外壁パネル５が荷重を受けるか否かが変わるとともに、その際の間柱４の機能を変えることができる。

以下、この実施例１では、前記実施の形態で説明した建物ユニット１の水平耐力を確認した実験及び解析について説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

この実施例１では、外壁パネル５のフレーム５１には、JIS規格に規定される一般構造用圧延鋼材（SS400）を使用し、間柱４には同じくSS400のフレーム５１より厚い鋼材を使用した。

また、リベット６は、かしめ後のせん断強度がフレーム５１の引張強さより大きくなるワンサイドリベットを使用した。

そして、このフレーム５１と間柱４とをリベット６で接合したリベット接合部に単調載荷したせん断試験の結果、このリベット接合部の降伏強度Pyと引張強さPmaxはリベット６のせん断強度より小さくなり、フレーム５１のリベット孔５１ａが最初に変形して接合が破壊されることが確認できた。

また、外壁パネル５を、一本の縦枠５１ｂあたり６本のリベット６（間隔300〜600mm）で間柱４に接合した試験体に交番繰り返し試験を実施した結果、単調載荷のせん断試験で求めたリベット接合部の強度と整合した試験結果が得られた。

一方、図７には、建物ユニット１を解析用に２次元モデル化した建物ユニットモデル１Ａを示した。

ここでは、ラーメン構造体モデル１１Ａを２本の柱モデル２Ａ，２Ａの直下の支点１１１Ａ，１１１Ａでそれぞれ支持させ、柱モデル２Ａと天井梁モデル３１Ａ及び床梁モデル３２Ａとの接合は回転バネ２１Ａでモデル化した。

また、間柱モデル４Ａの上下にはバネ部モデル４２Ａ，４２Ａを設け、間柱モデル４Ａ，４Ａ間は外壁パネルモデル５Ａで連結した。

この外壁パネルモデル５Ａは、上記したリベット接合部のせん断試験結果を基にして、枠組壁工法建築物設計指針（国土交通省住宅建築指導課監修）に従いブレース置換をおこなったものである。

そして、この建物ユニットモデル１Ａに水平荷重Ｐ（水平外力）を作用させて、保有水平耐力及び構造特性係数を算定する。ここでは、外壁パネルモデル５Ａに入る軸力が最大荷重に達した後のシミュレーションは、その部分の外壁パネルモデル５Ａを除去したモデルでその後のシミュレーションをおこなう。

なお、比較のために、間柱モデル４Ａ及び外壁パネルモデル５Ａを配置しないラーメン構造体モデル１１Ａだけの解析もおこなった。

図８は、各モデルに繰り返し水平荷重Ｐを載荷した結果の包絡線を、水平荷重Ｐと層間変形角の関係で示した図である。ここで、層間変形角は、層間変位δを建物ユニットモデル１Ａの高さｈで割った値で、層間変位δは１階の床と２階の床との水平変位差をいう。なお、この建物ユニットモデル１Ａでは床梁モデル３２Ａが水平移動しないので、天井梁モデル３１Ａの水平変位量が層間変位δということになる。

この図８の破線で示した包絡線Ｓ_Ｒは、ラーメン構造体モデル１１Ａのみの場合の復元力特性を示したものである。

これに対して、実線で示した包絡線Ｓ_ＲＷは、ラーメン構造体モデル１１Ａに外壁パネルモデル５Ａを加えた場合の復元力特性を示したものである。

このように２つのモデルの層間変形角が1/120（建築基準法の損傷限界）に至るまでの傾き（一次剛性）を比較すると、外壁パネルモデル５Ａを加えた場合の方が急勾配になっており、設計値以下の水平荷重Ｐが作用した場合の変形量が抑えられていることがわかる。

また、包絡線Ｓ_Ｒ，Ｓ_ＲＷとＸ軸とで囲む面積は、外壁パネルモデル５Ａを加えた場合の方が広くなっており、地震時のエネルギー吸収量が大きくなっていることがわかる。

さらに、倒壊の可能性が出てくる安全限界（層間変形角1/15）に至るまでの水平荷重Ｐも、建物ユニットモデル１Ａの方が上回っていることがわかる。

この結果、外壁パネル５を加えた建物ユニット１の方が、ラーメン構造体１１のみを構造部材として設計する場合に比べて、設計値以下の地震に対しては変形が抑制されるうえに、設計値より大きな地震に対しても崩壊し難い構造となっていることが定量的に説明できる。

以下、この実施例２では、前記実施の形態で説明した間柱４とは別の形態の間柱について、図９〜図１１を参照しながら説明する。

まず、図９（ａ）に示す間柱７２と梁７１０の連結構造は、切欠部７１，７１を設けた梁７１０に間柱７２の端部が連結される構造である。

すなわち、この梁７１０は断面視コ字形に形成されていて、間柱７２の端面を連結ボルト７３，７３によって梁７１０の上面に連結する。この梁７１０の上面は、間柱７２を連結する可変部７１ａと、その可変部７１ａの両側に設けられる切欠部７１，７１と、さらにその両側の不動部７１ｂ，７１ｂとによって形成される。

このような連結構造が形成された間柱７２と梁７１０との連結部に、間柱７２を介して引張力が作用すると、図９（ｂ）に示すように可変部７１ａが持ち上がって大きく弾性変形することになる。

すなわち、設計値以下の水平外力が作用している間は外壁パネル５によって建物ユニット１の変形が抑えられるが、設計値より大きな水平外力が作用してリベット孔４ａが大きく塑性変形すると、外壁パネル５の拘束から間柱７２が解除されて可変部７１ａの変形量が大きくなり、これによってラーメン構造体１１が変形して地震エネルギーが吸収されるので、残った外壁パネル５が連鎖的に損壊することがなくなる。

次に、図１０には、長穴８１ｂとボルト８２によって構成する間柱８１と梁８３の連結構造を示した。

すなわち、断面視コ字形の間柱８１の端部には、ウェブ部が軸方向に延出された延出部８１ａが形成されるとともに、その延出部８１ａには上下方向に延びる長穴８１ｂ，８１ｂが形成されている。

そして、この長穴８１ｂ，８１ｂ及び梁８３の側面に形成された穴（長穴であってもなくてもよい）にボルト８２，８２をそれぞれ挿通し、その締付け力を調整することによって間柱８１を梁８３に所定の連結強度で連結する。

このような連結構造とすることで、間柱８１に所定の大きさの引張力が作用するまでは間柱８１本体が弾性変形するだけで大きな変形とはならず、引張力が締付け力を上回ると長穴８１ｂの範囲内で間柱８１が移動して、これによってラーメン構造体１１が変形して地震エネルギーが吸収されるので、残った外壁パネル５が連鎖的に損壊することがなくなる。

続いて図１１には、間柱９１と梁９２との連結構造に、粘弾性ゴムなどの粘弾性材料を配置した構造を示した。

例えば図１１（ａ）は、間柱９１の端部に、前記実施の形態の間柱４のバネ部４２と同様に小断面部９１ａを形成するとともに、梁９２の上フランジ９２ａの上面側に粘弾性材料としての上ゴム９３を配置し、上フランジ９２ａの下面側に粘弾性材料としての下ゴム９４を配置し、その上ゴム９３及び下ゴム９４を貫通させたボルト９５によって梁９２と間柱９１とを連結している。

そして、この間柱９１に圧縮力が作用すると上ゴム９３が押し縮められて緩衝材の機能を発揮し、引張力が作用すると下ゴム９４が押し縮められて緩衝材の機能を発揮する。

このように粘弾性材料であれば粘性成分で振動を吸収することができるので、間柱９１と梁９２との間に介在させることで、間柱９１と梁９２との間で振動エネルギーが吸収されて応力の伝達が緩和される。

一方、図１１（ｂ）に示した連結構造は、間柱９１の小断面部９１ａの内側面側に、断面視三角形状に形成された粘弾性材料としての角部ゴム９６が配置されたものである。

そして、この間柱９１に引張力が作用すると小断面部９１ａが伸びてバネとしての機能を発揮し、圧縮力が作用すると角部ゴム９６が押し縮められて緩衝材の機能を発揮する。

このように間柱９１の端部にバネ部を設けて梁９２と連結させるとともに角部ゴム９６を配置して非線形のバネ構造とすることで、間柱９１に圧縮力が作用した際の梁９２への応力の伝達をより緩和することができる。

さらに、図示していないが、梁の上面に当接させる間柱の端面や間柱のウェブ部の端部付近を、間柱の本体部よりも降伏点の低い材料によって形成した連結構造とすることもできる。

このように低降伏点材料を端部に使用することで、この部分が本体部よりも先に降伏して塑性変形が始まり、作用荷重に対する端部の変形が大きくなる。そして、これによってラーメン構造体１１が変形して地震エネルギーが吸収されるので、残った外壁パネル５が連鎖的に損壊することがなくなる。

また、間柱と梁とを連結する連結材としての連結ボルトを低降伏点材料にして連結構造を構成することもできる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以下、この実施例３では、前記実施の形態で説明したリベット６とは別の形態の棒状連結材について、図１２を参照しながら説明する。

この実施例３では、外壁パネル５，１５の外側面側から棒状連結材としてのタッピンねじ６Ａをねじ込んで間柱４に接合させる。

このタッピンねじ６Ａは、図１２（ａ）に示すように、外壁パネル５の硬質木片セメント板５２及びフレーム５１を貫通して間柱４に到達する長さの軸部と、その軸部より径の大きな頭部を有するものであるため、既設の外壁パネル５に対して外側からねじ込んで、容易に補修、補強をおこなうことができる。

また、このようにタッピンねじ６Ａによって硬質木片セメント板５２とフレーム５１を繋ぐことで、接着剤５３の強度が弱い場合であっても補強することができる。

この結果、フレーム５１と硬質木片セメント板５２との接合が破壊することなく、タッピンねじ６Ａを挿通させるフレーム５１又は間柱４の孔を変形させることができる。

なお、図１２（ｂ）に示すように、鋼ボード１５２を備えた外壁パネル１５についても、棒状連結材としてタッピンねじ６Ａを使用することができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以下、この実施例４では、前記実施の形態及び実施例で説明した間柱に外壁パネル５を取り付けたのとは別の形態の壁パネルの取付構造について説明する。

図１３は、実施例４の建物を構成する建物ユニット１０の概略構成を説明するための斜視図である。

この建物ユニット１０は、横方向及び上下方向に複数連結させることでユニット建物（図示せず）を構成するものである。

まず、構成から説明すると、この建物ユニット１０は、四隅に配置される４本の柱２，・・・と、その上端間に横架される梁としての天井梁３１，・・・と、その下端間に横架される梁としての床梁３２，・・・とから構成されるラーメン構造体１１を主たる構造部材としている。

そして、図１３の前面側の柱間２，２には、複数の外壁パネル５，２５を取り付けるための５本の間柱４，・・・が配置されている。

また、開口部２５０を設ける間柱４，４間には、開口部２５０の上下に横材としてのまぐさ１４，１４が横架されて間柱４，４間が連結されている。

この実施例４では、外壁パネル２５をこのまぐさ１４と間柱４，４とに取り付ける構造について説明する。

この開口部２５０の下側に取り付ける外壁パネル２５の外側から見た正面図を図１４（ａ）に、建物ユニット１０の内側から見た裏面図を図１４（ｂ）に示す。

この外壁パネル２５は、矩形の面材としての硬質木片セメント板２５２と、その裏面側の縁部を囲繞するように配置される装着部としてのフレーム２５１とから主に構成される。

このフレーム２５１は、図１４（ｂ）に示されるように、２本の縦枠２５１ｂ，２５１ｂと、その縦枠２５１ｂ，２５１ｂの上端間及び下端間を繋ぐ横枠２５１ｃ，２５１ｃと、まぐさ１４に対峙させる装着枠２５１ｅとから主に構成される。

この縦枠２５１ｂ，２５１ｂには、棒状連結材としてのリベット６を挿通させる孔としてのリベット孔２５１ｄ，２５１ｄが上下方向に間隔を置いて複数開口されている。

また、装着枠２５１ｅは、縦枠２５１ｂ，２５１ｂ間を連結する横方向に向けた枠材で、棒状連結材としてのリベット６を挿通させる孔としてのリベット孔２５１ａ，２５１ａが横方向に間隔を置いて複数開口されている。

そして、このまぐさ１４及び間柱４，４と外壁パネル２５とは、棒状連結材としてのリベット６によって接合される（図１５参照）。このリベット６は、ワンサイドリベットであり、まぐさ１４側から打ち込むだけでフレーム２５１とまぐさ１４とを接合することができる。

また、図１４（ａ）に示すように、硬質木片セメント板２５２は、複数本のスクリュー釘２５２ａ，・・・によってフレーム２５１に固定されている。

さらに、図１３に示すように、外壁パネル２５と同様の形態の外壁パネル２５Ａが、開口部２５０の上側にまぐさ１４を介して取り付けられている。

次に、本実施例の建物の作用について説明する。

このように構成された実施例４の建物ユニット１０は、ラーメン構造体１１の上下の梁３１，３２間に連結される間柱４，・・・と、その間に横架されたまぐさ１４とに、リベット６を介して外壁パネル２５が取り付けられている。

また、図１３に示すように、外壁パネル２５の両側には、間柱４，４に装着される外壁パネル５，５が配置されている。

そして、この建物ユニット１０に、水平外力としての地震力が作用すると、前記実施の形態で説明した間柱４，４間を連結する外壁パネル５に加えて、間柱４，４とまぐさ１４とに取り付けられた外壁パネル２５が面拘束によって変形を拘束することで、ラーメン構造体１１とともに建物ユニット１０の揺れを抑える働きをする。

そして、作用する地震力の大きさが一次設計の範囲内ならば、まぐさ１４と外壁パネル２５のフレーム２５１とを接合するリベット６に作用するせん断力は、フレーム２５１の支圧耐力の範囲内に収まり、リベット孔２５１ａが塑性変形することはない。

これに対して、地震力が増加してリベット孔２５１ａが塑性変形して押し広げられると、外壁パネル２５が荷重を徐々に受けなくなり、建物ユニット１０の変形量は大きくなるが、それによって地震エネルギーを吸収することができるので、ラーメン構造体１１や外壁パネル２５が壊滅的に損傷することを防止することができる。

また、外壁パネル２５が荷重を受けなくなると、間柱４のバネ部４２，４２の伸縮が大きくなって、その後の地震力の増加に対しても建物ユニット１０はねばり強く耐えて、倒壊や崩壊を防ぐことができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以下、この実施例５では、前記実施の形態及び実施例で説明したラーメン構造体１１以外の骨組構造体としての鉄骨造１２によって構成される建物１Ｂについて説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

ここで、図１６は、実施例５の建物１Ｂを構成する鉄骨造１２の概略構成を説明するための斜視図である。

まず、構成から説明すると、この建物１Ｂは、基礎となる土台１２４と、その土台１２４に立設される柱１２２，・・・と、その柱１２２，・・・の上端間に横架される梁１２１，・・・とから構成される骨組構造体としての鉄骨造１２を主たる構造部材としている。

ここで、この柱１２２と梁１２１とは、ボルトなどで連結されているだけであり、通常は、このような鉄骨造１２の変形を抑えるために、図１６に仮想線（二点鎖線）で示したブレース１２５，・・・が所々に配置されている。

これに対してこの実施例５では、ブレース１２５，・・・は配置せずに、壁パネルとしての外壁パネル５によって鉄骨造１２の変形を抑える。

この外壁パネル５は、図１６に示すように間柱としてのフレーム柱１２３，・・・に取り付けられる。このフレーム柱１２３には、通常、ブレース１２５を取り付けるために使用される鋼製枠材などが使用できる。

また、図１７は、外壁パネル５，・・・を途中まで取り付けた建物１Ｂの状態を示した斜視図である。このように外壁パネル５，・・・を取り付ける箇所には、ブレース１２５を配置しなくてもよい。

次に、本実施例の建物１Ｂの作用について説明する。

このように構成された実施例５の建物１Ｂは、鉄骨造１２の梁１２１に連結されるフレーム柱１２３に、リベット６を介して外壁パネル５が取り付けられている。

そして、この建物１Ｂに、水平外力としての地震力が作用すると、前記実施の形態で説明したように、フレーム柱１２３，１２３間を連結する外壁パネル５が面拘束によって変形を拘束することで、鉄骨造１２とともに建物１Ｂの揺れを抑える働きをする。すなわち、設計値内の水平外力が作用した際には、鉄骨造１２（骨組構造体）と外壁パネル５（壁パネル）にてその水平外力に抵抗する。

この作用する地震力の大きさが一次設計の範囲内ならば、フレーム柱１２３と外壁パネル５のフレーム５１とを接合するリベット６に作用するせん断力は、フレーム５１の支圧耐力の範囲内に収まり、リベット孔５１ａが塑性変形することはない。

これに対して、地震力が増加してリベット孔５１ａが塑性変形して押し広げられると、外壁パネル５が荷重を徐々に受けなくなり、建物１Ｂの変形量は大きくなるが、それによって地震エネルギーを吸収することができるので、鉄骨造１２や外壁パネル５が壊滅的に損傷することを防止することができる。すなわち、設計値より大きな水平外力が作用した際には、鉄骨造１２（骨組構造体）の変形によってエネルギーを吸収するという本来の特性が発揮されて、その水平外力に抵抗する。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態又は実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では建物ユニット１を建物として説明したが、これに限定されるものではなく、建物ユニット１を横方向及び上下方向に複数連結させることで構築されるユニット建物を建物としてもよい。また、本発明の建物は、建物ユニット１などの工業化住宅に限定されるものではなく、在来工法で構築される建物にも本発明を適用できる。

また、前記実施の形態、実施例４及び実施例５では、壁パネルとして外壁パネル５，２５について説明したが、これに限定されるものではなく、間柱４，４間（フレーム柱１２３，１２３間）又は横材との間を所定の強度で連結するとともに、リベット６を挿通する孔が先に塑性変形するような強度を備えているパネルであれば、化粧用の外装材の内側に配置される内壁パネルや間仕切りパネルを壁パネルとしてもよい。

また、前記実施の形態では、接着剤５３をフレーム５１と硬質木片セメント板５２との間に隙間無く充填して接合したが、これに限定されるものではなく、接合強度が所望する強度を満たすのであれば、フレーム５１の縁部を囲繞するように接着剤５３を塗布して、フレーム５１と硬質木片セメント板５２と接着剤５３との間に空洞ができるような構成としてもよい。

さらに、接着材はウレタン系の接着剤５３に限定されるものではなく、エポキシ系などの他の接着剤や粘着テープなどであってもよい。

また、前記実施の形態又は実施例５では、フレーム５１のリベット孔５１ａを変形させて外壁パネル５が外れるようにしたが、これに限定されるものではなく、間柱４（フレーム柱１２３）のリベット孔４ａが変形するようにフレーム５１の強度を間柱４（フレーム柱１２３）に対して相対的に高めてもよい。

さらに、前記実施の形態では、間柱４の上下の端部にバネ部４２，４２を設ける構成について説明したが、これに限定されるものではなく、間柱４の一方の端部にのみバネ部４２を設けても良い。

また、前記実施例４では、開口部２５０の上下に設けたまぐさ１４と間柱４，４に外壁パネル２５を装着する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、開口部２５０のない個所の間柱４，４間に横架された複数の横材のみに外壁パネルを取り付けることもできる。

さらに、前記実施の形態及び実施例では、ラーメン構造体１１又はそれ以外の骨組構造体としての鉄骨造１２によって構成される建物について説明したが、これに限定されるものではなく、木造の柱と梁とを組み合わせた骨組構造体によって構成される建物にも本発明を適用することができる。

本発明の最良の実施の形態の外壁パネルの間柱への接合構造を説明するための断面図である。 建物ユニットの構成を説明する斜視図である。 外壁パネルの構成を説明する図であって、（ａ）は建物外部側から見た正面図、（ｂ）は建物内部側から見た裏面図である。 間柱に外壁パネルを取り付けた構成を建物内部側から見た図である。 （ａ）は間柱の端部の連結構造の構成を説明する斜視図、（ｂ）は間柱に引張力が作用している状態を説明する側面図である。 地震時の建物ユニットの挙動を模式的に説明する説明図である。 建物ユニットの解析モデルを説明するモデル図である。 解析結果の水平荷重と層間変形角との関係を示した図である。 （ａ）は梁に切欠部を設けた場合の間柱の端部との連結構造の構成を説明する斜視図、（ｂ）は間柱に引張力が作用している状態を説明する側面図である。 長穴を介して間柱と梁とを連結する連結構造の構成を説明する斜視図である。 （ａ）は梁と間柱との間に粘弾性材料を介在させた連結構造の構成を説明する側面図、（ｂ）は間柱の端部の角部に粘弾性材料を配置した連結構造の構成を説明する側面図である。 実施例３の外壁パネルの間柱への接合構造を説明するための断面図である。 実施例４の建物ユニットの構成を説明する斜視図である。 実施例４の外壁パネルの構成を説明する図であって、（ａ）は建物外部側から見た正面図、（ｂ）は建物内部側から見た裏面図である。 実施例４の間柱に外壁パネルを取り付けた構成を建物内部側から見た図である。 実施例５の鉄骨造の構成を説明する斜視図である。 実施例５の建物の構成を説明する斜視図である。

符号の説明

１ 建物ユニット（建物）
１１ ラーメン構造体
２ 柱
３１ 天井梁（梁）
３２ 床梁（梁）
４ 間柱
４ａ リベット孔（孔）
４１ 本体部
４２ バネ部（連結構造、端部）
４２ａ 小断面部
５，１５ 外壁パネル（壁パネル）
５１ フレーム（装着部）
５１ａ リベット孔（孔）
１５１ Ｌ形フレーム（装着部）
５２ 硬質木片セメント板（面材）
１５２ 鋼ボード（面材）
５３，１５３ 接着剤（接着材）
６ リベット（棒状連結材）
６Ａ タッピンねじ（棒状連結材）
７１ 切欠部
７１ａ 可変部（連結構造）
７１ｂ 不動部
７１０，８３ 梁
７２，８１ 間柱
８１ａ 延出部
８１ｂ 長穴
９１ 間柱
９２ 梁
９３ 上ゴム（粘弾性材料）
９４ 下ゴム（粘弾性材料）
９６ 角部ゴム（粘弾性材料）
１０ 建物ユニット（建物）
１４ まぐさ（横材）
１４ａ リベット孔（孔）
２５ 外壁パネル（壁パネル）
２５１ フレーム（装着部）
２５１ａ リベット孔（孔）
２５１ｄ リベット孔（孔）
２５１ｅ 装着枠
１Ｂ 建物
１２ 鉄骨造（骨組構造体）
１２１ 梁
１２２ 柱
１２３ フレーム柱（間柱）

Claims (3)

1. 複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される複数の間柱と、前記間柱に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物の補強方法であって、
   前記面材の外側から前記装着部を貫通して前記間柱に到達する棒状連結材を打込み、
   前記棒状連結材を複数、上記同様に打込むことによって、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形するように前記面材と前記装着部と前記間柱とを接合することを特徴とする建物の補強方法。
2. 複数の柱とその上下に横架される梁とを接合したラーメン構造体と、前記上下の梁に端部がそれぞれ連結される複数の間柱と、前記間柱間に横架される横材と、少なくとも前記横材に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物の補強方法であって、
   前記面材の外側から前記装着部を貫通して前記横材に到達する棒状連結材を打込み、
   前記棒状連結材を複数、上記同様に打込むことによって、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記横材の孔が塑性変形するように前記面材と前記装着部と前記横材とを接合することを特徴とする建物の補強方法。
3. 複数の柱とその上端に横架される梁とを組み合わせて形成される骨組構造体と、前記梁に端部が連結される複数の間柱と、前記間柱に取り付けるための装着部と面材とを備えた壁パネルとによって構成される建物の補強方法であって、
   前記面材の外側から前記装着部を貫通して前記間柱に到達する棒状連結材を打込み、
   前記棒状連結材を複数、上記同様に打込むことによって、所定の水平外力より大きな水平外力が作用した際には、前記装着部と前記面材との接合が破壊することなく前記棒状連結材を挿通させる前記装着部又は前記間柱の孔が塑性変形するように前記面材と前記装着部と前記間柱とを接合することを特徴とする建物の補強方法。

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