JP2009013782A - 制震補強工法とその制震補強体及び制震補強構造 - Google Patents

制震補強工法とその制震補強体及び制震補強構造 Download PDF

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Osamu Chiba
脩 千葉
Akihiro Miwa
明広 三輪
Shigemi Kikuta
繁美 菊田
Hiroshi Ishioka
拓 石岡
Shinya Suzuki
信也 鈴木
Hiromichi Ebisawa
弘道 海老澤
Takayuki Ishizaka
隆幸 石坂
Mitsuo Nakagawa
三夫 中川
Shigeji Takahashi
茂治 高橋
Gen Arakawa
玄 荒川
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Toda Constr Co Ltd
戸田建設株式会社
Kawaguchi Techno Solution Co Ltd
川口テクノソリューション株式会社
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Abstract

【課題】建物の制震装置の初期増幅倍率が大きくなると、正加力時と負加力時とにおいて増幅倍率の差が大きくなる課題を解決する補強工法を提供する。
【解決手段】建物の柱・梁に囲まれた架構体内に収納される外枠体2と、外枠体の下構材2aの端部に一端部がピン結合された第1アーム3と、外枠体の上構材2cの中央部に一端部がピン結合された第2アーム4と、第1アームと前記第2アームとの自由端部を所望の角度でピン結合させる連結部材5と、上・下構材の端部から近い側の隅部に回転自在に連結され連結部材の振動エネルギーを吸収するダンパー6とを配置し、第1アームと第2アームとダンパーとを、上構材の中央部に対して左右対称形になるように配置することで、外枠体の枠内での変位時のダンパー全体としての増幅倍率が設定時の初期の増幅倍率と均等にした制震補強体1を形成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、既存建物の柱と梁とで囲まれた架構に制震装置を設置して成る制震構造物の補強工法とその補強体及び補強構造に関するものである。
近年、頻繁に発生する地震により、多くの建物が被害を受けている。このような地震に対処するため、新築の建物は耐震性を配慮した設計が成されている。一方、学校や図書館などの公共施設においては、その既存建物の多くは耐震性が劣るため、後から制震構造物(耐震構造物)に改築する必要がある。従来例1として図8(A)は、鉄筋コンクリート造の耐震構造物20の一例を示し、既存建物の梁21と、柱22とで囲まれた架構内23に、外枠24と鉄骨ブレース25とからなる補強体26が設置された例である(特許文献1参照)。
また、従来例2として、図8(B)に示すように、既存建物27に、層状の架構を持つ新設フレーム28をエネルギー吸収手段を有して隣接させて形成し、耐震補強構造としたものが知られている(特許文献2参照)。この新設フレームによる耐震補強構造は、既存建物に隣接させて設けた外枠内に端部を回転可能にして取り付けられた第1アームと第2アームと、これらの自由端を連結する連結部材と、この連結部材に一端が回転可能に連結され他端が前記外枠に回転可能に連結されたエネルギー吸収手段とでなる可変ブレース機構29によって構成されている。そして、既存建物の層間変形よりも大きな変位量と速度とを前記エネルギー吸収手段に作用させて、地震による振動エネルギーを効果的に吸収して既存建物の減衰性能を向上させようとするものである(特許文献2参照)。
特開2008−14065号公報 特開2000−145162号公報
しかし、前記従来例1の耐震補強構造のように外枠24と鉄骨ブレース25とからなる補強体26においては、エネルギー減衰装置が無いので、応答速度や応答変位を低減させる効果が小さい。また、前記従来例2のように既存建物に隣接させて新設フレームを構築する方法では、既存建物の横に敷地が必要となり、既存建物によっては敷地に制限があると、設置困難となる場合がある。また、エネルギー吸収手段においては、既存建物の変化に対するエネルギー吸収手段における変化の倍率(増幅倍率)が大きくなると、図9(A),(B)に示すように、正加力時と負加力時とにおいて増幅倍率の差が大きくなるという課題がある。
即ち、増幅機構を、図10に示すように、菱形パンタグラフ形状で表す。かかる状態において、
δ1:層間変形(建物の変形)に相当
δ2:ダンパーの変形に相当
変位量Δ時の増幅倍率αは、下式から
δ1=2×L・cosθ
δ2=2×L・sinθ
δ1がδ1'=δ1+Δになった時に、前記δ2はδ2'=2×√{L2−(δ1'/2)2
となり、
α=(δ2'−δ2)/△となる。増幅倍率2.0と増幅倍率2.8の時の増幅倍率の変化を、表にして示すと、以下のようになる。

但し、L=1000mm、Δ=25mm

上表より、初期の増幅倍率が大きくなると、変位量Δ時の増幅倍率は正加力時と負加力時で差が大きくなっている。
本発明に係る制震補強工法、それに使用される補強体及び適用される補強構造は、このような課題を解決するために提案されたものである。
本発明に係る制震補強体の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、
横長の矩形状体で建物の柱・梁に囲まれた架構体内に収納される大きさの外枠体と、
前記外枠体の内部において、
前記外枠体の下構材の端部に一端部がピン結合された第1アームと、
前記外枠体の上構材の中央部に一端部がピン結合された第2アームと、
前記第1アームと前記第2アームとの自由端部を所望の角度でピン結合させる連結部材と、
前記連結部材に一端部が回転可能に連結され他端部が前記上・下構材にピン結合された前記第1アームと第2アームとの両端部から近い側の隅部に回転自在に連結され前記連結部材の振動エネルギーを吸収するダンパーとを配置し、
前記第1アームと前記第2アームと前記ダンパーとを、前記上構材の中央部を通る仮想の縦軸線を対称軸にして左右対称形になるように配置することで、前記外枠体の枠内での変位時のダンパー全体としての、速度倍率や変位倍率における増幅倍率が、設定時の初期の増幅倍率と均等になるようにしたことである。
本発明に係る制震補強構造の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、
新設建物の柱・梁に囲まれる横長で矩形状の架構体の内部において、
前記架構体の下構材の端部に一端部がピン結合された第1アームと、
前記架構体の上構材の中央部に一端部がピン結合された第2アームと、
前記第1アームと前記第2アームとの自由端部を所望の角度でピン結合させる連結部材と
前記連結部材に一端部が回転可能に連結され他端部が前記上・下構材にピン結合された前記第1アームと第2アームとの両端部から近い側の隅部に回転自在に連結され前記連結部材の振動エネルギーを吸収するダンパーとを配置し、
更に、前記第1アームと前記第2アームと前記ダンパーとを、前記上構材の中央部を通る仮想の縦軸線を対称軸にして左右対称形になるように配置することで、前記架構体内での変位時のダンパー全体としての、速度倍率や変位倍率における増幅倍率が設定時の初期の増幅倍率と均等になるようにしたことである。
本発明に係る制震補強工法の上記課題を解決して目的を達成するための要旨は、前記制震補強体を形成して、建物の柱と梁とで囲まれる架構体内へ配設する際に、前記制震補強体を、水平方向において左右対称に配置するとともに、前記制震補強体を、鉛直方向において上下対称に配置することである。また、新設建物の柱・梁に囲まれる架構体内へ、前記制震補強構造を適宜に適用して設置する際に、水平方向において左右対称に配置するとともに、鉛直方向において上下対称に配置することである。
また、前記制震補強体を形成して建物の柱と梁とで囲まれる架構体の内面若しくは外面へ配設する際に、前記制震補強体は前記架構体の内面の間に適宜間隙部をもって設置され、該間隙部には柱面及び梁面から突出されたアンカー筋又は鋼管コッターと、外枠体から突出されたスタッドボルトとが、重ね配置され、モルタルが前記間隙部に充填されることである。
更に、前記制震補強体を形成して建物の柱と梁とで囲まれる架構体の内面へ配設する際に、前記制震補強体は、前記架構体の内面との間に適宜間隙部をもって設置され、該間隙部には充填材が充填されることである。
本発明に係る制震補強体若しくは制震補強構造によれば、一つの架構体において、若しくは、既存の建物が対象であれば一つの外枠体において、2基の制震装置が設けられて速度倍率や変位倍率における増幅倍率が、設定した初期の増幅倍率と均等になる。これにより、建物の変位に対する設計範囲が広くなる。
また、本発明に係る制震補強工法によれば、ブレース及びダンパーと、建物の接合部における水平方向及び鉛直方向の応力を相殺することが可能となり、補強による応力が既存建物に発生しないという優れた効果を奏する。また、新設の建物においては、ダンパー接合部のガゼットプレートの板厚を、ブレース接合部のガゼットプレートの板厚よりも薄く設定することが可能となり、コストが低減される。
このほか、前記架構体に制震補強体の内面や外面に設置する際に、アンカー筋や鋼管コッターで固着したり、若しくは内面に設置する際に接着材等の充填材で固着したりすることで、騒音が抑制されるとともに施工が容易となりコスト低減となる。
本発明に係る制震補強体1は、図1(A)に示すように、横長の矩形状体で建物の柱・梁に囲まれた架構体内に収納される大きさの剛性な外枠体2と、前記外枠体2の内部において、前記外枠体2の下構材2aの端部2bに一端部3aがピン結合された第1アーム3と、前記外枠体2の上構材2cの中央部に一端部4aがピン結合された第2アーム4と、前記第1アーム3と前記第2アーム4との自由端部3b,4bを所望の角度でピン結合させる連結部材5と、前記連結部材5に一端部6aが回転可能に連結され、他端部6bが前記上・下構材2a,2cにピン結合された前記第1アーム3と第2アーム4との両一端部3a,4aから近い側の隅部2dに回転自在に連結され前記連結部材5の振動エネルギーを吸収するダンパー6とを配置する。図1(B)に示す制震補強体1は、ガゼットプレート11,12を使用した、プレートタイプの補強体を示している。
そして、前記第1アーム3と前記第2アーム4と前記ダンパー6とを、前記上構材2cの中央部を通る仮想の縦軸線7を対称軸にして左右対称形になるように配置する。これが、矩形状の外枠体2において、2基の制震装置を左右対称に設けた、制震補強体1の1ユニットである。
前記制震補強体1の制震作用は、従来の課題であった、正加力時と負加力時との変位時におけるダンパーの増幅倍率の差が、増幅倍率が大きくなるに従って大きくなることが、この構成により解消され、建物の変形時における、正加力時と負加力時との増幅倍率の差が相殺されて、制震補強体1のダンパーとして、速度倍率と変位倍率とにおける増幅倍率が、設定した初期の増幅倍率と均等になるものである。
この制震補強体1を、図2に示すように、学校等の公共施設の既存建物8の梁と柱とで囲まれる架構体8a内に、アンカー筋または鋼管コッター等を設けて固着して補強する場合に、水平方向において左右対称に配置するとともに、前記制震補強体1を、鉛直方向において上下対称に配置する。
このように配置することで、図3に示すように、ブレース接合部Aとダンパー接合部Bとにおいて、水平方向及び鉛直方向の応力を相殺させることが可能となり、補強による応力が既存建物8に発生しないという、制震補強工法になるものである。
前記制震補強体1を前記架構体8a内に固着するには、図5乃至図7(A)に示すように、制震補強体1の外枠体2と、架構体8aを形成する柱面や梁面との間の間隙部15に、前記柱面や梁面から突出する鋼管コッター14と、外枠体2から突出されたスタッドボルト2eとが重ね配置されるように、制震補強体1を仮設置する。そして、スパイラル筋を配筋した後に、型枠で前記部15を囲い、その中に充填材としてのモルタル13を充填する。または、前記スパイラル筋を省いて前記間隙部15を型枠で囲い、この中に例えば、繊維モルタル等の充填材13を充填して固化させて一体化させる。その後、前記型枠を撤去する。
前記制震補強体1の外枠体2には、図6(A)に示すように、スタッドボルト2eが適宜間隔で溶接等により突出させて固着されている。また、前記鋼管コッター14は、図6(B)に示すように、回転式コアドリルで柱や梁8bに適宜間隔で削孔した孔8cに挿入され、接着材で固着されている。この孔8cは、その深さが柱筋または梁筋8dの手前までしかないため、これらの梁筋8d等を傷付けず、しかも、騒音・振動・粉塵を発生させずに形成することができる。また、鋼管コッター14はアンカー筋よりも太径で、一本当たりの剛性及び耐力が大きいので、アンカー筋よりも少ない本数で十分な補強効果を得ることができる。
上記実施例では、制震補強体1を架構体8a内に設置して示したが、これに限らず、図7(B)に示すように、柱・梁の外面に設置することもできる。架構体8aにおける柱・梁の外面から鋼管コッター14を間隙部15に突出させ、前記制震補強体1をその外枠体2が前記間隙部15を持って架構体8aに向かって仮設置し、前記外枠体2から突出するスタッドボルト2eと前記鋼管コッター14とを重ね配置にする。前記間隙部15に、例えば、スパイラル筋を配筋した後に型枠を組んでその中にモルタル13を充填して一体化させたり、スパイラル筋の配筋無しで型枠を組んでその中に繊維モルタル等の充填材13を充填して一体化させたりするものである。
尚、上記実施例において、鋼管コッター14の代わりに、アンカー筋でもよい。また、架構体8aの内面に設置する場合、間隙部15に充填する充填材13を接着材として、アンカー筋又は鋼管コッター14と、制震補強体1のスタッドボルト2eと、スパイラル筋等とを無くして施工しても良い。充填材13として接着材だけであれば、部品点数が削減されて施工が容易になり、工期短縮となる。
前記制震補強体1は、既存建物8の制震補強に使用するが、新設の建物にも適用することを妨げるものではない。図4−Aに示すように、新設建物9に上記制震補強体1の構造を適用する場合には、新設建物9の柱・梁に囲まれる横長で矩形状の架構体9aの内部において、以下は前記制震補強体1の場合と同様に、前記架構体9aの下構材9bの端部に一端部がピン結合された第1アーム3と、前記架構体9の上構材9cの中央部に一端部がピン結合された第2アーム4と、前記第1アーム3と前記第2アーム4との自由端部を所望の角度でピン結合させる連結部材5と前記連結部材5に一端部が回転可能に連結され他端部が前記上・下構材9b,9cにピン結合された前記第1アーム3と第2アーム4との両端部から近い側の隅部9dに回転自在に連結され前記連結部材5の振動エネルギーを吸収するダンパー6とを配置し、更に、前記第1アーム3と前記第2アーム4と前記ダンパー6とを、前記上構材9cの中央部を通る仮想の縦軸線10を対称軸にして左右対称形になるように配置する。
このような制震補強構造9eで、前記架構体9a内で正加力時と負加力時との変位時におけるダンパー全体としての、速度倍率や変位倍率における増幅倍率を、設定した初期の増幅倍率と均等にするものである。そして、図4−A及び図4−Bに示すように、新設建物9の柱・梁に囲まれる架構体9a内へ、前記制震補強構造9eを適宜に適用して設置する際に、水平方向において左右対称に配置するとともに、鉛直方向において仮想の横軸線10aを対称軸にして上下対称形になるように配置するものである。
この制震補強工法により、前述の制震補強工法と同様に、ブレース接合部Aとダンパー接合部Bとにおいて、水平方向及び鉛直方向の応力を相殺させることが可能となり、補強による応力が新設建物9に発生しないという効果を奏するばかりでなく、前記両接合部A,Bにおけるガゼットプレート11,12は、同じ強度にする必要がない。
即ち、ブレース接合部Aのガゼットプレート11の板厚が一例として、t=60mmであれば、ダンパー接合部Bのガゼットプレート12では、ダンパー6に加わる軸力が小さいのでその外形状を前記ガゼットプレート11よりも小さくして、且つ、その板厚をt=40mmと薄くすることができて、資材コストの低減となる。
本発明に係る制震補強体1の正面図(A)、同じくプレートタイプの制震補強体1の正面図(B)である。 同本発明の制震補強体1を既存建物8の耐震補強に適用した例を示す正面図である。 同耐震補強した場合のブレース接合部Aとダンパー接合部Bとを拡大して示す説明用の正面図である。 新設の建物9に、本発明の制震補強構造9eを適用する制震補強工法を示す説明用の正面図である。 図4−Aにおけるブレース接合部Aの拡大正面図(A)と、同ブレース接合部Aの断面図(B)とである。 図4−Aにおけるダンパー接合部Bの拡大正面図(A)と、断面図(B)とである。 制震補強体1を既存建物8の架構体8aに設置する場合の間隙部15における構造を示す説明図である。 同制震補強体1の外枠体2に予め接合用のスタッドボルト2eを固着した状態を示す一部正面図(A)と、架構体8aの内面に鋼管コッター14を固着した状態を示す一部正面図(B)とである。 図5におけるc−c線に沿った断面図(A)と、架構体8aの外面に制震補強体1を設置する場合の間隙部15における断面図(B)とである。 従来例に係る制震補強工法を示す各正面図(A),(B)である。 ダンパーにおける初期増幅倍率の相違による、制震補強体の加力時と負加力時とにおける増幅倍率の差が拡大する様子を示す説明図(A),(B)である。 ダンパーの増幅倍率を求める為の機構を示す説明図である。
符号の説明
1 制震補強体、
2 外枠体、 2a 下構材、
2b 端部、 2c 上構材、
2d 隅部、 2e スタッドボルト、
3 第1アーム、 3a 一端部、
3b 自由端部、
4 第2アーム、 4a 一端部、
4b 自由端部、
5 連結部材、
6 ダンパー、 6a 一端部、
6b 他端部、
7 縦軸線、
8 既存建物、 8a 架構体、
8b 梁、 8c 孔、
9 新設建物、 9a 架構体、
9b 下構材、 9c 上構材、
9d 隅部、 9e 制震補強構造、
10 縦軸線、 10a 横軸線、
11,12 ガゼットプレート、
13 モルタル(充填材)、
14 鋼管コッター、
15 間隙部、
20 制震構造物、
21 梁、
22 柱、
23 架構内、
24 外枠、
25 鉄骨ブレース、
26 補強体、
27 既存建物、
28 新設フレーム、
29 可変ブレース機構。

Claims (6)

  1. 横長の矩形状体で建物の柱・梁に囲まれた架構体内に収納される大きさの外枠体と、
    前記外枠体の内部において、
    前記外枠体の下構材の端部に一端部がピン結合された第1アームと、
    前記外枠体の上構材の中央部に一端部がピン結合された第2アームと、
    前記第1アームと前記第2アームとの自由端部を所望の角度でピン結合させる連結部材と、
    前記連結部材に一端部が回転可能に連結され他端部が前記上・下構材にピン結合された前記第1アームと第2アームとの両端部から近い側の隅部に回転自在に連結され前記連結部材の振動エネルギーを吸収するダンパーとを配置し、
    前記第1アームと前記第2アームと前記ダンパーとを、前記上構材の中央部を通る仮想の縦軸線を対称軸にして左右対称形になるように配置することで、前記外枠体の枠内での変位時のダンパー全体としての増幅倍率が設定時の初期の増幅倍率と均等になるようにしたこと、
    を特徴とする制震補強体。
  2. 請求項1に記載の制震補強体を形成して、
    建物の柱と梁とで囲まれる架構体内へ配設する際に、
    前記制震補強体を、水平方向において左右対称に配置するとともに、
    前記制震補強体を、鉛直方向において上下対称に配置すること、
    を特徴とする制震補強工法。
  3. 請求項1に記載の制震補強体を形成して建物の柱と梁とで囲まれる架構体の内面若しくは外面へ配設する際に、
    前記制震補強体は前記架構体の内面若しくは外面との間に適宜間隙部をもって設置され、
    該間隙部には柱面及び梁面から突出されたアンカー筋又は鋼管コッターと、外枠体から突出されたスタッドボルトとが、重ね配置され、
    モルタルが前記間隙部に充填されること、
    を特徴とする請求項2に記載の制震補強工法。
  4. 請求項1に記載の制震補強体を形成して建物の柱と梁とで囲まれる架構体の内面へ配設する際に、
    前記制震補強体は、前記架構体の内面との間に適宜間隙部をもって設置され、
    該間隙部には充填材が充填されること、
    を特徴とする請求項2に記載の制震補強工法。
  5. 新設建物の柱・梁に囲まれる横長で矩形状の架構体の内部において、
    前記架構体の下構材の端部に一端部がピン結合された第1アームと、
    前記架構体の上構材の中央部に一端部がピン結合された第2アームと、
    前記第1アームと前記第2アームとの自由端部を所望の角度でピン結合させる連結部材と
    前記連結部材に一端部が回転可能に連結され他端部が前記上・下構材にピン結合された前記第1アームと第2アームとの両端部から近い側の隅部に回転自在に連結され前記連結部材の振動エネルギーを吸収するダンパーとを配置し、
    更に、前記第1アームと前記第2アームと前記ダンパーとを、前記上構材の中央部を通る仮想の縦軸線を対称軸にして左右対称形になるように配置することで、前記架構体内での変位時のダンパー全体としての増幅倍率が設定時の初期の増幅倍率と均等になるようにしたこと、
    を特徴とする制震補強構造。
  6. 新設建物の柱・梁に囲まれる架構体内へ請求項5の制震補強構造を適宜に適用して設置する際に、
    水平方向において左右対称に配置するとともに、
    鉛直方向において上下対称に配置すること、
    を特徴とする制震補強工法。
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