JP2009035949A - 構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】フレーム横梁のガセット部に段積み配置固定したせん断パネル型ダンパーは、横力（地震力）が作用した場合、せん断パネル型ダンパーに作用する横力に伴って、偏心量による曲げモーメントが生じ、フレーム横梁の耐力に悪影響を与える場合がある。軸降伏型ダンパーは、構造が複雑であり、二重管構造となっていることから、メンテナンス上の問題がある。また、損傷を受けた場合、取替えが難しい。
【解決手段】せん断パネル型ダンパーを、ブレース材の軸方向にせん断変形するように配置固定する。せん断パネル型ダンパーはブレース材の一又は二以上の箇所に一又は二以上ずつ配置固定することができ、二以上のせん断パネル型ダンパーを配置固定する場合は耐力の異なるもの又は同じものを使用することができ、二以上のせん断パネル型ダンパーをブレース材の軸方向に並べて又は／及び重ねて配置固定することができる。
【選択図】図１

Description

本件発明は建築物のビル鉄骨、橋梁、鉄道高架橋といった構造物の耐震性向上のために、構造物にせん断パネル型ダンパーが配置固定された、構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造に関するものである。

構造物の耐震性向上の目的で、図１０（ａ）のように構造物のフレーム横梁や橋梁の横支材等（以下「フレーム横梁」という）Ａと、ガセットプレートＢとの間（ダンパー配置箇所）にせん断パネル型ダンパーＣを取付ける場合がある。せん断パネル型ダンパーＣは図１０（ｂ）のように上下の二枚のベースプレートＤ間にウェブ材Ｅが縦向きに配置固定され、ウェブ材Ｅの左右両側にフランジプレートＦが配置固定されている。ウェブ材Ｅには延性が極めて高い低降伏点鋼を用いて履歴型ダンパーとしてある。ウェブ材Ｅは常時の横力Ｐ_H（図１１）に対しては弾性範囲内の高い剛性で抵抗するが、大規模地震時にはせん断塑性変形によりエネルギー吸収して地震力を減衰させることができる。

図１０（ａ）、（ｃ）は構造物のフレーム横梁Ａに図１０（ｂ）のせん断パネル型ダンパーＣを取付けた構造の一例である。この取付け構造では、ウェブ材ＥとガセットプレートＢが同一面に段積みされ、ガセットプレートＢにブレース材Ｇの一端が取付けられている。この取付け構造におけるせん断パネル型ダンパーＣは、ガセットプレートＢを延長してその一部をダンパー部とする考えであり、フレーム横梁Ａが図１１のように横力Ｐ_Hを受けて変形しようとするのに対してブレース材Ｇが抵抗し、せん断パネル型ダンパーＣが図１２のようにせん断変形してエネルギー吸収が行われる。

せん断パネル型ダンパーＣを図１０（ａ）のように設置する取付け構造は、最近ではアーチ橋の横構システムなどでも採用され始めているが、橋梁特有の地震時の動的挙動や全体座屈に対する安全性などの問題も含むことから、その設計手法や取付け構造は開発途上にあるといえる。

制震デバイスとしては、前記せん断パネル型ダンパーの他に、軸降伏型ダンパーも多用されている。軸降伏型ダンパーは、ブレース材に作用する伸縮力に対してブレース材そのもの（ブレース材断面自体）を降伏させて（軸方向に塑性変形させて）エネルギー吸収させる制震デバイスである。この軸降伏型ダンパーの場合は、引張力が作用する場合は問題ないが、圧縮力が作用する場合は、ブレース材が座屈して耐力が低下してしまうので、座屈を防止するためにブレース材の外側にさや管を設けた二重管構造になっているのが一般的である。

せん断パネル型ダンパーは、図１０（ａ）ではブレース材Ｇの軸心交点とフレーム横梁Ａとの間のガセット部に、ウェブ材ＥをガセットプレートＢと同一面にしてせん断パネル型ダンパーＣを段積みしてあるため、ブレース材Ｇの軸心交点はフレーム横梁Ａからせん断パネル型ダンパーＣの高さ分だけ偏心量が生じることになり、横力（地震力）Ｐ_Hが作用した場合、せん断パネル型ダンパーＣに作用する横力Ｐ_Hに伴い、偏心量e（図１２）による曲げモーメントＭ（Ｍ＝Ｐ_H×ｅ）が生じ、フレーム横梁Ａの耐力に悪影響を与えることになる。

軸降伏型ダンパーは、ビル鉄骨のブレース材に多用されているが、橋梁に適用する場合は次のような問題がある。
（１）構造が複雑であり、二重管構造となっていることから、地震で損傷を受けた場合や腐食などに対して内部の状況が分からず、メンテナンス上の問題がある。
（２）損傷を受けた場合、せん断パネル型ダンパーに比べて重量物であること、交換の際に仮のブレースが必要であることなど、取替えが難しい。

本件発明の構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造は、せん断パネル型ダンパーをブレース材の軸方向にせん断変形するように配置固定することによって、軸降伏型ダンパーのようにブレース材の骨組長の伸縮に対してせん断パネル型ダンパーがせん断降伏してエネルギー吸収が行われるようにしてある。せん断パネル型ダンパーはブレース材の一又は二以上の箇所に配置固定することができる。二以上のせん断パネル型ダンパーを配置固定する場合は耐力の異なるもの又は同じものを使用することができ、それらをブレース材の軸方向に並べて又は／及び重ねて配置固定することができる。

本件発明の構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造は、せん断パネル型ダンパーをブレース材の軸方向にせん断変形するように配置固定してあるので次のような効果がある。
（１）ガセット部に偏心量が発生せず、横支材に付加的な応力が生じない。
（２）ブレース材の骨組長の伸縮に対して、せん断パネルが直接せん断変形してエネルギーを吸収できるので、軸降伏型ダンパーと同様に取扱うことができる。
（３）軸降伏型ダンパーに比べて構造が単純でメンテナンスが容易である。
（４）せん断パネル型ダンパーを二以上配置した場合は、大規模地震時の横力を受けて損傷を受けても、損傷したダンパーだけを取替えることができる。また、一個ずつ交換できるので全てのブレース材を同時に取外す必要がなくブレース材が安定するため、残っている他のせん断パネル型ダンパーが仮受け具の役割を果たし仮受け具を用意する必要がなく、仮受け具の設置、取外しの面倒がないため交換作業が容易になる。

（実施形態１）
本件発明の構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造の第１の実施形態を図１に示す。図１に示すものは橋梁、高層ビルや他の建築物等の構造物の一部であり、構造物の左右の主構部材１と上下の横支材（橋梁の場合は横支材であるが建築物の場合はフレーム横梁：以下いずれの場合も「横支材」という。）２と、Ｖ字状に配置された二本のブレース材３と、主構部材１と上の横支材２とのコーナー内側に固定されたガセットプレート４と、下の横支材２の軸方向中央部に固定されたガセットプレート４を備えている。

図１では、二つのせん断パネル型ダンパー５がブレース材３の軸方向両端にブレース材３を挟んで配置固定されている。ブレース材３の軸方向上端のせん断パネル型ダンパー５は、縦向きの主構部材１と上の横支材２のコーナーに固定された二枚のガセットプレート４とブレース材３の側面との間に挟まれて固定され、ブレース材３の軸方向下端のせん断パネル型ダンパー５は下の横支材２の軸方向中央部に固定した二枚のガセットプレート４とブレース材３の側面との間に挟まれて配置固定されている。この場合、せん断パネル型ダンパー５のウェブ材７（図２）をブレース材３の軸方向に向けて配置固定して、せん断パネル型ダンパー５がブレース材３の軸方向にせん断変形するようにしてある。この配置構造では、地震時に骨組構造が水平方向にδだけ変位すると、左右のブレース材３がそれぞれ±ΔＬ伸縮し、この場合、ブレース材３を降伏させずにせん断パネル型ダンパー５のせん断変形でこのΔＬの伸縮量を吸収することになるので、ブレース材両端のせん断パネル型ダンパー５はそれぞれΔＬ／２だけせん断変形することになる。このようにしてブレース材３の軸方向の伸縮がせん断パネル型ダンパー５のせん断変形に置き換わる。

ブレース材３にはＴ型鋼、Ｉ型鋼、Ｌ型鋼、Ｈ型鋼といった任意形状の鋼材が使用されている。図１、図４（ａ）、（ｂ）におけるガセット部分の立体的な構造図を図３に示す。図３ではブレース材３を挟み込むようにせん断パネル型ダンパー５を配置するので、せん断パネル型ダンパー５の外側に配置固定された二枚のガセットプレート４の間隔は広くなるが、橋梁における横支材２はＩ断面が多いので取付け上の問題は少ない。せん断パネル型ダンパー５とブレース材３との連結、ガセットプレート４との連結の夫々には図３のようにリベットとかボルト・ナット等の固定具１０を使用することができる。ボルトとナットで連結固定した場合はせん断パネル型ダンパー５の交換が容易であるという利点がある。せん断パネル型ダンパー５には所望の形状、構造のものを使用することができるが一例として図２に示す形状、構造のものが使用されている。

図２のせん断パネル型ダンパーは、二枚のベースプレート６間に一枚のウェブ材７が縦向きに配置されて溶接や他の手段で固定され、前記二枚のベースプレート６間であってウェブ材７の両端面に二枚のフランジプレート８が縦向きに且つウェブ材７と交差する向きに（図２では直交して）配置され、溶接や他の手段で固定されてユニット化されている。ガセットプレート４（図３）、ベースプレート６（図２）の寸法を変更することにより、二以上のせん断パネル型ダンパーを配置することができる。ウェブ材７には低降伏点鋼を使用して履歴型ダンパーとすることにより常時の横力に対しては弾性範囲内の高い剛性で抵抗するが、大規模地震時にはせん断塑性変形によりエネルギー吸収して地震力を減衰させることができるようにしてある。図２のように二枚のベースプレート６の夫々の周縁部には止め孔９が多数開口されている。

ブレース材３へのせん断パネル型ダンパー５の配置固定方法は図１、図４（ａ）、（ｂ）の他にも種々考えられる。主な例として図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）に示す方法もある。図５（ａ）、（ｂ）に示したものは、ブレース材３としてＨ型鋼を縦向きに使用し、このブレース材３のウェブ３ａの縦方向中央部にガセットプレート４をブレース材３のフランジ３ｂと平行に取付け、このガセットプレート４の上下とブレース材３のフランジ３ｂとの間に、せん断パネル型ダンパー５をそのウェブ材７がブレース材３のウェブ３ａと同方向になるように配置した例である。図６（ａ）、（ｂ）に示したものは、ブレース材３として角型鋼を使用し、このブレース材３の四方の外周面に二つのせん断パネル型ダンパー５を離して配置し、同じ外周面に配置したせん断パネル型ダンパー５同士を連結プレート１１で連結したものである。

図１ではせん断パネル型ダンパー５をブレース材３の軸方向両端部に二つずつ配置固定してあるが、夫々の端部に一つずつ使用することも、三つ以上使用することもできる。二以上使用する場合はサイズ、形状、構造、耐力の異なるもの又は同じものを所望の組み合わせで使用することができる。二以上のせん断パネル型ダンパー５はブレース材３の軸方向に接触させて並べることも離して並べることもでき、ブレース材３の軸方向と交差する方向（側方）に所望数を積重ねて配置固定することもできる。せん断パネル型ダンパー５はブレース材３の軸方向所望位置に配置固定することもでき、例えば、ブレース材３の軸方向一端だけとか、中間部だけといったように配置固定することもできる。

図７（ａ）、（ｂ）は、ブレース材３をそれよりも外形の大きな四角形の主構部材１と連結するために、ブレース材３の軸方向一端を主構部材１の外形寸法に合わせて内部空間を拡大してある場合に、その拡大部分にせん断パネル型ダンパー５を取付けた場合の一例である。図７（ａ）、（ｂ）ではブレース材３の拡大連結部１２の内側にせん断パネル型ダンパー５を配置し、せん断パネル型ダンパー５の内側のベースプレート６（図２）を内側のブレース材３の外周面の上に配置固定し、せん断パネル型ダンパー５の外側のベースプレート６をブレース材３の拡大部分の内側に配置固定してある。

（せん断パネル型ダンパー設置箇所の説明１）
本件発明のユニット型のせん断パネル型ダンパーは構造物の必要箇所に配置（設置）することができる。図８にビル鉄骨に配置した例を示す。図８は構造物の側面図である。このビル鉄骨の場合は、柱（主構部材）１と梁（横支材）２との間に横力に抵抗するために設けられたブレース材３の軸心交点側のガセット部１３とその下の横支材２との間、柱（主構部材）１と梁（横支材）２の交点とブレース材３の上端部１４との間の夫々にせん断パネル型ダンパー５を配置固定してある。

（せん断パネル型ダンパー設置箇所の説明２）
本件発明のせん断パネル型ダンパーの橋梁への適用例としてはブレース材３で構成された横構や対傾構など二次部材が考えられる。代表的な橋梁形式としてはトラス橋やアーチ橋が考えられる。図９（ａ）は上路式アーチ橋１５に設置する例であり、上路式アーチ橋の側方斜視図である。この場合は設置可能な箇所が多数あるため、設置にあたっては耐震解析を行った上で効果のある箇所を選んで設置することになる。

図９（ｂ）は上路式アーチ橋１５の補剛桁の横構システムを示すものであり、ブレース材３に本件発明のせん断パネル型ダンパー５をブレース材３の軸方向にせん断変形するように配置固定することができる。

図９（ｃ）は上路式アーチ橋１５のブレース材３の取付け構造を示すものであり、ブレース材３に本件発明のせん断パネル型ダンパー５をブレース材３の軸方向にせん断変形するように配置固定することができる。

図９（ｄ）は上路式アーチ橋１５のアーチリブの横構システムを示すものであり、ブレース材３に本件発明のせん断パネル型ダンパー５をブレース材３の軸方向にせん断変形するように配置固定することができる。

図８、図９（ｂ）〜（ｄ）のいずれの構造も、せん断パネル型ダンパー５を既設橋梁のガセット部の構造と置き換えることができ、新設橋梁の場合はせん断パネル型ダンパー５を前記ガセット部に新設時に配置固定することができる。

本件発明のせん断パネル型ダンパー取付け構造の一例を示す正面図。 本件発明のせん断パネル型ダンパーの一例（正方形の例）を示す斜視図。 本件発明のせん断パネル型ダンパー取付け構造の一例の詳細斜視図。 （ａ）は本件発明のせん断パネル型ダンパー取付け構造の一例を示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。 （ａ）は本件発明のせん断パネル型ダンパー取付け構造の他例を示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 （ａ）は本件発明のせん断パネル型ダンパー取付け構造の他例を示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図。 （ａ）は外形を拡大したブレース材の側面と、Ａ−Ａ部分断面と、Ｂ−Ｂ部分断面の説明図、（ｂ）は外形を拡大したブレース材の内側にせん断パネル型ダンパーを取付けた場合の側面と、Ｃ−Ｃ部分断面、Ｄ−Ｄ部分断面、Ｅ−Ｅ部分断面の説明図。 ビル鉄骨への本件発明のせん断パネル型ダンパーの設置箇所を示す正面概略図。 （ａ）は上路式アーチ橋の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部分に本件発明のせん断パネル型ダンパーを配置固定した場合の説明図、（ｃ）は（ａ）のＢ部分に本件発明のせん断パネル型ダンパーを配置固定した場合の説明図、（ｄ）は（ａ）のＣ部分に本件発明のせん断パネル型ダンパーを配置固定した場合の説明図。 （ａ）は従来のせん断パネル型ダンパー取付け構造の正面図、（ｂ）は（ａ）の取付け構造に使用されるせん断パネル型ダンパーの斜視図、（ｃ）は（ａ）のせん断パネル型ダンパー部分の説明図。 従来のせん断パネル型ダンパーにおけるウェブ材のせん断塑性変形によるエネルギー吸収の説明図。 従来のせん断パネル型ダンパー取付け構造の説明図。

符号の説明

１ 主構部材
２ 横支材
３ ブレース材
３ａ ブレース材のウェブ
３ｂ ブレース材のフランジ
４ ガセットプレート
５ せん断パネル型ダンパー
６ ベースプレート
７ ウェブ材
８ フランジプレート
９ 止め孔
１０ 固定具
１１ 連結プレート
１２ 拡大連結部
１３ ガセット部
１４ ブレース材の上端部
１５ 上路式アーチ橋
１６ 補剛桁
１７ 横桁
１８ 支柱
１９ 横支材
２０ アーチリブ
２１ 横支材
Ａ フレーム横梁
Ｂ ガセットプレート
Ｃ せん断パネル型ダンパー
Ｄ ベースプレート
Ｅ ウェブ材
Ｆ フランジプレート
Ｇ ブレース材
Ｐ_H 横力

Claims (2)

1. ブレース材を備えた構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造において、せん断パネル型ダンパーをブレース材の軸方向にせん断変形するように配置固定したことを特徴とする構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造。
2. 請求項１記載のせん断パネル型ダンパー取付け構造において、せん断パネル型ダンパーをブレース材の一又は二以上の箇所に配置固定し、二以上のせん断パネル型ダンパーを配置固定する場合は耐力の異なるもの又は同じものが使用され、それらがブレース材の軸方向に並べて又は／及び重ねて配置固定されたことを特徴とする構造物へのせん断パネル型ダンパー取付け構造。

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