JP2010174534A - 制振構造 - Google Patents

Abstract

【課題】基礎工法の合理化をはかり、且つ中規模地震時の制振効果を上部構造に依存しない制振構造とすることにより、上部構造の耐力パネルの設計を容易にする。
【解決手段】建物荷重支持部１上に設置された束２で支持された基礎梁３と、基礎梁３と第１層梁４との間に所定間隔で立設された一対の柱１０ａ、１０ｂと、一対の柱を連結する連結部１１とからなる耐力パネルＡと、一対の柱の両方あるいは一方の柱１０ａ下方で、建物荷重支持部１と基礎梁３との間の位置に介装され、基礎梁１の上下方向の変位を減衰させる制振部材Ｂとからなる。基礎梁３は、制振部材Ｂによって変形が常に弾性域内に留まるように構成され、連結部１１は、弾塑性変形してエネルギー吸収するエネルギー吸収部を備え、中地震時には制振部材Ｂによってエネルギー吸収がなされ、大地震時には制振部材Ｂ及び耐力パネルＡによってエネルギー吸収がなされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、中規模地震時の制振効果を基礎梁よりも上部に構成された上部構造に依存しないようにした制振構造に関するものである。

ブレースや耐力壁、耐力パネル等の耐震要素を有する建物に地震等の水平力が作用した場合、耐震要素下端の水平力の作用方向側には耐力パネル下部横架材を押し下げようとする力が作用し、水平力の作用方向とは逆側には下部横架材を浮き上がらせようとする力が作用する。１階に設置される耐力パネルの場合この力は基礎に伝達される為、基礎にはこの力に耐え得る強度と剛性が必要である。

戸建て住宅等の低層で軽量な木造や鉄骨造の建物の基礎梁として、鋼製の基礎梁とフーチング、ベタ基礎（耐圧盤）、杭等とを組み合わせて構成される、いわゆる鉄骨基礎（鋼製基礎）と呼ばれる基礎が存在する。鉄骨基礎は、鉄筋コンクリートで一体的に構築される一般的な基礎に比べて工期を短くすることができる、基礎梁のリサイクルやリユースが容易である、解体時の廃棄物の量を減らすことができる、といった点で優れている。しかし、一般的な基礎に比べて剛性が低いので、水平力が作用した際の耐震要素の剛体変形に追従してしまい、耐震要素が本来有する性能を発揮しにくいという問題がある。また、腐蝕を防止する為に鋼製基礎梁を地盤から離した場合、基礎梁のせいが確保しにくくなり剛性の確保が更に難しくなる。

特許文献１には、連層のブレースを有する架構において、杭と縁切りされた柱や基礎梁の下端の凸部と杭上端の凹部とを嵌め合わせて、水平力が作用した場合に一方の柱が杭に対して浮き上がるようにし、更に凸部の垂直面と凹部の垂直面の間に粘弾性体等のエネルギー吸収装置を設けた制震（「制振」と同義）構造の記載がある。この技術によれば、水平力が作用し一方の柱が浮き上がった時にエネルギー吸収装置が減衰性能を発揮し浮き上がり量が制御されることによって制振効果が期待される。

特開２００２−２７６１９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、柱が浮き上がる場合のみエネルギー吸収装置の減衰性能が発揮される。しかし、柱が下方に押し込まれる場合は凸部の水平面と凹部の水平面は接触したままでありエネルギー吸収装置の減衰性能が発揮されない。

本発明の目的は、鉄骨基礎のメリットを損なうことなく、地震等の水平力に対する安全性の高い制振構造、特に中規模地震時の制振効果を上部構造に依存しない制振構造を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る制振構造は、建物荷重支持部上に設置された束で支持された基礎梁と、前記基礎梁と第１層梁との間に所定間隔で立設された一対の柱と、該一対の柱を連結する連結部と、からなる耐力パネルと、前記耐力パネルを構成する一対の柱の両方あるいは一方の下方で、且つ、前記建物荷重支持部と前記基礎梁との間の位置に介装され、前記基礎梁の上下方向の変位を減衰させる制振部材と、からなることを特徴とするものである。なおここで、建物荷重支持部とは、フーチング、ベタ基礎（耐圧盤）、杭等の建物の上部構造の荷重を支持し地盤に伝達する部位のことである。

上記制振構造に於いて、前記基礎梁は、前記制振部材によって、変形が常に弾性域内に留まるように構成され、前記耐力パネルを構成する連結部は、弾塑性変形してエネルギー吸収するエネルギー吸収部を備え、所定の大きさ以下の地震時には、前記制振部材によってエネルギー吸収がなされ、所定の大きさを超える地震時には、前記制振部材及び塑性変形する前記耐力パネルのエネルギー吸収部によってエネルギー吸収がなされることを特徴とするものである。

本発明に係る制振構造では、基礎梁の上下方向の変位を減衰させる制振部材を、建物荷重支持部と基礎梁との間であり、地震時に基礎梁の上下方向の変位が大きくなる部位である耐力パネルを構成する柱の下に介装したので、エネルギー吸収を効果に行うことができ、制振効果が最大限に発揮される。

更に、耐力パネルを構成する柱の下に制振部材を配置したので、該柱に作用する下向きの鉛直力の一部が制振部材によって負担され、建物荷重支持部が負担する鉛直荷重を低減することができる。

また、中地震（耐力パネルに層間変形角が1／２００まで許容される地震）の際には、基礎梁下の制振部材によって制振効果が発生するので、中地震時に耐力パネルで制振する必要がなく、耐力パネルの設計自由度が向上する。

本発明に係る制振構造を模式的に説明する図である。 制振部材の構成を説明すると共に耐力パネルとの関係位置を説明する図である。 地震時の挙動を説明する図である。 地震時の制振部材の挙動を説明する図である。 制振部材の他の例の構成を説明する図である。

本発明に係る制振構造は、基礎工法の合理化をはかり、中規模地震時の制振効果を上部構造に依存しない制振構造を実現することにより、上部構造の耐力パネルの設計を容易にし得るようにしたものである。

図１に示す制振構造は、建物荷重支持部（ベタ基礎）１の上部に配置された束２に基礎梁３が支持されており、この基礎梁３と第１層梁４との間に一対の柱１０ａ、１０ｂとこれら一対の柱１０ａ、１０ｂを連結する連結部１１とによって構成された耐力パネルＡが配置され、耐力パネルＡを構成する柱１０ｂの下方で且つ基礎梁３とベタ基礎１との間に制振部材Ｂが配置されている。

本発明に於いて、建物の構造や層数は限定するものではなく、木造の躯体、或いは鉄骨造の躯体を有する２階建て、３階建て等の建物に適用することが可能である。本実施例では、梁勝ち工法の軸組の各層に耐力パネルＡが配置された架構を有する２層の鉄骨造の工業化住宅に適用したものである。

建物荷重支持部１は建物の荷重を支持し該荷重を地盤に伝達し得る構造体であり、フーチング、ベタ基礎（耐圧盤）杭等を選択的に採用することが可能である。本実施例では、建物荷重支持部１として鉄筋コンクリート製のベタ基礎１を採用している。

基礎梁３は束２によって支持されることで、ベタ基礎１から離隔して配置されている。基礎梁３が如何なる位置で束２によって支持されるか、何ヶ所で支持されるかは限定するものではなく、少なくとも制振部材Ｂが設置されない状態で安定して支持されれば良い。

基礎梁３としては、建物の躯体構造に対応させて鋼製梁或いは木製梁等を選択的に採用することが可能である。本実施例では、Ｈ形鋼からなる鋼製梁によって基礎梁３を構成している。また、基礎梁３は第１層梁４と同じ梁せいを持つ同一仕様のＨ形鋼によって構成されている。このため、梁の品種を多くすることがなく、製造上、管理上の合理化をはかることが可能となる。

基礎梁３と第１層梁４の間であって、平面上の所定位置に耐力要素となる耐力パネルＡが配置されている。この耐力パネルＡは、中地震時には弾性挙動し、大地震時には塑性化してエネルギーを吸収する機能を有するものであり、既存の耐力パネルをそのまま採用することが可能である。

本実施例に於いて、耐力パネルＡは、所定の間隔をもって配置され、上下の端部が夫々基礎梁３と第１層梁４に対しボルトによってピン接合された一対の柱１０ａ、１０ｂと、一対の柱１０ａ、１０ｂの内部側に配置され、これらの柱１０ａ、１０ｂを連結する連結部１１とによって構成されている。

基礎梁３と第１層梁４の間に於ける耐力パネルＡの配置位置は限定するものではなく、躯体の設計時に適宜設定すべき事項である。本実施例では、耐力パネルＡは建物の出隅部に配置されており、一方の柱１０ａの下方に制振部材Ｂが配置され、他方の柱１０ｂの下方には束２が配置されると共に上方には第２層の柱５が配置されている。従って、他方の柱１０ｂは、一般部の柱と同様の機能をも有するものである。

連結部１１はエネルギーの吸収機能を有し、一対の柱１０ａ、１０ｂの間で縦方向に２組取り付けられている。

連結部１１は、一対の柱１０ａ、１０ｂに沿って取り付けられた一対の枠材１２と、一対の枠材１２どうしを連結するエネルギー吸収材１３とからなる。枠材１２は、縦枠１２ａと、一端が縦枠１２ａの高さ方向の中心位置に接合されて該縦枠１２ａとは直角をなす水平枠１２ｂと、一端が縦枠１２ａの上下端と接合され他端が水平枠１２ｂの他端と連結板を介して接合されることで斜めに配置された斜め枠１２ｃと、からなり、枠材１２は全体として二等辺三角形をなしており、高い剛性を有している。連結板にはボルト孔が穿設されており、このボルト孔を利用して枠材１２を構成する水平枠１２ｂ、斜め枠１２ｃが接合され、更に連結板どうしがエネルギー吸収材１３にて連結されている。

エネルギー吸収材１３は、正面視蝶形の板状の極低降伏点鋼板からなり、くびれ部分が所定の値を越える外力によって降伏し、塑性変形することで地震力のエネルギーを吸収するように構成されている。エネルギー吸収材１３の両端部にはボルト穴が穿設されており、このボルト穴を利用して枠材１２の連結板とボルト接合されている。エネルギー吸収材１３は、必要とされるエネルギー吸収量に応じて１または複数個連結し得るように構成されている。

なお、エネルギー吸収材１３は、所定の外力により塑性変形しエネルギー吸収しうる普通鋼や低降伏点鋼で構成されていてもよい。

束２の構造は特に限定するものではなく、基礎梁３の構造や材質に対応して適宜設定することが好ましい。本実施例では、鋼製の束２を採用している。また、第２層の柱５は、耐力パネルＡを構成する柱１０ａ、１０ｂと同一構成の鋼製の柱を採用している。

制振部材Ｂは、基礎梁３と第１層梁４の間に配置された耐力パネルＡを構成する一対の柱１０ａ、１０ｂの両方、又は一方の下方であって、基礎梁３とベタ基礎１の間に配置され、地震時に柱１０ａ、１０ｂに作用する力に応じて生じる基礎梁３の鉛直方向の変位を減衰させる機能を有するものである。

制振部材Ｂとしては、地震時にエネルギーを吸収し前記減衰機能を発揮し得るものであればいかなるものも採用することが可能である。このような機能を有するものとしては、後述する制振部材Ｂのように鋼材の塑性変形を利用したものの他に、高減衰ゴム等の粘弾性体を利用した粘弾性ダンパー、オイル等の粘性体を利用した粘性ダンパー、摩擦を利用した摩擦ダンパー等がある。そして、これらの中から目的の建物の躯体構造や、基礎梁３に生じるであろう鉛直方向の変位量等の条件を検討して適したものを採用することが好ましい。

本実施例では、制振部材Ｂは耐力パネルＡを構成する柱１０ａの下方に配置されており、地震時に柱１０ａに上下方向の力（軸力）が作用し、この軸力に応じて生じる基礎梁３の上下方向の変位を減衰し得るように構成されている。

制振部材Ｂは、図２に示すように、平面視中央において基礎梁３に固定される変位部２３と、変位部２３を取り囲むように複数配置されベタ基礎１に固定される脚部２６と、変位部２３と脚部２６とを連結する変形部２４とを有する。変位部２３は、基礎梁３の上下方向の変位に追従して変位する部位であり、想定される最大変位に基づいてその下方には空間２５が形成されている。変形部２４は、変位部２１の変位に伴って中地震よりも大きな地震の際に塑性変形するように設計され、この際にエネルギー吸収する部位である。

本実施例では、クランク形状の鋼板を４枚用意しこれらを平面視十字状に溶接等によって接合することで変位部２３、脚部２６、変形部２４が形成されている。また、変形部２４には、複数のスリット孔２４ａによって梯子状に形成され、せん断変形を生じやすいように構成されている。

また、脚部２６の下端には、矩形状をなし、各隅部にベタ基礎１にボルト固定する為の複数のボルト穴２１ａが形成された下部板２１が溶接等により取り付けられており、変位部２３の上端には、下部板２１と比較して小さい寸法を持った矩形状をなし、各隅部に基礎梁３の下フランジ３ａにボルト固定する為の複数のボルト穴２２ａが形成された上部板２２が溶接等により取り付けられている。従って、制振部材Ｂは、繰り返しの変形によって初期の性能が発揮されなくなった場合の交換作業を容易に行うことができる。

上記の如く構成された制振構造を採用した建物が中地震を受けた場合、図３（ａ）及び図４に示すように、水平力に応じた柱１０ａからの下向きの力が基礎梁３伝えられて基礎梁３に下向きの変位が生じ、基礎梁３の変位に伴って制振部財Ｂの変位部２３が下向きに変位する。そして、変位部２３の変位に伴って変形部２４に塑性域に達するせん断変形が生じ、このせん断変形によってエネルギーが吸収されて基礎梁３の変位が減衰する。

また、逆方向（図の左方向）の水平力が作用した場合は、同様のメカニズムによって制振部財Ｂの変位部２３が上向きに変位する。そして、変位部２３の変位に伴って変形部２４に逆方向の塑性域に達するせん断変形が生じ、このせん断変形によってエネルギーが吸収されて基礎梁３の下方への変位が減衰する。

一方、耐力パネルＡは、層間変形に応じて枠材１２が二等辺三角形の形状を維持したまま倒れ、連結部１１の変形はエネルギー吸収材１３に集約されるが、中地震の場合、エネルギー吸収材１３の変形は弾性域内に留まり、塑性変形を生じることがない。

上記建物が大地震を受けた場合、制振部材Ｂの挙動は中地震を受けた場合と同様である。一方、耐力パネルＡについては、図３（ｂ）に示すように、耐力パネルＡに作用する水平力が大きくなり、これに伴って層間変形も大きくなる。そして、連結部１１を構成する一対の枠材１２どうしを連結するエネルギー吸収材１３が塑性変形を生じる。このように、制振部材Ｂのエネルギー吸収に加えてエネルギー吸収材１３が塑性変形することにより、大地震の際にはより大きなエネルギーを吸収することができる。

上記構成によれば、基礎梁３の上下方向の変位を減衰させる制振部材Ｂを、建物荷重支持部であるベタ基礎１と基礎梁３との間であり、地震時に基礎梁３の上下方向の変位が大きくなる部位である耐力パネルＡを構成する柱１０ａの下に介装したので、エネルギー吸収を効果に行うことができ、制振効果が最大限に発揮される。

更に、耐力パネルＡを構成する柱１０ａの下に制振部材Ｂを配置したので、柱１０ａに作用する下向きの鉛直力の一部が制振部材Ｂによって負担され、建物荷重支持部であるベタ基礎１が負担する鉛直荷重を低減することができる。

また、中地震の際には、基礎梁３下の制振部材Ｂによって制振効果が発生するので、中地震時に耐力パネルＡで制振する必要がない。すなわち、中地震でエネルギー吸収材１３が適度に塑性化して制振するように耐力パネルＡを設計することは極めて難しいが、そのように設計する必要がなく、設計が容易な弾性変形に留める設計を行えばよい。従って、耐力パネルＡの設計自由度が向上する。

また、基礎梁３は、制振部材Ｂによって変位が抑制されるので、剛性や耐力を小さく設定し経済的な設計をすることができる。また、大地震時に想定される最大変位時にも塑性変形することがないように基礎梁３を設計しておくことで、大地震時を受けた場合にも耐力パネルＡのエネルギー吸収材１３や制振部材Ｂの交換のみで性能が回復でき、基礎梁３の交換を伴う大規模な修復工事を行う必要がない。

次に、制振部材Ｂの他の構成について図５により説明する。図に示す制振部材Ｂは、基礎梁３の変位を高減衰ゴム等の減衰部材によって減衰させるように構成されている。

制振部材Ｂは、下端部がベタ基礎１に固定され上端部が開放されたシリンダー３１と、上端部が基礎梁３の下フランジ３ａに固定され下端部がシリンダー３１の内部に挿通されたロッド３２と、シリンダー３１の内面ロッド３２の外面に接着されて介装される減衰部材３３と、を有して構成されている。

上記の如く構成された制振部材Ｂでは、地震時に耐力パネルＡを構成する柱１０ａに作用する軸力によって基礎梁３に上下方向への変位が生じたとき、この変位に伴ってロッド３２が上下方向に移動し、この移動時に減衰部材３３に変形が生じる。この変形によってエネルギーを吸収し基礎梁３の変位を減衰することができる。

本発明の制振構造は、鉄筋コンクリート以外の剛性が低く、且つリサイクルやリユースが容易な鉄骨造の躯体や、木造の躯体を持った建物の基礎に利用して有利である。

Ａ 耐力パネル
Ｂ 制振部材
１ ベタ基礎（建物荷重支持部）
２ 束
３ 基礎梁
３ａ 下フランジ
４ 第１層梁
５ 柱
１０ａ、１０ｂ 柱
１１ 連結部
１２ 枠材
１２ａ 縦枠
１２ｂ 水平枠
１２ｃ 斜め枠
１３ エネルギー吸収材
２１ 下部板
２１ａ ボルト穴
２２ 上部板
２２ａ ボルト穴
２３ 変位部
２４ 変形部
２４ａ スリット孔
２５ 空間
２６ 脚部
３１ シリンダー
３２ ロッド
３３ 減衰部材

Claims (2)

1. 建物荷重支持部上に設置された束で支持された基礎梁と、
   前記基礎梁と第１層梁との間に所定間隔で立設された一対の柱と、該一対の柱を連結する連結部と、からなる耐力パネルと、
   前記耐力パネルを構成する一対の柱の両方あるいは一方の下方で、且つ、前記建物荷重支持部と前記基礎梁との間の位置に介装され、前記基礎梁の上下方向の変位を減衰させる制振部材と、からなることを特徴とする制振構造。
2. 前記基礎梁は、前記制振部材によって、変形が常に弾性域内に留まるように構成され、
   前記耐力パネルを構成する連結部は、弾塑性変形してエネルギー吸収するエネルギー吸収部を備え、
   所定の大きさ以下の地震時には、前記制振部材によってエネルギー吸収がなされ、
   所定の大きさを超える地震時には、前記制振部材及び塑性変形する前記耐力パネルのエネルギー吸収部によってエネルギー吸収がなされることを特徴とする請求項１に記載した制振構造。

Images