JP2011006903A

JP2011006903A - 耐震架構

Info

Publication number: JP2011006903A
Application number: JP2009151011A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Terada; 岳彦寺田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】引張材からなる１組のブレース部材を引張側のみならず圧縮側においても有効に機能させる。
【解決手段】１組の引張材からなるブレース部材３（３ａ、３ｂ）の双方に均等なプレテンションN₀を導入してそれらの両端部をそれぞれ架構フレームに対して定着するとともに、架構フレームが一方向に変形した際に引張側となる一方のブレース部材３ａが降伏する以前に圧縮側となる他方のブレース部材３ｂに導入されているプレテンションが消失するように該プレテンションを設定する。ブレース部材に導入されたプレテンションが消失した時点で作動しその拘束力低下を補償する他の１組の補助ブレース部材を併設する。
【選択図】図１

Description

本発明は耐震構造の建物に係わり、特に柱梁による架構にブレースを設置した耐震架構に関する。

周知のように、中低層建物を対象とした耐震性に優れる架構形式として一般的なブレース構造は、柱および梁により構成される架構フレーム（軸組）内に１組のブレース部材を設置するものであって、地震時に架構フレームに作用する水平せん断力により双方のブレース部材に圧縮力と引張力が交互に載荷され、それら双方のブレース部材の圧縮耐力と引張耐力によって両方向の水平せん断力に抵抗することが基本である。しかし、圧縮側のブレース部材が早期に座屈してせん断力を充分に負担できない場合も多く、その場合には主として引張側のブレース部材の引張耐力により水平せん断力に抵抗する設計とすることが一般的である。

また、たとえば非特許文献１に示されるようにワイヤロープ等の高強度線材をブレース部材として用いるワイヤブレースによる架構も公知であるが、その場合、ブレース部材としてのワイヤロープは当然に圧縮耐力を有しないので引張耐力のみで水平せん断力に抵抗することになる。

侯ほか、「ワイヤ拘束部材剛性を考慮した変位制御型ワイヤブレース付骨組の地震応答解析」、日本建築学会大会学術講演梗概集（中国）、2008年9月

上記のように従来一般のブレース架構では１組のブレース部材のうちの引張側のみしか有効に機能しないことが多く、その点では構造的に必ずしも合理的ではない。
勿論、双方のブレース部材を常に有効に機能させるためにはブレース部材の圧縮耐力を増強して座屈強度を高めれば良いのであるが、そのためにはブレース部材の断面を大きくして細長比を充分に小さくするか、あるいは何らかの補剛要素を付加して早期に座屈しないような設計とする必要があり、いずれもコスト的に不利であるばかりでなく、架構剛性が必要以上に大きくなってしまって建物全体の構造的なバランスの点で好ましくない場合もある。

上記事情に鑑み、本発明は上記のような従来一般のブレース架構の欠点を解消して双方のブレース部材を有効に機能せしめることができ、併せて架構剛性を適正に調整することが可能な有効適切な耐震架構を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、建物の柱および梁からなる架構フレームに対し、該架構フレームに作用する水平せん断力に対して抵抗して層間変形を拘束する１組の引張材からなるブレース部材を設置してなる耐震架構であって、前記ブレース部材の双方に均等なプレテンションを導入してそれらブレース部材の両端部をそれぞれ前記架構フレームに対して定着するとともに、前記架構フレームが一方向に変形した際に引張側となる一方のブレース部材が降伏する以前に圧縮側となる他方のブレース部材に導入されているプレテンションが消失するように該プレテンションを設定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記載の発明の耐震架構であって、前記１組のブレース部材に加えて、該ブレース部材に導入されたプレテンションが消失した時点で作動して該ブレース部材による拘束力低下を補償する他の１組の補助ブレース部材を併設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２記載の発明の耐震架構であって、前記１組の補助ブレース部材はそれぞれ前記架構フレームの対角線よりも長い線材が該対角線に沿って配設され、前記架構フレームが変形して圧縮側のブレース部材に導入されているプレテンションが消失した時点で引張側の補助ブレース部材が緊張して拘束力を発現するように構成してなることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１，２または３記載の発明の耐震架構であって、前記柱に対して前記梁をピン接合することによって前記架構フレームを構成してなることを特徴とする。

本発明の耐震架構によれば、１組のブレース部材に均等なプレテンションを導入したことにより、ブレース部材として単なる引張材を用いているにも拘わらず、変形の初期段階においては圧縮側のブレース部材のプレテンションが消失するまでは双方のブレース部材が同時に拘束力を発揮し、変形が大きくなって圧縮側のブレース部材のプレテンションが消失した時点以降は通常のように引張側のブレース部材のみが機能するものとなる。
したがってブレース部材の圧縮耐力により拘束力を確保する通常のブレース構造のようにブレース部材の座屈を考慮する必要はないことは言うに及ばず、ブレース部材の引張剛性とそれに導入するプレテンションを適正に設定することにより架構剛性の変形特性を適正に調整することも可能である。
また、本発明の耐震架構では圧縮側のブレース部材のプレテンションが消失するまでは線形弾性状態を保つばかりでなく、その後も引張側のブレース部材が降伏するまでは非線形弾性状態を保つから、従来一般の架構に比べて大変形に至るまで弾性変形状態が維持されるという好ましい変形特性が得られる。

さらに、上記のブレース部材に加えて、そのブレース部材による拘束力低下を補償するための他の１組の補助ブレース部材を併設することにより、ブレース部材のプレテンションが消失した以降も拘束力が低下することなく確保できるし、線形弾性変形の範囲をより拡大することが可能である。

本発明の第１実施形態を示す図である。同、第２実施形態を示す図である。同、ブレース部材の設置パターンを示す図である。

本発明の耐震架構の第１実施形態を図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
これは（ａ）に示すように建物の柱１および梁２からなる架構フレームに対し、１組２本のワイヤからなるブレース部材３（３ａ、３ｂ）を対角線に沿ってＸ状に設置したものであるが、双方のブレース部材３を予め緊張して双方に均等なプレテンション（初期導入張力）N₀を導入し、それらブレース部材３の両端部をそれぞれ架構フレームに対して定着することにより、プレテンションN_Oの反力を架構フレームに負担させたものとなっている。
この状態では、双方のブレース部材３に導入したプレテンションN₀の反力の水平方向成分Hは H＝N₀cosθ（θはブレース部材３と梁２とのなす角度）となり、その反力がそれぞれ架構フレームに対して逆向きに作用して全体が静的にバランスしたものとなっている。
なお、本実施形態における架構フレームは柱１に対して梁２がピン接合されて構成されており（したがってこれはラーメン架構ではなく、この架構自体の剛性は無視し得るものである）、そのような架構フレームに対してブレース部材３としてのワイヤの両端部を単に連結すれば良い。

本実施形態の耐震架構における水平力と架構フレームの変形状態を（ｂ）に示す。
上側の梁２に対して一方向（図示では右方向）にせん断力Qが作用した場合、各ブレース部材３の張力は、引張側のブレース部材３ａではプレテンション（初期導入張力）N₀からΔNだけ増大して N₀＋ΔN に増大し、逆に圧縮側のブレース部材３ｂでは N₀−Δn に減少する。それにより架構フレームに対する水平反力は、引張側においては H₁＝(N₀＋ΔN)cosθ に増大し、圧縮側では H₂＝(N₀−ΔN)cosθ に減少する。
この場合、せん断力Qは Q＝H₁-H₂ であるから、 Q＝H₁-H₂＝2ΔNcosθ となる。

上記の場合におけるせん断力Qと架構フレームの変位Dとの関係を（ｃ）に示す（上述したように架構フレーム自体の剛性は無視している）。
せん断力Qが増加するにつれて架構フレームに変位Dが生じ、上記のように引張側のブレース部材３ａには引張力が載荷されるとともに圧縮側のブレース部材３ｂには引張力が除荷される。そして、架構変位がd₁となった時点で ΔN＝N₀ となって圧縮側のブレース部材３ｂに予め導入されていたプレテンションN_Oが消失し、それ以降は引張側のブレース部材３ａが単独でせん断力を負担するので架構剛性は1/2になる。
さらにせん断力が増加し、引張側のブレース３ａが降伏を起こす変位d₂に達すると架構の剛性はゼロになる。

このように、本実施形態の耐震架構では１組のブレース部材３（３ａ、３ｂ）に均等なプレテンションN_Oを導入したことにより、圧縮側のブレース部材３ｂのプレテンションが消失するまでは双方のブレース部材３ａ、３ｂが同時に拘束力を発揮するものとなる。つまり、ブレース部材３として単なるワイヤ（引張材）を用いているにも拘わらず、変形の初期段階では引張側のブレース部材３ａのみならず圧縮側のブレース部材３ｂも有効に機能し、変形が大きくなって圧縮側のブレース部材３ｂのプレテンションが消失した時点以降は通常のように引張側のブレース部材３ａのみが機能するものとなる。
したがってブレース部材の圧縮耐力により拘束力を確保する通常のブレース構造のようにブレース部材の座屈を考慮する必要はないことは言うに及ばず、ブレース部材３の引張剛性とそれに予め導入するプレテンションN₀を適正に設定することにより架構剛性の変形特性を適正に調整することも可能である。
そして、本実施形態の耐震架構では、（ｃ）に示されるように圧縮側のブレース部材３ｂの張力が消失するまでは線形弾性状態を保つばかりでなく、その後も架構剛性は1/2に低下するものの引張側のブレース部材３ａが軸降伏するまでは非線形弾性状態を保つから、従来一般の架構に比べて大変形に至るまで弾性変形状態が維持されるという好ましい変形特性が得られる。
しかも、ブレース部材３に導入されたプレテンションN_Oの反力の水平方向成分H₁,H₂は梁２に対してコンプレッションとして導入されることになり、したがって梁２は実質的にプレストレスが導入されたものとなってその力学的性能を改善できる利点もある。

次に、本発明の第２実施形態を図２（ａ）〜（ｃ）に示す。
本第２実施形態の耐震架構は、（ａ）に示す特性のブレースシステムＡと、（ｂ）に示す特性のブレースシステムＢとを組み合わせてそれらを並列に設置することにより、（ｃ）に示すようなトータルブレースシステムを構成するものである。
ブレースシステムＡは図１（ａ）に示した第１実施形態の耐震架構と全く同様のもの、つまり柱１と梁２とによる架構フレーム内にワイヤからなる１組のブレース部材３（３ａ、３ｂ）を設置して双方に均等なプレテンションN_Oを導入したものである。
ブレースシステムＢについては図示は省略したが、これは上記のブレースシステムＡにおけるブレース部材３に導入されているプレテンションN_Oが消失した時点でその拘束力低下を補助ブレース部材により補償する構成のものであり、たとえば非特許文献１に示されるようなワイヤブレースを補助ブレース部材として利用するものが好適である。
具体的には、架構フレームの対角線よりも若干長いワイヤを補助ブレース部材として対角線に沿ってＸ状に配設しておいて、（ｂ）に示すように架構フレームの変形がd₁に達した時点、つまりブレースシステムＡにおける圧縮側のブレース部材３ｂに導入されているプレテンションが消失した時点で補助ブレース部材が緊張してその時点から拘束力を発現するようにしておけば良い。その場合、双方の補助ブレース部材が緊張するまでは単に弛ませておくことでも良いが、あるいは非特許文献１に示されるように双方の補助ブレース部材をワイヤ拘束部材により拘束しておいても良い。

本第２実施形態では、ブレースシステムＡとブレースシステムＢとを組み合わせたトータルブレースシステムとすることにより、（ｃ）に示すようにブレースシステムＡにおけるブレース部材のプレテンションが消失した以降の剛性低下がブレースシステムＢにおける補助ブレース部材により補償され、したがって第１実施形態の耐震架構（つまりブレースシステムＡのみ）に比べて線形弾性変形の範囲を拡大することができ、引張側の補助ブレース部材が降伏するまで線形弾性変形を維持することが可能である。

以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であればたとえば以下に列挙するような適宜の応用や設計的変更が可能である。

上記実施形態におけるブレース部材３の設置パターンは、図１（ａ）に示したように、また図３（ａ）に示すように、１組のブレース部材３ａ、３ｂを各層の架構フレーム内にＸ形に設置することが最も一般的であるが、ブレース部材の設置パターンは任意であってたとえば架構フレーム内にいわゆるＫ形で設置しても良いし、隣接する２つの架構フレームにそれぞれ別方向のブレース部材を１本ずつ設置してそれらで１組を構成することでも良い。さらに図３（ｂ）に示すように２層ごとにＸ形に設置することも考えられる。
いずれにしても、ブレース部材の設置パターンや設置位置、所要数は、建物の形状や規模、構造的な方向性、要求される耐震性能等の諸条件を考慮して最適に設計すれば良い。

ブレース部材３としてはワイヤを用いることが現実的であるが、所望の引張剛性を有しかつ所望のプレテンションを導入できる引張材であれば良く、その限りにおいてたとえば小断面の鋼棒（ロッド）や帯状の鋼板（フラットバー）も採用可能である。また、ワイヤを用いる場合にはＰＣ鋼線が現実的であるが、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミドファイバ等の高強度繊維を素材とする高強度線材も採用可能である。

上記実施形態は柱と梁とをピン接合した架構フレームへの適用例であるので、それらを剛接合する通常のラーメン架構に適用する場合に比べて構造的な挙動が単純かつ明快になり、また接合部の構造が簡略化されるので施工性の点でも有利であるが、本発明はそれに限定されるものでもなく、通常のラーメン架構に対して同様にブレース部材を設置し同様にプレテンションを導入することでも同等の効果が得られる。もちろん、その場合には架構自体の剛性も考慮してブレース部材の引張剛性やそれに導入するプレテンションを適正に設定すれば良い。

本発明の耐震架構に適切なダンパー（減衰要素）を組み合わせることも考えられ、それにより圧縮側のブレース部材の張力が消失して架構剛性が低下することによる耐震性の低下を回避することができる。
すなわち、架構に組み込む減衰要素の減衰係数C、架構の有効質量m、固有角振動数ω、その系の減衰定数hとすると、 h＝C/2mω の関係にあり、圧縮側のブレース部材の張力が消失して架構剛性が1/2になると固有角振動数ωは1/√2になるから、結果的に系の減衰定数hは√2倍になり、架構剛性が低下しても耐震性に悪影響が及ぶことはない。

１柱
２梁
３（３ａ、３ｂ）ブレース部材
N_O プレテンション（初期導入張力）

Claims

建物の柱および梁からなる架構フレームに対し、該架構フレームに作用する水平せん断力に対して抵抗して層間変形を拘束する１組の引張材からなるブレース部材を設置してなる耐震架構であって、
前記ブレース部材の双方に均等なプレテンションを導入してそれらブレース部材の両端部をそれぞれ前記架構フレームに対して定着するとともに、
前記架構フレームが一方向に変形した際に引張側となる一方のブレース部材が降伏する以前に圧縮側となる他方のブレース部材に導入されているプレテンションが消失するように該プレテンションを設定してなることを特徴とする耐震架構。
請求項１記載の耐震架構であって、
前記１組のブレース部材に加えて、該ブレース部材に導入されたプレテンションが消失した時点で作動して該ブレース部材による拘束力低下を補償する他の１組の補助ブレース部材を併設してなることを特徴とする耐震架構。
請求項２記載の耐震架構であって、
前記１組の補助ブレース部材はそれぞれ前記架構フレームの対角線よりも長い線材が該対角線に沿って配設され、前記架構フレームが変形して圧縮側の前記ブレース部材に導入されているプレテンションが消失した時点で引張側の前記補助ブレース部材が緊張して拘束力を発現するように構成してなることを特徴とする耐震架構。
請求項１，２または３記載の耐震架構であって、
前記柱に対して前記梁をピン接合することによって前記架構フレームを構成してなることを特徴とする耐震架構。