JP2011089307A

JP2011089307A - ブレースダンパー

Info

Publication number: JP2011089307A
Application number: JP2009243327A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hanzawa; 徹也半澤; Kazuhiko Isoda; 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: JP5294127B2

Abstract

【課題】簡略な構成で簡易に製作可能でありコストダウンを図ることのできる有効適切なブレースダンパーを提供する。
【解決手段】両端が建物に対して固定される帯板状の鋼板からなる芯材１１と、該芯材に装着されて該芯材の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材１２からなる。芯材に幅狭部としての降伏部１１ａを設ける。拘束部材としての溝形鋼１２ａの幅寸法を降伏部１１ａの幅寸法と同等とし、降伏部の位置において双方の溝形鋼のフランジに連結鋼材１２ｂを締結して両側の溝形鋼どうしを連結する。降伏部を芯材の端部側にずらして設ける。溝形鋼の端部どうしを端部連結鋼材により連結する。曲げ剛性の最小部にリブを設ける。連結鋼材としてカットティー鋼を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーに関する。

この種のブレースダンパーとしては、本出願人が先に提供した特許文献１に示されるものが周知である。
これは、図５に示すように、両端が建物に対して固定される帯板状の鋼板からなるブレース本体１の周囲に、ブレース本体１の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材２を装着したもので、地震時に所定軸力を受けた際にブレース本体１に幅狭部として形成している降伏部１ａが降伏して地震エネルギーを有効に吸収可能なものである。
そして、ブレース本体１の両端部にはリブプレート３が溶接されてそこでの断面は十字形とされており、このブレースダンパーはブレース本体１の両端部が建物に対して高力ボルト接合されることによってブレースの形態で設置されるようになっている。

上記従来のブレースダンパーにおける拘束部材２としてはチャンネル鋼材（溝形鋼）２ａが使用されていて、（ｄ）に示すように対のチャンネル鋼材２ａを背中合わせにした状態でブレース本体１の両側に装着するとともにそれらのフランジどうしを対のカバープレート２ｂによって連結することにより全体としてＨ型の断面の拘束部材２が構成されている。
そして、その拘束部材２をブレース本体１全体を取り囲むようにして装着して一端側をブレース本体１に対して綴りボルト４により相対変位不能に固定するとともに、他端側はブレース本体１に対して長孔７の範囲内で軸方向相対変形可能な状態で連結することによって、降伏部１ａにおける軸方向の変形を許容しつつブレース本体１全体の面外座屈を防止するようにしている。

上記従来のブレースダンパーはその外観が実質的に単なるＨ形鋼と同様であり、したがって通常のブレースと同様の形態で容易に設置することが可能であり、それによりブレースとしてのみならずダンパーとしても機能して優れた減衰効果が得られるものであり、広く普及する気運にある。

特開２００３−３１４０８０号公報

ところで、上記従来のブレースダンパーにおいては、特に降伏部１ａの位置において面外座屈が生じないように拘束部材２による補剛効果を充分に確保しなければならず、そのためにチャンネル鋼材２ａに対して補剛部材５として多数の縦リブや横リブを溶接してチャンネル鋼材１自体を充分に補剛しておく必要がある。また、降伏部１ａが拘束部材２の内側で幅方向に変位してしてしまう余地があると幅方向への面内座屈が生じて減衰性能が損なわれることから、（ｃ）に示すように拘束部材２の内側にそれを防止するための補剛材６を溶接する必要もある。
そのため、上記従来のブレースダンパーは拘束部材２の構成部品点数が多く、またそれらを溶接して組み立てるための工数も多いことから、必然的にコスト高とならざるを得ないものであり、その点では改良の余地を残しているものであった。

上記事情に鑑み、本発明は上記従来のブレースダンパーをさらに改良して構成の簡略化を実現し、以てより簡易に製作可能であって充分にコストダウンを図ることのできる有効適切なブレースダンパーを提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーであって、両端が建物に対して固定される帯板状の鋼板からなる芯材と、該芯材に装着されて該芯材の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材からなり、前記芯材は、両端部が建物に対して接合するための接合部とされているとともに、両接合部間に該芯材が所定軸力を受けた際に降伏して塑性化する降伏部と弾性変形限度内に留まる非塑性化部とが形成されていて、前記降伏部の幅寸法が前記接合部および前記非塑性化部の幅寸法よりも小さくされ、前記拘束部材は、前記芯材の両接合部間にわたる長さとされかつ前記降伏部の幅寸法と同等の幅寸法とされて前記芯材の両面側に装着されることにより該芯材を両面側から挟持して面外方向への座屈を全長にわたって拘束する一対２本の溝形鋼と、前記芯材の降伏部の位置において双方の溝形鋼のフランジに締結されて両側の溝形鋼どうしを連結するとともに前記降伏部の幅方向への座屈を拘束する一対の連結鋼材とにより構成され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記載の発明のブレースダンパーであって、前記降伏部は前記芯材のいずれか一方の接合部から略中央部までの範囲に形成されているとともに、前記非塑性化部は他方の接合部から前記降伏部までの範囲に形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載のブレースダンパーであって、前記芯材の前記一方の接合部にはスリットが形成されていて、該接合部を両側から挟持する両側の溝形鋼の端部どうしを連結するための端部連結鋼材が該スリット内に前記芯材の軸方向に変位可能に挿通され、該端部連結構造の両端部が両側の溝形鋼のフランジに対して接合されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２または３記載のブレースダンパーであって、前記溝形鋼には、前記芯材の前記一方の接合部と前記降伏部との間を補剛するためのリブが設けられていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１，２，３または４記載のブレースダンパーであって、前記連結鋼材は、前記溝形鋼のフランジどうしを連結する平板部の背面側にリブが一体に形成された断面Ｔ状のカットティー鋼からなることを特徴とする。

本発明のブレースダンパーによれば、拘束部材を構成する溝形鋼を降伏部の幅寸法に相当する小断面としてその溝形鋼と連結鋼材とによって降伏部全体を取り囲むような拘束部材としているので、降伏部に要求される補剛性能は充分に確保することができ、降伏部の面外座屈を確実に防止することができる。また、降伏部以外の非塑性化部に対しては従来のように芯材全体を取り囲むものではないが、そこでは溝形鋼を非塑性化部に対して多数の綴りボルトにより締結固定しているので、溝形鋼のフランジ自体が従来の拘束部材における横リブとして機能するものとなり、したがって小断面の溝形鋼であっても横リブ付きの大断面の溝形鋼に遜色ないどころか寧ろ優れた補剛効果を確保することができる。
以上のことから、本発明のブレースダンパーは拘束部材を合理的に簡略化できるものであって、従来のものに比べて溝形鋼の小断面化、補剛材としての縦リブおよび横リブの省略、幅方向の面内座屈を拘束するための補剛部材の省略が可能であり、それによる部品点数や溶接個所数を大幅に削減でき、施工手間の軽減とコスト削減を充分に図ることができる。

特に、芯材に形成する降伏部の位置を芯材の中央部とするのではなく中央部から一方の接合部側にずらして形成することにより、曲げ剛性が最小となる部分を芯材の端部付近に設定することができ、従来のように降伏部を芯材の中央部付近に設定する場合に比べて有利である。
また、芯材の接合部にスリットを形成して両側の溝形鋼の端部どうしを端部連結鋼材により連結したり、曲げ剛性が最小となる部分においては溝形鋼にリブを設けることにより、拘束部材の端部での曲げ耐力を有効に増強し得て補剛効果を高めることができる
さらに、連結鋼材としてカットティー鋼を用いることにより降伏部に対する幅方向の拘束効果をより高めることができる。

本発明の実施形態であるブレースダンパーの概略構成を示す図である。同、組み立て状態を示す分解斜視図である。同、他の実施形態であるブレースダンパーの概略構成を示す図である。同、さらに他の実施形態であるブレースダンパーの概略構成を示す図である。従来のブレースダンパーの概略構成を示す図である。

本発明の実施形態であるブレースダンパーを図１〜図２を参照して説明する。
これは、帯板状の鋼板からなる芯材１１の外側にその芯材の面外座屈を拘束するための拘束部材１２を装着するものであり、芯材１１が上述した従来のブレースダンパーにおけるブレース本体１と同様に機能し、かつ拘束部材１２を溝形鋼（チャンネル鋼材）１２ａを主体として構成するものである点で従来のブレースダンパーと共通するものである。
但し、従来のブレースダンパーにおける拘束部材２はブレース本体１全体の幅寸法に相当するチャンネル鋼材２ａと、それらチャンネル鋼材２ａのフランジに全長にわたって締結されるカバープレート２ｂとにより構成されて、ブレース本体１全体を取り囲むように装着されていたのに対し、本実施形態の拘束部材１２はより小幅（小断面）の溝形鋼１２ａを用いることで全体構成の簡略化を図りつつ補剛効果を確保するようにしている。

図２に示すように、本実施形態のブレースダンパーにおける芯材１１は、両端部が建物に対して接合するための接合部１１ｃ、１１ｄとされ、それら接合部１１ｃ、１１ｄには上下にそれぞれフランジ１３が溶接されてＨ形断面とされていて、従来のブレースダンパーと同様に両接合部１１ｃ、１１ｄが建物に対して高力ボルト接合されることによって建物に対してブレースの形態で設置されることによりブレースとして機能するものである。
そして、この芯材１１の一方（図示では右側）の接合部１１ｃからほぼ中央部にかけて幅狭部としての降伏部１１ａが形成されているとともに、他方の接合部１１ｄから降伏部１１ａまでの間は非塑性化部１１ｂとされており、地震時に芯材１１全体が所定軸力を受けた際には降伏部１１ａが降伏して塑性変形して振動エネルギーを吸収し、非塑性化部１１ｂおよび接合部１１ｃ、１１ｄは弾性変形限度内に留まるようにされている。

拘束部材１２を構成する溝形鋼１２ａは芯材１１のほぼ全長にわたる長さとされて芯材１１の両側面に装着されるものであるが、図１（ａ）に示すように溝形鋼１２ａの幅寸法ｗ（建物に設置した状態では高さ寸法）は芯材１１の降伏部１１ａの幅寸法と同等とされ、したがって芯材１１全体の幅寸法ｗ₀（非塑性化部１１ｂおよび接合部１１ｃ、１１ｄの幅寸法）よりは小さくされている。
そして、それら一対の溝形鋼１２ａを芯材１１の両面に背中合わせ状態で装着し、両側の溝形鋼１２ａを芯材１１の非塑性化部１１ｂに対して多数の綴りボルト１４によって相対変位不能に一体に締結固定するとともに、溝形鋼１２ａの一端部は芯材１１の一方の接合部１１ｃに対して長孔１５の範囲内で軸方向に相対変位可能に連結している。
さらに、降伏部１１ａの位置においては双方の溝形鋼１２ａの上下のフランジに対して平鋼からなる連結鋼材１２ｂを締結して双方の溝形鋼１２ａどうしを強固に連結している。
したがって本実施形態における拘束部材１２は、降伏部１１ａの位置においては図１（ｃ）に示すように従来のブレースダンパーにおける拘束部材２と同様に対の溝形鋼１２ａと対の連結鋼材１２ｂとによってＨ形断面に組み立てられてこの拘束部材１２により降伏部１１ａ全体を取り囲むようにされているが、それ以外の範囲では連結鋼材１２ｂが省略されかつ溝形鋼１２ａの幅寸法ｗが芯材１１全体の幅寸法ｗ₀よりも小さくされていることから、非塑性化部１１ｂおよび両接合部１１ｃ、１１ｄでは芯材１１の上縁部および下縁部が溝形鋼１２ａの外側に露出する状態で両側の溝形鋼１２ａの間に挟持されたものとなる。

上記構成のもとに，本実施形態のブレースダンパーでは、溝形鋼１２ａを降伏部１１ａの幅寸法に相当する小断面のものとしてその溝形鋼１２ａと連結鋼材１２ｂとによって降伏部１１ａを取り囲むような拘束部材１２を採用しているので、降伏部１１ａに要求される補剛性能は充分に確保することができ、降伏部１１ａの面外座屈を確実に防止することができる。
特に、降伏部１１ａの幅方向の変形は連結鋼材１２ｂによって確実かつ直接的に拘束されるから、降伏部１１ａが拘束部材１２の内側で幅方向に変位する余地はなく、したがって従来の拘束部材２のように拘束部材２の内側にそれを防止するための補剛材６（図５（ｃ）参照）を溶接するような必要もない。

また、降伏部１１ａ以外の非塑性化部１１ｂおよび接合部１１ｃ、１１ｄに対しては従来のように芯材１１全体を取り囲むものではないが、そこでは溝形鋼１２ａを非塑性化部１１ｂに対して多数の綴りボルト１４により締結固定しているので充分な補剛効果を支障なく得られるばかりか、寧ろ従来よりも補剛効果を高めることができる。
すなわち、従来においてはブレース本体１全体の幅寸法と同等の大断面のチャンネル鋼材２ａを用いていることから、両側のチャンネル鋼材２ａのフランジどうしをカバープレー２ｂにより連結してもチャンネル鋼材２ａ自体のウェブによる補剛効果が充分に得られない場合もあり、そのためにチャンネル鋼材２ａには補剛部材５としての多数の縦リブや横リブを溶接する必要があったのであるが、本実施形態では溝形鋼１２ａの幅寸法を小さくしたことにより自ずと剛性が高められるし、その溝形鋼１２ａのフランジ自体が従来の拘束部材２における補剛部材５（横リブ）として機能するものとなり、したがって小断面の溝形鋼１２ａであっても従来のような横リブ付きの大断面のチャンネル鋼材２に遜色ないどころか寧ろ優れた補剛効果を確保することができる。

以上のことから、本実施形態のブレースダンパーは拘束部材１２を合理的に簡略化できるものであり、溝形鋼１２ａの小断面化、従来の補剛部材５としての縦リブおよび横リブの省略、従来の補剛材６の省略が可能であり、それによる部品点数や溶接個所数を大幅に削減でき、施工手間の軽減とコスト削減を充分に図ることができる。

なお、溝形鋼１２ａの一端側は芯材１１の一方の接合部１１ｃに対して軸方向に相対変形可能に連結する必要があり、そのため接合部１１ｃと連結鋼材１２ｂとの間にそれらが接触してしまうことを防止するための若干のクリアランスを確保する必要があることから、拘束部材１２の曲げ剛性はその近傍位置（図１（ａ）におけるＡ部）において最も小さくなってそこが補剛効果を確保するうえでのネックとなる。
そのため、その位置での拘束部材１２の曲げ耐力をそこに作用する曲げモーメントよりも大きくする設計とする必要があり、必要であればたとえば図３に示すように溝形鋼１２ａにはその位置にリブ１６を設けて溝形鋼１２ａをさらに補剛すると良い。

さらに、溝形鋼１２ａの端部は接合部１１ｃに対して充分にラップさせて溝形鋼１２ａの端部により接合部１１ｃを挟持することが好ましく、そのためには図３（ｂ）に示すように接合部１１ｃにスリット１７を形成してそのスリット１７に平鋼板からなる端部連結鋼材１２ｃを芯材軸方向にスライド可能に挿通させ、その端部連結鋼材１２ｃの両端部を両側の溝形鋼１２ａのフランジに溶接あるいは締結して接合すると良い。
これにより、拘束部材１２ａの端部の曲げ耐力を充分に増強し得てそこでの補剛効果を充分に高めることができる。この場合、上記実施形態のように芯材１１の接合部１１ｃに設けた長孔１５とそこでの綴りボルト１４による締結は省略しても良い。
なお、図５に示した従来のブレースダンパーではブレース本体１の端部にリブプレート３を溶接して十字型断面としているため、チャンネル鋼材２ａの端部をブレース本体１の端部にラップさせるとリブプレート３と干渉してしまうことから、チャンネル鋼材２ａにはリブプレート３との干渉を回避するためのスリット８を形成しておく必要があるが、本実施形態では芯材１１の接合部１１ｃ、１１ｄの上下にフランジ１３を溶接してそこでの断面をＨ形としているので従来のように溝形鋼１２ａの端部と接合部１１ｃとが干渉することがなく、したがってそれらを充分にラップさせたうえで両側の溝形鋼１２ａどうしを端部連結鋼材１２ｃにより連結することが可能であり、それにより曲げ剛性がネックとなる部分においても容易に座屈しない程度の充分な曲げ剛性を確保することができる。

また、降伏部１１ａの位置において溝形鋼１２ａどうしを連結する連結鋼材１２ｂとしては、図示例のように従来のカバープレート２ｂと同様に単なる平鋼板でも良いが、たとえば図４に示すように平鋼板の背面側にリブを一体に形成した断面Ｔ状の鋼材であるカットティー鋼（ＣＴ鋼）を用いても良く、それにより降伏部１１ａに対する幅方向の拘束効果をより高めることができる。

なお、座屈の検定に際しては芯材１１に作用する最大軸力の2%外力を拘束部材１２に作用させるが、曲げ剛性が最小となる点をなるべく端部付近に設定することにより検定用の曲げ外力を小さく抑えることができるので有利であり、したがって芯材１１に形成する降伏部１１ａの位置は従来のように芯材１１の中央部とするのではなく上記実施形態のように一方の接合部１１ｃ側にずらして形成することが好ましい。

以下、具体的な設計例を挙げて本発明の有効性を実証する。
階高4m、梁せい600mmの架構に対し、全長約4.2mのブレースダンパーを取付角度45度で設置する場合を想定する（両端部を架構に対して接合するために片側約300mmのスペースを見込む）。架構に対するダンパー両端の接合はピンによるものと仮定する。
芯材は、長さ（座屈長さ）4200mm、全幅ｗ₀＝374mm、降伏部の幅ｗ＝246mm、厚さ25mm、降伏点225N/mm²とする。降伏耐力は1380kN、最大耐力はひずみ効果を考慮してPmax＝2000kNとする。降伏部と溝形鋼との間には1mmのゴムシートを挟み、綴りボルトにより締結する非塑性化部には1mmのフィラーを挿入する。
溝形鋼は、C-250×90×11×14.5（断面積An＝5117mm²、断面二次モーメントIc＝3.29×10⁶mm⁴、重心距離Cy＝24mm）、連結鋼材は幅207mm、厚さ12mmの平鋼板とする。降伏点はいずれも235N/mm²とする。

この場合、拘束部材の断面二次モーメント（芯材は無視）は
I＝2(Ic＋An(27/2＋Cy)²＋12×207³/12)＝3.871×10⁷mm⁴
座屈荷重は
Pcr＝π²EI/4200²＝4440kN
となり、所要最大耐力Pmax＝2000kN以上を満足する。
非塑性化部では連結鋼材による拘束効果はないが、溝形鋼が芯材を挟んで一体化されているので、そこでの断面二次モーメント（芯材は無視）は
I＝2(Ic＋An(27/2＋Cy)²＝2.10×10⁷mm⁴
座屈荷重は座屈長さを2270mmとして
Pcr＝π²EI/2270²＝8234kN
となり、ここでも所要最大耐力Pmax＝2000kNを満足する。

ダンパー中央部で拘束部材に作用する力を0.02Pmaxとしたときの最大曲げモーメントは Mo＝0.02Pmax×4200/4＝41328Nm
であるが、連結鋼材がない溝形鋼のみの降伏曲げ耐力は
My＝Zyσy＝47620Nm
であり、最大曲げモーメントMo＝41328Nm以上を満足する。
最も曲げ剛性が小さい位置においては、拘束部材と芯材とが一体化されないと仮定し、降伏曲げ耐力を一つの溝形鋼の降伏曲げ耐力Myの2倍とし、溝形鋼の弱軸の断面係数が
49.9cm³、σy＝235N/mm²とすると、
My＝11726.5×2＝23453Nm
となり、この点に0.02Pmaxが作用するとしたときのモーメントM₀₂は
M₀₂＝(0.02Pmax)ab／L＝22431Nm
であり、My＝23453Nm＞M₀₂＝22431Nm であるから、以上により全体座屈は生じない。

１１芯材
１１ａ降伏部
１１ｂ非塑性化部
１１ｃ接合部（一方の接合部）
１１ｄ接合部（他方の接合部）
１２拘束部材
１２ａ溝形鋼
１２ｂ連結鋼材
１２ｃ端部連結鋼材
１３フランジ
１４綴りボルト
１５長孔
１６リブ
１７スリット

Claims

建物にブレースとして設置されるとともに建物の振動エネルギーを吸収するダンパーとしても機能するブレースダンパーであって、
両端が建物に対して固定される帯板状の鋼板からなる芯材と、該芯材に装着されて該芯材の軸方向変形を許容しつつ面外座屈を防止する拘束部材からなり、
前記芯材は、両端部が建物に対して接合するための接合部とされているとともに、両接合部間に該芯材が所定軸力を受けた際に降伏して塑性化する降伏部と弾性変形限度内に留まる非塑性化部とが形成されていて、前記降伏部の幅寸法が前記接合部および前記非塑性化部の幅寸法よりも小さくされ、
前記拘束部材は、前記芯材の両接合部間にわたる長さとされかつ前記降伏部の幅寸法と同等の幅寸法とされて前記芯材の両面側に装着されることにより該芯材を両面側から挟持して面外方向への座屈を全長にわたって拘束する一対２本の溝形鋼と、前記芯材の降伏部の位置において双方の溝形鋼のフランジに締結されて両側の溝形鋼どうしを連結するとともに前記降伏部の幅方向への座屈を拘束する一対の連結鋼材とにより構成されてなることを特徴とするブレースダンパー。
請求項１記載のブレースダンパーであって、
前記降伏部は前記芯材のいずれか一方の接合部から略中央部までの範囲に形成されているとともに、前記非塑性化部は他方の接合部から前記降伏部までの範囲に形成されていることを特徴とするブレースダンパー。
請求項２記載のブレースダンパーであって、
前記芯材の前記一方の接合部にはスリットが形成されていて、該接合部を両側から挟持する両側の溝形鋼の端部どうしを連結するための端部連結鋼材が該スリット内に前記芯材の軸方向に変位可能に挿通され、該端部連結構造の両端部が両側の溝形鋼のフランジに対して接合されていることを特徴とするブレースダンパー。
請求項２または３記載のブレースダンパーであって、
前記溝形鋼には、前記芯材の前記一方の接合部と前記降伏部との間を補剛するためのリブが設けられていることを特徴とするブレースダンパー。
請求項１，２，３または４記載のブレースダンパーであって、
前記連結鋼材は、前記溝形鋼のフランジどうしを連結する平板部の背面側にリブが一体に形成された断面Ｔ状のカットティー鋼からなることを特徴とするブレースダンパー。