JP2011094449A - 制振構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】制振ダンパーによる建築計画の制約を抑えつつ、低コストで地震時における建物全体の変形を低減させることができる制振構造物を提供することを目的としている。
【解決手段】柱２と梁３の端部との間に、柱面及び梁面に沿って屈曲されていると共に一端が柱２に固定されて他端が梁３の端部に固定された低降伏点鋼板からなる制振ダンパー４が介装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、梁端部と柱との間に制振ダンパーを介装させた制振構造物に関する。

近年、地球環境問題への取り組みとして、二酸化炭素排出量が少なく、且つ容易に組立解体できる乾式接合の柱梁接合構造が注目されている。柱梁の乾式接合法としては、ボルトによる接合法が一般的であるが、この接合法では、溶接接合法に比べて接合部の剛性が低くなり、地震時における建物全体の変形が大きくなるおそれがある。

そこで、建物の全体変形を抑制するために柱梁接合部に制振ダンパーを設置する制振構造がある。このような制振構造として、従来、方杖型制振ダンパーを用いたものと、粘弾性体制振ダンパーを用いたものと、制振合金板からなる制振ダンパーを用いたものと、が知られている。

上記した方杖型制振ダンパーを用いた制振構造としては、例えば下記特許文献１に記載されているような、梁端部の下面と柱上部（柱の層間部分の上部）の外周面との間に方杖型制振ダンパーが架設された構成のものがある。この方杖型制振ダンパーは、鋼板等の板材からなるダンパーであり、梁端部と柱上部との隅角部に配置されていると共に梁軸を含む鉛直面に沿って配置されている。このような制振構造では、上記した方杖型制振ダンパーの軸力によって梁軸方向の振動応力に抵抗することができ、その結果、地震時における建物全体の変形を低減させることができる。

また、上記した粘弾性体制振ダンパーを用いた制振構造としては、例えば下記特許文献２に記載されているような、梁端部の下面と柱上部の外周面との間に粘弾性体制振ダンパーが介装された構成のものがある。この粘弾性体制振ダンパーは、梁端部の下面に第１のプレートが垂設されていると共に、この第一プレートに対向させるように柱上部の外周面から第２のプレートが突設され、これら第１、第２のプレートの間に粘弾性体が介在された構成からなる。このような制振構造では、粘弾性体にせん断歪を発生させることでエネルギーを吸収することができ、その結果、地震時における建物全体の変形を低減させることができる。

また、上記した制振合金板からなる制振ダンパーを用いた制振構造としては、例えば下記特許文献３に記載されているような、梁端部の下面と柱上部の外周面との間に双晶型の制振合金板からなる制振ダンパーが介装された構成のものがある。前記した双晶型の制振合金とは、金属自体が振動を吸収する性質を有する合金であって、荷重を加えることで容易に双晶が発生し、且つ、その双晶が容易に移動する性質を有する合金である。このような制振合金からなる制振ダンパーを備えた制振構造では、制振ダンパーに振動エネルギー（運動エネルギー）が入力されると、上記した双晶の発生と移動によって上記振動エネルギーが熱エネルギーに変換される。その結果、建物に入力された振動が減衰され、地震時における建物全体の変形を低減させることができる。

特開２００３−２６１９９３号公報 特開２００５−２２０６１４号公報 特開２００７−２１１８４４号公報

しかしながら、上記した方杖型制振ダンパーや粘弾性体制振ダンパーを用いた従来の制振構造では、板状の制振ダンパーが、梁端部と柱との隅角部において、梁軸を含む鉛直面に沿って配置されており、梁端部と柱上部との隅角部が制振ダンパーで塞がれているので、制振ダンパーを避けて窓等の開口を設置したり天井工事を行ったりする必要があり、制振ダンパーによって建築計画が制約を受けるという問題がある。

また、上記した粘弾性体制振ダンパーや上記した制振合金板からなる制振ダンパーを用いた従来の制振構造では、粘弾性体や制振合金が高価であるため、制振ダンパーを多数の箇所に設置する場合には、コストが著しく高くなるという問題がある。

本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、制振ダンパーによる建築計画の制約を抑えつつ、低コストで地震時における建物全体の変形を低減させることができる制振構造物を提供することを目的としている。

本発明に係る制振構造物は、柱と梁の端部との間に、柱面及び梁面に沿って屈曲されていると共に一端が前記柱に固定されて他端が前記梁の端部に固定された低降伏点鋼板からなる制振ダンパーが介装されていることを特徴としている。

このような特徴の制振構造物では、地震などによって構造物が層間変位したり梁が上下振動したりして柱と梁の端部とが相対的に回転すると、その回転に追従して、低降伏点鋼板からなる制振ダンパーの屈曲部に曲げ変形と軸変形が同時に生じる。このように制振ダンパーの屈曲部が変形することにより、振動エネルギーが吸収されて構造物に入力された振動が減衰される。

また、本発明に係る制振構造物は、前記制振ダンパーのうち、前記梁に対する固定部と屈曲部との間に、梁面に沿って延在して梁軸方向に変形可能な軸変形部が設けられていることが好ましい。
これにより、地震などによって梁が軸変形すると、この梁の軸変形に追従して、梁側の固定部と屈曲部との間の軸変形部に軸変形が生じる。このように制振ダンパーの軸変形部が変形することにより、振動エネルギーが吸収されて構造物に入力された振動が減衰される。

さらに、本発明に係る制振構造物は、前記軸変形部に貫通孔が形成されていることが好ましい。
これにより、振動入力時における上記した制振ダンパーの曲げ変形と軸変形によって発生する応力が、軸変形部に形成された貫通孔の周囲に集中するため、振動エネルギーの吸収効果が向上する。

本発明に係る制振構造物によれば、制振ダンパーの屈曲部が変形することにより、構造物に入力された振動エネルギーが吸収されて振動が減衰されるので、地震時における建物全体の変形を低減させることができる。
また、柱と梁端部との隅角部に柱面及び梁面に沿って屈曲された板状の制振ダンパーが配設されるだけであり、上記隅角部がほとんど塞がれないので、制振ダンパーが建築計画を制約することが少ない。
また、低降伏点鋼板からなる制振ダンパーを使用するので、低コストで制振構造を提供することができる。

本発明の実施の形態を説明するための制振構造物の柱梁接合部の側面図である。 図１に示すＡ‐Ａ間の断面図である。 本発明の実施の形態を説明するための制振ダンパーの斜視図である。

以下、本発明に係る制振構造物の実施の形態について、図面に基いて説明する。

図１に示すように、制振構造物１は、柱２と梁３とからなるラーメン構造物に制振ダンパー４を設置した構造物であり、地震や風などによる振動を減衰させることができる構造物である。

上記した柱２は、鋼材からなる鋼製柱であり、例えば角筒形状の鋼管からなる鋼管柱である。この柱２の仕口部２０の下端部分および上端部分には、柱軸に対して垂直に配設されたダイヤフラム２１がそれぞれ設けられている。

図１、図２に示すように、上記した梁３は、鋼材からなる鋼製梁であり、具体的には、Ｈ形鋼からなる鉄骨梁である。この梁３の端部は、柱２に対して相対的に回転可能に接合されている。詳しく説明すると、梁３は、その端面と柱２の仕口部２０の外周面との間に隙間をあけて配置されている。そして、梁３の端部のウェブ３０には、後述するボルト１０が挿通される図示せぬボルト孔が縦方向に間隔をあけて複数形成されている。また、柱２の仕口部２０の外周面には、前記ウェブ３０に重ね合わせられるガセットプレート１１が突設されている。このガセットプレート１１には、上記したウェブ３０のボルト孔に孔合わせされた複数の図示せぬボルト孔が形成されており、このボルト孔及びウェブ３０のボルト孔に高力ボルト等のボルト１０を挿通させて締結することで、梁３の端部と柱２の仕口部２０とが乾式ピン接合されている。

上記した柱２と梁３の端部との間には、柱面及び梁面に沿って屈曲された板状の制振ダンパー４が介装されている。この制振ダンパー４は、降伏点が低く延性が高い性質を有する板状の低降伏点鋼材（低降伏点鋼板）からなる鋼材ダンパーであり、上記した柱２の外周面と梁３の端部の上面との間、及び柱２の外周面と梁３の端部の下面との間にそれぞれ介装されている。

詳しく説明すると、図１から図３に示すように、制振ダンパー４は、低降伏点鋼板を略Ｌ字状に屈曲させた部材であり、梁面に沿った水平部分が柱面に沿った鉛直部分よりも長尺に形成されている。この制振ダンパー４の概略構成としては、屈曲部４０と、柱２に固定された柱側固定部４１と、梁３に固定された梁側固定部４２と、前記した屈曲部４０と梁側固定部４２との間に設けられた軸変形部４３と、を備えている。

屈曲部４０は、略円弧状に折り曲げられた折り曲げ部であり、柱２と梁３の端部との隅角部分に配設されている。
柱側固定部４１は、屈曲部４０の一端（柱２側の端部）から下向き又は上向きに延設された平板部であり、柱面（柱２の外周面）に沿って鉛直に配設され、柱２の層間部分２１の上端部（仕口部２０の直下部分）や下端部（仕口部２０の直上部分）にボルト１２で接合されている。すなわち、柱２の層間部分２１の上端部（仕口部２０の直下部分）及び下端部（仕口部２０の直上部分）のうちの梁３側の面には、制振ダンパー４をボルト固定するための図示せぬボルト孔がそれぞれ形成されている。また、柱側固定部４１には、上記した柱２のボルト孔に連通するボルト孔４５が形成されている。そして、この柱側固定部４１のボルト孔４５及び柱２のボルト孔に高力ボルト等のボルト１２を挿通させて締結することで、柱側固定部４１が柱２に固定されている。

軸変形部４３は、梁軸方向に変形可能な平板部であり、屈曲部４０の他端（梁３側の端部）から梁３中央側に向けて延設されている。この軸変形部４３は、梁面（梁３の上下面）に沿って水平に配設され、梁３の下フランジ３１の下面や上フランジ３２の上面に重ねられている。また、軸変形部４３には、複数の貫通孔４４が形成されている。これら複数の貫通孔４４は、応力集中を意図的に発生させるための丸孔である。なお、貫通孔４４は、前述した目的に合致するものであれば、例えば楕円状等の他に任意の形状であってもよく、また、本実施の形態では、貫通孔４４が軸変形部４３全体に分布しているが、貫通孔４４をどのように分布させるかは設計条件に合わせて適宜決めればよい。

梁側固定部４２は、軸変形部４３に連設された平板部であり、梁面（梁３の上下面）に沿って水平に配設され、梁３の下フランジ３１や上フランジ３２にボルト１３で接合されている。すなわち、梁３の下フランジ３１及び上フランジ３２には、制振ダンパー４をボルト固定するための図示せぬボルト孔がそれぞれ形成されている。また、梁側固定部４２には、上記した梁３のフランジ３１，３２のボルト孔に連通するボルト孔４６が形成されている。そして、この梁側固定部４２のボルト孔４６及び梁３のフランジ３１，３２のボルト孔に高力ボルト等のボルト１３を挿通させて締結することで、梁側固定部４２が梁３に固定されている。

次に、上記した構成からなる制振構造物１の作用について説明する。
地震等によって制振構造物１に振動が入力され、制振構造物１に層間変位が生じたり梁３が上下振動したりすると、柱２と梁３の端部とが相対的に回転すると共に、梁３が軸変形（圧縮変形、引張変形）する。このとき、上記した柱２と梁３の端部との相対回転変形に追従して、上下の制振ダンパー４の各屈曲部４０に曲げ変形と軸変形が同時に生じる。また、梁３の軸変形に追従して、上下の制振ダンパー４の各軸変形部４３に軸変形が生じる。このように制振ダンパー４の屈曲部４０及び軸変形部４３が変形することにより、振動エネルギーが吸収され、制振構造物１に入力された振動が減衰される。このとき、軸変形部４３に複数の貫通孔４４が形成されているので、上記した屈曲部４０の曲げ変形及び軸変形や軸変形部４３の軸変形によって発生する応力が、上記した貫通孔４４の周囲に集中する。このため、制振ダンパー４による振動エネルギーの吸収効果が向上する。

また、地震等によって制振構造物１に振動が入力されると、梁３の下フランジ３１（圧縮側フランジ）が曲げモーメントによって横座屈を起こす場合があるが、制振ダンパー４は梁軸に直交する水平方向の力に対して高い耐力を奏するので、制振ダンパー４によって梁３の端部の横座屈耐力が向上する。
さらに、上記した制振ダンパー４には屈曲部４０が形成されているので、制振ダンパー４の面外座屈に対して高い耐力を奏する。したがって、制振ダンパー４が圧縮力を受けても面外座屈が防止される。

上記した制振構造物１によれば、制振ダンパー４の屈曲部４０や軸変形部４３が変形（曲げ変形・軸変形）することにより、制振構造物１に入力された振動エネルギーが吸収されて振動が減衰されるので、地震時における建物全体の変形を低減させることができる。
しかも、上記した制振ダンパー４は、柱面と梁面に沿って屈曲された低降伏点鋼板からなるので、メンテナンスや交換、修理を簡単に行うことができ、低コストの制振構造物１を提供することができる。

また、上記した制振構造物１によれば、柱２と梁３の端部との隅角部に制振ダンパー４が配設されるだけであるので、制振ダンパー４が制振構造物１の建築計画を制約することが少ない。特に、上記した制振ダンパー４は、柱面及び梁面に沿って屈曲された略Ｌ字状の板部材であるので、上記隅角部がほとんど塞がれず、建築計画への影響を特に少なくすることができる。言い換えると、建築計画への影響を考慮せずに制振ダンパー４を設置できるので、制振ダンパー４を必要なだけ多数の箇所に設置することができ、その結果、制振構造物１の振動減衰定数を極めて向上させることができ、建築計画の自由度と耐震性とを両立させることができる。

また、低降伏点鋼板からなる制振ダンパー４は、制振合金や粘弾性体からなる制振ダンパーに比べて安価であるため、低コストで制振構造物１を実現することができる。また、低降伏点鋼材の特性を最大に生かして鋼材の最大減衰性能が得られるため、必要な鋼材量を低減させることができ、制振ダンパー４の小型化及び軽量化を図ることができる。これにより、制振ダンパー４の新設や交換、修理等を容易に行うことができると共にコストダウンを図ることができる。

以上、本発明に係る制振構造物の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、梁３の下フランジ３１及び上フランジ３２に制振ダンパー４がそれぞれ設置されているが、本発明は、下フランジ３１及び上フランジ３２のうちの片方だけに制振ダンパー４を設置してもよい。さらに、本発明は、梁３の端部のウェブ３０と柱２の外周面との間に制振ダンパー４を介装させることも可能である。

また、上記した実施の形態では、柱２の仕口部２０の外周面に設けられたガセットプレート１１と梁３の端部のウェブ３０とがボルト１０によって接合されることで、柱２と梁３の端部とが乾式ピン接合されているが、本発明は、柱２と梁３の端部とが他の構造の乾式接合で接合されていてもよく、さらに、本発明は、柱２と梁３の端部とが溶接接合された構造物にも適用可能である。

また、上記した実施の形態では、柱２が、角筒形の鋼管からなる鋼管柱であるが、本発明における柱の構造は適宜変更可能である。例えば、Ｈ形鋼等の鉄骨材からなる鉄骨柱であってもよく、或いは、鋼管の内側にコンクリートを充填した鋼管コンクリート柱であってもよく、或いは、鉄筋コンクリート造や鉄骨鉄筋コンクリート造の柱であってもよい。なお、鉄筋コンクリート造や鉄骨鉄筋コンクリート造の柱の場合の制振ダンパー４の取り付け構造としては、例えば、柱の仕口部分に鋼管を巻き、その鋼管にガセットプレート等を介して制振ダンパー４を取り付ける構造や、或いは、柱コンクリートの内側にガセットプレートを埋設してそのガセットプレートに制振ダンパー４を取り付ける構造や、或いは、アンカーボルトを柱コンクリート内に定着させて柱の外周面から突出させ、そのアンカーボルトに制振ダンパー４を締結することで制振ダンパー４を柱に固定する構造などが考えられる。

また、上記した実施の形態では、梁３が、Ｈ形鋼からなる鉄骨梁であるが、本発明における梁の構造は適宜変更可能である。例えば、溝形鋼やＴ形鋼からなる鉄骨梁であってもよく、或いは、山形鋼などからなる上フランジ材と下フランジ材とを平鋼等のウェブ材で連結した平行弦トラス梁（ラチス梁）や帯板梁であってもよく、或いは、並列に配置された溝形鋼やラチス梁、帯板梁等の上端同士及び下端同士を平鋼等の連結材でそれぞれ連結した箱形梁であってもよい。また、本発明は、鉄骨梁の一部又は全部にコンクリートが被覆されたコンクリート被覆鉄骨梁であってもよい。さらに、本発明は、鉄骨梁（鋼製梁）以外の梁であってもよく、例えばプレキャストコンクリート梁等のコンクリート造の梁であってもよい。なお、コンクリート造の梁の場合、アンカーボルトを梁コンクリート内に定着させて梁の下面や上面から突出させ、そのアンカーボルトに制振ダンパー４を締結することで制振ダンパー４を梁に固定することができる。

また、上記した実施の形態では、制振ダンパー４の屈曲部４０と梁側固定部４２との間に軸変形部４３が設けられ、この軸変形部４３に複数の貫通孔４４が形成されているが、本発明は、制振ダンパー４の面外座屈耐力を向上させるために、上記した貫通孔にボルト等の補剛材を挿通して締結することも可能である。また、本発明は、上記した貫通孔４４を省略してもよく、貫通孔４４が形成されていない軸変形部にすることも可能である。さらに、本発明は、軸変形部４３を省略することも可能であり、屈曲部４０と梁側固定部４２とが直接連設された構成であってもよい。

また、本発明は、構造物の建設時に上記した制振ダンパー４を設置する場合に限定されるものではなく、既存構造物に上記した制振ダンパー４を追加設置して制振補強する場合にも適用することができる。

その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１ 制振構造物
２ 柱
３ 梁
４ 制振ダンパー
４０ 屈曲部
４２ 梁側固定部（固定部）
４３ 軸変形部
４４ 貫通孔

Claims (3)

1. 柱と梁の端部との間に、柱面及び梁面に沿って屈曲されていると共に一端が前記柱に固定されて他端が前記梁の端部に固定された低降伏点鋼板からなる制振ダンパーが介装されていることを特徴とする制振構造物。
2. 請求項１に記載の制振構造物において、
   前記制振ダンパーのうち、前記梁に対する固定部と屈曲部との間に、梁面に沿って延在して梁軸方向に変形可能な軸変形部が設けられていることを特徴とする制振構造物。
3. 請求項２に記載の制振構造物において、
   前記軸変形部に貫通孔が形成されていることを特徴とする制振構造物。

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