JP2013032696A - ラーメン構造体の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】巨大地震時に万が一方杖が破断したとしても余力を充分に残し、しかも補強の方向が一方向に限定されることのないラーメン構造体の補強構造を提供することを目的とする。
【解決手段】ダンパー５は、第１接合プレート５ａ２を大梁２の下フランジ２ａにボルト接合し、第２接合プレート５ａ３を柱１のダンパーとの接合部１ｇにボルト接合することによって、大梁２と柱１に跨って配置されている。大梁２に対しては、大梁２の下フランジ２ａの、柱１の配置の基準となる基準線から３０５ｍｍの位置にある孔群２ａ１を利用してボルト接合されている。柱１は、外形寸法が１５０ｍｍ角の角形鋼管からなる通し柱となっており、下部柱１ｃは、２２ｍｍの肉厚を有する即ち横断面内に溶接による継目が存在しない角形鋼管であり、長さ方向についても接合部を有することなく構成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は柱と梁との接合部を剛接合とした鉄骨造のラーメン構造体を効果的に補強するラーメン構造体の補強構造に関するものである。

従来から、鉄骨造の建物において柱と梁の接合部をピン接合としにこの接合部の近傍に方杖を付加して地震等の水平力に抵抗するように構成することが行われてきた。この場合、柱はＨ形鋼として柱のフランジ面に方杖を接合するのが一般的であった。

特許第３６７８７０９号公報

しかし、上記構成の場合、柱と梁の接合部がピンである為、想定を超えた巨大地震が発生し方杖に作用する力が許容値を超え破断に至った場合、その後の余震等で建物が崩壊してしまう虞があった。また、方杖の設置方向が柱の強軸方向のみに限定されるので、直交するもう一方向の補強について構造計算やおさまりの検討等を別途必要であった。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、巨大地震時に万が一方杖が破断したとしても余力を充分に残し、しかも補強の方向が一方向に限定されることのないラーメン構造体の補強構造を提供することを目的とするものである。

上記従来技術の課題を解決する為の本発明に係るラーメン構造体の補強構造の第１の構成は、角型鋼管からなる柱の１乃至各面に接合部が形成され、該接合部にＨ形鋼からなる梁が剛接合され、当該柱と梁に跨る方杖型のダンパーを付加したことを特徴とする。

本発明に係る鉄骨造ラーメン構造体の補強構造の第２の構成は、ダンパーが、低降伏点鋼からなる芯部材と、該芯部材に圧縮力が作用した際の座屈を防止する為の座屈防止部材とからなる、ことを特徴とする。
本発明に係る鉄骨造ラーメン構造体の補強構造の第３の構成は、芯部材が、棒板状の本体と、該本体の一端に溶接され梁フランジに接合される第１接合プレートと、本体の他端に溶接され柱に接合される第２接合プレートとからなる、ことを特徴とする。
本発明に係る鉄骨造ラーメン構造体の補強構造の第４の構成は、座屈防止部材が、一対の平板と一対の側板とを断面がロ字状となるようにボルトで締結して構成され、中央の空隙部分に芯部材の本体が配されている、ことを特徴とする。
本発明に係る鉄骨造ラーメン構造体の補強構造の第５の構成は、梁の上下フランジには、当該梁を柱の接合部に接合した状態で、柱の配置の基準となる通り芯からモジュールの整数倍となる位置に孔群が穿たれ、これら複数の孔群の１にダンパーが接合されている、ことを特徴とする。
本発明に係る鉄骨造ラーメン構造体の補強構造の第６の構成は、柱の１乃至各面には、梁を接合する接合部から下方向又は／及び上方向に所定寸法離間した位置にボルト孔が穿たれ、該ボルト孔にダンパーが接合されている、ことを特徴とする。

本発明に係るラーメン構造体の補強構造の第１の構成によれば、仮にダンパーが破断して機能しなくなったとしても、剛接合された柱と梁との接合部で水平力を負担できるので、巨大地震後の余震等によって建物が崩壊することがない。また、ダンパーのない一般的なラーメン構造体に比べて梁に作用する最大の曲げモーメントを小さくすることができ、しかもそれを柱との接合部ではなく梁の母材部分に作用させることができるので構造耐力上有利となる。

本発明に係るラーメン構造体の補強構造の第２の構成によれば、ごくまれに発生する巨大地震により想定を超える水平力が作用した場合、柱と梁との接合部に先行してダンパーが塑性変形域に達するので、当該ダンパーによって十分にエネルギーを吸収できるものとなる。また、座屈防止部材で芯部材の座屈が抑制されることにより、ダンパーは引張力とともに圧縮力をも負担することができ、正負いずれの水平力に対しても抵抗することができる。
本発明に係るラーメン構造体の補強構造の第３の構成によれば、容易にダンパーの芯部材を形成することができる。
本発明に係るラーメン構造体の補強構造の第４の構成によれば、容易にダンパーの芯部材の本体を座屈防止部材により包囲することができ、当該本体の座屈をいずれの方向に向けても十分に抑制することができる。
本発明に係るラーメン構造体の補強構造の第５の構成によれば、柱の配置の基準となる基準線（通り芯）からモジュールの整数倍の位置にある孔群を利用してダンパーを接合することができ、建物の構造の性状や平面計画等に応じてダンパーの配置を選択することができる。
本発明に係るラーメン構造体の補強構造の第６の構成によれば、ダンパーを柱に直接ボルト接合することとなるので、ダンパーと柱との接合にジョイントボックス等を溶接する必要がなく、溶接欠陥等に起因した性能低下の可能性がない。

ラーメン構造体の平面的グリッド構成を示す図である。 ラーメン構造体の全体構成を示す斜視図である。 ラーメン構造体を構成する柱と大梁の接合状態を示す図である。 ラーメン構造体を構成する柱と大梁の接合状態を示す図である。 ダンパーの構成を示す図である。 ダンパーを付加した状態の柱と大梁の接合部を示す図である。

次に、本発明の最も好ましい実施形態について図を参照して具体的に説明する。本実施形態は、鉄骨造３階建てのラーメン構造体を有する工業化住宅における補強構造の例であり、図１はラーメン構造体の平面的グリッド構成を示す図、図２はラーメン構造体の全体構成を示す斜視図、図３、図４はラーメン構造体を構成する柱と大梁の接合状態を示す図、図５はダンパーの構成を示す図、図６はダンパーを付加した状態の柱と大梁の接合部を示す図である。

図１、２に示すように、住宅Ａは、妻方向が２スパンで合計６つの平面グリッドからなる３層のラーメン構造体からなる。図２に示すように、住宅Ａのラーメン構造体は、１層から３層まで連続した通し柱形式の複数の柱１と、各階層において隣接する柱１どうしを連結する複数の大梁２と、大梁２の直下に格子状に形成された鉄筋コンクリート造の基礎３とで構成されている。なお、柱脚部は特開平０１−２０３５２２号公報に開示された露出型固定柱脚工法にて基礎に接合されている。

このラーメン構造体を構築したのち、相対する大梁２の間に小梁を適宜架け渡した上でＡＬＣ（軽量気泡コンクリート）からなる床パネルを梁の上フランジに載置して床が構成され、外周部の大梁２にＡＬＣからなる壁パネルを取り付けることによって外壁が構成されて住宅Ａの躯体が完成する。

図３、図４に示すように、柱１は、外形寸法が１５０ｍｍ角の角形鋼管からなる通し柱となっており、柱脚プレート１ａの接合部から中途部分に形成された柱・柱接合部１ｂまでの部分である下部柱１ｃは、２２ｍｍの肉厚を有する横断面内に溶接による継目が存在しない角型鋼管であり、長さ方向についても接合部を有することなく構成されている。下部柱１ｃより上部の柱を構成する上部柱１ｄは、外形寸法が下部柱１ｃと同一の１５０ｍｍ角ではあるが下部柱１ｃよりも薄い４．５ｍｍ乃至６．０ｍｍの肉厚を有する角形鋼管で構成されている。

柱１は、各階層の標準的な階高（大梁上端面間の離間寸法）が２８７０ｍｍとなるように大梁２の接合レベルが設定されており、柱１の各面には大梁２の接合プレート２ｄの孔２ｅに対応するようにネジが切られた孔１ｆが穿たれて各階の大梁２との接合部１ｅが形成されている。大梁２の孔２ｅと同様に、上部２段と最下段の計６個の孔１ｆが、大梁２と接合するボルト４を螺入する孔であり、下から２段目の孔２個は位置合わせ用の孔である。柱・柱接合部１ｂは、特開平６−１８００２６号公報、特開平８−６０７４０号公報等に記載された公知の接合部構造によって３階の大梁２との接合部１ｅの上方に形成されている。

柱１の各面において、２階の大梁２との接合部１ｅから下方向及び上方向に所定寸法離間した位置と、３階の大梁２との接合部１ｅの下方向に所定方向離隔した位置には、後述するダンパー５をボルト接合する為のネジが切られた複数のボルト孔が穿たれてダンパー５との接合部１ｇが形成されている。下部柱１ｃはシームレスパイプで構成されているのでダンパー５との接合部１ｇはボルト孔を穿設するだけで容易に形成することができ接合の高さを自由に設定することができる。

大梁２はＨ形鋼からなり、全ての階層における全ての大梁２は梁成が２５０ｍｍ、上下のフランジ２ａ、２ｂの幅が１２５ｍｍ、厚みが９ｍｍ、ウェブ２ｃの厚みが６ｍｍに統一されている。大梁２の柱１との接合部は、大梁２の両端部に溶接された接合プレート２ｄによって構成され、接合プレート２ｄには、横方向には中心から左右対称に２列、縦方向には等間隔に４段、同一径の孔２ｅが計８箇所穿たれている。孔２ｅのうち上部２段と最下段の計６個の孔が柱１との接合に使用するボルト４を挿通する為の孔である。なお、下から２段目の孔２個は接合作業の際「シノ」を挿し込んで位置合わせを行う為の孔であり、柱１と大梁２との接合には使用しない。大梁２の上下フランジ２ａ、２ｂには各種部材をボルト固定する為の孔群２ａ１、２ｂ１が柱１に接合した状態でモジュールに基づく基準線を中心にして穿たれている。この構成は寸法も含め全ての階層の全ての大梁２に共通している。

図５に示すダンパー５は、低降伏点鋼からなる芯部材５ａと芯部材５ａに圧縮力が作用した際の座屈を防止する為の座屈防止部材５ｂとからなる。芯部材５ａは、棒板状の本体５ａ１と、本体の一端に溶接され梁フランジに接合される第１接合プレート５ａ２と、本体の他端に溶接され柱に接合される第２接合プレート５ａ３からなる。座屈防止部材５ｂは一般構造用圧延鋼材からなる一対の平板５ｂ１と一対の側板５ｂ２を断面がロ字状となるようにボルト５ｂ３で締結して構成され、中央の空隙部分に芯部材５ａの本体５ａ１が配されている。座屈防止部材５ｂで芯部材５ａの座屈が抑制されることにより、ダンパー５は引張力とともに圧縮力をも負担することができ、正負いずれの水平力に対しても抵抗することができる。

図６に示すように、ダンパー５は、方杖型であり、第１接合プレート５ａ２を大梁２の下フランジ２ａにボルト接合し、第２接合プレート５ａ３を柱１のダンパーとの接合部１ｇにボルト接合することによって、大梁２と柱１に跨って配置されている。大梁２に対しては、大梁２の下フランジ２ｂにモジュールに基づいて設けられた複数の孔群のうち、柱１の配置の基準となる基準線（通り芯）から３０５ｍｍ（モジュールの１倍）の位置にある孔群２ａ１を利用してボルト接合されている。本実施例においてダンパー５は、柱１と大梁２に接合した状態でダンパー５の中心線と水平面とのなす角度が７０度となるように構成されている。

なお、ダンパー５と大梁２との接合位置はここに限定はされず、柱１の配置の基準となる基準線（通り芯）からモジュールの整数倍の位置にある孔群を利用してダンパー５を接合することができる。例えば、大梁２との接合位置を固定してダンパー５との接合部１ｇを大梁２との接合部から離隔させていくと大梁２の長手方向とのなす角度が直角に近づいていき、大梁２の補剛効果を高めることができる。また、ダンパー５と大梁２の長手方向とのなす角度を変えずにダンパー５との接合部１ｇを大梁２との接合部から離隔させるとともに大梁２との接合位置をスパン中央方向に移動させた場合も、大梁２に作用する曲げモーメントを小さくすることができ、補強という点では有効である。しかし、窓や室内空間のレイアウト上の制約を極力小さくする為にはこの位置で大梁２に接合するのが好ましい。

１本の柱１に対してダンパーが取り付け可能な位置（レベル）は、２階の大梁２のレベルでは、大梁２の上フランジ２ａと上フランジ２ａ、３階の大梁２のレベルでは下フランジ２ｂであり、夫々のレベルで４面（Ｘ、Ｙ夫々の方向について２ヶずつ）取り付けることが可能である。

ダンパー５は、住宅Ａに求められる構造耐力が得られるように適宜配置されるが、その際、室内の空間への突出がない位置あるいは突出の影響が少ない位置に設けるのが好ましい。例えば、住宅Ａの外周（外壁）に沿った大梁２、間仕切壁の位置に一致する大梁２、物入や押入等の収納の内部に位置する大梁２に設置するのが好ましい。また、室内空間に突出する場合は天井側（大梁２の下フランジ２ｂ側）に取り付けてダンパー５の形状に応じて内部壁（木工事で形成される室内側の壁）をふかして仕上げるのが好ましい。壁に斜めの突出部分が形成されるが、背の高い家具等を壁際に設置するなどしない限りは生活上さほど問題とならない。

上記構成によれば、ごくまれに発生する巨大地震により想定を超える水平力が作用した場合、柱１と大梁２との接合部に先行してダンパー５が塑性変形域に達する。そして、更に大きな水平力が作用しダンパー５が破断して耐力要素として機能しなくなったとしても、柱１と大梁２との接合部で水平力を負担することができるので、巨大地震後の余震等によって住宅Ａが崩壊することがない。

また、ダンパー５のない一般的なラーメン構造体に比べて大梁２に作用する最大の曲げモーメントを小さくすることができ、しかもそれを大梁２の母材部分に作用させることができるので構造耐力上有利となる。例えばスパンが４２７０ｍｍの場合、大梁２に作用する曲げモーメントはダンパー５接合部で最大となりその値はダンパー５を設置しない状態での２階の大梁２の端部に作用する曲げモーメントの凡そ８９％となる。

また、１本の柱１に対し同一レベルで最大４面にダンパーが接合できるので、住宅Ａに求められる構造耐力に応じて設置位置や数を容易に調整することができる。

また、前記柱１のうち下部柱１ｂを横断面内に溶接による継目が存在しないシームレスパイプで構成したので、ダンパー５との接合部にジョイントボックス等を溶接する必要がなく、溶接欠陥によって性能が低下する可能性がない。従って、耐震性能に対する信頼性を高めることができる。また、シームレスパイプで構成された範囲内においては、柱１の側面の任意の位置にボルト孔を設けるだけでダンパー５を接合することができるので、ダンパー５の接合高さの設定を、住宅Ａに求められる構造耐力や有効な室内空間の広さ等に応じて容易に変更できる。

なお、必要に応じて３階の大梁２のレベルにおいて上フランジ２ａに取り付け可能にしてもよいし、Ｒ階の大梁２のレベルにおいて下フランジ２ｂに取り付け可能としてもよい。この場合、柱１の全てを長さ方向に継ぎ目のない１本のシームレスパイプで構成するのが好ましい。

本発明は、柱と梁が剛接合されたラーメン構造体全般に適用が可能である。

Ａ…住宅
１…柱
１ａ…柱脚プレート
１ｂ…柱・柱接合部
１ｃ…下部柱
１ｄ…上部柱
１ｅ…大梁との接合部
１ｆ…孔
１ｇ…ダンパーとの接合部
２…大梁
２ａ…上フランジ
２ａ１…孔群
２ｂ…下フランジ
２ｂ１…孔群
２ｃ…ウェブ
２ｄ…接合プレート
２ｅ…孔
３…基礎
４…ボルト
５…ダンパー
５ａ…芯部材
５ａ１…本体
５ａ２…第１接合プレート
５ａ３…第２接合プレート
５ｂ…座屈防止部材
５ｂ１…平板
５ｂ２…側板
５ｂ３…ボルト

Claims (6)

1. 角型鋼管からなる柱の１乃至各面に接合部が形成され、該接合部にＨ形鋼からなる梁が剛接合され、
   当該柱と梁に跨る方杖型のダンパーを付加した、
   ことを特徴とするラーメン構造体の補強構造。
2. 前記ダンパーは、低降伏点鋼からなる芯部材と、該芯部材に圧縮力が作用した際の座屈を防止する為の座屈防止部材とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のラーメン構造体の補強構造。
3. 前記芯部材は、棒板状の本体と、該本体の一端に溶接され梁フランジに接合される第１接合プレートと、前記本体の他端に溶接され柱に接合される第２接合プレートとからなる、ことを特徴とする請求項２に記載のラーメン構造体の補強構造。
4. 前記座屈防止部材は、一対の平板と一対の側板とを断面がロ字状となるようにボルトで締結して構成され、中央の空隙部分に前記芯部材の本体が配されている、ことを特徴とする請求項３に記載のラーメン構造体の補強構造。
5. 前記梁の上下フランジには、当該梁を前記柱の接合部に接合した状態で、柱の配置の基準となる通り芯からモジュールの整数倍となる位置に孔群が穿たれ、これら複数の孔群の１に前記ダンパーが接合されている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のラーメン構造体の補強構造。
6. 前記柱の１乃至各面には、前記梁を接合する接合部から下方向又は／及び上方向に所定寸法離間した位置にボルト孔が穿たれ、該ボルト孔に前記ダンパーが接合されている、ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のラーメン構造体の補強構造。