JP2014001505A

JP2014001505A - フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース

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Publication number: JP2014001505A
Application number: JP2012135586A
Authority: JP
Inventors: Shinji Ito; 真二伊藤
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2032-06-15
Also published as: JP6042108B2

Abstract

【課題】一部のブレースだけに損傷が集中することを避けて建物の倒壊を回避するのに有効なフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースを提供する。
【解決手段】フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースは、芯材２と、この芯材２の両面に沿って配置した拘束材３とを備える。芯材２は、両端に作用する圧縮力による座屈が集中する弱剛性部７を有する。弱剛性部７に塑性変形または破断または圧壊が生じると、芯材２の引張力および圧縮力に対する剛性を付加するフェイルセーフ機構２０を設ける。
【選択図】図４

Description

この発明は、構造物の骨組みに組み込まれ、地震等の際に振動エネルギーを吸収して振動を減衰させる座屈拘束ブレースに関し、特に塑性変形または破断または圧壊が生じたときに剛性を付加するフェイルセーフ機構を設けたフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースに関する。

座屈拘束ブレースとして、芯材の周囲を鋼板、コンクリート等で被覆して補剛したものが広く一般に実用化されている。また、全体を繊維補強コンクリートで成形したものもある（例えば特許文献１）。これら従来の座屈拘束ブレースは、想定される地震力に対する耐力は十分であっても、想定外の地震力を受けたときのフェイルセーフ機構を備えていなかった。

特開２０１０−１２７００２号公報

兵庫県南部地震等の巨大地震の経験から、従来のブレースの問題点が明らかになってきた。例えば図１０に示すように、複数階建ての構造物３０が地震動を受けた場合、ブレース３１が許容変形を超えると（同図（Ａ））、ブレース３１で耐力を負担できなくなり（同図（Ｂ））、層崩壊をする（同図（Ｃ））ことが分かった。

このような層崩壊は、次の理由で起きると考えられている。すなわち、地震の揺れの周期等により、構造物３０に作用する力の大きさは各階によって異なる。そのため、ブレース３１の降伏耐力に対して大きな力を受ける階のブレース３１が、最初に降伏する（図１１の左図）。ブレース３１が降伏すると剛性が低下し、その階が変形し易くなる。剛性の低い階に損傷が集中するため、さらにその階の変形が進行して（図１１の右図）、層崩壊に至る。

この発明の目的は、想定外の地震動を受けた場合のフェイルセーフ機構を設けることで、一部のブレースだけに損傷が集中することを避けて建物の倒壊を回避するのに有効なフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースを提供することである。

この発明のフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースは、芯材と、この芯材の両面に沿って配置した拘束材とを備え、前記芯材は、両端に作用する圧縮力による座屈が集中する弱剛性部を有し、この弱剛性部に塑性変形または破断または圧壊が生じると、前記芯材の引張力および圧縮力に対する剛性を付加するフェイルセーフ機構を設けたことを特徴とする。

弱剛性部に塑性変形が生じるとフェイルセーフ機構が発動するようにしてもよく、あるいは、弱剛性部に破断または圧壊が生じるとフェイルセーフ機構が発動するようにしてもよい。前者の場合、引張力または圧縮力により弱剛性部が塑性変形すると、フェイルセーフ機構が発動して芯材に引張力または圧縮力に対する剛性を付加する。それにより、芯材全体の剛性が上がり、芯材の変形の増大を防ぐ。後者の場合、引張力または圧縮力により弱剛性部が破断または圧壊すると、フェイルセーフ機構が発動して芯材に引張力または圧縮力に対する剛性を付加する。それにより、芯材が新たに剛性を獲得し、以後の芯材の変形を抑えることで、建物の倒壊を防ぐ。

この発明において、前記フェイルセーフ機構は次に示す構成とすると良い。すなわち、フェイルセーフ機構は、前記芯材における前記弱剛性部の長さ方向両側の部分からそれぞれ延びて互いに第１の隙間を介して対向する１組または複数組の対向片と、この互いに対向する対向片のうちの片方の対向片に設けられた被係止片と、もう片方の対向片に設けられて前記被係止片と第２の隙間を介して対向する係止片とでなる。前記第１の隙間は、前記芯材の前記弱剛性部に圧縮方向の塑性変形または圧壊が生じると、前記互いに対向する対向片が当接する大きさであり、前記第２の隙間は、前記芯材の前記弱剛性部に引っ張り方向の塑性変形または破断が生じると、前記被係止片と前記係止片とが係合する大きさである。

この構成であると、芯材の弱剛性部に圧縮方向の塑性変形または圧壊が生じた場合、互いに対向する対向片同士が当接することにより、圧縮力に対する剛性が付加される。また、芯材の弱剛性部に引っ張り方向の塑性変形または破断が生じた場合、被係止片に係止片が係止することにより、引張力に対する剛性が付加される。

例えば、前記芯材の弱剛性部は、前記芯材に長さ方向に沿って設けられた２本のスリット間の部分であり、前記対向片は、前記芯材の前記スリットよりも幅方向外側の部分であるとしてもよい。
この場合、弱剛性部と対向片とが同じ平面上に並べて配置されるため、芯材を簡素な構成とすることができる。

前記第１および第２の隙間は、前記拘束材の外側から目視できる位置に配置されているのが望ましい。
第１および第２の隙間を拘束材の外側から目視することができれば、座屈拘束ブレースの損傷の程度を確認できるため、座屈拘束ブレースの交換の適否を正確に判断することができる。

この発明のフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースは、芯材と、この芯材の両面に沿って配置した拘束材とを備えた座屈拘束ブレースにおいて、前記芯材は、両端に作用する圧縮力による座屈が集中する弱剛性部を有し、この弱剛性部に塑性変形または破断または圧壊が生じると、前記芯材の引張力および圧縮力に対する剛性を付加するフェイルセーフ機構を設けたため、一部のブレースだけに損傷が集中することを避けて建物の倒壊を回避するのに有効である。

この発明の一実施形態にかかるフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースの分解斜視図である。同フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースの組立斜視図である。図２のＸ−Ｙ平面の断面図である。図２のＹ−Ｚ平面の断面図である。同座屈拘束ブレースのフェイルセーフ機構の分解図である。フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースの一例における芯材に圧縮力が作用したときのフェイルセーフ機構の変化を示す図と、圧縮力と変形の関係を示すグラフとを組み合わせた説明図である。フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースの一例における芯材に引張力が作用したときのフェイルセーフ機構の変化を示す図と、引張力と変形の関係を示すグラフとを組み合わせた説明図である。フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースの異なる例における芯材に圧縮力が作用したときのフェイルセーフ機構の変化を示す図と、圧縮力と変形の関係を示すグラフとを組み合わせた説明図である。フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースの異なる例における芯材に座屈拘束ブレースに引張力が作用したときのフェイルセーフ機構の変化を示す図と、引張力と変形の関係を示すグラフとを組み合わせた説明図である。地震による層破壊の過程を示す説明図である。一部の層に損傷が集中する理由を説明する図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１の分解斜視図に示すように、このフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース１は、芯材２と、この芯材２の両面に沿って配置した一対の拘束材３と、芯材２と拘束材３間に介在させるアンボンド材４とを有する。

芯材２は、ＳＮ材（建築構造用圧延鋼材）やＬＹＰ材（極低降伏点鋼材）等の降伏点の低い鉄鋼材料からなり、拘束材３との並び方向の厚みよりも並び方向と直交する方向の幅が広い細長い帯板状である。芯材２の両端部２ａは、柱や梁等の鉄骨材との継手となる部分であり、その両面の幅方向中央位置からそれぞれ垂直に突出するリブ５を有する断面十字状とされている。芯材２の両端部２ａには、複数列（図示例では２列）のボルト孔６が穿孔されている。座屈拘束ブレース１の組立状態では、図２のように、芯材２の両端部２ａは拘束材３の両端に露出する。

図４はフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレースの要部を示す図、図５は同要部の芯材を分解した図である。芯材２は、長手方向の中央部に他よりも幅の狭いことで剛性が弱くなった弱剛性部７を有する。弱剛性部７の幅方向両側に、スリット８を挟んで各１組の対向片９，１０が設けられている。スリット８は隙間を有しない切れ目状であってもよい。各組の対向片９，１０は、弱剛性部７の長さ方向両側の部分からそれぞれ延びて互いに第１の隙間１１を介して対向している。この第１の隙間１１は、弱剛性部７に圧縮方向の塑性変形または圧壊が生じると、互いに対向する対向片９，１０が当接する大きさとされている。

片方の対向片９の先端部には、外側へ張り出す被係止片１２が形成されている。もう片方の対向片１０の先端部には外側へ張り出す張出部１３が形成され、この張出部１３の表裏両面にそれぞれ係止片取付部材１４の一端が固定されている。係止片取付部材１４は、短冊状の鋼板からなる。張出部１３と２枚の係止片取付部材１４の固定は、各ボルト挿通孔１４ａ，１３ａ，１４ａに挿通したボルト１５とナット１６（図３）からなる固着具により行われる。前記固着具はリベットであってもよい。

上記２枚の係止片取付部材１４の他端は、片方の対向片９の側へ延びており、その他端間に係止片１７が固定されている。係止片１７は、鋼板からなる。２枚の係止片取付部材１４と係止片１７の固定は、各ボルト挿通孔１４ｂ，１７ａ，１４ｂに挿通したボルト１５とナット１６（図３）からなる固着具により行われる。前記被係止片１２と前記係止片１７とは、互いに第２の隙間１８を介して対向している。この第２の隙間１８は、弱剛性部７に引っ張り方向の塑性変形または破断が生じると、被係止片１２と係止片１７とが係合する大きさとされている。

弱剛性部７に引っ張り方向の塑性変形または破断が生じたときに適正なタイミングで被係止片１２と係止片１７とを係合させるには、第２の隙間１８の寸法管理を厳密に行う必要がある。この実施形態では、張出部１３への係止片取付部材１４の固定、および係止片取付部材１４への係止片１７の固定をボルト接合で行うので、設置現場での調整が可能であり、係止片１７を精度良く位置決めして、第２の隙間１８の寸法精度を高めることができる。

上記一対の対向片９，１０、および被係止片１２と係止片１７は、想定外の地震動を受けた場合のフェイルセーフ機構２０として構成されている。このフェイルセーフ機構２０は、座屈拘束ブレース１の組立状態では、図２のように、拘束材３の外側に露出した状態となる。また、前記第１および第２の隙間１１，１８は、拘束材３の外側から目視できる位置に配置されている。

図３に示すように、拘束材３は、芯材２側が開口した溝形鋼材２３内にモルタル２４を充填したものである。溝形鋼材２３は、ウェブ部２３ａと、このウェブ部２３ａの両端から垂直に立ち上がる両フランジ部２３ｂ，２３ｃとでなる断面溝形である。一方のフランジ部２３ｂは他方のフランジ部２３ｃよりも長く、長い方のフランジ部２３ｂが対向する拘束材３の短い方のフランジ部２３ｃの外面に当接している。長い方のフランジ部２３ｂの長手方向の中央部に切欠き２５が形成されており、この切欠き２５を通って芯材２の前記被係止片１２および張出部１３が拘束材３の外側へ突出している。

モルタル２４の芯材２と対向する表面には、アンボンド材４が貼り付けられる。アンボンド材４は、例えば板状またはシート状のブチルゴム等からなる。拘束材３およびアンボンド材４は、芯材２の両端部２ａの先端部分を除く芯材２の略全体を覆うように配置される。

この構成のフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース１は、フェイルセーフ機構２０の設定の仕方が二通りある。
一つ目の設定の仕方は、第１の隙間１１を、芯材２の弱剛性部７に圧縮方向の塑性変形が生じると対向片９，１０が当接する大きさに設定し、かつ、第２の隙間１８を、弱剛性部７に引っ張り方向の塑性変形が生じると被係止片１２と係止片１７とが係合する大きさに設定する。この場合の座屈拘束ブレース１の動作を、図６および図７と共に説明する。芯材２に圧縮力も引張力も作用していない初期状態における第１および第２の隙間１１，１８の大きさは、それぞれｄ，ｄ´とする（図６（Ａ）、図７（Ａ））。

芯材２に圧縮力が作用した場合、弱剛性部７が縮み変形することにより、図６（Ｂ）のように、第１の隙間１１は狭まり（ｄ−δ）、第２の隙間１８は拡がる（ｄ´＋δ）。弱剛性部７が長さｄだけ縮み変形すると、図６（Ｃ）のように、第１の隙間１１の大きさが零となり、２組の対向片９，１０が互いに当接することで、フェイルセーフ機構２０が発動する。それにより、図６（Ｄ）のように、芯材２の剛性が上がり、芯材２の縮み変形の増大が防止される。

芯材２に引張力が作用した場合、弱剛性部７が伸び変形することにより、図７（Ｂ）のように、第１の隙間１１は拡がり（ｄ＋δ）、第２の隙間１８は狭まる（ｄ´−δ）。弱剛性部７が長さｄ´だけ伸び変形すると、図７（Ｃ）のように、第２の隙間１８の大きさが零となり、被係止片１２と係止片１７が互いに係止することで、フェイルセーフ機構２０が発動する。それにより、図７（Ｄ）のように、芯材２の剛性が上がり、芯材２の伸び変形の増大が防止される。

このように、芯材２の弱剛性部７が塑性変形している段階でフェイルセーフ機構２０が発動するようにすると、フェイルセーフ機構２０が変形に対するブレーキの働きをし、塑性変形した一部の座屈拘束ブレース１に損傷が集中することが避けられる。

二つ目の設定の仕方は、第１の隙間１１を、芯材２の弱剛性部７に圧壊が生じると対向片９，１０が当接する大きさに設定し、かつ、第２の隙間１８を、弱剛性部７に破断が生じると被係止片１２と係止片１７とが係合する大きさに設定する。この場合の座屈拘束ブレース１の動作を、図８および図９と共に説明する。芯材２に圧縮力も引張力も作用していない初期状態における第１および第２の隙間１１，１８の大きさは、それぞれｄ，ｄ´とする（図８（Ａ）、図９（Ａ））。

芯材２に圧縮力が作用した場合、弱剛性部７が縮み変形することにより、図８（Ｂ）のように、第１の隙間１１は狭まり（ｄ−δ）、第２の隙間１８は拡がる（ｄ´＋δ）。弱剛性部７が圧壊すると、図８（Ｃ）のように、第１の隙間１１の大きさが零となり、２組の対向片９，１０が互いに当接することで、フェイルセーフ機構２０が発動する。それにより、図８（Ｄ）のように、芯材２の剛性が保持され、芯材２の縮み変形の増大を抑えられる。

芯材２に引張力が作用した場合、弱剛性部７が伸び変形することにより、図９（Ｂ）のように、第１の隙間１１は拡がり（ｄ＋δ）、第２の隙間１８は狭まる（ｄ´−δ）。弱剛性部７が破断すると、図９（Ｃ）のように、第２の隙間１８の大きさが零となり、被係止片１２と係止片１７とが互いに係止することで、フェイルセーフ機構２０が発動する。それにより、図８（Ｄ）のように、芯材２の剛性が保持され、芯材２の伸び変形の増大を抑えられる。

このように、芯材２の弱剛性部７が圧壊および破断したときにフェイルセーフ機構２０が発動するようにすると、フェイルセーフ機構２０が安全装置として機能し、建物の倒壊を防ぐことができる。

フェイルセーフ機構２０を構成する、互い対向する対向片９，１０、および被係止片１２と係止片１７は、拘束材３の外に露出しているため、状態の確認を容易に行うことができる。特に、第１および第２の隙間１１，１８を、拘束材３の外側から目視で確認することができる。そのため、座屈拘束ブレース１の損傷の程度が良く分かり、座屈拘束ブレース１の交換の適否を正確に判断することができる。

なお、上記実施形態の弱剛性部７は、他よりも幅の狭くすることで剛性を弱くしているが、他よりも板厚を薄くすることで弱剛性部７の剛性を弱くしてもよく、また他を比べて剛性の低い材質を使用することで弱剛性部７の剛性を弱くしてもよい。
また、上記実施形態では、芯材２の両側にそれぞれ別々の拘束材３を設けたが、芯材２の両側の拘束材部分が互いに一体化した一つの拘束材としてもよい。

１…フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース
２…芯材
３…拘束材
７…弱剛性部
８…スリット
９，１０…対向片
１１…第１の隙間
１２…被係止片
１７…係止片
１８…第２の隙間
２０…フェイルセーフ機構

Claims

芯材と、この芯材の両面に沿って配置した拘束材とを備えた座屈拘束ブレースにおいて、前記芯材は、両端に作用する圧縮力による座屈が集中する弱剛性部を有し、この弱剛性部に塑性変形または破断または圧壊が生じると、前記芯材の引張力および圧縮力に対する剛性を付加するフェイルセーフ機構を設けたことを特徴とするフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース。
請求項１において、前記フェイルセーフ機構は、前記芯材における前記弱剛性部の長さ方向両側の部分からそれぞれ延びて互いに第１の隙間を介して対向する１組または複数組の対向片と、この互いに対向する対向片のうちの片方の対向片に設けられた被係止片と、もう片方の対向片に設けられて前記被係止片と第２の隙間を介して対向する係止片とでなり、
前記第１の隙間は、前記芯材の前記弱剛性部に圧縮方向の塑性変形または圧壊が生じると、前記互いに対向する対向片が当接する大きさであり、
前記第２の隙間は、前記芯材の前記弱剛性部に引っ張り方向の塑性変形または破断が生じると、前記被係止片と前記係止片とが係合する大きさである、
フェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース。
請求項２において、前記芯材の弱剛性部は、前記芯材に長さ方向に沿って設けられた２本のスリット間の部分であり、前記対向片は、前記芯材の前記スリットよりも幅方向外側の部分であるフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース。
請求項２または請求項３において、前記第１および第２の隙間は、前記拘束材の外側から目視できる位置に配置されているフェイルセーフ機構付き座屈拘束ブレース。