JP2014111864A - 梁の補強部材および既存建物への間柱の設置構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄骨造の既存建物に間柱を増設するに際して、既存の梁と新設の間柱との接合部パネルにおけるせん断耐力を向上させ得る梁の補強部材およびこれを用いた既存建物への間柱の設置構造を提供する。
【解決手段】間柱１４を増設する鉄骨造の梁１２との接合パネルに補強部材２０を設けてなり、かつ補強部材２０は、上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間の高さ寸法に形成されるとともに間柱１４のせいＷ以上の幅寸法に形成されて上下部フランジの外縁部に沿って配置される鋼板と、鋼板に鉛直方向に配置されて鋼板に接合されたリブ鋼板とを備え、梁１２のウエブを間に挟んだ両側に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、梁が鉄骨造である既存建物の柱梁架構に、耐震補強として間柱ダンパ等を増設する際に用いられる梁の補強部材およびこれを用いた既存建物への間柱の設置構造に関するものである。

近年、耐震あるいは制振対策が施されていない建物に対して、地震発生時に発生する大きな架構の変形を抑制するため、新たに当該架構面内に耐震手段や制振手段を増設する各種の工法が採用されている。

ところで、上記制振手段を増設する従来の工法の一種である間柱ダンパを設置する工法によれば、大地震時に上記架構が水平方向に変形した際に、上記ダンパが変形エネルギーを吸収することにより当該架構に伝わる揺れを抑制することができるとともに、鉄骨ブレースを設置する場合のように、架構面内の通行を妨げて既存建物の使用勝手に新たな制約が生じることが無いという利点がある。

しかしながら、従来の間柱ダンパの設置構造においては、増設する間柱を既存建物の梁に溶接するとともに、さらに梁にも補強部材を溶接しているために、全体としての溶接作業に多大の手間と施工工期とを要するという問題点があり、加えて当該現場溶接箇所が各所にわたるために、既に使用されている室内に、上記溶接の火花に起因する火災が発生しないように、広範囲にわたる防火対策や養生が必要になるという問題点もあった。

そこで、本発明者等は、先に下記特許文献１において、上記問題点を解決し得る既存建物への間柱の設置構造を提案した。
この既存建物への間柱の設置構造は、図１０〜図１３に示すように、鋼管柱１間に、Ｈ形鋼からなる梁２が架設され、梁２上にスラブ３が形成された既存建物の上下の梁２間に間柱４を設置するための構造であって、間柱４の上下端部にベースプレート５を一体的に設け、間柱４の上方に位置するスラブ３上にベースプレート６を設置し、かつ間柱４の下方に位置する梁２の下部フランジ２ｂの下面にベースプレート７を設置し、これらベースプレート５〜７およびスラブ３に、それぞれ上下方向に連通する孔部８を穿設し、間柱４の上端部において、緊張材９をスラブ３の孔部を通してベースプレート５、６の孔部８に挿入し、その上下端部をそれぞれ定着具９ａによってベースプレート５、６に固定することにより間柱４を上側の梁２に固定し、間柱４の下端部において、緊張材９をスラブ３の孔部を通してベースプレート５、７の孔部８に挿入し、その上下端部をそれぞれ定着具９ａによってベースプレート５、７に固定することにより間柱４を下側の梁２に固定したものである。

ここで、上記間柱の設置構造においては、緊張材９に張力を付与してベースプレート５、６を上側の梁２に圧接させて固定するとともに、ベースプレート５、７を下側の梁２に圧接させて固定する際に、梁２の上下部フランジ２ａ、２ｂが面外方向へ変形することを防止するために、当該上下部フランジ２ａ、２ｂ間に補強部材１０が介装されている。

この補強部材１０は、例えば角鋼管からなるもので、上下部フランジ２ａ、２ｂの面外方向の変形を効果的に防止すべく、ベースプレート５、６の長手方向の両端部間およびベースプレート５、７の長手方向の両端部間に位置する上下部フランジ２ａ、２ｂ間に、ウエブを間に挟んで配置されている。

上記従来の既存建物への間柱の設置構造によれば、緊張材９に張力を与えることにより、梁２の上下部フランジ２ａ、２ｂと補強部材１０とを一体化することができるため、間柱４と梁２との溶接や、梁２の補強プレート１０等の溶接を無くすことが可能になるために、上記溶接の火花に対する防火対策や養生といった作業も無くすことが可能になり、よって間柱４の設置に要する手間を大幅に低減することができるとともに、所要工期も大幅に短縮することができる、といった優れた効果が得られる。

特開２００７−１２６８３０号公報

ところで、一般に既存建物の上下の梁間に間柱を増設した場合には、図９（ａ）、（ｂ）に対比して示すように、地震時に、新設された間柱から作用する応力によって、梁と間柱との接合部パネル（既存の鉄骨梁のウエブ）のせん断耐力が不足する虞があった。

他方、上記従来の既存建物への間柱の設置構造においては、梁２の上下部フランジ２ａ、２ｂ間に補強部材１０を設けているものの、当該補強部材１０は、もっぱら上下部フランジ２ａ、２ｂの面外方向への変形を防止するために介装されたものであって、接合部パネル（既存の鉄骨梁のウエブ）のせん断耐力を増加させることは出来ないことから、その改善が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、鉄骨造の既存建物に間柱を増設するに際して、溶接作業やそれに起因する付帯作業を無くすことが可能になるとともに、既存の梁と新設の間柱との接合部パネルにおけるせん断耐力も向上させることができる梁の補強部材およびこれを用いた既存建物への間柱の設置構造を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、既存建物のＨ形断面の鉄骨梁に間柱を設置する際に用いられる梁の補強部材であって、上記梁の上下部フランジ間の高さ寸法に形成されるとともに、上記間柱の断面高さまたは外径以上の幅寸法に形成された鋼板と、上記鋼板に接合されたリブ鋼板とを備えてなることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記補強部材が、上記幅方向に複数に分割されていることを特徴とするものである。

次いで、請求項３に記載の発明は、Ｈ形断面の鉄骨造の梁を有する既存建物の上下の上記梁間に間柱を設置するための構造であって、上記間柱の上下端部に第１のベースプレートを一体的に設け、これら第１のベースプレートの上方および下方に上記梁を間に挟んで第２のベースプレートを設けるとともに、上記間柱が位置する上記梁の上下部フランジ間に補強部材を介装し、これら第１および第２のベースプレートに挿通した緊張材を緊張させることにより、上記間柱を上下の上記梁に固定してなり、かつ上記補強部材は、上記上下部フランジ間の高さ寸法に形成されるとともに上記間柱のせい以上の幅寸法に形成された鋼板と、この鋼板に鉛直方向に配置されて一体化されたリブ鋼板とを備え、上記梁のウエブを間に挟んだ両側に介装されていることを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、上記補強部材は、上記鋼板の上下端部に水平に接合された天板および底板を備え、上記梁のウエブを間に挟んだ両側において、それぞれ上記鋼板を上記上下部フランジの外縁側に位置させ、上記リブ鋼板を上記ウエブ側に位置させるとともに、上記天板および上記底板を各々上記上下部フランジに臨ませて介装されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、複数の上記リブ鋼板が、それぞれ上記幅方向において上記緊張材および上記間柱のフランジと同じ位置に配置されていることを特徴とするものである。

請求項１〜５のいずれかに記載の発明によれば、既存の梁の上下部フランジ間に、上下部フランジ間の高さ寸法を有し、かつ間柱のせい以上の幅寸法を有する鋼板と、上記鋼板に鉛直方向に接合されたリブ鋼板を備えた補強部材を、ウエブを間に挟んだ両側に設けているために、緊張材によって既存の梁と一体化させた際に、当該補強部材の鋼板によって接合部パネル（梁のウエブ）を増厚した場合と同様の効果を得ることができる。

これにより、増設した間柱と既存の梁との接合部パネルにおけるせん断耐力を向上させることができる。加えて、リブ鋼板によって、緊張材に張力を付与してベースプレートを梁に圧接させた際の上下部フランジの面外方向への変形も防止することができる。しかも、上記補強部材は、既存の梁に溶接することなく、上記緊張材によって梁と一体化させることができるために、溶接作業やそれに起因する付帯作業を無くすことも可能になる。

ここで、請求項５に記載の発明のように、鋼材に接合した複数のリブ鋼板を、それぞれ上記幅方向において、緊張材および間柱のフランジと同じ位置となるように配置すれば、緊張材および新設した間柱から作用する鉛直方向の荷重に対して、効果的に抗することができて好適である。

さらに、請求項２に記載の発明によれば、上記補強部材を、作業員が手で持ち上げることができる重量まで分割することにより、一層容易に施工することが出来る。また、上記補強部材は分割されているものの、当該分割方向が幅方向であり、しかも一体の場合と同様に接合部パネルを覆っているために、一体の場合と同様のせん断耐力の向上効果を得ることができる。

この際に、分割した補強部材の各部分を、互いに離間させても所望のせん断耐力の向上効果を得ることができるが、隣り合う部分のクリアランスは、１０ｍｍ以下とすることが望ましい。また、分割数も４以下とすることが望ましい。

本発明に係る間柱の設置構造の一実施形態を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ線視した側断面図である。 図１のＢ−Ｂ線視断面図である。 図１のＣ−Ｃ線視断面図である。 図１の補強部材を示す斜視図である。 図５の補強部材の変形例を示す斜視図である。 図６の補強部材の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施例の結果を示すグラフである。 （ａ）は、地震時に一般的な既存架構に作用するモーメント分布を示すグラフであり、（ｂ）は、上記間柱設置後のモーメント分布を示すグラフである。 従来の間柱の設置構造の一実施形態を示す正面図である。 図１０のＡ−Ａ線視した側断面図である。 図１０のＢ−Ｂ線視断面図である。 図１０のＣ−Ｃ線視断面図である。 本発明の実施例において比較に用いた補強部材の形状および配置を示す斜視図である。

図１〜図５は、本発明に係る梁の補強部材およびこれを用いた既存建物への間柱の設置構造の一実施形態を示すもので、鋼管柱１１とＨ形鋼からなる梁１２とによって鉄骨造の柱梁架構が構成されるとともに、梁１２上に床スラブ１３が打設された既存建物に、間柱ダンパ（間柱）１４を増設した状態を示すものである。ここで、間柱ダンパ１４は、柱１１間の中間位置において上下の梁１２間に配置されており、さらに上下階方向に向けて連続するように設置されている。

これら上下方向に連続するように設置された間柱ダンパ１４は、いずれも高さ方向の中間部が切り欠かれることにより上部間柱１４ａと下部間柱１４ｂとに分離されるとともに、これら上下部間柱１４ａ、１４ｂ間に、水平方向の変位を減衰させる油圧ダンパ１５が介装されたものである。そして、油圧ダンパ１５は、その一端側１５ａが上部間柱１４ａと一体化されるとともに他端部１５ｂが下部間柱１４ｂと一体的に連結されている。

さらに、上側の梁１２の下部フランジ１２ｂおよび下側の梁１２上のスラブ１３と対向する間柱ダンパ１４の上下端部には、それぞれ長方形板状のベースプレート１６ａ、１６ｂが一体的に接合されている。ここで、これらベースプレート１６ａ、１６ｂは、長辺が上下部間柱１４ａ、１４ｂのせいＷよりも大きく、かつ短辺が上下部間柱１４ａ、１４ｂのフランジ幅より大きい長方形状に形成されている。

そして、これらベースプレート１６ａ、１６ｂの外周部の複数箇所（図では、長辺側外周部の角隅部に各２箇所、合計８箇所）に孔部１７が穿設されている（図３参照）。また、下端側のベースプレート１６ｂが載置される床スラブ１３にも、上記孔部１７と連通する孔部が穿設されている。

そして、梁１２の上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間に、補強部材２０が介装されている。この補強部材２０は、図５に示すように、梁１２の上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間に配置される長方形の鋼板２１と、この鋼板１の上下端部に水平に接合された天板２２および底板２３と、これら天板２２および底板２３間に鉛直方向に配置されて鋼板１に接合された複数本の帯板状のリブ鋼板２４とから構成されたものである。

ここで、鋼板１は、高さ寸法が上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間の寸法に形成されるとともに、幅寸法がベースプレート１６ａ、１６ｂの長辺の寸法（すなわち、上下部間柱１４ａ、１４ｂのせいＷ以上の寸法）に形成されている。また、複数のリブ鋼板２４は、それぞれ鋼板１の幅方向において、ベースプレート１６ａ、１６ｂの孔部１７を結ぶ位置および上下部間柱１４ａ、１４ｂのフランジと同じ位置に配置されている。

以上の構成からなる補強部材２０は、図４に示すように、鋼板１が梁１２の上下部フランジ１２ａ、１２ｂの外縁に沿って配置され、天板２２および底板２３が各々上下部フランジ１２ａ、１２ｂに対向して配置されて、溶接されることなく上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間に挿入されている。また、補強部材２０は、梁１２のウエブを間に挟んだ両側に設けられている。

ここで、補強部材２０としては、図５に示した構成のものの他、例えば図６に示すように、幅方向に２分割したものや、図７に示すように、幅方向に３分割してものも用いることができる。ちなみに、図１および図４においては、図６に示す２分割した補強部材２０を設けた場合について示してある。また、分割した補強部材の各部分を、互いに離間させても後述する所望のせん断耐力の向上効果を得ることができるが、隣り合う部分のクリアランスＬは、１０ｍｍ以下とすることが望ましい。

このようにして、梁１２の上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間に補強部材２０が配置された後に、上端側のベースプレート（第１のベースプレート）１６ａの孔部１７と、上階の間柱ダンパ１４の下端部のベースプレート（第２のベースプレート）１６ｂの孔部１７とに、床スラブ１３に穿設した孔部を通してＰＣ鋼材（緊張材）２５が挿通され、さらに緊張された後にその上下端部が定着具２６によって各ベースプレート１６ａ、１６ｂに固定されることにより、間柱ダンパ」１４の上端部側が上側の梁１２に固定されている。

他方、下端部においては、間柱ダンパ１４の下端部側のベースプレート（第１のベースプレート）１６ｂの孔部１７と、下階の間柱ダンパ１４の上端部のベースプレート（第２のベースプレート）１６ａの孔部１７とに、同様にＰＣ鋼材（緊張材）２５が挿通されて緊張された後に、その上下端部が定着具２６によって各ベースプレート１６ａ、１６ｂに固定されることにより下側の梁１２に固定されている。なお、図中符号１９は、ベースプレート１６ｂと床スラブ１３との間に充填されたグラウトである。

以上の構成からなる既存建物への間柱の設置構造によれば、既存の梁１２の上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間に、上下部フランジ１２ａ、１２ｂ間の高さ寸法を有し、かつ上下部間柱１４ａ、１４ｂのせいＷ以上の幅寸法を有する鋼板２１と、その上下端部に一体化された天板２２および底板２３と、鋼板１に鉛直方向に接合された複数本のリブ鋼板２４を備えた補強部材２０を、鋼板２１を上下部フランジ１２ａ、１２ｂの外縁部に沿わせて配置するとともに、ウエブを間に挟んだ両側に設けている。このため、ＰＣ鋼棒２５によって既存の梁１２と一体化させた際に、補強部材２０の鋼板２１によって接合部パネル（梁のウエブ）を増厚した場合と同様の効果を得ることができる。

これにより、増設した間柱ダンパ１４と既存の梁１２との接合部パネルにおけるせん断耐力を向上させることができる。加えて、リブ鋼板２４によって、ＰＣ鋼棒２５に張力を付与してベースプレート１６ａ、１６ｂを梁１２に圧接させた際の上下部フランジ１２ａ、１２ｂの面外方向への変形も防止することができる。しかも、補強部材２０は、既存の梁１２に溶接することなく、ＰＣ鋼棒２５によって梁１２と一体化させることができるために、溶接作業やそれに起因する付帯作業を無くすことも可能になる。

さらに、上記補強部材２０においては、複数のリブ鋼板２４を、それぞれ鋼板２１の幅方向において、ＰＣ鋼棒２５および間柱ダンパ１４のフランジと同じ位置となるように配置しているために、ＰＣ鋼棒２５による張力や、新設した間柱ダンパ１４から作用する鉛直方向の荷重に対して、効果的に抗することができる。

また、図６および図７に示した補強部材２０を用いた場合には、補強部材２０を作業員が手で持ち上げることができる重量まで分割することにより、一層容易に施工することが出来るとともに、補強部材２０をその幅方向に複数に分割しているために、一体の場合と同様のせん断耐力の向上効果を得ることができる。

本発明の効果を検証するために、３次元弾塑性ＦＥＭ解析により、補強部材を含めた接合部パネルのせん断耐力を確認した。
解析モデルは、間柱と梁との接合部を取りだした部分十字架構で、接合部パネルの梁の上下部フランジ間に接合部材を設けた場合と、当該補強部材を設けない場合とについて確認した。

また、補強部材を設けた場合についても、図５に示した独立型、図６に示した２分割型、図７に示した３分割型について解析を行うとともに、比較のために、図１０〜図１３に示した従来の構造における補強部材１０を模して、図１４に示すような２本の補強部材１０´を、ベースプレート長手方向の両端部間に位置する上下部フランジ間に配置した場合についても、解析を行った。解析は、Step 1 で上下間柱のベースプレートを繋ぐ緊張材（ＰＣ鋼棒）に緊張力を導入した後、Step 2 で間柱上部に水平変位を与えて行った。

図８は、この解析結果である間柱せん断力−層間変位の関係を示すものである。
同図に見られるように、補強部材が無い場合には、接合部パネルは設計せん断力（ダンパーの最大減衰力）以下で降伏するのに対して、本発明に係る補強部材を設けることにより、接合部パネルはせん断耐力が向上し、設計せん断力を優に上回ることが確認された。

１１ 柱
１２ 梁
１３ 床スラブ
１４ 間柱ダンパ
１６ａ、１６ｂ ベースプレート
１７ 孔部
２０ 補強部材
２１ 鋼板
２２ 天板
２３ 底板
２４ リブ鋼板
２５ ＰＣ鋼材（緊張材）
２６ 定着具
２３、２４ ベースプレート（第２のベースプレート）

Claims (5)

1. 既存建物のＨ形断面の鉄骨梁に間柱を設置する際に用いられる梁の補強部材であって、
   上記梁の上下部フランジ間の高さ寸法に形成されるとともに、上記間柱の断面高さまたは外径以上の幅寸法に形成された鋼板と、上記鋼板に接合されたリブ鋼板とを備えてなることを特徴とする梁の補強部材。
2. 上記補強部材は、上記幅方向に複数に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の梁の補強部材。
3. Ｈ形断面の鉄骨造の梁を有する既存建物の上下の上記梁間に間柱を設置するための構造であって、
   上記間柱の上下端部に第１のベースプレートを一体的に設け、これら第１のベースプレートの上方および下方に上記梁を間に挟んで第２のベースプレートを設けるとともに、上記間柱が位置する上記梁の上下部フランジ間に補強部材を介装し、これら第１および第２のベースプレートに挿通した緊張材を緊張させることにより、上記間柱を上下の上記梁に固定してなり、
   かつ上記補強部材は、上記上下部フランジ間の高さ寸法に形成されるとともに上記間柱のせい以上の幅寸法に形成された鋼板と、この鋼板に鉛直方向に配置されて一体化されたリブ鋼板とを備え、上記梁のウエブを間に挟んだ両側に介装されていることを特徴とする既存建物への間柱の設置構造。
4. 上記補強部材は、上記鋼板の上下端部に水平に接合された天板および底板を備え、上記梁のウエブを間に挟んだ両側において、それぞれ上記鋼板を上記上下部フランジの外縁側に位置させ、上記リブ鋼板を上記ウエブ側に位置させるとともに、上記天板および上記底板を各々上記上下部フランジに臨ませて介装されていることを特徴とする請求項１に記載の既存建物への間柱の設置構造。
5. 複数の上記リブ鋼板が、それぞれ上記幅方向において上記緊張材および上記間柱のフランジと同じ位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の既存建物への間柱の設置構造。

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