JP3304060B2 - 回転剛性調整型柱梁接合構造及び耐震建築物 - Google Patents

回転剛性調整型柱梁接合構造及び耐震建築物

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は建築鋼構造の柱梁
部材の接合構造または一般鋼構造物の主要部材の接合構
造、並びに鉄骨構造物の耐震構造に関わるものである。
【0002】
【従来の技術】 従来の建築ラーメン構造では、小地震
等の荷重に対してはフレーム水平剛性を高めることによ
り変形を押さえ、また大地震等の荷重に対しては部材を
塑性化させることにより倒壊を防止する設計がなされて
きた。これを実現するため、一般的には図6に示すよう
に、梁部材を直接柱部材に溶接接合する方法が使用され
てきた。しかし、この溶接接合方法では柱梁部材が弾性
変形する場合に接合部がほぼ剛体として挙動するため、
建築物の固有周期を積極的に調整し、地震応答レベルを
制御することは不可能であった。また、梁部材は当該部
材の曲げ降伏耐力に対応する変形分までしか弾性変形す
ることができず、変形性能が限定されていた。一方、地
震等の水平荷重によって、柱梁部材の接合部近傍には大
きな曲げモーメントが発生するため、フレームの層間変
形角1/100程度の大変形時には、柱梁部材の塑性化
を許容するか、490N/mm2 を超える強度をもつ
超高張力鋼等を部材に使用し、部材の弾性変形能力を高
める必要があった。またはこれと逆に、490N/mm
2 以下の強度よりなる鋼材を柱梁部材に使用した場合
は、部材断面を大きくし剛性を高めることにより、地震
時に発生するフレーム水平変形を柱梁部材が弾性域に留
まる程度にまで減少させる必要があった。
【0003】溶接接合以外には、特に省力化施工を目的
としたメカニカル接合として、高力ボルト引張り接合を
利用したスプリットT形式の接合法等があり、この実施
例を図7に示す。しかし、これらの接合部の初期弾性回
転剛性は、梁フランジ溶接接合法とほぼ同等であり、接
合部の回転剛性を大幅に調整し、かつ大きな弾性部材回
転角を得ることは不可能であった。また、フレームの水
平変形に伴い、柱梁接合部近傍は面外に大きな曲げモー
メントが働くため、小さな水平変形でも局部塑性化が発
生することから、増肉等の補強が必要であった。また、
簡便なメカニカル接合形式を使用した場合には、接合部
の回転剛性が低下することにより建物全体の水平剛性が
過度に低下するため、地震時等の動的な水平力下での水
平変形量が過大となる場合があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】 したがって本発明の
目的は、これらの問題を解決し、水平変形に対する変形
性能が向上した柱梁接合構造と、当該柱梁接合構造を使
用した耐震性能が向上した建築物を提供することであ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】 本発明の回転剛性調整
型柱梁接合構造では、柱部材と梁部材端部の間に回転剛
性の調整が可能で回転変形能力に富むバネ手段を設け
る。このバネ手段は、梁フランジを柱部材に直接溶接し
た柱梁接合との比較において、10〜70%の材端モー
メント開放率を与える弾性回転剛性を有するものであ
り、鋼板バネと複数の条片よりなる鋼製枕座とからなる
ものである。これにより、接合部の回転剛性の調整を可
能とし、かつ構造物の水平変形能力を向上させる。
【0006】前記バネ手段は前記鋼製枕座を介して柱部
材に固定し、梁部材端部を当該鋼板バネに溶接接合する
ことができる。前記鋼鈑バネには、490N/mm2
以上の引張り強度を持つ鋼板を使用することができ、こ
れにより接合部の剛性調整を簡便な方法で解決し、かつ
構造物の水平大変形時での弾性挙動を実現させる。
【0007】一方、本発明の前記柱梁接合構造を使用し
た耐震建築物において、地震時等における水平変位応答
を調整する場合には、当該建築物の振動エネルギーを逸
散させる制振装置を併設する。この設置場所は、柱間ま
たは梁間もしくは建築物頂部等の特定位置である。これ
により建築物の振動を減衰させ、変位応答を在来構造以
下に調整する。当該制振装置としては、当該建築物単体
と比較して粘性減衰定数で2%〜30%の減衰力を付加
する粘性系型制振装置または同調振動系型制振装置を使
用することができる。前記粘性系型制振装置としてはオ
イルダンパー、粘性体ダンパーまたは粘弾性体ダンパー
が使用され、同調振動系型制振装置としてはバネ−質量
型ダンパー、振り子型ダンパーまたは液体スロッシング
型ダンパーを使用できる。
【0008】また、本発明の前記柱梁接合構造を使用し
た耐震建築物において、地震時等における水平変位応答
を調整する場合には、初期弾性変形時の水平力分担率が
33〜89%となる履歴系型制振装置を、柱間または梁
間に更に設置することもできる。この履歴系型制振装置
としては鋼材ダンパー、鉛ダンパーまたは摩擦ダンパー
を使用することができる。
【0009】このように構成された本発明の柱梁接合構
造では、地震力等の水平荷重の作用により構造物に発生
する水平せん断変形に伴う柱梁接合部の回転変形に対し
て、柱梁部材の接合部に設置された前記バネ手段が弾性
回転変形することにより、この変形を吸収する。そのた
め柱部材および梁部材に発生する曲げ変形量は低減さ
れ、併せて両部材に発生する曲げモーメントも減少す
る。これにより、建築物の水平変形能力を向上させる。
また、このバネ手段の回転剛性を調整することにより、
柱梁部材に生ずる曲げモーメント、並びに建築物の全体
水平剛性および固有周期を自由に調整する。また、本発
明の柱梁接合構造のバネ手段では、十分な厚みと強度を
持つ枕座で支持された鋼板バネの面外曲げ変形をバネ機
構として使用しており、鋼板バネの面外曲げ剛性を決定
する厚みt、幅Bおよび梁部材からの突出量Lでバネ手
段の回転剛性を調整する。また、バネ手段の弾性回転変
形限界は、鋼板バネの材料強度で調整する。
【0010】前記柱梁接合構造を有する本発明の耐震構
造では、建築物内部に併設された粘性系または履歴系等
の制振装置によって、地震等により当該建築物に入力さ
れた振動エネルギーを逸散させる。建築物減衰力を高
め、振動を早期に減衰させることで、建築物の変位応答
を調整し、建築物の耐震性能を向上させる。
【0011】
【発明の実施の形態】 図1に示した実施例の柱梁接合
構造では、鋼板バネ6と複数の条片よりなる枕座8によ
り構成されたバネ手段5が使用されている。梁部材2
は、それ自身の弾性回転変形により梁部材端モーメント
を開放するバネ手段5を介して、柱部材1に結合されて
いる。ここで柱梁接合部に使用するバネ手段5として
は、柱部材1と梁部材2を結合させ、かつ10〜70%
の材端モーメント開放率を与える弾性回転剛性を有する
ものであればよく、図示のものには限定されない。
【0012】図2に示した実施例の柱梁接合構造では、
590N/mm2 級の引張り強度をもつ鋼板バネ6と
400N/mm2 級鋼材よりなる枕座8を使用したバ
ネ手段5が使用されている。方形の鋼板バネ6は梁部材
2に溶接接合3で接合されている。帯鋼よりなる枕座8
は、鋼板バネ6の面外変形代を確保するのに十分な厚み
をもち、鋼板バネ6の支点となる枕座8は、梁部材2か
らの鋼板バネ6の突出部7が片持ち梁として曲げ剛性に
よりバネ挙動するように、十分な突出量を確保させ得る
位置に配置されている。鋼板バネ6は枕座8を介して高
力ボルト接合9により柱部材1に固定されている。ここ
で、鋼板バネ6としては、490N/mm2 以上の引
張り強度を有すれば強度に制限はない。また、梁部材2
との溶接接合3および枕座8の設置が可能であれば方形
でなくてもよい。枕座8としては鋼製バネ6を柱部材1
に固定可能な形状であればよく、帯状である必要はな
い。また、強度および材質も鋼板バネ6の柱部材1への
固定が可能であれば、400N/mm2 級鋼材である
必要はない。鋼板バネ6、枕座8および柱部材1との接
合は、高力ボルトによらず、溶接接合であってもよい。
【0013】図3に示した実施例の耐震建築物は、柱部
材1と梁部材2の接合部に前記バネ手段5を設けている
のに加えて、制振装置10を梁部材2,2間に設置して
いる。この制振装置10は粘性系型制振装置であり、具
体的にはオイルダンパーが使用されている。ここで、制
振装置10としては、構造物に粘性減衰定数で2%〜3
0%の減衰力を付加するものであれば、本例のものには
限定されない。また、制振装置10は構造物に所定の減
衰力を与えることが可能であれば設置場所は問わず、例
えば上下階の柱間などに設置してもよいし、低層部等の
特定階に集中して設置してもよい。
【0014】図4に示した実施例の耐震建築物では、柱
部材1と梁部材2の接合部に前記バネ手段5を設けると
ともに、柱部材1,1間に履歴系型制振装置11を設置
してある。履歴系型制振装置11としては座屈拘束型鋼
製部材が使用されている。この座屈拘束型鋼製部材は例
えば実開平4−19121号公報に開示されたように、
好ましくは一部または全部が低降伏点鋼材よりなる鋼製
中心軸力部材を鋼製中空座屈拘束部材内に嵌挿したもの
であり、建築物に筋交いとして使用される。地震力によ
って座屈拘束型鋼製部材に作用する軸力が増加して行く
にしたがって、鋼製中心軸力部材の応力度が高くなり、
鋼製中心軸力部材が降伏点に達すると、当該部材のエネ
ルギー吸収による履歴減衰効果によって、建築物の振動
を有効に抑制するものである。ここで、履歴系型制振装
置11としては、初期弾性変形時の水平力分担率が33
〜89%となるものであれば良く、本例には限定されな
い。また、前述の粘性系型制振装置10と同じく履歴系
型制振装置11の設置場所は問わない。
【0015】図5に示した耐震建築物は、590N/m
m2 級の引張り強度を有する鋼材よりなる弾性変形性
能の高い柱部材1と梁部材2を溶接接合により結合した
構造体12に、低降伏点鋼製制振間柱を履歴系型制振装
置11として配置し、この構造体12全体を制振機構1
3として、本発明の柱梁接合構造を使用した建築物に結
合したものである。この低降伏点鋼製制振間柱は、例え
ば実開平7−21927号公報に開示されているよう
に、柱部材や梁部材と同様な一般鋼材よりなる鋼製ブラ
ケットを上下の梁部材に固定し、上下の鋼製ブラケット
の先端部間に柱部材や梁材よりも耐力の小さい低降伏点
鋼材を組み込んだものであり、柱部材と梁部材が弾性域
であり、低降伏点鋼材が塑性域であるような振動の地震
に対しては、地震による構造物の振動エネルギーを低降
伏点鋼材が履歴エネルギーとして消費し、構造物の振動
を早期に減衰させるものである。ここで制振機構13
は、図示のように本発明の柱梁接合構造を使用した建築
物と分離して設置してもよいし、制振装置とその周辺柱
梁部材を用いて制振機構とし、これを本発明の耐震建築
物内に分散配置してもよい。また、制振機構13で使用
する制振装置には粘性系型制振装置10を使用してもよ
い。
【0016】
【発明の効果】 以上のように構成される本発明の回転
剛性調整型柱梁接合構造を使用することにより、溶接接
合等による剛接合と比較すると、柱梁部材に発生する曲
げモーメントは5〜70%低減することが確認されてい
る。また、溶接接合等による在来構造と同レベルの弾性
変形性能を保証する場合には、本発明の前記柱梁接合構
造を使用することにより柱梁接合部周辺の部材に発生す
る曲げモーメントが低減されることから、柱梁部材に従
来よりも低強度並びに低剛性の部材を使用することが可
能となる。また、本発明の前記柱梁接合構造を使用する
ことにより、柱梁部材性能を変更せずとも、構造体の水
平剛性を溶接接合等による在来構造の95〜40%に制
御することが可能となることが数値解析により確認され
ており、構造物の固有周期が短く、地震時の挙動が問題
となる低層の建築物を簡便に長周期化し、地震時の加速
度応答を制御することが可能である。
【0017】本発明の回転剛性調整型柱梁接合構造を使
用した建築物に、粘性減衰定数で2%〜30%の減衰力
を建築物に付加する粘性系型制振装置10を併設する
か、または、弾性変形時の水平力分担率が33〜89%
となる履歴系型制振装置11を併設することにより、動
的な水平力に対する変位応答を、在来接合法による建築
物の変形以下に制御可能なことが数値解析により確認さ
れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の回転剛性調整型柱梁接合構造の一例
を適用した建築物の正面図である。
【図2】 本発明の回転剛性調整型柱梁接合構造に使用
されるバネ手段の一例を示す斜視図である。
【図3】 本発明の耐震建築物の一例を示す正面図であ
り、粘性系型制振装置としてオイルダンパーが使用され
ている。
【図4】 本発明の耐震建築物の別の例を示す正面図で
あり、履歴系型制振装置として座屈拘束型鋼製筋交が使
用されている。
【図5】 本発明の耐震建築物の更に別の例を示す正面
図であり、履歴系型制振装置として低降伏点鋼製間柱が
使用されている。
【図6】 梁部材を直接柱部材に溶接接合した従来の柱
梁接合構造を示す正面図である。
【図7】 高力ボルトによるメカニカル接合を用いた従
来の柱梁接合構造を示す正面図である。
【符号の説明】
1 柱部材 2 梁部材 3 溶接接合 4 メカニカル接合 5 バネ手段 6 鋼板バネ 7 突出部 8 枕座 9 高力ボルト接合 10 粘性系型制振装置 11 履歴系型制振装置 12 構造体 13 制振機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三村 正明 東京都千代田区大手町二丁目6番3号 新日本製鐵株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−285175(JP,A) 特開 平9−268802(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) E04B 1/24 E04H 9/02 351 F16F 15/02 F16F 15/04

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 鋼構造の柱梁部材の接合部において、梁
    フランジを柱に直接溶接した柱梁接合と比較して、10
    〜70%の材端モーメント開放率を与える弾性回転剛性
    を有する鋼板バネと複数の条片よりなる鋼製枕座とから
    なるバネ手段を、柱部材と梁部材端部の間に設けたこと
    を特徴とする、回転剛性調整型柱梁接合構造。
  2. 【請求項2】 前記バネ手段は、前記鋼製枕座を介して
    柱部材に固定される一方、前記鋼板バネにより梁部材端
    部に溶接接合されていることを特徴とする、請求項1に
    記載の回転剛性調整型柱梁接合構造。
  3. 【請求項3】 前記鋼板バネの引張り強度が490N/
    mm2 以上であることを特徴とする、請求項1または
    請求項2に記載の回転剛性調整型柱梁接合構造。
  4. 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のいずれか一つ
    に記載の回転剛性調整型柱梁接合構造を有する建築物に
    おいて、更に柱間または梁間もしくは建築物頂部等の特
    定位置に、当該建築物単体と比較して粘性減衰定数で2
    %〜30%の減衰力を付加する粘性系型制振装置または
    同調振動系型制振装置を設置したことを特徴とする耐震
    建築物。
  5. 【請求項5】 前記粘性系型制振装置はオイルダンパ
    ー、粘性体ダンパーまたは粘弾性体ダンパーであること
    を特徴とし、同調振動系型制振装置はバネ−質量型ダン
    パー、振り子型ダンパーまたは液体スロッシング型ダン
    パーであることを特徴とする、請求項4に記載の耐震建
    築物。
  6. 【請求項6】 請求項1ないし請求項3のいずれか一つ
    に記載の回転剛性調整型柱梁接合構造を有する建築物に
    おいて、更に柱間または梁間に、初期弾性変形時の水平
    力分担率が33〜89%となる履歴系型制振装置を設置
    したことを特徴とする耐震建築物。
  7. 【請求項7】 前記履歴系型制振装置は鋼材ダンパー、
    鉛ダンパーまたは摩擦ダンパーであることを特徴とす
    る、請求項6に記載の耐震建築物。
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