JP3545537B2 - 座屈拘束斜め柱を要素とする構造体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地震の水平エネルギーを円滑に吸収できる座屈拘束斜め柱を要素とする構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
阪神大震災の教訓から、特に大地震の際の地震エネルギーにより構造体が破壊されるのをいかにして防ぐかという観点で種々の研究開発がなされている。この地震エネルギーから構造体を守る対策としては、いわゆる積層ゴム等で構造物を支持する免震構造によるものと、構造体自身の揺れを制御するようにした制振構造によるものとがあり、本発明の対象とするのは後者に属する。
【０００３】
地震による構造体の揺れを、構造体自身で制御する方法として例えば次のような手段がある。▲１▼梁や垂直柱間に座屈拘束されたブレース材を用いて、地震エネルギーがブレース材の降伏耐力を越えたとき、このブレース材が塑性変形して地震エネルギーを吸収する。▲２▼垂直柱と梁による構造体において、この垂直柱または梁の曲げ降伏により地震エネルギーを吸収する。▲３▼斜め柱で構造体を構成し、地震力が生じたとき、そのエネルギーを斜め柱に軸力として作用させ、この軸力が降伏耐力を越えると斜め柱が降伏することで地震エネルギーを吸収する。
【０００４】
前記▲１▼の方法では、あくまでもブレース材のみで地震エネルギーを吸収するものであるからそのエネルギー吸収能力には限界があり、一定値以上の大地震力に対しては適応不能事態が生じる。▲２▼の方法では構造体が垂直柱と梁との組合わせであるから、地震の水平力に対して垂直柱はその水平力を最も有効に受け止め得る構造とは言い難く、この場合も一定値以上の大地震に対しては適応不能事態が生じる。▲３▼の方法では、地震の水平力を斜め柱でその軸力として最も有効に受けることはできるが、座屈後の耐力低下によるエネルギー吸収能力は不安定で、所期の通り大地震エネルギーを吸収できるとは限らない。特に地震による水平力が軸力として作用する斜め柱の降伏耐力は予め想定された地震等エネルギーの強さ、建築構造物の強度等により適切な大きさに設定されていなければ、地震発生時等におけるエネルギー吸収部材としての本来の耐震性能を発揮させることができない。つまり、座屈拘束部材の降伏耐力は大きすぎても、小さすぎてもその性能を発揮できないため、その降伏耐力は適正に制御される必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の制振構造タイプの地震エネルギー吸収構造体は、いずれも一長一短があって満足し得る構造ではなかった。本発明はこのような従来の欠点を改良した制振構造タイプの地震エネルギー吸収構造体を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係る座屈拘束用斜め柱を要素とする構造体は、エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱を含む斜め柱本体を、４本の連結腕部を備えた交差関節で結合して略菱形枠が集合してなる傾斜柱枠を構成し、対をなして立設される前記傾斜柱枠の前記交差関節部で梁材を支持した構成とし、前記エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱は、鋼管で補強された座屈拘束用充填部材内に、鋼製中心軸力部材を配設し、その鋼製中心軸力部材の表面と前記座屈拘束用充填部材との間に、付着防止皮膜を設けて構成されることを特徴とする。
【０００８】
本発明によると、構造体が地震エネルギーにより水平力を受けるとき、その水平力は、斜め柱本体に軸力として伝わる。本発明では、この斜め柱本体の降伏耐力を適正に制御することにより大小の地震エネルギーを最も有効に吸収制御し得るものである。つまり、降伏耐力を所期値に確実、容易に設定できるエネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱が、斜め柱本体の構成要素をなしているので、結果として、大規模地震からの構造体破壊を最も効果的に防ぐことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図を参照して説明する。
図１〜図８は本発明の第１例を示し、各図において、斜め柱本体１は、エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱２と、この斜め柱２に交差関節３を介して直列に接続される非エネルギー吸収用斜め柱４とから構成され、複数本の前記斜め柱本体１を複数の前記交差関節３で結合して略菱形枠体が上下左右に集合してなる傾斜柱枠５が構成される。さらに、この傾斜柱枠１を対をなして基礎７に垂直に立設し、左右の傾斜柱枠（図１では片側のみを図示する）５の間において、前記交差関節部３で梁材６を多段に支持することで構造体８が構成される。またこのとき、梁材６と斜め柱本体１とで、梁材６の上下側に三角支持枠１０が構成される。
【００１０】
図１におけるＡ部の詳細構造を図２〜図７によって説明すると、交差関節３は、略Ｘ字状に伸びる連結腕部１１を有した構成であり、 左右の上下斜め方向に向う各連結腕部１１に座屈拘束斜め柱２の端部が溶接１２で固着されている。
【００１１】
第１例に係る座屈拘束斜め柱２は、図３、図４に示すように所定厚の帯状鋼板１３からなる鋼製中心軸力部材１４が４角形断面の鋼管１５に挿通され、かつ中心軸力部材１４の両端部側面には、斜面１５を内側基端部に有する鋼製の補強用リブプレート１６が溶接で固着されていて、この斜面１５に中心軸力部材１４の塑性変形を吸収する（後述する）空隙確保のため、合成樹脂スポンジまたはゴムからなる変形吸収用弾性材１７が接着剤等により固定されている。さらに、中心軸力部材１４と補強用リブプレート１６の外端面に連結体１８が溶接で固定されている。
前記中心軸力部材１４を構成する帯状鋼板１３の厚みと、幅は、地震エネルギーにより塑性変形させる降伏耐力の大きさに応じて決定される。
【００１２】
中心軸力部材１４の外面と、補強用リブプレート１６の外面と変形吸収用弾性材１７とを被んで、これらが鋼管２０内に位置する部分に型枠剥離、オイルペイント、アスファルト等からなる付着防止被膜２１が塗布形成され、さらに、前記鋼管２０内に座屈拘束用充填部材の一例としてコンクリート２２が充填され、そのコンクリート２２と前記鋼管２０とにより、鋼材で補強された座屈拘束用コンクリート部材２３が構成されている。前記鋼管２０の端部と前記連結体１８の間には一定の間隔２４があけられているが、前記補強用リブプレート１６は、この間隔２４部位における中心軸力部材１４の強度を補強している。
【００１３】
連結体１８には、所定の長さを有する長さ調整鋼管２５の一端が溶接１２で固定されており、その他端は交差関節３の連結腕部１１の端面に環状ガイド突起２６をガイドとして当接させてあり、この当接部を溶接１２で固着している。連結腕部１１の端面に凹部２７が設けられているが、交差関節３の強度調節と軽量化の両面から、このように設計されているものである。
エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱２は、前述のように座屈拘束用コンクリート部材２３と、その両端部の連結体１８と、長さ調整鋼管２５とからなり、長さＬを有している。
【００１４】
図１に示すように座屈拘束斜め柱２は、複数の交差関節３を用いて斜め直線状に構成される斜め柱本体１の、少なくとも一部の構成要素をなすべく配設されている。図１の例では、１本の直線状の斜め柱本体１において、それぞれ２つの座屈拘束斜め柱２が配設されており、他はこの座屈拘束斜め柱２よりも座屈耐力が大きい非エネルギー吸収用斜め柱４が配設されている。
【００１５】
非エネルギー吸収用斜め柱４は、図８に拡大図示するように、角パイプ、丸パイプ等の中空鋼管、或いは中実の鋼棒等で構成されており、その両端部が交差関節３の各連結腕部１１に溶接１２で固定されている。また、本発明では、エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱３は、前述のように１本の斜め柱本体１の中に少なくとも１本以上有していれば、その降伏耐力を適正に設定することにより所期の目的を達成可能であり、１本の斜め柱本体１の全部を前記座屈拘束斜め柱２で構成することによっても所期の目的を達成することは可能である。
【００１６】
図９〜図１１には、本発明の第２例に係るエネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱２ａが示されている。この第２例の座屈拘束斜め柱２ａでは、第１の座屈拘束斜め柱２における長さ調整鋼管２５が設けられていない。つまり、第２例の座屈拘束斜め柱２ａでは、座屈拘束用コンクリート部材２３の鋼管２０の両端において、中心軸力部材１４の端部に第１例と同じ連結体１８が溶接１２で固着され、この連結体１８が、交差関節３の連結腕部１１に設けられた連結端部２８に溶接１２で固定されている。第２例の座屈拘束斜め柱２では、第１例における長さ調整鋼管２５が存在しないので、これの長さに相当する分だけ座屈拘束用コンクリート部材２３が長く設けられている。他の構成は第１例と同じであるので、同一要素には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００１７】
前述のように、エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱２を要素とする斜め柱本体１で傾斜柱枠５が構成され、この傾斜柱枠５を所定の間隙をあけて対をなして図１に示す基礎７の上に垂直に立設し、両側の傾斜柱枠５の間において、前記交差関節３で梁材６を多段に支持することで構造体８が構成される。なお、梁材６の構成と、梁材６を交差関節３に固定する手段は周知の構成を用いて構わない。この構造体８において、斜め方向に交差して傾斜する複数列の斜め柱本体１によって、多数の略菱形枠３０が構成されると共に、梁材６と斜め柱本体１とによって多数の三角支持枠１０が構成される。
【００１８】
本発明の実施形態に係る構造体８において、非地震時における平常値レベルの下向の荷重や水平方向の力は交差関節３と、梁材６と、斜め柱本体１とで構成される三角支持枠１０の剛性に富む枠構造により受け止められることで、この構造体８の安定性を保持することができる。
【００１９】
一方、地震時に水平力が構造体８に作用したときは、その水平力は梁材６と交差関節３を介して斜め柱本体１に軸力として作用し、その軸力（つまり、地震の水平力）がエネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱２の降伏耐力を越えたとき、この座屈拘束斜め柱２の中心軸力部材１４がコンクリート２２と鋼管２０で拘束されていることにより座屈せず、圧縮降伏（あるいは引張降伏）して安定的に塑性変形することでそのエネルギーを吸収して、構造体８を地震から守るものである。
【００２０】
ところで、地震エネルギーによる軸力に対し、エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱２を座屈させないことはもちろんであるが、降伏耐力も予め想定された地震等エネルギーの強さ、建築構造物の強度等により適切な大きさに設定されていなければ、地震発生時等におけるエネルギー吸収部材としての本来の耐震性能を発揮させることができない。つまり、座屈拘束部材の降伏耐力は大きすぎても、小さすぎてもその性能を発揮できないため、その降伏耐力は適正に制御される必要がある。
【００２１】
本発明の座屈拘束斜め柱２において、前記の降伏耐力を決定するのは、座屈拘束用コンクリート部材２３であり、なかでもとくに、コンクリート２２で拘束されている中心軸力部材１４の断面積である。そして、中心軸力部材１４を構成する鋼材としては、１０ｋｇ／ｍｍ^２ 〜５０ｋｇ／ｍｍ^２ の範囲の鋼板を使用することができ、これらを適正に選択することで、剛性および塑性挙動（保有耐力、復元力特性）を任意に調整することができる。
【００２２】
また、中心軸力部材１４の両端部において、補強用リブプレート１６の斜面１５に接するように変形吸収用弾性材１７が設けられているので、鋼製中心軸力部材１４の軸方向の変形が妨げられるのを防止することができる。中心軸力部材１４としては、丸鋼、形鋼その他の任意断面のものを使用してもよく、また鋼管２０としては丸形あるいは６角断面のものを使用してもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る構造体は、交差関節で連結された複数の斜め柱本体で構成されているので、この構造体が地震エネルギーにより水平力を受けるとき、その水平力を斜め柱本体に軸力として伝え、この斜め柱本体で最も有効に受けることができる。しかもこの斜め柱本体は、エネルギー吸収用柱として降伏耐力を所期値に確実、容易に設定できる座屈拘束斜め柱を構成要素としているので、座屈が生ぜず、所定の軸力以上では安定的に塑性化してエネルギーを吸収できる。したがって、本発明によると柱の座屈後の耐力低下によるエネルギー吸収能力の不安定化の問題点を解消できると共に、当該構造物において、予定値の地震エネルギーを最も有効に吸収すべく最適な降伏耐力を有した座屈拘束斜め柱を容易に構成でき、結果として、大規模地震による構造体の破壊を最も有効に防ぐことができ、しかも個々の座屈拘束斜め柱の交換も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１例に係る座屈拘束斜め柱を要素とする構造体の正面図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】図２における座屈拘束斜め柱の断面図である。
【図４】図３のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】図３のＤ−Ｄ断面図である。
【図６】図３のＥ−Ｅ断面図である。
【図７】図３のＦ−Ｆ断面図である。
【図８】図１のＢ部の拡大図である。
【図９】本発明の第２例に係る座屈拘束斜め柱を要素とする構造体の要部の拡大図である。
【図１０】図９における座屈拘束斜め柱の断面図である。
【図１１】図１０のＧ−Ｇ断面図である。
【符号の説明】
１ 斜め柱本体
２ 座屈拘束斜め柱
３ 交差関節
４ 非エネルギー吸収用斜め柱
５ 傾斜柱枠
６ 梁材
７ 基礎
８ 構造体
１０ 三角支持枠
１１ 連結腕部
１２ 溶接
１３ 帯状鋼板
１４ 鋼製中心軸力部材
１５ 斜面
１６ 補強用リブプレート
１７ 変形吸収用弾性材
１８ 連結体
２０ 鋼管
２１ 付着防止被膜
２２ コンクリート
２３ 座屈拘束用コンクリート部材
２４ 間隔
２５ 長さ調整鋼管
２６ ガイド突起
２７ 凹部

Claims (1)

1. エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱を含む斜め柱本体を、４本の連結腕部を備えた交差関節で結合して略菱形枠が集合してなる傾斜柱枠を構成し、対をなして立設される前記傾斜柱枠の前記交差関節部で梁材を支持した構成とし、前記エネルギー吸収用の座屈拘束斜め柱は、鋼管で補強された座屈拘束用充填部材内に、鋼製中心軸力部材を配設し、その鋼製中心軸力部材の表面と前記座屈拘束用充填部材との間に、付着防止皮膜を設けて構成されることを特徴とする構造体。

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