JP3600995B2 - 制振躯体構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄骨造のビル等に用いて好適な制振躯体構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、近年、ビル等の建物の躯体には高い耐震性が要求されている。このために、各種制振性能や免震性能を得るための装置や構造が多種開発され、実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の制震躯体構造においては、制振・免震性能を得るための装置や部材等を建物の内外に組み込むものが大多数であり、これらを組み込むためにスペースが必要となり、これが建物の設計時に制約を受けることとなったり、また施工時に制振・免震装置を組み込むために別途手間がかかるという問題もある。
さらに、大地震等が発生して制振・免震装置でその効果を発揮した後においては、装置や部材が変形するものもあるが、このような場合、耐震性能を元通りに戻すには、装置や部材の一部または全部を交換する必要がある。しかし、装置を組み込む場所によっては、その交換が非常に困難あるいは不可能である場合もあり、地震発生後に速やかに建物を使用することができないこともある。
【０００４】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、スペースを犠牲にすることなく、また施工時にも余計な手間がかからずに高い耐震性を得ることができ、さらには地震発生後に速やかに復旧を図ることのできる制震躯体構造を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、建物の躯体が、柱と、梁と、互いに隣接する二本の柱間に立設されてその上下端部が前記梁に接合された、前記柱よりも低強度の間柱とを備えてなるフィーレンデール架構を形成し、前記梁と前記間柱が交差するパネルゾーンは、該梁自体よりも強度が低い材質からなるダンパー部により形成されていることを特徴としている。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の制振躯体構造において、前記ダンパー部が極軟鋼によって形成されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の制振躯体構造において、前記ダンパー部が前記梁に着脱自在に組み込まれていることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る制振躯体構造の第一および第二の実施の形態について、図１ないし図４を参照して説明する。
【０００９】
［第一の実施の形態］
まず、本発明に係る制振躯体構造の第一の実施の形態について説明する。
図１ないし図３は、本発明に係る制振躯体構造を適用した建物の躯体の一部を示すもので、これらの図において、符号１に示すものは建物の躯体、２は躯体１を構成する例えば鋼管造や充填鋼管コンクリート造等からなる主柱（柱）、３は互いに隣接する主柱２，２間に架設されたＨ型鋼からなる鉄骨造の大梁（梁）、をそれぞれ示している。
【００１０】
図１および図２に示すように、躯体１は、主柱２と大梁３とを主体構成としており、互いに隣接する主柱２，２間には、例えば二本の間柱５，５が耐震要素である曲げ柱として立設されて、いわゆる耐震構造の一種であるフィーレンデール架構を形成した構成となっている。このようなフィーレンデール架構を形成した躯体１においては、軸力は主柱２と大梁３とによって負担され、間柱５には軸力が作用せずに曲げモーメントのみが作用する構成となっている。
【００１１】
このような躯体１において、各間柱５は主柱２よりも低強度の例えばＨ型鋼材からなり、その上下端部が大梁３，３に接合されている。
【００１２】
図３（ａ）に示すように、間柱５と大梁３とが交差する部分においては、大梁３の上下に位置する間柱５，５のフランジ５ａ，５ａに連続するよう、大梁３の上下フランジ３ａ，３ａ間に２枚一対のリブプレート７，７が配設されている。各リブプレート７は、大梁３と同材質の鋼材によって形成されており、大梁３の上下フランジ３ａ，３ａおよびウェブ３ｂに溶接されて一体化されている。そして、大梁３のウェブ３ｂは、これらリブプレート７，７間において切り抜かれている。
【００１３】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、大梁３の上下フランジ３ａ，３ａおよびリブプレート７，７に囲まれた部分には、パネルゾーン（ダンパー部）８が形成されている。このパネルゾーン８は、大梁３を形成する鋼材よりも大幅に低い所定の強度を有した極軟鋼からなる矩形のパネル９によって形成されており、その周囲四辺が大梁３の上下フランジ３ａ，３ａと両側のリブプレート７，７とに隅肉溶接されている。すなわち、このパネル９は、大梁３のウェブ３ｂに付設されたものではなく、大梁３の一部を切り抜きここに溶接することによって大梁３のウェブ３ｂの一部として組み込まれた構成となっている。
【００１４】
このような構成からなる躯体１では、地震や強風等に起因する水平方向の外力が作用すると、大梁３と間柱５との交差部に位置するパネルゾーン８には、この部分の耐力が他に比べて小さいために、前記外力によるせん断力が集中する。
このせん断力が、パネルゾーン８のパネル９自体の降伏強度よりも低ければ、パネル９は前記せん断力に抗するようになっている。
前記外力が過大なものであり、パネル９に作用するせん断力がパネル９の降伏強度を上回るとパネル９が他の部分よりも先行して降伏変形する。このようにしてパネルゾーン８でパネル９が先行降伏することによって、地震や強風等に起因する外力のエネルギーを吸収するようになっている。ところで、パネル９が降伏した後においても、大梁３は、パネルゾーン８が設けられた部分において上下フランジ３ａ，３ａが降伏しておらず、躯体１全体としては架構の形態を維持している。
【００１５】
上述したように、躯体１は、主柱２と、大梁３と、互いに隣接する二本の主柱２，２間に立設されてその上下端部が大梁３に接合された間柱５とを備えてなり、大梁３には、間柱５が接合された部分のパネルゾーン８に極軟鋼からなるパネル９が設けられた構成となっている。
これにより、地震等の水平方向の外力によってパネルゾーン８のパネル９に降伏強度以上のせん断力が作用したときには、パネル９が先行降伏するので、躯体１の他の部分の変形や損壊を防ぐことができ、これによって躯体１の耐震性を高いものとすることができる。そして、躯体１の耐震性が高まればこれにともなって地震時の応答が小さくなるため、通常の鉄骨構造と比較して躯体１を構成する部材断面を小さくすることが可能となり、コストダウンに貢献することができる。このときに、躯体１全体としての外観上の形態は、一般の鉄骨構造で従来より採用されているフィーレンデール架構と同様であるため、耐震性を高めるためにスペースを費やすことなく、また構造計画，建築計画上の特別な制約がないため、何ら特殊な手間をかけることなく従来の耐震設計と同様の設計作業で躯体１を実現することができる。
しかも、パネル９が大梁３のウェブ３ｂに形成されているので、このパネル９が降伏した後の状態においても、大梁３の上下フランジ３ａ，３ａによって、躯体１全体としては架構安定性を保持し、依然として主柱２，大梁３，間柱５からなる架構の形態を維持しているため、有害な残留変形を残さずにその機能を維持することができる。
【００１６】
また、上記したように、パネル９は、通常であれば躯体１において最もせん断応力が大きく作用する位置に配置されているので、地震時等の変形に対して効率良く地震エネルギーを吸収させることができる。
さらに、極軟鋼からなるパネル９の降伏は、これを普通鋼材で形成した場合に比較して、小さな変形で発生するので、履歴吸収エネルギーを大きくすることができ、効率の高いせん断降伏型の鋼材系ダンパーを構成することができる。
【００１７】
加えて、パネル９には、例えばピストンや回転ピン機構等の可動部もなく、エネルギーロスの少ない単純な構成とすることができ、効率よくダンパー効果を発揮することができる。しかも、オイルダンパーのように定期的なメンテナンスも不要である。
【００１８】
これに加えて、上記パネル９を備えたパネルゾーン８は、大梁３と一体化して工場で製作することができるので、現場でのダンパー取り付け作業を行う必要が無く、通常の鉄骨構造と同様の工程で施工することができ、施工時に余計な手間を掛けることなく上記耐震構造の躯体１を構築することが可能である。
【００１９】
［第二の実施の形態］
次に、本発明に係る制振躯体構造の第二の実施の形態について説明する。ここでは、例えばダンパー部をユニット化する場合の例を用いて説明する。以下に説明する第二の実施の形態において、前記第一の実施の形態と共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。
【００２０】
図１に示したように、躯体１’において、互いに隣接する主柱２，２間に間柱５，５が立設されて、その上下端部が大梁３，３に接合されている。
そして、図４に示すように、間柱５と大梁３とが交差する部分には、大梁３の上下フランジ３ａ，３ａと２枚一対のリブプレート７，７との間にパネルゾーン（ダンパー部）１１が形成されている。
【００２１】
このパネルゾーン１１は、極軟鋼からなるパネル１３が、断面視Ｌ字状のアングル材からなる取付金具１４，１４，…と、高力ボルト等のボルト・ナット１５，１５，…とによって、大梁３の上下フランジ３ａ，３ａおよびリブプレート７，７に着脱自在に接続された構成されている。
【００２２】
上述したようなパネル１３を備える躯体１’においても、上記第一の実施の形態で示した躯体１と同様の効果を奏することができる。
しかも、パネル１３が、取付金具１４，ボルト・ナット１５を介して大梁３に着脱自在に取り付けられた構成となっている。これにより、地震等によりパネル１３がせん断変形した後に、これを新規のものに容易に交換することができるので、地震後の復旧を速やかに行うことができる。さらに、将来、よりダンパー性能に優れた材料が新規に開発された場合、これと交換することも可能である。
【００２３】
なお、上記第二の実施の形態において、パネル１３を大梁３に着脱自在とするために取付金具１４を用いる構成としたが、その形状、材質、構成などについては何ら限定するものではない。
【００２４】
さらに、上記第一および第二の実施の形態において、パネル９，１３のせん断強度については、その材質と厚さを変更することによって適宜設定するものであるのは言うまでもない。
また、大梁３の梁成が大きい場合や、パネル９，１３の板厚が小さい場合等には、パネル９，１３の面外座屈を防止するためのリブ等を追加形成するようにしてもよい。
これ以外にも、上記第一および第二の実施の形態において、例えば躯体１の構成等、各部の構成については本願発明の主旨を逸脱しない範囲内であれば、いかなる構成を採用してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る制振躯体構造によれば、躯体が、柱と、梁と、互いに隣接する二本の柱間に立設された、柱よりも低強度の間柱とを備えてなるフィーレンデール架構を形成し、梁と間柱が交差するパネルゾーンは、梁自体よりも強度が低い材質からなるダンパー部により形成された構成となっている。さらに、請求項２に係る制振躯体構造によれば、ダンパー部が極軟鋼によって形成された構成となっている。
これにより、強大な地震等が発生した場合に、梁に設けた極軟鋼等からなるダンパー部に降伏強度以上のせん断力が入力されると、これが先行してせん断降伏するようになっている。これにより、躯体の他の部分の変形や損壊を防ぐことができ、躯体を高い耐震性を有するものとすることができる。そして、躯体の耐震性を高めることによって地震時の応答が小さくなるため、通常の構造と比較して躯体を構成する部材断面を小さくすることが可能となり、コストダウンに貢献することができる。このときに、躯体全体としての外観上の形態は、従来より採用されているフィーレンデール架構と同様であるため、スペースを費やすこともなく、構造計画，建築計画上の特別な制約を受けずに従来の耐震設計と同様の設計作業で躯体を実現することができる。
しかも、極軟鋼等からなるダンパー部の降伏は、これを普通鋼材で形成した場合に比較して小さな変形で発生するので、履歴吸収エネルギーを大きくすることができ、効率の高いせん断降伏型の鋼材系ダンパーを構築することができる。さらに、ダンパー部は、通常であれば躯体において最もせん断応力が大きく作用する位置に配置されているので、地震時等の変形に対して効率良く地震エネルギーを吸収させることができる。
加えて、ダンパー部に極軟鋼を採用することによって、いわば鋼材系ダンパーが構成されているので、例えばピストンや回転ピン機構等の可動部もなく、エネルギーロスの少ない単純な構成とすることができ、効率よくダンパー効果を発揮することができる。しかも、オイルダンパーのように定期的なメンテナンスも不要である。
さらに加えて、上記ダンパー部は、梁と一体化して工場で製作することができるので、現場でのダンパー取り付け作業を行う必要が無く、通常の鉄骨構造と同様の工程で施工することができ、施工時に余計な手間を掛けることなく上記耐震構造の躯体を構築することが可能である。
このようにして、地震等のエネルギー吸収効率が高い制振構造を容易に実現することができるので、上記構成を、例えばオフィスビルやホテル等、従来よりフィーレンデール架構を採用していた建物を始め、種々の形態の構造物にも容易に適用することが可能であり、それによって、各種構造物の制振性能を大幅に向上させることができる。
【００２６】
請求項３に係る制振躯体構造によれば、ダンパー部が梁に着脱自在に組み込まれた構成となっている。これにより、地震等によりダンパー部がせん断変形した場合、この後に、これを新規のものに容易に交換することができるので、地震後の復旧を速やかに行うことができる。さらに、将来、よりダンパー性能に優れた材料が新規に開発された場合、これと交換することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制振躯体構造を適用した躯体の一例を示す立面図である。
【図２】前記躯体の平断面図である。
【図３】同躯体に備えたダンパー部を示す立面図および側断面図である。
【図４】同躯体に備えたダンパー部の他の例を示す立面図および側断面図である。
【符号の説明】
１ 躯体
２ 主柱（柱）
３ 大梁（梁）
５ 間柱
８，１１ パネルゾーン（ダンパー部）

Claims (3)

1. 建物の躯体が、柱と、梁と、互いに隣接する二本の柱間に立設されてその上下端部が前記梁に接合された、前記柱よりも低強度の間柱とを備えてなるフィーレンデール架構を形成し、
   前記梁と前記間柱が交差するパネルゾーンは、該梁自体よりも強度が低い材質からなるダンパー部により形成されていることを特徴とする制振躯体構造。
2. 請求項１記載の制振躯体構造において、前記ダンパー部が極軟鋼によって形成されていることを特徴とする制振躯体構造。
3. 請求項１または２記載の制振躯体構造において、前記ダンパー部が前記梁に着脱自在に組み込まれていることを特徴とする制振躯体構造。

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