JP3656346B2

JP3656346B2 - 免震柱

Info

Publication number: JP3656346B2
Application number: JP33426496A
Authority: JP
Inventors: 徹也半澤; 孝典佐藤; 岳彦寺田; 知巳兼光; 竜巳堀江
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: JPH10169094A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばビル等、各種構造物の柱として用いて好適な免震柱に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、ビル等の各種構造物において地震や強風に起因する揺れを抑えるためには、構造物を構成する柱・梁等からなる架構の強度を高めるという手法が基本的にとられている。架構の強度を高めるには、柱・梁そのものの強度を高める他に、例えば、耐震壁や補強ブレースといった補強部材を設けたりするものがある。
【０００３】
しかし、例えばビル内に設けられたピロティや屋内駐車場等は、柱のみからなり、補強ブレースはもちろんのこと壁も設けることができない。このような柱のみからなる空間は、ビル全体で見ると弱い層となっており、強大な地震等が発生した場合にはこの層に変形が集中することが予測される。したがって、従来、このようなピロティ等、柱のみで架構を構成せざるを得ない層においては、柱の剛性・耐力を向上させることで、他の層との強度バランスを取っていた。
【０００４】
【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技術においては、以下のような問題が存在する。
すなわち、ピロティ等においては強度を高めるために柱の剛性・耐力を向上させていたが、これでは柱が太くなるために空間が狭められてしまい、さらには、過大な外力が作用した場合に柱が損壊等の被害を受けるのを防止するフェイルセーフ機構も備えられていないという問題もある。
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、空間を狭めることなく構造物の耐震性を高めることができ、また、万一の場合のフェイルセーフ機構を具備した免震柱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、構造物を構成する柱の両端部である頭部および脚部に、それぞれ筒状でその中心軸線に沿って形成された孔に前記柱が挿入された筒状部材が配設され、前記孔の内周面が、前記柱の前記筒状部材が位置する側の端部から他方の端部側に向けて径寸法が漸次増大する湾曲面と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記載の免震柱において、前記湾曲面の曲率が、前記柱に降伏歪が生じたときの該柱の側面の曲率に一致する構成とされて、該曲率が式 φｆ＝（｜cεy｜＋｜tεy｜）／Ｄ φｆ；曲率 cεy；降伏点における曲げ圧縮歪 tεy；降伏点における曲げ引張り歪Ｄ；柱せい（曲げが生じる方向の柱幅寸法）で示されることを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る免震柱の実施の形態の一例を、図１ないし図３を参照して説明する。ここでは、本発明に係る免震柱を、例えば、ビルのピロティの柱として用いた場合について説明する。
【０００８】
図１に示すように、ビル（構造物）１は、例えば地上２階部分以上のビル上部２については通常通り壁３があるものの、地上１階部分については壁がなく免震柱４のみから構成されたピロティ５となっている。
【０００９】
図２に示すように、免震柱４は、軸耐力に対して曲げ剛性が小さい鋼管充填コンクリート造からなる柱本体（柱）６と、この柱本体６の両端部である頭部６ａと脚部６ｂとにそれぞれ配設された支持部材（筒状部材）７，８とから構成されている。
【００１０】
柱本体６は、その頭部６ａが、ビル上部２を構成する図示しない柱の下端部に接続されており、脚部６ｂは地盤Ｇ中に埋設されている。
【００１１】
柱本体６の頭部６ａに配設された支持部材７は、ビル上部２の下面に一体に取り付けられている。この支持部材７は、例えば鉄筋コンクリート造からなる筒状で、柱本体６の頭部６ａが挿入される孔９が中心軸線に沿って形成されている。そして、孔９の内周面は、柱本体６の頭部６ａ側から脚部６ｂ側に向けて、その径寸法が漸次大きくなるよう形成された湾曲面Ａとされ、柱本体６の側面から漸次離間するようになっている。
【００１２】
一方、柱本体６の脚部６ｂに配設された支持部材８は、地盤Ｇに埋設されている。この支持部材８は、例えば鉄筋コンクリート造からなり底版８ａを有した有底筒状とされ、柱本体６の脚部６ｂが挿入される孔１０が中心軸線に沿って形成されている。孔１０の内周面は、柱本体６の脚部６ｂ側から脚部６ａ側に向けて、その径寸法が漸次大きくなるよう形成された湾曲面Ｂとされ、柱本体６の側面から漸次離間するようになっている。
【００１３】
前記支持部材７，８の孔９，１０を形成する湾曲面Ａ，Ｂは、その曲率が柱本体６に降伏歪が生じたときの柱本体６の側面の曲率にほぼ一致するよう形成されている。
これについて詳述すると、このビル１において柱本体６に降伏歪が発生した時のその側面の曲率φは、柱本体６の「柱せい（曲げが生じる方向の柱幅寸法）」をＤとすると、一般に、
φ＝（｜εc｜＋｜εt｜）／Ｄ
（ただし、εcは柱本体６の曲げ圧縮歪、εtは曲げ引張歪）
で表される。
したがって、柱本体６における降伏の発生箇所をその上下端部と考えると、図３のグラフに示すように、この部分に最大モーメントＭが生じるときの降伏点における柱本体６の側面の曲率φｆは、
φｆ＝（｜cεy｜＋｜tεy｜）／Ｄ
（ただし、cεyは降伏点での曲げ圧縮歪、tεyは降伏点での曲げ引張歪）
で表される。
すなわち、支持部材７，８の孔９，１０を形成する湾曲面Ａ，Ｂの曲率φｆ’は、柱本体６の頭部６ａ，脚部６ｂに最大モーメントＭが生じるときの降伏点における前記曲率φｆに一致するよう設定されている（φｆ’＝φｆ）。
【００１４】
このように、支持部材７，８の孔９，１０の曲率を、柱本体６に降伏歪が生じたときの柱本体６の側面の曲率φｆに一致させると、柱本体６は地震や風力等の外力によって以下のような挙動を示す。
地震や風力などによってまず初めに最大モーメントが生じる柱本体６の頭部６ａの上端部，脚部６ｂの下端部の微少断面における歪が上記曲率φｆに達した場合に、この微少断面は、柱本体６の側面に沿って位置する支持部材７，８の孔９，１０に接触してその変形が強制的に拘束される。すると、柱本体６の頭部６ａ，脚部６ｂと孔９，１０との接触点は、柱本体６の長さ方向中央部寄りに移行する。これに伴って、最大モーメントが生じる位置が前記微少断面に隣接する他の微少断面に移行し、その部分の柱本体６の側面についても、支持部材７，８の孔９，１０に接触することになって、その変形が強制的に拘束されることとなる。
【００１５】
このようにして、柱本体６が頭部６ａ，脚部６ｂにおいて降伏点に達するところで、これら柱本体６の頭部６ａ，脚部６ｂの側面が支持部材７，８の孔９，１０の内周面に当接することによってその変形が拘束されるようになっている。
【００１６】
ところで、柱本体６の入力せん断力Ｑは、
Ｑ＝２・Ｍmax／Ｌ
（Ｍmax；最大モーメント、Ｌ；柱本体６の有効長さ）
で表される。
そして、前記したように、柱本体６が頭部６ａ，脚部６ｂにおいて降伏点に達するところで、これら柱本体６の頭部６ａ，脚部６ｂの側面が支持部材７，８の孔９，１０の内周面に当接する点、すなわち最大モーメントの生じる支承点が柱本体６の長さ方向中央部寄りに順次移行していくと、これに伴って柱本体６の有効長さＬが漸次減少する。すると、その結果、柱本体６のせん断力Ｑが増大することとなる。
【００１７】
上述したように、ビル１のピロティ５を構成する各免震柱４が、柱本体６と、その頭部６ａ，脚部６ｂに配設した支持部材７、８とから構成され、支持部材７，８に形成された孔９，１０が湾曲面Ａ，Ｂで形成されて、その曲率が、柱本体６に降伏歪発生時の柱本体６の側面の曲率φｆに一致するよう設定されている。これにより、地震や風により強大な外力が作用した場合に、柱本体６が降伏点に達するところで支持部材７，８によってその変形を阻止することができる。このようにして、柱本体６の頭部６ａ，脚部６ｂにエネルギーを集中させずに、この部分における降伏を回避してエネルギーを分散させることができる。したがって、免震柱４は、このような支持部材７，８を備えない単なる柱に比較して、弾性域を飛躍的に拡大することが可能となり、万一の場合のフェイルセーフ機能を備えたものとなる。
この結果、このような免震柱４によって構成されるピロティ５の層崩壊を防ぐことができ、ビル１全体としての強度バランスをとってその耐震性を高めることができる。しかも、免震柱４においては、柱本体６の全長を部材として有効に用いることができ、その断面を拡大する必要もないので、空間の有効利用を図ることができると共に高い経済メリットを得ることもできる。
【００１８】
なお、上記実施の形態において、本発明に係る免震柱を、地上１階部分のピロティ５を構成する免震柱４として適用する例を用いたが、上記実施の形態のように頭部と脚部の双方にそれぞれ支持部材を設ける構成とする限りにおいて、免震柱の設置位置は何ら限定するものではなく、例えば地下駐車場の柱として用いる場合や、例えば地上２階以上に位置するエントランスホール等の柱として用いる場合にも同様に適用することが可能である。特にそのような場合、上記実施の形態において、支持部材８を地盤Ｇ中に埋設する構成としたが、これを地盤中に構築した各種基礎上や地下躯体，下層階の柱等に設置しても良い。また、支持部材７，８は、ビル上部２あるいは基礎，地下躯体，柱等に一体に埋設するようにしてもよい。また、免震柱４を構成する柱本体６，支持部材７，８の材質については何ら限定するものではなく、所定の耐力と剛性を有していれば良く、例えば全体を金属のみで形成したり、表面のみを金属で被覆したりしてもよい。さらに支持部材７，８の湾曲面Ａ，Ｂの曲率は、上記した柱本体６の降伏歪発生時における曲率φｆに一致させなくとも、より小さな値としてもよい。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る免震柱によれば、構造物を構成する柱の両端部である頭部と脚部にそれぞれ筒状部材を配設し、筒状部材の孔の内周面を、柱の端部から他方の端部側に向けて径寸法が漸次増大する湾曲面とする構成となっている。また、請求項２に係る免震柱によれば、湾曲面の曲率を、柱に降伏歪が生じたときの柱の側面の曲率に一致させる構成となっている。このような構成の免震柱では、地震や風により強大な外力が作用した場合に、柱が降伏点に達するところでその変形を拘束することができ、柱の弾性域を飛躍的に拡大することが可能となり、筒状部材が万一の場合のフェイルセーフ機能を果たすものとなる。この結果、例えばピロティのような壁のない層等がある構造物においても、この層に上記免震柱を適用することによって構造物全体の耐震性を高めることができ、しかも、柱の断面を拡大する必要もないので、空間の有効利用を図ることができると共に高い経済メリットを得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る免震柱を適用した構造物の一例を示す立断面図である。
【図２】前記免震柱を示す立断面図である。
【図３】柱におけるモーメントと降伏歪との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ビル（構造物）
４免震柱
６柱本体（柱）
７，８支持部材（筒状部材）
９，１０孔
Ａ，Ｂ湾曲面

Claims

構造物を構成する柱の両端部である頭部および脚部に、それぞれ筒状でその中心軸線に沿って形成された孔に前記柱が挿入された筒状部材が配設され、前記孔の内周面が、前記柱の前記筒状部材が位置する側の端部から他方の端部側に向けて径寸法が漸次増大する湾曲面とされていることを特徴とする免震柱。
請求項１記載の免震柱において、前記湾曲面の曲率が、前記柱に降伏歪が生じたときの該柱の側面の曲率に一致する構成とされて、該曲率が式
φｆ＝（｜cεy｜＋｜tεy｜）／Ｄ
φｆ；曲率 cεy；降伏点における曲げ圧縮歪
tεy；降伏点における曲げ引張り歪
Ｄ；柱せい（曲げが生じる方向の柱幅寸法）
で示されることを特徴とする免震柱。