JP3923834B2 - 建物の補強構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、建物の補強構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
建物の耐震補強を例にとると、例えば、特開平9−78879号公報では、図11、図12に示すように集合住宅等の建物1において耐震性能が不足する構面(2,3)を選定し、当該構面2a,2bの外郭を規定し一般に門形となる骨組2′を集合住宅1の外部から柱状部材4と梁状部材4aとからなるラーメン構造3で取り囲むことにより、当該構面2a,2bを剛構面として建物1に対し全体的に耐震補強を付与することが提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記耐震補強手段においてはラーメン構造3によるの外部架構が既存建築物に合わせて巨大になるため、外部架構の剛性が低くなる傾向が強く、既存建築物がRC造、SRC造といった剛性の高い構造である場合には十分補強効果を発揮できないおそれがあった。
【0004】
そこで、米国特許第4,438,615号明細書に示されたボールジョイント接合部を有する金属製システムトラスを補強構造として用いることが提案される。
【0005】
トラスとは軸力で抵抗する構造骨組みをいい、一般に静定構造で、強度抵抗型、変形が小さいものである。また、システムトラスとは工業化された接合部を持つ工場プレファブの立体トラスをいう。金属製システムトラス5は一例としてアルミニウム合金製のシステムトラスで、図4に示すように上弦材8と下弦材9とそれらを結合する斜材(腹材)10をボールジョイント7で接合し複層格子、三角形などに組まれた立体トラスであり、システムトラスの接合部としてのボールジョイント7もアルミニウム合金製である。
【0006】
前記ボールジョイント7と上弦材8、下弦材9、斜材10等のトラス材は1本のベアリングボルト13で接合し、これにより剛性は高いが変形能力が少ないというトラス構造の特質を接合部でエネルギー吸収能力を発揮させ、変形能力を向上させる構造体に変化させることができる。
【0007】
このエネルギー吸収能力としてのボールジョイントを用いたシステムトラスの塑性変形能力を高めるために、接合部に高いエネルギー吸収能力を持ったボルトを使用することが望ましい。通常、システムトラスに引張力が作用した場合、その接合部はボルトの引張接合となり、ボルトのネジ部が脆性的に破断する。その結果、システムトラス全体として見た場合には塑性変形に限界を生じる。
【0008】
また、破断箇所がボルトネジ部であることから、この部分がどの程度伸びるかを算定することは不可能であった。
【0009】
本発明の目的は前記従来例の不都合を解消し、既存建物の場合は使用体制に影響を及ぼすことなく補強工事を実施でき、補強工事部分では高いエネルギー吸収能力があるので完成後には当該既存建物の耐震性等を飛躍的に向上させることが可能であり、補強工事部分は十分な塑性変形能力を有するものであり、また、この変形を定量的に把握できる建物の補強構造を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、第1に、ボールジョイントにトラス材を1本ボルトで接合して形成した金属製システムトラスによる立体ラチス構造体を補強部材として建物に係合させ、前記ボルトはしぼり部を形成してエネルギー吸収ボルトとしたことを要旨とするものである。
【0011】
第2に、上弦材、下弦材、斜材等のトラス材はストラット端にエンドプラグを設け、このトラス材とボールジョイントとはハブであるボールジョイントにエンドプラグをベアリングボルトで締結し、前記ベアリングボルトの外周にはカラーを配設し、カラーとベアリングボルトとはしぼり部外でピンで係止することを要旨とするものである。
【0012】
請求項1記載の本発明によれば、金属製システムトラスを用いた立体ラチス構造体全体が制振ダンパー(巨大な壁式ダンパー)として作用して既存RCなどの建築物の柱または梁が破壊に至る前に、順次、トラス節点を引張り降伏、またはトラス部材を弾性座屈させることにより節点間変位を許容させ、全体として大きな地震エネルギーを吸収することができる。
【0013】
さらに、復元力特性については、既存RCなどの建築物の地震時応答変位を押えることにより振動性状を変化させ地震力を低減させることができる。
【0014】
また、従来の構面内に取りつける鉄骨ブレース、増打ちコンクリート耐震壁などに較べ、施工が早く、施工中の既存建物の供用も可能である。
【0015】
特にボールジョイント接合部では、ボルトに絞りを設けたものであり、図7に示すように、ボルトの絞り部が延性的に伸び、十分な塑性変形能力を有するようになる。また、この場合には式(1)によりボルトの伸び量を定量的に把握できる。
【0016】
このようなボルトに絞りを設けた場合の復元力特性の図8に示すように、スリップ型の復元力特性となり、高いエネルギー吸収能力が発揮できる。
【0017】
また、ボルトに絞りを設けた接合部を用いた複層立体ラチス構造体の面内せん断力に対する変形性能は、図10に示すように、トラス部材が降伏する以前にボルト絞り部が降伏し、変形能力を増大させることができる。
【0018】
この図10において、トラス壁の変形能力を増大させるための条件は下記と通りである。
T QY > B Qu
ただし、制振ダンパー接合部(しぼりボルト)を設けた場合に限る。
【0019】
<ボルトの伸び量>
図7に示すボルトの伸び量ΔLは以下の式より求まる。ただし、式(2)の条件を満たす場合に限る。
ΔL=L×E …(1)
ここで、 ΔL: ボルトの伸び量
L: ボルト絞り部の長さ
E: ボルトの伸び(%)
<図7の絞り部が延性的に伸びるための条件>
AR > AT …(2)
ここで、 AR : ボルトのネジ部の谷の断面積
AT : ボルトの絞り部の断面積
【0020】
請求項2記載の本発明によれば、前記作用に加えて、上弦材、下弦材、斜材等のトラス材はストラット(金属管体)であり弾性体として座屈惹起に寄与できるとともに端にエンドプラグを設けることでボールジョイントとベアリングボルトで簡単に締結することができる。また、前記ベアリングボルトの外周にはカラーを配設し、カラーとベアリングボルトとはピンで係止することで、カラーをベアリングボルト回動用の治具としてこれを手等で回動させればベアリングボルトでの締結を簡単かつ迅速に行うことができる。しかも、カラーとベアリングボルトとのピンでの係止箇所はしぼり部外であるので、ボルトの絞り部が延性的に伸びた分だけ塑性変形能力を発揮するのにこのピンでの係止箇所が支障となることはない。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面について詳細に説明する。図1〜図3は、本発明の建物の補強構造の第1〜第3実施形態を示す縦断側面図で、図中1は建物である。この建物1としては補強を必要とするものであれば、RC造若しくはSRC造、S造、木造を問わない。また、構造形式もラーメン、軸組ブレース、等々全てが対象となる。さらに、補強としては制震、耐震補強に限らず、単純に耐力壁として用いて強度を上げる目的の場合もある。
【0022】
本発明は、金属製システムトラス5を用いた複層立体ラチス構造体6を補強部材として建物1に係合させる。
【0023】
図1の第1の実施形態は複層立体ラチス構造体6を建物1の梁方向に下屋式ラーメンとして張出し、桁行方向の一部または全部を覆うこととした例であり、図2の第2実施形態は、さらに水平ブレース26で建物1との間につなぎを設けたものなどである。図3の第3実施形態は直接建物1の外壁面に沿わせたものである。
【0024】
金属製システムトラス5については、先に図4について説明した通りであるが、ボールジョイント7と上弦材8、下弦材9、斜材10等のトラス材は1本ボルトで接合し、その詳細を図3、図4に示す。ハブであるボールジョイント7は、上弦材8、下弦材9、斜材10等のトラス材であるストラット11が摩擦圧接接合または溶接接合するエンドプラグ12とベアリングボルト13で締結するが、このベアリングボルト13の外周にはカラー14を配設した。前記カラー14はベアリングボルト13とはピン15で係止する。
【0025】
前記のごとく、金属製システムトラス5を用いた複層立体ラチス構造体6は建物1に対して梁間方向に下屋式ラーメンとして張出し、桁行方向の一部または全部を覆うことで、偏芯耐力壁として建物1の耐震性能の不足分を補うが、設置長さは複層立体ラチス構造体6で補強後の目標耐震性能により決定される。
【0026】
建物1の躯体およびGL(グランドレベル)との接合はピン接合とし、アンカーハブ16を使用する。GL(グランドレベル)との接合は種々考えられるが、第1実施形態では地中梁又は布基礎での基礎17を新設した。このように補強のために既存の建物1の基礎とは別の基礎を設けることで、補強工事を独立して行うことが可能である。基礎17と複層立体ラチス構造体6との接合についても色々の手段が取り得るが、一例として、地中梁又は布基礎での基礎17から立ち上げるコンクリート束柱18に、前記アンカーハブ16を固定することにより行った。
【0027】
建物1の躯体との接合についても種々考えられるが、第1実施形態では建物1の屋上のパラペット部分の屋上内側にケミカルアンカー21で建物1に固定した鋼製のアンカープレート22を設置し、このアンカープレート22とアンカーハブ16をボルト23で締結した。なお、図2、図3の第2、第3実施形態では梁にボルト23により直接アンカーするが、このような方法も採用可能である。複層立体ラチス構造体6と建物1との接合は最上階に限定されず任意階でよい。
【0028】
図1、図2の第1、第2実施形態では下屋式ラーメンとして張出す複層立体ラチス構造体6の外側面に強化ガラス24を設置するものとした。この強化ガラス24は壁面と屋根面を構成し、複層立体ラチス構造体6内を半開放型の歩廊やアトリウムとする。前記強化ガラス24は通常のフロートガラス、合わせガラス、アクリル樹脂板等の透明板に代用できる。
【0029】
強化ガラス24はアルミ押出形材による枠材25をボルトでアンカーハブ16やボールジョイント7に固定して並列するアンカーハブ16に該枠材25を掛け渡し、前記強化ガラス24の端を枠材25に挿入固定した。
【0030】
前記ボールジョイント7とトラス材を接合して金属製システムトラスとするベアリングボルト13は、図9にも示すように、しぼり部19を形成してエネルギー吸収ボルトとした。ベアリングボルト13にはその外側に配置するカラーとピンで係止するピン挿入孔20を先端ネジ部13aの近くに形成するが、前記しぼり部19はこのピン挿入孔20を外して形成する。
【0031】
建物1が地震を受けた場合、複層立体ラチス構造体6は建物に入る水平力を負担して、建物全体のせん断(水平)剛性と強度を上げることができる。
【0032】
前記本発明による複層立体ラチス構造体6は、ボールジョイント7を用いたシステムトラスであり、通常トラス構造が剛性は高いが変形能力が少ないものであるが、絞り部を設けたボルトによる接合を採用することで接合部にエネルギー吸収能力を発揮させ、変形能力を向上させることができる。
【0033】
ボールジョイントタイプのシステムトラス部材に引張力が作用した場合、その接合部はベアリングボルト13の引張接合となる。このベアリングボルト13に前記しぼり部19がない場合には、引張部材の降伏ではボルトのネジ部13aが脆性的に破壊する。
【0034】
本発明では、ベアリングボルト13に絞りを設けたものであり、前記のごとくボルトの絞り部が延性的に伸び、十分な塑性変形能力を有するようになる。また、この場合にはボルトの伸び量を定量的に把握できる。
【0035】
このような引張部材の降伏やストラット11での圧縮部材の降伏で複層立体ラチス構造体6によるトラス耐力壁全体が制振ダンパー(巨大な壁式ダンパー)となり、建築1の柱または梁が破壊に至る前に、順次、トラス節点間変移を許容させ、全体として変位エネルギーを吸収する。
【0036】
以上述べた実施形態では、金属製システムトラスとして、アルミニウム合金製のシステムトラスの例について説明したが、鋼製のシステムトラスでもよく、また、ボールジョイント部も鋼製ボールジョイントを使用するものでもよい。さらに、複層立体ラチス構造体6のみならず、単層立体ラチス構造体を補強部材として建物1に設けるものでもよい。
【0037】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の建築の補強構造は、既存建物の場合は使用体制に影響を及ぼすことなく補強工事を実施でき、補強工事部分では高いエネルギー吸収能力があるので完成後には当該既存建物の耐震性等を飛躍的に向上させることが可能であり、補強工事部分は十分な塑性変形能力を有するものであり、また、この変形を定量的に把握できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の建物の補強構造の第1実施形態を示す縦断側面図である。
【図2】本発明の建物の補強構造の第2実施形態を示す縦断側面図である。
【図3】本発明の建物の補強構造の第3実施形態を示す縦断側面図である。
【図4】アルミトラスの説明図である。
【図5】ボールジョイントとの接合を示す縦断正面図である。
【図6】ボールジョイントとの接合を示す縦断側面図である。
【図7】ボルトに絞り部を設けた接合部の説明図である。
【図8】ボルトに絞り部を設けた接合部の復元力特性を示すグラフである。
【図9】絞り部を設けたボルトの正面図である。
【図10】トラス壁の面内せん断力に対する変形性能を示すグラフである。
【図11】従来例を示す平面図である。
【図12】従来例を示す縦断側面図である。
【符号の説明】
1…建物 2a,2b…構面
2′…骨組 3…ラーメン構造
4a…柱状部材 4b…梁状部材
5…金属製システムトラス 6…複層立体ラチス構造体
7…ボールジョイント
8…上弦材 9…下弦材
10…斜材 11…ストラット
12…エンドプラグ 13…ベアリングボルト
13a…ネジ部
14…カラー 15…ピン
16…アンカーハブ
17…基礎 18…コンクリート束柱
19…しぼり部 20…ピン挿入孔
21…ケミカルアンカー 22…アンカープレート
23…ボルト
24…強化ガラス 25…枠材
26…水平ブレース
Claims (2)
- ボールジョイントにトラス材を1本ボルトで接合して形成した金属製システムトラスによる立体ラチス構造体を補強部材として建物に係合させ、前記ボルトはしぼり部を形成してエネルギー吸収ボルトとしたことを特徴とする建物の補強構造。
- 上弦材、下弦材、斜材等のトラス材はストラット端にエンドプラグを設け、このトラス材とボールジョイントとはハブであるボールジョイントにエンドプラグをベアリングボルトで締結し、前記ベアリングボルトの外周にはカラーを配設し、カラーとベアリングボルトとはしぼり部外でピンで係止する請求項1記載の建物の補強構造。
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