JP4139900B2 - 木造建物の制振装置及び木造建物の制振方法 - Google Patents

Description

本発明は、木造建物の制振装置及び木造建物の制振方法に関するものである。

地震や強風等によって木造建物に生じた振動を低減する手段としては一般的に、図１２（ａ）に示すように、建物の骨組を構成する柱材Ａ、Ｂ及び横架材Ｃ、Ｄ間に剛性の筋交いＴを設けたり、図１２（ｂ）に示すように、柱材Ａ（またはＢ）と横架材Ｃ（またはＤ）とにダンパーＶを架け渡して設置したりすることが知られている。

上記した振動を低減する手段にあっては、次のような問題点がある。
（１）図１２（ａ）に示すように、筋交いＴを用いた場合には、剛性は高くなるが、エネルギー吸収性能が低く振動が建物に直に伝わる。このため、建物が損傷しやすく、振動が大きくなると破壊に至る可能性が高い。
（２）図１２（ｂ）に示すように、ダンパーＶで振動の減衰を図る場合には、柱材Ａの剛性が低いと、ダンパーＶの力によって柱材Ａが変形してしまう。このため、ダンパーＶが変形しにくくなり、すなわち、ダンパーＶが振動時のエネルギーを吸収しにくくなって十分な制振効果が得られない。

本発明は、上記したような従来の問題を解決するためになされたもので、振動の大小に関わらず、優れた制振性能を発揮することが可能な木造建物の制振装置及び木造建物の制振方法を提供することを目的とする。

上記のような課題を解決するために、本願の第１の発明は、並行する２本の柱材と、これらの２本の柱材にそれぞれ接合した、上下に並行する２本の横架材と、に生じた振動を減衰するための木造建物の制振装置であって、
外筒内に内筒を挿入すると共に、内筒と外筒との間に粘弾性材を介在させて構成したダンパー本体と、
内筒及び外筒の自由端部にそれぞれ、ピン接合によって取り付けた柱材取付け部材及び横架材取付け部材と、を有するダンパー体を、
柱材取付け部材を一方の柱材にビスによって取り付け、横架材取付け部材を一方の横架材にビスによって取り付けることにより設置し、
一方の柱材の剛性を高めるために、一方の柱材の奥行き方向軸周りの断面二次モーメントを高めるような形状に形成するとともに、一方の柱材のほぼ高さ方向にわたって設ける帯状に形成した剛性補強材と、
を備えたことを特徴とする。

また、本願の第２の発明は、前記第１の発明前記において、剛性補強材は、柱材の幅方向に広がるように形成することを特徴とする。

また、本願の第３の発明は、並行する２本の柱材と、これらの２本の柱材にそれぞれ接合した、並行する２本の横架材と、に生じた振動を減衰するための木造建物の制振方法であって、
外筒内に内筒を挿入すると共に、内筒と外筒との間に粘弾性材を介在させて構成したダンパー本体と、
内筒及び外筒の自由端部にそれぞれ、ピン接合によって取り付けた柱材取付け部材及び横架材取付け部材と、を有するダンパー体を、
柱材取付け部材を一方の柱材にビスによって取り付け、横架材取付け部材を一方の横架材にビスによって取り付けることにより設置すると共に、
一方の柱材の剛性を高めるために、一方の柱材の奥行き方向軸周りの断面二次モーメントを高めるような形状に形成するとともに、一方の柱材のほぼ高さ方向にわたって、帯状に形成した剛性補強材を設け、
振動時に柱材のエネルギー吸収が阻止されて、
ダンパー体によるエネルギー吸収を行うことを特徴とする、
木造建物の制振方法である。

本発明の木造建物の制振装置及び木造建物の制振方法は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果のうちの少なくとも一つを得ることができる。
（１）剛性補強材によって柱材の剛性、特に曲げ剛性が高められるため、振動により柱材と横架材とが相対変位した際には、ダンパー体またはダンパー体の減衰材が効率よく変形することとなる。したがって、ダンパー体のエネルギー吸収性能が高められるため、十分な制振効果を得ることができる。
（２）ダンパー体を、外筒内に内筒を挿入するとともに、外筒と内筒との間に粘弾性材を介在させて構成したダンパー本体と、外筒及び内筒の自由端部にそれぞれ、ピン接合によって取り付けた一対の取付け部材と、から構成することにより、柱材と横架材との相対変位時にダンパー体の追随性が向上するため、エネルギー吸収性能がより高められる。
（３）柱材はダンパー体の力によって変形しやすいため、剛性補強材を、柱材の奥行き方向軸周りの断面二次モーメントを高めるような形状に形成する、より具体的には柱材の幅方向に広がるように形成することにより、柱材の変形を効果的に防止することができる。
（４）柱材取付け部材及び横架材取付け部材の取付け板を、それぞれビスによって取り付けることにより、釘やボルトを用いた場合と比較して、ダンパーの取付けに緩みが生じ難くなる。
（５）剛性補強材を、金属製の帯状に形成し、ほぼ高さ方向にわたって柱材の奥行き方向に取付けることで、建物の施工時の邪魔にならず、かつ、剛性補強材の重量を抑えつつ、柱材の剛性を効果的に高めることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１＞ 制振装置の設置条件
制振装置１は、図１に示すように、木造建物の骨組を構成する、並行する２本の柱材Ａ、Ｂと、これらの２本の柱材にそれぞれ接合した上下に並行する２本の横架材、例えば梁材Ｃ、土台材Ｄと、に生じた振動を減衰するためのものである。
制振装置１は、振動時の層間変位が比較的大きくなるような柱材と横架材との接合構造である場合、例えば、柱材Ａ、Ｂと横架材Ｃ、Ｄとが嵌合接合されている場合に特に有効である。
具体例として、柱材Ａ、Ｂはそれぞれ、高さ方向両端部にほぞＡ１、Ｂ１を有し、このほぞＡ１、Ｂ１を横架材Ｃ、Ｄに設けたほぞ穴（図示せず）に嵌め込むことにより、横架材Ｃ、Ｄと接続されている場合、さらには、柱材ＡまたはＢの幅方向側面と横架材ＣまたはＤの高さ方向側面とにかけて取り付けたＬ字状の接合具Ｅによって柱材Ａ、Ｂがそれぞれ、横架材Ｃ、Ｄと接合されている場合である。
なお、柱材Ａ、Ｂ及び横架材Ｃ、Ｄは、ここでは断面四角形状を有しているが、制振装置１の設置にあたって断面形状を特に問わない。

＜２＞ 制振装置
制振装置１は、一方の柱材ＡまたはＢ（横架材Ｃ、Ｄ間に位置する柱材ＡまたはＢ部分）と一方の横架材ＣまたはＤ（柱材Ａ、Ｂ間に位置する横架材ＣまたはＤ部分）とに架け渡して設置するダンパー体２と、このダンパー体２が設置される柱材ＡまたはＢに設ける剛性補強材３と、とから構成する。

＜３＞ ダンパー体
ダンパー体２は、図２、３に示すように、振動時に減衰力を発生する減衰材を有し、減衰材が変形して長さ方向に可変する棒状のダンパー本体２０と、このダンパー本体２０の長さ方向両端部にそれぞれ、ピン接合によって回動可能に取り付けた柱材取付け部材２１及び横架材取付け部材２２と、を備えた方杖型のダンパーで構成する。
ダンパー本体２０は、外筒２０１内に内筒２０２を挿入すると共に、外筒２０１と内筒２０２との間に、減衰材としての粘弾性材２０３を介在させて構成する。すなわち、ダンパー体２は粘弾性ダンパーである。
柱材取付け部材２１及び横架材取付け部材２２はそれぞれ、内筒２０２及び外筒２０１（または外筒２０１及び内筒２０２）の自由端部にピン接合によって取り付ける。また、柱材取付け部材２１及び横架材取付け部材２２はそれぞれ、先端側に取付け板２１０を一体的に有して構成する。
なお、ダンパー本体２０は、粘弾性ダンパーの他、減衰材として摩擦材を用いた摩擦ダンパーで構成してもよい。

＜４＞ ダンパー体の設置
ダンパー体２は、一方の柱材、例えば柱材Ａと一方の横架材、例えば梁材Ｃとに架け渡して設置する。ダンパー体２の設置は、柱材取付け部材２１を、柱材Ｂと対向する柱材Ａの幅方向側面部Ａ２に取り付け、横架材取付け部材２２を、梁材Ｃの高さ方向側面部、ここでは下面部Ｃ１に取り付けて行う。より具体的には、柱材取付け部材２１及び横架材取付け部材２２の取付け板２１０をそれぞれ、柱材Ａ及び梁材Ｃにビス４によって取り付ける。ビス４を用いることにより、釘やボルトを用いた場合と比較して、ダンパー体２の取付けに緩みが生じ難くなる。
柱材取付け部材２１及び横架材取付け部材２２とダンパー本体２０とはピン結合されているため、ダンパー体２は、実質的に柱材Ａ及び梁材Ｃにそれぞれ、ピン結合によって取り付けられることとなる。

ダンパー体２の設置にあたっては、振動時の減衰作用を高めるために、すなわち、振動時に内筒２０２が外筒に対して進退して粘弾性材２０３が変形しやすくなるように、柱材取付け部材２１及び横架材取付け部材２２のうちのいずれか一方を、柱材Ａの土台材Ｄ寄りまたは梁材Ｃの柱材Ｂ寄りに取り付けることが好ましい。この場合には、柱材取付け部材２１及び横架材取付け部材２２のうちのいずれか他方を、柱材Ａの梁材Ｃ寄り（図４（ａ）参照）または梁材Ｃの柱材Ａ寄り（図４（ｂ）参照）に取り付けることにより、柱材Ａ、Ｂと横架材Ｃ、Ｄとで構成される枠内空間は十分に確保される。
柱材Ａ、Ｂと横架材Ｃ、Ｄとで構成される枠内空間を犠牲にしてもよい場合には、柱材取付け部材２１を柱材Ａの土台材Ｄ寄りに取り付け、かつ、横架材取付け部材２２を梁材Ｃの柱材Ｂ寄りに取り付けることができる（図４（ｃ）参照）。
あるいは、ダンパー体２は、柱材Ａ、Ｂ間（図４（ｄ）参照）、または横架材Ｃ、Ｄ間（図４（ｅ）参照）に架け渡して設置してもよい。
なお、ダンパー体２のダンパー本体２０は、柱材及び横架材への取付け位置に応じてあらかじめ長さを設定しておく。

＜５＞ 剛性補強材
剛性補強材３は、ダンパー体２が設置される柱材、例えば柱材Ａの剛性を高めるために、この柱材Ａに設ける（図１参照）。
柱材Ａは、振動時にダンパー体２の引張力または圧縮力を受けるため、幅方向に撓みまたは湾曲変形しやすい。したがって、このような変形を防止または抑制するためには、剛性補強材３を、柱材Ａの奥行き方向軸周りの断面二次モーメントを高めるような形状に形成することが好ましい。すなわち、剛性補強材３を柱材Ａの幅方向に広がるように形成することが効果的である。その一方で、柱材Ａの剛性を高めるためには、剛性補強材３を柱材Ａのほぼ高さ方向にわたって設けることが好ましい。そこで、より具体的にここでは、剛性補強材３を、金属製の帯状に形成し、ほぼ高さ方向にわたって柱材Ａの奥行き方向側面部Ａ３に取り付ける。
このような構成により、建物の施工時の邪魔にならず、かつ、剛性補強材３自体の重量を抑えつつ、柱材Ａの剛性を効果的に高めることができる。
剛性補強材３の柱材Ａへの取付けにあたっては、ダンパー体２の柱材Ａ及び梁材Ｃへの取付けと同様に、ビス（図示せず）を用いることができる。ビスは、あまり間隔をあけずに剛性補強材３のほぼ高さ方向わたって複数設けることが効果的である。

剛性補強材３を柱材Ａに設けることにより、この柱材Ａの剛性が高められ、図５に示すように、振動時にダンパー体２、より具体的には粘弾性材２０３を効率よく変形させることができるため、粘弾性材２０３が大きな減衰力を発生することができる。すなわち、振動時に柱材Ａのエネルギー吸収が阻止されて、ダンパー体２のエネルギー吸収性能が向上する。
したがって、ダンパー体２の小型化を図ることができ、柱材Ａ、Ｂと横架材Ｃ、Ｄとで構成される枠内空間が、建物の出入り口等の開口部に利用される場合であっても、制振装置１を適用することできる。

＜６＞ 剛性補強材の変更例
剛性補強材３は、図６に示すように、合板耐力壁で構成することもできる。この場合には、剛性補強材３を、柱材Ａに取り付けると共に、横架材Ｃ、Ｄの隣接スパンにわたって取り付ける。より具体的には、柱材Ａの奥行き方向側面部Ａ３、横架材Ｃ、Ｄの奥行き（幅）方向側面部にかけて取り付ける。さらには、横架材Ｃ及びＤに接合して柱材Ａ、Ｂ間に設けた間柱Ｓに取り付けてもよい。
このような構成により、優れた制振性能を発揮できるため、振動時の層間変形をより小さく抑えることができる。

＜１＞ 強制変形加振実験
ここで、実施例として、帯状の剛性補強材３を有する制振装置１を設置した試験体（制振構造）を用いて、試験体の層せん断力ｆ−層間変位ｕの関係を測定する実験を行った。
試験体は、前述したような、並行する２本の柱材Ａ、Ｂと、柱材Ａ、Ｂとそれぞれ接合した、上下の横架材Ｃ、Ｄと、から構成した（図１参照）。
実験には、図７に示すように、動的アクチュエータＧと可動台Ｈとを備えた動的載荷装置Ｉを用い、試験体を可動台Ｈに固定載置するとともに、梁材Ｃの中央部に取り付けた治具ＪをタイロッドＫで反力柱Ｌと接続した。そして、動的アクチュエータＧを作動させて可動台Ｈを揺らし、試験体に幅方向の動的載荷を加えることにより実験を行った。載荷にあたっては、試験体の層間変形角が順に１／４８０、１／３６０、１／２４０、１／１８０、１／１２０、１／２４０、１／９０、１／６０、１／１２０、１／４５、１／３０ｒａｄとなるように、かつ、各層間変形角で３回ずつの正負交番繰返しとした。試験体に働く層せん断力ｆは、タイロッドＫに生じる軸力から算出した。試験体の層間変位ｕは、梁材Ｃと土台材Ｄとの試験体幅方向の層間変位とした。
また、比較例として、剛性補強材３は設置せずにダンパー体２のみを設置（ダンパー体２の取付け位置は実施例と同様）した試験体を用い、同様の実験を行った。
実施例の測定結果を図８（ａ）に、比較例の測定結果を図８（ｂ）にそれぞれ示す。

＜２＞ 考察
図８に示すように、実施例は比較例に比べ、幅の広い紡錘型の履歴であることが見てとれることから、制振装置１は、ダンパーのみで構成した従来型の制振手段と比較してエネルギー吸収性能に優れることが確認された。
なお、比較例は、扁平型の履歴であることが見てとれ、エネルギー吸収性能が明らかに悪かったため、試験体の層間変形角が１／１２０ｒａｄの場合のみで測定した。

＜３＞ 振動台実験
次に、実施例として、合板耐力壁の剛性補強材３を有する制振装置１を設置した試験体（制振構造）を用いて、層間変位ｕの時刻歴を測定する実験を行った。
試験体は、図９に示すように、柱材Ｂ及び梁材Ｃ、土台材Ｄをほぼ正方形状に組み付けて構成した枠体を、梁材Ｍ及び土台材Ｎによって奥行き方向に３つ連結することによりほぼ立方体状に形成すると共に、奥行き方向中間部の枠体を構成する柱材Ｂ、Ｂ間をほぼ三等分するように、梁材Ｃ及び土台材Ｄに柱材Ａ、Ａを接合して構成した。そして、ダンパー体２を、それぞれの柱材Ａと、これらの柱材Ａに接合した梁材Ｃとに架け渡して設け、剛性補強材３を、一対の柱材Ａ、Ａ、梁材Ｃ及び土台材Ｄにかけて取り付けた。なお、柱材ＡとＢ、梁材ＣとＭ、土台材ＤとＮはそれぞれ、ほぼ等しい断面形状を有している。
このような試験体上に天板Ｏを介して錘Ｐを固定載置すると共に、試験体を振動台Ｑ上に固定載置し、動的アクチュエータＲによって振動台Ｑを加速度６００ｃｍ／ｓ²で試験体の幅方向に揺らして（実際の地震の加振波を再現）、試験体上に錘Ｐに慣性力を加えることにより実験を行った。層間変位ｕは、梁材Ｃと土台材Ｄとの試験体幅方向の層間変位とした。
また、比較例として、図１０に示すように、柱材Ａ、Ｂ間に間柱Ｓを設けると共に、梁材Ｃの柱材Ａ寄りと土台材Ｄの柱材Ｂ寄りとにかけて木製の筋交いＴを架け渡した試験体を用い、同様の実験を行った。
実施例の測定結果を図１１（ａ）に、比較例の測定結果を図１１（ｂ）にそれぞれ示す。なお、図１１中の破線は、層間変形角１／１２０ｒａｄ（層間変位約２３ｍｍ）を表す。

＜４＞ 考察
図１１に示すように、実施例は比較例に比べ、加振直後の最大層間変位が小さく、かつ、層間変位がほぼ２３ｍｍ内で安定するまでの時間も短い、すなわち振動の減衰が早いことが見てとれる。したがって、制振装置１は、筋交い等で構成した従来型の振動低減手段と比較して、高い制振効果が得られると共に、建物の剛性を向上させることができることが確認された。

本発明の制振装置を柱材及び横架材に設置した図 ダンパー体を示す図 ダンパー体の要部を示す断面図 ダンパー体の取付け位置を説明するための概略図 制振装置を設置した柱材及び横架材の振動時の状態を示す図 剛性補強材の変更例を示す図 強制変形加振実験の概略図 強制変形加振実験による層せん断力−層間変形の測定結果を示す図 振動台実験の概略図 比較例の振動台実験の概略図 振動台実験による層間変位の時刻歴の測定結果を示す図 従来の振動低減手段を示す図

符号の説明

１ 制振装置
２ ダンパー体
３ 剛性補強材
２０ ダンパー本体
２１ 柱材取付け部材
２２ 横架材取付け部材
２０１ 外筒
２０２ 内筒
２０３ 粘弾性材
Ａ 柱材（一方の柱材：他方の柱材）
Ｂ 柱材（他方の柱材：一方の柱材）
Ｃ 梁材（一方の横架材：他方の横架材）
Ｄ 土台材（他方の横架材：一方の横架材）

Claims (3)

1. 並行する２本の柱材と、これらの２本の柱材にそれぞれ接合した、上下に並行する２本の横架材と、に生じた振動を減衰するための木造建物の制振装置であって、
   外筒内に内筒を挿入すると共に、内筒と外筒との間に粘弾性材を介在させて構成したダンパー本体と、
   内筒及び外筒の自由端部にそれぞれ、ピン接合によって取り付けた柱材取付け部材及び横架材取付け部材と、を有するダンパー体を、
   柱材取付け部材を一方の柱材にビスによって取り付け、横架材取付け部材を一方の横架材にビスによって取り付けることにより設置し、
   一方の柱材の剛性を高めるために、一方の柱材の奥行き方向軸周りの断面二次モーメントを高めるような形状に形成するとともに、一方の柱材のほぼ高さ方向にわたって設ける帯状に形成した剛性補強材と、
   を備えたことを特徴とする、
   木造建物の制振装置。
2. 前記剛性補強材は、柱材の幅方向に広がるように形成することを特徴とする、請求項１に記載の木造建物の制振装置。
3. 並行する２本の柱材と、これらの２本の柱材にそれぞれ接合した、並行する２本の横架材と、に生じた振動を減衰するための木造建物の制振方法であって、
   外筒内に内筒を挿入すると共に、内筒と外筒との間に粘弾性材を介在させて構成したダンパー本体と、
   内筒及び外筒の自由端部にそれぞれ、ピン接合によって取り付けた柱材取付け部材及び横架材取付け部材と、を有するダンパー体を、
   柱材取付け部材を一方の柱材にビスによって取り付け、横架材取付け部材を一方の横架材にビスによって取り付けることにより設置すると共に、
   一方の柱材の剛性を高めるために、一方の柱材の奥行き方向軸周りの断面二次モーメントを高めるような形状に形成するとともに、一方の柱材のほぼ高さ方向にわたって、帯状に形成した剛性補強材を設け、
   振動時に柱材のエネルギー吸収が阻止されて、
   ダンパー体によるエネルギー吸収を行うことを特徴とする、
   木造建物の制振方法。

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