JP4139901B2 - 木造建物の制振構造及び木造建物の制振方法 - Google Patents

Description

本発明は、木造建物の制振構造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、建物の骨組みを構成する２本の柱材Ａ、Ｂ及び２本の横架材Ｃ、Ｄにかけて合板耐力壁Ｔを取り付けたり（図１６（ａ）参照）、一対の横架材Ｃ、Ｄ間に、伝達部材Ｖを介してダンパーＷを架け渡して設置したり（図１６（ｂ）参照）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１６（ａ）に示すように、合板耐力壁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、建物の振動を抑えることが困難である。
（２）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。
（３）図１６（ｂ）に示すように、２本の横架材Ｃ、Ｄ間にダンパーＷを架設した場合には、伝達部材Ｖにおいて横架材の取付け部がすべり変形するなど、伝達部材Ｖに大きな曲げの力が作用して変形したりするおそれがある。したがって、ダンパーＷが、ほとんど変形せず、振動エネルギーを吸収しにくくなるため、十分な制振効果が得られない場合がある。

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構造及び木造建物の制振方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる木造建物制振構造は、
木造建物の骨組みを構成する、並行する２本の柱材と、その上下に並行する横架材とによって構成され、横架材に対して柱が回動する接合構造であって、
一方の柱材に取り付けた振動時のエネルギー吸収をするダンパー体と、
一端部をダンパー体に取り付け、他端部を他方の柱材に取り付けた金属材料によって形成した複数本のブレース材とから成り、
前記ダンパー体は、一方の柱材の高さ方向中間部に取り付けるとともに、剛性補強材を、一方の柱材におけるダンパー体の取付け位置から下端位置にわたって設け、当該剛性補強材の下端部に、ホールダウンアンカーが挿入されるホールダウン部を一体的に設け、
前記ブレース材は、他方の柱材の上端部と下端部に取付けるとともに、複数本のうちの最も下側のブレース材の他端部に、ホールダウンアンカーが挿入されるホールダウン部を一体的に設けるものである。

本発明にかかる木造建物の制振方法は、
請求項１にかかる木造建物の制振構造を用いた木造建物の制振方法であって、
木造建物の骨組みを構成する、並行する２本の柱材のうちの一方の柱材にダンパー体を取り付け、
複数本のブレース材の一端部をそれぞれ、ダンパー体に取り付け、他端部をそれぞれ、他方の柱材の高さ方向に異なる位置に取り付けるとともに、一方の柱材に剛性補強材を設けることによって、ダンパー体の振動吸収を向上させ、
最も下側のブレース材と、剛性補強材の下端部と、に設けたホールダウン部によって柱材の抜けを防ぐものである。

本発明の木造建物の制振構造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）並行する２本の柱材のうちの一方の柱材にダンパー体を取り付け、複数本のブレース材の一端部をそれぞれ、ダンパー体に取り付け、他端部をそれぞれ、他方の柱材の高さ方向に異なる位置に取り付けることにより、柱材に生じる力は、曲げ方向の力が抑えられて軸力が支配的になる。したがって、柱材の曲げ変形が防止または抑制する。
このように、柱材の曲げ変形が抑えられることにより、ダンパー体が振動時のエネルギーの大半をせん断抵抗として吸収できるため、ダンパー体の振動吸収効率が向上する。
（２）一方の柱材に剛性補強材を設けることにより、柱材の曲げ剛性をより向上させるとともに、柱材の振動時のエネルギー吸収を確実に阻止して、ダンパー体の振動吸収効果をより効果的に高めることができる。
（３）複数本のうちの最も下側のブレース材の他端部に、ホールダウンアンカーが挿入されるホールダウン部を一体的に設けることにより、柱材等の骨組みに負担をかけずにダンパーからブレース材、ホールダウンアンカーに至るまで引っ張り力を確実に伝達でき、柱材の抜けを防止することができる。
（４）剛性補強材を、他方の柱材と対向する一方の柱材の側面に取り付けて設けるとともに、剛性補強材の下端部に、ホールダウンアンカーが挿入されるホールダウン部を一体的に設けることにより、一方の柱材の剛性がより高められると共に、柱材等の骨組みに負担をかけずに剛性補強材、ホールダウンアンカーに至るまで引っ張り力を確実に伝達でき、柱材の抜けを防止することができる。

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に生じた振動を防止するためのものである。
柱材Ａ、Ｂはそれぞれ、上下に並行する２本の横架材、例えば梁材Ｃと土台材Ｄとに接合されている。
制振装置１は、振動時に横架材に対して柱が回動する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。
例えば、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＞ ダンパー体
制振装置１は、ダンパー体２と複数本、例えば２本のブレース材３とを備えている。
ダンパー体２は、図２、３（ａ）に示すように、一方の柱材、例えば柱材Ａに取り付ける柱材取付け部材２１と、複数本のブレース材３が取り付けられるブレース材取付け部材２２と、柱材取付け部材２１及びブレース材取付け部材２２を連結するせん断部材２３と、から構成する。
せん断部材２３は、柱材取付け部材２１に接合した柱側板材２３１と、この柱側板材２３１に重なるように設け、ブレース材取付け部材２２に接合したブレース側板材２３２と、柱側板材２３１及びブレース側板材２３２の間に介在させた、振動時に減衰力を発生する減衰材としての粘弾性材２３３と、を有するほぼ板状である。せん断部材２３は、柱側板材２３１とブレース側板材２３２とが相対変位した際に、粘弾性材２３３がせん断変形することにより振動を減衰するものである。すなわち、ダンパー体２は粘弾性ダンパーである。なお、せん断部材２３は、例えば、複数枚の板材からなる柱側板材２３１でブレース側板材２３２を挟み込むような構成とすることができるが、図３（ｂ）に示すように、柱側板材２３１を一枚板とし、粘弾性材２３を介して柱側板材２３１とブレース側板材２３２とを単に重ね合わせるだけの構成としてもよい。
柱材取付け部材２１は、柱側板材２３１を重なるように接合した板状の基部２１１と、この基部２１１の幅方向一端部から厚さ（奥行き）方向両側に延びる取付け板部２１２と、を有する断面Ｔ字状である。ブレース側板材２３２を重なるように接合したブレース材取付け部材２２は板状である。柱材取付け部材２１、ブレース材取付け部材２２、柱側板材２３１及びブレース側板材２３２は例えば金属製とすることができる。
せん断部材２３は、柱材取付け部材２１及びブレース材取付け部材２２に重なるように接合するため、安定性を高めるために、柱材取付け部材２１及びブレース材取付け部材２２を挟み付けるように一対設けることが好ましい。この場合には、ブレース材取付け部材２２を一対のブレース側板材２３２で挟み、かつ、柱材取付け部材２１を一対の柱側板材２３１で挟んで、ボルトナット（図示せず）で締め付けることにより設けることができる。
ダンパー体２は、複数の板材を重ね合わせてボルトナットで接合することにより形成される簡易な構成であるため、汎用性に優れる。

＜３＞ ブレース材
ブレース材３は、図４に示すように、例えば金属材料で筒状に形成し、一端部に、ダンパー体２に取り付けるダンパー体取付け部３１を設け、他端部に、他方の柱材、例えば柱材Ｂに取り付ける柱材取付け部３２を設けて構成する。
ダンパー体取付け部３１は、ブレース材取付け部材２２が嵌め込まれる凹状に形成する。そして、ブレース材取付け部材２２をダンパー体接合部３１に嵌め込んだ状態で、ボルト（図示せず）等で固定することにより、ブレース材３をダンパー体２に取り付けられるように構成する。柱材取付け部３２は、柱材Ｂに当接するように板状に形成する。

＜４＞ 制振装置の設置
制振装置１は、ダンパー体２を柱材Ａに取り付け、ダンパー体２に取り付けた２本のブレース材３をそれぞれ、他方の柱材Ｂの高さ方向に異なる位置に取り付けることにより、柱材Ａと柱材Ｂとに架け渡して設置する。より具体的には、ダンパー体２の柱材取付け部材２１の取付け板部２１２を、柱材Ｂと対向する柱材Ａの側面部Ａ２にビス（図示せず）によって固定し、それぞれのブレース材３の柱材取付け部３２を、柱材Ａと対向する柱材Ｂの側面部Ｂ２にビスによって固定する。ダンパー体２及びブレース材３の取付けにビス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、取付けに緩みが生じ難くなる。
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、柱側板材２３１とブレース側板材２３２との相対変位量が大きくなって粘弾性材２３３が変形しやすくなるように、ブレース材３を、柱材Ｂの上端部（梁材Ｃの下側近傍部）及び下端部（土台材Ｄの上側近傍部）を含む高さ方向に異なる位置、ここではブレース材３が２本なので柱材Ｂの上端部及び下端部にそれぞれ取り付けることが好ましい。さらには、ダンパー体２を柱材Ａの高さ方向中間部（梁材Ｃと土台材Ｄとの中間部）に取り付けることが好ましい。ブレース材３はそれぞれ、柱材Ｂの取付け位置に応じて、長さや柱材取付け部３２の角度などをあらかじめ設定しておく。
制振装置１は、複数本のブレース材３によって、柱材Ａ、Ｂに作用する曲げの力を抑制し、振動時の層間変位を小さく抑えることとなる。また、図５に示すように、柱材Ａと柱材Ｂとが相対変位した際には、ダンパー体２の粘弾性材２３３がせん断変形することにより、エネルギーの大半をせん断抵抗として吸収して振動を減衰することとなる。
なお、制振装置１は、ダンパー体を柱材Ｂに取り付け、ブレース材３を柱材Ａに取り付けても同様の効果が得られる。
あるいは、ブレース材３を、柱材Ｂに取り付ける代わりに、横架材ＣまたはＤに取り付けてもよい。この場合には、ダンパー体２及び横架材Ｃ、Ｄへのブレース材３の取付けをピン接合によって行うことが好ましい。

＜５＞ 剛性補強材
前述のように、ブレース材３によって柱材Ａ、Ｂの撓みまたは曲げ変形はある程度抑えられるが、ダンパー体２を介して複数本のブレース材３の取付け位置が一点に集中する柱材Ａには、振動時に複数本のブレース材３からの引張力及び圧縮力が一点に集中して作用するため、柱材Ａの撓みまたは湾曲変形を完全に防止することは難しい。このため、柱材Ａに剛性補強材４を設けて、この柱材Ａの剛性を高めることが効果的である。より具体的に、柱材Ａは、ダンパー体２の取付け位置から撓みまたは湾曲変形しやすいため、剛性補強材４は、柱材Ａにおけるダンパー体２の取付け位置から下端位置にわたって設ければ足りる。
ここでは、剛性補強材４を、金属製の帯状に形成すると共に、ホールダウンアンカー４１が挿入されるホールダウン部４２を下端部に一体的に設けて構成し、柱材Ｂと対向する柱材Ａの側面部Ａ２に取り付ける。剛性補強材４の柱材Ａへの取付けにあたっては、ビスを用いることができ、この剛性補強材４を介してダンパー体２を柱材Ａに取り付ける。ビスは、あまり間隔をあけずに剛性補強材４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４のホールダウン部４２には、土台材Ｄを貫通して建物基礎（図示せず）に打ち込むホールダウンアンカー４１を挿入固定する。ホールダウン部４２によって柱材Ａにホールダウンアンカー４１が引き寄せた状態で固定されるため、柱材Ａの抜けが防止される。
同様に、下側のブレース部材３の柱材取付け部３２の下端部にも、ホールダウンアンカー４１が挿入されるホールダウン部３３を一体的に設ける。ホールダウン部３３によって、柱材Ｂの抜けが防止される。

以降に他の形態について説明するが、実施例１と同一の部位については同一の符号を付して説明を省略する。

ここでの制振装置１は、ダンパー体２をダンパー体５に変更したものである。
ダンパー体５は、図６に示すように、ブレース材取付け部材２２と、このブレース材取付け部材２２に連結部材５１を介して高さ方向に並列的に接合した複数のＨ形鋼５２と、から構成する。
Ｈ形鋼５２はそれぞれ、一方の垂直面部５２１をブレース材取付け部材２２に接合する。一方、他方の垂直面部５２２を、剛性補強材４を介してビスにより柱材Ａに取り付けることにより、ダンパー体５が柱材Ａに設置される。それぞれのＨ形鋼５２の水平面部５２３は、図７に示すように、振動時の両端部の応力集中を回避するために、中央部に向かって漸次幅（奥行き）が狭くなるように形成する。
このような構成により、振動時には、水平面部５２３が降伏して塑性変形するため、エネルギーを吸収して制振する。すなわち、ダンパー体６は弾塑性ダンパーである。従来、弾塑性ダンパーは、垂直面部と水平面部とが溶接等により接合されるが、制振装置１は、一般住宅等の木造建物の制振に耐え得る構成で足りるため、ダンパー体５は、垂直面部と水平面部とが一体形成されたＨ形鋼５２を採用する安価で簡易なものであり、汎用性に優れる。ここでは、Ｈ形鋼５２の他方の垂直面部５２２が柱材取付け部材を構成し、Ｈ形鋼５２の水平面部５２３が減衰材を構成する。

ここでの制振装置１は、ダンパー体２または５をダンパー体６に変更したものである。
ダンパー体６は、図８、９に示すように、柱材取付け部材２１と、ブレース材取付け部材２２と、柱材取付け部材２１及びブレース材取付け部材２２を連結する摺動部材６１と、から構成する。
摺動部材６１は、柱材取付け部材２１に接合した柱側板材６１１と、この柱側板材６１１に重なるように高さ方向に相対摺動可能に設け、ブレース材取付け部材２２に接合したブレース側板材６１２と、柱側板材６１１及びブレース側板材６１２の間に介在させた減衰材としての摩擦材６１３と、を有するほぼ板状である。柱側板材６１１またはブレース側板材６１２に、高さ方向に延びるスライド孔６１５を設けておき、このスライド孔６１５を通すように、柱側板材６１１、摩擦材６１３及びブレース側板材６１２をボルトナット６１４で締め付けることにより、柱側板材６１１とブレース側板材６１２とを高さ方向に相対摺動可能に構成する。柱材取付け部材２１とブレース材取り付け部材２２との相対摺動を、摩擦材６１３の摩擦力で抵抗することより振動を減衰することとなる。すなわち、ダンパー体６は摩擦ダンパーである。
摺動部材６１は、柱材取付け部材２１及びブレース材取付け部材２２に重なるように接合するため、安定性を高めるために、柱材取付け部材２１及びブレース材取付け部材２２を挟み付けるように一対設けることが好ましい。この場合には、ブレース材取付け部材２２を一対のブレース側板材６１２で挟み、かつ、柱材取付け部材２１を一対の柱側板材６１１で挟んで、ボルトナット６２で締め付けることにより設けることができる。また、この場合には、２組の柱側板材６１１、摩擦材６１３及びブレース側板材６１２の締付けを、一組のボルトナット６１４で行うことができる。
ダンパー体６は、ダンパー体２と同様に、複数の板材を重ね合わせてボルトナットで接合することにより形成される簡易な構成であり、汎用性に優れる。

ここで、実施例１、２、３の制振装置１を並行する柱材Ａ、Ｂに架け渡して構成した試験体（制振構造）をそれぞれ用いて実験を行った。

＜１＞ 強制変形加振実験
まず、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１０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、図１１に示すように、柱材Ａ、Ｂ間に間柱Ｓを設けると共に、柱材Ａ、Ｂ、梁材Ｃ、土台材Ｄにかけて合板耐力壁Ｔを設置した試験体を用い、同様の実験を行った。
実施例１、２、３の測定結果を図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、また、比較例の測定結果を図１２（ｄ）にそれぞれ示す。

＜２＞ 考察
実施例１は、図１２（ａ）に示すように、載荷直後からエネルギー吸収の大きい紡錘型の履歴であることが見てとれる。実施例２は、図１２（ｂ）に示すように、載荷直後から層間変形角１／１８０程度までは扁平型の履歴であるが、それ以降は紡錘型の履歴であることが見てとれる。実施例３は、図１２（ｃ）に示すように、載荷直後から層間変形角１／１８０程度までは扁平型の履歴であるが、それ以降はエネルギー吸収の大きい平行四辺形型の履歴であることが見てとれる。
これに対して、比較例は、図１２（ｄ）に示すように、ある程度の紡錘型の履歴でありつつも、エネルギー吸収の小さいストリップ型の履歴であることが見てとれる。
したがって、制振装置１を用いた制振構造は、合板耐力壁Ｔを設けた従来型の構造と比較して、エネルギー吸収性能に優れることが確認された。

＜３＞ 振動台実験
次に、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１３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、剛性補強材４及びダンパー体２または５あるいは６を柱材Ａに取り付け、ダンパー体２または５あるいは６に取り付けたブレース材３を、柱材Ａの幅方向外側に設けた柱材Ｂに取り付けた。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１４に示すように、柱材Ａ、Ｂ間に間柱Ｓを設けると共に、柱材Ａ、Ｂ、梁材Ｃ、土台材Ｄにかけて合板耐力壁Ｔを設置した試験体を用い、同様の実験を行った。
実施例１、２、３の測定結果をそれぞれ、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、比較例の測定結果を図１５（ｄ）に示す。なお、図１５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１５に示すように、実施例１、２、３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を用いた制振構造は、合板耐力壁Ｔを設けた従来型の構造と比較して、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。

本発明の制振構造を示す図 ダンパー体の側面図 ダンパー体の平面図 ブレース材を示す図 制振構造の振動時の状態を示す図 本発明の制振構造に用いられる別のダンパー体を示す図 Ｈ形鋼を示す図 本発明の制振構造に用いられる他のダンパー体の側面図 他のダンパー体の平面図 強制変形加振実験の概略図 強制変形加振実験に用いられる比較例の制振構造を示す図 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

２、５、６ ダンパー体
３ ブレース材
４ 剛性補強材
４１ ホールダウンアンカー
３３、４２ ホールダウン部
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）

Claims (2)

1. 木造建物の骨組みを構成する、並行する２本の柱材と、その上下に並行する横架材とによって構成され、横架材に対して柱が回動する接合構造であって、
   一方の柱材に取り付けた振動時のエネルギー吸収をするダンパー体と、
   一端部をダンパー体に取り付け、他端部を他方の柱材に取り付けた金属材料によって形成した複数本のブレース材とから成り、
   前記ダンパー体は、一方の柱材の高さ方向中間部に取り付けるとともに、剛性補強材を、一方の柱材におけるダンパー体の取付け位置から下端位置にわたって設け、当該剛性補強材の下端部に、ホールダウンアンカーが挿入されるホールダウン部を一体的に設け、
   前記ブレース材は、他方の柱材の上端部と下端部に取付けるとともに、複数本のうちの最も下側のブレース材の他端部に、ホールダウンアンカーが挿入されるホールダウン部を一体的に設けたことを特徴とする、
   木造建物の制振構造。
2. 請求項１にかかる木造建物の制振構造を用いた木造建物の制振方法であって、
   木造建物の骨組みを構成する、並行する２本の柱材のうちの一方の柱材にダンパー体を取り付け、
   複数本のブレース材の一端部をそれぞれ、ダンパー体に取り付け、他端部をそれぞれ、他方の柱材の高さ方向に異なる位置に取り付けるとともに、一方の柱材に剛性補強材を設けることによって、ダンパー体の振動吸収を向上させ、
   最も下側のブレース材と、剛性補強材の下端部と、に設けたホールダウン部によって柱材の抜けを防いだことを特徴とする、
   木造建物の制振方法。

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