JP4198013B2

JP4198013B2 - 建物躯体の全体降伏構造

Info

Publication number: JP4198013B2
Application number: JP2003301114A
Authority: JP
Inventors: 洋一塩崎
Original assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Current assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP2005068849A

Description

本発明は、建物の耐震構造に関し、より詳しくは梁降伏型の建物躯体の全体降伏構造に関する。

建物の耐震構造としては、建物の強度で地震に抵抗する強度型と、建物が曲げ破壊されることにより地震のエネルギーを吸収する靭性型とがある。元来、耐震構造は強度型が主流と考えられていたが、現在では多くの地震被害やコンピューターの振動解析から、靭性を確保し地震のエネルギーに対抗しようとする方向に移行している。

建物の破壊メカニズムとしては、柱が破壊されずに残り、建物全体が倒壊しないことが望ましい。そのためには柱よりも梁を弱く設計する梁降伏型の全体降伏構造が好ましい。柱降伏型は任意の単独階に変形が集中し倒壊が起こりやすいのに対して、梁降伏型は変形が全ての階に分散されるために、構造物の被害や倒壊が生じにくくなるからである。

水平部材である梁の端部を破壊させて降伏ヒンジを形成させる梁降伏型の全体降伏構造の建物が多く設計されている。例えば、柱と梁との接合部が損傷しないように、鉄骨梁の端部から離れた位置に切欠きを設けて応力を集中させる設計もある（特許文献１、２参照）。また、鉄筋コンクリート梁の端部から離れた位置の主筋を折り曲げて斜めに交差させて配筋して応力を集中させる設計もある（特許文献３参照）。このように梁の端部から離れた位置に降伏ヒンジを形成させることで、柱の損傷を防ぐことができるとともに、地震後の補修を容易にすることができる。
特開２００３−１６６２８７号公報特開２００２−８８９１２号公報特開２００３−１０５９２１号公報

しかし、確実に梁降伏型の全体降伏が生じる程度に梁を柱よりも十分弱くした場合、躯体そのものも弱くなってしまい、変形が全ての階に分散されても変形そのものが大きいために倒壊が生じてしまう。

また、梁を柱よりも若干弱くした場合、梁に取り付けるスラブ等の２次部材の影響や、構造物の振動方向、構造物の振動の高次モード影響などで柱が壊れる恐れがある。これらの影響は、２次部材の影響を除いて予測困難であるため、柱と梁の強さの比率も確定的ではない。

本発明の課題は、２次部材や構造物の振動方向などに影響されずに確実に梁降伏型の全体降伏を生じさせるとともに、建物躯体の耐力低下を最小限にして梁端部のエネルギー吸収を大きくすることのできる建物躯体を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、柱１と梁２とからなる建物躯体の全体降伏構造であって、例えば図１〜４に示すように、梁２の柱１との接合部には磁気粘性流体１８を充填した回転ダンパー１０が設けられるとともに、この回転ダンパー１０には磁気粘性流体１８に磁場を印加するコイル１７が設けられ、
前記柱１の前記梁２との接合部の上下近傍には前記柱１の歪みを検知するセンサー２１が設けられるとともに、このセンサー２１の出力に応じて前記コイル１７に流す電流量を制御する中央処理装置２３が設けられ、
前記中央処理装置２３は前記柱１の歪みが大きくなった場合に前記コイル１７に流す電流量を減らすことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の建物躯体の全体降伏構造であって、例えば図３に示すように、前記コイル１７は前記回転ダンパー１０の中心軸１４に設けられていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の建物躯体の全体降伏構造であって、例えば図４に示すように、前記コイル１７は前記回転ダンパー１０の磁気粘性流体１８が充填された筒材１６の外周に設けられていることを特徴とする。

請求項１〜３に記載の発明によれば、コイル１７に電流を流すことにより磁気粘性流体１８に印加する磁界を変化させ、回転ダンパー１０の回転耐力を制御することで、梁２の柱１との接合部の耐力を制御することができる。

また、センサー２１により柱１の歪みを検知するとともに、センサー２１の出力に応じて中央処理装置２３がコイル１７に流す電流量を制御することで回転ダンパー１０の回転耐力を制御することができ、梁２の柱１との接合部の耐力を制御することができる。
また、柱１の歪みが大きくなった場合には、コイル１７に流す電流量を減らし、回転ダンパー１０の回転耐力を小さくし、回転ダンパー１０を降伏ヒンジとして機能させることができる。

本発明によれば、梁の柱に対する耐力比を制御することで、建物躯体の耐力低下を最小限にして梁端部のエネルギー吸収を大きくし、確実に梁降伏型の全体降伏を生じさせることができる。また、柱の歪みを検出して、それに応じて回転耐力をセミアクティブに制御するので、柱の崩壊に至る変形を防ぎ、建物の倒壊を防ぐことができる。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の建物躯体の全体降伏構造を示す図である。各梁２の両端部には回転ダンパー１０が設けられており、図１（ｂ）に示すように、各梁２はこの回転ダンパー１０を介して柱１に接合されている。

回転ダンパー１０は例えば図２に示すように、取付部１１、１１と、軸支持部１２、１２と、軸受部１３と、中心軸１４と、筒材１６とからなる。取付部１１、１１は梁２の端部または柱１の側部にそれぞれ取り付けられる。

一方の取付部１１には軸受部１３が設けられるとともに、他方の取付部１１には軸支持部１２、１２が設けられる。軸受部１３は中心軸１４の中央部を貫通させている。中心軸１４の両端部にはそれぞれフランジ１５、１５が設けられており、各フランジ１５、１５は軸支持部１２、１２とそれぞれ接合される。

また、軸支持部１２と軸受部１３との間には、中心軸１４を囲んで筒材１６、１６が設けられている。筒材１６、１６は端部で軸受部１３と接合されている。筒材１６、１６と中心軸１４との間には磁気粘性流体１８が封入されるが、筒材１６、１６と軸支持部１２、１２との間は磁気粘性流体１８が漏出しないように封止されている。

磁気粘性流体（Magnetorheological Fluid）とは、液体中に磁性粒子を分散させたもので、磁場の印加に応じて粘度が上昇する特徴を有している。これは、磁場を印加すると磁性分子が分極して液体中で鎖状のクラスターを形成するためであり、逆に磁場の印加をやめれば粒子の組織化も崩れ、元の状態に戻るとされている。

磁気粘性流体は、磁性粒子と分散媒とをその主構成要素とする。磁性粒子は直径約１〜１０μｍの真球状のものを用いるのが一般的であり、具体的には、鉄粉、ペンタカルボニル鉄を還元して得られるカルボニル鉄粉などが用いられる。また、高価で実用化には至っていないが、鉄−コバルト合金粉末や鉄−ニッケル合金粉末等を用いて降伏応力の高い磁気粘性流体が開発されている。

分散媒は磁性粒子を分散させる媒体であり、例えばシリコンオイル、ケロシン、合成油や水等が用いられる。さらに、分散媒の粘度を上昇させて磁性粒子が時間とともに沈殿することを防ぐため、通常、界面活性剤や分散剤等の添加剤が添加される。

中心軸１４の内部、または筒材１６、１６の外周部の少なくとも一方にはコイル１７が設けられる。コイル１７は電流を流すことによって電磁石となり、磁気粘性流体１８に磁場を印加することができる。磁気粘性流体１８は磁場が印加されると中心軸１４と筒材１６との間に鎖状のクラスターを形成し、回転ダンパー１０の回転耐力を増大させる。

また、図１（ｂ）に示すように、柱１の回転ダンパー１０との接合部の上下近傍には、歪ゲージ等のセンサー２１が取り付けられている。

次に、本発明の全体降伏構造の動作システムについて説明する。動作システムは図３または図４に示すように、センサー２１と、増幅器２２と、中央処理装置２３と、直流電源装置２４と、コイル１７とからなる。なお図３は回転ダンパー１０の中心軸１４内部にコイル１７を設けた場合、図４は回転ダンパー１０の筒材１６の外周部にコイル１７を設けた場合を示す。

センサー２１の出力は、増幅器２２で増幅された後、中央処理装置２３へ入力される。中央処理装置２３はセンサー２１の出力に応じて直流電源装置２４を制御し、コイル１７に流す電流量を増減する。コイル１７は電流量に応じて磁気粘性流体１８に印加する磁場を変化させ、回転ダンパー１０の回転耐力を増減させる。柱１の歪みが大きくなった場合には、コイル１７に流す電流量を減らし、回転ダンパー１０の回転耐力を小さくし、回転ダンパー１０を降伏ヒンジとして機能させることができる。

ここで、動作システムの地震時の動作について説明する。まず、平常時において、コイル１７には一定の電流を流し、中心軸１４と筒材１６とを剛結合させ、柱１と梁２との接合部を剛結合させておく。地震が生じ、柱１の歪みをセンサー２１が検出すると、センサー２１の出力は増幅器２２で増幅された後に中央処理装置２３に入力される。

中央処理装置２３では増幅器２２からの入力に応じて、回転ダンパー１０の適切な回転耐力を計算するとともに、それに応じた電流値を計算する。ここで、適切な回転耐力とは、地震力により柱１に被害が生じないような回転耐力の最大値である。

センサー２１の計測値をＵとし、回転ダンパー１０の回転耐力をＦとすると、回転耐力Ｆは、例えば以下の式（１）により計算することができる。また、コイル１７に流す電流値をＩとすると、電流値Ｉは例えば以下の式（２）により計算することができる。なお、式（１）、式（２）において、λ、γ、αは建物の構造に応じて定まる定数である。
Ｆ＝λＵ＋γ・・・（１）
Ｉ＝αＦ・・・（２）

以上のようにしてコイル１７に流す電流値が定められたら、中央処理装置２３は直流電源装置２４を制御して所定の電流をコイル１７に流す。コイル１７に電流を流すと、磁場が変動し、回転ダンパー１０の回転耐力が変化する。

このようにして建物躯体の耐力低下を最小限に保ったまま、回転ダンパー１０の回転耐力を常に柱１の耐力よりも小さく設定し、梁２端部のエネルギー吸収を大きくすることができる。また、柱１の歪みを検出して、それに応じて回転耐力をセミアクティブに制御するので、柱１の崩壊に至る変形を防ぐことができ、建物の倒壊を防ぐことができる。

なお、以上の実施の形態においては、中心軸１４の両端に軸支持部１２を設けるとともに中心軸１４の中央部に軸受部１３を設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、中心軸１４の中央に軸支持部１２を設けるとともに中心軸１４の両端に軸受部１３を設けてもよい。

また、式（１）、式（２）の定数についても建物の構造に応じて適宜に変更可能であることは勿論である。

（ａ）は本発明の実施の形態の建物の全体降伏構造を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の建物の梁の柱との接合部を示す拡大図である。本発明の実施の形態の建物の全体降伏構造で用いる回転ダンパーを示す断面図である。（ａ）は本発明の実施の形態の建物の全体降伏構造のシステムを示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の回転ダンパーの断面図である。（ａ）は本発明の実施の形態の建物の全体降伏構造のシステムを示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の回転ダンパーの断面図である。

符号の説明

１柱
２梁
１０回転ダンパー
１４中心軸
１６筒材
１７コイル
１８磁気粘性流体
２１センサー
２３中央処理装置

Claims

柱と梁とからなる建物躯体の全体降伏構造であって、梁の柱との接合部には磁気粘性流体を充填した回転ダンパーが設けられるとともに、この回転ダンパーには磁気粘性流体に磁場を印加するコイルが設けられ、
前記柱の前記梁との接合部の上下近傍には前記柱の歪みを検知するセンサーが設けられるとともに、このセンサーの出力に応じて前記コイルに流す電流量を制御する中央処理装置が設けられ、
前記中央処理装置は前記柱の歪みが大きくなった場合に前記コイルに流す電流量を減らすことを特徴とする建物躯体の全体降伏構造。
前記コイルは前記回転ダンパーの中心軸に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の建物躯体の全体降伏構造。
前記コイルは前記回転ダンパーの磁気粘性流体が充填された筒材の外周に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の建物躯体の全体降伏構造。