JP4222224B2

JP4222224B2 - 構造架構

Info

Publication number: JP4222224B2
Application number: JP2004047976A
Authority: JP
Inventors: 直幹丹羽; 一成牧部
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005240303A

Description

本願発明は耐震壁と境界梁とからなる構造架構に関し、建築構造物の耐震性能を著しく向上させることができるものである。

壁と梁を組み合わせた構造架構として、建物の中央部にコア壁として耐震壁を向かい合わせに配置し、その間に境界梁を架け渡した構造架構が知られている。例えば、図７(ａ)に図示するような建物の中央部にエレベーター２０、エレベーターホール２１、さらに廊下２２などの共用施設が集中的に配置された事務所ビルの場合、これら共用施設の周囲と中にそれぞれ配置されたＬ字型またはＴ字型の壁が互いに向かい合う耐震壁２３となり、この耐震壁２３と２３との間に架け渡された梁が境界梁２４になっている。

境界梁２４には特に、耐震壁２３の曲げ変形や回転変位を減少させる抵抗力があり、耐震壁２３の剛性を高め、かつ耐震壁２３の曲げや回転の耐力を高める働きを有するため、耐震壁２３の曲げ剛性と境界梁２４による曲げ戻し効果を確保して建物全体の曲げ剛性を高めることができる。
特開２００２−３５７００９特開２００１−３３６３００特開２００１−１７３１２９

しかし、上記した構造架構では、耐震壁２３と境界梁２４とからなるコア壁の幅が小さい場合、耐震壁２３の断面二次モーメントを十分に確保できず、また境界梁２４の曲げ戻し効果も各耐震壁２３に対してその片側に配置された境界梁２４が対応するのみで、しかも耐震壁２３の転倒スパン(重心間距離)も十分に確保できないため、特に高層建物の場合は架構全体の曲げ剛性の確保が非常に困難になる等の課題があった。

本願発明は以上の課題を解決するためになされたもので、コア部の建築設計上の自由度を損なうことなく、耐震壁の曲げ剛性と境界梁による曲げ戻し効果を十分に確保し、架構全体の曲げ剛性を著しく高め、耐震性に非常に優れた構造架構を提供することを目的とする。

請求項１記載の構造架構は、外力に対して強軸の耐震壁と、前記外力に対して弱軸の耐震壁と、前記強軸の耐震壁と前記弱軸の耐震壁との間に配置された境界梁とから構成され、前記強軸の耐震壁は前記外力の作用方向と平行に配置され、前記境界梁は前記強軸の耐震壁の両側に前記外力の作用方向と平行に配置され、かつ前記弱軸の耐震壁は前記境界梁の先端に前記外力の作用方向と直交する方向に配置されてなることを特徴とするものである。

本願発明は、特に強軸の耐震壁の両側に境界梁が配置されていることで、強軸の耐震壁の片側にのみ境界梁が配置された従来の構造架構に比べて梁の曲げ戻し効果を倍確保することができ、さらに境界梁の先端に配置された弱軸の耐震壁が境界梁の鉛直変形を拘束する働きを有することにより境界梁の曲げ戻し効果を付加することができるため、架構全体の曲げ剛性を著しく高めることができる。また、そのために境界梁の先端側に耐震壁などによる構面を新たに設けなくてもよい。

また、境界梁の先端に配置された弱軸の耐震壁が境界梁先端の鉛直変形を拘束する軸材としての働きを有するため、限られた構面の長さ内で強軸の耐震壁を可能な限り長く配置することにより大きな断面二次モーメントを持った耐震壁とすることができる。なお、強軸の耐震壁の長さを十分に確保することは、境界梁をダンパーとして利用する場合、梁の曲げ降伏後の架構の剛性低下を低く抑えることができる。

図１，２に図示した本願発明に係る構造架構と図７に図示した従来の構造架構との具体的性能を表．１で表した具体的数値で比較すると、耐震壁の外寸法Ｌとして９．７ｍを想定し、また耐震壁の壁厚ｔを０．７ｍ、耐震壁の壁長Ｌ_Ｗと境界梁の梁長Ｌ_ｂとの比を約１．５とし、さらに境界梁の梁成Ｄはせん断スパン比β＝(Ｌ_ｂ／Ｄ)を約１．５として決定した。

なお、耐震壁の壁長Ｌ_Ｗと境界梁の梁長Ｌ_ｂとの比を約１．５としたのは、地震時の層間変形角を１／１００と設定した場合に境界梁の部材角が設計上過大とならない１／４０以下とするためである。また、境界梁の梁成Ｄをせん断スパン比βが約１．５となるように設定しているのは、曲げによる変形能力を確保するためである。

この結果として、耐震壁の壁断面積は本願発明のほうが４％ほど小さくなっている。ここで梁の曲げ戻し増加長さＬ_ｒは、境界梁の端部曲げモーメントが耐震壁の重心位置までせん断力により延長される長さを示し、また転倒スパンＬ_ｔは構造架構の転倒に対して抵抗できる構造体の重心位置の距離を示している。

表．１において、各耐震壁の断面二次モーメントを合計した値は、従来例の方が若干優れているが、本願発明の場合、強軸の耐震壁の両側に境界梁が配置されていることを考慮すると、強軸の耐震壁の曲げ抵抗と境界梁の曲げ戻し効果が同一であると仮定すれば、本願発明の方が従来例より１．８９倍ほど優れているといえる。また、その他の性能である曲げ戻し増加長さＬ_ｒ、梁成Ｄおよび転倒スパンＬ_ｔは、共に本願発明の方が優れていることが分かる。

なお、ここで各耐震壁はＲＣ構造の壁を想定しているが、特にこれに限定されたものではなく、鉄骨を内臓したＲＣ構造の壁や鋼鈑で補強されたＳＲＣ構造の壁でもよい。また、境界梁は高靭性コンクリートからなるＲＣ構造で、梁主筋をＸ型に配筋したりプレストレスを導入したりすることにより耐震性能を著しく向上させることができる。

請求項２記載の構造架構は、請求項１記載の構造架構において、強軸の耐震壁と弱軸の耐震壁との間に廊下が配置されてなることを特徴とするものである。本願発明は、境界梁と廊下を同じ位置に配置することで、共用施設の周囲に配置された執務室の床面積を狭めることなく、強軸の耐震壁を可能な限り長く配置することができる。

請求項３記載の構造架構は、請求項１または２記載の構造架構において、弱軸の耐震壁は設備スペースに配置されてなることを特徴とするものである。弱軸の耐震壁がこのような位置に配置されていることで、これと請求項２記載の実施形態を合わせることにより有効な転倒スパンを容易に確保することができるため、平面計画を阻害することなく、曲げ特性を向上させることができる。

一般に事務所建築の平面計画では、中央にエレベーター、設備施設、廊下などの共用施設が配置され、その周囲に執務室が配置される場合が多いため、この種の建物に本願発明の構造架構を適用すれば、執務室に入ることなく、廊下から設備室内の点検等を行うことが可能になり、またエレベーターからの出入りに制約されないため、設備スペースを確保しやすい。

請求項４記載の構造架構は、請求項１〜３のいずれかに記載された構造架構において、強軸の耐震壁の壁長と境界梁の梁長との比が１．５以下に設定されてなることを特徴とするものである。

本願発明の構造架構において、層間変形に対する部材角の比αは、概ね幾何学的な関係により決まり、強軸の耐震壁の壁長をＬ_Ｗ、境界梁の梁長をＬ_ｂとした場合、その比αは、α＝１＋Ｌ_Ｗ／Ｌ_ｂとなる。ここで、層間変形角の制限値を１／１００とした場合には、境界梁の部材角は１／(１００／α)となる。また境界梁の部材角は、例えばＲＣ構造の場合、変形能力上許容できる値は１／５０〜１／４０である。

層間変形角１／１００で境界梁の部材角を１／４０以内におさめるためには、αは１．５となる。このため、上記αを１．５以下とすることは、構造架構の構成上有意義なことである。

これを本願発明に対応させると、弱軸の耐震壁は曲げを殆ど負担せず、軸剛性のみを発揮することにより、強軸の耐震壁の両側に配置された境界梁の他端(弱軸の耐震壁側の端部)をモーメントの反曲点とすることができるため、境界梁の実長さの２倍を梁の有効長さとすることができる。そのため、例えば図２(ｂ)に図示するような寸法であっても、αを１．５とすることができる。

請求項５記載の構造架構は、請求項１〜４のいずれかに記載された構造架構において、境界梁のせん断スパン比が１．５以上に設定されてなることを特徴するものである。

境界梁のせん断スパン比βは、β＝Ｌ_ｂ／Ｄ＝Ｍ／Ｑ・Ｄであり、逆対称曲げの場合は、β＝Ｌ_ｂ／２・Ｄとなるが、本願発明の場合、境界梁のせん断スパン比βは、β＝２Ｌ_ｂ／２・Ｄ＝Ｌ_ｂ／Ｄとなる。

せん断スパン比βは、梁の曲げによる変形能力を確保するために重要であり、この値が小さいとせん断破壊しやすくなるが、本願発明においては、このせん断スパン比βを大きく確保することができる。

なお、境界梁の配筋に際して強軸の耐震壁側端部を多く、弱軸の耐震壁側端部を可能な限り少なくすることによっても、境界梁のせん断スパン比βを大きくすることができる。

この場合の配筋方法としては、例えば図６(ａ)，(ｂ)，(ｃ)にそれぞれ図示するように弱軸の耐震壁側の端部に二段筋を配筋しない方法、弱軸の耐震壁側の端部に配筋された主筋の定着長さを低減する方法、さらに境界梁に配筋された上下主筋を弱軸の耐震壁側の端部で絞る方法などがある。

境界梁の主筋がこのように配筋されていることで、例えば図５(ａ)に図示するように境界梁の曲げモーメントは強軸の耐震壁側端部で大きく、弱軸の耐震壁側端部では０か、もしくは０に近い値となる。したがって、Ｍ＝Ｌ_ｂ・Ｑであることから、せん断スパン比βは、β＝Ｍ／Ｑ・Ｄ＝Ｌ_ｂ・Ｑ／Ｑ・Ｄ＝Ｌ_ｂ／Ｄとなる。

これに対して、図５(ｂ)に図示するような両端で同様の曲げモーメントを負担する境界梁の場合、Ｍ＝Ｌ_ｂ・Ｑ／２となるため、β＝Ｍ／Ｑ・Ｄ＝Ｌ_ｂ・Ｑ／２・Ｑ・Ｄ＝Ｌ_ｂ／２・Ｄとなる。

以上のことから、本願発明では、通常の場合と比較してせん断スパン比βを大きくとることができるため、梁の曲げ変形能力が確保しやすくなる。なお、この特徴は境界梁が弱軸の耐震壁側端部でいくらかの曲げモーメントを負担する場合でも同様である。

本願発明は、特に強軸の耐震壁の両側に境界梁が配置されていることで、強軸の耐震壁の片側にのみ境界梁が配置された従来の構造架構に比べて梁の曲げ戻し効果を倍確保することができるため、耐震壁の曲げ剛性と境界梁による曲げ戻し効果を十分に確保し、構造物全体の曲げ剛性を大幅に高めることができるため、耐震性の非常に高い建物を提供することができる。また、コア部の建築設計上の自由度を損なうこともない。

また、耐震壁と境界梁とを組み合わせた架構として、境界梁の梁成、せん断スパン比、および梁の部材角などの構造性能を高めることができる。

図１は事務所ビルの基準階を示し、中央に共用施設としてエレベーター１、エレベーターホール２および廊下３がそれぞれ配置され、その周囲に執務室４が配置されている。エレベーター１とエレベーターホール２は複数、Ｙ軸方向に並列に配置され、これら共用施設の両側と下側の周囲を取り巻くように廊下３がＵ字状に連続して配置されている。

また、図２(ａ)，(ｂ)は、上記事務所ビルの共用施設に適用された本願発明の構造架構を示し、エレベーター１と１との間、エレベーターホール２と執務室４との間およびエレベーター１と執務室４との間にそれぞれ配置された仕切り壁５ａ，５ｂ，５ｃは、Ｘ軸方向に作用する外力Ｐ_１に対する強軸の耐震壁(以下「耐震壁５ａ，５ｂ，５ｃ」という)として構築されている。

また、各エレベーター１およびエレベーターホール２と廊下３との間にそれぞれ配置された仕切り壁６ａ，６ｂは外力Ｐ_１に対する弱軸の耐震壁(以下「耐震壁６ａ，６ｂ」という)として構築されている。

各耐震壁５ａ，５ｂ，５ｃとその両側の耐震壁６ａ，６ｂとの間に境界梁７がそれぞれ配置され、また各耐震壁６ａと６ｂとの間および各耐震壁６ａと６ａとの間に境界梁８がそれぞれ配置されている。さらに、執務室４の周囲に柱９が所定間隔おきに配置され、各柱９と９との間に大梁１０が架け渡されている。

これら耐震壁５ａ，５ｂ，５ｃと耐震壁６ａ，６ｂ、さらに柱９はいずれも、一般に最下階から最上階まで連続して配置され、境界梁７と８、大梁１０はいずれも各階の床部分に配置されている。なお、境界梁７は各階の床部分に限らず配置が可能である。

このような構成において、Ｘ軸方向に作用する外力Ｐ_１に対し、強軸の各耐震壁５ａ，５ｂ，５ｃは、各耐震壁の曲げ剛性と各耐震壁の両側に配置された境界梁７による曲げ戻し効果を十分に確保するため、架構全体の曲げ剛性が高められる。

なお、Ｙ軸方向に作用する外力Ｐ_２に対しては、エレベーター１とエレベーターホール２の両側に配置された耐震壁６ａ，６ｂが強軸の耐震壁として働き、各耐震壁５ａ，５ｂ，５ｃが弱軸の耐震壁として働く。

図３(ａ)，(ｂ)は、本願発明の変形例を示し、図３(ａ)の場合、強軸の耐震壁５ａ，５ｂ，５ｃと弱軸の耐震壁６ａ，６ｂとの間に廊下３が配置されている。その結果、境界梁７と廊下３を同じ位置に配置することで、共用施設の周囲に配置された執務室４の床面積を狭めることなく、強軸の耐震壁５ａ，５ｂ，５ｃを可能な限り長く配置することができる。

また、図３(ｂ)の場合、弱軸の耐震壁６ａと６ｂは設備スペース１１に配置されている。弱軸の耐震壁６ａ，６ｂがこのような位置に配置されていることで、これと請求項２記載の実施形態を合わせることにより有効な転倒スパンを容易に確保することができるため、平面計画を阻害することなく、曲げ特性を向上させることができる。

また、執務室４に入ることなく、廊下３から設備室内の点検等を行うことが可能になり、また各エレベーター１からの出入りに制約されないため、設備スペース１１の空間を確保しやすい。

図４(ａ)，(ｂ)は、同じく本願発明の変形例を示し、強軸の耐震壁５がそれぞれＣ型と十字型に配置されており、平面計画に合わせて自由に選択することができる。

本願発明は、耐震壁の曲げ剛性と境界梁による曲げ戻し効果を十分に確保し、構造物全体の曲げ剛性を大幅に高めることにより、耐震性の非常に高い建物を提供することができる。

本願発明の構造架構が適用された事務所ビルの基準階の平面図である。本願発明の構造架構を示し、(ａ)はその一部縦断面図、(ｂ)はその横断面図である。 (ａ)，(ｂ)は、本願発明の構造架構が適用された事務所ビルの基準階の平面図である。 (ａ)，(ｂ)は本願発明の構造架構を示す横断面図である。 (ａ)，(ｂ)は境界梁の応力図である。 (ａ)，(ｂ) ，(ｃ)は境界梁端部の配筋方法を示す一部縦断面図である。従来の構造架構が適用された事務所ビルを示し、(ａ)は基準階の平面図、(ｂ)はその一部縦断面図、(ｃ)はその横断面図である。

符号の説明

１エレベーター
２エレベーターホール
３廊下
４執務室
５耐震壁
５ａ耐震壁(仕切り壁)
５ｂ耐震壁(仕切り壁)
５ｃ耐震壁(仕切り壁)
６耐震壁
６ａ耐震壁(仕切り壁)
６ｂ耐震壁(仕切り壁)
７境界梁
８境界梁
９柱
１０大梁
１１設備スペース

Claims

外力に対して強軸の耐震壁と、前記外力に対して弱軸の耐震壁と、前記強軸の耐震壁と前記弱軸の耐震壁との間に配置された境界梁とから構成され、前記強軸の耐震壁は前記外力の作用方向と平行に配置され、前記境界梁は前記強軸の耐震壁の両側に前記外力の作用方向と平行に配置され、かつ前記弱軸の耐震壁は前記境界梁の先端に前記外力の作用方向と直交する方向に配置されてなることを特徴とする構造架構。
強軸の耐震壁と弱軸の耐震壁との間に廊下が配置されてなることを特徴とする請求項１記載の構造架構。
弱軸の耐震壁は設備スペースに配置されてなることを特徴とする請求項１または２記載の構造架構。
強軸の耐震壁の壁長と境界梁の梁長との比が１．５以下に設定されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された構造架構。
境界梁のせん断スパン比が１．５以上に設定されてなることを特徴する請求項１〜４のいずれかに記載された構造架構。