JP4464307B2 - 軽量鉄骨住宅の制震構造 - Google Patents

Description

本発明は、地震により発生する振動の減衰を図るために軽量鉄骨住宅に採用される制震構造に関するものである。

軽量鉄骨住宅の制震構造として、柱材と横架材とから構成される枠組フレームを上下の梁の間に付設し、その枠組フレームの内外に粘弾性ダンパーやオイルダンパー等の制震装置を設けることにより、地震によるエネルギーを粘性減衰エネルギーとして吸収して制震効果を得るものが知られている。具体的には、枠組フレームと梁との間に粘弾性ダンパーを設置した制震構造（特許文献１）や、枠組フレームを上下に分けて構成し、それらの２つの枠組フレームの間に粘弾性ダンパーを設置した制震構造（特許文献２）、枠組フレームの内部を上下に二分割するように補強材を水平に架設し、その補強材の上下において、二つのオイルダンパーを互い違いの傾斜状に設置したＫブレース型の制震構造（特許文献３）が知られている。

特開２００１−９０３８１号公報 特開２００１−９０３７９号公報 特開２００４−２１８２０７号公報

しかしながら、上記従来の制震構造における枠組フレームでは、粘弾性ダンパーを除いた枠組フレームの取付剛性（枠組フレーム全体の取付剛性）と粘弾性ダンパーの貯蔵剛性（硬さ）とのバランスが悪いと、粘弾性ダンパーが変位する前に枠組フレーム自体や粘弾性ダンパーの取り付け部分が変形してしまい、十分な減衰性能が得られない、という事態が発生する。

本発明の目的は、上記従来の軽量鉄骨住宅の制震構造が有する問題点を解消し、粘弾性ダンパーが十分な減衰特性を発揮し、地震による振動エネルギーを効率的に熱エネルギーに変換し、建物の変形を軽減することが可能な軽量鉄骨住宅の制震構造を提供することにある。

かかる本発明の内、請求項１に記載された発明の構成は、左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、前記枠組フレームの内部が上下に少なくとも１個以上のｎ個の領域に分割されており、それらの各領域においては、左右一対の支持フレームが、それぞれ、左右の柱材の内側に、柱材と横架材あるいは枠組フレーム内部を分割する中桟との仕口に連結され、かつ、同側の柱材と横架材あるいは前記中桟との仕口に連結された状態で、互いに平行となるように鉛直に設置されているとともに、前記各領域における左右一対の支持フレームの間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる粘弾性ダンパーが取り付けられており、層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、前記ｎ個に分割された第一〜第ｎの各領域において、下式ａ〜ｃを満たすことにある。
２０／ｎｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ≦１００／ｎｋＮ／ｃｍ ・・ａ
１．５≦Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１，Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ／Ｋ’ｄｓ≦１０ ・・ｂ
ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・，ｔａｎδｎ≧０．６ ・・ｃ
（但し、Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの各取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２，・・・Ｋ’ｄｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・ｔａｎδｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの損失係数である）

請求項２に記載された発明の構成は、左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、前記枠組フレームの内部が中桟によって上下に二分割されており、その中桟の上下においては、左右一対の支持フレームが、それぞれ、左右の柱材の内側に、柱材と横架材との仕口に連結され、かつ、同側の柱材と中桟との仕口に連結された状態で、互いに平行となるように鉛直に設置されているとともに、前記中桟の上側に設けられた左右一対の支持フレームの間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる第一粘弾性ダンパーが取り付けられており、かつ、前記中桟の下側に設けられた左右一対の支持フレームの間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる第二粘弾性ダンパーが取り付けられており、層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、下式１〜６を満たすことにある。
１０ｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１≦５０ｋＮ／ｃｍ ・・１
１０ｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ２≦５０ｋＮ／ｃｍ ・・２
１．５≦Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１≦１０ ・・３
１．５≦Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２≦１０ ・・４
ｔａｎδ１≧０．６ ・・５
ｔａｎδ２≧０．６ ・・６
（但し、Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２は、それぞれ、第一粘弾性ダンパーの取付部分の取付剛性、第二粘弾性ダンパーの取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２は、それぞれ、第一粘弾性ダンパーの貯蔵剛性、第二粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１，ｔａｎδ２は、それぞれ、第一粘弾性ダンパーの損失係数、第二粘弾性ダンパーの損失係数である）

本発明の如く、内部が上下に少なくとも１個以上ｎ個の領域に分割されており、各領域に、それぞれ第一〜第ｎ粘弾性ダンパーが取り付けられた枠組フレームにおいては、水平方向のみを考慮すると、枠組フレーム全体の特性を、図１（ａ）の如き並列水平換算バネとしてモデル化することができる。

たとえば、内部を上下二つの領域に分割して、上側の領域に第一粘弾性ダンパーを取り付け、下側の領域に第二粘弾性ダンパーを取り付けた枠組フレーム（以下、二分割タイプの枠組フレームという）においては、水平方向のみを考慮すると、枠組フレーム全体の特性を、図１（ｂ）の如き並列水平換算バネとしてモデル化することができる。なお、図１において、Ｍ１のバネは、枠組フレームの第一粘弾性ダンパーの取付部分を弾性要素として示したものであり、Ｍ２のバネおよびダッシュポットは、第一粘弾性ダンパーを粘弾性要素として示したものである。また、Ｍ３のバネは、枠組フレームの第二粘弾性ダンパーの取付部分を弾性要素として示したものであり、Ｍ４のバネおよびダッシュポットは、第二粘弾性ダンパーを粘弾性要素として示したものである。

したがって、枠組フレームに粘弾性ダンパーの代わりに剛体（きわめて剛性の高い鋼材等）を取り付けて測定した場合の取付強度を、枠組フレーム全体の取付剛性Ｋｂｓ（ｓは水平成分を示す）の近似値とすることができ、その取付剛性Ｋｂｓから下式８，９を利用して、各粘弾性ダンパーの取付部分の取付剛性Ｋｂｓ１〜Ｋｂｓｎを求めることができる。
Ｋｂｓ＝Ｋｂｓ１／ｎ＋Ｋｂｓ２／ｎ＋・・・＋Ｋｂｓｎ／ｎ ・・８
Ｋｂｓ１＝Ｋｂｓ２＝・・・＝Ｋｂｓｎ ・・９

本発明の制震構造においては、層間変形量が１／２００ｒａｄ以上である場合に、上記の如く枠組フレームに剛体を取り付けて求められる取付剛性Ｋｂｓ１〜Ｋｂｓｎが、いずれも、２０／ｎｋＮ／ｃｍ以上１００／ｎｋＮ／ｃｍ以下となるように調整されることが必要である（なお、ｎは、枠組フレームの上下方向の分割数である）。たとえば、二分割タイプの枠組フレームにおいては、層間変形量が１／２００ｒａｄ以上である場合に、枠組フレームに剛体を取り付けて求められる取付剛性Ｋｂｓ１および取付剛性Ｋｂｓ２が、いずれも、４０ｋＮ／ｃｍ以上２００ｋＮ／ｃｍ以下となるように調整されることが必要である。なお、層間変形角とは、各層の層間変位をその階の高さで除した値のことである。Ｋｂｓ１〜Ｋｂｓｎが、２０／ｎｋＮ／ｃｍ未満となると、地震によって振動した場合に、枠組フレーム自体が変形してしまい、第一粘弾性ダンパー、第二粘弾性ダンパーが十分な減衰特性を発揮できなくなる。なお、Ｋｂｓ１〜Ｋｂｓｎを増加させる方法としては、柱材や横架材の断面剛性を高める方法等を挙げることができる、反対に、Ｋｂｓ１〜Ｋｂｓｎが１００／ｎｋＮ／ｃｍを上回るような設計では、枠組フレームを構成する鋼材の重量が大きくなりすぎて、軽量鉄骨住宅の施工に適用することが難しくなる。

また、本発明の制震構造においては、上記の如く求められる各粘弾性ダンパーの取付剛性Ｋｂｓと貯蔵剛性Ｋ’ｄｓとの比の値（すなわち、Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１，Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２，・・・Ｋｂｓｎ／Ｋ’ｄｓｎ）が、いずれも、１．５以上１０以下であることが必要である。Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１，Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２，・・・Ｋｂｓｎ／Ｋ’ｄｓｎが１．５未満であると、ある程度の耐力は発揮されるものの、減衰性能が損なわれてしまう。反対に、Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１，Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２，・・・Ｋｂｓｎ／Ｋ’ｄｓｎが１０を上回ると、地震によって振動した場合に、各粘弾性ダンパーが十分に変形して減衰特性を発揮するものの、耐力が損なわれてしまう。

さらに、本発明の制震構造においては、各粘弾性ダンパーの損失係数ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・ｔａｎδｎの値が、いずれも０．６以上であることが必要である。ｔａｎδ１〜ｔａｎδｎが０．６未満となると、十分な減衰特性が得られなくなる。なお、本発明における粘弾性ダンパーの貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ、損失係数ｔａｎδは、一般的な住宅の固有振動数（約１〜７Ｈｚ）の領域において常温下で測定されるものである。

請求項３に記載された発明の構成は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、各支持フレームは、トラス構造を利用して柱材あるいは横架材に設置されたものであることにある。

請求項４に記載された発明の構成は、左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、前記枠組フレームの内部が上下に少なくとも１個以上のｎ個の領域に分割されており、それらの各領域においては、片側の柱材の内側に、支持フレームが、反対側の柱材と横架材あるいは枠組フレーム内部を分割する中桟との２つの仕口に連結された状態で、前記片側の柱材と平行となるように鉛直に設置されているとともに、前記各領域における支持フレームと前記片側の柱材との間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる粘弾性ダンパーが取り付けられており、層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、前記ｎ個に分割された第一〜第ｎの各領域において、下式ａ〜ｃを満たすことにある。
２０／ｎｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ≦１００／ｎｋＮ／ｃｍ ・・ａ
１．５≦Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１，Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ／Ｋ’ｄｓ≦１０ ・・ｂ
ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・，ｔａｎδｎ≧０．６ ・・ｃ
（但し、Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの各取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２，・・・Ｋ’ｄｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・ｔａｎδｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの損失係数である）

請求項５に記載された発明の構成は、左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、片側の柱材の内側に、支持フレームが、反対側の柱材と上下の横架材との２つの仕口に連結された状態で、前記片側の柱材と平行となるように鉛直に設置されているとともに、その支持フレームと前記片側の柱材との間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる粘弾性ダンパーが取り付けられており、層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、下式ｄ〜ｆを満たすことにある。
２０ｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１≦１００ｋＮ／ｃｍ ・・ｄ
１．５＜Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１＜１０ ・・ｅ
ｔａｎδ１≧０．６ ・・ｆ
（但し、Ｋｂｓ１は、粘弾性ダンパーの取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１は、粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１は、粘弾性ダンパーの損失係数である）

請求項６に記載された発明の構成は、請求項１〜５のいずれかに記載された発明において、層間変位角が１／１００ｒａｄ以上である場合に、下式７を満たすことにある。
Ｆｄｓｍａｘ＜Ｆｓ ・・７
（但し、Ｆｄｓｍａｘは、枠組フレームに発生する最大水平耐力であり、Ｆｓは、枠組フレームの許容水平耐力である）

なお、Ｆｄｓｍａｘは、図２の各粘弾性ダンパー単体の軸方向に作用する反力（各粘弾性ダンパー単体の剪断変形試験によって測定されるもの）を、それぞれＦｄｊとした場合に、下式１０によって与えられるものであり、許容水平耐力Ｆｓとは、構造物を弾性体と仮定して部材に応じる応力度の最大値が許容応力度（すなわち、構造物の外力に対する安全性を確保するために定められる部材に許容できる応力度の限界）に達するときに作用し得る荷重のことである。
Ｆｄｓｍａｘ＝Ｆｄｊ×（ｂ／ｎ）／ａ ・・１０
（但し、図２の模式図に示すように、ａは、枠組フレームの幅であり、ｂは、枠組フレームの高さである）

また、請求項６の如く構成する場合には、層間変形角が１／１００ｒａｄである場合にも、上式１〜６を満たすように構成するのが好ましい。

本発明に係る軽量鉄骨住宅の制震構造は、各粘弾性ダンパーが適度な粘弾性を有しており、かつ、粘弾性ダンパーを除いた枠組フレーム全体が適度な剛性を有しているため、地震によって外力が加わった場合に、各粘弾性ダンパーが適度に変形して、十分な減衰性能が発揮される。したがって、地震による振動エネルギーが効率的に熱エネルギーに変換されるため、建物の変形を大きく軽減することができる。さらに、枠組フレームの大きさや形状に合わせて、粘弾性特性を容易に調整することができる。また、請求項３の如く、トラス構造を利用して支持フレームを柱材あるいは横架材に設置した場合には、支持フレームと柱材あるいは横架材との接続強度が高くなるため、地震の際の振動エネルギーをロスなく第一粘弾性ダンパーおよび第二粘弾性ダンパーに伝えて、効率的に熱エネルギーに変換することが可能となる。さらに、請求項５の如く、枠組フレームに発生する最大水平耐力が枠組フレームの許容水平耐力を下回るように調整することにより、許容耐力内で大きな減衰を発生させることができる。また、過度な荷重の発生による躯体構造の損傷を防止することができる。すなわち、枠組フレームに発生する最大水平耐力が許容水平耐力を超えてしまうと、アンカーボルトが脱落したり、基礎が破壊されたり、躯体が損傷したりするが、請求項５の如く構成することにより、そのような事態の発生が防止される。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図３は、実施例１の枠組フレームを示す正面図である。枠組フレーム１は、軽量の形鋼を用いた鉄骨系プレハブ構造に採用されるものであり、所定の間隔をおいて配設される一対の柱材２，２と、それらの柱材２，２の上下の端同士をそれぞれ接続する横架材（上桟、下桟）３，３とによって、高さが約２７００ｍｍで幅が約１０００ｍｍの縦長の長方形状に組み付けられている。なお、各横架材３，３は、Ｃ型鋼によって形成されたものであり、各柱材２，２は、横架材３と同じＣ形鋼を幅方向に接合することによって形成されたものである。また、各横架材３，３と各柱材２，２とは、溶接によって接合されている。加えて、各横架材３，３は、溶接によって梁９と接合されている。なお、枠組フレーム１は、設計上、許容水平耐力Ｆｓが３０ｋＮとなっている。

また、柱材２，２の間には、それらの柱材２ ，２を中間部位同士で接続する中桟４が架設されており、その中桟４によって上下二つの領域Ｒ１，Ｒ２に分割されている。そして、それらの各領域Ｒ１，Ｒ２においては、鉛直な棒状の２つの支持フレーム１２，１２が、それぞれ、長短二種類の４個の補助材１１ａ，１１ｂ・・によって、左右の柱材２，２の内側に取り付けられている。

すなわち、各領域Ｒ１，Ｒ２においては、柱材２，２と上下の横架材３との仕口部分と支持フレーム１２，１２の上下の端縁際との間、および、柱材２，２と中桟４との仕口部分と支持フレーム１２，１２の上下の端縁際との間が、長尺な補助材１１ａ，１１ａ・・によって傾斜状に連結されており、柱材２，２の中央部分（横架材３と中桟４との中間部分）と支持フレーム１２，１２の上下の端縁際との間が、短尺な補助材１１ｂ，１１ｂ・・によって傾斜状に連結されている。そして、各支持フレーム１２，１２・・と柱材２，２とを連結した４つの補助材１１ａ，１１ｂ・・が、上下対称なトラス構造を形成した状態になっている。かかるトラス構造によって、２つの支持フレーム１２，１２は、同じ高さに位置し、左右の柱材２，２と平行で、かつ、互いに平行となるように配置された状態になっている。なお、各柱材２，２と各補助材１１ａ，１１ｂ・・、および、各補助材１１ａ，１１ｂ・・と各支持フレーム１２，１２・・は、それぞれ、溶接によって接合されている。さらに、各領域Ｒ１，Ｒ２においては、一対の支持フレーム１２，１２の内側に、それぞれ、水平断面がＴ字状のダンパー設置部材１３，１３が溶接されており、それらのダンパー設置部材１３，１３を利用して、第一粘弾性ダンパー５ａ、第二粘弾性ダンパー５ｂが取り付けられている。なお、第一粘弾性ダンパー５ａと第二粘弾性ダンパー５ｂ５とは同一の構造を有するものである。

図４は、第一粘弾性ダンパー５ａ（第二粘弾性ダンパー５ｂ）を示したものである。第一粘弾性ダンパー５ａ（第二粘弾性ダンパー５ｂ）は、金属製で矩形状の芯プレート６と、その芯プレート６を挟むように配置される金属製で矩形の一対の外プレート７，７と、芯プレート６と外プレート７，７との間に介在される一対の粘弾性体８とによって構成されており、芯プレート６を中心として表裏対称な構造になっている（図４（ｂ）参照）。そして、各粘弾性体８，８は、表裏両面が芯プレート６と外プレート７，７との対向面に接着されている。

かかる第一粘弾性ダンパー５ａ（第二粘弾性ダンパー５ｂ）は、芯プレート６の外端縁際に穿設されたネジ孔（図示せず）、および、外プレート７，７の外端縁際に穿設されたネジ孔（図示せず）を利用して一対のダンパー設置部材１３，１３の間に螺着されている。そして、支持フレーム１２，１２に相対的な変位が発生した場合に（すなわち、支持フレーム１２，１２が近接したり、離反したり、互いに上下にずれたりした場合等に）、粘弾性体８が剪断変形することによって、減衰性能を発揮するようになっている。

枠組フレーム１においては、水平方向のみを考慮した場合、上記の如く、粘弾性特性を図１のような直列水平換算バネとしてモデル化でき、第一粘弾性ダンパー５ａおよび第二粘弾性ダンパー５ｂの代わりに剛体を取り付けて測定した場合の取付強度を、枠組フレーム１全体の取付強度Ｋｂｓとして近似させることができる。また、枠組フレーム１においては、各領域Ｒ１，Ｒ２の構造が中桟４を軸として上下対称であるため、粘弾性ダンパー５ａの取付剛性Ｋｂｓ１と、粘弾性ダンパー５ｂの取付剛性Ｋｂｓ２との間に、上式８，９が成立する。

そのため、上下の領域Ｒ１，Ｒ２における支持フレーム１２，１２に溶接されたダンパー設置部材１３，１３の間に、第一粘弾性ダンパー５ａ、第二粘弾性ダンパー５ｂの代わりに、略同一形状の剛体（金属板）を取り付け、その状態で、層間変形角が１／２００ｒａｄとなるように枠組フレーム１を水平変形させて（図３の矢印方向）、荷重−変形の関係から枠組フレーム１の取付剛性Ｋｂｓを算出し、上式８，９を用いて、粘弾性ダンパー５ａの取付部分の取付剛性Ｋｂｓ１および粘弾性ダンパー５ｂの取付部分の取付剛性Ｋｂｓ２を算出した。算出された枠組フレーム１の取付剛性Ｋｂｓの値は、３７．２ｋＮ／ｃｍであった。取付剛性Ｋｂｓ１、取付剛性Ｋｂｓ２の算出結果を表１に示す。また、層間変形角が１／１００ｒａｄとなるように枠組フレーム１を水平変形させた場合の取付剛性Ｋｂｓ１、取付剛性Ｋｂｓ２の算出結果を表２に示す。

一方、第一粘弾性ダンパー５ａの貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１、第二粘弾性ダンパー５ｂの貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ２は、それぞれ、下式１１により算出される。
Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２＝Ｇ×Ｓ／ｄ ・・１１
なお、上式１１において、Ｇは剪断弾性係数であり、Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２の算出にあたっては、粘弾性体の特性から剪断弾性係数Ｇを０．１８Ｎ／ｍｍ^２ とした。また、Ｓは、第一粘弾性ダンパー５ａ、第二粘弾性ダンパー５ｂの各粘弾性体８の面積であり、ｄは、各粘弾性体８の厚み（粘弾性体８単体の厚み）である。

それゆえ、貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２が、それぞれ、表１に示す数値となるように、第一粘弾性ダンパー５ａ、第二粘弾性ダンパー５ｂの粘弾性体８の面積Ｓ、厚みｄを調整した（すなわち、貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２が表１に示す数値となるように第一粘弾性ダンパー５ａ、第二粘弾性ダンパー５ｂを設計した）。

また、第一粘弾性ダンパー５ａの損失係数ｔａｎδ１、第二粘弾性ダンパー５ｂの損失係数ｔａｎδ２を測定した。なお、かかる損失係数ｔａｎδ１，ｔａｎδ２の測定は、動的加振機（（株）鷺宮製作所製）を用いて、２０℃の雰囲気下で、２Ｈｚの正弦波を利用して２００％の剪断歪を加えた場合の変形−荷重を挙動を調べることによって行った。損失係数ｔａｎδ１，ｔａｎδ２の測定結果を表１に示す。

上記の如く、枠組フレーム１の取付剛性Ｋｂｓ、取付剛性Ｋｂｓ１、取付剛性Ｋｂｓ２を求めた後に、上下の領域Ｒ１，Ｒ２における支持フレーム１２，１２に溶接されたダンパー設置部材１３，１３の間から剛体を取り外し、上記した第一粘弾性ダンパー５ａ、第二粘弾性ダンパー５ｂを取り付けた。第一粘弾性ダンパー５ａ第二粘弾性ダンパー５ｂを取り付けた枠組フレーム１においては、貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１および取付剛性Ｋｂｓ１を考慮すると、Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１の値は、３．６１に調整されていることになり、貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ２および取付剛性Ｋｂｓ２を考慮すると、Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２の値は、３．６７に調整されていることになる（表１参照）。

そして、第一粘弾性ダンパー５ａ、第二粘弾性ダンパー５ｂを取り付けた枠組フレーム１において、大型の動的加振機を用いて、層間変形角が１／２００ｒａｄとなるように枠組フレーム１を水平方向に変形させ、変形−荷重の関係から、全体系の貯蔵剛性Ｋ’ａｓ、損失剛性Ｋ”ａｓ、損失係数ｔａｎδａを測定し、減衰特性の指標となる水平成分のｔａｎδａ／ｔａｎδ１およびｔａｎδａ／ｔａｎδ２を算出した。算出結果を表１に示す。また、層間変形角が１／１００ｒａｄとなるように枠組フレーム１を水平方向に変形させた場合のｔａｎδａ／ｔａｎδ１およびｔａｎδａ／ｔａｎδ２を表２に示す。

また、層間変形角１／２００ｒａｄおよび１／１００ｒａｄの変形時に枠組フレーム１に発生する最大水平耐力Ｆｄｓｍａｘを上式１０に基づいて算出した。算出されたＦｄｓｍａｘを表１、表２に示す。

表１より、枠組フレーム１は、第一粘弾性ダンパー取付部分の取付剛性Ｋｂｓ１、枠組フレーム１の第二粘弾性ダンパー取付部分の取付剛性Ｋｂｓ２、第一粘弾性ダンパーの貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１、損失係数ｔａｎδ１、第二粘弾性ダンパーの貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ２、損失係数ｔａｎδ２が、本発明の条件を満たすように調整されているため、減衰特性の指標となる水平成分のｔａｎδａ／ｔａｎδ１，ｔａｎδａ／ｔａｎδ２がいずれも５０％以上となり、良好な減衰特性を発現し得ることが分かる。また、表１、表２より、枠組フレーム１に発生する最大水平耐力Ｆｄｓｍａｘは、枠組フレーム１の許容水平耐力Ｆｓ（３０ｋＮ）に比べて十分に小さくなっていることが分かる。

図５は、実施例２の枠組フレームを示す正面図であり、図６は、実施例２の枠組フレームを並列水平換算バネとしてモデル化して示す説明図であり、図７は、実施例２の枠組フレームを示す模式図である。実施例２の枠組フレーム２１は、実施例１の枠組フレーム１と同様に、所定の間隔をおいて配設される一対の柱材２，２と、それらの柱材２，２の上下の端同士をそれぞれ接続する横架材（上桟、下桟）３，３とによって、高さが約２７００ｍｍで幅が約１０００ｍｍの縦長の長方形状に組み付けられている。加えて、実施例１の枠組フレーム１と同様に、設計上、許容水平耐力Ｆｓが３０ｋＮとなっている。

また、左側の柱材２の中央部分の内側には、粘弾性ダンパーを固定させるためのダンパー設置部材１７が設けられている。また、そのダンパー設置部材１７の内側には、補助材３１，３１および補助材３２によって、鉛直な棒状の支持フレーム１２が、左側の柱材２の内側のダンパー設置部材１７と平行になるように設けられている。すなわち、右側の柱材２と上下の横架材３，３との２つの仕口部分と支持フレーム１２の上下の端縁際との間が、補助材３１，３１によって傾斜状に連結されており、右側の柱材２の中央部分と支持フレーム１２の中央部分との間が、補助材３２によって連結されている。そして、支持フレーム１２と右側の柱材２とを連結した３つの補助材３１，３１および補助材３２が、トラス構造を形成した状態になっている。なお、右側の柱材２と補助材３１，３１、補助材３２、および、補助材３１，３１、補助材３２と支持フレーム１２は、それぞれ、溶接によって接合されている。さらに、支持フレーム１２の内側には、粘弾性ダンパーを固定させるためのダンパー設置部材１８が溶接されており、その支持フレーム１２の内側のダンパー設置部材１８と左側の柱材２の内側のダンパー設置部材１７とを利用して、粘弾性ダンパーが取り付けられている。

図８は、実施例２の粘弾性ダンパーを示したものである。粘弾性ダンパー１５は、実施例１の第一粘弾性ダンパー５ａ，第二粘弾性ダンパー５ｂと同様の構造を有しているが、幅が実施例１の第一粘弾性ダンパー５ａ，第二粘弾性ダンパー５ｂの略１／２になっている。そして、かかる粘弾性ダンパー１５は、芯プレート６の外端縁際に穿設されたネジ孔（図示せず）、および、外プレート７，７の外端縁際に穿設されたネジ孔（図示せず）を利用してダンパー設置部材１７，１８の間に螺着されている。そして、左側の柱材２と支持フレーム１２との間に相対的な変位が発生した場合に（すなわち、左側の柱材２と支持フレーム１２とが近接したり、離反したり、互いに上下にずれたりした場合等に）、粘弾性体８が剪断変形することによって、減衰性能を発揮するようになっている。

枠組フレーム２１においては、水平方向のみを考慮した場合、粘弾性特性を図６のような並列水平換算バネとしてモデル化でき、粘弾性ダンパー１５の代わりに剛体を取り付けて測定した場合の取付強度を、枠組フレーム２１全体の取付強度Ｋｂｓとして近似させることができ、その取付強度Ｋｂｓを粘弾性ダンパー１５の取付剛性Ｋｂｓ１として近似させることができる。そのため、ダンパー設置部材１７，１８の間に、粘弾性ダンパー１５の代わりに、略同一形状の剛体（金属板）を取り付け、その状態で、層間変形角が１／２００ｒａｄとなるように枠組フレーム２１を水平変形させて（図５の矢印方向）、加えた応力と変形量との関係から枠組フレーム２１の取付剛性Ｋｂｓを算出し、粘弾性ダンパー１５の取付部分の取付剛性Ｋｂｓ１として近似させた。算出された枠組フレーム２１の取付剛性Ｋｂｓの値は、表１の如く、２９．５ｋＮ／ｃｍであった。また、層間変形角が１／１００ｒａｄとなるように枠組フレーム１を水平変形させた場合の取付剛性Ｋｂｓ１の算出結果を表２に示す。

一方、上式８，９を考慮し、粘弾性ダンパー１５の貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１が、表１に示す数値となるように、粘弾性ダンパー１５の粘弾性体８の面積Ｓ、厚みｄを調整した（すなわち、貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１が表１に示す数値となるように粘弾性ダンパー１５を設計した）。また、粘弾性ダンパー１５の損失係数ｔａｎδ１を実施例１と同様な方法により測定した。損失係数ｔａｎδ１の測定結果を表３に示す。

上記の如く、枠組フレーム２１の取付剛性Ｋｂｓ、取付剛性Ｋｂｓ１を求めた後に、ダンパー設置部材１７，１８の間から剛体を取り外し、上記した粘弾性ダンパー１５を取り付けた。粘弾性ダンパー１５を取り付けた枠組フレーム２１においては、貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１および取付剛性Ｋｂｓ１を考慮すると、Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１の値は、２．３４に調整されていることになる（表３参照）。

そして、粘弾性ダンパー１５を取り付けた枠組フレーム２１において、大型の動的加振機を用いて、層間変形角が１／２００ｒａｄとなるように枠組フレーム２１を水平方向に変形させ、変形−荷重の関係から、全体系の貯蔵剛性Ｋ’ａｓ、損失剛性Ｋ”ａｓ、損失係数ｔａｎδａを測定し、減衰特性の指標となる水平成分のｔａｎδａ／ｔａｎδ１を算出した。算出結果を表３に示す。また、層間変形角が１／１００ｒａｄとなるように枠組フレーム１を水平方向に変形させた場合のｔａｎδａ／ｔａｎδ１を表４に示す。

また、層間変形角１／２００ｒａｄおよび１／１００ｒａｄの変形時に枠組フレーム１に発生する最大水平耐力Ｆｄｓｍａｘを上式１０に基づいて算出した。算出されたＦｄｓｍａｘを表３、表４に示す。

表３より、枠組フレーム２１は、粘弾性ダンパー１５の取付部分の取付剛性Ｋｂｓ１、粘弾性ダンパー１５の貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１、損失係数ｔａｎδ１が、本発明の条件を満たすように調整されているため、減衰特性の指標となる水平成分のｔａｎδａ／ｔａｎδ１が５０％以上となり、良好な減衰特性を発現し得ることが分かる。また、表３、表４より、枠組フレーム２１に発生する最大水平耐力Ｆｄｓｍａｘは、枠組フレーム２１の許容水平耐力Ｆｓ（３０ｋＮ）に比べて十分に小さくなっていることが分かる。

なお、本発明の軽量鉄骨住宅の制震構造の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、枠組フレームや粘弾性ダンパー等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

たとえば、本発明においては、粘弾性ダンパーの貯蔵剛性Ｋ’ｄの値を枠組フレームの取付剛性Ｋｂの値に合わせて適宜調整することが可能である。それゆえ、粘弾性ダンパーの特性を、用途に合わせて適宜変更することができる。したがって、ゴム系、アスファルト系、アクリル系、スチレン系等の各種の高分子化合物を粘弾性体として好適に用いることができる。また、粘弾性ダンパーも、上記実施形態の如く芯プレートと一対の外プレートとの間に粘弾性体を介在させたものに限定されず、表裏一対のプレートの間に粘弾性体を介在させただけのもの等に変更することも可能である。

また、左右の柱材に支持フレームを取り付けるための構造は、上記実施形態の如き４本の補助材を利用したトラス構造に限定されず、外側の２本の補助材のみによって支持フレームを取り付けることも可能であるし、外側の２本の補助材の間に、支持フレームと鉛直となるように別の補助材を懸架させることも可能である。

加えて、本発明の制震構造に採用される枠組フレームは、二分割タイプのものとする場合には、上記実施形態の如く中桟の上下に同一の粘弾性ダンパーを取り付けたものに限定されず、構造や特性の異なる粘弾性ダンパーを中桟の上下に取り付けたものに変更することも可能である。かかる場合でも、取付剛性Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，貯蔵剛性Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２，損失係数ｔａｎδ１，ｔａｎδ２が上記所定の関係を満たすように調整されていれば、枠組フレームは十分な減衰性能を発揮することができるものとなる。

本発明の枠組フレームを並列水平換算バネとしてモデル化して示す説明図である。 本発明の枠組フレームを示す模式図である。 実施例１の枠組フレームの正面図である。 （ａ）は第一粘弾性ダンパー（第二粘弾性ダンパー）の正面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。 実施例２の枠組フレームの正面図である。 実施例２の枠組フレームを並列水平換算バネとしてモデル化して示す説明図である。 実施例２の枠組フレームを示す模式図である。 （ａ）は粘弾性ダンパーの正面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１・・枠組フレーム、２・・柱材、３・・横架材、４・・中桟、５ａ・・第一粘弾性ダンパー、５ｂ・・第一粘弾性ダンパー、６・・芯プレート、７・・外プレート、８・・粘弾性体、１２・・支持フレーム、１５・・粘弾性ダンパー。

Claims (6)

1. 左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、
   前記枠組フレームの内部が上下に少なくとも１個以上のｎ個の領域に分割されており、
   それらの各領域においては、左右一対の支持フレームが、それぞれ、左右の柱材の内側に、柱材と横架材あるいは枠組フレーム内部を分割する中桟との仕口に連結され、かつ、同側の柱材と横架材あるいは前記中桟との仕口に連結された状態で、互いに平行となるように鉛直に設置されているとともに、
   前記各領域における左右一対の支持フレームの間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる粘弾性ダンパーが取り付けられており、
   層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、前記ｎ個に分割された第一〜第ｎの各領域において、下式ａ〜ｃを満たすことを特徴とする軽量鉄骨住宅の制震構造。
   ２０／ｎｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ≦１００／ｎｋＮ／ｃｍ ・・ａ
   １．５≦Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１，Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ／Ｋ’ｄｓ≦１０ ・・ｂ
   ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・，ｔａｎδｎ≧０．６ ・・ｃ
   （但し、Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの各取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２，・・・Ｋ’ｄｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・ｔａｎδｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの損失係数である）
2. 左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、
   前記枠組フレームの内部が中桟によって上下に二分割されており、その中桟の上下においては、左右一対の支持フレームが、それぞれ、左右の柱材の内側に、柱材と横架材との仕口に連結され、かつ、同側の柱材と中桟との仕口に連結された状態で、互いに平行となるように鉛直に設置されているとともに、
   前記中桟の上側に設けられた左右一対の支持フレームの間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる第一粘弾性ダンパーが取り付けられており、かつ、
   前記中桟の下側に設けられた左右一対の支持フレームの間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる第二粘弾性ダンパーが取り付けられており、
   層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、下式１〜６を満たすことを特徴とする軽量鉄骨住宅の制震構造。
   １０ｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１≦５０ｋＮ／ｃｍ ・・１
   １０ｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ２≦５０ｋＮ／ｃｍ ・・２
   １．５≦Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１≦１０ ・・３
   １．５≦Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２≦１０ ・・４
   ｔａｎδ１≧０．６ ・・５
   ｔａｎδ２≧０．６ ・・６
   （但し、Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２は、それぞれ、第一粘弾性ダンパーの取付部分の取付剛性、第二粘弾性ダンパーの取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２は、それぞれ、第一粘弾性ダンパーの貯蔵剛性、第二粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１，ｔａｎδ２は、それぞれ、第一粘弾性ダンパーの損失係数、第二粘弾性ダンパーの損失係数である）
3. 各支持フレームは、トラス構造を利用して柱材あるいは横架材に設置されたものであることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の軽量鉄骨住宅の制震構造。
4. 左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、
   前記枠組フレームの内部が上下に少なくとも１個以上のｎ個の領域に分割されており、
   それらの各領域においては、片側の柱材の内側に、支持フレームが、反対側の柱材と横架材あるいは枠組フレーム内部を分割する中桟との２つの仕口に連結された状態で、前記片側の柱材と平行となるように鉛直に設置されているとともに、
   前記各領域における支持フレームと前記片側の柱材との間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる粘弾性ダンパーが取り付けられており、
   層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、前記ｎ個に分割された第一〜第ｎの各領域において、下式ａ〜ｃを満たすことを特徴とする軽量鉄骨住宅の制震構造。
   ２０／ｎｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ≦１００／ｎｋＮ／ｃｍ ・・ａ
   １．５≦Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１，Ｋｂｓ２／Ｋ’ｄｓ２，・・・，Ｋｂｓｎ／Ｋ’ｄｓ≦１０ ・・ｂ
   ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・，ｔａｎδｎ≧０．６ ・・ｃ
   （但し、Ｋｂｓ１，Ｋｂｓ２，・・・，Ｋｂｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの各取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１，Ｋ’ｄｓ２，・・・Ｋ’ｄｓｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１，ｔａｎδ２，・・・ｔａｎδｎは、それぞれ、第一〜第ｎの各領域に取り付けられた粘弾性ダンパーの損失係数である）
5. 左右の柱材と上下の横架材とから構成される枠組フレームに粘弾性ダンパーを設置してなる軽量鉄骨住宅の制震構造であって、
   片側の柱材の内側に、支持フレームが、反対側の柱材と上下の横架材との２つの仕口に連結された状態で、前記片側の柱材と平行となるように鉛直に設置されているとともに、
   その支持フレームと前記片側の柱材との間には、枠組フレーム面に対して平行に対向させたプレート同士の間に粘弾性体を介在させてなる粘弾性ダンパーが取り付けられており、
   層間変位角が１／２００ｒａｄ以上である場合に、下式ｄ〜ｆを満たすことを特徴とする軽量鉄骨住宅の制震構造。
   ２０ｋＮ／ｃｍ≦Ｋｂｓ１≦１００ｋＮ／ｃｍ ・・ｄ
   １．５≦Ｋｂｓ１／Ｋ’ｄｓ１≦１０ ・・ｅ
   ｔａｎδ１≧０．６ ・・ｆ
   （但し、Ｋｂｓ１は、粘弾性ダンパーの取付部分の取付剛性であり、Ｋ’ｄｓ１は、粘弾性ダンパーの貯蔵剛性であり、ｔａｎδ１は、粘弾性ダンパーの損失係数である）
6. 層間変位角が１／１００ｒａｄ以上である場合に、下式７を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の軽量鉄骨住宅の制震構造。
   Ｆｄｓｍａｘ＜Ｆｓ ・・７
   （但し、Ｆｄｓｍａｘは、枠組フレームに発生する最大水平耐力であり、Ｆｓは、枠組フレームの許容水平耐力である）

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