JP4727710B2 - 履歴ダンパおよび木造構造物の壁 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材などの弾塑性材の変形に伴うヒステリシスを活用して地震エネルギを吸収する履歴ダンパおよびその履歴ダンパを使用する木造構造物の壁に関する。

木造構造物に制震性能を付与する構造として、粘弾性ダンパや粘性ダンパを、パネルや柱や梁等の骨組みに組み込んだものがある（特許文献１）。

しかし、粘性ダンパは振幅・振動数・温度によって性能が変化するため、設計時に配慮が必要となる。また、粘弾性ダンパは高分子のため、材料特性の経年変化にも考慮する必要がある。

ダンパの中でも履歴ダンパは、層間変形や層せん断力を低減するのに、粘性系ダンパよりも有効であるとされており、振幅・振動数・温度・経年変化による影響を受けないため、安定した性能が期待できる。

また、木造構造物として合板耐力壁および合板パネル耐力壁などを釘で接合する耐力壁式構造がある。地震時におけるこれら耐力壁の履歴挙動は、せん断力がかかる釘接合部の挙動に支配される。このような耐力壁式構造に制震技術を取り込みつつ、エネルギー吸収能を高めるために、釘の代わりに履歴ダンパを用いることを、まず本発明者は考えた。

また、上記考えに用いる履歴ダンパとして、本発明者は次のものに着目した。即ち、対向するベースプレート間に、板状の振動エネルギ吸収格子を架設し、振動エネルギ吸収格子がスリットを介して並列するくの字状のエネルギ吸収体で構成されたものである（特許文献２）。

そして、本発明者は、次の制震構造の木造構造物を試作した。それは、柱と梁で軸組みを矩形に組み、軸組みの内側にパネルをその全周に亘って間隔をあけて配置し、パネルと軸組みを上述の履歴ダンパに対してビス留めしてあるものである。この試作物に地震時の横方向の力を加える実験を行うと、ビス留め箇所から梁又は土台に割れが生じることがあった。

その原因は、以下の通りである。地震等によって建物に横方向の力が加わると、軸組みがせん断変形することになる。このとき、パネルと軸組みとの間に相対変位が生じ、この相対変位による変形を利用して履歴ダンパがエネルギを吸収する。履歴ダンパに生じる変形は、取付部位によって異なり、柱とパネルとの間の場合には主にせん断変形であり（軸方向の変形も少しある。）、梁又は土台とパネルとの間の場合には主に軸方向の変形、つまり圧縮と引張り変形である（せん断変形も少しある）。履歴ダンパは、この軸方向の変形が不十分であったため、地震エネルギを吸収しきれず、梁又は土台が割れたのである。つまり、従来の履歴ダンパは、せん断方向に対する耐力に比べて、引張方向の耐力が大きすぎたのである。履歴ダンパがエネルギ吸収体の板幅をくの字のどの箇所においても均一にしていることに、原因があると、本発明者は考えた。ちなみに、粘弾性ダンパは、変形の方向性がないため、せん断方向及び軸方向の変形に対応する。

特開２００６−２０７２９２号公報 特開平２−３００４７６号公報（第１１図）

図８に示すグラフは、せん断又は引張り荷重に対する履歴ダンパの変位量をＦＥＭで解析したものである。グラフ中の系列５、６は、上述した従来例の履歴ダンパの解析結果で、くの字の傾斜角度を４５度とした場合のものである。系列５は、せん断荷重（上述した層間変形方向の荷重）がかかった場合、系列６は、引張り荷重（上述した層せん断方向の荷重）がかかった場合を示すものである。変位量１０ｍｍにおけるせん断と引張りの荷重の差は、系列５と６では、２．６倍となり、大きいことが分かる。

本発明は上記実情を考慮してなされたもので、その解決しようとする課題は履歴ダンパについてはせん断と引張の耐力の差を小さくし、それぞれの変形方向に対処できるようにすることである。また、その履歴ダンパを使って地震エネルギを十分に吸収できる木造構造物の壁を構築することである。

本発明の履歴ダンパは、木造構造物の壁を形成するために用いる履歴ダンパであって、くの字状のエネルギ吸収子をスリットを介して複数本平行に並列し、各エネルギ吸収子の両端部を対向する支持板に架設してある平板状の履歴ダンパを前提とする。

そして、請求項１の発明は、エネルギ吸収子は、その板幅をくの字の頂部に向かって徐々に狭く形成し、頂部の両側にくびれ部を備えることを特徴とする。

エネルギ吸収子は、その内辺、および外辺の形状は問わず、例えば頂部に向かってその板幅の中心線が水平に対して一直線に傾き、内辺および外辺も一直線に傾くものであってもよいが、履歴ダンパについてせん断と引張の耐力の差をより小さくするには、請求項２の発明のようにすることが望ましい。即ち、エネルギ吸収子は、くの字の板幅方向における内辺および外辺を、くの字の内側に向かって凹む円弧状としてあるものである。

円弧状とは、純粋な円弧だけでなく、円弧に近似する線、例えば請求項３の発明のようなものであっても良い。即ち、エネルギ吸収子は、くの字の板幅の中点を結ぶ中心線が、くの字の内角が狭くなる方向に段階的に屈曲する複数の直線と、屈曲部分を滑らかに繋ぐＲ曲線とから構成してあるものである。

上述した履歴ダンパを有効に使うには請求項４の発明のような壁にする。即ち、軸組みの内側にパネルを配置し、軸組みとパネルとの間にはその全周に亘って内外方向に間隔を設け、請求項１、２、又は３の履歴ダンパを、前記間隔の周方向に沿って離して配置し、履歴ダンパの一方の支持板をパネルに、他方の支持板を軸組みにそれぞれ留めることを特徴とする壁である。

支持板をパネル等に留めるとは、支持板を直接、ビス等で留めることだけでない。例えば履歴ダンパが、支持板の外周部に接合板を屈曲して連続する場合には、接合板を軸組みの見込面に留めることも含まれる。

請求項１の発明は、くの字の頂部の両側に最も板幅の狭いくびれ部があることから、このくびれ部を起点としてエネルギ吸収子が変形することになり、従来に比べて、せん断と引張の耐力の差を一段と小さくでき、層間変形だけでなく層せん断力にも対処できるようになる。このことがＦＥＭ解析により、証明された。

請求項２、３の発明は、くの字の板幅方向における内辺および外辺を、くの字の内側に向かって凹む円弧状としてあるので、内辺および外辺をくの字の頂部に真っ直ぐ向かう直線とするものに比べれば、頂部を端部から遠ざけられ、その結果、せん断と引張の耐力の差を一段と小さくできる。

請求項４の発明は、地震時には木造構造物の軸組みが大きく変形しても、履歴ダンパが塑性変形し、パネルが軸組みとの間に設けられた間隔を利用して軸組みに接触しなくなり、地震時のエネルギを十分に吸収できる。また、履歴ダンパが一種類でありながらも、パネルの上、下、左、右に取り付けて、軸組みと接合できるので、製造コストも安価になる。

履歴ダンパ１は例えば鋼材から作られるもので、図１に示すように打ち抜いた平板であって、対向する二枚の支持板２と、二枚の支持板２に架設される複数本のエネルギ吸収子３とから構成してある。複数本のエネルギ吸収子３は、スリット４を介して均等に並列しており、その両端部を支持板２に連続してある。

支持板２は図１では縦長の矩形の板であって、適宜箇所に抜穴２１をあけ、抜穴２１からビス又はドリフトピンなどで、部材に接合するものである。

エネルギ吸収子３は、くの字状であって、くの字の頂部３１に向かって対称角度で屈曲している。また、エネルギ吸収子３は、第一に、くの字の頂部３１に向かって板幅Ｗを徐々に狭くし、くびれ部３２を頂部３１の両側に備え、くびれ部３２の板幅Ｗを、頂部３１のそれを含めて最も狭くしてある。第二に、図２に示すように、くの字の板幅方向における内辺３３および外辺３４を、くの字の内側に向かって凹む円弧状としてある。図２の傾斜線Ｋ１、Ｋ２は、内辺３３と外辺３４が凹んでいることを明示するものである。

上述したエネルギ吸収子３の内辺３３および外辺３４は、次の手順で設計する。まず、図３に示すように、複数のエネルギ吸収子３が、頂部３１を下向きにして鉛直方向にスリット４を介して並列するように設計するものとする。ここでは、くの字は、頂部３１を下向きにしたことから、右片部３５と左片部３６が頂部３１で連続するものと把握する。そして、右片部３５の内辺３３、および外辺３４の製図の仕方について詳述する。

一番目に、図３（イ）に示すように、水平線に対して４５度の角度で右肩上がりとなる直線（４５度直線）を描く。二番目に、水平線に対してより急角度の直線、具体的には５５度直線を、右片部３５の中間部分から頂部３１に向かって、先の４５度直線と交差するように描く。この４５度直線と５５度直線が、くの字の板幅Ｗの中点を結ぶ中心線Ｃの大半を形成する。

三番目に図３（ロ）に示すように、４５度直線の内側（図では上側）に５０度直線を描く。この５０度直線が内辺３３の一部となる。四番目に、４５度直線の外側（図では下側）に４０度直線を描く。なお、５０度直線と４０度直線が下方に向かうにつれて４５度直線に近づき、且つ４５度直線を中心にして対称的になるようにする。このようにすると、頂部３１に向かって徐々に板幅Ｗが狭くなっていく。

五番目に、５５度直線の内側に６０度直線を描き、六番目に５５度直線の外側に前述とは別の５０度直線を、６０度直線と対称形状となるように描く。

七番目に、図３（ハ）に示すように、内辺３３となる５０度直線と６０度直線を滑らかに連続させるために、その交点部に、５０度直線と６０度直線が接線となるＲ曲線を描く。八番目に、同じ要領で、外辺３４となる４０度直線と５０度直線を滑らかに連続させるために、その交点部に、４０度直線と５０度直線が接線となるＲ曲線（内辺３３よりも半径の小さいＲ曲線）を描く。これら直線、Ｒ曲線を描く際には、頂部３１に向かって徐々に板幅Ｗが小さくなるように留意する。最後に、図３（ニ）に示すように、不要な線を除去して、内辺３３、外辺３４を完成させる。

くの字の左片部３６は、右片部３５と同じ要領で完成させる。最後に、頂部３１については、右片部３５と左片部３６の内辺３３同士、ならびに外辺３４同士が滑らかに連続するように下側に膨らむ円弧状の曲線を連続して描く。また、エネルギ吸収子３は、スリット４を介して鉛直方向に均等に並列するものなので、同様の要領で、鉛直方向に等ピッチずつ離して、くの字を所望の数量だけ描く。そして、スリット４の両側に位置するくの字の内辺３３と外辺３４を、外側に膨らむ円弧状の曲線で連続して、スリット４を形成する。あとは、左右の支持板２、抜穴２１を描けば、履歴ダンパ１の設計が完成する。

上述した説明では、板幅Ｗの中心線Ｃは、くの字の内角が狭くなる方向に段階的に屈曲する複数の直線（４５度直線と５５度直線）だけを描き、屈曲部分を滑らかに繋ぐＲ曲線は描いていない。しかし、内辺３３、外辺３４についてＲ曲線を用いたことから勘案すれば、中心線Ｃについても、４５度直線と５５度直線をその屈曲部分で滑らかに繋ぐＲ曲線が描けることが分かる。従って、エネルギ吸収子３は、中心線Ｃが段階的に屈曲する複数の直線と、その屈曲部分で直線同士を滑らかに繋ぐＲ曲線とから構成してあると言える。

上述した履歴ダンパ１の性能が優れていることをＦＥＭ解析により確認した。図８のグラフのうち、系列１、２は、くの字の中心線Ｃが４５度直線と、５５度直線を基に形成され、頂部３１の両側にくびれ部３２を有し、くの字の板幅方向における内辺３３および外辺３４を、くの字の内側に向かって凹む円弧状とした前述の履歴ダンパ１である。また、系列３、４は、くの字の中心線Ｃが４５度直線だけで形成され、くびれ部３２を有する履歴ダンパ１である。系列５、６は、背景技術の欄でも説明したように、比較対象となる従来品の履歴ダンパであって、中心線Ｃという概念がなく、くの字の傾斜角度を４５度とし、くびれ部３２のない板幅Ｗを均一としたものである。

系列１、３、５は、せん断荷重がかかった場合、系列２、４、６は、引張り荷重がかかった場合を示すものである。変位量１０ｍｍにおけるせん断と引張りの荷重の差は、系列５と６（従来）では、２．６倍と大きいが、系列３と４では１．７４倍、系列１と２では１．３７倍と小さくなる。従って、くびれ部３２を設けることの利点、くの字の板幅方向における内辺３３および外辺３４を、くの字の内側に向かって凹む円弧状とすることの利点が、確認できる。

木造構造物（木造住宅）に上述の履歴ダンパ１を使用することによって、図５に示すように壁５を作ることができる。壁５は、矩形に組まれた軸組み６と、軸組み６の内側にその全周に亘って間隔Ｇをあけて収容されるパネル７と、この間隔Ｇを跨ぎながら軸組み６とパネル７を接合する複数の履歴ダンパ１から構成される。図５の例の壁５は、室内側から見て、履歴ダンパ１の内側の支持板２をパネル７の見付面の反対面（背面）に、外側の支持板２を軸組み６の見付面の反対面にそれぞれビス留めするものである。

軸組み６は、土台６１と梁６２の間に左右の柱６３を介在して矩形に組むと共に、矩形に組んだ枠の幅中央部に間柱６４を介在するものである。間柱６４は、最終的には軸組み６の一部となるが、組み付け前の段階ではパネル７の一部であって、パネル７に予め留められた状態で、その端部のほぞ６４ａを、土台６１と梁６２のほぞ穴６１ａ、６２ａに嵌めて組みつけられる。土台６１、梁６２、および柱６３の背面には履歴ダンパ１の支持板２をその肉厚分収容する凹溝６５を形成し、凹溝６５に支持板２を収容することによって履歴ダンパ１が軸組み６の背面に対して面一となる。また、柱６３の見込面の奥行き幅６３ａに対して、パネル７（間柱６４を含む）と履歴ダンパ１を合わせた分の厚み幅Ｔを一致させるか又は狭くすることによって、パネル７が軸組み６の正面側に食み出さなくなる。

パネル７は、合板からなる矩形の面板７１の外周部に補強用の枠材７２を釘付け等して留め、また、組み付け前の段階の間柱６４も面板７１に釘付け等して留めたものである。軸組み６とパネル７との内外方向の間に設けられる間隔Ｇは、地震時に軸組み６が大きく変形しても、パネル７が軸組み６に接触せずに、地震エネルギを履歴ダンパ１で十分に吸収できるようにする役割を果たすものである。この役割を果たすことができる程度に間隔Ｇをあけることを考慮して、パネル７と軸組み６の相対的な大きさが設計される。

壁５を施工する場合は次の手順で行う。床面に、間柱６４付きのパネル７を置いた状態で、パネル７の面板７１の外周部における上下左右に履歴ダンパ１をそれぞれ一つまたは複数離して、凹溝６５に対応する箇所に配置し、履歴ダンパ１の内側の支持板２を予めビス１１で留め、外側の支持板２には特に何もしないでおく。なお、履歴ダンパ１をこのように現場で取り付けても良いが、パネル７を工場で製作する際に履歴ダンパ１をパネル７に予め取り付けておくことが、施工精度上望ましい。また、間柱６４のない軸組み６に対して、予め凹溝６５、ほぞ穴６１ａ、６２ａを掘っておく。この軸組み６に対して、パネル７を起こしてからその間柱６４のほぞ６４ａを土台６１、梁６２のほぞ穴６１ａ、６２ａにそれぞれ嵌め込む。深く嵌め込むと、軸組み６の凹溝６５に外側の支持板２が嵌り、パネル７の外周全周に亘って軸組み６との間に、前記した間隔Ｇが自然と設けられる。最後に、外側の支持板２を軸組み６にビス留めする。以上により壁５の施工が完了する。

図６の例の壁５は、履歴ダンパ１の外側の支持板２を軸組み６における内側の見込面のスリット６７に挿入し、ドリフトピン１２で接合するものである。スリット６７は、土台６１、梁６２、および柱６３の内側の見込面から外側の見込面に貫通して形成してある。また、ドリフトピン１２を打ち込むピン孔１３は、土台６１などの見付面から背面に向かってスリット６７を貫通して形成してある。なお、間柱６４は、パネル７の面板７１の背面に留めてある。

この例の壁５を施工する場合は次の手順で行う。床面に間柱６４付きのパネル７を用意しておく。また、間柱６４のない軸組み６にスリット６７やピン孔１３を予め掘っておく。この軸組み６に対して、パネル７に付いた間柱６４を前例と同様に嵌め込む。その後に、土台６１、梁６２、柱６３の外側の見込面からスリット６７に履歴ダンパ１を挿入し、履歴ダンパ１の外側の支持板２をドリフトピン１２で柱６３などに接合し、履歴ダンパ１の内側の支持板２をパネル７の枠材７２にビス留めする。以上により壁５の施工が完了する。

図４は別の例の履歴ダンパ１を示すものである。この履歴ダンパ１は、外側の支持板２の外周部に接合板８を直角に屈曲して連続し、屈曲する支持板２と接合板８とで断面Ｌ字状とし、接合板８を軸組み６の見込面に当てて接合するものである。接合板８にはビス留め用の抜穴２１があけてある。この場合、金属板を打ち抜いた後に折り曲げることによって、履歴ダンパ１が形成できる。

図７の例の壁５は、図４の履歴ダンパ１を用いたものである。この例の履歴ダンパ１で壁５を施工する場合は次の通りである。最初の例と同様、現場もしくは工場で間柱６４付きのパネル７に履歴ダンパ１の内側の支持板２を予めビス１１で留めておく。また、間柱６４のない軸組み６に対して、パネル７を起こしてからその周囲の履歴ダンパ１の接合板８を軸組み６の内側の見込面に当てる。これにより、パネル７の外周全周に亘って軸組み６との間に、前記した間隔Ｇが自然と設けられる。最後に、接合板８を軸組み６にビス留めする。以上により壁５の施工が完了する。

図９は別の例の履歴ダンパ１を示すものである。この履歴ダンパ１は、エネルギ吸収子３の内辺３３および外辺３４が頂部３１の両側のくびれ部３２に向かって一直線に傾くものである。

上述した壁５に地震等によって横方向の力が加わると、軸組み６がせん断変形し、それに伴って、パネル７と軸組み６との間に相対変位が生じ、この相対変位による変形を利用して履歴ダンパ１がエネルギを吸収する。柱６３とパネル７との間の履歴ダンパ１に生じる変形は、主にせん断変形であり（軸方向の変形も少しある。）、土台６１又は梁６２とパネル７との間の履歴ダンパ１に生じる変形は、主に軸方向の変形、つまり圧縮と引張り変形である（せん断変形も少しある）。いずれの履歴ダンパ１も、双方向の変形を十分に吸収し、軸組み６のビス留め箇所に割れが生じない。

図１０のグラフは、図５の壁５についてのせん断試験結果を示すものである。ここでは、履歴ダンパ１には、図９のタイプを用いた。また、図１１のグラフは、図７の壁５についてのせん断試験結果を示すものである。ここでは、履歴ダンパ１には、図１のタイプを用いた。試験方法は、耐力壁の面内せん断試験の柱脚固定式に準じたが、加力方法は通常の正負交番繰り返し加力に加えて1/35、1/25rad.で各２回の正負交番加力を行った。試験結果は図１０、１１に示すとおりで、紡錘型の履歴挙動が得られ、エネルギー吸収性能に優れることが確認された。

本発明は上記例に限定されるものではない。例えば、上述した例の履歴ダンパ１は、金属板を打ち抜いたり、折り曲げたりするだけで製造できる点でコストを抑えることができるものであるが、接合板８を支持板２に溶着するものであっても良い。また、間柱６４は、パネル７に予め取り付けずに、土台６１、梁６２等に取り付けておいても良い。なお、軸組み６は、横架材同士の間であれば土台６１と柱６３に限られない。

履歴ダンパの一例を示す一部拡大正面図である。 図１の履歴ダンパのエネルギ吸収子の形状を説明する拡大図である。 （イ）〜（ニ）図は図１の履歴ダンパのエネルギ吸収子を設計する手順を示す説明図である。 （イ）〜（ハ）図は履歴ダンパの別例を示す平面図、正面図、左側面図である。 壁の一例を示す正面図、Ａ−Ａ線断面図である。 壁の別例を示す正面図である。 壁の別例を示す正面図である。 履歴ダンパの性能を示すグラフである。 履歴ダンパの別例を示す正面図である。 図５の壁のせん断試験結果を示すグラフである。 図７の壁のせん断試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１履歴ダンパ、２支持板、２１抜穴、
３エネルギ吸収子、３１頂部、３２くびれ部、Ｗ板幅、３３内辺、３４外辺、
３５右片部、３６左片部、Ｃ中心線、Ｋ１傾斜線、Ｋ２傾斜線、
４スリット、５壁、６軸組み、
６１土台、６１ａほぞ穴、６２梁、６２ａほぞ穴、６３柱、６３ａ奥行き幅、６４間柱、
６４ａほぞ、６５凹溝、Ｔ厚み幅、６７スリット、
７パネル、７１面板、７２枠材、
８接合板、Ｇ間隔、
１１ビス、１２ドリフトピン、１３ピン孔

Claims (4)

1. 木造構造物の壁（５）を形成するために用いる履歴ダンパ（１）であって、
   くの字状のエネルギ吸収子（３）をスリット（４）を介して複数本平行に並列し、各エネルギ吸収子（３）の両端部を対向する支持板（２）に架設してある平板状の履歴ダンパ（１）において、
   エネルギ吸収子（３）は、その板幅（Ｗ）をくの字の頂部（３１）に向かって徐々に狭く形成し、頂部（３１）の両側にくびれ部（３２）を備えることを特徴とする履歴ダンパ。
2. エネルギ吸収子（３）は、くの字の板幅方向における内辺（３３）および外辺（３４）を、くの字の内側に向かって凹む円弧状としてあることを特徴とする請求項１記載の履歴ダンパ。
3. エネルギ吸収子（３）は、くの字の板幅（Ｗ）の中点を結ぶ中心線（Ｃ）が、くの字の内角が狭くなる方向に段階的に屈曲する複数の直線と、屈曲部分を滑らかに繋ぐＲ曲線とから構成してあることを特徴とする請求項２記載の履歴ダンパ。
4. 矩形の軸組み（６）の内側にパネル（７）を配置し、軸組み（６）とパネル（７）との間にはその全周に亘って内外方向に間隔（Ｇ）を設け、請求項１、２、又は３記載の履歴ダンパ（１）を、前記間隔（Ｇ）の周方向に沿って離して配置し、履歴ダンパ（１）の一方の支持板（２）をパネル（７）に、他方の支持板（２）を軸組み（６）にそれぞれ留めることを特徴とする木造構造物の壁。
   

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