JP4947357B2 - 制震間柱 - Google Patents

Description

本発明は、制震間柱に関する。

この種制震間柱として、梁への取付け用の上下一対のベースプレートの間に、面内曲げ及び剪断力には抵抗するが、鉛直軸力及び面外方向の曲げ力には抵抗しないという波形鋼板を、その波を水平方向にして設けたものが知られている（特許文献１）。

尚、梁と梁との間に制震部材を設ける場合に、両梁からコンクリート製の垂壁及び腰壁を向き合う方向に突出して、これらの間に制震部材を固定することで振動減衰能力を高めることが知られている（特許文献２）。

上述の特許文献１の図３にも上下の梁から突出したコンクリート製の垂壁及び腰壁の間に波形鋼板を設けた構造が開示されている。
特開２００６−３７５８１号 特許第３８０７３６０号

しかし特許文献１の図３の間柱のようにこれら垂壁及び腰壁をコンクリートで形成すると、地震の規模によってはこれらの部材が破損してしまう可能性があり、またそれらの部材を製造して取り付けるのにもそれなりに手間がかかる。

本発明は、簡易な構造でありながら、十分な機能を発揮できる履歴形ダンパーを含み、かつ簡易に取り付けることができる制震間柱を提供することを目的とする。

第１の手段は、
上下一対のベースプレート4と、
各ベースプレート4から互いに向き合う方向へ突出する一対の柱頭部6及び柱脚部8と、
これら柱頭部及び柱脚部の先端部に、各対向端部を連結した震動吸収ダンパー14と、
からなり、
上記両柱頭部6及び柱脚部8を、少なくとも、互いに平行な鋼製の垂直平板10で、また、上記震動吸収ダンパー14を、少なくとも、各波の稜線を垂直平板10と平行な水平方向に配向した鋼製の波形板16でそれぞれ形成した制震間柱において、
上記柱頭部6及び柱脚部8の垂直平板10の水平方向の両端に第１フランジ12を、上記震動吸収ダンパー14の波形板16の水平方向の両側に第２フランジ18をそれぞれ付設し、これら第１、第２フランジ12,18の対向端部を、これら両端部に重ね合わせた継板にそれぞれボルト接合することで相互に連結しており、
柱頭部6及び柱脚部8の垂直平板10を、各第１フランジ12の端部よりも梁中間部内方へ重ね代部分10aとして延出し、この重ね代部分10aに波形板16の上下両端部をボルト接合している。

本手段では、波形の震動吸収ダンパーとベースプレートとを繋ぐ手段として、柱頭部及び柱脚部を少なくとも鋼製の垂直平板で形成している。垂直平板であるから波形板に対して普通の鋼板同士のように重ね合わせ、或いは継板を用いて簡単に接続でき、地震の後の補修時の交換も容易である。仮に接続箇所が地震により切れてしまっても応急処置として再溶接することも可能である。また、コンクリート製の連結部（前述の腰壁など）は、限界以上の力が加わるとひび割れなどを生じて強度が著しく低下する。これに対して、鋼製の垂直平板は靭性を有するから、たとえ地震により曲がってしまっても、さほど強度は落ちない。従って大地震の後、補修をする前に余震があっても、地震力に十分対抗できる。
また本手段では、垂直平板10及び波形板16にそれぞれ第１、第２フランジ12,18を付設しているので、このようにすることで、震動吸収ダンパーと柱頭部及び柱脚部との接続作業が容易となる。なお、上記第１、第２フランジは、波形板に入力する剪断力に対応した曲げに抵抗する。
「震動吸収ダンパー」とは、震動時のエネルギー消費によって構造物に減衰性能を付与し、地震時の地盤と上部構造との過大な相対変移を抑制するものである。ここで本発明の特徴に関係した前提的な事柄に関して説明しておく。本発明のダンパーは履歴型ダンパーであって、変形披瀝に伴うエネルギー消費を利用するものである。図９(a)は、その変形履歴を、横軸に変形角を、縦軸に水平過重をとったグラフに描いている。その履歴を表す曲線は降伏点を超えた段階で紡錘形の軌跡を描き、その紡錘の面積に応じたエネルギーを消費する。更に本発明のダンパーは、板状のダンパーであって、その板の面内方向の変形には抵抗するが、面外方向の変形には抵抗しないものである。この種のダンパーとして、平板（平鋼板）を使用するものと波板（波形鋼板）を使用するものとがある。

震動吸収ダンパーとして平鋼板を使用すると、剪断応力を受けたときに板の対角間に張力場を形成して剪断降伏後においても耐力が大幅に上昇し、震動吸収ダンパーに接合されている垂直平板や垂直平板に接合される梁部材の損傷が大きくなり、架構全体としての地震力に対する抵抗力が弱まるという不利がある。これに対して、本発明では震動吸収ダンパーとして波形板を用いるから、板の対角間に張力場を形成しないので、剪断降伏後の耐力上昇は少なく、そのような不都合は生じない。

「波形板」は、前述の如く剪断降伏して地震時のエネルギーを吸収する機能を有する。波形板は、剪断力を伝達するが、アコーディオン効果によりダンパーに作用する軸方向の変形による耐力上昇は生じない。波形板には、低降伏点鋼、普通鋼、高張力鋼など、設計の必要に応じた強度の鋼材を使用すると良い。また、波形鋼板の一部に強度の異なる鋼材を用いるものもあるものとする。

「柱頭部」及び「柱脚部」は、梁間距離に比べて上下巾を短くした震動吸収ダンパーの上下各端と、梁との間に介在させ、当該ダンパーを支えるスペーサ部材（あるいは支持台）としての機能を有する。これらの部材を用いることで、ある震動巾に対するダンパーの変形角を大きくすることができ、震動減衰性能を高めることができる。前述の通り従来技術ではこの柱頭部及び柱脚部をコンクリート製の垂壁及び腰壁で形成していた。

これらの壁はコンクリート塊であるのであらゆる横向き力に抵抗させるときには有利である。しかしながら、前述の本発明の波形鋼板ダンパーは面外方向の変形には殆ど抵抗しないので、ダンパーの土台である柱頭部及び柱脚部だけがダンパーの面外方向に抵抗力を有していても意味がない。嵩張るとともに重量が増大するというデメリットが生ずるだけである。そこで波形鋼板ダンパーに対応したスリムな支持台として平鋼板の柱頭部及び柱脚部を提案している。

「ベースプレート」は、例えば図４に示すような柱と大梁からなる架構内の大梁にＲＣ部を介して、または直接に取り付けることができる。また、小梁と小梁、スラブとスラブとの間に設置するようにしてもよい。

第１の手段に係る発明によれば、次の効果を奏する。
○震動吸収ダンパーとして鋼製の波形板を使用したから、最大耐力経験後も大きな耐力降下を生じない。
○震動吸収ダンパー１４である波形板１６の上下に垂直平板１０を連結したから、剪断降伏時変形を制御することが可能であり、複数の板部から成るという簡単な構造でありながら、履歴形ダンパーとして十分な性能を発揮する。
○制震手段として平鋼板を使用すると、剪断応力を受けたときに板の対角間に張力場を形成して耐力上昇率が上昇し、地震力に対する抵抗力が弱まるという不利があるが、本発明では、制震手段として波形板を用いるから、そのような不都合を生じない。
○垂直平板１０及び波形板１６にそれぞれ第１、第２フランジ１２、１８を付設したから、連結作業が容易である。

図１から図４は、本発明に係る制震間柱を示している。この制震間柱２は、上下一対のベースプレート４，４と、柱頭部６と、柱脚部８と、震動吸収ダンパー１４とで構成されている。

ベースプレート４は、上梁の下面及び下梁の上面に固定するためのものである。固定の方法は、図示例ではボルト止めしているが、十分な強度が得られればどのような方法でも良い。

柱頭部６は上側のベースプレート４から垂下しており、また柱脚部８は下側のベースプレート４から起立している。これら柱頭部６及び柱脚部８は、同じ構造のものとすることができる。そこで柱頭部及び柱脚部に共通の構造を一緒に説明するものとする。これら柱頭部６ないし柱脚部８は、それぞれ鋼製の垂直平板１０を有し、この垂直平板の両側端に一対の鋼製の第１フランジ１２を、上下方向からみてＨ状に連結（好ましくは溶接）してなる。また柱頭部６ないし柱脚部８の垂直平板１０を、各第１フランジ１２の端部よりも梁中間部内方へ延出して、後述の波形板との重ね代部分１０ａとしている。上記垂直平板１０は、ベースプレートとの連結部を支点として板厚方向への揺動可能な程度の弾性を有するものとする。垂直平板１０は、高降伏点鋼（或いは高強度鋼）で形成することができる。

柱頭部６の上端は上側のベースプレート４に、柱脚部８の下端は下側のベースプレート４に、垂直平板の面内方向Ｆ_１面外方向Ｆ_２の水平力に十分対抗できるように強固に連結（好ましくは溶接）する。

震動吸収ダンパー１４は、それぞれ鋼製の波形板１６と第２フランジ１６とを有する。

波形板１６は、図３に示す如く波形の構造をしており、その上下両端部を上記柱頭部６および柱脚部８の重ね代部分１０ａに重ねてボルト止めしている。その結果、図５(a)に示すような鉛直方向の変形（及び面外方向の変形）には抵抗せず、同図(b)(c)のような面内方向の変形に抵抗するように形成されている。波形板１６は低降伏点鋼で形成することができる。

第２フランジ１８は、波形板１６の両側端に上下端面形状がＨ形となるように連結（好ましくは溶接）している。そしてこの第２フランジ１８は上記第１フランジ１２に対してボルト及び継板を用いて連結している。

上記構成において、図１の図面左右方向（板厚と直角な水平方向）に震動すると、波形板は正面から見て矩形の状態から平行四辺形状に変形しながら地震力に抵抗する。このとき変形角と水平荷重との関係を表す履歴曲線（図示せず）は、紡錘形に近い形を描く。これは、ベースプレートから柱頭部６及び柱脚部８を突出することで、波形板１６が早く降伏するからである。これにより同じ震度でもより大きなエネルギーを吸収することができる。

図６は、図１の間柱を４つ上面から見て四角形状に組み合わせた場合の例である。

次に図７〜図９を用いて、本発明に係る間柱の試験体について実施した性能試験について説明する。架構実験に先立って、波形鋼板ダンパー要素のみを用いた部材実験を行い、履歴型ダンパーとして十分な性能があることを確認した。
(1)実験の概要
試験体として、本発明に係る間柱の試験体（Ｄ２４０）と、図７に示す比較例１の試験体（Ｄ８０）と、図８に示す比較例３の試験体（Ｄ５３２）とを用いた。本発明の試験体Ｄ２４０は、図１に示す通り上下２枚の平鋼板と波形鋼板のダンパーを組み合わせたものである。試験体Ｄ８０は、上下２の平鋼板（板厚１２ｍｍ）と平鋼板製のダンパーとを組み合わせたものである。試験体Ｄ５３２は、本発明の３枚の鋼板に代えて１枚の波型鋼板をダンパーとして用いたものである。Ｄの後の数字はダンパー部分の上下巾（ｍｍ）である。各試験体の高さは５５０ｍｍで、巾は、ＰＣ架構と組み合わせたときに復元性を妨げないために４００ｍｍとした。明細書の文章で述べた以外の構造に関しては、対比例の試験体は、本発明の試験体と基本的に同じであるものとして説明を省略するものとし、各部材の名称に関しても符号の説明で言及するに留める。

実験変数としてダンパーの高さ（上下巾）を変化させたのは、ダンパー降伏時の全体変形角（試験体全体の剪断変形角）が異なるようにするためである。試験は、各試験体の下端部を固定して上端部に水平荷重を加える載荷装置を用いて繰り返し漸増載荷を行った。
（２）実験結果
水平荷重−ダンパーの全体変形角（試験体上下の相対水平変位を試験体高さで除したもの）関係を図９に、降伏時及び最大耐力時の水平荷重と全体変形角を表２に示す。降伏時変形角はいずれの試験体も予測を上回り、実験結果は予測値のおよそ1.5〜２倍となった。原因として、ダンパー−鋼体間のボルト接合部にすべりが生じたためにダンパーの変形が想定より小さくなり、降伏の発生が遅れたことが考えられる。また試験体D８０はダンパー部分の高さが小さかったため、早期に斜張力場が形成され、降伏後の剛性が他の２体のように低下しなかった。いずれの試験体もダンパー部分の全体座屈により耐力が一旦ピークを迎え、さらにプッシュオーバーを行ったものはダンパー部分が破断するまで耐力が上昇した。

以上の結果より、波形鋼板の上下に剛体部分を設けることでRｙ（ダンパーの剪断降伏時の間柱の部材角）を低減し、早期にエネルギー消費を開始させることが可能であることがわかった。ただし試験体Ｄ８０のようにダンパー部分の高さが小さすぎると降伏後の剛性が高くなることから、ダンパーとして用いるには本発明の試験体Ｄ２４０のような形状（波形鋼板＋平鋼板）が適しているといえる。

本発明の実施形態に係る制震間柱の正面図である。 図１の制震間柱の上面図である。 図１の制震間柱の縦断面図である。 本発明の梁への適用例を示す図である。 本発明の波形板の作用説明図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明間柱と対比実験を行うための一つの試験体である。 本発明間柱と対比実験を行うための他の試験体である。 試験の試験結果を表す図である。

符号の説明

２…制震間柱 ４…ベースプレート ６…柱頭部 ８…柱脚部 １０…垂直平板
１０ａ…重ね代部分 １２…第１フランジ １４…震動吸収ダンパー １６…波形板
１８…第２フランジ
１０４Ａ、１０４Ｂ…ベースプレート、１１２Ａ、１１２Ｂ…第１フランジ
１１４Ａ、１１４Ｂ…震動吸収ダンパー １１８Ａ…第２フランジ

Claims (1)

1. 上下一対のベースプレート(4)と、
   各ベースプレート(4)から互いに向き合う方向へ突出する一対の柱頭部(6)及び柱脚部(8)と、
   これら柱頭部及び柱脚部の先端部に、各対向端部を連結した震動吸収ダンパー(14)と、からなり、
   上記両柱頭部(6)及び柱脚部(8)を、少なくとも、互いに平行な鋼製の垂直平板(10)で、また、上記震動吸収ダンパー(14)を、少なくとも、各波の稜線を垂直平板(10)と平行な水平方向に配向した鋼製の波形板(16)でそれぞれ形成した制震間柱において、
   上記柱頭部(6)及び柱脚部(8)の垂直平板(10)の水平方向の両端に第１フランジ(12)を、上記震動吸収ダンパー(14)の波形板(16)の水平方向の両側に第２フランジ(18)をそれぞれ付設し、これら第１、第２フランジ(12,18)の対向端部を、これら両端部に重ね合わせた継板にそれぞれボルト接合することで相互に連結しており、
   柱頭部(6)及び柱脚部(8)の垂直平板(10)を、各第１フランジ(12)の端部よりも梁中間部内方へ重ね代部分(10a)として延出し、この重ね代部分(10a)に波形板(16)の上下両端部をボルト接合したことを特徴とする、制震間柱。