JP4998059B2 - 制震パネルおよびそれを用いた骨組構造 - Google Patents

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本発明は、構造物の耐震性を向上するのに好適な、構造が簡易で軽量かつ経済的なエネルギー吸収デバイスとしての制震パネルおよびそれを用いた骨組構造に関する。
鉄骨骨組構造の代表的な構造形式には、図3のように、(a)ラーメン構造と(b)ブレース構造があり、地震などの水平力に対して、前者は変形能力に優れるが、剛性が比較的剛性が低いという欠点があり、後者は剛性が高いが、変形能力が相対的に小さいという欠点がある。
そこで、ブレース構造のこの欠点を補うため、図4(a)のような、偏心ブレース構造と呼ばれるラーメン構造の水平剛性を向上させつつ、変形性能もブレース構造より向上させた構造が従来より用いられてきた。さらに、これと同様の発想で、図4(b)のような、塑性化部を間柱側にした偏心K形ブレース構造も用いられ、特許文献1や特許文献2のように、せん断パネル型のエネルギー吸収部材を設け、ブレースにより支持するものも用いられている。
特開平5−10051号公報 特開2003−239563号公報
しかしながら、図4(a)のような偏心ブレース構造は、構造躯体に塑性化部を生じせしめるので、塑性化後の補修に多大の労力とコストがかかる。
また、図3に示した構造や特許文献1、2に記載の構造は、構造躯体に塑性化部を生じさせないものの、付加応力が周辺部の構造躯体に生じるので、周辺部材に塑性化の危険性が大きくなると共に、設置位置が限定される。もしくは、構造躯体に補強が必要になる場合がある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、構造躯体に柱・梁を用いた骨組み構造の耐震性を向上するのに好適な、設置場所の自由度が大きく、構造が簡易で軽量かつ経済的なエネルギー吸収デバイスとしての制震パネルおよびそれを用いた骨組構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
[1]構造物の耐震性能を向上させるために用いられるエネルギー吸収デバイスで、デバイス自体が平面骨組を構成してなる制震パネルであって、対面する2本の部材を備えており、該2本の部材の内の第1の部材は、断面形状がH形でその強軸方向が面内に向けられ、2本のブレースが取りついて偏心K形ブレース構造を形成し、その2本のブレースが取りつく間のウェブがせん断パネルとなってエネルギーを吸収するようになっているとともに、前記2本の部材の内の第2の部材は、断面形状がH形でその強軸方向が面外に向けられ、面内への座屈を防止する座屈拘束材が配されていることを特徴とする制震パネル。
[2]前記第1の部材のウェブは、少なくとも2本のブレースが取りつく間は、強度が低く伸び能力の高い低降伏点鋼が用いられていることを特徴とする前記[1]に記載の制震パネル。
[3]前記[1]または[2]に記載の制震パネルを構造物に取り付ける際に、前記第1の部材を、構造物の梁に対して、面外回転を拘束するように接合したことを特徴とする骨組構造。
[4]構造物の柱−梁接合部の少なくとも一部を半剛接構造またはピン構造、もしくは両者の混合構造としたことを特徴とする前記[3]に記載の骨組構造。
本発明によれば、構造物の耐震性を向上するのに好適な、構造が簡易で軽量かつ経済的なエネルギー吸収デバイスおよびこれを用いた骨組構造を提供することができる。
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る制震パネルを示すものであり、(a)が平面図、(b)が立面図である。
この実施形態に係る制震パネル10は、構造物の耐震性能を向上させるために用いられるエネルギー吸収デバイスであり、デバイス自体が平面骨組を構成しており、図1に示すように、第1の柱部材11と第2の柱部材12が対面するように配置されていて、各柱部材の上端部がつなぎ梁13で連結され、各柱部材の下端部がつなぎ梁14で連結されている。そして、第1の柱部材11は、断面形状がH形でその強軸方向が面内に向けられているとともに、2本のブレース15、16が取りついて偏心K形ブレース構造(第1の柱部材11、ブレース15、ブレース16の3者の軸心が一点に会していないK形ブレース構造)を形成し、その2本のブレース15、16が取りつく間のウェブ11aがせん断パネルとなってエネルギーを吸収するようになっている。一方、第2の柱部材12は、断面形状がH形でその強軸方向が面外に向けられているともに、面内への座屈を防止する座屈拘束材17が配されている。
このように制震パネルを構成すれば、安定したエネルギー吸収能力を有するせん断型のダンパーを最低限の接合のみで構成することができる。すなわち、このせん断型のダンパーは、H形断面の柱部材11の強軸方向を制震パネル10の面内方向に一致させ、かつ2本のブレース15、16をH形断面柱部材11に偏心接合することで構成されている。なお、偏心接合される付近のH形断面柱部材11にリブ18を設ければ、H形断面柱部材11のフランジの局部変形を防止することができるため有効である。また、偏心接合される付近のH形断面柱部材11のフランジに当て板19を接合すれば、フランジの曲げ降伏を防止することができるため有効である。
そして、制震パネル10のH形断面柱部材11、12、つなぎ梁13、14、ブレース15、16、座屈拘束材17の各部材同士の接合は、ピン接合、半剛接接合、剛接合の何れもでも良い。つなぎ梁13、14およびブレース15、16の断面形状は、H形、円形もしくは角形が考えられるが、柱部材11、12と同様に、閉断面でないH形断面とすれば部材同士の接合が簡易となる。ただし、H形断面は強軸方向と弱軸方向があるので、その設置方向には注意を要する。第2のH形断面柱部材12は圧縮応力が作用した場合、弱軸方向に座屈しやすい。したがって、第2のH形断面柱部材12に対して座屈拘束する必要があるが、この制震パネル10以外に座屈拘束材17を設けられない場合には、制震パネル10の面外方向にH形断面の強軸方向を向けることが有効である。面内方向の座屈には制震パネル10内に座屈拘束材17を設けることができるからである。これに対して、制震パネル10を構造躯体に近く配置することができる場合には、座屈拘束材を制震パネル10内に配置する必要はなく、構造躯体からとることも可能である。一般に、この制震パネル10のような部材は構造物の壁内に設置するため、多くの場合、面外方向の座屈拘束材は配置したくない。また、座屈しない断面剛性を有する柱部材を用いれば、座屈止め(座屈拘束材)は不要となるが、重量が増加しコスト的に不利である。
なお、ここでは、第1のH形断面柱部材11のウェブは、少なくとも2本のブレース15、16が取りつく間11aは、強度が低く伸び能力の高い低降伏点鋼が用いられている。
2本のブレース15、16が取りつく間のウェブ11aは、せん断変形し、その塑性歪エネルギーにより、エネルギー吸収デバイスすなわちダンパーとして作用する。従って、H形断面柱部材11のウェブ部分の少なくともこの間は、強度が低く伸び能力の高い低降伏点鋼を用いれば効果的なダンパーとなる。降伏点が低いと同じ強度のせん断型ダンパーとした場合のウェブの板厚を厚くすることができ、剛性を向上させることができる。剛性が高いダンパーの方が、ダンパーの地震力の負担が大きくなるために有効に作用させることが可能である。
このようにして、この実施形態に係る制震パネル10は、パネル自体の重量を軽減することができ、構造躯体への設置場所が自由に選択できることから、構造物の耐震性を向上するのに好適な、構造が簡易で軽量かつ経済的なエネルギー吸収デバイスとなっている。
なお、上記において、制震パネル10を90度回転し、柱部材11、12を水平材として配置しても差し支えない。
そして、この実施形態に係る制震パネル10を構造躯体に取り付ける際には、第1のH形断面柱部材11を、構造躯体の梁に対して、面外回転を拘束するように接合することが好ましい。
すなわち、この制震パネル10を構造躯体に取り付ける際に、骨組面内方向の回転をピン形式にすれば部材への付加応力が低減されるため、部材が塑性化する危険を低減できる。剛接もしくは半剛接にして固定度をピン接合よりも大きくすれば、制震パネル10の剛性は大きくなるために有効なダンパーとして作用しやすくなる。せん断型ダンパーとして作用する第1のH形断面柱部材11は、制震パネル10の面外方向に弱軸を一致させて配置されるので、面外方向の回転を拘束してやれば、部材の座屈荷重が上昇する。すなわち、同じ耐力を有する制震パネルを軽量化することができる。また、第2のH形断面柱部材12は、制震パネル10の面外方向に強軸を一致させて配置され、弱軸方向は座屈拘束材17が配置されるが、面外方向に固定度を大きくすれば同様の効果が得られる。
さらに、この制震パネル10を、柱−梁接合部の少なくとも一部を半剛接構造またはピン構造、あるいは両者の混合構造とした骨組構造に配置すれば、制震効果が高く、空間の自由度の大きな構造物が得られる。
上述した本発明の一実施形態に係る制震パネル10(本発明例1、2)と比較用パネル(比較例1〜3)を用いて、図2に示すような載荷実験を行ない、耐震性能の比較を行った。
それぞれのパネルの大きさは、縦2700mm、横800mmであり、下側支持条件は、片側を面内にピン支持、片側を面内ピンローラーで面外ピン支持とし、上側支持条件は、面外に変位しないように拘束して、水平方向にスライドできるようにした。また、面外回転は回転自由を基本とした。そして、載荷Qはパネル上端をジャッキにより、一方向載荷を行った。
以下に、本発明例1、2と比較例1〜3の計5体の試験体の構成を述べる。なお、その構成について、本発明例1を基準にして比較したものを表1に示してある。
(本発明例1)
図1に示した本発明の制震パネル10であり、柱部材11、12、つなぎ梁13、14、ブレース15、16ともH−50x50x3.2x4.5(mm、鋼種はJISのSN400)の溶接組み立てH形鋼で構成し、接合部は隅肉溶接にて剛接合した。また、せん断パネル部(ウェブ:高さ175mm)11aには低降伏点鋼(降伏応力度160N/mm2)を用い、当該パネル部のフランジには200mmの範囲に3.2mmの板19をあて、隅肉溶接にて接合して、フランジの曲げ降伏を防止した。
(本発明例2)
本発明例1において、上下の支持条件の面外回転を拘束した。これは、制震パネル10を構造躯体に取り付ける際、面外には回転しないように設置する場合に相当する。その他の条件は、本発明例1と同様にした。
(比較例1)
本発明例1に対して、偏心ブレース構造でない骨組を構成したパネルである。すなわち、2本のブレース15、16の軸心が第1の柱部材11の中心で一点に会するように接合したパネルである。従って、せん断パネルは構成されない剛接トラス形式のパネルとなっている。
(比較例2)
本発明例1に対して、第2の柱部材12の強軸を面内方向に配置したパネルである。
(比較例3)
本発明例1に対して、座屈拘束材17を除いたパネルである。
そして、これらの各試験体に対して上述の載荷実験を行ない、それぞれの降伏耐力、最大耐力、頂部変形能力(最大耐力時の頂部水平変位:最大変形量)を調べた。その結果を表2に示す。
本発明例1、2は、比較例1〜3よりも降伏耐力以後の耐力上昇(降伏耐力と最大耐力の差)、および変形能力(最大変形量)が大きく、制震パネルとしてのエネルギー吸収量が大きい。ちなみに、塑性エネルギー吸収量は荷重−変形関係式の積分値、簡単には耐力と変形量の積である。
本発明例1と本発明例2の比較では、面外回転が拘束された本発明例2の方が、柱部材の座屈荷重が上昇するために変形能力が大きく制震パネルとして有効である。
一方、比較例1は、せん断パネルがないために当該部分の降伏が生じないため降伏耐力が高いが、降伏(第1の柱部材の座屈)によって最大耐力と変形能力が決定しており、エネルギー吸収量が小さいため制震パネルとしての使用に耐えない。
また、比較例2、3は、第2の柱部材の座屈で耐力が決まっており、最大耐力および変形能力とも小さい。
本発明の一実施形態に係る制震パネルを示す図である。 本発明の実施例1における載荷実験の説明図である。 鉄骨骨組構造の代表的な構造形式の説明図である。 偏心ブレース構造の説明図である。
符号の説明
10 制震パネル
11 第1のH形断面柱部材
12 第1のH形断面柱部材
13、14 つなぎ梁
15、16 ブレース
17 座屈拘束材
18 リブ
19 当て板

Claims (4)

  1. 構造物の耐震性能を向上させるために用いられるエネルギー吸収デバイスで、デバイス自体が平面骨組を構成してなる制震パネルであって、対面する2本の部材を備えており、該2本の部材の内の第1の部材は、断面形状がH形でその強軸方向が面内に向けられ、2本のブレースが取りついて偏心K形ブレース構造を形成し、その2本のブレースが取りつく間のウェブがせん断パネルとなってエネルギーを吸収するようになっているとともに、前記2本の部材の内の第2の部材は、断面形状がH形でその強軸方向が面外に向けられ、面内への座屈を防止する座屈拘束材が配されていることを特徴とする制震パネル。
  2. 前記第1の部材のウェブは、少なくとも2本のブレースが取りつく間は、強度が低く伸び能力の高い低降伏点鋼が用いられていることを特徴とする請求項1に記載の制震パネル。
  3. 請求項1または2に記載の制震パネルを構造物に取り付ける際に、前記第1の部材を、構造物の梁に対して、面外回転を拘束するように接合したことを特徴とする骨組構造。
  4. 構造物の柱−梁接合部の少なくとも一部を半剛接構造またはピン構造、もしくは両者の混合構造としたことを特徴とする請求項3に記載の骨組構造。
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