JP5152908B2

JP5152908B2 - 制震構造

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Publication number: JP5152908B2
Application number: JP2008103837A
Authority: JP
Inventors: 博川瀬; 謙太郎山口; 泰典松藤
Original assignee: Kyushu University NUC
Current assignee: Kyushu University NUC
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: JP2009256878A

Description

本発明は、地震や強風等による構造物の揺れを低減する制震構造に関する。

高層建物や超高層建物では、地震や強風等による揺れを低減するため、制震ダンパを建物内に設置することが従来より行われている。例えば、特許文献１には、下階の躯体から立ち上がる並設された外壁間に、上階の躯体から垂れ下がる内壁が挿入され、外壁と内壁との間には粘性体が充填された制震壁の発明が開示されている。

また、特許文献２には、帯板よりなる第１プレートと第２プレートを交互に積層すると共に、第１プレートと第２プレートの対向面間に粘弾性体を挟むことでダンパ部を構成し、該ダンパ部の外側を鞘管状の外装ケーシングで包囲した、いわゆるブレースダンパの発明が開示されている。

他方、今日、地球環境負荷の低減は、人類が取り組むべき全世界的な課題の一つであり、リサイクルやリユース等が可能な建築物が求められている。中でも、リユースは、材料を再度製造する工程を経ないため、環境負荷低減効果が極めて高いとされている。特許文献３では、煉瓦と金属プレートを交互に積層し、煉瓦のボルト挿通孔を挿通するボルトを締結して該ボルトのプレストレス下に上下の煉瓦を一体的に相互連結する煉瓦組積構造の発明が開示されている。

特開平１−９７７６４号公報特開平１０−１９６１５２号公報特開２００２−８１１５２号公報

特許文献１や特許文献２など、構造物の梁と柱で囲まれた構面内に設置される制震ダンパは、粘性体や粘弾性体を挟んでいる部材自体が弾性変形する。一方、制震ダンパが設置されている構面の層間変位は、大地震時でもせいぜい数ｃｍのオーダーであり、その小さな変形を粘性体や粘弾性体に効率よく伝えるためには、部材自体の弾性変形を極力小さくする必要がある。このため、部材の剛性を大きくしなければならず、必然的に高コストとならざるを得ない。

また、特許文献１や特許文献２などの制震ダンパの場合、部材に粘性体や粘弾性体が付着しているため、リサイクルやリユースが難しいという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、特許文献３に記載されている煉瓦組積構造を制震壁として利用することで、高いエネルギー吸収能力を有することに加え、リユースが可能で安価な制震構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、金属プレートを介して積層した複数のブロック体を前記ブロック体及び前記金属プレートを貫通するボルトで締結して一体化した制震構造壁体を、接合部材を介して構造物の梁に接合する制震構造であって、前記制震構造壁体の上端面から延出する前記ボルトを前記接合部材に締結するために該接合部材に形成された孔が前記梁の材軸方向に長い長孔とされ、前記制震構造壁体が、前記梁に対して該梁の材軸方向に摺動可能に設置されていることを特徴としている。

本発明では、制震構造壁体と梁とを接合する接合部材に形成した孔を梁の材軸方向に長い長孔とすることで、制震構造壁体が、上側の梁に対して梁の材軸方向に摺動可能とされている。これにより、構造物に入力したエネルギーは、接合部において摩擦エネルギーとして消費される。この際、接合部材に緊結されるボルトのプレストレスを大きくすることで、摩擦力を大きくして摩擦吸収エネルギーの増大を図ることが可能である。また、制震構造壁体本体の強度に達する前に接合部で摺動するように、摺動し始めるときの摩擦力、即ち制震構造壁体にかかる水平力をプレストレスを変えることでコントロールすることができる。

加えて、本発明では、制震構造壁体を構成する個々の要素が小さく、仮に目視によって一部のブロック体等が破壊されていることが判明した場合、制震構造壁体を分解して破壊された部分を新たなブロック体等と交換することが可能である。

また、本発明に係る制震構造では、前記接合部材の摺動面に固定潤滑材が貼着されていてもよい。
本発明では、接合部材の摺動面に、摩擦係数の低い固定潤滑材を貼着することで、摺動抵抗を小さくする。固定潤滑材としては、ポリ４フッ化エチレンなどが使用できる。

また、本発明に係る制震構造では、前記ブロック体は、煉瓦、コンクリートブロック、及び木材から選ばれる１種又は２種以上であることを好適とする。
本発明では、ブロック体を、圧縮強度が高く安価な煉瓦やコンクリートブロック、木材により構成することで、強度の高い制震構造壁体を低コストで製造することが可能となる。

本発明に係る制震構造では、制震構造壁体と梁とを接合する接合部材に形成した孔を梁の材軸方向に長い長孔として、構造物に入力したエネルギーを接合部において摩擦エネルギーとして吸収するものであり、接合部材に緊結されるボルトのプレストレスを大きくすることで、摩擦力を大きくして高いエネルギー吸収能力を実現することが可能である。また、制震構造壁体は、例えば煉瓦やコンクリートブロックなどのブロック体をアンボンドプレストレスにより一体化したものであるので、リユースが可能でしかも安価である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る制震構造では、制震構造壁体を構成するブロック体として有孔粘土煉瓦を使用する。有孔粘土煉瓦の圧縮強さは１００Ｎ／ｍｍ^２程度あり、普通コンクリートの約３倍の強度を有している。図１に、有孔粘土煉瓦からなるブロック体１０を示す。
ブロック体１０は、直方体形状の本体部１２と、本体部１２の長辺側の両側部に形成されたオフセット部１３とから構成され、本体部１２の天面１２ａは、オフセット部１３より若干隆起している。
平面視で本体部１２の長手方向の中心軸上には、小径のボルト挿通孔１４が１つと、大径の貫通孔１５が２つ離間して穿設され、本体部１２の一方の小口面１２ｂには、半円筒状の凹部１６が形成されている。

図２に、有孔粘土煉瓦からなる他のブロック体１１を示す。
ブロック体１１では、本体部１７に小径のボルト挿通孔１８と、大径の貫通孔１９が１つずつ穿設され、本体部１７の両小口面は、ブロック体１０と異なり、平滑とされている。

また、図３に、ブロック体１０、１１の間に介装される金属プレート２０、２１、２２の平面図を示す。図３（Ａ）に示す金属プレート２０は鋼製で厚さ１ｍｍ程度とされ、ブロック体１０、１１の天面１２ａ、１７ａとほぼ同形状とされている。また、金属プレート２０には、ブロック体１０、１１に形成されたボルト挿通孔１４、１８に対応するボルト挿通孔２４及び貫通孔１５、１９に対応するボルト挿通孔２３が形成されている。
一方、図３（Ｂ）に示す金属プレート２１、２２は鋼製の半枚プレートであり、金属プレート２１には貫通孔１５、１９に対応するボルト挿通孔２５が、金属プレート２２にはボルト挿通孔１４、１８に対応するボルト挿通孔２６がそれぞれ形成されている。
なお、図示していないが、金属プレートを長尺として、１枚の金属プレートで複数のブロック体１０、１１をカバーするようにしてもよい。

図４に制震構造壁体３０の透視斜視図を、図５に制震構造壁体３０の縦断面図をそれぞれ示す。
制震構造壁体３０は、金属プレート２０、２１、２２を介して積層した複数のブロック体１１を、ブロック体１１に形成されたボルト挿通孔１８及び貫通孔１９と、金属プレート２０、２１、２２に形成されたボルト挿通孔２３、２４、２５、２６を挿通するボルト３１で締結して一体化している。この際、金属プレート２０は、隣接する２つのブロック体１１に跨るように配置され、且つ、ブロック体１１の貫通孔１９の上には金属プレート２０のボルト挿通孔２３が、ブロック体１１のボルト挿通孔１８の上には金属プレート２０のボルト挿通孔２４が位置するように積層する。

ブロック体１１は、破れ目地状に組積し、制震構造壁体３０において貫通孔１９が千鳥状に配置されるようにする。各貫通孔１９には長ナット３２が挿入され、長ナット３２同士は、全ネジの寸切りボルトや両端にネジ加工を施した両切りボルトなどのボルト３１で緊結される。なお、長ナット３２と金属プレート２０、２２との間には、ボルト３１が緩まないようにバネ座金３３と丸座金３４を介装する。

なお、ブロック体１０を使用する場合は、本体部１２中央の貫通孔１５と本体部１２の一方の小口面１２ｂに形成された凹部１６は使用せず、本体部１２の端部に形成されたボルト挿通孔１４と貫通孔１５を使用する。

制震構造壁体３０では、上層に比べて下層のほうがプレストレスが大きくなる。これは、バネ座金３３の影響による。バネ座金３３が無いと、下層を締め付けたときに縮んだボルト３１は、その２層上を締め付けたときに上から引っ張られるため、下層のブロック体１１を直接押さえ付ける力が殆ど無くなる。しかし、バネ座金３３があると、上から引っ張られてもバネ座金３３の変形が戻りきらないので、バネ座金３３が変形している分の力だけ下層のブロック体１１を直接押さえ付ける力が残る。これが蓄積され、上層に比べて下層のプレストレスが大きくなる。

図６は、本実施の形態に係る制震構造において、制震構造壁体３０と、制震構造壁体３０が設置される構面の上側の梁３６との接合部を示したものである。
制震構造壁体３０は、接合部材３５を介して上側の梁３６に接合される。本実施の形態では、接合部材３５は断面Ｌ形の鋼材とされ、Ｌ形とされた接合部材３５の一方の面３５ａがＨ形鋼からなる梁３６のウェブ３６ａに固定されている。接合部材３５の他方の面３５ｂには、梁３６の材軸方向に長い長孔３７が形成され、制震構造壁体３０の上端面から延出するボルト３１が挿入されている。長孔３７に挿入されたボルト３１は、角座金３８、丸座金（図示省略）、バネ座金（図示省略）を介してナット３９で接合部材３５に締結される。図示していないが、摺動面となる角座金３８の下面、及び角座金３８と接する接合部材３５の面３５ｂには、ポリ４フッ化エチレンなどの固体潤滑材を貼着しておいてもよい。

なお、制震構造壁体３０を下側の梁（図示省略）に接合部材３５を用いて固定する際は、ボルト３１が挿通する孔は長孔とせず、制震構造壁体３０の上端部のみ摺動するようにする。
また、本実施の形態では、Ｈ形鋼からなる梁３６のウェブ３６ａに接合部材３５を固定するようにしたが、梁３６のフランジに固定することで、制震構造壁体３０を構面内に配置されるようにしても良い。

地震や強風などによって構造物が揺れると、上側の梁３６は、下側の梁に対して水平方向に相対移動して層間変形が生じる。本実施の形態に係る制震構造では、制震構造壁体３０と上側の梁３６とを接合する接合部材３５に長孔３７を設けて、制震構造壁体３０が、上側の梁３６に対して該梁３６の材軸方向に摺動するようにしているので、構造物に入力したエネルギーは、接合部において摩擦エネルギーとして消費される。この際、接合部材３５に緊結されるボルト３１のプレストレスを大きくすることで、摩擦力を大きくして摩擦吸収エネルギーの増大を図ることが可能である。

次に、本発明の他の実施の形態に係る制震構造について実施した水平加力試験について説明する。
図７（Ａ）、（Ｂ）に水平加力試験の概略を示す。制震構造壁体４０は、金属プレートを介して積層された２層の煉瓦ブロック体を、煉瓦及び金属プレートを貫通するボルト３１で緊結したものであり、長さ４８０ｍｍ、幅１１０ｍｍ、高さ１７０ｍｍである。制震構造壁体４０の上端面には、溝形鋼からなる接合部材４１が取り付けられ、接合部材４１の一方の端部は、動的サーボアクチュエータ（図示省略）に連結されている。接合部材４１には、制震構造壁体４０の上端面から延出するボルト３１が挿通する長孔（図示省略）が形成されており、ボルト３１の頭部には、角座金４３、ロードセル４４、丸座金（図示省略）、バネ座金（図示省略）が装着され、ナット４５で締め付けられている。また、接合部材４１の上面及び角座金４３の下面には、ポリ４フッ化エチレンからなるシート状の固体潤滑材４２が貼着されている。

上記試験体について水平加力試験を実施した。加力ステップは、片振幅：１０ｍｍ（振動数：１．０Ｈｚ）、２０ｍｍ（０．５Ｈｚ）、３０ｍｍ（０．３３Ｈｚ）、２０ｍｍ（０．５Ｈｚ）、１０ｍｍ（１．０Ｈｚ）とし、各５サイクル正弦波加振した。
図８に水平加力試験結果の一例を示す。図８（Ａ）がプレストレスが８ｋＮ／本の場合、図８（Ｂ）がプレストレスが４ｋＮ／本の場合である。図８より、プレストレスが大きくなると、水平抵抗力も増大することがわかる。

最後に、本発明に係る制震構造が組み込まれた構造物の効果を検証するために実施した地震応答解析について説明する。
解析手順を以下に示す。
（１）本発明に係る制震構造を平屋建て鉄骨ラーメン構造に組み込んだ立体解析モデルを作製する。この際、制震構造壁体と梁との接合部の復元力特性として、上記水平加力試験によって得られた復元力特性（プレストレス４ｋＮ／本）を使用する。
（２）作製した立体解析モデルについて静的荷重増分解析を実施し、各階の復元力特性をトリリニア型のスケルトンカーブにモデル化する。
（３）上記トリリニア型復元力特性を有するバネを組み込んだ、せん断型のバネ−マス系モデルを作製する。なお、減衰は剛性比例型減衰とし、減衰定数は５％とする。
（４）ＥＬＣＥＮＴＲＯ波、ＴＡＦＴ波、八戸波の３入力地震波について、最大地動速度を２５ｃｍ／ｓ（図９（Ａ）、図１０（Ａ））と５０ｃｍ／ｓ（図９（Ｂ）、図１０（Ｂ））に基準化し、作製したバネ−マス系モデルについて地震応答解析を実施する。

なお、可能であれば、立体解析モデルについて直接、動的解析を実施してもよいことは言うまでもない。

最大加速度を示す図９及び最大層間変形角を示す図１０に、構造物の地震応答解析結果を示す。図中、（ハ）が本願発明が組み込まれた構造物の応答である。また、（イ）は、構造体ではないＡＬＣの外壁が主体構造の鉄骨ラーメンに取り付けられている構造物の応答を示している。（ロ）は、構造体ではない制震構造壁体の外壁が主体構造の鉄骨ラーメンに取り付けられている構造物、即ち制震構造壁体と梁との接合部が非摺動とされている構造物の応答を示している。
図９及び図１０より、本発明に係る制震構造を構造物に適用した場合、構造物の応答を大幅に低減できることがわかる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記の実施の形態では、ブロック体を煉瓦としているが、コンクリートブロックや木材でもよい。また、制震構造体を並設し、二重壁としてもよい。

有孔粘土煉瓦からなるブロック体の一例を示す平面図、正面図、及び側面図である。有孔粘土煉瓦からなるブロック体の他の例を示す平面図、正面図、及び側面図である。金属プレートの平面図であり、（Ａ）は標準プレート、（Ｂ）は半枚プレートである。制震構造壁体の透視斜視図である。制震構造壁体の縦断面図である。本発明の一実施の形態に係る制震構造における接合部の斜視図である。本発明の他の実施の形態に係る制震構造について実施した水平加力試験の概略を示す状況図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。同制震構造の水平加力試験結果を示す荷重−変位曲線であって、（Ａ）はプレストレスが８ｋＮ／本の場合、（Ｂ）はプレストレスが４ｋＮ／本の場合である。構造物の地震応答解析結果を示す最大加速度の棒グラフであって、（Ａ）は最大地動速度が２５ｃｍ／ｓの場合、（Ｂ）最大地動速度が５０ｃｍ／ｓの場合である。構造物の地震応答解析結果を示す最大層間変形角の棒グラフであって、（Ａ）は最大地動速度が２５ｃｍ／ｓの場合、（Ｂ）最大地動速度が５０ｃｍ／ｓの場合である。

符号の説明

１０、１１：ブロック体、１２：本体部、１２ａ：天面、１２ｂ：小口面、１３：オフセット部、１４：ボルト挿通孔、１５：貫通孔、１６：凹部、１７：本体部、１７ａ：天面、１８：ボルト挿通孔、１９：貫通孔、２０、２１、２２：金属プレート、２３、２４、２５、２６：ボルト挿通孔、３０：制震構造壁体、３１：ボルト、３２：長ナット、３３：バネ座金、３４：丸座金、３５：接合部材、３５ａ、３５ｂ：面、３６：梁、３６ａ：ウェブ、３７：長孔、３８：角座金、３９：ナット、４０：制震構造壁体、４１：接合部材、４２：固体潤滑材、４３：角座金、４４：ロードセル、４５：ナット

Claims

金属プレートを介して積層した複数のブロック体を前記ブロック体及び前記金属プレートを貫通するボルトで締結して一体化した制震構造壁体を、接合部材を介して構造物の梁に接合する制震構造であって、
前記制震構造壁体の上端面から延出する前記ボルトを前記接合部材に締結するために該接合部材に形成された孔が前記梁の材軸方向に長い長孔とされ、前記制震構造壁体が、前記梁に対して該梁の材軸方向に摺動可能に設置されていることを特徴とする制震構造。
請求項１記載の制震構造において、前記接合部材の摺動面に固定潤滑材が貼着されていることを特徴とする制震構造。
請求項１及び２のいずれか１項に記載の制震構造において、前記ブロック体は、煉瓦、コンクリートブロック、及び木材から選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする制震構造。