JP5156357B2 - 制振架構 - Google Patents

Description

本発明は、地震対策として建物躯体にダンパーなどの制振部材を用いた建物の架構に関する。

建物の地震対策の一つして制振構造がある。制振構造の一つに建物躯体における上下の横架材と左右の柱とで構成する架構（枠あるいはフレーム構造部分）にダンパーなどの制振部材を取り付けて、地震や強風などによって建物に生じた振動を低減するものが知られている。

特許文献１には、上下の横架材と左右の柱を構成部材とする架構の一方の柱に粘弾性材をエネルギー吸収材とした粘弾性ダンパーと鋼材ダンパー（いずれも制振部材）を取付け、他方の柱の上下位置と粘弾性ダンパーとをブレースで結合した構造が開示され、特許文献２には第１板材と第２板材との間に中継板材を配置してこれらの間に粘弾性材をサンドイッチ状に（多層に）配置することで大きな変形差に対応できる粘弾性ダンパーの構造そのものが開示され、また、特許文献３には第１と第２の浮動部材の間に粘弾性材を、間隔をとって配置し、架構の変形にともなう第１と第２の浮動部材の回転変位中心を前記間隔の箇所に配置することで、粘弾性材を有効に機能させることを特徴とした粘弾性ダンパーが開示されている。

特開２００６−２０７２９２号公報 特開２００７−４６７２号公報 特開２００７−１２６８６８号公報

制振部材としての粘弾性ダンパーは、いずれも第１プレートと第２プレートの間にイソブチレン・スチレン系などの粘弾性材を強力に溶着してあり、第１プレートと第２プレートが相対的に変位することで機能するが、現状の粘弾性材には、特性上、例えば、厚さ６．９ｍｍの粘弾性材（イソブチレンＳＤ４７６ カネカ化学）を第１プレートと第２プレート間に溶着した構造のものでは、第１プレートに対して第２プレートが平行に粘弾性材の厚さ×３００％（損傷限界変位・・・設定値、この例では、２０.７ｍｍ）以上の変位をした経歴があっても外見上で原状と変わりがない。
なお、粘弾性ダンパーの損傷限界は、このダンパーを交換するのが適切である時期の目安とするものであるが、前記の損傷限界変位が何回繰り返されたかで設定される。そして、損傷限界変位は、地震や強風による建物躯体の中程度の揺れ（１０〜２５ｃｍ／秒）によって生じる変位であって、建物が存立している期間に５０〜１００回程度の頻度で発生するものとしている。
一方、粘弾性ダンパーの安全限界は、やはり、交換するのが適切である時期の目安とするものであるが、損傷限界変位よりも大きな安全限界変位が何回繰り返されたかで設定される。安全限界変位は、第１プレート、第２プレートと粘弾性材との溶着が剥がれてきたり、粘弾性材の層にせん断力による亀裂が生じてきたりする変位であり、建物が存立している期間に２，３回あるかないかの大地震による建物躯体の大きな揺れ（５０ｃｍ程度／秒)の揺れによって生じるものである。損傷限界、安全限界は共に粘弾性材の組成や溶着手段、気温などの使用環境、適用する安全率などによって異なってくるので、実験によって定める。

一方、建物は大きく地震力を受けてもすぐに倒壊してしまうものではなく、また、激しく変位しても建物の復元力で架構の変形が元に戻るなどすると、粘弾性ダンパーもまた、ほぼ正常な外見に戻って残存していることがある。このような場合、内壁材を剥がすなどして制振架構の状況を点検しても、粘弾性ダンパーがその損傷限界を超えたものか否かを判別できない。

このため、点検時に地震の揺れから判断して粘弾性ダンパーが損傷限界を超えていると確信し、交換を提案しても、外観としては何の損傷も現れていないため、建物オーナーに不必要な交換を提案しているのではないかとの疑問を抱かせたり、点検者が粘弾性ダンパーの交換が必要な状態を見逃してしまうなどのトラブルが予測される。このような状況は粘弾性ダンパーに限らず、制振部材一般について生じる。
この発明は、このようなトラブルを未然に防止するために、例えば粘弾性ダンパー（制振部材）が損傷限界変位あるいは安全限界変位を超過したか否かを視覚的に確認できる制振架構の構造を提供する。

建物躯体における架構に取り付けた制振部材に設定値以上の変位が生じたことを目視できる変位検出スケールを設ける。変位検出スケールは、架構が振動することによる支持部材間の設定された値以上の相対変位に相応して状態（位置、形状など）が変化する部材であって、例えば曲げ移動されたその位置を不可逆に維持することで変位を記録したり、破壊される（不可逆）ことによって設定値を超えたことを記録したり、あるいは前記の相対変位によって引っかいたり、擦り付けたりすることで制振架構の一部にマーキングし、これによって変位を記録する構造のものである。

制振架構の点検時に、制振部材が正常な状態にあったか否かを目視で確認でき、点検結果に客観性があると共に、交換が必要な制振部材を見落とすことがない。

図１は、建物躯体における架構１を示したものであり、架構１は左右の柱２，３と上下の横架材すなわち梁４と土台５とで構成されている。柱２，３の長さは２８５０ｍｍ、柱２，３の内面間寸法９１０ｍｍである。
柱２，３の内面上部には上結合金物６，７が固定され、梁４の下面には係合金物８，９が固定されている。左右の柱２，３の上端に梁４をほぞ結合などで載置し位置決めした後、上引寄せボルト１０，１１の下端を前記上結合金物６，７に係合させ、上端を前記係合金物８，９に係合させている。上引寄せボルト１１，１０に関して、その下部に螺合させ、上結合金物６，７に当接させた上ナット１２，１３を締めこむことで梁４を柱２，３側に引寄せて取り付けている。この取り付け構造は、柱２，３の上部と梁４との接合を剛に結合するものではなく、梁４に対して柱２，３の上端がある程度相対的に移動できる、すなわち、架構１に対して水平方向にせん断力が作用すると柱２，３が傾斜できる構造となっている。

柱２，３の内面下部には下結合金物１４，１５が固定され、基礎１６上面に土台５が載置されて土台固定用のアンカーボルト（図示されていない）によって基礎１６に固定されている。基礎１６にはまた結合用のアンカーボルト１７，１８が下部を埋め込み固定され、上部が土台５を貫通して上方に突出している。左右の柱２，３を土台５へほぞ結合などで載置し位置決めした後、下結合金物１４，１５に下引寄せボルト１４’，１５’の上端部をこれらに螺合させたナット１９，２０を利用して係合し、その下部と結合用のアンカーボルト１７とを長ナット２１，２２を用いて連結する。

下結合金物１４，１５に係合させた下引寄せボルト１４’，１５’のナット１９，２０をねじ込むことによって、柱２，３を土台５側に引寄せて取り付けている。この取り付け構造は、梁４の場合と同様に、柱２，３の下部と土台５との接合を剛に結合するものではなく、土台５に対して柱２，３の下端がある程度相対的に移動できる、すなわち、架構１に対して水平方向にせん断力が作用すると柱２，３が傾斜できる構造となっている。

柱２，３の内面中間部には中間結合金物２３，２４が固定されている。これら上結合金物６，７、下結合金物１４，１５及び中間結合金物２３，２４は、上下方向に比較的長尺（３５０〜５００ｍｍ）であり、横断面において内側に開口したコ字形をし、両側壁に貫通した取付け孔２５と両側壁をつなぐ背壁に柱２，３の内面へ取り付けるためのビス用孔（見えていない）がそれぞれ複数個ずつ形成されている。

左右の柱２，３の内面に開口を対向させて取り付けられた上結合金物６，７、下結合金物１４，１５及び中間結合金物２３，２４には上下に長い長方形（２０００×３５０ｍｍ）の構造用合板からなる左右の伝達板２６，２７（支持部材）がそれぞれ柱側の端縁で多数のビスにより緩みのないように確実に固定される。伝達板２６，２７の上縁は取り付けられた状態で梁４の下面と充分な間隙（４２５ｍｍ）があり、下縁は土台５の上面と充分な間隙（４２５ｍｍ）がある。また、左右の伝達板２６，２７間にも間隙（８５ｍｍ）がある。
なお、これらの間隙は、本来はできる限り小さくするのが好ましい。しかし、床や天井を取り除かない既存住宅の改修施工では前記程度の間隙は止むを得ない。

そして、左右の伝達板２６，２７に渡って粘弾性ダンパー２８，２９（制振部材）が上下に間隔を取って配置固定されていると共に、伝達板２６，２７の上縁と下縁に渡って変位検出スケール３０，３１が取り付けられている。上方の粘弾性ダンパー２８の中心位置は土台５の上面から１８２５ｍｍ、下方の粘弾性ダンパー２９の中心位置は土台５の上面から１０２５ｍｍである。
粘弾性ダンパー２８と同２９は同じ構造であり、図２に示すように鋼板（厚さ１．６ｍｍ ４００×２０５ｍｍ）の第１プレート３２と第２プレート３３（４００×２１５）の平行間隔箇所に粘弾性材３４（イソブチレンＳＤ４７６）を６．９ｍｍの厚さの層として溶着してある。粘弾性ダンパー２８，２９は第１プレート３２を左の伝達板２６に固定し、第２プレート３３を右の伝達板２７に固定することで、両伝達板２６，２７にわたらせて固定してある。

粘弾性ダンパー２８，２９のこの構成と規模は、柱２，３の傾斜が１／３０rad.（柱傾斜の安全限界）に達してもダンパー自体をその損傷限界変位以下に維持できるものである。すなわち、柱頂部での水平方向せん断力がこの頂部を２８５０×１／３０≒９０ｍｍ程度に変位させるものであるとしても、図示の実施例において、まず、粘弾性ダンパー２８，２９の位置が架構１の高さ（柱の長さ）の約１／３であるところから前記の変位は粘弾性ダンパー２８，２９の位置では３０ｍｍとなり、さらに、実際にはこれに架構１の構造自体の撓みや接合部分のすべりが入るので、ダンパーに伝達される変位はさらに１／２程度となり、結果として１５ｍｍ程度となる。

変位検出スケール３０と同３１は、同じ構造であり（図３）、両側の側壁３５，３６と上下２段とされた上天板部３７、下天板部３８を備え、全体として断面コ字形の部材である。変位検出スケール３０、３１は、伝達板２６，２７の対向間隔を跨いで両伝達板に掛け渡せる長さである。両側の側壁３５，３６の間隔は、伝達板２６，２７の厚さよりわずかに大きく、側壁３５，３６の基部（下天板部３８側）にビス止め用の孔３９が２個形成されている。

上天板部３７と下天板部３８との段差ｔは粘弾性ダンパー２８，２９の損傷限界変位に対応したものであり、この実施例において２０．７ｍｍである。すなわち、左右の伝達板２６，２７の上縁の上下位置が相対的に２０．７ｍｍを超えて変位すると粘弾性ダンパー２８，２９における第１プレート３２と第２プレート３３の相対変位も２０．７ｍｍを超過し、損傷限界変位を超えたと判断できる設定になっている。下天板部３８は基準位置を定め、上天板部３７は検出位置を定めているといえる。なお、下天板部３８は製造上の都合から、符合３８ａで示す部分と同３８ｂで示す部分に分離して形成され、両方の側壁３５，３６の上部を折り曲げて形成されている。

変位検出スケール３０は、伝達板２６，２７の上部に配置し、基部を左の伝達板２６の上部にビス止め用の孔３９にビスを通して固定する。このとき、下天板部３８を設定値に関する基準として（通常は、左伝達板２６の上縁に当接させて）固定する。上天板部３７の部分は両側壁３５，３６で右伝達板の上縁部を挟み込んだ単なる嵌合状態とされる（図４（イ））。上天板部３７と右伝達板２７の上縁との間には設定値に対応した寸法ｔの間隔があり、結局、右の伝達板２７は、変位検出スケール３０に対して上下、左右、すなわち、伝達板２７の面方向では自由に移動できる。ただし、前後には両側の側壁３５，３６で規制され、伝達板２６，２７が相対移動するときに面方向でぶれてしまい、粘弾性ダンパー２８，２９に座屈の傾向が生じるなどの悪影響が出るのを防止することができる。

もう一つの変位検出スケール３１は、伝達板２６，２７の下部に配置し、基部を右の伝達板２７の下部にビス止め用の孔３９にビスを通して固定する。伝達板２６，２７との位置関係は先の変位検出スケール３０の場合と点対称の関係になる以外は同じである。

以上の構造であって、架構１は、伝達板２６，２７及び粘弾性ダンパー２８，２９を備えて制振機能を備えた制振架構に構成されている。この制振架構に水平方向のせん断力が作用すると、柱２，３の傾斜が伝達板２６，２７を介して粘弾性ダンパー２８，２９に伝達され、ダンパーがせん断変形を受けることで建物に生じる振動が低減される。柱２，３が傾斜することにより、これらに固定された左右の伝達板２６，２７の上縁は相対的に上下に移動し、変位する。変位が変位検出スケール３０，３１の設定値ｔを超過すると、例えば、上方の変位検出スケール３０では、右の伝達板２７の上縁が変位検出スケール３０の上天板部３７に衝突してこれを突き上げるので、変位検出スケール３０は、伝達板２６側に固定された基部のビス止め部分を中心に上方へ折れ曲がるように変形する（図４（ロ））。この変形は不可逆であり、その後に伝達板２６，２７の相対移動が解消されても、変形した状態が維持される。

したがって、大きな地震後に粘弾性ダンパー２８，２９を点検した際に、変位検出スケール３０が変形しているか否かで、この制振架構１の粘弾性ダンパー２８，２９が損傷限界変位以上の変位を受けたか否かを目視で簡単、かつ、確実に確認することができる。交換の必要があるか否かは、このような変位を何回受けたかの経歴データに基づくことになる。
下方の変位検出スケール３１も同様に機能する。
架構１に作用する水平方向のせん断力はプラス方向とマイナス方向とで異なることがあり、変位検出スケールは、両伝達板２６，２７の上縁箇所と下縁箇所の２箇所に配置しておくことが好ましい。また、地震に対する家屋の安全からすれば、地震波の進行方向に対して平行となる配置の架構と直交する方向に配置された架構の双方にこの変位検出スケール３０，３１を取り付けておくことが好ましい。

以上、一つの実施例を示したが、制振架構における粘弾性ダンパー２８，２９の構成は実施例のものに限らない。また、変位検出スケール３０，３１は、実施例のように、両伝達板２６，２７の間に配置する他、粘弾性ダンパー２８，２９の第１プレート３２と第２プレート３３の間に配置したり、あるいは、架構１の柱２，３の傾斜によって相対的に変位する部材間（建物躯体の部材間）に配置することもある。要するに、粘弾性ダンパー２８，２９における第１プレート３２と第２プレート３３の面方向のずれと相応する変位が生じる部材間に渡り配置することができる。
設定値ｔは、安全限界変位に相応した値とすることもある。

変位検出スケール３０，３１は、粘弾性ダンパー２８，２９の第１プレート３２と第２プレート３３間に設定値ｔ以上の面方向ずれに対応した状態を不可逆に記録できるものであれば良い。図５、図６はその他の例である。
図５の例は、変位の大きさを破断によって不可逆に記録するものであり、図５イのように、アクリルなどの脆い硬質合成樹脂のほぼ矩形をした板材である。変位検出スケール３０，３１は、垂直な取付部４０と上部の水平方向に屈曲された検出部４１とからなる。取付部４０の左右方向寸法は伝達板２６，２７の対向間隔を跨いで両伝達板に掛け渡せる長さであり、両端箇所にそれぞれ複数のビス孔４２を有する。取付部４０にはまた変位検出の基準位置となるべき箇所に直線の目印４３を入れ、目印４３から寸法ｔだけ上方に検出部４１が位置するようにされている。

この変位検出スケール３０，３１は、目印４３を目安にして取付部４０の一端側を架構１において水平方向のせん断力を受けた際に相対移動する部材の一方にビス孔４２を利用して固定し、取付部４０の他端側を相対移動する部材の他方に沿わせ、他方の部材が一方の部材に対して設定値ｔ以上の変位を生じたとき、検出部４１に当接する配置とする。この変位検出スケール３０，３１は一枚だけで使用することができる。また、両端箇所にそれぞれ複数のビス孔４２を有するので、検出部４１を向い合わせ、２枚を対向させた状態で使用することもできる。２枚を使用するときは、例えば、前記の伝達板２６，２７を挟むようにして取り付けることで、伝達板２６，２７を同一面内に維持する機能があり、架構１の変位時に粘弾性ダンパー２８，２９が座屈する傾向となるのを防止することができる。

そして、変位検出スケール３０，３１の位置で、設定値ｔ以上の変位があると、硬く固定された取付部４０の他端側上部の検出部４１が他方の部材によって押し上げられて取付部４０のビス止めされた箇所あるいは検出部４１が破断（破壊）される。
このため、大きな地震後に内壁材を除去して点検すれば、目視にて簡単に粘弾性ダンパー２８，２９の交換が必要か否かを客観的に判断することができる。

図６の例は、変位をマーキングにより記録する変位検出スケール３０，３１である。この例ではバネ性板材４４の先端部に黒鉛などのマーキング材４５を取り付けてある。
水平方向のせん断力を受けて相対移動する建物躯体の部材、たとえば柱３と梁４の一方にバネ性板材４４の基部を確実にビス止めし、先端のマーキング材４５を他方の部材の表面に板材４４のバネ性を利用して押圧しておく。
地震による柱の振動（傾斜）の程度は他方の部材の表面に円弧状にマーキング４６されるので（図６（ロ））、その規模を測定することで傾斜の大きさ、すなわち、粘弾性ダンパー２８，２９の変位の大きさを知ることができる。
マーキング材４５は鋭い金属製の爪などでもよく、他の部材の表面を引っかくことによってマーキングをしてもよい。

建物躯体における制振架構の正面図。 粘弾性ダンパーの断面図。 変位検出スケールの第２の例。 （イ）は、変位検出スケール（第２の例）の取り付け状態、（ロ）は、その検出状態の模式図。 （イ）は、変位検出スケールの第３の例、（ロ）は、その検出状態の模式図。 （イ）は、変位検出スケールの第４の例、（ロ）は、その検出状態の模式図。

符号の説明

１ 架構
２ 柱（左）
３ 柱（右）
４ 梁
５ 土台
６ 上結合金物（左）
７ 上結合金物（右）
８ 係合金物（左）
９ 係合金物（右）
１０ 上引寄せボルト（左）
１１ 上引寄せボルト（右）
１２ 上ナット（左）
１３ 上ナット（右）
１４ 下結合金物（左）
１５ 下結合金物（右）
１４’ 下引寄せボルト（左）
１５’ 下引寄せボルト（右）
１６ 基礎
１７ 結合用のアンカーボルト（左）
１８ 結合用のアンカーボルト（右）
１９ ナット（左）
２０ ナット（右）
２１ 長ナット（左）
２２ 長ナット（右）
２３ 中間結合金物（左）
２４ 中間結合金物（右）
２５ 取付け孔
２６ 伝達板（左）
２７ 伝達板（右）
２８ 粘弾性ダンパー（上）
２９ 粘弾性ダンパー（下）
３０ 変位検出スケール（上)
３１ 変位検出スケール（下）
３２ 第１プレート
３３ 第２プレート
３４ 粘弾性材
３５ 側壁（前）
３６ 側壁（後）
３７ 上天板部
３８ 下天板部
３９ ビス止め用の孔
４０ 取付部
４１ 検出部
４２ ビス孔
４３ 基準線の目印
４４ バネ性板材
４５ マーキング材
４６ マーキング

Claims (2)

1. 建物躯体に一対の板状の支持部材が対向して設けられ、この一対の支持部材は建物躯体の振動によって、上下又は左右に変位するように構成されていて、この一対の支持部材に制振部材とその制振部材の変位が設定値以上のせん断変形を生じたことを目視で確認できる変位検出スケールを備えており、
   前記変位検出スケールは、対向する側壁と、上下２段とされた上天板部、下天板部を備えた、断面コ字形の部材であり、
   前記上天板部と、前記下天板部との段差は前記制振部材の損傷限界変位であり、
   前記変位検出スケールは、前記下天板部を一方の前記支持部材の端部に当接し、前記一対の支持部材に掛け渡して配置して、下天板部側の前記支持部材に固定することを特徴とした制振架構。
2. 請求項１に記載の制振架構において、
   前記変位検出スケールは、前記支持部材の上端および下端に、点対称に配置することを特徴とした制振架構。

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