JP5285452B2

JP5285452B2 - 座屈拘束ブレース及びそれを用いた耐力フレーム

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Publication number: JP5285452B2
Application number: JP2009014565A
Authority: JP
Inventors: 太一色; 弘之奥田; 貴史前田
Original assignee: Panahome Corp
Current assignee: Panasonic Homes Co Ltd
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-01-26
Also published as: JP2010168865A

Description

本発明は、建築物の壁などの垂直構面、及び床などの水平構面の内側に架け渡されることにより、水平力に対する建築物の変形を抑制し、また地震時における建築物の振動の早期減衰などに役立つ座屈拘束ブレース及びそれを用いた耐力フレームに関する。

従来の座屈拘束ブレースは、低降伏点鋼等を用いたブレース芯材を、鋼管等を用いた補剛材の内側に挿入し、これらブレース芯材と補剛材との隙間に、モルタル、合成樹脂等硬化性の材料を充填した構造が多く採用されている。

このように構成された座屈拘束ブレースでは、圧縮荷重を受ける際に発生するブレース芯材の座屈が、補剛材の曲げ剛性によって拘束される。従って、比較的小さな断面のブレース芯材で、引張力及び圧縮力の両方に充分抵抗し、ブレースとして必要な補強効果を得ることができる。また、地震発生時など建築物に大きな水平力が発生すると、小断面のブレース芯材はこれらの外力を塑性変形エネルギーに変換して振動応答を効果的に抑えることができる（例えば、特許文献１ないし４参照）。

特開２００５−２２０６３７号公報特開２００８−７５２８０号公報特開２００８−７５２８１号公報特開２００８−２５５６５４号公報

しかしながら、ブレース芯材が座屈しようとする力を補剛材に確実に伝達するためには、モルタル等の硬化性材料を隙間なく充填する必要がある。また、ブレース芯材が自由に伸縮できるようにするため、ブレース芯材と充填材とを絶縁材等にて縁切りする処置が必要となる。このため、従来の座屈拘束ブレースは、高いレベルの製造技術及び品質管理が必要となり、製造コストが高いという問題がある。このため、従来の座屈拘束ブレースは、高層ビル等の使用に限定され、一般住宅等には採用し難いという問題があった。

本発明は、以上のような問題点に鑑み案出なされたもので、品質を低下させることなく安価に製造でき、例えば規格化住宅などにも広く採用することが可能な座屈拘束ブレース及びそれを用いた耐力フレームの提供を課題としている。

本発明のうち請求項１記載の発明は、建築物の変形を抑制する座屈拘束ブレースであって、軸力を負担する長尺板状のブレース芯材と、このブレース芯材の長手方向の一端側に、溝部を該ブレース芯材の板面に向けて該ブレース芯材の両側面に溶接された一対の溝型鋼からなる第１の補剛材と、前記ブレース芯材の長手方向の他端側に、溝部を該ブレース芯材の板面に向けて該ブレース芯材の両側面に溶接されしかも前記第１の補剛材とは離間して設けられた一対の溝型鋼からなる第２の補剛材と、前記第１の補剛材及び第２の補剛材がともに挿入されるとともに両補剛材の相対曲げを防止する第３の補剛材とを少なくとも含み、かつ、前記第１の補剛材及び第２の補剛材は、前記ブレース芯材の両端部をそれぞれ外側に超えてのびる取付端部を有することを特徴とする。

また請求項２記載の発明は、前記取付端部は、前記一対の溝型鋼が前記ブレース芯材の厚さに等しい隙間を有して向き合う部分により形成される請求項１記載の座屈拘束ブレースである。

また請求項３記載の発明は、前記第３の補剛材は、前記ブレース芯材と溝型鋼との溶接部を点検しうる点検孔を有する請求項１又は２記載の座屈拘束ブレースである。

また請求項４記載の発明は、前記ブレース芯材の両側面において、第１の補剛材とブレース芯材とが囲む空間と、前記第２の補剛材とブレース芯材とが囲む空間との間をブレース芯材の長手方向に連続してのびる第４の補剛材をさらに含む請求項１乃至３のいずれかに記載の座屈拘束ブレースである。

また請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の座屈拘束ブレースを斜材として用いたことを特徴とする耐力フレームである。

また請求項６記載の発明は、矩形状の外周枠と、この外周枠のコーナ部に配されかつ内側に張り出したコーナープレートと、外周枠の枠材から内側に張り出す取付プレートとを含み、前記座屈拘束ブレースは、ブレース芯材をコーナープレート及び取付プレートそれぞれに接触させることなくその両端の取付端部がコーナープレート及び取付プレートに溶接される請求項５記載の耐力フレームである。

また請求項７記載の発明は、前記第３の補剛材は、一端側のみがコーナープレート又は取付プレートに固着される請求項５又は６記載の耐力フレームである。

本発明の座屈拘束ブレースは、軸力を負担する長尺板状のブレース芯材と、このブレース芯材の長手方向の一端及び他端側にそれぞれ溶接される互いに離間した第１、第２の補剛材と、第１の補剛材及び第２の補剛材がともに挿入されるとともに両補剛材の相対曲げを防止する第３の補剛材とを用いて構成される。従って、本発明の座屈拘束ブレースは、ブレース芯材の大きな座屈を補剛材のみで効果的に抑制しうる結果、引張力及び圧縮力の両方に充分抵抗してブレースとして必要な補強効果を発揮しつつ低コストで製造できる。従って、工業化住宅等にも広く採用することができ、汎用性を高めうる。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１には、座屈拘束ブレース１の全体斜視図、図２は図１のＡ−Ａ端面図、図３は図１のＢ−Ｂ端面図がそれぞれ示される。

本実施形態の座屈拘束ブレース１は、長手方向に作用する引張、圧縮両方向の軸力を負担するブレース芯材２と、このブレース芯材２の長手方向の一端側Ｓ１に溶接された第１の補剛材３と、前記ブレース芯材２の他端側Ｓ２に溶接された第２の補剛材４と、第１の補剛材３及び第２の補剛材４がともに挿入されるとともに両補剛材３、４の相対曲げを防止する第３の補剛材５とを少なくとも含んで構成される。

前記ブレース芯材２には、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼又は合金鋼など各種の鉄鋼材料を採用できるが、好ましくは極低降伏点鋼等が望ましい。極低降伏点鋼は、一般鋼（例えばＳＭ４９０やＳＳ４００）に比べると約１／４〜１／３の降伏点しか持たないが、伸びに関しては５０％以上と非常に優れた性能を発揮できる。また、ブレース芯材２には、第１ないし第２の補剛材３ないし４との摩擦を軽減するために、表面がめっき仕上げされても良い。

また、ブレース芯材２は、断面矩形状の長尺板状をなし、一例として幅Ｗが例えば２０〜１００mm程度、厚さｔが例えば３〜１５mm程度で構成される。また、ブレース芯材２の長さ寸法等は、ブレース芯材２が取り付けられるスパン長に応じて適宜設定されれば良い。

前記第１の補剛材３は、ブレース芯材２の長手方向の一端側Ｓ１に、ブレース芯材２の両側面に溶接された一対の溝型鋼６からなる。各溝型鋼６は、ウエブ６ａと、その両端からのびる一対のフランジ部６ｂ、６ｂとを有し、その溝部６ｗをブレース芯材２の板面２Ｐ（厚さｔの方向と直角な面）に向けて配される。より具体的には、溝型鋼６は、その両側のフランジ部６ｂの端面６ｂｅがブレース芯材２の板面２Ｐに当接した状態でブレース芯材２を上下から挟むように溶接固着されている。なお、溝型鋼６の幅は、ブレース芯材２の幅Ｗよりも小さく、これにより、フランジ部６ｂの両外側に溶接可能な入隅状のコーナ部が形成される。

図４には、座屈拘束ブレース１の第３の補剛材５を縦断面にて切断した側面図が示される。図４には、符号Ｊにて溶接部（溶接ビード）が示されている。図から明らかなように、ブレース芯材２と第１ないし第２の補剛材３ないし４の溝型鋼６とは、所定の長さでかつ間欠的に溶接されている。また、第１の補剛材３の最も他端側Ｓ２の溶接部Ｊａは、溝型鋼６の内縁６ｓから一端側Ｓ１に控えた位置に設けられている。

以上のような第１の補剛材３は、溝型鋼６によってブレース芯材２を上下から挟むことにより、その補剛範囲で該ブレース芯材２の座屈を抑制しうる。

また、前記第２の補剛材４は、ブレース芯材２の長手方向の他端側Ｓ２に、第１の補剛材３と同様、ブレース芯材２の両側面に溶接された一対の溝型鋼６からなる。この溝型鋼６は、第１の補剛材３のものと同一であり、その両側のフランジ部６ｂの端面６ｂｅをブレース芯材２の板面２Ｐに当接させた状態でブレース芯材２に溶接固着されている。従って、第２の補剛材４も、第１の補剛材３と同様、溝型鋼６によってブレース芯材２を上下から挟むことにより、その補剛範囲で該ブレース芯材２の座屈を抑制しうる。

また、図４に示されるように、第２の補剛材４は、第１の補剛材３とは長手方向に離間して設けられる。第１の補剛材３と第２の補剛材４とが突き合わされている場合、圧縮力の作用時、ブレース芯材２ではなく第１ないし第２の補剛材３、４が軸力を負担してしまうため採用できない。換言すれば、ブレース芯材２の第１の補剛材３と第２の補剛材４とが離間した離間部分Ｕに限定してブレース芯材２の比較的大きな塑性変形（伸縮ないし局部座屈）を生じさせることが可能である。

さらに、第２の補剛材４の最も一端側Ｓ１の溶接部Ｊｂは、その溝型鋼６の内縁６ｓから他端側Ｓ２に控えた位置に設けられている。つまり、第１の補剛材３の前記溶接部Ｊａと、第２の補剛材４の溶接部Ｊｂとの間の領域Ｋでは、ブレース芯材２と各補剛材３ないし４とは当接しているだけで固着されていないので、この領域Ｋでは、ブレース芯材２の変形（伸縮）により、該ブレース芯材２と補剛材３又は４の溝型鋼６との相対移動が可能である。

また、第１の補剛材３及び第２の補剛材４は、ブレース芯材２の両端部２Ｅをそれぞれ外側に超えてのびている。この部分は建築物や構造体側に取り付けられる取付端部７として使用される。本実施形態の取付端部７は、溝部６ｗを向き合わせた前記一対の溝型鋼６、６がブレース芯材２の厚さｔに等しい隙間９を有して向き合う部分として形成される。

前記第３の補剛材５は、第１の補剛材３及び第２の補剛材４がともに挿入される角筒状で構成される。即ち、第３の補剛材５は、溝型鋼６のウエブ６ａと実質的に平行な上、下面５ａと、これらの間を継ぐ左右の側面５ｂとを有する。

また、図４に示されるように、第３の補剛材５は、ブレース芯材２よりも大きい長さを有し、かつ、第１の補剛材３及び第２の補剛材４に跨ってのびている。また、図２及び図３に示されるように、第３の補剛材５は、第１の補剛材３又は第２の補剛材４の各溝型鋼６のウエブ６ａ、６ａの外面間の高さＴ及びブレース芯材２の幅Ｗよりも僅かに大きい角形断面を有する。従って、第１の補剛材３と、第２の補剛材４との相対的な曲げ変位をきわめて小さい範囲に拘束しうる。

また、図１及び図３に示されるように、第３の補剛材５には、ブレース芯材２と溝型鋼６との溶接部Ｊを点検しうる点検孔１０が設けられる。通常、座屈拘束ブレース１は、完成品として仕上げられると、補剛材の内部を確認ないし点検することができない。しかし、本実施形態のように、第３の補剛材５にブレース芯材２と溝型鋼６との溶接部を視認しうる点検孔１０を設けておくことにより、座屈拘束ブレース１を構造体に組み込む施工時に、改めてブレース芯材２と溝型鋼６との溶接部Ｊの品質の点検・確認等を行うことができる。本実施形態の点検孔１０は、第３の補剛材５の側面５ｂに設けられた矩形状の開口で形成されるが、溶接部Ｊを視認しうるものであれば、長円状や楕円状であっても構わない。

上記各補剛材３、４及び５には、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼を含む鉄鋼材料が好適に用いられるが、前記ブレース芯材２の座屈を確実に防止するために、ブレース芯材２よりも高弾性の金属材料が好適に使用される。

また、本実施形態の座屈拘束ブレース１は、ブレース芯材２の座屈を抑制するための硬化性充填剤などを一切使用することなく、上述の鋼製の補剛材のみで前記ブレース芯材２が座屈補強される。従って、本実施形態の座屈拘束ブレース１は、ブレース芯材２の拘束材（鋼材）以外には他の部品を必要としないため、安価にかつ簡単に製造できる。よって、本実施形態の座屈拘束ブレース１は、工業化住宅等においても広く採用でき、汎用性を高めうる。

以上のように構成された座屈拘束ブレース１は、図１に示されるように、第１の補剛材３の取付端部７及び第２の補剛材４の取付端部７がそれぞれ構造体側のプレートＰ１、Ｐ２等に固着されて使用される。取付端部７は、隙間９を有するので、該隙間９を各プレートＰ１、Ｐ２に差し込んで仮保持ないし位置決めができる。また、取付端部７とプレートＰ１又はＰ２とは、例えば、隅肉溶接等の簡単な溶接によって容易に固着することができる。これは、座屈拘束ブレース１の施工性を向上させるのに役立つ。ただし、ボルト等で接合されても良い。なお、第３の補剛材５は、ガタツキ等を防止するために、その一端側のみがプレートＰ１又はＰ２に固着され、他端はプレートＰ１又はＰ２に固着されずにフリーな状態とされる。

例えば、プレートＰ１、Ｐ２間に圧縮力が作用すると、その圧縮力は、第１の補剛材３及び第２の補剛材４を介してブレース芯材２に伝えられる。つまり、軸力はブレース芯材２によって負担される。しかし、第１の補剛材３及び第２の補剛材４は、第３の補剛材５で拘束されているので、これらは実質的に相対曲げ変位は生じない。従って、ブレース芯材２は、上述の領域Ｋ、とりわけブレース芯材２の第１の補剛材３と第２の補剛材４との離間部分Ｕにおいて圧縮変形により縮むことにより高い圧縮抵抗性を示す。圧縮力がブレース芯材２の降伏点を超えない場合、除荷時にはブレース芯材２は再びもとの形状に復元する。

他方、地震等により、ブレース芯材２の降伏点を超える大きな圧縮力が作用した場合、図５に示されるように、ブレース芯材２は、上記離間部分Ｕにおいて局部的に圧縮塑性変形し、圧縮エネルギーを吸収する。これは、特に振動の早期減衰に役立つ。

以上のように、本実施形態の座屈拘束ブレース１は、水平力に対する建築物ないし構造体の変形を抑制し、また地震時における建築物の振動の早期減衰を実現しうる。

なお、前記離間部分Ｕの長さ及び／又は溶接部Ｊａ−Ｊｂ間の長手方向の距離を調節することにより、ブレース芯材２の伸縮量（変位量）を調整することができる。例えば圧縮ひずみが大きくなることが想定される場所で本実施形態の座屈拘束ブレース１を使用する場合、前記溶接部Ｊａ−Ｊｂ間の距離を十分に大きく確保することが望ましい。これにより、ブレース芯材２のひずみ（率）を軽減することが可能になり、ブレース芯材２の圧縮塑性変形を遅らせることができる。

特に限定されるものではないが、前記離間部分Ｕの長さａは、ブレース芯材２の全長Ｌの１％以上、より好ましくは１．５％以上が望ましく、また、好ましくは３％以下、より好ましくは２％以下が望ましい。同様に、溶接部Ｊａ−Ｊｂ間の長手方向の距離ｂは、好ましくはブレース芯材２の全長Ｌの２０％以上、より好ましくは２５％以上が望ましく、また、好ましくは６５％以下、より好ましくは６０％以下が望ましい。

図６には、座屈拘束ブレース１の他の実施形態が示される。また、図７には、図６のＣ−Ｃ端面図が示される。

この実施形態の座屈拘束ブレース１は、ブレース芯材２の両側面側において、第１の補剛材３とブレース芯材２とが囲む空間と、第２の補剛材４とブレース芯材２とが囲む空間との間を連続してのびる第４の補剛材１１をさらに含んで構成される。他の部分の構成は、基本的には上記実施形態と同様である。

この実施形態において、第４の補剛材１１は溝型鋼１２からなり、そのウエブ１２ａをブレース芯材２の板面２Ｐ側に向けて配置される。また、溝型鋼１２は、そのフランジ部１２ｂの端部１２ｂｅが溝型鋼６のウエブ内面と実質的に当接するかわずかに離間する程度の隙間を持って収められている。このような第４の補剛材１１を有する座屈拘束ブレース１は、上記離間部分Ｕでのブレース芯材２の局部座屈をより確実に防止し、非常に高い圧縮抵抗性を示すことができる。このため、この実施形態の座屈拘束ブレース１では、上記実施形態よりもさらに厚さｔが小さいブレース芯材２を用いて同等の性能を発揮させるることが可能になる。

図８〜図１０には、本実施形態の座屈拘束ブレース１が斜材として用いられた耐力フレーム２０を示す。

該耐力フレーム２０は、図８に示されるように、矩形状の外周枠２１と、この外周枠２１のコーナ部に配されかつ内側に張り出したコーナープレート２２と、外周枠２１の枠材２１Ｖから内側に張り出す取付プレート２３とを含んで構成される。

本実施形態の外周枠２１は、水平に配された上、下の枠材２１Ｕ、２１Ｄ及び、この上、下の枠材２１Ｕ、２１Ｄの左右の両端部間を繋ぎかつ垂直にのびる竪の枠材２１Ｖ、２１Ｖとを含む縦長の矩形状で構成される。隣り合う各枠材には、スリットが形成され、そこに板状のコーナープレート２２が差し込まれかつ溶接により一体接合されている。

図８に示されるように、前記上の枠材２１Ｕに固着されたコーナープレート２２は、上部に突設されるとともに、梁（図示せず）等に挿通された取付ボルト等を挿入可能な透孔３０が形成されている。また、下の枠材２１Ｄに固着されたコーナープレート２２には、耐力フレームの下部を土台ないし梁などに固着しうる取付台座３１等が設けられている。

さらに、前記取付プレート２３は、一方の竪の枠材２１Ｖの略中間部に固着されている。

また、図９及び図１０に示されるように、前記座屈拘束ブレース１は、その両端の取付端部７の隙間９にコーナープレート２２及び取付プレート２３が差し込まれ隅肉溶接部Ｊｃによって外周枠２１内に斜めに組み入れられる。この固着は、ブレース芯材２は、コーナープレート２２及び取付プレート２３のいずれにも接触させることなく行われる。また、本実施形態の座屈拘束ブレース１は、外周枠２１に対して「く」字状に組み入れられるが、その形態は任意に変更できる。なお、第３の補剛材５の両端部には、Ｕ字状に切欠かかれた切欠き部２５が形成され、プレート２２及び２３との干渉が防止される。ただし、第３の補剛材５の一端側のみプレート２２又は２３に溶接されるのは前述の通りである。

このような耐力フレーム２０は、建築架構体（例えば家屋の上下の梁間等）に取り付けられることにより、水平耐力を負担して耐震強度を大幅に向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形することができるのは言うまでもない。

図８の耐力フレームについて、水平引張・圧縮荷重を繰り返しかけたときの変形履歴を図１１に示す。図１１（ａ）は、図１の実施形態の座屈拘束ブレース（ｔ＝６mm）を用いた耐力フレーム、図１１（ｂ）は、図６の座屈拘束ブレース（ｔ＝４．５mm）を用いた耐力フレームの実験結果である。これらの実験結果から明らかなように、本実施形態の座屈拘束ブレースは、引張及び圧縮ともに対称的な変形を示するこが確認できる。また、（ｂ）のものでは、ブレース芯材の厚さが小さいにも拘わらず、高い変形抵抗性を示すことが確認できる。

本発明の座屈拘束ブレースの一実施形態を示す斜視図である。そのＡ−Ａ端面図である。そのＢ−Ｂ端面図である。図１の側面図（一部断面）である。ブレース芯材の局部座屈した状態を示す拡大側面図である。本発明の他の実施形態を示す座屈拘束ブレースの斜視図である。そのＣ−Ｃ端面図である。本実施形態の座屈拘束ブレースを用いた耐力フレームの斜視図である。その要部拡大図である。（ａ）及び（ｂ）は図８の要部拡大図である。（ａ）及び（ｂ）は本実施形態の座屈拘束ブレースを用いた耐力フレームの変形履歴を示すグラフである。

１座屈拘束ブレース
２ブレース芯材
３第１の補剛材
４第２の補剛材
５第３の補剛材
６溝型鋼
６ａウエブ
６ｂフランジ部
７取付端部
１０点検孔
１１第４の補剛材
１２溝型鋼
１２ａウエブ
１２ｂフランジ部
２０耐力フレーム
２１外周枠
２２コーナープレート
２３取付プレート
Ｕブレース芯材の離間部分

Claims

建築物の変形を抑制する座屈拘束ブレースであって、
軸力を負担する長尺板状のブレース芯材と、
このブレース芯材の長手方向の一端側に、溝部を該ブレース芯材の板面に向けて該ブレース芯材の両側面に溶接された一対の溝型鋼からなる第１の補剛材と、
前記ブレース芯材の長手方向の他端側に、溝部を該ブレース芯材の板面に向けて該ブレース芯材の両側面に溶接されしかも前記第１の補剛材とは離間して設けられた一対の溝型鋼からなる第２の補剛材と、
前記第１の補剛材及び第２の補剛材がともに挿入されるとともに両補剛材の相対曲げを防止する第３の補剛材とを少なくとも含み、かつ、
前記第１の補剛材及び第２の補剛材は、前記ブレース芯材の両端部をそれぞれ外側に超えてのびる取付端部を有することを特徴とする座屈拘束ブレース。
前記取付端部は、前記一対の溝型鋼が前記ブレース芯材の厚さに等しい隙間を有して向き合う部分により形成される請求項１記載の座屈拘束ブレース。
前記第３の補剛材は、前記ブレース芯材と溝型鋼との溶接部を点検しうる点検孔を有する請求項１又は２記載の座屈拘束ブレース。
前記ブレース芯材の両側面において、第１の補剛材とブレース芯材とが囲む空間と、前記第２の補剛材とブレース芯材とが囲む空間との間をブレース芯材の長手方向に連続してのびる第４の補剛材をさらに含む請求項１乃至３のいずれかに記載の座屈拘束ブレース。
請求項１〜４の何れかに記載の座屈拘束ブレースを斜材として用いたことを特徴とする耐力フレーム。
矩形状の外周枠と、この外周枠のコーナ部に配されかつ内側に張り出したコーナープレートと、外周枠の枠材から内側に張り出す取付プレートとを含み、
前記座屈拘束ブレースは、ブレース芯材をコーナープレート及び取付プレートそれぞれに接触させることなくその両端の取付端部がコーナープレート及び取付プレートに溶接される請求項５記載の耐力フレーム。
前記第３の補剛材は、一端側のみがコーナープレート又は取付プレートに固着される請求項５又は６記載の耐力フレーム。