JP5285500B2 - 耐力フレームの構造 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨軸組構造の建築物の耐力壁として用いられる耐力フレームの構造に関する。

従来より、鉄骨軸組構造の建築物、とりわけ規格化住宅等の低層建築物において、種々の耐力フレームが提案されている（例えば下記特許文献１ないし２参照）。

特許文献１には、矩形枠内に斜材を架設して構成した耐力壁フレームが記載される。この耐力壁フレームは、矩形枠が上下の梁間、又は梁と土台間に配設されて建物の垂直荷重を支持するための構造材により構成される。また、前記斜材は、両端部を矩形枠に架設して取付けられたブレース本体と、ブレース本体の軸方向変位を許容しつつその面外変形を拘束するための拘束部材とからなるアンボンドブレース（座屈拘束ブレース）が用いられている。

また、特許文献２では、図１２に示されるような耐力フレームａが提案されている。該耐力フレームａは、竪材ｂと横材ｃとを枠組みした矩形状のフレーム内に、斜材としての座屈拘束ブレースｂの両端（図では一方のみを示す。）が固着されている。また、座屈拘束ブレースｂは、ブレース芯材ｅと、このブレース芯材ｅの面外変形を防止する拘束部材ｆとを含んで構成される。

前記拘束部材ｆは、例えば、内側に配される溝型状の内補剛材ｆ１と、その外側に配される角筒状の外補剛材ｆ２とで構成される。さらに、内補剛材ｆ１の端部は、外補剛材ｆ２からはみ出す延出部を有する。この延出部は、外補剛材ｆ２で外部から拘束されないので、ブレース本体ｅがひずみ変形する際にブレース本体ｅから遊離しやすい。そこで、特許文献２では、このような内補剛材ｆ１の遊離を防止するために、該内補剛材ｆ１をブレース本体ｅ側に拘束する外補剛材ｆ２とは別の端部拘束手段ｇを設けることを提案している。

このような耐力フレームａでは、外力が作用した場合、内補剛材ｆ１の延出部は、端部拘束手段ｇによってブレース本体ｅと密に添着した状態が維持される。従って、特許文献２の耐力フレームａでは、強度の弱点となり易い座屈拘束ブレースｂの端部での面外変形を防止することが期待される。

特開２００７−３３２５７０号公報 特開２００８−２５５６５４号公報

しかしながら、上記特許文献２の座屈拘束ブレースａにおいても、より大きな荷重が作用した場合には、端部拘束手段ｇよりも竪材ｂ側の取付プレートｈが、ブレース本体ｅに対して面外方向に変形するという問題があった。従って、特許文献２の技術においても、さらなる改善の余地がある。

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、上述のような端部拘束手段を、水平方向の両外側から挟む垂直構面と平行な面内をのびる一対の取付プレートを介して柱材に固着することを基本として、斜材の両端部での面外変形をより確実に防止し、さらに大きな耐力を発揮して大荷重時でも優れた耐久性及び信頼性を発揮しうる耐力フレームの構造を提供することを主たる目的としている。

本発明のうち請求項１記載の発明は、建物の垂直構面に架設される耐力フレームの構造であって、実質的に平行にのびる一対の第１、第２の柱材と、一端が第１の柱材に固着されるとともに他端が第２の柱材に固着されて斜めにのびる斜材とを含み、前記斜材は、両端が前記第１の柱材及び第２の柱材と固着されることなく縁切りされかつ厚さ方向が水平方向に沿う板状のブレース芯材と、このブレース芯材の座屈を防止しつつ該ブレース芯材の長手方向の変形を許容する補剛材とを含み、前記補剛材は、前記ブレース芯材の厚さ方向両外側に添設された一対の内補剛材と、前記一対の内補剛材を前記ブレース芯材とともに束ねることによりブレース芯材からの離間を防ぐ筒状の外補剛材とを含み、前記ブレース芯材及び一対の内補剛材は、それぞれ長さ方向の両端部が前記外補剛材から外側にはみ出す延出部を具え、しかも前記ブレース芯材の延出部には、その厚さ方向の両側に設けられかつ内補剛材と前記長手方向に相対移動が可能かつ内補剛材の延出部がブレース芯材から離間するのを防ぐ端部拘束手段が固着されるとともに、前記端部拘束手段は、該端部拘束手段を前記厚さ方向の両外側から挟むとともに前記垂直構面と平行な面内をのびる一対の取付プレートを介して前記第１の柱材又は第２の柱材に固着されることを特徴とする。

また請求項２記載の発明は、前記一対の内補剛材は、それぞれ断面コ字状の溝型鋼からなり、かつ、そのウエブが前記垂直構面と平行な面内をのびる請求項１記載の耐力フレームの構造である。

また請求項３記載の発明は、前記端部拘束手段は、前記ブレース芯材の延出部の厚さ方向両側に配されかつ断面略コ字状の溝型鋼からなり、その溝部で内補剛材を囲むとともに一対のフランジ部が前記ブレース芯材に溶着されてなる請求項１又は２記載の耐力フレームの構造である。

また請求項４記載の発明は、前記一対の取付プレートは、一端が第１の柱材又は第２の柱材に固着されるとともに、他端が溝型鋼のウエブに固着される請求項３記載の耐力フレームの構造である。

本発明の耐力フレームは、ブレース芯材の延出部に固着された端部拘束手段が、厚さ方向の両外側から垂直構面と平行な面内をのびる一対の取付プレートに挟まれて柱材に固着される。従って、外補剛材からはみ出すブレース芯材の延出部は、端部拘束手段及び両側の取付プレートで補強されるため、延出部での面外変形をより高荷重域まで遅らせることができる。また、ブレース芯材の軸力は、左右の取付プレートに分散してそれぞれ伝達されるため、取付プレートでの面外変形も効果的に防止しうる。

本実施形態の耐力フレームを用いた軸組構造体の正面図である。 その斜視図である。 図２の分解図である。 図２の要部拡大図である。 図１の断面図である。 アンボンドブレースの実施形態を示す斜視図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 上斜材と第２の柱材との接合部の拡大斜視図である。 （ａ）〜（ｂ）は耐力フレームの施工方法を説明する部分正面図である。 従来の斜材と竪材との接合部の拡大斜視図である。

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１〜３に示されるように、本実施形態の耐力フレーム１は、基礎２と、該基礎２に沿ってその上を水平にのびる梁３との間の垂直構面の上下空間Ｓに架設されることにより、例えば鉄骨軸組構造住宅の１階の軸組構造体Ｆ１の一部を構成する。

本実施形態の耐力フレーム１は、前記上下空間Ｓをのびる第１の柱材４と、壁と対向した正面視において第１の柱材４に向かって凸となる横向きの略二等辺三角形状の三角フレーム体５とをボルト６にて結合することにより形成される。このように、耐力フレーム１を分割して構成することにより、現場への運搬性を向上できる。ただし、耐力フレーム１は、第１の柱材４と三角フレーム体５とが予め工場等で一体に固着されたものでも良いのは言うまでもない。

前記第１の柱材４は、断面角パイプ状の鉄骨柱からなり、その下端は略箱状をなす取付金物Ｂ１を介して基礎２から突出するアンカーボルト２ａに固定される。なお、基礎２と取付金物Ｂ１との間に土台等が介在しても良い。

また、第１の柱材４の上端には、略水平な板材からなる取付プレートＢ２が固着される。そして、この取付プレートＢ２は、コーナ金物Ｃにボルトにて固定されるととともに、該コーナ金物Ｃに前記梁３の一端がボルトにて固定される。なお、コーナ金物Ｃは、梁３と剛固定されるので梁３の一部とみなすことができる。

また、図４及び図５に拡大して示されるように、第１の柱材４には、その長さ方向の略中央部に、側方に突出する上の受け金物７と、下の受け金物８とが上下に距離を隔てて設けられる。

前記上の受け金物７は、第１の柱材４の三角フレーム体５側を向く柱面に溶接にて固着された一対の側板部７ａ、７ａと、該側板部７ａの下面に溶接にて固着されかつ三角フレーム体５を支持する略水平な板状の受け部７ｂとから構成される。この受け部７ｂには、略中央部に透孔９が形成されるとともに、受け部７ｂの下面は、実質的に水平な第１取付面１０が形成される。

同様に、下の受け金物８も、第１の柱材４の三角フレーム体５側を向く柱面に溶接にて固着された一対の側板部８ａ、８ａと、該側板部８ａの上面に溶接にて固着されかつ三角フレーム体５を支持する略水平な板状の受け部８ｂとから構成される。受け部８ｂにも、略中央部に透孔９が形成されるとともに、受け部８ｂの上面は、実質的に水平をなす第２取付面１１が形成される。この第２取付面１１は、上の受け金物７の前記第１取付面１０と向き合いかつその下方に位置するように設けられている。

前記三角フレーム体５は、図１〜３、とりわけ図３に示したように、第２の柱材１２と、上斜材１３と、下斜材１４と、継ぎ部材１５とを予め工場等で一体に固着して略三角形状に構成される。

前記第２の柱材１２の下端側には、第１の柱材４と同様、アンカーボルト２ａに固着するための取付金物Ｂ１が予め固着されるとともに、上端側には梁３にボルト固定するための取付プレートＢ２が固着されている。

前記上斜材１３は、一端１３ａが第２の柱材１２の上端側に固定されるとともに、他端側が第１の柱材４に向かって下降する傾斜を有する。他方、下斜材１４は、一端１４ａが第２の柱材１２の下端側に固定されるとともに、他端１４ｂ側が第１の柱材４に向かって上昇する傾斜を有する。本実施形態において、これらの各斜材１３、１４には、引張力のみならず圧縮力が作用した場合でも大きく座屈することなく十分な耐変形抵抗性を示すいわゆるアンボンドブレース（座屈拘束ブレース）２０が採用される。

図６には、上斜材１３に用いられるアンボンドブレース２０の一実施形態の斜視図を示す。また、図７〜９には、図６のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃの各断面図をそれぞれ示す。

前記アンボンドブレース２０は、両端が第１の柱材４及び第２の柱材１２と固着されることなく縁切りされかつ厚さ方向Ｔが水平方向に沿う板状のブレース芯材２２と、このブレース芯材２２の座屈を防止しつつ該ブレース芯材２２の長手方向Ｌの変形を許容する補剛材３０とを含んで構成される。

前記ブレース芯材２２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２２には、補剛材３０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。本実施形態のブレース芯材２２は、例えば断面矩形状の長尺板状をなし、一例として幅が２０〜１００mm程度、厚さが例えば３〜１５mm程度で構成される。

前記補剛材３０は、ブレース芯材２２の厚さ方向Ｔの両外側に添設された一対の内補剛材２３、２３と、前記一対の内補剛材２３、２３を前記ブレース芯材２２にとともに束ねることによりブレース芯材２２からの離間を防ぐ筒状の外補剛材２４とを含んで構成されている。

前記一対の内補剛材２３は、それぞれ断面略コ字状の溝型鋼からなり、ウエブ２３ａと、その両側から張り出す一対のフランジ２３ｂとを有する。各内補剛材２３は、ウエブ２３ａが前記垂直構面と平行な面内をのびており、この実施形態では、各内補剛材２３は、各々のウエブ２３ａを背中合わせで向き合わせ、かつ、それらの間にブレース芯材２２が配置されている。

前記外補剛材２４は、断面角パイプ状をなし、内部に挿入される内補剛材２３とは、かしめ又は本実施形態のように溶接により一体化されるのが良い。ただし、ブレース芯材２２は、軸力が作用したときの変形により、内補剛材２３及び外補剛材２４に対して相対的な移動が許容される。なお、内側補剛２３及び外補剛材２４からなる補剛材３０は、ブレース芯材２２の軸力支持機能を損なわないように、例えばその一端側のみがブレース芯材２２に溶接されてることにより、位置ずれ等が防止されるのが良い。

また、図６に示されるように、前記ブレース芯材２２及び内補剛材２３は、それぞれ両端部が外補剛材２４からはみ出す延出部２２Ａ、２３Ａを有する。本実施形態では、このブレース芯材２２の延出部２２Ａには、その厚さ方向Ｔの両側に設けられかつ内補剛材２３に対して長手方向Ｌに相対移動が可能かつ内補剛材２３の延出部２３Ａがブレース芯材２２から離間するのを防ぐ端部拘束手段２５が固着される。

本実施形態の端部拘束手段２５は、例えば図６及びそのＣ−Ｃ断面である図９に示されるように、ブレース芯材２２の延出部２２Ａの厚さ方向Ｔの両側に配されかつ断面略コ字状の溝型鋼２６からなる。該溝型鋼２６は、その溝部で内補剛材２３を囲むとともに、一対のフランジ部２６ｂ、２６ｂがブレース芯材２２に溶着される。また、溝型鋼２６は、外補剛材２４から離間した位置に設けられることにより、外補剛材２４とは縁切りされて設けられる。このような溝型鋼２６は、内補剛材２３がブレース芯材１２から離間する向きの移動のみを拘束するが、内補剛材２３が溝型鋼２６に対して長手方向にスライドすることを許容する。

さらに、端部拘束手段としての溝型鋼２６は、図６、図１０に示されるように、該溝型鋼２６を前記厚さ方向Ｔの両外側から挟むとともに垂直構面と平行な面内をのびる一対の取付プレート２８を介して前記第１の柱材４又は第２の柱材１２に固着される。より具体的に述べると、一対の取付プレート２８は、一端が第１の柱材４又は第２の柱材１２の柱面に溶接にて固着されるとともに、他端が溝型鋼２６のウエブ２６ａに溶接にて固着される。なお、符号ｊ１、ｊ２は溶接ビードを示す。

前記三角フレーム体５の継ぎ部材１５は、上斜材１３の他端１３ｂと、下斜材１４の他端１４ｂとを継いで第２の柱材１２と平行に上下にのびている。図４に示されるように、本実施形態の継ぎ部材１５は、溝部を第２の柱材１２側に向けた溝型の枠材１５ａと、この枠材１５ａの上端に溶着されることにより継ぎ部材１５の上端面Ｕをなす上板１５ｂと、枠材１５ａの下端に溶着されることにより継ぎ部材１５の下端面Ｄをなす下板１５ｃとで構成される。また、前記上板１５ｂ及び下板１５ｃには、上下の受け金物７、８にそれぞれ設けられた透孔９と同心に揃えられる透孔１６が形成される。なお、継ぎ部材１５の上端面Ｕ及び下端面Ｄも、実質的に平坦な水平面として形成される。

また、図５に示されるように、本実施形態において、継ぎ部材１５の前記上端面Ｕから下端面Ｄまでの垂直長さｈは、前記上、下の受け金物７、８の第１取付面１０と第２取付面１１との間の垂直方向の間隙の高さＨと実質的に同一か、これよりもわずかに小さく形成されている。

前記ボルト６は、上側ボルト６Ａ及び下側ボルト６Ｂからなる。上側ボルト６Ａは、継ぎ部材１５の上板１５ｂと上の受け金物７とを締結する。また、下側ボルト６Ｂは、継ぎ部材１５の下板１５ｃと下の受け金物８とを締結する。各ボルト６Ａ、６Ｂは、それぞれ受け金物側から透孔９及び１６に挿入され、継ぎ部材１５の内側に溶着されたナットに螺着される。なお、本実施形態のボルト６Ａ、６Ｂには、安価ないわゆる中ボルトを用いることができる。

以上のように構成された耐力フレーム１を用いた建築物の施工方法の一例について述べる。先ず、図１１（ａ）に示されるように、基礎２上に第１の柱材４が固定される。また、第１の柱材４の上端にはコーナ金物Ｃを介して梁３が固定される。これにより、１階の軸組構造体Ｆ１の一部が構築される。

次に、図１１（ｂ）に示されるように、三角フレーム体５の第２の柱材１２の上端及び下端は、それぞれ前記基礎２及び梁３に固定されるとともに、第１の柱材４の上、下の受け金物７、８間に、三角フレーム体５の継ぎ部材１５が固定される。これにより、三角フレーム体５の第２の柱材１２が、前記上下空間Ｓに建て込まれる。

このような耐力フレーム１では、図１１（ｂ）に示されるように、軸組構造体Ｆ１に水平力Ａ又はＢが作用した場合、ブレース芯材２２に引張又は圧縮変形が生じるが、特に圧縮変形時には補剛材３０によってブレース芯材２２の座屈が防止され、引張・圧縮の双方の荷重に対して対向力を発揮することができる。

また、外補剛材２４のないブレース芯材２２の延出部２２ａにおいても、端部拘束手段２５によってブレース芯材２２と内側補剛２３との密着した状態が維持される。このため、従来、弱点箇所となり易いアンボンドブレース２０と竪材（第１ないし第２の柱材４、１２）との接合部近傍での面外変形（座屈）を効果的に抑制し、安定した耐荷重特性を得ることができる。

さらに、前記端部拘束手段２５は、厚さ方向Ｔの両外側から一対の取付プレート２８、２８に挟まれて柱材４又は１２に固着される。このように、端部拘束手段２５を挟むようその両外側に固着された取付プレート２８を介してブレース芯材２２を柱材に接合している。従って、外補剛材２４からはみ出すブレース芯材の延出部２２Ａは、端部拘束手段２５及び両側の取付プレート２８で面外方向への変形をより高荷重域まで遅らせることができる。また、ブレース芯材２２の軸力は、左右の取付プレート２８に分散してそれぞれ伝達されるため、取付プレートでの面外変形が効果的に防止される。

なお、前記水平力Ａ又はＢが作用した場合、軸組構造体Ｆ１は菱形に変形し、第１の柱材４に対して、三角フレーム体５は相対的に上下に変位するので、第１の柱材４と、三角フレーム体５とは、軸組構造体Ｆ１に作用する水平荷重を水平な前記第１、第２の取付面１０、１１の面圧方向で受けることができる。従って、接合面に作用するせん断力を大幅に減じることができ、両部材４、５の位置固定をより確実とし接合面での滑りによる位置ずれを確実に防止することもできる。また、上記面圧方向で水平荷重を受ける結果、ボルト６Ａ、６Ｂに、標準的な中ボルトなどを用いた場合でも、その折損等を効果的に防止でき低コストで軸組構造体Ｆ１の耐久性をも向上しうる。

上記実施形態では、主として１階の軸組構造体Ｆ１を中心に説明したが、本実施形態の耐力フレーム１は、２階以上の階上の軸組構造体にも適用することができるのは言うまでもない。また、上記実施形態では、横材が梁３又は基礎２で構成されているが、慣例に従い、予め矩形状に形成されたフレーム内に前記斜材を配することにより、梁３及び基礎２とは独立した構成とすることも勿論可能である。さらに、上記実施形態では、端部拘束手段２５が左右の溝型鋼２６で構成されているが、外補剛材２４と同様に角筒状のもので構成されても良い。

１ 耐力フレーム
２ 基礎
３ 梁
４ 第１の柱材
５ 三角フレーム体
６ ボルト
６Ａ 上側ボルト
６Ｂ 下側ボルト
７ 上の受け金物
８ 下の受け金物
１０ 第１取付面
１１ 第２取付面
１２ 第２の柱材
１３ 上斜材
１４ 下斜材
１５ 継ぎ部材
２０ アンボンドブレース
２２ ブレース芯材
２２Ａ ブレース芯材の延出部
２３ 内補剛材
２３Ａ 内補剛材の延出部
２４ 外補剛材
２５ 端部拘束手段
２６ 溝型鋼
２８ 取付プレート
３０ 補剛材

Claims (4)

1. 建物の垂直構面に架設される耐力フレームの構造であって、
   実質的に平行にのびる一対の第１、第２の柱材と、一端が第１の柱材に固着されるとともに他端が第２の柱材に固着されて斜めにのびる斜材とを含み、
   前記斜材は、両端が前記第１の柱材及び第２の柱材と固着されることなく縁切りされかつ厚さ方向が水平方向に沿う板状のブレース芯材と、
   このブレース芯材の座屈を防止しつつ該ブレース芯材の長手方向の変形を許容する補剛材とを含み、
   前記補剛材は、前記ブレース芯材の厚さ方向両外側に添設された一対の内補剛材と、前記一対の内補剛材を前記ブレース芯材とともに束ねることによりブレース芯材からの離間を防ぐ筒状の外補剛材とを含み、
   前記ブレース芯材及び一対の内補剛材は、それぞれ長さ方向の両端部が前記外補剛材から外側にはみ出す延出部を具え、しかも
   前記ブレース芯材の延出部には、その厚さ方向の両側に設けられかつ内補剛材と前記長手方向に相対移動が可能かつ内補剛材の延出部がブレース芯材から離間するのを防ぐ端部拘束手段が固着されるとともに、
   前記端部拘束手段は、該端部拘束手段を前記厚さ方向の両外側から挟むとともに前記垂直構面と平行な面内をのびる一対の取付プレートを介して前記第１の柱材又は第２の柱材に固着されることを特徴とする耐力フレームの構造。
2. 前記一対の内補剛材は、それぞれ断面コ字状の溝型鋼からなり、かつ、そのウエブが前記垂直構面と平行な面内をのびる請求項１記載の耐力フレームの構造。
3. 前記端部拘束手段は、前記ブレース芯材の延出部の厚さ方向両側に配されかつ断面略コ字状の溝型鋼からなり、その溝部で内補剛材を囲むとともに一対のフランジ部が前記ブレース芯材に溶着されてなる請求項１又は２記載の耐力フレームの構造。
4. 前記一対の取付プレートは、一端が第１の柱材又は第２の柱材に固着されるとともに、他端が溝型鋼のウエブに固着される請求項３記載の耐力フレームの構造。

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