JP5369626B2 - 複合制振架構 - Google Patents

Description

本発明は、建築物その他の構造物の複合制振架構に関し、柱と梁で構成される構面内に粘弾性ダンパーを設置して地震および風の両方の外力に対する応答を低減させるものに関する。

建築物などの構造物では、快適な居住性や安全性を確保するため耐震性・制振性が要求され、制振ダンパーとして鋼製ダンパー、粘弾性ダンパーが提案されている。

建築構造物に鋼製ダンパー、粘弾性ダンパーを配置すると地震、風等による構造物の振動を低減できる。例えば、特許文献１は制震鋼板ユニットおよび制震壁に関し、柱梁に囲まれた構面内に制震鋼板ユニット（鋼製ダンパー）を配置し、鋼製ダンパーを主架構よりも早期に降伏させて構造物の応答を低減することが記載されている。

しかし、鋼製ダンパーは強風による振動等、居住性が問題となる程度の振幅では作用せず、また強風による振動が構造物の安全性にかかわるほど大きな場合であっても数時間連続するような場合には振動エネルギーを吸収させるには不向きである。

特許文献２は粘弾性ダンパーを用いた耐震建築物に関し、大減衰力を有する高剛性かつ高靭性の粘性耐震壁を備え、該粘性耐震壁に地震荷重を負担させ、柱および梁は長期荷重のみを負担させる耐震建築物が記載されている。粘性耐震壁（粘弾性ダンパー）は粘性抵抗の大きい粘性体を鋼板に対し粘着させた状態で挟み込み、低振幅からエネルギー吸収を行い、地震応答・風応答に作用する。

しかし、粘弾性ダンパーは数十年に一回の確率で発生する大地震に対してエネルギー吸収が行えるように設計すると粘弾性体量が多くなり経済性が損なわれる。

そこで、風による微小振動から地震による大振動にいたるあらゆる振動入力に対して建築物などの構造物の応答を低減させるため弾塑性ダンパー（鋼製ダンパー）と粘弾性ダンパー両者の特性を備えた複合ダンパーが提案されている。

複合ダンパーには弾塑性ダンパーと粘弾性ダンパーを並列に配置するものと直列に配置するものがある。並列に配置した場合、外乱による振動は弾塑性ダンパーと粘弾性ダンパーのそれぞれに外力が入力され、入力が微小振動の場合は粘弾性ダンパーの変位が剛性の高い弾塑性ダンパーにより拘束され制震効果が小さくなる。一方、直列に配置する場合、剛性低下により弾塑性ダンパーの効果が小さくなる。

図４に、建物の柱１と梁２で構成される架構の構面６に地震時に作用する履歴型ダンパー７と風振動時に効果を発揮する粘弾性ダンパー３の両者を併設した場合の一例を示す。

特許文献３には層間変形を横方向材の中央の剪断変形に置換し、エネルギー吸収を図り、かつ粘性系ダンパーを併設するものが記載されている。
特開平１０−１４７９９９号公報 特開平１１−１４１１７７号公報 特開平１１−７１０３４号公報

しかしながら図４の構造は、鋼製ダンパーと粘弾性ダンパーの両方を設置し、鋼製ダンパーが塑性化する振幅では粘弾性ダンパーの粘弾性体に大変形にも対応できるだけの厚さを持たせなければならず、設置スペースを必要とし、建築計画に制限を加えることとなる。また、特開平１１−７１０３４号公報記載の方法は，一体型の複合ダンパーであり、風・地震の両者に有効であるが，貫梁，軸線材が追加で必要であり，コスト増になる．
そこで、本発明は、設置スペースが小さくて構造が簡便な複合ダンパーを提案することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．建物の柱梁架構を構成する構面内に、第一と第二の粘弾性ダンパーをハの字形または逆ハの字形となるように配置した構面を、梁を挟んで上下に配置し、上方の構面には、第一と第二の粘弾性ダンパーを逆ハの字形に、下方の構面には、第一と第二の粘弾性ダンパーをハの字形に、前記梁を対称軸として上下対称となるように配置した、複合制振架構であって、
前記第一と前記第二の粘弾性ダンパーは、
それらの軸線の一端が前記上方または下方のそれぞれの構面の左右の柱梁接合部における柱と梁の軸線の交点と交差し、
他端は前記柱梁接合部の上方または下方となる前記対称軸となる梁の軸線と、前記第一と前記第二の粘弾性ダンパーの軸線と前記対称軸となる梁の軸線との交点間に間隔を有するように交差し、
前記対称軸となる梁で前記交点間となる区間は、前記第一と前記第二の粘弾性ダンパーの最大耐力の鉛直方向成分より小さい剪断降伏力を有することを特徴とする複合制振架構。
２．前記交点間となる梁のせん断力負担要素が、前記梁の他の部分よりも降伏点の低い鋼材で構成されていることを特徴とする１記載の複合制振架構。

本発明によれば、居住性の指標となる小振幅の振動から、構造物の機能、安全性に影響する地震時の大振幅の振動まで効果的にエネルギーを吸収することが可能で、且つ、従来構造と比較して追加部材が不要でコストパフォーマンスに優れる複合ダンパーが得られ産業上極めて有用である。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明の一実施例に係る複合ダンパーの鉛直構面図を示す。図において、１は柱、
２は梁、３は粘弾性ダンパー、４はウェブパネル、５ａは粘弾性ダンパーの支持部材、５ｂはスチフナ、６は構面、Ｌ１，Ｌ６は梁材軸、Ｌ２、Ｌ３は粘弾性ダンパーのダンパー材軸、Ｌ４、Ｌ５は柱軸，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は交点を示す。

図示した複合ダンパーは、柱１、梁２に囲まれた構面６内に、粘弾性ダンパー３がハの字形となるように左右対称に２本配置する。

２本の粘弾性ダンパー３は、それらの軸線Ｌ２（Ｌ３）の一端を構面６の左右の柱梁接合部における柱１の柱軸Ｌ４（Ｌ５）と梁２の梁材軸Ｌ１の交点Ｇ２（Ｇ１）と交差させる。

ダンパー材軸Ｌ２（Ｌ３）の他端は、交点Ｇ２（Ｇ１）を成す柱梁接合部の上方となる梁２の梁材軸Ｌ６と、前記粘弾性ダンパー３のダンパー材軸Ｌ２（Ｌ３）と前記梁材軸Ｌ６との交点Ｇ３と交点Ｇ４が間隔を有して交差するように、構面６内にハの字形に配置する。

そして、梁２において交点Ｇ３と交点Ｇ４の間となる区間のウェブパネル４を、２本の粘弾性ダンパー３の最大耐力の鉛直方向成分より小さい剪断降伏力を有するもので、梁の他の部分よりも降伏点の低い鋼材で構成とする。ウェブパネル４の両端にはウェブパネル４のせん断座屈を防止するため，鉛直方向にスチフナを配置することが望ましい。 また，ダンパー材軸Ｌ２に沿ったスチフナ５ｂは梁２のウェブへの応力集中を避けるため配置することが望ましい。粘弾性ダンパー３の両端部を十字型断面の支持部材で構成した場合、スチフナ５ａと梁２の下方のフランジ間にスチフナ５ｂを設け、スチフナ５ｂは支持部材５ａの延長線上に配置すると応力伝達がスムーズとなり好ましい。

図示した複合ダンパーは粘弾性ダンパー３のダンパー材軸Ｌ２、Ｌ３と梁２の梁材軸L６の交点Ｇ３とＧ４が離れているので，層間変形を生じた際、交点Ｇ３，Ｇ４間にせん断力が生じ，大地震時にはウェブパネル４がせん断力負担要素である履歴型ダンパーとして機能しエネルギー吸収を行う。

大地震時に粘弾性ダンパー３の変形が抑制され、粘弾性ダンパー３を大きな変形に追随するよう設計する必要が無くなり、その結果、粘弾性ダンパー３を構成する粘弾性体を従来よりも薄くすることが可能となり，剛性が高くなることから，小型化が可能となる。交点Ｇ３，Ｇ４間距離は梁２の「梁せい」と同程度とすることが好ましい。

図１は上下の層間で２本の粘弾性ダンパー３をハの字形に連続して配置した場合を示すが、図２に示すように上下の層間（構面６）で２本の粘弾性ダンパー３を、上の層間（構面６）には逆ハの字形に配置し，下の層間（構面６）にはハの字形に上下対称に配置して、対称軸となる梁のウェブパネル４を降伏させることも可能である。

図３は柱梁架構の両側の柱１の間隔が狭い場合の複合ダンパーの一例を示し、１本の粘弾性ダンパー３を、その材軸線Ｌ１０の一端を、柱梁接合部における柱１の材軸線Ｌ９と梁２の材軸線L８の交点と交差させる。

そして、他端を、前記柱梁接合部の対角線上となる柱梁接合部を構成する梁２の材軸線Ｌ７と、前記柱梁接合部の柱１の内法面から構面内となる位置において交点Ｇ５で交差して配置する。

交点Ｇ５と柱１の内法面間となる区間のウェブパネル４は、粘弾性ダンパー３の最大耐力の鉛直方向成分より小さい剪断降伏力を有するもので、梁２の他の部分よりも降伏点の低い鋼材で構成とする。

ウェブパネル４の交点Ｇ５側にはウェブパネル４のせん断座屈を防止するため，鉛直方向にスチフナ５ａを配置することが望ましい。粘弾性ダンパー３の両端部を十字型断面の支持部材で構成した場合、スチフナ５ａと梁２の下方のフランジ間にスチフナ５ｂを設け、スチフナ５ｂは支持部材５ａの延長線上に配置すると応力伝達がスムーズとなり好ましい。柱の内法面と，交点Ｇ５との距離は，「梁せい」と同程度であることが望ましい。

風振動時（層間変位Ｒ＝１／５００）と，大地震時（層間変形Ｒ＝１／１００）のエネルギー吸収量が，図４に示す骨組（以下従来例）と等しくなるよう，図５に示す骨組（以下、本発明例）の履歴型ダンパー４および粘弾性ダンパー３を設計した．
柱１，梁２の部材サイズは比較例、本発明例で共通とし，図５の梁中央部のパネル４のみ低降伏点鋼を用いた。粘弾性ダンパーはせん断剛性が０．１Ｎ／ｍｍ^２，減衰定数が０．４の粘弾性体を鋼板に積層圧着し，粘弾性体のせん断変形によりエネルギー吸収を行うブレース型ダンパーであり，風振動時のエネルギー吸収量が等しくなるよう粘弾性体のせん断断面積を設計した。粘弾性体の厚さは大地震時の粘弾性体のせん断ひずみが４００％となるよう設計した。

履歴型ダンパーは降伏荷重が２３５Ｎ／ｍｍ^２の鋼材をエネルギー吸収部位に用いたブレース型ダンパーであり，大地震時の１サイクル当たりの履歴型ダンパー，梁中央パネル，粘弾性ダンパーのエネルギー吸収量が等しくなるように設計した。部材の諸元を表１〜３に示す。表１において柱Ｃ１は図４，５における左端の柱のみ、柱Ｃ２を残りの柱とする。

設計の結果、得られた粘弾性ダンパーは４２．５％減（４００％変形時の耐力は１本当たり１０１９ｋＮ減），得られた履歴型ダンパーは１２．４％増（降伏耐力は１本あたり６２１ｋＮ増）となり，一般に粘弾性ダンパーの方が単位荷重あたりの単価が高いことから，本発明による構造では，同じ制振性能を低いコストで実現できることが確認された。

本発明の一実施例。 本発明の他の実施例。 柱梁架構の両側の柱の間隔が狭い場合の複合ダンパーの一例。 従来例。 実施例。

符号の説明

１ 柱
２ 梁
３ 粘弾性ダンパー
４ ウェブパネル
５ａ 粘弾性ダンパーの支持部材
５ｂ スチフナ
５ｃ スチフナ
６ 構面
７ ブレース型履歴ダンパー
Ｌ１，Ｌ６ 梁材軸
Ｌ２、Ｌ３ ダンパー材軸
Ｌ４、Ｌ５ 柱軸
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 交点

Claims (2)

1. 建物の柱梁架構を構成する構面内に、第一と第二の粘弾性ダンパーをハの字形または逆ハの字形となるように配置した構面を、梁を挟んで上下に配置し、上方の構面には、第一と第二の粘弾性ダンパーを逆ハの字形に、下方の構面には、第一と第二の粘弾性ダンパーをハの字形に、前記梁を対称軸として上下対称となるように配置した、複合制振架構であって、
   前記第一と前記第二の粘弾性ダンパーは、
   それらの軸線の一端が前記上方または下方のそれぞれの構面の左右の柱梁接合部における柱と梁の軸線の交点と交差し、
   他端は前記柱梁接合部の上方または下方となる前記対称軸となる梁の軸線と、前記第一と前記第二の粘弾性ダンパーの軸線と前記対称軸となる梁の軸線との交点間に間隔を有するように交差し、
   前記対称軸となる梁で前記交点間となる区間は、前記第一と前記第二の粘弾性ダンパーの最大耐力の鉛直方向成分より小さい剪断降伏力を有することを特徴とする複合制振架構。
2. 前記交点間となる梁のせん断力負担要素が、前記梁の他の部分よりも降伏点の低い鋼材で構成されていることを特徴とする請求項１記載の複合制振架構。

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