JP5550984B2 - 梁内に設置した省スペース制振ダンパーおよび同制振ダンパーを有する架構 - Google Patents

Description

本発明は、梁内に収容されたダンパーを有する制振構造、当該制振構造を有する建物架構および建物に関するものである。

地震時および風荷重による建物応答の抑制を目的として、建物に壁型、ブレース型、間柱型、方杖型など種々の制振ダンパーを設けることが知れられている。しかし、これらのダンパーはほとんどの場合柱梁によって構成される架構の面内に設けられるために、ダンパーを設けた壁面には開口を設けることができなくなるなど、建築計画上の制約を生じる。

この点を改善して、建築計画上の制約が少ない制振ダンパーを開示した文献として特開２００２−３６４０６８号公報（以下「文献１」と称する）がある。文献１に開示された発明によれば、柱の側面に上位ブラケットと下位ブラケットを接合して、スプライスプレートおよびエネルギー吸収部材を介して梁を支持することで、地震時（記載の簡潔のために、風荷重による変形時も含めて以下の記載では単に「地震時」と称することにする）の柱梁部の変形をエネルギー吸収部材によって吸収する。

しかし、文献１に記載された構造によれば、柱側面に上位ブラケットと下位ブラケットとを接合することが必須であるために、製造工程が増加しコストアップに繋がる。また、梁の上部フランジを曲げ部材であるスプライスプレートによって接合しているため、スプライスプレート自体が曲げ抵抗を有し、エネルギー吸収部材のエネルギー吸収能力を有効に使うことができない問題があり、梁の荷重を支持部材であるスプライスプレートにはエネルギー吸収後に塑性変形が残る（地震後には塑性変形の残ったスプライスプレートによって梁の長期荷重を支持することになる）問題がある。

さらに、文献１においては、地震時に最も有効にエネルギー吸収を行う継ぎ手の位置（柱に設けられた上位および下位ブラケットと梁との継ぎ手の位置）については格別の配慮がなされていない。また、梁とスラブとの接合構造について、特に考慮されていないので、通常通り梁とスラブとがスタッドにより接続されているとすれば、梁の変形時にスラブにひび割れが生じることが考えられる。

特開２００２−３６４０６８号公報

本発明は、従来技術が有する上記の課題を解決することを目的としてなされたもので、柱梁によって構成される壁面と干渉しないために壁面に自由に開口を設けることのできるとともに、製造が簡単でローコストで製造することができ、長期荷重を支持する部材が地震時に塑性変形を残した状態で長期荷重を支持することのない制振構造を提供する。本発明はさらに、地震時の制振効果が最も有効になる位置に制振ダンパーを設けた制振構造、および、地震時に梁の変形によってスラブが損傷を受けにくい接合構造を有する制振構造を提供することを課題とする。本発明はさらに、上記制振構造を有する建物架構および建物を提供するものである。本発明の上記以外の解決課題と効果は、本発明に関する以下の記載を通じて明らかになるはずである。

上記の課題を解決するために、本発明は、柱ブラケットと梁部材との接合部に設けられる制振構造であって、
一端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ上端部の何れか一方にピン接合され、他端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ上端部の何れか他方に剛接合された連結部材と、
一端は前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ下端部の何れか一方にピン接合または剛接合され、他端はエネルギー吸収機構を介して前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ下端部の何れか他方に接合されたエネルギー吸収部材を有することを特徴とする制振構造。
を提案する。

本発明はさらに、柱ブラケットと梁部材との接合部に設けられる制振構造であって、
一端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ下端部の何れか一方にピン接合され、他端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ下端部の何れか他方に剛接合された連結部材と、
一端は前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ上端部の何れか一方にピン接合または剛接合され、他端はエネルギー吸収機構を介して前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ上端部の何れか他方に接合されたエネルギー吸収部材を有することを特徴とする制振構造を提案する。

上記の構造は、例えば、連結部材について、
１）一端が柱ブラケットに剛接合されて、他端が梁部材のウェブ（その上端部又は下端部）にピン接合された構造、
２）一端が柱ブラケットにピン接合されて、他端が梁部材のウェブ（その上端部又は下端部）に剛接合された構造、がありえる。
また、エネルギー吸収部材については、両端がピン接合、両端が剛接合、一端がピンで他端が剛接合のいずれの接合方法も可能である。

本発明はさらに、上記制振構造において、前記エネルギー吸収機構は、一定値以上の力で滑りを生じる摩擦ダンパー、またはオイルダンパーであることを特徴とする制振構造を提案する。

一定値以上の力で滑りを生じる摩擦ダンパーを用いた上記制振構造においては、風荷重等の比較的小さな外力では摩擦ダンパーがすべらないために、剛な建物応答を期待することができる。一方、オイルダンパーを用いた上記制振構造においては、地震時あるいは風荷重による変形を受けた後にも建物躯体が弾性範囲であれば初期状態に復元する利点を有する。

本発明はさらに、前記エネルギー吸収機構は、前記柱ブラケットと前記梁部材間の相対変位をてこの原理で増幅してエネルギー吸収部材に伝える増幅機構を有する制振構造を提案する。

エネルギー吸収部材のメカニズムがどのようなものであれ、地震時の前記柱ブラケットと前記梁部材間の相対変位が大きいほど吸収エネルギーが大きくなる。したがって、当該相対変位をてこの原理を利用した増幅機構で増幅してエネルギー吸収部材に伝えることがエネルギー吸収上有利である。ここで、てこの原理とは、最も典型的なてこの原理を用いたものに限らず、トグル、歯車を用いた機構等、入力変位に対して出力変位が大きくなる種々のメカニズムをさすものとする。

本発明はさらに、前記梁部材は、スラブの長期荷重（上載荷重）を受けないよう設計されている制振構造を提案する。

ここで、スラブの長期荷重（上載荷重）を受けないとは、設計上スラブの長期荷重が梁部材に加わらないと考えることのできる構造を意味しており、完全に物理的に非接触である場合の他に、間に非構造部材を介して接触している場合や接触面が互いに滑ることのできる構造を含む。

本発明においては、前記柱ブラケットの接合部の位置は、柱間距離の１／８以上、１／２未満の長さを有する制振構造を提案する。

摩擦ダンパーを用いた場合、すべりが生じた後のブラケットと梁の接合部における相対回転角は、接合部をスパン内側に設けるほうが大きくなる。例えば、接合部がスパンの1/3の位置にある場合は、柱位置で接合した場合に対して回転角は3倍である。従って、接合部をスパン内側に設ける場合は、柱位置で接合する場合と比べて、摩擦ダンパーのすべり荷重を小さく設定しても、同じ制振効果を得ることができる。すべり荷重が小さいと、ダンパー部分をコンパクトにでき、コストも低減することができる。

オイルダンパーや他のダンパーを用いた場合も同様で、接合部をスパン内側に設けることによりダンパーの変形量が大きくなる。そのため、ダンパーの容量を小さくコンパクトにしても、柱位置で接合する場合と同じ制振効果を得ることができる。

本発明に基づく制振構造の一実施例 図１に示した制振構造の鉛直断面図 本発明に基づく制振構造の他の実施例 本発明に基づく制振構造のさらに他の実施例 図４に示した制振構造の鉛直断面図 本発明に基づく制振構造のさらに他の実施例 本発明に基づく制振構造のさらに他の実施例 本発明に基づく制振構造を備える柱・梁の実施例の側面図 本発明に基づく制振構造を備える柱・梁の他の実施例の側面図 本発明に基づく制振構造を備える柱・梁のさらに他の実施例の側面図 建物における制振構造の設置位置を図示した建物架構の鉛直断面図 建物における制振構造の設置位置を図示した建物架構の平面図 本発明に基づく建物の地震応答結果（最大層間変形角） 本発明に基づく建物の地震応答結果（最大層せん断力） 本発明に基づく建物の地震応答結果（頂部最大応答加速度） 本発明に基づく建物の地震応答結果（ダンパーエネルギー吸収率） 本発明に基づく建物の地震応答結果（ダンパー回転角） 本発明に基づく建物の地震応答結果（ダンパー取り付け部曲げモーメント）

以下に、実施例に基づいて本発明の具体的な態様を説明するが、実施例は発明の理解を助けるために記載するに過ぎないものであるから、本発明は以下に記載する実施例に限定されないことはいうまでも無い。

図１は、本発明に基づく制振構造の一実施例を示す側面図である。柱５００には梁部材６２０と同一断面を有するブラケット６１０が溶接によって接合されており、ブラケット６１０および梁部材６２０の上方には、設計上長期荷重をブラケット６１０および梁部材６２０にかけない形で床スラブが形成されている。ブラケット６１０と梁部材６２０の接続位置６３０の梁の上端近傍には、一端をピン支持１２０された連結部材１１０を有するピン支持機構１００が設けられている。梁部材６２０の下端近傍には、梁部材６２０に対してピン支持２２０された連結部材２１０を有する減衰機構２００が設けられている。減衰機構２００の連結部材２１０は、ブラケット６１０に対して摩擦部材２３０を介して接続されている。

図２は、それぞれ図１に示したＡとＢの位置における鉛直断面図である。ブラケット側のＡの位置では、ブラケットの上端フランジ６１２に近いウェブ６１４に、溶接等によって端部を剛接された支持機構が設けられ、下端近傍には、端部を摩擦部材２３０を介して接続された連結部材２１０が設けられている。梁６２０側のＢの位置では、ピン支持機構１００と減衰機構２００とは共にピン支持１２０、２２０されている。摩擦部材２３０は１つでも良いし、複数でも良い。

図１において水平方向の地震荷重を受けた場合、ブラケット６１０と梁６２０はピン支持機構１００を中心に相対的な変位角を生じ、その際ピン支持２２０された減衰機構２００の連結部材２１０とブラケット６１０との間に設けられた摩擦部材２３０はすべりを生じてエネルギーを吸収する。

図３は、本発明に基づく減衰機構の第２の実施例を示す立面図である。本実施例においては、減衰機構３００は連結部材３１０によって梁部材６２０に対してピン３２０接合されており、連結部材３１０の他端は、ピン３５０によってブラケット６１０に対して回転自在に接合された本体３４０にピン３６０によって接合されている。本体３４０の両端部近傍には摩擦部材３３０が設けられている。

本体３４０に連結部材３１０がピン３６０によって接合される位置と本体３４０がブラケットにピン接合３５０される位置との間の距離（ピン３５０とピン３６０の距離）は、本体３４０の両端部に設けられた摩擦部材３３０間の距離よりも小さいので、連結部材３１０の水平方向の動きがてこの原理によって拡大されて摩擦部材３３０に伝達される。したがって、摩擦部材３３０によるエネルギー吸収を一層有効に活用することができる。

図４は、本発明に基づく減衰機構の第３の実施例を示す立面図である。連結部材４１０の一端がピン４２０によって梁部材に接続されている点および本体４４０が連結部材４１０の他端に対してピン４５０によって接続されると共に、ピン４６０によってブラケットに対してピン接合されている点は前記第２の実施例と同様であるが、本実施例では、エネルギー吸収機構として摩擦部材３３０ではなくオイルダンパー４３０が設けられている点が異なる。本体４４０の両端部近傍にはそれぞれオイルダンパー４３０が設けられ、オイルダンパー４３０の他端はブラケットの上部フランジ６１２に固定されている。

地震時にブラケットと梁部材との下端が開くように水平相対変位を生じた場合、当該水平相対変位は、減衰機構４００のてこの作用によって拡大されてオイルダンパー４３０に伝達されるので、オイルダンパーの減衰能力をより効率的に利用することができる。

図５は、前記第３の実施例の図中Ａ、Ｂ、Ｃの位置での鉛直断面図である。Ａの位置での断面図によれば、オイルダンパー４３０、４３１はそれぞれブラケット６１０のフランジの幅の範囲内に実質的に含まれている。図５Ｂは、本体４４０上部がブラケット６１０のウェブ６１４に回転自在に支持されていることおよび本体４４０と連結部材４１０もまたピン接合されていることを示している。図５Ｃに示す連結部材４１０の多端は、梁部材に対してピン４２０によって回転自在に支持されている。

図６は、本発明に基づく減衰機構の第４の実施例を示す概念図である。同図においては、柱の位置を右側に示してあることに注意を要する。第４の実施例によれば、地震時には、柱に固定されたラック８３０に対してピニオンギア８２０が回転し、当該回転は増幅されて歯車８４０に伝達される。歯車８４０には２つのオイルダンパー８５０、８５２がそれぞれ接続されている。したがって、第４の実施例においても、ブラケットと梁部材に間の相対変位は増幅されてオイルダンパーに伝達されるので、オイルダンパーのエネルギー吸収能力を十分に活用することができる。図６Ｂは、第４の実施例の鉛直断面図である。

図７は、本発明に基づく減衰機構の第５の実施例を示す概念図である。減衰機構９００は一端をブラケットにピン９２０によって支持され、他端をピン９４０によって梁部材にピン支持され、中央部はピン９５０によって接合されて屈曲自在であるトグル機構を有する。前記トグルの中央部を連結する接合ピン９５０は、摩擦機構９３０を介して梁部材に対して相対変形を生じた際にエネルギーを吸収する。

前記実施例１〜４においてはいずれの場合も、本発明にかかる制振機構は、柱梁から構成される壁部と干渉せず、したがって必要であればどの部分にも開口を設けることができるなど、設計上の自由度が高いことが理解される。さらに、梁の断面に現れた減衰機構によれば、各部材は何れも梁のフランジ先端部を結んで形成される長方形の仮想断面に実質的に含まれるので、設計上も取り扱いが容易である。

図８は、本発明に基づく減衰機構を設けた柱梁部分を示す図である。ブラケット６１０と梁部材６２０は柱の近傍で連結部材１１０、３１０によって、ピン１２０の周りに回転自在に接続されている。ブラケット６１０と梁部材６２０との相対水平変位は、減衰機構３００、３００’の本体３４０を回転させ、その結果摩擦機構３３０に摩擦を生じさせる。梁上端とスラブとは、力学的に完全に縁を切っても良いが、ブラケット６１０と梁部材６２０の継手部分６３０近傍以外は、相互に固定しても良い。

図９は、先の実施例とは減衰機構２３０が異なるのみならず、ブラケット６１０と梁部材６２０との継手部分６３０の位置が梁の１／３程度の位置に設けられている点が異なる実施例である。柱梁からなる架構が水平変形する場合、継手部分の位置は梁部材の中央よりであるほどブラケットと梁部材との間の水平変位は大きくなる。したがって、継手部分の位置は梁の長さの１／８以上であるのが好ましい。

図１０は、図３に示した減衰機構を用いた建物の柱梁部分を図示したものである。ブラケットと梁部材との継手が、梁の長さの１／３程度の位置にある点は前記実施例と同様である。

図１１は、本発明に係る前記制振構造を各階に設けた１５階建ての建物の概念を示す骨組みの立面図である。同図においては、建物中央部のすべての階の柱梁に制振構造６００を設け、当該部分以外は通常の柱梁構造６６０としたが、本発明はこのような配置に制限されるわけではなく、制振構造は建物周辺部に設けてもよいし、また特定の階だけに設けてもよいことは自明である。

図１２は、制振構造を設けた部分の梁と床スラブの関係を例示するための平面図である。図面の中央部、図面中において上下方向の梁に制振構造が設けられている場合、制振構造を設けた梁６２０と並行に２本の梁６５０を設け、通常の梁６６０と当該２本の梁６５０との間に小梁６７０を掛け渡して床荷重を支持する。制振構造を設けた梁の上部のスラブ７１０については、少なくとも中央部７２０近傍の床荷重が梁に掛からないように設計する。

以下に、本発明に基づく減衰機構を有する図１１の建物について地震応答計算を行った結果について説明する。解析は、極めて稀に発生する地震動として告示に記載されている地震動を用いた。位相はエルセントロ、八戸、神戸およびタフトの４種類である。ブラケットと梁の継手部分における滑り荷重をゼロから１８３５．７ｋＮの範囲で数種類変化させて応答解析を行った。

図１３は、横軸に摩擦ダンパーの滑り荷重を、縦軸に最大層間変形角をとって示したものである。摩擦ダンパーの滑り荷重が２００ｋＮ〜１０００ｋＮ程度の範囲で最大層間変形角が比較的小さくなることが分かる。以下のグラフにおいて、横軸は何れも摩擦ダンパー滑り荷重を表す。表１は、図１３と同様の最大層間変形角を示す。４つの入力地震波に対する最大層間変形角を比較すると、タフトの位相を用いたときに最大値となる場合が多いが、滑り荷重の値によってはタフト以外の入力によって最大値となる場合もあることが分かる。

図１４は、横軸については図１３と同じであるが、縦軸に最大層せん断力をとって示したものである。同図に示される最大層せん断力についても図１３と同様の傾向が示され、摩擦ダンパーの滑り荷重が２００ｋＮ〜１０００ｋＮの間であれば、応答最大層せん断力が比較的小さい。表２は前記の結果を数値で示したものである。

図１５は、縦軸に頂部最大応答加速度を示したものである。表３は同様に頂部最大応答加速度を示す。この場合にも同様に、摩擦ダンパー滑り荷重が２００ｋＮ〜１０００ｋＮの範囲で頂部最大応答加速度が小さくなることが分かる。

図１６および表４は、ダンパーエネルギー吸収率（建物に入力された地震エネルギーのうち、ダンパーが吸収したエネルギーの割合、％）を図示したものである。図１３〜１５とは逆に、摩擦ダンパー滑り荷重が２００ｋＮ〜１０００ｋＮの範囲でダンパーエネルギー吸収率が相対的に高い。すなわち、ダンパーによるエネルギー吸収が図１３〜１５に示した建物の応答最大層間変形角等の低減と直接関与していることを示している。

図１７と表５は、縦軸にダンパー回転角を示す。同図は、ダンパー回転角に関しては、摩擦ダンパー滑り荷重ｋＮの増大に伴ってほぼ単調に減少する傾向を示している。

図１８と表６は、ダンパー取り付け部分の曲げモーメントを図示したものである。当該最大曲げモーメントは摩擦ダンパーの滑り荷重と正比例する。

以上図示した結果は以下のようにまとめることができる。
１）摩擦ダンパーの滑り荷重が小さすぎると、ダンパーの吸収エネルギーが小さく、制振効果は小さい。滑り荷重を小さくしていくと、制振梁接合部をピン（摩擦抵抗無し）とした場合の応答に漸近する。
２）摩擦ダンパーの滑り荷重が大きすぎると、梁の回転角が小さくなり、ダンパーの吸収エネルギーが小さくなる。滑り荷重を大きくしていくと、制振梁接合部を剛とした場合の応答に漸近する。
３）この建物モデルの場合には摩擦ダンパーの滑り荷重を２００ｋＮ〜１０００ｋＮの範囲、より好ましくは３５０ｋＮ〜６５０ｋＮの範囲にしたときに制振効果が大きい。タフトの位相を用いた層間変形角は、ピン接合の場合は１／８２、剛接合の場合は１／９９であるのに対して、上記の範囲の場合には１／１２５〜１／１５０に低減された。

大梁の梁端部の降伏モーメントは、ＢＨ−９００×４００×１９×３２（ＳＮ４９０）の場合には４１６０ｋＮ・ｍである。ダンパーの取り付け部の曲げモーメントは、摩擦ダンパーの滑り荷重を３５０〜６５０ｋＮとしたときは、２００〜４００ｋＮ・ｍになる。したがって、摩擦ダンパーがすべるときの最大端部曲げモーメントは６００〜１２００ｋＮ・ｍとなり、梁の降伏モーメントの０．１５〜０．３０である。

Claims (2)

1. 柱ブラケットと梁部材との接合部に設けられる制振構造であって、
   一端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ上端部の何れか一方にピン接合され、他端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ上端部の何れか他方に剛接合された連結部材と、
   一端は前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ下端部の何れか一方にピン接合または剛接合され、他端はエネルギー吸収機構を介して前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ下端部の何れか他方に接合されたエネルギー吸収部材を有することを特徴とする制振構造。
2. 柱ブラケットと梁部材との接合部に設けられる制振構造であって、
   一端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ下端部の何れか一方にピン接合され、他端は前記柱ブラケットまたは前記梁部材のウェブ下端部の何れか他方に剛接合された連結部材と、
   一端は前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ上端部の何れか一方にピン接合または剛接合され、他端はエネルギー吸収機構を介して前記柱ブラケットと前記梁部材のウェブ上端部の何れか他方に接合されたエネルギー吸収部材を有することを特徴とする制振構造。

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