JP5578887B2 - 建物ユニット、ユニット建物、及びユニット建物の構造計算方法 - Google Patents

Description

本発明は、ユニット建物を構築する建物ユニット、複数の建物ユニットを用いて構築されるユニット建物、及びユニット建物の構造計算方法に関する。

従来、ラーメン構造の建物ユニットを複数用いて構築されるユニット建物として、例えば、特開２０００−２５７１６５号公報に開示されているユニット建物がある。

上記ユニット建物では、柱の大きさを３種類用意して、例えば、建物ユニットが隣合う部分の柱を、ユニット建物の出隅部の柱の半分の大きさのものを隣り合わせることで、ユニット建物の出隅部の柱の大きさと同じようしている。

また、ラーメン構造の建物ユニットでは、一般的に、柱及び梁に鋼材を用いており、建物ユニット内では柱に同一厚さの鋼材が用いられている。

特開２０００−２５７１６５号公報

しかしながら、上記従来技術では、柱の外形寸法を同一にすることに注力がなされており、ユニット建物の剛性上必要な太さには設定されていない。

ユニット建物を構築する建物ユニットには、外装材が取り付けられるラーメン架構と、外装材が取り付けられないラーメン架構とが存在するが、外装材の有無でラーメン架構に生じる応力や変形の程度は大きく異なる。

即ち、「外装材がある場合に必要とされる柱の板厚＞外装材の無い場合に必要とされる柱の板厚」とする必要があるが、従来の建物ユニットでは、すべての柱が目標とする応力または変形量を満たすような同一の板厚に設定されていた。例えば、建物ユニット内の４本の柱の内で、２本だけ板厚を厚くすれば良いケースであっても、４本全ての柱の板厚が厚い方に統一されていた。
このため、建物ユニット内に剛性や耐力に余裕のある柱があり、材料使用量や重量が必要以上に増加する原因となっていた。

また、耐力をさほど必要としない柱の板厚を、耐力を必要とする柱の板厚に合わせて厚く設定すると、板厚の増加に伴う剛性や耐力の上がり幅が大きくなり、かえって構造安全性を損なう懸念もある。さらに、場合によっては剛性が高すぎる柱を有するラーメン架構に荷重が集中する場合がある。
即ち、従来の建物ユニットでは、柱に対して最適設計がなされていなかった。

本発明は上記事実を考慮し、従来よりも最適設計がなされた柱を有する建物ユニット、ユニット建物、及びユニット建物の構造計算方法の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、ユニット建物を構築するための建物ユニットであって、ユニット建物を構築するための建物ユニットであって、梁と、前記梁の両端部を支持する柱とを備え、外装材が設けられる桁側の柱の板厚が他の柱の板厚よりも厚く設定されることにより前記桁側の柱が前記他の柱よりも高い剛性に設定されると共に、前記桁側の柱の外形寸法と前記他の柱の外形寸法とが同一に設定されている。

次に、請求項１に記載の建物ユニットの作用を説明する。
外装材が設けられる桁側の柱は、外装材が設けられない他の柱よりも大きな荷重を負荷するため、他の柱よりも大きな応力が作用すると共に、変形の程度も大きなものとなる。

請求項１に記載の建物ユニットでは、外装材が設けられる桁側の柱の板厚が他の柱の板厚よりも厚く設定されることにより、外装材の設けられている桁側の柱の剛性が、外装材の設けられていない他の柱の剛性よりも高く設定されているため、例えば、外装材の設けられている桁側の柱が外装材の設けられていない他の柱よりも大きく変形したり、柱毎に応力がばらつくことが抑えられる。したがって、建物ユニットにおいて、材料使用量を抑えつつ、柱の変形や応力のバランスをとる事が出来る。

全ての柱の板厚を同一に設定した従来の建物ユニットでは、剛性や耐力に余裕のある柱があり、例えば、建物ユニット内の２本の柱だけを高い剛性にすれば良いケースであっても、４本全ての柱を高い剛性にして材料を必要以上に多く使っている場合がある。また、本来剛性を高くする必要の無い柱を必要以上の高剛性に設定すると、必要以上の高剛性に設定された柱を有するラーメンに荷重が集中し、建物が損傷する等の原因となる場合もある。

なお、妻側の柱についても外装材の有無で生じる応力や変形は異なるが、妻側のラーメンは桁側のラーメンに比較してスパンが短いため、妻側の柱に生じる応力や変形の程度は桁側の柱に比較して小さく、妻側の柱に関しては、必要となる剛性、耐力に外装材の有無で大きな差は生じないのが実状である。
したがって、外装材の設けられている桁側の柱のみを、外装材の設けられていない他の柱よりも高い剛性にするという簡単な構成で建物ユニットの各柱のバランスを取る事ができる。

また、断面形状が同一種類で板厚の異なる２種類の柱を用いることで、柱の種類を最小限に抑えつつ、各柱のバランスを取ることができる。また、断面形状が同一種類であるため、柱と他部材との接合構造を柱毎に変える事無く同じに出来る。

請求項２に記載のユニット建物は、請求項１に記載の建物ユニットを少なくとも１つ含んで構成される。

次に、請求項２に記載のユニット建物の作用を説明する。
請求項２に記載のユニット建物は、請求項１に記載の建物ユニットを少なくとも１つ含んでユニット建物が構成されているので、材料使用量を抑えつつ、柱の変形や応力のバランスが良いユニット建物となる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のユニット建物において、下階の建物ユニットの桁側の柱の位置が、上階の建物ユニットの桁側の柱の位置よりも建物内方側へオフセットされており、前記下階の建物ユニットに、請求項１に記載の建物ユニットが用いられている。

次に、請求項３に記載のユニット建物の作用を説明する。
請求項３に記載のユニット建物は、下階の建物ユニットの桁側の柱の位置が、上階の建物ユニットの桁側の柱の位置よりも建物内方側へオフセットされた所謂オーバーハング部を有する。
オーバーハング部を構成する下階の建物ユニットの桁側の柱には、外装材の重量の他、上階の建物ユニットの重量が作用するので、変形及び応力に対して厳しいものとなるが、下階の建物ユニットの桁側の柱に剛性の高い柱を用いているので、柱に補強等を用いることなくオーバーハング構造が実現できる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のユニット建物の構造計算方法であって、前記柱を初期の板厚に設定して応力解析を行う第１の工程と、前記応力解析の結果、応力または変位が予め設定した目標値に対して未達となった前記柱を、前記目標値に達するように前記初期の板厚よりも増加する第２の工程と、外装材が設けられる前記柱の中で最も厚い第１の板厚と、前記その他の柱の中で最も厚い第２の板厚とを選択し、外装材が設けられる全ての前記柱の板厚を、予め設定した複数の板厚の中から前記第１の板厚以上、かつ前記第１の板厚に最も近い板厚に設定すると共に、前記その他の柱の板厚を前記予め設定した複数の板厚の中から前記第２の板厚以上、かつ前記第２の板厚に最も近い板厚に設定する第３の工程と、を有する。

請求項４に記載のユニット建物の構造計算方法では、第１の工程において、全ての柱を初期の板厚に設定して応力解析を行う。なお、初期の板厚の設定は、予め用意しておいた値を入力しても良く、構造計算する際に任意の値を入力しても良い。

第２の工程では、応力解析の結果、応力または変位が予め設定した目標値に対して未達となった柱の板厚を、目標値に達するように初期の板厚よりも増加する。これにより、全ての柱は、応力または変位が予め設定した目標値に達することになる。

第３の工程では、第２の工程で得られた板厚の中から、外装材が設けられる柱の中で最も厚い第１の板厚と、その他の柱の中で最も厚い第２の板厚とが選択され、外装材が設けられる柱の板厚は、予め設定した複数の板厚の中から第１の板厚以上、かつ第１の板厚に最も近い板厚に設定され、その他の柱の板厚は、予め設定した複数の板厚の中から第２の板厚以上、かつ第２の板厚に最も近い板厚に設定される。

これにより、ユニット建物を構成する全ての柱は応力または変位が予め設定した目標値に達し、かつ、ユニット建物を構成する柱の板厚を外装材が設けられる柱の板厚とその他の柱の板厚の２種類とすることができる。

第２の工程の計算で得られる板厚は、実際に流通、または使用されている鋼材の板厚とはならない場合がある。第３の工程では、予め設定された板厚の柱が選択されることになるので、実際に使用する柱の種類を必要最小限にできる。

以上説明したように請求項１に記載の建物ユニットによれば、最適板厚設計がなされた柱を有するので、材料使用量を抑えつつ、柱の変形や応力のバランスをとる事が出来る、という優れた効果を有する。

また、外装材が設けられる桁側の柱の板厚を、他の柱の板厚よりも厚く設定するという簡単な構成で、外装材が設けられる桁側の柱の剛性を、他の柱の剛性よりも高くすることができる。

また、請求項１に記載の建物ユニットによれば、最小限の柱の種類でもって建物ユニットの柱の変形や応力のバランスをとる事が出来る。

請求項２に記載のユニット建物によれば、請求項１に記載の建物ユニットを備えているので、建物全体として変形、及び応力のバランスをとることが可能となる。

請求項３に記載のユニット建物によれば、オーバーハング部を有していても建物全体としてバランスをとることが可能となる。

請求項４に記載の建物ユニットの構造計算方法によれば、建物ユニットに対して最適な柱の板厚を得ることができ、柱の変形や応力のバランスの取れた建物ユニットを得ることが可能となる。

建物ユニットを複数連結して構成されたユニット建物の斜視図である。 ユニット建物の水平断面図である。 柱の他の実施形態を示す断面図である。 柱の更に他の実施形態を示す断面図である。 ユニット建物の他の実施形態を示す斜視図である。 ユニット建物の更に他の実施形態を示す斜視図である。

以下、図面を用いて、本発明の一実施形態に係るユニット建物１０について説明する。
図１には、複数個（本実施形態では１２個）の同一形状の建物ユニット１２からなる２階建てのユニット建物１０が示されている。
なお、説明の便宜上、建物ユニット１２の各部材に名称付けをしておく。建物ユニット１２は、４本の柱１４と、互いに平行に配置された長短二組の天井梁１６、１８と、これらの天井梁１６，１８に対して上下に平行に配置された長短二組の床梁２０，２２とを備えており、梁の端部を天井と床の仕口に溶接することによりラーメン構造として構成されている。

本実施形態では、天井梁１６，１８、及び床梁２０，２２に、断面コ字形状のチャンネル鋼（溝形鋼）が用いられている。
建物ユニット１２は、矩形枠状に組まれた天井フレーム２４と床フレーム２６とを備えており、これらの間に４本の柱１４が立設される構成となっている。天井フレーム２４は四隅に天井仕口部（柱）２８を備えており、この天井仕口部２８に長さが異なる天井梁１６，１８の長手方向の端部が溶接されている。

同様に、床フレーム２６は四隅に床仕口部（柱）３０を備えており、この床仕口部３０に長さが異なる床梁２０，２２の長手方向の端部が溶接されている。
そして、上下に対向して配置された天井仕口部２８と床仕口部３０との間に、柱１４の上下端部が溶接により剛接合されて及びボルトにより仮固定されて建物ユニット１２が構成される。

ユニット建物１０の外周にはパネル状の外装材３２が設けられている。なお、図１に示すユニット建物１０においては、窓、ドア等は図示を省略している。

本実施形態の柱１４には、断面ロ字形状（正方形）の角型鋼管が用いられており、より具体的には、外形寸法が同一で板厚の異なる２種類の柱１４Ａ、１４Ｂが用いられている。
具体的には、図２の水平断面図で示すように、第１の厚さに設定された柱１４Ａと、第１の板厚よりも薄い第２の板厚に設定された柱１４Ｂの２種類の柱が用いられており、板厚の厚い柱１４Ａは、桁側で外装材３２が設けられる柱に用いられ、板厚の薄い柱１４Ｂはその他の柱に用いられている。

なお、妻側の建物外周側の柱には外装材３２が設けられるが、桁側と共通となる出隅部分の柱は板厚の厚い柱１４Ａが用いられ、他の柱（桁側に面しない）には薄い板厚の柱１４Ｂが用いられている。そして、外装材３２が設けられない建物内側に設けられた柱には薄い板厚の柱１４Ｂが用いられている。

（作用）
次に、本実施形態のユニット建物１０の作用を説明する。
本実施形態の建物ユニット１２は、外装材３２の設けられている桁側の柱１４Ａの剛性が、外装材３２の設けられていない他の柱１４Ｂの剛性よりも高く設定されているため、外装材３２の設けられている桁側の柱１４Ａの応力及び変形を抑えることができ、建物ユニット１２の各柱の応力及び変形のバランスを取る事ができる。

これにより、建物ユニット１２の特定のラーメンに応力が集中することが無く、応力集中に起因するユニット建物１０の損傷等を抑えることができる。
なお、妻側の柱についても外装材の有無で生じる応力や変形は異なるが、妻側のラーメンは桁側のラーメンに比較してスパンが短いため、妻側の柱に生じる応力や変形の程度は桁側の柱に比較して小さく、桁側と兼用となっていない妻側の柱に関しては、必要となる剛性、耐力に外装材の有無で大きな差は生じないため、桁側と兼用となっていない妻側の柱（本発明のその他の柱。柱１４Ｂ）は、剛性の低い方の柱とすることができる。

また、本実施形態のユニット建物１０では、板厚の異なる２種類の柱を用いた建物ユニット１２で構築されているため、全ての柱を板厚の厚い方に統一した場合（従来技術）に比較して材料使用量が抑えられる。

柱１４Ａ、及び柱１４Ｂは、板厚は異なるが外形寸法は同一であるため、柱１４Ａ、及び柱１４Ｂの接合相手、即ち、本実施形態では床仕口部（柱）２８、３０も同一寸法のものを用いることができる。

以下に、ユニット建物１０の設計を行う際の構造計算方法の一例（本発明のユニット建物の構造計算の要部）を以下に説明する。なお、構造計算はコンピュータを用いて行うことができる。

先ず、第１のステップにおいて、全ての柱、梁を、初期の板厚に設定してユニット建物の応力解析を行う。初期の板厚は、予め用意しておいた値を入力しても良く、構造計算する際に任意の値を入力しても良い。また、応力解析を行う際の荷重としては、例えば、（１）鉛直荷重時のみ、（２）鉛直荷重＋水平荷重時、の双方を用いる。ここでは、柱は全て同種の断面形状（例えば、正方形断面形状）とし、外形寸法も同一とする。

第２のステップでは、第１のステップでの応力解析の結果、応力または変位が予め設定した目標値に対して未達となった柱、及び梁が、目標値に達するように初期の板厚よりも板厚を増加して再度応力解析を行い、応力または変位が予め設定した目標値に達したか否かを判断する。
ここで、応力または変位が予め設定した目標値に対して未達となっていた柱について、応力または変位が予め設定した目標値に達したならば次のステップへ移り、目標に未達であれば、さらに板厚を増加して再度応力計算を行う。即ち、全ての柱、及び梁において、応力または変位が予め設定した目標値に達するまで、板厚の増加、及び応力計算を繰り返す。なお、応力または変位が予め設定した目標値に対した柱、及び梁は、その板厚を該柱、及び梁に対応させて記憶する。
なお、ここでの板厚の増加は、例えば０．１ｍｍとすることができるが、増加する板厚はこれに限るものではない。

次の第３のステップでは、外装材が設けられる柱の中で最も厚い第１の板厚と、その他の柱の中で最も厚い第２の板厚とが選択され、外装材が設けられる全ての柱の板厚が、予め設定した複数の板厚の中から第１の板厚以上、かつ第１の板厚に最も近い板厚に設定されると共に、その他の柱の板厚が予め設定した複数の板厚の中から第２の板厚以上、かつ第２の板厚に最も近い板厚に設定される。
これにより、ユニット建物全体として見ると、柱の板厚は２種類に設定される。
なお、ここでの「予め設定した複数の板厚」は、例えば、３．２ｍｍ、４．５ｍｍ、６．０ｍｍ等、柱として実際に使用可能な板厚のことであり、これにより、柱、及び梁に特殊な寸法の鋼材を用いることなく市販の鋼材を用いることができ合理的である。

［その他の実施形態］
上記実施形態では、柱１４Ａの剛性と柱１４Ｂの剛性を異ならせるため板厚を異ならせていたが、本発明はこれに限らず、断面寸法を異ならせる、断面形状を異ならせる方法もある。

断面寸法を異ならせる場合、例えば、柱１４Ａのサイズが１２５×１２５×ｔ（ｍｍ）であった場合、柱１４Ｂのサイズを１２５×１００×ｔ（ｍｍ）、１００×１００×ｔ（ｍｍ）等とすることができる。

また、断面形状を異ならせる場合、例えば、柱１４Ａを角型鋼管（フランジ、ウエブ共に２枚）とし、柱１４ＢをＨ型鋼（フランジ２枚、ウエブ１枚）とすることができる。
柱は角型鋼管やＨ型鋼に限らず、アングル、チャンネル等の周知のものを用いることができる。

柱１４Ａ、及び柱１４Ｂは、長手方向に剛性が均一である方が好ましい。長手方向に剛性を均一とするには、板厚、断面形状を長手方向に沿って同一とすれば良い。

柱１４Ａの剛性と柱１４Ｂの剛性を異ならせるため、柱１４Ａと柱１４Ｂに同一の鋼材を用いて、柱１４Ａにはコンクリートを充填する等して剛性を高めても良い。
柱１４Ａの剛性と柱１４Ｂの剛性を異ならせるため、柱１４Ａと柱１４Ｂに同一の鋼材を用い、柱１４Ｂに孔、スリット等の欠損部を設けて柱１４Ａよりも剛性を低くすることもできる。

なお、柱１４Ａの剛性を柱１４Ｂの剛性よりも高くするために、例えば、図３に示すように、柱１４Ａの板厚を、柱１４Ｂ対比で部分的に厚く増やしても良い。
柱１４Ａの剛性を柱１４Ｂの剛性よりも高くするために、剛性の低い方の柱１４Ｂに正方形断面の角型鋼管を用い、剛性の高い方の柱１４Ａは柱１４Ｂと外形寸法が同じになるように図４に示すような長方形断面の角型鋼管３４を２本組み合わせて構成しても良い。
また、柱１４Ａの剛性と柱１４Ｂの剛性を異ならせるため、柱１４Ａと柱１４Ｂとで鋼材の材質（例えば、炭素含有量）を変えても良い。これにより、柱１４Ａと柱１４Ｂの断面形状を全く同じにすること、即ち、外形寸法を同じにして柱１４Ａの板厚と柱１４Ｂの板厚とを同じにすることも可能である。

なお、柱１４Ａと柱１４Ｂの剛性が異なる建物ユニット１２は、ユニット建物１０に少なくとも１つ設けられていれば本発明の効果は得られる。
上記実施形態のユニット建物１０は、総２階建構造であったが、図５、及び図６に示すように、ユニット桁側にオーバーハング構造を有していても良い。

図５に示すユニット建物１０は、オーバーハング構造部分の下階（１階）の桁側に、通常の建物ユニット１２の半分の幅とされたハーフユニット１２Ａが設けられており、このハーフユニット１２Ａは剛性の高い柱１４Ａが桁側に用いられている。

図６に示すユニット建物１０は、下階（１階）の桁側にハーフユニット１２Ａが設けられており、下階（１階）のハーフユニット１２Ａの上にもハーフユニット１２Ａが設けられている。さらに、上階（２階）のハーフユニット１２Ａの桁側には、屋根部分が傾斜したハーフユニット１２Ｂが設けられている。

図５のユニット建物１０、及び図６のユニット建物１０は、共に下階（１階）の桁側に、桁側に剛性の高い柱１４Ａを用いたハーフユニット１２Ａを設けているので、柱の補強等を必要とせず、従来よりも最適なプランニングが可能となる。
また、桁側に剛性の高い柱１４Ａを備えた建物ユニット１２またはハーフユニット１２Ａを下階の桁側に設けておけば、例えば、増築等の際に、図６に示すようなハーフユニット１２Ｂを下階に補強することなく取り付けることも可能となり、後からでも容易にオーバーハング構造とすることもできる。

１０ ユニット建物
１２ 建物ユニット
１２Ａ ハーフユニット
１２Ｂ ハーフユニット
１４Ａ 柱
１４Ｂ 柱
３２ 外装材

Claims (4)

1. ユニット建物を構築するための建物ユニットであって、
   梁と、前記梁の両端部を支持する柱とを備え、
   外装材が設けられる桁側の柱の板厚が他の柱の板厚よりも厚く設定されることにより前記桁側の柱が前記他の柱よりも高い剛性に設定されると共に、前記桁側の柱の外形寸法と前記他の柱の外形寸法とが同一に設定されている、建物ユニット。
2. 請求項１に記載の建物ユニットを少なくとも１つ含んで構成されるユニット建物。
3. 下階の建物ユニットの桁側の柱の位置が、上階の建物ユニットの桁側の柱の位置よりも建物内方側へオフセットされており、前記下階の建物ユニットに、請求項１に記載の建物ユニットが用いられている、請求項２に記載のユニット建物。
4. 請求項２に記載のユニット建物の構造計算方法であって、
   前記柱を初期の板厚に設定して応力解析を行う第１の工程と、
   前記応力解析の結果、応力または変位が予め設定した目標値に対して未達となった前記柱を、前記目標値に達するように前記初期の板厚よりも増加する第２の工程と、
   外装材が設けられる前記柱の中で最も厚い第１の板厚と、前記その他の柱の中で最も厚い第２の板厚とを選択し、外装材が設けられる全ての前記柱の板厚を、予め設定した複数の板厚の中から前記第１の板厚以上、かつ前記第１の板厚に最も近い板厚に設定すると共に、前記その他の柱の板厚を前記予め設定した複数の板厚の中から前記第２の板厚以上、かつ前記第２の板厚に最も近い板厚に設定する第３の工程と、
   を有するユニット建物の構造計算方法。

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