JP5658892B2

JP5658892B2 - 耐力壁及び建物

Info

Publication number: JP5658892B2
Application number: JP2010053004A
Authority: JP
Inventors: 貴之横川
Original assignee: Toyota Housing Corp
Current assignee: Toyota Housing Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP2011184983A

Description

本発明は、地震や台風などの外力に耐えるための耐力壁及びこれを用いた建物に関する。

特許文献１には、耐力壁としてラチス柱が用いられており、ラチス材と柱材とがボルトによって接合されている。地震などの外力がこの耐力壁に作用した場合、ラチス材と柱材との接合部分においてラチス材が塑性変形し、これによってエネルギ吸収が行われる。

特開平４−１８５８３５号公報

しかしながら、塑性変形によるエネルギ吸収のみの場合、エネルギ吸収による塑性変形の履歴が残ってしまう。このため、地震などの外力（横荷重）が耐力壁に何度も作用すると、エネルギ吸収量が少なくなってしまう場合もあり、また、繰り返し応力による疲労の問題も生じる。

本発明は上記事実を考慮し、耐久性を向上させると共に、エネルギ吸収量を増大させることができる耐力壁及び建物の提供を目的とする。

請求項１に記載の耐力壁は、横荷重が入力されることにより、面内変形が生じる梁間に設置される耐力壁であって、粘弾性材料によって構成され、弾性変形及び変形による粘性抵抗によってエネルギを吸収する第１エネルギ吸収手段と、塑性材料によって構成されると共に、前記第１エネルギ吸収手段に連結されて当該第１エネルギ吸収手段から前記横荷重が伝達され、第１エネルギ吸収手段の破断荷重未満の荷重で降伏し、塑性変形してエネルギを吸収する第２エネルギ吸収手段と、を備え、さらに、一定の間隔を設けて配置された複数の柱材と、前記柱材の間に設けられ当該柱材に接合されたラチス材と、を含むラチス柱で構成され、前記ラチス材が前記第２エネルギ吸収手段であり、前記ラチス材における前記柱材との接合部に前記第１エネルギ吸収手段が直接設けられている。

請求項１に記載の耐力壁では、粘弾性材料によって構成された第１エネルギ吸収手段と、塑性材料によって構成された第２エネルギ吸収手段と、を有しており、第１エネルギ吸収手段による弾性変形及び変形による粘性抵抗又は第２エネルギ吸収手段による塑性変形によって横荷重（外力）によるエネルギが吸収される。

ここで、粘弾性材料は、変形力を熱エネルギに変換することで振動を減衰する材料であり、地震などの運動エネルギを熱エネルギに変換することができる。そして、粘弾性部材の破断荷重未満の荷重で第２エネルギ吸収手段が降伏するようにすることで、第２エネルギ吸収手段が塑性変形する前に粘弾性部材が破断しないようにして、第１エネルギ吸収手段と第２エネルギ吸収手段のそれぞれによってエネルギが吸収されるようにしている。

また、第２エネルギ吸収手段は第１エネルギ吸収手段に連結されており、小さい外力が耐力壁に作用すると、当該外力によって生じるエネルギは、第１エネルギ吸収手段によって吸収される。第１エネルギ吸収手段の破断荷重以上の外力が耐力壁に作用すると、第１エネルギ吸収手段が破断する前に第２エネルギ吸収手段が降伏して塑性変形し、第１エネルギ吸収手段から第２エネルギ吸収手段へエネルギ吸収手段が移行される。つまり、耐力壁に作用する外力の大きさに合わせて、第１エネルギ吸収手段によるエネルギ吸収と第２エネルギ吸収手段によるエネルギ吸収の２段階でエネルギを吸収することができる。

例えば、台風や小さい地震等小さい外力が耐力壁に作用した場合、第１エネルギ吸収手段による弾性変形などによってエネルギを吸収し振動を減衰させる。これにより、耐力壁に残留歪みを残さないようにすることができる。したがって、この耐力壁では、繰り返し応力に耐え得る強度を向上させることができる。

また、大きい地震等、第１エネルギ吸収手段によって吸収されるエネルギよりも大きいエネルギを生じさせる外力が耐力壁に作用した場合、第１エネルギ吸収手段から第２エネルギ吸収手段へエネルギ吸収手段が移行される。これにより、第１エネルギ吸収手段の弾性変形などによって吸収しきれなかったエネルギは、第２エネルギ吸収手段の塑性変形によって吸収され、振動が減衰する。

このため、第１エネルギ吸収手段によって吸収されるエネルギよりも大きいエネルギを吸収することができる。このように、第１エネルギ吸収手段から第２エネルギ吸収手段へエネルギ吸収手段が連続的に移行されることで、エネルギが吸収されない領域が生じないようにすると共に、より大きなエネルギを吸収することができる。

ところで、一般的に、ラチス材は、引張り材及び圧縮材としての役割を果たすため、柱材と柱材の間にブレース（筋交い）を用いた場合よりも、より大きな外力に耐えることができる。耐力壁に横荷重が作用すると、上梁と下梁との間で水平方向の相対的なズレ（面内変形）が生じ、これによってラチス材と柱材の間で上下方向の相対的なズレが生じる。

このため、本発明では、ラチス材における柱材との接合部に第１エネルギ吸収手段を直接設けることで、当該第１エネルギ吸収手段によって、ラチス材と柱材の間の上下方向の相対的なズレを吸収することができる。また、ラチス材と柱材との接合工程時に第１エネルギ吸収手段を取付ければ良いため、作業工程の変更はほとんどなく、現状の生産ラインで量産対応が可能である。

請求項２に記載の耐力壁は、請求項１に記載の耐力壁において、前記ラチス材における一方の柱材との接合部のみに前記第１エネルギ吸収手段が設けられている。

請求項２に記載の耐力壁では、ラチス材における両方の柱材との接合部に第１エネルギ吸収手段を取付ける場合と比較して、生産ラインでの作業性が良い。

請求項３に記載の耐力壁は、請求項２に記載の耐力壁において、前記ラチス材における一方の柱材との接合部の全てに前記第１エネルギ吸収手段が設けられている。
請求項３に記載の耐力壁では、ラチス材における一方の柱材との接合部の一部に第１エネルギ吸収手段が設けられる場合と比較して減衰効果を向上させることができる。
請求項４に記載の建物は、請求項１〜３の何れか１項に記載の耐力壁が用いられている。

請求項４に記載の建物では、耐力壁のエネルギ吸収量が向上するため、建物全体で耐力壁の数を減らすことができ、設計の自由度が広がる。

以上説明したように、請求項１に記載の耐力壁によれば、耐久性を向上させると共に、エネルギ吸収量を増大させることができる。

請求項２に記載の耐力壁によれば、作業工程の変更はほとんどなく、現状の生産ラインで量産対応が可能である。
請求項３に記載の耐力壁によれば、ラチス材における一方の柱材との接合部の一部に第１エネルギ吸収手段が設けられる場合と比較して減衰効果を向上させることができる。

請求項４に記載の建物によれば、耐久性を向上させると共に、建物の崩壊を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る耐力壁が用いられた建物の躯体構造を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る耐力壁を構成するラチス柱を示す正面図である。図２の一部拡大図である。本発明の実施形態に係る耐力壁を構成する、（Ａ）は粘弾性部材の応力ひずみ線図を示し、（Ｂ）はラチス材の応力ひずみ線図を示している。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の実施の形態に係る建物について説明する。
図１には、本実施形態に係る建物１０が示されており、鉄骨軸組み工法による２階建住宅の躯体構造が図示されており、基礎１１と一階部分１２と二階部分１３と図示しない屋根部分で構成されている。なお、本発明の適用対象となる建物には、鉄骨軸組み工法以外の工法（例えば、ユニット工法等）による住宅が含まれる他、住宅以外の用途の建物も含まれる。

図１に示される建物１０の躯体は、所定箇所に立設された複数本の柱１４及びラチス柱１６と、これらの柱１４或いはラチス柱１６の上端部間又は下端部間に掛け渡される複数本の上梁部材１８又は下梁部材２０と、を含んで構成されている。そして、ここでは、耐力壁２２がラチス柱１６で構成されている。

（耐力壁の構造）
ここで、本実施形態の耐力壁２２の構造を説明する。

図２に示されるように、耐力壁２２の要部を構成するラチス柱１６は、一定の間隔を設けて配置された２本の角状の柱材２４、２６と、柱材２４と柱材２６との間に設けられ、上下方向に沿ってジグザグ形状で延出し柱材２４、２６に接合される丸棒状のラチス材２８（第２エネルギ吸収手段）と、を含んで構成されている。

ラチス材２８は、大きな外力（横荷重）が作用すると、コーナー部２８Ａ（図３に示すＡ部分）の塑性変形によって、その角度を変えて引張り材及び圧縮材としての役割を果たすため、柱材２４と柱材２６の間にブレース（図示省略）を用いた場合よりも、より大きな外力に耐えることができる。つまり、この耐力壁２２は、ブレースを用いた場合よりもエネルギ吸収量を大きくすることができる。

ラチス材２８には、柱材２４、２６の接合面２４Ａ、２６Ａと対面する部分に、直線状の接合部３０、３２がそれぞれ形成されており、柱材２４、２６との接合面が確保されている。ラチス材２８の接合部３０は、溶接によって柱材２４の接合面２４Ａに接合されている。

一方、ラチス材２８の接合部３２と柱材２６の接合面２６Ａとの間には、第１エネルギ吸収手段としての高減衰ゴム（粘弾性部材、第１エネルギ吸収手段）３４が設けられており、例えば、化学反応によってゴムと金属を接着させる加硫接着によって、接合部３２及び接合面２６Ａに接着されている。

ここで、高減衰ゴム３４は、変形力を熱エネルギに変換することで振動を減衰する部材であり、地震などの運動エネルギを熱エネルギに変換することができる。図４（Ａ）にはこの高減衰ゴム３４の応力ひずみ線図が模式的に示されている。この応力ひずみ線図から、高減衰ゴム３４の破断荷重（Ｐ_１）が得られるが、この破断荷重に安全率を考慮した荷重が、当該高減衰ゴム３４における許容荷重（Ｐ_２）となる。そして、この許容荷重以下の荷重（Ｐ_３）で降伏するようにラチス材２８が設定される。なお、図４にはラチス材２８の応力ひずみ線図が模式的に示されている。

ラチス材２８は、線径、角度及び材質などを変えることによって塑性変形が開始される荷重（降伏荷重；Ｐ_３）を設定することができるため、高減衰ゴム３４が破断しない荷重の範囲内でラチス材２８が塑性変形するように、ラチス材２８の線径、角度又は材質などを設定する。なお、高減衰ゴム３４の破断荷重未満の荷重でラチス材２８が降伏すれば良いため、ラチス材２８の降伏荷重に合わせて高減衰ゴム３４を設定しても良い。

台風や地震等により建物１０に外力（横荷重）が作用すると、上梁部材１８と下梁部材２０の間で水平方向の相対的なズレ（面内変形）が生じるが、これによってラチス材２８と柱材２４の間で上下方向の相対的なズレが生じる。

このため、柱材２６の接合面２６Ａとラチス材２８の接合部３２の間に高減衰ゴム３４を設けることで、小さい地震などにより、建物１０に小さい外力が作用した場合、当該高減衰ゴム３４の弾性変形によって当該外力によって生じるエネルギが吸収され、ラチス材２８と柱材２６の間の上下方向の相対的なズレが吸収される（第１段階）。

一方、大きい地震などにより、建物１０に大きい外力（高減衰ゴム３４の許容荷重以上の外力）が作用した場合、ラチス材２８が降伏し、ラチス材２８の塑性変形によって当該外力によって生じるエネルギが吸収される（第２段階）。

つまり、建物１０に作用する外力の大きさに合わせて、高減衰ゴム３４によるエネルギ吸収とラチス材２８によるエネルギ吸収の２段階でエネルギを吸収するようにしている。

（耐力壁の作用・効果）
次に、耐力壁２２の作用・効果について説明する。

本実施形態では、図２に示されるように、耐力壁２２の柱材２６とラチス材２８の間に高減衰ゴム３４を設け、高減衰ゴム３４の弾性変形などによるエネルギ吸収と、ラチス材２８の塑性変形によるエネルギ吸収と、を有している。そして、高減衰ゴム３４の許容荷重未満の荷重でラチス材２８が降伏するようにすることで、ラチス材２８が塑性変形する前に高減衰ゴム３４が破断しないようにして、弾性変形などによるエネルギ吸収から塑性変形によるエネルギ吸収へ連続的に移行されるようにしている。つまり、第１エネルギ吸収手段と第２エネルギ吸収手段のそれぞれによってエネルギが吸収されるようにして、台風や地震などによる外力の大きさに合わせて２段階でエネルギ吸収を行うことができるようにしている。

具体的には、台風や小さい地震など、建物１０に小さい外力が作用した場合、高減衰ゴム３４の弾性変形によって当該外力によって生じたエネルギを吸収し振動を減衰させる。これにより、耐力壁２２に残留歪みを残さないようにすることができる。したがって、この耐力壁２２では、繰り返し応力に耐え得る強度を向上させることができる。

また、大きい地震など、建物１０に高減衰ゴム３４によって吸収されるエネルギよりも大きい外力が作用した場合、高減衰ゴム３４からラチス材２８へエネルギ吸収手段が移行される。これにより、高減衰ゴム３４の弾性変形によって吸収しきれなかったエネルギは、高減衰ゴム３４の破断前にラチス材２８の塑性変形によって吸収され、振動が減衰される。

つまり、本実施形態による耐力壁２２では、繰り返し応力に耐え得る強度を向上させて耐久性を向上させると共に、外力によって生じたエネルギを高減衰ゴム３４とラチス材２８のそれぞれによって吸収し、建物１０の崩壊を抑制することができる。

また、ここでは、図４（Ａ）に示されるように、高減衰ゴム３４の許容荷重（Ｐ_２）未満の荷重（Ｐ_３）でラチス材２８が降伏して塑性変形するように設定している。これにより、高減衰ゴム３４の弾性変形などによるエネルギ吸収から、ラチス材２８の塑性変形によるエネルギ吸収へエネルギ吸収手段が連続的に移行される。これによって、エネルギが吸収されない領域が生じないようにすると共に、より大きなエネルギを吸収することができる。つまり、本実施形態によれば、耐力壁２２において、繰り返し応力に耐え得る強度を向上させて耐久性を向上させると共に、エネルギの吸収量を増大させることができる。

ところで、柱材２６とラチス材２８の接合部３２の間に高減衰ゴム３４を設けるに当たって、柱材２６とラチス材２８との接合工程時に高減衰ゴム３４を柱材２６とラチス材２８の間に接着させれば良いため、作業工程の変更はほとんどなく、現状の生産ラインで量産対応が可能である。

一方、耐力壁２２をラチス柱１６で構成することで、耐力壁２２をブレースで構成した場合よりもエネルギ吸収量を増大させることができるため、建物１０全体で耐力壁２２の数を減らすことができ、設計の自由度が広がる。なお、ラチス柱１６で構成した場合よりも耐力壁２２の数は増えることとなるが、耐力壁２２をブレースで構成しても良いのは勿論のことである。

また、ここでは、図２に示されるように、柱材２６とラチス材２８の接合部３２の間に高減衰ゴム３４を設けたが、柱材２４とラチス材２８の接合部３０の間にも高減衰ゴム３４を設けても良い。この場合、作業工数が増すこととなるが、減衰効果は高くなる。さらに、ここでは、耐力壁２２として、２本の角状の柱材２４、２６と１つのラチス材２８によるラチス柱１６について説明したが、３本の柱材２４と、２つのラチス材２８によるラチス柱１６で要部を構成しても良い。

１０建物
１６ラチス柱（耐力壁）
１８上梁部材（梁）
２０下梁部材（梁）
２２耐力壁
２４柱材
２６柱材
２８ラチス材（第２エネルギ吸収手段）
３２接合部
３４高減衰ゴム（粘弾性部材、第１エネルギ吸収手段）

Claims

横荷重が入力されることにより、面内変形が生じる梁間に設置される耐力壁であって、
粘弾性材料によって構成され、弾性変形及び変形による粘性抵抗によってエネルギを吸収する第１エネルギ吸収手段と、
塑性材料によって構成されると共に、前記第１エネルギ吸収手段に連結されて当該第１エネルギ吸収手段から前記横荷重が伝達され、第１エネルギ吸収手段の破断荷重未満の荷重で降伏し、塑性変形してエネルギを吸収する第２エネルギ吸収手段と、
を備え、
さらに、一定の間隔を設けて配置された複数の柱材と、前記柱材の間に設けられ当該柱材に接合されたラチス材と、を含むラチス柱で構成され、
前記ラチス材が前記第２エネルギ吸収手段であり、前記ラチス材における前記柱材との接合部に前記第１エネルギ吸収手段が直接設けられている耐力壁。
前記ラチス材における一方の柱材との接合部のみに前記第１エネルギ吸収手段が設けられている請求項１に記載の耐力壁。
前記ラチス材における一方の柱材との接合部の全てに前記第１エネルギ吸収手段が設けられている請求項２に記載の耐力壁。
請求項１〜３の何れか１項に記載の耐力壁が用いられた建物。