JP6104684B2 - 圧縮ブレース - Google Patents

Description

この発明は、構造物の骨組みに組み込まれて、地震等の際に圧縮力を負担する圧縮ブレースに関する。

圧縮ブレースは、既存躯体との接合部の簡素化を図るべく、補強部材に引張力を負担させない機構を持たせた座屈拘束ブレースであり、具体的には、芯材を分割することで引張力を負担させないようにしている（例えば特許文献１）。

特許第４９１７１６８号公報

前記構成の圧縮ブレースは、芯材が一対の分割芯材に分割されているため、その履歴性状が図１１に示すようなスリップ型となる。
その理由を、図１２を参照して以下に説明する。建物躯体４０に組み込まれた初期状態の前記分割圧縮ブレース４１（図１２（Ａ））が、地震等の際に震動エネルギーを吸収して圧縮降伏すると（図１２（Ｂ））、その後は引張力を負担しないため一対の分割芯材間に隙間Ｇが生じてしまう（図１２（Ｃ））。この隙間Ｇのために、圧縮ブレース４１にスリップが生じ、圧縮ひずみが蓄積されてしまう。
スリップ型履歴は、通常の引張ブレースにも見られる性状であるが、履歴性状が紡錘型のブレースに比べてエネルギー吸収量が劣るという問題がある。すなわち、荷重変形関係における面積が小さい。圧縮ブレースの性能向上を図るには、スリップを緩和させ、履歴性状を紡錘型に近づける必要がある。

この発明の目的は、圧縮降伏後に再度圧縮力が負荷されたときの初期段階でのスリップを緩和して、履歴性状を紡錘型に近づけることができる圧縮ブレースを提供することである。

この発明の圧縮ブレースは、芯材と、この芯材の両面に沿って配置されて前記芯材の座屈を拘束する一対の拘束材とを備え、前記芯材が、長さ方向の前記拘束材で拘束されている部分で一対の分割芯材に分割され、圧縮力のみを負担する圧縮ブレースにおいて、前記芯材が圧縮力により降伏した後に前記一対の分割芯材の間に生じる隙間に充填材を充填させる充填材供給機構を設けたことを特徴とする。

この構成の圧縮ブレースによると、圧縮降伏後に、引張力を受けて一対の分割芯材間に生じた隙間に、前記充填材供給機構から充填材が供給されて充填される。このため、再度圧縮力が作用したときの初期段階で芯材に生じるスリップを緩和して、履歴性状を紡錘型に近づけることができる。

この発明において、前記充填材が粉粒体であっても良い。圧縮ブレースに再度圧縮力が作用したとき芯材に生じるスリップの緩和は、分割芯材間の隙間に充填される充填材の充填度が高いほど有効であり、充填材が粉粒体であると前記隙間への充填材の充填度を高くでき、それだけ芯材のスリップを緩和させることができる。

この場合に、前記充填材供給機構は、前記拘束材に設置されて内部に前記充填材が収容され、かつ前記一対の分割芯材間の当接部に開口を有する収容室と、この収容室内の充填材を前記一対の分割芯材の間に生じる隙間に充填させ、かつ前記隙間から排出されることを阻害する充填力付与手段とでなるものであっても良い。

この構成の充填材供給機構において、前記充填力付与手段が、前記収容室の前記充填材が収容された部分を蓋する可動の蓋部材と、この蓋部材を充填材側へ押し付ける弾性体とでなるものとしても良い。
このように構成した場合、一対の分割芯材の当接部に隙間が生じない圧縮降伏前の状態での充填材供給機構における蓋部材の高さ位置と、圧縮降伏後に引張力を受けて一対の分割芯材間に隙間Ｇが生じた状態での充填材供給機構における蓋部材の高さ位置との差を測定することで、前記隙間への充填材の充填量が分かるので、これにより圧縮ブレースの変位量を推定することができる。

前記構成の充填材供給機構において、前記充填力付与手段が、この圧縮ブレースを建築物に設置した状態で前記収容室が前記一対の分割芯材の当接部よりも高位置に配置される構成であっても良い。
このように構成した場合、圧縮降伏後に引張力を受けて一対の分割芯材間に隙間が生じると、充填材供給機構における収容室の内部に収容された充填材は、自重による自然落下により前記隙間に供給される。そのため、蓋部材や弾性体からなる充填力付与手段を省略することができる。

この発明において、前記充填材が前記芯材と同種の鋼材であっても良い。
充填材が芯材と同種の鋼材であると、充填材の剛性が芯材と同等となるので、両分割芯材間の隙間に充填材が密実に充填された場合、圧縮降伏後に再度の圧縮力を受けたときに、圧縮降伏前の場合と同等の圧縮力を負担でき、スリップを完全に解消できる。

この発明の圧縮ブレースは、芯材と、この芯材の両面に沿って配置されて前記芯材の座屈を拘束する一対の拘束材とを備え、前記芯材が、長さ方向の前記拘束材で拘束されている部分で一対の分割芯材に分割され、圧縮力のみを負担する圧縮ブレースにおいて、前記芯材が圧縮力により降伏した後に前記一対の分割芯材の間に生じる隙間に充填材を充填させる充填材供給機構を設けたため、圧縮降伏後に再度圧縮力が負荷されたときの初期段階でのスリップを緩和して、履歴性状を紡錘型に近づけることができる。

この発明の一実施形態に係る圧縮ブレースを組み込んだ建物躯体の正面図である。 同圧縮ブレースの外観斜視図および断面図である。 同圧縮ブレースの初期状態および圧縮降伏後の引張時の状態を示す作用説明図である。 同圧縮ブレースによる地震履歴の確認方法を示す説明図である。 同圧縮ブレースの履歴イメージを従来例と比較して示す説明図である。 図１におけるＡ部の拡大断面図である。 図１におけるＢ部の拡大断面図である。 図１におけるＣ部の拡大断面図である。 この発明の他の実施形態の圧縮ブレースを組み込んだ建物躯体の正面図である。 同圧縮ブレースの初期状態および圧縮降伏後の引張時の状態を示す作用説明図である。 従来例の履歴性状を示すグラフである。 同従来例の履歴性状がスリップ型となる理由の説明図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図８と共に説明する。図１は、この実施形態の圧縮ブレースを組み込んで耐震補強構造とした建物の躯体構造を示す部分正面図である。この耐震補強構造は、既存建物を、この実施形態の圧縮ブレース２Ａ，２Ｂを用いて補強する構造である。同図に示すように、建物躯体は、隣り合う２本の柱２０，２０間に梁３０が横架されていて、この梁３０の下面に沿って、両側の柱２０，２０の間に上部鉄骨枠材１が設けられる。この上部鉄骨枠材１の下方に、２本の圧縮ブレース２Ａ，２Ｂが互いに逆Ｖ字状に配置される。すなわち、上部鉄骨枠材１の中間部と一方の柱２０の下端との間に渡って第１の圧縮ブレース２Ａが設けられ、上部鉄骨枠材１の中間部と他方の柱２０の下端との間に渡って第２の圧縮ブレース２Ｂが設けられている。建物躯体はＲＣ造またはＳＲＣ造である。

前記各圧縮ブレース２Ａ，２Ｂは、建物躯体に加わる水平力に抵抗する部材であって、図２に示すように、芯材３とこの芯材３の両面に沿って配置されて芯材３の座屈を拘束する一対の拘束材４，４とを有する。芯材３は、帯状の平鋼板であり、ＳＮ材（建築構造用圧延鋼材）や、ＬＹＰ材（極低降伏点鋼材）等の降伏点の低い鉄鋼材料からなる。
拘束材４は、例えば芯材３に向けて開口する溝形鋼材５内にモルタルまたはコンクリート６を充填して構成される。芯材３と拘束材４との間には粘弾性体からなるアンボンド材９が介在させてある。芯材３の両側面には、対向する一対の拘束材４，４間の隙間を確保するスペーサ１９が介在させてある。スペーサ１９は、線状の鋼材またはゴム材等からなるが、省略しても良い。
芯材３の両端には、前記連結部材３ａが設けられている。連結部材３ａは板状の部材であり、芯材３に接合されたものであっても、芯材３に一体に形成されたものであっても良い。連結部材３ａには、両面に長手方向に沿って補強リブ３ａａが設けられ、補強リブ３ａａは、拘束材４の溝形鋼材５の端部付近に設けられたスリット部から突出している。

図１の拡大断面図を示す図６ないし図８のように、各連結部材３ａにはその端部にエンドプレート１０，１１が設けられている。エンドプレート１０，１１は、例えば直角に折れ曲がったＬ字状とされている。このＬ字状の曲げ角を２分する線の方向が、圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの長さ方向となる。エンドプレート１０，１１は、連結部材３ａの両面側へ突出しているが、片面側のみに突出するものであっても良い。これらエンドプレート１０，１１には複数のボルト挿通孔が設けられている。

図２（Ａ）に示すように、芯材３は、拘束材４で拘束されている範囲で、長さ方向の途中部分、例えば中央で、一対の分割芯材３Ａ，３Ａに分割されており、これにより圧縮力のみを負担するようにされている。また、各圧縮ブレース２Ａ，２Ｂには、芯材３が圧縮力により降伏した後に前記一対の分割芯材３Ａ，３Ａの間に生じる隙間Ｇに例えば粉粒体からなる充填材８（図３）を充填させる充填材供給機構７が設けられている。

この実施形態では、図１のように各圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの側面、つまり芯材３の片面に対向する側面に前記充填材供給機構７が設けられる。図３のように、充填材供給機構７は、圧縮ブレース２Ａ，２Ｂにおける一対の拘束材４，４のうち、一方の拘束材４に設置される収容室１５と、充填力付与手段１６とからなる。前記収容室１５は拘束材４の表面側に開く開口１５ａと、一対の分割芯材３Ａ，３Ａ間の当接部に対向する開口１５ｂとを有し、内部には前記充填材８が充填される。表面側の開口１５ａは外蓋１７で蓋される。前記充填力付与手段１６は、収容室１５内の前記充填材８が収容された部分を蓋する可動の蓋部材１８と、この蓋部材１８と前記外蓋１７との間に介在して、前記蓋部材１８を充填材８側へ押し付ける弾性体２１とで構成される。弾性体２１は板ばね等からなる。充填材８は芯材３と同種の鋼材からなるが、芯材３の強度以上の材料からなるものとしても良い。

図５は、この実施形態の圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの履歴性状を、従来例の分割圧縮ブレースの履歴性状と比較して示したグラフである。図５（Ａ）のように、スリップ型の履歴性状を示す従来例の分割圧縮ブレースでは、圧縮降伏後、過去に経験した変位（残留変位）までは圧縮荷重を負担しないため、繰り返しの地震動に対して履歴性状が紡錘型のものに比べて劣る。すなわち、図５（Ａ）において、（４）が水平（＝圧縮荷重を負担していない＝補強効果がない）となる。なお、同図において、（１）は弾性範囲の過程、（２）は除荷の過程、（３）は引張力（≒ゼロ）が負荷される過程、（４）は再度圧縮力が負荷される過程で圧縮残留変位（○印で示す）までは荷重を負担しない（スリップする）状態を示し、（５）はその後に圧縮荷重を負担する過程を示す。●印は圧縮降伏点を示す。

これに対して、この実施形態の圧縮ブレース２Ａ，２Ｂでは、圧縮降伏後に、引張力を受けて一対の分割芯材３Ａ，３Ａ間に生じた隙間Ｇに、前記充填材供給機構７から充填材８が供給されて充填されるので、再度圧縮力が作用したときの初期段階で芯材３に生じるスリップが緩和される。すなわち、図５（Ｂ）のような履歴性状となる。同図において、（１）は弾性範囲の過程、（２）は除荷の過程、（３）は引張力（≒ゼロ）が負荷される過程、（４）は再度の圧縮力が負荷される初期段階の過程で、前記一対の分割芯材３Ａ，３Ａ間に生じた隙間Ｇに充填材８が充填されているので、スリップが緩和された状態を示し、（５）はその後に圧縮荷重を負担する過程を示す。なお、図３（Ａ）は図５（Ｂ）における（１）の状態を示し、図３（Ｂ）は図５（Ｂ）における（４）の状態を示す。
このように、この圧縮ブレース２Ａ，２Ｂでは、圧縮降伏後に再度圧縮力が負荷されたときの初期段階でのスリップを緩和して、履歴性状を紡錘型に近づけることができる。

圧縮ブレース２Ａ，２Ｂに再度圧縮力が作用したとき芯材３に生じるスリップの緩和は、分割芯材３Ａ，３Ａ間の隙間Ｇに充填される充填材８の充填度が高いほど有効であり、充填材８が粉粒体であると前記隙間Ｇへの充填材８の充填度を高くでき、それだけ芯材３のスリップを緩和させることができる。
なお、前記充填材８となる材料の条件としては、以下の条件のものが好適である。
・粒径：１mm
１mm以上の材料を用いた場合、分割芯材３Ａ，３Ａ間の隙間Ｇが１mm以上でな いと上記した効果を発揮できないため、粒径はできる限り小さいほうが望まし い。
・強度：芯材３と同等以上
・剛性：芯材３の１／３以上
図５（Ｂ）における（４）の勾配は、充填材８の剛性および充填度に依存する 。充填材８が両分割芯材３Ａ，３Ａ間の隙間Ｇに密実に充填された場合、充填 材８の剛性が芯材３と同等であれば、（４）は（１）と同じ勾配を持ち、スリ ップが完全に解消される。充填材８の剛性が低くなれば、（４）の勾配が小さ くなるため、スリップ緩和の効果は低くなるが、少なからず改善される。

また、この実施形態の圧縮ブレース２Ａ，２Ｂでは、図４のように、一対の分割芯材３Ａ，３Ａの当接部に隙間Ｇが生じない圧縮降伏前の状態での充填材供給機構７における蓋部材１８の高さ位置（図４（Ａ）の状態）と、圧縮降伏後に引張力を受けて一対の分割芯材３Ａ，３Ａ間に隙間Ｇが生じた状態での充填材供給機構７における蓋部材１８の高さ位置（図４（Ｂ）の状態）との差を、外蓋１７を開けて測定することで、前記隙間Ｇへの充填材８の充填量が分かるので、これにより圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの変位量を推定することができる。

図９および図１０は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、図９のように建物躯体に圧縮ブレース２Ａ，２Ｂを設置した状態で、充填材供給機構７Ａを、その収容室１５（図１０）が圧縮ブレース２Ａ，２Ｂにおける一対の分割芯材３Ａ，３Ａの当接部よりも高い位置となるように配置することで、先の実施形態における充填力付与手段１６を省略したものである。具体的には、充填材供給機構７Ａの収容室１５を、図１０のように、圧縮ブレース２Ａ，２Ｂにおける芯材３の両側端のうち、上側となる側端に対向させて配置している。

このように、充填材供給機構７Ａの収容室１５を配置することにより、圧縮降伏後に引張力を受けて一対の分割芯材３Ａ，３Ａ間に隙間Ｇが生じると、収容室１５の内部に収容された充填材８は、自然落下により前記隙間Ｇに供給されるので、先の実施形態の場合のような充填力付与手段１６を省略することができる。その他の構成および作用効果は、先の実施形態の場合と略同様である。

つぎに、図１の建物の躯体構造につき、補足説明する。上部鉄骨枠材１は、図１のＡ部を拡大して示す図６、および図１のＢ部の拡大断面図を示す図７のように例えばＨ形鋼からなり、そのウェブ１ａが水平姿勢となるように配置され、両端にはエンドプレート１ｂが設けられている。柱２０および梁３０と、上部鉄骨枠材１との間にはモルタル１２が充填され、図６のように上部鉄骨枠材１のウェブ部１ａの複数箇所をボルト１３およびナット（図示せず）で梁３０に接合することにより、上部鉄骨枠材１が建物躯体に接合される。また、図７のように上部鉄骨枠材１の両端のエンドプレート１ｂを同様にボルト１３およびナット（図示せず）で柱２０に接合することにより、より強固に接合することもできる。各ボルト１３は、例えば梁３０や柱２０に後施工で設けられたホールインアンカー等のアンカーである。

第１および第２の圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの一端は、それぞれ連結部材３ａを介して各柱２０の下端に接合され、これら圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの他端はそれぞれ他の連結部材３ａを介して上部鉄骨枠材１の中間部に接合される。

図８のように、柱２０および梁３０と、両圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの下端の連結部材３ａとの間にはモルタル１２が充填され、連結部材３ａに設けられたエンドプレート１０の縦片および横片を、ホールインアンカー等のボルト１３とナット（図示せず）で柱２０および梁３０に接合することにより、両圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの下端が建物躯体に接続される。

図６のように、上部鉄骨枠材１の中間部には、ウェブ部１ａから垂直下方に突出する取付用鋼板１４が設けられている。両圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの上端の連結部材３ａに設けられたエンドプレート１１の縦片および横片を、ボルト１３で前記取付用鋼板１４および上部鉄骨枠材１のウェブ部１ａに接合することにより、両圧縮ブレース２Ａ，２Ｂの上端が上部鉄骨枠材１を介して建物躯体に接続される。両圧縮ブレース２Ａ，２Ｂのエンドプレート１１の縦片は、取付用鋼板１４と共に重なり状態にボルト１３で接合される。

２Ａ，２Ｂ…圧縮ブレース
３…芯材
３Ａ…分割芯材
４…拘束材
７，７Ａ…充填材供給機構
８…充填材
１５…収容室
１５ｂ…開口
１６…充填力付与手段
１８…蓋部材
２１…弾性体

Claims (6)

1. 芯材と、この芯材の両面に沿って配置されて前記芯材の座屈を拘束する一対の拘束材とを備え、前記芯材が、長さ方向の前記拘束材で拘束されている部分で一対の分割芯材に分割され、圧縮力のみを負担する圧縮ブレースにおいて、
   前記芯材が圧縮力により降伏した後に前記一対の分割芯材の間に生じる隙間に充填材を充填させる充填材供給機構を設けたことを特徴とする圧縮ブレース。
2. 請求項１に記載の圧縮ブレースにおいて、前記充填材が粉粒体である圧縮ブレース。
3. 請求項２に記載の圧縮ブレースにおいて、前記充填材供給機構は、前記拘束材に設置されて内部に前記充填材が収容され、かつ前記一対の分割芯材間の当接部に開口を有する収容室と、この収容室内の充填材を前記一対の分割芯材の間に生じる隙間に充填させ、かつ前記隙間から排出されることを阻害する充填力付与手段とでなる圧縮ブレース。
4. 請求項３に記載の圧縮ブレースにおいて、前記充填力付与手段が、前記収容室の前記充填材が収容された部分を蓋する可動の蓋部材と、この蓋部材を充填材側へ押し付ける弾性体とでなる圧縮ブレース。
5. 請求項３に記載の圧縮ブレースにおいて、前記充填力付与手段が、この圧縮ブレースを建築物に設置した状態で前記収容室が前記一対の分割芯材の当接部よりも高位置に配置される構成としたものである圧縮ブレース。
6. 請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の圧縮ブレースにおいて、前記充填材が前記芯材と同種の鋼材である圧縮ブレース。

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