JP6167564B2 - 制振構造 - Google Patents

Description

本発明は、制振構造に関する。特に、鉄骨造における制振構造に関する。

鉄骨造においては、地震等の外力を受けて鉄骨造が大きく振動し、鉄骨造が破損する場合がある。かかる場合には、復旧までに時間を要する問題が発生し得る。

特開２００３−６４９０１号公報

上記問題を解決するために、様々な制振構造が開発されている。例えば、かかる制振構造の一例として、上下階をつないで、その間に制振装置を設置する層間タイプの制振構造が知られている。

しかしながら、このような制振装置を鉄骨造に設置するのには手間及びスペースが必要で、簡便に設置を行いたいとの要請があった。特に、既存の鉄骨造に対し制振性能を向上させる対策を施す際には、当該要請はより強いものとなっていた。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、鉄骨造の制振を簡便に実現することにある。

主たる本発明は、鉄骨造における制振構造であって、
前記鉄骨造を構成する複数の鉄骨梁と、
該複数の鉄骨梁の接合部に添設され、前記鉄骨造に入力される水平外力により前記鉄骨梁よりも先行して降伏する降伏板材と、
を有し、
前記降伏板材は、該降伏板材の軸方向と直交する水平方向の幅が縮小された縮小部を備え、
前記降伏板材の曲げ座屈細長比は、塑性限界細長比以下であり、
前記降伏部材に対して座屈防止部材が設けられていないことを特徴とする制振構造である。
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

本発明によれば、鉄骨造の制振を簡便に実現することが可能となる。

本実施の形態に係る制振構造の概略側面図である。 本実施の形態に係る制振構造の概略断面図である。 下フランジ連結部材６０の概略平面図である。

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも次のことが明らかにされる。

鉄骨造における制振構造であって、
前記鉄骨造を構成する複数の鉄骨梁と、
該複数の鉄骨梁の接合部に添設され、前記鉄骨造に入力される水平外力により前記鉄骨梁よりも先行して降伏する降伏板材と、
を有することを特徴とする制振構造。
かかる場合には、鉄骨造の制振を簡便に実現することが可能となる。

また、前記降伏板材は、該降伏板材の軸方向と直交する水平方向の幅が縮小された縮小部を備えることとしてもよい。
かかる場合には、簡易に降伏板材を実現することが可能となる。

また、前記複数の鉄骨梁の各々は、上フランジと下フランジとを備えており、
前記降伏板材は、複数の該下フランジの接合部に添設されていることとしてもよい。
かかる場合には、鉄骨造の制振をより適切に実現することが可能となる。

また、前記複数の鉄骨梁の各々は、ウエブを備えており、
複数の該ウエブの接合部に、ウエブ連結部材が設けられており、
該ウエブ連結部材は、上下方向において前記下フランジよりも前記上フランジに近い側に設けられていることとしてもよい。
かかる場合には、ウエブ連結部材の破損を抑止することが可能となる。

また、前記降伏板材の曲げ座屈細長比は、塑性限界細長比以下であることとしてもよい。
かかる場合には、スペースを犠牲にすることなく制振効果を維持することが可能となる。

また、前記降伏板材は、取り換え可能であることとしてもよい。
かかる場合には、簡便に鉄骨造の制振構造を復活させることができる。

＝＝＝本実施の形態に係る制振構造について＝＝＝
先ず、本実施の形態に係る制振構造について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る制振構造の概略側面図である。図２は、本実施の形態に係る制振構造の概略断面図である。図３は、下フランジ連結部材６０の概略平面図である。なお、図３の上図は、下側下フランジ連結部材６２を、図３の下図は、上側下フランジ連結部材６４を、それぞれ表したものである。

この制振構造は、鉄骨造１における制振構造であり、当該鉄骨造１は、上下方向（鉛直方向）に延びる鉄骨柱５と水平方向に延びる鉄骨梁１０により構成されている。すなわち、図１に示すように、長手方向が上下方向に沿った鉄骨柱５に、長手方向が水平方向に沿った鉄骨梁１０が接続されている。

本実施の形態に係る鉄骨梁１０は、H形鋼であり、二つの鉄骨柱５の間には、複数に分割された鉄骨梁１０が設けられている（この複数の鉄骨梁１０のうち、図１に表された左側の鉄骨梁１０を第一鉄骨梁２０と呼び、右側の鉄骨梁１０を第二鉄骨梁３０と呼ぶ）。

第一鉄骨梁２０と第二鉄骨梁３０は、同一の断面形状を備えており、第一鉄骨梁２０の断面と第二鉄骨梁３０の断面とが僅かな間隙Gを隔てて対向している。すなわち、第一鉄骨梁２０の第一端部２１と第二鉄骨梁３０の第二端部３１とが、間に間隙Ｇを有した状態で対向している。

具体的には、鉄骨梁１０（第一鉄骨梁２０及び第二鉄骨梁３０）は、図１及び図２に示すように、上フランジ１２（第一上フランジ２２及び第二上フランジ３２）、ウエブ１３（第一ウエブ２３及び第二ウエブ３３）、下フランジ１４（第一下フランジ２４及び第二下フランジ３４）を有している。そして、第一上フランジ２２と第二上フランジ３２、第一ウエブ２３と第二ウエブ３３、第一下フランジ２４と第二下フランジ３４が、それぞれ間隙Ｇを隔てて対向している。

また、第一端部２１と第二端部３１には、第一鉄骨梁２０と第二鉄骨梁３０を連結するための連結部材が設けられている。つまり、当該第一端部２１及び第二端部３１は、第一鉄骨梁２０と第二鉄骨梁３０の接合部となっており、連結部材が当該接合部に添設されている。

本実施の形態においては、かかる連結部材として、３種類の連結部材が設けられている。すなわち、複数の下フランジ１４の接合部に設けられた下フランジ連結部材６０（降伏板材に相当）と、複数の上フランジ１２の接合部に設けられた上フランジ連結部材４０と、複数のウエブ１３の接合部に設けられたウエブ連結部材５０とが、備えられている。なお、これらの３種類の連結部材はいずれも鉄製である。

下フランジ連結部材６０は、図１に示すように、前述した間隙Ｇを跨ぐようにして、第一下フランジ２４と第二下フランジ３４に添設されている。本実施の形態においては、３つの下フランジ連結部材６０が設けられている。すなわち、下フランジ１４の下側において接合部に添設された下側下フランジ連結部材６２と、下フランジ１４の上側において接合部に添設された二つの上側下フランジ連結部材６４（二つの上側下フランジ連結部材６４の各々は、図２に示すように、水平方向においてウエブ１３の両側に位置している）とが備えられている。

なお、図１及び図２に示すように、上側下フランジ連結部材６４と下側下フランジ連結部材６２は、双方が下フランジ１４を挟んだ状態で、ボルト７０により止められている。したがって、下フランジ連結部材６０は、ボルト７０を取り外すことにより、取り換え可能となっている。

また、下フランジ連結部材６０は、鉄骨造１に入力される水平外力により鉄骨梁１０よりも先行して降伏する降伏板材（薄板）となっている。つまり、下フランジ連結部材６０は、鉄骨造１に地震等の水平外力が入力されると、鉄骨梁１０よりも先に降伏するように設計されている。

そして、本実施の形態においては、下フランジ連結部材６０に特別な材料を用いることなく（降伏板材ではない上フランジ連結部材４０やウエブ連結部材５０と同じように鉄製である）、下フランジ連結部材６０の形状を工夫することにより、下フランジ連結部材６０を鉄骨梁１０よりも先に降伏させること（便宜上、このことを先行降伏と呼ぶ）を実現している。

すなわち、図３に示すように、下フランジ連結部材６０は、下フランジ連結部材６０の軸方向と直交する水平方向の幅が縮小された縮小部６０ａを備えている。つまり、下フランジ連結部材６０は、前記先行降伏を実現するために加工された加工部である縮小部６０ａを有している。

そして、かかる縮小部６０ａを設けたことにより、下フランジ連結部材６０は、鉄骨梁１０よりも先に降伏する。そのため、地震等の水平外力が入力された際に、鉄骨梁１０に損傷を与えることなく、下フランジ連結部材６０の降伏により生ずる減衰作用により制振効果を得ることが可能となる。

ところで、下フランジ連結部材６０に地震等の水平外力が入力されると、下フランジ連結部材６０には、引っ張り力と圧縮力とが交互にかかることとなる。そして、圧縮力がかかった際には、下フランジ連結部材６０が、降伏するだけではなく、座屈する可能性がある。そして、下フランジ連結部材６０が座屈した場合には、降伏による減衰作用は生ずるものの、その制振効果は小さくなる。

そして、かかる不都合への対処として、下フランジ連結部材６０に対し座屈防止部材を設けることが考えられるが、当該座屈防止部材の設置は、スペースを犠牲にする。例えば、下側下フランジ連結部材６２の下方に、座屈防止部材を設けた場合には、設けた分スペースが取られ、天井が低くなってしまうことがある。そのため、座屈防止部材を追加しなくても座屈が起こらない様な設計とすることが望ましい。

これに対し、本実施の形態においては、下フランジ連結部材６０（降伏板材）に座屈防止部材は設けておらず（板形状のままである）、下フランジ連結部材６０（降伏板材）の曲げ座屈細長比を、塑性限界細長比以下とすることにより、座屈対策としている。
すなわち、「鋼構造限界状態設計指針（日本建築学会編）」には、λｃ≦ρλｃを満足するときには、Ｎｃ＝Ｎｙとなることが記載されている。ここで、λｃは曲げ座屈細長比であり、ρλｃは塑性限界細長比（＝０．１５）であり、Ｎｃは曲げ座屈限界耐力であり、Ｎｙは降伏限界耐力（これは、降伏強さと板材の全断面積の積）である。

降伏限界耐力Ｎｙは、座屈とは無関係に定まる（座屈を考慮せずに得られる）値であり、引っ張り力がかかった際の限界耐力がこれに該当する。したがって、上式は、曲げ座屈細長比λｃが塑性限界細長比ρλｃ以下（０．１５以下）であれば、圧縮力がかかったときの限界耐力を引っ張り力がかかったときの限界耐力と同様としてよいこと、すなわち、座屈の発生を考慮する必要がないことを意味する。

したがって、本実施の形態においては、下フランジ連結部材６０（降伏板材）の曲げ座屈細長比λｃを塑性限界細長比ρλｃ以下（０．１５以下）としている（こうなるように、下フランジ連結部材６０の形状を決めている）。そのため、座屈防止部材を追加しない場合であっても座屈の発生を考慮する必要がなくなり、スペースを犠牲にすることなく減衰作用による制振効果を維持することが可能となる。

上フランジ連結部材４０は、図１に示すように、前述した間隙Ｇを跨ぐようにして、第一上フランジ２２と第二上フランジ３２に添設されている。本実施の形態においては、３つの上フランジ連結部材４０が設けられている。すなわち、上フランジ１２の下側において接合部に添設された二つの下側上フランジ連結部材４２（二つの下側上フランジ連結部材４２の各々は、図２に示すように、水平方向においてウエブ１３の両側に位置している）と、上フランジ１２の上側において接合部に添設された上側上フランジ連結部材４４とが備えられている。

なお、図１及び図２に示すように、下側上フランジ連結部材４２と上側上フランジ連結部材４４は、双方が上フランジ１２を挟んだ状態で、ボルト７０により止められている。したがって、上フランジ連結部材４０は、ボルト７０を取り外すことにより、取り換え可能となっている。

また、上フランジ連結部材４０は、下フランジ連結部材６０とは異なり、鉄骨梁１０よりも先に降伏する前記降伏板材とはなっていない。すなわち、上フランジ連結部材４０は、前述した加工部（縮小部）を有しておらず、平面視において長方形状を備えている（長方形状の薄板である）。

ウエブ連結部材５０は、図１に示すように、前述した間隙Ｇを跨ぐようにして、第一ウエブ２３と第二ウエブ３３に添設されている。本実施の形態においては、接合部に添設された二つのウエブ連結部材５０（二つのウエブ連結部材５０の各々は、図２に示すように、水平方向においてウエブ１３の両側に位置している）が備えられている。なお、ウエブ連結部材５０は、上下方向において下フランジ１４よりも上フランジ１２に近い側に設けられている。

そして、図１及び図２に示すように、二つのウエブ連結部材５０は、双方がウエブ１３を挟んだ状態で、ボルト７０により止められている。したがって、ウエブ連結部材５０は、ボルト７０を取り外すことにより、取り換え可能となっている。

また、ウエブ連結部材５０は、下フランジ連結部材６０とは異なり、鉄骨梁１０よりも先に降伏する前記降伏板材とはなっていない。すなわち、ウエブ連結部材５０は、前述した加工部（縮小部）を有しておらず、図１に示すように、平面視において長方形状を備えている（長方形状の薄板である）。

＝＝＝本実施の形態に係る制振構造の有効性について＝＝＝
上述したとおり、本実施の形態に係る鉄骨造１における制振構造は、鉄骨造１を構成する複数の鉄骨梁１０と、該複数の鉄骨梁１０の接合部に添設され、鉄骨造１に入力される水平外力により鉄骨梁１０よりも先行して降伏する降伏板材（本実施の形態においては、下フランジ連結部材６０）と、を有している。そのため、鉄骨造１の制振を簡便に実現することが可能となる。

すなわち、上述したとおり、鉄骨造１においては、地震等の外力を受けて鉄骨造１が大きく振動し、鉄骨造１が破損する場合がある。かかる場合には、復旧までに時間を要する問題が発生し得る。

そして、上記問題を解決するために、様々な制振装置が開発されている。例えば、かかる制振装置の一例として、同調マスダンパー（ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）とも呼ばれている）が知られている。

しかしながら、このような制振装置を鉄骨造１に設置するのには手間がかかり、簡便に設置を行いたいとの要請があった。特に、既存の鉄骨造１に対し制振性能を向上させる対策を施す際には、当該要請はより強いものとなっていた。

これに対し、本実施の形態においては、鉄骨梁１０よりも先行して降伏する降伏板材を接合部に添設したので、地震等の水平外力が入力された際に、鉄骨梁１０に損傷を与える前に、降伏板材が降伏する。そして、降伏した降伏板材は、水平外力に対する減衰作用を生じさせ、このことにより制振効果を得ることが可能となる。

そして、かかる降伏板材の設置は、言うまでもなく非常に簡便である。特に、既存の鉄骨造１に対し制振性能を向上させる対策を施す際には、下フランジ連結部材６０を通常の板材（つまり、加工部（縮小部）を有していない板材）から降伏板材に置き換えるだけでよい。したがって、建築計画に影響を与えることなく、鉄骨造１の制振を簡便に実現することが可能となる。

また、降伏板材は、取り換え可能となっている。そのため、地震等により降伏した降伏板材を交換すれば、次の地震等に備えることができる。つまり、簡便に鉄骨造１の制振構造を復活させることができる。

また、本実施の形態において、降伏板材（下フランジ連結部材６０）は、該降伏板材の軸方向と直交する水平方向の幅が縮小された縮小部６０ａを備えている。つまり、当該縮小部６０ａを下フランジ連結部材６０に設けることにより、前記先行降伏を実現している。そのため、低降伏鋼を選ぶ等材料の選定をすることなく、簡易に降伏板材を実現することが可能となる。

また、上記実施の形態において、降伏板材は、複数の下フランジ１４の接合部に添設されていることとした。すなわち、上フランジ１２及び下フランジ１４のうちの下フランジ１４にのみ降伏板材が添設されていることとした。

仮に、上フランジ１２に降伏板材を設けた場合には、上フランジ１２には床が取り付けられるため、降伏板材が降伏しにくい状況が生ずる。また、仮に降伏した場合には、床の存在により、降伏板材の交換が難しい。したがって、下フランジ１４にのみ降伏板材が添設されている本実施の形態においては、鉄骨造１の制振をより適切に実現することが可能となる。

また、上記実施の形態において、ウエブ連結部材５０は、上下方向において下フランジ１４よりも上フランジ１２に近い側に設けられていることとした。

仮に、ウエブ連結部材５０が、上下方向において上フランジ１２よりも下フランジ１４に近い側に設けられている場合には、以下の不都合が生ずる可能性がある。すなわち、降伏板材である下フランジ連結部材６０が降伏した際には、下フランジ連結部材６０が大きく変形する（伸びる）ことにより、下フランジ連結部材６０に近接したウエブ連結部材５０に大きな力がかかり、当該ウエブ連結部材５０が破損する可能性がある。

したがって、本実施の形態においては、ウエブ連結部材５０の破損を抑止することが可能となる。

＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
上記の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

上記実施の形態においては、主として、既存の鉄骨造１に対し制振性能を向上させる対策を施す場合について言及したが、当然のことながら、新規の鉄骨造１に対しても適用可能である。

また、上記実施の形態においては、下フランジ連結部材６０を三つ（下側下フランジ連結部材６２を一つと、上側下フランジ連結部材６４を二つ）設け、いずれも降伏板材であることとしたが、これに限定されるものではなく、これらの一つ又は二つが降伏板材であることとしてもよい。

また、上記実施の形態においては、下フランジ連結部材６０（降伏板材）の曲げ座屈細長比を、塑性限界細長比以下とすることとしたが、これに限定されるものではなく、当該曲げ座屈細長比を、塑性限界細長比よりも大きくすることとしてもよい。このようにしても、降伏した降伏板材が生じさせる減衰作用によって制振効果を得ることができるからである。

しかしながら、上述したとおり、スペースを犠牲にすることなく減衰作用による制振効果を維持することが可能となる点で、上記実施の形態の方が望ましい。

１ 鉄骨造
５ 鉄骨柱
１０ 鉄骨梁
１２ 上フランジ
１３ ウエブ
１４ 下フランジ
２０ 第一鉄骨梁
２１ 第一端部
２２ 第一上フランジ
２３ 第一ウエブ
２４ 第一下フランジ
３０ 第二鉄骨梁
３１ 第二端部
３２ 第二上フランジ
３３ 第二ウエブ
３４ 第二下フランジ
４０ 上フランジ連結部材
４２ 下側上フランジ連結部材
４４ 上側上フランジ連結部材
５０ ウエブ連結部材
６０ 下フランジ連結部材
６０ａ 縮小部
６２ 下側下フランジ連結部材
６４ 上側下フランジ連結部材
７０ ボルト
Ｇ 間隙

Claims (4)

1. 鉄骨造における制振構造であって、
   前記鉄骨造を構成する複数の鉄骨梁と、
   該複数の鉄骨梁の接合部に添設され、前記鉄骨造に入力される水平外力により前記鉄骨梁よりも先行して降伏する降伏板材と、
   を有し、
   前記降伏板材は、該降伏板材の軸方向と直交する水平方向の幅が縮小された縮小部を備え、
   前記降伏板材の曲げ座屈細長比は、塑性限界細長比以下であり、
   前記降伏部材に対して座屈防止部材が設けられていないことを特徴とする制振構造。
2. 請求項１に記載の制振構造であって、
   前記複数の鉄骨梁の各々は、上フランジと下フランジとを備えており、
   前記降伏板材は、複数の該下フランジの接合部に添設されていることを特徴とする制振構造。
3. 請求項２に記載の制振構造であって、
   前記複数の鉄骨梁の各々は、ウエブを備えており、
   複数の該ウエブの接合部に、ウエブ連結部材が設けられており、
   該ウエブ連結部材は、上下方向において前記下フランジよりも前記上フランジに近い側に設けられていることを特徴とする制振構造。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の制振構造であって、
   前記降伏板材は、取り換え可能であることを特徴とする制振構造。

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