JP6535157B2 - 耐震構造、建築用パネル及び建物 - Google Patents

Description

本発明は、建物の耐震構造及び建築用パネルに関し、特には、地震等により建物の柱に作用する付加軸力を低減するための耐震構造、建築用パネル及び建物に関するものである。

従来、地震や風等により建物に作用する水平力に対抗する手法として、柱と梁で構成される軸組みにブレース、筋違、耐力壁、耐力フレームまたは耐力パネル等を設置して建物を補強する技術が知られている。例えば、建物に耐力パネルを設ける場合、建物を支持する柱は、上層階の荷重を長期的に負担するだけでなく、上記のような水平力が耐力パネルにより変換されて生じる付加軸力を負担することとなる。このため、柱およびその接合部の設計をする際には、想定される付加軸力に応じた設計が要求される。また、建物の耐震性を高めるために耐力パネルの耐力を高めるほど、それに応じて柱への付加軸力は増大するため、柱の設計が困難になってしまうという問題がある。

そこで、上述のような柱への負担を軽減する方法の一例として、リリーフ機構を備えるダンパーを用いて、柱への付加軸力を軽減する技術が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の柱耐力補強構造によれば、リリーフ機構付きのオイルダンパーを設けた補強骨組部を既存柱に連結させることで、当該既存柱に作用する付加軸力を許容値以下に抑制することができる。また、この他にも、鉛直方向の力を伝達しない鉛直ローラーを柱の頂部に設けることで、下層階の柱に付加される軸力を低減したものもある（特許文献２参照）。

特許第４５９７６６０号公報 特許第５２８９９３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構造では、少なくともリリーフ機構が機能するまでは補強骨組部を連結させた柱が付加軸力を負担することとなる。また、特許文献２のように、柱の頂部に鉛直ローラーを設ける場合、鉛直ローラーを設けた柱は上階の長期荷重を負担することができないため、鉛直ローラーを設けた柱以外の柱への負担が大きくなる。

また、近年、低層の建物の場合には低耐力の柱を多数用いて構成する場合が多い一方で、高い耐震性能と開放的な意匠計画を両立させるために、高耐力の耐力パネルが頻繁に用いられることから、柱への付加軸力を抑制する技術が求められている。

それゆえ、本発明は、地震等による水平力に起因する柱への付加軸力を低減可能な耐震構造、建築用パネル及び建物を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の耐震構造は、水平に設けられた上梁及び下梁と、
該上梁及び下梁の間に立設された柱と、
該上梁及び下梁に、上下端をそれぞれ、接合部を中心として回転可能に接合された回転部材と、
該回転部材と前記上梁又は前記下梁とに連結されるとともに、前記柱に沿うように設けられ、回転部材からの鉛直方向の力を吸収可能なダンパーと、
を備えることを特徴とするものである。ここで、「該上梁及び下梁に、上下端をそれぞれ、接合部を中心として回転可能に接合された回転部材」とは、回転部材が、上梁と下梁との間に水平方向の相対変位が生じた際に、上梁及び下梁に対して接合部を中心として相対的に回転可能であればその接合態様は特に限定されるものではなく、所謂ピン接合、半剛接合として設計されたあらゆる接合態様を含むものとする。また、設計上、部材間で所謂剛接合として接合された部材を有する場合であっても、上梁及び下梁に対して回転部材が接合部を中心として相対的に回転可能であれば本発明の技術的範囲に含むものとする。部材相互間の具体的な接合方法は、各部材を直接的に溶接、ボルト接合等により接合する場合に限らず、他の部材を介して間接的に接合する場合も含むものとする。また、「柱に沿うように設けられて」とは、柱と平行である場合のみならず、柱に対して傾斜する場合も含むものとする。

また、本発明の耐震構造にあっては、前記ダンパーが鋼材ダンパーであり、
前記柱が、該鋼材ダンパーに隣接して配置されて該鋼材ダンパーの座屈拘束材として機能することが好ましい。

また、本発明の耐震構造にあっては、前記回転部材に対する前記ダンパーの接合位置を、該回転部材の高さの半分の高さよりも低い位置とすることができる。

また、本発明の耐震構造にあっては、前記回転部材に対する前記ダンパーの接合位置を、該回転部材の高さの半分の高さよりも高い位置とすることができる。

また、本発明の耐震構造にあっては、前記柱は前記回転部材の左右両側に設けられ、前記ダンパーは回転部材の左右両側に設けられていることが好ましい。

また、本発明の耐震構造にあっては、前記回転部材は上側が上梁に取り付けられる上側枠体に接合されており、前記上側枠体の前記回転部材の回転方向の剛性は、前記上梁の前記回転部材の回転方向の剛性よりも低いことが好ましい。

また、本発明の耐震構造にあっては、前記回転部材は下側が下梁に取り付けられる下側枠体に接合されており、前記下側枠体の前記回転部材の回転方向の剛性は、前記下梁の前記回転部材の回転方向の剛性よりも低いことが好ましい。

また、本発明の建築用パネルは、水平に設けられた上梁及び下梁にそれぞれ接合される、水平に設けられた上側枠体及び下側枠体と、
該上側枠体及び下側枠体の間に立設された柱と、
該上側枠体及び下側枠体に、上下端をそれぞれ、接合部を中心として回転可能に接合された回転部材と、
該回転部材と前記上側枠体又は前記下側枠体とに連結されるとともに、前記柱に沿うように設けられ、回転部材からの鉛直方向の力を吸収可能なダンパーと、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、地震等による水平力に起因する柱への付加軸力を低減可能な耐震構造、建築用パネル及び建物を提供することが可能となる。

本発明に係る耐震構造の一実施形態を示す図である。 （ａ）は、図１の耐震構造におけるダンパーを示す図であり、（ｂ）は、図１の耐震構造におけるカバー部材を示す図である。 図１の耐震構造におけるＡ−Ａ断面を拡大して示す断面図である。 本発明に係る耐震構造の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る耐震構造の他の実施形態を示す図である。 本発明に係る耐震構造の他の実施形態を示す図である。 鉛直ローラー機構を設けた接合部の構成を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る耐震構造の実施形態について詳細に説明する。図１に示す耐震構造１００は、例えば、鉄骨造の低層住宅に用いられるものであり、水平に設けられた上梁１及び下梁２と、当該上梁１及び下梁２の間に立設する複数本の柱３と、上梁１及び下梁２に上下端を接合された回転部材としての枠状部材４と、枠状部材４及び下梁２の間に設けられたダンパー５とを備える。ここで、本実施形態において、上梁１及び下梁２はリップ溝形鋼（例えば、ＳＳ４００）からなり、柱３は、２本の溝形鋼（例えば、ＳＳ４００）の背面同士を合わせて接合した構成とされている。また、後述する斜材４１及び間柱４３は、角形鋼管（例えば、ＳＴＫＲ４００）からなる構成としている。各部材の形状及び材料はこれらに限定されず、要求される強度等、種々の条件に適した形状及び材料の部材を採用することができる。

本実施形態において、枠状部材４は、４本の同一の斜材４１をそれぞれ取付プレート４２に溶接して、ひし形状に形成したものであり、枠状部材４の上下端に位置する取付プレート４２間には、鉛直方向に延びる間柱４３が設けられている。なお、枠状部材４の上下端に位置する取付プレート４２は、上側枠体４４ａ及び下側枠体４４ｂにそれぞれ溶接されている。また、上側枠体４４ａ及び下側枠体４４ｂは、上梁１及び下梁２に対してそれぞれボルト等の接合手段により取り付けられている。なお、枠状部材４の形状はひし形状に限らず、種々の多角形、円形、楕円形等、任意の形状とすることができ、複数の部材を溶接やボルト接合等により一体的に接合したものでも、単一の部材で構成されるものであっても良い。

本実施形態において、上側枠体４４ａ及び下側枠体４４ｂは、他の部材に比べて剛性が低く設定されているため、上梁１と下梁２が水平方向に相対変位した場合には、上側枠体４４ａ及び下側枠体４４ｂが優先的に変形して、上梁１及び下梁２に対して枠状部材４が上下端の接合部を中心として回転する。すなわち、本実施形態において、枠状部材４の上下端は、上梁１及び下梁２に対して、それぞれ接合部を中心として回転可能に接合されている。

なお、上梁１及び下梁２に対する枠状部材４の接合方法については、特に限定されるものではなく、上梁１と下梁２の間に水平方向の相対変位が生じた際に、枠状部材４の上下端がそれぞれ接合部を中心として回転可能であれば、あらゆる接合態様を採用することができる。

ダンパー５は、枠状部材４の左右両側に柱３に沿うように設けられ、枠状部材４と下梁２とに連結されている。本実施形態におけるダンパー５は矩形断面の鋼材（例えば、ＳＮ４００Ｂ）からなる鋼材ダンパーである。図２（ａ）に示すように、ダンパー５の上端部は、ひし形の角部となる枠状部材４の左右両端に位置する取付プレート４２に溶接され、その下端部は柱脚部材６に溶接されている。柱脚部材６は溝形鋼（例えば、ＳＳ４００）からなり、柱３の内側に配置されるとともに、下側枠体４４ｂを介して下梁２に接合されている。ダンパー５は、取付プレート４２との溶接部５ａ及び柱脚部材６への溶接部５ｂを除いた中間部分を変形可能部５ｃとして、引張り又は圧縮方向の力を受けた際に、当該変形可能部５ｃが塑性変形することによりエネルギーを吸収するよう構成されている。

また、図３は、図１のＡーＡ断面を表しており、ダンパー５は、ダンパー５と隣接して平行に延在する柱３、当該柱３の内側に固定されたカバー部材７、及び両側の拘束部材８により面外方向の変形を拘束されている。すなわち、ダンパー５は、柱３、カバー部材７及び拘束部材８を座屈拘束材とした座屈拘束ブレース（アンボンドブレース）として機能する。

なお、本実施形態において、柱３の内側に固定されるカバー部材７は、図２（ｂ）に示すように、溝形鋼（例えば、ＳＳ４００）からなり、上端中央部に切欠き部７ａが形成されている。この切欠き部７ａには、枠状部材４の左右端に設けられた取付プレート４２が上下動可能に入り込む。切欠き部７ａの寸法は、ダンパー５の変形量及び取付プレート４２の移動量を考慮して設定される。

なお、ダンパー５を接合する位置は、本実施形態のように枠状部材４の左右両端に限定されず、左右の何れか一方側のみでもよいし、斜材４１の中間部分に接合しても良い。また、ダンパー５は、下梁２ではなく、上梁１に連結する構成としても良い。なお、ダンパー５は、枠状部材４の左右両側に設けることが好ましく、これによれば、図１の枠状部材４の左右両側に位置する柱３に生じる付加軸力を共に低減することができる。さらに、図１に示すように、左右対称にダンパー５を設けることで、間柱４３に生じる付加軸力を相殺することができる。

次に、耐震構造１００に水平方向の力が作用して上梁１と下梁２の間に水平方向の相対的な変位が生じた場合の動作について説明する。地震や風等により、図１の矢印Ｂで示すような右方向の水平力が上梁１に作用して、上梁１が下梁２に対して水平方向右側に相対変位する場合、枠状部材４は、その上下端が接合部を中心として回転し、全体として時計回りに回転する。そのため、枠状部材４に連結された図１において右側のダンパー５には、図１の矢印Ｃに示すような下方への付加軸力が作用する。つまり、枠状部材４によって、水平力が鉛直方向の付加軸力に変換される。ダンパー５は、変形可能部５ｃが圧縮方向に塑性変形して付加軸力を吸収する。これにより、柱３が負担する付加軸力を低減することができる。なお、図１の矢印Ｂと逆方向の水平力が作用して、上梁１が下梁２に対して水平方向左側に相対変位する場合には、図１において左側のダンパー５が作用して、柱３が負担する付加軸力を低減する。

したがって、本実施形態の耐震構造１００によれば、柱３への付加軸力を低減することができるので、設計上、柱３に要求される強度を抑えることが可能となり、従来の柱を用いながら、高い耐震性能と開放的な意匠計画を両立させた建物の設計が可能となる。なお、本実施形態のように、間柱４３を設けた場合には、枠状部材４が、上階層からの鉛直方向の荷重を負担することが可能となるが、間柱４３を設けない場合でも、本発明における柱３への付加軸力低減効果は得られる。この場合、さらに材料や製造コストの削減が可能であるとともに、より開放感のある意匠計画が可能となる。

図４に示す耐震構造２００は、本発明の他の実施形態を示している。耐震構造２００において枠状部材４は、上側の斜材４１が長く下側の斜材４１が短い四角形状に形成され、ダンパー５は、枠状部材４の高さの半分の高さよりも低い位置で、四角形の角部となる位置に接合されている。これに伴い、ダンパー５を構成する鋼材ダンパーにおける変形可能部５ｃの長さは、上述の耐震構造１００に比べて短くなっているため、鋼材ダンパーの剛性は高くなり、上梁１と下梁２との間の相対変位を小さく抑えることが可能となる。

また、図示は省略するが、上記の耐震構造２００とは逆に、枠状部材４を上側の斜材４１が短く、下側の斜材４１が長い四角形状に形成し、ダンパー５の接合位置を、枠状部材４の高さの半分の高さよりも高い位置とすることも可能である。この場合、鋼材ダンパーの変形可能部５ｃ長さは、上述の耐震構造１００に比べて長くなるため、ダンパー５の体積が大きくなる。これにより、図１に示した基本の構成に比べて、塑性変形可能なダンパーの体積が大きくなるため、エネルギー吸収能力を高めることができる。このように、要求される性能に応じて、鋼材ダンパーの剛性、耐力及びエネルギー吸収能力を調整することができる。

なお、鋼材ダンパーの剛性、耐力及びエネルギー吸収能力は、鋼材ダンパーの断面積、及び材料の変更によっても調整可能である。具体的には、鋼材ダンパーの断面積が大きいほど、剛性および耐力が高まり、また、低降伏点鋼を用いると、耐力を下げることができる。このような性質を利用して、例えば、降伏耐力を上げずに（耐力パネルの周辺部材を太くすることなく）弾性剛性を高くしたい場合には、ダンパーの断面積を大きく（拘束部材８の断面積を小さく）するとともに、低降伏点鋼を使う、という調整ができる。つまり、ダンパーの長さ、断面、鋼材の降伏点、及び伸び能力をパラメーターとして、建物の要求性能に応じた設計が可能となる。

図５に示す耐震構造３００は、本発明のさらに他の実施形態を示している。耐震構造３００は、枠状部材４を、耐震構造１００の右側半分の三角形状に形成したものであり、ダンパー５は、三角形の枠状部材４の右側端に接合された１つの鋼材ダンパーのみとしている。当該構成の耐震構造３００においても、図５の矢印Ｂで示す水平力は、枠状部材４によって矢印Ｃで示す付加軸力に変換されて、ダンパー５が当該付加軸力を吸収するため、図の右側に位置する柱３が負担する付加軸力を低減することができる。なお、本実施形態の場合、図の左側の柱３は、水平力に起因する付加軸力を負担することとなる。

図６に示す耐震構造４００は、本発明のさらに他の実施形態を示している。耐震構造４００は、耐震構造１００における枠状部材４の代わりに、回転部材として、板状の鋼材（例えば、ＳＳ４００）からなる面状部材９を設けたものであり、面状部材９の上下端はそれぞれ、上梁１及び下梁２に対して接合部を中心として回転可能に接合され、ダンパー５は、面状部材９の左右両端と下梁２との間に設けられている。当該構成においても、図６の矢印Ｂで示す水平力は、面状部材９によって矢印Ｃで示す付加軸力に変換されて、ダンパー５が当該付加軸力を吸収するため、柱３が負担する付加軸力を低減することができる。

また、上述した全ての実施形態において、上梁１と、枠状部材４又は面状部材９との接合部に、水平方向の力のみを伝達して鉛直方向の力を伝達しない鉛直ローラー機構を設けることも可能である。鉛直ローラー機構の具体例としては、図７に示すように、上側枠体４４ａの代わりに設けた薄い板状の鋼材（例えば、PL-4.5mm〜6mm）１２と上梁１との間に、板状の鋼材１０を左右両側に２枚配置して、枠状部材４の上端に位置する取付プレート４２の上方に、空間１１を形成している。板状の鋼材１２は上梁１に対して剛性が低く、図７における上下方向（鉛直方向）に容易に変形するため、上梁１に対して、枠状部材４が上下に移動可能となり、上梁１からの鉛直方向の力は枠状部材４にほとんど又は全く伝達されない。なお、この場合においても、上梁１からの水平方向の力は枠状部材４に伝達される。

上記のような鉛直ローラー機構を設けることにより、水平力に起因する付加軸力を低減する効果を得ながらも、枠状部材４又は面状部材９は上層階からの鉛直方向の荷重をほとんど又は全く負担しない構成とすることができる。したがって、例えば、上層階からの荷重に対して十分な耐力を有する既存躯体に対して、本発明の耐震構造を耐力パネルとして組み込む場合などに有効である。

さらに、本発明の耐震構造を建物に設けるに当たっては、予め主要な部材を建築用パネルとして組み立てることが可能である。例えば、先の実施形態において、上側枠体４４ａ、下側枠体４４ｂ及び左右の柱３で矩形の枠体を構成し、当該枠体に枠状部材４又は面状部材９を接合し、ダンパー５を枠状部材４又は面状部材９と下側枠体４４ｂとの間に設けたものを、建築用パネル（複合パネル）として予め組立てることができる。また、この場合、この建築用パネルに外壁、断熱材、内装用のボート等を組み付けておくことも可能である。そして、予め工場等で組み立てた複数の当該建築用パネルを建設現場に搬入して施工することで、建設現場での施工効率を高め、全体の工期を短縮することが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明の耐震構造は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、上記の実施形態では、ダンパー５を鋼材ダンパーとして説明したが、これに限定されず、オイル等の粘性体を利用した粘性ダンパー、高減衰ゴム等の粘弾性体を利用した粘弾性ダンパー、摩擦力を利用した摩擦ダンパーなどを適用することができる。

１ 上梁
２ 下梁
３ 柱
４ 枠状部材（回転部材）
５ ダンパー
６ 柱脚部材
７ カバー部材
８ 拘束部材
９ 面状部材（回転部材）
４１ 斜材
４２ 取付プレート
４３ 間柱
４４ａ 上側枠体
４４ｂ 下側枠体
１００、２００、３００、４００ 耐震構造

Claims (8)

1. 水平に設けられた上梁及び下梁と、
   該上梁及び下梁の間に立設された柱と、
   該上梁及び下梁に、上下端をそれぞれ、接合部を中心として回転可能に接合された回転部材と、
   該回転部材と前記上梁又は前記下梁とに連結されるとともに、前記柱に沿うように設けられ、回転部材からの鉛直方向の力を吸収可能なダンパーと、を備え、
   前記ダンパーは、前記柱に固定されておらず、
   前記ダンパーが鋼材ダンパーであり、
   前記柱が、該鋼材ダンパーに隣接して配置されて該鋼材ダンパーの座屈拘束材として機能することを特徴とする耐震構造。
2. 前記回転部材に対する前記ダンパーの接合位置を、該回転部材の高さの半分の高さよりも低い位置とした、請求項１に記載の耐震構造。
3. 前記回転部材に対する前記ダンパーの接合位置を、該回転部材の高さの半分の高さよりも高い位置とした、請求項１に記載の耐震構造。
4. 前記柱は前記回転部材の左右両側に設けられ、
   前記ダンパーは回転部材の左右両側に設けられている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の耐震構造。
5. 前記回転部材は上側が上梁に取り付けられる上側枠体に接合されており、
   前記上側枠体の前記回転部材の回転方向の剛性は、前記上梁の前記回転部材の回転方向の剛性よりも低い、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の耐震構造。
6. 前記回転部材は下側が下梁に取り付けられる下側枠体に接合されており、
   前記下側枠体の前記回転部材の回転方向の剛性は、前記下梁の前記回転部材の回転方向の剛性よりも低い、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の耐震構造。
7. 水平に設けられた上梁及び下梁にそれぞれ接合される、水平に設けられた上側枠体及び下側枠体と、
   該上側枠体及び下側枠体の間に立設された柱と、
   該上側枠体及び下側枠体に、上下端をそれぞれ、接合部を中心として回転可能に接合された回転部材と、
   該回転部材と前記上側枠体又は前記下側枠体とに連結されるとともに、前記柱に沿うように設けられ、回転部材からの鉛直方向の力を吸収可能なダンパーと、を備え、
   前記ダンパーは、前記柱に固定されておらず、
   前記ダンパーが鋼材ダンパーであり、
   前記柱が、該鋼材ダンパーに隣接して配置されて該鋼材ダンパーの座屈拘束材として機能することを特徴とする建築用パネル。
8. 請求項１から６のいずれか１項に記載の耐震構造を備えた建物。
   

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