JP6831623B2 - 耐震・制震構造 - Google Patents

Description

本発明は、建物の振動を抑制する耐震・制震構造に関する。

従来より、建物の柱及び梁又は柱及び基礎で囲まれた架構面内に耐力部材を設置して、建物に加わる水平力を負担する耐震構造が知られている。このような耐震構造として、架構面内に２本のブレースをたすき掛けに取り付け、ブレースが引張力及び圧縮力を負担するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、ブレースの両端が、ブレースの座屈に先行して塑性変形する先行塑性変形材を介して構造躯体に連結されているものが開示されている。

特開２００５−０６８９４１号公報

しかしながら、特許文献１記載の耐震構造では、建物を堅く且つ強く構築して建物に作用する水平力に抗するため、地震時の建物の揺れが大きくなりがちであり、さらに、極めて稀な大規模地震では主架構（柱、梁、壁）に損傷が生じ、地震後に損傷した箇所について大掛かりな修復工事を行わなければならないという虞があった。

このような、建物の揺れ及び主架構の損傷を抑制するために、架構面に耐力構造を構築し、この架構面に隣接する他の架構面に制震ダンパーを設けることが考えられる。しかしながら、このように耐力構造と制震ダンパーとを異なる架構面に設置すると、窓の有効設置面積が減少するという問題があった。

そこで、建物の耐震性及び制震性を確保すると共に、省スペースで設置可能な耐震・制震構造を提供するという解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、建物の柱と梁又は基礎とで囲まれた架構面内に設置されて、前記建物の振動を抑制する耐震・制震構造において、下側梁又は基礎に固定された、プレキャストコンクリート製の耐力パネルと、該耐力パネルと上側梁とに連結された粘弾性ダンパーと、該粘弾性ダンパーと並列に配置され、前記建物に作用する水平力を負担し、前記耐力パネルに対する上側梁のせん断変形を許容する支持部材と、を備え、前記支持部材が弾性変形域内で変形する揺れの小規模地震では、前記支持部材が弾性変形するとともに前記粘弾性ダンパーが揺れを減衰し、前記支持部材が塑性変形域内で変形する揺れの大規模地震では、前記粘弾性ダンパーが揺れを減衰し、前記耐力パネルは、前記上側梁のせん断変形の変形量及び前記柱との間で前記支持部材の降伏点に対応する変形量以上に確保された隙間が略一致した際に、前記柱に接触して前記柱を受ける耐震・制震構造を提供する。

この構成によれば、小規模地震時には、支持部材が、耐力パネルに対する上側梁の相対的な位置ズレ、即ち、上側梁のせん断変形、即ち、水平方向に沿った変形（水平変形）を許容すると共に建物に作用する水平力を負担することにより、架構面内に配置された耐力パネルと支持部材とが建物の耐震性を確保する。また、粘弾性ダンパーが、上側梁に僅かなせん断変形が生じた場合には、上側梁の揺れを減衰することにより、建物の制震性を確保することができる。さらに、同一架構面内に耐力パネル、粘弾性ダンパー及び支持部材を配置することにより、窓の有効設置面積を大きく確保することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加えて、前記支持部材は、前記耐力パネルと前記上側梁とにそれぞれ取り付けられる上下一対のフランジと、該上下一対のフランジ間に配置されたウェブと、を備えている耐震・制震構造を提供する。

この構成によれば、小規模地震時には、ウェブが弾性変形して上側梁のせん断変形を許容すると共に水平力を負担する。また、上側梁に僅かなせん断変形が生じた場合には、ウェブが塑性変形すると共に粘弾性ダンパーが上側梁の揺れを減衰する。これにより、建物の耐震性と制震性を確保することができる。さらに、地震時の水平力がウェブに集中することにより、損傷したウェブを交換するだけで地震後の補修を完了することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の構成に加えて、前記ウェブは、低降伏点鋼で形成されている耐震・制震構造を提供する。

この構成によれば、ウェブの降伏点が下がることにより、支持部材が弾性変形域から塑性変形域に移行し易くなり、粘弾性ダンパーが上側梁の揺れを早期に減衰し始めるため、更に優れた制震性を得ることができる。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の発明の構成に加えて、前記ウェブは、前記支持部材の弱軸方向に複数並んで設けられている耐震・制震構造を提供する。

この構成によれば、小規模地震時には、複数の支持部材が建物に作用する水平力を共同してバランス良く負担する。また、弱軸方向に並設された各支持部材が弾性変形域から塑性変形域に移行し易く、粘弾性ダンパーが上側梁の揺れを早期に減衰し始める。これにより、建物の耐震性と制震性を確保することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加えて、前記支持部材は、該支持部材の弱軸方向と前記上側梁の長手方向とを一致させて配置されている耐震・制震構造を提供する。

この構成によれば、地震時に建物に発生する水平力が支持部材の弱軸方向と平行に支持部材に作用することにより、支持部材が弾性変形域から塑性変形域に移行し易くなり、粘弾性ダンパーが上側梁の揺れを早期に減衰し始めるため、建物の揺れを抑制することができる。

本発明は、小規模地震時には、支持部材が、上側梁のせん断変形を許容すると共に建物に作用する水平力を負担することにより、架構面内に配置された耐力パネルと支持部材とが建物の耐震性を確保する。また、上側梁に僅かなせん断変形が生じた場合には、粘弾性ダンパーが、上側梁の揺れを減衰することにより、建物の制震性を確保することができる。さらに、同一架構面内に耐力パネル、粘弾性ダンパー及び支持部材を配置することにより、窓の有効設置面積を大きく確保することができる。

本発明の一実施例に係る耐震・制震構造を適用した建物を示す模式図。 図１の耐震・制震構造を示す図面であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 支持部材を示す図面であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 粘弾性ダンパーを示す図面であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 支持部材に作用する水平方向の荷重と変形量との関係を示すグラフである。 水平力に起因した支持部材の変形の様子を示す図であり、（ａ）は支持部材が弾性変形している様子を示しており、（ｂ）は支持部材が塑性変形している様子を示している。

本発明に係る耐震・制震構造は、建物の耐震性及び制震性を確保すると共に、省スペースで設置可能な耐震・制震構造を提供するという目的を達成するために、建物の柱と梁又は基礎とで囲まれた架構面内に設置されて、建物の振動を抑制する耐震・制震構造において、下側梁又は基礎に固定された、プレキャストコンクリート製の耐力パネルと、耐力パネルと上側梁とに連結された粘弾性ダンパーと、粘弾性ダンパーと並列に配置され、建物に作用する水平力を負担し、耐力パネルに対する上側梁のせん断変形を許容する支持部材と、を備えていることにより実現する。

以下、本発明の一実施例に係る耐震・制震構造１０を適用した建物１について図面に基づいて説明する。なお、以下の実施例において、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために、特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。なお、本実施例において、「上」、「下」の語は、垂直方向Ｖにおける上方、下方に対応するものとする。

図１は、建物１を示す模式図である。建物１は、鉄骨造（Ｓ造）の３階建て住宅である。建物１は、基礎２と、柱３と、梁４と、で構成されている。

柱３は、水平方向Ｈに所定間隔を空けて複数配置されている。柱３は、垂直方向Ｖに延伸した角型鋼管である。柱３の基端は、基礎２に固定されている。

梁４は、垂直方向Ｖに所定間隔を空けて複数配置されている。梁４は、水平方向Ｈに延伸したＨ型鋼である。柱３と梁４とは、交差する部分で一体に接合されている。なお、以下では、架構面Ｓを構成する梁４のうち、上方の梁を上側梁と称して参照番号の末尾にＡを付し、下方の梁を下側梁と称して参照番号の末尾にＢを付し、これらを総称する場合には、単に数字のみを参照符号とする。

柱３と基礎２又は梁４との間には、架構面Ｓが形成されている。架構面Ｓには、プレキャストコンクリート製の耐力パネル２０が配置されている。建物１の垂直方向Ｖにおいて、耐力パネル２０は同じ位置に設置されている。また、建物１の水平方向Ｈにおいて、耐力パネル２０は、両端に１台ずつ、中央に２台並置されている。なお、耐力パネル２０の具体的な設置位置は、図示したものに限定されず、適宜変更可能である。

耐力パネル２０は、下方をアングル２１を介して下側梁４Ｂ又は基礎２に固定されている。また、耐力パネル２０は、上方を支持部材３０を介して上側梁４Ａに接合されている。

建物１の水平方向Ｈの両端に配置された耐力パネル２０には、支持部材３０と並列に粘弾性ダンパー４０が配置されている。すなわち、建物１全体に用いられる耐力パネル２０のうち、半数が支持部材３０と粘弾性ダンパー４０とを介して上側梁４Ａに連結され、残りの半数が支持部材３０のみを介して上側梁４Ａに連結されている。

次に、架構面Ｓ内に設けられた耐震・制震構造１０の具体的構造について、図面に基づいて説明する。図２は、耐震・制震構造１０を示す図面である。図３は、支持部材３０を示す図である。図４は、粘弾性ダンパー４０を示す図面である。なお、以下では、耐力パネル２０が下側梁４Ｂに固定されたものについて説明し、耐力パネル２０が基礎２に固定されているものに関する説明は省略する。

耐力パネル２０は、水平方向Ｈに隣り合う柱３との間に隙間Ｃを空けて配置されている。隙間Ｃの幅は、支持部材３０の降伏点に対応する変形量以上に設定される。

耐力パネル２０を下側梁４Ｂに固定するアングル２１は、断面コ字状に形成されている。アングル２１の上部は、アンカーボルトＢ１を介して耐力パネル２０に接合されている。アングル２１の下部は、ボルトＢ２を介して下側梁４Ｂに接合されている。アングル２１は、水平方向Ｈに沿って長く延伸されており、建物１に水平力が作用する場合であっても形状変化は小さい。

支持部材３０は、上下一対のフランジ３１と、一対のフランジ３１間に配置された２本のウェブ３２と、を備えている。支持部材３０は、地震時にウェブ３２が水平方向Ｈに変形することにより、上側梁４Ａのせん断変形を許容する。

フランジ３１は、建築構造用圧延鋼材（ＳＮ材）製である。上方のフランジ３１は、ボルトＢ３を介して上側梁４Ａに接合されている。下方のフランジ３１は、アンカーボルトＢ４を介して耐力パネル２０に接合されている。

ウェブ３２は、低降伏点鋼製である。２本のウェブ３２は、フランジ３１の長手方向Ｌに沿って所定間隔を空けて並設されている。ウェブ３２の厚み方向とフランジ３１の長手方向Ｌが一致するように、ウェブ３２が配置されている。ウェブ３２は、長手寸法に対して厚み寸法が小さく、厚み方向に変形し易い。すなわち、支持部材３０の弱軸が、フランジ３１の長手方向Ｌに沿って形成されている。図３の符号３３は、ボルトＢ３の取付孔であり、符号３４は、アンカーボルトＢ４の取付孔である。

支持部材３０は、ウェブ３２の厚み方向に一致する支持部材３０の弱軸方向と上側梁４Ａの長手方向とが一致するように、上側梁４Ａと耐力パネル２０との間に配置されている。

粘弾性ダンパー４０は、地震等で建物１に水平力が作用した場合に、耐力パネル２０に対する上側梁４Ａの揺れに応じた振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。粘弾性ダンパー４０は、１枚の内側鋼板４１と、２枚の外側鋼板４２と、内側鋼板４１と外側鋼板４２との間に介装される粘弾性体４３と、を備えている。

内側鋼板４１は、アンカーボルトＢ５を介して耐力パネル２０に取り付けられる基部４１ａを備えている。２枚の外側鋼板４２は、ボルトＢ６を介して上側梁４Ａに取り付けられる基部４２ａを介して連結されている。

粘弾性体４３は、公知の粘弾性ゴムである。粘弾性体４３は、内側鋼板４１の側面４１ｂと外側鋼板４２の内面４２ｂとに接着されている。なお、粘弾性ダンパー４０の具体的形態は、上記のものに限定されない。例えば、粘弾性ダンパーは、２枚の内側鋼板と、３枚の外側鋼板と、内側鋼板と外側鋼板との間に介装される粘弾性体と、で構成されるものであっても構わない。また、内側鋼鈑が上側梁に取り付けられ、外側鋼板が耐力パネルに取り付けられるものであっても構わない。粘弾性ダンパー４０は、上側梁４Ａに僅かなせん断変形（水平変形）が生じると、上側梁４Ａの揺れを減衰させる。例えば、粘弾性体４３が横１５０ｍｍ、縦１２０ｍｍ、厚み２０ｍに形成されている場合、上側梁４Ａに０．２ｍｍ以上のせん断変形が生じると、粘弾性ダンパー４０は減衰効果を発揮する。

次に、耐震・制震構造１０の作用について、図面に基づいて説明する。図５は、支持部材３０に作用する水平方向の荷重と変形量との関係を示すグラフである。図６は、水平力に起因した支持部材３の変形の様子を示す図である。

建物１に要求される耐震性は、粘弾性ダンパー４０を考慮することなく確保されている。すなわち、建築基準法施行令に基づく構造計算では、１次設計としての各部材の許容応力度算定（各階の柱、梁、耐力パネル等の応力度の最大値≦各部材の許容応力度）、及び、２次設計としての水平力算定（各階の層間変形角≦１／２００（または１／１２０））は、柱３、梁４、耐力パネル２０及び支持部材３０で構築された建物と等価なものとして計算を行い、耐震性が確保されている。

支持部材３０は、図５に示すように弾性変形域Ａ１と塑性変形域Ａ２とを有している。図６（ａ）に示すように、小規模地震によって建物１に水平力Ｆが作用した場合、支持部材３０の変形量ΔＬ１は弾性変形域Ａ１内に収まり、支持部材３０は弾性変形する。また、粘弾性ダンパー４０の粘弾性体４３が変形量ΔＬ１だけせん断変形することで、上側梁４Ａの揺れを減衰させる。建物１の揺れが収束すれば、支持部材３０は、図３に示す元の形状に戻る。

一方、図６（ｂ）に示すように、建物１に過大な水平力Ｆが作用した場合に、支持部材３０の変形量ΔＬ２は、弾性変形域Ａ１を超えて塑性変形域Ａ２に達する。支持部材３０が塑性変形域Ａ２に達するまで上側梁４Ａが位置ズレすると、支持部材３０と並列に設けられた粘弾性ダンパー４０の粘弾性体４３がせん断変形することで、上側梁４Ａの揺れを減衰させる。

すなわち、支持部材３０の弾性変形域Ａ１では、支持部材３０が弾性変形して上側梁４Ａの水平力を負担すると共に上側梁４Ａのせん断変形を許容し、粘弾性ダンパー４０が建物１の揺れを減衰させる。また、支持部材３０の塑性変形域Ａ２では、粘弾性ダンパー４０が建物１の揺れを減衰する。また、上側梁４Ａの位置ズレが特に大きい、即ち、上側梁４Ａのせん断変形の変形量が隙間Ｃと略一致する場合には、耐力パネル２０が傾いた柱３を受けることにより、建物１の揺れを抑制することができる。

なお、水平力算定では、支持部材３０の変形量ΔＬ１を支持部材３０の高さｈで除した値が層間変形角であり、この値が１／２００（または１／１２０）以下になるように耐震設計を行う。したがって、粘弾性ダンパー４０の減衰効果を小さい変形量で発揮させたい場合には、支持部材３０の降伏点に応じた層間変形角が１／２００（または１２０）に一致するように設計するのが好ましい。

支持部材３０の剛性を調整する方法としては、ウェブ３２の材質や向きを変更したり、ウェブ３２の設置本数を調整することが考えられる。ウェブ３２の材質は、低降伏点鋼の他に、ＳＮ材を採用することが考えられる。また、ウェブ３２の設置本数は、フランジ３１間に２本設置する他に、１本だけ設置したり、３本以上設置することも考えられる。これらは、架構面Ｓのサイズ等に応じて任意に変更することで、所望の剛性を有する支持部材３０を得ることができる。

また、ウェブ３２は、鼓状、すなわち、ウェブ３２の中央からフランジ３１に向かって徐々に拡幅するように形成されても構わない。これにより、地震発生時に、ウェブ３２の弾性変形域Ａ１から塑性変形域Ａ２への移行が、ウェブ３２の中央から上下方向に徐々に進むため、ウェブ３２全体の強度を向上させることができる。

このようにして、本発明は、小規模地震時には、ウェブ３２が弾性変形して上側梁４Ａのせん断変形を許容すると共に水平力を負担し、架構面Ｓ内に配置された耐力パネル２０と支持部材３０とが建物１の耐震性を確保することができる。

また、上側梁４Ａに僅かなせん断変形が生じた場合には、ウェブ３２が塑性変形すると共に粘弾性ダンパー４０が上側梁４Ａの揺れを減衰するため、建物１の制震性を確保することができる。

また、同一架構面Ｓ内に耐力パネル２０、支持部材３０及び粘弾性ダンパー４０を配置することにより、窓の有効設置面積を大きく確保することができる。

さらに、地震時の水平力がウェブ３２に集中することにより、損傷したウェブ３２を交換するだけで地震後の補修を完了することができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１ ・・・ 建物
２ ・・・ 基礎
３ ・・・ 柱
４ ・・・ 梁
４Ａ・・・ 上側梁
４Ｂ・・・ 下側梁
１０・・・ 耐震・制震構造
２０・・・ 耐力パネル
３０・・・ 支持部材
３１・・・ フランジ
３２・・・ ウェブ
４０・・・ 粘弾性ダンパー
４１・・・ 内側鋼板
４２・・・ 外側鋼板
４３・・・ 粘弾性体

Claims (5)

1. 建物の柱と梁又は基礎とで囲まれた架構面内に設置されて、前記建物の振動を抑制する耐震・制震構造において、
   下側梁又は基礎に固定された、プレキャストコンクリート製の耐力パネルと、
   該耐力パネルと上側梁とに連結された粘弾性ダンパーと、
   該粘弾性ダンパーと並列に配置され、前記建物に作用する水平力を負担し、前記耐力パネルに対する上側梁のせん断変形を許容する支持部材と、
   を備え、
   前記支持部材が弾性変形域内で変形する揺れの小規模地震では、前記支持部材が弾性変形するとともに前記粘弾性ダンパーが揺れを減衰し、
   前記支持部材が塑性変形域内で変形する揺れの大規模地震では、前記粘弾性ダンパーが揺れを減衰し、
   前記耐力パネルは、前記上側梁のせん断変形の変形量及び前記柱との間で前記支持部材の降伏点に対応する変形量以上に確保された隙間が略一致した際に、前記柱に接触して前記柱を受けることを特徴とする耐震・制震構造。
2. 前記支持部材は、
   前記耐力パネルと前記上側梁とにそれぞれ取り付けられる上下一対のフランジと、
   該上下一対のフランジ間に配置されたウェブと、
   を備えていることを特徴とする請求項１記載の耐震・制震構造。
3. 前記ウェブは、低降伏点鋼で形成されていることを特徴とする請求項２記載の耐震・制震構造。
4. 前記ウェブは、前記支持部材の弱軸方向に複数並んで設けられていることを特徴とする請求項２又は３記載の耐震・制震構造。
5. 前記支持部材は、該支持部材の弱軸方向と前記上側梁の長手方向とを一致させて配置されていることを特とする請求項１記載の耐震・制震構造。