JP6934290B2 - トラス架構 - Google Patents

Description

本発明は、トラス架構に関する。

下記特許文献１には、鉄骨架構を大スパン化するためにトラス梁を設けた構成が開示されている。

特開平１０−２１２８４０号公報

上記特許文献１の鉄骨架構では、地震時にトラス梁の構成要素が１本でも降伏すると、鉄骨架構の耐力が著しく減少する可能性がある。

本発明は上記事実を考慮して、トラス架構が適用された建物の地震力に対するロバスト性を確保することを目的とする。

請求項１のトラス架構は、両端部が柱に支持された上梁材と、両端部が柱に支持された下梁材と、前記上梁材と前記下梁材に接合された大斜材と、を備えた大トラスと、前記上梁材と前記下梁材の間に配置され両端部が柱に支持された中梁材と、同一構面で前記大斜材と重ならず、前記上梁材と前記中梁材、又は下梁材と前記中梁材に接合された小斜材と、を備えた小トラスと、を備え、前記大斜材は、前記中梁材との接合部において軸力伝達可能な通し構造とされている。

請求項１のトラス架構では、長期荷重を大トラスで支持する設計とすることで、小トラスで長期荷重を支持する設計と比較して、トラス架構全体の部材断面を小さくすることができる。また、大トラスは、小トラスと比較してたわみ量が小さく、長期荷重を安全に支持できる。

さらに請求項１のトラス架構は小トラスも備えている。このため、想定を超える大地震が発生してトラス架構の一部が降伏しても、耐力に余裕がある小トラスが有効に作用するため、ロバスト性を確保できる。なお、「ロバスト性」とは外的要因による変化を内部で阻止する仕組みや性質のことであり、ロバスト性を確保することにより、トラス架構の信頼性を増すことができる。

また、小斜材は上梁材と中梁材の間の構面、又は下梁材と中梁材の間の構面にしか配置されないので、大斜材しか配置されない構面の視野を広くすることができる。

請求項２のトラス架構は、前記小斜材は前記大斜材より作用力に対する断面検定比が小さく、剛性が小さい。

請求項２のトラス架構では、小斜材が大斜材よりも作用力に対する断面検定比が小さい。ここで、「断面検定比」とは部材耐力（Ｆ）に対する作用力（Ｎ）の割合（Ｎ／Ｆ）である。２つの部材に働く作用力（Ｎ）が同じ場合、部材耐力（Ｆ）が大きいほうが断面検定比（Ｎ／Ｆ）は小さく、２つの部材の部材耐力（Ｆ）が同じ場合、作用力（Ｎ）が小さい方が断面検定比（Ｎ／Ｆ）は小さい。大トラスおよび小トラスが健全な状態において、小斜材は大斜材と比べて作用力（Ｎ）が小さいが、相対的に大きな部材耐力（Ｆ）を有しているため、「作用力に対する断面検定比が小さい」と言える。

したがって、大トラスの大斜材が降伏しても、小トラスの小斜材は耐力に余裕があるため小トラスが地震力に耐えることができる。このため、トラス架構の耐力が向上する。また、大斜材を小斜材より早く降伏させることで、地震時にトラス架構の捩じれを抑制することができる。

また、小斜材が大斜材よりも剛性が小さくされているため、トラス架構の水平剛性が過度に大きくなることを抑制できる。このため、地震時に建物の捩れを抑制することができる。さらに、建物の剛性バランスをとるために、同様のトラス架構を建物の重心を挟んで反対側に設けたりする必要がなく、建物の設計自由度が高くなる。

請求項３のトラス架構は、前記小斜材が配置されていない構面の前記大斜材の断面積は、前記小斜材が配置されている構面の前記大斜材の断面積より小さい。

請求項３のトラス架構では、小斜材が配置されていない構面における大斜材の断面積が小さい。これにより、トラス架構に地震力が加わった際に、小斜材が設置されていない構面における大斜材を先行降伏させることができる。このため、小斜材と大斜材の一部で構成された構面を健全に保つことができ、地震に対するトラス架構のロバスト性を向上させることができる。
請求項４のトラス架構は、請求項１〜３の何れか１項に記載のトラス架構において、前記小トラスは、前記小斜材が前記上梁材及び前記中梁材に接合されている構成、又は、前記小斜材が前記下梁材及び前記中梁材に接合されている構成、の何れかである。

本発明に係るトラス架構によると、トラス架構が適用された建物の地震力に対するロバスト性を確保することができる。

本発明の実施形態に係るトラス架構を示す正面立面図である。 本発明の実施形態に係るトラス架構に接合された直交梁を示す図１における２−２線断面図である。 本発明の実施形態に係るトラス架構における大斜材及び小斜材の構成を示す正面立面図である。 本発明の実施形態に係るトラス架構、トラス架構を構成する大トラス及び小トラスに対して、地震時に短期荷重が作用したときのそれぞれの変形量を示すグラフである。

（トラス架構）
図１に示すように、本実施形態に係るトラス架構１０は、鉄骨造の建物１２において上下に連続する２層に亘って配置された大トラス３０と、大トラス３０が配置された２層のうち上層に配置された小トラス４０と、を備えた架構である。大トラス３０及び小トラス４０の端部は柱１４に接合されており、柱１４間には大トラス３０の下方に無柱空間Ｖが形成されている。

（大トラス）
大トラス３０は、上弦材としての上梁材２２と、下弦材としての下梁材２４と、両端部がそれぞれ上梁材２２と下梁材２４に接合された大斜材３２と、を備えている。

上梁材２２及び下梁材２４は、それぞれＨ型鋼で形成された建物１２の梁であり、端部２２Ｅ、２４Ｅが柱１４に支持されている。

上梁材２２と下梁材２４との間には、中梁材２６が配置されている。中梁材２６は、上梁材２２及び下梁材２４と同様にＨ型鋼で形成された建物１２の梁であり、大斜材３２の中間部が接合されている。なお、上梁材２２、下梁材２４、中梁材２６はそれぞれボックス型断面の鋼材としてもよい。

大斜材３２は、上梁材２２と下梁材２４との間において柱１４間に複数架け渡されている。そのうち両端に配置された大斜材３２の上端部は柱１４と上梁材２２との接合部に接合されている。また、両端に配置された大斜材３２の下端部は、隣接する大斜材３２の下端部と下梁材２４との接合部に接合されている。

そして、両端以外に配置された大斜材３２の上端部は、隣接する大斜材３２の上端部と上梁材２２との接合部に接合されている。また、両端以外に配置された大斜材３２の下端部は、隣接する大斜材３２の下端部と下梁材２４との接合部に接合されている。

これにより大斜材３２は、上梁材２２、下梁材２４及び柱１４で囲まれた構面において、Ｖ字状の配置が横方向に２つ連続した略Ｗ字状の配置とされている。なお、大斜材３２は、Ｖ字状の配置を横方向に３つ以上連続するように配置してもよい。

図２には、図１における２−２線断面図が示されている。なお、図１は図２における１−１線断面図である。図２に示すように、上梁材２２には、大トラス３０が形成する構面と直交する方向（Ｙ方向）へ延出された直交梁５２が接合されている。また、下梁材２４には、大トラス３０から見て直交梁５２と反対方向へ延出された直交梁５４が接合されている。これにより、大トラス３０の下方の無柱空間Ｖは、大トラス３０と直交する方向にも広げられている。なお、図３に示すように、直交梁５２は上梁材２２に大斜材３２が接合される接点及び上梁材２２に小斜材４２が接合される接点に接合されている。

大斜材３２は、下端部が中梁材２６に接合された上部材３２Ｕと、上端部が中梁材２６に接合された下部材３２Ｄと、中梁材２６の上下フランジ間において上部材３２Ｕのフランジ下端部から下部材３２Ｄのフランジ上端部まで延設されたプレート状の軸力伝達部材３２Ｍと、を備えている。

下部材３２Ｄの断面積は上部材３２Ｕの断面積よりも小さく形成されており、下部材３２Ｄのフランジ間距離は上部材３２Ｕのフランジ間距離よりも小さい。このため、下部材３２Ｄと上部材３２Ｕの上フランジ間、下部材３２Ｄと上部材３２Ｕの下フランジ間で軸力を伝達する軸力伝達部材３２Ｍは、互いに下部材３２Ｄ及び上部材３２Ｕの軸線ＣＬに対して角度を有して中梁材２６のウェブに溶接されている。

なお、本実施形態においては下部材３２Ｄのフランジ間距離が上部材３２Ｕのフランジ間距離よりも小さく形成されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば下部材３２Ｄのフランジ間距離と、上部材３２Ｕのフランジ間距離とを等しく形成してもよい。この場合、下部材３２Ｄの板厚を上部材３２Ｕの板厚よりも薄く形成することで、下部材３２Ｄの断面積を、上部材３２Ｕの断面積よりも小さく形成できる。

（小トラス）
図１に示すように、小トラス４０は、上弦材としての上梁材２２と、下弦材としての中梁材２６と、両端部がそれぞれ上梁材２２と中梁材２６に接合された小斜材４２及び上部材３２Ｕと、を備えている。

小斜材４２は、大斜材３２における上部材３２Ｕが配置された構面と等しい構面に配置されている。小斜材４２の上端部は、隣接する小斜材４２の上端部と上梁材２２との接合部に接合されている。また下端部は、大斜材３２における上部材３２Ｕの下端部と中梁材２６との接合部に接合されている。

すなわち、上梁材２２は大トラス３０の上弦材であり小トラス４０の上弦材でもある。また、大斜材３２における上部材３２Ｕは、大トラス３０を構成する斜材（大斜材３２）の一部であり、また、小トラス４０を構成する斜材でもある。

小斜材４２は、上梁材２２、中梁材２６及び２本の上部材３２Ｕで囲まれる台形状の構面を、３つの三角形状の構面に分割するように配置されている。

図３に示すように、小斜材４２は、Ｈ型鋼の芯材４２Ａと、芯材４２Ａが挿入された補剛管４２Ｂと、を備えている。補剛管４２Ｂは、芯材４２Ａの座屈を抑制する座屈抑制部材である。また、詳しくは後述するが、小斜材４２は、大斜材３２における下部材３２Ｄよりも作用力に対する断面検定比が小さく、剛性が小さく形成されている。なお、小斜材４２は、補剛管４２Ｂを設けない構成にすることもできる。

（作用・効果）
図１に示すように、本実施形態に係るトラス架構１０は、上下に連続する２層に亘って配置された大トラス３０を備えている。このため、例えば１層のみにトラスが配置された建物と比較して、長期荷重を安全に支持できる。

また図３に示すように、本実施形態に係るトラス架構１０では、大斜材３２における下部材３２Ｄの断面積が上部材３２Ｕの断面積よりも小さく形成されている。このため、下部材３２Ｄは上部材３２Ｕよりも耐力が小さい。

さらにトラス架構１０は、大トラス３０のほか、小トラス４０を備えている。小トラス４０における小斜材４２は、下部材３２Ｄよりも作用力に対する断面検定比が小さい。

このため、大トラス３０の下部材３２Ｄ、上部材３２Ｕ、小トラス４０の小斜材４２の中では、下部材３２Ｄの断面検定比が最も大きく、トラス架構１０に地震力が加わった際には下部材３２Ｄが先行して降伏する。これにより、小トラス４０を構成する上部材３２Ｕ、小斜材４２の降伏を遅らせ、小トラス４０の健全性を維持させることができる。

図４には、地震による水平力（短期荷重Ｐ）に対する小トラス４０の変形量を示す荷重・変形曲線Ｂ１と、大トラス３０の変形量を示す荷重・変形曲線Ｂ２と、小トラス４０と大トラス３０とを組み合わせたトラス架構１０の変形量を示す荷重・変形曲線Ｂ３が示されている（以下、単に曲線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３と称す）。

曲線Ｂ２における点Ｃ２は、大斜材３２における下部材３２Ｄの降伏点を示しており、降伏点を超える水平力が作用した場合、下部材３２Ｄは塑性変形を開始する。曲線Ｂ１における点Ｃ１は、小斜材４２の降伏点を示している。

また、曲線Ｂ３に示すように、大トラス３０と小トラス４０とが組み合わされたトラス架構１０は、トラス架構１０に水平力が作用した際に、大トラス３０と小トラス４０の双方が耐力を発揮するので、大トラス３０における大斜材３２（下部材３２Ｄ）が降伏する荷重Ｐ３は、小トラス４０を設けない場合に大斜材３２が降伏する荷重Ｐ２と比較して、大きくなっている。

また、トラス架構１０に荷重Ｐ３を超える水平力が作用した場合でも、小トラス４０の小斜材４２が耐力を発揮する。このため小斜材４２が降伏する荷重Ｐ４まで、トラス架構１０が耐えられる水平力が大きくなる。

このように、トラス架構１０は、大トラス３０と小トラス４０とを備えた構成により、大トラス３０のみを設ける構成と比較して、ロバスト性が向上されている。

また、本実施形態に係るトラス架構１０は、小斜材４２が大斜材３２の下部材３２Ｄよりも剛性が小さくされているため、トラス架構１０の水平剛性が過度に大きくなることを抑制できる。

トラス架構１０の水平剛性が大きくなりすぎると、建物の剛心の位置がずれて地震時の建物の捩れが大きくなる。この捩れを抑制するためには、例えばトラス架構１０を別の場所（建物１２の重心を挟んで反対側など）にも設ける必要がある。このため、建物１２の設計自由度に影響を及ぼす。これに対して、トラス架構１０の水平剛性が過度に大きくならなければ、建物の設計自由度が高くなる。

また、本実施形態においては図３に示すように、上梁材２２は大トラス３０および小トラス４０の上弦材とされているため、上梁材２２には大トラス３０における大斜材３２が接合される箇所の他、小トラス４０における小斜材４２が接合される箇所にも、斜材の接点が形成される。このため、小トラス４０を設けない場合と比較して、上梁材２２に接合させる直交梁５２の本数を増やすことができるので、図２に示す直交梁５２の上部の荷重を支持しやすくなり、無柱空間ＶのＹ方向幅を広く確保することができる。

なお、本実施形態においては、図１に示すように上梁材２２の上部に柱が立設されていない構成とされているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば上梁材２２において、図３に示す直交梁５２が接合された部分には、適宜柱を立設することができる。柱を立設した場合、柱からの鉛直荷重は大斜材３２又は小斜材へ流すことができる。

また、本実施形態においては図１に示すように、小斜材４２は上梁材２２と中梁材２６の間の構面にしか配置されないので、大斜材３２しか配置されない構面（中梁材２６と下梁材２４の間の構面）の視野を広くすることができる。

なお、本実施形態においては小斜材４２を上梁材２２と中梁材２６の間の構面に配置しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば小斜材４２は中梁材２６と下梁材２４の間の構面に配置してもよい。この場合、大トラス３０の大斜材３２については、図３に示す上部材３２Ｕと下部材３２Ｄの構成を入れ替える。すわなち、上部材３２Ｕの断面積を下部材３２Ｄの断面積よりも小さくして、小斜材４２が配置されていない構面における大斜材３２の耐力を小さくする。このような構成によっても、トラス架構１０のロバスト性を確保できる。

また、本実施形態において小斜材４２は、大斜材３２における下部材３２Ｄより剛性を小さく形成したが、本発明の実施形態はこれに限らず、剛性は任意に設定することができる。剛性を任意に設定しても、小トラス４０を備えない構成と比較して、トラス架構全体の耐力を大きくすることができる。

また、本実施形態において大斜材３２における下部材３２Ｄの断面積を上部材３２Ｕの断面積より小さくすることで下部材３２Ｄの耐力を上部材３２Ｕの耐力よりも小さくしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。下部材３２Ｄの断面積と上部材３２Ｕの断面積とを等しくした場合でも、例えば下部材３２Ｄの材料強度を下部材３２Ｄの材料強度よりも小さくすることで、下部材３２Ｄの耐力を上部材３２Ｕの耐力よりも小さくすることができる。

１０ トラス架構
１４ 柱
２２ 上梁材
２４ 下梁材
２６ 中梁材
３０ 大トラス
３２ 大斜材
４０ 小トラス
４２ 小斜材

Claims (4)

1. 両端部が柱に支持された上梁材と、両端部が柱に支持された下梁材と、前記上梁材と前記下梁材に接合された大斜材と、を備えた大トラスと、
   前記上梁材と前記下梁材の間に配置され両端部が柱に支持された中梁材と、同一構面で前記大斜材と重ならず、前記上梁材と前記中梁材、又は下梁材と前記中梁材に接合された小斜材と、を備えた小トラスと、
   を備え、前記大斜材は、前記中梁材との接合部において軸力伝達可能な通し構造とされている、トラス架構。
2. 前記小斜材は前記大斜材より作用力に対する断面検定比が小さく、剛性が小さい、請求項１に記載のトラス架構。
3. 前記小斜材が配置されていない構面の前記大斜材の断面積は、前記小斜材が配置されている構面の前記大斜材の断面積より小さい、請求項１又は請求項２に記載のトラス架構。
4. 前記小トラスは、前記小斜材が前記上梁材及び前記中梁材に接合されている構成、又は、前記小斜材が前記下梁材及び前記中梁材に接合されている構成、の何れかである、請求項１〜３の何れか１項に記載のトラス架構。

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