JPH0454027B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、地震等の外力に対して良好な耐震
効果を示す建築構造物に関する。

「従来の技術およびその問題点」 従来、建築構造物に適用されている耐震設計法
は、比較的生起頻度の高い地震のような規模の外
力に対して、前記建築構造物を構成する部材に発
生する応力が許容応力度以内であるように、各部
材の強度及びその構造を決定するような設計法で
あつた。即ち、一般に使用されている建築構造物
の部材は、第６図に示すように、荷重Ｑと変位量
δとがフツクの法則に従う弾性（図中ａ〜ｂ間）
と、このフツクの法則に従わない塑性域（図中ｂ
〜b′〜ｃ）とからなる復元力特性を持つと考えら
れるので、前記規模の外力に対して前記各部材が
常時弾性域内で挙動するように、建築構造物を設
計するのである。ここで、第６図において、δy
は降伏変位量、Qyは許容剪断力と呼ばれる量で
ある。

又、前記建築構造物の耐用年限内に発生が予想
される最大級の地震のような規模の外力に対して
は、前記建築構造物全体の部材に若干の塑性変形
を許容するが、この建築構造物が倒壊しなければ
よい、という考えが認められており、この、いわ
ゆる塑性化を指向した終局設計法と呼ばれる設計
法が実際に適用されつつある。しかし、前記終局
設計法においては、塑性化させる部材の位置、塑
性化の程度等が必ずしも明確ではない。

この発明は、前記終局設計法の思想を更に発展
させたものであり、前記外力によるエネルギー吸
収量を的確に把握することを可能にし、また設計
上の自由度を増加させると共に、建築構造物全体
のコストダウンを図りうる建築構造物を如何にし
て実現するかを問題にしている。

「問題点を解決するための手段」 本発明者等は、前記問題点に鑑みて鋭意研究し
た結果、以下の知見を得るに至つた。すなわち、
エネルギー理論に基づく耐震極限設計法によれ
ば、建築物各層の強度（降伏剪断力）の最適分
布、言い替えれば第ｉ層における降伏剪断力係数
分布ｉは一義的に求めることができ、これは次
式で与えられる（秋山宏著、「建築物の耐震極限
設計」（東京大学出版会））。

ｉ＝ｆ（ｉ−１／Ｎ） ｆ（ｘ）＝１＋1.5927x−11.8519x² ＋42.5833x³−59.4827x⁴＋30.1586x⁵ そして、ある層の強度αiが、この最適分布ｉ
よりも小さい場合、この層に地震等による外力の
エネルギーが集中することになる。逆に、この原
理を利用すれば、各層の強度αiを適宜調整するこ
とで、外力のエネルギーを所望の割合で各層に配
分することができ、例えば、建築物の第１層の強
度のみを低減させることで、この第１層に外力エ
ネルギーを集中させることができる。さらに、前
述の終局設計法に従つて、第１層に集中した外力
エネルギーを、この第１層の部材の塑性変形によ
つて吸収すれば、第２層以上に伝達する外力エネ
ルギーを小さくすることができ、よつて、建築物
全体への免震効果をもたらすことができる。

前記第１層の強度のみを低減させるためには、
次のような手法に従えは良い。すなわち、第１層
が吸収する累積塑性歪エネルギーが、全累積塑性
歪エネルギーの95％以上となることを条件とし
て、第２層以上の強度を、前記最適分布に対して
次式により与えられるａ倍以上とすれば、この第
１層に外力からのエネルギーを集中させることが
できる（秋山宏、日本建築学会論文報告集、341、
昭和59年７月）。

0.5＜α₁／αe₁≦1.0の場合 ａ＝1.2 α₁／αe₁≦0.5の場合 ａ＝1.8−1.2（α₁／αe₁ ここに、 ａ：強度倍率 α₁：第１層の降伏剪断力係数 αe₁：構造物が弾性に留まる限界の第１層の降
伏剪断力係数 以上示した知見に基づいて、この発明は、多層
からなる建築構造物を少なくとも一つの層を除い
てプレキヤストコンクリート構造又は組積造で構
成すると共に、前記プレキヤスト構造等以外の層
に外力からのエネルギーを集中し、前記小さな外
力に対しては前記建築構造物を構成する部材に発
生する応力を許容応力度以内に抑制し、かつ、前
記大きな外力に対しては前記エネルギーが集中す
る層の部材の降伏を許容すると共に、前記部材の
降伏によりこれら部材に前記外力のエネルギーを
吸収させるようにした建築構造物を構成してい
る。

ここで、前記外力のエネルギーが集中する層の
部材を、充填鋼管コンクリートからなる弾性部材
と普通鋼等からなる塑性化部材とから構成すると
共に、充填鋼管コンクリートを構成する鋼管とこ
の鋼管内に充填されるコンクリートとの間にアン
ボンド層を形成することが好ましい。

「作用」 この発明では、プレキヤストコンクリート構造
又は組積造以外の層に外力からのエネルギーが集
中し、この層の部材が降伏することで外力のエネ
ルギーの大部分が塑性歪エネルギーとして吸収さ
れ、これによりプレキヤスト構造等の層への外力
のエネルギー伝達が減少する。

「実施例」 以下、この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

第１図ないし第４図は、この発明の一実施例で
ある建築構造物を示す図である。第１図ないし第
４図において、地盤Ｇ上に構築された建築構造物
Ａは、その２階以上の部分がいわゆるプレキヤス
ト鉄筋コンクリート（以下、単にPCと称する）
構造で構成され、PC部材である柱１，１、……
及び梁２，２……が互いに仕口部３，３、……で
連結されることで、その躯体が構成されている。
また、建築構造物Ａの１階部分Ｆはピロテイーと
され、充填鋼管コンクリート構造の免震柱４，
４、……及びこれらの間に架設された鉄骨梁５と
から概略構成されている。

建築構造物Ａの１階部分Ｆについて更に詳説す
れば、前記免震柱４は、第２図ないし第３図に示
すように、その外殻が鋼管６で構成されている。
この鋼管６の軸方向所定個所には、鋼管６の周方
向に延在するスリツト７，７、……が複数個形成
され、これらスリツト７，７、……により後述す
る変形吸収部８が構成されている。鋼管６内面に
は、この鋼管６と構造用充填材としてのコンクリ
ートとの付着を切るための分離材（アンボンド
層）９が予め塗布され、その上で鋼管６内部にコ
ンクリート１０が打設充填されている。この分離
材９としては、パラフイン、アスフアルト、オイ
ル、グリース、ワセリン等が用いられる。

以上のような構成の免震柱４には、前記鉄骨梁
５により免震柱４上端から圧縮力が作用して、鋼
管６内部のコンクリート１０に軸方向及び径方向
の歪が生じるが、一方、鋼管２に生ずる軸方向の
歪は、変形吸収部８のスリツト７，７、……の軸
方向の変形により殆ど吸収され、よつて鋼管６に
は殆ど軸方向圧縮応力が生じない。そして、これ
ら鋼管６及びコンクリート１０は、これらの間に
介在された分離材９の存在により互いに軸方向の
変位が拘束されていない。従つて、ミーゼスの降
伏条件を適用すれば、周方向応力による鋼管６の
コンフアインド効果（鋼管６の周方向応力により
コンクリート１０の径方向の膨出を締め付ける作
用）を十分発揮させることができる。この結果、
この免震柱４は、その圧縮耐力が著しく向上さ
れ、断面積が縮小される。

また、建築構造物Ａの１階部分Ｆの所定個所に
は、普通鋼製の角形鋼管からなる塑性化部材１
１，１１が設けられている。これら塑性化部材１
１，１１は、前記免震柱４，４間に位置するよう
に地盤Ｇに２本立設されていると共に、その上端
部がＨ形鋼からなる連結部材１２により連結され
ている。これら塑性化部材１１，１１のそれぞれ
上端部からは、前記免震柱４，４及び鉄骨梁５の
仕口１３，１３に向つて、普通鋼または高張力鋼
製の鋼管からなるブレース１４、１４が取付プレ
ート１５、１５を介して延出され、これらブレー
ス１４、１４はガセツトプレート１６、１６によ
り前記仕口１３、１３において鉄骨梁５に取り付
けられている。

そして、この建築構造物Ａを構成する部材
（PC部材、角形鋼管、Ｈ形鋼、鋼管）は、その耐
用年限中に数度発生が予想される地震規模の外力
に対して発生する応力度が許容応力以内であるよ
うに、その材質及び断面形状が選択されている。
また、建築構造物Ａの１階部分Ｆに設けられてい
る前記塑性化部材１１，１１は、この建築構造物
Ａの耐用年限中に発生が予想される最大級の地震
規模の外力に対して降伏するように、その材質及
び断面形状が選択されている。そして、この建築
構造物Ａにおいては、その免震柱４の圧縮耐力が
前述の如く著しく向上されているため、その断面
積が縮小されていると共に、１階部分Ｆはピロテ
イーとされており、この結果、１階部分Ｆの強度
とそれ以上の層の部分の強度に格差が生じ、これ
により地震等の外力が前記建築構造物Ａに加えら
れた時、その１階部分Ｆに外力からのエネルギー
が集中される。ここで、前記塑性化部材１１は、
その長さが短い短柱タイプの部材であるので、細
長比が小さく、従つて座屈による耐力低下が抑止
されると共に、巾厚比を小さく設計することで、
有害なねじれ、局部変形を生じないようにするこ
とができ、これにより塑性化部材１１自体の塑性
変形能力を大きく保持することが可能となる。

以上のような建築構造物Ａに、その耐用年限中
に数度発生が予想される地震規模の外力が加えら
れ場合、各部材は復元力特性における弾性或内で
挙動することとなる。また、建築構造物Ａの耐用
年限中に発生が予想される最大級の地震規模の外
力が加えられた場合、前記ブレース１４，１４を
介して外力のエネルギーが前記塑性化部材１１，
１１に伝達されることで、この塑性化部材１１，
１１が降伏する。これにより、外力のエネルギー
の大部分がこの１階部分Ｆで塑性歪エネルギーと
して吸収されることで、これ以上の層に伝達され
るエネルギーが減少される。従つて、建築構造物
Ａへの外力のエネルギーが１階部分Ｆという一個
所に集中されるため、そのエネルギー吸収量を的
確に把握することが容易となり、また、前記従来
の終局設計法の如く全層に亙つての塑性変形を考
慮する必要が無いため、一階部分Ｆ以外の部分を
設計する上で自由度が増加される。そして、前記
の如く１階部分以外の部分では、外力のエネルギ
ー伝達が減少されるので、構成部材全体の剛性を
大きく確保する必要がなく、このためPC部材た
る前記柱１，１、……及び梁２，２、……のジヨ
イントを大幅に簡略化できると共に、部材重量を
削減することが可能となり、ひいてはコストダウ
ンとなる。よつて、前記外力によるエネルギー吸
収量を的確に把握することを可能にし、また設計
上の自由度を増加させると共に、全体のコストダ
ウンを図りうる建築構造物Ａを実現することが可
能となる。

また、前記免震柱４は、自身の大きな弾性変形
能力により、前記最大級の地震規模の外力に対し
ても弾性状態を保つことにより、エネルギー集中
層（１階部分Ｆ）全体の最大変形、残留変形の増
大を抑止する効果がある。又、生じた水平変形に
よるＰ−δ効果で建築構造物Ａが劣化するのを防
止し、復元力を確保する機能も持つている。

また、この建築構造物Ａにおいては、地震等の
水平力が加えられた場合、連結部材１２に生ずる
剪断力とブレース１４，１４に生じる軸力の垂直
成分とが逆方向に打消しあうため、この塑性化部
材１１，１１に作用する軸力が殆ど無視できる程
度までに小さくなる、という優れた効果を奏す
る。また同様に、塑性化部材１１，１１を連結す
る連結部材１２の剛性を適宜調節することで、こ
の塑性化部材１１，１１の両端部に作用するモー
メント分布を可能な限り均等にし、これにより塑
性化部材１１，１１のエネルギー吸収能力を増大
させることができる、という利点もある。

ここで、前記弾性部材たる免震柱４及び塑性化
部材１１の物性値の最適な組み合わせについて説
明する。これら物性値の組み合わせは、建物の階
高及び塑性化部材１１の歪エネルギー吸収能力で
耐えうる最大級地震と弾性にとどめる地震とのレ
ベル設定により変わつてくるが、本発明者等の検
討結果によれば、次式で与えられるような組み合
せが最も好ましい。

sQy／hQy≧１／３ sδy／hδy≧3.0 ｈ／ｈ≧0.35 hQy：当該層の塑性化部材の降伏剪断力の総和 sQy：当該層の弾性部材の降伏剪断力の総和 hδy：塑性化部材の降伏変形量 sδy：弾性部材の降伏変形量 ｈ：見掛けの塑性変形倍率の平均値 ｈ：累積塑性変形倍率の平均値 すなわち、第５図に示すグラフにおいて、弾性
部材の降伏剪断力sQy及び降伏変形量sδyが斜線
で囲まれる領域であれば良い。部材１１，１２の
寸法は階高、柱スパンに関係なく決められ、前記
物性値は、部材１１，１２の配置構面数及び部材
長さ、断面寸法を変えることにより容易に得られ
る。なお、図中Kp.dはＰ−δ効果を打消す為の
バネを示す。

なお、この発明の建築構造物は、その形状、寸
法法が前記実施例に限定されず、種々の変形例が
実施可能である。一例として、１階部分Ｆのみな
らず、地階や２階部分についてもその部材に降伏
を許容するような設計であつても良い。また、前
記実施例において２階以上の躯体を構成するプレ
キヤストコンクリート構造も、壁式、RPC造等
周知のものから適宜選択されれば良い。さらに言
えば、建築構造物の２階以上の躯体としては、プ
レキヤストコンクリート構造の外にコンクリート
ブロツク構造、煉瓦積構造、石積構造等の組積造
であつても良い。そして、外力のエネルギーが集
中される層の構造も前記実施例に限定されず、一
例として、前記塑性化部材１１を直接建築構造物
Ａの躯体に連結するような構造であつても良い。

「発明の効果」 以上詳細に説明したように、この発明によれ
ば、多層からなる建築構造物を少なくとも一つの
層を除いてプレキヤストコンクリート構造又は組
積造で構成すると共に、前記プレキヤスト構造等
以外の層に外力からのエネルギーを集中させ、前
記小さな外力に対して前記建築構造物を構成する
部材に発生する応力を許容応力度以内に抑制し、
かつ前記大きな外力に対して前記エネルギーが集
中する層の部材の降伏を許容すると共に、前記部
材の降伏によりこれら部材に前記外力のエネルギ
ーを吸収させるようにした建築構造物を構成した
ので、前記外力のエネルギーが前記プレキヤスト
構造等以外の層で吸収され、これ以外の層に伝達
されるエネルギーが減少する。従つて、建築構造
物への外力のエネルギーが一箇所に集中されるた
め、そのエネルギー吸収量を的確に把握すること
が容易となり、また、従来の終局設計法の如く全
層に亙つての塑性変形を考慮する必要が無いた
め、前記エネルギーが集中する層以外の層を設計
する上での自由度が増加される。そして、前記層
以外の層では、外力のエネルギー伝達が減少され
るので、構成部材全体の剛性を大きく確保する必
要がなく、このためプレキヤスト構造等を構成す
る各部材のジヨイントを大幅に簡略化できると共
に、部材重量を削減することが可能となり、ひい
てはコストダウンとなる。よつて、前記外力によ
るエネルギー吸収量を的確に把握することを可能
にし、また設計上の自由度を増加させると共に、
全体のコストダウンを図りうる建築構造物を実現
することが可能となる。

特に、この発明によれば、外力のエネルギーが
集中する層の部材は、柱自体が免震柱となる充填
鋼管コンクリートからなる弾性部材と、建築構造
物の躯体に連結された普通鋼管等からなる塑性化
部材とを備えた構成であり、さらに前記充填鋼管
コンクリートを構成する鋼管と、この鋼管内に充
填されるコンクリートとの間にはアンボンド層が
形成されている構成となつているから、例えば最
大級の地震規模の大きな外力が加えられた場合、
その外力のエネルギーが塑性化部材に伝達されて
この塑性化部材が降伏し、これによつて外力のエ
ネルギーの大部分が塑性歪エネルギーとして吸収
されることになり、しかも、弾性部材として機能
する免震柱は、自身の大きな弾性変形能力によ
り、例えば最大級の地震規模の大きな外力に対し
ても弾性状態を保つことにより、エネルギー集中
層全体の最大変形、残留変形の増大を防止する効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明の一実施例であ
る建築構造物を示す図であつて、第１図はその概
略構成を示す正面図、第２図は同１階部分の免震
柱を示す正面図、第３図は同柱の断面図、第４図
は同１階部分のみを拡大視して示した正面図、第
５図は降伏剪断力と降伏変形量の組み合わせの一
例を示す図。第６図は荷重と変位量との間に成立
する復元力特性の一例を示す図である。 Ａ……建築構造物、Ｆ……１階部分（エネルギ
ー集中層）、１……柱（プレキヤスト鉄筋コンク
リート部材）、２……梁（プレキヤスト鉄筋コン
クリート部材）、４……免震柱（弾性部材）、６…
…鋼管、９……分離材（アンボンド層）、１０…
…コンクリート、１１……塑性化部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多層からなる建築構造物が少なくとも一つの
   層を除いてプレキヤストコンクリート構造又は組
   積造で構成されていると共に、前記プレキヤスト
   構造又は組積造以外の層には外力からのエネルギ
   ーが集中され、前記小さな外力に対しては前記建
   築構造物を構成する部材に発生する応力が許容応
   力度以内に抑制され、かつ、前記大きな外力に対
   しては前記エネルギーが集中する層の部材の降伏
   が許容されると共に、前記部材の降伏によりこれ
   ら部材に前記外力のエネルギーが吸収されるよう
   に構成した建築構造物であつて、前記外力のエネ
   ルギーが集中する層の部材は、柱自体が免震柱と
   なる充填鋼管コンクリートからなる弾性部材と、
   建築構造物の躯体に連結された普通鋼管等からな
   る塑性化部材とを備えた構成であり、さらに前記
   充填鋼管コンクリートを構成する鋼管と、この鋼
   管内に充填されるコンクリートとの間にはアンボ
   ンド層が形成されていることを特徴とする建築構
   造物。