JPH10227061A - 偏心型引張ブレース構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮側のブレースを座屈させることなく、ブ
レースが引張破断を起こす前に十分エネルギーを吸収で
き、しかも過大な変形を抑制する特性を有する偏心型引
張ブレース構造を提供する。 【解決手段】 左右の柱１，１と上下の梁２，２に囲ま
れた面内に中間部材３を鉛直に設け、ヒンジ５，５で上
下の梁２，２にピン接合する。中間部材３の中央付近か
ら左右に上ブレース４ａ，４ａを斜め上方向に接合し、
偏心距離Ｈを隔てた点から下ブレース４ｂ，４ｂを斜め
下方向に接合する。上ブレース４ａ，４ａ及び下ブレー
ス４ｂ，４ｂの両端には２個ずつのヒンジ５，５，…を
設ける。右方向に水平荷重Ｑが作用した場合、右上のブ
レース４ａと左下のブレース４ｂに引張軸力Ｔが発生
し、中間部材３の偏心部分３ａがせん断変形をする。左
上のブレース４ａと右下のブレース４ｂは両端の２個ず
つのヒンジ５，５，…が回転を起こすため、圧縮軸力は
生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、構造物の柱と梁
に囲まれた面内に組み込み、地震等の水平荷重に抵抗さ
せるためのブレース構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、構造物の柱と梁に囲まれた面内に
組み込まれたブレースは、図１１のように地震等の水平
荷重によって生じる引張軸力Ｔと圧縮軸力Ｃに抵抗し、
エネルギー吸収はブレース軸部の塑性変形によって行わ
れる。ただし、設計上は圧縮ブレースを無視することも
ある。

【０００３】また、特公平７−３３６８５号公報には、
ブレース構造において、柱と梁に囲まれた面内に塑性化
により地震時の振動エネルギーを吸収するエネルギー吸
収部材を設置し、柱、梁からなる骨組とエネルギー吸収
部材をブレースで連結した構造が開示されている。図１
２はその一態様を表したものである（同公報第４図(f)
参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１１に示される従来
のブレース構造は、地震等の水平荷重が過大に作用する
と、引張側のブレースは塑性化が進行して破断を起こ
し、急激に耐力が低下する。一方、圧縮側は比較的早く
座屈を起こし、しかも圧縮と引張を交互に繰り返して受
けると、局所曲げによって亀裂を生じて破断に至ること
がある。

【０００５】また、図１２のブレース構造は、地震時に
エネルギー吸収部材が塑性変形することで、耐震性能を
向上させたものであるが、ブレースが引張力Ｔと圧縮力
Ｃをともに負担する構造であり、ブレースの圧縮側での
座屈や局所曲げの問題や、予想外の極大地震時における
エネルギー吸収部材部分での過大な変形進行等の問題が
残る。

【０００６】本願発明は、上述のような課題の解決を図
ったものであり、圧縮側のブレースを座屈させることな
く、ブレースが引張破断を起こす前に十分エネルギーを
吸収でき、しかも過大な変形を抑制する特性を有する偏
心型引張ブレース構造を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１に係る偏
心型引張ブレース構造では、構造物の柱と梁に囲まれた
面内に、縦または横に中間部材を設置し、この中間部材
の中央付近から右上斜め及び左下斜め、または左上斜め
及び右下斜めの方向、または右上斜め及び左下斜めと左
上斜め及び右下斜めの方向にブレースを取り付ける。

【０００８】各ブレースの中間部材側の端部は互いに偏
心させて中間部材に接合してあり、中間部材のある範
囲、すなわち偏心させた各ブレースとの接合部間の範囲
（以下、説明を簡単にするため、偏心部分という）を塑
性変形による地震エネルギー吸収材として利用する。

【０００９】例えば、中間部材が縦に設置されている場
合は、縦方向について上側に位置するブレースとの接合
部と下側に位置するブレースとの接合部との間を地震エ
ネルギー吸収材として利用し、中間部材が横に設置され
ている場合は、横方向について右側に位置するブレース
との接合部と左側に位置するブレースとの接合部との間
を地震エネルギー吸収材として利用する。

【００１０】また、本願発明では、ブレースを複数のヒ
ンジを介して接合し、各ブレースが引張力のみを伝え、
圧縮力に抵抗しないようにし、それによってブレースの
座屈や局所曲げの問題が解決され、さらに後に詳述する
Ｐ〜δ効果により、過大な変形が抑制される。

【００１１】請求項２は、ブレースに鋼材、例えば帯板
鋼、アングル、Ｈ形鋼、あるいは丸鋼等を用い、その両
端にそれぞれ２個のヒンジを設けてある場合を限定した
ものである。ブレースの両端がそれぞれ２個のヒンジを
介して接合されることで、引張力は伝えるが圧縮力には
抵抗しない構造となる。

【００１２】請求項３は、ブレースに鋼材を用い、その
両端及び中間部の合計３箇所にヒンジを設けてある場合
を限定したものである。この場合も同様に、引張力は伝
えるが圧縮力には抵抗しない構造となる。

【００１３】請求項４は、ブレースの中間に、例えばタ
ーンバックル等の長さ調整手段を設けてある場合を限定
したものである。長さ調整手段により、変形前の緩みを
取り除くことができ、また例えば予め緊張力を導入して
おくといったことも可能である。

【００１４】請求項５は、ブレース及び中間部材を矩形
に組んだ枠材内に取り付けてユニット化し、構造体の柱
または梁に前記枠材を接合するようにした場合を限定し
たものである。

【００１５】ブレースは、複数のヒンジを介して中間部
材や構造体の柱や梁等に直接接合することができるが、
請求項５のようにユニット化した場合には、単独製品と
して量産に適し、また地震後に壊れたユニットのみ取り
替えるといったことが可能となる。

【００１６】本願発明は上記のような構成を有すること
で、中間部材の偏心部分以外を十分強くしておけば、地
震水平力を受けたときに中間部材の偏心部分がせん断変
形し、安定した塑性変形を起こすので、この部分のみで
エネルギーを吸収し、その他の部分は弾性内に留まる。

【００１７】従って、従来のブレースのように軸力が引
張力によって塑性化する場合よりも粘りがあり、また、
破断による急激な耐力低下が生じにくい。なお、エネル
ギー吸収性能や剛性の調整は、各部材の断面性能を変え
ることでできるが、中間部材３の偏心部分３ａの高さＨ
（中間部材３が縦に設置されている場合の図１、図９参
照）を変えることによっても可能である。

【００１８】また、ブレースは引張力のみを伝えるの
で、例えば、中間部材が縦に配置された場合には、中間
部材が変形した状態において、図９のような力の釣合い
状態となり、中間部材３の偏心部分３ａには、ブレース
の引張力Ｔ・ cosθ以外に鉛直成分Ｔ・ sinθが作用し
ている。

【００１９】中間部材が傾斜し、かつ偏心部分３ａのせ
ん断変形が大きくなるにつれて、鉛直成分Ｔ・ sinθの
力の作用点Ａ，Ａ’の水平方向の偏心量ｅが大きくなる
ので、偏心部分３ａには、図９の状態の場合は、反時計
回りの偶力Ｔ・ sinθ・ｅが発生し、偏心部分３ａに実
際に伝わるせん断力をＴ・ sinθ・ｅ／Ｈだけ減少させ
ようとする。

【００２０】そのため、一定のせん断力を偏心部分３ａ
に伝達するためには、Ｔ・ sinθ・ｅ／Ｈだけ余分の水
平力が必要となるので抵抗力が増大する。このような現
象はＰ〜δ効果と呼ばれるものであるが、図１２（特公
平７−３３６８５号公報第４図(f) に相当）のように水
平荷重Ｑに対してブレースが引張力Ｔと圧縮力Ｃをとも
に負担する場合には生じないものである。なぜならば、
引張ブレースの鉛直成分と圧縮ブレースの鉛直成分とが
互いに釣り合い、偏心部分３ａに作用する鉛直力がなく
なるからである。

【００２１】この現象は、特に中間部材３の偏心部分３
ａのせん断変形が大きくなるほど顕著になる（すなわ
ち、偏心量ｅが大きくなる）ので、過大に変形しようと
するのを抑制する作用を有する。

【００２２】以上の作用を水平荷重Ｑと構造物の層間変
位Δｈの関係で表すと、図１０(a)〜(c) のようにな
る。すなわち、本願発明のＱ〜Δｈ関係を図１０(a) の
ようであるとすると、図１０(b) に示すＰ〜δ効果のな
いＱ〜Δｈ関係と、図１０(c)のようなＰ〜δ効果によ
る荷重増分のＱ〜Δｈ関係とを足し合わせたものとして
考えることができる。なお、Ｑ〜Δｈ関係がスリップ型
となっているのは、 ブレースが圧縮に抵抗しないため
である。

【００２３】また、本願発明におけるブレースには、複
数のヒンジを設けているので、圧縮が作用しようとする
と、各ヒンジが回転を起こしてブレースがヒンジ位置で
屈曲する。従って、軸部には応力が発生せず、従来の圧
縮ブレースのような局所曲げは生じない。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本願発明の第１の実施形
態を示したものである。図１(a) に示すように、左右の
柱１，１と上下の梁２，２に囲まれた面内の中央に中間
部材３を鉛直に設け、中間部材３の上端と下端はそれぞ
れヒンジ５，５によって上下の梁２，２とピン接合され
ている。

【００２５】中間部材３の中央付近から左右に上ブレー
ス４ａ，４ａを、柱１，１と上側の梁２の交点に向けて
斜め上方向に接合し、中間部材３と上ブレース４ａ，４
ａとの交点から偏心距離Ｈを隔てた点から下ブレース４
ｂ，４ｂを、柱１，１と下側の梁２の交点に向けて斜め
下方向に接合してあり、上ブレース４ａ，４ａ及び下ブ
レース４ｂ，４ｂの両端には２個ずつのヒンジ５，５，
…が設けてある。

【００２６】材料としては、例えば中間部材３には普通
鋼（または、極低降伏点鋼）のＨ形鋼、上下ブレース４
ａ，４ｂには高張力鋼のロッド等を用いる。

【００２７】このような構造であるので、図１(b) のよ
うに水平荷重Ｑが作用した場合、右上のブレース４ａと
左下のブレース４ｂには引張軸力Ｔが発生し、中間部材
３の偏心部分３ａがせん断変形をする。

【００２８】このとき、左上のブレース４ａと右下のブ
レース４ｂは両端の２個ずつのヒンジ５，５，…が回転
を起こすため、圧縮軸力は生じない。

【００２９】地震エネルギーの吸収は、偏心部分３ａの
せん断変形による塑性化によって行われる。ただし、偏
心部分３ａ以外の部分は十分強く作っておく必要があ
る。

【００３０】また、偏心部分３ａのエネルギーの吸収の
みに期待すると、塑性変形が進み過ぎる可能性がある
が、本願発明では前述したように、Ｐ〜δ効果による抵
抗力増加がそれを抑制する方向に作用するという特性が
ある。

【００３１】図２は、本願発明の第２の実施形態を示し
たもので、隣り合う２つの構面について、それぞれ左右
の柱１，１と上下の梁２，２に囲まれた面内の中央に中
間部材３を鉛直に設け、中間部材３の上端と下端はそれ
ぞれヒンジ５，５によって上下の梁２，２とピン接合さ
れている。

【００３２】図２(a) 中、左側の構面については、中間
部材３の中央付近から右側に上ブレース４ａを、柱１と
上側の梁２の交点に向けて斜め上方向に接合し、中間部
材３と上ブレース４ａとの交点から偏心距離Ｈを隔てた
点から左側に下ブレース４ｂを、柱１と下側の梁２の交
点に向けて斜め下方向に接合してあり、上ブレース４ａ
及び下ブレース４ｂの両端には２個ずつのヒンジ５，
５，…が設けてある。

【００３３】同様に、図２(a) 中、右側の構面について
は、中間部材３の中央付近から左側に上ブレース４ａ
を、柱１と上側の梁２の交点に向けて斜め上方向に接合
し、中間部材３と上ブレース４ａとの交点から偏心距離
Ｈを隔てた点から右側に下ブレース４ｂを、柱１と下側
の梁２の交点に向けて斜め下方向に接合してあり、上ブ
レース４ａ及び下ブレース４ｂの両端には２個ずつのヒ
ンジ５，５，…が設けてある。

【００３４】このような構成において、水平荷重Ｑが作
用した場合、２つの対称の関係にある構面の１方の上ブ
レース４ａ及び下ブレース４ｂに引張力が作用し、他方
については、ヒンジ５，５，…により圧縮軸力に抵抗し
ない構造となっている。

【００３５】図２(b) は、隣り合う２つの構面につい
て、図２(a) と逆の形に上ブレース４ａ，４ａ及び下ブ
レース４ｂ，４ｂを配置したもので、機能は同じであ
る。

【００３６】図３は、本願発明の第３の実施形態におけ
る変形状態を示したもので、上ブレース４ａ，４ａ及び
下ブレース４ｂ，４ｂのヒンジを両端と中央１箇所に各
１個ずつ（ヒンジ５，５，…）設けた場合であり、圧縮
側のブレースがくの字に曲がるようになっている。

【００３７】図４は、本願発明の第４の実施形態におけ
る変形状態を示したもので、第１の実施形態の上ブレー
ス４ａ，４ａ及び下ブレース４ｂ，４ｂの中央に、長さ
調整手段としてターンバックル６を取り付けたものであ
る。

【００３８】ターンバックル６により、予め変形前の緩
みを除いておくことができる。このようなターンバック
ル６は第２、第３の実施形態の場合にも適用できる。

【００３９】図５及び図６は、それぞれ本願発明の第５
及び第６の実施形態における変形状態を示したものであ
る。これらは中間部材３及び上下ブレース４ａ，４ｂを
縦枠７ａ，７ａと横枠７ｂ，７ｂで矩形に囲って一体化
し、柱１，１と梁２，２に囲まれた面内に嵌め込むよう
にしたものであり、枠の上下を梁２，２に取り付ける。

【００４０】本実施形態のものは、単独製品として量産
するのに適しており、地震後は壊れたユニットのみを取
り替えればよい。図５は１ユニットの場合、図６は２ユ
ニットの場合である。

【００４１】図７は、本願発明の第７の実施形態におけ
る変形状態を示したもので、縦枠７ａ，７ａと横枠７
ｂ，７ｂからなる矩形の枠内に、中間部材３と１本の上
ブレース４ａと１本の下ブレース４ｂを組み込んでユニ
ット化し、対象の関係にある１対のユニットを、柱１，
１と梁２，２に囲まれた面内に嵌め込むようにしたもの
である。

【００４２】図８は、本願発明の第８の実施形態を示し
たもので、これまで示した実施形態と異なり、中間部材
３が横に設けられている場合である。

【００４３】すなわち、左右の柱１，１と上下の梁２，
２に囲まれた面内の中央に中間部材３を水平に設け、中
間部材３の両端をそれぞれヒンジ５，５によって左右の
柱１，１とピン接合されている。

【００４４】中間部材３の中央付近から偏心距離Ｈを隔
てて左右に上ブレース４ａ，４ａを、柱１，１と上側の
梁２の交点に向けて斜め上方向に接合し、同様に下ブレ
ース４ｂ，４ｂを、柱１，１と下側の梁２の交点に向け
て斜め下方向に接合してあり、上ブレース４ａ，４ａ及
び下ブレース４ｂ，４ｂの両端には２個ずつのヒンジ
５，５，…が設けてある。

【００４５】縦横の違いがあるが、基本的には図１の実
施形態と同様に機能し、右方向に水平荷重Ｑが作用した
場合、右上のブレース４ａと左下のブレース４ｂには引
張軸力Ｔが発生し、中間部材３の偏心部分３ａがせん断
変形をする。

【００４６】このとき、左上のブレース４ａと右下のブ
レース４ｂは両端の２個ずつのヒンジ５，５，…が回転
を起こすため、圧縮軸力は生じない。

【００４７】

【発明の効果】本願発明は上述のような構成を有するこ
とから、以下の効果が得られる。

【００４８】偏心部分のせん断変形によって、従来の
ブレース以上の安定したエネルギー吸収能力が得られ
る。

【００４９】従来のブレースのように、軸部破断によ
る急激な耐力低下が生じ難い。

【００５０】ブレースの座屈が生じないので、局所曲
げによる破断が起きない。

【００５１】過大な変形に対してＰ〜δ効果による変
形抑制作用があるので、窓ガラス等の仕上材の破断が生
じ難い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の第１の実施形態を示したもので、
(a) は変形前の骨組の正面図、(b) は変形状態の骨組の
正面図である。

【図２】本願発明の第２の実施形態を示したもので、
(a) 、(b) は互いに逆のパターンを有する骨組の正面図
である。

【図３】本願発明の第３の実施形態における変形状態を
示す骨組の正面図である。

【図４】本願発明の第４の実施形態における変形状態を
示す骨組の正面図である。

【図５】本願発明の第５の実施形態における変形状態を
示す骨組の正面図である。

【図６】本願発明の第６の実施形態における変形状態を
示す骨組の正面図である。

【図７】本願発明の第７の実施形態における変形状態を
示す骨組の正面図である。

【図８】本願発明の第８の実施形態を示す骨組の正面図
である。

【図９】本発明の基本概念を力の釣合いで示した図であ
る。

【図１０】本願発明の作用、特にＰ〜δ効果を水平荷重
Ｑと構造物の層間変位Δｈの関係で表したグラフであ
る。

【図１１】従来例における骨組の変形状態を示す正面図
である。

【図１２】第２の従来例における骨組の変形状態を示す
正面図である。

【符号の説明】

１…柱、２…梁、３…中間部材、３ａ…偏心部分、４ａ
…上ブレース、４ｂ…下ブレース、５…ヒンジ、６…タ
ーンバックル、７ａ…縦枠、７ｂ…横枠

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物の柱と梁に囲まれた面内に、縦ま
   たは横に中間部材を設置し、前記中間部材の中央付近か
   ら右上斜め及び左下斜め、または左上斜め及び右下斜め
   の方向、または右上斜め及び左下斜めと左上斜め及び右
   下斜めの方向にブレースを取り付け、前記各ブレースの
   中間部材側の端部を互いに偏心させて前記中間部材に接
   合し、前記中間部材の偏心させた各ブレースとの接合部
   間の範囲を塑性変形による地震エネルギー吸収材として
   利用し、かつ前記各ブレースを、引張力のみ伝え圧縮力
   に抵抗させないように、複数のヒンジを介して接合して
   あることを特徴とする偏心型引張ブレース構造。
2. 【請求項２】 ブレースに鋼材を用い、その両端にそれ
   ぞれ２個のヒンジを設けてある請求項１記載の偏心型引
   張ブレース構造。
3. 【請求項３】 ブレースに鋼材を用い、その両端及び中
   間部の３箇所にヒンジを設けてある請求項１記載の偏心
   型引張ブレース構造。
4. 【請求項４】 ブレースの中間に長さ調整手段を設けて
   ある請求項１、２または３記載の偏心型引張ブレース構
   造。
5. 【請求項５】 ブレース及び中間部材を矩形に組んだ枠
   材内に取り付けてユニット化し、構造体の柱または梁に
   前記枠材を接合するようにした請求項１、２、３または
   ４記載の偏心型引張ブレース構造。