TWI541413B - 依據pc壓接關節工法之耐震設計法 - Google Patents

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Description

依據PC壓接關節工法之耐震設計法
本發明係關於一種預力混凝土構造(以下稱為「PC構造」。)之耐震設計法。本發明中的PC構造係指:利用PC鋼材對高強度的預鑄、預力混凝土(PCaPC)構件彼此(柱、樑)施以PC壓接使其接合而構成者。
因為習知技術的鋼筋混凝土構造(RC構造)不僅價廉且剛性也高使其居住性十分優異,而經常被使用於集合住宅或事務所等的建物。
另一方面,預力混凝土構造構造(PC構造)係預先賦予混凝土構件剖面預力,將其作成能夠抵抗假想的負載,其適用於具有大跨距的樑或用以支承較大負載的樑和柱之建物。並且,由於相較於RC構造其具有高度的復原性,所以對於地震能夠保持所需的健全性。
關於PC構造,已有複數個技術(專利)為公眾所知。作為第1個為公眾所知的技術係一種柱與樑的接合 構造(專利文獻1),其特徵為:在預鑄混凝土柱與預鑄混凝土樑的接合部中,於樑的端部設置具有從樑側面及樑底面突出的剖面之接合部,在該接合部的樑下部及樑上部配置用以結合樑與柱的結合鋼筋,並且將PC鋼材配置排列在比上述結合鋼筋更靠近樑剖面的中立軸之位置來結合樑與柱。
在該柱與樑的接合構造中,由於係將結合鋼筋配置在結合部的樑高之上下部分,並且配置有將預力導入至靠近剖面的中立軸之位置的PC鋼材,所以接合上下鋼筋對於地震時所產生的負載會承擔較大的變形,而會吸收較大的變形能量。另外,主要用以達成柱與樑的接合部之壓接機能之PC鋼材係如下所述:相較於鋼筋不僅變形較小,並且地震時所產生的損傷也較少十分安全。
作為第2個為公眾所知的技術係一種預鑄混凝土樑與柱的PC壓接接合構造(專利文獻2),其特徵為:在利用非黏裹式(unboned)PC鋼材導入預力使預鑄混凝土樑朝預鑄混凝土柱壓接而接合的構造中,在柱的側面且會因為樑的上浮所產生的旋轉變形而承受壓縮的部位設置有彈性體,其係用以吸收壓縮變形來防止樑的端部混凝土產生壓毀。
該預鑄混凝土樑與柱的PC壓接接合構造係有助於如下所述的RC類建物的建築:即使遭遇100年才會發生一次的大地震,也不會在框架主體產生損傷,或者是能夠藉由替換衝擊材料來修復損傷。
作為第3個為公眾所知的技術係一種RC類構造物的自我隔震工法(SELF-BASE ISOLATION STRUCTURE),(專利文獻3),係利用非黏裹式PC鋼材導入預力使預鑄混凝土樑朝預鑄混凝土柱壓接使其接合的RC類構造物之自我隔震工法,其特徵為:使前述非黏裹式PC鋼材朝前述預鑄混凝土樑的長度方向貫穿,並且將該非黏裹式PC鋼材的兩端部固定在前述預鑄混凝土柱,作成為下述構造:容許前述非黏裹式PC鋼材隨著地震等的水平力所產生的彈性拉伸變形造成柱樑接合界面發生上浮之情事。
依據該RC類構造物的自我隔震工法,能夠不使用免震裝置、制震裝置來將RC類構造物的的固有周期予以長周期化,並且由於也不需要免震裝置、制震裝置、以及對上述裝置進行維護,所以是不僅對成本削減有極大貢獻,居住性也非常優異的構造。
再者,作為第4個為公眾所知的技術係一種依據RC壓接工法而完成的耐震構造物(專利文獻4),係藉由RC壓接工法而構築完成的耐震構造物,其特徵為:以樑與其兩端的柱為最小單位而構成的本體架構,係將樑與柱的接合部作為可旋轉接合部且主要用以負擔垂直負載而構成,並且是藉由對使樑朝軸向貫穿至柱的非黏裹型的PC鋼材導入預力之壓接接合來構築,在前述本體架構的側面部係添加有水平抵抗構件,其係長度橫跨樑兩端的前述可旋轉接合部的板材,並且發生地震時是在本體架構受 到損傷之前使其降伏來吸收能量,前述可旋轉接合部的兩側位置係藉由將預力導入至PC鋼材的壓接接合而連結。
依據該RC壓接工法而完成的耐震構造物,由於係將預力導入至長狀的非黏裹型之PC鋼材來對本體架構的柱和樑施以壓接使其接合,而作成為主要用以負擔垂直方向的構造,所以PC鋼材的變形會在其全長予以平均化。因此,即使當產生較大之變形時,PC鋼材的變形也會在彈性限度的範圍內,在構造面上的安全性較高。本體架構係下述構造:可容易地追隨地震時所造成的大幅度變形,並且在地震後會發揮導入PC鋼材的預力之作用效果而產生復原動作,使得殘留變形會恢復至零。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]特公平07-42727號公報
[專利文獻2]特開2002-4417號公報
[專利文獻3]特開2002-4418號公報
[專利文獻4]特開2005-171643號公報
在前述第1個為公眾所知的技術中,雖然作成為:對於地震時的負載其配置在樑的上下之鋼筋會負擔較大的變形且會吸收較大的變形能量,並且配置在靠近柱 與樑的接合部之中立軸的位置之導入預力的PC鋼材相較於鋼筋其變形也較小,使得地震時所造成的損傷較小會較安全,但由於和習知技術的RC設計相同是藉由鋼筋的塑性變形來吸收能量,所以會有無法大幅度地修復地震後鋼筋之殘留變形的問題點。
在前述第2個為公眾所知的技術中,雖然構成為:在柱的側面且會因為樑的上浮所產生的旋轉變形而承受壓縮的部位設置有用以防止樑的端部混凝土產生壓毀的彈性體,但因為在柱的複數個側面設置有同一位準的複數個供彈性體安裝用的切口凹部,會明顯地使柱本體因為剖面缺損而造成強度大幅度地降低並且由於不存在用以支承樑的端部之構件,所以會因為反覆的地震力而在與柱的接合部產生朝向下方之滑動,會有下述問題點:正因為是非黏裹式PC鋼材所以會容易產生斷裂而使得樑與柱的壓接接合部破損,進而造成構造物崩毀的危險性非常大。
在前述第3個為公眾所知的技術中,雖然構成為:使非黏裹式PC鋼材朝預鑄混凝土樑的長度方向貫穿,並且將其兩端部固定在預鑄混凝土柱,而可容許前述非黏裹式PC鋼材隨著地震等的水平力所產生的彈性拉伸變形造成柱樑的接合界面發生上浮。但,依據該情況的非黏裹式PC鋼材之固定「並非是特別新穎的手法而是利用建築學會的PC規格所揭示的手法來實施」之記載,可得知係PC鋼材的規格降伏負載的80%,並且是與前述第2個為公眾所知的技術相同不存在有用以支承樑的端部之構 件,所以會因為反覆的地震力而在與柱的接合部產生朝向下方的滑動,會有下述問題點:PC鋼材會產生斷裂進而造成構造物崩毀的危險性非常大。
在前述第4個為公眾所知的技術中,在本體架構的側面部係添加有水平抵抗用構件,其係長度橫跨樑兩端的可旋轉接合部的板材,並且發生地震時是在本體架構受到損傷之前使其降伏來吸收能量,前述可旋轉接合部的兩側位置係藉由將預力導入至PC鋼材的壓接接合而連結。該結果,雖然構成為:會促使損傷集中在水平抵抗用構件而使其產生塑性變形,來吸收地震能量且減低反應而發揮減弱效果,但由於仍舊是習知技術般的塑性設計會無法修復產生塑性變形之後的水平抵抗用構件,所以在地震後不得不替換全部的水平抵抗用構件,會有下述問題點:不僅需花費現場作業的作業時間並且也會使得成本大幅度地變高。
又,第2~第4個為公眾所知的技術中的共通問題為:由於作為非黏裹式PC鋼材的填充材料之潤滑脂在經過一段時間會產生離油現象而大幅度地破壞防銹性能,所以並不適合在柱與樑的PC壓接接合構造使用非黏裹式PC鋼材。
然而,日本現行的耐震設計基準是容許在震度為5強左右可造成構造物產生損傷,並且只要能夠進行確保生命的安全性之設計即使造成崩壞也可容許。已有發生許多下述災害之報告:在發生超過震度為6的巨大地震 時,會使得RC造或S造、以及SRC造等的建築物崩毀,並且會大幅度地產生變形(層間變形角在1/100以上的塑性變形)而造成損傷,地震後殘留變形會一直殘留且無法修復。
另外,「震度」是指:用以表示在某一地點的地震之搖晃等級的指標,並且是指日本氣象廳所使用的地震等級(Japan Meteorological Agency seismic intensity scale)。
特別是日本為經常發生地震之國家,並且是不論何時發生大震災也不奇怪的國土。用以建造RC造或S造的建物之現在的設計法,係發生地震時在塑性區域利用鋼筋與鋼骨的「塑性設計」,在上述般的國土並不是與其國情相應之設計法。另外,依據作為鋼筋混凝土構造的基本之藉由塑性變形來吸引能量的理論而設計完成的建物,係利用使樑柱交會區(panel zone)產生塑性變形來吸收地震的能量,該結果會有下述問題:樑柱交會區會產生剪切破壞並且地震搖動所造成的損傷及殘留形會很大而無法進行地震後之修復。簡而言之,在依據習知技術的設計法而完成的RC框架結構中,由於大地震時的破壞係取決於樑柱交會區(柱樑接合部),所以會以樑柱交會區產生剪切破壞而先破壞柱的形式來造成構造整體破壞。
不論如何,在習知技術的PC構造中,配置在構件剖面的PC鋼材之拉緊導入力在完成固定時係作成為該PC鋼材的規格降伏負載(Py)的80%。在針對地震的現行的耐震設計法中,係與RC構造相同在最大設計負載時 容許PC鋼材的降伏。該結果,由於在固定負載時PC鋼材所保有的餘力不充分,所以會在最大設計值時使PC鋼材降伏而產生塑性變形,進而喪失PC構造的優異之復原性,使得用以復原構築構件的變形之作用力消失而在地震後殘留有殘留變形,所以無法將已產生的龜裂閉合且龜裂會隨著時間而變大,會對構造軀體造成不良影響而大幅地減少使用壽命。
並且,由於和RC構造相同係利用為了吸收地震能量而容許樑柱交會區產生變形之「塑性設計」,所以在大地震時仍舊無法避免會在樑柱交會區(柱樑接合部)產生剪切破壞。又,當發生超過耐震設計等級的震度為6以上的巨大地震時,在柱與樑的壓接接合部,會因為沒有用以支承樑的顎部而使得樑朝下方滑出造成PC鋼材先產生破裂,會有下述危險性:不僅造成構造構件破損也會產生樑的剪切破壞而使得建物崩毀。另外,其負載變形曲線的弧形之面積比RC構造小,在遲滯特性下會有藉由使構造物產生塑性變形所能消耗的能量較少之問題,無法認為係對大地震有效之性質。
本發明者,為了解決關於PC構造的耐震性能所揭示之各式各樣的問題,從昭和62年以來為了建造耐震性能優異的建物,經過長年地進行研究與開發,並且依據本發明者的發想所進行各種的實驗來驗證,藉此確立了PC壓接關節工法。
本發明者所期望的耐震性能優異之建物是以在大地震 時,主要構造構件不會產生損傷為大前提。再者,也是指下述建築物:即使大地震結束,對於其後的餘震等也會是健全的狀態,並且不會損害作為建物的機能而能夠繼續使用。
本發明的目的係提供一種新穎的依據PC壓接關節工法之PC構造的耐震設計法(以下稱本設計法),其比起現行的耐震設計基準會更大幅地提高耐震設計等級,並且即使對於超過震度6的極大之地震也係以彈性設計為基本。
作為為了達成上述目的的具體手段,本發明的第1態樣係提供一種依據PC壓接關節工法之PC構造的耐震設計法。前述PC構造係框架結構的建物並且具有基礎和柱和樑。前述柱和前述樑係高強度的預鑄、預力混凝土構件。在前述柱的柱樑接合部(樑柱交會區)設置顎部。將前述樑載置於前述顎部的上方。在前述柱與前述樑之間設置壓接分隔隙部。設置用以貫穿前述樑與前述柱樑接合部(樑柱交會區)的2次PC鋼材(2次纜索)。藉由使前述2次PC鋼材拉緊來對前述柱與前述樑施以壓接使其接合來予以一體化。使灌漿料附著在前述2次PC鋼材來予以固定。前述耐震設計法在負載超過預定的地震負載設計值之情況下,係設計成:在前述壓接分隔隙部的附近使前述2次PC鋼材與前述灌漿料之附著切斷。藉此,在發生 前述負載未超過前述地震負載設計值的地震之情況下,前述壓接分隔隙部會保持在全預力狀態,使得前述柱與前述樑與前述2次PC鋼材會在線形彈性範圍內產生變形而不會造成損傷。在發生前述負載超過前述地震負載設計值的地震之情況下,會藉由將前述2次PC鋼材與前述灌漿料之附著切斷,來使前述壓接分隔隙部會形成為部分預力狀態。前述壓接分隔隙部會將接口打開使其分離而能夠旋轉,藉由拔出前述2次PC鋼材來增加前述2次PC鋼材的伸長量,在前述2次PC鋼材的彈性範圍內會吸收地震能量使得前述柱與前述樑與前述2次PC鋼材會在線形彈性範圍內產生變形而不會造成損傷。前述PC構造,作為其整體係組合下述線形彈性設計而完成的非線形彈性設計:第1階段的線形彈性設計,前述負載未超過前述地震負載設計值的情況;以及第2階段的線形彈性設計,前述負載超過前述地震負載設計值的情況。
前述地震負載設計值係相當於震度為6弱的地震之負載。前述2次PC鋼材的張力係前述2次PC鋼材的規格降伏負載的40%~60%亦可。前述PC構造亦可在前述基礎與前述柱的柱腳之間設置第2壓接分隔隙部。也可以設置用以貫穿前述基礎與前述柱腳的第2的2次PC鋼材。藉由使前述第2的2次PC鋼材拉緊來對前述基礎與前述柱施以壓接使其接合來予以一體化亦可。也可以使第2灌漿料附著在前述第2的2次PC鋼材來予以固定。前述耐震設計法在負載超過預定的第2地震負載設計值的 情況下,亦可設計成:使前述第2的2次PC鋼材與前述第2灌漿料之附著切斷。藉此,在發生前述負載未超過前述第2地震負載設計值的地震之情況下,前述第2壓接分隔隙部會保持在全預力狀態,使得前述柱與前述樑與前述第2的2次PC鋼材會在線形彈性範圍內產生變形而不會造成損傷。在發生前述負載超過前述第2地震負載設計值的地震之情況下,會藉由將前述第2的2次PC鋼材與前述第2灌漿料之附著切斷,來使前述第2壓接分隔隙部會形成為部分預力狀態。前述第2壓接分隔隙部會將接口打開使其分離而能夠旋轉,在前述第2的2次PC鋼材之彈性範圍內會吸收地震能量使得前述柱與前述樑與前述第2的2次PC鋼材會在線形彈性範圍內產生變形而不會造成損傷。前述柱腳亦可是設置在前述基礎與前述柱之間的底塊。前述第2的2次PC鋼材的張力係前述第2的2次PC鋼材的規格降伏負載的40%~60%亦可。前述PC構造亦可係組合免震工法而構築完成的PC免震構造。
本發明所揭示之第2態樣係依據前述PC壓接關節工法之耐震設計法而構築完成的建築物。
依據本發明所揭示之依據PC壓接關節工法之耐震設計法,會達成下述般的優異效果。
1.對於在預定的設計值內的負載,所有的構造構件都不會產生損傷。
即使是震度6弱的地震,利用習知技術的設計法而構築完成的RC構造或SRC構造也會產生塑性變形而造成損傷破壞,會使得幾乎不可能進行地震後之修復。
相對於此,利用本設計法而構築完成的PC構造,其抵抗前述設計值的負載之作用力(預力及抵抗構件的角度變化之柱、樑的PC緊固力),會作為內部能量被賦予至前述柱或前述樑等的混凝土構件內。藉此,會使構造體本身產生彈性變形來利用PC柱的復原力將變形抑制得較小,並且藉由積存在構件內的內部能量來吸收地震能量而保持在全預力的狀態。藉此,在震災後建物也會是健全的狀態,並且不會損害作為建物的機能而能夠繼續地使用。
2.即使對於超過預定的設計值之負載也不會在樑柱交會區產生損傷破壞。
在發生負載超過前述設計值的地震之情況下,係設計成:壓接分隔隙部會將接口打開(旋轉)而形成為部分預力的狀態。在該部分預力的區域中,係藉由壓接分隔隙部將接口打開使其分離來產生旋轉,會使施加於樑柱交會區的應力增加變小,而不會產生樑柱交會區的損傷破壞。
藉由實驗確認了下述事實。當施加前述地震負載設計值的負載時,壓接分隔隙部會以全預力的狀態產生變形,而在樑柱交會區的上下產生微小的龜裂。當負載超過設計值時,壓接分隔隙部會形成為部分預力狀態,來將接口打開使柱和位在顎部上的樑分離而旋轉,使得在樑柱交會區的上下之微小的龜裂會相反地漸漸閉合。藉此,防止樑柱 交會區會發生比上述程度更嚴重的龜裂。
在習知技術的RC構造中,在發生大地震時,係藉由使樑柱交會區產生塑性變形來吸收地震的能量,該結果會造成樑柱交會區產生剪切破壞進而使得構造物崩毀,也就是所謂的柱先行破壞型。
相較於上述構造,依據本設計法所完成的PC構造的柱樑壓接接合部,雖然壓接分隔隙部在預定的地震負載設計值內的負載下不會分離,但在負載超過設計值的極大地震時,會藉由使壓接分隔隙部分離來使得樑柱交會區不會產生剪切破壞,該結果可防止柱、樑、及樑柱交會區等的主要構造構件產生損傷。利用使壓接分隔隙部將接口打開能夠保護建物構造。當地震過去時,會利用2次PC鋼材的彈性復原力來使打開的接口閉合,而將分離的壓接分隔隙部恢復至原本的狀態。構造物會呈沒有殘留變形之健全的狀態,假設即使壓接分隔隙部受了輕微的損傷也能夠進行修補而可繼續使用。
3.在發生極大地震時會將衝擊值降低。
在發生負載超過前述設計值的極大地震之情況下,柱樑的壓接接合部會將接口打開而能夠旋轉。在壓接分隔隙部附近會以所需的長度範圍來使2次PC鋼材與灌漿料之附著形成為斷裂狀態,藉由將2次PC鋼材拔出使伸長量增加,來吸收地震能量。使得2次PC鋼材所負擔的張力不會上昇,而能夠將2次PC鋼材保持在彈性範圍內,藉此能夠使衝擊值變小。亦即,在發生負載超過預定設計值 的極大地震之情況下,由於2次PC鋼材的彈性變形之直線會接近於水平,所以能夠降低衝擊值。另外,在壓接接合部中,2次PC鋼材(2次纜索)的張力相對於前述2次PC鋼材的規格降伏負載(Py)係控制在50%左右(Py的40%~60%)。藉此,即使在發生負載超過預定設計值的極大地震之情況下,2次PC鋼材還是具有充分的餘力直到最後都會在彈性範圍。使2次PC鋼材如彈簧般地進行作用,來發揮用以抵抗地震所造成之建物變形的作用力,藉由2次PC鋼材的彈性抵抗力所生成的預力之復原力會形成為使變形後的建物回復至原本的狀態之作用力。簡而言之,能夠獲得藉由預力所生成之制震效果。
4.不會在柱腳部造成柱損傷。
又,在遭遇到負載超過預定設計值的極大地震之情況下,柱腳下的壓接分隔隙部(第2壓接分隔隙部)會將接口打開而形成為部分預力的狀態。藉由一邊將2次PC鋼材保持在彈性範圍一邊使壓接分隔隙部將接口打開,來吸收地震能量。藉此,能夠使作為用以支承建物整體的最重要之部分的柱腳部不會產生柱損傷、破壞之情事。並且,在柱腳部的壓接分隔隙部中,由於2次PC鋼材(第2個2次纜索)直到最後都不會產生塑性變形而會持續保持在彈性範圍,所以在地震後可藉由PC復原力將接口再次閉合來使分隔隙部回復至原來的狀態,而能夠繼續地利用建物。
5.能夠獲得具有免震及制震效果、及減低成本的效果之建築物。
作為組合本設計法與免震工法而完成的PC構造之PC免震構造係具有下述特性:利用彈性設計使上部構造保持在非線性彈性區域內的PC復原力。藉此,除了耐震、免震之外,還能夠獲得制震效果。導入的預力會在因為地震產生變形後,形成為使建物回復至原來的狀態之復原力,來發揮制震效果。
另外,相較於RC構造能夠將上部構造的柱與樑之剖面縮小至20%左右,並且能夠期望藉由薄化來削減成本。
又,為免震構造的情況下,由於隔離器之配置需要使表面壓力變大,所以必需將支承跨距作得較大。當上部構造係依據本設計法而完成的框架結構之情況下,不僅能夠將支承跨距作得較大,並且也不需要擔心因為長期負載而造成龜裂。
另外,由於藉由導入的預力之復原力能夠顯著地將地震時的搖晃抑制得較小,且在地震後會使建物回復至原來的狀態,所以可抑制因為地震而產生的反覆之搖晃或變形而能夠獲得優異之制震效果。簡而言之,能夠獲得免震效果與藉由預力所產生的制震效果。
6.能夠獲得防止樓板產生龜裂的效果。
在習知技術的RC構造等中,會承受經常發生的風負載或中小型地震的負載所產生的搖晃或震動,而常會發生下述情事:不僅在混凝土樓板常常產生龜裂也會產生過度的撓曲變形,對於建築物的使用性與耐久性會帶來很大的阻礙。
相對於此,依據本設計法而完成的PC構造之PC復原力會大幅地提高剛性,不僅能夠顯著地將經常發生的搖晃或震動抑制得較小,也能夠防止樓板產生龜裂。
另外,藉由使配置在預鑄樑構件的1次PC鋼材(1次纜索)、及2次PC鋼材(2次纜索)以在中央剖面偏心之方式來進行配線,能夠在樑形成朝上的曲面。藉此,在使用時會與因為負載而產生的撓曲變形相抵消而不會在使用時產生造成阻礙的變形。
1‧‧‧基礎
2‧‧‧柱
3‧‧‧樑
4‧‧‧顎部
5‧‧‧PC鋼材
6‧‧‧壓接分隔隙
7‧‧‧PC鋼材
8‧‧‧套管
9‧‧‧樓板
10‧‧‧釣竿
11‧‧‧釣魚線
12‧‧‧引線部分
13‧‧‧PC鋼材
14‧‧‧底塊
15‧‧‧柱腳部
A‧‧‧表面積
a‧‧‧箭頭
c‧‧‧位置
If‧‧‧層間剪力
IS‧‧‧初期剛性
Mp‧‧‧翻倒力矩
Mps‧‧‧抗矩
P‧‧‧張力
P1‧‧‧設計值
Pe‧‧‧極限值
P+△P1‧‧‧張力
0A‧‧‧線段
0C‧‧‧線段
CF‧‧‧線段
0AB‧‧‧面積
0CF‧‧‧折線
BDFE‧‧‧面積
CAD‧‧‧面積
F‧‧‧附著力
Fc‧‧‧高強度混凝土的強度
σ a‧‧‧附著強度
PC1‧‧‧PCaPC(鋼棒)無顎部
PC2‧‧‧PCaPC(鋼絞線)有顎部
Ps‧‧‧內力
Py‧‧‧規格降伏負載
△L‧‧‧伸長量
△L1‧‧‧伸長量
△L+△L1‧‧‧伸長量
△Le‧‧‧伸長量
△Ln‧‧‧伸長量
R‧‧‧層間變形角
RC‧‧‧RC構造
RD1‧‧‧殘留變形量
RD2‧‧‧殘留變形量
RS1‧‧‧擺幅
RS2‧‧‧擺幅
第1圖係表示適用本發明的依據PC壓接關節工法之PC構造的耐震設計法之代表性的PC建築物的側面圖,並且是利用剖面來表示包含配線形狀的一部分。
第2圖A及第2圖B係表示本設計法的基本原理之說明圖,並且第2圖A係表示釣竿理論,而第2圖B係表示關節理論。
第3圖係本設計法中吸收能量的概念圖。
第4圖係表示本設計法的PC壓接接合的狀態之說明圖。
第5圖A及第5圖B係表示本設計法的2次PC鋼材之附著狀態的說明圖,第5圖A係表示附著有2次PC鋼材且導入有張力的狀態,而第5圖B係表示將附著切斷而在2次PC鋼材產生伸長量的狀態。
第6圖係表示當切斷本設計法的2次PC鋼材之附著時,負載與伸長量的關係之概念圖。
第7圖A~第7圖C係表示本設計中藉由導入構築構件的預力(內力)所產生的制震效果之示意圖,並且第7圖A係表示樑,而第7圖B及第7圖C係表示柱。
第8圖A~第8圖C係表示作為本設計法所揭示之建築物,並且是利用實物大小的1/3尺寸來當作耐震實驗體而使用的十字型骨架之圖式,並且第8圖A係整體的側面圖,第8圖B係柱的擴大剖面圖,而第8圖C是樑的擴大剖面圖。
第9圖係表示使用前述耐震實驗體、與習知技術的構造進行實驗的結果之圖表。
第10圖係表示在依據本設計法之PC構造物與習知技術的RC構造物中,發生地震時輸入構造物的應力與擺幅、及殘留變形量之概念圖。
依據圖式的實施方式來詳細地說明本發明所揭示的依據PC壓接關節工法之耐震設計法。
依據PC壓接關節工法而完成的建物之基本構造係如第1圖所示,具有基礎1、柱2、以及樑3的框架結構。作為構築構件的柱2和樑3係高強度的預鑄、預力混凝土構件。在基礎1與最下層的各柱2之間設置作為柱腳的底塊14。在底塊14的下方設置壓接分隔隙6(壓接分隔隙 部)。貫穿基礎1、底塊14、及柱2來配置PC鋼材13(第2個2次PC鋼材)。藉由PC鋼材13壓接基礎1、底塊14、及柱2使其接合來予以一體化,而形成為柱腳部15。亦即,底塊14係作為柱2的柱腳而配置在柱腳部15。柱3設置有顎部4。將樑3載置於該顎部4的上方。藉由作為1次纜索而配置的PC鋼材5(1次PC鋼材)將預力導入樑3。在柱2與樑3之間設置壓接分隔隙6藉由作為2次纜索而配置的PC鋼材7(2次PC鋼材)來壓接柱2與樑3使其接合。作為1次纜索的PC鋼材5係針對長期負載而配置者,其張力與習知技術相同,在拉緊固定完成時係設定在PC鋼材的規格降伏負載之80%內。另外,賦予預力的方式可以是先拉方式(pretensioning)與後拉方式(post-tensioning,樑端拉緊固定型)的任何一種。配置在樑3的幾個1次纜索5、及2次纜索7,係以在中央剖面使其偏心之方式來進行配置。
另外,雖然為了安全且容易地進行預鑄柱的施工係使用底塊為佳,但也可以與圖式相反地不設置底塊。
作為2次纜索的PC鋼材7係用以壓接柱2與樑3使其接合來予以一體化,其張力係設置成比習知技術的PC構造之設計值更低,並且在壓接分隔隙部的張力係設定成相對於PC鋼材7的規格降伏負載在50%±10%左右。又,柱2也配置有複數個拉緊用的2次PC鋼材13。在樑柱交會區(柱樑接合部)中,會對作為跨距方向的樑之大樑、作為長度方向的樑之桁樑、及柱構件都賦予預力。 藉此,樑柱交會區會形成為以三維方式從XZY所有的方向接收預力。另外,PC鋼材7、13係黏裹式,全部都是配置成貫穿預先設置的套管8內,並且在拉緊固定後填充灌漿料。又,在樑3的上面將樓板9澆注於每個層。藉此,構成為具有關節機構的框架結構。
在框架結構中,地震力所引起的應力之中,發生在樑柱交會區(柱樑接合部)周邊的樑端及柱面、及發生在最下層的柱腳部的應力最大。因此,本設計法係將樑柱交會區、柱腳部、其周邊的壓接分隔隙部6、及2次PC鋼材7、13的張力作為主要的設計對象。
作為本設計法的基礎之PC壓接關節工法係依據本發明者所創造的釣竿理論與關節理論2種理論而確立者。該PC壓接關節工法在耐震性能方面表現優異係能夠利用上述2種理論來進行說明。
〔釣竿理論〕
在第2圖A所示的實際的釣魚之釣組中,當釣針勾掛到大型魚或垃圾、或者是石頭時,若硬拉扯則會造成昂貴的釣竿10折斷、或是造成釣魚線11斷裂。為了使釣竿10、釣魚線11不會受到損傷係先將在前端具有釣針的引線部分12作成較為脆弱。藉由使引線部分12斷裂而不會對釣竿10與釣魚線11造成損傷。在該理論中,釣竿10係相當於框架結構的柱2,釣魚線11則係相當於樑3,而引線部分12係相當於作為載置在顎部4上的樑3的端部 之接合部分的壓接分隔隙部6。亦即,最先使相當於脆弱的引線部分12之壓接分隔隙部6產生損傷。
〔關節理論〕
人類的關節係藉由關節部分將骨頭與骨頭連結成能夠旋轉。連接面係具有柔軟的軟骨部分,並且骨頭彼此係藉由周圍的強壯且富有彈性力的肌肉來連結。由於形成為上述構造,所以在倒跌倒或是撞到不特定物體時,能夠緩和衝撞或是將其吸收。在該理論中,第2圖B所示的柱樑接合部係與人類的關節進行相同的作用。在PC壓接關節工法中,作為載置於顎部4上的樑3之接合部分的壓接分隔隙部6係相當於關節,而PC鋼材7則係相當於用以連結上述骨頭與骨頭的人類之彈性肌肉。
為了解決關於前述構造的耐震性能之問題,本設計法的基本為:藉由利用PC鋼材的特質而完成的預力混凝土構造所形成之彈性設計來應對大地震。
只要將上述2個理論應用於作為構築構件的柱2與樑3的壓接分隔隙部6,就能夠使PC構造具有非常優異的耐震性能,並且能夠形成為更經濟的設計。
習知技術中的RC造或S造、及SRC造中,會因為震度為6弱左右的地震使建物大幅度地產生變形(層間變形角大約為1/100)而造成構件損傷,或者是崩毀導致無法進行修復。
本設計法中,係以下述彈性設計為基本:對於震度為 6弱左右的地震,會利用預先賦予的預力而積存在混凝土構件內的內部能量來抵抗。使構造物本身產生彈性變形,層間變形角相較於RC構造(大約在1/150內)會變得相當小。保持在全預力的狀態,在震災後會使得該建物保持在健全的狀態。
相對於此,對於比上述震度更大的極大地震,雖然構造體本身係彈性設計,但壓接分隔隙部6會局部地發揮部分預力效果來應對。簡而言之,即使在極大地震時也不會使建物造成損傷。上述敘述是重要的設計條件並且是本設計法的技術特徵。
另外,部分預力效果是指:壓接分隔隙部6在因為地震衝擊而暫時將接口打開,會在地震過去後的一段時間藉由PC復原力來再次使接口閉合。
即使是承受相同等級的地震負載,相較於RC造或SRC造等的習知技術之建築物也能將層間變形角抑制成較小,係因為藉由積存在PC構件內的內部能量與柱的PC復原力(制震效果)、以及柱和樑的緊固效果,會抵抗PC構造產生變形。例如,在震度為6弱左右的地震之情況下,雖然RC造或SRC造中會產生層間變形角大約在1/00以上的塑性變形,但在依據本設計法而完成的PC構造中,會使層間變形角形成在大約1/150內,其變形量相較於RC造會變得相當小。但,由於層間變形角的值不僅會因為構造形式也會因為建物的規模或形狀、高度及地盤等的各種條件而改變,所以上述值也僅是設計的參考值。
並且,由於在層間變形角與震度之間沒有正確(嚴格)的轉換,所以本設計法中的層間變形角是作為基準的設計值,所表示的值係包含「大概」、「大致」、「約略」、「大約」等的意思。
在依據以上的理論而完成的本設計法中,係設計成滿足下述要件。
‧不會以柱先行破壞的形式產生破壞。
‧不會以大樑先行破壞的形式產生破壞。
‧即使因為地震力而造成構造物產生大幅度變形也不會使大樑掉落。
‧大樑係能夠在柱的顎部上不會朝下方滑動地進行旋轉。
‧壓接接合部的壓接力係設定成:在震度為6弱、或是層間變形角在1/150左右為止的情況下,會保持為全預力狀態。
‧在震度為6強以上、或是層間變形角在1/150~1/100的極大地震時,壓接分隔隙部會形成為部分預力的狀態,使得位在顎部上的柱與樑的構造分隔隙部分會將接口打開(分離)而能夠進行旋轉來吸收能量。
樑柱交會區(柱樑接合部)的破壞係藉由使柱與樑在顎部上將接口打開來進行控制,使得樑柱交會區不會受到損傷。並且,由於係以三維方式賦予樑柱交會區軸向壓縮,所以會具有預力所生成之復原力特性。因此,完全不會產生地震後的殘留變形。與依據習知技術的設計法而完成的 RC構造及PC構造係藉由使樑柱交會區產生破壞來吸收能量是完全不同的設計思想。
經由多次實驗確認:在依據本設計法而完成的柱樑接合部中,當在預定的地震負載設計值內(實驗中係層間變形角為1/100)使其利用全預力的狀態產生變形時,會在樑柱交會區的上下產生微小的龜裂。當變形量超過設計值時,位在顎部上的柱與樑的壓接分隔隙部會形成為部分預力的狀態,來將接口打開(分離)而能夠進行旋轉。藉此,驗證了樑柱交會區的上下之微小的龜裂會相反地漸漸閉合。藉此,樑柱交會區不會發生比上述程度更嚴重的龜裂。
在習知技術的RC構造中,當發生大地震(震度為6弱以上)時,係藉由使樑柱交會區產生塑性變形來吸收地震的能量。該結果會造成樑柱交會區產生剪切破壞而使得構造物崩毀,也就是所謂的柱先行破壞型。相較於上述構造,依據本設計法而完成的PC構造的柱樑壓接接合部,其壓接分隔隙在預定的地震負載設計值內不會分離。在負載超過設計值的極大地震時,會藉由使壓接分隔隙分離來使得樑柱交會區不會產生剪切破壞。最終,雖然會因為旋轉而使得壓接分隔隙部6受到輕微的損傷,但由於大樑3位在顎部4上並且藉由作為2次纜索進行配線將其拉緊的PC鋼線(PC鋼材)7而被連結,所以不會有從顎部4掉落的情事。貫穿樑柱交會區的2次纜索之張力在壓接接合部中,係設定為相對於PC鋼材的規格降伏負載在50%左 右,來使其拉伸能力具有餘裕(餘力),藉此能夠使其維持產生變形後的復元力。藉由上述實驗,驗證了依據本設計法所獲得之優異的耐震性能。
關於依據本設計法而完成的壓接接合部之旋轉係藉由適當地設定配置在大樑且貫穿樑柱交會區的PC鋼材7的數量、以及賦予該PC鋼材7的張力,來控制樑3與柱2的接合狀態。在壓接接合部中,PC鋼材7的張力相對於該PC鋼材7的規格降伏負載(Py)係設定在40%~60%的範圍,設定在50%左右為佳。
在固定負載及中小型地震時,係控制成保持在不會引起旋轉的剛性狀態,並且藉由PC構造所保有的彈性應力來應對負載。在震度為6弱(層間變形角為1/150)內,係設定成會形成為全預力狀態。僅有在發生比上述震度更大的極大地震之情況下,柱2與樑3的接合部會形成為部分預力的接合狀態,而引起旋轉使得壓接分隔隙部6開始分離。即使是形成為該狀態,PC鋼材7也具有充分的餘力且會在彈性範圍內。因此,PC鋼材7不會有產生破裂(塑性變形)之情事。另外,當地震過去時,會利用PC復原力來使接口再次閉合,而將旋轉後的壓接接合部(壓接分隔隙部)恢復至原本的狀態。並且,當該壓接分隔隙部6產生分離時,會一部分地拔出附著在套管8內的灌漿料之PC鋼材7,來將附著切斷。藉由切斷該附著能夠獲得阻尼器效果。亦即,藉由將PC鋼線拔出使PC鋼線的伸長量增加來吸收能量。藉此,降低在產生極大的地震時的衝擊 值使其不會上昇。藉此,會吸收進入具有阻尼器效果的構造物之地震所產生的破壞負載之能量,而能夠將衝擊負載抑制得較小。
另外,在本設計法中,係將相當於震度為6弱的地震(層間變形角在1/150內)之負載設定成預定的地震負載設計值。在比上述震度弱的地震時,係設計成:構築構件與分隔隙部分會形成為全預力狀態。在超過上述震度的極大地震,亦即發生層間變形角在1/150~1/100且震度為6強以上的地震時,構築構件會停留在全預力狀態,而分隔隙部分則會形成為部分預力的狀態。
依據第3圖來詳細地說明本設計法中吸收能量的概念。
圖式中的線段0A係PC鋼材7的彈性變形直線,點A係與PC鋼材7的彈性變形之極限值Pe相對應。在上述範圍內,構件的負載變形關係是線形。當施加於PC鋼材7的張力超過彈性變形的極限值Pe時,張力幾乎不會上昇PC鋼材7會馬上斷裂。三角形0AB的面積係表示PC鋼材7所吸收之能量。習知技術的PC構造係形成為如上所述的消耗能量之遲滯特性。而會有下述問題點:衝擊值愈高則變形量愈少。當張力超過彈性變形的極限值Pe時,由於PC鋼材7的伸長量較少,所以會有馬上造成PC鋼材7斷裂的危險性。
本設計法係以不會使PC鋼材7產生降伏的彈性設計為基本。設計值P1係全預力區域與部分預力區域 之間的臨界值。設計值P1係作為與震度為6弱的地震(層間變形角在1/150內)相對應的衝擊值。在上述設設計值P1為止是設計成第1階段,使得在壓接分隔隙部6不會將接口(間隙)打開,且架構整體會形成為全預力狀態。因此,第1階段係利用線段0C所示的線形彈性設計。
其次,以下述方式設計成第2階段:當發生震度為6強以上且層間變形角在1/150以上的極大地震時,在壓接接合面附近會以所需的長度範圍將PC鋼材7與套管8內的灌漿料之附著切斷,來將PC鋼材7拔出。由於會增加PC鋼材7的伸長量(分隔隙的分離變形量),所以會如箭頭a所示讓衝擊負載下降,來使壓接分隔隙部6將接口打開而產生因為分離所引起的旋轉,接合狀態會形成為部分預力。因此,第2階段係利用線段CF所示的線形彈性設計。
該結果,構件的負載變化關係會形成為藉由折線0CF所表示的非線形,該折線0CF係連結用以表示第1階段的線形彈性設計之線段0C、與用以表示第2階段的線形彈性設計之線段CF而形成。當超過與設計值P1相對應的點C時,由於負載變形曲線的斜率會變小且朝橫軸方向(水平方向)倒,所以在三角形CAD的面積與四角形BDFE的面積會形成為相等的點F,其衝擊值從點C僅會少量上昇。因此,即使吸收與以三角形0AB所表示的能量相同的能量,也完全不會有造成構件產生破裂之危險性。當發生負載超過設計值的地震時,藉由切斷附著來將 PC鋼材7拔出會增加伸長量。藉由使樑3在柱2的顎部4上進行旋轉來吸收地震能量可降低衝擊值。藉此,作成為不會造成主要構造構件(柱2、樑3、以及樑柱交會區)產生損傷。由於PC鋼材7,其張力係規格降伏負載Py的50%左右,所以充分地具有餘力。因此,PC鋼材7會停留在彈性範圍內,直到最後都不會產生塑性變形且持續保有復原力。在地震後,會藉由殘留能量將開啟的接口閉合,使得呈分離的分隔隙回復至原來的狀態而能夠復位回原點。上述內容是重要的設計點。
在本設計法中,當發生負載超過預定設計值的極大地震時,藉由使壓接分隔隙部6將接口打開使其分離來引起旋轉,會局部性地(亦即,壓接分隔隙部6)形成為部分預力的狀態。雖然預定的設計值係例如相當於震度為6弱的地震(層間變形角為1/150)之值,但亦可是相當於層間變形角為1/100的值,或是因應建物的規模、樓高、形狀及構造構件的配置等的條件,將其設定為相當於層間變形角為1/50的值也可以。
由於是使PC鋼材7具有充分的餘力之設計,所以PC鋼材7直到最後都會在彈性範圍內,並且具有在地震後會藉由彈性復原力使建物本體恢復至原來的狀態之構造性能。
亦即,PC鋼材7係利用具有餘力的預力狀態進行拉緊配置。將該張力作為內部能量積存在混凝土內,且利用餘力來吸收地震能量。該結果,即使發生負載超過預設計 值的地震也能夠利用使壓接分隔隙部6將接口打開來保護建物構造。假設即使壓接分隔隙部6受了輕微的損傷也能夠容易地進行修補。因此,在地震後也能夠健全地繼續使用建物整體。即使在發生餘震或是再次發生極大地震的情況下,由於建物保有優異之耐震性所以也會重覆與上述相同作用。如上所述,本設計法與習知技術的在震度為5強左右即容許構造物產生損傷(塑性變形)之耐震設計法完全不同。
利用表示PC壓接接合的狀態之第4圖來說明關於部分預力的接合狀態。在柱2與樑3之PC壓接接合中,圖的右側係表示全預力的接合狀態,而左側則是表示部分預力的接合狀態。在本設計法中,配置在柱2的2次PC鋼材13、與配置在樑3的2次纜索之PC鋼材7,在配置於柱2及樑3內的套管內係作成為施以灌漿的黏裹式。另外,當發生負載在預定設計值(震度為6弱且層間變形角為1/150)以下的地震時,柱樑壓接接合面會保持為全預力的接合狀態。當發生負載超過預定設計值的地震(震度為6強以上且層間變形角為1/150~1/100)時,會藉由切斷與灌漿料之附著來將PC鋼材7拔出讓伸長量增加,使壓接分隔隙部6將接口打開。藉此,使載置在顎部4的樑3之端部進行旋轉,而形成為部分預力的接合狀態。
其次,利用第5圖與第6圖說明切斷PC鋼材之附著。
經由錨定件與錨頭將張力施加在作為2次纜索的PC 鋼材7,藉此將預力導入混凝土構件。在拉緊固定完後,將灌漿料填充至配線套管內使其硬化。藉此,PC鋼材7會完全與套管內的灌漿料附著而將應力傳遞至混凝土構件的內部。在PC鋼材7會已產生因為導入的張力P所生成之伸長量△L(未圖式)。導入柱2或樑3等的構件之預力係作為與張力P呈反方向的壓縮力來作用於構件剖面(未圖式)。第5圖A係表示拉緊固定後,使PC鋼材7完全與灌漿料附著之分隔隙狀態。當發生極大地震時,如第5圖B所示,會使壓接分隔隙6(構造分隔隙)將接口打開,而在從壓接分隔隙6到位置c為止的範圍(所需的長度範圍)將PC鋼材7與灌漿料之附著切斷。在該時間點,PC鋼材7會進一步地產生伸長量△L1使得PC鋼材7的張力成為P+△P1。PC鋼材7的伸長量△L1,係單純地因為PC鋼材7的彈性變形而產生的伸長量△Le、與切斷灌漿料之附著來將PC鋼材7拔出而產生的伸長量△Ln之合計(△Le+△Ln)。藉此,壓接分隔隙部6的變形會變大並且將接口打開成更大使其分離而進行旋轉。
如第6圖所示,藉由切斷附著會使得用以表示負載變形關係的彈性滯後曲線朝橫軸方向倒並且斜率會變小。藉由增加PC鋼材7的伸長量來吸收地震能量能夠使地震衝擊值降低。另外,直至切斷附著為止的PC鋼材7的伸長量雖然與混凝土構件的變形相關連,但通常十分微小所以可無視。附著力F係與附著強度σa和PC鋼材的表面積A成正比。亦即,F σ a.A。
PC鋼材的表面積A係與PC鋼材(纜索)的周長(與剖面形狀和根數相關連)、以及附著的長度成正比。因此,只要適當地調整灌漿料的強度、PC鋼材的周長、以及附著的長度等的條件,就能夠預先以最大附著力的大小配合設計值,來設計成為以預定值將附著切斷。
在本設計法中,如第6圖所示,在與預定震級(震度為6弱且層間變形角為1/150)相對應的設計值P內,會將壓接分隔隙部6保持在全預力狀態使PC鋼材7與灌漿料會完全附著。在發生極大地震而超過設計值P的情況下,會藉由將PC鋼材7與灌漿料之附著切斷來拔出PC鋼材7使PC鋼材7的伸長量增加,使其吸收能量。此時,壓接分隔隙部6會將接口打開使其分離來進行旋轉,而局部性地形成為部分預力的狀態。該結果,負載與伸長量的滯後特性曲線的斜率在設計值P之後會變小且朝橫軸方向倒。藉此,進入構造構件的衝擊負載直到Pe為止僅會些微增加P+△P1。藉由PC鋼材的拔出效果能夠使地震衝擊負載如箭頭a所示般地變小。並且,當地震過去時,拔出後的PC鋼材會利用彈性復原力來復原。上述敘述是本設計法的特長。另外,在本設計法中,作為考量負載超過預定設計值的極大地震而完成的非線形彈性設計係僅針對構造構件,作為2次纜索的PC鋼材7係作為彈性設計使其在全階段都保持在線形彈性範圍。
依據本設計法而完成的PC構造物不僅是耐震構造物也是制震構造物。參照第7圖來說明關於上述理 由。
1.預力混凝土係指:將構造物用以抵抗未來會承受的外力之作用力導入混凝土構件內部的混凝土。
2.預力混凝土係指:在製造該構件的階段,就將對於外力的防禦機制組入而積存有內部能量的混凝土。在此所稱之內部能量係指:預先導入混凝土構件的預力所產生之能量。
預力係預先存在於構件內部的內力並且隨時朝與構件的變形方向呈相反方向作用。由於將PC鋼材設計在彈性範圍內,所以預力會如彈簧般地作用,當因為地震等而造成建物產生變形時會形成為阻力,而如擺錘般地使變形後的建物復原。上述敘述稱為:預力所生成的復原力,係在產生變形時用以回復至原來的狀態之作用力。上述效果稱為:藉由預力所產生的制震效果。該制震效果係僅有PC構造能夠獲得。
在第7圖A所示的樑3,由於所配置的PC鋼材7導入有張力,所以已將用以對抗外力P的內力Ps內藏,藉此可將樑3上舉來消除因為外力P所造成的撓曲變形。
在第7圖B所示的柱2,由於和樑3相同地在PC鋼材13導入有張力,所以相對於因為水平外力P所造成的翻倒力矩Mp,會產生藉由內力Ps而生成之抗矩Mps來消除柱的旋轉變形而保持在原來的狀態。在因為地震而反覆地承受水平力P的情況下,會有以下述制震效 果:藉由內力Ps使復原力作用來抑制變形,而在地震後將柱2恢復至原來的狀態。
依據本設計法,藉由事先使PC鋼材7具有餘力來賦予其預力,不僅能夠檢驗構件、及構造物的安全性,且能夠作成為具有制震性能的PC構造。
在柱腳部,上述制震效果會如下所述般地進行作用。在發生負載超過預定設計值的極大地震之情況下,柱腳下的壓接分隔隙部6會將接口打開而形成為部分預力的狀態。藉由一邊將PC鋼材13保持在彈性範圍一邊使壓接分隔隙部將接口打開,來吸收地震能量會消除在用以支承建物整體的最重要之柱腳部造成柱產生損傷、破壞。由於藉由適當地調整PC鋼材13的數量與賦予PC鋼材13的張力會將PC鋼材13隨時保持在彈性範圍,所以在地震後可藉由PC復原力將接口再次閉合來使分隔隙部回復至原來的狀態(全預力之接合狀態),而能夠繼續地利用建物。另外,為了使PC鋼材13充分地具有餘力,所以係將該張力設定在前述PC鋼材13的規格降伏負載之40%~60%的範圍,設定在50%左右為佳。並且,藉由在壓接分隔隙部附近切斷PC鋼材與灌漿料之附著,來將PC鋼材拔出使伸長量增加。藉此,不僅會吸收地震能量,也能夠抑制PC鋼材所負擔的張力而將PC鋼材保持在彈性範圍內來降低極大地震之衝擊值。
又,雖然省略圖式,但只要將壓接分隔隙部的接合面作成為曲面也能有效地防止柱腳產生損傷。在負載超過設 計值的極大地震時,藉由使分隔隙部將接口打開來使柱本體進行旋轉能夠防止柱本體產生龜裂或破損等。
為了表示本設計法的設計耐震性能,在以下的表格整理:地震的規模、作為本設計法的耐震等級之設計目標的各構件的狀態、以及作為比較例與習知技術的RC或SRC造的構件變形之關係。
在利用習知技術的設計法所構築而成的RC造等的建物幾乎不存在有能夠承受震度在6強以上的地震之建物。
亦即,RC造、SRC造等係設計成:會在發生震度為6弱左右的地震時就使大樑部分的鋼筋降伏,藉由壓壞混凝土來吸收能量。因此,建築物會部分或整體地倒塌。
相對於此,依據本設計法所揭示之PC壓接關節工法而完成的耐震構造物係設計成:基於釣竿理論與關節理論來吸收地震能量。在柱形成顎部,並且藉由貫穿樑柱交會區的PC鋼材的數量、以及賦予該PC鋼材的張力來適當地調整導入構築構件的預力。藉此,在發生震度為6強以上的極大地震的情況下,顎部部分的分隔隙砂漿會在上緣及下緣部分產生分離,藉由使大樑在顎部上進行旋轉來吸收地震能量。藉此,能夠設置且構築非常優異之耐震構造物。另外,由於本設計法係用以設計成具有上述優異之耐震性能的方法,所以藉由是預設比習知技術的設計法更高一級的地震而能夠大幅地提高耐震等級。
特別是,本設計法的PC構件係將預先賦予至柱、及樑構件的預力作為內部能量來進行作用,而可利用PC制震效果來抑制變形。藉此,對於相同等級的地震,比起習知技術的RC造或SRC造等的構造會使得變形變小。
再者,進行了關於利用本設計而完成的柱樑接合部的耐震性能之實驗證明。第8圖A~第8圖C係表示試驗體的形狀及其配筋狀況。第9圖係一併表示其試驗結果與習知構造的試驗結果。試驗體係實物大小的1/3之 規模,並且是在樓高及跨距的中央對假設建物進行剖切而形成的十字形骨架。柱、樑係預鑄構件,並且使PC鋼絞線(纜索)貫穿樑來壓接柱、樑使其接合。
又,在第9圖中,橫軸係表示層間變形角R而縱軸係表示層間剪力If,IS係表示初期剛性、RC係表示RC構造、PC1係PCaPC(鋼棒)無顎部、PC2係PCaPC(鋼絞線)有顎部。
層間變形角的關係中,在利用與導入PC鋼絞線的固定力相同的等級作用拉伸力的時間點,會使壓接接合部(關節部)分離來降低剛性。從該時間點開始會增加負載且漸漸地使剛性降低,當R=超過1/66rad時,耐力僅些許地增加。在利用R=1/25rad施加作用力結束為止的期間,並未發生激烈的耐力降低。藉由將導入PC鋼絞線的固定力抑制在規格降伏負載的50%左右,其復原力特性會形成為:作為在壓接接合部(關節部)產生分離之後的區間之2次斜率區間會形成為比習知技術的PC構造(無顎部)更長的逆S字型之指向原點型。殘留層間變形極小,在R=1/50rad內係在1/1000rad左右,表示復原性非常地高之傾向。
相對於此,RC構造係如相同圖表所示,相較於依據本設計法而完成的PC構造會因為相當小的衝擊震動就產生降伏而造成崩毀。
依據實驗結果獲得下述見解。
1.雖然構件變形角變得愈大,壓接分隔隙部的接口之開啟 度也會變得愈大,但在樑與柱及樑柱交會區幾乎不會產生龜裂。
2.當構件變形角變大時,雖然端部保持載置在顎部的狀態之大樑進會行旋轉,但由於會藉由作為2次纜索的PC鋼材7通過柱2與相鄰的樑3連結,所以大樑3不會有掉落的危險。
3.即使藉由使樑端的關節進行旋轉而造成構件變形角變大,構件(大樑與柱)也不會產生損傷。
依據以上的見解,在本設計法中能夠如下所述地進行設計。將相當於震度為6弱的地震(層間變形角在1/150內)之負載設定成預定的地震負載設計值。在發生比上述震度弱的地震之情況下,係設計成:使構件與壓接分隔隙部6形成為全預力狀態。在發生震度為6強以上的極大地震(層間變形角在1/150~1/100內)之情況下,係設計成:構件會保持在全預力狀態,而分隔隙部分會形成為部分預力的狀態。另外,即使在發生震度為7的極大地震(層間變形角在1/100~1/50內)之情況下,也只有分隔隙部的一部分會受到輕微的損傷,樑柱交會區及柱2與樑3會保持在健全的狀態。
簡而言之,藉由將導入PC鋼材7的張力設計在規格降伏負載的50%左右,即使在發生巨大地震時也能夠使構築構件(骨架)保持在無損傷狀態。該PC鋼材7係用以壓接作為構築構件的柱2與樑3進使其接合之2次纜線。PC壓接關節工法的研究係有系統地持續在進行,其確認了下 述內容:即使層間變形角到達1/50rad左右,也幾乎不會產生殘留塑性變形,並且復原力特性也十分穩定。
其次,利用第10圖說明關於RC構造物與依據本設計法而完成的PC構造物之損傷的比較。
第10圖係表示在發生地震時輸入兩構造物的應力與殘留變形量之概念圖。縱軸係表示應力,而橫軸係表示殘留變形量,RS1係表示RC構造的擺幅、RD1係RC構造的殘留變形量,並且RS2係表示本設計法所揭示之PC構造的擺幅、RD2係本設計法所揭示之PC構造的殘留變形量。
在RC構造物中,係設計成:在某程度的應力內會產生彈性變形,之後會藉由產生塑性變形來吸收能量。因此,不僅殘留變形會變大並且因為共振也會使地震時的搖晃增幅而造成構造物之負載加倍。上述結果在現實中,係由阪神淡路大震災的阪神高速道路3號神戶線的橋墎倒塌事故而可明確地證實。雖然是理所當然,上述結果是因為塑性變形驟增且倍加而造成倒塌。
在依據本設計法而完成的PC構造中,PC鋼材在巨大的應力內也會進行彈性變形內的作用且會隨時朝原點復位。地震時的能量係藉由積存在構造體本體的內部能量也就是所謂的內在機能來利用PC鋼材的彈性變形內之伸長量來予以吸收。藉由PC構造的制震效果,相較於RC構造會使擺幅變得相當小。在發生負載超過設計值之極大地震時,分隔隙部會將接口打開使得樑在顎部上進行 旋轉而局部性地形成為部分預力的狀態,會發揮下述阻尼器效果:藉由切斷附著而在壓接分隔隙部附近使PC鋼材伸長來吸收能量。在地震結束後,PC鋼材會作為彈性體來回復至原來的狀態,並且表現下述特性:藉由PC構造的復原力使壓接分隔隙部將接口閉合來將構造物復原至原來的狀態。
如上所述,在本設計法中,係藉由適當地調整配置在大樑且作為貫穿樑柱交會區的2次纜線之PC鋼材量、以及賦予該PC鋼材的張力來控制樑與柱的接合狀態,而將相當於震度為6弱的地震(層間變形角在1/150內)之負載設定成預定的地震負載設計值。
將藉由預先賦予的預力而被積存在混凝土構件內的內部能量作為扺抗力,並且使構件與分隔隙部分形成為全預力狀態來進行設計,藉此即使在發生會讓以習知技術的設計法而構築完成的RC構造或SRC構造大幅地產生塑性變形(層間變形角在1/100以上),使得構件損傷破壞而幾乎無法進行地震後之修復的地震時,本設計法中的所有構造構件也不會產生損傷。
在發生震度為6強以上的極大地震(層間變形角在1/150~1/100內)時,係設計成:構件會保持在全預力狀態,而分隔隙部分會形成為部分預力的狀態。另外,即使在發生相當於震度為7的極大地震(層間變形角在1/100~1/50內)之情況下,依據本設計法而完成的PC構造物也只有分隔隙部的一部分會受到輕微的損傷,樑柱交會 區及樑與柱能夠保持在毫無損傷的狀態。
另外,組合本設計法與免震工法而完成的PC免震構造,相較於上部構造為S造的構造其剛性較高而能夠將震動抑制成較小。並且,由於PC構造本身具有藉由復原力而生成的制震效果,所以不需要併用制震阻尼器與免震裝置。因此,相較於上部構造為RC造或SRC造的構造能夠大幅地削減成本。
以上,說明了關於本設計法的概念與基本設計條件。在不脫離本設計法的意旨之範圍內能夠因應建物的各項設計條件合理地進行變更。
例如,層間變形角的設計值係依據地震的規模(震度)而設定的作為基準的約略值。在實際的設計中,係配合建物的規模或形狀、高度及地盤的狀況等的設計條件來合理地進行調整而決定為佳。另外,作為變形的設計值也能夠使用構件變形角或旋轉角(樑端與柱面所形成的角度)來代替層間變形角。該情況下,只要依據本設計法的設計意旨來適當地設定上述值即可。
並且,本設計法所使用的高強度混凝土的強度Fc係設定在40N/mm2以上,在50N/mm2以上為佳。
又,PC鋼材係作成與習知技術相同,關於各PC構件的詳細設計雖然省略其敘述,但能夠與習知技術相同地進行設計。
再者,關於概念或意象的圖式係作為用以表示設計思想或基本概念來予以模型化而完成者,並且係簡略之表 現。
[產業的可利用性]
本發明所揭示之依據PC壓接關節工法之耐震設計法,係下述PC構造的耐震設計法:作成為從基礎利用柱和樑構築成複數層的建物之框架結構,而柱和樑係作成為高強度預鑄、預力混凝土構造構件,在柱構件設置顎部並且在其上方載置樑來設置壓接分隔隙,藉由配置在樑且貫穿樑柱交會區(柱樑接合部)之2次纜索來壓接柱和樑使其接合而予以一體化之PC構造,其在柱樑的壓接接合部(壓接分隔隙部)進行下述設計:第1階段的線形彈性設計,控制作為2次纜索的PC鋼材之張力使得在預定的地震負載設計值內會形成為全預力的接合狀態,而不容許所有的構造構件產生損傷;以及第2階段的線形彈性設計,在遭遇超過前述預定的地震負載設計值之極大地震的情況下,柱樑的壓接接合部會形成為部分預力的接合狀態,使得壓接分隔隙將接口打開而分離來進行旋轉會形成為在壓接接合面附近以所需的長度範圍將PC鋼材與灌漿料之附著切斷的狀態,藉由拔出PC鋼材來增加PC鋼材的伸長量不僅會吸收地震能量也會使施加在PC鋼材的張力幾乎不會上昇來將PC鋼材保持在彈性範圍,而不容許主要構造構件(柱、樑、樑柱交會區)產生損傷,關於上述PC構造係藉由區分為前述第1階段與第2階段之2階段來作成為非線形彈性設計,而在第1階段下,會保持在全預力的 狀態來讓構造體本體產生彈性變形使得所有的構造構件都不會產生損傷,建物在震災後也會是健全的狀態,不會損害作為建物之機能而能夠繼續進行使用。在第2階段下,即使在發生超過預定設計值的極大地震時,由於分隔隙部會打開接口而僅會有一部分會受到輕微的損傷,並且樑柱交會區及樑與柱能夠保持在毫無損傷的狀態,所以能夠廣泛地適用於PC構造的建築物。

Claims (8)

  1. 一種依據PC壓接關節工法之耐震設計法,係下述PC構造的耐震設計法:作成為從基礎利用柱和樑構築成複數層的建物之框架結構,而柱和樑係作成為高強度預鑄、預力混凝土構造構件,在柱構件設置顎部並且在其上方載置樑來設置壓接分隔隙,藉由配置在樑且貫穿樑柱交會區(柱樑接合部)之2次纜索來壓接柱和樑使其接合而予以一體化之PC構造,其特徵為:將作為2次纜索的PC鋼材予以拉緊固定並且填充灌漿料使其附著,並且在柱樑的壓接接合部(壓接分隔隙部)進行下述設計:第1階段的線形彈性設計,控制前述2次纜索的PC鋼材之張力使得在預定的地震負載設計值內會形成為全預力的接合狀態,而不容許所有的構造構件產生損傷;以及第2階段的線形彈性設計,設計成在遭遇超過前述預定的地震負載設計值之極大地震的情況下,柱樑的壓接接合部(壓接分隔隙部)會形成為部分預力的接合狀態,使得壓接分隔隙將接口打開而分離來進行旋轉會在壓接接合面附近以所需的長度範圍將使灌漿料與PC鋼材附著而形成之附著切斷,藉由拔出切斷附著之PC鋼材來增加PC鋼材的伸長量不僅會吸收地震能量也會使施加在PC鋼材的張力幾乎不會上昇來將PC鋼材保持在彈性範圍,而不容許主要構造構件(柱、樑、樑柱交會區)產生損傷,關於上述PC構造係藉由區分為前述第1階段與第2階段之2階段來作成為非線形彈性設計。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載的依據PC壓接關節工法之耐震設計法,其中,前述第1階段的地震負載設計值係相當於震度在6弱的地震,前述第2階段的極大地震係指發生震度為6強以上的地震。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載的依據PC壓接關節工法之耐震設計法,其中,在前述柱樑的壓接接合部(壓接分隔隙部)中,作為2次纜索的PC鋼材之張力係該PC鋼材的規格降伏負載的40%~60%。
  4. 如申請專利範圍第1項所記載的依據PC壓接關節工法之耐震設計法,其中,在前述基礎與柱的柱腳之間設置壓接分隔隙,藉由從基礎貫穿柱腳且配置在柱的2次PC鋼材來壓接基礎與柱使其接合而予以一體化而形成柱腳部,於該柱腳部係作為:在前述第1階段的預定的地震負載設計值內會形成為全預力的接合狀態,而不容許所有的構造構件產生損傷,並且在遭遇前述第2階段的超過預定的地震負載設計值之極大地震的情況下,壓接分隔隙部會將接口打開而分離來形成為部分預力的接合狀態,藉由一邊將PC鋼材保持在彈性範圍一邊使壓接分隔隙部將接口打開來吸收地震能量,而不容許柱產生損傷。
  5. 如申請專利範圍第4項所記載的依據PC壓接關節工法之耐震設計法,其中,在前述基礎與柱之間設置作為前述柱腳的底塊。
  6. 如申請專利範圍第4項所記載的依據PC壓接關節工法之耐震設計法,其中,在前述柱腳部的壓接分隔隙部 中,2次PC鋼材之張力係作成為該PC鋼材的規格降伏負載的40%~60%。
  7. 如申請專利範圍第1項所記載的依據PC壓接關節工法之耐震設計法,其中,前述PC構造係包含組合免震工法而完成的PC免震構造。
  8. 一種依據PC壓接關節工法而完成之耐震建築物,係依據前述申請專利範圍第1項至第7項中之任一項所記載的耐震設計法而構築完成。
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