JP2007132108A - 制震ブレース構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレース材への組み込みが容易で、構造安全性が高く、振動エネルギを効率よく吸収可能な制震ブレース構造を提供すること。
【解決手段】制震ブレース構造１は、引張材からなるブレース材５と、ブレース材５に接続され、ブレース材５の回転移動に伴って回転する締結体６と、建造物の仕口４に固定される固定部８と、間隙を置いて締結体６を保持し、ブレース材５に生じる引張力を、締結体６を介して固定部８に伝達する保持部７と、を有する連結体９と、連結体９の保持部７と、締結体６と、の間隙に設けられる粘弾性材１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、制震ブレース構造に係り、特に、建造物の構面内に設けられる制震ブレース構造に関する。

建造物の構面内に、例えば、地震動、強風等による水平力に抵抗する構造要素としてブレース構造が用いられる。また、既存の建造物の耐震性能を向上させるために、耐震補強材として、壁面に耐震補強ブレースが追加して取り付けられる。ここで、建造物とは、建築物、土木建造物、工作物、機械設備等の架台等を総称する。また、建造物の構造躯体は、木造、鉄骨造、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造等、その種別を問わない。また、建造物の構面には、壁面の柱梁構面だけでなく、床面及び屋根面の梁と梁とから成る構面も含まれる。また、以下、地震動、強風等により生じる水平力を、「水平力」と略称する。

ブレース構造には、建造物の構面内に、対角上の仕口を交差して取り付ける、いわゆる「筋交い」といわれるＸ型ブレース構造がある。また、構面内に開口部がある場合や、意匠上の制約がある場合には、Ｖ型ブレース構造や菱形のブレース構造等の多様な構造形式が採用される。ここで、ブレース構造とは、これら地震等による水平力に抵抗する多様な構造形式を、総て含むものである。これらのブレース構造に用いられるブレース材は、通常、その材長が、部材幅に対して長く、両端の接合部において曲げモーメントへの固定度が低い。そのため軸力のみを伝達するピン接合部材となる。また、ブレース材は、圧縮力は負担せずに引張力のみを負担する引張材として用いられる。

ブレース材には、例えば、棒鋼、ケーブル、角形鋼管、アングル材やチャンネル材といった形鋼等が引張材として用いられる。ここで、棒鋼とは、中実の丸鋼をいい、ＰＣ鋼棒も含まれる。また、ケーブルとは、鋼線をより合わせたロープをいい、例えば、構造用ストランドロープや構造用スパイラルロープが含まれる。

ブレース構造は、一般的に、略直交する構造材からなる建造物の構面に対して、斜め材を付加することにより、水平力に対して建造物の構面に生じる過大な変形を抑えるものである。後述するように、水平力により、ブレース材の両端が取り付く上下の仕口には層間変形が生じる。このとき、ブレース材は、両端が接合部に固定されているため、この層間変形に追従する。その結果、ブレース材には、引張応力による伸びとともに、ブレース材自体の回転移動が発生する。このブレース材の回転移動方向は、主として建造物の構面内ではあるが、構面外へも変位し、捩れを伴いつつ回転移動する場合もある。

一方、建造物を、その構造体に制震ダンパーを配置し、制震構造とすることが行われる。これは、水平力のエネルギを吸収し、建造物全体の振動の応答を低減し、建造物の耐震安全性を確保するためである。この制震構造には、水平力により引張応力が発生するブレース材にこの制震ダンパーを取付けた制震ブレース構造がある。これらの制震ダンパーには、エネルギ吸収部材、例えば、粘弾性材、低降伏点鋼、鉛等が用いられる。

また、制震構造の一種として、いわゆる仕口ダンパーがある。これは、建造物の構面は、水平力により略菱形に変形し、仕口における柱材と梁材のなす角度が変化するが、この角度変化を利用し、仕口に取付けられた制震ダンパーによりエネルギ吸収をするものである。

例えば、特許文献１には、粘弾性材を鋼板と交互に積層した耐震用ブレース装置が、特許文献２には、柱梁の仕口に取付けられ、粘弾性材が組み込まれた仕口ダンパーが開示されている。

特開２００１−１８２３５９号公報 特開２００５−２２０６１４号公報

特許文献１に開示されている、粘弾性材等のエネルギ吸収部材をサンドイッチ状に鋼板に挟み込んだ制震ブレース構造は、ブレース材に発生する引張力を、せん断応力に変換してエネルギ吸収部材に作用させ、さらに引張力に戻すという機構を採用する。そもそも、これらのエネルギ吸収部材は、応力度の低い段階から塑性化するという特性により、エネルギ吸収部材として用いられる。つまり、これらの部材は、鉄板と比較して、構造耐力は著しく低いが、変形能力は著しく高いという性質を有する。したがって、これらの部材と鉄板とを、直列的に接続させるには複雑な応力伝達機構を要し、部材及び接合方法の構造安全性を確保するのは難しい。

一方、特許文献２に開示されている、柱梁の仕口に設置される仕口ダンパーは、建造物の構造体とは別に設けられる専用のエネルギ吸収部材である。したがって、構造材とは別に、特殊な装置を各仕口に取付けなければならず、取付けの手間や建設コストがかかり経済的ではない。

本願の目的は、かかる課題を解決し、ブレース材への組み込みが容易で、構造安全性が高く、振動エネルギを効率よく吸収可能な制震ブレース構造を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る制震ブレース構造は、建造物の構面内に設けられ、水平力が作用した際に、ブレース材が接続する両端の仕口の相対的な変位により、ブレース材に引張力による軸方向の伸びと、回転移動と、が生じるブレース構造であって、引張材からなるブレース材と、ブレース材に接続され、ブレース材の回転移動に伴って回転する締結体と、仕口に固定される固定部と、締結体を保持し、
ブレース材に生じる引張力を、締結体を介して固定部に伝達する保持部と、を有する連結体と、連結体の保持部と、締結体と、の間隙に設けられる粘弾性材とを備えることを特徴とする。

また、制震ブレース構造は、締結体は、外形に曲面を有し、連結体の保持部は、締結体の曲面と回転自在に対向する曲面を有することが好ましい。

また、制震ブレース構造は、相互に対向する締結体の曲面及び締結体の曲面は、筒状であることが好ましく、例えば、棒鋼であることが好ましい。また、制震ブレース構造は、相互に対向する締結体の曲面及び締結体の曲面は、球状であることが好ましく、例えば、鋼球であることが好ましい。

また、制震ブレース構造は、ブレース材は、棒鋼であることが好ましく、例えば、ブレース材は、締結体に設けられた貫通孔を貫通し、ナットにより締結体に接続されることが好ましい。

さらに、制震ブレース構造は、連結体の固定部は、梁を貫通し、建造物の基礎に締結されたアンカーボルトに固定されることが好ましい。

上記構成により、ブレース材に発生する回転移動の際に、固定部により仕口に固定された連結体の保持部と、ブレース材に接続され、ブレース材の回転移動に伴って回転する締結体との、互いに対向する相互の面にずれが発生する。この連結体の保持部は、間隙を置いて締結体を保持するが、その間隙には粘弾性材が設けられる。一方、ブレース材に生じる引張力は、固定部により仕口に固定された連結体の保持部に対し、締結体を介し圧縮力として作用する。したがって、粘弾性体は、圧縮応力を受けつつ、ずれによるせん断変形が発生し、塑性化による地震動等のエネルギ吸収が可能となる。

また、上述の連結体の保持部と締結体との間に発生する圧縮応力により、粘弾性体に圧縮変形が発生し、塑性化による地震動等のエネルギ吸収が可能となる。

また、相互に対向する連結体の保持部及び締結体の曲面が筒状の外形である場合には、ブレース材が、建造物の構面内に回転移動した場合に、この回転によるずれに追従したせん断変形が可能で、効率的なエネルギ吸収が可能となる。さらに、これらの曲面が球状の外形である場合には、ブレース材が、建造物の構面内及び構面外に捩れながら回転移動した場合にも、これら２方向の回転によるずれにも追従したせん断変形が可能で、さらに効率的なエネルギ吸収が可能となる。

さらには、この圧縮応力により、粘弾性材と連結体の保持部との間、及び粘弾性材と締結体との間が密着し、粘弾性体のせん断変形に対して摩擦力が発生する。この摩擦力により、粘弾性材のせん断変形が確実に発生し、塑性化による地震動等のエネルギ吸収が効果的に可能となる。

また、この粘弾性材は、板状の材料を、そのまま連結体の保持部又は締結体に設けるだけでよい。例えば、連結体の保持部又は締結体に粘弾性材を、接着などにより、一体として取付けた製品とすることができる。したがって、エネルギ吸収部材のブレース材への、手間がかからず簡易な組込みが可能となる。

さらに、上述のように、粘弾性材には、ブレース材に発生する引張力が、圧縮応力に変換されて作用し、引張応力は発生しない。粘弾性材の圧縮耐力は極めて高いことから、粘弾性体自体の構造安全性の確保が可能となる。また、粘弾性材には、ブレース材の回転移動に伴い、せん断応力が生じるが、このせん断応力は粘弾性体のせん断変形により熱エネルギとして消費され、仕口に応力を伝達する必要はない。すなわち、粘弾性体は、締結体と連結体との間で圧縮応力のみを伝達すればよく、複雑な応力伝達機構を要しない。したがって、構造安全性の高い制震ブレースが可能となる。

以上のように、本発明に係る制震ブレース構造によれば、ブレース材への組み込みが容易で、構造安全性が高く、振動エネルギを確実に、かつ効率よく吸収することが可能となる。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。

図１及び図２に、本発明に係る制震ブレース構造の一つの実施形態の概要を示す。図１は、制震ブレース構造を側面から見た概略断面図であり、図２は、図１をａ−ａ方向から見た概略断面図である。制震ブレース１は、柱２及び梁３からなる構面内に設けられ、ブレース材５、締結体６、固定部８及び保持部７を有する連結体９、及び粘弾性体１０により構成される。

ブレース材５は、水平力に抵抗する構造要素であり、引張材からなる。本実施形態では、ブレース材５は棒鋼からなり、両端はネジが切られナット１３により締め込まれる。このブレース材５は、引張材であれば、例えば、ケーブル、角形鋼管、アングル材やチャンネル材といった形鋼等であっても良い。ここで、棒鋼とは、中実の丸鋼をいい、ＰＣ鋼棒も含まれる。また、ケーブルとは、鋼線をより合わせたロープをいい、例えば、構造用ストランドロープや構造用スパイラルロープが含まれる。

締結体６は、ブレース材５の両端に取付けられ、ブレース材５の回転移動に伴い回転する。本実施形態では、締結体６は、棒鋼を所定の長さに切断したものであり、その軸に直交する方向に、ブレース材５が貫通する貫通孔１２が設けられている。ブレース材５は、この貫通孔１２を貫通し、ナット１３により保持される。この締結体６と、ブレース材５との接合は、例えば、締結体６に切られたネジ孔に、端部にネジが切られたブレース材５を軸回りに回転しながら挿入しても良い。また、ブレース材５がケーブルである場合には、ケーブルの定着方法により接続する。

連結体９は、柱２及び梁３が交差する仕口４に設けられ、仕口４と、締結体６を介してブレース材５とを連結する。連結体９は、固定部８と、保持部７とを有する。固定部８は、仕口４の柱２又は梁３、或いは柱２及び梁３の双方に固定される。本実施形態では、木造の柱や梁へのボルトによる固定であるが、一般的に用いられる方法、例えば、溶接等であっても良い。保持部７は、ブレース材５に引張力が発生した場合に、締結体６を保持する。すなわち、ブレース材５に発生する引張力を、締結体６を介して受け、固定部８に伝達する。

保持部７には、貫通孔１２が明けられ、ブレース材５が貫通する。この貫通孔１２は、ブレース材５の回転移動が可能な範囲に明けられる。図３に、ブレース材５の締結体６への接合方法についての他の実施態様の概略断面図を示す。ブレース材５は、保持部７を貫通せずに、保持部７の側面を通過し、締結体６と接続しても良い。また、図３に示すように、２本のブレース材５が、保持部７を貫通せずに、保持部７の両側をそれぞれ通過し、締結体６と接続しても良い。これらの場合には、貫通孔１２は不要である。

粘弾性体１０は、保持部７と締結体６との間隙に設けられる。ブレース材５に引張力が発生すると、ブレース材５に接続された締結体６は、保持部７の方向に変位する。したがって、粘弾性体１０には、ブレース材５に発生した引張力の反力として、圧縮力が作用する。粘弾性体１０は、ゴム系、アスファルト系、アクリル系等の高分子化合物であり、材料自体に減衰性能を有する。また、粘弾性体１０は、一般的に、粘弾性材１０として使用されるすべての材料を含む。粘弾性体１０は、シート状のものを保持部７及び締結体６の形状に合わせて加工し、対向する保持部７又は締結体６の所定の位置に貼り付ける。この貼り付けは、接着材により固着する方法であっても良い。

図４に、ブレース材５が設けられた建造物の構面内に水平力Ｆが作用した場合の、骨組の挙動についての説明図を示す。梁３が含まれる床面の水平剛性は、柱２と比較して極めて高いため、骨組にはせん断変形が発生する。上部の梁３の仕口４が、下部の梁３の仕口４に対して変位量Ｂが生じた場合、その変位量Ｂに追従して移動するブレース材５には、材長の伸び量Ａが生じ、角度θの回転移動が生じる。このとき、ブレース材５には、この材長の伸びを与える引張力Ｔが発生している。水平力Ｆが、建造物の構面外から作用した場合は、ブレース材５には、構面外への回転移動が発生する。

図５に、ブレース材５の回転移動による、粘弾性体１０の変形を表す概略断面図を示す。図中、破線は変形前の位置を示し、実線は変形後の位置を示す。水平力Ｆにより、ブレース材５に引張力Ｔが加わり、ブレース材５が締結体６を中心として角度θだけ回転する。締結体６はブレース材５の回転移動に伴い回転する。上述したように、粘弾性体１０は、引張力Ｔに略等しい圧縮力Ｃを受ける。この圧縮力Ｃにより粘弾性体１０と保持部７との間、及び粘弾性体１０と締結体６との間には、圧縮力Ｃによる摩擦力が発生する。この摩擦力は、粘弾性体１０に対して、せん断力として作用する。このせん断力により、粘弾性体１０は、図５の実線のようにせん断変形をする。また、粘弾性体１０を、保持部７の面１４、及び粘弾性体１０と対向する連結体９の面１５に、接着材により固着しても良い。その場合には、接着材のせん断抵抗が、面１４及び面１５に働き、粘弾性体１０のせん断変形を発生させる。

また、粘弾性体１０には、圧縮力Ｃにより圧縮変形が発生する。粘弾性体１０は、シート状の材料であり、その幅は、面１４,１５に貼り付けられた長さに対して極めて薄い。したがって、保持部７及び締結体６が、粘弾性体１０の横方向へのはらみ出しを拘束し、粘弾性体１０の圧縮方向の剛性が高くなる。したがって、粘弾性体１０の圧縮変形は、せん断変形と比較して極めて小さい。一方、ブレース材５は引張材であり、初期張力が導入される。水平力が加わった場合に、粘弾性体１０の圧縮変形により、ブレース材５の張力は抜けるが、初期張力の範囲内でありブレース材５の性能には影響しない。

粘弾性体１０は、主としてせん断力により変形し、塑性化することで減衰性能を発揮する。すなわち、水平力の運動エネルギを熱エネルギに変換することでエネルギを吸収する。この粘弾性体１０を、建造物の各ブレース構造に設けることで、建造物全体として水平力に対する制震効果が発揮される。

本実施の形態では、締結体６は、円柱状の棒鋼であり、粘弾性体１０と対向する保持部７の面１４、及び粘弾性体１０と対向する締結体６の面１５は、ともに筒状の曲面である。この両面は、連結体９が保持部７に対して回転自在であれば、いずれの曲面であっても良く、また、相互に異なる曲面であっても良い。また、締結体６は、例えば、鋼球等の球体であっても良い。この場合、粘弾性体１０と対向する保持部７の面１４、及び粘弾性体１０と対向する締結体６の面１５は、ともに球状の曲面となる。この球状の曲面である場合には、ブレース材が、建造物の構面外に捩れながら回転移動した場合にも、粘弾性体１０には、その方向への回転移動によるせん断変形が生じる。

図６に、制震ブレース構造の他の実施形態の概略断面を示す。連結体９の保持部７が円筒状であり、円柱である締結体６と対向し、その間隙に粘弾性体１０が設けられる。保持部７は、ナット１３の締め込みを可能とするため、一部に開口を有している。また、連結体９の保持部７が球状であり、内部に球体である締結体６と対向し、その間隙に粘弾性体１０が設けられていても良い。

連結体９の保持部７は、締結体６を回転可能に保持する。幅や高さの異なる建造物の構面の場合には、ブレース材５の取り付け角度が異なる。この制震ブレース構造によれば、保持部７に設けられる貫通孔１２の位置が変化するだけで、同様の制震性能が得られる。

本発明に係る耐震ブレース構造の一つの実施形態の概略断面図である。 図１をａ−ａ方向から見た概略断面図である。 ブレース材の締結体への接合方法についての、他の実施態様の概略断面図である。 ブレース材が設けられた建造物の骨組に水平力が作用した場合の、骨組の挙動についての説明図である。 ブレース材の回転移動による粘弾性体の変形を表す概略断面図である。 耐震ブレース構造の他の実施形態の概略断面図である。

符号の説明

１ 制震ブレース、２ 柱、３ 梁、４ 仕口、５ ブレース材、６ 締結体、７ 保持部、８ 固定部、９ 連結体、１０ 粘弾性体、１１ ボルト、１２ 貫通孔、１３ ナット、１４ 粘弾性体と保持部とが対向する面、１５ 粘弾性体と連結体とが対向する面。

Claims (9)

1. 建造物の構面内に設けられ、水平力が作用した際に、ブレース材が接続する両端の仕口の相対的な変位により、ブレース材に引張力による軸方向の伸びと、回転移動と、が生じるブレース構造であって、
   引張材からなるブレース材と、
   ブレース材に接続され、ブレース材の回転移動に伴い回転する締結体と、
   仕口に固定される固定部と、締結体を保持し、ブレース材に生じる引張力を、締結体を介して固定部に伝達する保持部と、を有する連結体と、
   連結体の保持部と、締結体と、の間隙に設けられる粘弾性材と、
   を備えることを特徴とする制震ブレース構造。
2. 請求項１に記載の制震ブレース構造において、締結体は、外形に曲面を有し、連結体の保持部は、締結体の曲面と回転自在に対向する曲面を有することを特徴とする制震ブレース構造。
3. 請求項１又は２に記載の制震ブレース構造において、相互に対向する締結体の曲面及び締結体の曲面は、筒状であることを特徴とする制震ブレース構造。
4. 請求項３に記載の制震ブレース構造において、締結体は、棒鋼であることを特徴とする制震ブレース構造。
5. 請求項１又は２に記載の制震ブレース構造において、相互に対向する締結体の曲面及び締結体の曲面は、球状であることを特徴とする制震ブレース構造。
6. 請求項５に記載の制震ブレース構造において、締結体は、鋼球であることを特徴とする制震ブレース構造。
7. 請求項１ないし６のいずれか１に記載の制震ブレース構造において、ブレース材は、棒鋼であることを特徴とする制震ブレース構造。
8. 請求項７に記載の制震ブレース構造において、ブレース材は、締結体に設けられた貫通孔を貫通し、ナットにより締結体に接続されることを特徴とする制震ブレース構造。
9. 請求項１ないし８のいずれか１に記載の制震ブレース構造において、連結体の固定部は、梁を貫通し、建造物の基礎に締結されたアンカーボルトに固定されることを特徴とする制震ブレース構造。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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