JPH0733685B2

JPH0733685B2 - 地震エネルギ−吸収機能を備えたブレ−ス・タイプの柔剛混合構造

Info

Publication number: JPH0733685B2
Application number: JP23168986A
Authority: JP
Inventors: 壽郎宇野; 喜堂矢部; 清伊倉; 伸治真瀬; 敏彦平間
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1995-04-12
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPS6389743A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、建築構造物の梁間等に設けられるブレース
・タイプの柔剛混合構造に係わり、特に、自身の塑性変
形により外力からのエネルギーを吸収するような地震エ
ネルギー吸収機能を有するブレース・タイプの柔剛混合
構造に関する。

「従来の技術およびその問題点」従来、建築構造物の補強要素として設けられるブレース
構造には、本来の補強機能を発揮させるための高い剛性
は勿論、例えば地震等の外力に対して生じる軸力や曲げ
モーメントによって座屈することのない、十分な靭性も
要求される。

ところで、前記ブレース構造のブレースには主に鉄骨が
用いられるが、このようなブレース構造においては、特
に圧縮時のブレースの座屈により急激な耐力低下を招く
恐れがあることから、新耐震規定においても、設計応力
の割り増し、及び構造特性係数の割り増し等の規定が設
けられており、ブレース耐力を増加させることで地震エ
ネルギーを吸収させる、いわゆる耐力指向型の対策が採
られている。しかしながら、このようなブレース構造
は、応力割り増し分だけブレース材が大きくなることか
ら、必然的に部材断面の増加、部材重量の増加という傾
向を招き、これが故に材料費の高謄、構造バランスの不
均衡等解決すべき問題点を遺していた。

近年、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
物が倒壊しない程度において、この建築構造物全体の部
材に若干の塑性変形を許容して前記外力のエネルギーを
吸収する、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。

この発明は、前記終局設計法の思想をブレース構造の設
計に応用したものであり、ブレース構造を構成する部材
の耐力を増加させることなく、建築構造物全体のエネル
ギー吸収能力を向上させることの可能な、地震エネルギ
ー吸収機能を有するブレース・タイプの柔剛混合構造を
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った。

すなわち、地震による荷重効果をエネルギーとして評価
する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（降伏層剪断力）最適分布、言い替え
れば第ｉ層における降伏層剪断力係数分布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））。

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できる。さらに、
前述の終局設計法に従って、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って吸収す
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、よって、建築物全体への免震効果をもた
らすことができる。

以上示した知見に従って、この発明は、建築構造物の骨
組の一部である梁等水平部材と柱等垂直部材とで囲まれ
る領域に適用されて、地震時における振動エネルギーを
吸収する機能を備えたブレース・タイプの柔剛混合構造
であって、前記領域内に、振動エネルギーを吸収するエ
ネルギー吸収部材を設置するとともに、該エネルギー吸
収部材と前記骨組とを連結して地震時の振動エネルギー
を前記骨組から前記エネルギー吸収部材に伝達するブレ
ースを設け、前記垂直部材および前記ブレースの双方
を、想定される規模の地震時には弾性変形限度内で変形
し得る弾性部材として形成する一方、前記エネルギー吸
収部材を、前記垂直部材および前記ブレースより相対的
に低弾性であって前記地震時には降伏して塑性変形する
塑性化部材として形成してなることを特徴とするもので
ある。

「作用」この発明の柔剛混合構造は、建築構造物の耐用年限中に
発生が予想される極限的な最大規模の地震時においても
弾性変形するに止まる弾性部材と、その際には降伏して
塑性変形してしまう塑性化部材とを併用したものであ
る。

すなわち、この発明の柔剛混合構造が採用された建築構
造物では、柱等垂直部材およびブレースをたとえば高張
力鋼等の高弾性素材を用いて最大規模の地震時において
も弾性変形限度内で変形する弾性部材（つまり柔部材）
として形成しておく一方、エネルギー吸収部材は高張力
鋼等よりは相対的に低弾性である普通鋼等の素材を用い
て、最大規模の地震時には降伏して塑性変形してしまう
塑性化部材（つまり剛部材）として形成しておく。

したがって、この構造では、最大規模の地震時にはエネ
ルギー吸収部材が塑性変形することによって振動エネル
ギーを塑性歪エネルギーとして吸収するとともに、垂直
部材およびブレースは弾性変形するに止まることで建築
構造物全体の最大変形量や残留変形量を許容限度内に抑
制する。

「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図は、この発明の第１実施例にある地震エネルギー
吸収機能を備えたブレース・タイプの柔剛混合構造（以
下、単に「ブレース構造」と称する）を示す図であり、
このブレース構造Ｂは、第２図に示すような建築物Ａの
第１層Ｆに設けられている。第１図ないし第２図におい
て、地盤Ｇ上に構築された建築物Ａは、いわゆる鉄骨構
造の建築物であり、高張力鋼製の角形鋼管からなる弾性
部材としての柱（垂直部材）１、１、…と、Ｈ形鋼から
なる梁（水平部材）２、２、…とからその躯体が構成さ
れている。柱１は、建築物Ａの第１層Ｆにおいて、その
径が縮小された小径部1aに形成されている。

前記建築物Ａには、その第１層Ｆに上記柱１よりは低弾
性とされた普通鋼製の角形鋼管からなる塑性化部材とし
てのエネルギー吸収部材4,4（以下では塑性化部材4,4と
称する）が設けられている。この塑性化部材４、４は、
前記柱１、１間に位置するように、地盤Ｇに２本ずつ立
設され、これら塑性化部材４、４の上端部は、Ｈ形鋼か
らなる連結部材５により連結されている。この塑性化部
材４からは、前記柱１と梁２との交叉部（仕口）Ｃに向
って、普通鋼又は高張力鋼製の鋼管からなる弾性部材と
してのブレース３が取付プレート７を介して延出され、
このブレース３は、ガゼットプレート８により、前記交
叉部Ｃにおいて梁２に取り付けられている。

そして、この建築物Ａを構成している弾性部材としての
各部材、すなわち柱１を形成している角形鋼管、梁２を
形成しているＨ形鋼、およびブレース３を形成している
鋼管は、いずれもこの建築物Ａの耐用年限中に発生が予
想される極限的な最大規模の地震時においても弾性変形
するに止まる（その際に発生する応力が許容応力度以内
である）ように、その材質及び断面形状が決定されてい
るが、この建築物Ａの第１層Ｆに設けられている塑性化
部材（エネルギー吸収部材）４は、そのような最大規模
の地震時には降伏して塑性変形するようにその材質及び
断面形状が決定されている。ここで、前記塑性化部材４
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、従っ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
塑性化部部材４自体の塑性変形能力が大きく確保するこ
とが可能となる。

以上のようなブレース構造Ｂが設けられた建築物Ａに、
建築物Ａの耐用年限中に数度発生が予想される通常規模
の地震時には柱１、梁２、ブレース３、塑性化部材４の
全ては復元力特性における弾性域内で挙動することとな
る。また、建築物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
３を介して外力のエネルギーが前記塑性化部材４、４に
伝達されることで、この塑性化部材４、４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第１層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、よって、建築
構造物全体への耐震効果を得ることができる。従って、
前記従来の如く、ブレース構造Ｂを構成する部材の耐力
を増加させて耐震効果を得るのと異なり、塑性化部材４
の塑性変形能力により外力のエネルギーを吸収している
ので、ブレース構造Ｂを構成する部材、特に、ブレース
３そのものの耐力を増加させることなく地震エネルギー
吸収効果を得ることのできるブレース構造Ｂを実現する
ことが可能となる。そして、これにより前述の如く部材
部面の増加、部材重量の増加に伴う材料費の高騰、構造
バランスの不均衡、という問題点も解決される。

また、上述したように前記柱１、梁２およびブレース３
は、いずれも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（第１層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効果で建築物Ａが劣化するのを防止
し、復元力を確保する機能を持っている。

特に、この実施例では、柱１が、ブレース構造Ｂが設け
られている部位、すなわち第１層Ｆにおいて、その径が
縮小されているので、第１層Ｆの強度とそれ以外の層の
部分の強度に格差が生じ、これにより地震等の外力が前
記建築物Ａに加えられた時、その第１層Ｆに外力からの
エネルギーが集中される。従って、このエネルギー吸収
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っての塑性変形を考慮する
必要が無いため、第１層Ｆ以外の層を設計する上での自
由度が増加される。そして、前記の如く第１層Ｆ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
部材の剛性を大きく確保する必要がなく、このため鉄骨
等の部材重量を削減することが可能となる。

また、このブレース構造Ｂにおいては、地震等の水平力
が加えられた場合、連結部材５に生ずる剪断力とブレー
ス３、３に生ず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４、４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４、４を連結する連結部
材５の剛性を適宜調節することで、この塑性化部材４、
４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４、４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、前記弾性部材たる柱１及び塑性化部材４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４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ってくるが、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わ
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４、５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４、５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。

次に、第３図は、この発明の第２実施例であるブレース
構造Ｂを示す図である。なお、以下の説明において、前
記第１実施例と同様の構成要素については同一の符号を
付し、その説明を省略する。この、第２実施例たるブレ
ース構造Ｂと、前記第１実施例のブレース構造との相異
点は、塑性化部材４が柱１、１間に１本のみ立設されて
いる点である。そして、この第２実施例たるブレース構
造Ｂによっても、前記第１実施例のブレース構造と同様
の作用効果を得ることができる。

さらに、第４図（ａ）〜（ｊ）は、この発明の他の実施
例であるブレース構造Ｂを示す図である。なお、第４図
全体において、符号10はピン接合点を示すものであり、
また、第４図（ｂ）〜（ｃ）において、符号11はＨ形鋼
からなる連結部材、第４図（ｊ）において、符号12は普
通鋼からなる鋼板である。これら第４図に示した実施例
によっても、前記第１実施例のブレース構造と同様の作
用効果を得ることができる。

なお、この発明のブレース構造Ｂは、前記実施例に限定
されない。例えば、このブレース構造Ｂは、第１層Ｆの
みならずいずれの層に設けられても良く、また、複数の
層に設けられても良い。また、前記弾性部材たる柱１及
び塑性化部材４も、その材質及び断面形状が前記実施例
のそれに限定されることなく、前述の物性値の組み合わ
せに従って、周知の材質及び断面形状から適宜選択され
れば良い。さらに、前記塑性化部材４の降伏時期も、前
記実施例の如く、最大級の地震規模の外力に対してのみ
ばかりでなく、より小さな外力に対して降伏を許すよう
に設定されても良く、要はどの程度の外力に対して顕著
な耐震効果を期待するかによって、適宜選択されれば良
い。そして、このブレース構造Ｂは、前記実施例では鉄
骨構造の建築物Ａに適用されていたが、鉄筋コンクリー
ト構造、鉄骨鉄筋コンクリート構造物にも適用可能であ
る。

「発明の効果」以上詳細に説明したように、この発明の構造は、建築構
造物の骨組を構成する垂直部材と水平部材とで囲まれる
領域内にエネルギー吸収部材を設けるとともに、そのエ
ネルギー吸収部材に対して地震時の振動エネルギーを伝
達するためのブレースを設け、かつ、垂直部材およびブ
レースはある想定規模の地震時においても弾性変形限度
内で変形するに止まる弾性部材として形成する一方、エ
ネルギー吸収部材はその想定地震の際には降伏して塑性
変形する塑性化部材として形成したので、たとえばこの
建築構造物の耐用年限内に発生すると想定される極限的
な最大規模の地震時にはエネルギー吸収部材が降伏して
塑性変形するとともに垂直部材およびブレースは弾性変
形に止まるように設定することで、構造部材の塑性変形
能力を利用した終局設計法に基づく有効な免震構造とし
てのブレース・タイプの柔剛混合構造が実現される。

そして、この発明の構造によれば、ブレースの耐力を高
めて耐震性能を向上させるという従来一般の耐震構造に
よる場合のようにブレースの部材断面や重量が徒に増大
してしまうといった不具合が解消される。また、この建
築構造物の他の構造部材である柱等垂直部材やブレース
は上記の想定規模の地震時においても弾性変形するに止
まることから、エネルギー吸収部材（塑性化部材）が降
伏して塑性変形した場合においても、建築構造物全体の
最大変形量や残留変形量を許容限度内に抑制することが
できるので、最大規模の地震時においても建築構造物全
体の倒壊あるいは大損壊といった重大な事態を回避でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例である地震エネルギー吸
収機能を備えたブレース・タイプの柔剛混合構造を示す
正面図、第２図はこの柔剛混合構造が設けられた建築物
を示す正面図、第３図はこの発明の第２実施例である地
震エネルギー吸収機能を備えたブレース・タイプの柔剛
混合構造を示す正面図、第４図はこの発明の他の実施例
である地震エネルギー吸収機能を備えたブレース・タイ
プの柔剛混合構造を示す模式図、第５図は降伏剪断力と
降伏変形量の組み合わせを示す図である。Ａ……建築物（建築構造物）、Ｂ……ブレース構造（ブ
レース・タイプ柔剛混合構造）、Ｃ……交叉部、Ｆ……
第１層（領域）１……柱（垂直部材及び弾性部材）、２……梁（水平部
材）、３……ブレース（弾性部材）、４……塑性化部材
（エネルギー吸収部材）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊倉清東京都中央区京橋２丁目16番１号清水建設株式会社内 (72)発明者真瀬伸治東京都中央区京橋２丁目16番１号清水建設株式会社内 (72)発明者平間敏彦東京都中央区京橋２丁目16番１号清水建設株式会社内審査官青山敏

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】建築構造物の骨組の一部である梁等水平部
材と柱等垂直部材とで囲まれる領域に適用されて、地震
時における振動エネルギーを吸収する機能を備えたブレ
ース・タイプの柔剛混合構造であって、前記領域内に、振動エネルギーを吸収するエネルギー吸
収部材を設置するとともに、該エネルギー吸収部材と前
記骨組とを連結して地震時の振動エネルギーを前記骨組
から前記エネルギー吸収部材に伝達するブレースを設
け、前記垂直部材および前記ブレースの双方を、想定される
規模の地震時には弾性変形限度内で変形し得る弾性部材
として形成する一方、前記エネルギー吸収部材と、前記垂直部材および前記ブ
レースより相対的に低弾性であって前記地震時には降伏
して塑性変形する塑性化部材として形成してなることを
特徴とする地震エネルギー吸収機能を備えたブレース・
タイプの柔剛混合構造。