JPH0765383B2

JPH0765383B2 - 柔剛混合ハイブリッド柱

Info

Publication number: JPH0765383B2
Application number: JP19191489A
Authority: JP
Inventors: 九州男本田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 1989-07-25
Filing date: 1989-07-25
Publication date: 1995-07-19
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: JPH0355345A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は地震などの外力に対して良好な耐震効果を示
す構造物に用いられる柔剛混合ハイブリッド柱に関す
る。

「従来の技術」従来一般の多層建築構造物においては、地震エネルギー
による外力を吸収する層を特定することは困難であり、
また、その外力の量的な把握も難しいために、地震エネ
ルギーに対処するには、多層建築構造物の総ての階層に
耐震的な配慮が要求され、この結果、柱や梁の強度を必
要以上に高めなくてはならない傾向があり、極めて不経
済であった。

そこで近年、多層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で負荷される外力に対し、建築構造
物が倒壊しない程度にその一部分に若干の塑性変形を許
容し、この塑性変形によって前記外力を吸収するという
考え方が認められており、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。

以上のような背景に基づいて本発明の出願人は、地震エ
ネルギーにより作用する外力を吸収する機能を備えた耐
震建築構造物として、第９図に示す構造物を特許出願し
ている。

第９図に示す建築構造物は、鉄骨構造の建築構造物Ａの
１階部分を前記外力のエネルギー吸収層として構成した
もので、建築構造物Ａの躯体は、地盤Ｇ上に立設された
高張力鋼からなる１階部分の柱（柔部材）1a…と、１階
部分の柱1aよりも径が大きな他の階の柱１…と、Ｈ形鋼
からなる梁２…を主体として構成されている。また、１
階部分の柱1a,1aの間の地盤Ｇには、鋼材からなる塑性
化部材（剛部材）4,4が立設され、塑性化部材4,4の上端
はＨ形鋼製の連結部材５により連結されるとともに、連
結部材５の両端部が鋼製のブレース３を介して柱1aと梁
２の接合された仕口部分に連結されている。

前記建築構造物Ａの躯体を構成する各部材は、建築構造
物Ａの耐用年限内に数回程度発生が予想される地震のエ
ネルギーによる外力に対して十分に耐えるように設計さ
れるが、その中で塑性化部材４は、前記地震のうち、最
大規模の地震外力により降伏するように設計されてい
る。

即ち、前記構造では、最大級の地震外力を前記塑性化部
材4,4に伝達することで塑性化部材4,4を降伏させ、これ
により前記エネルギーを吸収することができるようにな
っている。

更にここで、エネルギー理論に基づく耐震極限設計法に
ついて補足説明する。

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
の式で与えられる。（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、この原理を応用すれば、各
層の強度αｉを適宜調節することで、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層以上に伝達される外力エネルギー
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。

前記第１層の強度のみを低減させるには、次のような手
法に従えば良い。即ち、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＜（α_１／αe₁）≦1.0の場合ａ＝1.2 （α_１／αe₁）≦0.5の場合＝1.8−1.2（α_１／αe₁）ここに、 a:強度倍率 α₁：第１層の降伏剪断力係数 αe₁：構造物が弾性に溜まる限界の第１層の降伏剪断力
係数よって、本発明者らは以上示した知見に基づいて、多層
からなる建築構造物の少なくとも１つの層に外力からの
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限度
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ともに、
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
ーを吸収させることで、外力に対するエネルギー吸収量
を的確に把握でき、また、設計上の自由度が増加すると
ともに、使用される鉄骨等の部材重量の削減が可能な建
築構造物として前述の特許出願を行っている。

なお、耐震建築構造物の外力のエネルギーが集中される
層において、大きな外力が作用した場合、弾性部材が弾
性状態を保つので、エネルギーが集中される層全体の最
大変形と残留変形の増大が抑止されるとともに、生じた
水平変形によるＰ−σ効果で建築物全体が劣化するのが
防止され、復元力が確保されるようになっている。

「発明が解決しようとする課題」ところが、第９図に示す構造の建築構造物Ａにおいて
は、地震エネルギーによる外力を吸収する効果は十分に
高いものの、柔部材である柱1aと剛部材である塑性化部
材４を別個に分けて配置しているために、平面的にも立
面的にも場所と空間を大きく占有し、建築上の制約が大
きい問題があった。また、柔部材となる柱1a…は他の階
の柱２よりもかなり細い形状になるために、座屈に対す
る設計面から見ても厳しい状態であった。更に、柱1aと
塑性化部材４の配置関係から、耐震効果において方向性
を生じる問題がある。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、従
来よりも建築上あるいは製造上またはスペース上の制約
が少なくて容易に適用できるとともに、総ての方向に対
して効率良くエネルギーを吸収することができる柔剛混
合ハイブリッド柱を提供することを目的とする。

「課題を解決するための手段」請求項１に記載した発明は前記課題を解決するために、
外部側の柱部材と内部側の柱部材を具備してなる多重構
造を有し、耐震建築構造物に用いられるハイブリッド柱
であって、外部側に設けられて耐震建築構造物に作用す
る最大規模の外力により塑性変形する円筒状または角型
筒状の剛柱部材と、この剛柱部材の内部側に離間して設
けられ、前記最大規模の外力により弾性変形する柔柱部
材とからなるようにしたものである。

請求項２に記載した発明は前記課題を解決するために、
外部側の柱部材と内部側の柱部材を具備してなる多重構
造を有し、耐震建築構造物に用いられるハイブリッド柱
であって、外部側に設けられて前記耐震建築構造物に作
用する最大規模の外力により塑性変形する円筒状または
角型筒状の剛柱部材と、剛柱部材の内部側に複数本、密
に充填されて前記最大規模の外力により弾性変形する柔
柱部材とからなるものである。

「作用」内部側の柔柱部材の外方に剛柱部材を設け、外力に対し
て柔柱部材と剛柱部材を別々に挙動できるようにしてい
るので、剛性と強度は両者の合計となり、１つのハイブ
リッド柱が柔構造と剛性を併せ持つ。

また、柔柱部材を剛柱部材内に密に充填したものでは、
剛柱部材が柔柱部材を覆って補強するので、従来の耐震
構造では座屈危険性の高かった柔部材がより安全にな
る。

更に、柔部材と剛部材を別個に別々の場所に設ける従来
構造とは異なり、柔柱部材と剛柱部材で１つの柱を構成
するので、設置スペースの制約が少なくなるとともに、
耐震効果に方向性がなくなる。

「実施例」第１図は請求項１に記載した発明の一実施例を示すもの
で、この例のハイブリッド柱10は、断面正方形状の角型
筒状の剛柱部材８と、その中心部に剛柱部材８の内面と
離間して配置されたロッド状の柔柱部材９から構成され
ている。なお、必要があれば、剛柱部材８と柔柱部材９
との間の空間にスペーサを介在させて剛柱部材８で柔柱
部材９を拘束し、柔柱部材９の座屈を防止する構造を採
用しても差し支えない。

このハイブリッド柱10は、例えば第２図に示すように建
築構造物Ｋの１階部分に適用される。

第２図の建築構造物Ｋの躯体においては、２階以上の部
分を柱15と梁16…で構築し、１階のコーナ部に柱17を設
け、コーナ部の柱17の間の柱としてハイブリッド柱10を
用いている。ハイブリッド柱10の剛柱部材８と柔柱部材
９はいずれも建築構造物Ｋの基礎と上階の梁16に各々別
個に固定する。

ハイブリッド柱10の柔柱部材９は、高張力鋼などからな
り、第２図に示す建築構造物Ｋの耐用年限内に発生が予
想される最大規模の地震のエネルギーによってハイブリ
ッド柱10に加わることが予想される外力が柔柱部材９の
許容応力限度内になるように、その材質と断面形状が決
定される。即ち、柔柱部材９は、自身の大きな弾性変形
能力により、前記最大級の規模の地震の外力に対しても
弾性状態を保つことにより、１階部分（エネルギー吸収
層）の最大変形と残留変形の増大を抑制する。

ハイブリッド柱10の剛柱部材８は、一般構造用鋼材など
からなり、第２図に示す建築構造物Ｋの耐用年限内に発
生が予想される最大規模の地震のエネルギーによってハ
イブリッド柱10に加わることが予想される外力が剛柱部
材８の降伏応力限度を超えるように、かつ、前記外力で
剛柱部材８が塑性変形可能なようにその材質と断面形状
が決定される。即ち、剛柱部材８は柔柱部材９よりも剛
性が大きく、降伏変形が小さな部材からなる。

第２図に示す建築構造物Ｋの２階以上の部分に用いられ
る柱15…と梁16…にあっては、建築構造物Ｋの耐用年限
内に数度程度発生が予想される規模の地震による外力に
対して発生する応力が、柱15と梁16の許容応力限度以内
であるように、その材質と断面形状が決定される。

前記構造の建築構造物Ｋにおいては、１階部分において
他の階より径が小さい柱17…が用いられているので、１
階部分の強度と２階以上の部分の強度に格差が生じ、地
震等により水平外力などが作用した場合、各階は水平に
変形し、剪断力を受けるが、相対的に強度の弱い１階部
分にエネルギーが集中される。

よって、建築構造物Ｋの耐用年限内に数度程度発生が予
想される規模の地震が発生して外力が負荷された場合、
１階部分の柱17とハイブリッド柱10は復元力特性におけ
る弾性域内で挙動することになる。

また、建築構造物Ｋの耐用年限内で発生が予想される最
大級の規模の地震による外力が加えられた場合、１階部
分に集中的に外力が作用する。そしてこの場合は、ハイ
ブリッド柱10の剛柱部材８が降伏し、これにより外力エ
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
ので、これ以外の部分に伝達されるエネルギーが減少し
て建築構造物Ｋの２階以上の部分への耐震効果を得るこ
とができる。従って２階以上の階においては塑性変形能
力等の耐震的配慮が不要になり、設計の自由度が向上す
るとともに、使用する鉄骨量を削減することができる。

また、２階以上の柱15は自身の大きな弾性変形能力によ
り、前記最大規模の地震の外力に対しても弾性状態を保
つことにより、エネルギー吸収層である１階部分の最大
変形、残留変形の増大を抑止し、変形時に生じた水平変
形によるＰ−δ効果で建築構造物Ｋの劣化を防止し、復
元力を確保する。

以上説明した耐震建築構造を採用する場合、使用するハ
イブリッド柱10は通常の柱状の形状であるので、柔部材
と剛部材を別々に配置していた従来構造に比較してスペ
ース的な制限を生じることがない。しかも、このハイブ
リッド柱10は周囲のどの方向にも同等の変形効果を発揮
するので、方向性がなく、方向性を加味しなくとも使用
できる特徴がある。

なお、前記実施例では鉄骨構造の建築構造物Ｋにこの発
明のハイブリッド柱を適用した例について説明したが、
鉄筋コンクリート構造の建築構造物の柱としてハイブリ
ッド柱を用いても良く、鉄骨鉄筋コンクリート構造の建
築構造物にハイブリッド柱を用いても良いのは勿論であ
る。

第５図は請求項２に記載した発明の一実施例を示すもの
で、この実施例のハイブリッド柱20は、鋼管からなる剛
柱部材18の内部に、複数本（この例の場合、７本）の丸
棒状の柔柱部材19を密に充填してなる構成となってい
る。前記剛柱部材18および柔柱部材19の構成材料と強
度、靱性などの設定は先に説明したハイブリッド柱10の
場合と同様に決定する。

このように構成されたハイブリッド柱20は、先に説明し
たハイブリッド柱10と同等に免震建築構造物のエネルギ
ー吸収層の柱として使用することができる。

そして、前記ハイブリッド柱10を用いた場合と同等の効
果を得ることができる。また、ハイブリッド柱20におい
ては、地震などの外力によって柔柱部材19…が座屈しそ
うになった場合に、柔柱部材19…を剛柱部材18が拘束す
るので、柔柱部材19…の座屈を防止できる。

第６図は請求項２に記載した発明の第２実施例を示すも
ので、この実施例のハイブリッド柱30は、断面正方形状
の角型鋼管からなる剛柱部材28と、この剛柱部材28の内
部に密に充填された鋼棒からなる複数本（この例の場
合、４本）の柔柱部材29とから構成されている。前記剛
柱部材28および柔柱部材29の構成材料と強度、靱性など
の設定は先に説明したハイブリッド柱10の場合と同様に
決定する。

この例のハイブリッド柱30も先に説明したハイブリッド
柱20と同等に使用することができ同等の効果を奏する。

第７図は請求項２に記載した発明の第３実施例を示すも
ので、この実施例のハイブリッド柱40は、断面正方形状
の角型鋼管からなる剛柱部材38と、この剛柱部材38の内
部に密に充填された鋼棒からなる複数本（この例の場
合、９本）の柔柱部材39とから構成されている。

この構成のハイブリッド柱40も先に説明したハイブリッ
ド柱20と同等に使用することができ、同等の効果を得る
ことができる。

ところで、以下に、建築構造物Ｋのエネルギー吸収層に
用いるハイブリッド柱10において、剛柱部材８と柔柱部
材９を設計する場合について説明する。

地震などのエネルギーを吸収するためのハイブリッド柱
10は、剛柱部材８と柔柱部材９で構成されるが、これら
の部材は、下記の第１表のような特性を有することが望
まれる。

ここで、逆対称モーメントが作用する部材の材端モーメ
ントＭと回転角Ｒの関係は、ヤング率をＥ、断面２次モ
ーメントをＩ、部材の長さをｌとすると、 M/R＝6EK＝6EI/lなる関係となるので、材端の回転剛性M
/Rは部材の断面２次モーメントに比例する。

以上のような背景から前記実施例において、剛柱部材８
の断面２次モーメントが大きくなるように角型鋼管を用
い、靱性が得られるように降伏比の大きい鋼材（例え
ば、一般構造用圧延鋼材SS41 YR＝0.585）を使用する。
また、柔柱部材９は断面２次モーメントが小さくなるよ
うに、ソリッドな丸鋼で高張力鋼（例えば、一般構造用
圧延鋼材SS−50）を使用する。

ここで、剛柱部材８として幅450mm、奥行450mm、肉厚16
mmの断面正方形状のSS−41製の角型鋼管を用い、柔柱部
材９として直径300mmのSM50製の棒鋼を使用する。

そして、計算階高ｈ＝350cmの柱とした場合の復元力特
性を計算する。断面積をＡ、断面２次モーメントをＩ、
塑性断面係数をZp、塑性モーメントをMp、回転角をＲと
する。

剛柱部材Ａ＝267cm²、Ｉ＝81.800cm⁴、Zp＝4270cm³、 Mp＝4270×2.4＝102.5×10² tcm Ｒ＝Mp・l/6EI ＝（102.5×10²×350）／（６×2100×81.800）＝3.5×10^-3 柔柱部材Ａ＝706cm²、１＝39760cm⁴、Zp＝4500cm³、 Mp＝4500×3.0＝135×10² tcm Ｒ＝Mp・l/6EI ＝（135×10²×350）／（６×2100×39760）＝9.4×10^-3 以上の計算結果を第３図に示した場合と同様に図式化す
ると第４図のようになる。

第４図では第３図に示した関係と同等の関係が得られて
いるので、以上のように設計したハイブリッド柱をエネ
ルギー吸収層の柱として使用できることが明らかになっ
た。

以下に第７図に示すハイブリッド柱40の構造設計例につ
いて説明する。

剛柱部材38として幅400mm、奥行400mm、肉厚16mmの断面
正方形状のSS−41製の角型鋼管を用い、柔柱部材39とし
て直径122.7mmのSM−50製の棒鋼を９本使用する。そし
て、計算階高ｈ＝350cmの柱とした場合の復元力特性を
計算する。

剛柱部材Ａ＝235cm³、Ｉ＝44.300cm⁴、Zp＝2590cm³、 Mp＝2590×2.4＝62.2×10² tcm Ｒ＝Mp・l/6EI ＝（62.2×10²×350）／（６×2100×44.300）＝3.9×10^-3 柔柱部材Ａ＝118×９cm²、Ｉ＝1113×９cm⁴、Zp＝308×９cm³、 Mp＝309×９×3.0＝83.4×10² tcm Ｒ＝Mp・l/6EI ＝（83.4×10²×350）／（６×2100×1113×９）＝23.1×10^-3 以上の計算結果を第３図に示した場合と同様に図式化す
ると第８図のようになる。

第８図では第３図に示した関係と同等の関係が得られて
いるので、以上のように設計したハイブリッド柱をエネ
ルギー吸収層の柱として使用できることが明らかになっ
た。

なお、第５図に示す構造のハイブリッド柱20では、例え
ば、剛柱部材18を外径406.4mm、SS41製の鋼管から形成
し、柔柱部材19を直径124.8mmのSS−50製の丸棒から形
成することができる。

同様に、第６図に示す構造のハイブリッド柱30では、例
えば、剛柱部材28を幅400mm、奥行400mm、肉厚16mmのSS
−41製の角型鋼管から形成し、柔柱部材29を直径184mm
のSS−50製の丸棒から形成することができる。

「発明の効果」以上説明したように本発明は、剛柱部材とその内部の柔
柱部材とから構成することで、最大規模の地震による外
力が建築構造物に付加された場合に、剛柱部材の塑性変
形によりエネルギーを吸収することができ、他の部材に
伝達されるエネルギーを減少させることができるので、
構造物に免震効果を発揮させることができる。また、ハ
イブリッド柱を設けたエネルギー吸収層の他の層の柱や
梁の強度設計に余裕が生じるので、使用する鉄骨量を削
減できる。更に、剛柱部材と柔柱部材とで１つの柱を形
成するので、剛部材と柔部材を分離して別個に設置して
いた従来のものに比較すると、納まり良く建築物に適用
することができ、設計に自由度が生まれ、容易に適用で
きる効果がある。更にまた、剛柱部材と柔柱部材で１つ
の柱を構成し、どの方向にも同様の変形挙動を示すよう
にしているので、エネルギー吸収に方向性がなく、どの
方向でも効率良くエネルギーを吸収できる。

また、剛柱部材の内部に柔柱部材を密に充填したものに
おいては、外力が作用して柔柱部材が座屈しそうになっ
た場合であっても、剛柱部材が柔柱部材を拘束するので
柔柱部材の座屈を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１に記載した発明の一実施例のハイブリ
ッド柱を示す断面図、第２図は前記ハイブリッド柱を建
築構造物に適用した一例を示す側面図、第３図は柔柱部
材と剛柱部材の剪断力と歪の関係を示す線図、第４図は
第１図に示すハイブリッド柱を構造設計した例の回転角
と材端モーメントの関係を示す線図、第５図は請求項２
に記載した発明の第１実施例を示す断面図、第６図は請
求項２に記載した発明の第２実施例を示す断面図、第７
図は請求項２に記載した発明の第３実施例を示す断面
図、第８図は第７図に示すハイブリッド柱を構造設計し
た例の回転角と材端モーメントの関係を示す線図、第９
図は先に出願している耐震建築物構造物を示す側面図で
ある。Ｋ…建築構造物、8,18,28,38…剛柱部材、9,19,29,39…
柔柱部材、10,20,30,40…ハイブリッド柱、15,17…柱、
16…梁。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部側の柱部材と内部側の柱部材を具備し
てなる多重構造を有し、耐震建築構造物に用いられるハ
イブリッド柱であって、外部側に設けられて耐震建築構
造物に作用する最大規模の外力により塑性変形する円筒
状または角型筒状の剛柱部材と、剛柱部材の内部側に剛
柱部材と離間して設けられ、前記最大規模の外力により
弾性変形する柔柱部材とからなることを特徴とする柔剛
混合ハイブリッド柱。
【請求項２】外部側の柱部材と内部側の柱部材を具備し
てなる多重構造を有し、耐震建築構造物に用いられるハ
イブリッド柱であって、外部側に設けられて耐震建築構
造物に作用する最大規模の外力により塑性変形する円筒
状または角型筒状の剛柱部材と、剛柱部材の内部側に複
数本、密に充填されて前記最大規模の外力により弾性変
形する柔柱部材とからなることを特徴とする柔剛混合ハ
イブリッド柱。