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発明の名称 建築物の制震構造
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−200655(P2001−200655A)
公開日 平成13年7月27日(2001.7.27)
出願番号 特願2000−10989(P2000−10989)
出願日 平成12年1月19日(2000.1.19)
代理人 【識別番号】100067356
【弁理士】
【氏名又は名称】下田 容一郎
発明者 北濱 雅司 / 久保田 一男 / 鈴木 和夫 / 一色 太
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 複数の柱及び梁で構成した主要構造物又は耐力壁からなる主要構造物を、少なくとも1個の支持部材並びに少なくとも1個の変形部材を介して基礎構造物に設置する建築物であって、前記支持部材は、主要構造物の水平移動を可能にしつつ鉛直荷重を基礎構造物に伝える部材とし、前記変形部材は、加わる水平力が一定値以下であれば弾性変形して主要構造物の水平移動を抑え、加わる水平力が一定値を超えると塑性変形して主要構造物の水平移動を許容する部材としたことを特徴とする建築物の制震構造。
【請求項2】 前記変形部材は、基礎構造物側から主要構造物側へ延ばした縦壁部を含み、この縦壁部に縦長若しくは横長のスリットを開けたことを特徴とする請求項1記載の建築物の制震構造。
【請求項3】 前記縦壁部を、建築構造用圧延鋼材よりも低降伏点の低降伏点鋼若しくは超低降伏点鋼で構成したことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の建築物の制震構造。
【請求項4】 前記支持部材と基礎構造物との間を、すべり支承構造若しくはころがり支承構造にしたことを特徴とする請求項1記載の建築物の制震構造。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は建築構造物の制震構造に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、建築構造物(建築物)は、耐震設計法に基づいて設計されてきた。耐震設計とは、頻繁に発生する中地震に対しては構造の各部は弾性的に対応させ、数十年に一度の大地震に対しては、構造物の塑性変形させることで対応させる設計法である。この様な耐震設計に基づく建築物は、大地震に見舞われると構造のかなりの部分が塑性変形するため、その修復に莫大な費用がかかり、変形の程度や発生部位によっては、継続使用が困難になることがある。
【0003】この様な課題を解決するために、例えば■特許第2516575号公報「フレーム組み込み型制震装置」や、■特公平2−62670号公報「構造物の免震装置」が提案されている。上記■の制震装置は、同公報の第2頁右欄第4行〜第7行の記載「本発明は、構造物(1)に生じる揺れが小さな内は、粘弾性ダンパ(6)が作用して揺れを吸収し、揺れが大きくなると弾塑性ダンパ(7)も作用して揺れを吸収するように作用する。」で説明される粘弾性ダンパ(6)並びに弾塑性ダンパ(7)を、同公報の第1図に示されるごとく壁(5)と梁(3,3)との間に配置したものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記■の制震装置は、梁と柱とで囲った構造物の内部に粘弾性ダンパ(6)並びに弾塑性ダンパ(7)を配置したものであるが、同公報の第1図〜第5図では、壁(5)が粘弾性ダンパ(6)並びに弾塑性ダンパ(7)を介して梁(3,3)に連結されているため、壁(5)が構造物の剛性メンバーにはなっていない。すなわち、■の制震装置は、梁柱構造物には適用できるが、耐力壁パネルには適用することはできず、用途が限定される。
【0005】また、上記■の免震装置は、その公報の第1図に示される通り、地盤側基礎Aに積層ゴム支承1を載せ、積層ゴム支承1に建物基礎Bを載せ、且つこの建物基礎Bをヒステレテイツクダンパ2で地盤側基礎Aに繋ぎ、ヒステレテイツクダンパ2の円板部分を塑性変形させることで、免震を図るというものである。この様な■の免震装置は、基本的に積層ゴム支承1を介して建物基礎Bを支えているため、地震による水平力を受けると、長時間揺れが収らぬことになる。ゴムは剛性が低いからである。また、ゴムは天然ゴム、合成ゴムを問わずに時間と共に劣化するため、寿命は短く、地震の影響を受けるか否かに関係なく、定期的に交換しなければならず、そのための維持費が嵩む。
【0006】そこで、本発明の目的は、梁柱構造と耐力壁パネル構造の何れにも適用することができ、且つ寿命の短いゴム系振動吸収材を使用せずに済む制震構造を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために請求項1は、複数の柱及び梁で構成した主要構造物又は耐力壁からなる主要構造物を、少なくとも1個の支持部材並びに少なくとも1個の変形部材を介して基礎構造物に設置する建築物であって、支持部材を、主要構造物の水平移動を可能にしつつ鉛直荷重を基礎構造物に伝える部材とし、変形部材を、加わる水平力が一定値以下であれば弾性変形して主要構造物の水平移動を抑え、加わる水平力が一定値を超えると塑性変形して主要構造物の水平移動を許容する部材としたことを特徴とする。
【0008】地震により、大きな水平力が建築物に作用したときには、変形部材を塑性変形させる。変形部材が塑性変形を開始した時点で主要構造物に作用する水平力(水平反力)の増加が収る。従って、主要構造物は地震の大小に関係なく、弾性領域でのみ変形し、塑性変形や破壊に至る心配はない。この間、主要構造物の鉛直荷重は支持部材で支持させる。なお、支持部材は形状により1個とすることができるが、2個以上用いることにより、安定性を増すことができるから、支持部材の個数は任意である。
【0009】請求項2は、変形部材に、基礎構造物側から主要構造物側へ延ばした縦壁部を含み、この縦壁部に縦長若しくは横長のスリットを開けたことを特徴とする。スリットを開けることで変形部材の剛性を調整することができるとともに、変形部材の軽量化を図ることができる。
【0010】請求項3は、縦壁部を、建築構造用圧延鋼材よりも低降伏点の低降伏点鋼若しくは超低降伏点鋼で構成したことを特徴とする。低降伏点鋼若しくは超低降伏点鋼を採用することで、主要構造物に先立って変形部材を簡単に塑性変形させることができる。
【0011】請求項4は、支持部材と基礎構造物との間を、すべり支承構造若しくはころがり支承構造にしたことを特徴とする。基礎構造物にすべり支承構造にて支持部材を支承させ、この支持部材に主要構造物を載せることで、地震の際に主要構造物を円滑に水平移動させる。又は、基礎構造物にころがり支承構造にて支持部材を支承させ、この支持部材に主要構造物を載せることで、地震の際に主要構造物をより円滑に水平移動させる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。図1は本発明に係る建築物の原理図であり、この建築物10は、下位の基礎構造物11に、少なくとも1個(この例では2個)の支持部材20,20並びに少なくとも1個(この例では1個)の変形部材30を介して上位の主要構造物40を支持させる様にした構造物を1つの構造単位としたものであり、この構造単位をGaとする。ここで、主要構造物40は耐力壁パネルである。
【0013】この主要構造物40の上に、上位の主要構造物40Bを載せる場合には、下位の主要構造物40が基礎構造物(11)となり、この基礎構造物(11)に少なくとも1個の支持部材20,20並びに少なくとも1個の変形部材30を介して上位の主要構造物40Bを支える様にした構造物を1つの構造単位とし、この構造単位をGbとする。従って、構造単位Gaに構造単位Gbを重ねることにより、高層建築物を構成することができる。
【0014】図2(a),(b)は本発明に係る支持部材の分解斜視図である。(b)に示す通り、支持部材20は、例えば基礎構造物11側に固定するレール板21及びボルト22と、このボルト22に取付ける座金23及びナット24と、レール板21に載せる樹脂シート25と、この樹脂シート25を介してレール板21に載せるボックス50と、このボックス50を図示せぬ上位の主要構造物に固定するボルト26とからなる。
【0015】ボックス50は、(a)に示す通り、長孔51の開いた底板52と、鋼板をプレスでコ字状に曲げて製造した壁53と、中央にボルト孔54を開けた上板55とを溶接で一体化した丈夫な箱である。なお、壁53は市販のチャンネル、角パイプ、丸パイプを所定長さに切断したものや、平行に立てた2枚の板であってもよく、要は底板52に対して上板55を平行に支える部材であれば、形状、種類は問わない。
【0016】図3は本発明に係る支持部材の取付図兼作用説明図であり、レール板21に樹脂シート25を載せ、そこへボックス50を載せ、下位のボルト22に座金23及びナット24を取付け、且つ上位のボルト26で上板55を主要構造物40に固定する。この様に取付ける支持部材20は、主要構造物40の荷重を基礎構造物11に伝える作用をなす。そして、ボックス50は、長孔51の範囲で、レール板21上を図面左右に移動し得る。
【0017】この移動を促すには、摩擦係数を小さくすればよく、樹脂シート25は低摩擦材(例えば四フッ化エチレン板)で構成する。さらには、レール板21の上面及びボックス50の底板52の下面を平滑に仕上げること並びに錆びにくいステンレス鋼とすることが望ましい。すなわち、この実施例は、支持部材(ボックス50)と基礎構造物(レール板21)との間を「すべり支承構造」にした例である。
【0018】図4は本発明に係る変形部材(第1実施例)の斜視図であり、変形部材30は、下フランジ31と、白抜き矢印で示した水平力に平行に配置する縦壁部32と、上フランジ33とからなるH形鋼状の部材であり、基礎構造物11にボルト34、座金35及びナット36で下フランジ31を固定し、別のボルト37で上フランジ33を図示せぬ主要構造物に固定する。
【0019】ここで、縦壁部32は次図で説明する通りに、一定以上の水平力を受けたときに他の部材よりも「先に塑性変形」させる部材であり、次の表1で示す建築構造用圧延鋼材(JIS G 3136)、低降伏点鋼又は極低降伏点鋼で構成することが望ましい。
【0020】
【表1】

【0021】実施例1の建築構造用圧延鋼材は、SN400B(JIS G 3136)であり、C(炭素)の含有量を0.2重量%以下とし、降伏点又は0.2%耐力が235〜355N/mm2である鋼材である。実施例2の低降伏点鋼は、C(炭素)の含有量を0.1重量%以下とした低炭素鋼材であり、降伏点又は0.2%耐力は205〜245N/mm2である鋼材である。実施例3の極低降伏点鋼は、C(炭素)の含有量を0.02重量%以下とした極低炭素鋼材であり、降伏点又は0.2%耐力は80〜120N/mm2である鋼材である。
【0022】図5は建築構造用圧延鋼材、低降伏点鋼、極低降伏点鋼の降伏点又は0.2%耐力を示すグラフであり、表1の降伏点又は0.2%耐力の数値をグラフにしたものである。実施例1(建築構造用圧延鋼材SN400B)に比べて、実施例2(低降伏点鋼)の降伏点は下り、実施例3(極低降伏点鋼)の降伏点は大幅に小さいことがわかる。降伏点を超えると部材は塑性変形するため、実施例2は実施例1より小さな剪断応力で塑性変形し、実施例3は実施例2より小さな剪断応力で塑性変形することになる。地震エネルギーを塑性変形で吸収させることができるので、エネルギー吸収性能は実施例3が最高で、以下、実施例2、実施例1と続く。そこで、縦壁部32は、低降伏点鋼又は極低降伏点鋼が望ましく、極低降伏点鋼が最良であると言える。
【0023】図6は本発明に係る建築物の作用図であり、地震に伴なって、白抜き矢印の様な水平力が主要構造物40に作用すると、主要構造物40を支えている左右の支持部材20,20はδだけ水平にずれる。中央の変形部材30は、一定以上(弾性限度以上)の水平力を受けると、塑性変形する。その変形量もδである。主要構造物40にも剪断力が作用してΔだけ変形する。
【0024】ここで重要なことは、基礎構造物11−変形部材30−主要構造物40の順で、3つの要素が直列に繋がっており、変形部材30に発生する水平反力と同じ大きさの水平力(剪断力)が主要構造物40に作用するということである。例えば、変形部材30がゴムの様に軟らかくて発生する水平反力が小さければ、主要構造物40に加わる水平力は同様に小さくなり、それのたわみΔは小さくなる。このことを次図で説明する。
【0025】図7(a)〜(c)は変形部材並びに主要構造物に作用する水平力とたわみの関係を示すグラフである。(a)は主要構造物における水平力とたわみの関係を示し、降伏荷重Pfまでは水平力に比例してたわみΔが発生することを示す。(b)は変形部材における水平力とたわみの関係を示し、降伏荷重Pdまでは水平力に比例してたわみδが発生するが、これを超えると塑性変形領域となり、たわみは増加するが、応力は横這いになるため、グラフが水平になる。
【0026】変形部材の要部を低降伏点鋼若しくは極低降伏点鋼で構成すれば、Pd<Pfの関係を容易に保つことができ、このPd<Pfが本発明の前提となる。(b)及び(a)に書き加えた矢印■,■,■に示すごとく、(a)では縦軸の(Pd)に対応して、たわみΔ1が発生するが、水平反力はこれ以上増加しない。そこで、(a)でのグラフはPd以上を細線で示した。
【0027】(c)は変形部材と主要構造物とを組み合わせてなる建築物(図1の構造単位Gaに相当)の水平力とたわみの関係を示し、(a)のグラフと(b)のグラフを合成したものに相当する。すなわち、水平力Pdまではたわみ(Δ+δ)は比例的に増加するが、Pdで水平力(正しくは水平反力)が頭打ちとなりたわみ(Δ+δ)のみが増加する。この説明から明らかなごとく、(a)の主要構造物は弾性変形領域での変形にとどまり、塑性変形、破損に至らない。
【0028】本発明に係る変形部材の別実施例を図8〜図11で説明する。図8は本発明に係る変形部材(第2実施例)の斜視図であり、変形部材30B(第1実施例と区別するために英文字を添える。以下同様。)は、直列に配置した複数枚(実施例では2枚)の縦壁部32B,32Bで下フランジ31と上フランジ33とを連結したもので、縦壁部32Bと縦壁部32Bとの間にボルト孔38を設けることができるため、フランジ31,33の幅を狭めることができる。縦壁部32Bには複数の縦長のスリット39・・・・・・は複数個を示す。以下同様。)を開けてもよい。
【0029】図9は本発明に係る変形部材(第3実施例)の斜視図であり、変形部材30Cは、並列に配置した複数枚(実施例では2枚)の縦壁部32C,32Cで下フランジ31と上フランジ33とを連結したものであり、フランジ31,33の長さを短くすることができる。縦壁部32Cには複数の縦長のスリット39・・・を開けてもよい。
【0030】図10は図9の10矢視図であり、縦壁部32Cに4個の縦長スリット39・・・を開けたことを示す。本発明では、縦壁部32Cの剛性を厳密に管理する必要がある。剛性は一般に板厚、高さ並びに長さなどで決まる。そのうちで高さは建築物に与える寸法的影響が大きいことから自由に変更することはできず、板厚は市販品を使用する場合には細かく寸法を変更することはできない。この様な制約はスリット39を設けることで解消することができ、このスリット39の長径、短径、開口面積、数を変更することで、剛性を自由に調節することができる。従って、スリット39の長径、短径、開口面積、数は必要に応じて決めればよく、図示はしないが横長のスリットであっても差支えない。加えて、変形部材30Cの軽量化を図ることもできる。変形部材30Bも同様である。
【0031】なお、スリット39・・・はプレス機に取付けたパンチで打ち抜き形成できるため、加工コストを抑えることができる。ただし、ガス切断機でスリット39・・・を開けることは差支えない。
【0032】図11は図10の変更例を示す図であり、この変形部材30Dは縦壁部32Dに菱形と楕円を合成した複雑な形状のスリット39・・・を開けたことを特徴とする。
【0033】図12は図1の変更実施例図であり、主要構造物40が、下梁41、柱42,42、上梁43からなる梁柱構造物であることを特徴とする。その他の符号は図1のものを流用する。すなわち、建築物10は、下位の基礎構造物11に、少なくとも1個(この例では2個)の支持部材20,20並びに少なくとも1個(この例では1個)の変形部材30を介して上位の主要構造物40を支える様にした構造物を1つの構造単位としたものであり、この構造単位をGaとする。
【0034】この主要構造物40の上に、上位の主要構造物40Bを載せる場合には、下位の主要構造物40が基礎構造物(11)となり、この基礎構造物(11)に少なくとも1個の支持部材20,20並びに少なくとも1個の変形部材30を介して上位の主要構造物40Bを支える様にした構造物を1つの構造単位とし、この構造単位をGbとする。従って、構造単位Gaに構造単位Gbを重ねることにより、高層建築物を構成することができる。
【0035】図13は本発明に係る支持部材の別実施例図であり、符号は図3のものを流用するが、レール板21に円柱状のころ28・・・を並べ、その上にボックス50を載せ、ボックス50が簡単に横移動できるようにしたものである。29,29はストッパであり、ころ28が外れることを防止する部材である。すなわち、この別実施例は、支持部材(ボックス50)と基礎構造物(レール板21)とを「ころがり支承構造」にした例である。
【0036】以上に述べた通り本発明は、梁柱構造と耐力壁パネル構造の何れにも適用することができる。そして、寿命の短いゴム系振動吸収材を使用せずに、鋼材で支持部材並びに変形部材を構成したので、揺れ時間を短縮することができる。
【0037】
【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮する。請求項1では、地震により、大きな水平力が建築物に作用したときには、変形部材を塑性変形させる。変形部材が塑性変形を開始した時点で主要構造物に作用する水平力(水平反力)の増加が収る。従って、主要構造物は地震の大小に関係なく、弾性領域でのみ変形し、塑性変形や破壊に至る心配はない。なお、この間、主要構造物の鉛直荷重は支持部材で支持させる。従って、請求項1によれば寿命の短いゴム系振動吸収材を使用せずに、鋼材で支持部材並びに変形部材を構成したので、揺れ時間を短縮することができるとともに、この制震構造を梁柱構造のみならず耐力壁パネル構造にも適用できるため、用途が限定されず、使い勝手が良くなる。
【0038】請求項2は、変形部材に、基礎構造物側から主要構造物側へ延ばした縦壁部を含み、この縦壁部に縦長若しくは横長のスリットを開けたことを特徴とし、スリットを開けることで変形部材の剛性を調整することができるとともに、変形部材の軽量化を図ることができる。従って、設計が容易で、軽くてコンパクトな制震構造を提供することができる。
【0039】請求項3では、縦壁部を、建築構造用圧延鋼材よりも低降伏点の低降伏点鋼若しくは超低降伏点鋼で構成したことを特徴とし、低降伏点鋼若しくは超低降伏点鋼を採用することで、主要構造物に先立って変形部材を簡単に塑性変形させることができ、主要構造物の損傷を有効に防ぐことができる。
【0040】請求項4では、基礎構造物にすべり支承構造にて支持部材を支承させ、この支持部材に主要構造物を載せることで、地震の際に主要構造物を円滑に水平移動させる。又は、基礎構造物にころがり支承構造にて支持部材を支承させ、この支持部材に主要構造物を載せることで、地震の際に主要構造物をより円滑に水平移動させる。従って、主要構造物が損傷する心配はない。




 

 


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