JP7637475B2 - 制振間柱 - Google Patents

Description

本発明は、制振間柱に関する。

下記特許文献１には、上下に分断された形態のＨ形鋼からなる曲げ柱の間にせん断パネルを取り付けた曲げ柱ダンパーが示されている。

特開２００５－１３３４３３号公報

上記特許文献１の曲げ柱ダンパーは、地震時に、せん断パネルが降伏することで制震ダンパーとして機能する。地震時には、この曲げ柱ダンパーに、せん断力のほか軸力が作用する。したがって、せん断パネルが軸力によって座屈して、せん断耐力を十分に発揮できない可能性がある。

本発明は、上記事実を考慮して、柱に作用する軸力が、せん断変形するせん断降伏部に作用し難い制振間柱を提供することを目的とする。

請求項１の制振間柱は、上側の梁に接合され、下端部にベースプレートを備えた鋼製の上間柱と、前記上間柱の下方において下側の梁に接合され、前記上間柱と離間して配置され、上端部にトッププレートを備えた鋼製の下間柱と、前記上間柱の下端面及び前記下間柱の上端面に接合され、前記上間柱及び前記下間柱を構成する鋼材よりせん断降伏力が小さいせん断降伏部と、前記ベースプレートの上方に配置された部分の下端が前記ベースプレートの上端面に溶接され、前記トッププレートの下方に配置された部分の上端が前記トッププレートの下端面に溶接され、前記ベースプレートと前記トッププレートの間に配置された部分の上端が前記ベースプレートの下端面に溶接され、前記ベースプレートと前記トッププレートの間に配置された部分の下端が前記トッププレートの上端面に溶接されて、前記ベースプレートの上方から前記トッププレートの下方に亘って、前記上間柱及び前記下間柱のフランジと平行に設けられ、前記上間柱に作用する軸力を前記下間柱へ伝達する軸力伝達リブと、を有し、前記ベースプレートの上方に配置された部分は、前記上間柱のウェブに上下方向に沿って溶接され、前記トッププレートの下方に配置された部分は、前記下間柱のウェブに上下方向に沿って溶接されている。

請求項１の制振間柱によると、上側の梁に接合された上間柱と下側の梁に接合された下間柱との間に、せん断降伏部が配置されている。このため、地震時に上間柱と下間柱とが横方向に相対変位すると、せん断降伏部にせん断力が作用する。
せん断降伏部は、上間柱及び下間柱を構成する鋼材よりせん断降伏力が小さい。したがって、このせん断降伏部が上間柱及び下間柱に先行してせん断変形し、地震エネルギーを吸収することができる。

また、この制振間柱には、上間柱から下間柱に亘って軸力伝達リブが設けられている。地震時には、縦揺れや横揺れによって上間柱及び下間柱に上下方向の軸力が作用するが、この軸力伝達リブを介して上間柱と下間柱との間で軸力が伝達される。これにより、せん断降伏部に軸力が入力されることが抑制される。

したがって、せん断降伏部が軸力により座屈し難い。これにより、せん断降伏部がせん断変形して地震エネルギーを吸収し易い。
請求項２の制振間柱は、請求項１に記載の制振間柱において、前記軸力伝達リブは、前記ベースプレートの上方に配置された部分として、２本の上リブと、前記トッププレートの下方に配置された部分として、２本の下リブと、前記ベースプレートと前記トッププレートの間に配置された部分として、前記上間柱の下端面及び前記下間柱の上端面に溶接された２本の中央リブと、を備え、前記せん断降伏部は、前記２本の中央リブ間に設けられている。
請求項３の制振間柱は、請求項１に記載の制振間柱において、前記せん断降伏部は、前記梁を含む柱梁架構の面内方向に沿う板状のパネルと、前記パネルの一方の面に接して配置された横方向に沿う第一補強材と、前記パネルの他方の面に接して配置された上下方向に沿う第二補強材と、を備えている。

請求項４の制振間柱は、請求項１に記載の制振間柱において、前記上間柱は前記上側の梁に剛接合され、前記下間柱は前記下側の梁に剛接合され、前記せん断降伏部は、前記上側の梁及び前記下側の梁の中間の高さを含む位置に設置されている。

地震時に上側の梁と下側の梁とが相対変位した際、制振間柱には曲げモーメントが作用する。上間柱は上側の梁に剛接合され、下間柱は下側の梁に剛接合されている。このため、制振間柱に作用する曲げモーメントは、上側の梁と下側の梁との中間部分において最も小さくなる。

請求項４の制振間柱においては、曲げモーメントが最も小さくなる位置に、せん断降伏部が配置されている。このため、せん断降伏部に曲げモーメントが作用しにくい。これにより、せん断降伏部がせん断変形して地震エネルギーを吸収し易い。

請求項５の制振間柱は、請求項１又は２に記載の制振間柱において、前記せん断降伏部は、建物の１次設計用地震力より大きい外力が生じた場合にせん断降伏する。

請求項５の制振間柱では、建物の１次設計用地震力以下の外力によっては、せん断降伏部がせん断降伏しない。つまり、制振間柱に、建物の許容応力度計算によって算出された応力以下の内部応力が発生しても、せん断降伏部はせん断降伏しないで弾性を維持する。これにより制振間柱は、中小規模の地震においては耐震部材として機能し、大規模の地震においては制振部材として機能する。

本発明によると、制振間柱に作用する軸力が、せん断変形するせん断降伏部に作用し難い。

本発明の実施形態に係る制振間柱を示す立面図である。 本発明の実施形態に係る制振間柱におけるせん断降伏部を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る制振間柱の施工方法を示す立面図である。 （Ａ）は本発明の実施形態に係る制振間柱において上間柱の上端部及び本体部を一体的に形成し、かつ、下間柱の下端部及び本体部を一体的に形成した変形例を示す立面図であり、（Ｂ）は（Ａ）においてさらに接合プレートを設けた変形例を示す立面図である。 本発明の実施形態に係る制振間柱において、上間柱及び下間柱のフランジを、軸力伝達リブとして利用した変形例を示す立面図である。

以下、本発明の実施形態に係る制振間柱２０について、図面を参照しながら説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一の構成要素であることを意味する。但し、明細書中に特段の断りが無い限り、各構成要素は一つに限定されず、複数存在してもよい。また、各図面において重複する構成及び符号については、説明を省略する場合がある。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において構成を省略する又は異なる構成と入れ替える等、適宜変更を加えて実施することができる。

図１には、本発明の実施形態に係る制振間柱２０（以下、間柱２０と称す）が示されている。間柱２０は、柱梁架構の建物において上下に隣り合う梁１０（上梁１０Ａ及び下梁１０Ｂ）のそれぞれに接合された間柱である。間柱２０は、設計上、長期荷重を支持しないものとされている。

図１に矢印Ｘで示す方向は、梁１０の架設方向と一致する方向（横方向）であり、矢印Ｚで示す方向は、間柱２０の延設方向と一致する方向（上下方向）である。また、Ｘ方向及びＺ方向は、何れも梁１０を含んで構成された柱梁架構の面内方向に沿う方向である。

上梁１０Ａ及び下梁１０Ｂは、同一構面において上下に隣り合うＨ形鋼の梁である。上梁１０Ａは上側の梁であり、下梁１０Ｂは下側の梁である。なお、上梁１０Ａ及び下梁１０Ｂは、鉄筋コンクリート製や、鉄骨鉄筋コンクリート製としてもよい。

＜制振間柱＞
間柱２０は、それぞれ普通鋼であるＨ形鋼で形成された上間柱２２及び下間柱２４を備えて構成されている。上間柱２２は、上梁１０Ａに剛接合され、上梁１０Ａから下方へ向かって突出している。同様に、下間柱２４は、下梁１０Ｂに剛接合され、上梁１０Ａから上方へ向かって突出している。上間柱２２及び下間柱２４は、平面視で同位置に配置されている。

（上間柱）
上間柱２２は、上梁１０Ａと一体化された上端部２２Ａ（所謂ブラケット）と、上端部２２ＡにスプライスプレートＰを用いて接合された本体部２２Ｂと、を備えている。スプライスプレートＰは、上端部２２Ａ及び本体部２２Ｂのフランジ同士及びウェブ同士をそれぞれ接合している。本体部２２Ｂの下端部には、ベースプレート２２Ｃが接合されている。ベースプレート２２Ｃは、本体部２２Ｂのウェブ及びフランジのそれぞれに溶接されている。

（下間柱）
同様に、下間柱２４は、下梁１０Ｂと一体化された下端部２４Ａ（所謂ブラケット）と、下端部２４ＡにスプライスプレートＰを用いて接合された本体部２４Ｂと、を備えている。スプライスプレートＰは、下端部２４Ａ及び本体部２４Ｂのフランジ同士及びウェブ同士をそれぞれ接合している。本体部２４Ｂの上端部には、トッププレート２４Ｃが接合されている。トッププレート２４Ｃは、本体部２４Ｂのウェブ及びフランジのそれぞれに溶接され、ベースプレート２２Ｃと上下方向に離間して配置されている。すなわち、上間柱２２と下間柱２４とは、上下方向に離間して配置されている。

（軸力伝達リブ）
軸力伝達リブ４０は、上下方向に離間して配置された上間柱２２から下間柱２４に亘って設けられた補強材である。軸力伝達リブ４０は、上間柱２２と下間柱２４との間で、軸力を伝達する。なお、この軸力は地震時に作用する軸力である。

軸力伝達リブ４０は、上リブ４２、下リブ４４及び中央リブ４６を備えて構成されている。また、軸力伝達リブ４０は、上間柱２２及び下間柱２４を形成する鋼材と同じ鋼材を用いて形成されている。

上リブ４２は、Ｚ方向に沿って設けられ、上間柱２２における本体部２２Ｂのウェブ及びベースプレート２２Ｃに溶接されている。上リブ４２は、Ｘ方向に離間して２本（柱梁架構を正面視して２本）設けられている。また、上リブ４２は、本体部２２Ｂのウェブの両側に（すなわち、合計４本）設けられている。

下リブ４４は、Ｚ方向に沿って設けられ、下間柱２４における本体部２４Ｂのウェブ及びトッププレート２４Ｃに溶接されている。下リブ４４は、Ｘ方向に離間して２本（柱梁架構を正面視して２本）設けられている。また、下リブ４４は、本体部２４Ｂのウェブの両側に（すなわち、合計４本）設けられている。

中央リブ４６は、Ｚ方向に沿って設けられ、上間柱２２のベースプレート２２Ｃ及び下間柱２４のトッププレート２４Ｃに溶接されている。中央リブ４６は、Ｘ方向に離間して２本設けられている。

なお、上リブ４２、下リブ４４及び中央リブ４６は、Ｘ方向の位置が等しい。すなわち、上リブ４２、下リブ４４及び中央リブ４６は、それぞれが互いのＺ方向における延長線上に配置されている。

（せん断降伏部）
ベースプレート２２Ｃとトッププレート２４Ｃとの間には、せん断降伏部３０が形成されている。また、せん断降伏部３０は、２本の中央リブ４６の間に設けられている。

なお、せん断降伏部３０は、上梁１０Ａ及び下梁１０Ｂの中間の高さを含む位置（中心線ＣＬに跨る位置）に設置されている。

また、図２に示すように、せん断降伏部３０は、パネル３２と、補強材３４、３６と、を備えて構成されている。なお、図２においては、せん断降伏部３０の構成を説明するために、上間柱２２の図示は省略されている。

パネル３２は、間柱２０（上間柱２２及び下間柱２４）の軸心を通る位置において、Ｘ方向及びＺ方向（換言すると柱梁架構の面内方向）に沿って配置された板状部材であり、上間柱２２及び下間柱２４を形成する鋼材よりせん断降伏力が小さい鋼材を用いて形成されている。

また、パネル３２の上下端面は、それぞれベースプレート２２Ｃ及びトッププレート２４Ｃに溶接されている。換言すると、パネル３２は、上間柱２２の下端面と下間柱２４の上端面とに、それぞれ例えば溶接によって接合されている。パネル３２には、上梁１０Ａと下梁１０Ｂとが相対変位した際にせん断力が入力される。パネル３２は、建物の１次設計用地震力より大きい外力が生じた場合にせん断降伏する。

なお、本実施形態においては、パネル３２として、上間柱２２と下間柱２４を形成する鋼材よりせん断降伏「応力」が小さい鋼材（例えば低降伏点鋼）を用いている。しかし、本発明の実施形態はこれに限らない。

例えばパネル３２として、上間柱２２及び下間柱２４を形成する鋼材と、せん断降伏応力が等しい鋼材を使用してもよい。この場合、パネル３２の厚みを、上間柱２２及び下間柱２４を形成するＨ形鋼のウェブの厚みより薄くすることで、相対的にせん断降伏力を小さくできる。

このように、パネル３２として用いる鋼材のせん断降伏応力と、パネル３２の厚みとを調整することで、任意のせん断降伏力を得ることができる。また、パネル３２の幅（Ｘ）方向に沿う長さ）を調整することでも、任意のせん断降伏力を得ることができる。

補強材３４、３６はそれぞれ、上間柱２２及び下間柱２４を形成する鋼材よりせん断降伏力が小さく、又は、上間柱２２及び下間柱２４を形成する鋼材とせん断降伏力が同等に形成されている。また、補強材３４、３６はそれぞれ、パネル３２を形成する鋼材よりせん断降伏力が大きく形成されている。

補強材３４は、両端が２本の中央リブ４６にそれぞれ溶接され、板状に形成されている。また、補強材３４は、パネル３２におけるＺ方向の中央部において、Ｘ方向に沿って設けられ、パネル３２の一方の面と接して配置されている。

補強材３６は、上下端がベースプレート２２Ｃ（図１参照）及びトッププレート２４Ｃにそれぞれ溶接され、板状に形成されている。また、補強材３６は、パネル３２におけるＸ方向の中央部において、Ｚ方向に沿って設けられ、パネル３２の他方の面（補強材３４が接する面と反対側の面）と接して配置されている。なお、補強材３４、３６は、それぞれパネル３２に溶接や接着してもよい。

＜制振間柱の施工方法＞
間柱２０は、工場で組み立てられた部分を、現場で柱梁架構に組付けて形成される。具体的には、上間柱２２の本体部２２Ｂ、ベースプレート２２Ｃ、下間柱２４の本体部２４Ｂ、トッププレート２４Ｃ、軸力伝達リブ４０及びせん断降伏部３０で形成されたユニットＵ１を工場で組み立てておき、これを建物の建設現場へ搬入する。

建物の建設現場においては、上梁１０Ａ及び下梁１０Ｂにスラブ（不図示）が架け渡された後、上間柱２２の上端部２２Ａ及び下間柱２４の下端部２４Ａの間にユニットＵ１を配置して、このユニットＵ１を上端部２２Ａ及び下端部２４Ａへ接合する。

なお、ユニットＵ１は、スラブが架け渡される前に上端部２２Ａ及び下端部２４Ａの間に配置してもよい。この場合、ユニットＵ１と上梁１０Ａ及び下梁１０Ｂとの固定は仮固定とし、スラブの形成後、本固定（スプライスプレート（図１参照）を固定するボルトを本締め）する。

＜作用及び効果＞
本発明の実施形態に係る間柱２０によると、図１に示すように、上梁１０Ａに接合された上間柱２２と下梁１０Ｂに接合された下間柱２４との間に、せん断降伏部３０が配置されている。このため、地震時に上間柱２２と下間柱２４とが横方向（Ｘ方向）に相対変位すると、せん断降伏部３０にせん断力が作用する。

せん断降伏部３０を形成するパネル３２（図２参照）は、上間柱２２及び下間柱２４を構成する鋼材よりせん断降伏力が小さい。したがって、パネル３２が上間柱２２及び下間柱２４に先行してせん断変形し、地震エネルギーを吸収することができる。

また、間柱２０には、上間柱２２から下間柱２４に亘って軸力伝達リブ４０が設けられている。地震時には、縦揺れや横揺れによって上間柱２２及び下間柱２４に上下方向の軸力が作用するが、この軸力伝達リブ４０を介して上間柱２２と下間柱２４との間で軸力が伝達される。これにより、パネル３２に軸力が入力されることが抑制される。

したがって、パネル３２が軸力により座屈し難い。これにより、パネル３２が十分にせん断変形できるため、地震エネルギーを吸収し易い。

ここで、地震時に上梁１０Ａと下梁１０Ｂとが相対変位した際、間柱２０には曲げモーメントが作用する。上間柱２２は上梁１０Ａに剛接合され、下間柱２４は下梁１０Ｂに剛接合されている。このため、間柱２０に作用する曲げモーメントは、上梁１０Ａと下梁１０Ｂとの中間部分（中心線ＣＬの近傍）において最も小さくなる。

間柱２０においては、曲げモーメントが最も小さくなる位置（中心線ＣＬに跨る位置））に、せん断降伏部３０が配置されている。このため、せん断降伏部３０に曲げモーメントが作用しにくい。これにより、パネル３２が十分にせん断変形できるため、地震エネルギーを吸収し易い。

また、間柱２０では、建物の１次設計用地震力より大きい外力が生じた場合に、パネル３２がせん断降伏する。換言すると、建物の１次設計用地震力以下の外力によっては、パネル３２はせん断降伏しない。つまり、間柱２０に、建物の許容応力度計算によって算出された応力以下の内部応力が発生している状態では、パネル３２はせん断降伏しないで弾性を維持する。これにより間柱２０は、中小規模の地震においては耐震部材として機能し、大規模の地震においては制振部材として機能する。

また、間柱２０では、パネル３２に接して補強材３４、３６が設けられている。これにより、パネル３２が面外方向（Ｙ方向）に座屈することが抑制されている。したがって、パネル３２が十分にせん断変形できるため、地震エネルギーを吸収し易い。

このように、間柱２０では、せん断降伏部３０を設けたことにより地震エネルギーを吸収できるので、建物の柱梁架構の損傷を抑制できる。また、ダンパーなどの制振装置を用いる場合と比較して、低コストで建物の制振性能を高めることができる。

＜その他の実施形態＞
上述した実施形態においては、上間柱２２を、上端部２２Ａ、本体部２２Ｂ及びベースプレート２２Ｃで形成し、かつ、下間柱２４を、下端部２４Ａ、本体部２４Ｂ及びトッププレート２４Ｃで形成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。

例えば図４（Ａ）に示すように、上端部２２Ａ及び本体部２２Ｂに代えて、これらを一体化した本体部２２Ｄを設けてもよい。また、下端部２４Ａ及び本体部２４Ｂに代えて、これらを一体化した本体部２４Ｄを設けてもよい。

この場合、上間柱２２のベースプレート２２Ｃ、下間柱２４のトッププレート２４Ｃ、軸力伝達リブ４０の中央リブ４６及びせん断降伏部３０で形成されたユニットＵ２を工場で組み立てておき、これを建物の建設現場へ搬入する。ユニットＵ２は、本体部２２Ｄ、本体部２４Ｄ、上リブ４２及び下リブ４４と溶接される。

なお、図４（Ｂ）に示すように、本体部２２Ｄの下端部及び本体部２４Ｄの上端部には、それぞれ接合プレート２２Ｅ、２４Ｅを設けてもよい。この場合、接合プレート２２Ｅとベースプレート２２Ｃとをボルト接合し、接合プレート２４Ｅとトッププレート２４Ｃとをボルト接合すれば、現場での溶接作業を減らすことができる。

また、上述した実施形態においては、図１に示すように、上リブ４２、下リブ４４及び中央リブ４６を２本（柱梁架構を正面視して２本）設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。

例えば図５に示すように、上リブ４２、下リブ４４を１本のみ設ける構成としてもよい。この場合、中央リブ４６のうち１本（中央リブ４６Ａ）を、上間柱２２及び下間柱２４のフランジの延長線上に配置する。これにより、上間柱２２及び下間柱２４のフランジを、軸力伝達リブとして利用することができる。

また、上述した実施形態においては、上間柱２２が上梁１０Ａに剛接合され、下間柱２４が下梁１０Ｂに剛接合されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば上間柱２２及び下間柱２４の、上梁１０Ａ及び下梁１０Ｂに対する接合方法及び接合力は任意であり、接合方法及び接合力がそれぞれ異なるものとしてもよい。

この場合、間柱２０において曲げモーメントが最小となる高さ位置が変化する。具体的には、曲げモーメントが最小となる高さ位置は、接合力が小さい部分に近づく。この場合、せん断降伏部３０も適宜移動させることが好適である。

また、上述した実施形態においては、パネル３２が、建物の１次設計用地震力より大きい外力が生じた場合にせん断降伏するものとしたが、本発明の実施形態はこれに限らない。すなわち、パネル３２のせん断耐力は任意の値に設定することができる。

例えばパネル３２のせん断耐力は、建物に許容設計応力以下の外力が作用している状態において、パネル３２がせん断降伏する耐力としてもよい。これにより、せん断降伏部３０は、中小規模の地震においても、制振性能を発揮できる。

１０Ａ 上梁（上側の梁）
１０Ｂ 下梁（下側の梁）
２０ 制振間柱
２２ 上間柱
２４ 下間柱
３０ せん断降伏部
４０ 軸力伝達リブ

Claims (5)

1. 上側の梁に接合され、下端部にベースプレートを備えた鋼製の上間柱と、
   前記上間柱の下方において下側の梁に接合され、前記上間柱と離間して配置され、上端部にトッププレートを備えた鋼製の下間柱と、
   前記上間柱の下端面及び前記下間柱の上端面に接合され、前記上間柱及び前記下間柱を構成する鋼材よりせん断降伏力が小さいせん断降伏部と、
   前記ベースプレートの上方に配置された部分の下端が前記ベースプレートの上端面に溶接され、前記トッププレートの下方に配置された部分の上端が前記トッププレートの下端面に溶接され、前記ベースプレートと前記トッププレートの間に配置された部分の上端が前記ベースプレートの下端面に溶接され、前記ベースプレートと前記トッププレートの間に配置された部分の下端が前記トッププレートの上端面に溶接されて、前記ベースプレートの上方から前記トッププレートの下方に亘って、前記上間柱及び前記下間柱のフランジと平行に設けられ、前記上間柱に作用する軸力を前記下間柱へ伝達する軸力伝達リブと、
   を有し、
   前記ベースプレートの上方に配置された部分は、前記上間柱のウェブに上下方向に沿って溶接され、
   前記トッププレートの下方に配置された部分は、前記下間柱のウェブに上下方向に沿って溶接された、
   制振間柱。
2. 前記軸力伝達リブは、
   前記ベースプレートの上方に配置された部分として、２本の上リブと、
   前記トッププレートの下方に配置された部分として、２本の下リブと、
   前記ベースプレートと前記トッププレートの間に配置された部分として、前記上間柱の下端面及び前記下間柱の上端面に溶接された２本の中央リブと、
   を備え、
   前記せん断降伏部は、
   前記２本の中央リブ間に設けられている、
   請求項１に記載の制振間柱。
3. 前記せん断降伏部は、
   前記梁を含む柱梁架構の面内方向に沿う板状のパネルと、
   前記パネルの一方の面に接して配置された横方向に沿う第一補強材と、
   前記パネルの他方の面に接して配置された上下方向に沿う第二補強材と、
   を備えた、
   請求項１に記載の制振間柱。
4. 前記上間柱は前記上側の梁に剛接合され、
   前記下間柱は前記下側の梁に剛接合され、
   前記せん断降伏部は、前記上側の梁及び前記下側の梁の中間の高さを含む位置に設置されている、
   請求項１に記載の制振間柱。
5. 前記せん断降伏部は、建物の１次設計用地震力より大きい外力が生じた場合にせん断降伏する、請求項１又は２に記載の制振間柱。