JP5558071B2 - 架構の補強構造 - Google Patents

Description

本発明は柱と梁との接合部を剛接合とした架構の補強構造に関するものである。

従来から、鉄骨造の建物において柱と梁の接合部をピン接合としにこの接合部の近傍に方杖材を付加して地震等の水平力に抵抗するように構成することが行われてきた。
例えば特許文献１には、天井裏空間内において、建物の柱と梁の接合部の近傍にて、柱の中途部と梁の中途部とを方杖材により連結し、柱と梁との接合部並びに方杖材によって接合された部分とからなる柱梁接合部周りの全体を剛接合とした構成が開示されている。
かかる構成によれば、柱と梁との接合部を比較的簡易なピン接合とすることができるので、施工性の向上を図ることができるものとなっている。

特開２００１−３２９６１１号公報

しかしながら、上記特許文献１の構成においては、梁と方杖材のなす角（劣角）を４５度以下とし、梁に対し寝かせた姿勢で方杖材が設けられているため、当該方杖材は、梁連結側の端部を柱に対し相対的に梁のスパン中央方向に突出させるものとなっている。ところで、当該方杖材を設ける位置には、方杖材が存在するがゆえに梁の直下まで窓や扉等を設けることは意匠設計上通常は避けられる。
このため、上述の如く柱から比較的離間した位置まで方杖材が存在する上記特許文献１の構成では、窓や扉等の建具を柱に近づけた状態で設けることが難しく、これによって、当該方杖材を設ける柱梁周りの設計の自由度が著しく低下してしまうという問題がある。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決し、柱梁周りの設計自由度を可及的確保した状態で当該柱梁の接合部に方杖材を設けることができる架構の補強構造を提供することを目的とするものである。

上記課題解決のための具体的手段として、本願発明は、
（１）梁と柱とを接合して形成される柱梁接合部の近傍に、前記梁と柱とに亘って方杖材を架設して補強された架構の補強構造であって、
前記柱は角形鋼管からなり、前記梁との接合部の全てに対応して前記方杖材との接合用のボルト孔が予め設けられており、
前記方杖材は、前記ボルト孔を利用してボルト接合されており、
前記梁と前記方杖材のなす角度（劣角）を４５度より大きくして前記方杖材を前記梁に対して立ち上げた状態で設けたことを特徴としている。
これによれば、柱に対する方杖材の梁スパン方向への突出量を可及的抑制することができ、これによって柱の近傍まで窓や建具を設けることができるものとなる。また、梁の下方に天井板を設ける場合には、当該梁と天井板との間に天井裏空間が形成されることとなるが、当該天井裏空間にて方杖材及び方杖材と柱との間の懐部の占有領域は可及的低減され、これによって、天井裏空間での設備配管の配管計画の自由度を向上させることもできる。

（２）また、前記梁と柱とが剛接合又は半剛接合で接合されることで前記柱梁接合部が形成されていることが好ましい。
これによれば、柱と梁とを剛接合又は半剛接合により接合して柱梁接合部を形成するため、同等の柱・梁をピン接合とした柱梁接合部に方杖材を設置した構造より、地震力や風などの水平力に対する建物の剛性が高く、地震や暴風時の層間変形を抑えることができる。また、かかる剛接合又は半剛接合により形成される柱梁接合部に上述の如く方杖材を立ち上げた状態で取り付けることで梁に対する補剛効果を高めた上に梁と柱の接合強度も向上することとなり、その結果、当該梁の強度の向上が図られるものとなる。

（３）また、前記方杖材は、前記柱、梁及び柱梁接合部に作用する荷重によるエネルギーを吸収するダンパーであることが好ましい。
これによれば、方杖材がエネルギーを吸収するダンパーとして機能することとなり、揺れの初期段階から効率よくエネルギーを吸収するので、建物の最大変形を抑え、損傷を小さくできる。
（４）また、前記方杖材を形成するダンパーは、低降伏点鋼を用いて形成されていることが好ましい。
これによれば、方杖材が低降伏点鋼からなるダンパーであるため、ゴムや樹脂等の粘弾性体と異なり、温度により性能が変化することなく、時間的安定性および耐久性も極めて高い。したがって、温度変化や時間経過（経年劣化）によらず、ラーメン構造の耐震性を安定的に発揮させることができる。

本発明によれば、柱梁周りの設計自由度を可及的確保した状態で当該柱梁の接合部に方杖材を設けることができる

ラーメン構造体の平面的グリッド構成を示す図である。 ラーメン構造体の全体構成を示す斜視図である。 ラーメン構造体を構成する柱と大梁の接合状態を示す図である。 ラーメン構造体を構成する柱と大梁の接合状態を示す図である。 ダンパーの構成を示す図である。 ダンパーを付加した状態の柱と大梁の接合部を示す図である。 （ａ）は方杖材と取り付けた架構のモデル図、（ｂ）は当該方杖材の取付け角度による架構の剛性比の変化を示す図である。

次に、本発明の最も好ましい実施形態について図を参照して具体的に説明する。本実施形態は、鉄骨造３階建ての架構を有する工業化住宅における補強構造の例であり、図１は架構の平面的グリッド構成を示す図、図２は架構の全体構成を示す斜視図、図３、図４は架構を構成する柱と大梁の接合状態を示す図、図５はダンパーの構成を示す図、図６はダンパーを付加した状態の柱と大梁の接合部を示す図である。図７は本発明に係る柱梁接合部周りにおける方杖材の取り付け角度と当該方杖材を備える架構の剛性比との関係を示す図である。

図１、２に示すように、住宅Ａは、妻方向が２スパンで合計６つの平面グリッドからなる３層の架構からなる。図２に示すように、住宅Ａの架構は、１層から３層まで連続した通し柱形式の複数の柱１と、各階層において隣接する柱１どうしを連結する複数の大梁２（梁）と、大梁２の直下に格子状に形成された鉄筋コンクリート造の基礎３とで構成されている。なお、柱脚部は特開平０１−２０３５２２号公報に開示された露出型固定柱脚工法にて基礎に接合されている。
この架構を構築したのち、相対する大梁２の間に小梁を適宜架け渡した上でＡＬＣ（軽量気泡コンクリート）からなる床パネルを梁の上フランジに載置して床が構成され、外周部の大梁２にＡＬＣからなる壁パネルを取り付けることによって外壁が構成されて住宅Ａの躯体が完成する。

図３、図４に示すように、柱１は、外形寸法が１５０ｍｍ角の角形鋼管からなる通し柱となっており、柱脚プレート１ａの接合部から中途部分に形成された柱・柱接合部１ｂまでの部分である下部柱１ｃは、２２ｍｍの肉厚を有する横断面内に溶接による継目が存在しない角型鋼管であり、長さ方向についても、柱部材を長さ方向に連結する節を有することなく構成されている。下部柱１ｃの上端部に連結されて上部の柱を構成する上部柱１ｄは、外形寸法が下部柱１ｃと同一の１５０ｍｍ角ではあるが、下部柱１ｃよりも薄い４．５ｍｍ〜６．０ｍｍの肉厚を有する角形鋼管で構成されている。

柱１は、各階層の標準的な階高（大梁上端面間の離間寸法）が２８７０ｍｍとなるように大梁２の接合高さ位置が設定されており、当該高さ位置にて、柱１の各面には大梁２のエンドプレート２ｄの孔２ｅに対応する孔１ｆが複数個連続して穿たれており、これによって各階の大梁２を受ける梁受け部１ｅが形成されている。なお、各孔１ｆの内壁には、ネジが切られている。
梁受け部１ｅは、大梁２の孔２ｅと同様に、上部２段と最下段の計６個の孔１ｆが、大梁２と接合するボルト４を螺入する孔であり、下から２段目の孔２個は位置合わせ用の孔である。柱・柱接合部１ｂは、特開平６−１８００２６号公報、特開平８−６０７４０号公報等に記載された公知の接合部構造によって３階の大梁２との梁受け部１ｅの上方に形成されている。

柱1の各面において、２階の大梁２を受ける梁受け部１ｅから下方向及び上方向に所定寸法離間した位置と、３階の大梁２を受ける梁受け部１ｅの下方向に所定方向離隔した位置には、後述するダンパー（方杖材）５をボルト接合する為の複数のボルト孔が穿たれてダンパー５を受けるダンパー受け部１ｇが形成されている。下部柱１ｃはシームレスパイプで構成されているのでダンパー受け部１ｇはボルト孔を穿設するだけで容易に形成することができ接合の高さを自由に設定することができる。なお、各ボルト孔の内壁には、ネジが切られている。
このように、柱１のうち下部柱１ｂを横断面内に溶接による継目が存在しないシームレスパイプで構成したので、ダンパー５を受ける受け部として柱の所定位置にジョイントボックス等を溶接する必要がなく、溶接欠陥によって性能が低下する可能性がない。従って、耐震性能に対する柱１の信頼性を高めることができる。また、シームレスパイプで構成された範囲内においては、柱１の側面の任意の位置にボルト孔を設けるだけでダンパー５を接合することができるので、ダンパー５の接合高さの設定を、住宅Ａに求められる構造耐力や有効な室内空間の広さ等に応じて容易に変更できる。

図３に示すごとく、大梁２は、一対のフランジ２ａ、２ｂをウェブ２ｃによって連結して形成されるＨ形鋼からなり、全ての階層における全ての大梁２は、梁成が２５０ｍｍ、上下のフランジ２ａ、２ｂの幅が１２５ｍｍ、厚みが９ｍｍ、ウェブ２ｃの厚みが６ｍｍに統一されている。
大梁２の各端部には、柱１に接合されるエンドプレート２ｄが溶接により取り付けられている。該エンドプレート２ｄは、所定の厚さを有する平板状に形成されており、該エンドプレートには、横方向に中心から左右対称に２列、縦方向に等間隔に４段、同一径の孔２ｅが計８箇所穿たれている。孔２ｅのうち上部２段と最下段の計６個の孔が柱１との接合に使用するボルト４を挿通する為の孔である。
なお、下から２段目の孔２個は柱１に大梁２を取り付ける接合作業の際、「シノ」と称する挿嵌部材を挿し込んで位置合わせを行う為の孔であり、これら柱１と大梁２との接合には使用しない。このように柱１の梁受け部１ｅに大梁２のエンドプレート２ｄが重ね合わされ、これらを上述の如くボルト締結することにより、柱梁接合部Ｂが形成される。

当該柱梁接合部Ｂは、大梁２端部のエンドプレート２ｄを柱１に高力ボルト４により締結する剛接合であり、また、荷重作用時に被接合材である大梁２及び柱１が塑性域に達するまで破断しない保有耐力接合として構成されている。
詳述すると、柱と梁との接合部を剛接合とする場合、梁は地震発生時に躯体に作用する地震エネルギーを塑性変形により吸収する構造要素となることが期待されている。大きな地震動を受けている間に亘って梁の塑性化によるエネルギー吸収機構を保持するためには、当該梁を保持する柱との接合部である梁両端の柱梁接合部が破断してはならない。このように、梁の塑性変形能を充分に発揮させるべく、梁の塑性変形よりも先に柱梁接合部を破断させない接合状態を保有耐力接合という。

ここで、柱梁接合部を保有耐力接合とするためには、柱と梁との接合方法はもちろん、梁や柱の鋼材の材質や強度など多くの点が設計と関係するが、柱梁接合部の耐力に関しては、当該柱梁接合部の最大曲げ耐力が、梁の梁端部に作用する最大曲げモーメントを上回ることがもっとも主要な条件となる。
そこで、梁の終局耐力をその全塑性モーメントで評価すると、柱梁接合部の必要曲げ耐力は以下の式で規定される。

また、大梁２の上下フランジ２ａ、２ｂには、各種部材をボルト固定する為の孔群２ａ１、２ｂ１が柱１に接合した状態でモジュールに基づく基準線を中心にして穿たれている。この構成は寸法も含め全ての階層の全ての大梁２に共通している。

図５に示すダンパー５は、低降伏点鋼からなる芯部材５ａと、該芯部材５ａに圧縮力を作用させた際の座屈を防止する為の座屈防止部材５ｂとからなる。
芯部材５ａは、矩形断面を有する扁平で長尺な棒板状の本体５ａ１と、該本体５ａ１の一端に溶接され大梁２のフランジ２ｂに接合される平板状の第１座部５ａ２と、該本体５ａ１の他端に溶接されて柱１のダンパー受け部１ｇに接合される平板状の第２座部５ａ３とを備えている。
座屈防止部材５ｂは、一般構造用圧延鋼材からなる一対の平板５ｂ１の間に一対の側板５ｂ２を挟みこんで断面ロ字状とし、これらをボルト５ｂ３により締結して構成され、当該座屈防止部材５ｂの中央の空隙部分に芯部材５ａの本体５ａ１が配されている。座屈防止部材５ｂの一対の平板５ｂ１の間隔は芯部材５ａの厚さよりも僅かに大きいものとされると共に、一対の側板５ｂ２の間隔は芯部材５ａの幅よりも僅かに大きく形成されている。
これにより、座屈防止部材５ｂによって芯部材５ａは弱軸まわりの面外曲げが規制され、芯部材５ａの座屈が規制されることとなっている。この結果、ダンパー５は引張力とともに圧縮力をも負担することができ、正負いずれの水平力に対しても抵抗することができるものとなっている。

図６に示すように、ダンパー５は方杖型であり、第１座部５ａ２が大梁２の下フランジ２ｂの孔群２ｂ１周りにボルトにより締結され、第２座部５ａ３が柱１のダンパー受け部１ｇにボルトにより締結されており、これによってダンパー５は、大梁２と柱１に亘って架設されている。大梁２に対しては、該大梁２の下フランジ２ｂにモジュールに基づいて設けられた複数の孔群のうち、柱１の配置の基準となる基準線（通り芯）から３０５ｍｍ（モジュールの１倍）の位置にある孔群２ｂ１を利用してボルト接合されている。本実施例においてダンパー５は、図６に示すごとく柱１と大梁２に接合した状態でダンパー５の中心線Ｙ１と大梁２の長手方向の中心線Ｘ１とのなす角（劣角）θが少なくとも４５度以上とされており、ダンパー５の部材の厚さ等も考慮すると、当該劣角は４５度〜８０度の範囲が好ましく、より詳しくは６５度〜７５度の範囲がさらに好ましい。本実施形態においては、当該なす角度θは７０度に設定されている。

また、上述の如くダンパー５の取り付け角度の設定については、当該建物の柱や梁の通り芯からモジュールの整数倍の位置にダンパー受け部１ｇや上記孔群２ｂ１を設けることで適宜変更することができる。例えば、大梁２との接合位置を固定してダンパー５とのダンパー受け部１ｇを大梁２との接合部から離隔させていくと大梁２の長手方向とのなす角度が直角に近づいていき、大梁２の補剛効果を高めることが可能となっている。
また、１本の柱１に対してダンパー５が取付け可能な位置（レベル）は、２階の大梁２のレベルにあっては大梁２の上下フランジ２ａ、２ｂであり、３階の大梁２のレベルでは下フランジ２ｂであり、夫々のレベルで４面（Ｘ、Ｙ夫々の方向について２ヶずつ）取り付けることが可能である。
このように、柱梁接合部Ｂの近傍にダンパー５を設けることにより、本実施形態の架構Ｃが構成される。

また、図６に示す如く、当該大梁２には、図示しない支持部材を介して天井板６が懸下されている。
当該天井板の高さ位置は、大梁２からみてダンパー５の柱１との連結位置よりも近く、これによって、ダンパー５は、上部が天井板６と大梁２との間に形成される天井裏空間７に位置し、残りの下部が天井板６下方の居室８に露出することとなる。
上記構成によれば、想定される大地震の発生においては、架構に作用する水平力をダンパー５が負担し、ダンパー５が塑性変形域に達して変形することでエネルギーを吸収し、これによって地震に耐えるものとなっている。

そして、ごくまれに発生する巨大地震により想定を超える水平力が作用した場合、柱梁接合部Ｂに先行して、先ず、上記と同様にダンパー５が塑性変形域に達し、その後、更に大きな水平力が作用することでダンパー５が破断等して耐力要素として機能しなくなったとしても、柱梁接合部Ｂは、被接合材である柱１及び大梁２の全塑性耐力を上回る保有耐力接合により形成されているので、柱１や大梁２の塑性化に伴うエネルギー吸収過程においてこれら柱１や大梁２に先行して壊れてしまうことはなく、当該柱１や大梁２の塑性化によるエネルギー吸収能を発揮させることができる。のみならず、柱梁接合部Bの破壊を防止することで架構全体の倒壊が回避されることとなるのである。
このように、本実施形態により、地震の規模や特性の不確実性に対して、冗長性の高い架構Ｃが形成されるものとなる。

また、本実施形態においては、柱梁接合部Ｂを形成する大梁２のエンドプレート２ｄに最も近い位置の孔群２ｂ１にダンパーが取り付けられ、且つ、当該ダンパー５が大梁２に対して相対的に起立させた状態で取り付けられているので、柱梁接合部Ｂから大梁２のスパン中央方向に向けてのダンパー５の突出量が著しく小さいものとなる一方、大梁２においては、柱梁接合部Ｂからみて上記孔群２ｂ１以遠としてダンパー５との連結部を不存在とするスパン中央領域２ｃ１を相対的に梁柱接合部Ｂに近接させるものとなる。
これにより、上階と下階の大梁２間をダンパー５などの構造部材を不存在として、窓や扉等の建具を設置可能な領域を柱梁接合部Ｂに近接した位置まで設定可能となり、この結果、大梁２と柱１に亘ってダンパー５を設ける柱梁接合部Ｂであるにも拘わらず、当該柱梁接合部Ｂまわりの設計の自由度は保たれるものとなるのである。

また、天井裏空間７においても、ダンパー５の設置のための空間が相対的に柱梁接合部Ｂから孔群２ｂ１辺りまでを設定すればよく、これによって天井裏空間７の残余の空間を配管等の設置空間に設定可能となって、配管設計の自由度も向上するものとなる。
また、構造的に見ても、ダンパー５と大梁２の間のなす角θを７０度とし、大梁２に対してダンパー５を相対的に起立させた状態で取り付けられているので、ダンパー５による大梁２の補剛効果が著しく高められ、この結果、架構Ｃ全体の補剛性が向上するものとなるのである。

かかる点につき、図７には、上記実施例のダンパーに相当する方杖材５’の取付け角度と当該方杖材５’を備える架構Ｃの剛性比との関係が示されている。
当該図７（ａ）のモデルを用いて解析を行っており、当該モデルにおいては、階高２.９ｍ、スパン５.５ｍｍの１層１スパンの架構であって、且つ、柱１として角形鋼管柱□１５０―９ｍｍを採用すると共に大梁２としてＨ２５０−１２５−６−９のＨ型鋼を採用し、さらに、幅８０ｍｍ厚さ１０ｍｍの矩形断面とした方杖材を設置した構成が実施例として仮定されている。

なお、柱と大梁とは剛接合であって、方杖材と梁柱とはピン接合を仮定している。
また、上記大梁２と柱１による架構であって方杖材を設けない構成を比較例とし、当該比較例に対する実施例の剛性比が導出されている。
当該モデルを用いた結果が図７（ｂ）に示されており、当該図７（ｂ）においては、横軸が方杖材５’と梁のなす角度（劣角）αであって、縦軸が実施例の剛性比とされており、当該角度αを変化させることによって剛性比がどのように変化するかがグラフにより示されている。
なお、方杖材５’と大梁２との連結位置を固定し、方杖材５’と柱１との連結位置を移動させることで角度を変化させているので、方杖材５’の長さが角度に比例して長くなるものとなっている。

当該図７に示される通り、大梁２と方杖材５’の間のなす角度αが４５度以下は、略角度と比例して剛性が上昇するが、４５度を超えると、補剛効果が非線形に急増しており、当該なす角度を４５度より大きく設定することにより、方杖材５’はより効果的に架構Ｃを補剛するものとなるといえる。
もちろん、本実施形態においては、ダンパー５を不存在とする一般的な架構に比べて大梁２に作用する最大の曲げモーメントを小さくすることができ、しかもそれを大梁２の柱１との連結部分ではなく母材部分に作用させることができるので構造耐力上有利となる。例えばスパンが４２７０ｍｍの場合、大梁２に作用する曲げモーメントはダンパー５接合部で最大となりその値はダンパー５を設置しない状態での２階の大梁２の端部に作用する曲げモーメントの凡そ８９％となる。

また、ダンパー５は、低降伏点鋼を用いて形成されているため、ゴムや樹脂等の粘弾性体によりかかるダンパー５を形成する場合と異なり、温度や経年により性能が変化することなく、時間的安定性および耐久性も極めて高い。したがって、温度変化や時間経過（経年劣化）によらず、建物全体の構造躯体としての耐震性を安定的に発揮させることができる。
なお、必要に応じて３階の大梁２のレベルにおいて上フランジ２ａに取り付け可能にしてもよいし、Ｒ階の大梁２のレベルにおいて下フランジ２ｂに取り付け可能としてもよい。この場合、柱１の全てを長さ方向に継ぎ目のない１本のシームレスパイプで構成するのが好ましい。
また、純鉄骨造以外に鋼管柱にセメントミルクを充填したCFT造や鉄骨鉄筋コンクリート造にも適用可能である。また、本発明の構成は、柱と梁の接合部を半剛接合する構成においても、採用可能である。

Ａ…住宅
Ｂ…柱梁接合部
Ｃ…架構
１…柱
１ａ…柱脚プレート
１ｂ…柱・柱接合部
１ｃ…下部柱
１ｄ…上部柱
１ｅ…大梁との接合部
１ｆ…孔
１ｇ…ダンパー受け部
２…大梁（梁）
２ａ…上フランジ
２ａ１…孔群
２ｂ…下フランジ
２ｂ１…孔群
２ｃ…ウェブ
２ｄ…エンドプレート
２ｅ…孔
３…基礎
４…ボルト
５…ダンパー（方杖材）
５ａ…芯部材
５ａ１…本体
５ａ２…第１座部
５ａ３…第２座部
５ｂ…座屈防止部材
５ｂ１…平板
５ｂ２…側板
５ｂ３…ボルト
６…天井板
７…天井裏空間
８…居室

Claims (4)

1. 梁と柱とを接合して形成される柱梁接合部の近傍に、前記梁と柱とに亘って方杖材を架設して補強された架構の補強構造であって、
   前記柱は角形鋼管からなり、前記梁との接合部の全てに対応して前記方杖材との接合用のボルト孔が予め設けられており、
   前記方杖材は、前記ボルト孔を利用してボルト接合されており、
   前記梁と前記方杖材のなす角度を４５度より大きくして前記方杖材を前記梁に対して立ち上げた状態で設けたことを特徴とする架構の補強構造。
2. 前記梁と柱とが剛接合又は半剛接合で接合されることで前記柱梁接合部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の架構の補強構造。
3. 前記方杖材は、前記柱、梁及び柱梁接合部に作用する荷重によるエネルギーを吸収するダンパーである
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の架構の補強構造。
4. 前記方杖材を形成するダンパーは、低降伏点鋼を用いて形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の架構の補強構造。