JP7134000B2

JP7134000B2 - 傾斜した吊り天井構造

Info

Publication number: JP7134000B2
Application number: JP2018124450A
Authority: JP
Inventors: 和久山里
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: JP2020002686A

Description

本発明は、傾斜した吊り天井構造に関するものである。

従来から、学校やオフィス等の建物の天井として、吊り天井が広く採用されている。吊り天井では、天井下地が吊りボルトで上部構造に支持され、天井材が天井下地に固定されている。

吊り天井は、耐震ブレースのような水平方向に拘束するものがなければ、地震時に発生する慣性力により、振り子運動に類似した挙動となるため、共振域では振動が増幅され、吊り天井が周囲の壁や設備等と衝突して破損脱落する虞があった。

そこで、一般的には、吊り天井に水平方向の挙動を拘束するために耐震ブレース（下記の特許文献１）を設置する方法や、躯体と一体的に挙動できるように鋼材で組まれた部材（いわゆるぶどう棚）に天井板を直付けする方法が採用されている。

特開２０１６－２１１１７７号公報

しかしながら、躯体と一体的に挙動できるように鋼材で組まれた部材に天井板を直付けする方法は、部材が多く、また重いため、荷重増に対して既存建物の天井耐震改修の場合は躯体が負担できないこともあり、可能だとしてもコストが嵩むという問題点がある。

また、吊り天井に水平方向の挙動を拘束するためにブレースを設置する方法は、水平に設置された吊り天井であれば、天井板の面内方向（天井材の板面に沿う方向）の挙動が主となるため面内方向に高い剛性を有する天井板は剛床として挙動する。しかし、天井が傾斜した場合は、地震により発生する慣性力が天井板の面外方向（天井材の板面と交差する方向）にも働くため、面内方向と比較して剛性が極端に低い面外方向に変形し、不安定な挙動を制御することが困難であるという問題点がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、地震時に天井材の挙動を制御可能な傾斜した吊り天井構造を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る傾斜した吊り天井構造は、天井面を形成する天井材が固定される天井下地と、該天井下地を上部構造体から支持する吊りボルトと、地震により発生する水平方向の慣性力を負担するブレースと、地震時に前記天井材に水平力が作用した際に、前記吊りボルトに生じる圧縮力に抗する補剛材と、を備え、設計時に想定される水平力をＱとし、前記天井面の傾斜角度がθの天井をｎ本の前記吊りボルトで支持したときのｉ番目の前記吊りボルト１本が負担する鉛直力は、βｉ・Ｑ・ｔａｎθ（ただし、β１＋β２＋・・・＋βｎ＝１）となり、前記補剛材は、前記吊りボルト１本が負担する鉛直力に抗する強度で配置されていることを特徴とする。

このように構成された傾斜した吊り天井構造では、地震時に、天井材に水平方向の力が作用すると、吊りボルトが鉛直方向の引張力に抗するとともに、補剛材が鉛直方向の圧縮力に抗する。これにより、当該力が天井材の板面に沿う面内方向の力と鉛直方向の力とに分散される。このため、耐震ブレースで挙動を拘束する部位に剛床として力を伝える面内方向の力が働くことになり、天井材全体が水平方向に安定して挙動することに貢献する。

また、本発明に係る傾斜した吊り天井構造は、前記補剛材は、前記吊りボルトのみに連結されていることが好ましい。

本発明に係る傾斜した吊り天井構造によれば、地震時に天井材の挙動を制御することができる。

本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造を示す図である。本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造に作用する力を説明する図である。本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造に作用する力を説明する図である。本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造を用いて行った野縁受け方向への水平加力ユニット試験の実験装置を示す平面図である。図４のＸ１－Ｘ１線野視図である。本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造を用いて行った野縁方向への水平加力ユニット試験の実験装置を示す平面図である。図６のＸ２－Ｘ２線野視図である。図６のＹ２－Ｙ２線野視図である。本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造の吊り部材を用いて行った座屈耐力試験の実験装置を示す図である。本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造の吊り部材（支持部材有り）を用いて行った座屈耐力試験の試験結果を示すグラフである。

本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る傾斜した吊り天井構造を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る傾斜した吊り天井構造１００は、上階の床等の上部構造体１と、天井下地２と、天井材３と、ブレース４と、吊り部材５と、を備えている。

天井下地２は、複数の野縁２１と、複数の野縁受け２２と、を有している。複数の野縁２１は、水平方向の一方向に所定の間隔を有して配置されている。複数の野縁受け２２は、野縁２１に直交する水平の他方向に所定の間隔を有して配置され、複数の野縁２１上に設けられている。

天井材３は、平板状に形成され、天井下地２の野縁２１に固定されている。天井材３は、水平面に対して約３０°以下の傾斜角度をなして配置されている。天井材３の下面は、天井面３１をなしている。

ブレース４は、水平面に対して傾斜して配置されている。一対のブレース４が略Ｖ字状に配置されている。なお、ブレース４の水平面に対する傾斜角度は、４５～６０°が好ましい。

ブレース４の上端部は、ブレース上部取付具４１を介して上部構造体１に固定されている。ブレース４の下端部は、ブレース下部取付具４２を介して天井下地２に固定されている。

ブレース上部取付具４１は、上部が上部構造体１に固定されているとともに、下部にブレース４が固定されている。ブレース上部取付具４１により、ブレース４を取り付ける際に、ブレース４の傾斜角度を調整可能とされている。

ブレース下部取付具４２は、上部に一対のブレース４が固定されているとともに、下部が天井材３に固定されている。

ブレース下部取付具４２の下端部には、上方に凹む嵌合凹部４２ａが設けられている。嵌合凹部４２ａに天井下地２の野縁２１が嵌合可能とされている。

吊り部材５は、補剛材５０と、吊りボルト６０と、を有している。吊り部材５は、水平方向に間隔を有して複数設置されている。

補剛材５０は、鉛直方向に延び、管状に形成されている。本実施形態では、補剛材５０は、角パイプで構成されている。

吊りボルト６０は、補剛材５０の内部に挿通されている。補剛材５０の上部及び下部には、ワッシャー等を介してナット６１が締め付けられ、補剛材５０と吊りボルト６０とが連結されている。

吊りボルト６０の上下端部は、補剛材５０の上下端部からそれぞれ上方及び下方に突出している。吊りボルト６０の上端部は、上部構造体１に固定されている。吊りボルト６０の下端部は、吊り部材接続用金具６３を介して天井下地２の野縁受け２２等に接続されている。

吊りボルト６０は、所定の引張耐力を有している。補剛材５０は、地震時に天井材３に水平力が作用した際に、吊りボルト６０に生じる圧縮力に抗する。

このように構成された傾斜した吊り天井構造１００では、地震時に、天井材３に水平方向の力が作用すると、吊りボルト６０が鉛直方向の引張力に抗するとともに、補剛材５０が鉛直方向の圧縮力に抗する。これにより、当該力が面内方向の力と鉛直方向の力とに分散される。このため、ブレース７で挙動を拘束する部位に剛床として力を伝える面内方向の力が働くことになり、天井材３全体が水平方向に安定して挙動することに貢献する。

また、補剛材５０は吊りボルト６０の近傍に設けられているため、吊りボルト６０の圧縮方向の剛性を確実に与えることができる。

また、補剛材５０と吊りボルト６０とは連結されて一体とされているため、吊りボルト６０が圧縮力により座屈することが確実に抑制される。

また、ブレース４の下端部が連結されるブレース下部取付具４２には、天井下地２の野縁２１を嵌合可能な嵌合凹部４２ａが形成されている。よって、ブレース４を野縁２１に直接固定する場合よりも、野縁２１等の部材の位置の制約を受けずにブレース４を設置することができる。

（計算結果、静的加力試験結果）
次に、上記の傾斜した吊り天井構造の計算結果、静的加力試験結果について説明する。
図２、図３は、傾斜した吊り天井構造に作用する力を説明する図である。
図２に示すように、天井勾配θ＝水平面に対して０～３０°として、ブレースの設置角度α＝水平面に対して４５～６０°、鉛直方向の軸力を負担できる座屈補強した吊材（本実施形態の吊り部材）を任意の本数、位置に設置するモデルを考える。

天井面全体がa方向に水平移動するように水平方向に水平力Ｑ_０を加力した場合、天井面での水平方向の反力はＶ字状をなすブレースの下端部にのみ生じ、天井板（本実施形態の天井材）には剛性の高い面内方向に力が伝達される。吊材に鉛直方向の軸力が発生する。吊材の本数及び位置で定まる任意の係数をβとすると、図２に示すように力が作用する。なお、β_１＋β_２＋・・・β_ｎ＝１となる。

また、補剛材により鉛直方向の圧縮力に抗するが、一定の軸剛性により微少な鉛直方向の変位を生じるため、水平加力に対し変位分の位置エネルギーを持つことになる。この位置エネルギーに変換される分の水平力をωとして、その他の水平力をＱとすると、Ｑ＝Ｑ_０－ωとなる。

水平力Ｑを天井面に加力することに対して、各ブレースが負担する軸力Ａ，Ｂについての関係は、図３及び下記の式（１），（２）に示す通りである。

式（１）より、軸力Ｂは下記の式（３）のようになる。

式（３）を式（２）に代入すると、下記の式（４）のようになる。

式（４）を式（３）に代入すると、下記の式（５）のようになる。

天井面が水平な状態（θ＝０）で座屈する水平荷重をＱ_ｆとし、傾斜角θの天井について加力方向aで座屈する水平荷重をＱ_θａ、加力方向ｂで座屈する水平荷重をＱ_θｂとすれば、ブレース座屈は、端部固定条件と部材の断面性能と長さが変わらなければ軸力に比例するため、下記の式（６），（７）のようになる。

天井面が水平な状態（θ＝０）で座屈する水平荷重Ｑ_ｆについて、ブレース鉛直長さ１５００ｍｍ、ブレース設置角度６０°の場合についての試験結果を、表１に示す。

上記試験結果から、天井勾配１０°，２０°，３０°でのブレース座屈を生じる水平荷重値を、式（６），（７）を用いて表１から計算した結果を、表２に示す。

天井勾配１０°，２０°，３０°で実施した静的加力試験の結果を、表３に示す。

表１～表３に示す通り、計算による推定値と試験結果とは、微少な鉛直方向への挙動に伴う水平加力の損失分ωを考慮すると、ブレースの座屈荷重はほぼ一致する。

ブレースの剛性について、ブレースの仕様、長さ、設置角度を揃え、天井勾配を０°（水平），１０°，２０°，３０°に設定し、水平方向に加力した静的加力試験での初期剛性値の試験結果をまとめると、表４に示す通り、天井傾斜によらず、ほぼ一定の数値となる。

次に、上記で行った静的加力試験について説明する。
図４は、傾斜した吊り天井構造を用いて行った野縁受け方向への水平加力ユニット試験の実験装置を示す平面図である。図５は、図４のＸ１－Ｘ１線野視図である。図６は、傾斜した吊り天井構造を用いて行った野縁方向への水平加力ユニット試験の実験装置を示す平面図である。図７は、図６のＸ２－Ｘ２線野視図である。図８は、図６のＹ２－Ｙ２線野視図である。
図４から図８に示すように、幅５．６ｍ、奥行４．８ｍ、高さ３．７ｍの油圧式加力試験機を用いて、傾斜した吊り天井構造の試験体の静的加力試験を行った。天井支持構造部材の設定角度は水平であり、天井面の傾斜角度を１０°，２０°，３０°に変更して行った。

（座屈耐力試験）
次に、上記の傾斜した吊り天井構造の（補剛材と吊りボルトとを備える）吊り部材の軸圧縮方向への一方向加力試験について説明する。
図９に、吊り部材を用いて行った座屈耐力試験の実験装置を示す。
吊り部材の長さ（支点間距離）は、３，０００ｍｍとし、吊りボルトは軟鋼Ｗ３／８（ＪＩＳ規格品）、補剛材は角型鋼管１９×１９×１．２ｍｍ、ナットはＷ３／８及び平ワッシャーを使用した。

地震動による水平方向の慣性力により発生する軸圧縮力を加える静的加力試験として、鉛直震度１．０（上向き）を想定として、試験体（本実施形態の吊り部材）の延在方向を水平方向に設置した。
また、試験体は鉛直下向きに重力の影響を受けるため、試験体の中央付近に水平方向に自由にスライドする支持部材を設置した。

試験結果は、図１０に示すように、０．４ｋＮ程度までの軸方向への変位は計測限度として小数点以下１６位まで０であり、材軸方向への加力を続けると、試験体中央付近を頂点に座屈した。

吊り部材は、１ｍ^２に１本以上配置されることから、天井の単位面積質量が２５ｋｇ／ｍ^２として、地震により水平方向に２．２Ｇの加速度を生じた場合の吊り部材１本が負担する鉛直力Ｐ_ｈは、天井の傾斜角度が３０°の場合に下記の式（８）となる。

図１０に示すように、軸力が０．４ｋＮまでは、材軸方向の変位量はほとんどない弾性範囲であるため、それより小さい０．３１ｋＮの軸力を負担することになる。鉛直震度１．０、水平震度２．２の条件であれば、天井面の鉛直方向の挙動を制御するのに十分な軸剛性を有するものと考える。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記に示す実施形態では、ブレース４はブレース上部取付具４１及びブレース下部取付具４２を介してそれぞれ上部構造体１及び天井下地２に固定されているが、本発明はこれに限られない。ブレース４が、上部構造体１及び天井下地２に直接固定されていてもよい。

また、上記に示す実施形態では、吊りボルト６０は補剛材５０の内部に挿通されているが、本発明はこれに限られない。補剛材５０は吊りボルト６０の近傍に設けられていることが好ましく、例えば、補剛材５０が吊りボルト６０に隣接配置され、補剛材５０と吊りボルト６０とが連結金具（不図示）等により連結されていてもよい。

１…上部構造体
２…天井下地
３…天井材
４…ブレース
５…吊り部材
２１…野縁
２２…野縁受け
４１…ブレース上部取付具
４２…ブレース下部取付具
４２ａ…嵌合凹部
５０…補剛材
６０…吊りボルト
６３…吊り部材接続用金具
１００…傾斜した吊り天井構造

Claims

天井面を形成する天井材が固定される天井下地と、
該天井下地を上部構造体から支持する吊りボルトと、
地震により発生する水平方向の慣性力を負担するブレースと、
地震時に前記天井材に水平力が作用した際に、前記吊りボルトに生じる圧縮力に抗する補剛材と、を備え、
設計時に想定される水平力をＱとし、前記天井面の傾斜角度がθの天井をｎ本の前記吊りボルトで支持したときのｉ番目の前記吊りボルト１本が負担する鉛直力は、βｉ・Ｑ・ｔａｎθ（ただし、β１＋β２＋・・・＋βｎ＝１）となり、
前記補剛材は、前記吊りボルト１本が負担する鉛直力に抗する強度で配置されていることを特徴とする傾斜した吊り天井構造。
前記補剛材は、前記吊りボルトのみに連結されていることを特徴とする請求項１に記載の傾斜した吊り天井構造。