JP7409950B2 - 制震装置 - Google Patents
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また、特定の層を柔層化してダンパーのエネルギー吸収効率の向上を図った設計(例えば、集中制震構造やソフトファーストストーリー制震構造等)では、想定する地震に対しては非常に効果が高い。ところが、想定を超える地震に対しては、その柔層化した層が過大に変形をしてしまうことで、柔層を起点として脆弱な破壊形式である層崩壊を引き起こすおそれがあった。
さらに、本発明では、制震ダンパーに並列に引張材を設ける構成であり、設置スペースが小さく、接続部の簡易な補強のみで例えば既存のシアリンク型の耐震ブレース等に追加して設置することが可能となるので、既存建物の耐震改修としても好適であり、低コストで簡単な工事により実現することができる。
そして、弾性部材が完全に圧縮した状態でギャップが無くなり、引張材が弾塑性ダンパーとして作用する。つまり、弾塑性ダンパーのバネ剛性が層剛性として付加され、建物の層間において引張材の耐力を建物の躯体に付加することができる。
図1に示すように、本実施形態の制震装置1は、例えば100mを超えるような高層建築物10(建物)における下層部分(以下、柔層部10Aという)の複数層(図1では2層)において、それぞれの層間に設けられている。制震装置1は、図2に示すように、層間を結ぶオイルダンパー3(制震ダンパー)に並列してPC鋼棒4(PC鋼材、引張材)を設けたギャップ付きの弾塑性ダンパーである。
ここで、高層建築物10において、柔層部10Aよりも上側の連続する複数の階全体を上層部分10Bとする。上層部分10Bの各層間の中央部(コア部)には耐震ブレースのみが配置されている。
制震装置1は、柔層部10Aの変形量が所定値以上となる場合に変形を抑制するオイルダンパー3を有することで、柔層部10Aで変形が集中して、想定を超えるような外力に対しては、脆性的な損傷ことを抑制できる構造となっている。
また、架構13において、架構13によって囲われる平面に直交する方向から見て梁12の長さ方向を左右方向X1という。
第1接合プレート24の外面24aの中央部には、オイルダンパー3の一端の第1固定端3aが固定されている。図4(a)に示すように、第1接合プレート24におけるオイルダンパー3が配置される部分より外周側の位置には、PC鋼棒4の一方の第1端部4aを挿通させて定着するための貫通孔24bが形成されている。
制震装置1は、PC鋼棒4が引張力F1(図4(b)参照)を作用させた状態で弾塑性ダンパーとして機能する構成となっている。
第1定着部41は、オイルダンパー3の一方の第1固定端3aに固定される第1接合プレート24と、第1接合プレート24に形成される貫通孔24bにPC鋼棒4が挿通された状態でナット45を螺合させることにより定着される第1定着板43と、第1接合プレート24と第1定着板43との間に設けられるばね部材44(弾性部材)と、を備えている。
図5において、符号kbはシアリンクブレース2の剛性であり、kgはPC鋼棒4の剛性(非線形)であり、gapはばね部材44が完全圧縮(密着)するまでのギャップGの変位であり、cdはオイルダンパー3の粘性減衰係数である。シアリンクブレース2(kb)と制震装置1とは直列に配置され、制震装置1において、kgとgapが直列に配置され、kg及びgapとcdとが並列になっている。
図4(a)に示すように、地震力を受けないオイルダンパー3が平常時においては、ばね部材44が初期設定された状態の緊張力分だけPC鋼棒4に軸力(左右方向X1の力)が作用する。つまり、第1接合プレート24と第1定着板43との間に設けられるばね部材44が双方24、43間を離反する方向に付勢した状態で配置されている。
図6は、鉄骨造における通常の層の復元力特性イメージを示している。図7は、ギャップG(層間変形x)を50mmに設定した本実施形態を設置した層の復元力特性のイメージを示している。図6及び図7は、横軸の層間変形x(mm)と縦軸の層せん断力y(kN)との関係を示す図である。図6は、本実施形態の制震装置1を備えないシアリンクブレース2のみのケースであって、点線は平常時、実線は地震時の復元力特性を示している。図7は、本実施形態の制震装置1とシアリンクブレース2を備えたケースであって、点線は平常時、実線は地震時の復元力特性を示し、細い点線は図6に示す復元特性を示している。
PC鋼棒4の耐力を1本あたり1500kNとしその履歴特性を完全バイリニアと仮定すると、付加耐力は6000kN(=1500kN×4本)となる。このとき、ある過大変形が生じた際の層間変形xにおける層の等価剛性ke(図6、図7参照)は、(1)式で表わせる。そして、本実施形態の制震装置1を設置した場合の等価剛性ke’は(2)式となり、(2)式よりke’/keの比は(3)式が求められる。これにより、(3)式の比だけ等価剛性が増加したとみなすことができる。
したがって、本実施形態を用いることにより、層の剛性が変位に応じて大きく変化する可変剛性システムが構成できる。
シミュレーションの結果、ギャップ付きダンパーを設置しない場合では、低層部に変形が集中して最大1/59の層間変形角が生じている。これに対して、ギャップ付きダンパーを設置した場合には、層間変形角を1/79に低減することができ、特定層の変形抑制と各層の変形均一化の効果をそれぞれ確認できた。
本実施形態の制震装置1では、図4(a)、(b)に示すように、大地震時において図1に示す高層建築物10に地震動が作用する際に、オイルダンパー3の引張方向の変位が作用し、設定した層間変形角以上でPC鋼棒4に設けられるギャップGが無くなる。具体的には、図4(b)に示すように、ばね部材44が完全に密着してばね部材の圧縮ができない状態となる。つまり、本実施形態では、オイルダンパー3に引張力が作用して第1接合プレート24がPC鋼棒4の第1定着板43に近接する方向に変位すると、ギャップGの範囲でばね部材44が圧縮され、ばね部材44より第1定着板43を介してPC鋼棒4に引張力を作用させることができる。
このように、建物の各層に本実施形態の制震装置1を設置することで、特定層に変形を集中させることを抑制することで他の層に変形を分散することができ、各層の変形を均一化できる。
さらに、本実施形態では、制震ダンパーに並列にPC鋼棒4を設ける構成であり、設置スペースが小さく、接続部の簡易な補強のみで例えば本実施形態のようなシアリンクブレース2に追加して設置することが可能となるので、既存建物の耐震改修としても好適であり、低コストで簡単な工事により実現することができる。
次に、第2実施形態による制震装置1Aについて、図9に基づいて詳しく説明する。
第2実施形態による制震装置1Aは、オイルダンパー3の圧縮時において、PC鋼棒4に圧縮力F2を作用させる構造である。すなわち、制震装置1Aは、第1接合プレート24の両側面24a、24cに第1ばね部材44A、第2ばね部材44Bを設け、ギャップGを設けることにより、引張力F1と圧縮力F2の両方を作用させることができる。
第2実施形態では、PC鋼棒4に圧縮力が作用した場合に、PC鋼棒4がガイド筒46Aによって拘束されるため、座屈を防止することができる。
次に、図10に示す第3実施形態による制震装置1Bは、層間に設置されるブレース型のダンパーにPC鋼棒4を設けた構成である。
本実施形態のオイルダンパー3は、架構13の柱11と上側の梁12に直接接続されている。オイルダンパー3の第1固定端3aは、PC鋼棒4の第1定着部41を備えたガセットプレート33が設けられ、第1固定部材34を介して上側の梁12の下面12bに固定されている。また、オイルダンパー3の第2固定端3bは、第2固定部材35を介して柱11と梁12の内角部13aに固定されている。
次に、図10に示す第4実施形態による制震装置1Cは、図示しない免震装置を配置させた免震層14を有する建物に設けた一例である。つまり、オイルダンパー3は、免震層14を構成する躯体(底盤15、天井壁16)同士の間に接続されている。天井壁16には、下方に向けて延びる第1柱部17が設けられている。底盤15には、上方に向けて延びる第2柱部18が設けられている。オイルダンパー3は、第1柱部17と第2柱部18とを接続するように伸縮方向(軸方向)を水平方向に向けて配置されている。
このような構成とした制震装置1Cでは、上記実施形態のようなばね部材は設けられず、ハウジング48とPC鋼棒4の第1定着板43との接触によりオイルダンパー3の荷重をPC鋼棒4に伝達し、極大地震時における過大な免震層変位を防止することができる。
次に、図12に示す第5実施形態による制震装置は、上述した第1実施形態においてPC鋼棒4に設けられるばね部材44(図4(a)~(c)参照)に代えて緩衝部材50(弾性部材)を設けた構成としたものである。
緩衝部材50は、ゴム製で貫通孔51aを有する円筒状のゴム筒体51と、ゴム筒体51の内側に当該ゴム筒体51の貫通孔51aと同軸に埋設された鋼製の筒状スペーサ52と、を有している。ゴム筒体51の貫通孔51aと筒状スペーサ52の内周面52aの内径は、PC鋼棒4が挿通可能な寸法に設定されている。
なお、ゴム筒体51の第1定着板43側を向く端面51bが第1定着板43に接着されていてもよい。とくに、上述したように筒状スペーサ52が鋼管であって、PC鋼棒4に対して螺合により接続されていない場合には、ゴム筒体51の端面51bを第1定着板43に接着することにより緩衝部材50が位置決めされる。
また、筒状スペーサ52は、第1定着板43に一体的に設けられ、内周面に雌ねじが形成されていてもよい。この場合には、筒状スペーサ52をPC鋼棒4の定着部の雄ねじ4cに螺合させることで、筒状スペーサ52の締め付け位置に応じて第1定着板43をPC鋼棒4における軸方向の所定位置に位置決めすることができる。
図13(a)に示すように、地震力を受けないオイルダンパー3が平常時においては、緩衝部材50が初期設定された状態の緊張力分だけPC鋼棒4に軸力(左右方向X1の力)が作用する。つまり、第1接合プレート24と第1定着板43との間に設けられる緩衝部材50が双方24、43間を離反する方向に付勢した状態で配置されている。
なお、平常時において、緩衝部材50が初期設定された状態で、初めから第1接合プレート24と緩衝部材50とが離間している状態で配置されてもよい。
次に、第6実施形態による制震装置1Dについて、図面に基づいて詳しく説明する。
第6実施形態による制震装置1Dは、図14及び図15に示すように、オイルダンパー3の伸長時において、タイロッド6に引張力F1を作用させる構造である。
そして、ゴムリング63と第1接合プレート24との間にはギャップGが形成され、タイロッド6に引張力F1を作用させることが可能な構成となっている。
テーパー部6cは、軸部6aから雄ねじ6bに向かうに従い漸次、大径となる傾斜面を形成している。テーパー部6cは、1/5程度の傾斜角度に設定されている。このようにタイロッド6は、軸部6aの軸径が雄ねじ6bの谷径より大きくなるように設定するアプセット加工が施されているので、軸部6aでの破断を抑制し、タイロッド6全体として十分な靭性(伸び)を発揮することができる。
なお、皿ばねは必ずしも第2接合プレート32と内側ナット62Bとを密着させる必要はなく、タイロッド6に引張力が生じて雄ねじ6bが塑性化して伸びた場合でも皿ばねの反発力により、ナット62A、62Bは緩まず外側ナット62Aの位置は保持される。また、第2接合プレート32に形成される貫通孔はタイロッド6を設ける際の施工性を考慮して長孔としてもよい。
具体的には、図16(b)に示すように、オイルダンパー3に引張力F1が作用すると、ゴムリング63が第1接合プレート24のゴムリング63側を向く外面24fに近接する方向に変位する。さらに、図16(c)に示すように、ギャップGの範囲でゴムリング63が圧縮され、ギャップGが消失した後にはゴムリング63よりリングワッシャー64を介し、さらに内側ナット61Bを介してタイロッド6に引張力F1を伝達させることができる。
また、タイロッド6にテーパー部6cが形成されて段差が形成されていないので、タイロッド6に引張力F1が作用したときに、図16(b)、(c)に示すように第1接合プレート24の貫通孔24bに引っ掛かることなく円滑に摺動させることができる。つまり、従来のようなアプセット部に段差を有するタイロッドの場合に比べて貫通孔24bにおける摺動性の向上を図ることができる。
このように、建物の各層に本実施形態の制震装置1Dを設置することで、特定層に変形を集中させることを抑制することで他の層に変形を分散することができ、各層の変形を均一化できる。
このように第6実施形態による制震装置1Dでは、最大層間変形角を低減することで特定層に変形を集中させずに分散、均一化することができ、層崩壊を抑制することができる。
次に、上述した第6実施形態による制震装置1Dによる効果を裏付けるための実施例について説明する。
実施例では、上述した第6実施形態の制震装置1Dと同様の試験装置(試験体)を製作し、ダンパーとしての復元力特性の確認とともに、タイロッドの材料特性や摺動性等についても確認した。
試験方法は、フレームを門型に枠組みした加力装置を使用し、オイルダンパーとタイロッド及び緩衝ゴムを設置し、2000kNの疲労試験機による加力を実施する。疲労試験機とダンパー接合部の下部にリニアスライダを設置し、面内方向にスムーズに変形できるようにしている。リニアスライダにおいては、ロッキングや面外方向への変形が生じないように別途球座を用いて変形を抑制した。試験の計測内容としては、疲労試験機の力と変位、ダンパー変位、ひずみである。
図22(a)に示すように、ゴムリングを設けた軸径φ25mm(SS400)のタイロッドの単体試験体では、最大約80mmの変形に対して、想定した荷重(約150kN)と十分な伸び性能(約4.2%)を発揮することが確認された。また、単体試験体における破断試験を実施した結果、アプセット加工による効果で端部の雄ねじ部よりも先行して中央の母材(軸部)で破断することが確認された。
また、軸径φ42mm(NHT740)のタイロッドの単体漸増繰り返し試験体では、タイロッドの端部に急なテーパー部を形成するとともに、プレート(上述した実施形態の第1接合プレート24に相当)の貫通孔に面取り部を形成した構成のものを使用した。この漸増繰り返し試験を実施した結果、図22(b)に示すように、アプセット加工による段差部をスムーズに摺動させることにより、この摺動を繰り返して安定した履歴ループが得られることが確認された。また、想定した1本あたりの降伏荷重が870kN以上となることを確認できた。
さらに、本実施形態のギャップGは、PC鋼棒4の第1定着部41のみに設けられているが、第1定着部41及び第2定着部42のうち少なくとも一方に設けられていればよい。
2 シアリンクブレース(制震ブレース)
3 オイルダンパー(制震ダンパー)
3a 第1固定端
3b 第2固定端
4 PC鋼棒(PC鋼材、引張材)
4a 第1端部
4b 第2端部
6 タイロッド
6a 軸部
6b 雄ねじ
6c、6d テーパー部
6e 段差部
10 高層建築物(建物)
11 柱
12 梁
13 架構
21 ブレース材
24、24A 第1接合プレート
32、32A 第2接合プレート
41 第1定着部
42 第2定着部
43 第1定着板
44、44A、44B ばね部材(弾性部材)
46、46A ガイド筒
47 第2定着板
48 ハウジング
49 第3定着板
50 緩衝部材(弾性部材)
51 ゴム筒体
52 筒状スペーサ
61、62 ナット
63 ゴムリング(弾性部材)
64 リングワッシャー
X1 左右方向
Claims (6)
- 建物の層間に配置される制震装置であって、
前記建物の躯体に接続された制震ダンパーと、
前記制震ダンパーと並列に設けられたPC鋼材又はタイロッドからなる引張材と、
を備え、
前記引張材の定着部には、前記制震ダンパーの引張方向の変位を許容するギャップを有し、
前記引張材は、引張力を作用させた状態で弾塑性ダンパーとして機能することを特徴とする制震装置。 - 前記建物の層は、柱と梁によって囲まれる架構に耐震ブレースを配置させた制震層を有し、
前記制震ダンパーは、前記耐震ブレースと前記架構との間に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の制震装置。 - 前記建物の層は、免震装置を配置させた免震層を有し、
前記制震ダンパーは、前記免震層を構成する躯体同士の間に接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の制震装置。 - 前記引張材は、引張力のみが作用されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の制震装置。
- 前記定着部は、
前記制震ダンパーの少なくとも一方の端部に固定される接合プレートと、
該接合プレートに形成される貫通孔に前記引張材が挿通された状態で定着される定着板と、
前記接合プレートと前記定着板との間に設けられる弾性部材と、
を備え、
前記接合プレートと前記定着板との離間距離は、前記制震ダンパーにおける引張方向の変位可能で、かつ前記弾性部材を圧縮可能な寸法に設定されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の制震装置。 - 前記引張材を挿通するガイド筒が設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の制震装置。
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