JP2006045821A - 多層鉄骨構造物 - Google Patents
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Abstract
【課題】 地震力により多層鉄骨構造物における第１層を含む各層が崩壊することを防止する。
【解決手段】柱梁耐力比が１．０超えで、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、且つ第１層における柱脚と基礎または基礎梁との接合を半剛接合とする。柱脚と基礎または基礎梁とは制震装置を介して接合することも可能である。
【選択図】図１
【解決手段】柱梁耐力比が１．０超えで、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、且つ第１層における柱脚と基礎または基礎梁との接合を半剛接合とする。柱脚と基礎または基礎梁とは制震装置を介して接合することも可能である。
【選択図】図１
Description
本発明は、耐震性に優れる多層鉄骨構造物に関する。
多層の鋼構造骨組に設計上想定した大きさ以上の地震力が入力した場合の崩壊モードは、柱梁接合部４０において柱が先行降伏し特定層が崩壊する部分崩壊モード（図６）と各層の梁端に塑性ヒンジ（塑性化部）３０が分散する全体崩壊モード（図７）に大別される。
特定の層の柱が先行降伏し損傷が集中する部分崩壊モードは、骨組構造において柱梁耐力比が低い場合に生じ、骨組全体としてのエネルギー吸収能力が低下し好ましくない。
全体崩壊モードは、一定の柱梁耐力比とした骨組構造を用いた場合に生じ、各層の梁端に損傷が分散し、骨組としてのエネルギー吸収能力が高く、鋼構造骨組みとして優れた耐震性が得られる。
そのため、建築構造の設計において耐震性能を向上させるために、全体崩壊モードを担保することを目標とすることが多い。例えば、非特許文献１では柱梁耐力比を１．５以上とすることが推奨されている。
「冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル」（日本建築センター）
「冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル」（日本建築センター）
しかしながら、全体崩壊モードが形成されるように柱梁耐力比を設定した骨組構造からなる多層建築物であっても、大地震により柱に大きな曲げモーメントが作用するようになると図９に模式的に示すように柱脚が損傷し、第１層が層崩壊を生じたり、更に第２層以上で柱上下端部に損傷が生じる場合がある。
図８は、地震波などの外力が作用した場合の多層鉄骨構造物の第１層における柱の曲げモーメント分布を模式的に示す図で、図において５０は基礎（地平面）、２０は梁、１０は柱、１０ａは柱脚、１０ｂは第１層柱頭、１０ｃは第２層柱下端、１０ｄは第２層柱上端、Ｃは中立点を示す。
第１層において柱１０に発生する曲げモーメント分布の中立点Ｃは、梁２０と柱頭１０ｂの接合部と、基礎（地平面）５０と柱脚１０ａの接合部での固定度が違うため、階高の１／２より上方または下方に位置するようになる。
図のように基礎（地平面）５０と柱脚１０ａが剛接合されると、中立点Cは階高の１／２位置より柱頭側に位置するようになり、柱脚１０ａには柱頭１０ｂより大きな曲げモーメントが作用し、柱脚１０ａが損傷して第１層が崩壊する危険性が高い。
多層鉄骨構造物のある層における柱の曲げモーメント分布は当該層の直上および直下層の曲げモーメント分布の影響を受け、例えば第２層の柱１０の柱下端１０ｃには第１層の影響により柱上端１０ｄより大きな曲げモーメントが作用するようになる。
本発明は、各層の梁端に損傷を生じさせる崩壊モードを担保した多層鉄骨構造物であって、地震力が大きな場合に第１層の崩壊や特定層の損傷を防止し耐震性に優れたものを提供することを目的とする。
本発明は、以下の手段により発明の課題を達成する。
１ 柱梁耐力比を１．０超えとした骨組構造からなる多層鉄骨構造物において、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、第１層における柱脚と基礎との接合を半剛接合とすることを特徴とする多層鉄骨構造物。
２ 柱端部と基礎とを、制震装置を介して接合することを特徴とする１記載の多層鉄骨構造物。
３ 柱梁耐力比を１．０超えとした骨組構造からなる多層鉄骨構造物において、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、第１層における柱脚と基礎梁との接合を半剛接合とすることを特徴とする多層鉄骨構造物。
４ 柱と基礎梁とを、制震装置を介して接合することを特徴とする３記載の多層鉄骨構造物。
１ 柱梁耐力比を１．０超えとした骨組構造からなる多層鉄骨構造物において、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、第１層における柱脚と基礎との接合を半剛接合とすることを特徴とする多層鉄骨構造物。
２ 柱端部と基礎とを、制震装置を介して接合することを特徴とする１記載の多層鉄骨構造物。
３ 柱梁耐力比を１．０超えとした骨組構造からなる多層鉄骨構造物において、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、第１層における柱脚と基礎梁との接合を半剛接合とすることを特徴とする多層鉄骨構造物。
４ 柱と基礎梁とを、制震装置を介して接合することを特徴とする３記載の多層鉄骨構造物。
本発明によれば、柱部材用鋼材の降伏比によらず各層の梁端に損傷が分散する崩壊モードが担保され、且つ柱の損傷に起因する第１層や特定層の崩壊を防止することが可能となるため、現行の許容応力度設計で要求される柱部材用鋼材についての低ＹＲ特性を緩和することが可能で、柱部材用鋼材の選択度が飛躍的に拡大する。
例えば、従来の許容応力度設計では、柱部材用鋼材にＹＲ＜８０％の低ＹＲ特性が要求されるが柱部材用鋼材には優れた大入熱溶接部靭性も要求されるため、５７０Ｎ／ｍｍ２級以上の鋼材で柱部材に適用可能なものは限定されていた。本発明によれば、低ＹＲ特性の要求が緩和されるため５７０Ｎ／ｍｍ２級以上の鋼材で柱部材に適用可能な鋼種が拡大される。
本発明に係る多層鉄骨構造物は、柱梁耐力比、柱脚と基礎との接合状態、および柱部材用鋼材と梁部材用鋼材の降伏応力比を規定する。
本発明に係る多層鉄骨構造物では、柱梁耐力比を１．０超え、好ましくは１．２以上とする。柱梁耐力比が１．０超えとなると柱が梁よりも降伏しにくくなり、各層の梁端部に損傷が分散され、柱梁耐力比が１．０以下の場合と比較して地震エネルギーの吸収が良好となる。１．２以上が好ましいとするのは，材料降伏点のばらつき，高次モードの影響などで，柱梁耐力比が１．０を少し超えた程度では，柱が先行降伏する可能性が比較的高くなるためである。
第１層の柱脚の回転剛性は柱脚に過大な曲げモーメントが負荷されず、柱脚の損傷が防止されるように定め、好ましくは柱の曲げモーメント分布における中立点を略階高中心とする。具体的には柱脚と基礎とを半剛接合とし、柱脚の回転剛性を第１層の柱頭の固定度とほぼ同じとする。
更に、本発明に係る多層鉄骨構造物では、柱部材用鋼材を梁部材用鋼材より降伏応力が高い高降伏点鋼とし、一定の柱梁耐力比を確保した上で柱梁剛性比を下げることにより，柱の曲げモーメント分布を均整化し，多層鉄骨構造物の全ての層において、特定の層が崩壊することを防止する。
図４、５に、柱材の降伏応力と柱脚の回転剛性の組合わせによる４パターンの骨組構造について、柱の損傷度をシミュレーション試験で求めた結果を示す。図４は第１層を４パターンのいずれかの骨組構造とした場合の２層以上における柱損傷度の総計を示し、図５は第１層についての柱脚損傷度を示す。
柱部材用鋼材と梁部材用鋼材を普通鋼とした場合、第１層においては柱脚と基礎とを半剛接合とした効果が得られ柱脚の損傷は軽減するが（図５）、第２層以上での損傷度はむしろ増大し、第２層以上において崩壊層が生じる危険性が増大する（図４）。
一方、柱部材用鋼材を高降伏点鋼とすると普通鋼とした場合と比較して、第１層および第２層以上での損傷度が減少する。特に、柱部材用鋼材を高降伏点鋼とし、柱脚と基礎とを半剛接合とした場合、多層鉄骨構造物の第１層を含む全ての層において崩壊層が生じる危険性が減少する。
尚、シミュレーション試験は１０層３スパン骨組モデル（階高４ｍ，スパン長８ｍ，構造特性係数Ds＝０．２５にて設計し、柱梁耐力比１．５）に、ＹｏｋｏｈａｍａSURFACE、ＥＬＣｅｎｔｒｏNS、ＨａｃｈｉｎｏｈｅEW、ＫｏｂｅNS，ＴａｆｔEW波をそれぞれ最大速度２００ｋｉｎｅに調節した地震波形として入力し、５波平均の損傷状態を求めた。
試験においては、１０層３スパン骨組モデルにおける柱材の降伏耐力を３２５Ｎ／ｍｍ２（普通鋼），６５０N/ｍｍ２（高降伏点鋼）の２水準、柱脚の回転剛性は剛、半剛の２種類とした。
半剛接合する柱脚の回転剛性は、第１層の柱頭節点の回転剛性（但し第1層柱の影響は除く）と同じとし、地震波形の最大速度２００ｋｉｎｅは現行法（建築基準法）の二次設計で想定するレベルの約４倍である。
図１は本発明の第一の実施形態を模式的に示す図で、柱１を高降伏点鋼とし、梁２を普通鋼とした多層鉄骨構造物において、柱脚１ａと基礎４を半剛接合とした場合を示す。
図２は図１に示した多層鉄骨構造物の第１層における柱の曲げモーメント分布を模式的に示す図で、柱脚１ａと基礎４を第１層の柱頭の固定度と同じ半剛接合とすることにより、曲げモーメント分布における中立点ｂが階高の略１／２に位置し、柱脚１ａに過大な曲げモーメントが負荷されることが防止される。（図では、半剛接合を示すため、曲げモーメントの中立点ｂは階高中心より上方に表示されている。）
図３は本発明の第二の実施形態を示す図で、第１層において、基礎梁５を用い、基礎梁５と柱１を半剛接合する場合を示す。
図３は本発明の第二の実施形態を示す図で、第１層において、基礎梁５を用い、基礎梁５と柱１を半剛接合する場合を示す。
柱脚１ａと基礎４、柱１と基礎梁５の接合部において、柱脚１ａ，柱１を制震装置を介して基礎（地平面４）や基礎梁５に接合することも可能であり，その場合柱の損傷がさらに低減される。制振装置は曲げモーメントに対して作用する履歴型ダンパーが適しており，降伏耐力は柱の曲げ降伏耐力よりも低く，初期回転剛性は第１層の柱頭節点の回転剛性（但し第1層柱の影響は除く）よりも大きいことが望ましい。
本発明に係る多層鉄骨構造物を設計する際、柱の曲げモーメント分布は設計用水平地震力を入力して求める。
本発明に係る多層鉄骨構造物を設計する際、柱の曲げモーメント分布は設計用水平地震力を入力して求める。
１ 柱
１ａ 柱脚
２ 梁
３ 柱梁接合部
４ 基礎（地平面）
５ 基礎梁
１０ 柱（従来例）
１０ａ柱脚
１０ｂ柱頭
１０ｃ柱下端
１０ｄ柱上端
２０ 梁（従来例）
３０ 塑性ヒンジ（従来例）
４０ 柱梁接合部（従来例）
５０ 基礎（地平面）（従来例）
１ａ 柱脚
２ 梁
３ 柱梁接合部
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１０ａ柱脚
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２０ 梁（従来例）
３０ 塑性ヒンジ（従来例）
４０ 柱梁接合部（従来例）
５０ 基礎（地平面）（従来例）
Claims (4)
- 柱梁耐力比を１．０超えとした骨組構造からなる多層鉄骨構造物において、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、第１層における柱脚と基礎との接合を半剛接合とすることを特徴とする多層鉄骨構造物。
- 柱端部と基礎とを、制震装置を介して接合することを特徴とする請求項１記載の多層鉄骨構造物。
- 柱梁耐力比を１．０超えとした骨組構造からなる多層鉄骨構造物において、柱部材の降伏応力を梁部材の降伏応力より高く設定し、第１層における柱脚と基礎梁との接合を半剛接合とすることを特徴とする多層鉄骨構造物。
- 柱と基礎梁とを、制震装置を介して接合することを特徴とする請求項３記載の多層鉄骨構造物。
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