JP3991870B2

JP3991870B2 - 架構の制震構造

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Publication number: JP3991870B2
Application number: JP2003008392A
Authority: JP
Inventors: 隆行難波; 久哉加村; 佳中川
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: JP2004027815A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体自動倉庫などの地震時の応答により曲げ変形を生じ、柱に正負繰り返しの軸力を受ける架構の制震構造に関すものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７はスタッカークレーンによる格納搬出機能を持つ立体自動倉庫の一般的な骨組構造の説明図である。立体自動倉庫の骨組は、通常、軟鋼（ＳＳＣ４００）の軽量角型鋼管の弦材（柱）３１、横材３２及び斜材３３のピン接合骨組（トラス骨組）より構成される。そして、骨組構造の内部にスタッカークレーン３５の走行スペースを設ける必要があるため、張間方向（スタッカークレーン走行方向と直角方向）の骨組は、各スパンごとに高さ方向に細長いトラス骨組となり、最上層部分３４以外は各スパンのトラス骨組相互を連結することができない構造となっている。
また、トラス骨組には荷格納用のラックが取り付けられており、このラックに品物が格納される。
【０００３】
立体自動倉庫には重量物が格納される場合もあり、地震時においては、地震慣性力が格納されている品物及びラックを通じてトラス骨組に作用するため、格納されている品物が重量物の場合には慣性力も大きくなるので、この慣性力によって倉庫が倒壊しないようにすることが必要であり、これに加えて格納されている品物が転倒・落下しないようにすることも要請される。また、罹災後の迅速な復旧のために、補修が容易であることも必要である。
【０００４】
そこで、立体自動倉庫の骨組は、耐震性の観点から、地震に対しては法令で想定される慣性水平力による部材応力、変形および保有水平耐力を構造計算により算定して、計算上必要な断面性能をもつ断面を選定することにより設計される（以下、「耐震設計」という）。
しかしながら、「耐震設計」による場合、最大速度５０kine（＝cm/ 秒）を超える大地震時には、建物の到壊は免がれたとしても、骨組に塑性変形（永久変形）を生ずることは避けられず、しかも一般に損傷の部位を特定することは困難であるため、罹災後の骨組の損傷に対する補修は容易ではない。また、「耐震設計」では地震時応答を制御するわけではないので、ラックに格納された品物の転倒・落下の可能性が高いという問題もある。
【０００５】
そこで、「耐震設計」に加えて、骨組に作用する地震力を制御する方法が提案されている。この方法は、図１８に示すように、外側トラス骨組（柔骨組）４１と内側トラス骨組（剛骨組）４２の連結部４３に粘性ダンパー４４を設置し、外側トラス骨組４１と内側トラス骨組４２との剛柔差を利用して粘性ダンパー４４に地震エネルギーを吸収させるというものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、地震力を制御する他の方法が開示されている。この方法は、図１９に示すように、外側トラス骨組（柔骨組）４１と内側トラス骨組（剛骨組）４２の最上層連結部材４３及び柱脚部材４５を低降伏点鋼に置換して、その早期降伏によるエネルギー吸収により、地震力を制御するというものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
また、図２０に示すような制震ジョイントが開示されている。この制震ジョイント５１は、図２０（ａ）に示すように、幅（図の奥行き方向）を狭くして塑性変形し易くした上部ジョイント５３ａと下部ジョイント５３ｂからなる変形部５２と、肉厚を増して補強した接続部５４とを設け、柱部材５０ａ，５０ｂが接合された上下のジョイント５３ａ，５３ｂをボルト５５で接合して上下の柱部材５０ａ，５０ｂを接続するようにしたものである。
そして、地震等によりスパン方向に加わる水平応力により、図２０（ｂ）に示すように、変形部５２が塑性変形し、柱部材５０ａが上方へ移動して振動エネルギーを吸収するようにしたものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６２−２５６７９号公報（第２頁、図１）
【非特許文献１】
日本建築学会大会学術講演梗概集（北陸）２１６３３６
１９９２年８月
【特許文献２】
特開２００１−２５３５１８号公報（第３頁、図５）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の粘性ダンパー４４による方法は、鋼材の他に粘性ダンパーを必要とし、コストが高くなるという問題がある。また、粘性ダンパー４４による場合には、粘性ダンパー４４で吸収できなかったエネルギーはトラス骨組のどこかの部位に作用し、その部位に塑性変形をもたらすと考えられるが、その部位を特定することが難しく、補修が困難であるという問題もある。
【００１０】
また、非特許文献１に示した連結部材４３及び柱脚部材４５を低降伏点鋼に置換するという方法では、地震により低降伏点鋼が降伏した瞬間、理論上骨組全体が不安定になって骨組全体の安全性を確保できないという問題がある。
【００１１】
さらに、特許文献２の制震ラックは、柱の軸力によりジョイント部を塑性変形させ、エネルギーの吸収を行っているが、この形状では塑性変形により履歴がスリップ型に近くなり、十分なエネルギー吸収を行うことができない。
【００１２】
本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、地震時においてラックに格納されている品物の転倒・落下を防止できると共に、大地震による損傷後の建物安定性を確保しつつ、罹災後、容易に補修が可能な架構の制震構造を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明に係る架構の制震構造は、両側に立設された縦長の外側ピントラス骨組と、２本の柱とその中間に中柱を有し前記外側ピントラス骨組の間に立設された複数の縦長の内側ピントラス骨組との最上部が剛結合され、地震時の水平荷重を主として構造部材の軸力によって負担し、地震時に応答により曲げ変形を生じて前記内側ピントラス骨組の２本の柱に正負の繰返えし軸力を受ける立体倉庫などの架構において、前記正負の繰返えし軸力を受ける内側ピントラス骨組の２本の柱の全部又は一部の下部を、座屈拘束された鋼製ダンパーで構成したものである。
【００１６】
（２）上記（１）の座屈拘束された鋼製ダンパーを、最下層又はこれに準ずる層に設けた。
【００１７】
（３）上記（１）又は（２）の座屈拘束された鋼製ダンパーが存在する内側ピントラス骨組の層の斜材と、正負の繰り返し荷重を受けない前記中柱との両者又は何れか一方を、前記座屈拘束された鋼製ダンパーが降伏したのちに、常時荷重を支持できるように補強した。
【００１８】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかの座屈拘束された鋼製ダンパーが存在する内側ピントラス骨組の層の斜材と、正負の繰り返し荷重を受けない前記中柱とを剛接合により接合した。
【００１９】
（５）上記（１）の座屈拘束された鋼製ダンパーを、前記内側ピントラス骨組の２本の柱と斜材若しくは前記２本の柱と水平材との接合部のうち最も低い位置の接合部と柱脚部材との間又はその一部に設けた。
【００２０】
（６）上記（１）の座屈拘束された鋼製ダンパーと、上層の柱とを予め一体に接合して一節の通し柱を形成し、該通し柱を内側ピントラス骨組の２本の柱の最下層に配置した。
【００２１】
（７）上記（６）の通し柱の両端部に接合用エンドプレートを設けた。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る架構の制震装置の模式図である。図において、１は外側トラス骨組、２は内側トラス骨組で、外側トラス骨組１は柱脚部材（図示せず）にピン接合されて立設された２本の柱３と、水平材５及び斜材６とをピン接合７により接合して構成したものであり、内側トラス骨組２は、柱脚部材にピン接合されて立設された２本の柱３と、その中間に立設された中柱４と、水平材５及び斜材６とをピン接合７により接合して構成したものである。８は外側トラス骨組１と内側トラス骨組２の最上部を連結する連結梁である。
【００２３】
１０は内側トラス骨組２の曲げ変形により軸方向の正負繰り返し荷重を負担する最下層又は柱の必要長さが確保できる最下部（以下、最下層に準ずる層という）の柱で、柱３に代えて極低降伏点鋼（以下、極軟鋼という）により構成したものである（以下、この柱１０を極軟鋼柱という）。なお、この極軟鋼柱１０の長さ（高さ）は、最下層の柱３の高さと等しく構成してもよく、あるいは部分的に設けてもよい。
【００２４】
この場合、極軟鋼柱１０の有効断面積を従来の柱３と同じ構造にすれば、耐震設計の一次設計においては、変形の検討を従来の構造と同様に行うことができ、短期許容耐力も鋼材の降伏耐力の変更のみで対応することができるので、繰り返し荷重に対して大きなエネルギー吸収を行うことができる。
【００２５】
上記のように構成した本実施の形態によれば、大地震時において、極軟鋼柱１０が早期に降伏することによって極軟鋼柱１０に地震エネルギーを吸収させることができるので、大地震時の損傷を極軟鋼柱１０に集中させ、他の部分が損傷しないようにすることができる。
また、従来構造の最下層の柱３のみを極軟鋼柱１０と置換するだけなので、従来の制震構造に比べてコストを低く抑えることができ、さらに、基礎やトラス骨組の部材断面を小さくできるので、制震化によるコスト増を吸収することができる。
【００２６】
また、極軟鋼柱１０を設けたことにより加速度応答が低下するので、格納商品の落下を防止することができる。さらに、損傷後の補修が容易であり、既存の架構に対する改修も可能である。また、架構の曲げ変形によるエネルギー吸収が可能なため、高層の架構についても大きな制震効果を得ることができる。
さらに、立体自動倉庫の柱脚から最も下層にある商品格納スペースまでの間は一般に利用されていないので、この位置に制振構造を配置することにより、操業に影響を与えることはない。
【００２７】
［実施の形態２］
図２は本発明の実施の形態２に係る架構の制震構造の模式図である。
本実施の形態は、実施の形態１における内側トラス骨組２の最下層又はこれに準ずる層の斜材６と、正負繰り返し荷重を受けない中柱４を補強し、剛接合１１としたものである。
本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、極軟鋼柱１０が地震荷重によって降伏した後も、外側トラス骨組１と連結梁５と合わせて構造安定性を確保する効果が得られる。
【００２８】
［実施の形態３］
図３は本発明の実施の形態３に係る架構の制震構造の模式図である。本実施の形態は、実施の形態１における内側トラス骨組２の中柱４と斜材６を、中柱４の柱脚部材にピン結合７して集約したものである。
本実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、極軟鋼柱１０が降伏後も常時荷重を中柱４の柱脚部材で支持し、外側トラス骨組１と連結梁８と合わせて構造安定性を確保することができ、また、極軟鋼柱１０を支持する柱脚部材にかかる荷重は小さいため、比較的簡素な構造とすることができる。
なお、実施の形態１〜３では内側トラス骨組２の最下層の柱３を極軟鋼柱１０に置換した場合を示したが、外側トラス骨組１の最下層の柱３を極軟鋼柱１０としてもよい。
【００２９】
［実施の形態４］
図４は本発明の実施の形態４に係る架構の制震装置の要部の説明図である。実施の形態１〜３では、正負繰り返し軸力を受ける柱の最下層又はこれに準ずる層の全部又は一部に、極軟鋼柱１０を設けた場合を示したが、本実施の形態は、極軟鋼柱１０に代えて座屈拘束された鋼製ダンパー１５を設けたものである。
【００３０】
この鋼製ダンパー１５は図４にその一例を示すように、板状の極軟鋼１７の両端部に、普通鋼板を十字状に接合したスチフナ１８を溶接により接合して軸材１６を構成し、この軸材１６を角形又は丸形の座屈拘束用鋼管１９内に挿入して一体化したものである。
このような鋼製ダンパー１５は、実施の形態１〜３の場合と同様に、その下端部のスチフナ１８が柱脚部材に接合され、上端部のスチフナ１８が上部の柱に接合されて設置される。
【００３１】
本実施の形態の作用、効果は、実施の形態１の場合とほぼ同様であるが、特に、正負の軸力に対して軸材１６が引張り、圧縮両方向の力に降伏して座屈拘束用鋼管１９により軸材１６の座屈が拘束されるため、安定してエネルギーを吸収することができる。
【００３２】
上記の実施の形態１〜４では、極軟鋼柱１０又は鋼製ダンパー１５を、架構の最下層又はこれに準ずる層に設置した場合を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、柱の正負繰り返し軸力を受ける位置であれば、他の場所に設けてもよい。
【００３３】
［実施の形態５］
図５は本発明の実施の形態５に係る架構の制震構造の内側トラス骨組の下層部分の模式図、図６は一節の通し柱の模式図である。なお、実施の形態１〜４と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
図において、２０は鋼製ダンパー１５ａと柱３ａとからなる一節の通し柱で、上部はエンドプレート２１を介して上層の柱３に接合され、下部はエンドプレート２２を介して柱脚部材（図示せず）に接合される。
【００３４】
鋼製ダンパー１５ａの一例を図７に示す。図７（ａ）に示すように、板状の極軟鋼１７の一端に普通鋼板を十字状に接合したスチフナ１８及び接合プレート２３を溶接接合して軸材１６ａを構成する。なお、接合プレート２３は必要最小限の大きさとすることが望ましい。
そして、図７（ｂ）に示すように、軸材１６ａを座屈拘束用鋼管１９ａに挿入したのち、軸材１６ａのもう一端にエンドプレート２２を溶接接合し、さらに、座屈拘束用鋼管１９ａをエンドプレート２２に接合し、一体化する（図７（ｃ），（ｄ））。
【００３５】
このような鋼製ダンパー１５ａは工場等で製作され、さらに、工場等においてその接合プレート２３を柱３ａのエンドプレートに接合し、工事現場に輸送可能な通し柱２０が構成される。なお、鋼製ダンパー１５ａは、内側トラス骨組２の最下層に設けられたパレット支持部２４（水平材）より低い位置において柱３ａに接合される。これにより、立体自動倉庫に適用する際に、パレットの収納搬出作業に支障をきたすことはない。
【００３６】
上記の説明では、柱３ａと鋼製ダンパー１５ａとにより一節の通し柱２０を構成した場合を示したが、鋼製ダンパー１５ａに代えて実施の形態１で説明した極軟鋼柱１０を柱３ａに接合して通し柱２０を構成してもよい。また、通し柱２０を内側トラス骨組２に設けた場合を示したが、外側トラス骨組１又は内側トラス骨組２と外側トラス骨組１の両者に設けてもよい。
【００３７】
上記のように構成した本実施の形態においては、制震機能を有する鋼製ダンパー１５ａと柱３ａを一体化して柱の一節である通し柱２０を構成し、従来の柱の一節と置換するようにしたので、従来と同様の工程で施工することができる。
また、柱３ａと鋼製ダンパー１５ａを工場等で一体成形することができるので、それぞれ単独で製作し、施工する場合に比べてコストを低減することができる。
【００３８】
以上本発明の実施の形態１〜５について説明したが、これら各実施の形態はそれぞれ単独で実施してもよく、適宜組合わせて実施してもよい。
【００３９】
【実施例】
発明者らは、立体自動倉庫の骨組モデルを用いて時刻歴応答解析を行った。モデルは実施の形態１に対応するもので、図８に示すように高さ３０．１８ｍの立体自動倉庫骨組であり、接合部は柱が縦方向に、連結梁が横方向に連続（剛結合）である以外は、すべてピン接合とした。また、これに使用した鋼材は、図９に示す通りである。なお、図９において、□は角形鋼管、○は丸形鋼管、ＨはＨ形鋼管を示す。
そして、実際の解析にあたっては、自由度縮小のため、縦方向のトラス骨組（格納部分）を、剛性と耐力が等価な曲げ剪断棒に置き換えた。また、極軟鋼柱１０の部分は、上記曲げ剪断棒の降伏耐力と降伏後の応力ひずみ勾配を、極軟鋼柱１０を配置したトラス骨組と等価になるように設置した。
【００４０】
解析は、図１０に示すように、極軟鋼柱１０を配置しないモデル（以下、従来モデルという）、図１１に示すように、両端部を除くトラス骨組の最下層に極軟鋼柱１０（点線で示す）を配置したモデル（以下、モデルＡという）、及び図１２に示すように、一部のトラスの最下層に極軟鋼柱１０を配置したモデル（以下、モデルＢという）のそれぞれに、横浜波、エルセントロＮＳ（南北方向）波、八戸ＥＷ（東西方向）波（これらの規模は、いずれも最大加速度２００ｇａｌ（１ｇａｌ＝１ｃｍ／ｓ²））を入力して行った。また、極軟鋼柱１０は、降伏点が１．６ｆｔ／ｃｍ²（Ｆ＝１．６）と、１．０ｔｆ／ｃｍ²（Ｆ＝１．０）の２種類のものを用いた。
【００４１】
図１３は従来モデル、モデルＡ及びモデルＢにそれぞれ２００ｇａｌの横浜波を入力したときの時刻歴応答解析を行った結果を示す線図である。なお、極軟鋼柱１０はＦ＝１．６に設定した。
図から明らかなように、応答変位角（図１３（ａ））、層剪断力（図１３（ｂ））ともに従来モデル、モデルＢ、モデルＡの順に低下しており、配置する極軟鋼柱１０の数が多いほど効果が高くなることが確認された。
【００４２】
図１４は図１３の場合と同じ条件で、従来モデル、モデルＡ、モデルＢに２００ｇａｌのエルセントロ波を入力した場合、図１５は同じ八戸波を入力した場合の時刻歴応答解析を行った結果を示す線図であり、これらの場合も横浜波の場合とほぼ同様の結果が得られることがわかった。
【００４３】
図１６は図１０の従来モデル（柱の降伏点Ｆ＝２．４）、図１１の極軟鋼柱１０の降伏点をＦ＝１．６とした場合、同じく降伏点をＦ＝１．０とした場合のモデルＡの３ケースにつき、２００ｇａｌの横浜波を入力した場合の時刻歴応答解析結果を示す線図である。
図から明らかなように、降伏点がＦ＝１．０の極軟鋼柱１０の場合が、他の場合より効果が大きいことが確認された。
【００４４】
以上のような時刻歴応答解析結果から、極軟鋼柱１０の配置及び数、降伏点の高低によって耐震効果が異なることが明らかになったので、必要な性能に応じて極軟鋼柱１０の配置及び数、降伏点を選択することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明に係る架構の制震構造は、地震時の応答により曲げ変形を生じ、柱に正負繰り返しの軸力を受ける架構において、上記正負の繰り返し軸力を受ける全部又は一部の柱の下部を、他の部材より低い荷重によって降伏する部材によって構成したので、大地震時の損傷をこの部材に集中させ、他の部分の損傷を防止することができる。また、従来の制震構造に比べてコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る架構の耐震構造の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る架構の耐震構造の模式図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る架構の耐震構造の模式図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る架構の耐震構造の要部の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態５に係る架構の耐震構造の内側トラス骨組の下層部分の模式図である。
【図６】図５の通し柱の模式図である。
【図７】図５の鋼製ダンパーの説明図である。
【図８】本発明の実施例の立体自動倉庫の説明図である。
【図９】図８の各部材の構成表である。
【図１０】図８の立体自動倉庫の時刻歴応答解析を行うための具体例の説明図である（従来モデル）。
【図１１】図８の立体自動倉庫の時刻歴応答解析を行うための具体例の説明図である（モデルＡ）。
【図１２】図８の立体自動倉庫の時刻歴応答解析を行うための具体例の説明図である（モデルＢ）。
【図１３】図１０〜図１２のモデルに横浜波を入力したときの解析結果を示す線図である。
【図１４】図１０〜図１２のモデルにエルセントロ波を入力したときの解析結果を示す線図である。
【図１５】図１０〜図１２のモデルに八戸波を入力したときの解析結果を示す線図である。
【図１６】従来モデルと、モデルＡの極軟鋼柱の降伏点を１．６、１．０とし、２００ｇａｌの横浜波を入力した場合の解析結果を示す線図である。
【図１７】従来の立体自動倉庫の一例の説明図である。
【図１８】従来の立体自動倉庫の制震構造の一例の説明図である。
【図１９】従来の立体自動倉庫の制震構造の他の例の説明図である。
【図２０】従来の立体自動倉庫の制震構造のさらに他の例の説明図である。
【符号の説明】
１外側トラス骨組
２内側トラス骨組
３柱
４中柱
５水平材
６斜材
８連結梁
１０極軟鋼柱
１５，１５ａ鋼製ダンパー
１６軸材
１７極軟鋼
１８スチフナ
１９座屈拘束用鋼管
２０通し柱
２１，２２エンドプレート

Claims

両側に立設された縦長の外側ピントラス骨組と、２本の柱とその中間に中柱を有し前記外側ピントラス骨組の間に立設された複数の縦長の内側ピントラス骨組との最上部が剛結合され、地震時の水平荷重を主として構造部材の軸力によって負担し、地震時に応答により曲げ変形を生じて前記内側ピントラス骨組の２本の柱に正負の繰返えし軸力を受ける立体倉庫などの架構において、
前記正負の繰返えし軸力を受ける内側ピントラス骨組の２本の柱の全部又は一部の下部を、座屈拘束された鋼製ダンパーで構成したことを特徴とする架構の制震構造。
前記座屈拘束された鋼製ダンパーを、最下層又はこれに準ずる層に設けたことを特徴とする請求項１記載の架構の制震構造。
前記座屈拘束された鋼製ダンパーが存在する内側ピントラス骨組の層の斜材と、正負の繰り返し荷重を受けない前記中柱との両者又は何れか一方を、前記座屈拘束された鋼製ダンパーが降伏したのちに、常時荷重を支持できるように補強したことを特徴とする請求項１又は２記載の架構の制震構造。
前記座屈拘束された鋼製ダンパーが存在する内側ピントラス骨組の層の斜材と、正負の繰り返し荷重を受けない前記中柱とを剛接合により接合したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の架構の制震構造。
前記座屈拘束された鋼製ダンパーを、前記内側ピントラス骨組の２本の柱と斜材若しくは前記２本の柱と水平材との接合部のうち最も低い位置の接合部と柱脚部材との間又はその一部に設けたことを特徴とする請求項１記載の架構の制震構造。
前記座屈拘束された鋼製ダンパーと、上層の柱とを予め一体に接合して一節の通し柱を形成し、該通し柱を内側ピントラス骨組の２本の柱の最下層に配置したことを特徴とする請求項１記載の架構の制震構造。
前記通し柱の両端部に接合用エンドプレートを設けたことを特徴とする請求項６記載の架構の制振構造。