JP5663882B2

JP5663882B2 - 構造体、耐震補強方法

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Publication number: JP5663882B2
Application number: JP2010012433A
Authority: JP
Inventors: 靖彦辻; 今井　孝; 孝今井
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: JP2011149229A

Description

本発明は、間柱を有する構造体及び構造体の耐震補強方法に関する。

従来より、例えば、鉄筋コンクリート造の柱梁架構において、耐震性を向上する方法として、耐震壁を設けることが行われている。しかし、耐震壁により柱梁により囲まれる空間を閉鎖してしまうと、内部空間の利用が制限されてしまう。また、鉄骨造の柱梁架構において、同様の効果を得るためブレースを設けることが行われていが、ブレースの場合も柱梁により囲まれる空間を閉鎖してしまうので、内部空間の利用が制限されてしまう。

そこで、図１０に示すように、柱梁架構１１０において上下方向に一列に並ぶように各階の上下の梁１２１の間に間柱１３０を介装することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００―２５７３００号公報

ここで、上記のように上下方向に一列に並ぶように各階の上下の梁の間に間柱を介装させる方法では、柱梁架構により高い耐震性を求める場合には、間柱を太くしたり、間柱の本数を増やしたりする必要があり、室内空間が削られるとともに内部空間の利用が制限される。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、間柱などの補強部材を太くしたり、補強部材の本数を増やしたりすることなく、構造体の耐震性をより向上することである。

本発明の構造体は、上下の梁間に１本の間柱が剛接合された構造体であって、少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置が、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／３の長さだけ離間していることを特徴とする。
また、本発明の構造体は、上下の梁間に２本の間柱が剛接合された構造体であって、少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置が、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／５の長さだけ離間していることを特徴とする。
なお、上記の剛接合とは、ピン接合を除く接合方法であって、水平荷重及び曲げ荷重が伝達可能な接合方法をいう。また、補強部材の梁への接合位置とは、補強部材の梁への接合された部分の面をいい、梁の長さ方向に幅を持つものである。さらに、上下の補強部材の梁への接合位置は、当然、梁の高さ分だけ上下に離間することになるが、この接合位置が「梁の長さ方向に離間している」とは、上下方向の離間は考慮せず、梁の長さ方向における位置が同方向に離間していることを意味する。

また、本発明の耐震補強方法は、上下の梁間に１本の間柱を剛接合することにより構造体を耐震補強する方法であって、少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置を、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／３の長さだけ離間させることを特徴とする。
また、本発明の耐震補強方法は、上下の梁間に２本の間柱を剛接合することにより構造体を耐震補強する方法であって、少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置を、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／５の長さだけ離間させることを特徴とする。

本発明によれば、梁の上下の階層に設けられる補強部材を、それぞれ梁の長さ方向に離間した位置において、梁に剛接合することとしたため、梁の可撓長さが短くなる。これにより、梁の座屈荷重および曲げ剛性を向上することができるため、補強部材を太くしたり、補強部材本数を増やしたりすることなく、構造体の耐震性を向上することができる。

本実施形態の柱梁架構を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＩ−Ｉ断面図である。上下方向に一列に並ぶように各階の上下の梁の間に間柱を介装させた柱梁架構を示す図である。（Ａ）は各階層に二本ずつ間柱を介装させる場合の梁の上下に接続される間柱を梁の長さ方向に離間させた柱梁架構を示す図であり、（Ｂ）は各階層に二本ずつ間柱を介装させる場合の上下方向に一列に並ぶように間柱を設けた柱梁架構を示す図である。間柱に代えて傾斜した補強部材を設けた柱梁架構を示す図である。一部の間柱を省略した柱梁架構を示す図である。（Ａ）は各層に間柱を柱間スパンの中央に上下方向に直線状に配置した二次元解析モデル（比較例１）を示し、（Ｂ）は奇数階の間柱と偶数階の間柱とを梁の長さ方向に異なる位置に設けた二次元解析モデル（実施例１）を示す図である。比較例１の剛性に対する実施例１の剛性の比率を示し、（Ａ）はグラフ、（Ｂ）は表である。（Ａ）は各階層に間柱を二本ずつ上下方向に直線状に配置した二次元解析モデル（比較例２）を示し、（Ｂ）は間柱を傾斜させた場合の二次元解析モデル（実施例２）を示す図である。比較例１に対する比較例２及び実施例２についての剛性を示す表である。従来技術である上下方向に一列に並ぶように各階の上下の梁の間に間柱を介装させた柱梁架構を示す図である。

以下、本発明の構造体の一実施形態である柱梁架構を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態である柱梁架構１０を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＩ−Ｉ断面図である。本実施形態では、（Ａ）におけるＩ−Ｉ断面における面内水平方向の剛性を向上する場合について説明する。同図（Ｂ）に示すように、本実施形態の柱梁架構１０において、各階層の上下の梁２１の間には、それぞれ一本ずつ間柱３０が設けられ、その上下が梁２１に剛接されている。なお、柱梁架構１０としては、鉄筋コンクリート造、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造、木造のいずれであってもよい。

これら間柱３０は、柱２０間のスパン長を３等分にした位置に、下階から上階に向かって図中左右交互に設けられている。これにより、各階層の梁２１には、柱２０間のスパン長を３等分にする２箇所に上方又は下方の階層の間柱３０は、それぞれ接続されることとなる。これにより、梁２１の可撓長さ（柱２０の側面と間柱３０の側面との距離、又は、間柱３０の側面間の距離）が柱間スパンＬの約３分の１の長さとなる。

これに対して、図２に示すように、従来技術の欄に記載した上下方向に一列に並ぶように各階の上下の梁１２１の間に間柱１３０を介装させる方法では、梁１２１を挟んで上下の間柱１３０は、梁１２１の同じ位置に接続されることとなる。このため、例えば、同図に示すように、柱１２０間スパンの中央に間柱１３０を配置したとすると、梁１２１の可撓長さは柱間スパンの２分の１となる。また、間柱１３０を中央からずらして設ける場合には、梁１２１の可撓長さは、長い方が柱間スパンの約２分の１以上となる。
このように、本実施形態によれば、可撓長さが従来よりも短くなる。

地震力が作用すると、各梁２１には軸方向に水平力が作用することとなる。これに対して、上記のように梁２１の可撓長さが短くなることで、梁２１の座屈荷重および曲げ剛性が向上される。このため、間柱３０を太くしたり、間柱３０の本数を増やしたりすることなく、図２に示すように、上下方向に一列に並ぶように各階の上下の梁１２１の間に間柱１３０を介装した場合（図２）に比べて柱梁架構１０の耐震性が向上できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、上下の階層の間柱３０を梁２１の長さ方向に離間した位置にそれぞれ剛接合することとしたため、梁２１の可撓長さが短くなる。これにより、梁２１の座屈荷重および曲げ剛性を向上することができるため、間柱３０を太くしたり、間柱３０の本数を増やしたりすることなく、柱梁架構１０の耐震性を向上することができる。
また、間柱３０を梁２１の長さ方向に離間して設けているため、各層の間柱３０のサイズに制約が無い。すなわち、間柱３０の要求性能に応じて、間柱３０のせい、幅、設けられるフランジ板の幅や厚さを適宜変更することができる。

なお、本実施形態では、各階層に一本ずつ間柱３０を介装させる場合について説明したが、各階層に二本ずつ間柱３０を介装させる場合には、図３（Ａ）に示すように、柱間スパンを五等分するような位置に間柱３０を設ければよい。例えば、図３（Ｂ）に示すように、柱間スパンを三等分するような位置に上下方向に一列に並ぶように間柱３０を設ける場合には、梁２１の可撓長さが柱間スパンＬの約１／３であるが、図３（Ａ）に示す柱梁架構１０によれば、梁２１の可撓長さが柱間スパンＬの約１／５と短くなるため、柱梁架構１０の剛性を向上することができる。

また、図４に示すように、各層に間柱に代えて、柱梁架構１０の面内において鉛直方向から傾斜するように補強部材４０を配し、補強部材４０を上下の梁２１に剛接してもよい。かかる構成によれば、梁２１の上下において補強部材４０が接続される位置が離間することとなり、これにより、梁２１の可撓長さが短くなり、梁２１の座屈荷重および曲げ剛性が向上されるため、柱梁架構１０の耐震性が向上できる。
また、本実施形態では、柱梁架構の一方向の剛性を向上する場合について説明したが、これに限らず、当然他の方向の剛性を向上する場合にも本発明を適用できる。

また、本実施形態では、各階層に同本数の間柱３０が設けられている場合について説明したが、これに限らず、図５に示すように、上階など十分な剛性を有する階層については間柱３０を省略することも可能であり、下層については間柱３０の本数を増やしてもよい。要するに、柱梁架構１０において、連続した複数階層に間柱３０が設けられており、これら複数階層のうち何れかの階層において、梁２１の上下に接続された間柱３０が梁２１の長さ方向に離間していればよい。また、間柱３０は必ずしも柱梁で囲まれる面内に設ける必要はなく、面外方向にずらして設けることとしてもよい。

また、本実施形態では、梁２１の上下に接続される間柱３０の剛接位置の距離を柱間スパンＬの約１／３としたが、これに限らず、梁２１への上下の間柱３０の剛接合位置が梁の長さ方向に離間していればよい。
また、本実施形態では、間柱３０を梁２１に剛接合するものとしたが、これに限らず、水平荷重及び曲げ荷重を伝達可能とすることにより、梁の可撓長さを短くすることができればよく、ピン接合以外の方法で接合すればよい。すなわち、間柱３０と梁２１との固定度を下げることができる。さらに、間柱３０の上端あるいは下端と梁２１との間に、摩擦材等エネルギー吸収材を介在させておき、設定荷重までは固定とし、設定荷重を超える場合には摩擦材がすべりエネルギーを吸収するようにすることも可能である。なお、このようなエネルギー吸収材を、間柱３０内の端部近傍に介在させてもよい。

ここで、本願発明者らは、梁２１の上下に剛接合される間柱３０の剛接合位置を梁の長さ方向にずらすことで柱梁架構１０の耐震性が向上されることを数値解析により確認したので、以下説明する。

本実験では、図６（Ａ）に示すような各層に間柱１３０を柱間スパンの中央に上下方向に直線状に配置した二次元解析モデル２１０（以下、比較例１という）と、同図（Ｂ）に示すような奇数階の間柱３０と偶数階の間柱３０とを梁２１の長さ方向に異なる位置に設け、間柱間隔を複数通りに設定した二次元解析モデル２２０（以下、実施例１という）とについて、剛性を調べた。

なお、解析条件としては、各解析モデルとも以下のように設定した。
構造種別：鉄骨造（ラーメン構造）
高さ：１６ｍ
階高：４ｍ
柱間スパン：１４ｍ
鋼材：４９０Ｎ級（基準強度３２５Ｎ／ｍｍ^２）、ヤング係数Ｅ＝２．０５×１０^５Ｎ／ｍｍ^２
柱：□６００×６００×２２、Ｉ＝２．８４×１０^１０ｍｍ^４
梁：ＢＨ６００×３００×１２×２２、Ｉ＝１．２７×１０^１０ｍｍ^４
耐震間柱：ＢＨ６００×６００×１４×２２、Ｉ＝２．４１×１０^１０ｍｍ^４
支持条件：固定
解析方法としては、各層に水平荷重（Ｐ＝５００ｋＮ）を作用させ、その時の水平変位量から各層の水平剛性を算出した。

図７は、比較例１の剛性に対する実施例１の剛性の比率を示し、（Ａ）はグラフ、（Ｂ）は表である。同図に示すように、実施例１の間柱間隔がスパンの０．５倍以下である場合には、比較例と比べて剛性が向上している。特に、実施例１の間柱間隔がスパンの０．２〜０．３５倍程度で各階層の剛性が最も向上されていることがわかる。これに対して、実施例１の間柱間隔がスパンの０．５倍以上となると、比較例に比べて剛性が低下している。これは、実施例１の間柱間隔がスパンの０．５倍以上となると梁の可撓長さが比較例に比べて長くなるためである。

さらに、図８（Ａ）に示すように、各階層に間柱１３０を二本ずつ上下方向に直線状に配置した二次元解析モデル２３０（以下、比較例２という）と、図８（Ｂ）に示すように、各階層に傾斜させた補強部材４０を設けた場合の二次元解析モデル２４０（以下、実施例２という）とについて剛性を調べた。

図９は、比較例１に対する比較例２及び実施例２についての剛性を示す表である。同図に示すように、比較例１と実施例２とは、各階層に補強部材（間柱）をそれぞれ１本ずつ設ける点で共通しているにも係わらず、実施例２の剛性は、比較例１に比べて非常に大きい。さらに、実施例２は、各階層に間柱をそれぞれ２本ずつ設けている比較例２と比べて、１Ｆ，２Ｆでは若干低いものの、３Ｆ、４Ｆでは比較例２と略同程度の剛性が得られることが確認された。

以上のように、本実施形態によれば、上下方向に一列に並ぶように間柱を設ける場合に比べて剛性を向上することができることが確認された。

１０柱梁架構
２０柱
２１梁
３０間柱
４０補強部材

Claims

上下の梁間に１本の間柱が剛接合された構造体であって、
少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置が、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／３の長さだけ離間していることを特徴とする構造体。
上下の梁間に２本の間柱が剛接合された構造体であって、
少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置が、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／５の長さだけ離間していることを特徴とする構造体。
上下の梁間に１本の間柱を剛接合することにより構造体を耐震補強する方法であって、
少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置を、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／３の長さだけ離間させることを特徴とする構造体の耐震補強方法。
上下の梁間に２本の間柱を剛接合することにより構造体を耐震補強する方法であって、
少なくとも一の階層の梁の上方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置を、当該梁の下方に剛接合された間柱の当該梁への接合位置に対して、前記梁の長さ方向に柱間スパンの１／５の長さだけ離間させることを特徴とする構造体の耐震補強方法。