JP6415879B2 - 鉄骨構造 - Google Patents

Description

本発明は、ラーメン構造体又は基礎構造体からなる下部構造体と、下部構造体の上に配置された上部構造体とを備える鉄骨構造に関する。

住宅等の比較的短スパンの建物の場合には、柱と梁とを剛接合するラーメン構造体を有する鉄骨構造が用いられており、さらに、これらの柱梁間にブレース材等の補強材を設置した構成が知られている。

例えば特許文献１には、建物の柱と梁をピン接合すると共に、柱の中間部と梁の中間部とを方杖により連結した構成が開示されている。これによれば、柱と梁との連結部並びにそれらと方杖によって接合されて部分全体で剛接合とした状態で、柱と梁との連結部をピン結合とすることができ、また、柱の座屈長さも短くなり、層間変形も小さくなる。

また、特許文献２には、鋼管からなる柱と梁とが剛接合された鉄骨造のラーメン構造体において、柱にはダンパーとの接合用のボルト孔が予め設けてあり、当該ダンパーとの接合用のボルト孔を利用してダンパーをボルト接合することとした鉄骨構造が開示されている。かかる構成によれば、仮にダンパーが破断して機能しなくなったとしても、剛接合された柱と梁との接合部で水平力を負担できるので、巨大地震後の余震等によって建物が崩壊することがない。また、ダンパーのない一般的なラーメン構造体に比べて梁に作用する最大の曲げモーメントを小さくすることができ、しかもそれを柱との接合部ではなく梁の母材部分に作用させることができるので構造耐力上有利となる。

また、特許文献３には、上下梁間に架設されたブレースを備える構成が開示されている。このブレースの下端部は柱の柱脚部から分岐して形成され、ブレースは斜め上方に延在し、ブレースの上端部は梁に連結されている。

特開２００１−３２９６１１号公報 特開２００９−３２５８２７号公報 特開平１１−２１７８７１号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成の場合、柱と梁の接合部をピン支持としているので、想定を超えた極大地震が発生して方杖に作用する力が許容値を越え破断に至った場合、その後の余震等で容易に梁が回転して変形し、これにより建物が倒壊してしまう虞があった。

他方、特許文献２に開示の構成は、方杖を支持する柱の柱脚部が下層の柱にも剛接合されている構成であるため、当該柱脚部に大きな曲げモーメントが作用し、これによって、当該柱脚部を支持する基礎や下階の構成が大掛かりなものとなってしまう問題があった。例えば下階の梁をより太くする必要があった。

そこで、本願発明は、極大地震の発生時でも建物の倒壊を防ぎ、且つ、構造体としての大型化を抑制することができる鉄骨構造を提供することを目的とする。

本発明は、ラーメン構造体からなる下部構造体と、柱に梁を接合すると共に、これら柱の中途部と梁の中途部にわたってダンパーを架設した１層の上部構造体とを備え、上部構造体は、柱と下部構造体との接合部がピン接合であり、柱と梁との接合部がピン接合よりも剛性が高い強接合とされている。

本発明の鉄骨構造では、下部構造体による上部構造体の柱の柱脚の支持はピン接合（ピン支持）となっているので、当該柱脚部から下部構造体に過大のモーメントが伝達されることはなく、当該柱脚部を支持する柱脚接合部分の下部構造体の補強や部材断面の大型化は抑制され、下部構造体の大型化を抑制することができるものとなっている。これにより、ダンパー以外の損傷を容易に抑えることができる。また、この鉄骨構造では、上部構造体において梁と柱の接合部をピン接合よりも剛性が高い強接合としているので、極大地震によりダンバーが破断して外力を受ける能力を失ったとしても、当該柱と梁の接合部が降伏してしまうおそれを低減し、建物の倒壊を防ぐことができる。

また、強接合は、剛接合または半剛接合でもよい。なお、剛接合とは、理論的には完全な剛でなく有限な剛性であるが、その剛性の値は十分に大きく、完全剛の数学モデルで応力解析をしても実用上支障が無い精度で解析される程度の有限剛性を有する状態を示している。また、「剛性」とは、物体が曲げ、ねじれに対して破壊に耐える能力をいう。また、半剛接合とは、剛接合と比較して、接合部分の剛性が低く、ピン接合よりも接合部分の剛性が高い接合をいう。

また、上部構造体の柱の柱脚部は、下部構造体の梁の中途部にピン接合されていてもよい。この構成の鉄骨構造では、上部構造体から柱を介しての下部構造体への軸力の入力を抑えることができる。これによって、平面図で見た場合に上部構造体の柱の位置を下部構造体の柱の位置とは異なる位置に設けることができるものとなり、建築プランの自由度が向上する。また、建物の意匠性を向上させ易くなる。

上部構造体の梁と柱とは、強接合として保有耐力接合により接合されていることが好ましい。保有耐力接合は、接合部が柱及び梁の全塑性耐力を上回る耐力を有するものであり、柱梁接合部より先に梁及び柱を降伏させることができる。

また、上部構造体は、ダンパーの降伏後に柱より先に梁を降伏させる梁降伏型の構造形式であることが好ましい。この構成の鉄骨構造によれば、上部構造体においてダンパーが降伏した後に、梁を降伏させることができるので、エネルギーの吸収能を最大限に発揮させて建物の倒壊を防止することができる。

本発明によれば、極大地震の発生時でも建物の倒壊を防ぎ、且つ、構造体としての大型化を抑制することができる鉄骨構造を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る鉄骨構造を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る鉄骨構造を示す概略図である。 本発明の第３実施形態に係る鉄骨構造を示す概略図である。 本発明の第４実施形態に係る鉄骨構造を示す概略図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る鉄骨構造の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示される鉄骨構造１は例えば２階建ての鉄骨造の工業化住宅の架構を構成するものである。鉄骨構造１は、基礎２によって支持された下部構造体３と、この下部構造体３の上に配置された上部構造体４とを備えている。鉄骨構造１は、下部構造体３及び上部構造体４をそれぞれ１層備えている。下部構造体３は、柱５及び梁６を備え、これらの柱５及び梁６が剛接合（または半剛接合）されたラーメン構造体からなる。

基礎２はＲＣ構造の基礎構造体であり、下部構造体３の柱５を下方から支持して下部構造体３を受けている。柱５は例えば角形鋼管柱からなり、柱５の下端部５ａは基礎２のアンカーボルトに固定されている。柱５は上下方向に延在し、柱５の上端部５ｂには水平方向に延在する梁６が連結されている。梁６は例えばＨ形鋼からなり、梁６の長手方向の端部６ａは柱５の上端部５ｂにボルト固定されている。下部構造体３における柱５と梁６は、溶接などにより接合してもよく、その他の接合方法によって接合されていてもよい。

下部構造体３は２スパン分の梁６を有し、梁６の中途部６ｂには上部構造体４の柱７を接合する柱脚接合部８が設けられている。柱脚接合部８は、柱７の柱脚（柱脚部）７ａと梁６とをピン接合により接合している。柱７の柱脚７ａは梁６の天面に設けられたガゼットなどにボルト接合されることで容易にピン接合とすることができ、梁６は柱７を下方から支持し上部構造体４全体を支えている。中途部６ｂは、梁６の１スパンの中央部でもよく、中央部からずれた位置でもよい。中途部６ｂは、平面図で見た場合に柱５と重ならない位置である。下部構造体３は、梁勝ちの接合部（柱脚接合部８）を有するラーメン構造体である。梁勝ちの接合部では、平面図で見た場合に下部構造体３の柱５と上部構造体４の柱７とが異なる位置に配置されている。

柱７は例えば角形鋼管柱からなり上下方向に延在し、柱７の上端部７ｂには水平方向に延在する梁９を接合する柱梁接合部１０が設けられている。柱梁接合部１０は、柱７と梁９とを剛接合（強接合）により接合している。梁９は例えばＨ形鋼からなり、梁９の長手方向の端部９ａにはエンドプレートが設けられている。エンドプレート及び柱７の側面には、予めボルト孔が設けられている。柱梁接合部１０は、梁９のエンドプレート、柱７の上端部７ｂの側面（梁９のエンドプレートに対向する側面）、及びこれらを接合するボルトを有する。梁９のエンドプレートを柱７の上端部７ｂの側面にボルト結合することで、柱７及び梁９は剛接合されている。なお、柱梁接合部１０としては、梁９を柱７に溶接することで剛接合するものでもよく、その他の接合方法により剛接合するものでもよい。また、柱梁接合部１０は、柱７と梁９とを半剛接合（強接合）により接合するものでもよい。

柱梁接合部１０は、荷重作用時において梁９及び柱７が塑性域に達するまで破断しない保有耐力接合（剛接合）として構成されている。保有耐力接合とは、梁９の塑性変形能を充分に発揮させるべく、梁９の塑性変形よりも先に柱梁接合部１０を破断させない接合状態をいう。柱梁接合部１０の最大曲げ耐力が、梁９の端部９ａに作用する最大曲げモーメントを上回ることで、柱梁接合部１０は保有耐力接合として接合されている。

また、上部構造体４は、柱７の中途部７ｃと梁９の中途部９ｂにわたって架設された方杖材（ダンパー）１１を備えている。方杖材１１としては、例えばＨ形鋼、Ｌ形鋼および鋼管などが挙げられる。方杖材１１は、梁９に対して所定の角度で交差するように延在している。方杖材１１の上端部１１ａは梁９の底面に連結され、方杖材１１の下端部１１ｂは柱７の側面に連結されている。方杖材１１の上端部１１ａ及び下端部１１ｂにはエンドプレートが設けられ、このエンドプレートは柱７又は梁９にボルトで固定されている。

方杖材１１は、鉄骨構造１に極大地震による荷重が作用した場合に、柱７及び梁９よりも先に降伏するように構成されている。また、上部構造体４は、方杖材１１の降伏後に柱７より先に梁９を降伏させる梁降伏型の構造形式が採用されている。柱７、梁９及び方杖材１１の降伏点及び断面性能などを考慮して、方杖材１１を降伏させた後に、柱７より先に梁９を降伏させるようにする。

次にこのように構成された鉄骨構造１の作用について説明する。
鉄骨構造１では、柱脚接合部８がピン接合されているので、上部構造体４のモーメントが下部構造体３に伝達されることが防止されている。これにより、下部構造体３の梁６を太くする必要がなく、下部構造体３の大型化を抑制することができるとともに、柱脚接合部８を簡易にすることができる。

また、上部構造体４は、柱７と梁９との間に方杖材１１が架設されていると共に、柱梁接合部１０が剛接合とされている。地震による荷重が上部構造体４に作用した場合には、梁９及び柱７に作用した荷重は方杖材１１に伝達される。例えば、極大地震による荷重が作用した場合には、柱７及び梁９より先に方杖材１１が降伏してダンパーとしてエネルギーを吸収するので、鉄骨構造１を有する建物の倒壊を防止することができる。さらに想定外の極大地震や余震などによる荷重が作用する場合には、方杖材１１の降伏後、柱７より先に梁９が降伏するので、鉄骨構造１によるエネルギー吸収能を最大限に発揮させることができ、建物の倒壊を防止することができる。

このような鉄骨構造１によれば、柱梁接合部１０が剛接合として接合されているので、万一、極大地震により方杖材１１が破断等して外力に抵抗する能力を失ったとしても、柱梁接合部１０が降伏してしまうことはなく、これによって上部構造体４である２階の倒壊は免れるものとなる。また、柱脚接合部８はピン接合として接合されているので、柱脚接合部８から下部構造体３に過大なモーメントが伝達されることはなく、柱脚接合部８および柱脚接合部分の下部構造体３の梁６の補強や部材断面の大型化が抑制され、下部構造体３の大型化が抑制される。

また、柱脚接合部８は下部構造体３の梁６の中途部にピン接合されている。鉄骨構造１では、上部構造体４から柱７を介しての下部構造体３へのモーメントが伝達されず、軸力の入力が抑えられるため、下部構造体３の梁６の中途部６ｂにピン接合することができるものとなる。これによって、平面図で見た場合に上部構造体４の柱７の位置を下部構造体３の柱５の位置とは異なる位置に設けることができるものとなり、建築プランの自由度が向上する。また、建物の意匠性を向上させ易くなる。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、下記のような種々の変形が可能である。

図２は、本発明の第２実施形態に係る鉄骨構造２１を示す概略図である。図２に示されるように、鉄骨構造２１は３スパン分の梁６を有する下部構造体２２と、２スパン分の梁９を有する上部構造体２３とを備えている。このように、鉄骨構造２１では、柱５，７及び梁６，９の本数などを適宜変更してもよい。

図３は、本発明の第３実施形態に係る鉄骨構造３１を示す概略図である。図３に示される鉄骨構造３１は、２層構造の下部構造体３２と、１層構造の上部構造体３３とを備えている。このように鉄骨構造３１は、３階建ての建物に適用してもよい。下部構造体は、２層でもよく、３層以上でもよい。また、鉄骨構造３１は、柱脚接合部８が下部構造体３２の柱５の上端部に配置されている。下部構造体３２は、柱勝ちの接合部を有するラーメン構造体を備えるものでもよい。柱勝ちの接合部では、平面図で見た場合に柱５，７が同じ位置に配置されている。

図４は、本発明の第４実施形態に係る鉄骨構造４１を示す概略図である。図４に示される鉄骨構造４１は、基礎（基礎構造体）２からなる下部構造体４２と、下部構造体４２の上に配置された上部構造体４３とを備えている。鉄骨構造４１では、柱７が基礎２に対してピン接合された柱脚接合部８を備えている。このように、鉄骨構造４１は、基礎２からなる下部構造体４２を備えるものでもよい。

上記実施形態では、ダンパーとして方杖材１１について説明しているが、ダンパーは上記の方杖材１１に限定されず、例えば低降伏点鋼からなる芯部材と、この芯部材に圧縮力が作用した場合の座屈を防止するための座屈防止部材とからなるダンパーでもよい。ダンパーは、柱７及び梁９に作用する荷重を分散又は軽減させるものであればよい。なお、方杖材は、柱７の中途部７ｃと梁９の中途部９ｂとを連結するのに対し、ブレース材は、ブレース材の片方または両方の端部が柱または梁の端部に接合されたものである。上記基礎２は、ＲＣ構造に限定されるものではなく、鉄骨構造でもよい。

また、上記実施形態では、上部構造体４において、柱７と梁９とが、剛接合により接合されているが、柱７と梁９とは半剛接合により接合されているものでもよい。柱７と梁９との接合部は、ピン接合よりも剛性が高い強接合で接合されているものでもよい。

また、上記実施形態では、鉄骨構造１を備えた建物を工業化住宅として説明しているが、例えば店舗、事務所、工場などその他の建物に鉄骨構造を適用することが可能である。

１，２１，３１，４１…鉄骨構造、２…基礎（基礎構造体）、３，２２，３２，４２…下部構造体、４，２３，３３，４３…上部構造体、５…下部構造体の柱、６…下部構造体の梁、６ｂ…梁の中途部、７…上部構造体の柱、７ａ…柱脚（柱脚部）、７ｃ…柱の中途部、８…柱脚接合部（ピン接合）、９…上部構造体の梁、９ｂ…梁の中途部、１０…柱梁接合部（強接合、剛接合または半剛接合）、１１…方杖材（ダンパー）。

Claims (5)

1. ラーメン構造体からなる下部構造体と、柱に梁を接合すると共に、これら前記柱の中途部と前記梁の中途部にわたってダンパーを架設した１層の上部構造体とを備え、
   前記上部構造体は、前記柱と前記下部構造体との接合部がピン接合であり、前記柱と前記梁との接合部が前記ピン接合よりも剛性が高い強接合とされていることを特徴とする鉄骨構造。
2. 前記強接合は、剛接合または半剛接合である請求項１に記載の鉄骨構造。
3. 前記上部構造体の前記柱の柱脚部は、前記下部構造体の前記梁の中途部にピン接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄骨構造。
4. 前記上部構造体の前記梁と前記柱とは、前記強接合として保有耐力接合により接合されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の鉄骨構造。
5. 前記上部構造体は、前記ダンパーの降伏後に前記柱より先に前記梁を降伏させる梁降伏型の構造形式であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の鉄骨構造。

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