(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直荷重を負担する柱または壁の構造部材を有する建物であって、閉鎖型断面鉄骨材に緊張鋼材が基部から先端まで配置され、緊張定着されてプレストレスが導入してある制震柱状体が付加してあり、この制震柱状体は、基礎から所定の階まで配設され、建物の鉛直荷重を負担せずに水平荷重のみを負担して当該建物の水平変形を抑制し、水平荷重の解放後には建物を原位置に復元させることを特徴とする建物。
【請求項２】
請求項１において、制震柱状体が建物の平面において、建物の中央部の長さと幅がそれぞれ１／２で囲まれた範囲に配置されている建物。
【請求項３】
請求項１において、制震柱状体は建物の外に設置してあり、建物の水平力を受けるための連結部材で建物と連結してあることを特徴とする建物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物の既設、新設を問わず、大地震や強風に起因する水平力による建物の振動や横揺れを抑制するためにプレストレスを導入した制震柱状体を用いた建物に関する。
【背景技術】
【０００２】
建物の柱の軸方向にプレストレスを付与し、水平力によって変形する柱をプレストレスによって元に戻す復元力を与え、建物に永久変形が起きないようにすることが提案されている。
特許文献１（特開２０１１−１６９０７０号公報）には、建物の基礎から最上層まで各階層に構築される柱または壁等の鉛直構造部材の断面の核内及び核外に緊張鋼材を配置し、少なくとも断面の核内に配設された緊張鋼材を基礎から最上層まで連通させ、断面の核内と核外に配置した緊張鋼材に導入する緊張力を異なるものとした制震構造物が開示されている。
基礎と最上層との間に構築された断面核内に挿通した緊張鋼材を緊張定着して部材全長にわたって制震プレストレスを付与したことによって鉛直構造部材の断面耐力を増大させて地震時の部材の余裕度を大きくし、全ての主筋や緊張鋼材を降伏させずに線形復元力範囲に留め、大地震や強風を受けても建物のひび割れや損傷が生じるのを回避するものである。
特許文献２（特許第４６４７７１４号公報）には、コンクリート造の壁付き柱を使用して構築される建物であって、下層階から上層階まで連結したＰＣ鋼材を挿通させて配置し、ＰＣ鋼材を緊張定着することによりプレストレスを付与した壁付き柱を形成し、前記壁付き柱の断面において、柱幅をｂとし壁の厚さをｔとしたときに、柱幅に対する壁の厚さ比を、ｔ／ｂ＝０．３以上とし、ＰＣ鋼材の緊張導入力を、柱に配置されたＰＣ鋼材に与える緊張導入力を該ＰＣ鋼材降伏荷重の８０％までとし、壁に配置されたＰＣ鋼材に与える緊張導入力を該ＰＣ鋼材降伏荷重の４０〜７０％とすることによって、水平力を受けても上層に生ずる大きな揺れをプレストレスによる復元力で抑制し、内部に配設してある主筋や緊張鋼材を降伏させないようにすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１６９０７０号公報
【特許文献２】特許第４６４７７１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
建造物の永久変形を防止するという課題に対して、特許文献１（特開２０１１−１６９０７０号公報）及び特許文献２（特許第４６４７７１４号公報）では、制震プレストレスを柱や壁に付与することにより、地震による揺れを抑制し、また、大地震や強風によって強い揺れを繰り返し受けても、柱に導入したプレストレスの原点指向型特性による復元力によって揺れの影響を抑え、柱や壁の変形を線形復元力の範囲内にとどめ、地震力がなくなった後には、プレストレスによる復元力で変形した部材を元の位置に戻すことによって建物の制震性能を向上させている。
【０００５】
ＰＣ構造は、コンクリート造構造部材（柱、梁、壁等）の断面内に配置された緊張鋼材を緊張することによって、コンクリート断面にプレストレスを与えるものであり、そのプレストレスは想定される荷重または負荷（力）に対して十分抵抗できるように付与されている。
水平力が建物の構造部材に作用して変形した際の建物の重量ＷとプレストレスＰの作用について検討すると、中小地震であって水平力による変形が小さく、構造部材の軸心の傾斜が小さな場合は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、地震時に建物の構造部材に作用する外力は、水平力Ｈと建物の重量Ｗである。
プレストレスＰは、構造部材の断面内に配置した緊張鋼材に付与した緊張力に基づく力であり、部材断面に作用する内力であるので、部材が水平力Ｈによって変形しても部材断面に垂直に作用する。
従って、地震時においては、プレストレスＰによって建物の水平変形は抑制されると共に変形量が小さなものとなり、地震後には水平力がなくなるのでプレストレスＰによって元の状態に復元される。
一方、図１（ｃ）に示すように、大地震時には、水平力Ｈによって構造部材は水平変形する。この水平力Ｈは、構造部材の重量Ｗに依存するものである。構造部材が水平変形して傾斜するので重量Ｗの作用方向が構造部材の軸心に対して角度をもって作用することになり、重量Ｗによる付加曲げモーメントＭｗが生じ、構造部材に作用するトータルの曲げモーメントは、水平力Ｈによる曲げモーメントＭｈと重量Ｗによる曲げモーメントＭｗとの合計（Ｍｈ＋Ｍｗ）となり、傾斜した構造部材の変形を構造部材の重量が更に大きくさせる方向に作用することになる。
【０００６】
プレストレス力Ｐは、部材内部に予め付与してあるプレストレスによる内力であり、常に部材断面の垂直方向に作用するものであるから、プレストレスＰを付与している緊張鋼材が弾性範囲内にある限り、建物が変形しようとしたときに抵抗する力になり、また、図１（ｄ）に示すように、変形した構造部材を元に戻す方向に作用して制震効果を発揮する。
【０００７】
特許文献１、２の発明における制震効果は、ＰＣ柱や壁等の鉛直構造部材にプレストレスを付与することによって得られるものである。
従来のＰＣ構造部材において、部材断面に配置された緊張鋼材の緊張力は、定着完了時では緊張鋼材の降伏荷重（Ｐｙ）の８０％で設計されている。構造部材の断面耐力は緊張鋼材の降伏点強度をもとに算出され、最大荷重時では緊張鋼材が弾性限界を超えて降伏状態となることを許容している。結果として、大地震時には緊張鋼材が降伏して塑性変形してプレストレスが失われるので部材の復元力が失われ、地震力が解放された後には部材に残留変形が残り、発生したひび割れを閉じることができない。従って、ひび割れが大きく進行する恐れが残り、構造躯体が損傷を受けた状態となって建物の使用寿命が大幅に減少する。
【０００８】
構造部材にプレストレスを付与するために使用される緊張鋼材は熱処理されたＰＣ鋼材である。図２に示すように、熱処理されたＰＣ鋼材には明瞭な降伏点が現れないため、一般には０．２％の永久ひずみを生ずる応力を耐力と呼び、降伏点の代用としている。ＰＣ鋼材の耐力は、ＰＣ鋼棒で７８５〜１２７５Ｎ/mm2であり、通常の鉄筋の２倍以上である。
ＰＣ鋼材の荷重−伸び曲線は、耐力荷重の８５％程度までは直線状であり、荷重が取り除かれれば元の状態に戻る線形復元範囲であり、安全弾性範囲である。この点を超えると緩やかな曲線となって非線形復元状態に入り、ＰＣ鋼材の伸びが元に戻らないためコンクリート表面にはひび割れが発生する恐れがあり、主筋や緊張鋼材の弾性付着損傷防止が期待できなくなる。この状態になるのを避けるため、ＰＣ鋼材にプレストレスとして導入する緊張力は、通常より小さくし、大地震時であってもＰＣ鋼材に作用する荷重が線形復元範囲内となるように、余裕をもたせる所謂マイルドプレストレスとする必要がある。
鉄骨造構造（Ｓ造構造）の鉄骨柱に制震プレストレスを付与すると、その分だけ部材の断面を通常の設計断面より大きくしなければならないので好ましくなく、既存建物の柱や壁等の構造部材にプレストレスを付与することは施工が難しいばかりでなく、既存の構造部材の耐力を減少させるのでプレストレスを付与することはできない。
【０００９】
従来の制震プレストレスは、外力を受ける柱や壁の構造部材に付与するものであり、地震等の水平力によって水平変形が生じると、前述のように部材重量による付加曲げモーメント（Ｍｗ）が生じて部材の変形を大きくさせて永久変形を起すことがある。
そこで、本発明は、水平変形による付加曲げモーメントによって構造部材が大きく変形するのを抑止し、プレストレスを付与するための緊張鋼材が弾性範囲内にあって、地震等の外力がなくなった後には部材の変形を元の状態に復帰させることができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
閉鎖型断面鉄骨材に緊張鋼材が基部から先端まで配置され、緊張定着されてプレストレスが導入してある制震柱状体を有する建物であって、この制震柱状体は、基礎から所定の階まで配設され、建物の鉛直荷重を負担せずに水平荷重のみを負担して当該建物の水平変形を抑制し、水平荷重の解放後には建物を原位置に復元させるものである。
制震柱状体は、建物のスラブを貫通して設けてあり、水平荷重のみを伝達するようにスラブと剛接合しない建物である。
更に、既存の建物に隣接して制震柱状体を設置し、制震柱状体を既存建物と水平荷重を伝達する連結部材で連結して耐震補強した建物である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の制震柱状体は、以下の効果を発揮する。
（１）制震柱状体は、床スラブから建物の鉛直荷重を受けず、水平荷重のみを負担して地震等による建物の水平変形を抑制し、また、元の位置に復帰させるものであるので、従来の鉛直荷重を負担する柱のように水平変形時に付加曲げモーメント（Ｍｗ）が生じない。  従って、導入された制震プレストレス力がすべてスラブの水平変形を抑える力として作用し、建物に対する揺れの影響を小さく抑えることができる。
また、地震後に、制震プレストレスによる復元力が建物を元の位置に戻すので変形は残留せず、建物全体の制震性能が著しく向上する。
（２）制震柱状体を建物の中央部に配置することによって建物全体に対して芯柱として機能するので制震効果を一層高めることができる。
（３）制震柱状体は建物の鉛直荷重を負担していないので、荷重による付加モーメントが作用しないので緊張鋼材の緊張力を軽減することができると共に、緊張鋼材の耐力までの余裕を大きく取ることが可能である。
（４）制震柱状体を既存建物に付加的に設置することよって水平荷重のみを負担して地震等による建物の水平変形を抑制し、また、元の位置に復帰させる制震建物とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】制震プレストレスの制震作用の説明図。
【図２】ＰＣ鋼材の荷重−伸び曲線。
【図３−１】中空部に充填材を有する制震柱状体の建物への取付状態図。
【図３−２】中空部に充填材がない制震柱状体の建物への取付状態図。
【図４】制震柱状体の取付図及び断面図。
【図５】制震柱状体の実施例１の配置図。
【図６】制震柱状体の実施例２の配置図。
【図７】既存建物に制震柱状体を設置した配置図の一例。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図３−１に鋼管内部にモルタル等を充填した制震柱状体１の建物への取付状態図を示す。
閉鎖型断面鉄骨材である鋼管１０の内部に緊張鋼材２が配設してある。緊張鋼材２は、鋼管１０の断面の図心及び／または図心に対称に配置する。緊張鋼材２は、その下端は基礎３内にあり、アンカープレートの定着体３１によって基礎３の内部に定着されている。
鋼管１０は基礎３から所定の階のスラブ４または屋上まで延びており、鋼管１０の上端に定着体３２が設けてあり、緊張鋼材２の上端が緊張されて定着され、所定のプレストレスが導入されることによって制震柱状体１となる。
【００１４】
鋼管１０を建物の最上階の屋上まで延ばして定着する場合は、屋上の防水処理やＰＣ鋼材の定着具の防錆処理等が必要となり、コストがかかるので必ずしも最上階まで制震柱状体１を延ばさなくてもよく、適宜の階までの長さでも十分な制震力が得られるように、導入するプレストレスの大きさ、制震柱状体１の本数及び配置を振動解析等によって求める。
図３−１（１）に示すように、緊張鋼材２を各階ごとに緊張定着するものでもよく、また、図３−１（２）に示すように、階をとばして適宜のｎ階ごとに緊張定着し、所定のプレストレスが導入されるようにするものでもよい。もちろん、図３−１（３）に示すように、基礎３から最上階まで連続した緊張鋼材２を使用して基礎３と最上部で定着してもよい。
鋼管１０の内部には、モルタル等の充填材１３を充填することが好ましい。充填しない場合は、図３−２に示すように、適宜の間隔で緊張鋼材２の位置保持用の弾性スペーサー６を緊張鋼材２に取り付ける。
【００１５】
制震柱状体１は、スラブ４に設けた開口４１を通して配設されており、スラブ４からは制震柱状体１には水平荷重のみが伝達され、鉛直方向の荷重は伝達されない接合構造としてある。
その詳細構造は、図４に示すように、制震柱状体１を設置するスラブ４の箇所には所定の大きさの貫通部となる開口４１が形成されており、鋼管１０がこの開口４１を通して配設してある。鋼管１０のスラブ４に対応する位置の外周面にはスタッド１２が取り付けてあり、スラブ４の鉄筋４２は折り曲げてスタッド１２の上下に配置される。開口４１には、後打ちコンクリート４３を打設して塞いでおく。
スラブ４は建物の梁や壁（図示しない）の構造部材で支持されているので、スラブ４からの鉛直荷重は制震柱状体１には伝達されず、水平力のみが伝達される。
要するに、制震柱状体１にはスラブ４が剛接合されていないので、通常時には、建物の鉛直荷重を負担しない。地震等の水平力によって建物が水平変形するときに、制震柱状体１が水平変形を抑制するようにスラブ４を抑制し、そして、水平力がなくなった地震後に水平変形を復帰させることになる。
【００１６】
本発明の制震柱状体１は、建物の荷重による軸力が制震柱状体１に伝達されないように構造部材の梁や壁等と直接連結せずにスラブ４を貫通させると共に、鉛直荷重を受ける柱の近傍に設けることが好ましい。
【００１７】
緊張鋼材２は、制震柱状体１の建て方に合わせてＰＣ鋼棒を用いて順次接続具によって連結して基礎から上層まで連続した緊張鋼材とする。中間接続具を省いてコストを軽減するには、基礎から最上階まで連通したＰＣ鋼より線やＰＣ鋼線を使用する。また、ＰＣ鋼材の他、高強度鉄筋を使用することも可能である。
緊張鋼材の鋼管内への配置本数は、少なくとも１本を必要本数とし、緊張鋼材を基礎から最上層まで全長にわたって連結した状態で配置するものであるが、既に説明したように、建物の規模と高さによって適宜に所定の層階までで留めることができる。
【００１８】
制震柱状体１の断面形状は、座屈しないように図４（３）に示す閉鎖型断面とすることが好ましく、鋼管、角形鋼管を用いるか、形鋼を組み合わせて閉鎖型断面としたものとする。また、必要に応じて、閉鎖断面内にグラウト等の充填材１３を充填する。
図示を省略するが、制震柱状体１の局部座屈や横座屈を防止するため、適宜に補強することはいうまでもない。緊張鋼材２を配設した制震柱状体１にグラウト１３を充填してボンド部材として使用することができ、グラウト１３の充填により耐火性能の向上と共に防錆処理にもなる。
建物が高く水平変形が大きくなる場合、緊張鋼材２には大きな弾性伸びが求められるので、鋼材表面に防錆被覆が形成されたアンボンド緊張鋼材を用いて、ノングラウトタイプとするのが好ましい。この場合は、図３−２に示したように所定間隔で弾性スペーサー６を緊張鋼材２に取付けることとする。
【００１９】
制震柱状体１の平面配置は、制震柱状体１を芯柱として建物のコアに配置することが望ましい。
図５に示すように、建物の中央部をコア（斜線部分）とし、コア領域内に制震柱状体１を配置する。なお、図中、Ｂ、Ｃは、構造部材として軸力荷重を負担する梁（大梁）と柱を示すものである。
図６のように建物が３スパン以上の場合、建物全長の１／３〜１／２の長さで囲まれる範囲をコアとし、このコアの内部領域に制震柱状体１を配置する。
【００２０】
更に、図７に示すように、建物の外周に基礎を構築して制震柱状体１を配置して建物の梁やスラブと連結部材５で連結して水平力を受けるようにしてもよい。制震柱状体１を建物の外部に配置することによって建物内部の使用空間を損なうことなく、また、スラブに開口を形成する貫通工事を省略することができるので低コストで耐震補強が図れる。
この方法は、既存建物を耐震補強するのに好適であり、建物の内部のスラブに制震柱状体１を貫通させるための開口の形成工事が不要であり、建物外部で制震柱状体と梁または柱と連結する工事を行えばよいので耐震補強工法として好適である。
【００２１】
緊張鋼材２の緊張力は、緊張鋼材の降伏荷重の４０〜７０％とするが、大地震の場合でも緊張鋼材２が図２の荷重−伸び曲線の示す線形復元範囲内に留まるように緊張鋼材の降伏荷重の５０％以下とすることが好ましい。
【符号の説明】
【００２２】
１    制震柱状体
１０  鋼管
１２  スタッド
１３  充填材（グラウト）
２    緊張鋼材
３    基礎
３１、３２  定着体
４    スラブ
４１  開口
４２  スラブ鉄筋
４３  後打ちコンクリート
５    連結部材
６    弾性スペーサー
Ｂ    梁(大梁)
Ｃ    柱
【要約】      （修正有）【課題】大地震や強風による強い揺れを繰り返し受けた際の建物の揺れを抑制し、柱等の構造部材が復元力の範囲内に維持される制震柱状体を提供する。【解決手段】閉鎖型断面鉄骨材である鋼管の内部に緊張鋼材が配置されて緊張定着された制震柱状体１が、基礎から建物２の鉛直荷重による軸力を負担することなく各階のスラブ４を貫通して所定階の床スラブまで配設され、スラブ４と制震柱状体１は水平力を伝達する連結部材で連結されており、地震等の水平力が作用した場合、スラブ４から制震柱状体１に伝達されるが、プレストレスが制震柱体１の変形を元に戻す復元力として作用して建物が大きく揺れるのを阻止し、制震柱状体１は建物の鉛直荷重を負担しておらず、鉛直荷重による付加モーメントが発生しないので緊張鋼材の緊張力を軽減することができ、大きな余裕を持たせることができるので大地震に対応できる。【選択図】図３−１【図１】
0005411375.tif 000002
【図２】
0005411375.tif 000003
【図７】
0005411375.tif 000004
【図３−１】
0005411375.tif 000005
【図３−２】
0005411375.tif 000006
【図４】
0005411375.tif 000007
【図５】
0005411375.tif 000008
【図６】
0005411375.tif 000009