(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物と略同等以上の剛性を有する補強フレームが該構造物の基部と頂部とにピン接合されて、該構造物の外側面に沿ってその基部から頂部にわたって設置され、該補強フレームの中間部が前記構造物に定められた間隔ごとに接合されてなる耐震補強構造であって、
前記補強フレームは、一端がピンに接合され、斜めに延在する二本一対の斜め材と、上下の該斜め材間で上下方向に延在する縦材と、左右の該縦材間に架設された横材とからなり、前記補強フレームと前記構造物との間で水平方向に定められた相対変位を許容するよう接合されていることを特徴とする耐震補強構造。
【請求項２】
請求項１記載の耐震補強構造であって、前記補強フレームにダンパーが組み込まれていることを特徴とする耐震補強構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばビルやマンション等の建物の耐震補強を図るために用いて好適な耐震補強構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、既存建物の耐震性を向上させるため、柱や梁、壁、床等の部材を補強することによって耐力を高める様々な構造や工法が開発・提供されている。
また、新築の建物においては、所要の耐震性が得られるよう設計施工を施しているのは言うまでもない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の技術には以下のような問題が存在する。
すなわち、既存の建物において部材を補強した場合においても、また新築の建物においても、例えば鉄筋コンクリート構造の場合には、使用する鉄筋の本数や径寸法が途中階で変わるのが通常である。このような部分は、他の層に比較すると剛性と耐力が弱い弱層となり、建物全体としての耐力と剛性のアンバランスが生じてしまうのは避けがたい。そのため、強大な地震が発生した場合には、弱層にエネルギーが集中し、被害が集中してしまう。
【０００４】
また、建物の上層階は耐力に余裕があるのが通常であり、その結果、下層階に比較して上層階の方が、耐震性能的にも余裕があると言える。
【０００５】
さらに、近年では、各階の相対変位を利用し、ダンパー等の各種制震デバイスで相対変位エネルギーを吸収する制震構造が、地震応答を低減する有効な構法として適用されるケースが増えているが、このような場合においても、各階毎の剛性と耐力のアンバランスが原因となり、制震デバイスの効き具合が各階で均等ではない、という問題もある。
【０００６】
加えて、既存の建物の耐震性を向上させる場合には、建物を使用したまま工事を行うことが可能となる技術が常に要求されている。
【０００７】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、耐力・剛性の弱い層へのエネルギー集中を緩和し、効率の良い耐震性を得ることのできる耐震補強構造を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、構造物と略同等以上の剛性を有する補強フレームが該構造物の基部と頂部とにピン接合されて、該構造物の外側面に沿ってその基部から頂部にわたって設置され、該補強フレーム中間部が前記構造物に定められた間隔ごとに接合されてなる耐震補強構造であって、前記補強フレームは、一端がピンに接合され、斜めに延在する二本一対の斜め材と、上下の該斜め材間で上下方向に延在する縦材と、左右の該縦材間に架設された横材とからなり、前記補強フレームと前記構造物との間で水平方向に定められた相対変位を許容するよう接合されていることを特徴としている。
【０００９】
地震等によって構造物に変形が生じたときには、構造物自体においては、耐力と剛性の弱い層で、構造物の頂部と基部とを繋ぐ直線に対して大きくはずれる応答変形を受ける。このとき、補強フレームが構造物の基部から頂部にわたって設置されているので、この補強フレームによって、耐力と剛性の弱い層における変形を抑制するとともに、変形の小さな他の層に変形を強制する。しかも、補強フレームと構造物との間の水平方向の相対変位が定められた変位以下であるときには構造物の変形が補強フレームに伝達されず、定められた変位以上となったときに伝達される。
【００１０】
なお、補強フレームの剛性は構造物の剛性のアンバランスの程度により決まるが、構造物の剛性の１〜３０倍とするのが好ましい。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の耐震補強構造であって、前記補強フレームにダンパーが組み込まれていることを特徴としている。
【００１４】
これにより、補強フレームに伝達された構造物の変形のエネルギーが、ダンパーによって吸収される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る耐震補強構造の実施の形態について、図１ないし図９を参照して説明する。
【００１６】
図１において、符号１は耐震補強を図るべき建物（構造物）、２は補強フレームである。
この図に示すように、補強フレーム２は、例えば４階建ての建物１の側面に沿って設置されており、建物１の基部１ａと頂部１ｂとに、ピン３Ａ，３Ｂを介してピン接合されている。
【００１７】
この補強フレーム２は、一端がピン３Ａ，３Ｂに接合され、斜めに延在する二本一対の斜め材４ａと、上下の斜め材４ａ間で上下方向に延在する縦材４ｂと、建物１の各階の床レベルにおいて左右の縦材４ｂ，４ｂ間に架設された横材４ｃとが、略梯子状に組まれたフレーム本体４を主体構成としている。そして、フレーム本体４には、ブレース材５が、中間階の各層に組み込まれている。
【００１８】
さらに、フレーム本体４には、建物１の各層に対応して、二本一対のブレース型ダンパー６が組み込まれている。
【００１９】
このような構成の補強フレーム２は、その剛性が、建物１自体の剛性に対し、例えば１〜３０倍に設定されている。
【００２０】
また、図２に示すように、フレーム本体４は、その中間部が、建物１の各層の床やベランダの面内剛性を利用して固定されたブラケット７に、以下のようにして接合されている。フレーム本体４の横材４ｃには、建物１側に延出するジョイントプレート８が設けられ、このジョイントプレート８には、複数の長孔９が形成されている。各長孔９は、建物１の側面に沿った水平方向を長径とした長孔で、この長孔９には、ブラケット７に一体に取り付けられた接合ピン１０が挿入されている。この接合ピン１０は、長孔９の長径方向の範囲内で移動可能に係合している。
【００２１】
このような構成の補強フレーム２を備えた建物１では、地震等によって建物１に変形が生じたときには、建物１自体においては、耐力と剛性の弱い層で、基部１ａと頂部１ｂとを繋ぐ直線に対して大きくはずれる応答変形を受ける。このとき、補強フレーム２が建物１の基部１ａから頂部１ｂにわたって設置されているので、この補強フレーム２の曲げ抵抗によって、耐力と剛性の弱い層の変形を抑制するとともに、変形の小さな他の層に変形を強制する。ところで、このような作用は、補強フレーム２の剛性が低いと建物１に追従して変形して発揮されないため、補強フレーム２の剛性は、前述の如く、建物１の剛性に対して１〜３０倍に設定するのが好ましい。
【００２２】
さらに、補強フレーム２は、建物１の各層に、長孔９と接合ピン１０とを介して接合されており、これによって、建物１の各層における変形量が長孔９の長径方向の範囲内であるときには、接合ピン１０が長孔９の端部に到達しないため、建物１の変形が補強フレーム２には伝達されず、建物１の変形量が長孔９の長径方向の範囲以上となったときのみ、接合ピン１０が長孔９の端部に当接し、建物１の変形が補強フレーム２に伝達されるようになっている。
【００２３】
そして、補強フレーム２に伝達された建物１の変形エネルギーは、補強フレーム２に組み込まれたブレース型ダンパー６によって熱エネルギーに変換され、吸収される。
【００２４】
上述した耐震補強構造では、建物１と略同等以上の剛性を有した補強フレーム２が、建物１の外側面に沿ってその基部１ａから頂部１ｂにわたって設置され、その中間部が建物１の各階に接合された構成となっている。
これにより、地震等によって建物１に変形が生じたときには、補強フレーム２の曲げ抵抗によって、建物１の基部１ａと頂部１ｂとを繋ぐ直線に対して大きくはずれる弱層の変形を抑制するとともに、変形の小さな他の層に変形を強制することができる。したがって、地震時における建物１の変形を各層で均一化することができ、その結果、建物１の各層で均等に地震エネルギーを消費し、特定層へのエネルギー集中を防いで高い耐震性能を発揮することができる。
【００２５】
しかも補強フレーム２の建物１への取付は、外部だけの工事で済むために、建物１が既存のものである場合にも、建物１を使用しながら工事を行うことが可能となる。また、建物１の基礎部分については荷重の増加等がほとんどないために、特に既存の建物１においては有利である。さらに、補強フレーム２自体も簡単な構造である。
【００２６】
このようにして、補強フレーム２で建物１の耐震補強を図ることによって、トータルでの所要コストを大幅に低減することができる。
【００２７】
また、補強フレーム２は、建物１の基部１ａと頂部１ｂにピン接合され、かつ建物１の各階に接合される部分では、長孔９と接合ピン１０を介して接合されることによって、補強フレーム２と建物１との間で水平方向に定められた相対変位を許容する構成となっている。これにより、補強フレーム２と建物１との間の水平方向の相対変位が定められた変位以上となったときのみ、建物１の変形が補強フレーム２に伝達され、他の層に変形が強制されるようになっている。
したがって、例えば、従来の構造であっても建物１の弱層に被害が及ばないような程度の地震時には、補強フレーム２による変形強制がなされず、弱層以外の層における変形が過度に大きくならないようにすることができる。
【００２８】
さらに、補強フレーム２にはブレース型ダンパー６が組み込まれた構成となっている。これにより、補強フレーム２に伝達された建物１の変形エネルギーが吸収され、地震エネルギーを効率よく減衰することができる。しかも、各層に設けたブレース型ダンパー６は、補強フレーム２の作用によって、各階で均等に利くようにすることができる。
【００２９】
ここで、図３ないし図５に示すものは、上記に説明したような構成を適用した建物モデルにおける地震応答を検討したものである。
以下の検討において、地震波は、ＥｌＣｅｎｔｒｏ１９４０ＮＳ（最大速度を５０ｋｉｎｅに規準化）とする。また、建物は鉄筋コンクリート構造の３階建てとし、桁行き方向に７ｍ×５スパン、梁間方向に５．５ｍ×３スパンとし、建物の地震時全重量は１６０５（ｔ）とする。そして、このような建物で、耐震壁が少なく地震被害が発生しやすい桁行き方向について、復元力特性をＴｒｉ−Ｌｉｎｅａｒ武田モデルとして解析を行った。
【００３０】
図３は、建物１の第１層の剛性と耐力を意図的に１／２に低減させて弱層とした場合の結果である。図中「ＯｒｉｇｉｎａｌＭｏｄｅｌ」と示したものが補強フレーム２が存在しない場合に相当し、第１層に塑性履歴が集中して、第２〜第３層では降伏変形以下の範囲の履歴を受けている。
そして、図中、「剛棒体」と示したものが、補強フレーム２を建物１の剛性の１０倍の剛性として取り付けた場合に相当し、長孔９と接合ピン１０を介したルーズな接合と、ダンパー型ブレース６とを廃した場合（図中「ギャップなし」と表示）には、弱層である第１層の変形が第３層の応答変位を著しく強制する。
しかし、長孔９と接合ピン１０を介したルーズな接合（建物１の各層の降伏変位δｙに相当するギャップを与える）を採用してダンパー型ブレース６を廃した場合（図中「ギャップδｙ」と表示）には、第３層に強制された応答変位は低減し、建物１の基部１ａと頂部１ｂとを繋ぐ直線状の変形が得られる。
以上より、長孔９と接合ピン１０を介した補強フレーム２と建物１とのルーズな接合の効果が確認できる。
【００３１】
図４、図５は、著しい弱層のない建物１に、補強フレーム２（著しい弱層がないので建物剛性の３倍の剛性とする）を取り付けた場合の応答変位および応答塑性率である。
図４および図５中、「剛棒体モデル」と示したものは、補強フレーム２の長孔９と接合ピン１０を介したルーズな接合を採用し、かつダンパー型ブレース６を廃した場合に相当する。この場合、耐震性能的に遊んでいた第３層を含め、各階の応答塑性率が補強フレーム２によって均等化されることが確認できる。
さらに、図４および図５中、「剛棒体ダンパーモデル」と示したものは、補強フレーム２の長孔９と接合ピン１０を介したルーズな接合を採用し、かつダンパー型ブレース６を採用した場合に相当する。この場合、各階の応答の均等化と低減が図られ、応答塑性率（階の降伏変位に対する応答変位の倍率）がμ＝０．８３〜１．５３と著しく低減する。これは、建物１が既存不適格となっている鉄筋コンクリート造であっても、この程度の応答低減が得られれば、耐震補強を施す必要がない応答である。
【００３２】
図３ないし図５に示した解析条件では、補強フレーム２が、建物１の剛性の３〜３０倍程度の剛性を有していれば十分であり、これには、例えばＨ−１００×５０×５×７の鋼材を用い、スパン７ｍのトラス構造体を２構面設けて補強フレーム２を構成すれば前記所要の剛性を確保することができ、補強フレーム２の応答曲げ応力は短期許容応力度程度に収まる。
【００３３】
なお、上記第一の実施の形態において、補強フレーム２に組み込むダンパーとしてブレース型ダンパー６を採用したが、これ以外のダンパーでも何ら支障はない。
例えば、図６に示すように、補強フレーム２のフレーム本体４の横材４ｃに組み込んだブラケット１１と、その上階の横材４ｃとの間に、例えば粘性型のダンパー１２を組み込むようにしても良いし、また、図７に示すように、図６における粘性型のダンパー１２に代えて、せん断降伏型または曲げせん断降伏型のダンパー１３を組み込むようにしても良い。この他にも、補強フレーム２に組み込むダンパーの形式については何ら限定するものではなく、所要の機能を発揮することができるものであればいかなるダンパーを組み込んでも良い。もちろん、場合によってはダンパーを省略した構成とすることも可能である。
【００３４】
また、図８に示すように、建物１が、例えば集合住宅等、桁行き面に補強フレームを取り付けることのできない場合には、補強フレーム２２を、両妻面の外階段面等、桁行き面に直交する側面１ｃ，１ｄに設置しても良い。ここでは、補強フレーム２２が、建物１の一方の側面１ｃに設置されたフレーム本体４と、他方の側面１ｄに設置されたダンパーフレーム２３とから構成されている。このように分割設置されたフレーム本体４は、建物１の側面１ｃの各階に設けられたブラケット７に、前記第一の実施の形態で示した補強フレーム２（図１参照）と同様に、長孔９と接合ピン１０を介したルーズ接合されている。また、ダンパーフレーム２３は、建物１の他方の側面１ｄに固定されたフレーム本体２４に、各階における変形エネルギーを吸収するためのダンパー２５が組み込まれた構成となっている。
【００３５】
このような補強フレーム２２によっても、前記実施の形態で示した補強フレーム２と同様の機能を発揮することが可能である。しかも、このように、補強フレーム２２を構成するフレーム本体４をダンパーフレーム２３とを分割設置することによって、建物１の使用環境を損なうことなく、その耐震性能を高めることが可能となる。
【００３６】
この他、図９に示すように、建物３１の中央部に上下方向に連続するエレベータシャフト３２が設置されている場合等には、補強フレーム２をエレベータシャフト３２の側面に沿って設置することも可能である。このようなエレベータシャフト３２は筒状で建物３１の他の部分に比較して高剛性を有しており、建物３１のコアを構成している。
【００３７】
なお、上記実施の形態において、補強フレーム２を建物１，３１の各階に接合する構成としたが、例えば２階毎、３階毎等、他の間隔で接合することも可能である。
また、補強フレーム２を構成するフレーム本体４については、その形式を何ら問うものではなく、平面トラス状、立体トラス状等、所要の曲げ抵抗が得られる形式を適宜採用すればよい。もちろん、フレーム本体４を構成する部材の材質についても何ら問うものではない。
さらに、補強フレーム２を建物１，３１に接合する部分の構造、すなわち補強フレーム２の上下端部におけるピン３Ａ，３Ｂを介したピン接合、中間部の各層における長孔９と接合ピン１０を介したルーズ接合については、これ以外の接合構造としても良い。
【００３８】
加えて、上記のような耐震補強構造を適用する建物は、新築、既存を問うものではない。
また、補強フレーム２を設置する場所や補強フレーム２の数についても、所要の耐震補強効果が得られるよう適宜設定すればよいのであって、上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３９】
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない範囲内であれば、いかなる構成を採用しても良く、また上記したような構成を適宜選択的に組み合わせたものとしても良いのは言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る耐震補強構造によれば、構造物と略同等以上の剛性を有した補強フレームが、構造物の基部と頂部とにピン接合されて、構造物の外側面に沿ってその基部から頂部にわたって設置され、その中間部が、構造物に定められた間隔ごとに接合された構成となっている。
これにより、地震等によって構造物に変形が生じたときには、補強フレームによって、耐力と剛性の弱い層における変形を抑制するとともに、変形の小さな他の層に変形を強制することができる。したがって、地震時における構造物の変形を各層で均一化して地震エネルギーを各層で均等に消費することができ、特定層へのエネルギー集中を防いで、高い耐震性能を発揮することができる。
しかも補強フレームの構造物への取付は、外部だけの工事で済むために、構造物が既存のものである場合にも、構造物を使用しながら工事を行うことが可能となる。
また、補強フレームは簡単な構造であるため、構造物の基礎部分については荷重の増加等がほとんどないために、特に既存の構造物の耐震改修においては有利である。
さらに、補強フレーム自体も簡単な構造である。
建物外部の工事で対応できるために、耐震改修に要するトータルでのコストを、通常の耐震補強構法の例えば半分程度等、大幅に低減することができる。
【００４１】
また、請求項１に係る耐震補強構造によれば、補強フレームは、構造物に接合される部分で、補強フレームと構造物との間で水平方向に定められた相対変位を許容する構成となっている。
これにより、補強フレームと構造物との間の水平方向の相対変位が定められた変位以下であるときには構造物の変形が補強フレームに伝達されず、定められた変位以上となったときに伝達される。したがって、例えば、従来の構造においても構造物の弱層に被害が及ばないような強度の地震時には、補強フレームによる変形強制がなされないようにすることができ、弱層以外の層における変形が過度に大きくならないようにすることができる。
【００４２】
請求項２に係る耐震補強構造によれば、補強フレームにダンパーが組み込まれた構成となっている。これにより、補強フレームに伝達された構造物の変形のエネルギーが、ダンパーによって吸収され、地震エネルギーを効率よく吸収することができる。しかも、ダンパーを各層に設けた場合に、補強フレームの作用によって、各層のダンパーが均等に利くようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る耐震補強構造の実施の形態の一例を示す立面図である。
【図２】  （ａ）は、図１のイーイ矢視図、（ｂ）は（ａ）のローロ矢視図である。
【図３】  本発明に係る耐震補強構造を適用した建物モデルにおける地震応答解析結果を示す図である。
【図４】  同、他の地震応答解析結果を示す図である。
【図５】  同、さらに他の地震応答解析結果を示す図である。
【図６】  本発明に係る耐震補強構造の実施の形態の他の一例を示す立面図である。
【図７】  本発明に係る耐震補強構造の実施の形態のさらに他の一例を示す立面図である。
【図８】  本発明に係る耐震補強構造の実施の形態のさらに他の一例を示す立面図である。
【図９】  本発明に係る耐震補強構造の実施の形態のさらに他の一例を示す立面図である。
【符号の説明】
１，３１  建物
２，２２  補強フレーム
６  ブレース型ダンパー（ダンパー）
１２，１３，２５  ダンパー
【図１】
0003690468.tif 000002
【図２】
0003690468.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003690468.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003690468.tif 000008
【図８】
0003690468.tif 000009
【図９】
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