(57)【要約】【課題】地震時の揺れに対する塑性変形によるエネルギー吸収が、柱端部及び梁端部に先行して柱梁接合部で生ずるようにした柱梁接合機構を提供する。【解決手段】下側柱端部Ｅ１と上側柱端部Ｅ２と梁端部Ｅ３と柱梁接合部２とからなり、柱梁接合部は、下側柱端部に接合した水平な第１ダイアフラム４と、上側柱端部に接合した水平な第２ダイアフラム６と、これら第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとを連結する、少なくとも一枚の塑性変形可能な垂直壁で形成され、この垂直壁の側面に上記梁端部を接合した主連結部１０と、第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとを連結する少なくとも一本の塑性変形可能な支柱を含み、各支柱の横断面積を上記垂直壁の横断面積よりも小とした副連結部２０とを具備し、支柱のせん断降伏変形量が垂直壁のせん断降伏変形量よりも大となるように形成した。【選択図】図１
2015055093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側柱端部と上側柱端部と梁端部と柱梁接合部とからなり、
柱梁接合部は、
下側柱端部に接合した水平な第１ダイアフラムと、
上側柱端部に接合した水平な第２ダイアフラムと、
これら第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとを連結する、少なくとも一枚の塑性変形可能な垂直壁で形成され、この垂直壁の側面に上記梁端部を接合した主連結部と、
上記第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとを連結する少なくとも一本の塑性変形可能な支柱を含む副連結部と、
を具備し、地震時の揺れに対する塑性変形によるエネルギー吸収が、上記柱端部及び梁端部に先行して主連結部で生ずるように形成した柱梁接合機構であって、
支柱のせん断降伏変形量が垂直壁のせん断降伏変形量よりも大となるように形成したことを特徴とする、柱梁接合機構。
【請求項２】
上記副連結部を、複数の支持柱で形成したことを特徴とする、請求項１記載の柱梁接合機構。
【請求項３】
上記主連結部は、第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムの四周を拘束するように垂直壁を形成していることを特徴とする、請求項１記載の柱梁接合機構。
【請求項４】
上記主連結部の垂直壁は、上側からみて相互に直角であり、かつ接合された２以上の垂直パネルとして構成し、これら垂直パネルの接合箇所の隅部又は角部付近に上記支柱を配置したことを特徴とする、請求項３記載の柱梁接合機構。
【請求項５】
上記第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムは、内ダイアフラム又は通しダイアフラムとし、
上記主連結部は、垂直壁である４枚の垂直パネルを横断面矩形に連続してなり、これら垂直パネルの各隅部に上記支柱を配置したことを特徴とする、請求項３記載の柱梁接合機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱梁接合機構に関する。ここで柱梁接合機構とは、柱梁接合部と、柱端部と、梁端部とを含む機構をいうものとする。
【背景技術】
【０００２】
現行の設計において、大地震時に要求される部材の塑性変形によるエネルギー吸収は、主として柱端部や梁端部によって行われるように計画する。柱端部や梁端部に塑性変形板や塑性変形ヒンジを設けてエネルギー吸収能力を向上させるような工夫が提案されている（特許文献１〜２）。そして柱梁接合部に関しては、単に柱端部および梁端部が十分に塑性変形できるように所要の耐力を確保して、接合部モーメントを健全に伝達できるように設計することが一般的である。
【０００３】
上記耐力を確保するための工夫として、２本の鋼管柱の対向する端部に付設した上下一対のダイアフラムの内周部を、角形鋼管で連結してなる柱梁接合機構の構成において、各ダイアフラムの外周部の間に上記角形鋼管よりも伸び能力の高い棒状の連結部材を設けることも提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２０７４１３号
【特許文献２】特開２０１２−２０７４１４号
【特許文献３】特開平１０−２９３７６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３によれば、柱端部及び梁端部の塑性変形能力を高めかつ柱梁接合部の耐力を大とすることで、地震時の塑性変形によるエネルギー吸収が主として柱端部及び梁端部で行われるようにすることができる。
【０００６】
これに対して、柱や梁ではなく柱梁接合部のパネルの降伏を先行させた場合の架構の耐震性能について研究がなされている。四周拘束型の柱梁接合部パネルはせん断座屈をするものの斜張力場の形成により柱や梁に比べて高い塑性変形能力を安定して発揮できるので、架構の耐震性能を確保する上で有用な要素である。また接合部パネルの塑性変形能力に関しては実験的にも明らかになっている。
【０００７】
上記の如き利点がありながら、実構造物への適用が進まない理由として下記のことが想定される。
第１に、接合部パネル降伏後、パネルによる鉛直力（柱軸力）の伝達ができなくなり、鉛直力によるせん断座屈の進行、すなわち接合部のせん断変形が際限なく進行してしまうおそれがある。
第２に、接合部パネル降伏後、パネルによる鉛直力（柱軸力）の伝達ができなくなり、鉛直力による接合部全体の軸降伏、局部座屈による鉛直力の支持が喪失するおそれがある。
第３に、パネル降伏先行にするためにパネル板厚を薄くすると、張力方向に一様引張となり、降伏後に体力が殆ど上昇しない履歴カーブの棚が形成される。これにより、架構における損傷集中を生じさせてしまい、却って耐震性能を低下させるおそれがある。
【０００８】
本発明の目的は、地震時の揺れに対する塑性変形によるエネルギー吸収が、上記柱端部及び梁端部に先行して柱梁接合部で生ずるように形成した柱梁接合機構であって、柱梁接合部の主要部である壁部（接合パネルを含む）の降伏後に柱軸力の伝達ができるものを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の手段は、下側柱端部と上側柱端部と梁端部と柱梁接合部とからなり、
柱梁接合部は、
下側柱端部に接合した水平な第１ダイアフラムと、
上側柱端部に接合した水平な第２ダイアフラムと、
これら第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとを連結する、少なくとも一枚の塑性変形可能な垂直壁で形成され、この垂直壁の側面に上記梁端部を接合した主連結部と、
上記第１ダイアフラムと第２ダイアフラムとを連結する少なくとも一本の塑性変形可能な支柱を含む副連結部と、
を具備し、地震時の揺れに対する塑性変形によるエネルギー吸収が、上記柱端部及び梁端部に先行して主連結部で生ずるように形成した柱梁接合機構であって、
支柱のせん断降伏変形量が垂直壁のせん断降伏変形量よりも大となるように形成している。
【００１０】
本手段は、図１に示す柱梁接合部２が柱端部Ｅ１、Ｅ２及び梁端部Ｅ３に先行して塑性変形によるエネルギー吸収をする柱梁接合機構を提案している。上記柱梁接合部２は、少なくとも一枚の塑性変形可能な垂直壁１２を含む主連結部１０と、少なくとも一本の塑性変形可能な支柱２２を含む副連結部２０とを具備する。支柱のせん断降伏変形量は垂直壁のせん断降伏変形量よりも大である。これは、地震時に垂直壁の降伏が支柱の降伏に先行して生ずるように形成するという意味である。これにより、主連結部１０の垂直壁１２が降伏した後に接合部のせん断変形が際限なく進行してしまう不都合を低減できる。
【００１１】
本明細書において、「支柱」とは、鉛直力を受けることが可能な柱状のものをいい、例えば鋼棒、鋼管、形鋼などを使用できる。
【００１２】
第２の手段は、第１の手段を有し、かつ
上記副連結部を、複数の支持柱で形成している。
【００１３】
本手段では、副連結部２０を複数本の支柱で形成している。より大きな荷重を支えるために支柱の太さを増大すると、曲げ変形能力が低下する。そこで複数の支柱により、曲げ変形能力を確保しつつ、鉛直力を十分に支えることを可能にしたのである。
【００１４】
第３の手段は、第１の手段及び第２の手段を有し、かつ上記主連結部は、第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムの四周を拘束するように垂直壁を形成している。
【００１５】
本手段は、第１ダイアフラム４及び第２ダイアフラム６の四周を拘束するように垂直壁１２を設けた構造を提案する。これにより、柱や梁に比べて高い塑性変形能力を安定して発揮できる。「四周を拘束する」とは、上側から見て四方を拘束することをいい、図１２に示す円筒形状を含む。
【００１６】
第４の手段は、第３の手段を有し、上記主連結部の垂直壁は、上側からみて相互に直角であり、かつ接合された２以上の垂直パネルとして構成し、これら垂直パネルの接合箇所の隅部又は角部付近に上記支柱を配置している。
【００１７】
本手段は、主連結部の垂直壁１２を、相互に直角に接合された垂直パネルとし、２枚の垂直パネルの接合箇所のその隅部Ｃ又は角部Ａに支柱を設置している。これにより２枚の垂直パネルの何れが座屈変形し始めても、接合箇所付近の支柱により効果的に垂直荷重を支えることができる。
【００１８】
第５の手段は、第３の手段を有し、かつ
上記第１ダイアフラム及び第２ダイアフラムは、内ダイアフラム又は通しダイアフラムとし、
上記主連結部は、垂直壁である４枚の垂直パネルを横断面矩形に連続してなり、これら垂直パネルの各隅部に上記支柱を配置している。
【００１９】
本手段は、図２に示すように主連結部を、垂直壁である４枚の垂直パネルを連続させて上方からみて矩形に形成している。
【発明の効果】
【００２０】
第１の手段に係る発明によれば、パネルの降伏後でも支柱が柱軸力を伝達するので、接合部でのせん断変形が際限なく進行することを抑止できる。
第２の手段に係る発明によれば、支柱を複数本とすることで、支持力を確保しつつ、２次モーメントを大とし、曲げ性能を大きくすることができる。
第３の手段に係る発明によれば、４辺拘束型であり、せん断座屈するものの、斜張力場の形成により、柱や梁に比べて高い塑性変形能力を安定して発揮できる。
第４の手段に係る発明によれば、２枚の垂直パネルが負担する鉛直力を効率よく下方へ伝達できる。
第５の手段に係る発明によれば、支柱を内側に配置することにより引張応力又は圧縮応力などへの軸方向応力の影響を受け難くなり、必要なる曲げ変形性能を効果的に発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る柱梁接合機構の正面図である。
【図２】図１の機構のＩＩ−ＩＩ方向の横断面図である。
【図３】図１の機構のＩＩＩ−ＩＩＩ方向の横断面図である。
【図４】図３に示す機構の要部の拡大図である。
【図５】図１の機構の変形状態を示す断面図である。
【図６】図１の機構の架構の塑性率を示す図である。
【図７】図１の機構のパネル及び支柱の組み合わせのせん断変形とせん断力との関係、並びにパネルのみのせん断変形とせん断力との関係を示す図である。
【図８】パネルのみのせん断変形とせん断力との関係、並びに支柱のみのせん断変形とせん断力との関係を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る柱梁接合機構の正面図である。
【図１０】図９の機構の横断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る柱梁接合機構の正面図である。
【図１２】図１１の機構の横断面図である。
【図１３】本発明の実施例に係る柱梁接合機構の正面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１から図8は、本発明の第１実施形態として、柱Ｐと梁Ｂとを接合する機構を示しており、この機構の要部は、柱下部ＰＬ及び柱上部ＰＵに梁Ｂを接合する柱梁接合部２である。しかしながら、柱梁接合部２の技術的な意味合いを解説するために、柱及び梁との関係を説明する必要があるため、本明細書では、柱梁接合部２と、柱下部ＰＬの端部（下側柱端部Ｅ１という）及び柱上部ＰＵの端部（上側柱端部Ｅ２という）と、梁Ｂの梁端部Ｅ３とで形成される構造を「柱梁接合機構１」と称している。柱Ｐは、鋼管柱などとして形成するとよい。
【００２３】
なお、図１中、Ｂｗは、梁Ｂのウェブ、Ｂｆは、梁Ｂのフランジ、Ｂｅは梁Ｂの開先部、Ｂｊは梁Ｂの接合部である。なお、梁Ｂに関しては、図２に実線で表す如く２本の梁を一直線上に配置してもよいが、想像線で表す２本の梁を追加して、４本の梁を略十字状に配置してもよく、また３本の柱を略Ｔ状に配列してもよく、さらに２本の梁を略Ｌ字形に配列してもよい。
【００２４】
本発明では、上記柱端部Ｅ１、Ｅ２及び梁端部Ｅ３の塑性変形性能の要求基準を緩和して、これら各端部に比べて後述の柱梁接合部の塑性変形性能が大となるようにする。各端部の塑性変形性能の要求基準を緩和することで、例えば梁Ｂとして幅厚比の大きな板材を使用することができ、またフランジ突合せ溶接部を破断しにくくすることができる。
【００２５】
柱梁接合部２は、下側柱端部Ｅ１に接合した第１ダイアフラム４と、上側柱端部Ｅ２に接合した第２ダイアフラム６と、主連結部１０と、副連結部２０とで構成している。
【００２６】
上記第１ダイアフラム４及び第２ダイアフラム６は、図示例では、通しダイアフラムとしているが、これに代えて内ダイアフラムとすることもできる。
【００２７】
上記主連結部１０は、本実施形態では、垂直壁である複数の垂直パネル１２を、相互の端部で接合してコラム形状（角筒状）に形成する。図示例では、主連結部を４枚の垂直パネル１２で形成している。垂直パネルの枚数は４枚に限定されるものではなく、適数を選択できる。但し、強度の計算は、前後方向及び左右方向の揺れを想定して、４枚の垂直パネルに換算して行うことが一般的であるので、４枚の図示例の方が、計算が容易である。主連結部１０の形態としては、角筒（角形鋼管）だけではなく、後述の円筒（いわゆる円形鋼管）とすることができる。
【００２８】
上記副連結部２０は、複数の支柱２２で構成されている。本実施形態では、各支柱は、主連結部１０の内側に配置されている。これにより、引張り応力又は圧縮応力などの軸方向応力の影響を受けにくくなり、必要となる曲げ変形性能も効果的に発揮させることができる。
【００２９】
図示例では、４本の支柱２２を、４枚の垂直パネル１２の隅部Ｃにそれぞれ配置している。この構成によれば、２枚の垂直パネル１２の近傍に支柱２２を配置することで、２枚の垂直パネルの負担分の鉛直力を効率よく下方へ伝達することができる。もっとも支柱２２の配置は適宜変更することができる。例えば図示の４本の支柱の間に、適数の支柱を設けることができる。
【００３０】
各支柱２２は、初期の状態において垂直方向に真っ直ぐ延びており、第１ダイアフラム４及び第２ダイアフラム６の対応箇所に固く接合されている。好適な図示例では、下側の第１ダイアフラム４の上面に嵌合凹部５を形成するとともに、上側の第２ダイアフラム６に挿通孔７を貫通させ、上側から挿通孔７を挿通した支柱２２の下端部を、上記嵌合凹部５に嵌め込み、挿通孔７付近及び嵌合凹部５付近で各支柱２２を第１ダイアフラム４及び第２ダイアフラム６に溶接などの手段で接合する。
【００３１】
各支柱２２は、塑性変形可能な棒状部材として形成される。ただし「棒状」とは中実の棒以外に筒材を含む。具体的には、支柱は、例えば鋼棒、鋼管、形鋼などで形成することができる。各支柱２２の横断面積は、垂直パネル１２の横断面積よりも小とする。
【００３２】
各支柱２２の支柱のせん断降伏変形量は、垂直壁のせん断降伏変形量よりも大となるように形成する。別の言い方をすると、各支柱２２のせん断降伏角をγｙ、複数の垂直パネル１２で構成される主連結部１０のせん断降伏角をｐγｐとすると、次式が成立するように設ける。
［数式１］ｐγｐ＜γｙ
なお、ｐγｐは、パネルの全塑性耐力ｐＭｐをパネルの弾性剛性ｐＫで除して得られる。ｐγｐとｐＫとはそれぞれ日本建築学会鋼構造接合部設計指針等をもとに算出できる。
【００３３】
支柱のせん断降伏変形量を大きくするためには、支柱の曲げ剛性ＥＩを小さくする、支柱のせん断剛性Ｇ・Ａｓを小さくする、降伏応力度σｙを大きくする、断面係数Ｚを大きくする、という４つの方法がある。但し、Ｅはヤング係数、Ｉは支柱の断面２次モーメント、Ｇはせん断弾性係数、Ａｓは支柱のせん断断面積である。
【００３４】
すなわち、主連結部１０の高さをｄｂ、曲げ変形量をδｂ、せん断変形量をδｓ、剛体変形量をδｒとすると、各支柱の降伏耐力時弾性せん断変形角γｙは、γｙ＝（δｂ＋δｓ＋δｒ）／ｄｂで表される。ここでは支柱端部がダイアフラムに十分に固定されていることを条件とする。そうすると剛体変形量の寄与は無視できるので、曲げ変形量及びせん断変形量だけを考えることにする。曲げ変形量はδｂ＝ＱＬ３／（１２ＥＩ）、せん断変形量はδｓ＝ｋＱＬ／（ＧＡ）となる。支柱の降伏耐力をＱｙとすると、Ｑｙ＝２Ｍｙ／Ｌ＝２σｙ・Ｚ／Ｌである。なお式の中のＬは支柱の長さであり、Ｌ＝ｄｂとする。
γｙ＝（δｂ＋δｓ）／ｄｂ
＝［｛ＱｙＬ３／（１２ＥＩ）｝＋｛ｋＱｙＬ／（ＧＡ）｝］／ｄｂ  
＝Ｑｙ×［｛Ｌ２／（１２ＥＩ）｝＋｛ｋ／（ＧＡ）｝］
＝２σｙ・Ｚ×［｛Ｌ／（１２ＥＩ）｝＋｛ｋ／（ＧＡＬ）｝］
この式を利用したより具体的な設計の一例を後述の実施例の欄に記載する。
【００３５】
上記構成において、地震がくると、図５に示すように柱梁接合部２が塑性変形してエネルギーを吸収する。柱や梁も変形するが、本発明において塑性変形によるエネルギー吸収の主体になるのは柱梁接合部である。図６に、柱梁接合機構の塑性率における、柱梁接合部の寄与分（ラインＴ１で表される）、梁の寄与分（ラインＴ１とラインＴ２との差で表される）、及び柱の寄与分（ラインＴ２とラインＴ３との差で表される）の割合が開示されている。柱梁接合部が図６の点Ｎで塑性化した後、柱梁接合部の変形が柱梁接合機構の変形に最も寄与する。
【００３６】
図７では、柱梁接合部２の荷重変形関係（せん断力とせん断変形角との関係をいう）を示している。Ｌ２は、パネルのみを設け、支柱を設けなかった場合の関係を示す。この場合には、垂直パネルが降伏したあと、せん断応力は増加しない。Ｌ１＋Ｌ２はパネル及び支柱を設けた場合の関係を示す。この場合にはパネルが降伏した後支柱が降伏するまでの間せん断力が上昇する。せん断力の上昇幅は支柱の強度に対応する。従って支柱として高強度な鋼材を使用することにより、大きな耐力上昇を得られる。
【００３７】
図８では、Ｌ２でパネルの荷重変形関係を、Ｌ１で支柱の荷重変形関係をそれぞれ表している。Ｌ２とＬ１との和が図７のＬ１＋Ｌ２のラインとなる。
【００３８】
以下本発明の他の実施形態を説明する。これらの説明において第１実施形態と同じ構造に関しては解説を省略する。
【００３９】
図９及び図１０は、本発明の第２実施形態に係る柱梁接合構造を示している。この例では、主連結部１０を、Ｈ形状に接合した３枚の垂直パネルで形成している。
【００４０】
図１１及び図１２は、本発明の第３実施形態に係る柱梁接合構造を示している。この例では、主連結部１０を円筒状に形成している。
【実施例】
【００４１】
図１３は、垂直壁の降伏が支柱の降伏に先行して生ずるように設計する、本発明の好適な一実施例を示している。
（１）設計条件に関して
柱Ｐは、奥行き４００ｍｍ、巾４００ｍｍ、厚さ１６ｍｍの角筒であり、建築構造用冷間ロール成形角形鋼管で形成する。素材は、ＢＣＲ２９５である。ＢＣＲは日本鉄鋼連盟の登録商標である。
梁Ｂは、梁成６００ｍｍ、巾２００ｍｍ、厚さ１１ｍｍである。
支柱２２は、４本の円形鋼管であり、径が１０１．６ｍ、板厚が８．５である。素材はＳＴＫ（構造用炭素鋼管）である。
柱梁接合部２に対して下側から１３８５ＫＮの力が、上側から１２１０ＫＮの力がそれぞれ作用するものとする。
（２）柱梁接合部の垂直パネルの軸力比ｎ
ｎ＝Ｎ／（ＦｙＡ）＝（１２１０＋１３８５）×０．５×１０３／（２９５×２３７×１０２）＝０．１８６（＜０．５）
（３）柱梁接合部の垂直パネルの耐力
ｐＭｐ＝Ｖｅ×Ｆｙ／（√３）＝７１６４×１０３×２９５／（√３）
＝１２２０×１０６Ｎｍｍ＝１２２０ＫＮ・ｍ
（Ｖｅ＝２４３８４×５８３×１６＝７１６４×１０３ｍｍ３）
（４）剛性
ｐＫ＝Ｇ・ｐＶ＝Ｇ×ｄｂ×（Ａ／２）＝７９０００×５８３×２３７×１０２／２
＝５４５８００ＫＮ・ｍ／ｒａｄ
（５）パネルの全塑性耐力時変形角
ｐγｐ＝ｐＭｐ／ｐＫ＝１２２０（ＫＮ・ｍ）／５４５８００ＫＮ・ｍ／ｒａｄ
＝２．２３５×１０−３ｒａｄ
（６）支柱の降伏耐力
Ｑｙ＝２σｙ・Ｚ／Ｌ＝２×２３５×５３．５×１０３／５８３＝４３１３０Ｎ
（７）支柱の降伏時変形角
γｙ＝Ｑｙ×［｛Ｌ２／（１２ＥＩ）｝＋｛ｋ／（ＧＡ）｝］
＝４３１３０×［｛５８３２／（１２×２０５０００×２７２×１０４）｝＋｛２／
（７９０００×２４．８６×１０２）｝］
＝４３１３０×［｛５．０８×１０−８）｝＋｛１．０１８×１０−８｝］
＝２．６３×１０−３ｒａｄ＞２．２３５×１０−３ｒａｄ
よって支柱のせん断降伏変形角が垂直壁のせん断降伏変形角よりも大となる
【００４２】
なお、上述の各実施形態は単なる好適な実施形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４３】
２…柱梁接合部
４…第１ダイアフラム  ５…嵌合凹部
６…第２ダイアフラム  ７…挿通孔
１０…主連結部
１２…垂直壁（垂直パネル）  １４…角筒部  １６…垂直筒
２０…副連結部
２２…支柱
Ａ…角部  Ｂ…梁  Ｂｗ…ウェブ  Ｂｆ…フランジ  Ｂｅ…開先部  Ｂｊ…接合部
Ｃ…隅部  
Ｅ１…（下側）柱端部  Ｅ２…（上側）柱端部  Ｅ３…梁端部
Ｐ…柱  ＰＬ…柱下部  ＰＵ…柱上部  
ＴＡ…角筒部  ＴＣ…円筒部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015055093.tif 000009
【図８】
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【図９】
2015055093.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2015055093.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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