JP4830498B2 - 二重鋼管型ブレース部材 - Google Patents

Description

本発明は、建築構造物に設置されて地震発生時の地震エネルギを吸収する、軸力管と、該軸力管を補剛する補剛管とを有する二重鋼管型ブレース部材に関する。

建築構造物に設置されて地震発生時等に地震の振動エネルギを吸収するダンパーとして、二重鋼管型ブレース部材が従来から用いられている。二重鋼管型ブレース部材は、地震エネルギを吸収する軸力管と、軸力管を補剛して座屈を防止するための補剛管による二重管構造とされており、軸力管の中に補剛管を挿入する場合（内管としての補剛管）と、補剛管の中に軸力管を挿入する場合（外管としての補剛管）とがある。二重鋼管型ブレース部材は、軸力管が吸収できる地震エネルギを増大させるため、軸力管の全長に渡る座屈だけでなく、軸力管に局部的に発生する座屈である非軸対称局部座屈（以下、局部座屈と記載する。）を防止して、軸力管の全長において圧縮塑性変形の発生を促進するための開発が行なわれている。

このような二重鋼管型ブレース部材として、特に力のかかる両端部を保護するために、たとえば、軸力管が外管であるとき（内管としての補剛管）、軸力管の両端を厚肉鋼管によって形成したり、軸力管の両端外周に鋼管材や帯鋼材を設置したりする「端部補剛」により局部座屈を防止するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、軸力管が内管であるとき（外管としての補剛管）、軸力管の両端に固定された継手部材の外周に溶接ビードを肉盛りし、該溶接ビードの外周を切削加工して外管である補剛管との隙間を可及的に小さくすることにより「最少隙間」を形成して局部座屈を防止する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平６−３４６５１０号公報 特許第２７１１９９４号公報

特許文献１に記載されている「端部補剛」で局部座屈をある程度は防止できるが、補剛した軸力管部分の強度が増加するため、軸力管の全長において圧縮塑性変形の発生を促進することが困難になるという問題がある。また、特許文献１に記載されている、軸力管の両端部にそれぞれ固定されたスタブコーン（エンドプレート）を有し、スタブコーンに固定されたノード（継手部分）を有しているような二重鋼管型ブレース部材では、スタブコーンは、軸力管に対して比較的剛性が高いので、スタブコーンと軸力管の境界部に近い軸力管部分に圧縮塑性変形が集中することにより、特に軸力管の径厚比が比較的大きい場合、局部座屈を誘発しやすいという問題がある。

また、特許文献２に記載のように「最少隙間」を形成して局部座屈を防止する方法では、溶接ビードによって軸力管と補剛管との隙間を最少にするものであるので最少隙間部分は短いものの、二重鋼管型ブレース部材の製造の際、軸力管を補剛管に挿入するためにはある程度広い隙間（例えば、５〜１０ｍｍ）である方が製造が容易であり、０．５ｍｍ以下の最少隙間を有するような二重鋼管型ブレース部材では製造コストが増加するという問題がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、軸力管の両端部に継手が固定された二重鋼管型ブレース部材において、軸力管自体の強度を増加させることなく局部座屈を防止することが可能であり、しかも軸力管と補剛管との隙間を小さく設定する必要が無く従来技術を用いて製造できる二重鋼管型ブレース部材を提供することを目的とする。

このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）両端部にそれぞれ固定された十字ガセットプレートにより構造部材に設置されて軸方向の力を受ける軸力管と、該軸力管がその内部全長を貫通している補剛管または該軸力管の内部全長に収容されている補剛管とを有し、前記軸力管に軸圧縮応力が作用した際の座屈の発生を前記補剛管により抑制する二重鋼管型ブレース部材であって、前記軸力管の両端部に前記十字ガセットプレートの一部が挿入されていることを特徴とする二重鋼管型ブレース部材。
（２）軸力管が貫通している補剛管を有する場合に、十字ガセットプレートの軸力管に挿入した側の先端部に、補剛管の内径よりも小さい鋼製リングを設置することを特徴とする（１）に記載の二重鋼管型ブレース部材。
（３）軸力管が貫通している補剛管を有する場合に、軸力管の両端部が、前記補剛管の内径よりも小さい鋼板で閉塞していること特徴とする（１）または（２）に記載の二重鋼管型ブレース部材。
（４）軸力管の内部に収容されている補剛管を有する場合に、十字ガセットプレートの軸力管に挿入した側の先端部に、軸力管の内径よりも小さい鋼製リングを設置することを特徴とする（１）に記載の二重鋼管型ブレース部材。
（５）軸力管の内部に収容されている補剛管を有する場合に、軸力管の両端部が鋼板で閉塞していること特徴とする（１）または（４）に記載の二重鋼管型ブレース部材。

本発明によれば、二重鋼管型ブレース部材の軸力管の管端部において、特定の部分に変形が集中することがないので、局部座屈が誘発されにくくなる。局部座屈の発生を防止することで、軸力管の全長において圧縮塑性変形の発生を促進することができるので、地震エネルギーの吸収量を増大でき、制振効果が促進される。

また、十字ガセットプレートの一部が軸力管と補剛管との隙間部分に存在することで、軸力管を補剛することができ、しかも軸力管と補剛管との隙間の管理幅（許容範囲）を比較的広くすることができる。

よって、特別の工夫をすることなく二重鋼管型ブレース部材を構造部材に剛接合することができる。同時に、軸力管自体の地震エネルギの吸収量が増大されるから、制振効果が促進される。

また、二重鋼管型ブレース部材を製造する際に必要となる軸力管と補剛管との隙間間隔を十分に設けることができるから、軸力管を補剛管に挿入する作業が容易である。

本発者らは、建築構造物等の構造部材に設置されて軸方向の力を受ける軸力管と、軸力管に軸圧縮応力が作用した際の座屈の発生を抑制する補剛管からなる二重鋼管型ブレース部材が、軸力管の両端部にそれぞれ固定された十字ガセットプレートを有する際に、軸力管の端部に十字ガセットプレートの一部を挿入することで、局部座屈の発生を防止できることを見出し、本発明を完成した。二重鋼管型ブレース部材には、軸力管が貫通している補剛管（外管としての補剛管）の場合と、軸力管の内部に収容されている補剛管（内管としての補剛管）の場合とがあるが、いずれの場合においても本発明を用いることが可能である。

外管としての補剛管を有する二重鋼管型ブレース部材では、十字ガセットプレートの軸力管に挿入した側の先端部に、補剛管の内径よりも小さい鋼製リングを設置することが好ましく、軸力管の両端部が、前記補剛管の内径よりも小さい鋼板で閉塞していることが好ましい。

内管としての補剛管を有する二重鋼管型ブレース部材では、十字ガセットプレートの軸力管に挿入した側の先端部に、軸力管の内径よりも小さい鋼製リングを設置することが好ましく、軸力管の両端部が鋼板で閉塞していることが好ましい。

本発明の一実施形態を、実施形態１として図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態であり、外管としての補剛管を有する二重鋼管型ブレース部材の一端部を模式的に示す一部断面の側面図（ａ）、および（ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図（ｂ）である（実施形態１）。なお、図中、構造を明瞭にするために各部位の寸法は誇張されているから、それぞれの大小関係は図示するものに限定されるものではない。また、以下の各図において、同じ部分または相当する部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。

図１において、二重鋼管型ブレース部材１０は、軸方向の力を受ける軸力管１と、軸力管１が挿入されている補剛管２と、軸力管１の両端部にそれぞれ挿入された継手部分である十字ガセットプレート４とを有している。

上記したように従来の継手部分を有する二重鋼管型ブレース部材は、軸力管１の両端部にエンドプレート（特許文献１においてはスタブコーン）を溶接し、エンドプレートに接続部を形成して継手を構成するものであるため、エンドプレートと軸力管の境界部に近い軸力管部分に圧縮塑性変形が集中することにより、局部座屈を誘発しやすいという問題があるが、本発明では軸力管１の両端部に十字ガセットプレートを所定の長さ差し込むことで継手部分を構成している。たとえば、軸力管１の両端部に差し込み長さに相当する切込みを４箇所ずつ形成することで、十字ガセットプレート４を軸力管１に差し込むことができる。

十字ガセットプレート４は鋼板で構成されるものであり、軸力管１の所定範囲まで十字ガセットプレート４の端部を挿入している。十字ガセットプレート４の挿入部分は軸力管１と溶接接合されている。これにより、軸力管１と十字ガセットプレート４の力の伝達が端部のみに集中することが無くなり、所定の長さの差し込み部分で分散して力を伝達させることができ、特定の部分に変形が集中し難くなるため局部座屈が防止される。また、管軸に垂直な面外の変形（例えば、円形のままの径拡化や周長が伸びるような楕円化等）も生じ難くなる。

よって、地震発生時に建築構造物が変形して、軸力管１に軸方向の圧縮力および曲げが作用した場合でも、軸力管１は、補剛管２により管軸方向および円周方向で補剛されており、しかも軸力管１の両端部のみに応力が集中することが無いので局部座屈が生じ難くなり、軸力管1の広い範囲（軸方向の長い範囲に同じ）で圧縮塑性変形が生じ、地震エネルギを十分に吸収することができることになる。

また、本発明の二重鋼管型ブレース部材は局部座屈が生じ難いため、従来よりも軸力管１の肉厚を薄くして二重鋼管型ブレース部材を製造しても、所定の制振性能を発揮することが可能になる。

なお、十字ガセットプレート４の形状は図１に限定するものではなく、軸力管１への取付け方法も溶接を主として行なえばよいが、この方法に限定するものではない。

十字ガセットプレート４の先端部（差し込み先端部）には、補剛管２の内径よりも小さい鋼製リング５を取付けてもよい。十字ガセットプレート４の先端部の力を分散し、より軸力管１と十字ガセットプレート４の力の伝達がスムースになる。

また、軸力管１の径厚比が大きい場合は局部座屈が誘発されやすいので、必要に応じて軸力管１の両端部を補剛管２の内径よりも小さい鋼板で形成した管端蓋６で閉塞すると軸力管１の径拡化や楕円化等が防止できる。

また、軸力管１と補剛管２との隙間の大きさは、軸力管１を補剛管２に挿入する作業が可能な程度で、軸力管１が波状に塑性変形（軸対称塑性変形に同じ）することが可能な程度にすることができる。

さらに、上記十字ガセットプレート４の表面には、補剛管内周面との摩擦を低減するためにアンボンド処理を施してもよい。

軸力管１には、低降伏点鋼材からなる鋼管を用い、補剛管２にはＳＴＫ４００以上の引張強度を有する鋼管を用いることが好ましい。

なお、十字ガセットプレート４は建築構造物に設置された十字ガセットプレートに突き合わされ、スプライスプレートを介して接合されるものである。このとき、十字ガセットプレート４に設けられた貫通孔４１に接続用のボルトが挿入されるものである。また、十字ガセットプレート４の端部に「取付け用プレート」を固定し、該取付け用プレートを建築構造物に固定して設置用プレートに当接して、両者をボルトによって接合してもよい。

さらに、本発明における建築構造物との接合手段は限定するものではなく、ピン接合してもよい。

また、補剛管２が軸力管１から抜け出さないように、ストッパ（図示せず）を設けることができる。なお、抜け出し防止手段は設けることが望ましいが、ストッパに限定するものではなく、補剛管２と軸力管１との一部を連結してもよい。

つぎに、二重鋼管型ブレース部材１０の製造方法の一例を説明する。十字ガセットプレート４を挿入する手順は、軸力管１の端部に十字ガセットプレート４を挿入する工程と、軸力管１と十字ガセットプレート４とを溶接する工程とからなる。より詳しくは下記（ａ）〜（ｃ）の工程とする。
（ａ）挿入される十字ガセットプレート４の形状に合わせて軸力管１の端部を切断する。
（ｂ）上記の軸力管切断部に十字ガセットプレート４を挿入する。
（ｃ）そして、十字ガセットプレート４を軸力管に半自動の炭酸ガスアーク溶接等を用いてフレア溶接する。

なお、十字ガセットプレート４の最適挿入長さは、軸力管の最大耐力においても溶接部が破断しない溶接有効断面が確保できる条件から求めることができる。

十字ガセットプレート４を軸力管１に取り付けた後、補剛管２に軸力管１を挿入して、通常の二重鋼管型ブレース部材と同様にして製造する。補剛管２と軸力管１を材中央部で栓溶接することが好ましい。

次に、本発明の他の一実施形態を、実施形態２として説明する。

図２は本発明の他の一実施形態であり、内管としての補剛管を有する二重鋼管型ブレース部材を模式的に示す一部断面の側面図（ａ）、および（ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図（ｂ）である（実施形態２）。

図２において、二重鋼管型ブレース部材２０は、軸方向の力を受ける軸力管１が外側に配置され、軸力管１の内部に補剛管２が収容されている。補剛管２は２つの部分からなり、補剛管２ｂの一部に補剛管２ａが挿入されている。軸力管１の両端部および補剛管２の端部にそれぞれ挿入された継手部分である十字ガセットプレート４を有している。

十字ガセットプレート４は鋼板で構成され、軸力管１および補剛管２の所定範囲まで十字ガセットプレート４の端部を挿入している。十字ガセットプレート４の挿入部分は軸力管１および補剛管２と溶接接合されている。これにより、軸力管１と十字ガセットプレート４の力の伝達が端部のみに集中することが無くなり、特定の部分に変形が集中し難くなるため局部座屈が防止され、実施形態１と同様の効果がある。

十字ガセットプレート４の先端部（差し込み先端部）には、鋼製リング５を取付けてもよい。十字ガセットプレート４の先端部の力を分散し、より軸力管１と十字ガセットプレート４の力の伝達がスムースになる。

また、軸力管１の径厚比が大きい場合は局部座屈が誘発されやすいので、必要に応じて軸力管１の両端部を補剛管２の内径よりも小さい鋼板で形成した管端蓋６で閉塞すると軸力管１の径拡化や楕円化等が防止できる。

本発明の一実施形態である、上記の図１に示す二重鋼管型ブレース部材（実施形態１）の十字ガセットプレート部の性能を確認するための試験を行なった。試験に供した試験体の一部断面の側面図を図３に示す。

図３において、試験に供した二重鋼管型ブレース部材３０（以下、試験体３０と称する。）は、軸力管１が、外径１９０．７ｍｍ、厚さ６．０ｍｍ、長さ７０７ｍｍ（うち、十字ガセットプレート挿入長さ１３５ｍｍ）の、１００Ｎ／ｍｍ²級低降伏点鋼管（ＪＦＥスチール（株）社製、商品名「ＲＩＶＥＲＦＬＥＸ１００−Ｓ」、ＲＦ１００−Ｓ）であり、補剛管２が、外径２５０．０ｍｍ、厚さ６．０ｍｍ、長さ７０７ｍｍ、ＳＴＫ４００の鋼管である。

また、十字ガセットプレート４が、厚さ１２ｍｍ、４００ｍｍ×２１０ｍｍの長方形板、ＳＳ４００を１枚と、厚さ１２ｍｍ、４００ｍｍ×１０９ｍｍの長方形板、ＳＳ４００を２枚とを接合したものである。また、十字ガセットプレート４の端部に試験機に取付けるためのつかみ部４２の鋼板が固定されている。

図４は、試験体３０との比較のために作製した、比較試験体３１の形状を示す一部断面の側面図である。軸力管１と十字ガセットプレート４は、軸力管１の端部に溶接したエンドプレート３を介して接合されている。エンドプレート３は、厚さ３２ｍｍ、外径２１０ｍｍ、ＳＮ４９０Ｃの円形鋼板である。

試験体３０は、十字ガセットプレート４を挿入するために、挿入される十字ガセットプレート４の形状に合わせて軸力管１の端部を、幅１４ｍｍ、長さ１３７ｍｍで４箇所切断し、軸力管切断部に十字ガセットプレート４を挿入し、十字ガセットプレート４を軸力管に半自動の炭酸ガスアーク溶接にてフレア溶接して製造した。試験体３１は、軸力管１の端部に、十字ガセットプレート４を溶接したエンドプレート３を半自動の炭酸ガスアーク溶接にて完全溶込み溶接して製造した。

試験体３０の両端にそれぞれ固定されたつかみ部４２は、加力装置に結合した。加力装置により軸力管１には、軸方向の圧縮力を作用させた。比較試験体３１についても、同様に試験を行なった。測定した応力−歪み線図を図５に示す。

図５において、縦軸は軸力管に発生する応力（付加された荷重を軸力管１の断面積で除した計算値）である。また、横軸は、十字ガセットプレート４に設けた標点間距離の伸び量を当初の長さで除した歪度である。

図５中に本発明例として示した試験体３０についての結果によれば、軸力管１には圧縮力が加わって、圧縮降伏し、僅かに耐力上昇しながら塑性変形が進み、８％の歪度の段階「ア」において、応力の増加が停止し、軸力管１に座屈が発生した。

一方、図５中に比較例として示した比較試験体３１については、軸力管１は試験体３０と同様な挙動を示し、試験体３０に準じた応力−歪み曲線が描かれた。しかしながら、５％の歪度である段階「あ」において、局部座屈を開始した。

以上の試験結果より、十字ガセットプレート４をエンドプレート３を介さずに軸力管１と所定の長さで接合することによって、軸力管１の座屈発生を遅延させることができ、本発明の効果が顕著であることが示された。

二重鋼管型ブレース部材（外管としての補剛管）を模式的に示す一部断面の側面図（ａ）、Ａ−Ａ部分の断面図（ｂ）である。（実施形態１） 二重鋼管型ブレース部材（内管としての補剛管）を模式的に示す一部断面の側面図（ａ）、Ａ−Ａ部分の断面図（ｂ）である。（実施形態２） 実施形態１の試験体の一部断面の側面図。 実施形態１の比較試験体の一部断面の側面図。 試験体および比較試験体の応力−歪み線図。

符号の説明

１ 軸力管
２（２ａ、２ｂ） 補剛管
３ エンドプレート
４ 十字ガセットプレート
５ 鋼製リング
６ 管端蓋
１０ 二重鋼管型ブレース部材（実施形態１）
２０ 二重鋼管型ブレース部材（実施形態２）
３０ 二重鋼管型ブレース部材（試験体）
３１ 二重鋼管型ブレース部材（比較試験体）
４１ 貫通孔
４２ つかみ部

Claims (5)

1. 両端部にそれぞれ固定された十字ガセットプレートにより構造部材に設置されて軸方向の力を受ける軸力管と、該軸力管がその内部全長を貫通している補剛管または該軸力管の内部全長に収容されている補剛管とを有し、前記軸力管に軸圧縮応力が作用した際の座屈の発生を前記補剛管により抑制する二重鋼管型ブレース部材であって、前記軸力管の両端部に前記十字ガセットプレートの一部が挿入されていることを特徴とする二重鋼管型ブレース部材。
2. 軸力管が貫通している補剛管を有する場合に、十字ガセットプレートの軸力管に挿入した側の先端部に、補剛管の内径よりも小さい鋼製リングを設置することを特徴とする請求項１に記載の二重鋼管型ブレース部材。
3. 軸力管が貫通している補剛管を有する場合に、軸力管の両端部が、前記補剛管の内径よりも小さい鋼板で閉塞していること特徴とする請求項１または請求項２に記載の二重鋼管型ブレース部材。
4. 軸力管の内部に収容されている補剛管を有する場合に、十字ガセットプレートの軸力管に挿入した側の先端部に、軸力管の内径よりも小さい鋼製リングを設置することを特徴とする請求項１に記載の二重鋼管型ブレース部材。
5. 軸力管の内部に収容されている補剛管を有する場合に、軸力管の両端部が鋼板で閉塞していること特徴とする請求項１または請求項４に記載の二重鋼管型ブレース部材。
   
   

Images