JP5034579B2 - 二重鋼管型ブレース材 - 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材に関する。

従来、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材は、軸力管が吸収する地震エネルギを増大させるため、軸力管の非軸対称局部座屈（以下、局部座屈と称す）を防止して全長にわたる圧縮塑性変形の発生を促進するための発明がなされてきた。

すなわち、補剛管（外管）の両端を厚肉鋼管によって形成したり、補剛管の両端外周に鋼管材や帯鋼材を設置したりすること（以下、端部補剛と称す）によって局部座屈を防止している（例えば、特許文献１参照）。

また、軸力管（内管）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補剛管（外管）との隙間を可及的に小さくすること（以下、最少隙間と称す）によって、継手部材の回転を抑えて局部座屈を防止している（例えば、特許文献２参照）。
特開平６−３４６５１０号公報（４−５頁、図１） 特許第２７１１９９４号公報（４頁、図１）

特許文献１に開示された発明は、軸力管の両端部にそれぞれ固定されたエンドプレートを有し、エンドプレートに固定された十字ガセットプレートを有している。しかしながら、エンドプレートは、軸力管に対して比較的剛性が高いので、エンドプレート−軸力管境界部に近い軸力管に圧縮塑性変形が集中することにより、とく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。

また、特許文献２に開示された発明は、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ものの、二重鋼管型ブレース材の製作の際、軸力管を補剛管に挿入するためには所定の隙間（例えば、５〜１０ｍｍ）が必要になるため、最少隙間の保証が困難であるという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、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材において、軸力管を座屈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）が比較的広く、製作の際に必要となる隙間を設けることができる二重鋼管型ブレース材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］建築構造物に設置されて軸方向の力を受ける軸力管と、該軸力管が貫通している補剛管とを有する二重鋼管型ブレース材において、
前記軸力管の両端部に接合鋼管が接合されており、建築構造物の構造部材に接続するための十字ガセットプレートが前記接合鋼管に接合しているとともに、
前記接合鋼管の外径は、前記軸力管の外径より大きく、かつ、前記補剛管の内径より小さいことを特徴とする二重鋼管型ブレース材。

［２］前記十字ガセットプレートに前記接合鋼管が挿入できるように、前記接合鋼管の外径と挿入長さに合わせて、前記十字ガセットプレートを切り込んであることを特徴とする前記［１］に記載の二重鋼管型ブレース材。

［３］建築構造物に設置されて軸方向の力を受ける軸力管と、該軸力管が貫通している補剛管とを有する二重鋼管型ブレース材において、
前記軸力管の両端部に接合鋼管が接合されており、建築構造物の構造部材に接続するための十字ガセットプレートが前記接合鋼管に接合しているとともに、
前記十字ガセットプレートに前記接合鋼管が挿入できるように、前記接合鋼管の外径と挿入長さに合わせて、前記十字ガセットプレートを切り込んであることを特徴とする二重鋼管型ブレース材。

［４］前記接合鋼管の両端部が、当該接合鋼管の内径以上の鋼板で閉塞されていることを特徴とする前記［１］乃至［３］のいずれかに記載の二重鋼管型ブレース材。

本発明によれば、二重鋼管型ブレース材の軸力管の管端部において、軸力管と十字ガセットプレートの力の流れが滑らかになり、特定の部分に変形が集中することがないので、局部座屈が誘発しにくくなる。また、十字ガセットプレートに接続される接合鋼管の外径を軸力管の外径よりもやや大きくし、かつ補剛管の内径よりやや小さくすることにより、接合鋼管と補剛管部分で最少隙間を確保し、この部分での回転変形を抑えることができるとともに、軸力管と補剛管部分では、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該二重鋼管型ブレース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、製作の際に、これまでの二重鋼管型ブレース材であると、軸力管全長に渡って隙間を必要以上に小さくすると軸力管の挿入が極めて困難となるが、本発明では、接合鋼管部分（＝長さが短い）のみ隙間が狭く、軸力管部分は隙間を広く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になる。

図１は本発明の一実施形態に係る二重鋼管型ブレース材を模式的に示す一部断面の側面であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。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、この実施形態に係る二重鋼管型ブレース材１０（以下、単にブレース材１０と称す）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（図１では、一方の端部のみを示す）に十字ガセットプレート４に挿入された接合鋼管５を有している。

十字ガセットプレート４は鋼板で構成されるものであり、接合鋼管５の当該範囲は挿入される十字ガセットプレート４と溶接接合されている。すなわち、軸力管１から接合鋼管５へ、接合鋼管５から十字ガセットプレート４への力の流れがスムースになり、特定の部分に変形が集中し難くなっている。また、接合鋼管５と補剛管２の隙間が狭いので、継手部分の回転変形が抑制されることにより、非軸対称局部座屈も生じ難くなる。

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は当該範囲が管軸方向および円周方向で補剛されているため、当該範囲において局部座屈が生じ難くなるから、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、軸力管１の肉厚を小さくしても所定の制振性能を発揮することが可能になる。

ここで、本発明の接合鋼管付き二重鋼管ブレース材の製作手順を説明する。該製作手順は、（ａ）軸力管１の端部に接合鋼管５を接合する工程と、（ｂ）接合鋼管５と十字ガセットプレート４とを溶接する工程とからなっている。すなわち、
（ａ）接合鋼管５を軸力管１に突合せ溶接する。
（ｂ）次に、接合鋼管付き軸力管１を補剛管２端部から挿入する。
（ｃ）そして、接合鋼管５を十字ガセットプレート４に挿入し、半自動の炭酸ガスアーク溶接にてすみ肉溶接する。

なお、本発明では、十字ガセットプレート４の形状を限定するものではなく、接合鋼管５への取り付け方法も溶接を主とするが、この方法に限定するものではない。

また、前記接合鋼管５の端部には、図１（ａ）に示すように、接合鋼管５の内径以上の鋼板６を取り付けてもよい。十字ガセットプレート４の先端部からの力を分散し、より軸力管１、接合鋼管５から十字ガセットプレート４の力の流れがスムースになる。

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。

あるいは、接合鋼管５の外径を、軸力管１の外径より大きく、かつ、補剛管２の内径より小さくすることで、接合鋼管５と補剛管２の部分で最少隙間を確保し、この部分での回転変形を抑えることができるとともに、軸力管１と補剛管２の部分では、軸力管１と補剛管２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。

さらに、上記接合鋼管５の表面には、補剛管２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。

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（ボルト孔）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の端部に取り付け用プレートを固定し、該取り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、両者をボルトによって接合してもよい。

ちなみに、本発明における建築構造物との接合手段はこれに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（図示しない）が設けられている。なお、該抜け出し防止手段は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。

本発明の実施例（性能確認試験）を以下に述べる。

図２は、本発明の一実施形態に係る二重鋼管型ブレース材の性能を確認するための試験に供した試験体（本発明例）の一部断面の側面図である。図２において、試験に供した二重鋼管型ブレース材３０（以下、試験体３０と称す）は、軸力管１が、外径１１４．３ｍｍ、厚さ５．６ｍｍ、長さ２３５０ｍｍ、１００Ｎ／ｍｍ²級低降伏点鋼管（例えば、ＪＦＥスチール（株）社製商品名「ＲＩＶＥＲＦＬＥＸ１００−Ｓ」；ＲＦ１００−Ｓ）の鋼管、補剛管２が、外径１３９．８ｍｍ、厚さ６．６ｍｍ、長さ２５５０ｍｍ、ＳＴＫ４００の鋼管、また、接合鋼管５が、厚さ８．１ｍｍ、外径１２０．０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、ＳＴＫ４００の鋼管である。

また、十字ガセットプレート４が、厚さ１６ｍｍ、３０１．５×２００ｍｍの長方形板、ＳＭ４９０Ａを１枚と、厚さ１６ｍｍ、３０１．５×９２ｍｍの長方形板、ＳＭ４９０Ａ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は接合鋼管５が挿入できるように、接合鋼管５の外径、挿入長さに合わせて切り込んであり、挿入部で両者をすみ肉溶接している。十字ガセットプレート４の端部に試験機に取り付けるための取り付け用プレート４２として、厚さ５０ｍｍ、一辺２６０ｍｍの正方形、ＳＭ４９０Ａの鋼板が固定されている。

なお、図示しないが、試験結果を比較するための比較体（比較例）は、エンドプレート（厚さ２５ｍｍ、外径１１４．３ｍｍ、ＳＮ４９０Ｂの円形鋼板）が接合鋼管５の代わりに軸力管１に溶接されており、かつその反対側も十字ガセットプレート４に溶接接合されている。ちなみに、接合鋼管５の長さとエンドプレートの厚さの差の２倍だけ軸力管１は長くなっている。

図３は、本発明の一実施形態に係る二重鋼管型ブレース材の性能を確認するための試験状況を示す外観図である。図３において、試験機８は、固定側の加力用治具８１（以下、受力治具８１と称す）と、傾動支点８２を中心に傾動する加力用柱８３と、加力用柱８３に固定された傾動側の加力用治具８４（以下、付力治具８４と称す）と、加力用柱８３を傾動する図示しない傾動駆動手段とを有している。

試験体３０（図２参照）の軸力管１の両端にそれぞれ固定された取り付け用プレート４２は、受力治具８１および付力治具８４にそれぞれボルトによって剛体的に結合されている。したがって、加力用柱８３が平面内を繰り返し傾動するため（所定範囲内で転倒および起立を繰り返す）、軸力管１には、軸方向の引張力および圧縮力に加え、曲げ力が作用することになる。

なお、図示しない比較体３１についても、同様に試験している。

図４は、本発明の一実施形態に係る二重鋼管型ブレース材の性能を確認するための試験の試験結果を示す応力−歪み線図であって、図３における加力用柱８３の位置Ｃ（傾動支点８２から２５００ｍｍの距離）が水平方向に所定変位しては、元の位置に戻る場合（図中、位置Ｃと位置Ｄの間を繰り返し往復する場合）である。図４において、縦軸は軸力管に発生する応力（傾動駆動手段によって付加された荷重の軸力管１の軸方向成分を軸力管１の断面で除した計算値）であって、圧縮方向をプラス方向（上方向）に示している。また、横軸は、十字ガセットプレート４に設けた標点Ａと標点Ｂとの距離の伸び量を当初の長さで除した測定値であって、圧縮歪みプラス方向（右方向）に示している。

図４（ａ）は本発明例（試験体３０）についての結果である。まず、加力用柱８３が図３において左側に傾動し、軸力管１には圧縮力が加わっている。原点から弾性変形を開始し、圧縮降伏した後、極僅かに加工硬化しながら塑性変形が進んでいる。やがて、加力用柱８３が図３の位置Ｄに到達したところで、加力用柱８３は位置Ｃに向かって戻る。

さらに、加力用柱８３は図３において左側に傾動するため、軸力管１には引張力が加わって、引張降伏し、極僅かに加工硬化しながら塑性変形が進んでいる。やがて、加力用柱８３が図３の位置Ｅに到達したところで、加力用柱８３は位置Ｃに向かって戻る。

以下、同様に加力用柱８３は傾動を繰り返すため、軸力管１には図示するようなバウシンガー効果を有するヒステリシス曲線が描かれている。

そして、１１回の加力のとき、位置「イ」において、応力の増加が停止し、耐力低下している。

一方、図４（ｂ）は比較例（比較体）についての結果である。図４（ａ）に準じた、バウシンガー効果を有するヒステリシス曲線が描かれている。ヒステリシス曲線は、本発明例（試験体３０）と同様な挙動を示している。

しかしながら、５回の加力に途中に耐力が急激に上昇し、位置「ア」において、耐力低下を開始している。

以上の試験結果より、接合鋼管５を接合することによって、軸力管１への繰り返し加力回数が４回から１０回に２．５倍増していることから、本発明の効果が顕著であることが示される。

本発明は以上の構成であるから、各種二重鋼管型ブレース材における軸力管端部の補剛手段として、広く利用することができる。

本発明の一実施形態に係る二重鋼管型ブレース材（軸力管が内管）を模式的に示す図。 本発明の実施例における試験体を示す一部断面の側面図。 本発明の実施例における試験状況を示す外観図。 本発明の実施例における試験結果を示す応力−歪み線図。

符号の説明

１ 軸力管
２ 補剛管
４ 十字ガセットプレート
４１ ボルト孔
４２ 取り付け用プレート
５ 接合鋼管
６ 鋼板
８ 試験機
８１ 固定側の加力用治具（受力治具）
８２ 傾動支点
８３ 加力用柱
８４ 傾動側の加力用治具（付力治具）
１０ 二重鋼管型ブレース材
３０ 二重鋼管型ブレース材

Claims (4)

1. 建築構造物に設置されて軸方向の力を受ける軸力管と、該軸力管が貫通している補剛管とを有する二重鋼管型ブレース材において、
   前記軸力管の両端部に接合鋼管が接合されており、建築構造物の構造部材に接続するための十字ガセットプレートが前記接合鋼管に接合しているとともに、
   前記接合鋼管の外径は、前記軸力管の外径より大きく、かつ、前記補剛管の内径より小さいことを特徴とする二重鋼管型ブレース材。
2. 前記十字ガセットプレートに前記接合鋼管が挿入できるように、前記接合鋼管の外径と挿入長さに合わせて、前記十字ガセットプレートを切り込んであ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材。
3. 建築構造物に設置されて軸方向の力を受ける軸力管と、該軸力管が貫通している補剛管とを有する二重鋼管型ブレース材において、
   前記軸力管の両端部に接合鋼管が接合されており、建築構造物の構造部材に接続するための十字ガセットプレートが前記接合鋼管に接合しているとともに、
   前記十字ガセットプレートに前記接合鋼管が挿入できるように、前記接合鋼管の外径と挿入長さに合わせて、前記十字ガセットプレートを切り込んであることを特徴とする二重鋼管型ブレース材。
4. 前記接合鋼管の両端部が、当該接合鋼管の内径以上の鋼板で閉塞されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の二重鋼管型ブレース材。

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