JP7019499B2 - トラス梁 - Google Patents

Description

本開示は、地震時の変形能力が高いトラス梁に関する。

トラス梁は、弦材及び斜材の個材で構成され、弾性域では個々の部材に生じる軸力で抵抗する部材であり、一般的に弦材は直線や曲線、斜材は直線であることが多い。

鉄骨部材の変形能力は、主に個材の幅厚比によって構造特性係数（以下、「Ｄｓ値」と記す）が決まり、Ｈ形鋼などの単材の充腹材部材に適用されている。変形性能が大きいほどＤｓ値は小さな値となり、設計用の地震力が小さくなる。しかし、トラス梁の個材の幅厚比には適用できず、トラス梁自体の部材種別が存在しないため、現時点では特別な検討をしない限り、トラス梁の設計にはＤｓ値を大きく定めることが慣例である。従って、トラス梁を設ける場合には、変形性能に乏しい「建物」として、地震力を大きく（Ｄｓ値を大きく）して設計する必要があり、トラス梁だけでなく、その他の柱・梁も含めて、不経済な設計になっていた。

非特許文献１には、ラーメン骨組に組み込まれた平面トラス部材において、塑性化する部材を座屈拘束部材や、安定した履歴特性を有する部材に交換することにより、トラス架構全体に安定された履歴特性を与える設計が可能で、個材座屈の影響を考慮せず、充腹材（Ｈ形鋼等）と同様に架構を扱うことが可能になると記されている。

例えば特許文献１に、座屈拘束部材が記載されている。この座屈拘束部材は、建物の柱と梁の軸組構造に斜めに配置される制振ブレースとして使用されるものであり、鋼管と、両端部が突出するように鋼管に挿通された鋼製の芯材と、芯材に付着しないように鋼管内に充填された充填材とを有する。

特開２００５－１４６７７３号公報

日本建築学会著「鋼構造座屈設計指針」日本建築学会、２００９年１１月

しかしながら、特許文献１に記載の座屈拘束部材では、建物の柱と梁の軸組構造に斜めに配置される制振ブレースとして使用されるものである。また、芯材の両端部が鋼管から露出しているため、芯材が鋼管内に位置する部分と鋼管から露出した部分との境界での折れ、すなわち、首折れ座屈が生じる場合があった。

このような問題を鑑み、本発明は、首折れ座屈が防止された座屈拘束部材を容易に弦材の一部に配置でき、充腹材と同様に架構を扱うことができるトラス梁を提供することを目的とする。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上弦材（２，４２）、下弦材（３，２２，３２）及び複数の斜材（４）を有し、１対の構造部材（５，５）に支持されたトラス梁（１，２１，３１，４１）であって、前記下弦材は、長尺材を有する本体部（６）と、該下弦材の延在方向の一部の区間において前記本体部に置き換わるように配置された座屈拘束部材（８，２３，３３）とを有し、前記座屈拘束部材が前記本体部又は前記構造部材に接合されて互いに対向する１対の接合体（１０，１０）と、両端部がそれぞれ対応する前記接合体に固定された芯材（１１，３４）と、それぞれ、前記芯材が挿通された筒状をなし、一端側が対応する前記接合体に固定された１対の拘束材（１２）とを有することを特徴とする。

この構成によれば、接合体によって容易に座屈拘束部材を下弦材の一部として配置することができ、芯材の両端部が拘束材に覆われているため、首折れ座屈が防止される。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（１，３１，４１）では、前記座屈拘束部材（８，３３）は、前記複数の斜材の内の当該トラス梁における端部から２番目及び３番目に配置された第２斜材（４ｂ）及び第３斜材（４ｃ）の下端の間に配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、斜材の下端側を本体部に接合させた上で座屈拘束部材を下弦材において最も塑性化し易いが区間長の短い端部に比較的近い位置に配置でき、塑性域（芯材）の長さを大きく確保することができる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（２１）は、上記第１の構成において、前記複数の斜材の内の当該トラス梁における端部から１番目及び２番目に配置された第１斜材（４ａ）及び第２斜材（４ｂ）の下端は、前記１対の拘束材の一方に接合していることを特徴とする。

この構成によれば、第１及び第２斜材を、１対の拘束材の一方に接合したことにより、トラスとして成立させた上で、下弦材において最も塑性化し易いが区間長の短い端部に座屈拘束部材を配置できるとともに、塑性域（芯材）の長さを大きく確保できる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（１，２１，３１）は、上記構成のいずれかにおいて、前記１対の拘束材の互いに近接する側の端部は、互いに離間していることを特徴とする。

この構成によれば、地震時に芯材が伸縮することにより、地震のエネルギーを効率的に吸収することができる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（３１）は、上記構成において、前記座屈拘束部材（３３）が、前記１対の拘束材に充填され、前記芯材に付着していない充填材（１３）を更に有し、前記芯材（３４）は、前記１対の拘束材の一方に挿通された第１芯材（３５）と、前記１対の拘束材の他方に挿通された第２芯材（３６）とを有し、前記第１芯材及び前記第２芯材の互いに近接する側の端部は、それぞれ前記１対の拘束材から突出して、互いに接合されたことを特徴とする。

この構成によれば、充填材の注入後に第１及び第２芯材の互いの接合を行うことができるため、充填材の施工性が改善される。また、第１及び第２芯材間の距離を調整することにより、座屈拘束部材の寸法を調整することができる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（４１）は、上記第１～第３の構成のいずれかにおいて、前記上弦材（４２）は、長尺材を有する上弦本体部（４３）と、該上弦材の延在方向の一部の区間において前記上弦本体部に置き換わるように配置された上弦座屈拘束部材（８'）とを有し、前記上弦座屈拘束部材が、前記上弦本体部又は前記構造部材に接合されて互いに対向する１対の上弦接合体（１０'）と、両端部がそれぞれ対応する前記上弦接合体に固定された上弦芯材（１１'）と、それぞれ、前記上弦芯材が挿通された筒状をなし、一端側が対応する前記上弦接合体に固定された１対の上弦拘束材（１２'，１２'）とを有し、前記１対の拘束材の互いに近接する側の端部が互いに当接し、かつ、前記１対の上弦拘束材の互いに近接する側の端部が互いに当接していることを特徴とする。

この構成によれば、芯材及び上弦芯材が交互に伸長することによって地震時のエネルギーを吸収できるとともに、芯材及び上弦芯材の中央がそれぞれ１対の拘束材及び１対の上弦拘束材で覆われているため、芯材及び上弦芯材の中央での座屈を防止できる。

本発明によれば、首折れ座屈が防止された座屈拘束部材を容易に弦材の一部に配置でき、充腹材と同様に架構を扱うことができるトラス梁を提供することができる。

第１実施形態に係るトラス梁の正面図 図１におけるＩＩ－ＩＩ断面図 第１実施形態の変形例を示す断面図 第２実施形態に係るトラス梁の正面図 第３実施形態に係るトラス梁における座屈拘束部材の正面図 第４実施形態に係るトラス梁の正面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１及び図２は、第１実施形態に係るトラス梁１を示す。トラス梁１は、上弦材２と、下弦材３と、複数の斜材４とを有し、両端部が１対の柱５，５に支持されている。なお、トラス梁１は束材（図示せず）を有していてもよい。トラス梁１は、概ね鏡像対称形をなすため、両端部の一方を例に説明するが、他方の端部も同様の構成を有する。

上弦材２及び下弦材３は、概ね水平方向に沿って互いに平行に配置されている。本実施形態の上弦材２及び下弦材３は、直線状の部材であるが、曲線状の部材でもよい。上弦材２の全体及び下弦材３の本体部６には、Ｈ形鋼が用いられているが、他の形鋼や鋼管等の長尺の鋼材を用いてもよい。上弦材２の全体及び下弦材３の本体部６に用いられるＨ形鋼は、１対のフランジが上下方向に対向し、ウェブが鉛直面に沿うように配置される。上弦材２及び下弦材３の両端部は、それぞれ、対応する柱５に剛接合又はピン接合される。

複数の斜材４は、トラス梁１の延在方向の一端側から他端側に向かうにつれ、斜め下方に向かうものと斜め上方に向かうものとが交互に配置される。複数の斜材４において、特定の位置に配置したものを示すときは、最も端部に配置されたものから中央に向かって順に、第１斜材４ａ、第２斜材４ｂ、第３斜材４ｃ、第４斜材４ｄと記し、不特定のものや全体を示すときは単に斜材４と記す。各々の斜材４は、Ｈ形鋼や、互いに平行に配置された１対の溝形鋼等の鋼製の長尺材からなる。各々の斜材４の上弦材２及び下弦材３に対する角度は互いに略等しい。第１斜材４ａの上端は、ガセットプレート７を介して上弦材２及び柱５に剛接合又はピン接合される。第２斜材４ｂ及び第３斜材４ｃのように上端側が互いに隣接する２つの斜材４，４において、これらの上端側は、共通のガセットプレート７を介して、互いに剛接合又はピン接合されるとともに上弦材２に剛接合又はピン接合される。また、第１斜材４ａ及び第２斜材４ｂのように下端側が互いに隣接する２つの斜材４，４において、これらの下端側は、共通のガセットプレート７を介して、互いに剛接合又はピン接合されるとともに下弦材３に剛接合又はピン接合される。上弦材２、下弦材３及び斜材４は、ガセットプレート７にボルト及びナット（図示せず）等によって締結される。

下弦材３は、実質的にＨ形鋼からなる本体部６と、下弦材３の延在方向において本体部６に整合するように配置された座屈拘束部材８とを有する。換言すると、下弦材３の一部の区間において、本体部６を構成する部材が座屈拘束部材８に置き換えられている。座屈拘束部材８は、下弦材３における塑性化し易い区間に設けられる。最も塑性化し易い区間は、複数の斜材４の内、第１斜材４ａの下端及び第２斜材４ｂの下端の下弦材３への接合部９から柱５までの区間である。しかし、この区間の長さは、第１斜材４ａの下端及び第２斜材４ｂの下端の下弦材３への接合部９から第３斜材４ｃの下端及び第４斜材４ｄの下端の下弦材３への接合部９までの区間長の約半分であり、座屈拘束部材８に必要な長さを確保できないおそれがある。そこで、第１実施形態では、座屈拘束部材８は、第１斜材４ａの下端と第２斜材４ｂの下端との接合部９から第３斜材４ｃの下端と第４斜材４ｄの下端との接合部９までの区間内に配置される。

座屈拘束部材８は、それぞれ本体部６に接合されて互いに対向する１対の接合体１０，１０と、両端部が１対の接合体１０，１０に固定されて、下弦材３の延在方向において本体部６に整合するように配置された芯材１１と、それぞれ、芯材１１が挿通された筒状をなし、一端側が対応する接合体１０に固定された１対の拘束材１２，１２と、１対の拘束材１２，１２のそれぞれに充填され、芯材１１に付着していない充填材１３を有する。

接合体１０は鋼製の平板からなる。接合体１０には、芯材１１及び拘束材１２の一端側が溶接等により固定されている。本体部６における座屈拘束部材８に接合する端部には、鋼製の平板からなる本体部側接合体１４が設けられており、本体部側接合体１４は、本体部６の主要部分を構成するＨ形鋼に溶接等によって固定されている。接合体１０と本体部側接合体１４とが、互いに当接した状態でボルト及びナット等の締結具１５で締結されていることにより、座屈拘束部材８の両端部が本体部６に接合している。

芯材１１は、１本のＨ形鋼からなり、１対のフランジが上下方向に対向し、ウェブが鉛直面に沿うように配置される。なお、芯材１１として、図３に示す変形例のように、互いに平行に配置された１対の溝形鋼１６，１６を、開口部１６ａが互いに反対側を向くようにウェブ１６ｂを対向させて配置したもの（図３（Ａ））や、複数の鋼製の平板１７を互いに並行に配置したもの（図３（Ｂ））を用いてもよい。

各々の拘束材１２は、角形鋼管等の鋼管からなる。１対の拘束材１２，１２の互いに近接する端部は、互いに離間している。この離間長を芯材１１の長さで割った値が、芯材１１の最大圧縮ひずみとなる。なお、１対の拘束材１２，１２の互いに近接する端部が互いに当接する（離間長を０とする）ように変形してもよく、この場合、芯材１１に圧縮ひずみが生じず、座屈拘束部材８は引張降伏型となる。

充填材１３はモルタル等からなる。充填材１３は、芯材１１における１対の拘束材１２，１２内に位置する部分に型枠剥離材、オイルペイント又はアスファルト等の付着防止剤を塗布した後に、１対の拘束材１２，１２内に充填される。そのため、充填材１３は、芯材１１に付着していない。１対の拘束材１２，１２及び充填材１３によって、芯材１１の座屈が防止される。なお、充填材１３を設けず、１対の拘束材１２，１２のみによって芯材１１の座屈を防止してもよい。

芯材１１は、１対の拘束材１２，１２及び充填材１３によって座屈が防止されるとともに、充填材１３が付着していないためその延在方向に伸縮可能である。そのため、座屈拘束部材８は、安定して地震等のエネルギーを吸収することができる。また、下弦材３における塑性化し易い部分に座屈拘束部材８を配置したため、トラス梁１において、個材座屈の影響を考慮せずに、充腹材と同様に架構を扱うことができる。すなわち、トラス梁１の変形能力を向上させることで、必要保有水平耐力計算時のＤｓ値を小さくすることができ、鋼材量を減らすことができる。

芯材１１の両端部が１対の拘束材１２，１２及び充填材１３に覆われているため、座屈拘束部材８の首折れ座屈や、芯材１１の両端部の局部座屈の発生を防止できる。また、１対の拘束材１２，１２及び充填材１３に覆われていない芯材１１の中央部は、従来品の座屈し易い部分に比べて形状の変化が緩やかであるため、スムーズに力が伝達され座屈が生じ難い。

座屈拘束部材８は、芯材１１の端部及び拘束材１２の端部を一方の表面に固定した接合体１０を有する。そのため、１対の接合体１０，１０を本体部６に固定することにより、座屈拘束部材８を容易に本体部６に取り付けることができる。また、芯材１１及び１対の拘束材１２，１２には市場で流通している一般形鋼を使用できるため、コストの増加を抑えることができる。

図４を参照して、第２実施形態に係るトラス梁２１について説明する。説明に当たって、第１実施形態と共通する構成は、その説明を省略し同一の符号を付す。

トラス梁２１の下弦材２２は、本体部６と座屈拘束部材２３とを有する。座屈拘束部材２３は、第１斜材４ａ及び第２斜材４ｂの下方に延在している。座屈拘束部材２３は、第１実施形態と同様に、１対の接合体１０，１０、１本の芯材１１、１対の拘束材１２，１２及び充填材１３を有する。

１対の拘束材１２，１２の一方は、座屈拘束部材２３の端部側である一端側において接合体１０を介して柱５に固定され、座屈拘束部材２３の中央側である他端側においてガセットプレート７を介して第１斜材４ａ及び第２斜材４ｂの下端側を固定している。１対の拘束材１２，１２の他方は、座屈拘束部材２３の端部側である一端側において接合体１０及び本体部側接合体１４を介して本体部６を構成するＨ形鋼に固定されている。

このように、第１及び第２斜材４ａ，４ｂの下端側をガセットプレート７を介して一方の拘束材１２に固定したことにより、第１及び第２斜材４ａ，４ｂと下弦材３との接合部９を跨ぐように座屈拘束部材８を配置できる。そのため、トラスとして成立させた上で下弦材３において最も塑性化し易いが区間長の短い端部に座屈拘束部材２３を配置できるとともに、塑性域である芯材１１の長さを大きく確保することができる。なお、第１及び第２斜材４ａ，４ｂの下端側を他方の拘束材１２に固定してもよい。

図５を参照して、第３実施形態に係るトラス梁３１について説明する。トラス梁３１の下弦材３２は、本体部６と座屈拘束部材３３とを有する。座屈拘束部材３３は、第１実施形態と同様に、１対の接合体１０，１０、１対の拘束材１２，１２及び充填材１３を有し、第１実施形態と同様に配置されるが、芯材３４の構成が第１実施形態と異なる。

芯材３４は、一端側において１対の接合体１０，１０の一方に固定され、かつその接合体１０に固定されている拘束材１２に挿通された第１芯材３５と、一端側において１対の接合体１０，１０の他方に固定され、かつその接合体１０に固定されている拘束材１２に挿通された第２芯材３６とを有する。第１及び第２芯材３５，３６は、それぞれＨ形鋼等の長尺の鋼材からなる。第１及び第２芯材３５，３６の他端側は、それぞれ拘束材１２から突出し、互いに接合されている。第１及び第２芯材３５，３６の他端側は、両者に当接するように配置された鋼製の継手板３７とともにボルト及びナット等の締結具３８で締結されることにより、互いに接合される。

第１及び第２芯材３５，３６の互いの接合は、充填材１３を各々の拘束材１２に注入した後に行うことができる。そのため、充填材１３の施工性が改善される。また、第１及び第２芯材３５，３６を接合するために、１対の拘束材１２，１２の互いに近接する側の端部間の距離を第１実施形態に比べて大きくする必要が生じる。この区間で芯材３４の座屈拘束が低減されるが、継手板３７による補強効果によって座屈が抑制される。また、座屈拘束部材３３が設置されるべき区間の長さは、本体部６の施工誤差によって変動し得るが、その施工誤差に応じて第１及び第２芯材３５，３６間の距離を調整することにより座屈拘束部材３３の寸法を調整することができる。

図６を参照して、第４実施形態に係るトラス梁４１について説明する。第４実施形態では、上弦材４２が、実質的にＨ形鋼からなる上弦本体部４３と、上弦材４２の延在方向において上弦本体部４３に整合するように配置された上弦座屈拘束部材８'とを有する。換言すると、上弦材４２の一部の区間において、上弦本体部４３を構成する部材が上弦座屈拘束部材８'に置き換えられている。上弦座屈拘束部材８'は、１対の上弦接合体１０'，１０'、上弦芯材１１'、１対の上弦拘束材１２'，１２'及び充填材１３'を有し、これらは、それぞれ、下弦材３における１対の接合体１０，１０、芯材１１、１対の拘束材１２，１２及び充填材１３に対応する構成を有する。下弦材３の座屈拘束部材８は、第１実施形態と同様に、第２及び第３斜材４ｂ，４ｃの下方に配置される。上弦座屈拘束部材８'は、第１及び第２斜材４ａ，４ｂの上方に配置され、一方の上弦接合体１０'は柱５に接合し、他方の上弦接合体１０'は、本体部側接合体１４と同様の構成を有する本体側上弦接合体１４'を介して上弦本体部４３に接合している。１対の拘束材１２，１２の互いに近接する側の端部が互いに当接し、１対の上弦拘束材１２'，１２'の互いに近接する側の端部が互いに当接している。なお、上弦材４２の端部に上弦座屈拘束部材８'が配置されているため、第１斜材４ａの上端側を固定するガセットプレート７は、柱５に固定され、上弦材４２には接合されていない。

トラス梁４１の一端側に着目すると、上弦材４２及び下弦材３は、地震時に一方が圧縮力を受けると、他方が引張力を受ける。また、トラス梁４１の一端側において上弦材４２が引張力を受けるとき、トラス梁４１の他端側において下弦材３が引張力を受ける。１対の拘束材１２，１２の互いに近接する側の端部が互いに当接しているため、圧縮力を受ける芯材１１又は上弦芯材１１'の収縮は妨げられるが、引張力を受ける上弦芯材１１'又は芯材１１が伸長する。交互に引張力を受ける芯材１１及び上弦芯材１１'が伸長することによって、地震時のエネルギーが吸収される。また、芯材１１及び上弦芯材１１'の中央がそれぞれ１対の拘束材１２，１２及び１対の上弦拘束材１２'、１２'で覆われているため、芯材１１及び上弦芯材１１'の中央での座屈を防止できる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。トラス梁は、柱以外の建物の構造部材、例えば梁等に支持されてもよい。下弦材の本体部及び芯材、並びに上弦材の上弦本体部及び上弦芯材に使用されるＨ形鋼は、弱軸使い、すなわち、１対のフランジが鉛直方向に延在し、ウェブが水平方向に延在するように配置されてもよい。

１，２１，３１，４１：トラス梁
２，４２：上弦材
３，２２，３２：下弦材
４：斜材
４ａ：第１斜材
４ｂ：第２斜材
５：柱（構造部材）
６：本体部
８，２３，３３：座屈拘束部材
８'：上弦座屈拘束部材
１０：接合体
１０'：上弦接合体
１１，３４：芯材
１１'：上弦芯材
１２：拘束材
１２'：上弦拘束材
１３，１３'：充填材
３５：第１芯材
３６：第２芯材

Claims (6)

1. 上弦材、下弦材及び複数の斜材を有し、１対の構造部材に支持されたトラス梁であって、
   前記下弦材は、長尺材を有する本体部と、該下弦材の延在方向の一部の区間において前記本体部に置き換わるように配置された座屈拘束部材とを有し、
   前記座屈拘束部材が
   前記本体部又は前記構造部材に接合されて互いに対向する１対の接合体と、
   両端部がそれぞれ対応する前記接合体に固定された芯材と、
   それぞれ、前記芯材が挿通された筒状をなし、一端側が対応する前記接合体に固定された１対の拘束材とを有することを特徴とするトラス梁。
2. 前記座屈拘束部材は、前記複数の斜材の内の当該トラス梁における端部から２番目及び３番目に配置された第２斜材及び第３斜材の下端の間に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のトラス梁。
3. 前記複数の斜材の内の当該トラス梁における端部から１番目及び２番目に配置された第１斜材及び第２斜材の下端は、前記１対の拘束材の一方に接合していることを特徴とする請求項１に記載のトラス梁。
4. 前記１対の拘束材の互いに近接する側の端部は、互いに離間していることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のトラス梁。
5. 前記座屈拘束部材が、前記１対の拘束材に充填され、前記芯材に付着していない充填材を更に有し、
   前記芯材は、前記１対の拘束材の一方に挿通された第１芯材と、前記１対の拘束材の他方に挿通された第２芯材とを有し、
   前記第１芯材及び前記第２芯材の互いに近接する側の端部は、それぞれ前記１対の拘束材から突出して、互いに接合されたことを特徴とする請求項４に記載のトラス梁。
6. 前記上弦材は、長尺材を有する上弦本体部と、該上弦材の延在方向の一部の区間において前記上弦本体部に置き換わるように配置された上弦座屈拘束部材とを有し、
   前記上弦座屈拘束部材が、
   前記上弦本体部又は前記構造部材に接合されて互いに対向する１対の上弦接合体と、
   両端部がそれぞれ対応する前記上弦接合体に固定された上弦芯材と、
   それぞれ、前記上弦芯材が挿通された筒状をなし、一端側が対応する前記上弦接合体に固定された１対の上弦拘束材とを有し、
   前記１対の拘束材の互いに近接する側の端部が互いに当接し、かつ、前記１対の上弦拘束材の互いに近接する側の端部が互いに当接していることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のトラス梁。

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