JP2006257765A - 形状記憶合金を用いたブレース構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ブレース構造に初期張力を導入することにより、ブレースの圧縮側耐力を補強する構造を提供する。さらに本発明は既設のブレース構造にも適用が可能である。
【解決手段】柱梁架構内に配設されるブレース構造において、ブレース１の軸方向に所定の間隔を空けて取り付けられた少なくとも一対のタブ４を有し、前記タブ４間にボルト５で固定された形状記憶合金片３の形状回復時の収縮力によって、該ブレースの軸方向に張力が付与されていることを特徴とするブレース構造。
【選択図】図４

Description

本発明は、柱梁架構を補強する際において、形状記憶合金片の形状復元力により初期張力を導入するブレース構造、またそのブレースの補強方法に関する。

従来のブレース構造では、座屈の影響により圧縮耐力は引張耐力と比較して低く、ブレースが圧縮と引張の両方で水平力に抵抗する設計にした場合、ブレースの断面は圧縮側の耐力で決定する。そのため、ブレースが引張側の耐力に余力を残し、全ての性能を発揮することができないという欠点をもつ。そこで、これを改善するものとして、特許文献１に開示のように、ブレースに降伏応力までに所定の余力を残した初期張力を与えるものが知られている。これは、架構が水平力を受けた時に伸張側ブレースの引張力だけでなく、収縮側ブレースも張力減少により荷重を負担することができるようにしたものである。また、初期張力の導入方法として、特許文献２に開示のように、ターンバックル機構を使用する方法、ブレースがパイプ材であれば特許文献３に開示のようにパイプ材と継手をねじ機構とした方法がある。

前記のように、従来のブレースへの初期張力導入方法においては、特許文献２の開示技術と特許文献３の開示技術のどちらもブレースの中間部にねじ式による伸縮機構を取り付けるものである。

一方、既存の柱梁架構内に取り付けられたブレースを補強する場合、従来、図７及びそのＡ−Ａ断面としての図８に示すようにブレース６１の全長にわたって鋼板などで構成される補強材６２を、現場溶接によって取り付け、部材の断面積を増加させることで補強する方法が知られている。
特開昭５９−１７３４７０号公報 特開平８−２００３２５号公報 特開平１０−３１７５０８号公報

特許文献２及び特許文献３に記載の方法は架構にブレースを取り付ける前に伸縮機構をブレースに取り付ける必要があり、既に架構に取り付けられたブレースに対して張力を導入する手法としては用いることが出来ない。さらに、特許文献３に記載の方法はブレースがパイプ材で構成されていなければ適用する事ができないという欠点をもつ。

一方、従来の既設ブレースの補強方法は、部材全長にわたり現場溶接することから工期が長期間になるということ、現場での施工品質確保が困難であること、及び補強に必要な鋼材量が多いという欠点をもつ。

そこで本発明は、このような従来技術の問題点を解決するもので、既設のブレースに対しても初期張力の導入を可能とする方法、また従来の補強方法と比較して少ない現場溶接で既設ブレースを補強する構造を提供することを目的とするものである。

第１の発明は、柱梁架構内に配設されるブレース構造において、ブレースの軸方向に所定の間隔を空けて取り付けられた少なくとも一対のタブを有し、前記タブ間にボルトで固定された形状記憶合金片の復元力によって、該ブレースの軸方向に張力が付与されていることを特徴とするブレース構造である。

本発明はブレースに初期張力が与えられることで補強効果を得るものだが、図９のように、初期張力が導入されるのは初期張力導入部７６の領域で、形状記憶合金片を取り付けた圧縮域７７では形状記憶合金片の復元力により逆に圧縮力が発生する。しかし、この部分においても形状記憶合金片が取り付けられたことによる断面補強効果があり、また圧縮域７７はブレース全長に対して部分的であることから、補強前と比較して座屈への抵抗力も確保できる。以上の事から圧縮域７７においても補強効果が得られるため、ブレース全体に対して補強効果を得ることができる。

第２の発明は、柱梁架構内に配設されているブレースに、前記のタブを付設し、形状記憶合金片をボルトでタブに固定して取り付けた後、該形状記憶合金片を加熱することにより該ブレースの軸方向に張力を付与することを特徴とするブレースの補強方法である。

第１の発明は、ブレースに初期張力を導入する場合において、ブレースの部材断面形状を限定することなく張力を導入できること、及び柱梁架構内に既設のブレースに対しても適用することが可能であるという効果がある。

第２の発明は、既設のブレースを補強する場合において、従来の方法と比較して部分的な施工で済むため、施工品質の向上、工期短縮及び補強に要する鋼材量の減少という効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、形状記憶合金片の形状復元力により初期張力を導入するブレースの補強方法に関し、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１、２は、鋼管ブレースを対象とした一実施形態を示している。ちなみに、図１は、ブレース１の補強構造の正面図であり、図２は、ブレース１のＢ−Ｂ断面図を示している。初期張力を導入する対象である鋼管としてのブレース１の側面部に、ボルトで固定する穴を有するタブ４を軸方向に所定の間隔を空け、これを溶接によって取り付ける。取り付けるタブ４は２枚で１対とし、偏心モーメントの発生を避けること、及び圧縮域での座屈防止効果を考慮して、少なくとも２対は取り付けることが好ましい。そして、対になったタブ４の間に形状記憶合金片３をボルト５で固定して取り付ける。偏心モーメントの発生を避けるために、１対のタブ４には２枚の形状記憶合金片３を取り付けることが好ましいが、タブが偏心モーメントに対して十分な強度を有している場合には、１対のタブ４に対して１枚の形状記憶合金片３を取り付けても問題はない。

図３〜５は、Ｈ形鋼からなるブレース１の補強構造を示している。この図３は、かかる補強構造の側面図、図４は、その正面図、図５は、そのＣ−Ｃ断面図を示している。ブレース１のフランジ上面並びに下面に沿ってタブ４が立設されてなり、さらにこのタブ４に対して形状記憶合金片３が互いに略平行となるように２列に亘って取り付けられている。

形状記憶合金片３を構成する形状記憶合金は、ある臨界温度以下で加工を加えた後に必要な温度に加熱することによって元の形状に戻るという特性をもっている。従って、この合金をあらかじめ臨界温度以下で一定量の圧延加工をして、所定の位置に取り付けた後に加熱することで、その復元力によってブレースに初期張力が導入される。

また、この形状記憶合金片３として用いる形状記憶合金は、引張強さ６８０〜１０００ＭＰａ、形状が完全に回復する変態温度３００〜３５０℃、形状回復応力１８０ＭＰａ、形状回復ひずみ２．５〜４．０％程度の性能を有する１６％Ｍｎ−５％Ｓｉ−１２％Ｃｒ−５％Ｎｉ−Ｆｅや２０％Ｍｎ−５％Ｓｉ−８％Ｃｒ−５％Ｎｉ−Ｆｅなどの鉄系形状記憶合金が好ましい。

以下に、実施例により本発明をさらに説明する。本実施例は、鋼構造設計規準（日本建築学会）において定められた鋼構造設計規準に基づくものである。図６のような、高さ５ｍ、柱間隔１０ｍの柱梁架構と１本のブレース１で構成されるブレース構造を例にとる。ブレース１にはＪＩＳＧ３１３６及びＪＩＳＧ３１９２に規定されたＳＮ４００Ｂ級Ｈ−３００×３００×１０×１５を使用し、この柱梁架構に加わる水平力８は全て該ブレースの軸方向力で負担するものとする。また、本実施例における耐力とは部材に生じる応力度が短期許容応力度に達するときの荷重とする。

このＨ形鋼ブレースの全長は１１．１８ｍとなり、これを座屈長さとすると、該ブレースの引張力に対する耐力は２７８２ｋＮ、圧縮力に対する耐力は７５７ｋＮとなる。よって、この柱梁架構が支持可能な水平力８は圧縮側の耐力で決定し、６７７ｋＮとなる。

次に、該柱梁架構で支持する水平力８が１５％程度増加して７７９ｋＮとなった際に、該ブレースを本発明で補強する場合を実施例として説明する。Ｈ形鋼ブレースが負担する必要のある軸方向力は８７１ｋＮとなり、圧縮側の耐力を１１４ｋＮ上回る。この圧縮側の耐力不足分を初期張力を導入することで補強する。

形状記憶合金片による初期張力導入に際しては、実際に必要となる初期張力に加え、圧縮域からの反力も形状記憶合金片で負担しなくてはならない。初期張力を導入することで引張力が発生する範囲での伸張長さと、圧縮域における収縮長さは等しくなる関係から、形状記憶合金片３で実際に導入する初期張力は、必要とする初期張力に対してブレース全長を圧縮域の長さで除した値を乗じたものとなる。

圧縮範囲の長さを１．０ｍとすると、ブレース全長が１１．１８ｍ、必要な初期張力が１１４ｋＮとなることから、形状記憶合金で導入する張力の大きさは１２７５ｋＮとなる。鉄系形状記憶合金の形状復元力を１８０ＭＰａとして、厚さ９ｍｍ、幅１００ｍｍの形状記憶合金片を８枚取り付けた場合、それらの断面積の合計は７２ｃｍ^２となり、導入される張力は１２９６ｋＮで必要となる張力を上回る。

次に圧縮域の検討を行う。圧縮範囲は１．０ｍなので、座屈長さを１．０ｍとすると圧縮側耐力は２７５９ｋＮとなる。圧縮域に生じる最大圧縮力は形状記憶合金片によって導入される軸力１２９６ｋＮと引張部に導入される初期張力１１４ｋＮの差とブレースが負担する荷重の和で２０５３ｋＮとなる。これは圧縮域の耐力よりも小さいので、圧縮域についても十分な耐力を有しているといえる。

以上より本実施例では、図３、図４、及び図５に示すように、ブレース１に対になったタブ４を、それぞれ１ｍの間隔を空けて４対取り付ける。次に、厚さ９ｍｍ幅１００ｍｍの形状記憶合金片３を１対のタブ４にそれぞれ２枚ずつ、計８枚取り付け、ボルト５で固定する。形状記憶合金片３をバーナーで３５０℃まで加熱する。形状記憶合金片３の形状復元力によりブレースに所定の初期張力が導入され施工完了となる。

従来技術によるブレースの補強方法を示す側面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 ブレースへの初期張力の導入範囲を示す側面図である。 鋼管ブレースへの形状記憶合金取り付け部の側面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 H形鋼ブレースへの形状記憶合金取り付け部の側面図である。 図７の平面図である。 図６、図７のＣ−Ｃ断面図である。 実施例の対象となるブレース構造を示す側面図である。

符号の説明

１ ブレース
２ 補強材
３ 形状記憶合金片
４ タブ
５ ボルト
６ 初期張力導入部
７ 圧縮域
８ 水平力

Claims (2)

1. 柱梁架構内に配設されるブレース構造において、ブレースの軸方向に所定の間隔を空けて取り付けられた少なくとも一対のタブを有し、前記タブ間にボルトで固定された形状記憶合金片の形状回復時の収縮力によって、該ブレースの軸方向に張力が付与されていることを特徴とするブレース構造。
2. 柱梁架構内に配設されているブレースに、前記のタブを付設し、形状記憶合金片をボルトでタブに固定して取り付けた後、該形状記憶合金片を加熱することにより該ブレースの軸方向に張力を付与することを特徴とするブレースの補強方法。

Images