JP2008175056A - 耐モーメント構造物と、支持部材と、建築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、地震や衝撃や他の激しい一時的な原因等の一時的な荷重に変形可能に抵抗するための、経済的かつ信頼性のある構造システムを提供することである。
【解決手段】支持部材３のウェブ４内に配置される１つ以上の空所６ａ−６ｆによって決定される多数の分散型領域の使用によって変形能力が高められる。空所は、臨界応力に達した時、分散型領域が非弾性的に変形することを保証するサイズと形状と構成のものであり、それによって構造的なヒューズの作用を発展させ、溶接接合部または隣接する熱影響部の破壊を生じさせるのに充分な応力及びひずみ必要量の発生を防止する。支持部材は構造物の残りの部分に取り外し自在に接続されてよく、非弾性変形の後の交換を容易にする。機械設備と電線等が空所を通り抜けることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は耐モーメント構造物と、支持部材(Sustainer)と、特に高強度の一時的な荷重に変形可能に抵抗するための建築方法に関する。一時的な荷重とは地震や衝撃または他の激しい一時的な原因のために生じるものであってよい。構造物及び支持部材は建物や橋、または他の公共事業・陸上車両・船舶・航空機・宇宙船・機械類・その他の構造システムあるいは装置内に含むことができる。支持部材は断面方向の荷重に抵抗し、根太や桁・梁・柱等の構造の他の成分、あるいは断面方向の荷重に抵抗する他の部材を支持または維持する剛体の部材である。構造物または支持部材は鋼・鉄・アルミニウム・銅・青銅等の金属、あるいは木材または木材製品、あるいはコンクリートやプラスチック・他の重合体・ガラス繊維または炭素繊維複合材料・セラミックス、あるいは他の材料またはこれらの材料や他の材料を含む組み合わせで構成することができる。

鋼構造物は、大部分が研究室や現地調査において観察される鋼部材の実質的な変形能力のために、構造技術者や建築家によって一般に地震活動に対する優れた抵抗を提供するものとみなされている。しかしながら、１９９４年のノースリッジ（Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ）の地震は、ロサンジェルス（Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ）地域において鋼製の耐モーメント性枠組構造物に予期されなかった過酷な広範囲の損傷を生じさせた。鋼製の耐モーメント性枠組に対する損傷の多くが、鋼製の梁と柱との溶接接合部付近で発生した。一部の建物では、溶接接合部において、または溶接部に隣接した梁または柱材料において、８０％以上の接合部に脆性破壊があったことが見い出された。重要なことは、破壊の原因を決定し、新しい鋼構造物の設計のために、また既存の鋼構造物の復元のために適用できる解決策を決定するために、多数の実験的研究調査及び分析的研究調査が開始されたことであった。

日本人も鋼構造物が地震に対する優れた抵抗力を有していると考えていたが、神戸を襲った１９９５年の地震後、ロサンジェルスにおいて観察されたものと同様に接合部付近に脆性破壊が見つかった。サンフランシスコ湾岸地域（Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ Ｂａｙ Ａｒｅａ）の鋼建築物の最近の検査でも、破壊された桁‐柱の接合部が観察され、それはおそらく１９８９年のロマ・プリエタ（Ｌｏｍａ Ｐｒｉｅｔａ）地震によって生じたものであろう。

これらの破壊の原因は以下のあり得る原因に起因すると考えられる：溶接手順と溶接条件、及び裏当金とエンドタブの使用・梁と柱材料の特性・溶接部付近で三軸拘束を発展させる構成。破壊は下部フランジ溶接部付近でより頻繁に発生し、これは下部フランジへの物理的なアクセスが妨げられることにより、また梁の上の床が上部フランジを保護し、下部フランジがより大きな力と変形要求を経験するように強いることにより、許容できる溶接部を達成することが困難であることから生じると考えられる。材料特性に関しては、材料の破壊靱性及び溶接材料の溶着速度・柱フランジの材料特性における厚み方向の変化に注意が向けられる。これらの潜在的な原因に加えて、応力やひずみの集中は当然梁と柱間の接合部等の接合点において発生する。上述の可変要因のために、梁と柱間の接合部の強度を確実に予測することができず、概算することしかできないことが解る。

破壊の原因とそれに対するあり得る解決策の研究が進行中である。実物大の試験休による研究室試験は小さな変形で破壊し、現場で見られる現象を再生した。破壊された接合部の修復のための、既存の、未損傷の接合部の復元のための、また新しい構造物の設計のための、各技術が試験されている。これらのうちの最善のものでさえ、変形能力に限度があり、高価であり、信頼できないかもしれない。

現在までに調査されたアプローチ及び解決策は、（１）溶接材料及び溶接手順の制御を通して、材料の変形特性の改善を達成すること、（２）梁及び／または柱材の一部分を取り除くことによって、溶接部付近の部分を「軟化」することにより、三軸拘束状態を解除すること、（３）梁内ではなく接合部内で非弾性変形が発生することを念頭に設計された、靱性接合部のための新たな詳細を提供すること、（４）梁と柱間の接合部から離れた領域で梁の非弾性的な曲げ変形が発生するように、特定の位置で梁フランジを弱めること、（５）非弾性的な曲げ要求を柱面から離して梁に移すために接合部を補強すること、及び（６）前述の事項の組み合わせに関係する。これらのアプローチの一部（（３）、（４）、（５））に対しては、低い荷重で変形するか、または可塑化（plastify）する弱い部材を提供することによって、接合部が非弾性から保護される。

耐地震構造設計における基本教義は、構造物が靱性のある非弾性的な様式で応答するように設計され、詳細が決められた場合、構造物の重量及び費用の節約を達成することができることである。耐地震構造設計における第２の基本教義は、靱性のある非弾性的な応答が、柱ではなく、桁や梁の枠材に位置する可塑性継手(plastic hinge)領域で発生するのが好ましい。この第２の教義の理由は、それが可塑性継手を発生させた場合、柱の完全性が割引きされ、これはその上で支えられているかもしれない多数の床の安定性を危険にさらし得ることに関するものである。既存の設計のプラクティスでは柱に隣接して、桁や梁内に可塑性継手領域を形成しており、これらの教義と一致している。

市場の力のために、またこの構造システムが豊富な変形能力を有しているという誤った信念のために、地震が発生しやすい地域で鋼モーメント枠が頻繁に使用された。おそらくこの信念のために、この構造システムに固有の不都合が見落とされたか、あるいは黙許された。

次のことに留意すべきである。
・地震による荷重を被った枠体は、その最も脆弱な場所‐溶接接合部と熱影響部がある梁と柱間の接合部で最大の応力・ひずみ量を経験する。
・建築用に提供された鋼は設計において仮定された強度とは異なる強度を有するかもしれない。梁の強度が比較的高い場所では、可塑性継手が柱において発生するという兆候が増大する結果として生じる。
・下にある梁によって支えられる床スラブの存在が、スラブ−梁複合体の曲げ強度を増大させ得る。この予期されない強度は可塑性継手が柱内で発生させられるという望ましくない影響を有するかもしれない。
・比較的小さな場所（可塑性継手）への非弾性の集中で、材料が非常に大きなひずみ量を局部的に経験することが必要になる。非弾性量をそれより大きな体積の材料に分散させることで局部的な量を減少させ、構造物の変位能力を高めるであろう。
・穴の開けられていない桁や梁を使用する従来の慣行では、天井と構造的な枠組み間に供給電線などのための付加的な空間の提供を必要とする。
・従来の慣行は地震後の構造物の修復の備えをしていない。建物の取り替え保証や厄介な修復に関して、修理は高くつくものであるかもしれない。

破壊問題に対処しようとする試みは、上述の不都合にも関わらず、曲げ降伏パラダイムに一貫して取り組んできた。
溶接部と基礎材料の品質の改善、または可塑性継手が接合部を離れて梁内に発展するのを助長するのに適するように、接合部強度を増大させることは費用がかかる。
三軸拘束を解除するのに必要な細部も高価なものである。実験による証拠は、これらの技術が中間レベルの靭性能力しか提供しないこと、梁・柱接合部においてピーク応力が続いて発生すること、及び接合部の靭性能力にとって溶接品質が格別に重要であることを示している。

梁または柱においてではなく、接合部本体において降伏を促進することによって接合部を過剰応力から保護するために、接合部についての細部が他に提案されている。これらの接合部は現場で実施するには高くつき、建物の剛性に影響し、それは次に必要な横方向の設計強度とその変位応答と変形能力要求に影響する。しばしば桁や梁枠組みを柱の様々な側面に対して同時に支えるためにこれらの接合部を構成することができない。

柱との接合部からずれた位置に可塑性継手を生じさせるように、フランジの断面を減少させることによって梁を意図的に弱めてもよく、それは非弾性作用を脆性破壊が始まるかもしれない溶接された梁・柱接合部から離れるように引き寄せようとするやりがいのある試みを表している。しかしこのアプローチは次のような不都合を有する：（１）フランジを梁の各々の端の４ヵ所で切断するのは比較的費用のかかることであること；（２）既存の建物の復元に際して床スラブが存在するかもしれない上部フランジを切断するのは実用的ではないこと；（３）可塑性継手領域が柱から挿入されるので、それらは構造物の同じ変位を達成するためにより大きな変形に曝されること；（４）減少したモーメント容量を有する断面がシステムに適切な強度を提供するために、重くて高価な梁を使用しなければならないこと；（５）フランジ材料の除去が梁の安定性を低下させること；及び（６）フランジの切断が不正確に実行されたことを認識させる、フランジ材料の非対称的な切除が不安定さを誘発し、更に変形能力を制限すること。

前述のアプローチは鋼製耐モーメント枠組を改善するための最近の提案に関係する一方、その他の耐震設計に対する取り組みも議論する価値があり、本発明に関係する。

偏心した斜め材の入った鋼製枠組が１９７０年代と１９８０年代にＰｏｐｏｖによって開発された。このシステムでは、筋違と梁‐柱の作業点間で偏心を発生させるために、斜めの筋違が梁と柱間の接合部からずれている。これは梁の短い部分に高い剪断力を誘発し、強い横方向の運動下に、その部分を主として剪断力において降伏させる。この連結梁の剪断降伏は意図された領域と非弾性応答モードにおいてだけである。連結梁が耐えることができる大きな剪断ひずみが、システムの非弾性変形能力を提供する。偏心した斜め材の入った枠組が多数の構造物に使用されており、その一部はノースリッジ地震に揺さぶられたが、非常にうまく機能したと報告されている。その高い費用と、床スペースの利用を妨げる斜め筋違の存在によって、このシステムを広範囲に適用することが制限されている。溶接部の品質に関するさらなる制御を提供するためにこのシステムが必要になってくるにつれて、このシステムの費用は増大傾向にある。曲げ降伏システムについては、非弾性度域の数が比較的少なく、寸法が小さいので、偏心した斜め材の入った枠組では比較的高い局部的な要求ひずみが求められる。

耐震構造に対する別のアプローチも開発されている。補足的な制動装置の使用について特に関心が持たれている。このような装置の１つであるＡＤＡＳ部材は、曲げ降伏が部材の端付近の離れた領域ではなく、材料の体積に亙って非弾性応答を発生させるように、漏刻形に構成される。別の装置は鋼板が剪断により降伏するようにさせる。中島は、多数の荷重サイクルに亙って大きなひずみに対する安定した延性のあるヒステリシス応答を含む、地震に対する応答を制御する目的のために、このように使用された鋼に対する非常に望ましい特性を報告している。この装置は振動する構造物と剛体枠組の間に位置付けられるであろう。別のアプローチは、付加的な剛性と制動をもたらすために、基礎隔離軸受の中心に鉛プラグを組み込む。これら３つの方法は全て研究室では優れた性能を示したが、これらの装置を使用するために支持システムが必要な場合には、かなりの費用と建築学的な調節を必要とする。更にこれらの方法は実施するために専門的な知識と分析を必要とする。これらの見地によって、主流の建築においてこれらの方法が使用されるのが妨げられている。

損害が生じた地震の後では、それが将来の地震に耐えられるかどうか、あるいは修理またはより大規模な復元が必要であるかどうかを決定するために、構造システムの完全性の評価が通常必要である。既存の基準は範囲が充分広くはなく、能力の損失があったとして、それを正確に決定することは不可能であるので、技術者の判断に頼ることになる。従来の構造システムは損傷を受けた部材の交換のために設計されていないので、選択の余地は限られている。一般に代替構造システムにおいて補足的制動装置を交換することは容易であるが、他の見地からそれらの幅広い受け入れを妨げている。

本発明の目的は、新規の構造物ならびに既存の構造物の復元の両者に利用できる、地震や衝撃や他の激しい一時的な原因等の一時的な荷重に変形可能に抵抗するための、経済的かつ信頼性のある構造システムを提供することである。本発明は空所と協動する分散型領域を決定して変形可能な抵抗を作り出すために、支持体の長手方向に沿った剪断力の実質的に均一な分布を利用するものである。

本発明の付加的な目的及び利点は以下の通りである：
（ａ）かなりの量の歪曲振動エネルギーを吸収するまたは分散させることができる分散型領域を提供すること；
（ｂ）梁ウェブの全長に亙って分布した大きな変形要求に耐えることができる分散型領域を提供すること；
（ｃ）主に二軸または平面応力状態に曝され、それによって材料の延性とひずみ能力を制限する従来の梁・柱接合部において発生する三軸拘束状態を防止する分散型領域を提供すること；
（ｄ）多数の分散型領域への非弾性度の普及を生じさせるために、材料のひずみ硬化特性を好都合に使用し、材料や技量や荷重変動による理想的な状態からの逸脱のためにひずみ集中が発展する傾向をずらし、それによって変形能力を有するための頑丈なシステムを得ること；
（ｅ）部材の全長に亙って位置する多数の分散型領域に変形要求が分布するので、構造材料の効率的な使用を行なって、変形要求が局部的な領域に集中することとこれらの領域における材料の消耗の可能性とを避けること；
（ｆ）ウェブの降伏によって、梁・柱接合部において抵抗される力と曲げモーメントを調整し、それによって過度であれば、つまり梁・柱接合部の強度能力を超える場合、溶接部または隣接する梁または柱材料の脆性破壊をおそらく生じさせるであろう応力・ひずみ要求から梁・柱接合部を保護する、構造的なヒューズを提供すること；
（ｇ）変形する分散型領域と関連する減少した力や曲げモーメントに対して、溶接部または隣接する梁または柱材料の破壊を防止し、それによって現行作業での要求と費用を避けるために、溶接部だけが充分な品質のものであるという要件；
（ｈ）現行作業において必要な費用なしに、梁・柱接合部において抵抗される力と曲げモーメントを調整することによって、非弾性要求が接合部から離れて梁において発生するように強いるのに充分な強度の接合部を達成すること；
（ｉ）梁・柱接合部において抵抗される力と曲げモーメントを調整することによって、比較的厚い柱フランジの悪い材質のために、過度であれば、柱フランジの脆性破壊を生じさせたかもしれない応力・ひずみ要求を制限すること；
（ｊ）梁・柱接合部において抵抗される力と曲げモーメントを調整することによって、梁の強度が柱の強度を超えるかもしれない可能性を減少させ、それによって可塑性継手が柱内で発生するのを防止する助けをすること；
（ｋ）梁によって支えられるかもしれない剪断力が調整されるので、梁の曲げ強度に対する床スラブの寄与によって柱内で非弾性度を発生させるかもしれない可能性を減少させること；
（ｌ）全体に同じ材料で構成された梁を利用し、材料強度の可変性が非弾性応答モードまたは位置の不確実性に導く可能性を減少させ、それによって梁の剪断力を接合部の曲げ強度に比例して変化させること；
（ｍ）桁と梁の強度を調整することによって、三次元構造と、桁、梁、柱の相互作用とから生じる複雑さを減少させること；
（ｎ）斜め部材の使用を必要としないことで、床スペースの使用における融通性を達成すること；
（ｏ）梁ウェブ内に穴を設け、その穴を通して機械設備や電線等を通し、それによって階の高さを減少させ、建物の高さに対する建築規制のある地域において、より多くの階を有する建物を建築することができるようにすることにより、材料要件及び費用を減少させること；
（ｐ）損害を与えた地震の後、梁の交換を準備することによって、構造物の横方向の力に抵抗する特質を迅速かつ経済的に復元させること；
（ｑ）あるいは構造システムの変位能力を改善するためにフランジを切断するか、他の手段を提供するために必要な費用に比べて、経済的にウェブ開口部を制作することができること；
（ｒ）他の改装部品技術を実施するために必要な努力と費用に比べて、経済的に既存の構造物にウェブ開口部を導入することができること；
（ｓ）他の構造システムに比べて、設計上の力と変位とを決定する目的のために、構造システムを容易にモデル化することができること；
（ｔ）１つ以上の空所が構造システムの剛性にわずかな、または無視できる影響しか及ぼさないので、他のシステムに比べて構造システムを容易に設計することができること；及び
（ｕ）非弾性応答が発展する場所と非弾性応答モードを確実に特定し、それによって構造物の変位能力と応答特性を制御する能力を技術者に与えられるように、構造技術者に与えられる自由度。

これらの目的は、１つ以上の空所が非弾性的に変形することができる分散型領域を規定する支持部材を含む構造物を提供することによって、本発明により達成される。支持部材のウェブは、弾性的なままであることが望まれる構造システムの他の部材や接合部が実質的に弾性的であるように、１つ以上の空所を有する支持部材の強度を充分低下させるために、充分な大きさと形状と構成の１つ以上の空所を有する。このように空所を有する支持部材の強度が他の構造部材や接合部に与えるかもしれない力や応力を調整し、従って構造上のヒューズとして作用する。従って、１つ以上の空所を有するこれら複数の支持部材を有することで、どこかで、そうでなければ脆性挙動や破壊や他の望ましくない挙動を生じさせるかもしれない強度に応力が達するのを防止する。

従って、１つ以上の空所を有する支持部材を永久的に取り付けることができ、あるいは一時的な荷重の結果としてかなりの非弾性的ひずみを被った支持部材を交換することによって構造システムの完全性を復元させることができるように、支持部材の交換を容易にするように取り付けることができる。

図１は従来の建物用構造システム１の立面図を示す。図１に認められるのは、柱２と梁３等の支持部材である。現在の慣行及び建築規則は、設計者に対し、設計すべき構造システム１の一部分または全部を選択する権限を、詳細には、特に地震や衝撃または他の激しい一時的な原因のために生じる荷重に対する抵抗力を構造物に付与することを認めている。

以下の実施例における支持部材は、激しい一時的な荷重に対する変形可能な抵抗力が望まれる、建物や橋、または他の公共事業・陸上車両・船舶・航空機・宇宙船・機械類・その他の構造システム及び装置において使用することができる。

好適実施形態
図２は梁のどちらかの端において柱２に剛的接続される梁３等の支持部材を示している。梁３はウェブ４とフランジプレート５、５’より成る。ウェブ４は、円形断面を有する空所６ａ等の多数の空所によって貫通されている。好適実施形態は一列の均一な空所を使用し、各々の空所は実質的に円形断面を有し、空所はフランジ間の実質的に中央に置かれ、梁の長さに沿って分布している。

隣接する柱にその両端が剛的に固定された鋼の広幅フランジ梁が、中間に湾曲点を有する柱によってのみ付与された荷重と変形に曝されることを考えてみよう。柱との接合部においてフランジ内で発展するピーク垂直応力は、最大許容可能な要求としても知られる、名目目標値ｆ_sに制限されることが望ましく、それは鋼材料の降伏強さより小さくてよい。普通の寸法の梁はｆ_sを充分超える応力を発生させるのに充分な剪断強度を有するので、梁ウェブが降伏するように開口部が設けられ、それによってフランジ内の応力が名目目標値ｆ_sを超えるのを防止する。名目目標値ｆ_sは、もちろん、接合部の予測強度より小さい。名目目標値が予測強度より大きければ、大きな一時的荷重に曝された場合、梁ウェブの変形前に接合部に対する損傷が発生し得る。

円形断面を有し、フランジ間の中間に一列に配置された整数の均一な空所のサイズと間隔は、以下の２つの基準を使用して決定することができる。
第１の基準は、空所の位置で梁に対して横断方向に作用する梁部分の剪断強度を考慮する。第２の基準は梁の長手方向の空所の位置におけるウェブの剪断強度を考慮する。これらの基準による降伏の変形特性が異なり、また空所の寸法や形状、構成の選択を通して、空所を含む断面の相対的強度を調整することによって、１つの基準または他の基準に従って変形する傾向を変化させることができると考えられる。

受け入れられている慣行によれば、低下させていない梁の剪断強度はｆ_vｔ_wｄによって近似することができ、ｆ_vは剪断における鋼材料の降伏応力であり、ｔ_wはウェブの厚みであり、ｄは梁の幅である。同様に、応力ｆ_sの発展に対応するモーメントＭはｆ_sＳで与えられ、Ｓは梁の断面係数である。梁が柱の面において逆屈曲のモーメントを発生するためには、梁が２Ｍ／Ｌに等しい剪断力Ｖを有することが必要で、Ｌは対向する柱の直近の面間の明らかな距離である。空所の位置で梁に対して横断方向に作用する梁の剪断強度（第１の基準）は、各々の空所の直径がｄ’の場合、ｆ_vｔ_w（ｄ−ｄ’）によって近似することができる。このように、目標応力ｆ_sの発展に名目上対応する荷重で梁を降伏させるために、空所の直径ｄ’はｄ−Ｖ／（ｆ_vｔ_w）に設定すべきである。Ｖを置換すると、空所の直径ｄ’はｄ−（２ｆ_sＳ）／（ｆ_vｔ_wＬ）と設定することができる。

受け入れられている慣行によると、曲げ抵抗Ｍを提供し、また梁のウェブによって均衡化される張力及び圧縮力は、ほぼＭ／ｄまたはｆ_sＳ／ｄに等しい。逆曲げ状態に対しては、空所が２ｆ_sＳ／ｄを伝達しなければならない。空所が直径ｄ’を有するとすれば、空所の位置におけるウェブの強度は略ｆ_vｔ_w（Ｌ−ｎｄ’）によって与えられ、ｎは円形空所の数である。このように、第２の基準は開口部ｎｄ’の総幅がＬ−（２ｆ_sＳ）／（ｆ_vｔ_wｄ）であるべきであることを暗示している。直径ｄ’を有する空所に対しては、上記の式はＬ／ｄを近接に近似するために整数の空所を必要とするものである。

次に、これら１つ以上の空所を支持部材のウェブに導入する。空所の導入方法は、ぎざぎざの付いた切断・さく孔・鋸引き・ガウジング、または鋳込み、または圧延もしくは他の手段、或いはぎざぎざの付いた梁を加工するのに用いられる手段によるものであってよい。研削によって、溶接材料の溶着によって、あるいはおそらく溶接部を含む付加的な材料で補強することによって、１つ以上の空所の周囲を変化させるか滑らかにしてもよい。１つ以上の空所を有する支持部材を作製する他の変形も存在し、それらは当業者には自明であろう。

建設方法
本発明の建設方法は、地震や衝撃または他の激しい一時的な原因のために生じる荷重に対する変形可能な抵抗力を提供する構造物を達成するために、ウェブ内に１つ以上の空所を有する支持部材を、空所を有していても有していなくてもよい、隣接する支持部材に固定することである。支持部材は現場で構造物を建設する時に、おおむね最終的な望ましい構成に接続されてよい。あるいは、建設前に構造物の部分またはその全体が接続されていてもよく、残りの接合部は現場でおおむね最終的な望ましい構成に作られる。
本発明の第２の建設方法は、建物等の既存の構造物の支持部材内に１つ以上の空所を導入し、それによって地震や衝撃または他の激しい一時的な原因のために生じる荷重に対する変形可能な抵抗力を提供することができる構造物を達成することである。１つ以上の空所が非弾性的に変形することができる分散型領域の場所を決定する。

代替建設方法は、既存の構造物において非弾性変形を経験した支持部材を１つ以上の空所を有する支持部材と交換することである。

本発明の精神及び範囲内でのこれらの架設方法の変形、及び特定の環境への適応は当業者には自明であろう。

代替実施形態
支持部材のウェブ内の１つ以上の空所は、発明の目的を達成するどのような寸法・形状・構成を有していてもよい。提供した特殊な実施例は発明をより完全に立証するためのものであって、発明の精神及び範囲内で多数の変形が当業者に自明であるので、その範囲を制限するものではない。

例えば、１つ以上の空所は、図３に示すような六角形断面を有する空所６ｂ等の多角形断面を有していてよい。１つ以上の空所は、図４に示すような楕円形の空所６ｃ等、曲線断面を有していてよい。１つ以上の空所は、図５に示す空所６ｄ等の三角形断面を有していてよい。１つの支持部材は、図６に示すような様々な形状の空所を組み合わせていてもよく、この場合空所６ｄは三角形断面を有し、空所６ｅは菱形断面を有している。

一時的な荷重に対する抵抗力を改善するために、既存の耐モーメント性枠組構造に空所が導入されてよい。また空所は新しい建物において使用するため製作中の支持部材に導入されてもよいし、あるいはぎざぎざのある梁の製作またはプレートガーダの製作に際して導入されてもよい。図７ａと図７ｂは各々空所の導入前後の梁３等の支持部材を示す。空所６ａ等の空所を導入するために使用される前述の方法のいずれかによって、空所をウェブ４内へと導入することができる。導入手段及び適用手段の変形も発明の精神及び範囲内であり、当業者には自明であろう。

図８は多数の円形空所６ａが貫通しているぎざぎざのある梁３’を示す。図９は六角形の空所６ｂ等の多数の多角形の空所が貫通しているぎざぎざのある梁３’を示す。図８と図９において、ウェブ４は別々の部分で構成され、これらの部分が空所間に、また空所を超えて伸びる溶接部７によって共に接合されている。

空所は支持部材に沿ってその分布に亙って寸法が変化してもよい。例えば、図１０は梁３の長さに沿って異なる直径を有する円形空所６ａを示している。開口部の寸法を変化させることに対する１つの動機づけは、梁の長さに亙ってひずみを適切に分布させ、剪断とモーメントの相互作用を差引勘定することである。

それに加えて、空所の形状も支持部材の全長に亙って異なっていてもよい。例えば、図１１は実質的に円形の空所６ａと実質的に方形の空所６ｆを有する梁３を示している。開口部の形状を変化させることに対する１つの動機づけは、電気などの供給手段(service utilities)を通すことである。

空所は支持部材の全長に亙って不均一に分布していてもよい。例えば、図１２は柱２との接合部に隣接する各々の端で実質的に円形の空所６ａを有する梁３を示している。

前の図では、空所の存在が断面を減少させる部分を除いて、支持部材の断面は支持部材の全長に亙って一様であった。支持部材の全長に亙って減少していない断面の寸法が変化してもよい。断面の変形の一例を図１３に示すが、この図は梁３の各々の端にある迫腰１０の存在を示している。

構造物の建設に際して、構造物の部分を予備成形し、これらの部分を組み立て、それから組み立てた部分に支持部材を取付けることが望ましいかもしれない。１つの従来の慣行は、柱と短い長さの支持部材を備える接合部付柱体(column trees)を予備成形することであった。短い支持部材の長さの減少していない断面の寸法は不変でもよく、あるいはその長さに沿って変化しても良い。例えば、図１４は柱２とプリズム形の梁の接続用短部材１１とより成る予備成形部分を示す。梁部材１２は、梁の接続用短部材１１の端において、フランジ接合板２０、ウェブ接合板２１、ボルト２２等の接続手段によって、予備成形された部分に取付けられる。接続手段は別々の接合板を備えている必要はなく、例えば、梁の接続用短部材１１の端と梁部材１２を交互に準備して、ボルト締め、溶接あるいはその他の手段によって互いに直接取付けられるようにすることもできる。

支持部材が一時的な荷重によってゆがめられた場合、構造物の抵抗力の完全さを復元できるように、支持部材をその取り外しと交換を容易にするような方法で取付けることができる。これは図１５に示す接合部のように、支持部材の取り外しと交換を容易にするような、支持部材を構造物の前記の以外の部分に取付けるための接続手段を提供することによって達成することができる。図１５の接続手段のように、梁フランジと柱フランジとの接合板２３と、交換可能な梁３を柱２に固定する剪断タブ２４とより成る。図１４の梁部材１２も構造システムの残りに取り外し自在に接続されることができる。図１６は梁の接続用短部材１１等の隣接する構造成分に取り外し自在に接続されている梁部材１２を示している。梁の接続用短部材１１は枠組の組み立て前に柱２に取付ける必要はない。様々な組み立て・装着ハードウエアの提供により、ゆがめられた支持部材の取り外しと交換が更に容易になる。

図１７は発明と連繋して使用することができる従来の接続手段と他の詳細を示している。連続板１５は、隣接する梁３等の支持部材のフランジ間にフランジまたは柱２を支えるために使用される。従来の詳細は柱のパネル領域に溶接された重ね板１７を含む。空所が設けられた梁３等の支持部材の安定性と変形可能性は、ウェブ５とフランジプレート５、５’を斜め材で強化することができる補強材１４等の補強手段の提供により改善することができる。柱２の側部へと組付けする梁３の安定した接合部の提供については連続板１５が必要であるかもしれない。図１７の断面図を図１８に示している。図１８は１つ以上の空所の位置における支持部材の断面の一例と共に、補強手段、特に補強部材１４の一例を示している。この例では、広幅フランジ形状２５が示されている。

支持部材の長手方向の軸を見下ろした場合の支持部材の種々の断面と共に、発明を利用することができ、その幾つかの例の断面を図１９〜２５に示している。例えば図１９は、空所の位置におけるＩ形梁材２６の断面を示している。図２０は空所の位置における広幅フランジ材２５の断面を示している。図２１は空所の位置におけるＴ形材２７の断面を示している。図２２はＴ形材２７と、床スラブ１８と、床スラブ１８とＴ形材２７間の接合部を強化するために置かれた剪断スタンド１９とを備える複合断面２８を示している。図２３は広幅フランジ材２５とフランジ５、５’に固定されたプレート３２、３２’とを備える複合断面２８を示している。図２４は複合であってもなくてもよい箱材３１の断面を示す。その他の断面の例は加工部材とプレートガーダの断面を含む。

変形能力を高めるために、研削等によって空所の周囲を滑らかにするか、あるいは溶接金属の溶着や場合によっては付加的な材料の取り付け等の補強手段を適用することが望ましいかもしれない。この例が図２５に示されており、この図は支持部材に対して横方向で且つ空所内の中央に置かれた管状部材２９の添加により、円形空所６ａの補強を行なうことを図示している。

異なる配列やおそらく異なる支持部材組織を必要とする建物、橋、または他の公共事業・陸上車両・船舶・航空機・宇宙船・機械類・その他の構造システム或いは装置がしばしば存在するので、構造物は水平や垂直の支持部材に制限される必要はない。図２６は１つのこのような例を図示しており、構造システム１が、一部の部材が円形の空所６ａを含む垂直または水平に整列していない支持部材を備えている。

ある状況下では、単独の空所が設けられた支持部材が、一時的な荷重に変形可能に抵抗する構造システム１の部分を構成してもよい。一部の応用では、長径間かつ低層の建築物、橋、その他の構造物にとって望ましいかもしれないように、垂直部材に空所を設ることもできる。図２７は垂直支持部材と水平支持部材を備える構造システムを示しており、この場合、垂直支持部材が円形空所６ａを有している。

本発明を好適・代替形態と方法、及びある特殊度を有する様々な実施例で説明してきたが、好適・代替形態と方法の本開示において、本発明の精神及び範囲内で様々な実施例を細部や建設方法において変更することができることが理解される。幾多の修正や変形が当業者に自明であると思われるので、特定の例は、発明の範囲に制限を課すことなく、本発明をより完全に立証するため示されたものである。発明の範囲は与えられた特定の例によってではなく、添付クレームによって決定されるべきものである。

発明の幾つかの実施形態を示す添付図面を参照した以下の説明から発明は容易に自明となるであろう。図１〜１７において、支持部材は略水平で、梁によって代表されている。これらの図は発明の範囲を制限するものではなく、発明は根太や桁・梁・柱等の横断方向の荷重に抵抗するどのような剛体の支持部材をも含む。 先行技術の建物の構造システムの梁と柱を示す立面図である。 図２〜１７は側面立面図である。梁が円形の断面を有する空所を含む構造システムの一部を示す。 図３〜図６は使用できる多くの可能性のある空所の構成の一部を示している。六角形の断面を有する空所を示す。 楕円形の断面を有する空所を示す。 三角形断面を有する空所を示す。 三角形と菱形の組み合わせ断面を有する空所を示す。 図７ａは空所を形成するための材料の除去前の梁を示す。図７ｂは円形断面の空所を形成するための材料を除去した後の梁を示す。 円形断面の空所を有するぎざぎざのある(castellated)梁を示す。 六角形断面の空所を有するぎざぎざのある梁を示す。 梁の全長に沿って空所のサイズが変化する梁を示す。 様々な形状の空所が使用された梁を示す。 空所が柱付近の梁に置かれた構造システムの一部を示す。 梁の幅がその全長に沿って変化する構造システムの一部を示す。 隣接する梁接続用短部材(stubs)をしっかりと接続された柱を備える接合部付きの柱体 (column trees)に中央の梁部材が固定された構造システムの一部を示す。中央の梁部材の接合部は梁部材の交換を容易にするように作ることができる。 梁が取り外し自在に柱に固定された構造システムの一部を示す。 取り外せる梁部材と接続手段が虚線で示されている構造システムの一部を示す。 連続プレートと、重ね板プレートと、補強材が存在する構造システムの一部を示す。 図１８〜２５は支持部材(sustainer)の長手方向の軸を見下ろす断面図である。 ウェブの補剛を示す図１７の支持部材の断面を示す。 空所の存在によって減少した支持部材の断面、特にＩ字形を示す。 空所の存在によって減少した支持部材の断面、特に広幅フランジ形状を示す。 空所の存在によって減少した支持部材の断面、特にＴ字形を示す。 空所の存在によって減少した支持部材の断面、特にＴ字形と床スラブとを備える複合形を示す。 支持部材の断面、特に広幅フランジ形状とフランジに取付けられたプレートとを備える複合形を示す。 支持部材の断面、特に箱形のものを示す。 支持部材の断面、特に管状部材によって空所が補剛された断面を有する空所の存在によって減少した広幅フランジ形状を示す。 部材の配列が垂直・水平方向で一致しない構造システムの側面立面図を示す。 柱が空所を有する構造システムの側面図を示す。

Claims (20)

1. 地震あるいは他の一時的な荷重からの重大な損傷に対して抵抗力のある枠組を有する構造物を製造する方法であって、前記枠組は支持部材とそれらの間に耐モーメント接合部を備えた部材で形成され、前記方法は：
   （ａ）前記耐モーメント接合部の強度能力を見積もりし、；
   （ｂ）前記構造物において許容される最大の許容可能要求を決定し、その最大の許容可能要求は前記耐モーメント接合部の前記強度能力より小さくし、；また
   （ｃ）前記構造物内に１つ以上の前記支持部材を設け、両端、ウェブ、及びフランジを有するウェブ変形可能な支持部材の、各々の支持部材は前記ウェブ内に１つ以上の空所を有し；
   前記支持部材の強度がこのような空所を有していないこと以外は全く同じである支持部材の強度より小さく、また前記構造物が前記最大の許容可能要求を発生させる一時的な荷重を受けた場合、前記ウェブが非弾性的に変形するように、前記空所が充分な寸法と形状と数のものであり、
   これによって前記構造物が地震やその他の前記最大の許容可能要求を発生させる一時的な荷重を受けた場合、前記ウェブ変形可能な支持部材の前記ウェブの変形が、前記耐モーメント接合部における前記要求がそれらの強度能力を超えるのを防止し、
   前記ウェブ変形可能な支持部材は、全体に同じ材料で構成されていることを特徴とする方法。
2. 前記ウェブ変形可能な支持部材は、断面が箱形である請求項１に記載の方法。
3. 前記ウェブ変形可能な支持部材は、２つのウェブを有する請求項１に記載の方法。
4. 前記空所の直径は、ｄ−（２ｆｓＳ）／（ｆｖｔｗＬ）により設定され、
   ｄは、前記支持部材の自由端方向に関する該支持部材の幅とし、
   ｆｓは、前記最大の許容可能要求とし、
   Ｓは、前記支持部材の断面係数とし、
   ｆｖは、せん断における前記支持部材の降伏応力とし、
   ｔｗは、前記ウェブの厚みとし、
   Ｌは、前記部材間の距離とする請求項１に記載の方法。
5. 前記支持部材の接合端方向に関する前記空所の開口幅は、Ｌ−（２ｆｓＳ）／（ｆｖｔｗｄ）により設定され、
   Ｌは、前記部材間の距離とし、
   ｆｓは、前記最大の許容可能要求とし、
   Ｓは、前記支持部材の断面係数とし、
   ｆｖは、せん断における前記支持部材の降伏応力とし、
   ｔｗは、前記ウェブの厚みとし、
   ｄは、前記支持部材の自由端方向に関する該支持部材の幅とする請求項１又４に記載の方法。
6. 前記ウェブ変形可能な支持部材は、垂直支持部材である請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記ウェブの前記空所は、楕円形の断面を有する請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記ウェブの前記空所は、三角形の断面を有する請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
9. 前記ウェブの前記空所は、方形の断面を有する請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
10. 前記空所の周囲は、滑らかにされている請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 地震あるいは他の一時的な荷重による重大な損傷に対して抵抗力のある枠組を有する構造物であって、前記枠組は支持部材とそれらの間に耐モーメント接合部を備えた部材で形成され、前記耐モーメント接合部は最大許容可能な要求と強度能力を有し、最大許容可能な要求は前記強度能力より小さく、前記構造は両端、ウェブ、及びフランジを有する１つ以上のウェブ変形可能な支持部材を備え、各々のウェブ変形可能な支持部材は前記ウェブ内に１つ以上の空所を有し、前記支持部材の強度がこのような空所を有していないこと以外は全く同じである支持部材の強度より小さく、また前記構造物が前記最大の許容可能要求を発生させる一時的な荷重を受けた場合、前記ウェブが非弾性的に変形するように、前記空所が充分な寸法と形状と数のものであり、
    これによって前記構造物が地震やその他の前記最大の許容可能要求を発生させる一時的な荷重を受けた場合、前記ウェブ変形可能な支持部材の前記ウェブの変形が、前記耐モーメント接合部における前記要求がそれらの強度能力を超えるのを防止し、
    前記ウェブ変形可能な支持部材は、全体に同じ材料で構成されていることを特徴とする構造物。
12. 前記ウェブ変形可能な支持部材は、断面が箱形である請求項１１に記載の構造物。
13. 前記ウェブ変形可能な支持部材は、２つのウェブを有する請求項１２に記載の構造物。
14. 前記空所の直径は、ｄ−（２ｆｓＳ）／（ｆｖｔｗＬ）により設定され、
    ｄは、前記支持部材の自由端方向に関する該支持部材の幅とし、
    ｆｓは、前記最大の許容可能要求とし、
    Ｓは、前記支持部材の断面係数とし、
    ｆｖは、せん断における前記支持部材の降伏応力とし、
    ｔｗは、前記ウェブの厚みとし、
    Ｌは、前記部材間の距離とする請求項１１に記載の構造物。
15. 前記支持部材の接合端方向に関する前記空所の開口幅は、Ｌ−（２ｆｓＳ）／（ｆｖｔｗｄ）により設定され、
    Ｌは、前記部材間の距離とし、
    ｆｓは、前記最大の許容可能要求とし、
    Ｓは、前記支持部材の断面係数とし、
    ｆｖは、せん断における前記支持部材の降伏応力とし、
    ｔｗは、前記ウェブの厚みとし、
    ｄは、前記支持部材の自由端方向に関する該支持部材の幅とする請求項１１又は１４に記載の構造物。
16. 前記ウェブ変形可能な支持部材は、垂直支持部材である請求項１１乃至１５のいずれかに記載の構造物。
17. 前記ウェブの前記空所は、楕円形の断面を有する請求項１１乃至１６のいずれかに記載の構造物。
18. 前記ウェブの前記空所は、三角形の断面を有する請求項１１乃至１６のいずれかに記載の構造物。
19. 前記ウェブの前記空所は、方形の断面を有する請求項１１乃至１６のいずれかに記載の方法。
20. 前記空所の周囲は、滑らかにされている請求項１１乃至１９のいずれかに記載の方法。

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