JP2008255758A

JP2008255758A - 高次モード座屈補剛管

Info

Publication number: JP2008255758A
Application number: JP2007117683A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kamihira; 鉄夫上平; Hiroomi Yoshitoshi; 博臣善利
Original assignee: ZENRI SOFTSYSTEMS Inc
Current assignee: ZENRI SOFTSYSTEMS Inc
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】塑性ヒンジ材長に亘って複数生じさせ、座屈耐力を高めた座補剛管を提供する。
【解決手段】ＰＣ棒鋼１をラチス型折り曲げ高強度ＰＣ棒鋼として、その周囲を鋼管２で補剛する。ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼１と鋼管２は、構造的に接合せず、メタルタッチさせるか、鋼管全体の初期座屈が生じる時点で接触するよう僅かな隙間を持たせる。鋼管２は、通常の地震時には軸力を分担させない構造とする。軸力を負担するラチス型折り曲げＰＣ棒鋼１の接合端部は、軸変位に追従でき、外れない長さを持ち、ルーズに動くルーズ接合機構を持たせる。激震時にはＰＣ棒鋼１と鋼管２が共に軸圧縮力を負担する構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐震ブレースまた曲げを受けない柱軸力管に属する軸力に耐える座屈鋼管部材の技術分野である。

技術背景

従来、これ等部材の軸力付荷時の最終破壊は、基本的に古典的な座屈理論に基づく１次モードの座屈破壊である。軸力を受け持つ軸力管が初期座屈開始時に座屈変形がそれ以上変形しないよう外管を設けた座屈防止管は有るが、「く」の字に曲がる１次モードの座屈破壊で、あくまでも座屈防止の緩和・軽減を目的としたもので、本発明の座屈を高次モードで制御する考えは無い。

１次モード座屈破壊は、座屈折れ曲がり点が材長の中間の１点で、座屈時のこの点での塑性ヒンジの内力仕事が小さい。この塑性ヒンジを材長に亘って複数生じさせるような工夫（内力仕事を大きく）が出来れば座屈耐力を高める事が可能である。

現在、高強度の鋼材が開発され、軸力を負担する意味では好ましい材料と思われるが、耐震ブレースまた柱軸力管に単に直線材として適用すると、その材長から１次モードの座屈が免れない。発明が解決しようとする課題は、この１次モード座屈が生じないよう軸力を受け持つＰＣ棒鋼をするラチス型折り曲げ加工しＰＣ棒鋼（この後、単にＰＣ棒鋼と呼ぶ）を短ラチス材とし高次モードの座屈破壊骨組み構成とした。

ＰＣ棒鋼を短材とし高次モードの座屈破壊骨組み構成とした場合、高次モード座屈補剛管とＰＣ棒鋼の接点で軸力とその水平分力がベクトル的に分散される。本発明は、高次モード座屈補剛管が全体座屈を起し出すと、座屈理論的には材の座屈変形は正弦波的になり、材長端部より中間の変形が大きくなる。変形が大きいという事は、軸力の水平分力を受けられないため水平分力の再配分が端部に向う事になり、変形が正弦波的から双曲波的な高次モード波形になり、結果として座屈耐力の増大を生む。全て、材が楽になるよう力の再配分を促し、より大きな軸力に耐えるようになる。

ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼と鋼管からなる高次モード座屈補剛管はこれに掛かる軸力と変形の外力仕事は高次モード座屈補剛管の内力仕事と釣り合いの状態にあり、ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の応力とその軸変形に係わる仕事とラチス型折り曲げＰＣ棒鋼からの水平分力の作用による鋼管のテンション・リング力による鋼管の仕事の和となり、後者の仕事の分だけ座屈耐力は増大する。また本発明は激震時には鋼管も保有耐力的にさらに軸耐力の増大をもたらす工夫としている。

このＰＣ棒鋼を短ラチス材とするラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の座屈強度を高める利点は、一方ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼からの外管に水平分力が生じ、外管の局部降伏から全体座屈強度を弱める欠点となる。これを解決するために、水平分力の鋼管に作用する力を分散させるためにラチス型折り曲げＰＣ棒鋼のラチス折り曲げ部は鋼管に一つの点で接触させるのでなく、「図１」に示すように複数の点で接触させ、また接触する点もＰＣ棒鋼を流れる軸力の水平分力が鋼管にある幅を持って流れるよう、「図６」、「図７」に示すように、ある長さを持たせるように曲げ加工し、「図８」の鋼管のテンション・リング耐力を大きく働かされるような詳細としている。

「図１」、「図２」及び「図４」の図に描いた水平分力は同じ大きさに描かれているが、実際は中間の水平分力より端部水平分力の方が大きく、その比率は双曲線的になっている。材長全体の変形としては正弦波的でなく、高次の双曲波的になっている。

「図１」の基本形ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の座屈は鋼管が円形形状のため、その拘束力により弱軸側には曲げ変形は起きない構造としている。

ＰＣ棒鋼を短ラチス材とするラチス型折り曲げＰＣ棒鋼では、この材の全体座屈は免れないので、鋼管を設けるが、鋼管には通常の地震時には軸力を分担させない構造とし、軸力を負担するラチス型折り曲げＰＣ棒鋼と鋼管は軸変形に追従するよう密着させ、また激震時にはＰＣ棒鋼と鋼管が共働するような半接合としている。

高強度のＰＣ棒鋼をラチス型折り曲げ加工し、軸力に充分耐えられる短ラチス材とする。この折り曲げ短ラチスＰＣ棒鋼材は「図１」に示すように連続部材であるので、座屈長さも両端固定として考えられ、ＰＣ棒鋼の短材は軸圧縮力に対してほぼＦ値を期待出来る詳細とした。

ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼は折れ曲がり点では、ある長さを有しているので、ＰＣ棒鋼を流れる軸力の水平分力は、鋼管への集中応力的な力の作用が緩和され、「図８」の鋼管のテンション・リング耐力を大きく期待できる。

ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼はたとえ１組でも左右への力の流れがベクトル的に釣り合いの状態にあり、さらに平行型「図２」、クロス型「図３」に示すように複数組の構成とした場合には、この本発明の軸力管は鋼管の全体座屈の段階で、高次の座屈モードになっており、通常の１次モードを想定した軸力管に対して数段の座屈耐力を保持しうる。

本高次モード座屈補剛管の効果は、座屈という棒鋼の細長さに係わる弱点をラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の採用により、短ラチス材として鋼材のもつＦ値を活かし、ラチス型折り曲げ筋の水平分力を鋼管の「図８」テンション・リング効果を十分に生かす点に有る。

ラチス型に折り曲げられたＰＣ棒鋼を流れる軸力はベクトル的に全軸力を両端に伝えられるが、折れ曲がり点で軸力の水平分力が生じ、「図６」および「図７」に示すように、この水平分力は鋼管のテンション・リング機構で支えている。

上記の事柄から、本発明の高次モード座屈補剛管は、座屈耐力の増大、それによる材料の軽減、重量の軽減に、また材径を細く美的にする効果がある。

軸力を支える構造部材（軸力管）には二つの種類が有る。

一つは耐震ブレースのような軸力管の端部が構造本体「図１」に示すようにピン接合されている場合、耐震ブレースの端部が一方向に回転自由な拘束条件で、拘束側には座屈は生じないので、一組のラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の向きは回転側とする。高軸力の場合には高次モードの座屈の水平分力を対称に流すためには、同形のラチス型折り曲げＰＣ棒鋼を「図２」に示すように二組を強軸方向に組み入れる形態とする。この構成を平行型ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼座屈補剛管と呼称する。

一つはピン・ピン接合のような柱部材の場合は、座屈に対して強軸、弱軸が無いのでいずれの方向にも座屈が生じる。この場合は全体座屈が生じないよう、同形のラチス型折り曲げＰＣ棒鋼を「図４」に示すように二組また数組をクロスするような形で組み入れる。この構成をクロス型ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼座屈補剛管と呼称する。

高次モード座屈補剛管を耐震ブレースに用いる場合は、軸力として圧縮と引張があり、引張の場合、ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼が伸びるため、「図１１」に示す、鋼管と端部治具のラップ長さＬはこの伸び量を外れない長さとする。この伸びは、一つには軸力そのものによる伸びと、一つには軸力水平成分力による曲げによるラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の角度の変化による伸びの和となる。この後者の伸びは鋼管１５０φ、長さ６０００ｍｍ、ラチス型折り曲げ間隔が１０００ｍｍの場合でも、僅かに１０ｍｍ前後で小さい。主に軸力によるラチス型折り曲げＰＣ棒鋼のフックの法則による伸びが支配的である。

ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の端部治具への納まりは、溶接では軸力を取りきる事ができないので、「図１１」の図面符号１３に示すようなネジ加工ボルト締めとする。

耐震ブレースのように軸力管の端部が「図１」に示すような構造本体にピン接合されている場合、耐震ブレースの端部が一方向に回転自由な拘束条件となり、拘束側には座屈は生じないので、ラチスの向きは回転側とする事を基本形とする。高次モードの座屈とするためＰＣ棒鋼は複数の折れ曲がり点を有するようにラチス型折り曲げ加工とする。この事によりラチス型折り曲げ筋の水平分力を鋼管のテンション・リング効果で処理している点に有る。

さらに「図２」に示すように同形のラチス型折り曲げＰＣ棒鋼を二組、強軸方向に向い合わせた形態として組み入れることにより、左右対称な鋼管のテンション・リング効果が期待出来る。

ピン・ピン接合のような柱部材の場合は、座屈に対して強軸、弱軸が無いのでいずれの方向にも座屈が生じる。この場合は高次モードの座屈の水平分力を対称に流すためには、同形のラチス型折り曲げＰＣ棒鋼を「図４」に示すように二組また数組をクロスするような形で組み入れる。この事例では二組の場合を想定している。

鋼管とラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の基本取り合い図平行型ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の組み合わせ姿平行型ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の鋼管断面詳細図クロス型ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の組み合わせ姿クロス型ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の鋼管断面詳細図ラチス型折り曲げ部（ある長さを持つ）の詳細図ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼からの折れ曲がり点のベクトル力鋼管内テンション・リング力の流れ図端部冶具金物と鋼管は未接合かつ、ずれを許す摩擦接触型とし通常地震時に於ける鋼管と端部冶具金物の未接触状態を表す状態図端部冶具金物と鋼管は未接合かつ、ずれを許す摩擦接触型とし激震地震時に於ける鋼管と端部冶具金物の接触状態を表す状態図ネジ加工締めボルト図

符号の説明

１・・・ラチス型折り曲げ高強度ＰＣ棒鋼（その類）
２・・・テンション・リング座屈防止鋼管
３・・・耐震ブレースまた柱軸管に掛かる軸力
４・・・ＰＣ棒鋼を流れる軸力の水平分力
５・・・ラチス型折り曲げ部（ある長さを持つ）
６・・・テンション・リング効果
７・・・平行型ＰＣ棒鋼折れ曲がり筋
８・・・クロス型ＰＣ棒鋼折れ曲がり筋（Ｘ）
９・・・クロス型ＰＣ棒鋼折れ曲がり筋（Ｙ）
１０・・・鋼管は端部冶具金物と接触型未接合かつ摩擦接触型とする
１１・・・通常地震時には未接触とする
１２・・・激震地震時には接触とする
１３・・・ラップ長さＬ
１４・・・ネジ加工締めボルト
１５・・・熱間鍛造端部治具

Claims

軸力を支えるラチス型折り曲げ高強度ＰＣ棒鋼（その類）とＰＣ棒鋼の座屈時水平分力を鋼管テンション・リング強度で補剛する鋼管（円形またその他の形）から構成される高次モード座屈補剛管。
鋼管の中に装填する１−複数組のラチス型折り曲げＰＣ棒鋼は、それ等が平行相対するか、またクロス相対する。またそれ等ラチス間隔をお互いに相対するか、半分ずらす構成とする。
ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼と鋼管は構造的に接合せず、それ等をお互いにメタル・タッチさせるか、また鋼管全体の初期座屈が生じる時点で接触するよう僅かな隙間を持たせ、ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼と鋼管の間に複雑な２次応力が生じないような詳細とする。
ラチス型折り曲げＰＣ棒鋼と鋼管の接点は点接触させるのでなく、ある長さを持たせるように曲げ加工し、ＰＣ棒鋼を流れる軸力の水平分力が鋼管にある幅を持って流れるよう、鋼管のテンション・リング耐力を大きく働かされるような詳細とする。
通常の地震時には鋼管はＰＣ棒鋼からの水平分力のみを負担し、軸力を分担させない構造とする。また軸力を負担するラチス型折り曲げＰＣ棒鋼の接合端部と接続部には局部曲げ応力が掛からないよう軸変位に追従出来るよう、外れない長さをもち、ある程度ルーズに密着させる。このルーズ接合機構により通常の地震時（震度５程度）の軸圧縮力はＰＣ棒鋼のみが負担し、鋼管は軸圧縮力に対して共働しないが、激震時（震度６以上）にはラチス型折り曲げＰＣ棒鋼と鋼管が共に軸圧縮力を負担する。すなわち、鋼管は激震時における保有耐力としてＰＣ棒鋼からの軸圧縮力とその水平分力によるテンション・リング力とを負担する。