JP2009150499A

JP2009150499A - エネルギー吸収部材およびその製造方法

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Publication number: JP2009150499A
Application number: JP2007329907A
Authority: JP
Inventors: Hisaya Kamura; 久哉加村; Yoshi Nakagawa; 佳中川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】鋼材の塑性変形を利用した履歴型のエネルギー吸収部材として、降伏耐力のばらつきの少ないエネルギー吸収部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材に、所定の設計降伏点よりも低めの降伏点を有する鋼材を用い、エネルギー吸収部材の設計耐力まで載荷、もしくはあらかじめ行われた当該エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材の材料試験結果に基づいて、所定の変形量まで変形せしめて、所定の予歪を付与することにより歪硬化を生じせしめ、塑性化部が所定の設計降伏耐力となっているようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材の塑性変形を利用した履歴型のエネルギー吸収部材およびその製造方法に関する。

従来の、鋼材の塑性変形を利用した履歴型のエネルギー吸収部材（制振ダンパー）には、軸方向の塑性変形により履歴エネルギー吸収するものと、せん断変形により履歴エネルギー吸収するものがある。

まず、軸方向の塑性変形により履歴エネルギー吸収するものでは、特許文献１や特許文献２などのように軸材の座屈を防止するために鋼管およびコンクリートにより補剛したものや、特許文献３や特許文献４のように形鋼で補剛したもの、特許文献５や特許文献６のように鋼管で補剛したもの、特許文献７のように鉄筋コンクリートで補剛したものがある。

一方、せん断変形により履歴エネルギー吸収するものでは、Ｈ形断面を構成する特許文献８や特許文献９、特許文献１０、さらにウェブをリブ補剛する特許文献１１などがある。

そして、これらの塑性化部に低降伏点鋼が使用されることもあり、低降伏点鋼は建物の柱や梁などにより構成される主体骨組に先行して設計時の所定の耐力で降伏するように、従来の普通鋼材に比較して降伏点のレンジが狭く規格化されている（非特許文献１参照）。
実開昭６３−１０１６０３号公報特開平０７−２２９２０４号公報実開平０５−００３４０２号公報実開平０６−０７１６０２号公報特開平０４−１４９３４５号公報特開平０７−３２４３７７号公報特開平０７−３２４３７８号公報特開平０４−３１２６８２号公報特開平１０−０８２２０１号公報特開平１０−１５３０１２号公報実開平０７−０２１９２７号公報社団法人鋼材倶楽部、「新しい建築構造用鋼材」、鋼構造出版、平成１０年１月、１５ページ（表２−３）、３７ページ

鋼材は降伏耐力・強度・降伏比などを保証して製造しているが、大量に製造しているとばらつきが生じる。そして、このような鋼材を使用して製造したエネルギー吸収部材（制振ダンパー）にも、降伏耐力などのばらつきが生じる。

一方、エネルギー吸収部材（制振ダンパー）は構造物のなかで、設計で想定した降伏耐力で降伏することが求められる。このためにはエネルギー吸収部材の降伏耐力のばらつきをできるだけ小さくしなければならない。

しかしながら、前述の特許文献１〜１１に記載のエネルギー吸収部材においては、そのような使用する鋼材の降伏耐力のばらつきに対する対策がなされていない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、鋼材の塑性変形を利用した履歴型のエネルギー吸収部材として、降伏耐力のばらつきの少ないエネルギー吸収部材およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

鋼材は塑性化すると耐力が上昇しながら変形が進行する。これを歪硬化と呼んでいる。そして、一度、塑性化させ応力を０に戻した鋼材について考えた場合、この鋼材の降伏耐力は以前の最大耐力となる。

本発明では、この性質を積極的に活用し、鋼材の塑性変形を利用した履歴型のエネルギー吸収部材において、当該エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材に、所定の設計降伏点よりも低めの降伏点を有する鋼材を用い、エネルギー吸収部材の設計耐力まで載荷、もしくはあらかじめ行われた当該エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材の材料試験結果に基づいて、所定の変形量まで変形せしめて、所定の予歪を付与することにより歪硬化を生じせしめ、エネルギー吸収部材の降伏耐力を所定の設計耐力となるように調整するようにしている。

すなわち、本発明は以下のような特徴を有している。

［１］鋼材の塑性変形を利用した履歴型のエネルギー吸収部材において、当該エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材に、所定の設計降伏点よりも低めの降伏点を有する鋼材を用い、エネルギー吸収部材の設計耐力まで載荷、もしくはあらかじめ行われた当該エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材の材料試験結果に基づいて、所定の変形量まで変形せしめて、所定の予歪を付与することにより歪硬化を生じせしめ、塑性化部が所定の設計降伏耐力となっていることを特徴とするエネルギー吸収部材。

［２］エネルギー吸収部材の塑性化部に、普通鋼（軟鋼）よりも伸び能力の高い、低降伏点鋼を用いることを特徴とする前記［１］に記載のエネルギー吸収部材。

［３］エネルギー吸収部材の塑性化部が主に軸変形を生じ、当該塑性化部の座屈を防止するために、鋼管、形鋼もしくはコンクリートなどにより補剛されて、座屈拘束ブレースを構成することを特徴とする前記［１］または［２］に記載のエネルギー吸収部材。

［４］当該エネルギー吸収部材の両端部には、正方向のねじと逆方向のねじを切ったねじ部と接合部材を有することを特徴とする前記［３］に記載のエネルギー吸収部材。

［５］エネルギー吸収部材の塑性化部が主にせん断変形を生じ、当該塑性化部の座屈を防止するために、平鋼、形鋼もしくはコンクリートなどにより補剛されて、シヤパネルを構成することを特徴とする前記［１］または［２］に記載のエネルギー吸収部材。

［６］前記塑性化部はＨ断面のウェブ部であって、その幅厚比が５０以下で、当該塑性化部の軸変形と曲げ変形を防止するためにフランジ部を有することを特徴とする前記［５］に記載のエネルギー吸収部材。

［７］前記［１］〜［６］のいずれかに記載のエネルギー吸収部材の製造方法であって、鋼材を加工して、エネルギー吸収部材を構成する工程と、当該エネルギー吸収部材の塑性化部に所定の予歪を与える工程とを有することを特徴とするエネルギー吸収部材の製造方法。

［８］さらに、与えた予歪と反対方向の所定の歪を最後に与え、残留歪がなくなるように精度管理規定から定められる所定の長さとする工程を有することを特徴とする前記［７］エネルギー吸収部材の製造方法。

本発明によれば、エネルギー吸収部材（制振ダンパー）の降伏耐力のばらつきを小さくすることができ、制振構造の設計精度が向上し、産業上極めて有用である。

本発明の一実施形態を以下に示す。なお、ここでは、エネルギー吸収部材の塑性化部が主に軸変形を生じ、その塑性化部の座屈を防止するために、鋼管、形鋼もしくはコンクリートなどにより補剛されて、座屈拘束ブレースを構成する場合において、２００Ｎ／ｍｍ２の降伏耐力を有するエネルギー吸収部材をバラツキなく安定して得たい場合を例にしている。

まず、エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材として、設計降伏点（２００Ｎ／ｍｍ２）よりも低めの降伏点を有する鋼材（例えば、低降伏点鋼）を用いることとし、図１に、その鋼材を用いたエネルギー吸収部材の初期の応力−歪曲線（ＳＳカーブ）を示す。

次に、このエネルギー吸収部材に対して、図２に示すように、３〜４％程度の歪を与え、２００Ｎ／ｍｍ２（設計耐力）以上の応力を付加する。この後、応力を取り除けば、このエネルギー吸収部材のＳＳカーブは図３のようになり、降伏耐力が２００Ｎ／ｍｍ２以上となる。この際、用いる鋼材が低降伏点鋼ならば伸びも十分に確保することができる。

ちなみに、エネルギー吸収部材に歪を与える際は、図４に示すように、エネルギー吸収部材１としての形状加工を行った後、その両端部に設けられているダンパー取り付け部（正方向のねじと逆方向のねじを切ったねじ部２ａと接合部材２ｂ）２を利用して載荷装置（図示せず）にて所定の応力または歪を与える。そして、与えた予歪と反対方向の所定の歪を最後に与え、残留歪がなくなるよう精度管理を行う。

なお、本発明を実施する上で、用いる鋼材は普通鋼（軟鋼）でも構わないが、できれば低降伏点鋼が望ましい。なぜならば、低降伏点鋼は普通鋼（軟鋼）と比べ極めて高い伸びを有しているため、３〜５％程度の塑性化による伸びの減少が大きな問題とならないからである。

また、エネルギー吸収部材に予歪を与えるにあたり、事前に材料試験によって鋼材ごとに歪と歪硬化の関係（ＳＳカーブ）を把握しておけば、その材料試験結果に基づいて所定の変形量を与え、工業的にエネルギー吸収部材（制振ダンパー）を製造することができる。

このようにして、この実施形態においては、歪硬化によって所定の降伏耐力となるようにしているので、塑性化部に用いる鋼材の初期の降伏点（降伏耐力）にばらつきがあった場合でも、降伏耐力のばらつきの少ないエネルギー吸収部材を得ることができる。その結果、制振構造の設計精度が向上する。

なお、この実施形態では、エネルギー吸収部材の塑性化部が主に軸変形を生じる場合を例にしているが、エネルギー吸収部材の塑性化部が主にせん断変形を生じ、その塑性化部の座屈を防止するために、平鋼、形鋼もしくはコンクリートなどにより補剛されて、シヤパネルを構成する場合でも適用することができる。

例えば、塑性化部がＨ断面のウェブ部であって、その幅厚比が５０以下で、その塑性化部の軸変形と曲げ変形を防止するためにフランジ部を有するような場合である。

本発明の一実施形態において、設計降伏点よりも低めの降伏点を有する鋼材を塑性化部に用いたエネルギー吸収部材の初期の応力−歪関係図である。本発明の一実施形態において、歪硬化により降伏耐力を上昇させる説明図である。本発明の一実施形態において、歪硬化により降伏耐力を上昇させた後の応力−歪関係図である。本発明の一実施形態において、エネルギー吸収部材に歪を与える状態を示す図である。

符号の説明

１エネルギー吸収部材（制振ダンパー）
２ダンパー取り付け部
２ａねじ部
２ｂ接合部材

Claims

鋼材の塑性変形を利用した履歴型のエネルギー吸収部材において、当該エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材に、所定の設計降伏点よりも低めの降伏点を有する鋼材を用い、エネルギー吸収部材の設計耐力まで載荷、もしくはあらかじめ行われた当該エネルギー吸収部材の塑性化部に用いる鋼材の材料試験結果に基づいて、所定の変形量まで変形せしめて、所定の予歪を付与することにより歪硬化を生じせしめ、塑性化部が所定の設計降伏耐力となっていることを特徴とするエネルギー吸収部材。
エネルギー吸収部材の塑性化部に、普通鋼（軟鋼）よりも伸び能力の高い、低降伏点鋼を用いることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー吸収部材。
エネルギー吸収部材の塑性化部が主に軸変形を生じ、当該塑性化部の座屈を防止するために、鋼管、形鋼もしくはコンクリートなどにより補剛されて、座屈拘束ブレースを構成することを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー吸収部材。
当該エネルギー吸収部材の両端部には、正方向のねじと逆方向のねじを切ったねじ部と接合部材を有することを特徴とする請求項３に記載のエネルギー吸収部材。
エネルギー吸収部材の塑性化部が主にせん断変形を生じ、当該塑性化部の座屈を防止するために、平鋼、形鋼もしくはコンクリートなどにより補剛されて、シヤパネルを構成することを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー吸収部材。
前記塑性化部はＨ断面のウェブ部であって、その幅厚比が５０以下で、当該塑性化部の軸変形と曲げ変形を防止するためにフランジ部を有することを特徴とする請求項５に記載のエネルギー吸収部材。
請求項１〜６のいずれかに記載のエネルギー吸収部材の製造方法であって、鋼材を加工して、エネルギー吸収部材を構成する工程と、当該エネルギー吸収部材の塑性化部に所定の予歪を与える工程とを有することを特徴とするエネルギー吸収部材の製造方法。
さらに、与えた予歪と反対方向の所定の歪を最後に与え、残留歪がなくなるように精度管理規定から定められる所定の長さとする工程を有することを特徴とする請求項７に記載のエネルギー吸収部材の製造方法。