JP2013112949A - ブレース材 - Google Patents

Abstract

【課題】
加工工数の高い溶接を排除し、棒鋼や鋼管等の市場から入手し易い既製品を軸力材と補剛材として利用し、かつ軸力材と補剛材をねじによって乾式で容易に接続することができる座屈補剛ブレース材を提供する。
【解決手段】
軸力材２の端部に継手６と螺合させるためのおねじ部が形成され、止めリング４を有さない側の補剛管３の端部側に、軸力材２の首折れを抑制するためのスリーブ５が軸力材２の外面に接合され、スリーブ５を有さない側の軸力材２の端部を止めリング４の内周面に挿通して止めリング４と接合させることにより、止めリング４を介して軸力材２と補剛管３を結合した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、建築構造物に設置されて地震発生時の地震エネルギを吸収する軸力材と、前記軸力材の剛性を補う補剛管とを有するブレース材に関する。

従来、建築構造物に設置されて地震発生時の地震エネルギを吸収する軸力材と、前記軸力材を補剛する補剛管とを有する座屈補剛ブレース材に関しては、軸力材が吸収する地震エネルギを増大させるため、軸力材の全体座屈を防止して安定した圧縮・引張塑性変形を発揮するための発明がなされてきた。
例えば特許文献１では、鋼管材の外側にさらに鋼管材を配置し、外側の鋼管材は軸方向に数種の鋼管材を繋いで構成するとともに軸方向における端部の鋼管材の端面をエンドプレートで塞いでなる構造部材が開示されている。また特許文献２では、鋼管材にモルタルを詰めることによって全体座屈を防止するブレースが開示されている。

特開平０６−３４６５１０号公報 特開平０７−２２９２０４号公報

しかし特許文献１に開示された発明では外側の鋼管材どうしを溶接してあり、また鋼管材とエンドプレートとの間も溶接による固着手段が採用されているため、溶接という加工工数が発生し、鋼管材からなる軸力材の軸断面積が比較的小さい場合は、ブレース１本当たりの加工コストが低減しないという問題があった。
また特許文献２に開示された発明では、座屈を補剛する鋼管にモルタルを詰めるため、ブレース１本当たりの重量が重くなるという問題があった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、加工負担の大きい溶接作業を排除し、棒鋼や鋼管等のように市場から入手し易い既製品を軸力材と補剛材として利用し、かつ軸力材と補剛材をねじによって乾式で容易に接続することができる座屈補剛ブレース材を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するために、本発明に係るブレース材を次のように構成したことを特徴とする。
即ち、本発明に係るブレース材の一形態は、中実断面の棒状をなしその両端の継手を介して建築構造物の間に設置されて軸方向の力を受ける軸力材と、管状をなしその内部に前記軸力材を貫通させて前記軸力材の剛性を補う補剛管と、前記補剛管の端部とその内側にある前記軸力材との両方に螺合して、前記補剛管の端部とその内側の軸力材との間を固定する止めリングと、前記止めリングが螺合されていない側の前記補剛管の端部とその内側の前記軸力材との間に介在し、前記軸力材の外周と前記補剛管の内周のいずれか一方に螺合し他方との間に隙間を形成してなるスリーブとを有することを特徴とする。

本発明に係るブレース材の他の形態は、前記止めリングの軸方向の端部に、前記補剛管の端面に接する外向きのフランジを一体に形成したことを特徴とする。
本発明に係るブレース材のさらに他の形態は、前記スリーブを前記軸力材の外周に螺合し、前記スリーブの外周と前記補剛管との間に前記隙間を形成するものとし、前記隙間である前記補剛管の内径と前記スリーブの外径の差をｄとし、前記補剛管と前記スリーブが重合する部分の軸方向の長さをＬとしたとき、 ｄ／Ｌ ≦ ０．８５°としたことを特徴とする。

従って、本発明を適用したブレース材は上述した構成を有することにより、溶接の加工工数が皆無となるため、製造工数全体の低減と工期の短縮を図ることができる結果、廉価なブレースを提供することができる。
また、補剛管にモルタル等を詰める作業が生じないことから、ブレース１本当たりの重量を相対的に抑えることができる。
また、ブレース製造の際、軸力材と補剛材を乾式で組み立てることができることから、ブレースの製造及び管理が容易となる。

本発明を適用したブレース材の長手方向中央部を省略した部分断面図である。 図１の止めリングの斜視図である。 図１の軸力材端部の雄ねじとその外周のスリーブとその外周の補剛管の各一部の配置を示す斜視図である。 図１の軸力材端部の雄ねじとその外周のフランジ付きの止めリングと雄ねじ外周の軸力材の各一部の配置を示す斜視図である。 図１に示すブレース材の全体と、これを圧縮・引張試験機にセットした状態を示す正面図である。 図５の試験結果を示す応力歪み線図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るブレース材１を模式的に示す図である。なお、この図では、クレビスの構造の理解を容易にするために、左右両端のクレビス６，７は、軸力材２の中心軸周りに相互に９０度回転した状態で図示してある。この種のブレース材１は軸方向の長さに対して太さの比は小さく、つまり細いものであるから、ブレース材の構造を図において正確に表すと理解しにくい図になる。そのため、図１では、軸方向の長さに対して太さの比を大きく表している。そのため各部の大小関係は図示するものに限定されるものではない。

図１において、ブレース材１は、中実断面の鋼棒からなる軸力材２と、この軸力材２の外面を覆って同軸に配される鋼管からなる補剛管３と、補剛管３の一方の端部内面に螺合する止めリング４と、補剛管３の他方の端部の内側に位置して軸力材２の外周に螺合するスリーブ５とを有する。
軸力材２の外周には、鋼棒のスリーブ５側の端部に右ねじ２ａがきってあり、また止めリング４側の端部には左ねじ２ｂがきってあって、相互に逆ねじをなしている。前記両端が逆ねじであればいずれが右ねじであってもよい。そして軸力材２の両端には、これを建築構造物に対して接続するための継手としてのクレビス６、７が螺合してある。

補剛管３の止めリング４側の内周には雌ねじ（右ねじ）がきってあり、またスリーブ５側の内周にはねじはきられていない。止めリング４は、補剛管３の端部内面とその内側にある軸力材２の外面との両方に螺合して、補剛管３の端部とその内側の軸力材２との間を固定するものである。またこの止めリング４の、クレビス７側の端部外周には、外向きのフランジ４ａが一体に設けられていて、このフランジ４ａの一方の面が補剛管３の一方の端面に当たっている。

また、スリーブ５も鋼管からなり、止めリング４が螺合されていない側の補剛管３の端部とその内側の軸力材２との間に介在し、内面に雌ねじがきられていて軸力材２の外周に螺合し、且つ外面は円筒面のままで補剛管３との間に隙間８を形成している。この隙間８である前記補剛管３の内径とスリーブ５の外径の差をｄとし、補剛管３とスリーブ５が重合する部分の軸方向の長さをＬとしたとき、 ｄ／Ｌ ≦ ０．８５° としている。なお、図１において隙間８について「ｄ／２」の表示をしたのは、図１のスリーブ５の上下において補剛管３との間に隙間８が形成されていて、これら上下両方の隙間の合計、つまり径の差の寸法が「ｄ」になるため、一方の隙間を示す図示の場合にはその１／２であることを表示する意図からである。
よって、地震発生時に建築構造物が変形して、軸力材２に軸方向の引張・圧縮力が作用した場合、軸力材２は補剛管３で補剛されているため、当該範囲において全体座屈が生じ難くなるから、軸力材２の広い範囲（軸方向の長い範囲に同じ）で引張・圧縮塑性変形が生じ、地震エネルギを十分に吸収することができることになる。

この実施の形態で軸力材２の強度は特に規定するものではないが、耐震ブレースに使用される軸力材は降伏強度が１００Ｎ／ｍｍ^２であるのが一般的であるので、この実施形態においてもその程度の強度を有する素材を用いることが好ましい。
補剛管３の内径と前記スリーブ５の外径の差ｄをスリーブ５が補剛管３と重なり合う部分の長さＬで除した値が０．８５°（すなわち、０．０１４９rad）以下であることは次のような技術的意味をもつ。

補剛管３の内径とスリーブ５の外径の差は、補剛管３とスリーブ５の隙間８の最大値を意味する。なんらかの理由で軸力材２に曲がりが生じたとしてその曲がりの最大角度は、この隙間８全体にわたってスリーブ５が傾きうる範囲に限定される。上記隙間をｄとし、スリーブ５が補剛管３と重なり合う部分の長さLとし、最大傾き角度θとすれば、
ｄ／Ｌ＝ｔａｎθ≒θ
となる。すなわち、このθが大きいと軸力材２の曲がりが発生しやすくなり、本発明者らが行った実験の結果、θが０．８５°（すなわち、０．０１４９rad）を超えると、軸力材２の首折れが発生し易くなることが分かった。このため、本発明では上記θが０．８５°（すなわち、０．０１４９rad）以下となるようにすることが望ましい。

また、ブレース材１は、軸力材２と止めリング４とスリーブ５と補剛管３をねじによって組み立てることができ、さらにクレビス６、７もねじによって組み付けることができる。これらのねじによって長さの調整は容易に変えられるので施工誤差の解消も可能になる。特に、軸力材２の両端のねじ溝を前記の通りに逆ねじにしているので、軸力材２の回転により長さの調節は容易になる。なお、他の部材を回転させて前記の調整をしてもよいことは勿論である。

特に、軸力材２、補剛管３、スリーブ５は市販の鋼棒と鋼管にねじきりするだけで加工できるし、止めリングも同様であり、材料の入手と加工が容易であることに加え、前記の組み立てや組み付けも前記の通りに乾式であるの管理が容易になる。
図５は図１に示した実施形態に係るブレース材１の性能を確認するための試験に供した試験体の図であり、この試験体は図１のブレース材１と同一であるから、図５においても図１と同一の部品名と符号を使用する。

ここでは、軸力材２は、外径４４．２ｍｍ，長さ２３００ｍｍ、強度６００Ｎ／ｍｍ^２級の鋼棒を用い、補剛管３は、外径１０５．０ｍｍ、厚さ１８．０ｍｍ、長さ２０７３ｍｍ、強度４００Ｎ／ｍｍ^２級の鋼管を用い、また、止めリング４は４９０Ｎ／ｍｍ^２ の強度を有し、外径１０５．０ｍｍのフランジ４ａ付き鋼管形状で、内面にＭ４８の雌ねじ、外面にＭ７５の雄ねじが加工されている。さらにスリーブ管５は４９０Ｎ／ｍｍ^２級の強度を有する鋼管形状で、外径６２．６ｍｍ，長さが４７８ｍｍ、補剛管３との重なり部分の長さＬが４２８ｍｍで、内面にＭ４８の雌ねじが加工されている。またクレビス６、７の強度は８８０Ｎ／ｍｍ^２ 級のものを使用している。

上記から補剛管３の内径は（１０５．０−２×１８．０）＝６９．０ｍｍであるので、補剛管３とスリーブ管５の外径の差ｄは（６９．０−６２．６）＝６．４ｍｍ、したがってｄ／Ｌは（６．４／４２８）＝０．０１４９radすなわち０．８５°であった。
このブレース材１を組み立てる手順は次の通りである。まず、軸力材２の一端をスリーブ５に挿通し螺合する。次に、補剛管３の一端の内部に止めリング４を螺合する。そして、補剛管３の止めリング４の付いていない側に、前記軸力材２をスリーブ５の付いていない側から挿入し、止めリング４側で軸力材２をねじ込み貫通させる。最後に、軸力材２の両端部にクレビス６、７を螺合して固定する。

図５（ａ）は、本発明の実施形態に係るブレース材１の性能を確認するための試験状況をも示している。図５（ａ）において、軸力材２の両端にそれぞれ固定されたクレビス６、７は、床側に固定された受力治具９および天井側に支持された試験機１１に固定された付力治具１２にそれぞれクレビスピン６ａ，７ａによって結合されている。したがって，試験機１１が平面内を繰り返し上下動するため，軸力材２には軸方向の引張力および圧縮力が作用することになる。
なお、図５（ｂ）はブレーズ材１の上部のクレビス６と付力治具１２との結合状態を理解しやすくするために、図５（ａ）の上半分を軸力材２の中心軸周りに９０度回転して示した図である。

図６は，本発明の実施形態に係るブレース材１の性能を確認するための試験の結果を示す応力歪み線図であって、図５における鉛直方向に所定変位しては、次の所定変位を加えていく場合である。図６において、縦軸は軸力材２に発生する応力(試験機により付加された荷重を軸力材２の断面で除した計算値)であって、圧縮方向をブラス方向(上方向)に示している。また横軸は、クレビス６、７に設けた標点Ａと標点Ｂとの距離伸び量を当初の長さで除した測定値であって、圧縮歪みプラス方向(右方向)に示している。

図６は試験体（つまりブレース材１）についての結果である。まず、試験機１１の動作により付力治具１２が図５において下側に移動し、軸力材２には圧縮力が加わっている。原点から弾性変形を開始し、圧縮降伏した後、極僅かに加工硬化しながら塑性変形が進んでいる。やがて、所定変位Ｃに到達したところで，試験機１１の付力治具１２が図５において上側に移動し、軸力材２には引張力が加わっている。所定変位Ｄに到達したところで、所定変位Ｅに向かって戻る。
さらに、試験機１１の付力治具１２は図５において下側に移動するため、軸力材２には圧縮力が加わって塑性変形が進んでいる。やがて、所定変位Ｅに到達したところで、試験機１１の付力治具１２が図５において上側に移動し、所定変位Ｆに向かって戻る。

以下、同様に試験機１１の付力治具１２が上下を繰り返すため、軸力材２には図示するようなバウシンガー効果を有するヒステリシス曲線が描かれている。
そして、変位が当初の長さの１．２５％の圧縮・引張変形に耐え,軸力材２は破壊しなかった。
以上の試験結果より、軸力材２への繰り返し加力回数は多く、十分なエネルギを吸収していることから、本発明の実施形態の効果が顕著であることが示される。

なお、以上説明した図１のブレース材１は、スリーブ５を軸力材２の外周に螺合して、スリーブ５と補剛管３との間に隙間８を形成した。しかし、隙間８はスリーブ５と軸力材２との間に形成してもよい。すなわち、スリーブ５を補剛管３の内面に螺合し、スリーブ５の内面とそのスリーブ５が被さる軸力材２の外面部分とにはねじ溝を形成しないこととして、スリーブ５と軸力材２との間に隙間８を形成することもできる。この場合には、スリーブ５の長さのうち補剛管３の内側に入った部分の長さが図１の長さＬに相当することになる。したがって、スリーブ５の軸方向におけるクレビス６側の端面と補剛管３の軸方向におけるクレビス６側の端面とを面一にすると、図１における長さＬはスリーブ５の長さに一致することになる。かかる場合でも図１に記載した実施形態と同一の作用効果を奏する。

1 ブレース材
２ 軸力材
３ 補剛管
４ 止めリング
４ａ フランジ
５ スリーブ
６、７ 継手（クレビス）
８ 隙間
９ 受力治具
１１ 試験機
１２ 付力治具

Claims (3)

1. 中実断面の棒状をなしその両端の継手を介して建築構造物の間に設置されて軸方向の力を受ける軸力材と、
   管状をなしその内部に前記軸力材を貫通させて前記軸力材の剛性を補う補剛管と、
   前記補剛管の端部とその内側にある前記軸力材との両方に螺合して、前記補剛管の端部とその内側の軸力材との間を固定する止めリングと、
   前記止めリングが螺合されていない側の前記補剛管の端部とその内側の前記軸力材との間に介在し、前記軸力材の外周と前記補剛管の内周のいずれか一方に螺合し他方との間に隙間を形成してなるスリーブと、
   を有することを特徴とするブレース材。
2. 前記止めリングの軸方向の端部に、前記補剛管の端面に接する外向きのフランジを一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載のブレース材。
3. 前記スリーブを前記軸力材の外周に螺合し、前記スリーブの外面と前記補剛管の内面との間に前記隙間を形成するものとし、前記隙間である前記補剛管の内径と前記スリーブの外径の差をｄとし、
   前記補剛管と前記スリーブが重合する部分の軸方向の長さをＬとしたとき、
   ｄ／Ｌ ≦ ０．８５°
   としたこと
   を特徴とする請求項１又は２記載のブレース材。
   
   

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