JP2014031654A - 軸降伏型弾塑性履歴ブレース及び制振鉄骨構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼製芯材の剛性を高めることができると共に、芯材を製作する際に捩れや反りが発生し難い形状とし、従来より簡易に芯材の製作ができるようにした軸降伏型弾塑性履歴ブレースを提供する。
【解決手段】鋼製芯材としてのＨ形鋼１１の外周を、アンボンド層１４を介して座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材１３で覆うと共に、座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材の外周を角形鋼管１２で覆って補強した軸降伏型弾塑性履歴ブレース１０であり、Ｈ形鋼１１の両端部の各フランジ１１ｂの外面に補強プレート１６を重ねて合わせて溶接し、補強プレートが所定寸法Ｌだけ座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材の端部から内部に入り込むように座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材を設けた。鋼製芯材のＨ形鋼の幅をＢ、高さをＨとした場合、補強プレートの挿入寸法Ｌを、 ２Ｂ≦Ｌ≦３Ｂ、かつ、２Ｈ≦Ｌ≦３Ｈの範囲に設定した。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸降伏型弾塑性履歴ブレース及び制振鉄骨構造物に関するものである。

軸降伏型弾塑性履歴ブレースの例として、特許文献１に記載されたものが知られている。このブレースは、鋼製芯材をプレートで構成し、その鋼製芯材の外周をアンボンド層（付着防止皮膜）を介して座屈拘束用コンクリート部材で覆い、その座屈拘束用コンクリート部材の外周を鋼管で覆って補強したものである。

この場合、プレート製の鋼製芯材は、断面がマイナス（−）型またはプラス（＋）型（十字型）となっており、鋼製芯材の端部は、軸力で塑性化しないように、また曲げモーメントに抵抗できるように、鋼製芯材の長さ方向中央部に比べて大きな断面積と断面係数を持つ十字型に形成されている。

特開２００３−３４３１１６号公報

ところで、図６に示すような、断面がマイナス（−）型のプレート１１１を用いた鋼製芯材の場合も、図７に示すような、断面がプラス（＋）型となるようにメインのプレート１１１と補剛プレート１１２を組み合わせた鋼製芯材の場合も、補剛プレート１１２を隅肉溶接（隅肉溶接部を符号１１７で示す）によってメインのプレート１１１に接合するため、溶接時の熱で芯材に、図６（ｂ）及び図７（ｂ）に示すような反りや図６（ｃ）及び図７（ｃ）に示すような捩れや曲がりが発生し易いという問題がある。また、芯材に捩れや反りがあると、柱や梁よりなる本体鉄骨との接合の際にボルトを通せない等の問題が発生することから、製作時に冶具等によって捩れや反りの発生を抑えるようにしたり、溶接後に矯正作業を施したりすることが行われるが、そうした場合、製作が面倒になるという問題がある。

本発明は、上記事情を考慮し、鋼製芯材の剛性を高めることができると共に、芯材を製作する際に捩れや反りが発生し難い形状とし、従来に比べて簡易に芯材の製作ができるようにした軸降伏型弾塑性履歴ブレース及び制振鉄骨構造物を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
即ち、請求項１に記載の軸降伏型弾塑性履歴ブレースは、軸力の作用する鋼製芯材の外周を、該鋼製芯材の長さ方向の両端部を露出させた状態で、アンボンド層を介して、前記鋼製芯材の座屈を阻止する座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材で覆うと共に、該コンクリートまたはモルタル部材の外周を鋼管で覆って補強した軸降伏型弾塑性履歴ブレースにおいて、前記鋼製芯材を、ウエブとフランジよりなるＨ形鋼で構成し、該Ｈ形鋼の両端部の各フランジの外面に補強プレートを重ねて合わせて溶接し、該補強プレートが所定寸法Ｌだけ前記コンクリートまたはモルタル部材の端部から内部に入り込むように前記コンクリートまたはモルタル部材を設け、前記Ｈ形鋼の幅をＢ、高さをＨとした場合、前記寸法Ｌを、２Ｂ≦Ｌ≦３Ｂ、かつ、２Ｈ≦Ｌ≦３Ｈの範囲に設定したことを特徴とする。

これにより、従来の鋼板を十字形状に組み合わせて溶接する場合に比べて、芯材の曲げ剛性、捩り剛性を大きくすることができ、芯材の反り、曲がり、捩れを発生しにくくすることができる。また、鋼製芯材として使用するＨ形鋼の両端部のフランジの外面に補強プレートを重ね合わせて溶接し、その補強プレートを所定寸法Ｌだけ座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材の中に挿入しているので、軸降伏型弾塑性履歴ブレースとしての性能の発揮を保証しながら、座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材の端部近傍でのＨ形鋼の塑性化防止と座屈防止を図ることができる。

なお、補強プレートの座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材への侵入量Ｌが２Ｂまたは２Ｈ未満であれば、補強プレート端部付近で鋼製芯材が大きく折れ曲がり、大きな曲げモーメントが発生し、圧縮軸力が低下するおそれがある。
また、補強プレートの座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材への侵入量Ｌが３Ｂまたは３Ｈを超えない範囲としているが、これは、Ｈ形鋼の塑性化する部分（補強プレートによって補強されない部分）の長さが短くなることで、ひずみが集中し、少ない繰り返し回数で破断することを避けるためである。

請求項２に記載の発明の軸降伏型弾塑性履歴ブレースは、ウエブ周りのアンボンド層の厚さをフランジ周りのアンボンド層の厚さより薄くすることを特徴とする。
Ｈ形鋼は、フランジに比べてウエブが薄いため、圧縮軸力が作用する時にウエブが局部座屈しやすい。ウエブ周りのアンボンド層をフランジ周りのアンボンド層より薄くすることで、ウエブの局部座屈を回避することができる。

請求項３に記載の発明の制振鉄骨構造物は、柱と梁との鉄骨構造物に請求項１または２に記載の軸降伏型弾塑性履歴ブレースを設置したことを特徴とする。これにより、鉄骨構造物の制振性能を高めることができる。

請求項１の発明によれば、鋼製芯材をＨ形鋼で構成し、Ｈ形鋼の両端部のフランジの外面に補強プレートを溶接することで、従来の鋼板を十字形状に組合わせて溶接する場合に比べて、芯材の曲げ剛性、捩り剛性を大きくすることができ、芯材の反り、曲がり、捩れを発生しにくくすることができる。
従って、反り、曲がり等を抑える製作冶具や矯正作業が不要または軽減でき、従来より簡易に芯材を製作できる。また、鋼製芯材として使用するＨ形鋼の両端部のフランジの外面に補強プレートを重ね合わせて溶接し、その補強プレートを所定寸法Ｌだけ座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材の中に挿入しているので、軸降伏型弾塑性履歴ブレースとしての性能の発揮を保証しながら、座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材の端部近傍でのＨ形鋼の塑性化防止と座屈防止を図ることができる。

請求項２の発明によれば、ウエブ周りのアンボンド層をフランジ周りのアンボンド層より薄くすることで、ウエブの局部座屈を回避することができる。

請求項３の発明によれば、柱と梁との鉄骨構造物に請求項１または２に記載の軸降伏型弾塑性履歴ブレースを設置したので、鉄骨構造物の制振性能を高めることができる。

本発明の実施形態の軸降伏型弾塑性履歴ブレースを設置した制振鉄骨構造物の一部の構成を示す側面図である。 同実施形態の軸降伏型弾塑性履歴ブレースの片側の端部付近の構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視断面図、（ｃ）は（ｂ）のＩＩｃ−ＩＩｃ矢視断面図、（ｄ）は（ｂ）のＩＩｄ−ＩＩｄ矢視断面図である。 同実施形態の軸降伏型弾塑性履歴ブレースの鋼製芯材の構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は端面図、（ｃ）は平面図である。 同実施形態の軸降伏型弾塑性履歴ブレースの鋼製芯材の構成図で、アンボンド層の厚さを示す断面図である。 軸降伏型弾塑性履歴ブレースの鋼管として円形鋼管を使用した場合の図２（ｃ）に相当する断面図である。 従来の軸降伏型弾塑性履歴ブレースの鋼製芯材として、断面マイナス（−）型の芯材が使われた場合の問題点を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は溶接により反りが生じた場合を示す端面図、（ｃ）は曲げが生じた場合を示す上面図である。 従来の軸降伏型弾塑性履歴ブレースの鋼製芯材として、断面プラス（＋）型の芯材が使われた場合の問題点を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は溶接により反りが生じた場合を示す端面図、（ｃ）は捩りや曲げが生じた場合を示す上面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は実施形態の軸降伏型弾塑性履歴ブレースを設置した制振鉄骨構造物の一部の構成を示す側面図、図２は同軸降伏型弾塑性履歴ブレースの片側の端部付近の構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視断面図、（ｃ）は（ｂ）のＩＩｃ−ＩＩｃ矢視断面図、（ｄ）は（ｂ）のＩＩｄ−ＩＩｄ矢視断面図、図３は同軸降伏型弾塑性履歴ブレースの鋼製芯材の構成図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は端面図、（ｃ）は平面図である。

図１に示すような制振鉄骨構造物において、本実施形態の軸降伏型弾塑性履歴ブレース１０は、柱１と梁２により四辺形に組まれた軸組に対角線状に設置されており、ガゼットプレート３を介して、柱１と梁２が接合された隅部にボルト（図示略）により接合されている。なお、図１において４は床版である。

軸降伏型弾塑性履歴ブレース１０は、図２に示すように、軸力の作用する鋼製芯材であるＨ形鋼１１と、そのＨ形鋼１１の外周を、Ｈ形鋼１１の長さ方向の両端部を露出させた状態で、アンボンド層１４を介して覆うモルタル及び骨材のコンクリートまたはモルタルからなる座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材１３（以下、座屈拘束用のコンクリート等部材１３と呼ぶ）と、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の外周を覆って補強する角形鋼管１２と、を備えている。座屈拘束用のコンクリート等部材１３及び角形鋼管１２は、Ｈ形鋼１１の長さ方向の中間部の座屈を防止するためのものである。座屈拘束用のコンクリート等部材１３は、角形鋼管１２とＨ形鋼１１の間の空間に充填されており、コンクリートまたはモルタルの充填後に角形鋼管１２の端部から注入したコンクリートまたはモルタルが漏れ出ないようにするため、角形鋼管１２の両端開口は鋼製蓋材１５により塞がれている。

アンボンド層１４は、例えば、ブチルゴム等の粘弾性材よりなる付着防止皮膜として形成されており、ブチルゴム以外の材料としては、粘弾性プラスチック、天然ゴム、ポリイソプン、ポリブタジエン、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、アスファルト、ペイント、及び、それらの混合物を使用することができる。

この場合、図２及び図３に示すように、鋼製芯材として使用されている、ウエブ１１ａとフランジ１１ｂよりなるＨ形鋼１１の両端部の各フランジ１１ｂの外面には、フランジ１１ｂの幅より若干小さい幅の補強プレート１６が重ねて合わせられて、隅肉溶接（隅肉溶接部を符号１７で示す）によりフランジ１１ｂに一体に接合されており、鋼製芯材の両端部の断面積と断面係数が高められている。ここで、補強プレート１６の厚さＴはＨ形鋼のフランジ１１ｂの厚さと同程度に設定されている。
また、図４に示すように、Ｈ形鋼１１のウエブ１１ａ周りのアンボンド層１４ａの厚さｕｔｗはフランジ１１ｂ周りのアンボンド層１４ｂの厚さｕｔｆよりも薄くなっている。

補強プレート１６は、Ｈ形鋼１１の端部から、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の内部に所定寸法Ｌだけ入り込む長さに形成されている。即ち、補強プレート１６は、所定寸法Ｌだけ、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の端部（鋼製蓋材１５の位置）から内部に入り込んでいる。なお、図２（ｂ）において１１ｃは緩衝材である。

ここで、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の端部から突出したＨ形鋼の幅をＢ，高さをＨ、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の端部からＨ形鋼１１の長さ方向の中間点Ｏａ（図１参照）までの長さをＬｂとした場合、前記寸法Ｌを、
２Ｂ≦Ｌ、かつ、２Ｈ≦Ｌ
の範囲に設定している。

また、さらに前記寸法Ｌを、
Ｌ≦３Ｂ、かつ、Ｌ≦３Ｌ
の範囲に設定している。

また、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の端部から突出したＨ形鋼の長さＬａを、Ｈ形鋼１１の幅寸法Ｂに対して、
Ｂ＜Ｌａ＜２．５Ｂ
の範囲に設定している。

座屈拘束用のコンクリート等部材１３の端部から突出したＨ形鋼１１の長さＬａをＢ以下にすると、当該軸降伏型弾塑性履歴ブレース１０を、柱１と梁２の接合部であるガゼットプレート４にボルト等の接合手段によって接合する際に、Ｈ形鋼１１の座屈拘束用のコンクリート等部材１３からの突出量である長さＬａが短すぎることから、実質上、接合作業が行なえなくなる。
また、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の端部から突出したＨ形鋼１１の長さＬａを２．５Ｂ以上にすると、Ｈ形鋼１１の座屈拘束用のコンクリート等部材１３からの突出量が長すぎてしまい、該Ｈ形鋼１１の突出部分の強度が不足し、この部分が軸力を受けた際に塑性化したり座屈したりしてしまう不具合が生じる。

このように本発明の軸降伏型弾塑性履歴ブレースによれば、Ｈ形鋼を鋼製芯材として使用したことにより、従来の鋼板を十字形状に組み合わせて溶接する場合に比べて、鋼製芯材の曲げ剛性や捩り剛性を大きくすることができ、鋼製芯材の反り、曲がり、捩れを発生しにくくすることができる。

また、鋼製芯材として使用するＨ形鋼１１の両端部のフランジ１１ｂの外面に補強プレート１６を重ね合わせて溶接し、その補強プレート１６を所定寸法Ｌだけ座屈拘束用のコンクリート等部材１３の中に挿入し、しかもこの補強プレートの座屈拘束用のコンクリート等部材への侵入量Ｌを、Ｈ形鋼の幅をＢ，高さをＨとした場合、前記寸法Ｌを、２Ｂ≦Ｌ≦３Ｂ、かつ、２Ｈ≦Ｌ≦３Ｈの範囲に設定しているので、軸降伏型弾塑性履歴ブレース１０としての性能の発揮を保証しながら、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の端部近傍でのＨ形鋼１１の塑性化防止と座屈防止を図ることができる。

つまり、補強プレート１６端部付近で鋼製芯材が大きく折れ曲がり、大きな曲げモーメントが発生し、圧縮軸力が低下するのを回避できる。また、Ｈ形鋼１１の塑性化する部分（補強プレート１６によって補強されない部分）の長さが短くなることで、ひずみが集中し、少ない繰り返し回数で破断することを避けることもできる。
また、前記実施形態では、ウエブ１１ａ周りのアンボンド層１４aの厚さｕｔｗをフランジ周り１１ｂのアンボンド層１４ｂの厚さｕｔｆより薄くしており、これにより、ウエブ１１ａの局部座屈を回避することができる。

なお、上記実施形態では、座屈拘束用のコンクリート等部材１３の外周を覆う鋼管として角形鋼管１２を使用した場合を示したが、図５に示すように、角形鋼管の代わりに円形鋼管２２を使用してもよいし、また、他の断面形状の鋼管を使用してもよい。

１０ 軸降伏型弾塑性履歴ブレース
１１ Ｈ形鋼（鋼製芯材）
１２ 角形鋼管
１３ 座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材（座屈拘束用のコンクリート等部材）
１４ アンボンド層
ｕｔｗ ウエブ周りのアンボンド層の厚さ
ｕｔｆ フランジ周りのアンボンド層の厚さ
１６ 補強プレート
２２ 円形鋼管

Claims (3)

1. 軸力の作用する鋼製芯材の外周を、該鋼製芯材の長さ方向の両端部を露出させた状態で、アンボンド層を介して、前記鋼製芯材の座屈を阻止する座屈拘束用のコンクリートまたはモルタル部材で覆うと共に、該コンクリートまたはモルタル部材の外周を鋼管で覆って補強した軸降伏型弾塑性履歴ブレースにおいて、
   前記鋼製芯材を、ウエブとフランジよりなるＨ形鋼で構成し、該Ｈ形鋼の両端部の各フランジの外面に補強プレートを重ねて合わせて溶接し、該補強プレートを所定寸法Ｌだけ前記コンクリートまたはモルタル部材の端部から内部に入り込むように設け、
   前記Ｈ形鋼の幅をＢ、高さをＨとした場合、前記寸法Ｌを、
   ２Ｂ≦Ｌ≦３Ｂ、かつ、２Ｈ≦Ｌ≦３Ｈ
   の範囲に設定したことを特徴とする軸降伏型弾塑性履歴ブレース。
2. ウエブ周りのアンボンド層の厚さをフランジ周りのアンボンド層の厚さより薄くすることを特徴とする請求項１に記載の軸降伏型弾塑性履歴ブレース。
3. 柱と梁との鉄骨構造物に請求項１または２に記載の軸降伏型弾塑性履歴ブレースを設置したことを特徴とする制振鉄骨構造物。

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