JP2015137511A - 鉄骨構造物、及び、耐震改修工法 - Google Patents

Abstract

【課題】施工の現場で隙間が調整可能であり、最適な隙間による座屈拘束を容易に実現できる工法を提供する。【解決手段】鉄骨構造物１は、立設される複数の柱３と、隣接する柱３，３を繋ぐ梁５と、梁５が柱３に接合される部位に近接して設けられ、柱３の水平方向への変位を拘束する拘束部材１０と、を備え、拘束部材１０は、柱３との間に所定の隙間を空けて、柱３の周囲に配置される複数のセグメントからなり、セグメントは、各々独立して所定の隙間が調整可能であり、複数のセグメントの各々は、梁５に固定される位置を調整することで、所定の隙間が特定される。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄骨を組み合わせて構築された構造物の特に柱の補剛に関する。

従来、既設の鉄骨構造物における柱の柱頭部及び柱脚部の局部的な座屈を防止するのに、柱頭部及び柱脚部の水平方向への変形を鋼管からなる拘束部材および硬化材により拘束することが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の提案は既設の構造物の一部である柱頭部及び柱脚部と拘束部材とが常に接触しており、そうすると、既設構造物の剛性が大きくなる傾向となるので、地震による応答が大きくなる傾向となり、相対的に剛性が弱くなる部分、例えば基礎構造に損傷が生じるおそれがある。特許文献２は、柱頭部及び柱脚部との間に、通常時には隙間が空くように拘束部材を設けることを提案している。通常時に隙間が空いていると、既設構造物の剛性バランスが崩れるのを防ぐことができる。また、特許文献２によると、この隙間を設けることにより、通常時に、拘束部材が設けられた部位とそうでない部位との境界部で曲げ剛性が急激に変化することを防止できるとともに、当該境界部に応力が集中するのを防止できるとしている。

特許第2977994号公報 特開2013-87520号公報（図２）

拘束部材で補剛する場合には、補剛する対象ごとに座屈拘束に必要な隙間（クリアランス）が相違する。ところが、特許文献２の提案では、二つ割りにされている拘束部材が、互いの備えるフランジ同士をボルト及びナットで締結されるので、柱頭部及び柱脚部との間の隙間が一義的に定まってしまう。つまり、特許文献２が開示する拘束部材では、最適な隙間を得ることはできない。もちろん、必要な隙間の異なる補剛対象ごとに拘束部材を用意すればよいが、それでは拘束部材のコストが勢い高くなってしまう。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、施工の現場で補剛対象に応じた最適な隙間を容易に得ることができる手法を、低コストで提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の鉄骨構造物は、立設される複数の柱と、隣接する柱を繋ぐ水平部材と、水平部材が柱に接合される部位に近接して設けられ、柱の水平方向への変位を拘束する座屈拘束部材と、を備え、座屈拘束部材は、柱との間に所定の隙間を空けて、柱の周囲に配置される複数のセグメントからなり、セグメントは、各々が独立して所定の隙間を調整可能である、ことを特徴とする。
本発明の鉄骨構造物によると、他のセグメントとの関係に関わることなく、セグメントが各々独立して隙間を調整できるので、現場での施工により最適な隙間を設定することができる。

本発明の鉄骨構造物において、複数のセグメントの各々は、水平部材に固定される位置を調整することで、所定の隙間が特定されることが好ましい。
鉄骨構造物が水平外力を受けると水平部材を跨ぐ柱頭部と柱脚部に大きな曲げモーメントが生ずるので、水平部材を利用してセグメントを固定すれば、位置決めを容易にできる。

本発明の鉄骨構造物において、隣接する一方のセグメントと他方のセグメントが、右ねじと左ねじが軸方向に併設される両ねじ部材により連結され、一方のセグメントは右ねじに噛み合わされ、他方のセグメントは左ねじに噛み合わされることが好ましい。
この構成を採用することにより、両ねじ部材を回すことにより、現場での隙間の調整を可能としながら、拘束部材の分割数を減らすことができる。

本発明の鉄骨構造物において、セグメントは、クランプ機構により水平部材に固定されることが好ましい。
この構成を採用すれば、既設の鉄骨構造物の水平部材に加工を施す不要がないので、拘束部材の施工を容易に行うことができる。

本発明は、立設される複数の柱と、隣接する柱を繋ぐ水平部材と、を備える既設の鉄骨構造物に対する耐震改修工法として、水平部材が柱に接合される部位に近接して、柱の水平方向への変位を拘束する座屈拘束部材を設けることを主旨としており、前述と同様の複数のセグメントからなる座屈拘束部材を施工することを提案する。
この耐震改修工法において、上述した好ましい態様を適用することができる。

本発明によると、他のセグメントとの関係に関わることなく、セグメントが各々独立して隙間を調整できるので、現場での施工により最適な隙間を設定することができる。

第１実施形態に係る鉄骨構造体の要部を示す図である。 第１実施形態に係る拘束部材の具体例を示し、（ａ）は拘束部材のみを示す三面図、（ｂ）は角型鋼管からなる柱に対応して示す図である。 第１実施形態に係る拘束部材の他の例を示し、（ａ）は丸型鋼管に対応する例、（ｂ）はＨ型鋼に対応する例である。 第２実施形態に係る拘束部材を示す図であり、丸型鋼管からなる柱に適用した例である。 Ｈ型鋼からなる柱に第２実施形態を適用した例を示す図である。 第３実施形態に係る、拘束部材を梁に固定する固定具を示している。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施形態に係る拘束部材１０は、図１及び図２に示すように、鉄骨構造物１に適用される部材であり、複数のセグメント２０から構成される。鉄骨構造物１は、鉄骨からなる複数の柱３と、隣接する柱３を繋ぐ水平部材としての鉄骨からなる梁（又は水平ブレース）５と、を備えている。

柱３は、梁５が接合される上下で一対の仕口部３Ａ，３Ａと、仕口部３Ａ，３Ａの間に設けられる柱本体部３Ｂと、を有している。この柱本体部３Ｂにおける軸方向の上端部である柱頭部３ＢＵ及び下端部である柱脚部３ＢＬに、本実施形態に係る拘束部材１０が適用される。柱３、梁５は、角型鋼管、丸型鋼管、Ｈ型鋼などから構成される。

梁５は、この例ではＨ形鋼で構成され、上下で一対のフランジ５Ｆ，５Ａと、上下のフランジ５Ｆ，５Ａを繋ぐウェブ５Ｗを有し、軸方向の端部が仕口部３Ａの外側面に例えば溶接によって接合されている。仕口部３Ａの内側面にダイアフラムを設けて仕口部３Ａを補強してもよい。

拘束部材１０は、図１に示すように、柱頭部３ＢＵ及び柱脚部３ＢＬの各々の周囲に設けられ、当該部分の局部的な座屈を拘束する。拘束部材１０は、柱頭部３ＢＵとの間、及び、柱脚部３ＢＬとの間に隙間を空けて設けられている。なお、柱頭部３ＢＵに設けられる拘束部材１０と柱脚部３ＢＬに設けられる拘束部材１０は同じ構成とされる。

以下、図２を参照して拘束部材１０の具体例を説明する。
はじめに、角型鋼管からなる柱３に適用される拘束部材１０について説明する
この拘束部材１０は、図２（ｂ）に示すように、柱３の四つの外側面の各々に対応して設けられる四つのセグメント２０を備えている。各々のセグメント２０は、柱３の曲げ変形に追従するように、溶接、ボルト締めなどにより柱３と接合される梁５に固定される。

セグメント２０は、梁５に接合される接合体２１と、接合体２１の幅方向の一端側から立ち上がり、柱頭部３ＢＵ又は柱脚部３ＢＬに対向する拘束体２３と、接合体２１と拘束体２３の間に設けられる補剛リブ２５と、を備えている。接合体２１、拘束体２３及び補剛リブ２５は、鋼鈑から作製されており、溶接、ボルト締めなどにより相互に接合される。

セグメント２０は、柱３の外側面と、所定の隙間Ｇを設け、拘束体２３が平行に対向するように設けられる。隙間Ｇは、鉄骨構造物１を解析することにより予め定められており、拘束部材１０を施工する際には、予め定められた隙間Ｇが得られるように、四つのセグメント２０を梁５に配置する位置を調整してから接合する。

次に、セグメント２０からなる拘束部材１０を用いることによる効果を説明する。
はじめに、鉄骨構造物１に水平外力Ｆが作用すると柱３には図１に示すように曲げモーメントＭが生ずる。この曲げモーメントＭは、柱本体部３Ｂの軸方向の中央Ｃから柱頭部３ＢＵに向けて、また、中央Ｃから柱脚部３ＢＬに向けて徐々に大きくなる。本実施形態は、この曲げモーメントＭが大きくなる柱頭部３ＢＵ及び柱脚部３ＢＬに、拘束部材１０を選択的に設けている。これにより、水平外力Ｆにより柱頭部３ＢＵ及び柱脚部３ＢＬが面外方向へ変位したときに、柱頭部３ＢＵの側壁が拘束部材１０のいずれかのセグメント２０（拘束体２３）に接触して、その面外方向への変位が規制される。こうして、拘束部材１０によって、柱３に局部座屈が発生するのを防止できる。しかも、補剛部分が柱頭部３ＢＵ及び柱脚部３ＢＬに限られているために、拘束部材１０を作製するコストを低減できるとともに、拘束部材１０を施工する手間が少なくて済む。

しかも本実施形態は、拘束部材１０と柱頭部３ＢＵ及び柱脚部３ＢＬとの間に隙間を設けているので、鉄骨構造物１の剛性のバランスを崩すことがない。
つまり、隙間を空けることなく拘束部材１０を柱頭部３ＢＵ及び柱脚部３ＢＬに接触させて設けると、拘束部材１０を設けた部分の剛性が高くなるので、それまでに取られていた鉄骨構造物１のバランスが崩れてしまう。そうすると、拘束部材１０を設ける部位を除く部位、例えば基礎構造部分の剛性が相対的に弱くなり得る。この剛性が弱くなった部分は、地震に代表される大きな振動を受けると、損傷を受ける可能性が危惧される。
これに対して、本実施形態は、拘束部材１０と柱頭部３ＢＵ及び柱脚部３ＢＬとの間に隙間を設けているので、拘束部材１０の施工以前の鉄骨構造物１の剛性バランスが維持されるので、地震等により水平外力Ｆが作用しても、補剛部以外における損傷の危険性を高めることはない。

さらに本実施形態は、拘束部材１０が複数のセグメント２０からなり、各々が独立して隙間を調整できるので、柱頭部３ＢＵとの隙間及び柱脚部３ＢＬとの隙間Ｇを施工現場において任意に調整することができる。
本実施形態は、例えば、隙間Ｇ１にしたければ、柱頭部３ＢＵから拘束体２３までの距離がＧ１になるように四つのセグメント２０の位置を調整してから、セグメント２０を梁５に接合すればよい。同様に、隙間Ｇ２にしたければ、柱頭部３ＢＵから拘束体２３までの距離がＧ２になるように四つのセグメント２０の位置を調整してから、セグメント２０を梁５に接合すればよい。したがって本実施形態は、異なる隙間Ｇ１，Ｇ２…を得るのに、異なる寸法、形状のセグメントを用意する必要がなく、同じ形状、寸法のセグメント２０を用いることができる。このように本実施形態は、一種類のセグメント２０で、種々の隙間を得ることができるので、拘束部材１０のコストを下げることができる。

以上では、角型鋼管からなる柱３について説明したが、拘束部材１０は、図３（ａ）に示すように丸型鋼管からなる柱３に適用することができるし、図３（ｂ）に示すようにＨ型鋼管からなる柱３に適用することもできる。

図３（ａ）に示す拘束部材１０は、柱３の周囲に放射状に配置される複数のセグメント３０からなる。
セグメント３０は、基本的な構成要素として、梁５に接合される接合体３１と、接合体３１の幅方向の一端側から立ち上がり、柱頭部３ＢＵ又は柱脚部３ＢＬに対向する拘束体３３と、接合体３１と拘束体３３の間に設けられる補剛リブ３５と、を備えている点では、セグメント２０と同じである。
しかし、拘束体３３は、柱３の外形形状に対応して、柱３に対向する面が円弧面に形成されている。また、セグメント３０の数、つまり、拘束部材１０を分割する数が、図３（ａ）の例では六つである。なお、六つのセグメント３０は、ダイアフラムを用いて梁５に接合することができる。

図３（ｂ）に示す拘束部材１０は、柱３を構成する一対のフランジ３Ｆ，３Ｆの各々の外側に設けられる第１セグメント４０ａと、フランジ３Ｆ，３Ｆとウェブ３Ｗの間に形成される内側空間に設けられる第２セグメント４０ｂと、を備えている。第１セグメント４０ａ及び第２セグメント４０ｂも、基本的な構成要素として、梁５に接合される接合体４１ａ，４１ｂと、接合体４１ａ，４１ｂの幅方向の一端側から立ち上がり、柱頭部３ＢＵ又は柱脚部３ＢＬに対向する拘束体４３ａ，４３ｂと、接合体４１ａ，４１ｂと拘束体４３ａ，４３ｂの間に設けられる補剛リブ４５ａ，４５ｂと、を備えている点では、セグメント２０と同じである。
しかし、第１セグメント４０ａと第２セグメント４０ｂとは、設けられる位置が相違することに対応して、形状及び寸法が相違する。また、第２セグメント４０ｂは、一つの内側空間に二つ設けられている。これは、フランジ３Ｆ，３Ｆ間の間隔が相違する柱３であっても、二つの第２セグメント４０ｂ，４０ｂの各々とフランジ３Ｆ，３Ｆの各々の隙間を任意に調整できるようにするためである。

以上の通りであり、拘束部材１０を構成するセグメント２０，３０，４０ａ，４０ｂは、それが拘束する柱３の形状に応じて、その形状、寸法が定められるべきである。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態として、セグメントの分割数を少なくするのに有効な手段を説明する。
角型鋼管からなる柱３に適用される拘束部材１０は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、二つのセグメント５０ａ，５０ｂを備えている。セグメント５０ａは、柱３の隣接する二つの外側面の各々に対応する、第１拘束部５１ａと第２拘束部５２ａが連なって形成されている。セグメント５０ａは、第１拘束部５１ａから突出する接合フランジ５３ａと、第２拘束部５２ａから突出する接合フランジ５４ａと、を備えている。セグメント５０ｂは、同様に、柱３の隣接する二つの外側面の各々に対応する、第１拘束部５１ｂと第２拘束部５２ｂが連なって形成されている。セグメント５０ｂは、第１拘束部５１ｂから突出する接合フランジ５３ｂと、第２拘束部５２ｂから突出する接合フランジ５４ｂと、を備えている。
拘束部材１０は、二つのセグメント５０ａ，５０ｂが、第１拘束部５１ａと第２拘束部５２ａ、第１拘束部５１ｂと第２拘束部５２ｂにより柱３の周囲を取り囲むように配置される。第１拘束部５１ａ，第２拘束部５２ａと柱３の間（柱頭部３ＢＵ，柱脚部３ＢＬ）、及び、第１拘束部５１ｂ，第２拘束部５２ｂと柱３の間には隙間Ｇが設けられている。

二つのセグメント５０ａ，５０ｂは、互いの接合フランジ５３ａ，５３ｂ同士、接合フランジ５４ａ，５４ｂ同士を対向させるとともに、接合フランジ５３ａ，５３ｂの間隔、接合フランジ５３ｂ，５４ｂの間隔を、両ねじボルト５７により調整できる。この間隔を調整することにより、隙間Ｇを調整することができる。

両ねじボルト５７は、軸方向の中央Ｃから一端側に設けられている右ねじ部５７Ｒと、中央Ｃから他端側に設けられている左ねじ部５７Ｌと、を備えている。ここでいう右ねじ、左ねじは、通常の意味で用いられており、右ねじは時計回りにねじを回すと奥に進むねじを意味し、左ねじは反時計回りにねじを回すと奥に進むねじを意味している。
図４（ｂ）に示すように、二本の両ねじボルト５７は、右ねじ部５７Ｒがセグメント５０ａの接合フランジ５３ａ，５４ａに噛み合わされ、左ねじ部５７Ｌがセグメント５０ｂの接合フランジ５３ｂ，５４ｂに噛み合わされる。接合フランジ５３ａ，５４ａには、右ねじ部５７Ｒと噛み合うめねじ５５Ｒが表裏を貫通して形成されており、接合フランジ５３ｂ，５４ｂには、左ねじ部５７Ｌと噛み合うめねじ５５Ｌが表裏を貫通して形成されている。

第２実施形態に係る拘束部材１０は、図４（ｂ）に示すように、両ねじボルト５７を向きＤ１に回すと、接合フランジ５３ａと接合フランジ５３ｂの間隔が狭くなり、両ねじボルト５７を向きＤ２に回すと、接合フランジ５３ａと接合フランジ５３ｂの間隔が広くなるので、隙間Ｇを調整することができる。

以上説明したように、第２実施形態によると、現場での隙間の調整を可能としながら、拘束部材１０の分割数を第１実施形態の四つから二つに減らすことができる。

両ねじボルト５７を適用して分割数を減らす対象は、角型鋼管からなる柱３に限らず、第１実施形態で説明したＨ型鋼からなる柱３に適用することもできる。例えば、図５に示すように、フランジ３Ｆ，３Ｆとウェブ３Ｗの間に形成される内側空間に併設される二つの第２セグメント４０ｂを、両ねじボルト５７で繋ぐこともできる。両ねじボルト５７を回す向きを変えることで、第２セグメント４０ｂ，４０ｂの間隔を狭くし、又は、広くして、隙間を調整することができる。

［第３実施形態］
拘束部材１０は、柱３の全体の曲げ変形に追従するように、柱３と接合している梁５に固定される。第３実施形態は、拘束部材１０（セグメント）を梁５に固定するのに好ましい手段を提案する。
拘束部材１０を梁５に固定するのにあたり、施工時間を短縮するために、既設の鉄骨構造物１（柱３，梁５）への加工を要しないことに加えて、既設の鉄骨構造物１によっては溶接のように火を用いる作業が制約される場合があるため、火を用いない固定方法であることを前提とする。

そこで、本実施形態は、図６に示すように、Ｃ型の固定部材６１と、固定部材６１を拘束部材１０に締め付けるボルトからなる締結部材６７と、を備える固定具６０を用いる。
固定部材６１は、間隔を空けて設けられる一対のフランジ６２，６３と、フランジ６２，６３を繋ぐウェブ６４と、を備えている。一方のフランジ６３には、締結部材６７に噛み合うめねじ６５が表裏を貫通して形成されている。固定部材６１は、例えば溝型鋼を所定幅に切断して作成することができる。
締結部材６７は、めねじ６５に噛み合うおねじ６８が外周の所定範囲に形成されている。

拘束部材１０は、以下のようにして固定具６０により梁５に固定される。なお、ここではＨ型鋼から柱３、梁５が形成され、拘束部材１０がセグメント４０ａ，４０ｂからなる例について説明する。
はじめに、図６（ｂ）に示すように、一対のフランジ６２，６３の間に梁５のフランジ５Ｆとセグメント４０ａの接合体４１ａを挟むようにして固定部材６１を装着する。このとき、締結部材６７は、その先端がフランジ６２，６３の間に突出しないように、フランジ６２の内部に後退して保持されている。
フランジ５Ｆと接合体４１ａがフランジ６２，６３の間に隙間が生じなくなるまで固定部材６１を押し込んだならば、締結部材６７を締め付けていくと、その先端が接合体４１ａに押し付けられる一方、フランジ６２がフランジ５Ｆに押し付けられるので、セグメント４０ａはこれらの締結力により梁５に固定される。本実施形態は、二つの固定具６０により一つのセグメント４０ａを梁５に固定する。セグメント４０ｂについても同様にして、梁５に固定することができる。

以上説明したように、固定具６０を用いてセグメント４０ａ，４０ｂを梁５に固定する方法は、既設の鉄骨構造物１の梁５に加工を施す不要がないので、拘束部材１０の施工を容易に行うことができる。
また、締結部材６７を締め付けるだけで拘束部材１０を固定可能であるため、固定具６０は火を避ける必要のある既設の鉄骨構造物１にも適用できる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

１ 鉄骨構造物
３ 柱
３Ａ 仕口部
３Ｂ 柱本体部
３ＢＬ 柱脚部
３ＢＵ 柱頭部
３Ｆ，３Ｆ フランジ
３Ｗ ウェブ
５ 梁
５Ｆ フランジ
５Ｗ ウェブ
１０ 拘束部材
２０，３０，４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂ セグメント
２１，３１，４１ａ，４１ｂ 接合体
２３，３３，４３ａ，４３ｂ 拘束体
２５，３５，４５ａ，４５ｂ 補剛リブ
５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ 拘束部
５３ａ，５３ｂ，５４ａ，５４ｂ 接合フランジ
５７ 両ねじボルトボルト
５７Ｌ 左ねじ部
５７Ｒ 右ねじ部
６０ 固定具
６１ 固定部材
６２，６３ フランジ
６４ ウェブ
６７ 締結部材
Ｃ 中央
Ｆ 水平外力
Ｇ 隙間
Ｍ モーメント

Claims (8)

1. 立設される複数の柱と、
   隣接する前記柱を繋ぐ水平部材と、
   前記水平部材が前記柱に接合される部位に近接して設けられ、前記柱の水平方向への変位を拘束する座屈拘束部材と、を備え、
   前記座屈拘束部材は、
   前記柱との間に所定の隙間を空けて、前記柱の周囲に配置される複数のセグメントからなり、
   前記セグメントは、各々が独立して前記所定の隙間を調整可能である、
   ことを特徴とする鉄骨構造物。
2. 複数の前記セグメントの各々は、前記水平部材に固定される位置を調整することで、前記所定の隙間が特定される、
   請求項１に記載の鉄骨構造物。
3. 隣接する一方の前記セグメントと他方の前記セグメントが、右ねじと左ねじが軸方向に併設される両ねじ部材により連結され、
   一方の前記セグメントは前記右ねじに噛み合わされ、
   他方の前記セグメントは前記左ねじに噛み合わされる、
   請求項１又は請求項２に記載の鉄骨構造物。
4. 前記セグメントは、クランプ機構により前記水平部材に固定される、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の鉄骨構造物。
5. 立設される複数の柱と、隣接する前記柱を繋ぐ水平部材と、を備える既設の鉄骨構造物において、
   前記水平部材が前記柱に接合される部位に近接して、前記柱の水平方向への変位を拘束する座屈拘束部材を設ける耐震改修工法であって、
   前記座屈拘束部材は、
   前記柱との間に所定の隙間を空けて、前記柱の周囲に配置される複数のセグメントからなり、
   前記所定の隙間セグメントは、各々独立して前記所定の隙間が調整可能である、
   ことを特徴とする鉄骨構造物の耐震改修工法。
6. 複数の前記セグメントの各々は、前記水平部材に固定される位置を調整することで、前記所定の隙間が特定される、
   請求項５に記載の鉄骨構造物の耐震改修工法。
7. 隣接する一方の前記セグメントと他方の前記セグメントが、右ねじと左ねじが軸方向に併設される両ねじ部材により連結され、
   一方の前記セグメントは前記右ねじに噛み合わされ、
   他方の前記セグメントは前記左ねじに噛み合わされる、
   請求項５又は請求項６に記載の鉄骨構造物の耐震改修工法。
8. 前記セグメントは、クランプ機構により前記水平部材に固定される、
   請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の鉄骨構造物の耐震改修工法。

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