JP2016138390A - 鋼トラス構造物の制振ダンパー - Google Patents

Abstract

【課題】レベル２地震時の大きな減衰効果を得ることが可能で、既設鋼トラス構造物の耐震補強のコスト抑制することができる、鋼トラス構造物の制振ダンパーを提供する。
【解決手段】せん断ボルト接合方式が適用されている鋼トラス構造物において、当該鋼トラス構造物の部材Ａと部材Ｂとの接合部のボルト穴２にボルト３を通して、当該ボルト３の他端にナット４を螺着し、前記ボルト穴２の内周とボルト３の外周との間の空隙５に鉛から成る金属管６を詰めた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、鉄塔などの鋼トラス構造物の耐震性能を向上させる制振ダンパーに関するものである。

鋼トラス構造物である鉄塔の耐震性能の向上については従来から種々検討や開発が行われているが、「レベル２地震動に対する送電用鋼管鉄塔の耐震性評価に用いる減衰定数について」検討が行われた（非特許文献１：構造工学論文集Vol.60A,2014年3月）。

一般に地震応答解析に用いる構造物の減衰定数が大きくなると、耐震性能が向上することが分かっている。そこでこの検討においては、送電用鋼管鉄塔を対象に、せん断ボルト接合部が滑る場合の鉄塔部材の応力−ひずみ履歴特性を定めて解析コードに組み込み、最大地震加速度、地震動の卓越周期と鉄塔の固有周期、ボルト滑り特性値等をパラメータとした解析を実施し、レベル２地震動に対する種々の条件下における減衰定数を明らかにした。ここでは、鋼管鉄塔の減衰定数、通常１％程度に対して、せん断ボルト継手の滑りによるエネルギー吸収を、送電用鉄塔の曲げ点以下最下部までの領域で考慮し、ボルト穴のクリアランスが通常２ｍｍのところを４ｍｍとし、ボルト滑り時の部材応力σs＝σy/４の条件であれば、履歴減衰効果により３〜５％程度の減衰定数が期待できることが分かった。

また、「送電用鉄塔腹材の鋼材ダンパー置換による制振効果について」の検討が行われた《非特許文献２：土木学会第６９回年次学術講演会（平成２６年９月）予稿集》。

この検討では、上述のボルト滑りの影響を考慮した減衰定数の検討から、鋼管鉄塔の減衰定数は３〜５％程度との結果が得られているが、耐力評価の結果、多くの部材で補強や交換等の対策が必要になる場合、対策の一案として既設部材の制振ダンパーへの置換が考えられる。送電用鉄塔の腹材に鋼材ダンパーを用いた場合の制振効果について解析的に検討し、ボルト滑りのみのケースと比較して減衰定数が若干増加し、ダンパーによる履歴減衰効果が期待できる結果が得られている。

一方、橋脚やビルディング等の構造物の制振構造も開発されている。特許文献１の制振構造は、コンクリート基礎に貫通するアンカーボルトのナットとベースプレート間に筒状の金属製ダンパー部が設置される。前記金属製ダンパー部は塑性変形の限界点以内の範囲で繰り返し変形することによって、地震の震動エネルギーを吸収して、構造物に地震の震動による塑性変形が起こらないようにする構造である。

構造工学論文集Vol.60A,2014年3月第２４９頁〜第２６０頁 土木学会第６９回年次学術講演会（平成２６年９月）予稿集第１０８７頁〜第１０８８頁 特開２００８−２８０７１５号公報

前記非特許文献１及び２の接合部のボルト滑りによる減衰効果や送電用鉄塔腹材の鋼材ダンパー置換の適用を考慮した場合、既設鋼管鉄塔の減衰定数は、３〜５％をとることが出来る。しかしながら、これらを考慮したとしても、高レベル地震動に対する耐震性評価の結果、送電用鉄塔が耐力不足となる場合があり、これまでの対策としては部材補強（部材交換）や鉄塔の建て替えなど、改修の費用と期間が多大となる方法しか存在しなかった。

また、前記特許文献１の制振構造は、アンカーボルトに設置し、地震時のボルトの軸方向の相対変位を利用した制振構造である。送電用鉄塔は、アンカーボルトによる定着方式は採用されていないことに加え、脚部の垂直相対変位を生じさせた場合は、変位に伴う二次応力が発生し、耐力的に不安全になる可能性があり、本制振構造を送電用鉄塔に適用することは困難である。

そこで、この発明は、レベル２地震時の大きな減衰効果を得ることが可能で、既設鋼トラス構造物の耐震補強のコスト抑制することができる、鋼トラス構造物の制振ダンパーを提供することを目的としたものである。

請求項１の発明は、せん断ボルト接合方式が適用されている鋼トラス構造物において、当該鋼トラス構造物の部材と部材との接合部のボルト穴の内周とボルトの外周との間の空隙に履歴減衰特性を有する管状体を介在させた、鋼トラス構造物の制振ダンパーとした。

また、請求項２の発明は、前記履歴減衰特性を有する管状体は鉛製である、請求項１に記載の鋼トラス構造物の制振ダンパーとした。

請求項３の発明は、前記履歴減衰特性を有する管状体は、管状体を軸方向に複数に分割した割り片を集めて管状に構成した、請求項１又は２に記載の鋼トラス構造物の制振ダンパーとした。

また、請求項４の発明は、前記履歴減衰特性を有する管状体の外端を被う環状板を前記接合部のボルトの両端に設けた、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼トラス構造物の制振ダンパーとした。

請求項１〜４の発明によれば、接合部のボルト穴の内周とボルトの外周との間の空隙に入れた、前記履歴減衰特性を有する管状体は、地震による荷重が作用して接合部にせん断力が作用したとき、当該管状体の支圧変形、せん断変形が生じることにより、地震の振動エネルギーを吸収することで、部材応力の低減を図ることが可能となる。

また、地震応答解析に用いる減衰定数は、鋼管鉄塔で１％、山形鋼鉄塔で２％であるが、請求項１〜４の発明によれば、レベル２地震時に６〜８％程度の減衰定数を適用することが可能となり、地震時の応答値（部材応力）を大幅に低減することができる。これにより既設鋼トラス構造物の耐震補強のコストを抑制することが可能となる。例えば、補強すべき部材数の大幅な低減、補強規模の縮小、鉄塔の建て替えの回避などが可能となり、大きなコストを掛けずに鉄塔等の鋼トラス構造物の耐震性能の向上を図ることが可能となる。

また、請求項４の発明によれば、前記履歴減衰特性を有する管状体の外端面にこれを被う環状板を被せているため、ボルト及びナットから構成される接合部の内部から前記履歴減衰特性を有する管状体が外部へ押し出されるのを防ぐことができ、当該管状体の支圧変形、せん断変形が確実に生じ、地震の震動エネルギーを吸収することができる。

この発明の実施の形態例１の制振ダンパーの構図を示す断面図である。 この発明の実施の形態例１の制振ダンパーのボルト穴内での履歴減衰特性を有する管状体の変形状況を示す説明図である。 この発明の実施の形態例１の制振ダンパーを使用する鉄塔の正面図である。 この発明の実施の形態例１の制振ダンパーを使用する鉄塔の接続部箇所を示す部分拡大正面図である。 この発明の実施の形態例１の制振ダンパーの部材の繰り返し試験に使用する試験体の構成（形状）を示す図であり、（ａ）図は正面図、（ｂ）図は側面図である。 この発明の実施の形態例１の制振ダンパーの部材の繰り返し試験の載荷パターンを示すグラフ図である。 この発明の実施の形態例１の制振ダンパーの部材の繰り返し試験による試験結果の一例における荷重と変位の関係を示すグラフ図である。

（実施の形態例１）
以下、この発明の実施の形態例１の鉄塔のせん断ボルト接合方式が適用されている接合箇所に使用した制振ダンパーを図１〜図４に基づいて説明する。

当該制振ダンパー１が用いられるせん断ボルト接合方式は、図１に示すように、平板状の部材Ａの端部と部材Ｂの端部とを重ね合わせ、これらの部材Ａ及びＢに予め設けられたボルト穴２、２を重ね合わせて、当該ボルト穴２、２の一方からボルト３をこれらに通し、他方から突出したボルト３の端部にナット４を螺着し、当該ナット４を締め付け、部材Ａと部材Ｂを接続する。この接続方式は、図３及び４の鋼管鉄塔の腹材と主柱材との接合、また、山形鋼鉄塔の主柱材、腹材の接合に用いられている。

この様な接続箇所において、ボルト穴径は、通常ボルト径に対して１．５ｍｍ〜２．０ｍｍのクリアランスを有している。そこで、この発明の制振ダンパー１では、前記ボルト穴２を拡張加工するか、又はボルト３に径の小さなものを適用して前記ボルト穴２の内周とボルト３の外周との間の空隙（クリアランス）を４〜８ｍｍにする。

この空隙５に、図１及び図２の（ａ）図に示すように、鉛から成る金属管６が嵌め入れられている。さらに、部材Ａ及びＢ同士の変位によってボルト穴２から鉛等の金属が押し出されるのを防ぐため、ボルト３の頭部と部材Ａとの間、及びナット４と部材Ｂとの間に、前記金属管６の外端部を被うワッシャー７が設けられている。

そして、ボルト締結された部材Ａ、Ｂ同士が地震時の荷重によって相対変位することにより、前記鉛からなる金属管６が、図２の（ａ）図から（ｂ）図に示すように、せん断変形、支圧変形が生じ、その際、金属（鉛）が震動エネルギーを吸収することにより、大きな減衰効果を発揮する。

この制振ダンパー１は図３に示す既設の鉄塔Ｔの主柱材１１と腹材１２とのの接合部、具体的には、図４に示すように、主柱材１１の内側部に設けた一つのガセットプレート１３に２つの腹材１２が接続された接続箇所に用いられている。これにより、地震時の応答値（部材応力）を大幅に低減することができる。

次に、この発明の制振ダンパー１について「鉄塔部材継手の繰り返し載荷試験」を行った。

（部材繰り返し試験）
試験体の概要は、図５に示すように、山形鋼、鋼板、ボルト・ナットにより構成され、ボルトとボルト穴とのクリアランスに管状の鉛を挿入して組み立てた試験体を前記鉄塔部材継手の繰り返し載荷試験に用いた。

試験ケースは表１の通りである。なお、ボルトはＭ１６を用いた。また、表１の管状の鉛厚は、ボルト穴の径を変えることにより、鉛から成る金属管の厚さを変えた。

ボルト軸力は締め付けトルクにより管理するものとし、ボルト軸力１は規定トルク、ボルト軸力２は規定トルクの１／２により締め付ける。
ボルト軸力１：締め付けトルク４５Ｎ・ｍ（４６０ｋｇｆ・ｃｍ）、
潤滑油は菜種油使用
ボルト軸力２：締め付けトルク２３Ｎ・ｍ（２３０ｋｇｆ・ｃｍ）、
潤滑油は菜種油使用
また、ナットの戻り回転を防止するため、ナットに緩み止めであるイダリング（商標）を設置する。

（載荷パターン）
Ｍ１６のボルトが２本の場合、せん断接合ボルトの許容応力から算出される部材軸力は、４３．９ｋＮ、降伏点（×１．５）まで考慮するとして、６０ｋＮ程度である。従って、載荷荷重レベルは、２０ｋＮ、４０ｋＮ、６０ｋＮの３段階とし、各３ループの履歴特性をとるものとした。これを図６に示す。

（試験結果）
試験結果の一例（ケース６：鉛厚４ｍｍ、ボルト軸力２）を図７に示す。繰り返し履歴曲線は、載荷荷重の小さい段階から特徴的な履歴ループを描いており、地震荷重作用時に大きな減衰効果を発揮することが分かった。

上記図７の履歴ループは小さいものが載荷荷重レベル２０ｋＮ、中くらいのループが４０ｋＮ、大きいループ（外側のもの）が６０ｋＮのものである。６０ｋＮの際のループは、左下及び右上が尖って変形している。これはボルト結合された部材Ａ、Ｂ同士の相対変位が大きくなり、ボルト穴２の内周とボルト３の外周との間の空隙が無くなったことによるものである。

また、上記実施の形態例１では、鉄塔Ｔの主柱材１１と腹材１２の接合部にこの発明の制振ダンパーを設けたが、この発明の制振ダンパーはこれに限らず、鋼トラス構造物の部材と部材とを接続するせん断ボルト接続部に用いることが出来る。

なお、上記実施の形態例１では、鉛から成る金属管としたが、金属管は鉛に限らず、すず等の金属でも良く、さらに金属に限らず、履歴減衰特性を有する管状体であればよい。また、当該管状体を上記ボルト穴２の内周とボルト３の外周との間の空隙５に嵌め入れた際、管状体の外周とボルト穴の内周、管状体の内周とボルト３の外周の間に多少の間隙があっても良い。

さらに当該管状体は一体なものでなく、軸方向に割った、２つ割り、３つ割りなどの割り片を組み合わせて管状体にしたものでも良い。また、上記ボルト穴２の内周とボルト３の外周との間の空隙５に嵌め入れる管状体６は、１個のものに限らず、複数のものを積み重ねたものでもよい。

また、上記実施の形態例１ではワシャーを用いたが、このワッシャーは必ずしも設けなくても良い。また、ワッシャーに代えて、他の環状板でも良い。

Ａ 部材 Ｂ 部材
１ 制振ダンパー ２ ボルト穴
３ ボルト ４ ナット
５ 空隙 ６ 鉛から成り金属管
７ ワッシャー １１ 主柱材
１２ 腹材 １３ ガセットプレート

Claims (4)

1. せん断ボルト接合方式が適用されている鋼トラス構造物において、当該鋼トラス構造物の部材と部材の接合部のボルト穴とボルトとの間に履歴減衰特性を有する管状体を介在させたことを特徴とする、鋼トラス構造物の制振ダンパー。
2. 前記履歴減衰特性を有する管状体は鉛製である、請求項１に記載の鋼トラス構造物の制振ダンパー。
3. 前記履歴減衰特性を有する管状体は、管状体を軸方向に複数に分割した割り片を集めて管状に構成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の鋼トラス構造物の制振ダンパー。
4. 前記履歴減衰特性を有する管状体の外端面を被う環状板を前記接合部のボルトの両端に設けたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼トラス構造物の制振ダンパー。

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