JP2020118004A - トラス梁 - Google Patents

Abstract

【課題】地震時の変形能力が高く、地震時に弦材や斜材に応力が集中することが抑制されたトラス梁を提供する。【解決手段】トラス梁１は、上弦材２、下弦材３及び斜材４を有する。下弦材３は、本体部６と、本体部６よりも先に塑性化するが座屈が拘束された部材を含む座屈拘束部材７（変形許容部材）とを有する。上弦材２を構成する第１上弦材１５と第２上弦材１６との互いの接合部に、座屈拘束部材７の上方位置する第１斜材１７及び第２斜材１８の上端側が接合している。第１上弦材１５と第２上弦材１６との接合は、少なくとも所定の規模以上の地震時にピン結合とみなせる第１ピン接合構造１９を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、地震時の変形能力が高いトラス梁に関する。

トラス梁は、弦材及び斜材の個材で構成され、弾性域では個々の部材に生じる軸力で抵抗する部材であり、一般的に弦材は直線や曲線、斜材は直線であることが多い。

鉄骨部材の変形能力は、主に個材の幅厚比によって構造特性係数（以下、「Ｄｓ値」と記す）が決まり、Ｈ形鋼などの単材の充腹材部材に適用されている。変形性能が大きいほどＤｓ値は小さな値となり、設計用の地震力が小さくなる。しかし、トラス梁の個材の幅厚比には適用できず、トラス梁自体の部材種別が存在しないため、現時点では特別な検討をしない限り、トラス梁の設計にはＤｓ値を大きく定めることが慣例である。従って、トラス梁を設ける場合には、変形性能に乏しい「建物」として、地震力を大きく（Ｄｓ値を大きく）して設計する必要があり、トラス梁だけでなく、その他の柱・梁も含めて、不経済な設計になっていた。

非特許文献１には、ラーメン骨組に組み込まれた平面トラス部材において、塑性化する部材を座屈拘束部材や、安定した履歴特性を有する部材に交換することにより、トラス架構全体に安定された履歴特性を与える設計が可能で、個材座屈の影響を考慮せず、充腹材（Ｈ形鋼等）と同様に架構を扱うことが可能になると記されている。

例えば特許文献１に、座屈拘束部材が記載されている。この座屈拘束部材は、建物の柱と梁の軸組構造に斜めに配置される制振ブレースとして使用されるものであり、鋼管と、両端部が突出するように鋼管に挿通された鋼製の芯材と、芯材に付着しないように鋼管内に充填された充填材とを有する。鋼管及び充填材によって塑性化する芯材の座屈が拘束されている。

特開２００５−１４６７７３号公報

日本建築学会著「鋼構造座屈設計指針」日本建築学会、２００９年１１月

図９（Ａ）は、トラス梁の下弦材の一部の区間に座屈拘束部材を適用したときにおける、座屈拘束部材の上方の、上弦材と２つの斜材との接合部を示す。ＦＥＭ解析を行ったところ、座屈拘束部材が伸長したとき、接合部では、Ｈ形鋼からなる上弦材の上フランジや、斜材における斜材をガセットプレートに締結するボルトの近傍の領域が降伏域となり、他の部分は弾性域であった。このように、上弦材の上フランジや斜材の一部に応力が集中した。

このような問題に鑑み、本発明は、地震時の変形能力が高いトラス梁であって、地震時に弦材や斜材に応力が集中することが抑制されたトラス梁を提供することを目的とする。

本発明の少なくともいくつかの実施形態は、上弦材（２）、下弦材（３）及び複数の斜材（４）を有するトラス梁（１，３１）であって、前記下弦材は、長尺材を有する本体部（６）と、該下弦材の延在方向の一部の区間において前記本体部に置き換わるように配置され、少なくとも所定の規模以上の地震時に該下弦材の延在方向への単位長さ当たりの変形が前記本体部よりも大きい変形許容部材（７）とを有し、前記斜材は、互いの上端側が下端側よりも近接するように互いに隣り合う第１斜材（１７）及び第２斜材（１８）を含み、前記第１斜材及び／又は前記第２斜材の下方に、前記変形許容部材の少なくとも一部が延在し、前記上弦材は、前記第１斜材の上端側が接合する第１上弦材（１５）と、前記第２斜材の上端側が接合する第２上弦材（１６）とを有し、前記第１上弦材及び前記第２上弦材は、少なくとも所定の規模以上の地震時にピン接合とみなせる第１ピン接合構造（１９，３２）によって互いに接合していることを特徴とする。前記変形許容部材は、所定の荷重を受けたときに前記本体部よりも先に塑性化するとともに座屈が拘束された部材（１０）を含む座屈拘束部材（７）であることが好ましい。

この構成によれば、地震時に変形許容部材（座屈拘束部材）が伸縮しても、第１ピン接合構造よって第１上弦材及び第２上弦材が相対的に回転するため、上弦材及び斜材の変形許容部材（座屈拘束部材）の上方に位置する部分に応力が集中することが抑制される。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（１）は、上記構成において、前記第１上弦材及び前記第２上弦材は、それぞれ、Ｈ形鋼を含み、前記第１ピン接合構造（１９）は、スプライスプレート（１４）と前記第１上弦材及び前記第２上弦材のウェブ（９）に前記スプライスプレートを締結する締結具（２０）とを含み、前記スプライスプレート及び前記ウェブに設けられた通し穴（２４）が前記締結具の軸部を遊びをもって挿通させ、前記第１上弦材及び前記第２上弦材のフランジ（８）が実質的に互いに接合されないように構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、比較的安価な構成で第１ピン接合構造を作成することができる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（１）は、上記構成において、前記第１ピン接合構造は、前記第１上弦材及び前記第２上弦材の前記ウェブに溶接され、前記スプライスプレートが当接する補強板（２３）を有することを特徴とする。

第１上弦材及び第２上弦材のフランジが互いに接合されていないため、軸力がウェブに集約されるところ、この構成によれば、ウェブは、補強板によって補強されるため、集約された軸力に耐えることができる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（１，３１）は、上記構成の何れかにおいて、前記変形許容部材の両端部は、それぞれ、前記第１斜材と前記本体部との接合部、及び前記第２斜材と前記本体部との接合部に接合し、前記変形許容部材の両端部と前記本体部との接合は、少なくとも所定の規模以上の地震時にピン接合とみなせる第２ピン接合構造（２５）を含むことを特徴とする。

この構成によれば、地震時に変形許容部材が伸縮しても、第２ピン接合構造よって本体部と第１斜材及び第２斜材とが相対的に回転するため、その接合部の近傍に応力が集中することが抑制される。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁（１，３１）は、上記構成の何れかにおいて、前記第１ピン接合構造（１９，３２）及び前記変形許容部材は、前記トラス梁の両端部にそれぞれ設けられ、前記第１斜材及び前記第２斜材は、それぞれ、前記トラス梁の端部から２番目及び３番目の前記斜材であることを特徴とする。

この構成によれば、比較的応力が高くなりやすい端部近傍に変形許容部材が配置されるため、効率的に地震時のエネルギーを吸収できる。

本発明によれば、地震時の変形能力が高く、地震時に弦材や斜材に応力が集中することが抑制されたトラス梁を提供することができる。

実施形態に係るトラス梁を示す正面図 実施形態に係るトラス梁における第１ピン接合部を示す正面図 実施形態に係るトラス梁における第１ピン接合部を示す平面図 実施形態に係るトラス梁における第１ピン接合部を示す正面図（スプライスプレート及び締結具の図示を省略したもの） 実施形態に係るトラス梁における第１ピン接合部を示す平面図（スプライスプレート及び締結具の図示を省略したもの） 実施形態に係るトラス梁における第２ピン接合部を示す正面図 変形例に係るトラス梁を示す正面図 実施例に係るトラス梁を模式的に示す正面図 比較例及び実施例に係るトラス梁における接合部のＦＥＭ解析結果を示す正面図（Ａ：比較例、Ｂ：実施例）

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るトラス梁１ついて説明する。以下の説明において、トラス梁１の延在方向を左右方向とする。

図１は、実施形態に係るトラス梁１を示す。トラス梁１は、上弦材２と、上弦材２の下方に配置された下弦材３と、両端部がそれぞれ上弦材２及び下弦材３に接合された複数の斜材４とを有し、両端部が柱５に支持されている。トラス梁１は、概ね左右対称形をなすため、両端部の一方を例に説明するが、他方の端部も同様の構成を有する。

上弦材２及び下弦材３は、概ね水平方向に沿って互いに平行に配置されている。本実施形態の上弦材２及び下弦材３は、直線状の部材であるが、曲線状の部材でもよい。上弦材２は、複数のＨ形鋼等の長尺材を連結することによって形成される。下弦材３は、複数のＨ形鋼等の長尺材を連結することによって形成された本体部６と、下弦材３の延在方向の両端部の近傍において本体部６に置き換わるように配置されて両端部が本体部６に接続された座屈拘束部材７等の変形許容部材とを有する。すなわち、本体部６は、下弦材３の左右両端部の近傍で分離しており、３つに分かれた本体部６が、左右方向に延在する２つの座屈拘束部材７によって連結されている。上弦材２の全体及び下弦材３の本体部６に用いられるＨ形鋼は、１対のフランジ８が上下方向に対向し、ウェブ９が鉛直面に沿うように配置される。

複数の斜材４は、トラス梁１の延在方向の一端側から他端側に向かうにつれ、斜め下方に向かうものと斜め上方に向かうものとが交互に配置される。各々の斜材４は、互いに平行に配置された１対の溝形鋼等の鋼製の長尺材からなる。各々の斜材４の上弦材２及び下弦材３に対する角度は互いに略等しい。

座屈拘束部材７は、両端部が本体部６に接合される芯材１０と、両端部のそれぞれから芯材１０の端部が突出するように芯材１０を挿通させる筒状体１１と、芯材１０に付着しないように筒状体１１に充填されたグラウト等の充填材（図示せず）とを有する。芯材１０は、所定の荷重を受けたときに本体部６よりも先に塑性化する部材であり、延在方向に直交する断面形状が十字になるように、鋼板の両表面に直角に他の鋼板を溶接した鋼材からなる。筒状体１１は、角形や円形の鋼管からなり、充填材と協働して芯材１０の座屈を拘束する。地震時に芯材１０が座屈せずに伸縮することにより、芯材１０にエネルギーが吸収され、トラス梁１の他の部材への負荷が軽減される。なお、変形許容部材は、少なくとも所定の規模以上の地震時に下弦材３の延在方向への単位長さ当たりの変形が本体部６よりも大きい部材である。座屈拘束部材７以外の変形許容部材の例として制振ダンパーが挙げられる。

上弦材２を構成するＨ形鋼同士の接合及び下弦材３の本体部６を構成するＨ形鋼同士の接合は、座屈拘束部材７の上方の接合を除いて、剛接合構造１３である。剛接合構造１３は、互いに接合されるＨ形鋼の端部のウェブ９及びフランジ８のそれぞれの表面にスプライスプレート１４を添え、ウェブ９及びフランジ８のそれぞれと、これに添えられたスプライスプレート１４とをボルト及びナット等の締結具（図示せず）で締結することによって構成される。

上弦材２は座屈拘束部材７の上方で互いに接合される第１上弦材１５及び第２上弦材１６を有する。第１上弦材１５は最も端部に配置されたＨ形鋼であり、第２上弦材１６は端部から２番目に配置されたＨ形鋼である。斜材４は、上端側において互いに近接するように隣り合い、互いの下端部の間に座屈拘束部材７が配置された、第１斜材１７及び第２斜材１８を有する。第１斜材１７は、トラス梁１の端部から２番目に配置された斜材４であり、第２斜材はトラス梁１の端部から３番目に配置された斜材４である。第１斜材１７及び第２斜材１８の上端部の上弦材２への接合部において、第１上弦材１５と第２上弦材１６とが互いに接合する。第１上弦材１５と第２上弦材１６との互いの接合は、通常時は剛接合とみなせるが、所定以上の規模の地震時にはピン接合とみなせる第１ピン接合構造１９である。

図２及び図３に示すように、第１上弦材１５及び第２上弦材１６において、第１ピン接合構造１９によって接合された端部同士は、ウェブ９の両表面に添えられたスプライスプレート１４が、ボルト及びナット等の締結具２０によって締結されるが、フランジ８同士は接合されていない。また、第１斜材１７の上端部が締結されたガセットプレート２１及び第２斜材１８の上端部が締結されたガセットプレート２１は互いに別体であり、それぞれ、第１上弦材１５及び第２上弦材１６に溶接されている。第１斜材１７及び第２斜材１８の上端部のガセットプレート２１を介した第１上弦材１５及び第２上弦材１６への接合は、剛接合とみなせる。なお、図１に示すように、第１斜材１７及び第２斜材１８の上端部以外の、上端側において互いに近接するように隣り合う２つ斜材４の上弦材２への接合は、一体であるガセットプレート２２を介してなされる。同様に下端側において互いに近接するように隣り合う２つの斜材４の下弦材３への接合は、一体であるガセットプレート２２を介してなされる。

図２及び図３に示すように、ガセットプレート２１は、トラス梁１の左右方向及び上下方向に平行に配置された第１鋼板２１ａと、左右方向に直交するように配置されて、取り付けられる第１斜材１７又は第２斜材１８の左右方向外側に当たる第１鋼板２１ａの端部に溶接された第２鋼板２１ｂとを有し、上端において第１上弦材１５又は第２上弦材１６に溶接されている。同様に、図１に示すように、ガセットプレート２２は、左右方向及び上下方向に平行に配置された第１鋼板２２ａと、左右方向に直交するように配置されて、第１鋼板２２ａの表面の左右中央に溶接された第２鋼板２２ｂとを有し、上端において上弦材２に溶接され、又は、下端において下弦材３に溶接されている。各々の斜材４を構成する１対の溝形鋼は、第１鋼板２１ａ，２２ａを挟むように配置される。

図２及び図３に示すように、第１ピン接合構造１９では、第１上弦材１５及び第２上弦材１６のフランジ８同士が接合されておらず、ウェブ９同士でのみ接合されているため、第１上弦材１５及び第２上弦材１６間で伝達される軸力がウェブに集約される。そこで、図４及び図５に示すように、第１上弦材１５及び第２上弦材１６の第１ピン接合構造１９側の端部において、ウェブ９の両表面に補強板２３が溶接されている。補強板２３は上下のフランジ８と等価であり、例えば、補強板２３とフランジ８との材質が互いに同じならば、左右方向に直交する断面において、２枚の補強板２３の合計断面積は、上下のフランジ８の合計断面積に略等しい。このため、第１上弦材１５及び第２上弦材１６において、中間部ではフランジ８によって伝達されていた軸力が第１ピン接合構造１９でウェブ９に向かい、軸力がウェブ９に集中しても、補強板２３で補強されたウェブ９はその力に耐えることができる。

第１上弦材１５及び第２上弦材１６のウェブ９と補強板２３とには、締結具２０を構成するボルトの軸部を挿通させる通し穴２４が設けられている。通し穴２４の直径は軸部の直径よりも大きいため、通し穴２４と軸部との間には遊びが生じている。通常時は、締結具２０、スプライスプレート１４及び補強板２３間の摩擦力によって剛接合状態が維持される。所定以上の規模の地震時には、締結具２０を構成するボルトの頭部及びナットとスプライスプレート１４との間、又はスプライスプレート１４と補強板２３との間にすべりが生じる。この時、通し穴２４とボルトの軸部との間に遊びがあるため、第１上弦材１５及び第２上弦材１６は、左右方向及び上下方向に直交する方向を軸に相対的に所定の範囲で回転可能となる。所望の回転範囲に応じて、遊びの大きさは決定される。通し穴２４を長孔としてもよい。

図６に示すように、本体部６と座屈拘束部材７との接合は、通常時は剛接合とみなせるが、所定以上の規模の地震時にはピン接合とみなせる第２ピン接合構造２５である。Ｈ形鋼によって構成されている本体部６における座屈拘束部材７と接合する側の端部には、座屈拘束部材７の芯材１０の十字の断面形状に対応するように、ウェブ９の両表面に第３鋼板２６が溶接されている。十字状の断面を有する芯材１０の表面と、本体部６のウェブ９及び第３鋼板２６の表面とには、スプライスプレート１４が添えられ、締結具２０によって締結されている。本体部６のウェブ９と、これに連結される芯材１０の鋼材の厚さが相違する場合はフィラープレート（図示せず）が用いられる。芯材１０及び本体部６、並びにスプライスプレート１４の通し穴（図示せず）の直径は、締結具２０を構成するボルトの軸部の直径よりも大きい。このため、第１ピン接合構造１９と同様の理由により、第２ピン接合構造２５は、通常時は剛接合とみなせ、所定以上の規模の地震時にはピン接合とみなせる。

また、芯材１０から第３鋼板２６に伝わった軸力を受けるように、第３鋼板２６における芯材１０とは反対側の端部に、第４鋼板２７が溶接されている。第４鋼板２７は、左右方向に直交するように配置され、端縁が本体部６のフランジ８及びウェブ９に溶接されている。第４鋼板２７によって、芯材１０から本体部６に伝わる軸力が、本体部６のウェブ９だけでなくフランジ８に伝わりやすくなり、また、本体６部のフランジ８で伝達されていた軸力が芯材１０に伝わりやすくなる。なお、第４鋼板２７は、芯材１０から左右方向に離間するにつれて上下のフランジ８に近づくように、正面視でＶ字形状に変更してもよい。

トラス梁１の作用効果について説明する。第１上弦材１５と第２上弦材１６との互いの接合部が剛接合の場合や、上弦材２の一部を構成する１本の長尺材の中間部に第１斜材１７及び第２斜材１８の上端が接合する場合、地震時の芯材１０の伸縮によって、上弦材２におけるこの部分や、第１上弦材１５と第２上弦材１６の上端に大きな曲げ応力が発生する。一方、第１上弦材１５と第２上弦材１６との互いの接合部を第１ピン接合構造１９とすることにより、地震時に芯材１０が伸縮しても、この接合部が回転するため、上弦材２、第１上弦材１５及び第２上弦材１６に曲げ応力が集中することを抑制できる。同様に、下弦材３の本体部６と座屈拘束部材７との互いの接合部を第２ピン接合構造２５とすることにより、この接合部の近傍における本体部６、芯材１０及び斜材４に曲げ応力が集中することを抑制できる。

図７は、変形例に係るトラス梁３１を示す。説明に当たって、上記実施形態と共通する構成は、その説明を省略し同一の符号を付す。このトラス梁３１では、第１上弦材１５と第２上弦材１６との互いの接合が、クレビスによって構成された第１ピン接合構造３２となっている。すなわち、第１上弦材１５と第２上弦材１６との互いの接合は、地震時だけでなく、通常時もピン接合とみなせる。

図８に示すモデルのＦＥＭ解析結果を図９（Ｂ）に示す。また、図９（Ａ）は、比較例として、上弦材２の一部を構成する１本の長尺材の中間部に第１斜材１７及び第２斜材１８の上端が接合する場合のＦＥＭ解析結果を示す。図９は、その下方に配置された座屈拘束部材７の芯材１０（図１参照）が伸長した状態を示しており、ドットパターンで示した部分が、応力が集中して降伏域に達した部分である。

図９（Ａ）に示す比較例では、上弦材２の上側のフランジ８、並びに第１斜材１７及び第２斜材１８の上端近傍が降伏域に達している。一方、図９（Ｂ）に示す実施例では、スプライスプレート１４、及び第１上弦材１５及び第２上弦材１６のウェブ９におけるスプライスプレート１４の近傍で降伏域に達している。スプライスプレート１４が降伏域に達したのは、ボルトが滑って通し穴２４（図４参照）の縁にぶつかるためだと思われ、ウェブ９の一部が降伏域に達したのは、このスプライスプレート１４から応力が伝達されたためと思われる。よって、スプライスプレート１４を強化することにより、トラス梁１の耐震性を高めることができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。トラス梁は、柱以外の建物の構造部材、例えば梁等に支持されてもよい。

１，３１：トラス梁
２：上弦材
３：下弦材
４：斜材
６：本体部
７：座屈拘束部材（変形許容部材）
８：フランジ
９：ウェブ
１０：芯材
１４：スプライスプレート
１５：第１上弦材
１６：第２上弦材
１７：第１斜材
１８：第２斜材
１９，３２：第１ピン接合構造
２０：締結具
２３：補強板
２４：通し穴
２５：第２ピン接合構造

Claims (6)

1. 上弦材、下弦材及び複数の斜材を有するトラス梁であって、
   前記下弦材は、長尺材を有する本体部と、該下弦材の延在方向の一部の区間において前記本体部に置き換わるように配置され、少なくとも所定の規模以上の地震時に該下弦材の延在方向への単位長さ当たりの変形が前記本体部よりも大きい変形許容部材とを有し、
   前記斜材は、互いの上端側が下端側よりも近接するように互いに隣り合う第１斜材及び第２斜材を含み、
   前記第１斜材及び／又は前記第２斜材の下方に、前記変形許容部材の少なくとも一部が延在し、
   前記上弦材は、前記第１斜材の上端側が接合する第１上弦材と、前記第２斜材の上端側が接合する第２上弦材とを有し、
   前記第１上弦材及び前記第２上弦材は、少なくとも所定の規模以上の地震時にピン接合とみなせる第１ピン接合構造によって互いに接合していることを特徴とするトラス梁。
2. 前記変形許容部材は、所定の荷重を受けたときに前記本体部よりも先に塑性化するとともに座屈が拘束された部材を含む座屈拘束部材であることを特徴とする請求項１に記載のトラス梁。
3. 前記第１上弦材及び前記第２上弦材は、それぞれ、Ｈ形鋼を含み、
   前記第１ピン接合構造は、スプライスプレートと前記第１上弦材及び前記第２上弦材のウェブに前記スプライスプレートを締結する締結具とを含み、前記スプライスプレート及び前記ウェブに設けられた通し穴が前記締結具の軸部を遊びをもって挿通させ、前記第１上弦材及び前記第２上弦材のフランジが実質的に互いに接合されないように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のトラス梁。
4. 前記第１ピン接合構造は、前記第１上弦材及び前記第２上弦材の前記ウェブに溶接され、前記スプライスプレートが当接する補強板を有することを特徴とする請求項３に記載のトラス梁。
5. 前記変形許容部材の両端部は、それぞれ、前記第１斜材と前記本体部との接合部、及び前記第２斜材と前記本体部との接合部に接合し、
   前記変形許容部材の両端部と前記本体部との接合は、少なくとも所定の規模以上の地震時にピン接合とみなせる第２ピン接合構造を含むことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のトラス梁。
6. 前記第１ピン接合構造及び前記変形許容部材は、前記トラス梁の両端部にそれぞれ設けられ、前記第１斜材及び前記第２斜材は、それぞれ、前記トラス梁の端部から２番目及び３番目の前記斜材であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のトラス梁。

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