JP4278886B2 - ナット定着装置および補強構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、鉄骨構造、木構造等の建築物をブレースで補強する補強構造や、土木構造物を補強する補強構造に利用できる。
【０００２】
【背景技術】
従来、ビルや住宅等の建築構造物において、地震力、風圧力等による建物の変形を防ぐための補強としてブレースを備えた補強構造がある。ブレースは、柱や梁で構成された長方形の構面の対角線に設けられた斜材であって、地震力や風圧力によって構面が変形しようとすると、この構面の変形に引張応力によって抵抗するものである。
また、擁壁や橋梁等の土木構造物において、砂、粘土、シルト等で形成された比較的流動性の高い構造体について、その変形を防止するために補強材を備えた補強構造がある。補強材は、鋼棒、鋼線、ＦＲＰ等で形成され、その両端が構造体の２点に係合されることにより、構造体が変形して膨張しようとする場合に、この膨張による変形に引張応力によって抵抗するものである。
【０００３】
図８（Ａ）には、ブレースを用いた従来例に係る補強構造１００の立面図が示されている。
補強構造１００は、建物の構造の一部を力学的モデルに置き換えたものであり、略正方形状に形成された基本構造４０と、この基本構造４０の対角線同士を連結することにより補強するブレース４５，４６とを含んで構成されている。
【０００４】
基本構造４０は、２本の柱４１，４２と、これら柱４１，４２の下端間を連結しかつ地盤４７上に設けられた下梁４４と、柱４１，４２の上端間を連結する上梁４３とを備えている。
柱４１は、その上端の連結部分Ａで上梁４３と連結され、その下端の連結部分Ｂで下梁４４と連結されている。
柱４２は、その上端の連結部分Ｃで上梁４３と連結され、その下端の連結部分Ｄで下梁４４と連結されている。
【０００５】
各連結部分Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、水平方向を軸として回動自在とされており、基本構造４０は不安定構造となっている。
また、各連結部分Ａ〜Ｄには、互いに隣接する柱４１，４２および上、下梁４３，４４に跨設されかつ挿通孔５１を有するプレート５０が設けられているが、これらプレート５０は、各連結部分Ａ〜Ｄの回動運動を妨げないようになっている。
【０００６】
ブレース４５は、柱４２および上梁４３の連結部分Ｃのプレート５０と、柱４１および下梁４４の連結部分Ｂのプレート５０とを連結するものである。
ブレース４６は、柱４１および上梁４３の連結部分Ａのプレート５０と、柱４２および下梁４４の連結部分Ｄのプレート５０とを連結するものである。
各ブレース４５，４６は、各プレート５０の挿通孔５１に挿通されるボルト部材５２と、このボルト部材５２の両端に螺合されて各プレート５０の外側に係合された２つのナット部材５３とを含んで構成され、各プレート５０同士が近接する方向に変形しても内部応力は発生しないが、離隔する方向に変形すると各ボルト部材５２に引張応力が発生するようになっている。
したがって、各ブレース４５，４６によって、補強構造１００は一次不静定構造とされている。
また、ボルト部材５２の両端のナット部材５３同士の距離は、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離、連結部分Ａ−Ｄ間の距離と等しく、Ｌとなっている。
【０００７】
図８（Ｂ）には、補強構造１００に水平力Ｐを付与した場合の立面図が示されている。
補強構造１００において、柱４１の連結部分Ａに水平力Ｐを図８（Ｂ）中矢印方向（以降、正の向きと呼ぶ）に加えると、柱４１の上端は正の向きにδだけ移動する。
この時、連結部分Ａ−Ｄ間の距離は縮まるが、ブレース４６はプレート５０の外側に係合されているため、ブレース４６に引張力も圧縮力も作用しない。
一方、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離は伸びるため、ブレース４５に引張力が作用し、ブレース４５が基本構造４０の変形に抵抗することとなる。
【０００８】
また、図示しないが、水平力Ｐを負の向きに加えていくと、歪みδは負の向きに徐々に増加する。この時、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離は縮まるため、ブレース４５に引張力も圧縮力も作用しないが、連結部分Ａ−Ｄ間の距離は伸びるため、ブレース４６に引張力が作用し、ブレース４６が基本構造４０の変形に抵抗することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば、正の向きに水平力Ｐが作用した場合、ブレース４５に引張力が作用して弾性変形するが、ブレース４５の弾性限界を超えると、ブレース４５は塑性変形し、水平力Ｐを解除しても残留歪みが生成する。その後、再び正の向きに水平力Ｐが作用した場合、既に生成した残留歪みに重ねて残留歪みが生成されて、残留歪みが蓄積されるという現象が発生していた。
【００１０】
図９には、従来例に係る補強構造１００に付与された水平力Ｐとこの水平力Ｐによる歪みδとの関係が示されている。
（ＳＴ１−１）
補強構造１００において、柱４１の連結部分Ａに水平力Ｐを正の向きに加えると、柱４１の上端は正の向きにδだけ移動する。この時、ブレース４５に作用する引張力をＴとし、この引張力Ｔによってブレース４５に発生した歪みをＹとすると、補強構造１００の水平力Ｐ、歪みδは、以下の式で表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
また、ブレース４５の断面積をＳ、ヤング係数をＥとすると、ブレース４５の引張力Ｔと歪みＹとの関係、および水平力Ｐと歪みδとの関係は、以下のようになる。
【００１３】
【数２】
【００１４】
よって、水平力Ｐを０から徐々に増加させると、歪みδも０から増加し、ブレース４５の弾性限度までは、加えた水平力Ｐに比例して歪みδが増大する。ここで、ブレース４５の弾性限度における補強構造１００の水平力Ｐ、歪みδをそれぞれＰ１、δ１とする。なお、弾性限度は、厳密には比例限度と異なるが、両者を区別することが困難であるため、ここでは同じ意味として扱う。
【００１５】
（ＳＴ１−２）
水平力Ｐが、弾性限度における水平力Ｐ１を超えると、ブレース４５のボルト部材５２の塑性変形が始まり、水平力ＰがほぼＰ１のままであっても歪みδがδ１から増大する。歪みδがδ２に達するまで水平力Ｐが加わったものとする。
【００１６】
（ＳＴ１−３）
その後、水平力Ｐを徐々に減少させると、歪みδも徐々に減少するが、水平力Ｐが完全に除去されて０になっても歪みδは０とならず、補強構造１００にブレース４５の塑性変形による残留歪みδ３（＝δ２−δ１）が生成される。
【００１７】
（ＳＴ１−４）〜（ＳＴ１−６）
今度は、水平力Ｐを負の向きに加えていくと、ブレース４５には圧縮力も引張力も作用せず、ブレース４６に引張力が作用するから、歪みδは０から負の向きに徐々に増加する。したがって、（ＳＴ１−１）〜（ＳＴ１−３）と原点に関して点対称のグラフとなる。負の向きに加えた水平力Ｐによって、残留歪み−δ３が生成される。
【００１８】
（ＳＴ１−７）
再び、水平力Ｐを正の向きに加えると、ブレース４５に引張力が作用するが、補強構造１００には残留歪みδ３が既に生成されているため、水平力Ｐがほぼ０の状態であっても、歪みδが−δ３からδ３まで増加する現象（以降、スリップ現象と呼ぶ）が発生する。
したがって、歪みδは、残留歪みδ３から増加することになり、弾性限度（水平力Ｐ１、歪みδ２）までは、加えた水平力Ｐに比例して歪みδが増加し、結果的には（ＳＴ１−３）を逆に辿るグラフとなる。
【００１９】
（ＳＴ１−８）
水平力Ｐが、弾性限度における水平力Ｐ１を超えると、ブレース４５の塑性変形が始まり、水平力ＰがほぼＰ１のままであっても歪みδがδ２から増大する。歪みδがδ４に達するまで水平力Ｐが加わったものとする。
【００２０】
（ＳＴ１−９）
その後、水平力Ｐを徐々に減少させると、歪みδも徐々に減少するが、水平力Ｐが完全に除去されて０になっても、歪みδは０とならず、補強構造１００にブレース４５の塑性変形による残留歪みδ５（＝δ４−δ１）が生成される。この残留歪みδ５は、最初に正の向きに加えた水平力Ｐによって生成した残留歪みδ３と、２回目に正の向きに加えた水平力Ｐによって生成した残留歪みとの和となっている。
【００２１】
（ＳＴ１−１０）〜（ＳＴ１−１２）
さらに、水平力Ｐを負の向きに加えると、ブレース４６に引張力が作用するが、（ＳＴ１−７）と同様にスリップ現象が発生して、水平力Ｐがほぼ０の状態であっても、歪みδがδ５から−δ３まで減少する。したがって、歪みδは残留歪み−δ３から負の向きに徐々に増加し、（ＳＴ１−７）〜（ＳＴ１−９）と原点に関して点対称のグラフとなる。
【００２２】
以上のことから、弾性限界における水平力Ｐ１を超える水平力Ｐが繰り返し作用した場合、ブレース４５，４６のボルト部材５２に塑性変形による残留歪みがスリップ現象によって蓄積され、補強構造１００の変形が徐々に大きくなっていくことが判る。
【００２３】
したがって、建築構造物の補強構造において、地震や台風等によってブレースの弾性限界における水平力Ｐ１を超える水平力Ｐが繰り返し作用した場合、建物の変形が大きくなり、建物が損壊する可能性があった。
また、土木構造物の補強構造においても、建築構造物と同様に、構造体のクリープ現象や地震動による締め固めによってスリップ現象が発生し、構造体が損壊する可能性があった。
【００２４】
本発明の目的は、弾性限界を超える引張力が繰り返し作用した場合でも、構造体の変形を抑制できるナット定着装置および補強構造を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のナット定着装置および補強構造は、次の構成を採用する。請求項１に記載の補強構造は、構造体にその一端側で係合されたボルト部材と、このボルト部材の他端側に螺合されて前記構造体に係合されたナット部材とを備えた補強構造において、前記ナット部材を前記ボルト部材に対して締付け方向に付勢するナット定着装置を備え、前記ナット定着装置は、前記ナット部材と前記構造体との間に介装されるプレート上に回転自在に固定された円筒形のドラムと、一端部分が前記ドラムに巻き回され他端部分が前記ナット部材の外周側面に連結された渦巻きばねとを備え、前記渦巻きばねは、前記ナット部材の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、例えば、地震や台風等によって弾性限界を超える引張力が繰り返し作用し、ボルト部材が塑性変形して構造体に係合されたナット部材が緩む場合でも、ナット定着装置の付勢力によってナット部材が自動的に回転され、これらの変形による歪みが解消されることになる。すなわち、ナット部材と構造体との間に隙間が生じてもすぐに解消されるから、ナット部材を常に構造体に定着させて、ボルト部材の塑性変形による残留歪みの蓄積を防止でき、構造体の変形を抑制できる。
また、ナット部材の外周側面を付勢するので、内周側を付勢する場合に比べて回転モーメントが大きくなるため、大きい回転力をナット部材に与えることができるから、ナット部材を容易に構造体に定着させることができる。
さらに、渦巻きばねでナット部材を締付け方向に引っ張ることにより付勢するので、ナット部材を締付け方向に押すことによって回転させた場合に比べ、渦巻きばね自体が座屈して付勢力が低下することがなく、付勢力をナット部材に安定して付与することができる。
そして、渦巻きばねの一端がドラムに巻き回され他端がナット部材に連結されているので、ボルト部材にコイルばねを支持させた場合に比べ、大型の渦巻きばねを用いることができ、大きな付勢力でナット部材を確実に回転させることができる。
また、ナット部材と構造体との間にプレートが介装され、渦巻きばねは、プレートを介して構造体に支持されているので、構造体を傷めることなく渦巻きばねを含むナット定着装置を取り付けることができ、構造体の耐力の低下を抑えることができる。
【００３２】
請求項２に記載のナット定着装置は、構造体にその一端側で係合されたボルト部材の他端側に螺合され、かつ前記構造体に係合されたナット部材を前記構造体に定着させるナット定着装置であって、前記ナット部材と前記構造体との間に介装されるプレート上に回転自在に固定された円筒形のドラムと、一端部分が前記ドラムに巻き回され他端部分が前記ナット部材の外周側面に連結された渦巻きばねとを備え、前記渦巻きばねは、前記ナット部材の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢することを特徴とする。この発明によれば、請求項１と同様に、地震や台風等によってボルト部材の弾性限界を超える引張力が繰り返し作用しても、繰り返し作用による歪みが蓄積することがなく、構造体の変形を抑制できる。
また、ナット部材の外周側面を付勢するので、内周側を付勢する場合に比べて回転モーメントが大きくなるため、大きい回転力をナット部材に与えることができるから、ナット部材を容易に構造体に定着させることができる。
さらに、渦巻きばねでナット部材を締付け方向に引っ張ることにより付勢するので、ナット部材を締付け方向に押すことによって回転させた場合に比べ、渦巻きばね自体が座屈して付勢力が低下することがなく、付勢力をナット部材に安定して付与することができる。
そして、渦巻きばねの一端がドラムに巻き回され他端がナット部材に連結されているので、ボルト部材にコイルばねを支持させた場合に比べ、大型の渦巻きばねを用いることができ、大きな付勢力でナット部材を確実に回転させることができる。
また、ナット部材と構造体との間にプレートが介装され、渦巻きばねは、プレートを介して構造体に支持されているので、構造体を傷めることなく渦巻きばねを含むナット定着装置を取り付けることができ、構造体の耐力の低下を抑えることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１（Ａ）には、本実施形態に係る建物の補強構造１０の立面図が示されている。
補強構造１０は、建物の構造の一部を力学的モデルに置き換えたものであり、上述した補強構造１００と同様に、略正方形状に形成された構造体としての基本構造４０と、この基本構造４０の対角線同士を連結することにより補強するブレース４５，４６とを含んで構成されている。
ブレース４５，４６は、基本構造４０の連結部分Ｂ、Ａにその一端側で係合されたボルト部材５２と、このボルト部材５２の他端側に螺合されて基本構造４０の連結部分Ｃ、Ｄに係合されたナット部材５３とを備え、各連結部分Ａ〜Ｄに設けられたプレート５０上には、ナット定着装置２０が設けられている。
【００３４】
図２には、ナット定着装置２０の全体斜視図が示されている。
ナット定着装置２０は、ナット部材５３をボルト部材５２に対して締付け方向に付勢するものであって、円筒形のドラム２２と、このドラム２２に巻き回されナット部材５３に連結された弾性部材、ここでは渦巻きばね２３と、ドラム２２をプレート５０上に回転自在に固定する固定ボルト２１とを備えている。
【００３５】
ドラム２２は、その中心軸に挿通孔２６を有する円筒形の芯部２４と、この芯部２４の両端に拡がる鍔部２５とを備えている。
固定ボルト２１は、芯部２４の挿通孔２６に挿通されてプレート５０に螺合されるようになっている。
渦巻きばね２３は、帯状の板ばねを冷間加工によって芯部２４の外周に渦巻状に複数回巻き回したものであって、巻き回された曲げ状態から、その一端を引っ張って直線状態にすることによって、この直線状態から曲げ状態への復元力によってばね作用を示すものである。
渦巻きばね２３は、その他端がドラム２２の芯部２４にねじ等で連結されて支持されて、この芯部２４の外周を巻き回された後、その一端がナット部材５３の外周側面にねじ等で固定されることにより、ナット部材５３の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢するようになっている。
ここで、渦巻きばね２３の両端を、各々ドラム２２の芯部２４およびナット部材５３にねじで連結したが、これに限らず、ボルト、溶接等他の方法で連結されてもよい。また、芯部２４に渦巻きばね２３を巻き回す回数は特に限定されない。
【００３６】
以上のような状態では、ナット部材５３は、その下面にプレート５０に接触する接触面５３Ａを有し、ナット部材５３を締め付けることにより接触面５３Ａでプレート５０を押圧している。このため、この押圧力に比例して、接触面５３Ａにナット部材５３の締付け方向と反対方向の静摩擦力Ｆが発生し、渦巻きばね２３の復元力によるナット部材５３の締付け方向の力Ｂと釣り合った状態となっている。
【００３７】
ナット定着装置２０の取付方法としては、以下のようになる。
先ず、ボルト部材５２をプレート５０の挿通孔５１に挿通し、ナット部材５３を螺合して締め付けた状態としておく。ドラム２２に渦巻きばね２３を巻き回したものを工場にて製作した後、現場に運搬して、固定ボルト２１によってプレート５０に固定する。続いて、渦巻きばね２３の一端側に引張力を付与して引出して伸びた状態で、ナット部材５３の外周側面にねじで固定する。
【００３８】
図１（Ｂ）には、補強構造１０に水平力Ｐを付与した場合の立面図が示され、図３には、水平力Ｐとこの水平力Ｐによる歪みδとの関係が示されている。また、図４（Ａ）および図４（Ｂ）には、ブレース４５およびブレース４６に作用する引張力Ｔとこの引張力による歪みＹとの関係が示されている。
【００３９】
（ＳＴ２−１）
補強構造１０において、柱４１の連結部分Ａに水平力Ｐを図１（Ｂ）中矢印方向（以降、正の向きと呼ぶ）に加えると、柱４１の上端は正の向きにδだけ移動し、（ＳＴ１−１）と同様なグラフとなる。
すなわち、水平力Ｐを０から徐々に増加させると、図４（Ａ）に示すように、ブレース４５に引張力Ｔが作用して弾性変形し、歪みＹが０から増加して、弾性限度までは、引張力Ｔに比例して歪みＹが増大する。ここで、ブレース４５の弾性限度における引張力Ｔ、歪みＹをそれぞれＴ１、Ｙ１とすると、補強構造１０の弾性限度における水平力Ｐ１、歪みδ１は、以下の式で表される。
【００４０】
【数３】
【００４１】
このような補強構造１０の変形に伴って、連結部分Ａ−Ｄ間の距離がＹ１だけ縮まるため、ブレース４６のナット部材５３はプレート５０から離れようとするから、ナット部材５３の接触面５３Ａのプレート５０への押圧力が減少し、これに伴って静摩擦力Ｆが減少する（図２参照）。これに対し、ナット定着装置２０の渦巻きばね２３の復元力によるナット部材５３の締付け方向の力Ｂは一定であるから、ナット部材５３の締付け方向の力Ｂが静摩擦力Ｆより大きくなって、ナット部材５３が締付け方向に回転する。
すると、ナット部材５３が回転することによって、再びナット部材５３の接触面５３Ａがプレート５０に押しつけられて押圧力が増大し、この押圧力に比例して動摩擦力Ｆ´が発生して、ナット部材５３の締付け方向の力Ｂに抵抗することとなり、締付け方向の力Ｂと釣り合ったところでナット部材５３の回転が停止する。
したがって、図４（Ｂ）に示すように、ナット定着装置２０によってナット部材５３は常にプレート５０に密着することとなるから、ナット部材５３間の距離Ｙ１だけ縮まって、ブレース４６の歪みＹは、−Ｙ１となる。
【００４２】
（ＳＴ２−２）
ブレース４５の引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１を超えると、つまり補強構造１０に加える水平力ＰがＰ１を超えると、（ＳＴ１−２）と同様に、ブレース４５のボルト部材５２の塑性変形が始まり、引張力ＴがほぼＴ１のままであっても歪みＹがＹ１から増大する。ブレース４５の歪みＹがＹ２に達するまで引張力Ｔ１が加わったものとすると、補強構造１０の歪みδ２は以下の式で表される。
【００４３】
【数４】
【００４４】
このような補強構造１０の変形に伴って、連結部分Ａ−Ｄ間の距離がさらにＹ２まで縮まるため、ナット定着装置２０によってブレース４６の歪みＹは−Ｙ２となる。
【００４５】
（ＳＴ２−３）
その後、水平力ＰをＰ１から徐々に減少させると、ブレース４５に作用する引張力ＴがＴ１から減少し、これに伴って、ブレース４５の歪みＹもＹ２から減少し、補強構造１０の歪みδもδ２から減少する。このような補強構造１０の変形に伴って、ブレース４６のナット部材５３はプレート５０に弛みなく係合されているため、ブレース４６に作用する引張力Ｔが発生し、０から徐々に増加するとともに、ブレース４６の歪みＹも−Ｙ２から増加する。
その結果、水平力Ｐが０になると、ブレース４６によってブレース４５に作用する引張力Ｔと、ブレース４５によってブレース４６に作用する引張力Ｔとが等しく釣り合う状態となるから、この時ブレース４５およびブレース４６に作用する引張力Ｔ３、歪みＹ３、補強構造１０の歪みδ３は、以下の式で表される。
【００４６】
【数５】
【００４７】
よって、補強構造１０における（ＳＴ２−３）のグラフの傾きは、（ＳＴ２−１）のグラフの傾きの１／２となっている。
【００４８】
（ＳＴ２−４）
今度は、補強構造１０に水平力Ｐを負の向きに加えると、ブレース４６において、ブレース４５による引張力Ｔ３に加えて、水平力Ｐによる引張力Ｔが徐々に増加し、弾性限度における引張力Ｔ１までは、引張力Ｔに比例して歪みＹが−Ｙ３から増大する。弾性限度におけるブレース４６の歪み−Ｙ４は、以下の式で表される。
【００４９】
【数６】
【００５０】
ブレース４５においては、水平力Ｐによる補強構造１０の変形によって、ブレース４６による引張力ＴがＴ３から徐々に減少し、ブレース４６に作用する引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１に達すると同時に、ブレース４５の引張力Ｔは０となり、歪みＹは、Ｙ３からＹ４となる。
したがって、補強構造１０の水平力Ｐ４、歪みδ４は、以下の式で表される。
【００５１】
【数７】
【００５２】
（ＳＴ２−５）
ブレース４６の引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１を超えると、つまり補強構造１０に加える水平力がＰ４を超えると、（ＳＴ２−２）と同様に、ブレース４６のボルト部材５２の塑性変形が始まり、引張力ＴがほぼＴ１のままであっても歪みＹが−Ｙ４から増加する。ブレース４６の歪みＹが０に達するまで引張力Ｔ１が加わったものとする（図４（Ａ）参照）。
また、補強構造１０の変形に伴って、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離が縮まるため、ナット定着装置２０によってブレース４６のナット部材５３間の距離が縮まって、ブレース４５の歪みＹは、Ｙ４から０となる。
したがって、補強構造１０の歪みδは０になる。
【００５３】
（ＳＴ２−６）
その後、水平力ＰをＰ１から徐々に減少させると、ブレース４６に作用する引張力ＴがＴ１から減少し、これに伴って、ブレース４６の歪みＹも０から減少し、補強構造１０の歪みδも０から減少する。よって、ブレース４５のナット部材５３はプレート５０に弛みなく係合されているため、ブレース４５に作用する引張力Ｔが発生し、この引張力Ｔは０から徐々に増加するとともに、ブレース４５の歪みＹも０から増加する。
その結果、水平力Ｐが０になると、ブレース４６によってブレース４５に作用する引張力Ｔと、ブレース４５によってブレース４６に作用する引張力Ｔとが等しく釣り合う状態となるから、ブレース４５およびブレース４６に作用する引張力Ｔ６、歪みＹ６、補強構造１０の歪みδ６は、以下の式で表される。
【００５４】
【数８】
【００５５】
よって、補強構造１０における（ＳＴ２−６）のグラフの傾きは、（ＳＴ２−３）のグラフと同様になっており、ブレース４５およびブレース４６の引張力Ｔ６はＴ３にほぼ等しく、歪みＹ６はＹ３にほぼ等しくなっている。
【００５６】
（ＳＴ２−７）
再び、補強構造１０に水平力Ｐを正の向きに加えると、ブレース４５において、ブレース４６による引張力Ｔ６に加えて、水平力Ｐによる引張力が徐々に増加し、弾性限度における引張力Ｔ１までは、引張力Ｔに比例して歪みＹがＹ６から増大する。弾性限度におけるブレース４５の歪みＹ７はＹ１とほぼ等しくなっている。
ブレース４６においては、水平力Ｐによる補強構造１０の変形によって、ブレース４５による引張力が徐々に減少し、ブレース４５に作用する引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１に達すると同時に、ブレース４６の引張力Ｔは０となり、歪みＹは、−Ｙ６から−Ｙ７となる。
この時、補強構造１０の水平力Ｐ７はＰ１にほぼ等しく、歪みδ７はδ１にほぼ等しくなる。
【００５７】
以上の挙動を繰り返すことにより、補強構造１０に弾性限度における水平力Ｐ１が繰り返し作用した場合でも、スリップ現象が起こることなく、その変形を抑制できることが判る。
【００５８】
したがって、本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）補強構造１０にナット部材５３を締付け方向に付勢するナット定着装置２０を設けたので、例えば、地震や台風等によって弾性限界を超える引張力が繰り返し作用し、ボルト部材５２が塑性変形して補強構造１０に係合されたナット部材５３が緩む場合でも、ナット定着装置２０の付勢力によってナット部材５３が自動的に回転され、塑性変形による歪みが解消されることになる。すなわち、ナット部材５３とプレート５０との間に隙間が生じてもすぐに解消されるから、ナット部材５３を常にプレート５０に定着させて、ボルト部材５２の塑性変形による残留歪みの蓄積を防止でき、補強構造１０の変形を抑制できる。
【００５９】
（２）ナット定着装置２０でナット部材５３の外周側面を付勢したので、内周側を付勢する場合に比べて回転モーメントが大きくなるため、大きい回転力をナット部材５３に与えることができるから、ナット部材５３を容易にプレート５０に定着させることができる。
【００６０】
（３）ナット定着装置２０に渦巻きばね２３を設け、この渦巻きばね２３に引張力を付与して直線状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に引っ張って回転させたので、ナット部材５３を締付け方向に押すことによって回転させる場合に比べ、渦巻きばね２３自体が座屈して付勢力が低下することがなく、付勢力をナット部材５３に安定して付与することができる。
【００６１】
（４）プレート５０に渦巻きばね２３を支持させてナット部材５３を回転させたので、ボルト部材５２にコイルばねを支持させた場合に比べ、大型の渦巻きばねを用いることができ、大きな付勢力でナット部材５３を確実に回転させることができる。
【００６２】
〔第２実施形態〕
図５には、本発明の第２実施形態に係るナット定着装置３０の全体斜視図である。
本実施形態において、ナット定着装置３０は、第１実施形態と異なり、全体がコイルばねであって、その一端がボルト部材５２の端部近傍に溶接されて支持され、その他端がナット部材５３の外周面に溶接されて連結されている。
このようなナット定着装置３０の取付方法としては、先ず、ボルト部材５２をプレート５０の挿通孔５１に挿通し、ナット部材５３を螺合して締め付けた状態としておく。その後、ナット定着装置３０の一端をボルト部材５２の端部近傍に溶接し、ナット定着装置３０の他端をナット部材５３の緩む方向に引っ張った状態で、つまり、コイルばねに剪断力を付与した状態で、ナット部材５３に溶接固定する。
【００６３】
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態で述べた(１)、(２)の効果に加え、以下の効果がある。
（５）ボルト部材５２に反力をとりながらナット部材５３を回転させるから、ナット部材５３がボルト部材５２と共回りすることがなく、ナット部材５３をボルト部材５２に対して確実に回転させることができる。
【００６４】
〔第３実施形態〕
図６には、本発明の第３実施形態に係る補強構造６０が示されている。
補強構造６０は、地中に埋設された鉄筋コンクリート製のプレート６１と、地上に設けられた鉄筋コンクリート製のプレート６２と、これらプレート６１，６２の間に介装された構造体としての盛土層６３と、この盛土層６３を貫通してプレート６１，６２を連結する２つの補強材６４とを備えている。
補強構造６０は、補強材６４がプレート６１，６２を介して盛土層６３を締め付けることにより、盛土層６３を構成する土粒子間の空隙を解消し、構造体としての耐力を向上させるようになっている。
【００６５】
補強材６４は、第１実施形態におけるブレース４５，４６と同様の構造を有し、その一端側のナット部材５３がプレート６１に埋設されてプレート６１と一体化され、その他端側のナット部材５３がプレート６２に係合されている。
プレート６２上には、ナット定着装置２０が設けられ、補強材６４のナット部材５３に連結されている。
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態で述べた(１)〜(４)と同様の効果がある。
【００６６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第１実施形態では、ナット定着装置２０を直接補強構造１０のプレート５０に支持したが、これに限らず、ナット部材５３とプレート５０との間にアンカープレートを介装し、このアンカープレートを介してナット定着装置２０をプレート５０で支持してもよい。
このようにすれば、補強構造１０を傷めることなくナット定着装置２０を取り付けることができ、補強構造１０の構造耐力の低下を抑えることができる。
【００６７】
また、第１実施形態では、ナット定着装置２０の渦巻きばね２３を引っ張った状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に引っ張ることによって付勢したが、これに限らず、渦巻きばね２３を巻く向きを逆にして、渦巻きばね２３の縮んだ状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に押すことによって付勢してもよい。
【００６８】
また、第２実施形態では、ナット定着装置３０に剪断力を付与して、ナット部材５３の緩む方向に伸びた状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に引っ張ることによって付勢したが、これに限らず、図７に示すように、ナット定着装置３０のコイルばねを巻く向きを逆にしたナット定着装置３１を用いて、ナット定着装置３１の縮んだ状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に押すことによって付勢してもよい。
【００６９】
また、各実施形態では、弾性部材として、コイルばね、渦巻きばねを用いたが、これに限らず、板ばね等その他のばねを用いてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明のナット定着装置および補強構造によれば、次のような効果が得られる。
ナット部材を締付け方向に付勢するナット定着装置を設けたので、例えば、地震や台風等によって弾性限界を超える引張力が繰り返し作用し、ボルト部材が塑性変形して構造体に係合されたナット部材が緩む場合でも、ナット定着装置の付勢力によってナット部材が自動的に回転され、これらの変形による歪みが解消されることになる。すなわち、ナット部材と構造体との間に隙間が生じてもすぐに解消されるから、ナット部材を常に構造体に定着させて、ボルト部材の塑性変形による残留歪みの蓄積を防止でき、構造体の変形を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る補強構造に水平力を付与する前および付与した後を示す立面図である。
【図２】前記実施形態に係るナット定着装置の全体斜視図である。
【図３】前記実施形態に係る補強構造に付与された水平力とこの水平力による歪みとの関係を示す図である。
【図４】前記実施形態に係る補強構造のボルト部材に作用する引張力とこの引張力による歪みとの関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るナット定着装置を示す全体斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る補強構造を示す断面図である。
【図７】本発明の変形例に係るナット定着装置を示す全体斜視図である。
【図８】従来例に係る補強構造に水平力を付与する前および付与した後を示す立面図である。
【図９】従来例に係る補強構造に付与された水平力とこの水平力による歪みとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１０，６０，１００ 補強構造
２０，３０ ナット定着装置
２３ 弾性部材としての渦巻きばね
４０ 構造体としての基本構造
５２ ボルト部材
５３ ナット部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、鉄骨構造、木構造等の建築物をブレースで補強する補強構造や、土木構造物を補強する補強構造に利用できる。
【０００２】
【背景技術】
従来、ビルや住宅等の建築構造物において、地震力、風圧力等による建物の変形を防ぐための補強としてブレースを備えた補強構造がある。ブレースは、柱や梁で構成された長方形の構面の対角線に設けられた斜材であって、地震力や風圧力によって構面が変形しようとすると、この構面の変形に引張応力によって抵抗するものである。
また、擁壁や橋梁等の土木構造物において、砂、粘土、シルト等で形成された比較的流動性の高い構造体について、その変形を防止するために補強材を備えた補強構造がある。補強材は、鋼棒、鋼線、ＦＲＰ等で形成され、その両端が構造体の２点に係合されることにより、構造体が変形して膨張しようとする場合に、この膨張による変形に引張応力によって抵抗するものである。
【０００３】
図８（Ａ）には、ブレースを用いた従来例に係る補強構造１００の立面図が示されている。
補強構造１００は、建物の構造の一部を力学的モデルに置き換えたものであり、略正方形状に形成された基本構造４０と、この基本構造４０の対角線同士を連結することにより補強するブレース４５，４６とを含んで構成されている。
【０００４】
基本構造４０は、２本の柱４１，４２と、これら柱４１，４２の下端間を連結しかつ地盤４７上に設けられた下梁４４と、柱４１，４２の上端間を連結する上梁４３とを備えている。
柱４１は、その上端の連結部分Ａで上梁４３と連結され、その下端の連結部分Ｂで下梁４４と連結されている。
柱４２は、その上端の連結部分Ｃで上梁４３と連結され、その下端の連結部分Ｄで下梁４４と連結されている。
【０００５】
各連結部分Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、水平方向を軸として回動自在とされており、基本構造４０は不安定構造となっている。
また、各連結部分Ａ〜Ｄには、互いに隣接する柱４１，４２および上、下梁４３，４４に跨設されかつ挿通孔５１を有するプレート５０が設けられているが、これらプレート５０は、各連結部分Ａ〜Ｄの回動運動を妨げないようになっている。
【０００６】
ブレース４５は、柱４２および上梁４３の連結部分Ｃのプレート５０と、柱４１および下梁４４の連結部分Ｂのプレート５０とを連結するものである。
ブレース４６は、柱４１および上梁４３の連結部分Ａのプレート５０と、柱４２および下梁４４の連結部分Ｄのプレート５０とを連結するものである。
各ブレース４５，４６は、各プレート５０の挿通孔５１に挿通されるボルト部材５２と、このボルト部材５２の両端に螺合されて各プレート５０の外側に係合された２つのナット部材５３とを含んで構成され、各プレート５０同士が近接する方向に変形しても内部応力は発生しないが、離隔する方向に変形すると各ボルト部材５２に引張応力が発生するようになっている。
したがって、各ブレース４５，４６によって、補強構造１００は一次不静定構造とされている。
また、ボルト部材５２の両端のナット部材５３同士の距離は、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離、連結部分Ａ−Ｄ間の距離と等しく、Ｌとなっている。
【０００７】
図８（Ｂ）には、補強構造１００に水平力Ｐを付与した場合の立面図が示されている。
補強構造１００において、柱４１の連結部分Ａに水平力Ｐを図８（Ｂ）中矢印方向（以降、正の向きと呼ぶ）に加えると、柱４１の上端は正の向きにδだけ移動する。
この時、連結部分Ａ−Ｄ間の距離は縮まるが、ブレース４６はプレート５０の外側に係合されているため、ブレース４６に引張力も圧縮力も作用しない。
一方、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離は伸びるため、ブレース４５に引張力が作用し、ブレース４５が基本構造４０の変形に抵抗することとなる。
【０００８】
また、図示しないが、水平力Ｐを負の向きに加えていくと、歪みδは負の向きに徐々に増加する。この時、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離は縮まるため、ブレース４５に引張力も圧縮力も作用しないが、連結部分Ａ−Ｄ間の距離は伸びるため、ブレース４６に引張力が作用し、ブレース４６が基本構造４０の変形に抵抗することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば、正の向きに水平力Ｐが作用した場合、ブレース４５に引張力が作用して弾性変形するが、ブレース４５の弾性限界を超えると、ブレース４５は塑性変形し、水平力Ｐを解除しても残留歪みが生成する。その後、再び正の向きに水平力Ｐが作用した場合、既に生成した残留歪みに重ねて残留歪みが生成されて、残留歪みが蓄積されるという現象が発生していた。
【００１０】
図９には、従来例に係る補強構造１００に付与された水平力Ｐとこの水平力Ｐによる歪みδとの関係が示されている。
（ＳＴ１−１）
補強構造１００において、柱４１の連結部分Ａに水平力Ｐを正の向きに加えると、柱４１の上端は正の向きにδだけ移動する。この時、ブレース４５に作用する引張力をＴとし、この引張力Ｔによってブレース４５に発生した歪みをＹとすると、補強構造１００の水平力Ｐ、歪みδは、以下の式で表される。
【００１１】
【数１】
また、ブレース４５の断面積をＳ、ヤング係数をＥとすると、ブレース４５の引張力Ｔと歪みＹとの関係、および水平力Ｐと歪みδとの関係は、以下のようになる。
【００１３】
【数２】
よって、水平力Ｐを０から徐々に増加させると、歪みδも０から増加し、ブレース４５の弾性限度までは、加えた水平力Ｐに比例して歪みδが増大する。ここで、ブレース４５の弾性限度における補強構造１００の水平力Ｐ、歪みδをそれぞれＰ１、δ１とする。なお、弾性限度は、厳密には比例限度と異なるが、両者を区別することが困難であるため、ここでは同じ意味として扱う。
【００１５】
（ＳＴ１−２）
水平力Ｐが、弾性限度における水平力Ｐ１を超えると、ブレース４５のボルト部材５２の塑性変形が始まり、水平力ＰがほぼＰ１のままであっても歪みδがδ１から増大する。歪みδがδ２に達するまで水平力Ｐが加わったものとする。
【００１６】
（ＳＴ１−３）
その後、水平力Ｐを徐々に減少させると、歪みδも徐々に減少するが、水平力Ｐが完全に除去されて０になっても歪みδは０とならず、補強構造１００にブレース４５の塑性変形による残留歪みδ３（＝δ２−δ１）が生成される。
【００１７】
（ＳＴ１−４）〜（ＳＴ１−６）
今度は、水平力Ｐを負の向きに加えていくと、ブレース４５には圧縮力も引張力も作用せず、ブレース４６に引張力が作用するから、歪みδは０から負の向きに徐々に増加する。したがって、（ＳＴ１−１）〜（ＳＴ１−３）と原点に関して点対称のグラフとなる。負の向きに加えた水平力Ｐによって、残留歪み−δ３が生成される。
【００１８】
（ＳＴ１−７）
再び、水平力Ｐを正の向きに加えると、ブレース４５に引張力が作用するが、補強構造１００には残留歪みδ３が既に生成されているため、水平力Ｐがほぼ０の状態であっても、歪みδが−δ３からδ３まで増加する現象（以降、スリップ現象と呼ぶ）が発生する。
したがって、歪みδは、残留歪みδ３から増加することになり、弾性限度（水平力Ｐ１、歪みδ２）までは、加えた水平力Ｐに比例して歪みδが増加し、結果的には（ＳＴ１−３）を逆に辿るグラフとなる。
【００１９】
（ＳＴ１−８）
水平力Ｐが、弾性限度における水平力Ｐ１を超えると、ブレース４５の塑性変形が始まり、水平力ＰがほぼＰ１のままであっても歪みδがδ２から増大する。歪みδがδ４に達するまで水平力Ｐが加わったものとする。
【００２０】
（ＳＴ１−９）
その後、水平力Ｐを徐々に減少させると、歪みδも徐々に減少するが、水平力Ｐが完全に除去されて０になっても、歪みδは０とならず、補強構造１００にブレース４５の塑性変形による残留歪みδ５（＝δ４−δ１）が生成される。この残留歪みδ５は、最初に正の向きに加えた水平力Ｐによって生成した残留歪みδ３と、２回目に正の向きに加えた水平力Ｐによって生成した残留歪みとの和となっている。
【００２１】
（ＳＴ１−１０）〜（ＳＴ１−１２）
さらに、水平力Ｐを負の向きに加えると、ブレース４６に引張力が作用するが、（ＳＴ１−７）と同様にスリップ現象が発生して、水平力Ｐがほぼ０の状態であっても、歪みδがδ５から−δ３まで減少する。したがって、歪みδは残留歪み−δ３から負の向きに徐々に増加し、（ＳＴ１−７）〜（ＳＴ１−９）と原点に関して点対称のグラフとなる。
【００２２】
以上のことから、弾性限界における水平力Ｐ１を超える水平力Ｐが繰り返し作用した場合、ブレース４５，４６のボルト部材５２に塑性変形による残留歪みがスリップ現象によって蓄積され、補強構造１００の変形が徐々に大きくなっていくことが判る。
【００２３】
したがって、建築構造物の補強構造において、地震や台風等によってブレースの弾性限界における水平力Ｐ１を超える水平力Ｐが繰り返し作用した場合、建物の変形が大きくなり、建物が損壊する可能性があった。
また、土木構造物の補強構造においても、建築構造物と同様に、構造体のクリープ現象や地震動による締め固めによってスリップ現象が発生し、構造体が損壊する可能性があった。
【００２４】
本発明の目的は、弾性限界を超える引張力が繰り返し作用した場合でも、構造体の変形を抑制できるナット定着装置および補強構造を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のナット定着装置および補強構造は、次の構成を採用する。請求項１に記載の補強構造は、構造体にその一端側で係合されたボルト部材と、このボルト部材の他端側に螺合されて前記構造体に係合されたナット部材とを備えた補強構造において、前記ナット部材を前記ボルト部材に対して締付け方向に付勢するナット定着装置を備え、前記ナット定着装置は、前記ナット部材と前記構造体との間に介装されるプレート上に回転自在に固定された円筒形のドラムと、一端部分が前記ドラムに巻き回され他端部分が前記ナット部材の外周側面に連結された渦巻きばねとを備え、前記渦巻きばねは、前記ナット部材の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、例えば、地震や台風等によって弾性限界を超える引張力が繰り返し作用し、ボルト部材が塑性変形して構造体に係合されたナット部材が緩む場合でも、ナット定着装置の付勢力によってナット部材が自動的に回転され、これらの変形による歪みが解消されることになる。すなわち、ナット部材と構造体との間に隙間が生じてもすぐに解消されるから、ナット部材を常に構造体に定着させて、ボルト部材の塑性変形による残留歪みの蓄積を防止でき、構造体の変形を抑制できる。
また、ナット部材の外周側面を付勢するので、内周側を付勢する場合に比べて回転モーメントが大きくなるため、大きい回転力をナット部材に与えることができるから、ナット部材を容易に構造体に定着させることができる。
さらに、渦巻きばねでナット部材を締付け方向に引っ張ることにより付勢するので、ナット部材を締付け方向に押すことによって回転させた場合に比べ、渦巻きばね自体が座屈して付勢力が低下することがなく、付勢力をナット部材に安定して付与することができる。
そして、渦巻きばねの一端がドラムに巻き回され他端がナット部材に連結されているので、ボルト部材にコイルばねを支持させた場合に比べ、大型の渦巻きばねを用いることができ、大きな付勢力でナット部材を確実に回転させることができる。
また、ナット部材と構造体との間にプレートが介装され、渦巻きばねは、プレートを介して構造体に支持されているので、構造体を傷めることなく渦巻きばねを含むナット定着装置を取り付けることができ、構造体の耐力の低下を抑えることができる。
【００３２】
請求項２に記載のナット定着装置は、構造体にその一端側で係合されたボルト部材の他端側に螺合され、かつ前記構造体に係合されたナット部材を前記構造体に定着させるナット定着装置であって、前記ナット部材と前記構造体との間に介装されるプレート上に回転自在に固定された円筒形のドラムと、一端部分が前記ドラムに巻き回され他端部分が前記ナット部材の外周側面に連結された渦巻きばねとを備え、前記渦巻きばねは、前記ナット部材の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢することを特徴とする。この発明によれば、請求項１と同様に、地震や台風等によってボルト部材の弾性限界を超える引張力が繰り返し作用しても、繰り返し作用による歪みが蓄積することがなく、構造体の変形を抑制できる。
また、ナット部材の外周側面を付勢するので、内周側を付勢する場合に比べて回転モーメントが大きくなるため、大きい回転力をナット部材に与えることができるから、ナット部材を容易に構造体に定着させることができる。
さらに、渦巻きばねでナット部材を締付け方向に引っ張ることにより付勢するので、ナット部材を締付け方向に押すことによって回転させた場合に比べ、渦巻きばね自体が座屈して付勢力が低下することがなく、付勢力をナット部材に安定して付与することができる。
そして、渦巻きばねの一端がドラムに巻き回され他端がナット部材に連結されているので、ボルト部材にコイルばねを支持させた場合に比べ、大型の渦巻きばねを用いることができ、大きな付勢力でナット部材を確実に回転させることができる。
また、ナット部材と構造体との間にプレートが介装され、渦巻きばねは、プレートを介して構造体に支持されているので、構造体を傷めることなく渦巻きばねを含むナット定着装置を取り付けることができ、構造体の耐力の低下を抑えることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１（Ａ）には、本実施形態に係る建物の補強構造１０の立面図が示されている。
補強構造１０は、建物の構造の一部を力学的モデルに置き換えたものであり、上述した補強構造１００と同様に、略正方形状に形成された構造体としての基本構造４０と、この基本構造４０の対角線同士を連結することにより補強するブレース４５，４６とを含んで構成されている。
ブレース４５，４６は、基本構造４０の連結部分Ｂ、Ａにその一端側で係合されたボルト部材５２と、このボルト部材５２の他端側に螺合されて基本構造４０の連結部分Ｃ、Ｄに係合されたナット部材５３とを備え、各連結部分Ａ〜Ｄに設けられたプレート５０上には、ナット定着装置２０が設けられている。
【００３４】
図２には、ナット定着装置２０の全体斜視図が示されている。
ナット定着装置２０は、ナット部材５３をボルト部材５２に対して締付け方向に付勢するものであって、円筒形のドラム２２と、このドラム２２に巻き回されナット部材５３に連結された弾性部材、ここでは渦巻きばね２３と、ドラム２２をプレート５０上に回転自在に固定する固定ボルト２１とを備えている。
【００３５】
ドラム２２は、その中心軸に挿通孔２６を有する円筒形の芯部２４と、この芯部２４の両端に拡がる鍔部２５とを備えている。
固定ボルト２１は、芯部２４の挿通孔２６に挿通されてプレート５０に螺合されるようになっている。
渦巻きばね２３は、帯状の板ばねを冷間加工によって芯部２４の外周に渦巻状に複数回巻き回したものであって、巻き回された曲げ状態から、その一端を引っ張って直線状態にすることによって、この直線状態から曲げ状態への復元力によってばね作用を示すものである。
渦巻きばね２３は、その他端がドラム２２の芯部２４にねじ等で連結されて支持されて、この芯部２４の外周を巻き回された後、その一端がナット部材５３の外周側面にねじ等で固定されることにより、ナット部材５３の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢するようになっている。
ここで、渦巻きばね２３の両端を、各々ドラム２２の芯部２４およびナット部材５３にねじで連結したが、これに限らず、ボルト、溶接等他の方法で連結されてもよい。また、芯部２４に渦巻きばね２３を巻き回す回数は特に限定されない。
【００３６】
以上のような状態では、ナット部材５３は、その下面にプレート５０に接触する接触面５３Ａを有し、ナット部材５３を締め付けることにより接触面５３Ａでプレート５０を押圧している。このため、この押圧力に比例して、接触面５３Ａにナット部材５３の締付け方向と反対方向の静摩擦力Ｆが発生し、渦巻きばね２３の復元力によるナット部材５３の締付け方向の力Ｂと釣り合った状態となっている。
【００３７】
ナット定着装置２０の取付方法としては、以下のようになる。
先ず、ボルト部材５２をプレート５０の挿通孔５１に挿通し、ナット部材５３を螺合して締め付けた状態としておく。ドラム２２に渦巻きばね２３を巻き回したものを工場にて製作した後、現場に運搬して、固定ボルト２１によってプレート５０に固定する。続いて、渦巻きばね２３の一端側に引張力を付与して引出して伸びた状態で、ナット部材５３の外周側面にねじで固定する。
【００３８】
図１（Ｂ）には、補強構造１０に水平力Ｐを付与した場合の立面図が示され、図３には、水平力Ｐとこの水平力Ｐによる歪みδとの関係が示されている。また、図４（Ａ）および図４（Ｂ）には、ブレース４５およびブレース４６に作用する引張力Ｔとこの引張力による歪みＹとの関係が示されている。
【００３９】
（ＳＴ２−１）
補強構造１０において、柱４１の連結部分Ａに水平力Ｐを図１（Ｂ）中矢印方向（以降、正の向きと呼ぶ）に加えると、柱４１の上端は正の向きにδだけ移動し、（ＳＴ１−１）と同様なグラフとなる。
すなわち、水平力Ｐを０から徐々に増加させると、図４（Ａ）に示すように、ブレース４５に引張力Ｔが作用して弾性変形し、歪みＹが０から増加して、弾性限度までは、引張力Ｔに比例して歪みＹが増大する。ここで、ブレース４５の弾性限度における引張力Ｔ、歪みＹをそれぞれＴ１、Ｙ１とすると、補強構造１０の弾性限度における水平力Ｐ１、歪みδ１は、以下の式で表される。
【００４０】
【数３】
このような補強構造１０の変形に伴って、連結部分Ａ−Ｄ間の距離がＹ１だけ縮まるため、ブレース４６のナット部材５３はプレート５０から離れようとするから、ナット部材５３の接触面５３Ａのプレート５０への押圧力が減少し、これに伴って静摩擦力Ｆが減少する（図２参照）。これに対し、ナット定着装置２０の渦巻きばね２３の復元力によるナット部材５３の締付け方向の力Ｂは一定であるから、ナット部材５３の締付け方向の力Ｂが静摩擦力Ｆより大きくなって、ナット部材５３が締付け方向に回転する。
すると、ナット部材５３が回転することによって、再びナット部材５３の接触面５３Ａがプレート５０に押しつけられて押圧力が増大し、この押圧力に比例して動摩擦力Ｆ´が発生して、ナット部材５３の締付け方向の力Ｂに抵抗することとなり、締付け方向の力Ｂと釣り合ったところでナット部材５３の回転が停止する。
したがって、図４（Ｂ）に示すように、ナット定着装置２０によってナット部材５３は常にプレート５０に密着することとなるから、ナット部材５３間の距離Ｙ１だけ縮まって、ブレース４６の歪みＹは、−Ｙ１となる。
【００４２】
（ＳＴ２−２）
ブレース４５の引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１を超えると、つまり補強構造１０に加える水平力ＰがＰ１を超えると、（ＳＴ１−２）と同様に、ブレース４５のボルト部材５２の塑性変形が始まり、引張力ＴがほぼＴ１のままであっても歪みＹがＹ１から増大する。ブレース４５の歪みＹがＹ２に達するまで引張力Ｔ１が加わったものとすると、補強構造１０の歪みδ２は以下の式で表される。
【００４３】
【数４】
このような補強構造１０の変形に伴って、連結部分Ａ−Ｄ間の距離がさらにＹ２まで縮まるため、ナット定着装置２０によってブレース４６の歪みＹは−Ｙ２となる。
【００４５】
（ＳＴ２−３）
その後、水平力ＰをＰ１から徐々に減少させると、ブレース４５に作用する引張力ＴがＴ１から減少し、これに伴って、ブレース４５の歪みＹもＹ２から減少し、補強構造１０の歪みδもδ２から減少する。このような補強構造１０の変形に伴って、ブレース４６のナット部材５３はプレート５０に弛みなく係合されているため、ブレース４６に作用する引張力Ｔが発生し、０から徐々に増加するとともに、ブレース４６の歪みＹも−Ｙ２から増加する。
その結果、水平力Ｐが０になると、ブレース４６によってブレース４５に作用する引張力Ｔと、ブレース４５によってブレース４６に作用する引張力Ｔとが等しく釣り合う状態となるから、この時ブレース４５およびブレース４６に作用する引張力Ｔ３、歪みＹ３、補強構造１０の歪みδ３は、以下の式で表される。
【００４６】
【数５】
よって、補強構造１０における（ＳＴ２−３）のグラフの傾きは、（ＳＴ２−１）のグラフの傾きの１／２となっている。
【００４８】
（ＳＴ２−４）
今度は、補強構造１０に水平力Ｐを負の向きに加えると、ブレース４６において、ブレース４５による引張力Ｔ３に加えて、水平力Ｐによる引張力Ｔが徐々に増加し、弾性限度における引張力Ｔ１までは、引張力Ｔに比例して歪みＹが−Ｙ３から増大する。弾性限度におけるブレース４６の歪み−Ｙ４は、以下の式で表される。
【００４９】
【数６】
ブレース４５においては、水平力Ｐによる補強構造１０の変形によって、ブレース４６による引張力ＴがＴ３から徐々に減少し、ブレース４６に作用する引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１に達すると同時に、ブレース４５の引張力Ｔは０となり、歪みＹは、Ｙ３からＹ４となる。
したがって、補強構造１０の水平力Ｐ４、歪みδ４は、以下の式で表される。
【００５１】
【数７】
（ＳＴ２−５）
ブレース４６の引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１を超えると、つまり補強構造１０に加える水平力がＰ４を超えると、（ＳＴ２−２）と同様に、ブレース４６のボルト部材５２の塑性変形が始まり、引張力ＴがほぼＴ１のままであっても歪みＹが−Ｙ４から増加する。ブレース４６の歪みＹが０に達するまで引張力Ｔ１が加わったものとする（図４（Ａ）参照）。
また、補強構造１０の変形に伴って、連結部分Ｂ−Ｃ間の距離が縮まるため、ナット定着装置２０によってブレース４６のナット部材５３間の距離が縮まって、ブレース４５の歪みＹは、Ｙ４から０となる。
したがって、補強構造１０の歪みδは０になる。
【００５３】
（ＳＴ２−６）
その後、水平力ＰをＰ１から徐々に減少させると、ブレース４６に作用する引張力ＴがＴ１から減少し、これに伴って、ブレース４６の歪みＹも０から減少し、補強構造１０の歪みδも０から減少する。よって、ブレース４５のナット部材５３はプレート５０に弛みなく係合されているため、ブレース４５に作用する引張力Ｔが発生し、この引張力Ｔは０から徐々に増加するとともに、ブレース４５の歪みＹも０から増加する。
その結果、水平力Ｐが０になると、ブレース４６によってブレース４５に作用する引張力Ｔと、ブレース４５によってブレース４６に作用する引張力Ｔとが等しく釣り合う状態となるから、ブレース４５およびブレース４６に作用する引張力Ｔ６、歪みＹ６、補強構造１０の歪みδ６は、以下の式で表される。
【００５４】
【数８】
よって、補強構造１０における（ＳＴ２−６）のグラフの傾きは、（ＳＴ２−３）のグラフと同様になっており、ブレース４５およびブレース４６の引張力Ｔ６はＴ３にほぼ等しく、歪みＹ６はＹ３にほぼ等しくなっている。
【００５６】
（ＳＴ２−７）
再び、補強構造１０に水平力Ｐを正の向きに加えると、ブレース４５において、ブレース４６による引張力Ｔ６に加えて、水平力Ｐによる引張力が徐々に増加し、弾性限度における引張力Ｔ１までは、引張力Ｔに比例して歪みＹがＹ６から増大する。弾性限度におけるブレース４５の歪みＹ７はＹ１とほぼ等しくなっている。
ブレース４６においては、水平力Ｐによる補強構造１０の変形によって、ブレース４５による引張力が徐々に減少し、ブレース４５に作用する引張力Ｔが弾性限度における引張力Ｔ１に達すると同時に、ブレース４６の引張力Ｔは０となり、歪みＹは、−Ｙ６から−Ｙ７となる。
この時、補強構造１０の水平力Ｐ７はＰ１にほぼ等しく、歪みδ７はδ１にほぼ等しくなる。
【００５７】
以上の挙動を繰り返すことにより、補強構造１０に弾性限度における水平力Ｐ１が繰り返し作用した場合でも、スリップ現象が起こることなく、その変形を抑制できることが判る。
【００５８】
したがって、本実施形態によれば以下の効果がある。
（１）補強構造１０にナット部材５３を締付け方向に付勢するナット定着装置２０を設けたので、例えば、地震や台風等によって弾性限界を超える引張力が繰り返し作用し、ボルト部材５２が塑性変形して補強構造１０に係合されたナット部材５３が緩む場合でも、ナット定着装置２０の付勢力によってナット部材５３が自動的に回転され、塑性変形による歪みが解消されることになる。すなわち、ナット部材５３とプレート５０との間に隙間が生じてもすぐに解消されるから、ナット部材５３を常にプレート５０に定着させて、ボルト部材５２の塑性変形による残留歪みの蓄積を防止でき、補強構造１０の変形を抑制できる。
【００５９】
（２）ナット定着装置２０でナット部材５３の外周側面を付勢したので、内周側を付勢する場合に比べて回転モーメントが大きくなるため、大きい回転力をナット部材５３に与えることができるから、ナット部材５３を容易にプレート５０に定着させることができる。
【００６０】
（３）ナット定着装置２０に渦巻きばね２３を設け、この渦巻きばね２３に引張力を付与して直線状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に引っ張って回転させたので、ナット部材５３を締付け方向に押すことによって回転させる場合に比べ、渦巻きばね２３自体が座屈して付勢力が低下することがなく、付勢力をナット部材５３に安定して付与することができる。
【００６１】
（４）プレート５０に渦巻きばね２３を支持させてナット部材５３を回転させたので、ボルト部材５２にコイルばねを支持させた場合に比べ、大型の渦巻きばねを用いることができ、大きな付勢力でナット部材５３を確実に回転させることができる。
【００６２】
〔第２実施形態〕
図５には、本発明の第２実施形態に係るナット定着装置３０の全体斜視図である。
本実施形態において、ナット定着装置３０は、第１実施形態と異なり、全体がコイルばねであって、その一端がボルト部材５２の端部近傍に溶接されて支持され、その他端がナット部材５３の外周面に溶接されて連結されている。
このようなナット定着装置３０の取付方法としては、先ず、ボルト部材５２をプレート５０の挿通孔５１に挿通し、ナット部材５３を螺合して締め付けた状態としておく。その後、ナット定着装置３０の一端をボルト部材５２の端部近傍に溶接し、ナット定着装置３０の他端をナット部材５３の緩む方向に引っ張った状態で、つまり、コイルばねに剪断力を付与した状態で、ナット部材５３に溶接固定する。
【００６３】
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態で述べた(１)、(２)の効果に加え、以下の効果がある。
（５）ボルト部材５２に反力をとりながらナット部材５３を回転させるから、ナット部材５３がボルト部材５２と共回りすることがなく、ナット部材５３をボルト部材５２に対して確実に回転させることができる。
【００６４】
〔第３実施形態〕
図６には、本発明の第３実施形態に係る補強構造６０が示されている。
補強構造６０は、地中に埋設された鉄筋コンクリート製のプレート６１と、地上に設けられた鉄筋コンクリート製のプレート６２と、これらプレート６１，６２の間に介装された構造体としての盛土層６３と、この盛土層６３を貫通してプレート６１，６２を連結する２つの補強材６４とを備えている。
補強構造６０は、補強材６４がプレート６１，６２を介して盛土層６３を締め付けることにより、盛土層６３を構成する土粒子間の空隙を解消し、構造体としての耐力を向上させるようになっている。
【００６５】
補強材６４は、第１実施形態におけるブレース４５，４６と同様の構造を有し、その一端側のナット部材５３がプレート６１に埋設されてプレート６１と一体化され、その他端側のナット部材５３がプレート６２に係合されている。
プレート６２上には、ナット定着装置２０が設けられ、補強材６４のナット部材５３に連結されている。
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態で述べた(１)〜(４)と同様の効果がある。
【００６６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第１実施形態では、ナット定着装置２０を直接補強構造１０のプレート５０に支持したが、これに限らず、ナット部材５３とプレート５０との間にアンカープレートを介装し、このアンカープレートを介してナット定着装置２０をプレート５０で支持してもよい。
このようにすれば、補強構造１０を傷めることなくナット定着装置２０を取り付けることができ、補強構造１０の構造耐力の低下を抑えることができる。
【００６７】
また、第１実施形態では、ナット定着装置２０の渦巻きばね２３を引っ張った状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に引っ張ることによって付勢したが、これに限らず、渦巻きばね２３を巻く向きを逆にして、渦巻きばね２３の縮んだ状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に押すことによって付勢してもよい。
【００６８】
また、第２実施形態では、ナット定着装置３０に剪断力を付与して、ナット部材５３の緩む方向に伸びた状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に引っ張ることによって付勢したが、これに限らず、図７に示すように、ナット定着装置３０のコイルばねを巻く向きを逆にしたナット定着装置３１を用いて、ナット定着装置３１の縮んだ状態からの復元力でナット部材５３を締付け方向に押すことによって付勢してもよい。
【００６９】
また、各実施形態では、弾性部材として、コイルばね、渦巻きばねを用いたが、これに限らず、板ばね等その他のばねを用いてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明のナット定着装置および補強構造によれば、次のような効果が得られる。
ナット部材を締付け方向に付勢するナット定着装置を設けたので、例えば、地震や台風等によって弾性限界を超える引張力が繰り返し作用し、ボルト部材が塑性変形して構造体に係合されたナット部材が緩む場合でも、ナット定着装置の付勢力によってナット部材が自動的に回転され、これらの変形による歪みが解消されることになる。すなわち、ナット部材と構造体との間に隙間が生じてもすぐに解消されるから、ナット部材を常に構造体に定着させて、ボルト部材の塑性変形による残留歪みの蓄積を防止でき、構造体の変形を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る補強構造に水平力を付与する前および付与した後を示す立面図である。
【図２】前記実施形態に係るナット定着装置の全体斜視図である。
【図３】前記実施形態に係る補強構造に付与された水平力とこの水平力による歪みとの関係を示す図である。
【図４】前記実施形態に係る補強構造のボルト部材に作用する引張力とこの引張力による歪みとの関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るナット定着装置を示す全体斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る補強構造を示す断面図である。
【図７】本発明の変形例に係るナット定着装置を示す全体斜視図である。
【図８】従来例に係る補強構造に水平力を付与する前および付与した後を示す立面図である。
【図９】従来例に係る補強構造に付与された水平力とこの水平力による歪みとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１０，６０，１００ 補強構造
２０，３０ ナット定着装置
２３ 弾性部材としての渦巻きばね
４０ 構造体としての基本構造
５２ ボルト部材
５３ ナット部材
Claims (2)
- 構造体にその一端側で係合されたボルト部材と、このボルト部材の他端側に螺合されて前記構造体に係合されたナット部材とを備えた補強構造において、前記ナット部材を前記ボルト部材に対して締付け方向に付勢するナット定着装置を備え、前記ナット定着装置は、前記ナット部材と前記構造体との間に介装されるプレート上に回転自在に固定された円筒形のドラムと、一端部分が前記ドラムに巻き回され他端部分が前記ナット部材の外周側面に連結された渦巻きばねとを備え、前記渦巻きばねは、前記ナット部材の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢することを特徴とする補強構造。
- 構造体にその一端側で係合されたボルト部材の他端側に螺合され、かつ前記構造体に係合されたナット部材を前記構造体に定着させるナット定着装置であって、前記ナット部材と前記構造体との間に介装されるプレート上に回転自在に固定された円筒形のドラムと、一端部分が前記ドラムに巻き回され他端部分が前記ナット部材の外周側面に連結された渦巻きばねとを備え、前記渦巻きばねは、前記ナット部材の外周側面を締付け方向に引っ張って付勢することを特徴とするナット定着装置。
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