JP5017724B2 - 鋼材 - Google Patents

Description

本発明は、複数の部材が組み立てられて形成される鋼材に関する。

従来、地震時や暴風時などの非常時の荷重エネルギーを吸収可能な各種構造が研究、開発されている。エネルギー吸収能力を有するＲＣ（鉄筋コンクリート）またはＰＣ（プレキャスト）架構の場合、非常時の荷重に対して弾性範囲内で変形し、降伏しない高強度の曲げ引張鋼材と、非常時の荷重のエネルギーを熱に変換して吸収するダンパーとがそれぞれ、別個の部材として設けられていた。
なお、ブレース架構はエネルギー吸収機構を有しておらず、非常時の荷重に対して降伏しないようにブレース部材の断面に余裕を持たせている。ブレース部材が降伏すると残留変形が残って所謂スリップ現象を起こし、耐震上好ましくないからである。

ここで、プレストレストコンクリート部材に関し、プレストレス導入のための鋼材（第２の鋼材）を形成するほかに、プレストレス導入の際に降伏時ひずみを超えてまたは応力度が降伏点応力度近傍となるように引張力が導入される鋼材（第１の鋼材）を形成することが提案されている（特許文献１）。このプレストレストコンクリート部材では、小さい曲げモーメントが加わることで第１の鋼材が荷重エネルギーを消費するので、プレストレストコンクリートが大きく損傷して鋼材が塑性変形する前の段階においてコンクリート部材の応答を抑制できる。

また、曲げ引張鋼材自体にエネルギー吸収能力を持たせる試みがなされている（特許文献２）。この特許文献２に記載された引張鋼材は、焼入れおよび焼戻しすることによりフェライトとマルテンサイトとの混合組織を持つ。すなわち、焼入れした棒鋼を表面のみ焼き戻すことにより、引張鋼材の表面から所定の深さまでが低強度部とされ、低強度部の内側は高強度部とされている。これらの低強度部および高強度部は引張鋼材の同一横断面内に共存している。このような低強度部と高強度部とを引張鋼材に形成することにより、低強度部における荷重に対するひずみと高強度部における荷重に対するひずみとが合成されるので、降伏点を高くでき、かつエネルギー消費量を大きくすることができる。

特許第３２６５７６９号 特許第２９６７０１８号

従来のＲＣまたはＰＣ架構のようにダンパーと曲げ引張鋼材とが別個に設けられる構成では、ダンパーが構造躯体外部に配置され当該ダンパーを隠すための壁が必要となったり、人間の動線の邪魔になったりという設計上の制約が生じてしまう。また、曲げ引張鋼材およびダンパーのそれぞれが別個に構成されることで品質管理が必要な部品点数が増加するため、作業効率に劣るうえ施工品質の安定性の確保が困難となる。特許文献１においても第１の鋼材と第２の鋼材との二つの部材を必要とするから、現場施工点数の増加によって作業効率が低下するとともに施工品質の安定性の確保が困難となる。
そのため、引張鋼材自体にエネルギー吸収能力を持たせることが好ましいが、特許文献２のような焼入れおよび焼き戻しによる構成では、低強度部および高強度部のそれぞれの強度やこれらの強度差、低強度部の深さなどを均一に管理することが難しく、やはり施工品質の安定性の確保が課題となる。

以上に鑑みて、本発明の目的は、地震等の荷重エネルギーを吸収可能なうえ、現場での施工点数が増えず、施工品質の安定性の確保が容易な曲げ引張鋼材を提供することにある。

本発明の鋼材は、軸方向両端側の部分がそれぞれ構造躯体に固定される鋼管と、前記鋼管に挿入され、両端部がそれぞれ前記鋼管の端部に固定される棒鋼と、前記鋼管の両端部にそれぞれ設けられ前記棒鋼を前記鋼管に固定するとともに、前記鋼管が圧縮された際に前記棒鋼を軸方向外側から軸方向内側に向かって押さえる固定部材と、を備え、前記鋼管は、前記棒鋼の強度よりも高強度であり、前記棒鋼は、前記鋼管の降伏点よりも低降伏点であることを特徴とする。

この発明では、荷重のエネルギーが構造躯体に作用することにより鋼管に引張力が作用した際には、鋼管と棒鋼との端部同士が適宜な固定手段により固定されているため鋼管および棒鋼が伸びる。
一方、荷重のエネルギーにより鋼管に圧縮力が作用した際には、鋼管に作用した圧縮力が固定部材を介して棒鋼に伝達されることにより、棒鋼は鋼管の端部から飛び出したり撓むことなく、鋼管内に拘束された状態で圧縮される。
ここで、棒鋼の降伏点を超える荷重が加わり棒鋼が降伏した後も鋼管は弾性範囲内で変形するため、鋼管の降伏点に棒鋼による負担分を加えた鋼材全体としての大きな降伏点が得られる。
また、降伏後の棒鋼は、荷重による応力が増加することなく鋼管により拘束された状態でひずみだけが増加するため、荷重の載荷および除荷によるヒステリシスを大きく確保できる。この棒鋼の履歴性状に対応する荷重エネルギーが消費されることから、エネルギー消費量を大きくできる。
以上のように、本発明では鋼管が棒鋼よりも高強度とされ、かつ棒鋼が鋼管よりも低降伏点とされていることによって、前述のように鋼材全体としての降伏点を大きくできるとともに、エネルギー消費量を大きくできる。

またさらに、本発明では、鋼管および棒鋼のそれぞれの端部同士を適宜な固定手段によって固定することにより、現場施工前にこれらの鋼管および棒鋼を一体化することが可能となるので、現場での施工点数が増えない。また、鋼管および棒鋼のそれぞれの強度を管理すればよいため、一部材の内部に高強度部と低降伏点部とが形成される場合よりも部品の品質を保証しやすい。これらの点で、施工品質の安定性の確保が容易となる。

本発明の鋼材において、前記固定部材はそれぞれ、前記鋼管の外周部に形成された鋼管雄ネジ部に螺合される袋ナットであることが好ましい。

この発明によれば、袋ナットにより棒鋼を鋼管に容易に固定できるとともに、鋼管に圧縮力が作用した際に袋ナットの底部によって棒鋼をより確実に押さえることができる。

本発明の鋼材において、前記袋ナットの少なくとも一方は、前記構造躯体に前記鋼管を固定することが好ましい。

この発明によれば、袋ナットが鋼管の構造躯体への取付手段を兼ねるため、構成を簡略にできる。

本発明の鋼材において、前記鋼管は、その降伏点または０．２％耐力が３９０N／ｍｍ^２を超えるか、もしくは引張強さが４９０N／ｍｍ^２を超えることが好ましい。

ここで、降伏点または０．２％耐力が３９０N／ｍｍ^２に相当する鋼材は、例えば、鉄筋コンクリート造用の異形鉄筋ＳＤ３９０である。建築学会の鉄筋コンクリート造の設計基準書において、このＳＤ３９０までは許容応力度が決められている。
また、引張強さが４９０N／ｍｍ^２に相当する鋼材は、例えば、鉄骨造用の鋼材ＳＮ４９０（ＳＭ４９０）である。建築学会の鉄骨造の設計基準書において、このＳＮ４９０（ＳＭ４９０）までは許容応力度が決められている。
以上から、降伏点または０．２％耐力が３９０N／ｍｍ^２を超えるほど鋼管が高強度の場合、または引張強さが４９０N／ｍｍ^２を超えるほど鋼管が高強度である場合に、鋼材全体としての降伏点をより高くできる。

本発明の鋼材において、前記棒鋼の両端部にはそれぞれ、前記鋼管に挿入された状態で前記鋼管の端部から軸方向外側に突出する棒鋼雄ネジ部が形成され、前記鋼管の端部と前記棒鋼の端部とは、前記棒鋼雄ネジ部に棒鋼固定ナットが螺合されることによって固定されていることが好ましい。

この発明によれば、鋼管と棒鋼とがネジ固定されるので、鋼管と棒鋼とを容易にかつ強固に固定できる。

本発明の鋼材において、前記鋼管の両端部内周にはそれぞれ、雌ネジ部が形成され、前記棒鋼の両端部にはそれぞれ、前記雌ネジ部との間に硬化樹脂が設けられる雄ネジ部が形成されることが好ましい。

この発明では、硬化樹脂が雄ネジ部と雌ネジ部とに固着することによって鋼管の端部と棒鋼の端部とが固定され、前述と略同様の効果が得られる。

以上の本発明によれば、地震等の荷重エネルギーを吸収可能なうえ、現場での施工点数が増えず、施工品質の安定性の確保が容易な曲げ引張鋼材を提供できる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、既に説明した構成と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略もしくは簡略する。
図１は、本実施形態における鋼材を示す一部破断側面図である。この鋼材は、曲げ引張鋼材１０と、曲げ引張鋼材１０における軸方向一端側の部分を構造躯体の取付プレート９に取付固定する取付ナット２０と、曲げ引張鋼材１０における軸方向一端部に設けられる固定部材としての第１袋ナット３０と、曲げ引張鋼材１０の軸方向他端部に設けられて曲げ引張鋼材１０を構造躯体の取付プレート９に取付固定する固定部材としての第２袋ナット４０とを備えている。
なお、取付ナット２０と取付プレート９との間にはワッシャー２１が介装され、第２袋ナット４０と取付プレート９との間にはワッシャー４１が介装されている。

図２は、曲げ引張鋼材１０の側面図である。曲げ引張鋼材１０は、鋼管１１（図３）と、鋼管１１に挿入される棒鋼１２（図４）と、これらの鋼管１１と棒鋼１２とを固定する棒鋼固定ナットとしての丸ナット１３（図２）とを有している。
鋼管１１は、高強度鋼材により形成され、図１および図３のように鋼管１１の両端部の端縁から取付プレート９に固定される位置までを含む部分にはそれぞれ、鋼管雄ネジ部１１１が形成されている。
ここで、鋼管１１は、棒鋼１２の強度よりも高強度であり、鋼管１１の強度は、降伏点または０．２％耐力が３９０N／ｍｍ^２を超えるか、もしくは引張強さが４９０N／ｍｍ^２を超えるように設定されている。本実施形態において、「高強度」とは、降伏点または０．２％耐力が３９０N／ｍｍ^２を超えるか、もしくは引張強さが４９０N／ｍｍ^２を超えることを言う。
棒鋼１２は、鋼管１１に比べて低降伏点の鋼材とされ、棒鋼１２の両端部にはそれぞれ、図２および図４のように鋼管１１の端部から突出する棒鋼雄ネジ部１２１が形成されている。

本実施形態の鋼材は、次のように組み立てられる。まず、図５のように鋼管１１内に棒鋼１２を挿入し、各棒鋼雄ネジ部１２１にそれぞれ丸ナット１３を螺合する。この際、丸ナット１３の座面と鋼管１１の端面とが密着するまで丸ナット１３をきつくねじ込む。このように鋼管１１と棒鋼１２とが一体化されることにより、曲げ引張鋼材１０が組み立てられる。

次に、図６のように曲げ引張鋼材１０をＲＣ、ＰＣ架構、ブレース架構などの各種の構造躯体の取付プレート９，９に配置し、曲げ引張鋼材１０の一端側からワッシャー４１を介して第２袋ナット４０を鋼管雄ネジ部１１１に螺合する。この際、第２袋ナット４０の底面４０Ａと丸ナット１３とを密着させる。このように一方の取付プレート９に曲げ引張鋼材１０が固定されたら、曲げ引張鋼材１０の他端側からワッシャー２１を介して取付ナット２０を鋼管雄ネジ部１１１に螺合し、所定のトルクで締め付ける。ここで、曲げ引張鋼材１０を緊張してもよく、その場合には油圧ジャッキ等を使用して取付ナット２０を鋼管雄ネジ部１１１に螺合し、緊張する。

このように取付プレート９，９に曲げ引張鋼材１０の両端側が固定されたら、図７のように第１袋ナット３０を鋼管雄ネジ部１１１に螺合する。この際、第１袋ナット３０の底面３０Ａと丸ナット１３とを密着させる。以上により、本実施形態の鋼材が図１のように組み立てられる。

本実施形態において、地震時や暴風時などの非常時の荷重エネルギーが取付プレート９に作用することによって曲げ引張鋼材１０に引張力が作用すると、取付プレート９に固定された鋼管１１と、鋼管１１に丸ナット１３で固定された棒鋼１２とが伸びる。
一方、鋼管１１に圧縮力が作用した際には、鋼管１１が弾性範囲内で圧縮変形するとともに、鋼管１１に作用した圧縮力が第１袋ナット３０および丸ナット１３を介して棒鋼１２に伝達される。すなわち、第１袋ナット３０が棒鋼１２を軸方向外側から軸方向内側に向かって押さえるため、棒鋼１２は鋼管１１の端部から飛び出したり撓むことなく、鋼管１１内に拘束された状態で圧縮される。

図８に、本実施形態の曲げ引張鋼材１０における荷重−ひずみの関係を「ハイブリッド鋼材」として太い実線で示した。また、図８には低降伏点の棒鋼１２における荷重−ひずみの関係、および高強度の鋼管１１における荷重−ひずみの関係もそれぞれ示す。
図９は、履歴性状を示す。ここで、棒鋼１２の降伏点を超える荷重が加わり棒鋼１２が降伏した後も、鋼管１１は弾性範囲内で変形するため、鋼管１１の降伏点に、棒鋼による負担分を加えた大きな降伏点Ｐが得られる。
また、降伏後の棒鋼１２は、荷重による応力が増加することなく鋼管１１により拘束された状態でひずみだけが増加し、荷重の載荷および除荷による履歴は例えばＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄのループとなる。すなわち、低降伏点の棒鋼１２は降伏後破断までのひずみ量が大きく、棒鋼１２の降伏点を超える荷重の載荷および除荷によるヒステリシスループの面積が大きい。

以上のように鋼管１１および棒鋼１２が挙動し、鋼管１１におけるひずみと棒鋼１２におけるひずみとが合成される結果、曲げ引張鋼材１０全体で見た履歴性状は例えば図９のＥ−Ｆ−Ｇ−Ｈのようになる。このＥ−Ｆ−Ｇ−ＨのループはＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄのループに対応しており、Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈのループ内の面積に相当する荷重エネルギーが熱エネルギーに変換されるなどして消費される。なお、図９のＱは棒鋼１２の降伏点Ｒに対応している。

以上の本実施形態によれば、主に、次のような効果が得られる。
本実施形態の鋼材における曲げ引張鋼材１０が高強度の鋼管１１と低降伏点の棒鋼１２によるハイブリッド鋼材であって前述のように鋼管１１におけるひずみと棒鋼１２におけるひずみとが合成される結果、降伏点とエネルギー消費量とを両方大きく確保できる。
そのうえ、棒鋼１２ではなく鋼管１１が高強度鋼材とされているため、棒鋼１２の強度が鋼管１１の強度よりも高強度とされた場合と比較して、圧縮力作用時に高強度鋼材が降伏せずに棒鋼１２を拘束する弾性範囲を大きく確保できる。
以上の理由から降伏点とエネルギー消費量との両方をより大きく確保できるので、地震時や暴風時などの非常時の荷重エネルギーを十分に吸収できる。

また、鋼管１１および棒鋼１２が予め組み立てられて曲げ引張鋼材１０が形成されるため現場での施工点数が増えず、施工品質の安定性の確保が容易となる。

〔本発明の変形例〕
本発明は以上の実施形態には限定されない。前記実施形態において、鋼管１１の端部と棒鋼１２の端部とは丸ナット１３により固定されていたが、鋼管の端部と棒鋼の端部との固定手段はこのようなねじによる固定手段には限定されない。
例えば、図１０のように鋼管５１の両端部内周に形成された雌ネジ部５１２と、棒鋼５２の両端部に形成された雄ネジ部５２２との間に後硬化型の樹脂（硬化樹脂）５３が充填されることによって、鋼管５１の端部と棒鋼５２の端部とが固定されていてもよい。あるいは、鋼管内に棒鋼を挿入した状態で鋼管の両端をかしめることによって鋼管の端部と棒鋼の端部とが固定されていてもよい。

また、前記実施形態では曲げ引張鋼材１０の一端側において、曲げ引張鋼材１０を取付プレート９に取付固定するための取付ナット２０と、棒鋼１２の飛び出しを押さえる第１袋ナット３０とが別々に設けられていたが、鋼管１１の端縁から取付プレート９への取付位置までの長さが一定の場合には、これら取付ナット２０と第１袋ナット３０とが一体に形成されていてもよい。
また、前記実施形態では第２袋ナット４０が取付プレート９への固定手段と、鋼管１１から飛び出さないように棒鋼１１を押さえる手段とを兼ねていたが、これに限らず、第２袋ナット４０の代わりに、取付ナット２０および第１袋ナット３０が設けられていても良い。
なお、構造躯体に曲げ引張鋼材を固定する手段は、前記実施形態の取付ナット２０や第２袋ナット４０に限らず、適宜な手段であってよい。

そして、本発明の高強度鋼管および低降伏点棒鋼を備える鋼材は、ＲＣにおける主筋やＰＣ架構、ブレース架構などに適用できる。ここで、ブレース架構は従来エネルギー吸収機構を備えていなかったため、ブレース部材の断面に余裕を持たせる設計が必要であったが、本発明の鋼材をブレース部材として使用することによってエネルギー吸収能力を備えたブレース架構が実現するので、ブレース断面が過大とならない。

以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る鋼材の一部破断側面図。 前記鋼材を構成する曲げ引張鋼材の側面図。 前記曲げ引張鋼材を構成する鋼管の側面図。 前記曲げ引張鋼材を構成する棒鋼の側面図。 前記鋼材の組み立て手順を示す図。 前記鋼材の組み立て手順を示す図。 前記鋼材の組み立て手順を示す図。 前記曲げ引張鋼材における荷重−ひずみの関係を示す図。 履歴性状を示す図。 本発明の変形例に係る鋼材の一部破断側面図。

符号の説明

９ 取付プレート
１０ 曲げ引張鋼材
１１ 鋼管
１２ 棒鋼
１３ 丸ナット（棒鋼固定ナット）
２０ 取付ナット
３０ 第１袋ナット（固定部材）
４０ 第２袋ナット（固定部材）
１１１ 雄ネジ部（鋼管雄ネジ部）
１２１ 雄ネジ部（棒鋼雄ネジ部）

Claims (6)

1. 軸方向両端側の部分がそれぞれ構造躯体に固定される鋼管と、
   前記鋼管に挿入され、両端部がそれぞれ前記鋼管の端部に固定される棒鋼と、
   前記鋼管の両端部にそれぞれ設けられ前記棒鋼を前記鋼管に固定するとともに、前記鋼管が圧縮された際に前記棒鋼を軸方向外側から軸方向内側に向かって押さえる固定部材と、を備え、
   前記鋼管は、前記棒鋼の強度よりも高強度であり、
   前記棒鋼は、前記鋼管の降伏点よりも低降伏点である
   ことを特徴とする鋼材。
2. 請求項１に記載の鋼材において、
   前記固定部材はそれぞれ、前記鋼管の外周部に形成された鋼管雄ネジ部に螺合される袋ナットである
   ことを特徴とする鋼材。
3. 請求項２に記載の鋼材において、
   前記袋ナットの少なくとも一方は、前記構造躯体に前記鋼管を固定する
   ことを特徴とする鋼材。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の鋼材において、
   前記鋼管は、その降伏点または０．２％耐力が３９０N／ｍｍ^２を超えるか、もしくは引張強さが４９０N／ｍｍ^２を超える
   ことを特徴とする鋼材。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の鋼材において、
   前記棒鋼の両端部にはそれぞれ、前記鋼管に挿入された状態で前記鋼管の端部から軸方向外側に突出する棒鋼雄ネジ部が形成され、
   前記鋼管の端部と前記棒鋼の端部とは、前記棒鋼雄ネジ部に棒鋼固定ナットが螺合されることによって固定されている
   ことを特徴とする鋼材。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の鋼材において、
   前記鋼管の両端部内周にはそれぞれ、雌ネジ部が形成され、
   前記棒鋼の両端部にはそれぞれ、前記雌ネジ部との間に硬化樹脂が設けられる雄ネジ部が形成される
   ことを特徴とする鋼材。

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