JP5675870B2 - 地震構造装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、耐震構造物に用いられる筋交付鉄骨骨組（braced steel frame）に関する。特に、筋交付鉄骨骨組は、骨組が重大な損傷を受けることなく、地震活動に耐えることができるように、力学的周期を延ばし、骨組内で耐えられなければならない力を減らすピン−ヒューズ付骨組（pin-fused frame）である。

大地震の活動を受ける地域で、構造物が過去に建築され、現在も毎日建築されている。このような構造物の設計には、特別な考慮が必要である。これらの構造物の壁及び骨組は、鉛直加重条件だけではなく、地震活動に特有のそれらの荷重条件に適合するように設計しなければならない。例えば、骨組は、通常、地震現象（seismic events）中に水平周期運動を受ける。このような荷重条件に耐えるために、地震活動を受ける構造物は、それらの最大荷重（extreme loads）の下でエネルギを消散（dissipation）させるように延性（ductility）を有して機能しなければならない。

地震荷重を受ける従来の骨組は、通常、梁及び筋交いが溶接又はボルト締め、あるいは２つの組合せによって完全に柱に連結されるように設計されている。梁のフランジは、通常、完全溶込溶接（full penetration welds）によって柱のフランジに連結される。梁ウェブ（Beam webs）は、完全溶込溶接によって、又はボルト締めによって連結することができる。筋交い材（Diagonal bracing members）は、通常、梁及び柱に溶接された継手に連結される。筋交いは、通常、継手にボルト締めにされるが、溶接も用いられる。

筋交付骨組（Braced frames）は、地震現象による横荷重に耐える構造物において広く用いられている。更に、より高い構造物においては、必要とされる剛性（stiffness）が大きな構造部材だけによって達成でき、構造物に必要とされる材料の総計、したがってコストが増えるので、剛接骨組（moment-resisting frames）を使用できない場合がある。これらの骨組は、適切な剛性を達成する効率的な手段であるが、しかしながら、繰返荷重（cyclic loadings）を受けたときには、不確実な延性（questionable ductility）を示す。構造部材は、通常、最低の曲げで、主に軸方向荷重を受けるので、力に耐えることが要求される材料は、通常安い。

これらの従来の骨組は、引張りだけに耐える、あるいは引張り及び圧縮に耐える筋交い材を持つように設計されている。これらの骨組の延性は限られているので、建築基準、例えば均一建築コード（Uniform Building Code：ＵＢＣ）では、これらの骨組の使用は制限されている。居住用の構造物のための引張りのみの筋交付骨組（引張荷重のみに耐えることができる斜材（diagonal members））は、均一建築コードによって高さが６５フィートに制限されている。この設計における制限されたシステム延性（system ductility）を認めて、このシステムのために勧告されたＲ因子（recommended R-Factor）は、特別な剛接骨組の８．５と比較して、２．８である（Ｒ因子がより高いものは、地震現象の潜在的システム延性がより高くなる）。

更に、引張り及び圧縮に耐える従来の筋交付骨組は、周期的地震荷重を受けたときには、不確実な延性を示す。これらの骨組の筋交いは、引張り及び圧縮荷重をそれ以上に受けたときには、通常、曲がり、場合によっては折れる。例えば、建築基準、特に均一建築コード（ＵＢＣ）に従って引張りと圧縮の両方に耐えることができる筋交付骨組は、普通の筋交付骨組（ordinary braced frames）では１６０フィートの高さに、特別な集中筋交付骨組（special concentrically braced frames）では２４０フィートの高さに制限される。設計における制限されたシステム延性を認めて、特別な剛接骨組の８．５と比較して、普通の筋交付骨組用に勧告されたＲ因子は５．６であり、特別な集中筋交付骨組用に勧告されたＲ因子は６．４である。大地震現象中に、塑性変形する（inelastically）水平繋ぎ部材（horizontal linking member）を有する偏心筋交付骨組（Eccentrically braced frames）が設計されている。この骨組のこの延性は、Ｒ因子＝７．０を勧告することによって、ＵＢＣより認められている。これらの骨組内のリンクの永久歪みは、修理又は交換することなく、更なる地震現象に耐える構造物の能力に関して重要な問題を起こす。

筋交付骨組、特に鋼鉄製の集中筋交付骨組（ＣＢＦ）の最近の試験は、多くの一般的に用いられる部材及び筋交い構成が耐震性能予想に合わないことを示している。純部材断面特性（Net member section properties）、断面タイプ（section type）、部材断面の幅厚比（width-thickness ratio）及び部材の細長比（slenderness）は、筋交いの延性に影響を及ぼす。これは、マーヘル（Mahin）及びリッツ（Uriz）の研究を通して示され、２００４年の第１３回世界地震工学会議の議事録に、「集中筋交付鉄骨骨組の地震性能評価（Seismic Performance Assessment of Concentrically Braced Steel Frames）」として文書化されている。

多くの研究が、筋交付骨組の性能を考慮して行われ、筋交いシステムの開発が、塑性（inelasticity）が所定の箇所で起こるように行われた。このようなシステムには、座屈抑制筋交付骨組（Buckling Restraint Braced Frames：ＢＲＢＦ）が含まれ、座屈抑制筋交付骨組では、塑性が局部的に発生できる筋交いの場所に、通常は筋交いの端部に、デバイスが挿入される。これらのデバイスは、斜材を制御不可能な座屈から保護したが、激しい地震現象の後、構造物の将来の完全性を提供するために、筋交いを取り外して、交換しなければならない。これらの筋交いは、新日本製鐵株式会社、コアブレースシステム（Core-Brace Systems）及び他のメーカによって製造され、供給される。

筋交いのない骨組は、余分な延性を有し、剛性が小さい。剛接骨組システム（Moment-resisting frame systems）は、骨組が適切な荷重に対して設計され、接合（connections）がきちんと細かく行われているときには、横荷重に耐える際に有効であると証明されている。カリフォルニア州のノースリッジのノースリッジ地震を含む最近の地震現象において、正常に溶接されたフランジ接合（flange connections）を用いた構造物内の剛接骨組は、建築物が崩壊するのを防いだが、これらの骨組は、重大な損傷を受けた。地震荷重を受けた後に、大部分のこの種の剛接骨組は、貧弱な継手延性のために、接合の局部破壊を示した。このような非延性継手付きのこのような骨組は、地震を受けた後に、構造的完全性及び現在採用されている剛接骨組の経済活動に対して重大な懸念を引き起こした。

ノースリッジ地震から、柱梁モーメント接合（beam-to-column moment connections）の広範囲な研究が、地震荷重条件を受ける継手の延性を改善するために行われた。この研究は、幾つかの改良継手接合の開発につながっており、その１つは、「切欠き梁断面接合（reduced beam section connection：ＲＢＳ）」又は「ドッグボーン（Dogbone）」である。もう１つは、サイズミック・ストラクチュラル・デザイン・アソシエイツ・インコーポレイテッド（Seismic Structural Design Associates, Inc.）によって開発された「切込ウェブ接合（slotted web connection：ＳＳＤＡ）」である。これらの改良継手は、構造物の延性を増すことに成功したが、極端な地震荷重に耐えるために、依然として、塑性的挙動を有さなければならない。しかしながら、継手の破壊を引き起こし、多くの場合、継手が重大な損傷を受ける原因となるのは、この塑性のためである。消散エネルギの量は、延性を増やすことによって増加するが、継手が依然として塑性的に機能するので、これらの従来の継手は、極端な地震荷重を受けたとき、依然として塑性的になる（plastic）又は曲がる（yield）傾向がある。

現在の骨組は、地震現象に耐え、崩壊を防ぐことができるが、地震現象の後、部材及び継手の伸縮自在な機能が無能力化することにより、これらの従来の設計を用いた構造物が使用可能状態のままであり得るか否かについては、疑問がある。したがって、構造物の完全性が、地震活動を受けた後でさえ比較的そのままであるように、重大な塑性又は破損を経験することなく地震現象に耐え得るという要求が、骨組に対して存在する。

本発明を適用した「ピン−ヒューズ付骨組（pin-fuse frame）」により、ピン−ヒューズ付骨組で重大な塑性又は構造破損を経験することなく、建築物又は他の構造物が地震現象に耐えることができる。ピン−ヒューズ付骨組は、例えば、地震活動を受ける建築物又は他の構造物の梁及び柱骨組組立に組み込むことができる。ピン−ヒューズ付骨組は、継手を極度の荷重の下では滑らせる（slip）ことによって、構造物の動特性を向上させる。この滑りは、構造物の基本周期を延ばして、基本的には構造物を柔らかくすることによって、構造物の動特性を変え、構造物が、地震現象中に伸縮性（elastic properties）を示すことができるようにする。ピン−ヒューズ付骨組を利用することによって、同等の大きさの構造物が大地震現象に耐えるために通常用いられている程の大きさの骨組部材を用いる必要はない。したがって、また、本発明を適用したピン−ヒューズ付骨組を用いることによって、建築費を削減することができる。

ピン−ヒューズ付骨組は、構造物内に１つ以上のヒューズを備える。一実施の形態において、骨組内の斜材は、地震現象によって生じる所定の力のレベルで滑ることができる。梁部材（beam members）の端部は、回転及びこのレベルの力では滑らない。他の実施の形態において、力レベルが増加すると、梁端部は、滑る又は回転することができる。更に、これらの挙動は、構造物の最も要求が高い領域で起こる。したがって、幾つかの斜材及び梁部材は、地震現象で滑らない。いずれの場合も、骨組システムは、柱を塑性変形（inelastic deformations）又は崩壊から保護するように設計されている。

骨組は、１つ、２つ又はより多くの斜材を備えることができる。１つの斜材は、どちらかの方向に傾斜して配置することができる。２つの斜材は、Ｘ字形筋交い（x-brace）又はＶ字形筋交いを形成することができる。また、骨組を補強するために、複数の筋交いを用いることができる。骨組は、筋交いなしでも、構成されることができ、その場合、結果として鋼モーメント抵抗骨組（moment-resistance frame）となる。

ピン−ヒューズ付骨組は、梁と、斜材、すなわち筋交いとが柱に取り付けられる骨組に採用することができる。プレートアセンブリは、柱に直接取り付けられるのでなく、柱に溶接することができ、梁及び筋交いのアタッチメント用として、そこから延びる。ヒューズ付継手（fused joint）は、また、プレートアセンブリを有する筋交いの中心部分に導入することができる。ピン−ヒューズ付骨組は、梁端部に関連した及び／又は斜材内の１つ以上のプレートアセンブリを備える。梁の端部に継手を形成するために、梁に関連したプレートアセンブリは、筋交い板に貫通して延びるパイプ又はピンアセンブリによって、互いに組み合わされて保持され、梁及び柱から外へ延びるように設計されている。斜材の端部には、１つのパイプ又はピンアセンブリが組み込まれている。更に、梁端部のプレートアセンブリは、例えば円形パターン（circular pattern）に配置された長穴を有する。斜材内のプレートアセンブリは、斜材に平行な長穴を有する。梁端部のプレートアセンブリ及び斜材内プレートアセンブリは、例えば長穴を貫通する鋼鉄製のトルク高力ボルトによって、互いに緊締される（secured）。

斜材のボルトで締結された接合（bolted connection）により、極度の地震荷重を受けたとき、ボルト締付力（clamping force）に重大な損失がなく、斜材は、筋交い板（引張り又は圧縮のどちらか）に対して滑ることができる。梁端部のボルトで締結された接合により、極度の地震荷重を受けたとき、ボルト締付力に重大な損失がなく、梁は、筋交い板に対して回転及び滑ることができる。継手の運動は、プレートアセンブリの接合面（faying surfaces）を、真鍮又は類似した材料によって処理することによって、更に制限される。例えば、接合内に用いることができる真鍮製のシムは、明確な荷重−変位挙動及び優れた周期的特質（excellent cyclic attributes）を持っている。

鋼鉄製の表面に対する真鍮製シムによって、プレートアセンブリ内の締付力から生じる摩擦により、殆どの使用荷重状態（service loading conditions）、例えば風、重力及び中程度の地震現象による荷重の下では、継手は滑ることはない。高力ボルトは、トルクが与えられると、接合面（connected surfaces）間に摩擦を生じることによって、滑り抵抗接合（slip resistant connection）を示す。一方、極度の地震荷重条件の下では、接合に適用される力のレベルは、摩擦係数掛ける通常のボルト締付力の積を超え、それによって、連結性（connectivity）を維持しながら、継手が斜材に沿って滑り、継手が梁端部で回転する。

地震現象中の斜材の継手の滑り及び梁の継手の回転により、斜材及び梁の剪断力及び曲げモーメントは、柱に伝達される。この滑り及び回転によるエネルギ消散は、また、「フュージング（fusing）」として知られている。このエネルギ消散は、構造物に対する地震活動による潜在的破損を軽減する。

本発明を適用したピン―ヒューズ付骨組の継手は、極度の地震荷重の下では、滑ってエネルギを消散させるが、一方で、継手は、それらの構造による伸縮性を維持する。更に、継手のどの部分も、荷重を受けて滑ったときには、塑性的にならず、又は曲がらない。これにより、本発明を適用した継手構造（joint construction）を利用した骨組構造物（frame structures）は、地震現象に耐えた後も使用でき、更なる地震活動に耐えることができる。

本発明を適用した継手接合は、貫通して形成された第１の内側穴と、第１の内側穴の周りに貫通して形成された複数の第１の外側穴とを含む第１の筋交い板を有し、構造柱に連結された第１のプレートアセンブリと、貫通して形成された第２の内側穴と、第２の内側穴の周りに貫通して形成された複数の第２の外側穴とを含む第２の筋交い板を有し、構造梁に連結された第２のプレートアセンブリと、第１の内側穴及び第２の内側穴を貫通して配置され、第１のプレートアセンブリを第２のプレートアセンブリに対して回転可能に連結するピンと、第１の外側穴及び対応する第２の外側穴のうちの少なくとも１つを貫通して配置される少なくとも１つの連結棒とを備える。

そして、第１の内側穴の少なくとも一部が、第２の内側穴の少なくとも一部に位置合わせされ、第１の外側穴のそれぞれの少なくとも一部が、対応する第２の外側穴の少なくとも一部に位置合わせされるように、第２の筋交い板を配置する。複数の第１の外側穴と複数の第２の外側穴のうちの少なくとも１つは、それぞれの第１の内側穴又は第２の内側穴の周りに放射状に配列された長穴である。ピンが外れることなく、少なくとも１つの連結棒によって生じる摩擦係数に打ち勝つ地震荷重を受けたとき、ピンの回りの第１及び第２のプレートアセンブリのうちの少なくとも１つの相対的な滑りを収容する。

本発明を適用した継手接合は、貫通して形成された少なくとも１つの第１の穴を有する第１の筋交い板を有する第１の筋交いと、貫通して形成された少なくとも１つの第２の穴を有する第２の筋交い板を有する第１の筋交いから分離された第２の筋交いとを有し、第１の筋交い板が第１の筋交いの表面に接合され、第２の筋交い板が第２の筋交いの表面に接合され、構造骨組の２つの柱間に対角線状に配置された筋交いアセンブリと、第１の筋交いの少なくとも１つの第１の穴に位置合わせされ、貫通して形成された第３の穴と、第２の筋交いの少なくとも１つの第２の穴に位置合わせされ、貫通して形成された第４の穴とを少なくとも有する連結板（connecting plate）と、少なくとも１つの第１の穴及び少なくとも１つの第３の穴を貫通して配置され、第１の筋交いを連結板に連結する少なくとも１つの第１のピンと、少なくとも１つの第２の穴及び少なくとも１つの第４の穴を貫通して配置され、第２の筋交いを連結板に連結する少なくとも１つの第２のピンとを備える。

そして、第１の穴及び第２の穴のグループと、第３の穴及び第４の穴のグループとのうちの少なくとも１つの穴は、第１の筋交い及び第２の筋交いの方向に一直線に並べられた長穴である。地震荷重を受けたときに、第１及び第２の筋交いのうちの少なくとも１つの相対的な滑りを収容する。第１の筋交いの横断面の大きさは、第２の筋交いの横断面の大きさと同じである。第１の筋交い板は、少なくとも１つの第１の穴を有すると共に、第１の筋交いの表面に接合される下面と、第１の筋交いの表面の反対側の上面とを有する。少なくとも１つの第１の穴は、第１の筋交いと連結板とを接合するために使用され、第１の筋交いの表面から離れた領域に形成される。第２の筋交い板は、少なくとも１つの第２の穴を有すると共に、第２の筋交いの表面に接合される下面と、第２の筋交いの表面の反対側の上面とを有する。少なくとも１つの第２の穴は、第２の筋交いと連結板とを接合するために使用され、第２の筋交いの表面から離れた領域に形成される。

本発明の特徴は、以下の図面及び詳細な説明によって、当業者に明らかになる。この説明内に含まれる全ての同様の更なるシステム、方法、特徴及び利点は、発明の範囲内にあり、請求の範囲によって保護される。

本明細書の一部である図面は、発明の実施の形態を示し、説明と共に、発明の利点及び原理を説明するのに用いられる。
本発明を適用したピン―ヒューズ付骨組アセンブリの一実施の形態の斜視図である。 図１に示すピン―ヒューズ付骨組アセンブリの正面図である。 図１に示す柱筋交い梁連結アセンブリの分解正面図である。 モーメント抵抗梁及び筋交いをプレートアセンブリに連結するために用いられるパイプ又はピンアセンブリ及びウェブスチフナの正面図である。 図１に示す柱梁継手アセンブリの分解平面図である。図４ａは、梁をプレートアセンブリに連結するために用いられるパイプ又はピンアセンブリ及びウェブスチフナの側面図である。 図１に示す柱筋交い継手アセンブリの分解平面図である。図５ａは、筋交いをプレートアセンブリに連結するために用いられるパイプ又はピンアセンブリ及びウェブスチフナの側面図である。 図３の線分６−６’に沿ったプレートアセンブリの断面図である。 図３の線分７―７’に沿ったモーメント抵抗梁の断面図である。 図３の線分８−８’に沿ったモーメント抵抗梁の断面図である。 図３の線分９―９’に沿った筋交いの断面図である。 図１に示す柱梁連結アセンブリの分解正面図である。 図１に示す筋交い連結アセンブリの分解正面図である。 図１１の線分１２−１２’に沿った筋交いの断面図である。 本発明を適用した柱筋交い梁継手アセンブリの一実施の形態の正面図である。 本発明を適用した筋交い継手アセンブリの一実施の形態の正面図である。 本発明を適用した柱梁継手アセンブリの一実施の形態の正面図である。 図１３の線分１６−１６’に沿ったモーメント抵抗梁、筋交い及び連結アセンブリの断面図である。 図１４の線分１７−１７’に沿った筋交い連結アセンブリの断面図である。 図１５の線分１８−１８’に沿ったモーメント抵抗梁及び連結アセンブリの断面図である。 極端な荷重条件を受けたときに位置が横にずれた、本発明を適用したピン−ヒューズ付骨組の正面図である。 図面の幾つかの図を通して対応した指示符号は、対応した部品を表す。

本発明を適用したピン−ヒューズ付骨組（pin-fuse frame）に基づいた実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明を適用したピン−ヒューズ付骨組により、ピン−ヒューズ付骨組で重大な塑性（significant inelasticity）又は構造破損を経験することなく、建築物又は他の構造物が地震現象に耐えることができる。ピン−ヒューズ付骨組は、例えば、地震活動を受ける建築物又は他の構造物の梁及び柱骨組組立体（frame assembly）に組み込むことができ、継手を最大荷重以下で滑らせることによって、構造物の動特性を向上させる。この滑りは、構造物の基本周期を延ばし、基本的には構造物を柔らかくすることによって構造物の動特性を変え、構造物が、地震現象中に伸縮性を示すことができるようにする。ピン−ヒューズ付骨組を利用することによって、同等の大きさの構造物が大地震現象に耐えるために一般的に用いられている程の大きさの骨組部材（frame members）を用いる必要は、通常ない。したがって、また、本発明を適用したピン−ヒューズ付骨組を用いることによって、建築費を削減することができる。

図１は、本発明を適用したピン−ヒューズ付骨組組立体１０の斜視図である。図１に示すように、ピン−ヒューズ付骨組組立体（以下、単にピン−ヒューズ付骨組ともいう。）１０は、梁１４ａ、１４ｂが取り付けられる柱１２ａ、１２ｂと、柱１２ａ、１２ｂからプレートアセンブリ２０、４０を介して延びる筋交い３２ａ、３２ｂを含む筋交いアセンブリとを備える。一実施の形態において、柱１２ａ、１２ｂ、梁１４ａ、１４ｂ、筋交い３２ａ、３２ｂ及びプレートアセンブリ２０、４０は、構造用鋼材（structural steel）からなる。当業者にとって明らかなように、構成部品は、代わりの材料又は特別な材料、例えば鉄筋コンクリート（reinforced concrete）、例えば構造用鋼材と鉄筋コンクリートを組み合わせた合成材料（composite materials）等とすることができる。ピン−ヒューズ付骨組１０は、耐震壁構造物内の鉄筋コンクリート等の間で用いることができる。したがって、ここに記載した全ての条件は、これらの条件のために適切である。

図１は、柱１２ａ、１２ｂに連結された梁１４ａ、１４ｂ及び筋交い３２ａ、３２ｂを示している。梁１４ａ、１４ｂは、プレートアセンブリ２０、４０によって柱１２ａ、１２ｂに連結される。筋交い３２ａ、３２ｂは、プレートアセンブリ２０によって柱１２ａ、１２ｂに連結される。筋交い３２ａ、３２ｂは、互いにプレートアセンブリ３０によって連結される。

一実施の形態において、鋼鉄製のプレートアセンブリ２０、４０は、柱１２ａ、１２ｂに直接溶接される。プレートアセンブリ２０、４０は、異なる方法、例えばボルト等によって柱１２ａ、１２ｂに連結してもよい。更に、図１に示す斜視図は、１つの対角線上に筋交いを入れた構造に特有のものであるが、多くの筋交い条件が存在し、限定されるものではないが、図２に筋交い構造９０を示す。梁１４ａ、１４ｂ及び筋交い３２ａ、３２ｂは、ピンアセンブリ５０によってプレートアセンブリ２０、４０に取り付けられる。

図面を参照して、以下、詳細に説明するように、プレートアセンブリ（以下、継手ともいう。）２０、４０を形成するために、筋交い板２４、１８（図３に示す）は、一対の筋交い板２４、１８の２つのセットを貫通して延びる構造用鋼材のピンアセンブリ５０によって、互いに連結される。筋交い板２４は、筋交い板２４及び筋交い３２ａ、３２ｂを貫通して延びるピンアセンブリ５０によって、筋交い３２ａ、３２ｂに連結される。継手２０が完成したとき、内側の筋交い板１８及び筋交い３２ａ、３２ｂの各セットと外側の筋交い板２４は、互いに隣接する。ピン−ヒューズ継手（pin-fuse joint）のプレートアセンブリ４０を形成するために、筋交い板４４、１８（図１０に示す）は、一対の筋交い板２４、１８の２つのセットを貫通して延びるピンアセンブリ５０によって、互いに接合される。継手４０が完成したとき、内側の筋交い板１８の各セットと外側の筋交い板２４は、互いに隣接する。プレートアセンブリ（以下、ヒューズ継手又は単に継手ともいう。）３０は、筋交い３２ａ、３２ｂに連結されて、ヒューズアセンブリを形成する。筋交い板３４、３５（図１１に示す）は、それぞれ筋交い板３６、３８に接合される。継手３０が完成したとき、内側の筋交い板３４、３５と外側の筋交い板３６、３８は、互いに隣接する。更に後述するように、梁１４ａ、１４ｂ及び筋交い３２ａ、３２ｂ及びプレートアセンブリ２０、３０、４０を連結することにより、本発明を適用したピン−ヒューズ付骨組１０が形成される。

図３は、図１に示すプレートアセンブリ２０のうちの１つの分解正面図である。この図３は、継手２０を分解したときの筋交い板２４、梁１４ａ及び筋交い３２ａを示している。筋交い板２４は、柱１２ａに溶接される。補強板２５は、筋交い板２４と一直線に並べられて、柱１２ａのフランジに溶接される。筋交い板１８は、梁１４ａのフランジに溶接される。筋交い板１８に設けられた内側の穴１６及び外側の穴１７、及び筋交い板２４に設けられた内側の穴２８及び外側の穴２２に、ピンアセンブリ５０を配置することができる。一実施の形態において、外側の穴２２は、放射形状（radial geometry）を有する長穴（long slotted holes）である。代わりに、穴１７を長穴とし、穴２２を丸穴としてもよく、あるいは、穴１７、２２の両方を長穴としてもよい。外側の穴１７と外側の穴２２は、連結棒７０、例えば高力ボルト等を取り付けるために、位置合わせされる。筋交い３２ａは、ピンアセンブリ５０が挿入される筋交い板２４の穴２６と位置合わせされる穴３１を備える。

図３ａは、梁１４ａ、１４ｂとプレートアセンブリ２０、４０間のピン連結を形成し、筋交い３２ａ、３２ｂとプレートアセンブリ２０間のピン連結を形成するために用いられる、ウェブスチフナ（web stiffener）５２を有するパイプ又はピンアセンブリ５０の正面図である。図３ａに示すように、パイプ又はピンアセンブリ５０は、一般構造用炭素鋼管（structural steel pipe）５４と、２つの帽板６２と、鋼鉄製のトルク高力ボルト６０とを備える。一般構造用炭素鋼管５４は、鋼鉄製のウェブスチフナ５２を有し、梁１４ａ、１４ｂの筋交い板１８の内側の穴１６に、筋交い３２ａ、３２ｂの丸穴３１に、筋交い板２４の丸穴２６、２８に、及び筋交い板４４の丸穴４８（図１０に示す）に挿入される。そして、一般構造用炭素鋼管（以下、単に鋼管ともいう。）５４は、その端面に鋼鉄製のキーパ（steel keeper）又は帽板（cap plates）６２がそれぞれ配置され、２つの帽板６２によって、梁１４ａ、１４ｂ及び筋交い３２ａ、３２ｂの側面に規制される。これらのキーパ又は帽板６２は、トルク高力ボルト６０によって互いに締結される。トルク高力ボルト６０は、両方の帽板６２の穴６４を貫通するとともに、ウェブスチフナ５２の穴５６を貫通して、配置される。鋼鉄製の座金５９が、ボルト頭５８の下及び端部ナット６３（図４ａに示す）の下に用いられており、この構成は、ピン−ヒューズ付骨組１０の継手２０、３０、４０で用いられる全てのトルク高力ボルトに対して、用いることができる。

図４は、図１に示すピン−ヒューズ付骨組１０の分解平面図であり、特に、プレートアセンブリ２０の１つにおける柱梁連結（beam-to-column connection）を示している。この図４は、筋交い板２４及び梁端部の筋交い板１８の配置を示している。図４に示すように、筋交い板２４は、柱１２ａのフランジから外側に延びており、筋交い板１８は、梁１４ａのフランジに接合されている。

一実施の形態において、筋交い板２４、１８は、プレートアセンブリ２０の中心線Ｃに対して互いに等距離に配置される。一実施の形態において、プレートアセンブリ２０と梁１４ａが連結されたとき、各筋交い板２４は、筋交い板１８の各側面に配置される。補強板２５は、筋交い板２４と一直線に並べられて、柱１２ａのウェブに配置される。シム２７、例えば真鍮製のシムは、筋交い板２４と筋交い板１８との間に配置することができる。筋交い板２４及び補強板２５は、柱１２ａに直接溶接することができ、筋交い板１８は、梁１４ａに直接溶接することができる。あるいは、筋交い板１８、２４は、他の接合方法、例えばボルトを用いる等によって、それぞれ梁１４ａ又は柱１２ａに接合してもよい。

図４ａは、梁１４ａをプレートアセンブリ２０に連結するために用いられるピンアセンブリ５０の平面図である。この図４ａは、鋼管５４が、鋼鉄製のウェブスチフナ５２を有し、２つの帽板６２によってどのように規制されるかを示し、そして、２つの帽板６２は、トルク高力ボルト６０によって互いに締結される。トルク高力ボルト６０は、ウェブスチフナ５２の穴５６を貫通し、且つ対向した帽板６２の穴６４を貫通して配置される。鋼鉄製の座金５９が、ボルト頭５８の下及び端部ナット６３の下に用いられ、鋼管５４に対して帽板６２を緊締する。

図５は、図１に示すピン−ヒューズ付骨組１０の分解平面図であり、特に、継手２０における柱筋交い連結（brace-to-column connection）を示している。この図５は、筋交い板２４及び筋交い３２ａの配置を示している。図５に示すように、筋交い板２４は、柱１２ａのフランジから、連結する筋交い３２ａの方向に延びている。一実施の形態において、筋交い板２４及び筋交い３２ａは、プレートアセンブリ２０の中心線Ｃに対して互いに等距離に配置される。一実施の形態において、プレートアセンブリ２０と筋交い３２ａが連結されたとき、各筋交い板２４は、筋交い３２ａの各側面に配置される。補強板２５は、筋交い板２４に一直線に並べられて、柱１２ａのウェブに配置される。筋交い板２４及び補強板２５は、柱１２ａに溶接又は連結することができる。梁１４ａに対して筋交い３２ａの幅が異なるときには、スペーサプレート２９を筋交い３２ａ上に配置することができる。スペーサプレート２９は、筋交い３２ａに溶接又は接合することができる。

図５ａは、筋交い３２ａをプレートアセンブリ２０に連結するために用いられるピンアセンブリ５０の平面図である。この図５ａは、鋼管５４が、鋼鉄製のウェブスチフナ５２を有し、２つの帽板６２によってどのように規制されるかを示し、そして、２つの帽板６２は、トルク高力ボルト６０によって互いに締結される。トルク高力ボルト６０は、ウェブスチフナ５２の穴５６を貫通し、且つ対向した帽板６２の穴６４を貫通して配置される。鋼鉄製の座金５９が、ボルト頭５８の下及び端部ナット６３の下に用いられ、鋼管５４に対して帽板６２を緊締する。

図６は、図３のプレートアセンブリ２０の線分６−６’に沿った断面図である。断面は、外側の筋交い板２４の断面を示している。更に、この図６は、筋交い３２ａ及び梁１４ａ用のそれぞれの穴２６、２８の位置を示している。また、図６は、プレートアセンブリ２０のピン−ヒューズ継手に必要とされる真鍮製のシム２７の位置を示している。

図７は、図３の梁１４ａの端部の線分７−７’に沿った断面図である。断面は、筋交い板１８及び梁１４ａの断面を示している。この図７は、線７−７’に沿った梁１４ａの断面の水平中心線軸（horizontal center line axis）に対する丸穴１６の位置を示している。

図８は、図３の梁１４ａの線分８−８’に沿った断面図である。この図８は、丸穴２８に位置合わせされる丸穴１６に心合わせされる（centered）ピン−ヒューズ継手の心出し軸（centering axis）に対する梁１４ａを示している。

図９は、図３の筋交い３２ａの線分９−９’に沿った断面図である。この図９は、筋交い板２４の穴２６に位置合わせされる穴３１の心出し軸に対する筋交い３２ａを示している。また、図９は、筋交い３２ａに接合され、プレートアセンブリ２０の中心線軸に心合わせされるスペーサプレート２９を示している。

図１０は、図１に示すピン−ヒューズ付骨組１０の分解正面図であり、特に、１つの継手、すなわちプレートアセンブリ４０における柱筋交い連結を示している。この図１０は、継手４０を分解したときの筋交い板４４及び梁１４ｂを示している。筋交い板４４は、柱１２ａに溶接又は連結される。補強板４６は、筋交い板４４と一直線に並べられて、柱１２ａのフランジに溶接又は連結される。筋交い板１８は、梁１４ｂのフランジに溶接又は連結される。筋交い板１８、４４に設けられた内側の穴１６、４８及び梁１４ｂのウェブに、ピンアセンブリ５０を配置することができる。筋交い板４４には、例えば放射形状を有する外側の穴４２が形成されている。筋交い板１８には、外側の穴１７が形成されている。外側の穴１７と外側の穴４２は、連結棒７０、例えば高力ボルトを取り付けるために、位置合わせされる。一実施の形態において、外側の穴４２は、放射形状を有する長穴である。当業者には明らかなように、外側の穴１７が、代わりに長穴であってもよいし、外側の穴４２に加えて長穴であってもよい。

図１１は、図１に示す継手３０の分解正面図である。この図１１は、継手３０を分解したときの筋交い板３４、３５、３６、３８及び筋交い３２ａ、３２ｂを示している。筋交い板３４、３５は、筋交い３２ａ、３２ｂに、例えば溶接される。筋交い板３６は、筋交い板３４の少なくとも片面に配置されて、筋交い板３４に接合される。筋交い板３８は、筋交い板３５の少なくとも片面に配置されて、筋交い板３５に接合される。筋交い板３４、３５には、穴１９が設けられており、筋交い板３６、３８には、穴３３が設けられている。これらの穴１９、３３は、高力ボルト７０を取り付けるために、一直線に並べられている。一実施の形態において、穴３３は、長穴（slot-shaped holes）である。代わりに、穴１９を長穴とし、穴３３を丸穴としてもよく、あるいは、穴１９、３３の両方を長穴としてもよい。更に、一実施の形態において、複数の穴１９は、それぞれ対応する穴３３に合わされている。代わりに、穴１９又は穴３３の１つ以上は、複数の対応する穴に対応した長穴としてもよい。例えば、筋交い板３６に、筋交い３２ａの筋交い板３４の一直線に並んだ３つの穴１９に対応した１つの長穴３３と、筋交い３２ｂの筋交い板３４の一直線に並んだ３つの穴１９に対応した１つの長穴３３とを設け、６つの穴１９のそれぞれと、２つの長穴３３のうちの１つとを高力ボルト７０で貫通するようにしてもよい。

図１２は、図１１の筋交い３２ａの線分１２−１２’に沿った断面図である。この図１２は、筋交い３２ａの心出し軸に対する筋交い板３４、３５に対する筋交い３２ａを示している。

図１３は、図１に示すピン−ヒューズ付骨組１０の継手２０のうちの１つの正面図である。この図１３は、継手２０が完全に連結されたときの筋交い板２４、梁１４ａ及び筋交い３２ａを示している。筋交い板２４は、柱１２ａに、例えば溶接される。補強板２５は、筋交い板２４と一直線に並べられて、柱１２ａのフランジに溶接される。ピンアセンブリ５０は、梁１４ａと筋交い３２ａを連結する筋交い板２４内に示されている。放射形状を有する外側の穴２２は、筋交い板２４に形成されている。高力ボルト７０は、外側の穴２２を貫通して配置され、緊締される。

図１４は、図１に示すピン−ヒューズ付骨組１０の継手３０の正面図である。この図１４は、筋交い３２ａ、３２ｂの完全に連結されたヒューズ継手３０を示している。筋交い板３６、３８は、それぞれ筋交い板３４、３５にボルトで締結される。穴３３は、筋交い板３６、３８にある。筋交い板３６、３８を筋交い板３４、３５に取り付けるために、トルク高力ボルト７０が用いられる。真鍮製のシム２７が、筋交い板３５と筋交い板３８の間だけでなく、筋交い板３４と筋交い板３６の間にも用いられる。

図１５は、図１に示すピン−ヒューズ付骨組１０の継手４０の正面図である。この図１５は、継手４０が完全に連結されたときの筋交い板４４及び梁１４ｂを示している。筋交い板４４は、柱１２ａに、例えば溶接される。補強板４６は、筋交い板４４と一直線に並べられて、柱１２ａのフランジに、例えば溶接される。ピンアセンブリ５０は、梁１４ｂ及び柱１２ａを連結する筋交い板４４内に示されている。放射形状を有する穴４２は、筋交い板４４に形成されている。高力ボルト７０は、穴４２を貫通して配置される。梁筋交い板１８の穴１７と穴４２は、トルク高力ボルト７０を取り付けるために、位置合わせされる。

図１６は、図１３の継手２０の線分１６−１６’に沿った断面図である。断面は、外側の筋交い板２４、梁１４ａに溶接された筋交い板１８、梁１４ａ及び筋交い３２ａの断面を示している。梁１４ａと筋交い３２ａとの間で幅の寸法が違うときには、この違いを補償するために、必要に応じて、スペーサプレート２９を用いることができる。更に、この図１６は、梁１４ａ及び筋交い３２ａを筋交い板２４に連結するために用いられるピンアセンブリ５０を示している。この断面図に示すように、高力ボルト７０が筋交い板１８、２４に用いられる。また、図１６は、プレートアセンブリ２０のピン−ヒューズ継手に用いることができる真鍮製のシム２７の位置を示している。

図１７は、図１４の筋交い３２ａの線分１７−１７’に沿った断面図である。この図１４は、筋交い板３４、３５を有する筋交い３２ａを示しており、トルク高力ボルト７０によって、筋交い板３４には筋交い板３６が、筋交い板３５には筋交い板３８が接合されている。真鍮製のシム２７が、筋交い板３５と筋交い板３８の間だけでなく、筋交い板３４と筋交い板３６の間にも示されている。更に、図１４は、筋交い３２ａの心出し軸に対する筋交い板３４、３５、３６、３８を示している。

図１８は、図１５の梁１４ｂの端部の線分１８−１８’に沿った断面図である。断面は、筋交い板１８、梁１４ｂ及び外側の筋交い板４４の断面を示している。この図１８は、線分１８−１８’に沿った梁１４ｂの断面の水平中心線軸に対するピンアセンブリ５０の位置を示している。更に、図１８は、筋交い板１８、４４に対する真鍮製のシム２７を示している。筋交い板１８と筋交い板４４は、トルク高力ボルト７０によって連結される。

図１９は、図１に示すピン−ヒューズ付骨組１０の正面図であり、横地震荷重を受けたときのピン−ヒューズ付骨組１０を示す。梁１４ａ、１４ｂが、継手２０、４０の回転による回転された位置に示され、筋交い３２ａ、３２ｂが、ヒューズ継手３０の滑りによる伸長された位置に示されている。継手２０、４０は、柱１２ａ、１２ｂに溶接されており、筋交い３２ａ、３２ｂだけでなく、梁１４ａ、１４ｂにも連結されている。梁１４ａ、１４ｂは、ピン−ヒューズ接合である継手２０、４０によって、柱１２ａ、１２ｂに連結される。筋交い３２ａ、３２ｂは、ピン−ヒューズ接合である継手２０によって、柱１２ａ、１２ｂに連結される。筋交い３２ａ、３２ｂは、ヒューズ継手３０によって、互いに連結される。ピンアセンブリ５０は、梁１４ａ、１４ｂ及び筋交い３２ａ、３２ｂをプレートアセンブリ２０、４０に連結するために用いられる。

したがって、筋交い３２ａ、３２ｂのヒューズ継手３０の滑り、あるいは梁端部のピン−ヒューズ接合である継手２０及び／又は継手４０の滑り／回転によって、エネルギが消散される。典型的使用状態、すなわち風荷重（wind loading）及び中程度の地震現象（moderate seismic events）の間、ボルトで締結されたピン−ヒューズ接合である継手２０、３０、４０は、固定された状態を維持するように設計されている。これは、高力ボルトで締結された接合に生じる締付力（clamping forces）によって達成される。力が増大するとき、大地震現象のとき、高力ボルト７０は、継手の中で滑るように設計されている。この滑りは、最初に、ピン−ヒューズ継手であるプレートアセンブリ３０内で起こり、次に、ピン−ヒューズ接合であるプレートアセンブリ２０、４０内で起こる。軸方向力（Axial forces、引張り又は圧縮のどちらか）により、筋交い３２ａ、３２ｂの継手３０内の接合で滑りが起こり、曲げモーメント（bending moments）により、継手２０、４０で梁１４ａ、１４ｂの滑りが起こる。梁１４ａ、１４ｂ及び筋交い３２ａ、３２ｂの端部内のピンアセンブリ５０は、剪断力に耐えるとともに、明確な回転点となる。したがって、構造物の動特性は、地震現象の間に、一旦滑りが開始すると変化する。この動特性の周期は、構造物の固有の軟化（softening）、すなわち剛性の低減によって、長くされ、その後、慣性力（effective force）が下がり、構造物に対する破損が減る。

鋼鉄製の筋交い板間に位置するシムは、滑りの閾値を制御する。構造用鋼材の圧延仕上によってきれいにされた表面に対する真鍮の摩擦係数は、非常によく分かっており、正確に予測される。かくして、筋交い板間に起こる滑り又は回転を開始するために必要とされる軸方向荷重又は曲げモーメントの量は、通常、知られている。更にまた、発明者によって実行された試験により、高力ボルト７０のボルト張力（bolt tensioning）は、滑り過程の間は、失われないことが証明された。したがって、連結板（connecting plates）が回転又は滑った後に、構造骨組／継手の動きがリセットされて、継手の摩擦抵抗が維持される。かくして、ピン−ヒューズ付骨組１０は、大地震現象から荷重を受けた後さえ、今後の風荷重及び中程度の地震現象中は、滑ることはない。

上述した発明の実施の形態は、説明の目的のためのものである。それは、包括的なものではなく、発明を開示されたものに限定するものではない。修正及び変更が、上述した教示に照らし合わせて可能であり、発明を実施することによって、可能である。発明の範囲は、請求の範囲及びそれらの等価物によって定義される。

例えば、構造物内のピン−ヒューズ付骨組１０の他の用途は、他の構造用支持部材（structural support members）に、鉄骨ラーメン（steel frames）、例えば鉄筋コンクリート耐震壁（reinforced concrete shear walls）に加えて、ピン−ヒューズ付骨組１０を導入することである。ピン−ヒューズ付骨組１０用の他の材料としては、限定されるものではないが、合成樹脂材料、例えばファイバーグラスがある。また、ピン−ヒューズ付骨組１０に用いることができる構造用鋼材の他の形状としては、限定されるものではないが、組立骨材（built-up sections）、すなわち溶接板（welded plates）、あるいは他の圧延鋼材、例えばＣ型鋼（channels）がある。継手であるプレートアセンブリ３０に用いることができる連結の他の種類としては、限定されるものではないが、鋼管と、その中に配置された鋼管とを貫通ボルトによってボルト締めしたものがある。また、筋交い板１８と筋交い板２４間、筋交い板３４と筋交い板３６間、及び筋交い板３５と筋交い板３８間のシムとして、予測可能な滑り閾値を有する代わりの（真鍮以外の）材料を用いることができる。このような材料としては、限定されるものではないが、テフロン（登録商標）、銅、又は例えば制御圧延仕上（controlled mill finish）を施された鋼がある。また、鋼、テフロン、銅又は他の材料は、梁端部の接合において、真鍮製のシム２７の代わりに用いることができる。

本発明又はその好ましい実施の形態の要素を導入するとき、冠詞「a」、「an」、「the」「said」は、１つ以上の要素があることを意味している。用語「comprising」、「including」及び「having」は、含まれることを意図し、記載された要素以外の更なる要素があることを意味している。

発明の範囲から逸脱することなく、上述した構造物に様々な変更を加えることができ、上述した説明に含まれ、又は図面に示す全てのものは、限定的でなく、例示的なものと解釈されなければならない。

Claims (8)

1. 貫通して形成された少なくとも１つの第１の穴を有する第１の筋交い板を有する第１の筋交いと、貫通して形成された少なくとも１つの第２の穴を有する第２の筋交い板を有する該第１の筋交いから分離された第２の筋交いとを有し、該第１の筋交い板が該第１の筋交いの表面に接合され、該第２の筋交い板が該第２の筋交いの表面に接合され、構造骨組の２つの柱間に対角線状に配置された筋交いアセンブリと、
   上記第１の筋交いの上記少なくとも１つの第１の穴に位置合わせされ、貫通して形成された第３の穴と、上記第２の筋交いの上記少なくとも１つの第２の穴に位置合わせされ、貫通して形成された第４の穴とを少なくとも有する連結板と、
   上記少なくとも１つの第１の穴及び上記少なくとも１つの第３の穴を貫通して配置され、上記第１の筋交いを上記連結板に連結する少なくとも１つの第１のピンと、
   上記少なくとも１つの第２の穴及び上記少なくとも１つの第４の穴を貫通して配置され、上記第２の筋交いを上記連結板に連結する少なくとも１つの第２のピンとを備え、
   上記第１の穴及び上記第２の穴のグループと、上記第３の穴及び上記第４の穴のグループとのうちの少なくとも１つの穴は、上記第１の筋交い及び上記第２の筋交いの方向に一直線に並べられた長穴であり、
   地震荷重を受けたときに、上記第１及び第２の筋交いのうちの少なくとも１つの相対的な滑りを収容し、
   上記第１の筋交いの横断面の大きさは、上記第２の筋交いの横断面の大きさと同じであり、
   上記第１の筋交い板は、上記少なくとも１つの第１の穴を有すると共に、上記第１の筋交いの表面に接合される下面と、該第１の筋交いの表面の反対側の上面とを有し、
   上記少なくとも１つの第１の穴は、上記第１の筋交いと上記連結板とを接合するために使用され、該第１の筋交いの表面から離れた領域に形成され、
   上記第２の筋交い板は、上記少なくとも１つの第２の穴を有すると共に、上記第２の筋交いの表面に接合される下面と、該第２の筋交いの表面の反対側の上面とを有し、
   上記少なくとも１つの第２の穴は、上記第２の筋交いと上記連結板とを接合するために使用され、該第２の筋交いの表面から離れた領域に形成されることを特徴とする継手接合。
2. 上記第１の筋交い板と上記連結板間に配置されたシムを更に備える請求項１記載の継手接合。
3. 上記第２の筋交い板と上記連結板間に配置されたシムを更に備える請求項２記載の継手接合。
4. 上記シムは、真鍮、鋼、ポリテトラフルオロエチレン及び銅のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２記載の継手接合。
5. 上記シムは、真鍮、鋼、ポリテトラフルオロエチレン及び銅のうちの少なくとも１つからなることを特徴する請求項３記載の継手接合。
6. 上記第１のピン及び上記第２のピンのそれぞれは、鋼鉄製のねじ付ロッド、複数の鋼鉄製のねじ付ロッド及び複数の高力ボルトの１つからなることを特徴とする請求項１記載の継手接合。
7. 上記筋交いアセンブリは、該筋交いアセンブリの各端部で、ピン継手によって上記構造骨組に連結されていることを特徴する請求項１記載の継手接合。
8. 上記第１の筋交い板は、上記第１の筋交いの表面に溶接され、上記第２の筋交い板は、上記第２の筋交いの表面に溶接されていることを特徴する請求項１記載の継手接合。

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