JP5792707B2 - 座屈拘束ブレース - Google Patents

Description

本発明は、座屈拘束ブレースに関する。

従来、座屈拘束ブレースとして、特許文献１に示すものが知られている。特許文献１に示す座屈拘束ブレースは、長板状であるブレース芯材を、一対の座屈拘束部材で厚み方向に挟み込み、この状態で座屈拘束部材同士を溶接によって結合させる構造である。

特開２００８−７５２８０号公報

上述した従来の座屈拘束ブレースでは、溶接後に、この溶接部分の収縮を原因として反りが発生する。これに対しては、座屈拘束部材にあらかじめ逆反りを与えておくという対策が採られる。

しかし、溶接後に発生する反りが大きなものである場合、その分だけ大きな逆反りを与えた座屈拘束部材を製造する必要があり、生産性や強度の点において問題がある。

これに対して、溶接箇所を少なくすることで、その分だけ反りの発生を抑制することも可能である。しかし、単純に溶接箇所を少なくしただけでは、繰り返しの大地震も耐え得るような強度を確保することは困難になる。

本発明は、前記問題点に鑑みて発明したものであって、繰り返しの大地震も耐えられるだけの強度を実現し、且つ、溶接後の反りの発生を効果的に抑制することのできる座屈拘束ブレースを提供することを、課題とする。

前記課題を解決するために、本発明を、下記構成を具備する座屈拘束ブレースとする。

本発明は、長板状であるブレース芯材と、前記ブレース芯材の厚み方向の両面に沿って配置される一対の座屈拘束部材とを備え、一対の前記座屈拘束部材同士が、前記ブレース芯材を厚み方向に挟み込んだ状態で、複数個所の溶接部によって結合された座屈拘束ブレースである。
一対の前記座屈拘束部材は、長板状であるウェブの幅方向の両端縁からフランジ部を突設した一つの溝型金属材と、前記溝型金属材の両端の前記フランジ部間に嵌め込まれ、４つの角部を有する一つの角型金属筒とから成る。
前記角型金属筒が外周に有する一面が、前記ブレース芯材の一方の片面に押し当たって座屈を拘束する第１座屈拘束面である。前記溝型金属材が有する前記ウェブの内面が、前記ブレース芯材の他方の片面に押し当たって座屈を拘束する第２座屈拘束面である。
前記溝型金属材の両端の前記フランジ部間に前記角型金属筒が嵌め込まれた状態で、前記溝型金属材が両端に有する前記フランジ部と、前記角型金属筒が有する４つの前記角部のうち前記第１座屈拘束面から離れた側に位置する２つの前記角部とが、複数の溶接部によって結合される。
前記溶接部は、前記座屈拘束部材の長手方向に距離をあけた複数個所に配置され、且つ、前記座屈拘束部材の中央領域とこれに隣接する両端の端部領域とで、前記端部領域よりも前記中央領域のほうが前記溶接部の配置密度が疎となるように、全長に亘る前記溶接部の配置密度に疎密が設定されている。

更に、本発明において、前記溝型金属材が有する前記フランジ部の突先が、前記角型金属筒よりも前記第１座屈拘束面から離れる側に突出し、且つ、複数の前記溶接部よりも前記第１座屈拘束面から離れる側に突出することが好ましい。

更に、本発明において、前記ブレース芯材の長手方向の両端部は、前記一方の片面の幅方向中央部から突出する補強材を有し、前記角型金属筒の長手方向の両端部は、前記第１座屈拘束面の両端を切欠くスリット部を有し、前記補強材の長手方向の一部分が前記スリット部内に配置され、前記補強材の長手方向の残りの部分が、前記角型金属筒から突出して位置することが好ましい。

本発明は、繰り返しの大地震も耐えられるだけの強度を実現し、且つ、溶接後の反りの発生を効果的に抑制することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態の座屈拘束ブレースの一部破断した斜視図である。 図１のＸ−Ｘ線断面図である。 図１のＹ−Ｙ線断面図である。 同上の座屈拘束ブレースの分解斜視図である。 同上の座屈拘束ブレースが備えるブレース芯材に変形力が作用した場合の説明図であり、（ａ）はブレース芯材の面外方向の変形力が作用した場合、（ｂ）はブレース芯材の面内方向の変形力が作用した場合である。 同上の座屈拘束ブレースの端部の接続部に接続部材を固着した例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は拡大断面図である。 同上の座屈拘束ブレースを用いて構成した耐力フレームの正面図である。 同上の耐力フレームに用いる接続部材を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図である。 同上の座屈拘束ブレースにおける接合部の配置を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図である。

本発明を、添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。

図１〜図９には、本発明の一実施形態の座屈拘束ブレース１を示している。以下においては、まず、本実施形態の座屈拘束ブレース１や、これを用いた耐力フレーム２４の全体的な構成について説明する。

図１や図４に示すように、座屈拘束ブレース１は、長板状であるブレース芯材２と、長尺の金属部材である第１の座屈拘束部材３と、同じく長尺の金属部材である第２の座屈拘束部材４とを用いて、主体を構成している。

長板状のブレース芯材２は、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼などの鉄鋼で形成しているが、この材質に限定されるものではなく、アルミニウム等の他の材質で形成してもよい。ブレース芯材２の長手方向の両端部は、建物の構造材（柱、梁等）に接続するための接続部１３となる。

ブレース芯材２の片面側には、長手方向の両端部に補強材１１を固着している。この補強材１１は、ブレース芯材２の幅方向の中間部に、長手方向に沿って固着される。

第１の座屈拘束部材３は、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、アルミニウム等の材質からなる角型金属筒５で形成している。角型金属筒５は、４つの角部を有する四角筒型の金属材である。

角型金属筒５は、ブレース芯材２の片面（図２、図３での上面）の長手方向の略全長に亘って配置される。角型金属筒５の一面（図２、図３での下面）が、ブレース芯材２の前記片面に対向して位置する第１座屈拘束面６となる。第１座屈拘束面６は、ブレース芯材２の座屈を拘束する面である。更に、角型金属筒５の長手方向の両端部には、第１座屈拘束面６の両端を長手方向及び内外方向に切欠くスリット部１０を形成している。

第２の座屈拘束部材４は、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、アルミニウム等の材質からなる溝型金属材７で形成している。

溝型金属材７は、ブレース芯材２の他方の片面（図２、図３での下面）の長手方向の略全長に亘って配置される。溝型金属材７は、長板状であるウェブ１２の幅方向の両端縁からフランジ部９を突設した、断面コ字状の部材である。ウェブ１２の内面（図２、図３での上面）が、ブレース芯材２の他方の片面に対向して位置する第２座屈拘束面８となる。第２座屈拘束面８は、第１座屈拘束面６と共にブレース芯材２の座屈を拘束する面である。

溝型金属材７の両フランジ部９の突出長さは、角型金属筒５の第１座屈拘束面６と直交する一面（図２、図３での側面）を超えて突出するように、それぞれ設定している。両フランジ部９の突出長さは、互いに同一である。

角型金属筒５と溝型金属材７の長手方向の寸法は、互いに同一又は略同一であり、ブレース芯材２の長手方向の寸法よりは少し短く設定している。

本実施形態の座屈拘束ブレース１では、これらブレース芯材２、角型金属筒５及び溝型金属材７を、以下のように組立てる。

すなわち、図４に白抜き矢印で示すように、溝型金属材７の両フランジ部９の先端間の開口から、両フランジ部９間の溝空間２３にブレース芯材２を嵌め込み、次いで、角型金属筒５を嵌め込む。この順での嵌め込みにより、ブレース芯材２の一方の片面が第２座屈拘束面８に当接し、ブレース芯材２の他方の片面が第１座屈拘束面６に当接する。

ここで、両フランジ部９うち突先側に位置する部分を、それぞれ角型金属筒５が有する４つの角部のうち、第１座屈拘束面６から離れた側に位置する２つの角部において、角型金属筒５に固着する。なお、両フランジ部９を、第１座屈拘束面６から離れた側に位置する２つの角部の近傍箇所において、角型金属筒５に固着してもよい。

ここでの固着は、溶接部１８を設けることで行う。この溶接部１８は、図１にも示すように、長手方向に間隔をあけた複数個所に配される。溶接部１８の配置パターンについては、図９に基づいて後述する。

ブレース芯材２は、長手方向の任意の箇所において、角型金属筒５や溝型金属材７に固定する。一例を挙げると、ブレース芯材２は長手方向の一方の端部において、角型金属筒５や溝型金属材７に対して溶接により固定する。これにより、ブレース芯材２と、角型金属筒５や溝型金属材７は、一箇所の固定箇所を除く他の部分が相対的に移動可能となる。

以上のように形成した座屈拘束ブレース１においては、図１等に示すように、ブレース芯材２の長手方向の両端部にある接続部１３が、角型金属筒５と溝型金属材７の長手方向の両端から、それぞれ突出する。

また、ブレース芯材２の一方の片面の両端部に設けた補強材１１のうち、長手方向の一部分がスリット部１０内に配置され、且つ、長手方向の残りの部分が、角型金属筒５と溝型金属材７の長手方向の両端からそれぞれ突出する。

補強材１１は、ブレース芯材２において最も座屈変形が集中する接続部１３近傍の部分を、効果的に補強する。つまり、この補強材１１は、ブレース芯材２の長手方向の端部である接続部１３から、ブレース芯材２のうち角型金属筒５の長手方向の端部と対向する部分に至るまでの領域を、効果的に補強する。

また、この座屈拘束ブレース１においては、ブレース芯材２の両面のうち、接続部１３を除く部分の全長及び全幅に対して、それぞれ角型金属筒５が有する第１座屈拘束面６と、溝型金属材７が有する第２座屈拘束面８が接触し、ブレース芯材２の座屈を拘束する。

また、この座屈拘束ブレース１においては、溝型金属材７の両フランジ部９の突出長さを、角型金属筒５の側面（即ち、第１座屈拘束面６と直交する一面）や溶接部１８を超える程度まで大きく設定している。そのため、溝型金属材７の面外に対する断面２次モーメントが大きく設定され、より変形し難い構造となっている。

これにより、ブレース芯材２に圧縮力が作用して、面外方向に波打つように移動する力（図５（ａ）の矢印参照）が働いた場合でも、溝型金属材７の非溶接箇所での変形を小さくすることができ、延いては、溝型金属材７の薄肉化が可能となる。

また、溝型金属材７の両フランジ部９が、それぞれ角型金属筒５の第１座屈拘束面６から離れた側に位置する２つの角部又はこの角部近傍において、溶接を用いて角型金属筒５に固着されるため、ブレース芯材２に圧縮力が作用して、図５（ｂ）の矢印で示すような面内方向に移動する力が働いた場合でも、溝型金属材７の変形を小さくすることができ、面内方向の座屈拘束性能が向上する。

前記の構成の座屈拘束ブレース１は、建物の構造材（柱、梁等）に対して、接続部１３を用いて接続する。

接続にあたっては、例えば図６、図７のように接続部材１５、１６を介して接続する。

図６には、座屈拘束ブレース１の一端部にあらかじめ接続部材１５を固着している例を示している。この例の場合、図７に示すように、一端部に接続部材１５を固着した座屈拘束ブレース１を２つ用い、これら座屈拘束ブレース１を、支柱１７の側面の上下箇所にそれぞれ溶接で固着する。そして、２つの座屈拘束ブレース１の他端部を、それぞれ共通の接続部材１６に溶接により固着することで、耐力フレーム２４を形成する。

接続部材１５は、平行に配置される一対の固定片１９を有する。この一対の固定片１９間に、座屈拘束ブレース１の一端部にある接続部１３を溶接することで、接続部材１５は座屈拘束ブレース１に固着される。

接続部材１６は、図８に示すように、平行に配置される一対の固定片２０の上端部同士と下端部同士とを、それぞれ連結片２２を介して連結固着したものである。上下の連結片２２は、それぞれボルト孔２１を有する。

接続部材１６は、上側に位置する座屈拘束ブレース１の下端部を、一対の固定片２０の上部間に配置して溶接により固着し、且つ、下側に位置する座屈拘束ブレース１の上端部を、一対の固定片２０の下部間に配置して溶接により固着する。

このように形成される耐力フレーム２４では、例えば建物の土台と梁との間に支柱１７を立設し、且つ、土台や梁に対して支柱１７をボルト等で連結し、更に、接続部材１６を、隣接する別の柱に対して連結させる。また、上下の梁間に支柱１７を立設し、上下の梁に対して支柱１７をボルト等で連結するように設けてもよい。

ところで、座屈拘束ブレース１が有する一端側の接続部１３を接続部材１５に溶接するにあたっては、図６（ｂ）のように、接続部１３のうち補強材１１を突設していない側の片面の幅方向両端部を、溶接により一対の固定片１９に固着させる。同様に、座屈拘束ブレース１が有する他端側の接続部１３を接続部材１６に溶接するにあたっても、接続部１３のうち補強材１１を突設していない側の片面の幅方向両端部を、溶接により一対の固定片２０に固着させる。これによれば、補強材１１に邪魔されることなく、溶接を行うことができる。

以上、図１〜図８に基づいて、本実施形態の座屈拘束ブレース１や、これを用いて形成する耐力フレーム２４の全体的な構成について説明した。

次に、フレア溶接によって形成される溶接部１８の配置パターンについて、図９に基づいて説明する。

この溶接部１８は、上述したように、角型金属筒５と溝型金属材７とを、長板状のブレース芯材２を挟み込んだ状態で結合させる。溶接部１８は、座屈拘束ブレース１の長手方向に沿って、一列に配置する。

つまり、角型金属筒５の第１座屈拘束面６から離れた側に位置する一対の角部のうちの一方と、この角部に隣接して位置する側のフランジ部９とが、この角部とフランジ部９の境界部分に位置する都合７つの溶接部１８によって、固着される。同様に、角型金属筒５の第１座屈拘束面６から離れた側に位置する一対の角部のうちの他方と、この角部に隣接して位置する側のフランジ部９とが、この角部とフランジ部９の境界部分に位置する都合７つの溶接部１８によって固着される。本文中では、長手方向に沿って一列に配列される７つの溶接部１８の群を、一連の溶接群という。

一連の溶接群では、７つの溶接部１８の互いの長手方向の寸法を、同一又は略同一に設けており、具体的には１５ｍｍに設けている。また、これら溶接部１８の互いの幅方向の寸法も、同一又は略同一に設けている。

一方、溶接部１８の長手方向における配置密度は、長手方向の中央領域Ａ１では疎となり、この中央領域Ａ１に対して長手方向に隣接する両側の端部領域Ａ２では密となるように設定している。

具体的には、中央領域Ａ１においては溶接部１８をＰ１＝２８０ｍｍのピッチで配置している。これに対して、端部領域Ａ２においては、溶接部１８をＰ２＝１４０ｍｍのピッチで配置している。中央領域Ａ１は全長の１／２程度の領域であり、両側の端部領域Ａ２は、それぞれ全長の１／４程度の領域である。つまり、全長の約半分を占める中央領域Ａ１よりも、端部領域Ａ２のほうが約２倍の密度で溶接部１８が配置されるように、幅方向両側にある溶接群の疎密を設定している。

座屈拘束ブレース１において、繰り返しの大地震にも耐えるだけの強度を保つには、長手方向の端部側での溶接部１８の配置が密であることが、特に効果的である。一方、溶接後の座屈拘束ブレース１に生じる全体の反りを抑制するには、長手方向の中央部分での溶接部１８の配置が疎であることが、特に効果的である。本実施形態で設定した溶接部１８の疎密は、これらの課題及び効果を総合的に考慮したものである。

つまり、幅方向両側の溶接群において前記の疎密を設定することで、繰り返しの大地震にも耐えられるだけの強度を保ちながら、溶接後の座屈拘束ブレース１に生じる反りは、極力抑制することが可能となる。

これを確かめるため、図９に示す疎密配置で長さ１５ｍｍの溶接部１８を両側に７つずつ配置した場合と、図示はしないが、両側において長さ４０ｍｍの溶接部を２８０ｍｍのピッチで５つずつ均等配置した場合とで、繰り返し加力試験を行った。この試験では、傾斜姿勢で固定した座屈拘束ブレース１に対して、±１／５０ｒａｄの繰り返し加圧を行った。

前記の繰り返し加圧試験により、図９の疎密配置では溶接長計が１５×７×２＝２１０ｍｍであり、均等配置での溶接長計４０×５×２＝４００ｍｍの約半分であるのにも関わらず、破断までの回数は、疎密配置の場合が５６〜７１回、均等配置の場合が２９〜４４回という結果を得た。

更に、反り抑制の効果について確かめるため、繰り返し加圧試験の場合と同じ疎密配置と均等配置をした座屈拘束ブレース１に対して、溶接部１８が３．６％収縮する条件でＦＥＭモデル解析を行った。

前記のＦＥＭモデル解析により、図９の疎密配置では全体の反り量が１．０４ｍｍ、均等配置では全体の反り量が２．６４ｍｍとなり、図９の疎密配置によれば均等配置と比較して反り量が約０．４倍に抑制されるという結果を得た。

なお、更に比較のため、角型金属筒５と溝型金属材７を幅方向両側において全長に亘って溶接した場合について、同様のＦＥＭ解析を行ったが、この解析では全体の反り量が２０．０３ｍｍになるという結果が得られた。

以上のように、繰り返し加圧試験とＦＥＭモデル解析の結果からも、本実施形態の座屈拘束ブレース１においては、溶接部１８を、座屈拘束ブレース１の長手方向に距離をあけた複数個所に配置し、且つ、座屈拘束ブレース１の中央領域Ａ１とこれに隣接する両端の端部領域Ａ２とで、端部領域Ａ２よりも中央領域Ａ１のほうが溶接部１８の配置密度が疎となるように、全長に亘る溶接部１８の配置密度に疎密を設定しているので、繰り返しの大地震にも耐えられるだけの強度を保つことと、溶接後の座屈拘束ブレース１に生じる反りを抑制することが、共に高い水準で達成されることが分かる。

加えて、本実施形態の座屈拘束ブレース１において、一対の座屈拘束部材３，４は、長板状であるウェブ１２の幅方向の両端縁からフランジ部９を突設した溝型金属材７と、溝型金属材７の両端のフランジ部９間に嵌め込まれる金属材（角型金属筒５）とから成る。溝型金属材７が両端に有するフランジ部９はそれぞれ、前記のような疎密で分散配置される複数の溶接部１８によって、この金属材に結合される。

これにより、溝型金属材７に金属材を嵌め込んだ軽量且つ高強度な構造でブレース芯材２を挟み込んだ、機能的な座屈拘束ブレース１を得ることができる。しかも、溶接部１８は上記の如く疎密に配置されるので、繰り返しの大地震にも耐えられることができ、且つ、溶接後の反りも抑制されたものとなる。

なお、ここでの金属材は、実施形態に示す角型金属筒５以外でもよく、例えば、実施形態の角型金属筒５を構成する四方の板部のうち、第１座屈拘束面６を構成する板部を、幅方向の中央部で分離して形成したような金属材であってもよいし、或いは、第１座屈拘束面６を構成する板部とは反対側に位置する板部を、幅方向の中央部で分離して形成したような金属材であってもよい。また、第１座屈拘束面６を有するＴ字状の金属材とすることも可能である。いずれの形状であっても、溝型金属材７の両端のフランジ部９間に嵌め込まれ、且つ、溝型金属材７との間でブレース芯材２を挟み込む第１座屈拘束面６を有する金属材であれば、同様の効果を奏する。

更に、本実施形態において、前記金属材は、４つの角部を有する角型金属筒５であり、角型金属筒５が外周に有する一面が、ブレース芯材２の一方の片面に押し当たって座屈を拘束する第１座屈拘束面６となる。溝型金属材７が有するウェブ１２の内面が、ブレース芯材２の他方の片面に押し当たって座屈を拘束する第２座屈拘束面８となる。そして、溝型金属材７の両端のフランジ部９間に角型金属筒５が嵌め込まれた状態で、両端のフランジ部９と、角型金属筒５が有する４つの角部のうち第１座屈拘束面６から離れた側に位置する２つの角部又はこれらの近傍箇所とが、前記のような疎密で分散配置される複数の溶接部１８によって結合される。

これにより、ブレース芯材２に圧縮力が作用して、面内方向に移動する力が働いた場合や、面外方向に波打つように移動する力が働いた場合でも、溝型金属材７の変形を小さくすることができ、延いては、溝型金属材７の薄肉化が可能となる。

更に、本実施形態においては、溝型金属材７が有するフランジ部９の突先が、角型金属筒５よりも第１座屈拘束面６から離れる側に突出し、且つ、前記のような疎密で分散配置される複数の溶接部１８よりも、第１座屈拘束面６から離れる側に突出するように設けている。

これにより、溝型金属材７の面外に対する断面２次モーメントが更に大きく設定され、一層変形し難い構造となる。

更に、本実施形態において、ブレース芯材２の長手方向の両端部は、一方の片面の幅方向中央部から突出する補強材１１を有する。角型金属筒５の長手方向の両端部は、第１座屈拘束面６の両端を切欠くスリット部１０を有する。そして、補強材１１の長手方向の一部分がスリット部１０内に配置され、補強材１１の長手方向の残りの部分が、角型金属筒５から突出して位置するように設けている。

これにより、ブレース芯材２において最も座屈変形が集中しやすい接続部１３近傍の補強をすることができ、座屈拘束ブレース１全体の強度が一層向上する。

以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の意図する範囲内であれば、適宜の設計変更を行うことが可能である。

１ 座屈拘束ブレース
２ ブレース芯材
３ 第１の座屈拘束部材
４ 第２の座屈拘束部材
５ 角型金属筒
６ 第１座屈拘束面
７ 溝型金属材
８ 第２座屈拘束面
９ フランジ部
１０ スリット部
１１ 補強材
１２ ウェブ
１３ 接続部
１８ 溶接部
Ａ１ 中央領域
Ａ２ 端部領域

Claims (3)

1. 長板状であるブレース芯材と、
   前記ブレース芯材の厚み方向の両面に沿って配置される一対の座屈拘束部材とを備え、
   一対の前記座屈拘束部材同士が、前記ブレース芯材を厚み方向に挟み込んだ状態で、複数個所の溶接部によって結合された座屈拘束ブレースであって、
   一対の前記座屈拘束部材は、
   長板状であるウェブの幅方向の両端縁からフランジ部を突設した一つの溝型金属材と、
   前記溝型金属材の両端の前記フランジ部間に嵌め込まれ、４つの角部を有する一つの角型金属筒とから成り、
   前記角型金属筒が外周に有する一面が、前記ブレース芯材の一方の片面に押し当たって座屈を拘束する第１座屈拘束面であり、
   前記溝型金属材が有する前記ウェブの内面が、前記ブレース芯材の他方の片面に押し当たって座屈を拘束する第２座屈拘束面であり、
   前記溝型金属材の両端の前記フランジ部間に前記角型金属筒が嵌め込まれた状態で、前記溝型金属材が両端に有する前記フランジ部と、前記角型金属筒が有する４つの前記角部のうち前記第１座屈拘束面から離れた側に位置する２つの前記角部とが、複数の溶接部によって結合され、
   前記溶接部は、前記座屈拘束部材の長手方向に距離をあけた複数個所に配置され、且つ、前記座屈拘束部材の中央領域とこれに隣接する両端の端部領域とで、前記端部領域よりも前記中央領域のほうが前記溶接部の配置密度が疎となるように、全長に亘る前記溶接部の配置密度に疎密が設定されていることを特徴とする座屈拘束ブレース。
2. 前記溝型金属材が有する前記フランジ部の突先が、前記角型金属筒よりも前記第１座屈拘束面から離れる側に突出し、且つ、複数の前記溶接部よりも前記第１座屈拘束面から離れる側に突出することを特徴とする請求項１に記載の座屈拘束ブレース。
3. 前記ブレース芯材の長手方向の両端部は、前記一方の片面の幅方向中央部から突出する補強材を有し、
   前記角型金属筒の長手方向の両端部は、前記第１座屈拘束面の両端を切欠くスリット部を有し、
   前記補強材の長手方向の一部分が前記スリット部内に配置され、前記補強材の長手方向の残りの部分が、前記角型金属筒から突出して位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の座屈拘束ブレース。

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