JP5948694B2 - 複合ストランド - Google Patents

Description

本発明は、耐震用ケーブルとして用いるのに好適な複合ストランドに関する。

耐震用ケーブルとして用いられる複数の鋼線を撚り合わせてなる複合ストランドが知られている。
この種の耐震用ケーブルは、緊張させた状態で建築物のブレースなどに代替して補強材として用いられ、かつ建築物が地震等で振動した場合、そのケーブルの伸縮でその振動を吸収（減衰）するダンパー機能（制振機能）を奏するものである。

特許文献１および２に示すように、耐震用ケーブルにも使用可能な、強度の異なる複数の鋼線を撚り合せた複合ストランドが種々開発されている。
このような複合ストランドを耐震用ケーブルとして用いた場合、比較的強度の高い鋼線（高強度鋼線）が複合ストランド全体の強度を維持してその断線等を防止しつつ、比較的強度の低い鋼線（低強度鋼線）が振動エネルギー等を吸収することが可能である。
しかし、特許文献１および２に示された複合ストランドは、いずれも低強度鋼線が外周側に配置されているため、そのままでは複合ストランドの圧縮時に、その低強度鋼線が座屈してしまい、エネルギー吸収が行われなくなってしまう。
このため、複合ストランドの外周に炭素繊維などからなる変形拘束材を配置して低強度鋼線を拘束し、その座屈変形を防止する必要があった。
このように従来のこの種の複合ストランドは、変形拘束材が必須であるため、コストが嵩む等の問題があった。

特許第３８９７６３７号公報 特開２００７‐３２１５０３号公報

そこで本発明の解決すべき課題は、変形拘束材を外周に配置せずとも、低強度鋼線が座屈することがなく、振動エネルギーの吸収を円滑におこなうことが可能な、複合ストランドを提供することである。

上記した課題を解決するため、本発明の複合ストランドを、外径が３．９〜６．５ｍｍの中心線としての単一の鋼線、および前記中心線の周囲に沿って配列された外径が３．８〜６．２ｍｍの側線としての６本の鋼線を撚り合わせてなる７本撚りの中層線と、太径の６本の鋼線と細径の６本の鋼線とを前記中層線の周囲に沿って交互に配列し、これらを撚り合わせてなる１２本撚りの外層線と、を備えるものとしたのである。
そして、前記外層線を構成する太径および細径の鋼線の強度がいずれも、前記中層線を構成する中心線および側線としての鋼線の強度よりも高い構成としたのである。
すなわち、複合ストランドの外周側に高強度鋼線を配置し、内周側に低強度鋼線を配置したのである。

本発明の複合ストランドにおいては、前記外層線を構成する太径の鋼線の外径が４．１〜６．７ｍｍであり、前記外層線を構成する細径の鋼線の外径が３．０〜５．０ｍｍであり、全体の外径が１７．５５〜２９．２ｍｍであるのが好ましい。
また、前記中層線を構成する中心線および側線としての鋼線の降伏応力がいずれも２００〜６００Ｎ／ｍｍ^２であり、前記外層線を構成する太径および細径の鋼線の降伏応力がいずれも２０００〜２３００Ｎ／ｍｍ^２であり、全体の破断荷重が２００〜９００ｋＮであるのが好ましい。
さらに、その等価粘性減衰定数（Ｈｅｑ）が、４〜２３％であるのが好ましい。

また、複合ストランドの構成として、中心線の側線としての９本の鋼線を構成した１０本撚りの中層線を低強度鋼線とし、その周囲に９本の高強度鋼線を外層線として配置した構造もある。
しかしながら、前記の構成と比較して、低強度鋼線の比率が小さくなるため、エネルギー吸収性能が小さくなる、すなわち、等価粘性減衰定数（Ｈｅｑ）が小さくなることが予想される。

また、本発明の複合ストランドの中層線を構成する低強度鋼線は、必ずしも鋼線である必要はない。高強度鋼線と比較しその圧縮降伏応力が低く、地震の振動による繰り返しの伸縮に耐えうるものであれば、低強度鋼線に代替することができる。

複合ストランドを以上のように構成すると、耐震ケーブルとして用いるのに十分な強度を保持しつつ、地震等の際にその振動エネルギーを吸収する良好なダンパー性能を併せ持たせることを可能とし、非常にバランスに優れたものとすることができる。

また、複合ストランド内周側の低強度鋼線が、外周側の高強度鋼線に拘束されているため、その高強度鋼線が変形拘束材としても機能することで、低強度鋼線の座屈が防止され、振動エネルギーの吸収性能が持続する。

耐震機構の模式図 複合ストランドの斜視断面図 振動エネルギー消費原理を示す模式図

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１のように、実施形態の複合ストランド１は、緊張させた状態で建築物Ｂ（鎖線で示す）の柱と梁などの間に取り付けて耐震ケーブルとして用いられる。
同図の想像線で示すように、建築物Ｂが地震等により変形すると、矢印でしめすような復元力が生じ、変形方向と逆向きの力で建築物Ｂを支持するため、耐震機構として作用する。
実施形態の複合ストランド１は、このような耐震ケーブルとして断線等が生じないような十分な強度を有するものである。
また建築物Ｂが地震等で振動した場合、その耐震ケーブルの伸縮でその振動を吸収（減衰）するダンパー機能を奏するものであり、このような強度保持と振動エネルギーの吸収性能とのバランスが非常に優れたものとなっている。

この実施形態の複合ストランド１は、図２のように、内側の中層線１０と、中層線１０の外面を覆う外側の外層線２０との二層構造となっている。

まず中層線１０は、図２のように、単一の中心線１１と、その周囲に配列された６本の側線１２の、計７本の鋼線を撚り合わせることで形成されている。
中心線１１は、外径が３．９〜６．５ｍｍの鋼線であり、側線１２は外径が３．８〜６．２ｍｍの鋼線である。このように外径を定めたのは、一般に外径が小さすぎると強度が不十分となり、他方外径が大きすぎると複合ストランド１全体が大型化してしまうからである。

この中層線１０の外面においては、その隣接する側線の間の箇所が相対的に窪み、また側線の頂部が相対的に膨らんでおり、その結果、周方向に凹部と凸部が交互に並列する凹凸形状となっている。ここで側線の数は６本であるため、凹部と凸部の数はそれぞれ６個ずつとなっている。

いっぽう外層線２０は、図２のように、１２本の鋼線を撚り合わせることで形成されている。
この１２本の鋼線の内訳としては、外径が相対的に太径の６本の太径鋼線２１と、外径が相対的に細径の６本の細径鋼線２２と、からなり、その太径鋼線２１と細径鋼線２２とが周方向に交互に配列されている。
そしてその６本の太径鋼線２１は、前記中層線１０外面の隣接する側線１２間にある６つの凹部にそれぞれ隣接し、その６本の細径鋼線２２は、前記太径鋼線２１間において中層線１０外面の側線１２の頂部にそれぞれ隣接している。その結果、外層線２０の外面は中層線１０の外面よりも凹凸が少なくなっている。

このような外層線２０を構成する各鋼線の外径の大きさは特に限定されないが、その太径鋼線２１の外径は、４．１〜６．７ｍｍであり、その細径鋼線２２の外径は、３．０〜５．７ｍｍであるのが好ましい。このように外径を定めたのは、外層線２０の外面の凹凸を小さくすることに加えて、一般に外径が小さすぎると強度が不十分となり、他方外径が大きすぎると複合ストランド全体が大型化してしまうからである。
複合ストランド１全体の外径の大きさも特に限定されないが、強度保持と大型化防止との均衡上、一般的によく用いられる１７．５５〜２９．２ｍｍが好ましい。

さらに外層線２０を構成する各鋼線の強度はいずれも、中層線１０を構成するいずれの鋼線よりも高くなっている。すなわち、外層線２０は高強度鋼線で、中層線１０は低強度鋼線でそれぞれ構成されている。
それら鋼線の強度にかかる特性として降伏応力を見た場合、特に限定されないが中層線１０を構成する各鋼線の降伏応力は２００〜６００N／ｍｍ^２であり、外層線２０を構成する各鋼線の降伏応力は２０００〜２３００Ｎ／ｍｍ^２であるのが好ましい。
また複合ストランド１全体の強度として破断荷重を考えた場合に、耐震ケーブルとして用いるのに断線等が生じない強度である、２００〜９００ｋＮであるのが好ましい。

この複合ストランド１のエネルギー吸収性能は、等価粘性減衰定数（Ｈｅｑ（％）＝ΔＷ／（Ｗ×４π）ここでＷは等価剛性による弾性歪みエネルギー、ΔＷは損失エネルギーを示す）で表した場合、４〜２３％であるのが好ましく、６〜１０％であるのがより好ましい。耐震ケーブルとして十分なエネルギー吸収性能を有しつつ、強度も一定程度維持するためである。

実施形態の複合ストランド１の構成は以上のようであり、つぎにこの複合ストランド１からなる耐震ケーブルの振動エネルギー吸収機能の詳細を説明する。

図３のグラフは、複合ストランド１全体、外層線２０を構成する鋼線の単体、中層線１０を構成する鋼線の単体に、地震等による引張力が作用した場合の、引張り力の大きさと伸び変形量の大きさとの関係を示している。
図中細線（１）は中層線を構成する鋼線の挙動を、鎖線（２）は外層線を構成する鋼線の挙動を、太線（３）は複合ストランド１の挙動を、それぞれ示す。
ここで複合ストランド１からなる耐震ケーブルは、常に緊張された状態にあって弛緩しないものとする。

耐震ケーブルに作用する引張力の大きさが中層線１０を構成する鋼線の降伏点よりも小さいときは、外層線２０を構成する鋼線および中層線１０を構成する鋼線は、いずれも引張力の大きさに比例して伸び変形する。
作用する引張り力の大きさが前記降伏点を超えると、外層線２０を構成する鋼線は降伏応力が大きいため依然として引張力の大きさに比例して伸び変形するが、中層線１０を構成する鋼線は降伏するため、細線（１）に示すように、その後は伸び変形だけが進行する。

これらを合算したものが、太線（３）に示す複合ストランド１の挙動となる。なお鎖線（２）で示すように、耐震ケーブルの地震等の振動への応答範囲においては、外層線２０を構成する鋼線は降伏することなく、引張力の大きさに比例して伸び変形するものとする。
いま、振動により耐震ケーブルに作用する引張力が増減すると、中層線１０を構成する鋼線は、たとえば図中細線（１）で平行四辺形状に描かれるような挙動を示し、引張降伏および圧縮降伏を繰り返す。
複合ストランド１全体の挙動にもこれが反映され、図中太線（３）で平行四辺形状に描かれるような挙動を示し、中層線１０を構成する鋼線の引張降伏および圧縮降伏の繰り返しにより、振動エネルギーが吸収されることになる。これにより、ダンパー機能（制振機能）が発揮される。
ここで、中層線１０が座屈せずに圧縮降伏するのは、中層線１０が外層線２０に拘束されているためである。換言すれば、外層線２０が中層線１０の座屈を防止する変形拘束材としても機能していることになる。
なお複合ストランド１全体の強度については、主として外層線２０を構成する鋼線により担保されている。

以下にさらに詳細な実施例を挙げて本発明を一層明確にする。

つぎの表１のような外径２２．６ｍｍの１９本撚り複合ストランドを作成し、その破断荷重および等価粘性減衰定数（Ｈｅｑ）を測定した。
その結果、破断荷重は４９９ｋＮであり、等価粘性減衰定数は７．４％であり、耐震ケーブルとして良好な強度と良好な振動エネルギー吸収性能を併せ持つことが確認された。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。

１ 複合ストランド
１０ 中層線
１１ 中心線
１２ 側線
２０ 外層線
２１ 太径鋼線
２２ 細径鋼線
Ｂ 建築物

Claims (4)

1. 外径が３．９〜６．５ｍｍの中心線としての単一の鋼線、および前記中心線の周囲に沿って配列された外径が３．８〜６．２ｍｍの側線としての６本の鋼線を撚り合わせてなる７本撚りの中層線と、
   太径の６本の鋼線と細径の６本の鋼線とを前記中層線の周囲に沿って交互に配列し、これらを撚り合わせてなり、前記中層線を拘束する１２本撚りの外層線と、を備え、
   前記外層線を構成する太径および細径の鋼線の強度がいずれも、前記中層線を構成する中心線および側線としての鋼線の強度よりも高く、
   変形拘束材を有しない、複合ストランド。
2. 前記外層線を構成する太径の鋼線の外径が４．１〜６．７ｍｍであり、
   前記外層線を構成する細径の鋼線の外径が３．０〜５．０ｍｍであり、
   全体の外径が１７．５５〜２９．２ｍｍである、請求項１に記載の複合ストランド。
3. 前記中層線を構成する中心線および側線としての鋼線の降伏応力がいずれも２００〜６００Ｎ／ｍｍ^２であり、
   前記外層線を構成する太径および細径の鋼線の降伏応力がいずれも２０００〜２３００Ｎ／ｍｍ^２であり、
   全体の破断荷重が２００〜９００ｋＮである、請求項１または２に記載の複合ストランド。
4. 等価粘性減衰定数（Ｈｅｑ）が、４〜２３％である請求項１から３のいずれかに記載の複合ストランド。

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