JP6023914B1

JP6023914B1 - 耐荷材

Info

Publication number: JP6023914B1
Application number: JP2016506391A
Authority: JP
Inventors: 利充野村; 昭一井上; 智弘藤井; 陽一西田
Original assignee: Protec Engineering Inc
Current assignee: Protec Engineering Inc
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: KR20180097797A; JPWO2017109819A1; KR102469293B1; WO2017109819A1

Abstract

［要約］［課題］外管の局部的な応力集中の抑制、高い曲げ耐力の確保、及び低コスト化を同時に達成できる耐荷材を提供すること。［解決手段］金属製の外管２０と、外管２０内で略同心円状に位置決めして配置した複数の内管３０と、外管２０内に充填した充填材４０とを具備し、曲げモーメントが生じた際、外管２０に先行して複数の内管３０が扁平状に変形するようにした耐荷材１０であって、複数の内管３０の外方で該内管３０及び外管２０から離隔した位置に棒状を呈する複数の補強材５０を位置決めして配置した。

Description

本発明は防護構造物に用いる耐荷材に関する。

落石、雪崩、崩壊土砂等の防護構造物としては、所定の間隔に立設した各支柱間にロープ又は金網を組み合せた防護ネットを横架した防護柵（例えば特許文献１）や、各支柱間にコンクリート製や金属製等からなる横杆を多段に設けた防護柵や、支柱の下端を斜面に載置し、斜面のアンカーと支柱の下部間を据付用ロープで接続して位置決めした防護柵（例えば特許文献２）や、アンカーと支柱の上部及び下部との間を据付用ロープで接続した吊柵式の防護柵（特許文献３）等が知られており、これらの防護柵では支柱が耐荷材となる。
また、防護構造物であるロックシェッドにおいて、床版を支える主構部材に鋼管を耐荷材として用いることも知られている（特許文献４）。
上記したように防護構造物の耐荷材としては、一般的に中空鋼管が用いられ、大きな耐荷力が求められる場合は鋼管内にセメント系の充填材を充填した充填鋼管が用いられる。
さらに大きな耐荷力が求められる耐荷材としては、充填鋼管内にアンポンドタイプのＰＣ材を埋設したもの（特許文献５）や、鋼管を二重にした充填鋼管（特許文献６）が知られている。

上記した鋼管の全断面に充填材を充填した耐荷材は、曲げ力が作用したときに、鋼管の引張側に局部的な応力が集中する問題と、鋼管の一部に亀裂を生じると耐荷材が一気に破断して急激に耐力が低下する、という問題点を内包している。

上記の問題点を解決するための耐荷材が特許文献７により開示されている。
図８を参照して説明すると、この耐荷材は鋼管製の外管ａと、外管ａに内挿した複数の鋼管製の内管ｂと、外管ａの内面と内管ｂの外面との間に充填した充填材ｃとを具備していて、複数の内管ｂは外管ａ内に互いに近接し合う状態で位置決めされていて、耐荷材に曲げモーメントが生じたときに内管ｂが扁平状に圧縮変形することで外管ａの変形性を良くして、外管ａの局部的な応力集中を抑制するといった特性を有している。

特開平６−１７３２２１号公報特開２０００−２４８５１５号公報特開平８−１８４０１４号公報特開２００１−３２３４１６号公報特開平６−１４６２２５号公報特開平９−２０３０３６号公報特許第４３２４９７７号公報

従来の耐荷材にはつぎの問題点がある。
＜１＞内管ｂは補強部材を兼ねていることから、耐荷材の曲げ耐力を確保するためには内管ｂに肉厚が厚く強度の高い鋼管を使用する必要があった。
内管ｂに高強度の鋼管を使用すると、内管ｂの圧縮変形性が損なわれて外管ａの局部的な応力集中の抑制効果を十分に発揮することができなかった。
逆に内管ｂの肉厚を薄くして強度を下げると、耐荷材の曲げ耐力が著しく低下する。
このように従来の耐荷材は、外管ａの局部的な応力集中を抑制することと、耐荷材の曲げ耐力を高めることを両立させることが技術的に困難であった。
＜２＞従来の耐荷材は内管ｂに高強度の鋼管を使用すると、耐荷材のコストが高くなり、また内管ｂに一般鋼と比べて肉厚の薄い合金鋼管を使用すると、耐荷材のコストがさらに高くなる。
このように従来の耐荷材は、曲げ耐力の確保と低コスト化を両立させることも困難であった。

本発明は上記した問題点に鑑みて成されたもので、その目的とするところは、外管の局部的な応力集中の抑制、高い曲げ耐力の確保、及び低コスト化を同時に達成できると共に、変形時におけるエネルギー吸収効率が高い、耐荷材を提供することにある。

本発明は、断面円形を呈する金属製の外管と、該外管内に配置した断面円形を呈する複数の内管と、外管の内面と内管の外面との間に充填され、前記複数の内管を位置決めした充填材とを具備し、曲げモーメントが生じた際、外管に先行して複数の内管が扁平状に変形するようにした耐荷材であって、前記複数の内管の外方で該内管及び外管から離隔した位置に棒状を呈する複数の補強材を位置決めして配置したことを特徴とする。
本発明の他の実施形態において、前記複数の補強材は外管内で等間隔に配置する。
本発明の他の実施形態において、前記複数の内管が互いに外面を接するように配置する。
本発明の他の実施形態において、前記外管内に複数の内管及び複数の補強材を位置決めする手段が、外管内に充填した充填材である。

本発明は上記した構成を有することから、外管の局部的な応力集中の抑制、高い曲げ耐力の確保、及び低コスト化を同時に達成できると共に、変形時におけるエネルギー吸収効率が高い耐荷材を提供できる。

本発明に係る耐荷材の説明図で、一部を破断した耐荷材の斜視図耐荷材の横断面図図２におけるIII−IIIの断面図耐荷材の一部を拡大した断面図曲げ変形した耐荷材の横断面図内管と補強材の他の配置例を示した耐荷材の横断面図内管と補強材の他の配置例を示した耐荷材の横断面図内管と補強材の他の配置例を示した耐荷材の横断面図内管と補強材の他の配置例を示した耐荷材の横断面図内管と補強材の他の配置例を示した耐荷材の横断面図内管と補強材の他の配置例を示した耐荷材の横断面図内管と補強材の他の配置例を示した耐荷材の横断面図曲げ強度の試験結果グラフ本発明が前提とする耐荷材の説明図

図１〜５を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１＞耐荷材
耐荷材１０は、円筒形の外管２０と、外管２０内で略同心円状に配置した円筒形を呈する複数の内管３０と、複数の内管３０の外方であって、外管２０及び内管３０から離隔した位置に配置した棒状の補強材５０と、外管２０の内面と内管３０の外面との間に充填した充填材４０とを具備する。

＜２＞外管
外管２０は耐荷材１０の全長に亘って外殻を構成する部材であり、断面が円形を呈する鋼製の円筒管である。

＜３＞内管
内管３０は、外管２０と比べて小径で、かつ肉厚が薄い断面が円形を呈する金属製の円筒管であり、複数の内管３０は互いに近接して配置する。
内管３０の肉厚ｔ_１は外管２０の肉厚ｔ_２より薄い関係にある。
複数の内管のみを配置した従来の耐荷材は、内管を補強部材（強度部材）として扱い、耐荷材の設計強度に応じて内管の肉厚を選定していた。
これに対し、本発明では内管３０を補強部材として扱わず、外管２０及び複数の補強材５０を補強部材として扱い、耐荷材１０の設計強度に応じて複数の補強材５０の材質や径を選定するものである。
このように本発明では耐荷材１０の強度設計にあたり内管３０の強度を特別考慮する必要がないので、内管３０の厚ｔ_１を、補強材５０を併用しない従来の耐荷材の内管の肉厚ｔ_５（図８）と比べて大幅に薄くできる。
換言すれば内管３０の曲げ強度は、外管２０の曲げ強度より大幅に低い関係にあるだけでなく、従来の耐荷材で使用していた内管と比べても曲げ強度が低い内管３０を使用することができる。

＜３．１＞内管の素材例
内管３０の素材は鉄や鋼鉄以外に、紙管、樹脂管でもよく、或いはアルミニウム、ステンレス、又はこれらの合金等の公知の素材の管体を適用できる。

＜３．２＞内管の配置例
本例では同径、同厚の７本の内管３０を使用し、外管２０の中心部に１本の内管３０を配置し、この中心の内管３０の外方に６本の内管３０を六角形（ハニカム）の頂点位置に互いに隣接して配置した形態について説明する。
外管２０の略同心円状に配置した６本の内管３０は互いに接しており、かつ中心に位置する内管３０とも接している。
換言すれば合計７本の内管３０は、２本又は３本単位で直列に配列されていて、２本又は３本単位で配列した複数の内管３０列は、外管２０の中心を通る断面中心線Ｓ_１に対して平行に位置する。
尚、耐荷材１０に曲げモーメントが生じたときに内管３０が変形可能なように、内管３０の内部は充填材４０を充填せずに中空のままにしておくことが望ましいが、内管３０の内部に変形を阻害しない性質の各種中詰材（防錆油等の液体、発泡ウレタン等）を装填する場合もある。

＜４＞充填材
充填材４０としては、例えばモルタル、コンクリート等のセメント系固結材や、樹脂系固結材が使用可能である。
充填材４０は外管２０の全断面に充填せず、外管２０の内面と内管３０の外面との間に充填する。
充填材４０の充填前は、スペーサやバンド材等により複数の内管３０及び複数の補強材５０を位置決めするが、最終的には外管２０内に充填した充填材４０により、簡単に複数の内管３０及び複数の補強材５０を位置決めできる。
耐荷材１０は複数の内管３０群を設置した充填材４０の中心部が空洞化することで、充填材４０の節約と軽量化が図れる。

＜５＞補強材
補強材５０は外管２０の変形を抑制しつつ、内管３０の湾曲変形を促進するために機能する補強部材である。

＜５．１＞補強材の素材例
補強材５０としては例えば鉄筋、異形棒鋼、丸鋼、ＰＣ鋼棒、異形ＰＣ棒鋼等の棒材が使用可能である。補強材５０の素材やその径は要求される耐荷材１０の曲げ耐力等を考慮して適宜選択する。

＜５．２＞補強材の配置例
本例では同径の６本の補強材５０を使用し、互いに当接させて束ねた複数の内管３０群の外方であって、隣り合う内管３０の中間位置に１本の補強材５０を配置した形態を示す。
ここで、外管２０内に複数の内管３０群と複数の補強材５０の結束体を挿入したときに、各補強材５０が両管２０，３０から離隔した状態となるように位置決めしておくことが肝要である。
補強材５０を両管２０，３０から離隔させたのは、図４に示すように各管２０，３０に対する充填材４０の被り厚ｔ_３，ｔ_４を確保して、内管３０と充填材４０が互いに強度面で干渉し合うことを避けるためである。
外管２０の挿入前に、間隔保持用のスペーサや結束用のバンド材等を使用して複数の内管３０と複数の補強材５０とをユニット化しておくと、外管２０に対して内管３０及び補強材５０の配置位置が正確となる。

［耐荷材の強度特性について］
図２〜５を参照しながら耐荷材１０の強度特性について説明する。

＜１＞内管の先行曲げ変形
耐荷材１０の両端部を支承した状態、又は耐荷材１０の一端を片持ちした状態で耐荷材１０に曲げ力Ｆが作用すると、曲げ力Ｆは耐荷材１０を構成する外管２０、充填材４０、及び複数の内管３０へ夫々伝達され、これらの各部材に曲げモーメントを生じる。
複数の内管３０は互いに接する範囲で荷重を伝達し合い、充填材４０と同様に同一領域に圧縮応力と引張応力を生じる。
内管３０の肉厚を薄厚にして外管２０との間に強度差を設けてあることから、外管２０に先行して複数の内管３０群が扁平状に圧縮変形を生じ、複数の内管３０が圧縮変形をする際にエネルギーを吸収する。
内管３０の変形に際し、補強材５０が内管３０から離隔して位置するので、補強材５０が内管３０の変形を阻害することはない。

＜２＞外管における応力集中の抑制
複数の内管のみを配置した従来の耐荷材は、曲げモーメントが生じたときに内管の強度が充填材４０の変形を阻害していたために外管の引張領域における局部的な応力集中を十分に抑制することができなかった。

これに対し、本発明では肉厚が薄い内管３０が先行して圧縮変形をすることで、内部の充填材４０の膨張を効果的に抑制できると共に、外管２０への局部的な応力集中を抑制できる。
すなわち、充填材４０の中心部が複数の内管３０により空洞化しているため、曲げに伴い膨張しようとする充填材４０が中心部へ向けて変形する。
空洞を形成する複数の内管３０は扁平状に圧縮変形しながら充填材４０の変形を許容するため、外管２０の引張領域における局部的な応力集中を抑制することができる。
したがって、耐荷材１０が曲げ変形を開始しても、直ちに外管２０の引張側に亀裂等を生じることはなく、耐荷材１０の変形に追従する。
尚、外管２０及び充填材４０が曲げ変形する際にエネルギーを吸収する。

＜３＞耐荷材の曲げ耐力
このように本発明では、曲げモーメントが生じた際、外管２０に先行して内管３０が扁平状に変形するように構成したから、複数の内管３０及び複数の補強材５０の補強作用により耐荷材１０に十分な曲げ耐力を確保できる。
殊に、内管３０の肉厚を薄くして強度を下げても複数の補強材５０が内管３０の強度低下分を補えるので、耐荷材１０を低コストに製作できる。
外管２０及び内管３０から離隔した各補強材５０はその全長、全周に亘って充填材４０と固着するので、充填材４０の補強効果が確実なものとなる。

以上のように本発明では、断面形状が円形の外管２０と、この外管２０内に配置した断面形状が円形を呈する複数の内管３０と、内管３０の周囲に配置した複数の補強材５０と、外管２０の内面と内管３０の外面間に充填した充填材４０とを備え、曲げモーメントが生じた際、外管２０に先行して複数の内管３０が扁平状に変形するように構成したから、複数の内管３０及び複数の補強材５０により耐力が向上し、しかも、荷重を受けると、内管３０が扁平状に変形することにより、外管２０が変形可能となって外管２０に局部的に応力が集中することなく、エネルギー吸収効果が向上する。

［他の実施例］
内管３０及び補強材５０の配置形態は前記した形態に限定されず、以下に例示する配置形態も可能である。説明に際し、前記した実施例と同一の部位は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
以降に説明する各耐荷材１０の強度的特性は既述した実施例と基本的に同じであるので詳しい説明省略する。

＜１＞三角形の配置形態
図６Ａは３本の内管３０を三角形の頂点位置に互いに隣接して配置すると共に、隣り合う内管３０，３０の中間位置であって、両管２０，３０から離隔して３本の補強材５０を配置した他の耐荷材１０の形態を示す。

＜２＞四角形の配置形態
図６Ｂは４本の内管３０を方形の頂点位置に互いに隣接して配置すると共に、隣り合う内管３０，３０の中間位置であって、両管２０，３０から離隔して４本の補強材５０を配置した他の耐荷材１０の形態を示す。

＜３＞六角形のシングル配置形態
図６Ｃは６本の内管３０を六角形の頂点位置に互いに隣接して配置すると共に、隣り合う内管３０，３０の中間位置であって、両管２０，３０から離隔して６本の補強材５０を配置した他の耐荷材１０の形態を示す。
本例では耐荷材１０の中心部に内管３０を配置せず、充填材４０を充填している。

図６Ｄは内管３０と補強材５０の本数を増やした図６Ｃの変形例であり、１２本の内管３０を六角形の頂点位置に互いに隣接して配置すると共に、隣り合う内管３０，３０の中間位置であって、両管２０，３０から離隔して１２本の補強材５０を配置した形態を示す。
本例では耐荷材１０の中心部に内管３０を配置せず、充填材４０を充填している。

図６Ｅは図６Ｄの変形例であり、１２本の内管３０を六角形の頂点位置に互いに隣接して配置すると共に、その中心部に内管３０の単管を配置したを示す。
本例にあっては、中心部に位置する内管３０と、その外周に位置する１２本の内管３０は当接せずに離隔している。

＜４＞六角形の多重配置形態
図６Ｆは６本の内管３０ａと、１２の内管３０ｂとを二つの相似関係にある各六角形の頂点位置に互いに隣接して配置すると共に、１２本の内管３０ｂの外方側の隣り合う内管３０，３０の中間位置であって、両管２０，３０ｂから離隔して１２本の補強材５０を配置した他の耐荷材１０の形態を示す。
本例では内方側の６本の内管３０ａと外方側の１２本の内管３０ｂは互いに隣接している。
耐荷材１０の中心部は内管３０を配置せずに充填材４０を充填している。
本例では相似関係になるように複数の内管３０ａ，３０ｂを内外二重に配置した形態を示すが、三重以上の多重に配置してもよい。
この配置形態の場合も、最外周に位置する内管の外方に複数の補強材５０を配置する。

図６Ｇは図６Ｄの変形例であり、その中心部に内管３０を追加配置した形態を示す。
本例では中心の内管３０が内方側の６本の内管３０ａと互いに隣接している。

［実験例］
次に本発明に係る耐荷材１０（図２，３）の実施品と、補強材５０を具備しない耐荷材（図８）の比較品についての実験例について説明する。

＜１＞実施品
実験に用いた実施品１，２はつぎのとおりである。
〔実施品１〕

〔実施品２〕

＜２＞比較品
補強材５０を具備しない比較品１，２はつぎのとおりである。
〔比較品１〕

〔比較品２〕

＜３＞曲げ試験結果
上記実施品１，２と比較品１，２の両端を支持し、その中央に荷重を加えた結果を図７に示す。
縦軸に載荷点のモーメント、横軸に載荷点の回転角度θを示す。
同図の左側に示すように、本発明の実施品１，２は比例範囲が大きく、耐力が高いことが分かる。
また、本発明の実施品１，２は、６００ｋＮ-ｍ程度までが概ね弾性変形範囲できるのに対して、比較品１，２では、３００〜４５０ｋＮ-ｍ程度までが弾性変形範囲であり、これを超えると塑性変形を起こすことが確認された。
本発明の実施品１，２の曲げ耐力が向上する要因のひとつは、内管３０の肉厚を比較品より大幅に薄くしたことで比較品１，２と比べて内管３０の変形がし易くなり、これにより外管２０の脆性破壊の抑制効果が高くなったことによる。
更に、実施品１，２の曲げ耐力の向上要因は、複数の補強材５０が肉厚を薄くして内管３０の曲げ強度が低下した分以上の補強効果を発揮するためである。
尚、実施品１，２と比較品１，２の支柱全長が６ｍである場合、回転角度θの１°で１０５ｍｍの変位となり、５°で５２３ｍｍの変位となる。

１０・・・・・耐荷材
２０・・・・・外管
３０・・・・・内管
４０・・・・・充填材
５０・・・・・補強材

Claims

断面円形を呈する金属製の外管と、該外管内に配置した断面円形を呈する複数の内管と、外管の内面と内管の外面との間に充填され、前記複数の内管を位置決めした充填材とを具備し、曲げモーメントが生じた際、外管に先行して複数の内管が扁平状に変形するようにした耐荷材であって、
前記複数の内管の外方で該内管及び外管から離隔した位置に棒状を呈する複数の補強材を位置決めして配置したことを特徴とする、
耐荷材。
前記複数の補強材を外管内で等間隔に配置したことを特徴とする、請求項１に記載の耐荷材。
前記複数の内管が互いに外面を接するように配置したことを特徴とする、請求項１又は２記載の耐荷材。
前記外管内に複数の内管及び複数の補強材を位置決めする手段が、外管内に充填した充填材であることを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一項に記載の耐荷材。