JP6091565B2 - 十字形継手固定の鋼管内にｐｃ鋼棒を配置した鋼管製構造材の製造方法およびそれによって製作された鋼管製構造材 - Google Patents

Description

本発明は十字形継手固定の鋼管内にＰＣ鋼棒を配置した鋼管製構造材の製造方法およびそれによって製作された鋼管製構造材に係り、詳しくは、長尺構造材を要した制震用骨組で必要となる伸縮のほとんど生じない軸力導入材の製造法に関するものである。

建物の積極的な耐震性の向上を図るために、建物外に骨組を設置する提案として、建物と基礎を同じくする堅牢なポールから、建物柱の階全部または一部に向けてダンパー付き骨組を張り出させる構造が特許文献１に開示されている。

もう少し詳しく述べれば、建物の基礎に長尺な鋼管をポールとして立設し、地震に見舞われた際に変形が最も大きくなる中層階の床レベルの位置から該当階の梁や柱に補強バーを架設し、これにダンパーを介在させてＹＺ面におけるＹ方向水平力による建物の揺れを抑えるようにしている。とりわけ、高さが４５メートル程度までの既設集合住宅等に適用され、１４階建てなどの中高層住宅の中間階での制震に効果が発揮されると期待される。しかし、２階建てもしくは３階建て程度の建物、例えば工場建屋、倉庫、体育館、市場棟屋といったものは住居用等の建物に比べて簡易構造である傾向にあり、上記の例のごとくの構成にして高価なダンパーを数多く導入することは品質の過剰化をきたし、費用対効果のバランスが損なわれ、実用に供しがたくなる。

ところで、制震用骨組を形成するにおいて、それを構成する構造材が長尺であると、その構造材にそれ相応の軸力が作用してもほとんど伸縮しないようにしておく必要がある。地震に遭遇したとき揺れと揺れ戻しによる交番変形を受けるのは建物の骨組だけでなく制震用骨組でもあり、その際のダンパーによる変位吸収による制震の精度低下をきたすからである。それゆえ、長尺構造材を要する制震用骨組を生かそうとする場合には、伸縮のほとんど生じない軸力導入材の採用が不可欠となる。

コンクリート製梁や梁断面増大化のための後付けコンクリートの耐力を上げる必要のある場合、ＰＣ鋼棒を挿通させるなどしてそれに掛けられた引張力の反作用としての圧縮力を予め賦与しておくことがある。ＰＣ鋼棒を埋設して負荷を掛けることにより、引張耐力を増強するようにしたプレキャストコンクリートバーやパネルなどはその一例である。例えば特許文献２にはコンクリート製筒体にＰＣ鋼棒を挿通させたものが提案されている。しかし、これを数十センチメートル径で２・３メートルにもなる細長比の大きい軸力導入材として供することはできず、また挙動の安定性や持久性さらには隣接部材との接合性などの観点からして導入は決して容易なものでない。

特開２０１２−２３３３７４ 特開平５−１５４８１９号公報

上記した軸力導入材として相応しい新規な構造材の提供が望まれるところであり、本発明の目的は、建物外から耐震補強骨組に組みこんでも伸縮のほとんど生じない長尺な構造材であって、剛接合容易な継手機構も付帯させやすくまた大きい予圧縮力も保有させることができる軸力導入材の製造方法およびそれによって製作された鋼管製構造材を提供することである。

本発明は、軸力を導入するため一端もしくは両端に十字形継手が固定された鋼管を鋼管製構造材として製造する方法に適用される。その特徴とするところは、図３を参照して、端縁に開先３ｂ（図５（ｂ）を参照）が形成されかつ十字形継手挿入用スリット３ａが予め形成された鋼管３の隅部に対面し、部分長筒部１７ｓを形成するように鋼管端部近傍で山形鋼１７が各隅部に配置される。山形鋼１７の端部を鋼管３の端面３ｅからδ突出（図６を参照）させた状態で、長手方向に伸びた溶接ビード１７ｂを形成することにより山形鋼１７を鋼管内面に溶接する。図８のように、鋼管のスリット３ａに十字形継手５を挿入し、その十字形継手の鋼管外面に突出した箇所を鋼管外面と隅肉溶接５ａする（図５（ｃ）を参照）。図５（ｂ）に示すように、鋼管端面３ｅから突出している山形鋼１７の端面１７ｅに部分長筒部１７ｓの開口を独立して密着させるとともに、十字形継手５によって鋼管が仕切られた４区画それぞれを単独で閉止するように、ＰＣ鋼棒挿通孔１８ａが形成された当てプレート１８を取りつける（図９も参照）。図５（ｂ）のように、鋼管端縁の開先３ｂを利用して当てプレート１８の周縁に部分溶け込み溶接３ｗを施すとともに、その当てプレート１８と十字形継手５とは隅肉溶接１８ｗ（図９を参照）する。図１０（ｂ）のごとく、ＰＣ鋼棒挿通孔１９ａの形成された座金プレート１９を当てプレート１８と対面するように配置して、図１１に示すようにＰＣ鋼棒７を部分長筒部１７ｓに縦通させ、ＰＣ鋼棒端に図１のごとくナット６を掛止するようにしたことである。

図１５のように、山形鋼１７を各隅部に配置するに先立ち鋼管３の内部に隔壁プレート２０を配置してその鋼管３に溶接１７ｗ（図１８（ｂ）を参照）し、その後各隅部に配置される山形鋼１７を鋼管内面に溶接するに先立ちその山形鋼１７を隔壁プレート２０に隅肉溶接する（図示せず）。このような製造法によって製作すれば、伸縮のほとんど生じない軸鋼管製構造材が得られる。

本発明によれば、軸力導入材は部材の主体が鋼管であり、これにＰＣ鋼棒を縦通して予圧縮力が賦与されるので、伸縮のほとんど生じない長尺な構造材とすることができる。剛接合の容易な継手機構も付帯させやすくなる。このような軸力導入材を構造材として採用した制震用骨組構造体は、揺れと揺れ戻しによる交番変形を受けても組こまれた制震ダンパーの利きが安定し、骨組構造の制震精度が向上する。

鋼管の隅部に山形鋼を配置し、その端部を鋼管の端部から突出させて鋼管内面に溶接するようにしたから、山形鋼と当てプレートとを面タッチ状態のメタル当接させることができ、これによってＰＣ鋼棒に引張力を及ぼし、ひいては構造用鋼管にプレストレスを付与しておくことができる。よって、大きい軸力を導入しても変形を著しく抑制する十字形継手固定の鋼管製構造材を製造することができる。

各隅部に配置される山形鋼を鋼管内面に溶接するに先立ちその山形鋼を隔壁プレートに隅肉溶接するようにしておけば、山形鋼中を伝搬する力の流れに基づく付随的発生の鋼管面外変形を可及的に阻止しておくことができる。

上記いずれかの製造方法によって製作された十字形継手固定の鋼管内にＰＣ鋼棒を配置した鋼管製構造材は、大きい軸力が導入されても変形は著しく抑制される。伸び縮みのほとんどないこの種の構造材をもってすれば、建物やその補強構造の保持は大層優れたものとなる。

本発明に係る制震用骨組構造体の軸力導入材であって、ＰＣ鋼棒にナット を掛け、増し締めにより角形鋼管に予圧縮を作用させた状態の透視斜視図。 図１の状態の外観図。 角形鋼管に山形鋼群を配置して溶接ビードで固定した段階の斜視図。 角形鋼管の素材斜視図およびそれを用いて構造材とするためのスリットが施された角形鋼管の斜視図。 （ａ）は図９のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｂ）は図９のＢ−Ｂ線矢視図、（ｃ）は（ｂ）におけるＣ−Ｃ線矢視図。 山形鋼を角形鋼管の端面からδ突出させた状態を明示した誇張斜視図。 （ａ）はδ分突出を示す角形鋼管の一部縦断面、（ｂ）は（ａ）中のＤ−Ｄ線矢視断面図。 山形鋼が取りつけられた角形鋼管に十字形継手を配置した構造透視図。 当てプレートを山形鋼の端面に密着させ、部分長筒部の一端を密閉させた斜視図。 （ａ）は図１１のＥ−Ｅ線矢視断面図、（ｂ）は図１１のＦ−Ｆ線矢視図、（ｃ）は（ｂ）におけるＧ−Ｇ線矢視図。 ＰＣ鋼棒を角形鋼管に縦通させ、座金プレートにより位置がほぼ決められた状態の斜視図。 角形鋼管の両端部分に適用される山形鋼群の斜視図。 角形鋼管の両端に適用される十字形継手の斜視図。 当てプレート、座金プレートおよび隔壁プレートの一群または単体の斜視図。 隔壁プレートを角形鋼管内に取りつけた状態の斜視図。 手前側の山形鋼群と隔壁プレートの拡大斜視図。 向こう側の山形鋼群と隔壁プレートの拡大斜視図。 （ａ）は図１６の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ線矢視断面図。 隔壁プレートを使用する場合に適用できるようにした山形鋼群の斜視図。 十字形継手を取りつける直前の角形鋼管の斜視図。 建物を挟んで手前側と奥側とに分離して表された制震用骨組構造体の斜視図。 減衰手段を介し連結されて建物に跨がるＸ方向に隔たった二つのＹＺ面制震用外部骨組からなる対のうちの手前側半部骨組の拡大斜視図。 山形ラーメンの建物ＹＺ面内骨組とその制震のためのＹＺ面制震用外部骨組図。 手前側半部骨組と奥側半部骨組を備えたＹＺ面制震用外部骨組を示し、（ａ）は平常状態図、（ｂ）は３度まで右傾斜した場合の挙動図、（ｃ）は減衰手段によって右傾が２度にとどまった場合の挙動図、（ｄ）は減衰手段によって左傾が２度にとどまった場合の挙動図。 （ａ）は平面構成ラチスにより形成されたＹＺ面制震用外部骨組の斜視図、（ｂ）はボックス構成ラチスにより形成されたＹＺ面制震用外部骨組の斜視図。 門形ラーメンの建物ＹＺ面内骨組とその制震のためのＹＺ面制震用外部骨組図。 （ａ）はＹ方向水平力に起因した建物ＹＺ面内骨組の平行傾動図、（ｂ）は建物ＹＺ面内骨組の相互逆方向倒れ図、（ｃ）は連結機構部に不変長リンクが導入されている建物ＹＺ面内骨組の平常図、（ｄ）は右傾が２度にとどまった場合の挙動図。 剛性の低い山形ラーメンの建物ＹＺ面内骨組にあって、手前側制震用柱と奥側制震用柱の逆方向倒れを回避する不変長リンクを合掌部に導入したＹＺ面制震用外部骨組図。 ラチスの斜材に適用される非軸力導入材の右半部を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＪ−Ｊ線矢視断面図。 軸力導入材を中央部から右半部に向けて端部までを臨む斜視図。 異なる例の制震用骨組構造体の軸力導入材の右半部を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＫ−Ｋ線矢視断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＬ−Ｌ線矢視断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＭ−Ｍ線矢視断面図。 軸力導入材の他例であって、（ａ）は右半部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＮ−Ｎ線矢視断面図。 軸力導入材の左半部を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＰ−Ｐ線矢視図。 軸力導入材のガセットプレートに対する十字形継手による接合説明図。 軸力導入材の更なる他例であって、（ａ）は右半部の縦断面図、（ｂ）は十字形継手本体部とそれに接合される鋳物製継手部の分離図。 十字形継手本体部と鋳物製継手端部との溶接接合状態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はＱ−Ｑ線矢視断面図。

以下に、本発明に係る鋼管製構造材の製造方法およびそれによって製作された鋼管製構造材を、それが適用される一例としての制震用骨組構造体における実施の形態が表された図面に基づいて詳細に説明する。図２１には、既存または新築された建物１の長手をＸ方向、奥行きをＹ方向、高さをＺ方向と規定した場合、建物ＹＺ面内骨組５０のＹ方向水平力に起因した揺れを抑制するため、建物ＹＺ面内骨組５０の耐震性を建物外から向上させるべく、減衰手段２２を伴った後述するＹＺ面制震用外部骨組２１が設置された制震用骨組構造体が示されている。この図ではＹＺ面制震用外部骨組２１はＸ方向に隔たりのある二箇所に配置されて対をなし、図２２に拡大して示すように、Ｘ方向上流側制震用梁２７ＵとＸ方向下流側制震用梁２７Ｄとは交差配置のタイロッド５３により一体化され、Ｘ方向上流側制震用柱２６ＵとＸ方向下流側制震用柱２６Ｄとはそれぞれの上部で剛接合された骨組連結梁５４によって一体化されている。

このＹＺ面制震用外部骨組２１中の一部の構成材には、その制震挙動中構成材に発生する伸びを可及的に抑制する図１および図２に示した軸力導入材２が充てられており、圧縮力予賦与式の構造材となっている。その軸力導入材２の外殻は丸鋼管または角鋼管３であり、その端部に形成される接合機構は、鋼管断面ならびに鋼管端に位置するアンカープレートとしての座金プレート１９を四分化して長手方向に割り込み固定される十字形継手５である。そして、その鋼管３には、座金プレート１９にナット６で掛止されるＰＣ鋼棒７が各四分化空間に、２軸対称的に縦通される。そして、鋼管端部における四分化開口を被覆して予圧縮力を鋼管の全断面に伝達する座金プレート１９によって画成された鋼管内空間には図３に示すような山形鋼１７が配置され、鋼管両端部に各４つが設けられる。

詳しく述べれば、図４を参照して、（ａ）のような鋼管３には（ｂ）のごとく十字形継手挿入用スリット３ａが形成され、さらには図５（ｂ）および図７（ａ）に示すように、その端縁に開先３ｂが形成される。図３のごとく、その鋼管３の隅部に対面し（図７（ｂ）も参照）、鋼管端部近傍で山形鋼１７が各隅部に配置され、その箇所に部分長筒部１７ｓが形成されるようにしている。山形鋼１７の端部は鋼管３の端面３ｅから図６に誇張して示したようにδ突出させた状態に配置され（δの突出ならびに開先３ｂは図７（ａ）にも表されている）、長手方向に伸びた溶接ビード１７ｂ（図３を参照）でもって山形鋼１７が鋼管内面に溶接されている。

図８のように、鋼管のスリット３ａに十字形継手５が挿入されると、その十字形継手の鋼管外面に突出した箇所も図５（ｃ）の一部にのみ例示するように鋼管外面と隅肉溶接５ａされる。同図（ｂ）に示すように、鋼管端面３ｅから突出している山形鋼１７の端面１７ｅに部分長筒部１７ｓの開口を独立して密着するとともに、十字形継手５によって鋼管が仕切られた４区画それぞれを単独で閉止するように、ＰＣ鋼棒挿通孔１８ａの形成された当てプレート１８が図９のように取りつけられている。

図５（ｂ）のように、鋼管端縁の開先３ｂを利用して当てプレート１８の周縁に部分溶け込み溶接３ｗが施されるとともに、その当てプレート１８と十字形継手５とは隅肉溶接１８ｗ（図９も参照）されている。図１０（ｂ）のごとく、座金プレート１９にはＰＣ鋼棒挿通孔１９ａが形成され、その座金プレート１９が当てプレート１８と対面するように配置してされる。図１１に示すように部分長筒部１７ｓに縦通させたＰＣ鋼棒７の端に図１のごとくナット６が掛止され、所定の予圧縮をＰＣ鋼棒に及ぼすことができるようにしている。

ＹＺ面制震用外部骨組２１は、図２３に示すように減衰手段２２を介し連結されて建物１（図２１を参照）に跨がる手前側半部骨組２３と奥側半部骨組３３とを備える。その手前側半部骨組２３は、建物手前側柱２５の基礎１６（図２３を参照）を介してその手前側柱に沿うように立設される手前側制震用柱２６と、この手前側制震用柱の上端で片持ちされ手前側半部空間で屋根に接触することなく奥行き側へ延びる手前側制震用梁２７とを有する。同様に、奥側半部骨組３３も、建物奥側柱３５の基礎１６（図２３を参照）を介してその奥側柱に沿うように立設される奥側制震用柱３６と、この奥側制震用柱の上端で片持ちされ奥側半部空間で屋根に接触することなく手前側へ延びる奥側制震用梁３７とを有する。

手前側制震用梁２７とこれに対向する奥側制震用梁３７とは建物上空間で合掌され、減衰手段２２はその合掌部位における両制震用梁の連結機構部３８に介在される。そして、両制震用梁端の離接量を主としてＺ方向の伸縮により抑制するように機能する。すなわち、減衰手段２２はＹ方向の力に起因した両制震用梁の端部交番離接量を減少させるべく、連結機構部３８に作用する引張力または圧縮力の一部を吸収して、手前側制震用柱２６および奥側制震用柱３６の揺動角を抑制する。ひいては建物手前側柱２５および建物奥側柱３５の揺れを小さくして建物の耐震性を向上させることができる。その様子は図２４に示され、（ａ）の平常状態から（ｂ）の例えば３度まで右傾斜する場合の挙動が、減衰手段２２によって右傾が２度となる（ｃ）の挙動にとどまり、左傾においても（ｄ）のごとく同様に２度にとどめられる。

この例のＹＺ面制震用外部骨組２１は図２５（ａ）に示された平面構成ラチス４１であるが、（ｂ）のようなボックス構成ラチス４２とすることもできる。先に述べた軸力導入材が適用される一部の構成材とは、ラチスにおける斜材４４を除く上弦材４５および下弦材４６もしくはこれら弦材に相当する部位に充てられる部材である。後者は手前側制震用柱２６や奥側制震用梁３６における上下方向材を意味する。なお、ＹＺ面制震用外部骨組２１は山形ラーメン４７（図２３を参照）と違った図２６に示す門形ラーメン４８の建物ＹＺ面内骨組に適用することも何ら問題ない。

ところで、建物ＹＺ面内骨組５０が山形ラーメンであっても、その剛性が低い場合は、図２７（ａ）とはならず同図（ｂ）のように手前側制震用柱２６と奥側制震用梁３６の逆方向倒れを起こすことがある。そのようになれば最早減衰手段２２（図２８を参照）としてのダンパーによる機能が発揮されなくなる。これを回避するためトップヒンジとしての不変長リンク５１が手前側制震用梁２７と奥側制震用梁３７との合掌部に導入される（図２７（ｃ）を参照）。それは、連結機構部３８における減衰手段２２の上方において両制震用梁の端部を連結する。これによって手前側制震用梁２７の合掌側端と奥側制震用梁３７の合掌側端とのＹ方向過剰接近が阻止され、上記した建物手前側柱２５と建物奥側柱３５の逆倒れが回避される（図２７（ｄ）を参照）。この挙動において、ラチス中の軸力導入材２はほとんど伸縮することがないが、斜材４４は例えば図２９に示す非軸力導入材であるため、その僅かな弾性変形（縮小）が手前側制震用梁２７および奥側制震用梁３７の片持ち角度を変化させ、手前側制震用梁２７の合掌側端Ｚ方向位置と奥側制震用梁３７の合掌側端Ｚ方向位置とのずれが抑制される。これは２度右に傾いた図２７（ｄ）に表されているが、（ｃ）の平常時に近い保形性が発揮される。

ＹＺ面制震用外部骨組２１はＸ方向に隔たりのある二箇所に配置されて対をなし、Ｘ方向上流側制震用梁２７ＵとＸ方向下流側制震用梁２７Ｄと、およびＸ方向上流側制震用柱２６ＵとＸ方向下流側制震用柱２６Ｄとが一体化されていることは、図２２のところですでに触れた。このようにしておけば、二つのＹＺ面制震用外部骨組２１に挟まれる領域およびその近傍における幾つかの建物ＹＺ面内骨組５０（図２１を参照）での変形抑制を図って制震作用発生領域を拡大させるようにしておく利点がある。

ちなみに、図２２に示すように、骨組連結梁５４の一部には、制震用柱の最上部とつなぐ補助斜材（方杖）５５が使用されるとともに、制震用梁の反合掌側端部とつなぐ補助斜材５６も採用される。ＹＺ面制震用外部骨組２１のＹＺ面外倒れを回避するようにされていることは述べるまでもない。

骨組連結梁５４の直下方には、Ｘ方向上流側制震用柱２６ＵとＸ方向下流側制震用柱２６Ｄにピン接合された単純支持梁５８が架設される。対をなすＹＺ面制震用外部骨組２１の手前側制震用柱２６，２６の間および奥側制震用梁３６，３６（図２１を参照）の間のそれぞれには、下端部が建物柱の基礎に固定され上端部が単純支持梁５８に接合された斜傾基材６１と、この斜傾基材を底辺とする三角形の二斜辺を形成する上斜辺材６２および下斜辺材６３とからなる三角形骨組６５の二つが、各頂点を対向させるように配置される。それゆえ、二つの三角形骨組６５，６５と単純支持梁５８とは、門形ラーメン６９を形成する。減衰手段６７は対向頂点における両三角形骨組の連結機構部６８に介在され、両頂点部位の離接量を主としてＺ方向の伸縮により抑制できる。

減衰手段６７はＸ方向の力に起因した両頂点部位の交番離接量を減少させるべく、連結機構部６８に作用する引張力または圧縮力の一部を吸収して二つの斜傾基材６１，６１の揺動角を抑制する。加えて、両三角形骨組６５，６５の姿勢変化がもたらす単純支持梁５８の弾性変形が復元力を発生させて二つの斜傾基材６１，６１の揺動角を抑制する。これらの抑制作用によって、Ｘ方向上流側制震用柱２６ＵとＸ方向下流側制震用柱２６Ｄの揺れを小さくして建物の耐震性を向上させる。

ちなみに、減衰手段６７の位置する部位には間柱７０がその上端を単純支持梁５８に剛固定して立設される。減衰手段６７の一方の取付座７２がその間柱７０に固定され、他方の取付座７３が間柱７０に主として上下方向へさらには若干他の方向へも変位可能に取りつけられる（取付座７３の取付孔は支持ボルト径より少々大きく選定されている）。これにより、三角形骨組６５，６５の大幅なＸＺ面外倒れが回避される。単純支持梁５８は、建物ＸＺ面内骨組７４の建物梁７５にＸＹ面内で渡し材７６を介して一体化される。建物ＸＺ面内骨組７４が、Ｘ方向に隔たった二つの制震用柱２６Ｕ，２６Ｄと単純支持梁５８とからなるＸＺ面制震用外部骨組７８から独立した挙動をさせないようにして、制震作用による効果を高めている。

以上前記した鋼管製構造材が適用される制震用骨組構造体の一例を述べたが、以下には、鋼管内にＰＣ鋼棒を配置した鋼管製構造材の製造方法を述べる。これは、軸力を導入するため端部に十字形継手が固定された角形鋼管の鋼管製構造材として製造する方法により具現化される。図１以降図２０までの図面をもとにして説明する。ちなみに、その十字形継手は鋼管断面を四分化して公知のごとく長手方向に割り込まれる。

先ず、端縁に開先３ｂ（図７（ａ）を参照）が形成されかつ図４（ｂ）に示す十字形継手挿入用スリット３ａが予め形成された角形鋼管３の各隅部に、図３に示すごとく内部から対面し（図５（ｃ）も参照）、部分長矩形筒部１７ｓを形成するように鋼管端部近傍で山形鋼１７（図１２中の山形鋼群１７Ａも参照）が配置される。なお、この山形鋼は十字形継手と同様に角形鋼管端における補強効果も発揮する。

図６にあるように、山形鋼１７の端部を角形鋼管３の端面３ｅからδ分突出させた状態で、長手方向に伸びた溶接ビード１７ｂ（図３を参照）を形成することにより、山形鋼１７を角形鋼管内面に溶接する。その山形鋼１７の鋼管端面３ｅから図７（ａ）に示すδが、山形鋼と後述する当てプレート１８（図９を参照）とのメタルタッチを可能にしている。なおδは僅かな寸法であるので、図２０までの幾つかの図では、それが無視して描かれている。

次に、図９に示すように、角形鋼管３のスリット３ａに十字形継手５（図１３を参照）を挿入し、この十字形継手の鋼管外面に突出した箇所を鋼管外面と隅肉溶接５ａ（図５（ｃ）を参照）する。なお、十字形継手の溶接固定はよく知られたことであり、図５（ｃ）および図１０（ｃ）の各一箇所以外他の箇所や他の図では表されていない。図５（ｂ）に示すように、角形鋼管３の端面３ｅから突出している山形鋼１７の端面１７ｅに部分長筒部１７ｓの開口を独立して密着・密閉させるとともに、十字形継手５によって角形鋼管３が仕切られた４区画それぞれを単独で閉止するように、ＰＣ鋼棒挿通孔１８ａ（図１１および図１４（ａ）を参照）の形成された当てプレート１８を取りつける。

上記の密着・密閉は山形鋼１７と当てプレート１８とを面タッチ状態でメタル当接させることができ、これによって図１に示すＰＣ鋼棒７に引張力を及ぼし、ひいては構造用角形鋼管３にプレストレスを付与しておくことができる。よって、大きい軸力を導入しても後述する座金プレート１９（図１１を参照）により変形を著しく抑制しておくことができる。

さらに、角形鋼管３の端縁の開先３ｂを利用して当てプレート１８の周縁に部分溶け込み溶接３ｗ（図５（ｂ）を参照）を施すとともに、この当てプレート１８と十字形継手５とは溶接ビード１８ｗ（図９を参照）によって隅肉溶接される。なお、隅肉溶接同士の交差部で不溶融部や溶接欠陥を生じさせないようスカラップ１８ｂ（図１４（ａ）を参照）が設けられている。図１３において十字形継手の交差部の溶接ビード５ｗは同図（ａ）のように全長施される。同図（ｂ）においては、それがプレート相互の交差におけることを分かるように部分的にしか示されていない。

次に、図１１のように、ＰＣ鋼棒７を部分長筒部１７ｓに縦通させ、ＰＣ鋼棒挿通孔１９ａ（図１４（ｂ）も参照）の形成された座金プレート１９を当てプレート１８と対面するように配置し、ＰＣ鋼棒端にナット６（図１を参照）を掛止する。これにより、ＰＣ鋼棒に予張力を作用させることによって角形鋼管に予圧縮力を付荷させておくことができるようになる。すなわち、大きい軸力を導入しても変形を抑制する構造材とすることができる。この座金プレート１９には、当てプレート１８を十字形継手５に固定する溶接ビード１８ｗ（図９を参照）の存在を考慮して溶接ビード避けチャンファ１９ｃ（図１４（ｂ）を参照）が設けられている。この座金プレート１９にはもう一つのチャンファ１９ｂ（図１４（ｂ）を参照）が設けられ、十字形継手５の溶接ビード５ｗ（図１３を参照）との干渉を避けている。

ちなみに、座金プレート１９（図１０（ｂ）および図１１を参照）は予圧縮力受け座として機能するものである。なお、挿通孔１９ａには後述するカプラー１４（図３３を参照）が通されることもないので、ＰＣ鋼棒径より僅かに大きな直径とされるに過ぎない。また、ＰＣ鋼棒は防錆を目的としてアンボンド処理されたものが使用されるが、コンクリートにプレストレスを掛ける場合のような相対変位を許容する摩擦抑制を意図するものでない。

ところで、異なる例として、図１５に示すように、山形鋼を角形鋼管の各隅部に配置（図７（ｂ）を参照）するに先立ち角形鋼管の内部に隔壁プレート２０を配置して角形鋼管に溶接し、その後に各隅部で配置される山形鋼１７（図１６、図１７を参照）を鋼管内面に溶接するに先立って山形鋼１７を隔壁プレート２０に隅肉溶接（図示せず）しておいてもよい。なお、隔壁プレート２０と角形鋼管３とは隅肉溶接１７ｗしておく（図１８（ｂ）を参照）。隅肉溶接部と干渉しないように山形鋼１７を取りつけなければならず、図１９に示すように山形鋼の該当箇所に溶接ビード避けチャンファ１７ｃが設けられる。

ちなみに、隔壁プレート２０は山形鋼１７を伝搬する力によって付随的な力（管軸に直交する方向の力）を伴う。すなわち、当てプレート１８から入った力は山形鋼１７を介して角形鋼管３に到る。このときの力の流れは長手方向に対して傾斜することになるから、その非長手方向分力（外方分力、すなわち管軸に直交する方向の力）は角形鋼管の各面を外方に膨らませようとする。この力は隔壁プレート２０の存在によって原則的には４つの山形鋼から生じるゆえに相殺される。十字形継手を短くせざるを得ない場合などでは管軸直交力が大きくなるために一層有効に機能する。したがって、隔壁プレート２０と角形鋼管３とが隅肉溶接されていれば、隔壁プレート２０は角形鋼管面外変形を可及的に阻止しておくことになる。ちなみに、図１８は図１６を仮想的に縦断面および横断面で見たものであり（図１６には溶接ビード１７ｗは表されていない）、図２０は十字形継手を取りつける直前の角形鋼管３およびその内部を示している。

このようにして製造されたいずれの鋼管製構造材も、十字形継手固定の鋼管内にＰＣ鋼棒を配置したものであって、大きい軸力が予め導入されているためにその軸力より小さな力が作用するかぎり軸方向変形は著しく抑制される。伸び縮みのほとんどないこのような構造材でもって建築物と制震装置とを接続すれば、建物耐震性は大層優れたものとなる。以上は角形鋼管に山形鋼を使用する例で述べた。これに代えて、角形鋼管に四分の一円弧殻を採用し、または丸形鋼管に山形鋼または四分の一円弧殻を適用してもほぼ同様の効果が得られることは言うまでもない。

図３０には異なる例の軸力導入材２が示される。この導入材２の外殻をなす丸鋼管または角鋼管３の端部に形成される接合機構も、鋼管断面ならびに鋼管端に位置するアンカープレートとしての予圧縮力受け座４を四分化して長手方向に割り込み固定される十字形継手５である。そして、その鋼管３には、予圧縮力受け座４にナット６で掛止されるＰＣ鋼棒７が各四分化空間に、すなわち２軸対称的に縦通されている。そして、鋼管端部における四分化開口を被覆して予圧縮力を鋼管の全断面に伝達する予圧縮力受け座４によって画成された鋼管内空間の一部には、図３１に示すようにモルタル８が充填される。

鋼管３を長手方向に分断させた部位で中間部管３Ｍと端部管３Ｅとが挟む隔壁９には開口孔１０が設けられ、上記したＰＣ鋼棒７はその孔を介して支持された案内筒１１に挿通されている。モルタル８は予圧縮力受け座４と隔壁９の鋼管開口側に当てがわれた漏洩阻止板１２との間の空間に充填される。なお、図３２に示すごとく、鋼管内空間の全部にモルタル８を充填しておくこともできる。ＰＣ鋼棒７に予圧縮力を作用させる鋼棒掛止用のナット６およびナット外露出ねじ部には両者を覆う筒状キャップ１３が被せられる。このキャップ内にもモルタル８ａが詰められ、モルタルのアルカリ性を利用してのＰＣ鋼棒７の酸化防止と鋼管の剛性向上等が企図されている。

ちなみに、ＰＣ鋼棒７はいずれか一方の端部寄りでカプラー１４（図３３を参照）によって対向端面が接触することなく接合される。一方の鋼棒例えば左側の鋼棒を伝搬し対向端面で反射する超音波により、鋼棒の伸びの程度が把握できるようにしている。伸縮を嫌う軸力導入材２としての変化を検証できるようにしておくためである。上記した十字形継手５による他の部材との接合は、例えば図３４に示すガセットプレート１５等に接合される。

ところで、図３５に示すような軸力導入材としてもよい。（ａ）の右半部の縦断面図における十字形継手は、（ｂ）に示す鋼板溶接の十字形継手本体部８１とそれに接合される鋳物製継手部８２からなる。図３６には十字形継手本体部８１と鋳物製継手端部８２の溶接接合状態が示されている。

２…軸力導入材、３…鋼管（角形鋼管）、３ａ…十字形継手挿入用スリット、３ｂ…開先、３ｅ…鋼管端面、３ｗ…部分溶け込み溶接、５…十字形継手、５ａ…隅肉溶接、６…ナット、７…ＰＣ鋼棒、１７…山形鋼、１７ｂ…溶接ビード、１７ｅ…端面、１７ｓ…部分長筒部、１８…当てプレート、１８ａ…ＰＣ鋼棒挿通孔、１８ｗ…隅肉溶接、１９…座金プレート、１９ａ…ＰＣ鋼棒挿通孔、２０…隔壁プレート、δ…突出。

Claims (3)

1. 軸力を導入するため一端もしくは両端に十字形継手が固定された鋼管を鋼管製構造材として製造する方法において、
   端縁に開先が形成されかつ十字形継手挿入用スリットが予め形成された前記鋼管の隅部に対面し、部分長筒部を形成するように鋼管端部近傍で山形鋼が各隅部に配置され、
   前記山形鋼の端部を前記鋼管の端面から突出させた状態で、長手方向に伸びた溶接ビードを形成することにより前記山形鋼を鋼管内面に溶接し、
   前記鋼管の前記スリットに十字形継手を挿入し、該十字形継手の鋼管外面に突出した箇所を鋼管外面と隅肉溶接し、
   鋼管端面から突出している山形鋼の端面に前記部分長筒部の開口を独立して密着させるとともに、十字形継手によって前記鋼管が仕切られた４区画それぞれを単独で閉止するように、ＰＣ鋼棒挿通孔が形成された当てプレートを取りつけ、
   鋼管端縁の前記開先を利用して当てプレートの周縁に部分溶け込み溶接を施すとともに、該当てプレートと十字形継手とは隅肉溶接し、
   ・ＰＣ鋼棒挿通孔の形成された座金プレートを当てプレートと対面するように配置してＰＣ鋼棒を前記部分長筒部に縦通させ、ＰＣ鋼棒端にナットを掛止するようにしたことを特徴とする十字形継手固定の鋼管内にＰＣ鋼棒を配置した鋼管製構造材の製造方法。
2. 前記山形鋼を各隅部に配置するに先立ち前記鋼管の内部に隔壁プレートを配置して該鋼管に溶接し、その後各隅部に配置される山形鋼を鋼管内面に溶接するに先立ち該山形鋼を前記隔壁プレートに隅肉溶接することを特徴とする請求項１に記載された十字形継手固定の鋼管内にＰＣ鋼棒を配置した鋼管製構造材の製造方法。
3. 請求項１または請求項２の鋼管製構造材の製造方法によって製作されたことを特徴とする十字形継手固定の鋼管内にＰＣ鋼棒を配置した鋼管製構造材。