JP6558714B2 - ブレース構造 - Google Patents

Description

本発明は、建設分野で使用される鋼製ブレースの設置形態に係り、特に地震時における圧縮力の影響を低減したブレース構造に関する。

鉄骨ラーメンフレーム架構は、主要構造部材である鉄骨柱と鉄骨梁が剛接合されたもので、中小鉄骨建築物などに広く採用されている架構形式である。このような架構では、建物の耐震性を高めるため、鉄骨柱と鉄骨梁で囲まれた矩形状の架構面の対角位置にブレースを取り付けるのが一般的である。ブレースの構造形式として、一般にＸ形、Ｙ形、Ｚ形と呼ばれる形が多く用いられている。Ｘ形とＹ形は、柱と梁からなる１箇所の架構面内に、引張力が作用するブレース（引張ブレース）と圧縮力が作用するブレース（圧縮ブレース）とを共存させた２本のブレースで構成される。Ｚ形は、隣接する２箇所の架構面に対して傾斜方向が異なるブレースを１本ずつ設置し、個々のブレースに引張力と圧縮力を負担させ、交番で荷重を負担するものである。

地震時において、ブレースに対して引張力と圧縮力がそれぞれ個別に交番応力として働くことから、ブレースを選定する際には、引張力に対する設計検討と圧縮力に対する設計検討を同時並行で行なう必要がある。引張力に対する設計検討は、ブレースの端部が結合される架構面側のガセットプレート等の接続金物とブレース本体を構成する各種軸材の引張強度の検討が主となる。圧縮力に対する設計検討は、引張力と同様な検討に加え、接続金物とブレース本体の座屈耐力の検討も必要となる。
圧縮ブレースでは、その座屈耐力が不十分であると、構造躯体の設計耐力に達する前の段階でブレースに座屈現象が生じ、それまでブレースが負担していた圧縮力が一気にゼロになり、構造躯体そのものの安全性も損なわれる。このようなことから、座屈耐力の検討は、十分に慎重な設計が要求されている。ブレースの圧縮力と座屈耐力の設計検討は、ブレース端部の固定条件、ブレースの長さ、ブレース本体の断面形状（断面半径）など多数の検討条件がある。
ブレースの座屈耐力を高めるには、ブレース本体の外径と断面積を大きくすることが有効であるが、それに伴ってブレース端部に結合する接合金物（定着金具）やブレース本体（軸材）の鋼材重量が増え、さらにブレースが配設される構造面の開口部が狭くなるなど、非常に不経済な状態になる。

このような状況を踏まえ、主として引張力に対応し、圧縮力の影響を低減したブレース構造が提案されている。特許文献１〜４に記載のものは、ブレース本体に丸棒鋼を用い、その一端側が軸心方向に変位可能に取り付けられた構造である。このような構造では、地震時に圧縮力が作用したとき、端部が軸心方向にスライドすることでブレース本体への圧縮力を回避している。また、特許文献５に記載のものは、Ｘ形に配置したブレース本体の中央部にパネルプレートを設け、このパネルプレートを塑性変形させることにより圧縮力の影響を低減する構造である。

特開２０１４−３４８２３号公報 特開２００１−３３６３０４号公報 特開平９−７２００２号公報 実用新案登録第３０４００１６号公報 特開昭６２−２１１４６９号公報

上記従来例のブレース構造は、鉄骨フレーム架構とブレースとの接合部、ガセットプレートとブレースとの接合部、およびパネルプレートとブレースとの接合部に用いられているボルトには曲げモーメントが働き、ブレース端部は、ピン状態にならず、二軸方向（ＸＹ方向）の自由な回転を阻害している。また、ブレース本体に適用可能な軸材が丸棒鋼に限定されるため、鋼管や平鋼などの他の鋼材を使用することが難しく、設計の自由度が小さいという問題点があった。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために創出されたもので、地震時における圧縮力の影響でブレース本体が座屈するのを防ぐことができ、軸材に各種鋼材の使用が可能で設計の自由度が高いブレース構造の提供を目的とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明は、鉄骨柱と鉄骨梁を骨組みとする鉄骨架構の矩形状架構面の対角位置に該矩形状架構面と平行に設けられた一対のガセットプレートにブレース体を直線状に連結してなるブレース構造において、前記ブレース体は、ブレース本体とその両端側に結合された一対の定着金具からなり、これら一対の定着金具が一対のガセットプレートにそれぞれ穿設された挿通孔をガセットプレートに対して垂直方向に貫通するプレート接合ピンでピン接合されると共に、一対の定着金具とブレース本体がプレート接合ピンと平行な中間部接合ピンでピン接合されることを主たる構成として採用したものである。

上記構成において、構造躯体に対して地震等による水平力が負荷されると、ブレース体には長手方向に向けて引張力と圧縮力が交互に作用する。このとき、ブレース体の両端部が矩形状架構面の対角位置にある一対のガセットプレートに対して、プレート接合ピンにより矩形状架構面内で相対回転可能にピン接合されることにより、この接合部で部材相互の相対的な移動が拘束され、ブレース体に作用する引張力や圧縮力の伝達がスムーズに行われる。さらに、ブレース体の中間部分の少なくとも１箇所には、両端部のプレート接合ピンと同じ方向に挿通される中間部接合ピンによりピン接合部が形成されているので、ブレース体に引張力が作用すると、各ピン接合部には、曲げモーメントが働くことなく直線的に構造躯体の変形に追随する。一方、圧縮力がブレース体に作用したときには、即座に各接合ピンの位置で回転し、直線状態のブレース体が、中間部分に形成されているピン接合部の位置で屈曲した形状に変化するので、圧縮力を回避することができる。このようなメカニズムの採用により、ブレース本体に使用する鋼材の座屈を防ぐための断面アップをなくし、鋼材サイズを小さくしてコストダウンを図ることができ、また各種形状の鋼材をブレースの軸材に適用することが可能であることから、ブレース設計の自由度が高まる。

さらに、上記構成によれば、ブレース体は、ブレース本体の両端側に結合された一対の定着金具のそれぞれ２箇所、すなわち４箇所にピン接合部が形成されることになるため、地震等の水平力により圧縮力がブレース体に作用したときには、直線状態のブレース体が、元のブレース体（変形前）を下底とし、ブレース本体が上底で両側の定着金具を脚とする不等脚台形のような形状に変化して圧縮力を回避することができる。

本発明の他の構成は、主たる構成における定着金具が、鍔状の工具掛止部の一端側と他端側に右ネジ部と左ネジ部を形成したボルト本体のそれぞれのネジ部に一方の雌ネジ部材と他方の雌ネジ部材を螺合し、工具掛止部を回転させることにより両方の雌ネジ部材を近接または離反させる張力調節部材を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、ボルト本体を回転させることにより、ブレースの撓みや緩みをなくし、ブレース本体に引張軸力を簡単かつ確実に導入することができる。

本発明のさらに他の構成は、主たる構成におけるブレース本体が平鋼からなり、また、平鋼が並列状態に配置される２枚１組からなることを特徴とするものである。この場合には、平鋼の端部に接合ピンを挿通するための貫通孔を設ければよいので、ピン接合部の形成が容易である。さらに、２組のブレース体を用いて矩形状架構面にＸ形状に設置する場合、一方のブレース体のブレース本体を２枚１組からなるものとし、他方のブレース本体を１枚からなるものを用い、一方のブレース体の並列するブレース本体間の隙間に、他方のブレース本体を挿入して交差させれば、ガセットプレートの構造躯体の取りつけ位置の修正が不要になり、両者の交差部にパネルプレート等の部材を用いる必要もなくなる。

本発明に係るブレース構造では、上記構成を採用することにより、次のような効果が得られる。
（１）ブレース体に地震等による引張力が作用したとき、ブレース体は自身の引張耐力で負担する。また、圧縮力が作用したときには、ブレース体がすべてのピン接合部の位置で回転し、中間部分に位置するピン接合部の位置で屈曲した形状に変化するので、圧縮力を回避することが可能となり、圧縮力による曲げ座屈などの急激な耐力低下も起こらないので、構造架構の耐震性能が向上する。
（２）ブレースに対する地震時における圧縮力の影響が低減されるので、引張力を主体に考慮すればよく、ブレースの設計が容易になる。
（３）ブレース本体に使用する鋼材のサイズを小さくしてコストダウンを図ることができ、また各種形状の鋼材をブレースの軸材に適用することが可能であることから、ブレース設計の自由度が高まる。

本発明に係るブレース構造の第一実施形態を示す正面図である。 図１に示すブレース構造の要部を拡大した斜視図である。 図１に示すブレース構造で使用する定着金具を拡大した斜視図である。 地震力等の水平力が作用した時のブレース構造の挙動を示した説明図である。 本発明に係るブレース構造の参考例の要部を拡大した斜視図である。 図５に示すブレース構造で使用する定着金具を拡大した斜視図である。 本発明に係るブレース構造の第二実施形態を示す正面図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係るブレース構造の実施形態について説明する。図１〜４は、本発明に係るブレース構造（鉄骨架構との接合構造）の第一実施形態を示し、それぞれ正面図、要部を拡大した斜視図、定着金具を拡大した斜視図および地震力が作用した時のブレース構造の挙動を示した説明図である。

図１に示す本発明のブレース構造において、ブレース体１は、ブレース本体２とその両端部に結合された一対の定着金具３，４からなり、鉄骨梁１１と鉄骨柱１２で構成される鉄骨架構の矩形状架構面１０の対角位置に設けた上下のガセットプレート１３ａ，１３ｂに対して、一方の定着金具３を上側のガセットプレート１３ａにプレート接合ピン１４を介してピン接合するとともに、他方の定着金具４も同様に下側のガセットプレート１３ｂに対してプレート接合ピン１４を介してピン接合し、全体として直線状の傾斜状態で設置される。図示はしないが、上下のガセットプレート１３ａ，１３ｂには、プレート接合ピン１４を受け入れる挿通孔が穿設されている。

図２に拡大して示すように、ブレース本体２は横断面が長方形状の平鋼からなり、その弱軸面２ａには、長手方向の両端側にピン孔（図示せず）が強軸面２ｂと平行に形成されている。さらに、ブレース本体２の一端側には、前記ピン孔を貫通する中間部接合ピン１５を介して２枚の平鋼３ａ，３ｂからなる一方の定着金具３がピン接合される。また、ブレース本体２の他端側は、同じく中間部接合ピン１５を介して後述する他方の定着金具４がピン接合され、他方の定着金具４を介して下側のガセットプレート１３ｂに対してプレート接合ピン１４でピン接合されている。このようにブレース本体２が、その弱軸面２ａが矩形状架構面１０と平行に配置され、２個のプレート接合ピン１４と２個の中間部接合ピン１５は、いずれも矩形状架構面１０に対して垂直方向に配置される。

図３は、他方の定着金具４を拡大した斜視図である。他方の定着金具４は、張力調節部材４０とその両側に結合される一対の挟持部材４４，４５からなる。張力調節部材４０は、ボルト本体４１と一対の雌ネジ部材４２，４３からなる。この場合、ボルト本体４１の右ネジ部４１ａと左ネジ部４１ｂにそれぞれ螺合する一方の雌ネジ部材４２と他方の雌ネジ部材４３は、雌ネジが全長に渡って設けられた円筒状に形成され、それぞれの外周面に挟持部材４４，４５が接合されている。一方の雌ネジ部材４２に結合される一方の挟持部材４４と他方の雌ネジ部材４３に接合される他方の挟持部材４５は、それぞれが雌ネジ部材４２，４３よりも長い２枚１組の平鋼４４ａ，４４ａと４５ａ，４５ａからなり、軸心を挟む対向位置で溶接により一体化されている。さらに、平鋼４４ａ，４４ａと４５ａ，４５ａの自由端側には、ピン孔４４ｂ，４４ｂと４５ｂ，４５ｂが向かい側の平鋼に対してそれぞれ軸心を合わせて形成され、ピン孔４４ｂ，４４ｂの軸心とピン孔４５ｂ，４５ｂの軸心とは平行関係にある。また、ボルト本体４１の中央には、欠円状の工具掛止部４１ｃが設けられている。なお、一対の雌ネジ部材４２，４３は、円筒状に代えて六角形などの多角形状筒体にすることは可能であり、またネジ孔は全ネジ孔でなくともよい。そして、一対の定着金具３，４が上下のガセットプレート１３ａ，１３ｂに対してピン接合された後、張力調節部材４０のボルト本体４１を回転させると、雌ネジ部材４２，４３の間隔が狭まり、ブレース本体２に所望の引張軸力を導入することができる。

図４は、地震力等が作用した時の本発明に係るブレース構造の挙動を示した説明図である。なお、図ではブレース体１が矩形状架構面１０の右上と左下の対角位置に設置され、地震等による水平力Ｑが左方向に向けて作用した場合を示している。そして、水平力Ｑを受けることにより、矩形状架構面１０は変位量δで平行四辺形状に変形する。このような変形が生じると、ブレース体１には圧縮力Ｐが作用する。このとき、２個のプレート接合ピン１４と２個の中間部接合ピン１５が、いずれも矩形状架構面１０に対して垂直方向に配置されるため、これらのピン接合部で回転が生じ、その結果、ブレース体１はピン接合部の位置において、下方に向けて屈曲する。これにより、ブレース体１に圧縮軸力が作用することが回避され、ブレース体１は、従来の圧縮ブレースのような局所曲げを生じないものとなる。

図５は、本発明に係るブレース構造の参考例の要部を拡大した斜視図である。なお、前記第一実施形態と同一部分については同一符号で示し、重複する説明を省略する。図示のブレース構造において、ブレース体５の一端側には定着金具がなく、他端側のみに定着金具７が結合されている。ブレース本体６は、並列配置された一対の平鋼６ａ，６ａからなり、その端部に穿設された各ピン孔とガセットプレート１３ｃの貫通孔（いずれも図示せず）を挿通するプレート接合ピン１４によりガセットプレート１３ｃとピン接合される。また、他端側の定着金具７は、図６に拡大して示すように、第一実施形態と同様な張力調節機能を有するものである。ただし、張力調節部材４０のボルト本体４１に螺合する一方の雌ネジ部材４２は、平鋼４６の切欠部４６ａに溶接される。この平鋼４６を一対の平鋼６ａ，６ａ（ブレース本体６）の端部の隙間に挿入し、平鋼４６のピン孔４６ｂとブレース体５の他端側のピン孔（図示せず）に中間部接合ピン１５を挿通することにより両者をピン接合する。そして、他方の挟持部材４５とガセットプレート１３ｄとをプレート接合ピン１４でピン接合する。

図７は、本発明に係るブレース構造の第二実施形態を示す正面図である。このブレース構造は、第一実施形態と参考例を組み合わせたもので、全体としてＸ形のブレース構造となっている。すなわち、ブレース体１の両端はガセットプレート１３ａ，１３ｂにピン接合され、ブレース体５の両端はガセットプレート１３ｃ，１３ｄとピン接合される。この場合、ブレース体１のブレース本体２は、ブレース体５の並列配置された一対の平鋼６ａ，６ａ（ブレース本体６）間に挿入された状態で交差している。

上記各実施形態に係る接合構造において、矩形状架構面１０のガセットプレートに端部が結合されるブレース体１，５は、地震等により引張力が作用すると、ブレース本体２，６の軸材をなす平鋼に引張力が発生する。この引張力に対しては、平鋼自身の断面強度で耐えるように設計されている。一方、圧縮力に対しては、ブレース体１，５の両端側がプレート接合ピン１４で矩形状架構面１０に対してピン接合されるとともに、これら両端に位置するピン接合部で挟まれた区間に２箇所（第一実施形態）のピン接合部が存在するので、ブレース本体１，５が各ピン接合部で回転して屈曲する。これにより、ブレース体１，５に働く圧縮力は非常に小さく、実質的に圧縮力を回避した状態を実現できる。
また、ブレース体１，５は、各接合ピン１４，１５が矩形状架構面１０に対して垂直に配置されるから、圧縮力によりブレース体１，５が屈曲する場合には、構造面内での変形となり、ブレース本体１，５の変形で建築物の外壁や内壁等を破壊する可能性を低減できる。

以上、実施形態に基づいて本発明の構成とその作用効果について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ブレース本体として平鋼の他に丸棒鋼、角鋼、六角鋼、八角鋼、半丸鋼、鋼管や各種の形鋼の適用、あるいはこれらの組合せが可能であり、ピン接合部の数をさらに増やすことも可能である。
また、ブレース体の端部の一方は、鉄骨柱と鉄骨梁の交差部ではなく、鉄骨柱とその下端に接合されるベースプレートに跨って設けられたガセットプレートに接合するなど、この発明の技術思想内での種々の変更実施はもちろん可能である

本発明のブレース構造は、地震時における圧縮力の影響でブレース体の座屈によるフレーム架構の急激な耐力低下を防ぎ、設計の自由度も高いため、鉄骨建造物等の補強用ブレースとしての利用のさらなる展開が期待される。

１，５：ブレース体、２，６：ブレース本体（平鋼）、３，４，７：定着金具、１０：矩形状架構面、１１：鉄骨梁、１２：鉄骨柱、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ：ガセットプレート、１４：プレート接合ピン、１５：中間部接合ピン、４０：張力調節部材、４１：ボルト本体、４２，４３：雌ネジ部材、４４，４５：挟持部材、４４ｂ，４５ｂ，４６ｂ：ピン孔

Claims (4)

1. 鉄骨柱と鉄骨梁を骨組みとする鉄骨架構の矩形状架構面の対角位置に該矩形状架構面と平行に設けられた一対のガセットプレートにブレース体を直線状に連結してなるブレース構造において、前記ブレース体は、ブレース本体とその両端側に結合された一対の定着金具からなり、これら一対の定着金具が前記一対のガセットプレートにそれぞれ穿設された挿通孔をガセットプレートに対して垂直方向に貫通するプレート接合ピンでピン接合されると共に、前記一対の定着金具とブレース本体が前記プレート接合ピンと平行な中間部接合ピンでピン接合されることを特徴とするブレース構造。
2. 前記定着金具が、鍔状の工具掛止部の一端側と他端側に右ネジ部と左ネジ部を形成したボルト本体のそれぞれのネジ部に一方の雌ネジ部材と他方の雌ネジ部材を螺合し、工具掛止部を回転させることにより両方の雌ネジ部材を近接または離反させる張力調節部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のブレース構造。
3. 前記ブレース本体が、平鋼からなることを特徴とする請求項１または２に記載のブレース構造。
4. 前記ブレース本体が、並列状態に配置される２枚１組の平鋼からなることを特徴とする請求項３に記載のブレース構造。
   

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