JP6826410B2 - 鉄骨ブレース及び建物 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨ブレース、建物及び鉄骨ブレースの製造方法に関する。

従来、建物の耐震性を高めるために、建物の柱又は梁にブレースという耐震構造部材や制振構造部材を設けることが知られている。特に制振を目的としたブレースには、地震に対する建物の耐力を高める効果のみならず、振動エネルギーを吸収して振動を減衰させる効果が期待されている。

例えば、従来例として、長手方向の引張荷重又は圧縮荷重が作用したときに伸縮するように塑性変形可能なブレース芯材と、ブレース芯材の座屈を防止するようにブレース芯材を囲っている補鋼材とを備える座屈拘束ブレース（特許文献１）がある。
他の従来例として、低降伏点鋼からなる第１長尺体と高強度鋼からなる第２長尺体とが長手方向に沿って互いに連結され、第１長尺体と第２長尺体とが所定の軸に関して非対称に配置された座屈ブレース（特許文献２）がある。

特開２０１６−７５０３７号公報 特開２０１５−１２９４１３号公報

特許文献１及び特許文献２に開示されている従来例では、塑性変形することによって振動エネルギーを吸収する鋼材としてのブレース芯材及び第１長尺体と、これを補強する比較的強度の高い鋼材としての補鋼材及び第２長尺体とをそれぞれ準備し、これらを互いに組み付けている。このため、製造のための手間やコストがかかる。
また、特許文献２に開示されている座屈ブレースでは、低降伏点鋼が非常に高価であるため、製造コストが高いものとなる。

本発明の目的は、容易かつ安価に製造できる制振用の鉄骨ブレース、当該鉄骨ブレースを用いた建物、及び、鉄骨ブレースの製造方法を提供することにある。

本発明の鉄骨ブレースは、長尺状の鋼材を備え、前記鋼材は、前記鋼材の一部であって長手方向の全長にわたる部分に焼入れによって形成された高強度化領域と、前記高強度化領域と一体であって前記焼入れがされていない部分である非高強度化領域とを有することを特徴とする。
ここで、本明細書における強度とは、材料の断面を切り出して引張試験を行ったときの平均的な降伏点又は０．２％耐力をいう。

この構成によれば、高強度化領域は、鋼材の長手方向の全長にわたる部分に形成されている。この高強度化領域によれば、鉄骨ブレースの長手方向の荷重に対する強度を高め、建物の耐力を高めることができる。
また、鋼材は、高強度化領域と比べ、より小さな荷重によって塑性変形が生じる非高強度化領域を有している。この非高強度化領域によれば、鉄骨ブレースに加えられる振動が小さくともその振動エネルギーを効果的に吸収することができ、振動を減衰させることができる。

このような高強度化領域及び非高強度化領域は、鋼材の一部を焼入れることによって一体に設けられている。このため、本発明の鉄骨ブレースを製造するために、煩雑な組み付け作業を必要とせず、また高価な低降伏点鋼を用いずともよい。
よって、本発明によれば、容易かつ安価に製造できる制振用の鉄骨ブレースが提供される。

また、本発明の鉄骨ブレースにおいて、前記高強度化領域は、前記鋼材の材軸に関して対称となる位置に形成されていることが好ましい。
この構成によれば、鋼材の材軸に関して高強度化領域がバランスよく配置されるため、鉄骨ブレースの長手方向の引張荷重に対する強度を効果的に高めることができる。

また、本発明の鉄骨ブレースにおいて、前記鋼材は、前記高強度化領域が形成されたフランジを有することが好ましい。
この構成によれば、鋼材として形鋼を用いているので、圧縮荷重に対して座屈を防止するとともに、形鋼のフランジに焼入れすることによって、本発明の鉄骨ブレースをより容易に製造できる。

別の本発明の鉄骨ブレースは、長尺状の鋼管を備え、前記鋼管は、前記鋼管の一部であって長手方向の中央部分に焼入れによって形成された高強度化領域と、前記高強度化領域と一体であって前記焼入れがされていない部分である非高強度化領域とを有することを特徴とする。
この本発明の鉄骨ブレースに圧縮荷重が与えられたとき、最初に降伏する部位は、焼入れを行っていない非高強度化領域である。ただし、非高強度領域は、鋼管の全長と比較して有効座屈長さが小さいため、曲げ変形や面外座屈変形が起こりにくく、材軸方向に単純圧縮される。このため、鋼管は、座屈が防止され、圧縮耐力の低下が抑制される。これにより、本発明の鉄骨ブレースは、高いエネルギー吸収性能を発揮することができる。
また、高強度化領域及び非高強度化領域は、鋼管の一部を焼入れることによって一体に設けられている。
よって、本発明によれば、容易かつ安価に製造できる制振用の鉄骨ブレースが提供される。

本発明の建物は、柱と、前記柱に接合された梁と、前記柱又は前記梁に連結された前述の鉄骨ブレースとを備えることを特徴とする。
本発明の建物によれば、前述と同様の効果を奏する他、建物の制振補強構造を容易かつ安価に実現できる。

本発明の鉄骨ブレースの製造方法は、長尺状の鋼材を用いて鉄骨ブレースを製造する方法であって、前記鋼材の一部であって長手方向の全長にわたる部分に焼入れによって高強度化領域を形成し、前記高強度化領域と一体であって前記焼入れがされていない部分を非高強度化領域とすることを特徴とする。
別の本発明の鉄骨ブレースの製造方法は、長尺状の鋼管を用いて鉄骨ブレースを製造する方法であって、前記鋼管の一部であって長手方向の中央部分に焼入れによって高強度化領域を形成し、前記高強度化領域と一体であって前記焼入れがされていない部分を非高強度化領域とすることを特徴とする。
これら本発明の鉄骨ブレースの製造方法によれば、制振用の鉄骨ブレースを容易かつ安価に製造することができる。

本発明の第１実施形態に係る建物の一部分を示す概略図である。 （Ａ）は本発明の第１実施形態に係る鉄骨ブレースを示す正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 図２に示す鉄骨ブレースの荷重−変形量の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る鉄骨ブレースを示す正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第３実施形態に係る鉄骨ブレースを示す正面図である。 （Ａ）比較例の鉄骨ブレース及び（Ｂ）前記第３実施形態の鉄骨ブレースについて履歴曲線を示すグラフである。 （Ａ）比較例の鉄骨ブレース及び（Ｂ）前記第３実施形態の鉄骨ブレースについて圧縮荷重が加わったときのひずみ分布図である。 変形例に係る建物の一部分を示す概略図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態の建物１は、複数の柱１１と、柱１１に接合された複数の梁１２と、柱１１と梁１２とを接合する柱梁接合部１３とを備えている。本実施形態では、柱１１と梁１２から構成されるフレームの対角線上に固定部材１５を介して鉄骨ブレース２０を設けており、これによって建物１の制振及び耐震補強を行っている。つまり、柱梁接合部１３のうち、フレームの対角線上に配置された柱梁接合部１３の近傍には、固定部材１５がそれぞれ設けられ、これらの固定部材１５には鉄骨ブレース２０の両端が接合されている。

鉄骨ブレース２０は、長尺状の鋼材２１と、鋼材２１の長手方向の両端にそれぞれ溶接された鋼板２９とを有している。鋼材２１の材軸Ｘは、図１では、柱１１と梁１２から構成されるフレームの対角線に一致している。鋼板２９はボルト等によって固定部材１５に接合されており、これによって、鉄骨ブレース２０は柱１１又は梁１２に連結されている。

鋼材２１としては、長手方向の引張荷重及び圧縮荷重が作用したときに伸縮するように塑性変形可能な鋼材を用いることができる。例えば、鋼材２１として形鋼を用いる場合、ＪＩＳＧ３１０６で定められている溶接構造用圧延鋼材（記号ＳＭ）、ＪＩＳＧ３１３６で定められている建築構造用圧延鋼材（記号ＳＮ）、ＪＩＳＧ３１０１で定められている一般構造用圧延鋼材（記号ＳＳ）、ＪＩＳＧ３３５０で定められている一般構造用軽量形鋼（記号ＳＳＣ）、及び、ＪＩＳＧ３３５３で定められている一般構造用溶接軽量Ｈ形鋼（記号ＳＷＨ）などの構造用鋼を用いることができる。

図２に示すように、本実施形態の鋼材２１は、例えばＨ形鋼であり、２つのフランジ２２と、これらのフランジ２２に両端が接合されたウェブ２３とを有する。
また、鋼材２１は、その一部を焼入れすることによって形成された高強度化領域Ｓ１と、焼入れされていない部分である非高強度化領域Ｎ１とを有する。

本実施形態では、高強度化領域Ｓ１は、鋼材２１の長手方向の全長にわたる部分に形成されている。具体的には、高強度化領域Ｓ１は、一対のフランジ２２と各フランジ２２に連続しているウェブ２３の一部とに形成されている。鋼材２１に形成された２つの高強度化領域Ｓ１は、鋼材２１の材軸Ｘに関して対称に配置されている。一方、非高強度化領域Ｎ１は、２つの高強度化領域Ｓ１に挟まれるように、ウェブ２３の短手方向の中央部分に配置されている。

ここで、材軸Ｘからウェブ２３の短手方向の端部までの寸法をＭ０とし、材軸Ｘから高強度化領域Ｓ１と非高強度化領域Ｎ１との境界までの寸法をＭ１とすると、Ｍ１／Ｍ０は１／２以下であることが好ましい。

鋼材２１への焼入れは、高周波誘導加熱によって７５０℃以上１２００℃以下の加熱温度で加熱し急冷することによって行われる。このような焼入れを行うことにより、高強度化領域Ｓ１の強度は、鋼材２１の本来の強度よりも高められている。
なお、本明細書における強度とは、断面を切り出して引張試験をおこなったときの平均的な降伏点又は０．２％耐力である。

高強度化領域Ｓ１の降伏点又は０．２％耐力は、非高強度化領域Ｎ１の降伏点又は０．２％耐力に比べて１．５倍以上であり、かつ、７００Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。なお、高強度化領域Ｓ１の平均的な値が、非高強度化領域Ｎ１に比べて１．５倍以上になればよく、断面全体を１．５倍以上にすることを要しない。

本実施形態は、次の効果を奏することができる。
（１）鉄骨ブレース２０において、高強度化領域Ｓ１は、鋼材２１の長手方向の全長にわたる部分に形成されている。この高強度化領域Ｓ１によれば、鉄骨ブレース２０の長手方向の圧縮荷重に対する強度を高め、建物１の耐力を高めることができる。
また、鋼材２１は、高強度化領域Ｓ１と比べ、より小さな荷重によって塑性変形が生じる非高強度化領域Ｎ１を有している。この非高強度化領域Ｎ１によれば、鉄骨ブレース２０に加えられる振動が小さくともその振動エネルギーを好適に吸収することができ、振動を減衰させることができる。

例えば、図３は、鉄骨ブレース２０、高強度化領域Ｓ１、及び、非高強度化領域Ｎ１について、それぞれの荷重−変形量の関係を示すグラフである。図３に示すように、鉄骨ブレース２０は、段階的に降伏する。特に、荷重Ｆ１から荷重Ｆ２（＞Ｆ１）までの間、鉄骨ブレース２０では、高強度化領域Ｓ１が弾性変形しつつ、降伏した非高強度化領域Ｎ１が塑性変形する。この間、鉄骨ブレース２０は、非高強度化領域Ｎ１によって振動エネルギーを吸収しつつ、高強度化領域Ｓ１によって剛性が保持される。

また、このような高強度化領域Ｓ１及び非高強度化領域Ｎ１は、鋼材２１の一部を焼入れることによって一体に設けられている。このため、鉄骨ブレース２０を製造するために、煩雑な組み付け作業を必要とせず、また高価な低降伏点鋼を用いずともよい。
よって、容易かつ安価に製造できる制振用の鉄骨ブレース２０が提供される。
さらに、荷重と変形量の関係は、高強度化領域Ｓ１と非高強度化領域Ｎ１の比率の調整により、必要とする特性を容易に得ることが可能である。

（２）本実施形態では、鋼材２１の材軸Ｘに関して高強度化領域Ｓ１がバランスよく配置されているため、鉄骨ブレース２０の長手方向の引張荷重に対する強度を効果的に高めることができる。

（３）本実施形態によれば、鋼材２１として形鋼を用いているので、圧縮荷重に対して座屈を防止するとともに、形鋼のフランジ２２に焼入れすることによって、鉄骨ブレース２０をより容易に製造可能である。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態の鉄骨ブレース２４について、図４を参照して説明する。なお、以下では、第１実施形態と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

第２実施形態の鉄骨ブレース２４では、鋼材２１の一部を焼入れることによって、図４に示すような高強度化領域Ｓ２及び非高強度化領域Ｎ２が一体に設けられている。具体的には、非高強度化領域Ｎ２は、鋼材２１の長手方向の全長のうちの一部に配置されている。また、高強度化領域Ｓ２は、一対のフランジ２２に形成されるだけでなく、鋼材２１の長手方向の両端側のウェブ２３において一対のフランジ２２間に連続して形成されている。

鋼材２１の長手方向において、非高強度化領域Ｎ２の寸法Ｌ２は、鋼材２１の寸法Ｌ１の１／３以上であることが好ましい。また、鋼材２１の短手方向において、非高強度化領域Ｎ１を挟んでいる高強度化領域Ｓ１の各部分の寸法についても適宜変更可能である。

第２実施形態では、鋼材２１の長手方向の中央付近に非高強度化領域Ｎ２を設けることで、材軸方向の変形(伸びや縮み)に対する特性の調整が可能となる。
また、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様、容易かつ安価に製造できる制振用の鉄骨ブレースが提供される。

〔第３実施形態〕
本発明の第３実施形態の鉄骨ブレース２５について、図５〜図７を参照して説明する。なお、以下では、第１実施形態と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

第３実施形態では、鉄骨ブレース２５の鋼材として鋼管２６を用いている。鋼管２６としては、ＪＩＳＧ３４７５で定められている建築構造用炭素鋼管（記号ＳＴＫＮ）、及び、ＪＩＳＧ３４６６で定められている一般構造用角形鋼管（記号ＳＴＫＲ）等が挙げられる。

図５に示すように、鉄骨ブレース２５において、高強度化領域Ｓ３は、鋼管２６の長手方向の中央部分の全周に焼入れすることで形成されている。非高強度化領域Ｎ３は、高強度化領域Ｓ３を挟むように、鋼管２６の長手方向の両端部分に配置されている。鋼管２６の長手方向において、非高強度化領域Ｎ３の各寸法は、高強度化領域Ｓ３よりも短いことが好ましい。

第３実施形態の鉄骨ブレース２５によれば、以下の効果を奏する。
第３実施形態の鉄骨ブレース２５に圧縮荷重が与えられたとき、最初に降伏する部位は、焼入れを行っていない非高強度化領域Ｎ３である。ただし、非高強度化領域Ｎ３は、鋼管２６の全長と比較して有効座屈長さが小さいため、曲げ変形や面外座屈変形が起こりにくく、材軸方向に単純圧縮される。このため、鋼管２６は、座屈が防止され、圧縮耐力の低下が抑制される。これにより、鉄骨ブレース２５は、高いエネルギー吸収性能を発揮することができる。

ここで、焼入れを行っていない通常の鋼管を用いた鉄骨ブレースを比較例として、第３実施形態の鉄骨ブレース２５について、焼入れの効果を検証する。
図６（Ａ）に示すように、比較例の鉄骨ブレースによる履歴曲線では、引張及び圧縮で描かれるループが非対称である。一方、図６（Ｂ）に示すように、第３実施形態の鉄骨ブレース２５による履歴曲線では、層間変形角１．５％程度まで、引張及び圧縮で描かれるループが対称である。これは、鉄骨ブレース２５に曲げ変形や座屈が起こらず、鉄骨ブレース２５が振動エネルギーを効果的に吸収していることを示している。

また、比較例の鉄骨ブレース及び第３実施形態の鉄骨ブレース２５の各々に対し、圧縮側で層間変形角１．５％まで変位を与えるとする。このとき、図７（Ａ）に示すように、比較例の鉄骨ブレースでは、鋼管の中央部分にひずみが集中する。一方、図７（Ｂ）に示すように、第３実施形態の鉄骨ブレース２５では、鋼管２６の中央部分が弾性にとどまる。これは、鋼管２６の中央部分に高強度化領域Ｓ３が形成されているためである。これにより、鉄骨ブレース２５は、高い圧縮耐力を維持することができる。

これらの高強度化領域Ｓ３及び非高強度化領域Ｎ３は、鋼管２６の一部を焼入れることによって一体に設けられている。
したがって、第３実施形態によれば、第１実施形態と同様、容易かつ安価に製造できる制振用の鉄骨ブレースが提供される。

〔変形例〕
本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。以下、本実施形態の変形例について説明する。

本発明における高強度化領域及び非高強度化領域の配置は、前述の各実施形態に限定されず、鉄骨ブレース２０，２４，２５が必要とする性能に応じて設定可能である。
例えば、鉄骨ブレース２０，２４，２５全体の強度を増したい場合には、鋼材２１又は鋼管２６のうち、高強度化領域Ｓ１〜Ｓ３が占める割合を増やしてもよい。また、振動エネルギーの吸収効果を高めたい場合には、鋼材２１又は鋼管２６のうち、非高強度化領域Ｎ１〜Ｎ３が占める割合を増やしてもよい。

第１実施形態及び第２実施形態において、高強度化領域Ｓ１，Ｓ２は、鋼材２１の材軸Ｘに関して対称でなく、偏在していてもよい。例えば、図２において、下方に位置する高強度化領域Ｓ１と非高強度化領域Ｎ１との境界を材軸Ｘと一致させ、上方に位置する高強度化領域Ｓ１をフランジ２２に近接させる構成としてもよい。このように、高強度化領域Ｓ１を鋼材２１の材軸Ｘに関して非対称、つまり、偏心させることで、ひずみの集中を防止し、小変形範囲での座屈をさせやすい構造となる。
仮に、前記実施形態のように、材軸Ｘに対して高強度化領域Ｓ１が対称とされている場合でも、柱梁接合部１３の対角線上とオフセットすることで、同様の効果を奏することができる。また、偏心量は、鋼材断面の端部が材軸Ｘから離れた位置としてもよい。
さらに、Ｈ形鋼が有する一対のフランジのうち、片方のフランジに高強度化領域が形成されていてもよい。

本発明の長尺状の鋼材は、Ｈ形鋼であることに限定されず、例えば、Ｌ形鋼及び十字形鋼などの形鋼であってもよいし、断面の外郭が矩形状の鋼管であってもよい。
例えば、第１実施形態及び第２実施形態においてＬ形鋼を用いる場合、「Ｌ」字の２辺の部分うち、一方の辺の部分に焼き入れして高強度化領域を形成し、他方の辺の部分を非高強度化領域としてもよい。また、十字形鋼を用いる場合、「十」字を成す４つの凸部分のうち、少なくとも１つの凸部分に焼き入れして高強度化領域を形成してもよい。

また、第１実施形態及び第２実施形態において、形鋼の替わりに管鋼を用いてもよい。この場合、鋼管の周壁の一部に焼入れして高強度化領域Ｓ１，Ｓ２を形成してもよい。

本発明の鉄骨ブレース２０，２４，２５は、図１に示すような片筋交いとして用いられてもよいし、図８に示すようなＫ形ブレースとして用いられてもよい。また、その他の様々な取り付け構造によって建物１に設けられてもよい。

１…建物、１１…柱、１２…梁、１５…固定部材、２０，２４，２５…鉄骨ブレース、２１，２６…鋼材、２２…フランジ、２３…ウェブ、２９…鋼板、Ｓ１〜Ｓ３…高強度化領域、Ｎ１〜Ｎ３…非高強度化領域、Ｘ…材軸。

Claims (3)

1. 長尺状の鋼材を備え、
   前記鋼材は、前記鋼材の一部であって長手方向の全長にわたる部分に焼入れによって形成された高強度化領域と、前記高強度化領域と一体であって前記焼入れがされていない部分である非高強度化領域と、前記高強度化領域が形成されたフランジとを有することを特徴とする鉄骨ブレース。
2. 請求項１に記載の鉄骨ブレースにおいて、
   前記高強度化領域は、前記鋼材の材軸に関して対称となる配置に形成されていることを特徴とする鉄骨ブレース。
3. 柱と、
   前記柱に接合された梁と、
   前記柱又は前記梁に連結された請求項１または請求項２に記載の鉄骨ブレースと、を備えることを特徴とする建物。

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