JP7007937B2

JP7007937B2 - トラス梁

Info

Publication number: JP7007937B2
Application number: JP2018011751A
Authority: JP
Inventors: 寛江頭; 浩之原田; 学川島
Original assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Mitsui Construction Co Ltd
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2038-01-26
Also published as: JP2019127800A

Description

本開示は、耐震性、特に地震時の変形能力を向上させたトラス梁に関する。

トラス梁は、弦材と斜材の個材で構成され、弾性域では個々の部材に生じる軸力で抵抗する部材であり、一般的に弦材は直線や曲線、斜材は直線であることが多い。図１０（Ａ）は、従来技術に係るトラス梁の例を示す。トラス梁１は、上弦材２、下弦材３及び複数の斜材４を有し、１対の柱５等の構造部材に支持されている。このようなトラス梁の耐震性を向上させるための様々な構造が提案されている。

例えば特許文献１には、下弦材と柱との間にダンパーを介装して、地震時の変位をエネルギーとして消散させる構造が記載されている。また、特許文献２には、トラス梁の延在方向に剛性の高い区間と剛性の低い区間とを設け、その境界が地震時にヒンジとなって曲げ降伏を先行させる構造が記載されている。また、特許文献３には、トラス梁の構面に対して斜め方向に延出する横座屈補剛材を下弦材に接合して、横座屈を防止する構造が記載されている。

ところで、鉄骨部材の変形能力は、主に個材の幅厚比によって構造特性係数（以下、「Ｄｓ値」と記す）が決まり、Ｈ形鋼などの単材の充腹材部材に適用されている。変形性能が大きいほどＤｓ値は小さな値となり、設計用の地震力が小さくなる。しかし、トラス梁の個材の幅厚比には適用できず、トラス梁自体の部材種別が存在しないため、現時点では特別な検討をしない限り、トラス梁の設計にはＤｓ値を大きく定めることが慣例である。従って、トラス梁を設ける場合には、変形性能に乏しい「建物」として、地震力を大きく（Ｄｓ値を大きく）して設計する必要があり、トラス梁だけでなく、その他の柱・梁も含めて、不経済な設計になっていた。

図１０（Ａ）に示すようなトラス梁１では、終局時にはトラス梁端部の弦材が曲げ座屈するが、変形能力は曲げ座屈した弦材が耐力低下することなく軸方向に変形できるかに依存するとされている。特に軸力が最大となるトラス梁端部の下弦材３の曲げ座屈後の耐力低下が変形能力に影響する。ここで、曲げ座屈した下弦材３が座屈後に安定した耐力を保持し、さらなる耐力低下を起こすことなく軸方向に変形可能であるならば、充腹材に匹敵する変形能力が得られることが、既往の研究で確認されている。これらの研究によると、トラス梁１としての十分な塑性変形能力塑性化を得るために、下弦材３の区間長さｌと梁全長Ｌとの比を１/８以上（ｌ／Ｌ≧１／８）とすることが奨励されている（非特許文献１及び２）。

特開２００６－１８３３２４号公報特開２００９－１８５４６９号公報特開２０１７－１９８０２８号公報

日本建築学会著「建築耐震設計における保有耐力と変形性能(1990)」日本建築学会、１９９０年１０月日本建築学会著「鋼構造座屈設計指針」日本建築学会、２００９年１１月

図１０（Ｂ）は、大スパンのトラス梁１の例を示す。図１０（Ｂ）に示すトラス梁１では、端部下弦材の区間長さｌと梁全長Ｌとの比はｌ／Ｌ＝１／２０となっている。図１０（Ｃ）は、図１０（Ｂ）と同一スパンのトラス梁１において、梁せいｈを変えずにｌ／Ｌ＝１／８としたトラス梁の例を示す。図１０（Ｃ）に示すトラス梁１は、斜材４の長さが長くなると同時に、斜材４と下弦材３とがなす角度θも小さくなり、その分、斜材４の断面積を大きくする必要があり、不経済な設計となった。

このように、ｌ／Ｌ≧１／８という条件は、図１０（Ａ）のように比較的スパンの小さいトラス梁１に向いているが、大スパンのトラス梁１には不向きであった。

このような問題を鑑み、本発明は、地震時における塑性変形能力が高いトラス梁を提供することを目的とする。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上弦材（１２）、下弦材（１３）及び複数の斜材（１４）を有し、１対の構造部材（１６）に支持されたトラス梁（１１）であって、前記複数の斜材は、前記下弦材の延在方向の最も端部側に位置して前記上弦材の前記端部側から前記延在方向の中央側に向かって斜め下方に延在する第１斜材（１４ａ）と、前記第１斜材の下端近傍から前記中央側に向かって斜め上方に延在する第２斜材（１４ｂ）とを有し、前記第１斜材の前記下端及び前記第２斜材の下端は、互いに接合されるとともに、少なくとも所定の荷重が加わったときに前記延在方向に摺動可能な絶縁接合材（１５）を介して前記下弦材に接合され、前記複数の斜材の上端は、摺動不能に前記下弦材に接合されたことを特徴とする。

この構成によれば、少なくとも所定の規模以上の地震時には、絶縁接合材が下弦材に沿って摺動するため、曲げ座屈低減効果を維持しつつ、下弦材の端部の塑性変形能力が高くなる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上記構成において、前記絶縁接合材は、前記下弦材を部分的に覆う筒状部材を有することを特徴とする。

この構成によれば、下弦材の延在方向に摺動し、かつ延在方向に直交する方向への移動が規制される絶縁接合材を簡易な構成で作成することができる。また、絶縁接合材は、下弦材を補剛するので、その部分における下弦材の断面をより小さくすることができる。これにより、絶縁接合材に覆われた部分の下弦材の強度をコントロールすることが容易となるため、地震時の損傷を下弦材における絶縁接合材に覆われた部分に集中させることができる。よって、地震後は損傷した下弦材における絶縁接合材に覆われた部分のみを交換すればよく，地震後の建物の早期復旧が可能になる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上記構成の何れかにおいて、前記絶縁接合材は、前記所定の荷重が加わったときに破断して固定を解除する固定具（２１）によって前記下弦材に固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、固定具を用いることにより、通常時には、絶縁接合材が下弦材に対して摺動することが防止されるため、長期荷重に対するたわみの増大を防止でき、地震時には、固定具が破断することにより絶縁接合材が下弦材に対して延在方向に摺動可能となるため、下弦材の端部の塑性変形能力が高まる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上記構成の何れかにおいて、前記絶縁接合材は、前記構造部材から離間していることを特徴とし、又は、前記絶縁接合材は、対応する前記構造部材に当接又は接合していることを特徴とする。

前者の構成によれば、後者の構成に比べて、下弦材端部の絶縁接合材から露出している領域が大きくなり、下弦材の端部が軸変形拘束を受け難くなる。後者の構成によれば、前者の構成に比べて、絶縁接合材が長くなるため、下弦材の端部の曲げ座屈を低減できる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上記構成の何れかにおいて、上端側が前記絶縁接合材に接合し、下端側が対応する前記構造部材に接合する方杖（２２）をさらに有することを特徴とする。

この構成によれば、方杖を有することにより、トラス梁１１の端部の回転剛性が高まる。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上記構成の何れかにおいて、前記下弦材は、１対のフランジ（１７）が互いに水平方向に対向するように配置されたＨ形鋼からなることを特徴とする。

この構成によれば、下弦材が鉛直方向よりも水平方向への曲げに強い態様で配置されるため、下弦材の構面外の曲げ座屈が低減される。

本発明の少なくともいくつかの実施形態に係るトラス梁は、上記構成の何れかにおいて、前記複数の斜材は、前記第２斜材よりも前記延在方向の前記中央側に位置する中間部斜材（１４ｃ）を有し、少なくとも一部の前記中間部斜材の下端が、少なくとも所定の荷重が加わったときに前記延在方向に摺動可能な中間部絶縁接合材（２３）を介して前記下弦材に接合されたことを特徴とする。

この構成によれば、中間部絶縁接合材により、下弦材の対応する部分の塑性変形能力が高まる。

本発明によれば、地震時における塑性変形能力が高いトラス梁を提供することができる。

実施形態に係るトラス梁の正面図実施形態に係るトラス梁の端部の拡大正面図図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面図第１変形例に係るトラス梁の図３と同じ断面における断面図第２変形例に係るトラス梁の端部の拡大正面図第３変形例に係るトラス梁の端部の拡大正面図第４変形例に係るトラス梁の図３と同じ断面における断面図第５変形例に係るトラス梁の正面図第６変形例に係るトラス梁の正面図従来技術のトラス梁の正面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るトラス梁１１を説明する。図１及び図２に示すように、トラス梁１１は、上弦材１２と、下弦材１３と、複数の斜材１４と、下弦材１３及び端部に配置された斜材１４間に介在する絶縁接合材１５とを有し、両端部が１対の柱１６，１６に支持されている。

上弦材１２及び下弦材１３は、概ね水平方向に沿って互いに平行に配置されている。本実施形態の上弦材１２及び下弦材１３は、直線状の部材であるが、曲線状の部材でもよい。上弦材１２及び下弦材１３には、Ｈ形鋼が用いられているが、他の形鋼や鋼管等の長尺の鋼材を用いてもよい。図３に示すように、Ｈ形鋼からなる下弦材１３は、１対のフランジ１７，１７が上下方向に対向し、ウェブ１８が鉛直面に沿うように配置される。上弦材１２もＨ形鋼からなり、下弦材と同様の向きに配置される。上弦材１２及び下弦材１３の両端部は、それぞれ、対応する柱１６に剛接合又はピン接合される。

図１及び図２に示すように、斜材１４は直線状の鋼材であり、複数の斜材１４には、上弦材１２及び下弦材１３の延在方向の最も端部側に配置された第１斜材１４ａと、第１斜材１４ａの隣に配置された第２斜材１４ｂと、第２斜材１４ｂよりも延在方向の中央側に配置された中間部斜材１４ｃとが含まれる。複数の斜材１４は、トラス梁１１の延在方向の一端側から他端側に向かうにつれ、斜め下方に向かうものと斜め上方に向かうものとが交互に配置される。各々の斜材１４の上弦材１２及び下弦材１３に対する角度θが略等しく、下弦材１３の区間長ｌ（下弦材１３に沿った方向における、斜材１４の接合位置間の長さ）が、互いに略等しくなるように、第２斜材１４ｂ及び中間部斜材１４ｃの長さは互いに略等しく、第１斜材１４ａの長さは、柱１６と接合するために第２斜材１４ｂ及び中間部斜材１４ｃよりも短くなっている。

第１斜材１４ａの上端は、上弦材１２及び柱１６に剛接合又はピン接合される。互いに隣接する２つの斜材１４，１４の上端は、互いに剛接合又はピン接合されるとともに、上弦材１２に剛接合又はピン接合される。また、互いに隣接する２つの中間部斜材１４ｃ，１４ｃの下端は、互いに剛接合又はピン接合されるとともに、下弦材１３に剛接合又はピン接合される。

図１～図３に示すように、第１斜材１４ａの下端及び第２斜材１４ｂの下端は、互いに剛接合又はピン接合されるとともに、下弦材１３の延在方向に摺動可能な絶縁接合材１５を介して下弦材１３に接合される。絶縁接合材１５は、下弦材１３と同軸の角形鋼管等の筒状部材からなり、下弦材１３の延在方向における一部に対してその周囲を覆い、下弦材１３に摺動可能に支持されている。第１斜材１４ａの下端及び第２斜材１４ｂの下端は、絶縁接合材１５に剛接合又はピン接合される。

本実施形態における斜材１４の上端と、上弦材１２、又は上弦材１２及び柱１６との接合、中間部斜材１４ｃの下端と下弦材１３との接合、並びに、第１斜材１４ａの下端及び第２斜材１４ｂの下端と絶縁接合材１５との接合は、上弦材１２、上弦材１２及び柱１６、下弦材１３、又は絶縁接合材１５に溶接されたガセットプレート１９に、斜材１４の端部をボルト（図示せず）等で固定することによりなされる。各々の斜材１４は、互いに平行に配置された１対の溝形鋼２０，２０を、開口部２０ａが互いに反対側を向くようにウェブ２０ｂを対向させたものであり、その端部において、１対の溝形鋼２０，２０のウェブ２０ｂ、２０ｂがガセットプレート１９を挟持し（図３参照）、これらがボルト（図示せず）等で固定されている。なお、斜材１４として他の形鋼や鋼管を用いてもよい。

地震時に絶縁接合材１５が下弦材１３に対してその延在方向に摺動するため、絶縁接合材１５で覆われた部分は軸変形拘束を受け難い状態となり、第２斜材１４ｂに隣接する中間部斜材１４ｃの下弦材１３への接合部から柱１６までの区間（見かけの区間長ｌ'）を軸変形可能な区間とみなすことができる。そのため、非特許文献１及び２において、下弦材１３の区間長さｌと梁全長Ｌとの比ｌ／Ｌを１/８（０．１２５）以上とすることが奨励されているが、本実施形態においては、ｌの代わりにｌ'を用いることができる。斜材１４が２０本存在するトラス梁１１においては、ｌ／Ｌは、１／２０（０．０５）であるが、ｌ'／Ｌは、３／２０（０．１５）である。従って、非特許文献１及び２における上記奨励値を実質的に満たすことができる。このように、絶縁接合材１５を用いることにより、上弦材１２及び下弦材１３に対する斜材１４の角度θや梁せいｈ等のトラス梁１１の形状や部材構成を変えることなく、地震時における下弦材１３の端部の塑性変形能力を高めることができる。また、絶縁接合材１５は、下弦材１３を覆っているため、下弦材１３に対してその延在方向以外への移動は実質的に規制されている。従って、絶縁接合材１５を用いず、第１斜材１４ａ及び第２斜材１４ｂを下弦材１３に剛接合又はピン接合した場合と同等の、下弦材１３の端部における曲げ座屈低減効果を有する。このように、トラス梁１１の変形能力が向上するため、保有水平耐力計算時のＤｓ値を小さくすることができ、鋼材量を減らすことができる。

また、絶縁接合材１５は、下弦材１３における絶縁接合材１５に覆われた部分の座屈を拘束するように、下弦材１３を補剛するので、その部分における下弦材１３の断面をより小さくすることができる。これにより、絶縁接合材１５に覆われた部分の下弦材１３の強度をコントロールすることが容易となるため、地震時の損傷を下弦材１３における絶縁接合材１５に覆われた部分に集中させることができる。よって、地震後は損傷した下弦材１３における絶縁接合材１５に覆われた部分のみを交換すればよく、地震後の建物の早期復旧が可能になる。

図４～図９は、上記実施形態の第１～第６変形例を示す。上記実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

図４に示す第１変形例では、絶縁接合材１５がボルトやピン等の固定具２１によって下弦材１３に固定され、固定具２１は所定の荷重が加わったときに破断して固定を解除する点で上記実施形態と相違する。上記実施形態では絶縁接合材１５を用いることでトラス梁１１の剛性が小さくなり、自重等の長期荷重に対するたわみが大きくなる可能性があるが、固定具２１を用いることにより、通常時に絶縁接合材１５が下弦材１３に対して摺動することを防止し、たわみの増大を防止できる。また、地震時に所定値以上の地震力が絶縁接合材１５と下弦材１３との間の下弦材１３の延在方向に作用すると、固定具２１が破断して、絶縁接合材１５が下弦材１３に対して延在方向に摺動可能となる。そのため、地震時において、曲げ座屈が低減されるとともに、塑性変形能力が高まる。

図５に示す第２変形例に係るトラス梁１１は、絶縁接合材１５に接合された方杖２２を有する点で上記実施形態と相違する。方杖２２は、上端側において絶縁接合材１５に剛接合又はピン接合し、下端側において１対の柱１６，１６の内その絶縁接合材１５が近接する方の柱１６又はその近傍の構造部材に剛接合又はピン接合している。図示の例では、方杖２２の上端及び下端は、それぞれ、絶縁接合材１５又は柱１６に溶接されたガセットプレート１９にボルト（図示せず）で固定されている。方杖２２は、斜材１４と同様に、直線状の鋼材であり、具体的には、１対の溝形鋼を重ねたものや、他の形鋼、鋼管等によって構成される。方杖２２を用いることにより、トラス梁１１の端部の回転剛性が高まる。なお、方杖２２は、トラス梁１１本体の構面に沿って配置しても、構面に対して傾斜するように配置してもよい。

図６に示す第３変形例に係るトラス梁１１は、絶縁接合材１５の長さ（ｌｓ）や配置が上記実施形態と相違する。図６（Ａ）に示すトラス梁１１は、絶縁接合材１５が長くなり、柱１６に当接又は接合していることによって、下弦材１３の端部の曲げ座屈の低減効果が高まる。図６（Ｂ）は、絶縁接合材１５が柱１６側だけでなくその反対側へも長くなった例を示す。図６（Ｃ）は、さらに、柱１６の反対側への絶縁接合材１５の長さが長くなり、端部から３つ目及び４つ目の斜材１４である２つの中間部斜材１４ｃ，１４ｃの下端が、絶縁接合材１５に剛接合又はピン接合した例を示す。図６（Ｄ）は、第１斜材１４ａ及び第２斜材１４ｂの下端、並びに、端部から３つ目及び４つ目の斜材１４である２つの中間部斜材１４ｃ，１４ｃの下端が、共通の絶縁接合材１５に剛接合又はピン接合し、その絶縁接合材１５の柱１６側の端部が、柱１６から離間している例を示す。図６（Ｃ）及び（Ｄ）に示す例では、第１斜材１４ａ及び第２斜材１４ｂの下端、並びに、端部から３つ目及び４つ目の斜材１４である２つの中間部斜材１４ｃ，１４ｃの下端が、下弦材１３に対して摺動可能な絶縁接合材１５に剛接合又はピン接合しているため、軸変形可能な区間である見かけの区間長ｌ'を柱１６から、端部から５つ目及び６つ目の斜材１４である２つの中間部斜材１４ｃ，１４ｃの下端までの区間長とみなすことができる。

図７に示す第４変形例では、Ｈ形鋼からなる下弦材１３の向きが上記実施形態と相違する。下弦材１３は、図３に示す態様に対してその延在方向を軸に９０°回転させた状態（弱軸使い）に、すなわち、１対のフランジ１７，１７が水平方向に対向し、ウェブ１８が水平面に沿うように配置される。Ｈ形鋼からなる下弦材１３をこのような向きに配置することにより、下弦材１３の構面外の曲げ座屈が低減する。

図８に示す第５変形例は、中間部斜材１４ｃの全部が中間部絶縁接合材２３を介して下弦材１３に接合している点で、上記実施形態と相違する。中間部絶縁接合材２３は、上記実施形態の絶縁接合材１５と同様の構造を有する。すなわち、中間部絶縁接合材２３は、下弦材１３と同軸の角形鋼管等の筒状部材からなり、下弦材１３の延在方向における一部分に対してその周囲を覆い、下弦材１３に摺動可能に支持されている。互いに隣接する中間部斜材１４ｃの下端が、互いに接合されるとともに、中間部絶縁接合材２３に剛接合又はピン接合される。図示の例では、中間部斜材１４ｃを構成する１対の溝形鋼２０，２０のウェブ２０ｂ、２０ｂの下端部がガセットプレート１９を挟持し（図３参照）、これらがボルト（図示せず）等で固定されている。中間部斜材１４ｃが中間部絶縁接合材２３を介して下弦材１３に接合することにより、下弦材１３の対応する部分の塑性変形能力が高まる。軸変形可能な区間である見かけの区間長ｌ'を梁全長Ｌとみなすことができる。中間部絶縁接合材２３は、変形例１と同様の所定の荷重が加わったときに破断して固定を解除する固定具２１（図４参照）によって下弦材１３に固定されてもよい。

図９に示す第６変形例は、中間部斜材１４ｃの一部が中間部絶縁接合材２３を介して下弦材１３に接合している点で、第５変形例と相違する。なお、図９は、絶縁接合材１５が変形例６と同様に柱１６に当接又は接合した例を示しているが、絶縁接合材１５が柱１６から離間していてもよい。中間部斜材１４ｃの一部が中間部絶縁接合材２３を介して下弦材１３に接合することにより、下弦材１３の対応する部分の塑性変形能力が高まる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。絶縁接合材は、下弦材の延在方向に摺動可能であって、延在方向に直交する方向への移動が実質的に規制されるならば、筒状以外の形状でもよい。例えば、Ｈ形鋼からなる下弦材の上側のフランジを覆う形状でもよい。第１～第４変形例は、互いに組み合わせてもよい。第５変形例及び第６変形例は、第１～第４変形例又はこれらの組み合わせと、組み合わせてもよい。また、トラス梁は鉛直材を含んでもよい。トラス梁は、柱ではなく、梁等の他の構造部材に支持されてもよい。

１１：トラス梁
１２：上弦材
１３：下弦材
１４：斜材
１４ａ：第１斜材
１４ｂ：第２斜材
１４ｃ：中間部斜材
１５：絶縁接合材
１６：柱
１７：フランジ
２１：固定具
２２：方杖
２３：中間部絶縁接合材
θ：斜材の下弦材に対する角度
ｌ：下弦材の区間長さ
Ｌ：梁全長
ｈ：梁せい

Claims

上弦材、下弦材及び複数の斜材を有し、１対の構造部材に支持されたトラス梁であって、
前記複数の斜材は、前記下弦材の延在方向の最も端部側に位置して前記上弦材の前記端部側から前記延在方向の中央側に向かって斜め下方に延在する第１斜材と、前記第１斜材の下端近傍から前記中央側に向かって斜め上方に延在する第２斜材とを有し、
前記第１斜材の前記下端及び前記第２斜材の下端は、互いに接合されるとともに、少なくとも所定の荷重が加わったときに前記延在方向に摺動可能な絶縁接合材を介して前記下弦材に接合され、前記複数の斜材の上端は、摺動不能に前記下弦材に接合されたことを特徴とするトラス梁。
前記絶縁接合材は、前記下弦材を部分的に覆う筒状部材を有することを特徴とする請求項１に記載のトラス梁。
前記絶縁接合材は、前記所定の荷重が加わったときに破断して固定を解除する固定具によって前記下弦材に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のトラス梁。
前記絶縁接合材は、前記構造部材から離間していることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のトラス梁。
前記絶縁接合材は、対応する前記構造部材に当接又は接合していることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のトラス梁。
上端側が前記絶縁接合材に接合し、下端側が対応する前記構造部材に接合する方杖をさらに有することを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載のトラス梁。
前記下弦材は、１対のフランジが互いに水平方向に対向するように配置されたＨ形鋼からなることを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載のトラス梁。
前記複数の斜材は、前記第２斜材よりも前記延在方向の前記中央側に位置する中間部斜材を有し、
少なくとも一部の前記中間部斜材の下端が、少なくとも所定の荷重が加わったときに前記延在方向に摺動可能な中間部絶縁接合材を介して前記下弦材に接合されたことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載のトラス梁。