JPH03199542A

JPH03199542A - 鋼構造物のすじかい材

Info

Publication number: JPH03199542A
Application number: JP34044289A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Imai; 克彦今井
Original assignee: Kawatetsu Steel Products Co Ltd
Current assignee: Kawatetsu Steel Products Co Ltd
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-08-30
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPH0833026B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は鋼構造物のずしかい材に係り、詳しくは、ずし
かい構造を形成する長尺な鋼管などであるずしかい材に
関するものである。

（従来の技術〕長尺なｔｌ形鋼など形鋼の網構成部材を多数使用して、
大きい立体構造物例えばビルなどの□構造物が構築され
る場合、地震などによる動的荷重で水平力を受けるその
鋼構造物には、水平力のエネルギを吸収させる斜め姿勢
のすじかい材が取り付けられ、その端部が、各階の単位
区画である各室の鉄骨の上下左右の四隅に一体化された
すじかい構造とすることが多い。例えば、実公昭４２−
２２９９２号公報などには、そのような構造に適用され
るすじかい材に類似した構造部材などが提案されている
。

〔発明が解決しようとする課題］ところで、地震などの発生により加えられる動的荷重に
よって耐力が決定されるような鋼構造物を、ずしかい構
造で設計しようとする場合、鋼構造物が例えば左から右
に向く水平力（第１図中の力Ｐを参照］を受けると、−
組のすじかい材のうら、左−Ｌの隅部Ｃ１と右下の隅部
Ｃ４とを結ぶ一方側のずしかい材には圧縮力が作用し、
右上の隅部Ｃ２と左下の隅部Ｃ１とを結ぶ他方側には引
張力が作用する。その圧縮力を受ける圧縮すじかい材が
座屈してしまえば、第１１図に示すように、その耐力は
破線のように急激に低下する。しかし、他方側の引張す
じかい材は、降伏後も実線で示すような耐力Ｒ１を保持
しながら塑性変形していく。

−組のすじかい材の有する総合耐力は、−点鎖線のよう
になるが、圧縮すじかい材の座屈によって、引張すじか
い材の耐力ＲＬを残しながら塑性変形する。そこで、図
中の二点鎖線で示す総合耐力を維持させて、−組のすじ
かい材を変形させるようにすると、圧縮すじかい材は、
座屈に対して十分安全な弾性応答する過大な寸法で設計
されることになる。すなわち、このような圧縮ずしかい
材の設計では、塑性変形を利用する場合に比べてかなり
大きな設計応力を想定するので、圧縮すじかい材が弾性
応答できる大型材となるなど、極めて不経済な設計とな
る問題がある。

さらに、地震が発生する場合、上述のような弾性領域を
保持する圧縮すじかい材にあっては、大きな応力が生じ
ることになり、隣接する柱や梁にも非常に大きな応力を
発生させ、設計実務上問題となることはしばしば経験す
るところである。

なお、圧縮すじかい材の座屈後耐力を評価して設計する
方法もあるが、座屈後の急激な耐力低下を適切に評価し
て、鋼構造物に所要の耐震性能を付与することは現在の
ところ容易ではない。

第１４図（ａ）、（ｂ）は外力を受けた場合の座屈を生
しない場合と生しる場合の鋼構造物の変形を模式的に示
している。これらの場合、耐震性の優劣は変形によって
生しる消費エネルギ（図中の斜線部面積ＡおよびＢ）の
大小によって論じられる。消費エネルギは塑性変形する
第１４図（ｂ）の方が大きいので、第１４図（ａ）より
耐震性が高い。また、第１４図（ａ）の方が弾性耐力が
大きいため、地震による応答応力が大きくなるという悪
循環が生しる問題がある。

従来のすじかい構造では、座屈が不可避であるため第１
４図（ｂ）のような性状を得ることが不可能と考えられ
ていた。一方、第１４図（ｂ）のような性状を与える構
造形式としては、すじかい材なしのラーメン構造がある
。しかし、横方向の変形がすじかい構造に比べ非常に大
きいので、大量の鋼材を投入しなければならない問題が
ある。

本発明は上述の問題に鑑みなされたもので、その目的は
、鋼構造物の構造部材に一体化されたすじかい材に工夫
を施して、その端部の近傍に薄肉部を設けることにより
、第１４図（ｂ）の性状を得ようとすることである。そ
して、従来の設計に比べて、鋼材の使用量を軽減して経
済性を高めると共に、大規模地震時には所望の耐力で塑
性変形して鋼構造物に大きな耐震性を付与することがで
きるすじかい材を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、第１図および第２図に示すように、端部が横
材と縦材の接合部に一体化されるすじかい材に適用され
る。その特徴とするところは、すじかい材ｌの端部に、
すじかい材ｌの座屈耐力より小さい外力で塑性変形され
る薄肉部３を設けていることである。

〔作　　用〕

−ｍのすじかい材ｌが取り付けられた鋼構造物に、例え
ば図示した水平力Ｐが作用すると、圧縮すじかい材ＩＡ
に圧縮力が、引張すじかい材ＩＢに引張力が掛かる。そ
のすじかい材ｌの端部には、すじかい材１の座屈耐力よ
り小さい外力で塑性変形するような薄肉部３が設けられ
ているので、その薄肉部３が最初に降伏して局部座屈す
る〔第３図中の破線参照〕。しかし、地震によりすじか
い材ｌへ伝達されるエネルギは、局部座屈して外方へ膨
れながら塑性変形する薄肉部３で吸収され、さらに、残
余のエネルギは熱として外部に発散される。そして、薄
肉部３を有して圧縮力を受けるすじかい材ｌは、耐力を
維持して塑性変形され、さらに、引張力を受けるすじか
い材１も降伏後に塑性変形しながら外力のエネルギを吸
収することができる。その結果、圧縮力を受けるすじか
い材１の座屈による耐力の激減が回避され、建物の倒壊
などを未然に防止することができる。

［発明の効果］本発明によれば、圧縮力を受ける圧縮すじかい材が座屈
する前に、端部に形式された薄肉部が降伏し、耐力を維
持しながら加力方向へ大きな比率で塑性変形するので、
第１４図（ｂ）に示したような外力Ｐ、の場合の中規模
地震に対してはすじかい材を座屈させることなく、薄肉
部を弾性範囲内で変形させ、外力Ｐ、の場合の大規模地
震時には、すじかい材を座屈させないですじかい材の一
部である薄肉部を降伏させるように設計できる。

しかも、降伏後の薄肉部は耐力を維持するので、従来に
比べて、すじかい材の薄肉部の塑性変形によって鋼構造
物に大きな耐震性を付与することができる。そして、塑
性変形を許すことによりすじかい材の小型化が図られ、
ひいては、ずしかい構造に形成された鋼構造物に使用さ
れる鋼材量も低減することができる。

〔実　施　例〕

以下、本発明をその実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図はずしかい構造の鋼構造物を構成する構造部材の
外観図で、図中の長尺な鋼管である四本のずしかい材１
が、構造部材４の縦材４Ａと横材４Ｂとの接合部である
四隅Ｃ１〜Ｃ４と、節点部材２とに溶接で一体化されて
、すじかい構造を形成している。なお、本例の構造部材
４は、第１２図に示すビルなどの鋼構造物の柱４Ａと梁
４Ｂとよりなり、各階の柱４Ａと梁４Ｂとによって囲ま
れて一つの区画が形成される。そして、梁４Ｂは、立設
された柱４Ａに溶接などにより一体化されている。

ところで、地震により構造部材４に矢印の水平力Ｐ〔第
１図参照〕が作用するとき、例えば、左上方の隅部ＣＩ
から延びる圧縮すじかい材ＩＡが、構造部材４から離脱
しないように、その端部が隅部Ｃ１に溶接で一体化され
る。ちなみに、隅部ｃ１〔第２図参照〕を形成する柱４
Ａや梁４Ｂにおける圧縮すじかい材ＩＡの溶接個所には
、母材を補強するための補強板部材であるステイフナ−
５ａ。

５ｂが取り付けられ、さらに、柱４Ａと梁４Ｂとが一体
化されてる両者の溶接個所にも、ステイフナ−５ｃが取
り付けられる。なお、第１図に示すように、構造部材４
の他の隅部ｃ２〜ｃ４に一体化された圧縮すじかい材Ｉ
Ａや引張すじかい材ＩＢの端部の溶接個所における構造
部材４側にも、ステイフナ−５ａ〜５ｃが固着されてい
る。

一方、鋼管の圧縮すじかい材ＩＡ（第２図参照〕の隅部
Ｃ１側や隅部Ｃ４側の端部〔図示せず］には、加圧方向
である軸線方向へ延びる長さｌの薄肉部３が設けられて
いる。すなわち、薄肉部３は、圧縮すじかい材ＩＡの肉
厚りより薄い肉厚ｔ、を全周にわたってめぐらせた長さ
ｌの薄肉に形成されている。なお、隅部Ｃ２や隅部Ｃ３
より延びる引張すじかい材ＩＢにも同様な薄肉部３が設
けられる。薄肉部３を有する薄い肉厚のバイブ体は、大
地震時のような大きな外力が作用するとき、薄肉部３を
有するすじかい材１や構造部材４が弾性範囲内にあると
きに、圧縮すじかい材ＩＡの薄肉部３が最初に降伏し、
かつ、耐力を維持して塑性変形するようになっている〔
第３図参照〕。

また、構造部材４の隅部Ｃ１から延びるすじかい材ＩＡ
の一方の端部が、溶接などで一体化されている節点部材
２〔第４図参照〕は、中空球体とされ、パイプ貫通形ジ
ヨイントである孔明き中空ボールジヨイントが採用され
る。本例では、第１図の構造部材４の隅部Ｃ１〜Ｃ１に
端部が一体化されているずしかい材１のうち、引張すじ
かい材ＩＢは一部の鋼管とされ、節点部材２の挿通用の
孔２ａ（第５図参照］を貫通する一方、貫通部と孔２ａ
の周辺とが溶接で一体化され、隅部Ｃ４より延びる圧縮
すじかい材ＩＡも節点部材２に溶接で一体化されている
。なお、貫通するすじかい材１は、逆に、圧縮すじかい
材ＩＡであってもよい。

上記の孔明き中空ボールに代えて、類似の中空球体では
あるが、非貫通形ジヨイントであるオクタプラッテジョ
イントを用いるようにしてもよい〔第６図参照〕。

本発明の特徴となるすじかい材ｌの薄肉部３〔第３図参
照〕を長さｌの薄肉に形成する場合、機械加工により所
要の肉厚Ｌ１に仕上げられ、薄肉部３以外の部分の座屈
耐力より小さい外力で薄肉部３が塑性化されるようにな
っている。肉厚ｔ１の決定は、すじかい材１の耐力を有
限要素法等を用いて簡単に行うことができる。そして、
それに基づいた選定で、薄肉部３の塑性変形量が適正に
加工されることになる。

このようにすじかい材Ｉの一部を薄くしておくと、この
薄い肉厚のパイプ体は次のように挙動する。すなわち、
孔明き中空ボールジヨイントやオククブランテジョイン
トである節点部材２が用いられているずしかい構造の構
造部材４にあっては、大規模地震による水平力Ｐが作用
するとき、第３図に示すように、薄い肉厚の部分では、
局部座屈部６（いわゆる提灯座屈部）である外方への膨
らみが生しる。この局部座屈部６の発生によって、圧縮
すじかい材ＩＡは耐力を減することなく加圧方向に縮み
ながら塑性変形することが知見されており、このような
すじかい構造を採用した構造部材４で組み立てられた鋼
構造物は、極めて都合がよい。

圧縮ずしかい材ＩＡの塑性変形時には、引張すじかい材
ＩＢの薄肉部３が、降伏しても一定の耐力を維持して伸
びの方向へ塑性変形するので、圧縮すじかい材ＩＡにあ
っては、耐力を維持する縮み方向への塑性変形が助長さ
れる。このようにして、薄肉部３以外のすじかい材Ｉや
構造部材４が薄肉部３の最大耐力より大きく設定されて
いるため、すじかい構造が採用された鋼構造物では、大
規模地震の発生に伴って外力が作用するとき、薄肉部３
の局部座屈部６のみが生し、耐力を急激に減じるような
ことなく塑性変形し、建物である鋼構造物の倒壊が防止
される。

第７図に示す四本のすじかい材１は、オクタプラッテジ
ョイントである節点部材２に一体化されているが、隅部
Ｃ１〜Ｃ４側の端部の薄肉部３〔第１図参照〕に加えて
、節点部材２側の端部の近傍にも薄肉部７を設けている
。この場合、各すじかい材１の隅部Ｃ１〜Ｃ１側に設け
られた薄肉部３の長さと、この薄肉部７の長さとの和が
ｌであればよく、例えば、一方が２／３１の長さならば
他方が１／３ｆｆｉとするなど適宜選択される。このよ
うに、−本のずしかい材Ｉに二個所の薄肉部が分散して
設けられる場合、上述の薄肉部３のみが設けられた場合
と同様に、大規模地震が発生しても、すじかい構造の構
造部材４では、すじかい材ＩＡに二個の小さい膨らみ〔
局部座屈部］が生しるのみで、耐力を急激に減じること
なく、塑性変形させることができる。

第２図に示す薄肉部３に代えて、第８図に示すように、
隅部Ｃ１や隅部Ｃ４〔第１図参照〕に端部が一体化され
た圧縮ずしかい材ＩＡの隅部ｃ、。

Ｃ４側の端部に二個の薄肉部８．８を設けるようにして
もよい。そして、これら薄肉部８．８の肉Ｊ￥Ｌ１は鋼
管であるすじかい材ＩＡの肉Ｉｔより薄くなるように加
工され、これら薄肉部８．８の間には短い肉厚ｔの鋼管
部１ａが残される一方、薄肉部８，８の長さは２／２が
採用される。

大規模地震による水平力Ｐが作用するとき、この隅部Ｃ
４や隅部Ｃ１に近接した薄肉部８．８には、長さｌの薄
肉部３における局部座屈部６〔第２図参照〕に比べて、
外方への膨らみが小さい局部座屈部９．９を生しる（第
９図参照〕。そして、補強部となる鋼管部１ａによって
、その局部座屈部９，９の外方への膨らみが過大となら
ないように拘束され、薄肉部８．８の耐力の維持に極め
て都合がよい。なお、隅部Ｃ２や隅部Ｃ３〔第１図参照
〕から延びる引張すじかい材ＩＢにも隅部Ｃ２、Ｃ１側
の端部に薄肉部８．８が設けられる。

そして、大規模地震時、すじかい構造の構造部材４にお
ける圧縮すじかい材１Ａは、要求される耐力を維持しな
がら、かつ、引張すじかい材ｌＢに助長されながら塑性
変形させることができる。

また、隅部Ｃ１〜Ｃ１〔第１図参照〕に近接して薄肉部
３や薄肉部８．８が設けられた四本のすじかい材ｌが、
ｍ構造物を構成する構造部材４に通用されると、圧縮ず
しかい材ＩＡには局部座屈部６［第３図参照］や局部座
屈部９，９〔第９図参照〕のみを生して塑性変形するの
で、前者では第１０図（ａ）、後者では第１Ｏ図（ｂ）
に示すように、中規模地震により水平力Ｐ１が作用して
も鋼構造物は弾性範囲の変形に留められる。大規模地震
により水平力Ｐ２が作用するとき、前者では第１Ｏ図（
ａ）、後者では第１Ｏ図（ｂ）に示すように、耐力を維
持したすじかい材１の大きい塑性変形を利用でき、鋼構
造物における理想的なすじかい材を実現することができ
る。さらに、上述の異なる様態の薄肉部を備えたすじか
い材も同様に理想的なすじかい材として採用することが
できる。

第１２図に示す鉄構造物において、第１図に示す水平方
向の塑性変形量δ、を階高りの１１５０となるδ、＝ｈ
１５０のような大きい塑性変形を実現させるためには、
ｈ−３，５００ｍｍとすれば、そのときの塑性変形量δ
１はδ、　＝　３．５００１５０　＝　７０ｍｍである
。

第１図の梁４Ｂの長さＬは、Ｌ　＝　７　、０００ｍｍ
であるので、第１３図に示す外力の作用していない引張
すじかい材の長さＩ−１は、三角形ａｂｃが直角三角形
であることから、７．８２６ｍｍとなる。一方、水平方
向の塑性変形量δｌ−７０１−７Ｏが実現されるとき、
引張ずしかい材の長さ１７□は７，８８９ｍｍとなりδ
−Ｌ２−Ｌ、ξ６３ｎ＋ｍとなる。そして、第１図に示
すような一つの薄肉部３が形成された一組のすじかい材
１において、圧縮すじかい材ＩＡや引張ずしかい材ＩＢ
の薄肉部３の長さｌの１０％の圧縮塑性変形量および引
張塑性変形量を許容するようにした場合、２ｅ　ｘｏ、
ｉ　＝６３ｍｍから、ｌ　＝３１５ｍｍが得られる。す
なわち、第１図に示す四本のすじかい材１にそれぞれＩ
！、＝３１５ｍｍの薄肉部３を形成させると、δ、＝ｈ
１５０のような大きい塑性変形が実現される。さらに、
長さＱ　＝１５７．５ｍｍの八個の薄肉部８〔第８図参
照〕を形成させた一組のずしかい材ｌであっても、所望
の大きい塑性変形を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はすじかい構造の鋼構造物を構成する構造部利の
組立図、第２図は圧縮すじかい材と構造部材との取付お
よび薄肉部の説明図、第３図は薄肉部にお（よる局部座
屈部の状態図、第４図は節点部材と一組のずしかい＋４
との取付説明図、第５図は挿通用の孔をずしかい材が貫
通している状態図、第６図は異なるタイプの節点部材と
一組のすじかい材との取付説明図、第７図は節点部材側
に設けられた薄肉部の説明図、第８図は圧縮すじかい材
と構造部材との取付および異なる薄肉部の説明図、第９
図は異なる薄肉部における局部座屈部の状態図、第１０
図（ａ）は薄肉部を有するすじかい材が取り付けられた
構造部材の塑性変形状態図、第１０図（ｂ）は異なる薄
肉部を有するすしかし）材が取り付けられた構造部材の
塑性変形状態図、第１１図は従来のずしかい材が取り付
けられた構造部材の塑性変形状態図、第１２図は柱、梁
やすじかい材で形成される鋼構造物の説門図、第１３図
は梁の水平変位による引張すじかい材の塑性変形量の説
明図、第１４図（ａ）は外力を受けた場合に座屈を伴わ
ない鋼構造物の変形模式図、第１４図（ｂ）は外力を受
けた場合に座屈を伴う鋼構造物の変形模式図である。ｌ　すじかい材、Ｌ　Ａ−圧縮すじかい材、ＩＢ引張ず
しかい材、３，７．８−薄肉部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）端部が横材と縦材の接合部に一体化されるすじか
い材において、上記すじかい材の端部には、すじかい材の座屈耐力より
小さい外力で塑性変形する薄肉部が設けられていること
を特徴とする鋼構造物のすじかい材。