JP7613342B2 - 座屈拘束ブレース、該座屈拘束ブレースを備えた架構 - Google Patents

Description

本発明は、鋼製の芯材と、一対の木製の座屈拘束材からなる座屈拘束ブレース及び該座屈拘束ブレースを備えた架構に関するものである。

建築物では地震時のせん断力に抵抗する部材として、ブレースを設けることがある。ブレースは架構面内に斜め方向に設けられ、主に地震荷重により生じる層のせん断変形に抵抗する部材である。
地震時において軸方向の引張、圧縮荷重が繰り返し作用するため、ブレースには両荷重に対して十分な耐力やエネルギー吸収能力を有することが要求される。

一般に、軸方向の圧縮荷重が作用する場合、部材には座屈が生じる恐れがあり、座屈が生ずることで部材の耐力やエネルギー吸収能力が低下する。
ブレースにおいても座屈による耐力やエネルギー吸収能力の低下が生じうるため、地震荷重に対して抵抗する芯材と、芯材の座屈変形を抑えるために芯材の周囲を覆うように配される座屈拘束材からなる座屈拘束ブレースが存在する。
図６、図７はこのような座屈拘束ブレース４１を柱４３と梁４５で構成された架構面内に配設したものを示している。

座屈拘束材は芯材の座屈による曲げ変形に対して十分な耐力を有することが要求され、また芯材の座屈変形による局所圧縮力に対して座屈拘束材または座屈拘束材の接合部が十分な耐力を有することが要求される。
図８は、芯材４７と座屈拘束材４９からなる座屈拘束ブレース４１の断面図であり、従来の芯材４７の断面形状としては、プレート（図８（ａ）参照）、円形（図８（ｂ）参照）、十字（図８（ｃ）参照）、Ｈ形（図８（ｄ）参照）等があり、また芯材４７を覆う座屈拘束材４９は箱形（図８（ａ）、（ｃ）（ｄ）参照）や円形（図８（ｂ）参照）が多い。

座屈拘束材４９と芯材４７の隙間が大きいほど座屈拘束材４９に要求される耐力が高くなるため、座屈拘束材４９と芯材４７の隙間にモルタルなどの充填材５１を設けるものもある（図８（ａ）参照）。
また座屈拘束材４９に芯材４７の軸力が流れないよう、アンボンド材５３を塗布、または貼り付けたりするものもある（図８（ａ）参照）。

座屈拘束ブレース４１の両端部と架構との接合部に関しては、図６に示すボルトによって接合するボルト接合部５５とするタイプと、図７に示すピンによって接合するピン接合部５７とするタイプがある。
いずれも接合部近辺の芯材４７の幅を大きくする、強度の高い鋼材を用いる、補強リブを設けるなどして、芯材４７の耐力を高くして塑性化を防ぎ、接合部は先行して破壊しない仕様となっている。また座屈拘束材４９が鋼製のため芯材４７との接触による局所破壊は生じにくい仕様となっている。

ところで、昨今CO₂排出問題から木材の利用が推進されている。木材は火災時に焼失してしまうため、不燃処理等により耐火性を付与して建物の柱や梁に使用されることがある。加えて鋼構造においても床スラブなど一部で木材を利用するケースがあり、昨今ではブレースの座屈拘束材としての木材使用が検討されている。

例えば、特許文献１では、鋼製でプレート状の芯材と、芯材の広幅面の両面に配された一対の木製の拘束材からなり、両者が軸方向の両端においてボルト接合されている座屈拘束ブレースを提案している。
また、特許文献１においては、プレート状の両端部をＨ形断面とし、そのウェブの両面を挟むような一対の木製の拘束材を配することも提案している。

さらに、特許文献２では、鋼製でプレート状の芯材と、芯材の広幅面の両面に配された一対の木製の拘束板と、芯材の狭幅面の両面に配されて拘束板と接合されている一対の木製の側板からなり座屈拘束ブレースを提案している。
また、芯材の広幅面と拘束板の間に内挿板を設け、芯材の局所的な圧縮力により拘束板が破損することを防いでいる。

特開２０１９－２１４８８１号公報 特開２０２０－５１１８６号公報

特許文献１、２に開示のものは基本的にプレート状の芯材を用い、弱軸まわりの面外変形方向（プレートの広幅面が面外に変形する方向）に対して拘束する工夫を提案している。
しかし、芯材は鋼製であるため、塑性化すると材料の接線剛性が非常に小さくなり、強軸まわりの面外変形方向（プレートの狭幅面が面外に変形する方向）にも面外変形が生じる。強軸まわりの面外変形による局所的な圧縮力は接触面が小さいため拘束材を破損させやすいが、これらの特許文献１、２では強軸まわりの面外変形による拘束材の破損について十分考慮されていない。
また、この問題はプレート断面に限らず、鋼板からなる十字断面、Ｈ形断面等の開断面の芯材の場合は、いずれも狭幅面となる鋼板の板厚面が木製の座屈拘束材と接触して破損し、座屈変形の拘束が弱まる恐れがある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、変形時に芯材が木製の座屈拘束材を破損するのを防止でき、変形時においても拘束力を維持できる座屈拘束ブレース及び該座屈拘束ブレースを備えた架構を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る座屈拘束ブレースは、鋼製の芯材と、該芯材の周囲を覆うように配された木製の座屈拘束材と、該座屈拘束材と前記芯材との間に介在して前記芯材が前記座屈拘束材にめり込むのを防止するめり込み防止板とを備えてなるものであって、
前記芯材は１枚の鋼板又は複数枚の鋼板を組み合わせてなる開断面部材からなり、
前記座屈拘束材は、前記芯材を挟むように配されて接合された一対の部材からなり、各部材の接合面に前記芯材と前記めり込み防止板を配設可能な形状の溝部を有してなり、
前記めり込み防止板の幅は、該めり込み防止板に当接する前記芯材の当接面の幅よりも大きく設定されていることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記めり込み防止板の幅が下記式を満足することを特徴とするものである。
Br≧Bs+2×tr
ここで、Br：めり込み防止板の幅
Bs：めり込み防止板と接触する部分の芯材の幅
tr：めり込み防止板の板厚

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記一対の座屈拘束材が座金および緩み防止機構を有するボルト部品群によって、長手方向の複数個所において接合されていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記めり込み防止板は鋼製からなり、かつ前記座屈拘束材を構成する一対の部材間に亘るように配置され、前記座屈拘束材を構成する一対の部材と前記めり込み防止板が対応する位置にロッド穴が設けられると共に、前記一対の部材と前記めり込み防止板の前記ロッド穴にロッドが挿入されて該ロッドによって前記一対の部材が前記めり込み防止板を介して接合されていることを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記めり込み防止板と前記座屈拘束材の隙間に接着剤が充填されていることを特徴とするものである。

（６）本発明に係る架構は、一対の柱と一対の梁とを有するものであって、構面内に、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の座屈拘束ブレースをさらに備えたことを特徴とするものである。

本発明においては、座屈拘束材と芯材との間に介在して芯材が座屈拘束材にめり込むのを防止するめり込み防止板を備え、めり込み防止板の幅を、該めり込み防止板に当接する芯材の当接面の幅よりも大きく設定したことにより、狭幅面である芯材の板厚面との接触による応力はめり込み防止板の幅の分小さくなって座屈拘束材に伝達されるため、座屈拘束材の破壊を防止することができ、座屈拘束性に優れた座屈拘束ブレースを実現することができる。

実施の形態１に係る座屈拘束ブレースの説明図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）の矢視Ａ－Ａ断面である（その１）。 実施の形態１に係る座屈拘束ブレースの説明図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）の矢視Ａ－Ａ断面である（その２）。 実施の形態１に係る座屈拘束ブレースの組み立て過程の説明図である。 実施の形態１に係る座屈拘束ブレースの他の態様の説明図であり、図４（ａ）は図４（ｂ）の矢視Ａ－Ａ断面である。 実施例に係る座屈拘束ブレースの説明図であり、図５（ａ）は芯材の詳細図、図５（ｂ）は芯材の変形方向の説明図、図５（ｃ）、（ｄ）はめり込み防止板の配置と寸法詳細の説明図である。 架構面内に設置される一般的な座屈拘束ブレースの説明図である（その１）。 架構面内に設置される一般的な座屈拘束ブレースの説明図である（その２）。 一般的な座屈拘束ブレースの芯材と座屈拘束材の説明図である。

［実施の形態１］
本実施の形態に係る座屈拘束ブレース１について、図１～図３に基づいて説明する。図１は芯材３と座屈拘束材５を分離した状態を示し、図２は芯材３と座屈拘束材５を一体化した状態を示している。
また、図１（ａ）は図１（ｂ）の矢視ＡーＡ断面を、図２（ａ）は図２（ｂ）の矢視Ａ－Ａ断面をそれぞれ示している。

本実施の形態に係る座屈拘束ブレース１は、鋼製の芯材３と、芯材３の周囲を覆うように配された木製の座屈拘束材５と、座屈拘束材５と芯材３との間に介在して芯材３が座屈拘束材５にめり込むのを防止するめり込み防止板６とを備えたものである。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜芯材＞
芯材３は１枚の鋼板又は複数枚の鋼板を組み合わせてなる開断面部材からなり、座屈変形により狭幅面である鋼板の板厚面が座屈拘束材５と接触しうるものを対象としており、例えばプレート形、十字形、Ｈ形の断面が該当する。
芯材３は、一般的に長手方向端部の接合部の損傷を防ぐために、長手方向端部は長手方向中央部の塑性化部９よりも強度が高い弾性部７となっている。強度を高くする態様としては、拡幅する、補強リブを設ける、強度の高い鋼材を使用する等が挙げられる。
本実施の形態では、芯材３の両端部を架構部に高力ボルトでボルト接合するタイプであるため、弾性部７の端部にボルト穴１１が設けられたボルト接合部１３となっている。もっとも、ピン接合形式の場合はクレビスが弾性部７の端部に設けられる。

＜座屈拘束材＞
座屈拘束材５は、芯材３を幅広側から挟むように配されて接合された一対の部材からなり、各部材の接合面に芯材３とめり込み防止板６を配設可能な形状の溝部１５を有している（図１（ａ）参照）。
木製の座屈拘束材５は一対のもので芯材３とめり込み防止板６を挟みこむことを意図し、それぞれの形状に合わせた溝が設けられている。芯材３に使用する木材は集成材、LVL、CLTなどの木質材料でもよい。なお、芯材３やめり込み防止板６の形状初期不正を考慮して、溝のサイズは芯材３の断面形状よりも少し大きくしておくとよい。
なお、本例においては座屈拘束材５を芯材３の幅広側から挟むように配しているが、芯材３を挟む方向は特に限定されるものではない。

一対の座屈拘束材５は芯材３とめり込み防止板６を挟んだ状態で接合される。接合方法としてはボルト、ビス、ラグスクリューボルト、ドリフトピンなどによる機械式な接合、または接着剤による接合、またはこれらの複合による接合などが挙げられる。接合に際して、芯材３との接触による面外方向への押出し力に対して、十分な耐力を有することで、座屈拘束材５同士の離間を防止でき、優れた座屈拘束性が得られる。

＜めり込み防止板＞
めり込み防止板６は狭幅面である鋼板の板厚面との接触による座屈拘束材５の破壊を防止するための部品であり、この目的を達成するため、めり込み防止板６の幅は、該めり込み防止板６に当接する前記芯材３の当接面の幅よりも大きく設定されている。これにより、芯材３との接触による応力が分散されて座屈拘束材５に伝わるため、座屈拘束材５の破壊を防止することができる。

前述の通り、めり込み防止板６設置の目的は芯材３との接触による応力を分散させて座屈拘束材５に流すことである。そのためめり込み防止板６の幅は十分大きくないとその効果は弱まってしまう。この点、応力は45度方向に広がって分散すると考えられるため、めり込み防止板６を流れて座屈拘束材５に作用する応力の幅は芯材３との接触面の幅にめり込み防止板６の板厚の２倍を加えた幅となる。そこで、ここではめり込み防止板６の幅がこれ以上とすることで十分な応力分散効果が得られる。

めり込み防止板６は、木材よりも硬いものが望ましく、例えば鋼材やモルタルが材料として挙げられる。めり込み防止板６は、厚いほど応力が分散されて座屈拘束材５の破壊を健全に保つことができる。また、めり込み防止板６は芯材３が塑性化しうる範囲の全長にわたって設けられることが望ましいが、短いめり込み防止板６を長手方向に断続して設けてもよい。

以上のように、本実施の形態の座屈拘束ブレース１によれば、狭幅面である芯材３の板厚面との接触による座屈拘束材５の破壊を防止することができ、座屈拘束性に優れた座屈拘束ブレース１を実現することができる。

なお、一対の座屈拘束材５同士の接合方法は特に限定されるものではないが、図３に示すように、座金１７および緩み防止機構（ナット１９、ワッシャ２１）を有するボルト部品群２３により接合するのが好ましい。
これにより、ボルト部品群２３により機械的に座屈拘束材５同士を接合することができ、芯材３との接触による座屈拘束材５の離間を防ぐことができる。

この場合、木製の座屈拘束材５にはボルト２５が挿入されるボルト穴２７が設けられる。また、座ぐり２９を設けてもよい。座ぐり２９のサイズ、形状はボルト接合用座金の形状に合わせ、座金以上のサイズに設定する。
ボルト接合後に座ぐり部分に木材で蓋をすることで、ボルト接合部１３分を隠すことができ、意匠性に優れたブレースとなる。

座金１７は接触面積を広くとりボルト接合部での木材のめり込み破壊を防止してボルト接合部耐力を確保するために必要である。ナット１９の緩み防止としてはスプリングワッシャーやイダリング等の設置、もしくはダブルナットが挙げられる。図５にはダブルナット形式を示している。
ボルト接合は芯材３の幅の外側の位置において（図４（ａ）参照）、芯材３の材軸方向に複数本設けられる。ボルト２５の配置間隔やボルト２５と座金１７のサイズは座屈拘束材５の座屈波長や必要な座屈補剛力の計算値に応じて決定される。

［実施の形態２］
実施の形態１においては、めり込み防止板６の材質は特に限定されるものではなかったが、本実施の形態では、めり込み防止板６を鋼製とし、めり込み防止板６に座屈拘束材５の離間を防止する機能をもたせるようにしたものである。
本実施の形態の座屈拘束ブレース１は、図４に示すように、めり込み防止板６は鋼製からなり、かつ座屈拘束材５を構成する一対の部材間に亘るように配置され、座屈拘束材５を構成する一対の部材とめり込み防止板６が対応する位置にロッド穴３０が設けられると共に、一対の部材とめり込み防止板６のロッド穴３０にロッド３１が挿入されてロッド３１によって一対の部材がめり込み防止板６を介して接合されている。

このように、めり込み防止板６に座屈拘束材５の離間防止機能を持たせることで、めり込み防止板６と座屈拘束材５の接合には安定した耐力が得られる。
座屈拘束材５の離間防止機能を発揮するには、機械式に接合することが望ましいため、ロッド３１による接合としている。ロッド３１の種類としてはラグスクリューボルトやドリフトピンなどが挙げられる。

めり込み防止板６に座屈拘束材５の離間防止機能をもたせる他の態様として、めり込み防止板６と座屈拘束材５の隙間に接着剤を充填してもよい。めり込み防止板６と座屈拘束材５を接着することで、ロッド３１による機械的な接合と同様にめり込み防止板６を座屈拘束材５の離間を防止する部材として利用できる。
なお、接着剤は、ロッド３１による接合と併用してもよい。

上記の実施の形態１、２では座屈拘束ブレース１について説明したが、本発明は座屈拘束ブレース単体に限られず、一対の柱と一対の梁と有する架構であって、構面内に、座屈拘束ブレース１をさらに備えた架構を含む。このような架構であれば、従来の座屈拘束ブレースを備えたものよりもより高い耐力が期待できる。

芯材３の板厚面との接触により生じる座屈拘束材５への応力について検討したので、以下説明する。従来の座屈拘束ブレースの設計指針（非特許文献：日本建築学会 鋼構造制振設計指針，2014年11月）によると、座屈拘束ブレースには芯材の座屈および芯材と座屈補剛材の接触による補剛力Bは下記の通り求められる。

図５に検討対象の構造を示す。芯材３は、降伏耐力235N/mm2の鋼材で、図５（ａ）に示すように、断面形状が幅140mm、せい86mm、板厚16mmの十字断面部材とした。
座屈拘束材５は、図５（ｃ）、（ｄ）に示す通り、芯材３の形状に合わせて溝が設けられた一対の部材からなる木材で、一対の部材はそれぞれ幅300mm、せい150mmである。
図５（ｃ）に示すものは、芯材３の強軸まわりの面外変形方向にめり込み防止板６（板厚：16mm、幅48mm）を配設したものであり、図５（ｄ）に示すものは、芯材３の弱軸まわりの面外変形方向にめり込み防止板６（板厚：32mm、幅80mm）を配設したものである。
表１に検討結果を示す。

表１に示されるように、弱軸まわりの面外変形の方が補剛力Bは大きいものの、接触面の応力は強軸まわりの面外変形で板厚面(狭幅面)が接触した場合も、8.2N/mm²であり比較的高い。一般に強度の高いカラマツ等でめり込み強度が約8N/mm²であることから、座屈方向に関わらず板厚面(狭幅面)が座屈により木製の座屈拘束材５に接触した場合、めり込み破壊が生じる可能性が高いことが示された。

一方、めり込み防止板６を配設することで、弱軸まわりの板厚面（幅狭）の接触応力が33.9N/mm²から6.78N/mm²に低減され、また強軸まわりの板厚面（幅狭）の接触応力が8.20N/mm²から2.73N/mm²に低減されている。
これらの結果は、めり込み防止板６を設けた場合、接触面の幅が広がり芯材３との接触により座屈拘束材５に伝達される応力が低く抑えられ、めり込み防止板６の板厚、幅を十分設ければ木材のめり込み破壊を防止できるまで応力を低下させられることを示している。

１ 座屈拘束ブレース
３ 芯材
５ 座屈拘束材
６ めり込み防止板
７ 弾性部
９ 塑性化部
１１ ボルト穴
１３ ボルト接合部
１５ 溝部
１７ 座金
１９ ナット
２１ ワッシャ
２３ ボルト部品群
２５ ボルト
２７ ボルト穴
２９ 座ぐり
３０ ロッド穴
３１ ロッド
４１ 座屈拘束ブレース（従来）
４３ 柱
４５ 梁
４７ 芯材
４９ 座屈拘束材
５１ 充填材
５３ アンボンド材
５５ ボルト接合部
５７ ピン接合部

Claims (5)

1. 鋼製の芯材と、該芯材の周囲を覆うように配された木製の座屈拘束材と、該座屈拘束材と前記芯材との間に介在して前記芯材が前記座屈拘束材にめり込むのを防止する鋼材又はモルタルからなるめり込み防止板とを備えてなる座屈拘束ブレースであって、
   前記芯材は１枚の鋼板又は複数枚の鋼板を組み合わせてなる開断面部材からなり、
   前記座屈拘束材は、前記芯材を挟むように配されて接合された一対の部材からなり、各部材の接合面に前記芯材と前記めり込み防止板を配設可能な形状の溝部を有してなり、
   前記芯材を構成する鋼板の板厚面が、めり込み防止板の幅面の略中央に当接して当接面を構成し、前記めり込み防止板の幅は、前記芯材の当接面の幅よりも大きく設定され、
   前記めり込み防止板の幅が下記式を満足することを特徴とする座屈拘束ブレース。
   Br≧Bs+2×tr
   ここで、Br：めり込み防止板の幅
   Bs：めり込み防止板に当接する芯材の当接面の幅
   tr：めり込み防止板の板厚
2. 前記一対の座屈拘束材が座金および緩み防止機構を有するボルト部品群によって、長手方向の複数個所において接合されていることを特徴とする請求項１に記載の座屈拘束ブレース。
3. 前記めり込み防止板は前記鋼材からなり、かつ前記座屈拘束材を構成する一対の部材のそれぞれに亘るように配置され、前記座屈拘束材を構成する一対の部材のそれぞれと前記めり込み防止板が対応する位置にロッド穴が設けられると共に、前記一対の部材のそれぞれと前記めり込み防止板の前記ロッド穴にロッドが挿入されて該ロッドによって前記一対の部材が前記めり込み防止板を介して接合され、前記めり込み防止板が前記一対の部材の離間を防止する機能を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の座屈拘束ブレース。
4. 前記めり込み防止板と前記座屈拘束材の隙間に接着剤が充填されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の座屈拘束ブレース。
5. 一対の柱と一対の梁とを有する架構であって、構面内に、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の座屈拘束ブレースをさらに備えたことを特徴とする架構。