JPH03199560A - 構造部材 - Google Patents

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〕 本発明は構造部材に係り、詳しくは、トラス構造やすし
かい構造を形成するため節点部材に接合される長尺な鋼
管などの構造部材に関するものである。

（従来の技術〕 長尺な鋼管などの構造部材を多数使用して、大きい立体
構造物を構築する場合には、各構造部材の先端が節点部
材に結合され、トラス構造やすしかい構造を構成させる
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構造部材やそれに
採用される接合装置が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、地震などにより作用する動的外力によって耐
力が決定されるような構造物をトラスで設計しようとす
る場合、構造部材を構成する圧縮材が座屈してしまえば
耐力が急激に低下するので、一般に座屈に対して十分安
全となるような設計がなされる。その結果、座屈耐力以
下で設計するため動的荷重に対して弾性応答となり、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
想定しておく必要がある。

また、トラス構造と類似するすしかい構造においても、
圧縮すじかいを弾性領域に保持しようとすると、地震が
あった場合などにはすしかいに大きな応力が発生するこ
とになり、隣接する柱や梁にも非常に大きな応力が発生
して、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、圧縮すしかい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
、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３図（ａ）、（ｂ）は外力を受けた場合に、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）
の大小によって諭しられる。消費エネルギは塑性変形す
る第３図（ｂ）の方が大きいので、第３図（ａ）より耐
震性が高い。また、第３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
生じる問題がある。従来、トラスあるいはすしかい構造
では、座屈が不可避であるため第３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３図
（ｂ）のような性状を与える構造形式としては、すしか
いなしのラーメン構造がある。しかし、横方向の変形が
すしかいあるいは１−ラス構造にくらべ非常に大きいの
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
、構造主材とエンド部材とからなる構造部材にあって、
両側のエンド部材と、それに一体化されている構造主材
とに工夫を施して、その両端部近傍に脆弱部を設け、さ
らに、エンド部材の円錐殻部が脆弱部と共に塑性変形さ
せることにより、第３図（ｂ）の性状を得ようとするこ
とである。そして、すしかいあるいはトラス構造程度の
少量の鋼材により経済性を高めると共に、大規模地震時
にはラーメン構造のような塑性変形による大きな耐震性
を付与することができる構造部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、節点部材に結合するための接合ボルトが取り
付けられるエンド部材を、構造主材の端部に備えた構造
部材に適用される。

その特徴とするところは、第１図を参照して、構造主材
３の端部には、構造部祠ｌの座屈耐力より小さい外力で
塑性変形される脆弱部５が設けられ、エンド部材４は構
造主材３に接続される円錐殻部４Ａを有し、その円錐殻
部４Ａは脆弱部５と同程度の耐力で共に塑性変形するよ
うに成形されていることである。

その脆弱部５は、焼鈍して形成することができる。

または、その脆弱部５を、構造主材３の肉厚ｔよりも薄
い肉Ｋ　ｔ　＋　とすることによって形式することもで
きる〔第１図参照〕。

〔作　　用） 構造部材１に圧縮力が作用するとエンド部材４と構造主
材３に座屈応力が掛かる。一方、構造主材３の端部には
、構造部材１の座屈耐力より小さい外力で塑性変形する
ような脆弱部５が設けられている。さらに、脆弱部５が
塑性変形するとき、共に塑性変形するように形成された
円錐殻部４Ａを有するエンド部材４が、構造主材３の端
部に一体化されている。したがって、構造部材ｌを構成
する構造主材３の脆弱部５が最初に降伏して局部座屈（
いわゆる提灯座屈）する［第５図および第６図参照］。

一方、円錐殻部４Ａを有するエンド部材４にも外力が作
用するので、外力方向断面内応力（主応力）と、円周方
向の応力（周方向応力）とが発生し、主応力より大きく
かつ全周に現れる周方向応力は、円錐殻部４Ａを外方へ
開かせるように作用する。そして、円錐殻部４が脆弱部
５と共に塑性変形するように成形されているので、エン
ド部材４は開花時の花のように開きながら、脆弱部５の
塑性変形を助長しながら塑性変形する。

その結果、地震による構造部材ｌの消費エネルギは、座
屈する構造主材３の脆弱部５やエンド部材４の円錐殻部
４Ａで吸収されると共に、残余のエネルギは熱として外
部に発散され、構造部材１で形成された鋼構造物の倒壊
などが未然に防止される。

なお、脆弱部５は、構造主材３の端部を焼鈍することに
より形成してもよく〔第５図参照〕、さらには、構造主
材３の端部を、構造主材３の肉厚ｔよりも薄い肉厚ｔ、
に形成してもよい（第６図参照）。

〔発明の効果］ 本発明によれば、構造部材が座屈する前に構造主材の端
部に形成された脆弱部およびエンド部材の円錐殻部が降
伏し、軸方向長さに対して大きな比率で塑性変形するの
で、第３図（ｂ）に示したような外力Ｐ、の場合の中規
模地震に対しては構造主材やエンド部材を座屈さ・じな
いで、構造主材の脆弱部や円錐殻部を伸性範囲内で変形
させ、外力Ｐ２の場合の大規模地震時には構造部材を座
屈させないで構造主材の一部である脆弱部およびエンド
部材の円錐殻部を降伏させるように設計できる。したが
って、ラーメン構造のような塑性変形による大きな耐震
性を付与することができ、すしかいあるいはトラス構造
程度の鋼材使用量に留めることができる。

（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図は構造部材とそれに取り付けられた接合装置の断
面図、第２図は構造部材の全体外観図で、長尺な構造部
材ｌの先端が、節点部材２に放射状〔本例では十字状〕
に接合されるようになっている。構造部材ｌはバイブな
どの構造主材３とその端部に溶接などで一体化されたエ
ンド部材４とからなり、構造主材３の端部における溶接
部に近接した位置から、軸方向に延びる一定長さｌの脆
弱部５が設けられている。

その脆弱部５は、構造主材３の肉厚ｔより薄い肉厚ｔ１
を全周にわたってめぐらせた長さｌの薄肉パイプ体に形
成されている。構造部材１に、大地震時のような大きな
外力が作用するとき、脆弱部５や後述の円錐殻部４Ａを
除く構造部材１が弾性範囲内にあるときに、脆弱部５お
よび円錐殻部４Ａが最初に降伏するようになっている。

なお、脆弱部５は、上記の薄肉パイプ体と異なり、その
肉厚りを変えることなく脆弱部にする個所を焼鈍するこ
とにより形成されるものであってもよい〔第５図参照〕
。要は、脆弱部５に付与される耐力が、円錐殻部４Ａを
除く構造部材ｌの耐力に比べて小さくされたものであれ
ばよい。

一方、エンド部材４は、構造主材３に連なる中空の円錐
殻部４Ａと後述するスリーブ体１５に当接される短い円
筒部４Ｂとを有している。その円錐殻部４Ａの肉厚Ｔ１
も、構造部材１の受ける外力よりも小さい外力で降伏し
て塑性変形するように選定されている。そして、エンド
部材４の円錐殻部４Ａは、前述の構造主材３の脆弱部５
が塑性変形するとき、ともに塑性変形して脆弱部５の変
形を助長するようになっている。

このエンド部材４を介して、構造主材３をねじ孔６の形
成された節点部材２に接合するための接合ボルト７が設
けられる。この接合ボルト７にはボス部８が形成される
と共に、その両側端部のねじ部７ａ、７ｂが逆ねじに形
成されている。ボス部８を境にして節点部材２側に形成
されるねじ部は例えば右ねじてあり、構造部材ｌを節点
部材２に取り付ける場合、接合ボルト７の回転に伴って
基部側に取り付けられたアンカーナツト９が構造部材ｌ
内で外れないように、ねじ部７ａが左ねじとなっている
。

上記エンド部材４の円筒部４Ｂの内部には、接合ボルト
７の基部側に螺合されるアンカーナツト９の径より大き
い径の雌ねじ１０が形成されている。エンド部材４の雌
ねじｌＯには、スリーブナツトとでも言うべき雄ねじ１
１の形成された支持部材１２が螺合され、ねじ部にネジ
ロック剤などの接着材が塗布されて緩み止めが図られて
いる。

その支持部材１２の中心部には、接合ボルト７の軸部７
ｍを挿通して支持する摺動孔１３が設けられている。

上記の支持部材１２の摺動孔１３には予め接合ボルト７
の軸部７ｍが挿通され、かつ、アンカーナツト９をねし
部７ａに螺合させた後、その一体化物が支持部材１２を
介してエンド部材４に取り付けられるようになっている
が、その支持部材１２と接合ボルト７のボス部８との間
にスプリング１４が介在されている。このスプリング１
４はボス部８がエンド部材４方向へ大きく退避できるよ
うに縮む一方、ボス部８を節点部材２方向へ付勢するも
のである。

接合ボルト７の外部には、そのボス部８の外面に係合し
て回転を伝達するスリーブ体１５が設けられている。そ
れは、例えば六角状に形成されたボス部８に嵌まる六角
筒体で、その内部はボス部８の軸方向摺動を可能にして
いる。そして、そのスリーブ体１５の外面には、ボス部
８を回転するための回転力作用部１６が形成されている
。

なお、本発明の特徴となる構造主−材３の脆弱部５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
ｔ、に仕上げられる。また、エンド部材４の円錐酸部４
Ａを成形する場合、その肉厚Ｔ１は、従来から採用され
ている肉厚に比べて、薄くなるように機械加工で仕上げ
られる。このように脆弱部５や円錐酸部４Ａは、構造部
材１が座屈する外力よりも小さい外力で、脆弱部５や円
錐酸部４Ａが塑性化されるようになっている。

肉厚ｔ、、Ｔ、の決定は、構造主材３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、実験および解析の結果では、実用に供する寸法
の構造主材３やエンド部材４との一体化物を製作し、そ
れに圧縮力Ｆを作用させると、第４図に示すように、エ
ンド部材４の円錐酸部４Ａの断面における主応力Ｓと、
周方向のリング応力Ｔとが発生して、リング応力Ｔが主
応力Ｓの３倍ないし５倍になることが判明している。

このリング応力Ｔは、エンド部材４が朝顔の花のように
外方へ開こうとするのを、桶の酒のように拘束するもの
と考えられる。しかし、円錐酸部４Ａの肉厚Ｔ＋が脆弱
部５と共に塑性変形するように従来より薄くされていて
、弱められたリング応力Ｔは円錐酸部４Ａの全周にわた
って均等に生じている。そこで、エンド部材４の円錐酸
部４Ａが脆弱部５の塑性変形を助長するように、ともに
塑性変形すると、鋼材であるエンド部材４や構造主材３
の加力方向の変形量は非常に大きいものとなる。

一方、構造主材３の端部の旋形範囲を適切に限定するた
めには、その端部から管軸方向に、〔０，３〜１．．５
　）　Ｘ管径りで算出される長さをとり、それをｌとす
る。そのｌの間において、構造主材３の脆弱部５を構造
主材３が本来有している降伏耐力より小さい降伏耐力と
なるように適切な薄い肉厚ｔ１に加工する。そして、そ
の加工で、脆弱部５の塑性変形が適正に選定されること
になる。このように構造主材３の端部の一部を薄くして
おくと、上述した厚みを肉厚ｔのままにして焼鈍して形
成された脆弱部５〔第５図参照〕と同様に、第６図に示
すように、この薄い肉厚のパイプ体には局部圧Ｍ（いわ
ゆる提灯座屈）が生じる。この局部座屈の発生によって
、構造部材ｌは耐力を減することなく縮みながら、円錐
酸部４Ａと共に塑性変形することが知見され、本発明の
構造部材には極めて都合がよい。そして、構造主材３の
座屈耐力は、脆弱部５や円錐酸部４Ａの最大耐力より大
きく設定されているので、構造部材１に作用して脆弱部
５や円錐酸部４Ａが座屈するときにも、構造部材ｌの耐
力を急激に減じるようなことはない。

第７図には、構造主材３の端部に脆弱部５が形成されて
いる構造部材１の最大耐力と、脆弱部５が形成されてい
ない構造部材の最大耐力とが示されている。前者は、座
屈変形を伴った実線で囲む大きい面積となり、後者の構
造部材では最大耐力が破線で囲む小さい面積となってい
る。そして、前者が大中規模の地震による動的荷重を受
けるとき、中規模の地震では第３図（ｂ）に示す外力Ｐ
１程度の弾性範囲内では構造部材ｌを座屈させない変形
に留め、外力Ｐｔの大規模の地震では構造部材１を座屈
させないで脆弱部５や円錐酸部４Ａを降伏させるように
設計でき、構造物の性状として理想的なものが得られる
。

すなわち、地震により生した力が構造部材１に圧縮力と
して作用しても、構造主材３の一部である脆弱部５や円
錐殻部４Ａを除く構造部材ｌが座屈することがないので
、建物の致命的な倒れや破壊が免れる。なお、後者は、
前者よりも大きい外力が作用しても弾性範囲内で外力に
対して、−点鎖線の耐力Ｐ０で応答することができるが
、−度、座屈を生しると急激に耐力を減することが判る
。

ちなみに、第７図に示す実線部や第３図（ｂ）のような
構造形式として、すしかいなしのラーメン構造があるが
、横方向の変形がすしかいあるいはトラス構造に比べて
非常に大きい。したがって、大量の鋼材を投入する必要
があり、一方、本発明によれば、少量の鋼１材により対
応させることができ経済的である。しかも、大規模地震
時にはラーメン構造のような塑性変形による大きな耐震
性を付与することができる。

第８図には、構造部材１に作用する圧縮力の外力Ｐと構
造主材３の脆弱部５の変形量（ｍｍ）との関係が示され
ているが、これは実験によって得られたものである。こ
の実験に用いられた試験体は、全てＪＩＳの５Ｓ４１級
の鋼材で製作され、構造主材３は外径７６．３ｍ（肉厚
２．８ｍｇｇの鋼管で、一方、エンド部材の円錐殻部の
外径は７６．３■■、全長２７−である。

なお、図示の変形曲線のうち、実線は実験値による回線
で、−点鎖線は計算値による曲線であり、両者は、円錐
殻部４Ａと共に塑性変形した構造主材３の端部における
脆弱部５の塑性変形量を取り出して示され、そのエンド
部材４の円錐殻部４Ａの塑性変形で助長された塑性変形
量は２０ｍｍに達している。そして、荷重・変形曲線の
形状は耐力低下のない第３図（ｂ）のようになっている
、もちろん、脆弱部５や円錐殻部４Ａを除く構造部材１
は座屈していない。このような脆弱部５が構造主材３の
両端に存在するので１、構造部材ｌの一本当たり４０＋
＋ａ程度の変形能力があるということになり、大規模地
震時に要求されるすしかいあるいはトラス材の変形能力
を発揮させることも可能である。

上述の例のような４０ｍｍの塑性能力を有するすしかい
構造の場合、第９図に示すように、建物の層間変形角（
ｔａｎθ＝δ、／ｈ）が約１１５０という非常に大きな
変形まで、圧縮すしかい１の耐力を低下させないで有効
に働かせることができる。すなわち、四本の構造部材ｌ
のうち、圧縮力を受ける圧縮すじかいｌは二本のｌａ、
ｌａである。それ故、脆弱部５の塑性変形量δは４０×
２または２０×４　＝８０ｍｍとなるが、その方向は圧
縮すしかい１ａの取付方向である。水平方向の変位δ、
を用いて、眉間変形角はｔａｎθ−δ＋　／ｈである。

ｅ＋　　（水平辺）とＬ　（二本の圧縮すしかいｌａの
長さである斜辺）とｈ＝Ｌ　／２　（垂直辺）よりなる
直角三角形の場合、垂直辺りで他の二辺を表示すると、
水平辺は２ｈであり、斜辺長はＬ＝、ｌ’５ｈとなる。

また、水平辺δ、と斜辺δと垂直辺よりなる直角三角形
は、上記直角三角形と相似であり、δ１−δＸｌ／Ｌ−
δＸ　２　ｈ／ｖ’５　ｈ　＝８０ｍｍＸ　２／−／’
−５＝７１．３ｍｎ＋となる。したがって、層間変形角
はｔａｎθ−δＩ／ｈであるから、それに、δ＋　　＝
７１．３ｎｖとｈ　＝３，５００ｍｍを代入とすると、
δ、／ｈ＝７１．３／３，５００　＝１／４９！＝ｉ１
１５０となる。

第１Ｏ図のトラス構造の例では、ＡないしＦの全入個所
で各々２０ｍｍ変形すると、相対的回転角αは、２０ｘ
６／２．８００　＝１／２３となり、構造物の変形能力
という観点から見れば極めて大きな変形量が許容される
。なお、トラスの高さは２．８００ｍ＋−としている。

以上、第２図に示した構造主材３の脆弱部５の塑性変形
を助長する円錐殻部４Ａと短い円筒部４Ｂを備えたエン
ド部材４について説明したが、本発明は第１１図に示し
たような長い円筒部４Ｃを有するエンド部材４４を備え
た構造部材ｌにも適用することができる。もっとも、節
点部材２とエンド部材４との間に介在される接合装置は
第２図やスプリングを有しない第１２図に示したものに
限らないし、構造主材３に一体化されたエンド部材の厚
みも、第１２図に示したように一定幅でないものでもよ
い。要するに、構造部材１で最も小さい耐力に設定され
た脆弱部の塑性変形を有効に助長することができる円錐
殻部４Ａを備えたエンド部材であればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における構造部材とそれに取
り付けられた接合装置の断面図、第２図は構造部材の全
体外観図、第３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３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、第４図は
圧縮力を受けたエンド部材に発生する応力の説明図、第
５図は焼鈍により形成された脆弱部を有する鋼製の構造
部材の圧縮塑性変形図、第６図は薄い肉厚で形成された
脆弱部を有する鋼製の構造部材の圧縮塑性変形図、第７
図は脆弱部を有する場合と有しない場合の構造部材の耐
力説明図、第８図は圧縮力と構造主材に形成された脆弱
部の変形量との関係曲線図、第９図は圧縮すじかい構造
における建物の眉間変形角の説明図、第１Ｏ図はトラス
構造における相対的回転角の説明図、第１１図は異なる
形状のエンド部材を有する構造部材の端部断面図、第１
２図は異なる形状のエンド部材と接合装置を含む構造部
材の端部断面図である。 １、ｌａ−一橋造部材、２−・節点部材、３−・構造主
材、４．４４−　エンド部材、４Ａ−・円錐殻部、５−
脆弱部、７−・−接合ボルト、ｔ、ｔ＋’−肉厚。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）節点部材に結合するための接合ボルトが取り付け
   られるエンド部材を、構造主材の端部に備えた構造部材
   において、 上記構造主材の端部には、構造部材の座屈耐力より小さ
   い外力で塑性変形される脆弱部が設けられ、 上記エンド部材は上記構造主材に接続される円錐殻部を
   有し、その円錐殻部が上記脆弱部と同程度の耐力で塑性
   変形するように成形され、円錐殻部と脆弱部とが共に塑
   性変形するようにしたことを特徴とする構造部材。
2. （２）前記脆弱部は、焼鈍することにより形成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
3. （３）前記脆弱部は、構造主材の肉厚よりも薄い肉厚に
   形成されていることを特徴とする請求項１に記載の構造
   部材。