JPH0473497B2 - - Google Patents

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
造やすじ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、トラス構造やすじ
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〕

例えば、地震などにより作用する動的外力によ
つ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。そこ
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
重に対しては弾性応答となり、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、トラス構造と類似のすじかい構造におい
ても、圧縮すじかいを弾性領域に保持しようとす
ると、地震があつた場合などにはすじかいに大き
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、圧縮すじ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
するの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の座屈の生じ
ないときと、生じるとき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
変形によつて生じる消費エネルギ（図中の斜線部
面積ＡおよびＢ）の大小によつて論じられる。

消費エネルギは、塑性変形する第３図ｂの方が
著しく大きいので、第３図ａより耐震性が高い。
しかし、第３図ａの方が弾性耐力に依存するた
め、地震による応答応力が大きくなるという問題
がある。

従来、トラスあるいはすじかい構造では、座屈
が不可避であるため、第３図ｂのような性状を得
ることは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、すじ
かいなしのラーメン構造がある。しかし、横方向
の変形がすじかいあるいはトラス構造に比べて非
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。

ところで、特開昭61−21243号公報には、構造
部材を節点部材に接続するための接合ボルトが配
置されるエンド部材を、構造部材の先端に溶接し
て一体化した装置が記載されている。そして、接
合ボルトを爾後的に構造部材に取り付け、それを
用いて節点部材との接続を図るため、エンド部材
には切欠きを形成させている。

このような構造部材と節点部材との接続におい
て、切欠きを設けることによるエンド部材の耐力
低下を回避するため、その肉を厚くしたり補強リ
ブを施したりしている。すなわち、構造部材や接
合ボルトに関連する部品に局部的な脆弱部が生じ
ないようにするのが、この分野における常識とな
つている。

したがつて、塑性変形を助長させる意図はな
く、地震による応答応力が大きくなるという欠点
を持つている。

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
部材にあつて、構造主材の端部に一体化されたエ
ンド部材に工夫を施すことにより、第３図ｂの性
状を得ようとするものである。そして、すじかい
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、構造主材を節点部材に接続するため
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、
エンド部材４には円錐殻形状部４Ａがあり、その
殻厚みｔは、構造主材３の座屈耐力より小さい外
力でエンド部材４が塑性変形するように、選定さ
れていることである。

〔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が、エンド部材
４の円錐殻形状部４Ａは、構造主材３の座屈耐力
より小さい外力で塑性変形するように選定されて
おり、その結果、構造主材３が座屈する前にエン
ド部材４が降伏する。

すなわち、エンド部材４の円錐殻形状部４Ａに
外力が作用すると、第２図に示すように、主とし
て円錐殻形状部４Ａの外力方向断面内応力（主応
力）と、円錐殻形状部４Ａの円周方向の応力（周
方向応力）とが発生し、主応力より大きくかつ円
錐殻の全周に現れる周方向応力は、円錐殻形状部
４Ａを外方に向けて開かせるように作用する。

その結果、円錐殻形状部４Ａの円錐角が拡がる
に伴つて、円錐殻形状部４Ａの軸方向長さが短く
なる。すなわち、地震による構造部材１の消費エ
ネルギはエンド部材４で吸収されることになり、
構造主材３の変形を回避して、建物の倒壊といつ
た大惨事を防止することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、構造主材が座屈する前に円錐
殻形状部が降伏し、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P1の場合の中規模地震に対しては構造主材
を座屈させないで円錐殻形状部を弾性範囲内で変
形させ、外力P2の場合の大規模地震時には構造
主材を座屈させないで円錐殻形状部を降伏させる
ように設計できる。したがつて、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、すじかいあるいはトラス構造程度の少
ない鋼材使用量に留めることができる。

〔実施例〕

以下に、本発明をその実施例に基づいて詳細に
説明する。

第１図は本発明が適用される構造部材の端部に
形成された接合部の全体断面図で、長尺な構造部
材１の先端が、節点部材２に放射状（本例では十
字）に接合されるようになつている。

構造部材１は、パイプなどの構造主材３とその
端部に溶接などで一体化されるエンド部材４とか
らなり、そのエンド部材４は構造主材３に連なる
円錐殻形状部４Ａと後述するスリーブ体１４に当
接される筒部４Ｂとを有する。

そのエンド部材４を介して、構造主材３をねじ
孔５の形成した節点部材２に接続する接合ボルト
６が設けられる。この接合ボルト６にはボス部７
が形成されると共に、その両側端部のねじ部６
ａ，６ｂが逆ねじに形成されている。ボス部７を
境にして節点部材２側に形成されるねじ部６ｂは
例えば右ねじであり、構造部材１を節点部材２に
取り付ける場合、接合ボルト６の回転に伴つて基
部側に取り付けられるアンカーナツト８が、構造
部材１内で外れないように、ねじ部６ａが左ねじ
となつている。

上記エンド部材４の筒部４Ｂの内部には、接合
ボルト６の基部側に螺合されるアンカーナツト８
の径より大きい径の雌ねじ９が形成されている。
エンド部材４の雌ねじ９には、スリーブナツトと
でも言うべき雄ねじ１０を形成した支持部材１１
が螺合され、ねじ部にネジロツク剤などの接着材
が塗布されて緩み止めが図られている。その支持
部材１１の中心部には、接合ボルト６の軸部６ｍ
を挿通して支持する摺動孔１２が設けられてい
る。

上記の支持部材１１の摺動孔１２には予め接合
ボルト６の軸部６ｍが挿通され、かつ、アンカー
ナツト８をねじ部６ａに螺合させた後、その一体
化物が支持部材１１を介してエンド部材４に取り
付けられるようになつているが、その支持部材１
１と接合ボルト６のボス部７との間にスプリング
１３が介在されている。このスプリング１３はボ
ス部７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７を節点部材２の方向へ付
勢するものである。

接合ボルト６の外部には、そのボス部７の外面
に係合して回転を伝達するスリーブ体１４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７に嵌る六角筒体で、その内部はボス部７
の軸方向摺動を可能にしている。そして、そのス
リーブ体１４の外面には、ボス部７を回転するた
めの回転力作用部１５が形成されている。

このような接合部を備えた構造部材１にあつ
て、そのエンド部材４の円錐殻形状部４Ａの殻厚
みｔは、構造主材３の座屈耐力より小さい外力で
エンド部材４が塑性変形するように、選定されて
いる。すなわち、円錐殻形状部４Ａは機械加工に
より所要の厚さに仕上げられ、構造主材３の座屈
耐力より小さい外力で、この部分が塑性化するよ
うになつている。

殻厚みｔの決定は、円錐殻形状部４Ａ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。
実験および解折によれば、このような円錐殻形状
部４Ａに外力が作用すると、第２図に示す円錐殻
形状部４Ａの外力方向断面内応力（主応力）Ｓ
と、円錐殻形状部４Ａの周方向応力Ｔが発生す
る。

本発明者らの研究によれば、周方向応力Ｔは主
応力Ｓの３倍ないし５倍になることが判明した。
その周方向応力Ｔが作用する周方向では、円錐殻
形状部４Ａが外へ開いていくのをいわば桶の箍の
ように拘束する作用があると考えられる。

その周方向応力は、円錐殻形状部４Ａの全周に
わたつて均等に生じるため、逆に円錐殻形状部４
Ａを降伏させるような大きな応力が作用させる
と、円錐殻形状部４Ａを外力に大きく開くように
伸ばすことになる。この伸びを構造部材１に作用
する圧縮力Ｆで生じる縮みを吸収するのに、有効
に利用することができる。しかも、その吸収量は
かなり大きいものである。

円錐殻形状部４Ａの殻厚みｔは、上述したよう
に構造主材３の座屈耐力より小さい外力でエンド
部材４が塑性変形するように選定されているの
で、構造主材３が座屈する前に、円錐殻形状部４
Ａが降伏して大きく塑性変形する。その結果、第
３図ｂに示す外力P1程度の中規模地震に対して
は、構造主材３を座屈させないで円錐殻形状部４
Ａを弾性範囲に留め、外力P2の大規模地震時に
は構造主材３を座屈させないで円錐殻形状部４Ａ
を降伏させるように設計でき、構造物の性状とし
ては理想的なものが得られる。

すなわち、地震により生じた力が構造部材１に
圧縮力として作用しても、構造主材３が座屈する
ことはないので、建物の致命的な倒れや破壊を免
れることができる。ちなみに、第３図ｂのような
性状を与える構造形式として、すじかいなしのラ
ーメン構造があるが、横方向の変形がすじかいあ
るいはトラス構造に比べて非常に大きい。したが
つて、大量の鋼材を投入する必要がある。

一方、本発明によれば、少量の鋼材により対応
させることができて経済性的である。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４図には、上述した構造部材１に作用する圧
縮力Ｆと円錐殻形状部４Ａの変形の関係が示され
ている。これは一例にすぎないが、供試体の寸法
などを紹介すると、使用材料は全てSS41級であ
り、構造主材３は径が約165mm、厚みが4.5mm、円
錐殻形状部４Ａの厚みは16mm、円錐角θは45°で
ある。図に示された変形は、円錐殻形状部４Ａの
部分のみ取り出したので、これによると円錐殻形
状部４Ａの長さ約40mmに対して20mm以上もの変形
が得られており、荷重・変形曲線の形状は耐力低
下のない第３図ｂのようになつている。もちろ
ん、構造主材３は座屈していない。

このようなエンド部材４は、構造主材３の両端
に存在するので、構造部材１一本当り40mm程度の
変形能力があるということになり、大規模地震時
に要求されるすじ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。

円錐角θおよびその殻厚みを変えて、より大き
な変形能力を得ることはもちろん可能である。上
述の例にあつては、第５図に示すようにすじかい
構造の場合、建物の層間変形角（δ／ｈ：第５図
参照）が約1/50という非常に大きな変形まで、圧
縮すじかい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。

第６図のトラス構造の例では、Ａ〜Ｆの全６箇
所で各々20mm変形すると、相対的回転角αは20×
６／２８００＝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。

以上、第１図に示した形状のエンド部材４につ
いて説明したが、本発明は第７図に示したような
筒部を有しないエンド部材４４についても適用す
ることができる。もつとも、構造部材１に適用さ
れる接合装置は第１図やスプリングを有しない第
８図に示したものには限らないし、その構造主材
３に一体化されるエンド部材の殻厚みも、第８図
に示したように一定幅でないものでもよい。要す
るに、円錐殻形状部が構造主材の座屈耐力より小
さい外力で降伏するようになつていればよい。

【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縦断面図、第２
図は円錐殻形状部における主応力と周方向応力の
作用説明図、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図は構造部材に作用する圧縮力と円錐殻
形状部の変形量の相関図、第５図は圧縮すじかい
構造における建物の層間変形角δ／ｈの説明図、
第６図はトラス構造における相対的回転角の説明
図、第７図は異なる形状のエンド部材を有する構
造部材の断面図、第８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断面図である。 １……構造部材、２……節点部材、３……構造
主材、４，４４……エンド部材、４Ａ……円錐殻
形状部、６……接合ボルト、ｔ……殻厚み。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 構造主材を節点部材に接続するための接合ボ
   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、 そのエンド部材には円錐殻形状部があり、その
   殻厚みは、構造主材の座屈耐力より小さい外力で
   エンド部材が塑性変形するように、選定されてい
   ることを特徴とする構造部材。