JPH0833026B2 - 鋼構造物のすじかい材 - Google Patents

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すじかい材に係り、詳しくは、す
じかい構造を形成する長尺な鋼管などであるすじかい材
に関するものである。

〔従来の技術〕

長尺なＨ形鋼など形鋼の鋼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鋼構造物が構築され
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42−22
992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、すじかい
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、
一組のすじかい材のうち、左上の隅部C₁と右下の隅部C₄
とを結ぶ一方側のすじかい材には圧縮力が作用し、右上
の隅部C₂と左下の隅部C₃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R_tを保持しながら塑
性変形していく。

一組のすじかい材の有する総合耐力は、一点鎖線のよ
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R_t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、一組のすじ
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、このような圧縮すじかい
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、大きな応力が大
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
じない場合と生じ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
生じる問題がある。

従来のすじかい構造では、座屈が不可避であるため第
14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安
定した塑性変形を実現して、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１は、パイ
プ材で形成されると共に球形の節点部材２を介して交差
状に配置され、そのすじかい材１には、球形の節点部材
２を境にして一方側と他方側のそれぞれに薄肉部3,3が
少なくとも一箇所形成される。いずれの薄肉部3,3も、
すじかい材の座屈耐力より小さい外力で塑性変形するよ
うに、内径はパイプ状すじかい材１と同一であるが外径
が小さい肉厚t₁となっていることである。

〔作用〕

一組のすじかい材１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1A
に圧縮力が、引張すじかい材1Bに引張力が掛かる。その
すじかい材１を接合している球形の節点部材２を境にし
た一方側と他方側のそれぞれには、内径がパイプ状すじ
かい材１と同一であるが外径が小さい肉厚t₁の薄肉部３
がすじかい材１の座屈耐力より小さい外力で塑性変形す
るように設けられている。したがって、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１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１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、端部に形成されたパイプ状のすじかい材の
肉厚より薄いパイプ状の薄肉部が降伏し、耐力を維持し
ながら加力方向へ大きな比率で軸対称的に塑性変形しや
すくなる。その結果、第14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P₂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。
また、節点部材は球形であってパイプ状のすじかい材を
接合しやすいだけでなく、その節点部材を境にした一方
側と他方側のそれぞれにおける薄肉部が確実かつ同等に
変形しやすくなる。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、すじかい構造
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。いずれの薄肉部も、その内径はパイプ状す
じかい材と同一であるが外径が小さい肉厚となってお
り、薄肉部の成形加工も施しやすくなる。

〔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図はすじ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すじかい材
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、球形の節点部材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
C₁から延びる圧縮すじかい材1A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4Aや
梁4Bにおける圧縮すじかい材1A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ィフナー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、スティフナー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1Aや引張すじかい
材1Bの端部の溶接個所における構造部材４側にも、ステ
ィフナー5a〜5cが固着されている。

一方、鋼管の圧縮すじかい材1A〔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1A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1B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パイプ体は、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1A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1A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、パイプ材を接合しやすい中空球体と
され、パイプ貫通形ジョイントである孔明き中空ボール
ジョ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〜C₄に端部が一体化されているすじかい材１
のうち、引張すじかい材1Bは一本の鋼管とされ、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1A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1A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、非貫通型ジョイン
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１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t₁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１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ョイントやオクタプラッテジョ
イントである節点部材２が用いられているすじかい構造
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
の膨らみが生じる。この局部座屈部６の発生によって、
圧縮すじかい材1Aは耐力を減ず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。

圧縮すじかい材1Aの塑性変形時には、引張すじかい材
1B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1A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１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のみが生じ、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〜C₄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2/3 lの長さならば他方が1/3
lとするなど適宜選択される。このように、一本のすじ
かい材１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1Aに二個の小さい膨らみ〔局部座屈部〕が生じ
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
た圧縮すじかい材1Aの隅部C₁,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の肉厚t₁は鋼管であるすじかい材1Aの肉厚ｔ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l/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
C₁や隅部C₄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を生じる〔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1Bにも隅部C₂,C₃側の短部に薄肉部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1B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〜C₄〔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１が、鋼構
造物を構成する構造部材４に適用されると、圧縮すじか
い材1A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〕のみを生じて塑性変形するので、前者
では第10図（ａ）、後者では第10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10図（ａ）、後者では第
10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_１を階高ｈの1/50となるδ_１＝h/50の
ような大きい塑性変形を実現させるためには、ｈ＝3,50
0mmとすれば、そのときの塑性変形量δ_１はδ_１＝3,500
/50＝70mmである。第１図の梁4Bの長さＬは、Ｌ＝7,000
mm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L₁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δ_１＝70mmが実現されるとき、引張すじかい材の長さ
L₂は7,889mmとなりδ＝L₂−L₁≒63mm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1Aや引張すじか
い材1B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、2l×0.1
＝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ｌ＝315mmの薄肉
部３を形成させると、δ_１＝h/50のような大きい塑性変
形が実現される。さらに、長さｌ＝157.5mmの八個の薄
肉部８〔第８図参照〕を形成させた一組のすじかい材１
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。

以上述べたように、すじかい材をパイプ材で形成する
と共に節点部材を介して交差状に配置される。そのすじ
かい材には節点部材を境にして一方側と他方側のそれぞ
れに薄肉部が少なくとも一箇所形成され、いずれの薄肉
部も、すじかい材の座屈耐力より小さい外力で塑性変形
するように、内径はパイプ状すじかい材と同一であるが
外径が小さい肉厚となっている。このように、薄肉部を
薄いパイプ形状にしておくと、その薄肉部において軸対
称ないわゆる提灯座屈を呈して外力への膨らみが生じ、
圧縮すじかい材の耐力を減ずることなく加圧方向に縮み
ながら塑性変形させ、鋼構造物に大きな耐震性が付与さ
れる。その薄肉部はパイプ状のすじかい材を接合しやす
い球形の節点部材を挟んだ両側に少なくとも各一の薄肉
部が設けられるので、上記の挙動が確実に得られ、ひい
ては、すじ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。また、薄肉部の内径は
パイプ状すじかい材と同一であるが、外径が小さい肉厚
となっているので、薄肉部を成形するための加工や製作
も容易となる。

【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材の
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図は薄肉部における局部座屈
部の状態図、第４図は節点部材と一組のすじかい材との
取付説明図、第５図は挿通用の孔をすじかい材が貫通し
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11図は従来の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12図は柱，梁やすじかい
材で形成される鋼構造物の説明図、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。 １……すじかい材、２……節点部材、1A……圧縮すじか
い材、1B……引張すじかい材、3,7,8……薄肉部、t₁…
…肉厚。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 すじかい材は、パイプ材で形成されると共に球形の節点
   部材を介して交差状に配置され、 該すじかい材には、前記球形の節点部材を境にして一方
   側と他方側のそれぞれに薄肉部が少なくとも一箇所形成
   され、 いずれの薄肉部も、すじかい材の座屈耐力より小さい外
   力で塑性変形するように、内径はパイプ状すじかい材と
   同一であるが外径が小さい肉厚となっていることを特徴
   とする鋼構造部物のすじかい材。