JPS6360338A - 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問題点〕

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ずること
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）の方が弾性耐力は大きいため、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
るいはト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、
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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の構造部材の特徴とするところは、節点部材２に
結合するための接合ボルト６が取付けられるエンド部材
４を、構造主材３の端部に備えた構造部材１であって、
そのエンド部材４には円錐膜形状部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の円錐膜形状
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いるので、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の円錐膜形状部４Ａに外力が作用すると、主として円
錐膜形状部４Ａの外力方向断面内応力（主応力）と、円
錐膜形状部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、円錐膜形状部４Ａを外方に向けて開かせるよ
うに作用する。その結果、円錐膜形状部４Ａの円錐角が
広がるのに伴って円錐膜形状部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、建物の倒壊といっ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膜形状部
が陣伏し、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膜
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膜形状部を
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少ない鋼材
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
になっている。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、その工ンド部材４は構造主材３に連なる円錐膜形
状部４Ａと後述するスリーブ体１４に当接される筒部４
Ｂ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の形成された節点部材２に接合する接合ボル
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５ａ、５ｂ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３側に形成されるねじ部６
ｂは例えば右ねじてあり、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の回転に伴って基部側に取
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が左ねじとなっている。

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フト８の径より大きい
径の畦ねじ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の形成された支持部材１１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、アンカーナフト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っている
が、その支持部材１１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１
３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にあって、そのエ
ンド部材４の円錐膜形状部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、円錐膜形状部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っている。殻厚みｔ
の決定は、円錐膜形状部４Δの耐力を有限要素法等を用
いて簡単に行なうことができる。実験および解析によれ
ば、このような円錐膜形状部４Ａに外力が作用すると、
第２図に示す円錐膜形状部４Δの外力方向断面内応力（
主応力）Ｓと、円錐膜形状部４Ａの周方向応力Ｔが発生
する。本発明者の研究によれば、周方向応力Ｔは主応力
Ｓの３〜５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、円錐膜形状部
４Ａが外へ開いていくのをいわば桶の滴のように拘束す
る作用があると考えられる。その周方向応力は、円錐膜
形状部４Ａの全周にわたって均等に生じるため、逆に円
錐膜形状部４Δを降伏させるような大きな応力が作用さ
せると、円錐膜形状部４Ａを外方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。

円錐膜形状部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、円錐膜形状部４Ａ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ＰＬ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膜
形状部４Ａ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膜形状部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
することばないので、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、すしかいなしのラーメン構造があるが、横方向
の変形ゐ（すしかいあるいはトラス構造にくらべ非常に
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
円錐層形状部４Ａの変形の関係が示されている。これは
−例に過ぎないが、供試体の寸法などを紹介すると、使
用材料は全て５Ｓ４１級であり、構造主材３は径が約１
６５ｍｍ、厚みが４．５ｍｍ　、円錐層形状部４Ａの厚
みは１６ｍｍ、円錐角θは４５°である。図に示された
変形は、円錐層形状部４Ａの部分のみ取り出したもので
、これによると円錐層形状部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）のようになっ
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
措造部材ｌ−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
。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。上述の例にあって
は、第５図に示すようなすしかい構造の場合、建物の層
間変形角（δ／ｈ：第５図参照）が約１１５０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個所で各々２０ｍｍ変形する
と、相対的回転角αは２０ｘ　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。もっ
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、円錐層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っていればよい。

【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図は円錐層形状
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
圧縮力と円錐層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眉間変形角δ／ｈの説明図
、第６圓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、４．４
４−ｍ−エンド部材、４Ａ−円錐層形状部、６−接合ボ
ルト、ｔ・一般厚み。

Claims (1)

【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。