JP2711994B2 - 立体トラス用二重管型構造部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は立体トラス用二重管型構
造部材に係り、詳しくは、立体トラス構造物を構築する
際の柱や梁やすじかい材に利用される長尺な構造部材を
座屈しにくい二重管型とし、また、補剛材による軸力材
の補剛効果を著しく向上させることができるようにした
構造部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】長尺な鋼管からなる構造部材を多数使用
して大きい構造物を構築する場合に、トラス構造やすじ
かい構造等を採用することが多い。例えば、地震などの
動的な外力に基づく軸圧縮力に耐えることができる骨組
構造を設計する場合に、構造部材の性能としては、座屈
する前に耐力を保持して十分変形できることが理想的で
ある。すなわち、鋼管が座屈すれば、その耐力が一般的
には急激に低下するからである。それゆえに、座屈耐力
以下の力に基づいて構造部材が設計されたり、鋼管内に
スティフナを取り付けて補強したりするが、その場合、
動的な外力に対して構造部材は弾性応答となる。その結
果、構造部材の塑性変形を利用する場合に比べると、大
きい設計応力を想定しておかなければならない。ところ
で、軸圧縮力を受ける軸力材としての外管とその外管に
補剛材として挿入された内管とからなる二重管型の構造
部材とすると、建築物の骨組に適した剛性と強度とを分
離して設計することができる。すなわち、骨組に与える
有効な剛性は外管によって実現される一方、座屈耐力の
向上は内管によって与えることができるからである。そ
れのみならず、内管を外管より適当に短くしておけば軸
力材の軸方向圧縮塑性変形が可能となり、地震時の大き
なエネルギを吸収させることもできるようになる利点が
ある。ちなみに、二重管型の構造部材が特開平４−１４
９３４５号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図７は梁等（図示せ
ず）に二重管型の構造部材４の一方端を取り付けるため
の構成例であり、ピン接合される継手部材１に一体の外
管２０と曲げ抵抗管としての内管３０とからなってい
る。構造部材４の当初の取付状態は二点鎖線のように直
線状であり、内管３０の全長Ｌ₃₀は継手部材１によって
端部が閉鎖された外管２０の有効軸長Ｌ₂₀より、片側で
δ／２だけ短くなっている。上記したごとくの軸方向圧
縮塑性変形は、軸圧縮力Ｐが作用したとき、本来的には
継手部材１の背部と内管３０の先端との間に確保された
長さδ／２の空間１５をなくすように軸方向に縮ませる
ことを意図している。すなわち、破線で示したように、
内管３０によって補剛されていない部分の外管２０に軸
対称形の膨らみ２０Ａを発生させたり、図示しないが、
外管の全体に小さい幾つもの波状変形を内管の外面に沿
って発生させ、外管２０の短縮化を誘導しようとするも
のである。そのために、通常は、内管３０の外径は外管
２０の内径に可及的に近い寸法が選定される。

【０００４】しかし、実際には軸方向の圧縮塑性変形が
始まる前に、外管２０は弾性座屈を起こしている。その
時点で内管３０は外管２０を補剛するが、単純支持構造
の外管２０では内管３０の先端部分においても撓みの生
じることが避けられない。継手部材１の背部に当接して
いないことから軸圧縮力が作用しない内管３０は真直を
維持しようとするので、その端部は実線で示したように
外管２０の内面に片当たりする。外管２０が降伏して曲
げ剛性が極端に低下すると、内管３０によって補剛され
ずまた内管３０の片当たりを受けて非軸対称な局部座屈
２０Ｂが実線のように現れ、以後外管２０は十分な軸方
向の塑性変形をしなくなる。これによって、外管２０の
収縮による外力のエネルギ吸収効果が著しく損なわれる
ことになる。

【０００５】すなわち、図６の（ａ）に示すように両端
の継手部材１，１がピン接合であることから、軸圧縮力
Ｐを受けた外管２０の弾性線２０ａは撓みが零のピン１
Ｄ，１Ｄの点を通る弓なりとなる。そして、内管３０の
中央３０ｎの部分が外管２０の撓んだ内面に当たって発
揮する補剛力Ｆ_n の反力は、内管３０の先端３０ａでは
集中荷重Ｆ_a として作用する。したがって、外管２０に
作用する曲げモーメントＭの分布は、図６の（ｂ）に示
すように両端において零で、実質的な外管２０の端部か
らδ／２の位置にある内管３０の先端３０ａの位置、す
なわち、ピン１ＤからＬ_a の位置でＭ_a なる最大の曲げ
モーメントが発生する。この曲げモーメントＭ_a は、内
管３０の存在しない箇所の外管２０の局部座屈（図７中
の符号２０Ｂを参照）を助長する。なお、図６の（ａ）
は外管２０の弾性座屈状態を誇張して表わし、かつ、内
管３０が真直である場合を示すために、内管３０の外径
を細く表示している。

【０００６】ところで、特開平６−９３６５４号公報に
は、上記した内管の存在しない部分での局部変形を防止
できるようにした構造が開示されている。これは、トラ
スを形成する各グリッドの頂点に位置したノードに長尺
な部材を接合ボルトを用いて接続する接合装置を備えた
二重管型構造部材に適用されたものである。その例にお
いては、外管の端部を閉鎖するように固定したカバー部
材の背後の胴部を長くし、それをガイド部として内管の
端部に挿入している。これによれば、内管の存在しない
部分の外管はガイド部によって補強され、また、内管の
曲げ抵抗効果がカバー部材にまで及ぶ。したがって、外
管が降伏してその端部における非軸対称的な変形が発生
しようとしても、継手部材として機能するカバー部材が
外管から直ちに首折れしたり曲がるようなことは抑止さ
れる。

【０００７】ちなみに、上記した接合装置には接合ボル
トが使用されるが、構造部材を構成する上記の外管の径
に比べると接合ボルトのねじ部の径は小さく、接合ボル
トによる接続は実質的にピン支持構造に近いものであ
る。それゆえ、図６の（ｂ）のような曲げモーメント分
布となり、上記したように、カバー部材を延長したガイ
ド部の形成が余儀なくされる。このような延長胴部の構
造を図７の継手部材１に適用すると、図中の一点鎖線で
示したような胴部１ｐを与えることになり、ジョイント
の重量増加をきたす。ひいては、多量に使用される構造
部材により骨組構造の軽量化が果たせなくなるという難
点がある。

【０００８】本発明は上記の問題に鑑みなされたもの
で、その目的は、外管と内管とからなる二重管型すじか
い材にあって、補剛材によって軸力材の補剛がなされる
と共に補剛に伴う反力に起因した軸力材における局部座
屈の発生を回避できること、それによって内管の座屈を
拘束した軸対称塑性変形を助長して、座屈耐力の向上と
地震エネルギの吸収効果を十分に発揮させることを実現
する立体トラス用二重管型構造部材を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、両端に継手部
材を備えて軸圧縮力が導入される軸力材と、軸圧縮力を
受けて弾性座屈しようとする該軸力材を補剛する補剛材
とからなり、該補剛材はその軸方向中央部位で前記軸力
材に固定されている二重管型の構造部材に適用される。
その特徴とするところは、図１を参照して、補剛材は外
管３であり、軸力材は外管３内に挿入して配置される内
管２である。その外管３は内管２の両端部に取り付けた
継手部材１の円形胴部１Ｂの外周面まで延びて内管２を
完全に覆っている。そして、軸圧縮力Ｐを受けて内管２
が弾性座屈する以前では、円形胴部１Ｂの最大径部の外
周面１ｍと外管３の内面との隙間αが可及的に小さく選
定されていることである。

【００１０】円形胴部１Ｂの最大径部の外周面１ｍは、
この円形胴部１Ｂを内管２の端部に固定するための溶接
ビード７の外周を切削加工することによって所望外径と
した真円周面としておくことができる。

【００１１】円形胴部１Ｂの最大径部の外周面１ｍは、
円形胴部１Ｂを内管２の端部に固定するための溶接ビー
ド７およびその溶接ビード７よりも端部側の円形胴部１
Ｂの外面に施した他の溶接ビード７Ａ，７Ｂ（図２の
（ａ）参照）の外周を切削加工することによって所望外
径とした真円周面としておいてもよい。また、円形胴部
１Ｂを拡径して所望外径とした真円周面としてもよい
（図２の（ｂ）参照）。

【００１２】図４に示すように、円形胴部１Ｂの端部
に、軸圧縮力を受けて内管２が軸方向に塑性変形したと
き外管３の端面３ｂが当接する段差部１０を形成してお
き、外管３を、内管２の軸方向許容塑性変形量δの１／
２を段差部１０との間に残す長さに選定しておくとよ
い。

【００１３】

【作用】継手部材１を介して内管２に軸圧縮力Ｐが作用
すると、内管２は弾性座屈しようとするが、外管２の内
面が可及的に小さく選定された隙間αを隔てる円形胴部
１Ｂの最大径部の外周面１ｍに当接し、外管３の補剛作
用によって内管２の弾性座屈が抑制される。内管２が少
し弾性座屈してその中央部位で外管３の内面に当接する
ことにより補剛力を発生させている状態において、その
補剛力による反力は継手部材１の円形胴部１Ｂの外周面
１ｍまで延びている外管３の先端部分を介して剛性の高
い円形胴部１Ｂに作用する。したがって、補剛反力は軸
力材である内管２に及ぶことがなく、内管２の軸対称局
部座屈の発生は回避される。そして、外管３によって補
剛された内管２は外管３の内部で軸方向に縮む軸対称塑
性変形が促され、二重管型構造部材としたことによる座
屈しない圧縮材を実現する。

【００１４】内管２の端部に円形胴部１Ｂを固定するた
めの溶接ビード７の外周を所望外径とした真円周面とす
る際に、切削加工によって隙間αが可及的に小さくなる
ように形成される。これにより、内管２の弾性座屈時の
外管３との当接が早まって補剛効果を促進すると共に、
内管２の座屈耐力が向上する。

【００１５】溶接ビード７の幅が小さくて円形胴部１Ｂ
の最大径部の外周面１ｍが広く確保されなければ、円形
胴部１Ｂの端部側に複数の溶接ビード７Ａ，７Ｂを追加
する。その外周を切削加工することによって所望外径の
広い真円周面が形成される。同様の効果は、円形胴部１
Ｂを拡径することによっても得られる。

【００１６】円形胴部１Ｂの端部に、外管３の端面との
間に内管２の軸方向許容塑性変形量δの１／２を残す段
差部１０を設けておくと、軸圧縮力を受けて内管２が軸
方向に塑性変形したとき外管３の端面３ｂが段差部１０
に当接する。この外管３と段差部１０との当接までは、
地震のエネルギ吸収効果が発揮され、建築物の急激な倒
壊を回避させる。その後の軸圧縮力に対しては、内管２
の残余耐力と外管３の耐力とで対抗させることができ
る。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、補剛材である外管の補
剛反力をその端部から軸力材である内管に作用させなく
し、内管の非軸対称局部座屈の発生を防止して、以後の
軸圧縮力に対して軸対称塑性変形を助長させることがで
きる。また、外管との隙間は内管との間で確保するので
はなく、継手部材の円形胴部の最大径部の外周面との間
で確保するようにしているので、その隙間を所望寸法と
する加工作業が容易となり、かつ、その隙間を可及的に
小さく抑えることができる。それによって、内管の弾性
座屈はより一層防止され、内管の座屈耐力の向上が図ら
れる。補剛材は外管であって軸力材としての内管の軸対
称局部座屈を外管で拘束することができ、内管の座屈耐
力の低下を特別な補強材を使用することなく防止でき
る。

【００１８】外管の内面との間に隙間を形成する円形胴
部の最大径部の外周面を、溶接ビードの周部に切削加工
を施して形成するようにしておけば、外管と内管との間
に確保することができる隙間以上に狭い隙間を与えるこ
とが容易となる。溶接ビードが継手部材の円形胴部を内
管に固定するための溶接時に生じるものだけでなく、円
形胴部の周囲に他の溶接ビードを施して、その肉盛りを
外周加工したり、円形胴部を拡径しておけば、外管との
接触範囲を広く確保して補剛効果を増大させることがで
きる。

【００１９】外管の端面と円形胴部に形成した段差部と
の間に内管の軸方向許容塑性変形量の１／２を残してお
けば、内管を軸対称塑性変形して収縮した時点で内管と
外管とが軸方向に一体化され、軸圧縮力に対して外管の
耐力と内管の残余耐力とで対抗させることができ、それ
までの変位量で建造物に負荷された地震エネルギを吸収
させることができる。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明に係る立体トラス用二重管型
構造部材を実施例に基づいて詳細に説明する。図１は、
両端に継手部材１を備えた内管２と、その内管２を外囲
する外管３とからなる二重管型構造部材４の片側部分に
おける縦断面図である。この構造部材４において、内管
２は軸圧縮力Ｐが導入される軸力材であり、外管３は軸
圧縮力Ｐを受けて弾性座屈しようとする軸力材２を補剛
する補剛材である。そして、補剛材３はその軸方向中央
部位３ｎで軸力材２に固定され、脱落しないように点溶
接５もしくはビス６等で周囲が止められている。上記し
た継手部材１は例えば図３に示すような挿入板材１Ａを
備えたクレビス継手であり、外管３の端部に円柱状もし
くは円筒状の円形胴部１Ｂを介して溶接されている。一
方、挿入板材１Ａを取り付けるＵ字形材１Ｃは図示しな
いガセットプレートなどに固定される。そして、ピンや
ボルト１Ｄがそれぞれのクレビスアイ１ａ，１ｂに挿入
され、ナット１Ｅ等で固定される。

【００２１】図１に戻って、補剛材としての外管３は、
補剛材を内管とした例えば図７の例の場合に比べれば、
その補剛材よりも薄いものであり、内管２の両端部に取
り付けたクレビス継手１の円形胴部１Ｂの外周面まで延
びて内管２を完全に覆っている。そして、軸圧縮力Ｐを
受けて内管２が弾性座屈する以前の状態では、円形胴部
１Ｂの最大径部の外周面１ｍと外管３の内面との隙間α
が可及的に小さく選定される。なお、隙間αは管径によ
って異なるが、最大でも０．５ｍｍ程度であって、通常
は内管２に外管３を嵌めるに十分な程度の小さい隙間と
される。具体的には、円形胴部１Ｂの最大径部の外周面
１ｍは、内管２の端部をクレビス継手１の円形胴部１Ｂ
に固定する溶接ビード７によって形成されるリング状肉
盛りの外周面である。なお、この溶接ビード７は円形胴
部１Ｂを内管２に接合するため以上に意図的に大きく肉
盛られ、その表面に生じる凹凸をならすと共に所望外径
とした真円周面とするため切削加工される。このような
作業によって、外管３と内管２との間に生じる後述の隙
間β以上に狭い隙間を実現することが容易となる。この
切削加工された外周面１ｍは、内管２が軸圧縮力Ｐを受
けて弾性座屈することによって撓もうとするとき外管３
の内面と当接して、外管３による内管２の補剛効果を発
揮させるためのものである。それゆえ、上述したように
隙間αは可及的に小さくされ、弾性座屈を直ちに阻止す
るように機能する。上記した内管２の外面２ａと外管３
の内面３ａとの隙間βは隙間αより大きくなることはや
むを得ないが、この隙間βは後述するごとく内管２が軸
方向に塑性変形することができる余地を確保している。

【００２２】ちなみに、溶接ビード７が図示のような一
つのリングのみによっては内管２の弾性座屈の発生を抑
制できない場合は、図２の（ａ）に示すように、溶接ビ
ード７よりも端部側の円形胴部１Ｂの外面に複数の他の
溶接ビード７Ａ，７Ｂを同様なリング状肉盛りとして施
し、いずれの溶接ビード７，７Ａ，７Ｂの外周をも所望
外径の真円周面１ｍとなるように切削加工しておけば、
外管３との接触範囲を広げて内管２の弾性座屈の抑制効
果を発揮させやすくすることができる。上記の溶接肉盛
りに代えて、図２の（ｂ）に示すように、円形胴部１Ｂ
を拡径して所望外径とした真円周面１ｍを形成させるよ
うにしてもよい。また、拡径させるために円形胴部１Ｂ
に二点鎖線で示すような円筒状のカラー８を嵌めること
もできる。

【００２３】このように、補剛材としての外管３を内管
２の全部と継手部材１の円形胴部１Ｂに及ぶまで被せ、
外管３と継手部材１の実質的に最外周をなす面１ｍとの
隙間αを小さくしておくと、内管２が継手部材１，１を
介して軸圧縮力Ｐを受け弾性座屈を起こそうとしても、
外管３が溶接ビード７等の外周面１ｍに当接して、その
変形を阻止する。その際に、内管２を補剛する外管３の
反力が剛性の極めて大きい円形胴部１Ｂに直接作用する
ことになり、軸力材である内管２に図６の（ａ）に示し
たような補剛反力Ｆ_a が及ぶことはなくなり、内管２の
局部座屈（図７中の符号２０Ｂを参照）の発生は回避さ
れる。その結果、内管２は図４に示すような波状変形を
呈した軸対称塑性変形９となる。これは、外管３の内面
３ａが規制するおおよそ上記した隙間βの範囲内で生じ
るが、全長にわたって比較的均一に現れ、内管２の急激
な耐力低下は抑えられる。

【００２４】ところで、軸圧縮力Ｐを受けて内管２が軸
方向に塑性変形したとき外管３の端面３ｂが当接する図
４に示すような段差部１０を、継手部材１の円形胴部１
Ｂの端部に形成しておく。そして、二点鎖線で表した変
位前の継手部材１に対して外管３の端面３ｂと段差部１
０との間に内管２の軸方向許容塑性変形量δの１／２を
残しておけば、外管３が実線で示したように段差部１０
に当接した時点で、構造部材４は内管２の残余耐力と外
管３の耐力とでもって軸圧縮力Ｐに対抗することができ
る。そのようなδの変形によって地震等のエネルギを吸
収させれば、構造物の急激な倒壊は防止される。なお、
クレビス継手１において、挿入板材をガセットプレート
に固定し、Ｕ字形材を内管に溶接するといったごとく、
上記とは反対の取付形態としても同じ効果が得られるこ
とは言うまでもない。その場合には、Ｕ字形材の基部に
円形胴部に相当する円筒状もしくは円柱状の部分が付加
されることになる。また、継手部材はクレビス継手に限
らず、特開昭６２−５５３４７号公報，特開昭６３−５
１５３９号公報や実開平２−１８００３号公報に記載さ
れたような公知の接合装置を使用した場合にも、構造部
材を外管と内管とからなる構成とすることによって、本
発明を適用することができる。ちなみに、その接合装置
の一例は図５に示すようなものであり、接合ボルト１１
にスリーブ１２を被せ、スリーブ１２の回転を六角ボス
部１１ａを介して接合ボルト１１に伝達し、二重管型構
造部材４をノード１３のねじ孔１３ａに固定するように
したものである。この場合、上記した円形胴部は内管２
の端部に溶接などで取り付けられたカバー部材１４に相
当し、それに溶接ビード７などが施される。

【００２５】以上の説明から分かるように、軸力材を内
管とする一方、補剛材を外管としているので、軸力材の
変形を外管によって拘束することができると共に、外管
による補剛反力を内管の端部の剛性の高い継手部材に及
ぼして内管の非軸対称な局部座屈の発生を防止すること
ができる。継手部材には図７に追加した胴部（一点鎖線
参照）が不要であり、構造部材の軽量化が図られる。ま
た、継手部材の円形胴部に形成した最大径部の外周面と
外管との隙間を可及的に小さくできるようにしたので、
内管の座屈耐力の向上を図ることができるようにもな
る。補剛材は外管であるので必然的に内管を補剛材とす
るときよりも断面二次モーメントが大きく、それゆえ、
外管は内管よりも薄いもので十分であり、特別な補強を
必要とすることなく補剛材として機能させ、内管の均一
な全長にわたる塑性変形を可能にする。そして、内管の
収縮挙動によって地震エネルギの吸収効果も発揮させる
ことができ、建築物の急激な倒壊を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る立体トラス用二重管型構造部材
の片側部分における縦断面図。

【図２】 外管の内面に接触する継手部材の外周面の当
接面積を拡大した例で、（ａ）は溶接ビードを複数設け
た断面図、（ｂ）は継手部材の円筒部分を拡径させた断
面図。

【図３】 継手部材としてクレビス継手を採用した場合
の斜視図。

【図４】 内管の軸対称塑性変形の様子の説明ならびに
継手部材の円形胴部に段差部を設けた構造を示した断面
図。

【図５】 接合ボルトを用いた接合装置によってノード
に接合される二重管型構造部材に本発明を適用した例の
断面図。

【図６】 構造部材の変形を説明するもので、（ａ）は
外管が軸力材であって、その弾性座屈を内管が補剛して
いる状態の断面図、（ｂ）は外管に作用している曲げモ
ーメントの分布図。

【図７】 ピン支持構造の継手部材を有する構造部材の
初期状態ならびに内管によって補剛されない部分の外管
が非軸対称局部座屈を呈する様子を示した断面図。

【符号の説明】

１…継手部材（クレビス継手）、１Ｂ…円形胴部、１ｍ
…外周面、２…内管（軸力材）、３…外管（補剛材）、
３ｎ…軸方向中央部位、７，７Ａ，７Ａ…溶接ビード、
１０…段差部、Ｐ…軸圧縮力、α…隙間、δ…軸方向許
容塑性変形量。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安井 信行 兵庫県神戸市東灘区魚崎南町３丁目６番 24号 川鉄建材工業株式会社技術研究所 内

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端に継手部材を備えて軸圧縮力が導入
   される軸力材と、軸圧縮力を受けて弾性座屈しようとす
   る該軸力材を補剛する補剛材とからなり、該補剛材はそ
   の軸方向中央部位で前記軸力材に固定されている二重管
   型の構造部材において、 前記補剛材は外管であり、前記軸力材は前記外管内に挿
   入して配置される内管であって、前記外管は内管の両端
   部に取り付けた継手部材の円形胴部の外周面まで延びて
   前記内管を完全に覆っており、軸圧縮力を受けて前記内
   管が弾性座屈する以前では、前記円形胴部の最大径部の
   外周面と前記外管の内面との隙間が可及的に小さく選定
   されていることを特徴とする立体トラス用二重管型構造
   部材。
2. 【請求項２】 前記円形胴部の最大径部の外周面は、該
   円形胴部を前記内管の端部に固定するための溶接ビード
   の外周を切削加工することによって所望外径とした真円
   周面であることを特徴とする請求項１に記載された立体
   トラス用二重管型構造部材。
3. 【請求項３】 前記円形胴部の最大径部の外周面は、該
   円形胴部を前記内管の端部に固定するための溶接ビード
   および該溶接ビードよりも端部側の円形胴部の外面に施
   した他の溶接ビードの外周を切削加工することによって
   所望外径とした真円周面であることを特徴とする請求項
   １に記載された立体トラス用二重管型構造部材。
4. 【請求項４】 前記円形胴部の最大径部の外周面は、該
   円形胴部を拡径して所望外径とした真円周面であること
   を特徴とする請求項１に記載された立体トラス用二重管
   型構造部材。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載された立体トラス用二重管型構造部材において、 前記円形胴部の端部には、軸圧縮力を受けて前記内管が
   軸方向に塑性変形したとき前記外管の端面が当接する段
   差部が形成され、 前記外管は、前記内管の軸方向許容塑性変形量の１／２
   を前記段差部との間に残す長さに選定されていることを
   特徴とする立体トラス用二重管型構造部材。