JP5071916B2 - 鋳造構造接続具 - Google Patents

Description

本出願は、２００６年４月２７日出願の米国特許仮出願番号６０／７９５，１７０明細書の利益を請求する。

本発明は、建設業で使用される構造接続具および構造部材に関する。本発明は特に、静的荷重用途、準静的荷重用途、および動的荷重用途の鋳造構造接続具および部材に関する。

同心状筋かい付きの骨組みは、設計が単純であることと、コストが低いことと、それらが容易に構築されることと、他の耐横方向負荷システムよりも大きな剛性をもたらすこととによって、鉄骨構造物の耐横方向力システムのために非常に一般的に選択される。筋かい付き骨組みの対角線方向の筋かい部材は、主に軸方向の力を受け、大きな地震が発生すると、筋かい部材の引張り状態における周期的な降伏とその圧縮状態における周期的な非弾性座屈とによって、地震エネルギーが消散する。典型的な筋かい部材は、アングルと、チャネルと、幅広フランジ（Ｗ）セクションと、長方形および円形の中空セクションとを含んでいる。

特に中空構造セクション（ＨＳＳ）は、圧縮荷重を担持する能力と高い美観、さらには広範なセクション寸法のものを用意に入手できることによって、横方向の筋かい部材のために一般的に選択される。さらに、ＨＳＳはエネルギーを消散させるために耐震用途で広範囲に用いられている。特に円形のＨＳＳは、残留応力の集中が小さいことから長方形のＨＳＳよりも高い性能を有する。

中空構造セクションは、軸方向の荷重を担持するのに高い能力のある部材であるが、その接続具は一般的に厄介で、高コストで、耐震用途等の厳しい状況で使用される場合には設計が困難な場合がある。さらに、地震荷重を考慮に入れて建物を設計し、建築することの必要性も益々一般的なものとなっている。すなわち、筋かいがより頻繁に使用されるようになってきており、筋かいは、筋かいに対する、張力状態および圧縮状態における周期的な非弾性荷重に耐えられなければならない。

これまでに考案された接続具は、住宅建築産業または軽量建築産業に焦点が合わせられており、「迅速かつ簡単な」タイプの接続具を提供してきたが、これを地震条件下の筋かい部材にそのまま適用することはできない。

例えばＴｕｅｌｌの米国特許出願公開番号２００５／０１６３５６４明細書は、プレート材料で形成されたインターロック式接続具を備えた建築システムについて記述している。これらの接続具は構造物の組立に柔軟性をもたらすが、地震荷重が付加されると、望ましくないことに接続に不具合が生じる場合がある。

鋳造は、寸法が制御でき、かつ所定の性能特徴を有する耐荷重金属要素を設計する際に融通性および幾何学的自由度を与えられる製造方法である。このため、構造要素として鋳造材料を使用することが知られている。
例えばＢｅａｕｖｏｉｒの米国特許第６，０５９，４８２号明細書および第６，４７４，９０２号明細書には、隔壁のある、柱と梁の間の接続用のボルト締め接続具が記述されている。しかし、これらの従来技術の接続具は梁と柱の間のモーメント接続をもたらすように設計されているに過ぎず、特別に耐震用途に設計されているわけではない。特に、これらの接続具の設計では、筋かい部材の降伏を制御したり、筋かい部材の全強度を引き出したりすることはできない。
米国特許出願公開番号２００５／０１６３５６４ 米国特許第６，０５９，４８２号 米国特許第６，４７４，９０２号

したがって、マス・カスタマイズ（ｍａｓｓ−ｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄ）が可能な、筋かい部材用の接続具を実現することが有利となる。さらに、様々な寸法および構成の筋かい部材と適合できる接続具を実現することが有利となる。なおさらに、地震条件下で筋かい部材の全強度を引き出すように動作可能な接続具を実現することが有利となる。

本発明は、構造骨組み内で使用される鋳造接続具を提供する。

一態様において、本発明は、中空構造セクション（ＨＳＳ）または幅広フランジ（Ｗ）セクションなどの筋かい部材を含む構造骨組み用の筋かいアセンブリで使用される鋳造構造接続具において、筋かい部材を受け、筋かい部材に溶接されるように構成された第１端部と、構造骨組みに固定されるように適合された第２端部と、第１端部と第２端部の間に設けられた中間部分とを備えた接続具であって、第１端部は、第１端部と筋かい部材との間の完全溶け込み溶接を可能にする斜面を含んでいる、接続具である。

この構造セクションは、例えばＨＳＳ構造部材またはＷセクション構造部材であってもよい。ＨＳＳの場合、第１端部の遠位端部上の斜面は、ＨＳＳの内側寸法以下の寸法である。Ｗセクションの場合には、斜面付き遠位端部は、Ｗセクションのフランジ部分の間の寸法以下の寸法である。したがってこの態様によると、斜面は、接続具が様々な寸法の構造部材を受け、それに溶接されることを可能にする。斜面は、さらに、第１端部と中空構造セクションとの間の完全溶け込み開先溶接を可能にし、これによって厳しい地震条件における中空構造セクションの軸方向の全強度を発現させる。

他の態様では、本発明の接続具は、構造骨組みに直接、即ちボルト締めまたは溶接によって、または例えばガセット・プレートなどの標準的に製作された端接続部を介して接続されることが可能である。

当然ながら静的用途（柱、筋かい、トラスなどへの使用）が可能であるが、本発明の接続具は特に、耐地震荷重筋かい骨組みでの実施によく適している。このような筋かいの用途では、中間部分は、骨組みが変形するにつれて主に軸方向の力の伝達と付随的なモーメントとを実現する。鋳造製造は、ある範囲の部材寸法に接続させることができるこのような接続具を大量生産することを可能にする。この筋かいは、中空構造セクション部材またはＷセクション部材の幾何学的特性に従って様々な耐荷重能力を実現する。

以下の説明の過程で、本発明のさらなる特徴が記述され、または明らかになろう。
好ましい実施形態の詳しい説明を、一例としてのみ、以下の図面を参照して本明細書において以下に述べる。

ここに示した説明および図面は例証するためのもの、また理解を助けるためのものに過ぎず、本発明の範囲を定めることを目的としたものではないことを明確に理解されたい。

本発明の接続具は、ガセット・プレートなどの中間接続具であって、軸方向に荷重が掛かる筋かい部材と、標準的なボルト締め接続部もしくは溶接接続部と、の間の中間接続具として、最もよく理解される。標準的なボルト締め接続部もしくは溶接接続部は、構造骨組みへ直接に、あるいは、構造骨組みに接続された標準的に製作された端接続部へ、接続される。筋かい部材は、例えば、耐震筋かい用途において横方向筋かい部材として一般的に使用されるＨＳＳであってもよい。ＨＳＳは様々な寸法であることができ、また、いくつか例をあげると円形、長方形、正方形、楕円形、または長円形を含む様々な横断面形状を有することができる。筋かい部材は、以下で記述するようにＷセクション部材であってもよい。

接続具は静的、準静的、または動的荷重用途において使用されることが可能である。「動的用途」には、疲労荷重、繰り返し荷重、地震荷重、衝撃荷重、爆発荷重、および衝撃荷重が含まれる。これらの接続具はまた、柱、筋かい、トラス、立体骨組みなどの構造部材に対する軸方向荷重を伴う静的用途でも耐荷重機能をもたらすように動作可能である。これらの接続具は特に、厳しい地震条件下で、接続具が筋かい部材の全能力を発現させる耐震筋かい用途を対象としている。「厳しい地震条件」が意味するところは、引張り降伏と非弾性座屈との反復サイクルであり、筋かい部材が大きな非弾性の歪み（即ち、過剰強度）に達する際に予想される強度の増大を含む。

本発明の接続具は、主に軸方向に荷重の掛かる部材用の、マス・カスタマイズされる鋳鋼接続具または他の鋳造金属接続具として特に有用である。鋳造製造は、ＨＳＳ筋かい部材と単体のガセット・プレート（一例として）との間に嵌って筋かい部材の軸方向の全強度を発現させる鋳鋼接続具を設計する際に幾何学的自由度を与える。接続具はそれ自体が、管に対する、事前認定された完全溶け込み（ＣＪＰ）開先溶接によって、所与の外径（即ち可変壁厚）の任意の標準のＨＳＳセクションに適合するような形状であることができる。

この接続の利点は多数ある。まず、適切な溶接電極が選択され、その後よく知られた方法論に従って適切な溶接手順が行われたとすると、ＨＳＳもしくはＷセクションと接続具との間のＣＪＰ開先溶接は、このような構造部材内で予想される過剰強度の範囲のための筋かい部材よりも高強度となる。さらに、鋳造物の縁部を斜面付きにすれば、厚みが変化する筋かい部材に対して同じ溶接プロトコルを使用することが可能になる。一般的に言えば、約１００ｍｍ〜５００ｍｍの外径と３．２ｍｍ〜１６．０ｍｍの壁厚を有したＨＳＳが、耐震用途に適している。各接続具がある範囲のセクション寸法に適合できることから、少数の接続具で、即ち標準的な管の外径の各々について１つの接続具で、ある範囲の筋かいのオプションに対応でき、したがって、筋かいの壁厚を変化させることによって、１つまたは２つの接続具タイプのみを使用して、建物構造全体にわたって適切な層せん断力を達成することが可能となる。

本発明の鋳造接続具の設計のさらなる利点は、鋳造製造が大量生産に適していることから、繰り返し製造することによって、強化されて製作されたＨＳＳ・ガセット間接続を個別に設計し、細部加工し、製作するための接続具１個あたりのコストが劇的に減少しコストが削減される。コンパクトで無駄のない接続具の美観向上によって、建築学的に露出された鉄骨用途での使用性が促進される。

この接続具の他方端部の構造骨組みへの直接的な取付け、あるいは構造骨組みに取り付けられた１つまたは複数のガセット・プレートへの取付けは、容易な製作、容易な建設、および容易な現場建設に適している。さらに、接続具の端部と任意の構造要素との間に隙間を残すことによって、圧縮座屈中に筋かい端部で形成される塑性ヒンジ屈曲部分が、筋かい内ではなくガセット・プレート内で起こることが保証される。

あるいは、接続具は、以下に記述するように、塑性ヒンジ部分をガセット・プレートから離れて位置するように含んでもよく、これにより、筋かいの圧縮座屈中に生じる屈曲塑性ヒンジが、接続されたガセット・プレート内ではなく鋳造接続具内で形成されることを可能にする。

本発明の接続具は、接続された構造用鋼部材の軸方向の全能力または任意の特定の設計荷重を発現させることを目的としている。この鋳造接続具の一方端部は、標準寸法のガセット・プレートなどの一般的な標準的に製作された構造接続部のいずれとも結合するように設計されてもよいし、あるいは例えば梁と柱の交差部で、またはトラスに沿って、構造骨組みに直接溶接されてもよい。接続具の他端部は、様々な寸法の筋かい部材のある範囲のものと接続するように設計されている。この接続具は、所与の外側形状で、種々の壁厚のＨＳＳに適合可能である。この接続具は、所与のウェブ高さで、フランジおよびウェブが種々の厚さであるＷセクションに適合可能である。この独特の特徴によって、接続具をマス・カスタマイズすることが可能になる。

図１Ａから１Ｄに示すように、接続具１０は、第１端部１２、中間部分１４、および第２端部１６を含む。第１端部１２を使用して構造部材に接続される。

第１端部１２は、図２Ａおよび２Ｂで最もよく分かるように、様々な厚みの、対応する構造部材１８と共に使用されることが可能となるように、遠位端部で面取りまたは斜面付けされている。この場合、構造部材はＨＳＳ筋かい部材である。この斜面の角度αは、開先溶接が、良好な溶接を実現するのに充分な大きさの溶接部分２０を作り出せるように選択されることができ、好ましくは４５度から６０度に選択される。特に、第１端部１２の斜面は、第１端部１２と筋かい部材との間の完全溶け込み開先溶接を可能にする。完全溶け込み開先溶接は、厳しい地震条件下で所与の筋かい部材の軸方向の全能力を発現させる。第１端部１２の斜面はまた、筋かい部材との位置合わせおよび心合わせをし易くする。図３は、研磨され化学的にエッチング加工された、接続具とＨＳＳ１６８ｍｍ×９．５ｍｍ筋かい部材との間のＣＪＰ開先溶接部を通る断面を示している。

本発明の１つの利点は、接続具１０が作業現場でまたは作業現場外で構造部材１８に取り付けられるということである。一般的に述べると、作業現場で製作される必要のない溶接部は、より良く溶接され、信頼度の高い特性を有する。

接続具１０は、図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂで最もよく分かるように、１つまたは複数の標準的に製作された端接続部２２にボルト締めされるように適合された第２端部１６を有している。第２端部１６は、ガセット・プレートなどの標準的に製作された端接続部２２に接続される際にボルトを受けるように適合された複数の穴２４（図１Ａ）を有してもよい。端接続部２２によって、筋かいされる構造骨組み２６に、筋かい部材１８を取り付けることができる。

あるいは、第２端部１６は、１つまたは複数の標準的に製作された端接続部に溶接されるように適合されてもよく、その場合、穴は必要でなくなる（図示せず）。さらに、第２端部１６は、構造骨組み２６に直接溶接されるように適合されてよく、梁と柱の交差部に直接に溶接されても、トラスに溶接されても、または梁もしくは柱に直接溶接されてもよい。

中間部分１４は、ここでは第１端部１２から第２端部１６への穏やかな傾斜または湾曲を含むように示しているが、これによって可鋳性が高められ、筋かい部材１８と端接続部２２との間で力を緩やかに消散することが可能になる。

図５Ａで示しているように、２つの鋳造接続具１０は、筋かい部材１８の端部に工場溶接されることが可能であって、それによって、筋かい・接続具のアセンブリをボルト締めで建物骨組み２６内に据え付けることが可能になる。図５Ｂでは、鋳造接続具が、構造骨組みの梁・柱の交差部に位置付けられ、標準的に製作された端接続部に連結されるように示している。

第２端部１６の構成、即ち、厚さ、ならびに、標準的に製作された端接続部２２に接続される際にボルトを受けるように適合された穴２４の数、および配向は、接続具１０の個別の軸方向耐荷重能力の必要条件と寸法とに応じて大幅に変化する。

当業者には言うまでもなく、この接続部は、様々な厚みの中空構造セクションに使用され得る。さらにこの接続部によれば、構造部材に輪郭付け（Ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ）、斜面付け、または面取りすることなく、円形、正方形、長方形、および長円形もしくは楕円形の中空セクションへ接続される際に、筋かいの、長さおよび角度の組立公差を許容することができる。

例えば、図６は楕円形状のＨＳＳと接続する第１端部３０を有した接続具２８を示している。図７は、正方形状のＨＳＳ筋かい部材と接続する第１端部３４を有した接続具３２を示している。

図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃで示しているように、接続具３６の他の実施形態は、ガセット・プレートから離れて位置する塑性ヒンジ屈曲部分３８を含むことができる。これによれば、筋かいの圧縮降伏中の屈曲塑性ヒンジの形成は、接続されるガセット・プレート内ではなく鋳造接続具３６内で生じることができ、これによって厳しい地震条件が発生した場合にガセット・プレートと梁・柱の交差部とを保護することができる。

図９Ａおよび９Ｂを参照すると、本発明の接続具のさらなる実施形態が、特にＷセクションの筋かい部材と関連して使用されるように設計されている。この場合接続具は、Ｗセクションの筋かい部材４２に溶接されるように適合された、対応するＷセクションの第１端部４０を有することになる。特に、端部４０は、筋かい部材４２のウェブ部分４８を受ける略Ｖ字形状の溝４６を有し、互いに対向する斜面付き縁部４４を含み、端部４０はさらに、ウェブ部分４８を受けるウェブ斜面付き縁部５０を含む。Ｖ字形状溝４６は、第１端部４０を筋かい部材４２に位置合わせし、心合わせする役目を果たす。斜面付き縁部４４および５０は、フランジおよびウェブの厚みが様々な筋かい部材に対して、第１端部４０と筋かい部材４２との間で完全溶け込み溶接が行われることを可能にする。

当業者には言うまでもなく、本発明の接続具は様々な材料から鋳造されることができる。これらの接続具を鋼鉄で鋳造することが特に有益となる。また、特別な用途で必要とされる特性に応じて、様々な合金および様々なタイプの鋼鉄を鋳造に使用することができる。

（実施例）
本発明による接続具と使用するための一実施例として、外径が１６８ｍｍであるＨＳＳ筋かい部材を選択した。ＨＳＳ筋かい部材は、外形は１６８ｍｍであるが、様々な壁厚を有する。これが一般的な管寸法であることから、このような筋かい部材は大抵の鋼管製造会社から容易に入手可能である。さらに、入手可能な１６８ｍｍ管のほとんどの公称環動半径は、一般的な筋かい部材の長さで２００未満の細長比である（引張り‐圧縮用筋かいに対する必要条件）。最後に、１６８ｍｍ直径管の降伏能力は、壁厚および鋼種に応じて、約５５０ｋＮから３，０００ｋＮ（１２５ｋｉｐから６７５ｋｉｐ）の範囲である。これによって、接続具の末端利用者は、同じ鋳造接続具を指定しながら、中層構造物の各階に適切なレベルの横方向強度をもたらすことが可能となる。

この鋳造物のボルト締め端部は、一般的に北アメリカで入手可能な最も壁の厚い１６８ｍｍのＣＨＳ筋かい部材、即ち、ＨＳＳ１６８×１３ＣＡＮ／ＣＳＡ‐Ｇ４０．２０／Ｇ４０．２１グレード３５０Ｗと、ＨＳＳ６．６２５×０．５００ＡＳＴＭ Ａ５００グレードＣと、の最大予想降伏強度に耐えられるように設計された。これは、３０ｍｍのガセット・プレートに接続するために直径１インチのＡＳＴＭ Ａ４９０ボルトを１２個使用して達成された。これらの１２個の事前に張力を掛けられた高強度ボルトは、（接合面がブラスト洗浄されていれば、）入手可能な最大の１６８ｍｍＨＳＳの予想降伏強度を担持するように、充分な耐滑り性を実現する。（事前に張力を掛けられたボルトの使用とは異なり）臨界滑り接続は特に特定の条例で求められているわけではないが、臨界滑り接続は、周期的な荷重レジーム下でより良好に機能し、耐震用途では好ましい。さらに、ボルトせん断設計の必要条件を満たすために必要となる数を超えてボルトの数を増やすことによって、接続具がボルト領域内で実質的に完全に弾性のままであることが保証される。これによって接続具を地震の後に再使用することが可能となる。実際には、接続具の末端利用者は、接続される管の強度に基づいて使用するボルトの数を指定することができる。末端利用者はまた、必要であれば、美観のために接続タブの余分の長さを切り取るというオプションも有する。

所定の境界条件の鋳造物同士の間の設計は、接続具を通る力の流れを考慮して、また鋳造製造の限界に留意して、三次元立体モデリング・ソフトウェアを使用して実施した。

工学技術サイズ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ−ｓｉｚｅｄ）の構造用構成要素で最も一般的に使用される鋼鋳造プロセスであり、また接続具のプロトタイプの製造で使用されるプロセスである砂型鋳造プロセスでは、遷移形状が滑らかに保たれて高品質鋳造物を保証する。さらに、鋳造物の形状は、方向性凝固に対して伝導性であるべきであって、これによって押し湯ならびに他の特別な高コストの鋳造上の留意事項の必要が軽減される。

砂型でしっかりと鋳造されることが可能な構成要素を設計することが最も重要であることから、応力の反復設計に続く鋳造工場での分析が一般的に必要であり、その際に、完成品の凝固を向上させるために鋳造工場によって提言がなされる。本実施例の鋳造接続具については、鋳造工場の提案の結果、接続具の質量が１８％増加した。

図１０Ａおよび１０Ｂを参照すると、本実施例の接続具の寸法は、以下の通りである。

外径＝Ｄ＝１６８ｍｍ
長さ＝Ｌ＝５１０ｍｍ
最大ガセット長さ＝Ｌ_ｇ＝３３０ｍｍ
隙間＝ｇ＝３１ｍｍ
タブ厚＝ｔ＝２３ｍｍ
タブ幅＝Ｗ＝２８２ｍｍ
同心状筋かい付き骨組みでは、筋かい部材はそれ自体がエネルギーを吸収する要素である。したがって、能力設計の原理によれば、筋かい部材の引張り降伏中、筋かい部材の座屈中、あるいは全体的もしくは局部的な非弾性座屈に起因する、中央および筋かい部材両端部における筋かい部材の塑性ヒンジ動作中に、鋳造接続具が弾性のままであることが好ましい。プロトタイプ接続具の設計プロセス中に、有限要素応力解析を使用して接続具の弾性挙動を確立した。

この実施例の接続具の三次元設計には立体モデリング・ソフトウェア・パッケージを使用した。このモデルを鋳造工場に搬送し、鋳造工場ではこれを使用して、プロトタイプ用砂型が製作されるパターンを作り出した。有限要素応力解析を行うために、この接続具モデルを修正して、公称直径および公称厚みの、３３６ｍｍ長さ（２直径）のＨＳＳ１６８×１３筋かい部材と鋳造接続具との間に完全溶け込み開先溶接を含むようにした。対称形であることにより、アセンブリの４分の１のみに対する有限要素モデリングが必要であった。この部品の形状を有限要素解析ソフトウェアにエクスポートした。高次の三次元四面体個体要素（higher order 3-dimensional tetrahedral solid elements）を使用して固形体同士をかみ合わせた。それらの各要素は、ノードごとに自由度３度を有した１０個のノードによって定義される。これらの要素は、二次変位挙動を有し、湾曲した固形体または不規則な境界を有する固体をモデリングするのに最も適している。解析される有限要素モデルが筋かい・接続具アセンブリを完全に表すために、モデルの３面に対称境界条件が必要であった。接続具がボルト締めされたガセット・プレートによって、鋳造接続タブが内向きに移動しないように保たれるので、「圧縮のみ」という境界条件が接続タブの内側面に適用された。最後に、ボルトの支承の作用を再現するために、２７ｍｍ直径のボルト穴の内面に、２５．４ｍｍ（１インチ）の幅にわたって変位を加えた。上述の境界条件は、すべての筋かい座屈を許容するわけではないことに留意することが重要である。しかし、この境界条件は、ここに提示した実施例において、円形筋かい部材の対称的な局部的座屈を許容する。その結果、圧縮荷重に対する有限要素解析中に作り出された応力は、すべての筋かい座屈中に実際に接続具内に存在することになる応力の上限を表した。さらに、鋳造材料に線形ひずみ硬化を予想したので、鋳造物の降伏を超える、計算される応力および変形は控えめに述べても大きい。

ボルト穴の支承面に徐々に変位を加えることによって、非線形解析を実施した。実際には、ボルトは事前に張力を掛けられ、その結果、鋳造タブとガセット・プレートとの間の分散摩擦応力を通じて荷重が伝達される。しかしこのような形で変位が加わることは、接続アセンブリに対する静的変位制御荷重に充分匹敵し、またボルト穴内に控えめに述べても大きな応力集中を生み出した。大きな変形を許容することによって、非線形の材料特性を考慮し、幾何学的非線形性を考慮に入れた。これによって、荷重がかかっている間の形状変化も許容された。各要素の局部剛性マトリックスの公式化に変換積分を使用した。

この筋かいアセンブリに荷重が掛けられたときに、図１１で示しているように予想降伏能力までの非弾性変形が筋かい部材内に局在化することが、有限要素解析によって確認された。さらに、設計降伏力ＡＲ_ｙＦ_ｙに対応する筋かい力を引き起こした引張り変形または圧縮変形が接続具に加えられたとき、鋳造物内の応力は一般的にこの鋳鋼の公称降伏応力の３４５ＭＰａ未満であることが、有限要素応力解析によって示された。溶接領域内でのみ、応力が３４５ＭＰａを超過したが、このことは、有限要素解析で考慮した強度レベルよりも高い強度レベルを溶接金属が示すことから、予想でき、かつ許容できるものであった。この管状筋かい内の応力分散は、溶接接続部から極めて短い距離のところで均一であり、一般的な、溶接形成された溝付の管・ガセット接続部に関するせん断遅れの問題は全く示されなかった。

図１２Ａおよび１２Ｂは、全体的な座屈に対抗するよう支持されたＨＳＳ１６８×１３筋かいの接続具および溶接部内における、圧縮降伏に起因した、モデル化された相当（フォン ミーゼス）応力を示している。図１３Ａおよび１３Ｂは、ＨＳＳ１６８×１３筋かいの接続具および溶接部内における、引張り降伏に起因した、モデル化された相当（フォン ミーゼス）応力を示している。

プロトタイプ鋳鋼接続具は、ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）のＡ９５８グレードＳＣ８６２０クラス８０／５０に製造された鉄鋼で製作した。この鋳造材料は、標準的な錬鋼種と化学的組成が類似しており、この鋳造物のシリコン含有量が０．５５重量％を超過しないとすると、ＣＳＡ Ｗ５９によって溶接可能な母材であると考えられる。この仕様に製造された材料は５０ｍｍで、最小降伏応力が３４５ＭＰａ、最小極限引張り強度が５５０ＭＰａ、最小伸びが２２％、ならびに断面減少率が３５％である。接続具と筋かい部材との間の溶接領域において、接続が適切な靭性を有することを保証するように、さらなるシャルピーＶ字切欠き（ＣＶＮ）衝撃試験値要件、−２０℃（−４°Ｆ）で２７ジュール（２０ｆｔ・ｌｂ）を指定した。これは、エネルギー消散要素または溶接部に対する一般的な靭性の必要条件を超えるものであるが、動的荷重が掛かる接続部に必要とされる溶加材に対するＣＶＮ必要条件に、より密接に対応している。

溶接手順に関しては、６０度のＶ形を持った、またはルート間隔が３ｍｍの斜面ジョイント（ｂｅｖｅｌ ｊｏｉｎｔ）を備えた、鋼製裏張りの一方側からの、ＣＪＰ開先溶接について適切なプロトコルを作成した。

概念実証の実験室試験は、接続具・筋かい部材アセンブリの疑似動的試験、静的引張り試験、ならびに鋳造接続具の破壊試験から成るものであった。同心状に荷重が掛けられる筋かい部材・接続具アセンブリの静的および疑似動的試験の試験結果は、鋳鋼接続具の使用が、耐震用途で（あるいは静的用途でも）管状筋かい部材に接続する手段として実行可能であることを証明した。実験室における測定値と有限要素の結果との相互関係は、接続具を設計するために行われた有限要素モデリングの正当性を立証する役目を果たした。

言うまでもなく、上記説明は、実施例としてのみ本発明に関係する。本発明の多数の変化形態が当業者に明らかとなり、そのような明らかな変化形態も、本明細書において明確に記載されたか否かに関わらず、本明細書で説明された本発明の範囲に含まれる。

本発明の接続具の一実施形態の上面図である。 本発明の接続具の一実施形態の側面図である。 本発明の接続具の一実施形態の端面図である。 本発明の接続具の一実施形態の斜視図である。 厚い中空構造セクションを備えた接続具を示した側面図である。 薄い中空構造セクションを備えた接続具を示した側面図である。 研磨され、エッチング加工された完全溶け込み溶接に対する拡大表示セクションの顕微鏡写真を表示した、接続具と筋かい部材との側面図である。 接続具の、筋かい部材とガセット・プレートとの組み合わせの分解側面図である。 接続具の、筋かい部材とガセット・プレートとの組み合わせの分解斜視図である。 筋かい部材を骨組みに接続する接続具の、側面図である。 筋かい部材を骨組みに接続する接続具の、拡大斜視図である。 横断面が楕円形である筋かい部材と使用する接続具の斜視図である。 横断面が長方形である筋かい部材と使用する接続具の斜視図である。 塑性ヒンジ屈曲部分を有した接続具の側面図である。 塑性ヒンジ屈曲部分を有した接続具の底面図である。 塑性ヒンジ屈曲部分を有した接続具の斜視図である。 Ｗセクション筋かい部材と使用する接続具の斜視図である。 Ｗセクション筋かい部材と使用する接続具の斜視図である。 接続具と筋かい部材の上面図である。 接続具の側面図である。 薄壁の筋かい・接続具アセンブリと、厚壁の筋かい・接続具アセンブリとの両方についての引張り荷重‐変形のプロット図である。 筋かい部材に対する圧縮降伏に起因した接続具および溶接部内のモデル化された応力を示す図である。 筋かい部材に対する圧縮降伏に起因した接続具および溶接部内のモデル化された応力を示す図である。 筋かい部材に対する引張り降伏に起因した接続具および溶接部内のモデル化された応力を示す図である。 筋かい部材に対する引張り降伏に起因した接続具および溶接部内のモデル化された応力を示す図である。

Claims (27)

1. 構造骨組み用の、降伏能力を有する筋かい部材を含む筋かいアセンブリ内で使用される構造用の接続具において、
   前記接続具は荷重がかかる間前記筋かい部材の前記降伏能力の全て又は略全てに順応でき、
   前記接続具は、
   （ａ） 前記筋かい部材を受け、前記筋かい部材に溶接されるように構成された第１端部と、
   （ｂ）前記構造骨組みに接続されるように適合された第２端部であり、少なくとも一つの標準的に製作された端接続部によって前記構造骨組みに接続される、且つ圧縮座屈中に前記標準的に製作された前記端接続部内で発生する塑性ヒンジ屈曲を起こすように構成される前記第２端部と、
   （ｃ） 前記第１端部と第２端部との間に設けられた中間部分と、
   を備え、
   前記第１端部に含まれる傾斜面であり、前記第１端部と前記筋かい部材との間に、完全溶け込み（ＣＪＰ：complete joint penetration）開先溶接の接続を形成するために十分な大きさの溶接部を作り出せるように選択された角度を成す前記傾斜面を含んでいることを特徴とする接続具。
2. 前記第１端部、前記第２端部及び中間部分が、前記筋かい部材によって画定される軸内に設置される請求項１に記載の接続具。
3. 前記筋かい部材は外側寸法と内側寸法とを有した中空の構造セクションであり、前記傾斜面は前記第１端部の遠位端部に設けられ、前記遠位端部は、前記中空構造セクションの前記内側寸法以下の寸法である請求項１に記載の接続具。
4. 前記傾斜面は、複数の様々な中空構造セクションであって、様々な内側寸法と、略等しい外側寸法とを有するものを受けるように構成されている請求項３に記載の接続具。
5. 前記中間部分は前記第１端部と前記第２端部との間で傾斜している請求項１に記載の接続具。
6. 前記中間部分は、前記標準的に製作された端接続部から離れて位置する塑性ヒンジ屈曲領域を含んでいる請求項１に記載の接続具。
7. 前記第２端部は前記少なくとも１つの標準的に製作された端接続部に溶接又はボルト締めにより接続され、前記標準的に製作された端接続部は前記構造骨組みに接続される請求項１に記載の接続具。
8. 前記第２端部は、そこに開けられた複数の穴であって、対応する複数のボルトを受けるものを含み、前記第２端部はガセット・プレートにボルト締めされるように動作可能であり、前記ガセット・プレートは前記構造骨組みに接続される請求項１に記載の接続具。
9. 静的、準静的、または動的用途で使用される請求項１に記載の接続具。
10. 前記筋かい部材はウエブ部分、フランジ部分及びフランジ部分の間の寸法を有するＷセクションであり、前記構造用の接続具の第１端部の前記傾斜面は前記Ｗセクションのウエブ部分を受ける切込みを有する傾斜した遠位端部を含む請求項１に記載の接続具。
11. 前記荷重が動的荷重及び静的荷重を含む請求項１に記載の接続具。
12. 前記動的荷重が地震誘導荷重、暴風誘導荷重及び爆発誘導荷重を含む請求項１１に記載の接続具。
13. 前記接続具が鋳造構造接続具である請求項１に記載の接続具。
14. 構造骨組みで使用する構造用の筋かいアセンブリにおいて、
    （ａ） 降伏能力を有する筋かい部材と、
    （ｂ） 構造接続具と、
    を有し、前記構造接続具が、
    （ｉ）第１端部と、
    （ｉｉ）前記構造骨組みに接続されるように適合された第２端部であり、少なくとも一つの標準的に製作された端接続部によって前記構造骨組みに接続される、且つ圧縮座屈中に前記標準的に製作された前記端接続部内で発生する塑性ヒンジ屈曲を起こすように構成される前記第２端部と、
    を備え、さらに、
    （ｉｉｉ）前記第１端部と第２端部の間に設けられた中間部分とを含んだ鋳造接続具
    を備えた構造筋かいアセンブリであって、
    前記第１端部は前記筋かい部材を受ける斜面手段を含み、
    前記第１端部は前記筋かい部材に接続するためのものであり、
    前記斜面手段が、前記第１端部と前記筋かい部材との間に、完全溶け込み（ＣＪＰ：complete joint penetration）開先溶接の接続を形成するために十分な大きさの溶接部を作り出せるように選択された角度を成し、
    前記構造接続具の荷重がかかる間前記筋かい部材の前記降伏能力の全て又は略全てに順応できることを特徴とする筋かいアセンブリ。
15. 前記斜面手段の斜面は、前記第１端部と前記筋かい部材との間の完全溶け込み開先溶接を可能にする請求項１４に記載の筋かいアセンブリ。
16. 前記第１端部、前記第２端部および中間部分が、前記筋かい部材によって画定される軸内に設置される請求項１４に記載の筋かいアセンブリ。
17. 前記接続具の中間部分が、前記標準的に製作された端接続部から離れて位置する塑性ヒンジ屈曲領域を含んでいる請求項１４に記載の筋かいアセンブリ。
18. 前記筋かい部材は中空構造セクションまたはＷセクションである請求項１４に記載の筋かいアセンブリ。
19. 前記標準的に製作された端接続部はガセット・プレートであり、前記第２端部は前記ガセット・プレートに溶接され、またはボルト締めによって接続される請求項１４に記載の筋かいアセンブリ。
20. 前記荷重が動的荷重及び静的荷重を含む請求項１４に記載の筋かいアセンブリ。
21. 前記動的荷重が地震誘導荷重、暴風誘導荷重及び爆発誘導荷重を含む請求項２０に記載の筋かいアセンブリ。
22. 前記接続具が鋳造構造接続具である請求項１４に記載の筋かいアセンブリ。
23. （ａ） 降伏能力を有する筋かい部材と、
    （ｂ） 構造接続具であって、
    （ｉ）第１端部と、
    （ｉｉ）標準的に製作された端接続部に接続される第２端部であり、圧縮座屈中に前記標準的に製作された前記端接続部内で発生する塑性ヒンジ屈曲を起こすように構成される前記第２端部と、
    （ｉｉｉ）第１端部と第２端部の間に設けられた中間部分と、
    を備え、
    前記第１端部が前記筋かい部材を受ける斜面手段を含み、
    さらに、前記第１端部と前記筋かい部材との間に完全溶け込み（ＣＪＰ：complete joint penetration）開先溶接の接続を形成するために十分な大きさの溶接部を作り出せるように選択された角度を成す前記斜面手段を備え、
    前記接続具は荷重がかかる間、前記筋かい部材の前記降伏能力の全て又は略全てに順応できる筋かいアセンブリを、前記標準的に制作された前記端接続部を含む構造骨組みに組み入れる方法において、
    前記方法は、
    （ａ） 前記標準的に製作された前記端接続部を前記構造接続具の第２端部にボルト締め又は溶接によって取り付けるステップ、及び、
    （ｂ） 前記接続具の第１端部を前記筋かい部材にボルト締め又は溶接によって取り付けるステップ
    を含む方法。
24. 前記第１端部、前記第２端部および中間部分が、前記筋かい部材によって画定される軸内に設置される請求項２３に記載の方法。
25. 前記接続具が鋳造構造接続具である請求項２３に記載の方法。
26. 前記接続具の中間部分が、前記標準的に製作された端接続部から離れて位置する塑性ヒンジ屈曲領域を含んでいる請求項２３に記載の方法。
27. 筋かいアセンブリにおける構造接続具の使用であって、荷重から構造骨組みを保護するため、前記筋かいアセンブリは降伏能力を有する筋かい部材を含み、前記接続具は荷重がかかる間前記筋かい部材の前記降伏能力の全て又は略全てに順応でき、前記接続具は、
    （ａ） 前記筋かい部材を受けると共に前記筋かい部材に接続されるように構成される第１端部と、
    （ｂ） 前記構造骨組みに接続されるように適合された第２端部であり、少なくとも一つの標準的に製作された端接続部によって前記構造骨組みに接続される、且つ圧縮座屈中に前記標準的に製作された前記端接続部内で発生する塑性ヒンジ屈曲を起こすように構成される前記第２端部と、
    （ｃ） 前記第１端部及び前記第２端部の間に配置された中間部分であって、前記第１端部、前記第２端部及び前記中間部分は前記筋かい部材によって画定される軸内に配置される中間部分、
    を備え、
    前記第１端部に含まれる傾斜面であり、前記第１端部と前記筋かい部材との間に、完全溶け込み（ＣＪＰ：complete joint penetration）開先溶接の接続を形成するために十分な大きさの溶接部を作り出せるように選択された角度を成す前記傾斜面を含んでいることを特徴とする接続具の使用。

Images