(57)【要約】      （修正有）【課題】  簡易な方法により圧縮力を受けるブレース部材の座屈耐力を適正に評価することができ、よって合理的な斜め格子形ブレースの設計を行うことができる斜め格子形ブレースの構造設計方法および斜め格子形ブレースを提供する。【解決手段】  柱梁架構の上記柱および梁に沿って組み込まれた矩形状の周辺枠組鉄骨と、この周辺枠組鉄骨内に配設された同一断面積を有する同一材料からなる複数本のブレース部材とを備えてなり、かつ上記複数本のブレース部材が、中心軸線を同一面内に位置させて水平に対し傾斜した状態で格子状に配設され、互いの交差部が剛接合されるとともに両端部が上記周辺枠組鉄骨に剛接合された斜め傾斜形ブレースの構造設計方法であって、圧縮力を受ける上記ブレース部材の下記諸元を、当該ブレース部材に作用する圧縮応力σが、数式２で定めるσc以下になるように設計することを特徴とする。【選択図】  図１
2006207313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱梁架構を構成する柱および梁に沿って組み込まれた矩形状の周辺枠組鉄骨と、この周辺枠組鉄骨内に配設された同一断面積を有する同一材料からなる複数本のブレース部材とを備えてなり、かつ上記複数本のブレース部材が、中心軸線を同一面内に位置させて水平に対し傾斜した状態で格子状に配設され、互いの交差部が剛接合されるとともに両端部が上記周辺枠組鉄骨に剛接合された斜め傾斜形ブレースの構造設計方法であって、
圧縮力を受ける上記ブレース部材の下記諸元
Ｅ：上記ブレース部材を構成する材料のヤング率
λ：上記ブレース部材の格子間隔を座屈長さとする細長比であって、λ＝Ｌ／ｉ
Ｌ：上記ブレースの格子間隔
ｉ：上記ブレース部材の上記面外方向の断面二次半径、ｉ＝（Ｉ／Ａ）1/2
Ｉ：上記ブレース部材の上記面外方向の断面二次モーメント
Ａ：上記ブレース部材の断面積
ｍ：交差する上記ブレース部材による１本の上記ブレース部材の最大分割数
γ：上記ブレース部材全長の座屈長さ係数であって、０．５≦γ≦１
κ：上記ブレース部材の座屈補剛剛性の割増係数であって、１≦κ≦２
ｎ：一方の上記ブレース部材に作用する引張力と他方の上記ブレース部材に作用する圧縮力との絶対値の比
を、当該ブレース部材に作用する圧縮応力σが、下式
【数２】
2006207313.tif 000010
で定めるσc以下になるように設計することを特徴とする斜め格子形ブレースの構造設計方法。
【請求項２】
上記ブレース部材は、その弱軸方向を、上記柱梁架構の構面外に向けて配設されていることを特徴とする請求項１に記載の斜め格子形ブレースの構造設計方法。
【請求項３】
柱梁架構を構成する柱および梁に沿って組み込まれた矩形状の周辺枠組鉄骨と、この周辺枠組鉄骨内に配設された同一断面積を有する同一材料からなる複数本のブレース部材とを備えてなり、上記複数本のブレース部材が、中心軸線を同一面内に位置させて水平に対し傾斜した状態で格子状に配設され、互いの交差部が剛接合されるとともに両端部が上記周辺枠組鉄骨に剛接合され、かつ圧縮力を受ける上記ブレース部材が、請求項１または２に記載の斜め格子形ブレースの構造設計方法によって設計されたものであることを特徴とする斜め格子形ブレース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造躯体に組み込まれて耐震補強用等に用いられる鉄骨造の斜め格子形ブレースの構造設計方法およびこの設計方法によって得られた斜め格子形ブレースに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、鉄骨造あるいは鉄筋コンクリート造や鉄筋鉄骨コンクリート造の各種構造物において、耐震耐風用の構造要素として、斜め格子形ブレースが組み込まれている。また、この種の斜め格子ブレースは、既存構造物に対する耐震補強用の鉄骨骨組みとしても用いられている。
【０００３】
ここで、斜め格子形ブレースとは、一般に図３に示すように、構造物の柱梁架構内に組み込まれる長方形状の周辺枠組鉄骨１と、この周辺枠組鉄骨１内に、水平に対し傾斜した状態で格子状に配設された複数本のブレース部材２とからなるものであり、これらブレース部材２は、交差部において剛接合されるとともに、その両端部が周辺枠組鉄骨１に剛接合されている。ちなみに、かかる構成からなる斜め格子形ブレースは、例えば下記特許文献１にも開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１５２９０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、地震が発生した際に、構造物の架構内に組み込まれた上記斜め格子形ブレースには、柱および梁を介して水平力が作用する。この結果、周辺枠組鉄骨１内の一方の傾斜側のブレース部材には圧縮力が作用し、これらと交差する他方の傾斜側のブレース部材には引張力が作用する。そして、圧縮力が作用するブレース部材における圧縮耐力は、その座屈長さによって定まる。
【０００５】
ところが、例えば上記ブレース部材を面外弱軸方向に配置した場合に、その座屈は面外方向に発生することになるが、圧縮力を受けるブレース部材は、中間の複数個所において引張力を受けるブレース部材が剛接合されているために、その座屈長さは引張力を受けるブレース部材による面外方向の拘束によって影響を受ける。このため、圧縮力を受けるブレース部材の座屈長さは、これと交差する上記ブレース部材が無い場合よりも短くなると予想されるが、現在の処、その定量的な評価方法は明らかでない。
【０００６】
このため、従来、上記斜め格子形ブレースを設計するに際しては、例えばブレース部材を高い座屈強度が得られる面外強軸に配置するとともに、さらに設計上の座屈長さを、想定される長さよりも長く設定することにより、斜め格子形ブレース全体としての余裕のある強度を確保する方法が採用されている。
【０００７】
このため、得られた斜め格子形ブレースは、本来必要とされる強度に対して、過度の強度を有するものとなり、経済性に劣るとともに、重量も嵩むという問題点があった。
【０００８】
また特に、ブレース部材として汎用のＨ形鋼を用いて、これを面外強軸に配置した場合には、当該ブレース部材の交差部における仕口の納まりが悪くなり、別途多数のガセットプレートが必要となって構造が複雑になり、接合作業にも多くの手間を要するという問題点もあった。
【０００９】
そこで、必要十分な強度を有する斜め格子形ブレースを設計するために、別途有限要素法等を用いて詳細な強度的シミュレーションを行うことも考えられるが、設計自体に過度の手間と費用を要することになり、現実的ではない。
このため、上記斜め格子形ブレースの合理的なブレース部材寸法等を決定し得る、簡易な設計方法の開発が望まれている。
【００１０】
他方、社団法人、日本建築学会「鋼構造座屈設計指針」（１９８０年）には、トラスの腹材または筋かい等で、図２（ａ）に示すような圧縮力Ｎ1を受ける部材ＡＢと引張力Ｎ2を受ける部材ＣＤとがＸ字状に交差する場合の部材ＡＢの構面外への座屈長さＬκは、交差する部材ＣＤの軸力と寸法などによって決まり、ＤＩＮ４１１４（１９５２年版）には、上記座屈長さＬκは、下式で示されているとの記載がある。
【００１１】
【数１】
2006207313.tif 000003
ここで、Ｅはヤング率、Ｉ2は部材ＣＤの断面二次モーメント、Ｌ1、Ｌ2はそれぞれ部材ＡＢ、部材阿ＣＤの長さである。
【００１２】
ちなみに、上式は、希に連続桁の橋等の設計に応用されているものの、実際の構造物におけるブレース部材等の設計に用いられていない。
【００１３】
そこで、本発明者等は、斜め格子形ブレースの設計に上式を利用し得ないか鋭意研究を行った結果、座屈長さＬκを、圧縮力を受けるブレース部材の格子間隔（Ｌ1／２）に等しい条件の下で解析可能とすべく、上記ブレース部材の中間の座屈補剛点（＝引張力を受ける部材との剛接合点）の数が複数あることによる座屈補剛剛性の割増係数κを導入し、さらにこの割増係数κを、上記ブレース部材の分割数によって評価することにより、上記斜め格子形ブレースの設計に適用することができるとの知見を得るに至った。
【００１４】
この発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、簡易な方法により圧縮力を受けるブレース部材の座屈耐力を適正に評価することができ、よって合理的な斜め格子形ブレースの設計を行うことができる斜め格子形ブレースの構造設計方法および当該構造設計方法によって設計された斜め格子形ブレースを提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、柱梁架構を構成する柱および梁に沿って組み込まれた矩形状の周辺枠組鉄骨と、この周辺枠組鉄骨内に配設された同一断面積を有する同一材料からなる複数本のブレース部材とを備えてなり、かつ上記複数本のブレース部材が、中心軸線を同一面内に位置させて水平に対し傾斜した状態で格子状に配設され、互いの交差部が剛接合されるとともに両端部が上記周辺枠組鉄骨に剛接合された斜め傾斜形ブレースの構造設計方法であって、圧縮力を受ける上記ブレース部材の下記諸元、
Ｅ：上記ブレース部材を構成する材料のヤング率
λ：上記ブレース部材の格子間隔を座屈長さとする細長比であって、λ＝Ｌ／ｉ
Ｌ：上記ブレースの格子間隔
ｉ：上記ブレース部材の上記面外方向の断面二次半径、ｉ＝（Ｉ／Ａ）1/2
Ｉ：上記ブレース部材の上記面外方向の断面二次モーメント
Ａ：上記ブレース部材の断面積
ｍ：交差する上記ブレース部材による１本の上記ブレース部材の最大分割数
γ：上記ブレース部材全長の座屈長さ係数であって、０．５≦γ≦１
κ：上記ブレース部材の座屈補剛剛性の割増係数であって、１≦κ≦２
ｎ：一方の上記ブレース部材に作用する引張力と他方の上記ブレース部材に作用する圧縮力との絶対値の比
を、当該ブレース部材に作用する圧縮応力σが、下式
【数２】
2006207313.tif 000004
で定めるσc以下になるように設計することを特徴とするものである。
【００１６】
なお、上記ブレース部材全長の座屈長さ係数γは、ブレース部材と周辺枠組鉄骨との剛比および周辺枠組鉄骨の捩り剛性によって定まる値であり、ブレース部材の端部の面外方向への固定度が高い場合は、γ＝０．５に近く、両端回転自由の場合はγ＝１である。
【００１７】
また、上記ブレース部材の座屈補剛剛性の割増係数κは、１≦κ≦２の範囲の値であり、具体的には、上記知見によれば、１本のブレース部材の最大分割数ｍ＝２である時にはκ＝１、ｍ＝３である時にはκ＝１．５、ｍ＝４である時にはκ＝２とするのが最適である。
【００１８】
さらに、上記一方の上記ブレース部材に作用する引張力と他方の上記ブレース部材に作用する圧縮力との絶対値の比ｎは、周辺枠組鉄骨と柱および梁との接合部の一体化の程度によって定まる値であって、周辺枠組鉄骨と柱および梁とが一体化されて両者間の滑りがなく、よって周辺枠組鉄骨に水平力が左右均等に作用する場合は、ｎ＝１である。
【００１９】
これに対して、周辺枠組鉄骨と梁との間に滑りが生じ得る接合形態の場合のように、水平力が圧縮力主体によって作用する場合は、ｎ＜１になり、逆に引張力主体によって作用する場合は、ｎ＞１になる。例えば、斜め格子形ブレースの周辺枠組鉄骨を、既存躯体の耐震補強用に既存柱梁架構内に十分なアンカーを施工せずに挿入した場合には、既存柱からの支圧力によって水平力が伝達されることにより、周辺枠組鉄骨に圧縮力主体によって作用することになる。ちなみに、周辺枠組鉄骨を柱および梁にアンカーボルトによって固定する一般的な施工方法を採用した場合には、０．５≦ｎ≦１である。
【００２０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のブレース部材が、その弱軸方向を、上記柱梁架構の構面外に向けて配設されていることを特徴とするものである。
【００２１】
次いで、請求項３に記載の発明に係る斜め格子形ブレースは、柱梁架構を構成する柱および梁に沿って組み込まれた矩形状の周辺枠組鉄骨と、この周辺枠組鉄骨内に配設された同一断面積を有する同一材料からなる複数本のブレース部材とを備えてなり、上記複数本のブレース部材が、中心軸線を同一面内に位置させて水平に対し傾斜した状態で格子状に配設され、互いの交差部が剛接合されるとともに両端部が上記周辺枠組鉄骨に剛接合され、かつ圧縮力を受ける上記ブレース部材が、請求項１または２に記載の斜め格子形ブレースの構造設計方法によって設計されたものであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１または２に記載の発明およびこれを用いた請求項３に記載の発明によれば、ブレース部材や周辺枠組鉄骨自体から一義的に得られる諸元、および両者の固定度から得られる上記ブレース部材全長の座屈長さ係数γ、ならびに周辺枠組鉄骨と柱梁架構との取り合いから得られる引張力と圧縮力との絶対値の比ｎから、ブレース部材に作用する圧縮応力σを、上式によって得られるσc以下になるように設計することができる。
【００２３】
したがって、簡易な方法により、圧縮力を受けるブレース部材の座屈耐力を適正に評価することができ、よって合理的な斜め格子形ブレースの設計を行うことができる。
なお、請求項１に記載の発明は、ブレース部材を面外弱軸に配設した場合にも、面外強軸に配設した場合にも、同様に適用することが可能であるが、特に請求項２に記載の発明のように面外弱軸に配設した場合には、ブレース部材として汎用材であるＨ形鋼を用いた際に、ブレース部材の交差部における仕口の納まりが良くなり、よって施工も容易になると言う効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本実施形態において対称とする斜め格子形ブレースは、図３に示したものと同様に、構造物の柱梁架構内に組み込まれる長方形状の周辺枠組鉄骨１と、この周辺枠組鉄骨１内に、水平に対し傾斜した状態で格子状に配設された複数本のブレース部材２とからなるものである。そして、ブレース部材２は、すべて同一断面のＨ形鋼からなるもので、それぞれ面外弱軸方向として配設されている。
【００２５】
また、これらブレース部材２は、交差部において一方のブレース部材２が貫通するとともに、当該ブレース部材２に、他方のブレース部材２のウエブとフランジとが溶接されることにより剛接合されている。また、ブレース部材２は、その両端部が周辺枠組鉄骨１に剛接合されている。
【００２６】
さらに、周辺枠組鉄骨１は、柱側および梁側共に、複数本（図では柱側が２本、梁側が４本）の中間部材１ａ、１ｂが接合・一体化されることにより構成されており、これら中間部材１ａ、１ｂの接合部に、ブレース部材２の端部が接合される仕口接合部３が形成されている。
【００２７】
これに対して、先ず［数１］の式において、圧縮力を受けるブレース部材２の中間の座屈補剛点の数が複数であることによる補剛剛性の割増係数κを導入して、下式を得る。
【数３】
2006207313.tif 000005
【００２８】
さらに、上式の各変数を、図１に基づき以下のように置換して変形する。
Ｌκ＝０．５Ｌ1、  Ｎ2／Ｎ1＝ｎ、  Ｎ1＝Ａσc、  Ｉ2＝Ａｉ2、
Ｌ1＝２λｉ、  Ｌ2＝ｍγλｉ
【００２９】
これにより、下式を誘導することができる。
【数２】
2006207313.tif 000006
【００３０】
ここで、
Ｅ：上記ブレース部材を構成する材料のヤング率
λ：上記ブレース部材の格子間隔を座屈長さとする細長比であって、λ＝Ｌ／ｉ
Ｌ：上記ブレースの格子間隔
ｉ：上記ブレース部材の上記面外方向の断面二次半径、ｉ＝（Ｉ／Ａ）1/2
Ｉ：上記ブレース部材の上記面外方向の断面二次モーメント
Ａ：上記ブレース部材の断面積
ｍ：交差する上記ブレース部材による１本の上記ブレース部材の最大分割数
γ：上記ブレース部材全長の座屈長さ係数であって、０．５≦γ≦１
κ：上記ブレース部材の座屈補剛剛性の割増係数であって、１≦κ≦２
ｎ：一方の上記ブレース部材に作用する引張力と他方の上記ブレース部材に作用する圧縮力との絶対値の比
である。
【００３１】
そこで、ブレース部材２や周辺枠組鉄骨１自体から一義的に得られる諸元、Ｅ、λ、Ｌ、ｉ、Ｉ、Ａ、ｍ（図の場合は４）、κおよび両者の固定度から得られるブレース部材２全長の座屈長さ係数γ、ならびに周辺枠組鉄骨１と柱梁架構との取り合いから得られる引張力と圧縮力との絶対値の比ｎから、ブレース部材２に作用する圧縮応力σを、上式によって得られるσc以下になるように設計することができる。
【００３２】
ちなみに、［数２］で示した式の右辺の分子π2Ｅ／λ2は、細長比λの圧縮力を受けるブレース部材２におけるオイラー座屈応力である。したがって、右辺の分母において、
【数４】
2006207313.tif 000007
であれば、この斜め格子形ブレースは、格子間隔を座屈長さとした弾性座屈を生じる。
【００３３】
また、非弾性の場合には、圧縮力を受けるブレース部材２に生じる応力σcrは、オイラー座屈応力以下であり、その座屈曲線に一般的なＪｏｈｎｓｏｎの放物線を採用すれば、
【数５】
2006207313.tif 000008
で表すことができる。
【００３４】
ここで、σyは材料の降伏応力であり、Λは限界細長比で、下式で表される。
【数６】
2006207313.tif 000009
【００３５】
したがって、この場合は、［数２］の式によって得られたσcと、［数５］の式によって得られたσcyとについて、σc≧σcy  となるように、上記諸元を定めて設計すればよい。
【００３６】
なお、上記実施の形態においては、ブレース部材２として、汎用のＨ形鋼を用いた場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、他の種々の断面形状の部材を用いることができる。
また、ブレース部材２の鋼種としては、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金等の各種の弾性論が成り立つ構造用材料を使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態において斜め格子形ブレースの諸元を表す模式図である。
【図２】本発明の前提となる座屈解析式が適用されるトラスの腹材または筋かい等の構造を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態が適用される斜め格子形ブレースを示す正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  周辺枠組鉄骨
２  ブレース部材
【図１】
2006207313.tif 000011
【図２】
2006207313.tif 000012
【図３】
2006207313.tif 000013