(57)【要約】【課題】想定外の大きさの外力が入力した場合であっても接合端部に過大な反力が生じることを防止できる軸力部材の端部接合構造を提供する。【解決手段】外力が作用するとともに軸力が発生する軸力部材２の端部２ａ（２ｂ）の接合構造Ａであって、軸力部材２の端部２ａ（２ｂ）を接合対象５にボルト３とナット４を用いてボルト接合されるとともに、中心孔にボルト３の軸部を挿通して配設される環状の皿バネ６を備え、予め設定した軸力が作用した際に皿バネ６の非線形特性を利用して過大な軸力の接合対象５への伝達を防止するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力が作用するとともに軸力が発生する軸力部材の端部の接合構造であって、
前記軸力部材の端部を接合対象にボルトとナットを用いてボルト接合されるとともに、中心孔に前記ボルトの軸部を挿通して配設される環状の皿バネを備え、
予め設定した軸力が作用した際に前記皿バネの非線形特性を利用して過大な軸力の前記接合対象への伝達を防止するように構成されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。
【請求項２】
請求項１記載の軸力部材の端部接合構造において、
中心孔に前記ボルトの軸部を挿通するとともに前記皿バネが当接するように配設される環状の座金を備えており、
前記座金が周方向に複数に分割して形成されていることを特徴とする軸力部材の端部接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダンパーや座屈拘束ブレースなどの軸力部材の端部接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダンパーや座屈拘束ブレースなどの軸力部材は、クレビスやボールジョイント等を介してその両端部を構造体にボルト接合することが多い（例えば、特許文献１参照）。また、この種の軸力部材の両端部の接合手法として、ボルトとナットを用いた引張り接合が多用されている。
【０００３】
ここで、図９に示すように、ボールジョイント１を介して両端部２ａ、２ｂを構造体にボルト接合したダンパー２においては、ダンパー軸方向と直交する力（Ｆｙ，Ｆｚ）が作用すると、ボールジョイント１が回転してダンパー２が変形に追随する。これにより、外力が作用すると、ダンパー軸方向力Ｆｘは伝達され、ダンパー軸方向と直交する力Ｆｙ，Ｆｚはほぼ０となる。また、ボールジョイント１が回転することにより、ダンパー軸まわりのトルクＴ（伝達トルク）もほとんど生じない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２１１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のようなダンパーなどの軸力部材の両端部をボルト接合する手法においては、通常の適用範囲内では反力がリリーフ荷重や降伏荷重等により頭打ちされる。この反面、許容変位／ストロークを超える想定外入力時にはストローク限界に達した後に過大な反力を生じ、本体構造体に大きな損傷を与えることも考えられる。
【０００６】
このため、想定外の大きさの外力が入力した場合であってもダンパー固定端（接合端部）に過大な反力を生じさせないフェールセーフ機構を備えることが求められていた。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、想定外の大きさの外力が入力した場合であっても接合端部に過大な反力が生じることを防止できる軸力部材の端部接合構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【０００９】
本発明の軸力部材の端部接合構造は、外力が作用するとともに軸力が発生する軸力部材の端部の接合構造であって、前記軸力部材の端部を接合対象にボルトとナットを用いてボルト接合されるとともに、中心孔に前記ボルトの軸部を挿通して配設される環状の皿バネを備え、予め設定した軸力が作用した際に前記皿バネの非線形特性を利用して過大な軸力の前記接合対象への伝達を防止するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の軸力部材の端部接合構造においては、中心孔に前記ボルトの軸部を挿通するとともに前記皿バネが当接するように配設される環状の座金を備えており、前記座金が周方向に複数に分割して形成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の軸力部材の端部接合構造においては、皿ばねの非線形特性を利用して接合端部に作用する過大な引張り力を遮断するように構成したことで、ダンパー等の軸力部材に想定外の過大な入力が作用してストロークエンドに達した場合でも、反力を頭打ちしつつ構造体との接合を強制的に解除することができる。
【００１２】
すなわち、皿バネによって、軸力部材に想定外の過大な入力が作用してストロークエンドに達した場合でも、反力を頭打ちしつつ構造体との接合を強制的に解除するヒューズ機構（フェールセーフ機構）を構成することが可能になる。
【００１３】
これにより、本発明の軸力部材の端部接合構造によれば、ダンパーなどの軸力部材からの反力によって構造体が損傷することを確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸力部材の端部接合構造を示す断面図である。
【図２】図１のＳ部を拡大した図である。
【図３】図１のＸ１−Ｘ１線矢視図である。
【図４】皿バネのたわみと荷重の関係を示す図である。
【図５】皿バネを示す斜視図である。
【図６】皿バネを示す断面図である。
【図７】皿バネのたわみと荷重の関係を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る軸力部材の端部接合構造に作用する引張り力の大きさに応じた端部接合構造の動作を示す図である。
【図９】軸力部材を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る軸力部材の端部接合構造について説明する。ここで、本実施形態は、軸力部材がダンパーであるものとして説明を行うが、本発明に係る軸力部材は、座屈拘束ブレースなど、外力が作用するとともに軸力が発生する、あらゆる部材の端部の接合構造として適用可能である。
【００１６】
本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａは、図１から図３に示すように、軸力部材２の端部２ａ（２ｂ）をボルト３とナット４を用いて構造体５等の接合対象にボルト接合するとともに、皿バネ６をフェールセーフ機構として用いる。
【００１７】
ここで、周知の通り、皿バネ６は比較的小さな部材で大きな圧縮力に対応でき、機械的性能（力学特性）も明らかな工業製品であり、大規模橋梁など土木構造物や建築用摩擦ダンパー等にも用いられている。
【００１８】
皿バネ６のたわみδと荷重Ｐの関係は図４（図５、図６参照）で表すことができ、皿バネ６のライズｈが大きくなるとＰ−δ関係は非線形となる。特に、ｈ／ｔが１．５以上であると、荷重の最大点から除荷される領域があり、皿バネ６が座屈（バックリング）することによってたわみが急増する。
【００１９】
皿バネ６を用いる際にはこのたわみが急増する不安定な非線形の領域を使わないように設計することが一般であるが、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａでは皿バネ６の非線形特性をあえて利用して構成することとした。すなわち、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａにおいては、皿バネ６の非線形特性を利用して接合端部２ａ（２ｂ）に作用する過大な引張り力を遮断するように構成されている。
【００２０】
具体的に、これを実現するため、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａでは、図１から図３に示すように、免制震ダンパーや座屈拘束ブレースなどの軸力部材２を構造体５にボルト３とナット４を用いた引張り接合で接合する。なお、ボルト３は高力ボルト、アンカーボルトなどであり、特に限定を必要としない。
【００２１】
また、ボルト３で締結される軸力部材２の端部（ボールジョイントやクレビス）２ａ、２ｂと構造体５のいずれかに皿バネ６と座金７を介してナット４を取り付ける。なお、本実施形態では、座金７が２〜４つに分割形成され、皿バネ６と構造体５の穴径はナット最外径寸法以上とする。
【００２２】
さらに、皿バネ６のたわみδと荷重Ｐとの関係が、下記のアルメン・ラスロの式である式（１）を満足するようにする。言い換えれば、皿バネ６のたわみδと荷重Ｐの関係を式（１）で求めるようにする。Ｃ１、Ｋｄ、κは式（２）、式（３）、式（４）で求められる。
【００２３】
【数１】
2018091361.tif 000003
【００２４】
【数２】
2018091361.tif 000004
【００２５】
【数３】
2018091361.tif 000005
【００２６】
【数４】
2018091361.tif 000006
【００２７】
なお、内外径比αはα＝Ｄ０／Ｄｉ、ｌｎは自然対数である。Ｅはヤング係数であり、例えばＥ＝２０５ｋＮ／ｍｍ２である。νはポアソン比であり、例えばν＝０．３である。Ｒは皿バネ６の端部の角部の曲率半径である。
【００２８】
本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａで使用する皿バネ（ワッシャ）６は、ｈ／ｔ≒２とする。
【００２９】
ここで、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａの優位性を明らかにするために行ったシミュレーション（解析結果）について説明する。
【００３０】
はじめに、本シミュレーションでは、高力ボルトＨＴＢ（Ｆ１０Ｔ）Ｍ２２を締結ボルト３として使用した。また、ナット４の最外径を３７ｍｍ、皿バネ６と構造体５の穴径を４０ｍｍと設定した。座金７は図３に示した２分割のものとした。
【００３１】
使用した皿バネ６の諸元は以下の通りである。
Ｄ０＝８０ｍｍ、Ｄｉ＝４０ｍｍ、α＝２、ｔ＝４．５ｍｍ、ｈ＝９ｍｍ、ｈ／ｔ＝２、Ｒ＝１．５ｍｍ、κ＝１．１５。
【００３２】
これにより、本シミュレーションでは、Ｃ１＝１．４４、Ｋｄ＝９１３Ｎ／ｍｍ３となる。また、たわみδと荷重Ｐの関係は図７に示す通りとなる。
【００３３】
この図７から、皿バネはたわみ５．４ｍｍで最大荷重２４３ｋＮとなり、これ以上たわみが増えると荷重が減少する（皿バネ６が座屈してつぶれ、たわみが急増する）ことが分かる。
【００３４】
ＨＴＢ−Ｍ２２の短期許容引張り力は１７７ｋＮ（たわみ２．３ｍｍ）であり、ナット４を回転してこのたわみを予め付与しておけば、ボールジョイントと構造体５の接合面にプレストレスが付与されるので１７７ｋＮ以下の引張り力が作用しても両者が一体化したまま離間することはない。
【００３５】
一方、これより大きな引張り力が作用すると、両者の離間寸法が増大し最大荷重時（２４３ｋＮ＝１．４×１７７ｋＮ）には３．１ｍｍ離間することとなる。さらに引張りが作用し続けると荷重が低下しながらたわみが増加していくこととなる。
【００３６】
これにより、ボールジョイント１で接合される構造体５に対し、最大荷重（短期許容値の１．４倍）以上の引張り反力を考慮する必要がないと言える。座屈の際には急激に荷重が低下するので座金７が分解して落下することになる。
【００３７】
なお、図８（ａ）から図８（ｃ）に示すように、皿バネ６を直列した場合には最大荷重付近で皿状が逆にひっくり返る座屈（飛越現象）が生じる。この座屈により、座金７を凸面で圧縮していた皿バネ６が突然凹面になることから分割座金７が皿バネ６からの圧縮力を失いボルト３、ナット４から離間して落下することになる。なお、図８（ａ）に示した符号９は、隣り合う分割座金７の間に介装される略Ｕ字状の板バネであり、分割座金７を脱落させるように付勢するものである。
【００３８】
このため、皿バネ６を直列する場合には、中心位置を保持するため、薄板ガイドパイプを構造体５の貫通穴の内面に配置し、皿バネ６が圧縮された際には穴内を構造体５の板厚方向にスライドできるようにすることが望ましい。
【００３９】
したがって、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａにおいては、皿バネ６の非線形特性を利用して接合端部２ａ（２ｂ）に作用する過大な引張り力を遮断するように構成したことで、ダンパー等の軸力部材２に想定外の過大な入力が作用してストロークエンドに達した場合でも、反力を頭打ちしつつ構造体５との接合を強制的に解除することができる。
【００４０】
すなわち、皿バネ６によって、軸力部材２に想定外の過大な入力が作用してストロークエンドに達した場合でも、反力を頭打ちしつつ構造体５との接合を強制的に解除するヒューズ機構（フェールセーフ機構）を構成することが可能になる。
【００４１】
これにより、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａによれば、ダンパーなどの軸力部材２からの反力によって構造体５が損傷することを確実に防止できる。
【００４２】
本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａにおいては、皿バネ６が引張り力のみに有効なヒューズ機構となるが、地震時の反力が概ね交番応力となるため、圧縮に対するヒューズ機構がなくても過大入力に対するフェールセーフ機構として十分に機能する。
【００４３】
また、ボルト３を用いた従来の引張り接合と比較すると、非線形皿バネ６を追加しただけでほぼ同じ部材構成となるため、本実施形態の軸力部材の端部接合構造Ａを適用するにあたり、特殊な装置・技能や施工法が不要で、既往の施工方法を踏襲できる。
【００４４】
以上、本発明に係る軸力部材の端部接合構造の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１    ボールジョイント
２    軸力部材
２ａ  端部
２ｂ  端部
３    ボルト
４    ナット
５    構造体（接合対象）
６    皿バネ
７    座金
９    板バネ
Ａ    軸力部材の端部接合構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018091361.tif 000011
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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