(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造であって、
前記角形鋼管柱の長手方向所定位置における４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側から間隙を介して対向する拘束手段を備え、
前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に前記拘束手段が当接して当該変形を規制可能に構成されており、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の内側に設けられて前記４側面の内面側に各々対向する内部角形鋼管又は内部円形鋼管を有して構成されていること
を特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項２】
請求項１に記載の角形鋼管柱の補強構造において、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲むとともに前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束面を有した外部角形鋼管を有して構成されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項３】
角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造であって、
前記角形鋼管柱の長手方向所定位置における４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側から間隙を介して対向する拘束手段を備え、
前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に前記拘束手段が当接して当該変形を規制可能に構成されているとともに、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲むとともに前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束面を有した外部角形鋼管を有して構成されており、
前記拘束手段が有する鋼管は、当該鋼管の降伏耐力をσyr（Ｎ／ｍｍ2）、当該鋼管の管軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、前記角形鋼管柱の幅と平行な方向の当該鋼管の幅をＤr（ｍｍ）、当該鋼管の板厚をｔr（ｍｍ）としたとき、下記の式（１）を満足するように構成されていること
を特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
0005655738.tif 000010
ここで、βは、前記角形鋼管柱の幅をＤp（ｍｍ）、当該角形鋼管柱の板厚をｔp（ｍｍ）、当該角形鋼管柱の降伏耐力をσyp（Ｎ／ｍｍ2）、当該角形鋼管柱のヤング係数をＥ（Ｎ／ｍｍ2）としたとき、下記式（２）により表される。
0005655738.tif 000011
【請求項４】
請求項１又は２に記載の角形鋼管柱の補強構造において、
前記拘束手段が有する鋼管は、当該鋼管の降伏耐力をσyr（Ｎ／ｍｍ2）、当該鋼管の管軸方向の長さをＬ（ｍｍ）、前記角形鋼管柱の幅と平行な方向の当該鋼管の幅をＤr（ｍｍ）、当該鋼管の板厚をｔr（ｍｍ）としたとき、下記の式（１）を満足するように構成されていること
を特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
0005655738.tif 000012
ここで、βは、前記角形鋼管柱の幅をＤp（ｍｍ）、当該角形鋼管柱の板厚をｔp（ｍｍ）、当該角形鋼管柱の降伏耐力をσyp（Ｎ／ｍｍ2）、当該角形鋼管柱のヤング係数をＥ（Ｎ／ｍｍ2）としたとき、下記式（２）により表される。
0005655738.tif 000013
【請求項５】
角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造であって、
前記角形鋼管柱の長手方向所定位置における４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側から間隙を介して対向する拘束手段を備え、
前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に前記拘束手段が当接して当該変形を規制可能に構成されており、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の外面側の角部に沿って設けられる４つのコーナー部材と、これらのコーナー部材間に渡って固定されて前記４側面に各々対向する４つの拘束面材とを有して構成されていること
を特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の角形鋼管柱の補強構造において、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の外面側の角部に沿って設けられる４つのコーナー部材と、これらのコーナー部材間に渡って固定されて前記４側面に各々対向する４つの拘束面材とを有して構成されていること
を特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項７】
角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造であって、
前記角形鋼管柱の長手方向所定位置における４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側から間隙を介して対向する拘束手段を備え、
前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に前記拘束手段が当接して当該変形を規制可能に構成されており、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の前記４側面のうち各々対向する２側面を貫通する一対の貫通材と、これらの貫通材の先端部に固定されて前記４側面に各々対向する４つの先端部材とを有して構成されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項８】
角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造であって、
前記角形鋼管柱の長手方向所定位置における４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側から間隙を介して対向する拘束手段を備え、
前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に前記拘束手段が当接して当該変形を規制可能に構成されており、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲むとともに前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束面を有した外部鋼管を有し、前記拘束面が中央側で前記４側面に近くなりかつ角部側で遠くなるような内向き凸の曲率を有して構成されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項９】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の角形鋼管柱の補強構造において、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲むとともに前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束面を有した外部鋼管を有し、前記拘束面が中央側で前記４側面に近くなりかつ角部側で遠くなるような内向き凸の曲率を有して構成されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項１０】
角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造であって、
前記角形鋼管柱の長手方向所定位置における４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側から間隙を介して対向する拘束手段を備え、
前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に前記拘束手段が当接して当該変形を規制可能に構成されており、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲む外部円形鋼管と、この外部円形鋼管の内面に突設されて前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束突起とを有して構成されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項１１】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の角形鋼管柱の補強構造において、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲む外部円形鋼管と、この外部円形鋼管の内面に突設されて前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束突起とを有して構成されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の角形鋼管柱の補強構造において、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の幅Ｄpに対して当該角形鋼管柱の材端から０．１Ｄp〜０．７Ｄpの範囲の一部を含んで設置されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれかに記載の角形鋼管柱の補強構造において、
前記拘束手段は、前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に当接する当該拘束手段の当接箇所と、当該角形鋼管柱の側面との間のクリアランスΔが１０ｍｍ以下となるように設置されていることを特徴とする角形鋼管柱の補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角形鋼管柱の補強構造に関し、詳しくは、角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、橋脚や鉄塔、建築物等の構造物に利用される円形鋼管柱の補強構造として、局部座屈の発生が予測される部位に対して、円形鋼管柱の外径よりも大きい内径を有した補強鋼管を配置することで、円形鋼管柱に局部座屈が発生しても急激な耐力低下を抑制することができる補強構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された従来の補強構造では、軸圧縮及び曲げモーメントを受ける円形鋼管柱の局部座屈として、圧縮縁の一部が径方向外側に凸状に突出する座屈モードが想定されており、さらに局部座屈が周方向に進展することによる提灯座屈が想定されている。このような座屈モードに対して従来の補強構造は、円形鋼管柱の外周を囲むようにして、かつ、所定の間隔を介して補強鋼管を設置することで、円形鋼管柱に局部座屈が発生して円形鋼管柱の一部が外側に突出したとしても、この突出した部分に補強鋼管の内面を当接させて座屈変形を拘束することにより局部座屈の進行を抑え、円形鋼管柱の急激な耐力低下を抑制するとともに変形性能を確保するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５２２４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の補強構造は、円形鋼管柱の一部が径方向外側に突出する座屈モードに対して座屈変形の進行を抑えるものであり、そのような座屈モード以外の局部座屈や、円形鋼管柱以外の部材の局部座屈等が想定されておらず、例えば、円形鋼管柱とは座屈モードが異なる角形鋼管柱に対しては最適な補強構造とはなり得ない。このため、角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を効果的に抑制することができる補強構造の開発が望まれていた。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、局部座屈後においても耐力低下を効果的に抑制するとともに変形性能を維持することができる角形鋼管柱の補強構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の角形鋼管柱の補強構造は、角形鋼管柱の局部座屈後の耐力低下を抑制するための角形鋼管柱の補強構造であって、前記角形鋼管柱の長手方向所定位置における４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側から間隙を介して対向する拘束手段を備え、前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に前記拘束手段が当接して当該変形を規制可能に構成されていることを特徴とする。
【０００８】
以上の本発明によれば、角形鋼管柱に局部座屈が生じて側面が外方又は内方に変形した際に、この側面の変形を拘束手段によって規制することで、座屈変形の進行を抑えて急激な耐力低下を抑制することができるとともに、局部座屈が生じた部分の周辺に応力を再配分することで角形鋼管柱としての変形性能を維持することができる。ここで、角形鋼管柱の局部座屈モードは、円形鋼管柱のように一部が径方向外側に突出するものとは異なり、角形鋼管柱の４側面のうちの互いに対向する一対の２側面が外方に突出するとともに、他の対向する一対の２側面が内方に凹むような変形を生じる座屈モードである。このことから、角形鋼管柱に対しては、本発明のように、４側面の各々に対して外面側及び内面側の少なくとも一方側に対向させて拘束手段を設けることで、少なくとも２側面の座屈変形を拘束することができ、これにより急激な耐力低下を抑制することができる。なお、角形鋼管柱の２側面の変形を拘束するだけでも一定の効果が期待できることから、拘束手段は４側面の外面側及び内面側の少なくとも一方側に設けられていればよいが、外面側及び内面側の両方に拘束手段を設けることで４側面全ての座屈変形を拘束すれば、耐力低下の抑制効果を高められることは自明である。
【０００９】
この際、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲むとともに前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束面を有した外部角形鋼管を有して構成されていてもよい。
【００１０】
このような構成によれば、外部角形鋼管の４つの拘束面を角形鋼管柱の４側面の外面側に各々対向させることで、４側面のうちの２側面が外方に突出するように座屈変形した際に、これらの２側面に各々拘束面が当接して座屈変形を規制することができる。なお、角形鋼管柱の４側面のうち他の２側面は内方に凹むように変形するため、これらの変形を外部角形鋼管によって規制することはできないものの、外方に突出する２側面の変形を規制するだけで、角部を介して連続する他の２側面の変形も抑制されることとなり、角形鋼管柱としての急激な耐力低下を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の内側に設けられて前記４側面の内面側に各々対向する内部角形鋼管又は内部円形鋼管を有して構成されていてもよい。
【００１２】
ここで、内部角形鋼管としては、角形鋼管柱の４側面の内面に沿った４つの拘束面を有するものでもよいし、４側面と傾斜した４面を有するとともにその角部（拘束角部）を４側面の内面に対向させて設けられるものでもよい。また、内部円形鋼管としては、角形鋼管柱の対向する内面間距離よりも若干小さな外径寸法を有したものであればよい。
【００１３】
このような構成によれば、内部角形鋼管又は内部円形鋼管を角形鋼管柱の４側面の内面側に各々対向させることで、４側面のうちの２側面が内方に凹むように座屈変形した際に、これらの２側面に各々内部角形鋼管又は内部円形鋼管が当接して座屈変形を規制することができる。なお、角形鋼管柱の４側面のうち他の２側面は外方に突出するように変形するため、これらの２側面の変形を内部角形鋼管又は内部円形鋼管によって規制することはできないものの、内方に凹む２側面の変形を規制するだけで、角形鋼管柱としての急激な耐力低下を抑制することができる。
【００１４】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、角形鋼管柱の外側又は内側に設けられた鋼管は、当該鋼管の降伏耐力をσyr（Ｎ／ｍｍ2）、当該鋼管の管軸方向の長さをＬ（ｍ）、前記角形鋼管柱の幅と平行な方向の当該鋼管の幅をＤr（ｍ）、当該鋼管の板厚をｔr（ｍ）としたとき、下記の式（１）を満足するように構成されていてもよい。ここで、βは、前記角形鋼管柱の幅をＤp（ｍｍ）、当該角形鋼管柱の板厚をｔp（ｍｍ）、当該角形鋼管柱の降伏耐力をσyp（Ｎ／ｍｍ2）、当該角形鋼管柱のヤング係数をＥ（Ｎ／ｍｍ2）としたとき、下記式（２）により表される。
0005655738.tif 000002
0005655738.tif 000003
【００１５】
これにより、角形鋼管柱の面外変形に対する拘束手段による抵抗能を最大限に発揮することが可能となり、その角形鋼管柱の面外変形による耐力低下を効果的に防止しつつ、角形鋼管柱の変形性能を効果的に維持することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の外面側の角部に沿って設けられる４つのコーナー部材と、これらのコーナー部材間に渡って固定されて前記４側面に各々対向する４つの拘束面材とを有して構成されていてもよい。
【００１７】
このような構成によれば、４つの拘束面材を角形鋼管柱の４側面の外面側に各々対向させることで、４側面のうちの２側面が外方に突出するように座屈変形した際に、これらの２側面に各々拘束面材が当接して座屈変形を規制することができる。なお、前述と同様に、角形鋼管柱の内方に凹む他の２側面の変形を拘束面材によって規制することはできないものの、外方に突出する２側面の変形を規制するだけで、角形鋼管柱としての急激な耐力低下を抑制することができる。
【００１８】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の前記４側面のうち各々対向する２側面を貫通する一対の貫通材と、これらの貫通材の先端部に固定されて前記４側面に各々対向する４つの先端部材とを有して構成されていてもよい。
【００１９】
ここで、４つの先端部材は、角形鋼管柱の４側面に対して外面側に設けられてもよいし、内面側に設けられてもよく、さらには４側面に対して外面側及び内面側の両方に設けられてもよい。
【００２０】
このような構成によれば、４つの先端部材を角形鋼管柱の４側面に各々対向させることで、４側面のうちの２側面が外方又は内方に座屈変形した際に、これらの２側面に各々先端部材が当接して座屈変形を規制することができるか、又は先端部材を４側面に対して外面側及び内面側の両方に設けた場合には、４側面が外方及び内方のいずれの方向に座屈変形したとしても、その変形を規制することができる。
【００２１】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲むとともに前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束面を有した外部鋼管を有し、前記拘束面が中央側で前記４側面に近くなりかつ角部側で遠くなるような内向き凸の曲率を有して構成されていてもよい。
【００２２】
このような構成によれば、外部鋼管の４つの拘束面を角形鋼管柱の４側面の外面側に各々対向させることで、４側面のうちの２側面が外方に突出するように座屈変形した際に、これらの２側面に各々拘束面が当接して座屈変形を規制することができる。この際、拘束面が内向き凸の曲率を有していることで、アーチ効果により拘束面の面外剛性を高めることができ、座屈変形した角形鋼管柱の側面が当接した際に拘束面の変形を抑制して拘束効果を高めることができる。なお、前述と同様に、角形鋼管柱の内方に凹む他の２側面の変形を外部鋼管によって規制することはできないものの、外方に突出する２側面の変形を規
制するだけで、角形鋼管柱としての急激な耐力低下を抑制することができる。
【００２３】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱を囲む外部円形鋼管と、この外部円形鋼管の内面に突設されて前記４側面の外面側に各々対向する４つの拘束突起とを有して構成されていてもよい。
【００２４】
このような構成によれば、外部円形鋼管の内面に突設した４つの拘束突起を角形鋼管柱の４側面の外面側に各々対向させることで、４側面のうちの２側面が外方に突出するように座屈変形した際に、これらの２側面に各々拘束突起が当接して座屈変形を規制することができる。この際、複数の平面からなる角形よりも面外剛性の高い外部円形鋼管に拘束突起が設けられていることで、座屈変形した角形鋼管柱の側面が当接した際の拘束効果を高めることができる。なお、前述と同様に、角形鋼管柱の内方に凹む他の２側面の変形を拘束突起及び外部円形鋼管によって規制することはできないものの、外方に突出する２側面の変形を規制するだけで、角形鋼管柱としての急激な耐力低下を抑制することができる。
【００２５】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱の幅寸法Ｄに対して当該角形鋼管柱の材端から０．１Ｄp〜０．７Ｄpの一部の範囲を含んで設置されていることが好ましい。
【００２６】
このような構成によれば、角形鋼管柱の材端から０．１Ｄp〜０．７Ｄpの一部の範囲を含んで拘束手段を設置することで、局部座屈が起こりやすい角形鋼管柱の端部近傍（例えば、柱脚部近傍）における座屈変形を効果的に拘束することができ、角形鋼管柱の耐力低下を抑制することができる。
【００２７】
また、本発明の角形鋼管柱の補強構造では、前記拘束手段は、前記角形鋼管柱に局部座屈が生じて前記側面が外方又は内方に変形した際に、当該側面に当接する当該拘束手段の当接箇所と、当該角形鋼管柱の側面との間のクリアランスΔが１０ｍｍ以下となるように設置されていることが好ましい。
【００２８】
このような構成によれば、角形鋼管柱の座屈変形による座屈初期段階での耐力劣化を効果的に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のような本発明の角形鋼管柱の補強構造によれば、円形鋼管とは座屈モードが異なる角形鋼管柱を対象とした場合でも、その４側面の各々に対して外面側及び内面側の少なくとも一方側から拘束手段を対向させて設けることで、少なくとも２側面の座屈変形を拘束することができ、これにより角形鋼管柱の急激な耐力低下を抑制することができる。さらに、必ずしも角形鋼管柱の４側面全ての座屈変形を拘束しなくても、少なくとも２側面の座屈変形を拘束するだけで、角形鋼管柱の耐力低下を効果的に抑制することができるとともに、角形鋼管柱の変形性能を維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す平面断面図である。
【図２】第１実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す側面図である。
【図３】第１実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造の作用を示す平面断面図である。
【図４】（ａ）は角形鋼管柱に対する外部角形鋼管の取り付け構造の一形態を示す斜視図であり、（ｂ）はその側面断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す平面断面図である。
【図６】第２実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す平面断面図である。
【図８】第３実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す側面断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す平面断面図であり、（ｂ）はその変形形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す平面断面図である。
【図１０】図９（ａ）の実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す側面断面図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第５実施形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す平面断面図であり、（ｂ）はその変形形態に係る角形鋼管柱の補強構造を示す平面断面図である。
【図１２】（ａ）は解析条件Ｉの下で行ったＦＥＭ解析での角形鋼管柱及び内部円形鋼管の寸法条件を示す平面断面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図１３】解析条件ＩのＦＥＭ解析での荷重条件について説明するための図である。
【図１４】解析条件Ｉの解析結果から求められた全吸収エネルギーと内部円形鋼管の板厚ｔrとの関係を示す図である。
【図１５】（ａ）は図１４における解析値ａの場合の角形鋼管柱及び内部円形鋼管の変形状態を示す平面断面図であり、（ｂ）は解析値ｂの場合の角形鋼管柱及び内部円形鋼管の変形状態を示す平面断面図である。
【図１６】解析条件Ｉの解析結果から求められた無次元化回転角θ／θpと無次元化曲げモーメントＭ／Ｍpとの関係を示す図である。
【図１７】解析条件Ｉの解析結果から求められた内部円形鋼管が受ける最大面外変形力Ｐと角形鋼管柱の基準化幅厚比βとの関係を示す図である。
【図１８】（ａ）は角形鋼管柱の局部座屈により外部角形鋼管が受ける曲げモーメント分布を示す図であり、（ｂ）は角形鋼管柱の局部座屈により内部円形鋼管が受ける曲げモーメント分布を示す図であり、（ｃ）は角形鋼管柱の局部座屈により内部角形鋼管が受ける曲げモーメント分布を示す図であり、（ｄ）は（ａ）とは条件を変えた場合の外部角形鋼管の曲げモーメント分布を示す図である。
【図１９】解析条件Iの解析結果を板厚ｔr／式（６）を満足する最小板厚ｔr(min)と全吸収エネルギーの上昇率との関係で整理した図である。
【図２０】（ａ）は解析条件IIの下で行ったＦＥＭ解析での角形鋼管柱及び内部円形鋼管の寸法条件を示す平面断面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図２１】解析条件IIの解析結果から求められた、角形鋼管柱の板厚ｔpが２２ｍｍであるときの無次元化最大曲げモーメントと変形ステップとの関係を示す図である。
【図２２】解析条件IIの解析結果から求められた、角形鋼管柱の板厚ｔpが１７ｍｍであるときの無次元化最大曲げモーメントと変形ステップとの関係を示す図である。
【図２３】解析条件IIの解析結果から求められた、角形鋼管柱の板厚ｔpが１３．４ｍｍであるときの無次元化最大曲げモーメントと変形ステップとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第２実施形態以降において、次の第１実施形態で説明する構成部材と同じ構成部材、及び同様な機能を有する構成部材には、第１実施形態の構成部材と同じ符号を付し、それらの説明を省略又は簡略化する。
【００３２】
〔第１実施形態〕
図１及び図２において、本発明の角形鋼管柱の補強構造は、角形鋼管柱１の長手方向所定位置である柱脚部に設けられる拘束手段２を備えて構成され、角形鋼管柱１の柱脚部に局部座屈が生じたとしても拘束手段２が座屈変形を規制することで、局部座屈後の角形鋼管柱１の耐力低下を抑制するとともに変形性能を確保可能に構成されている。
【００３３】
本実施形態の拘束手段２は、角形鋼管柱１を囲んで設けられる外部角形鋼管２０で構成され、この外部角形鋼管２０は、角形鋼管柱１の４つの側面１１各々の外面１１Ａ側に間隙Ｓを介して対向する４つの拘束面２１を有して構成されている。ここで、外部角形鋼管２０は、それぞれの拘束面２１を構成する４枚の鋼板を角部で溶接接合して角形鋼管としたものでもよいし、圧延や曲げ加工によって角筒状に成形した鋼材の端縁を溶接接合して形成したものでもよい。
【００３４】
このような外部角形鋼管２０は、図３に示すように、圧縮軸力と曲げモーメントが作用して角形鋼管柱１の柱脚部が局部座屈し、４つの側面１１のうちの２つの側面１１が外方に変形した際に、これら２つの側面１１の外面１１Ａに拘束面２１が当接して角形鋼管柱１の座屈変形を規制できるようになっている。ここで、角形鋼管柱１の座屈モードは、４つの側面１１のうちの互いに対向する一対（２つ）の側面１１が外方に突出するとともに、他の対向する一対（２つ）の側面１１が内方に凹むような変形を生じる座屈モードであることから、外方に突出する２つの側面１１の座屈変形を外部角形鋼管２０で規制することによって、内方に凹む他の２つの側面１１の座屈変形を規制しなくても、これらの変形も抑制することができる。従って、外部角形鋼管２０によって座屈変形を拘束することによって、角形鋼管柱１の急激な耐力低下を抑制できるとともに、角形鋼管柱１の変形性能を確保することができる。
【００３５】
図４は本実施形態に係る拘束手段２を構成する外部角形鋼管２０の角形鋼管柱１に対する取り付け構造の一形態を示す図であり、図５はその取り付け構造の他の形態を示す図である。
【００３６】
図４に示す取り付け構造は、角形鋼管柱１の外面１１Ａに溶接等により接合された支持部材９１を備えており、その支持部材９１上に外部角形鋼管２０を支承させることにより、外部角形鋼管２０が角形鋼管柱１に取り付けられている。支持部材９１は、鋼材等の金属材料や樹脂材料等からなるものであり、Ｌ字状等の種々の形状に形成される。
【００３７】
このように、角形鋼管柱１に対する外部角形鋼管２０の取り付け構造は特に限定するものではない。
【００３８】
〔第２実施形態〕
本実施形態の拘束手段２は、図５、図６に示すように、角形鋼管柱１を囲んで設けられるとともに、角形鋼管柱１の外面１１Ａ側の角部１２に沿って設けられるアングル材等からなる４つのコーナー部材３０と、これらのコーナー部材３０間に渡って固定されて４つの側面１１各々の外面１１Ａ側に間隙Ｓを介して対向する４つの拘束面材３１とを有して構成されている。
【００３９】
このような構成によれば、角形鋼管柱１の柱脚部が局部座屈して対向する２つの側面１１が外方に変形した際に、これら２つの側面１１の外面１１Ａに拘束面材３１が当接して角形鋼管柱１の座屈変形を規制できるようになっている。従って、拘束面材３１によって座屈変形を拘束することによって、角形鋼管柱１の急激な耐力低下を抑制できるとともに、角形鋼管柱１の変形性能を確保することができる。また、コーナー部材３０によって角部の剛性を高めることができるので、角形鋼管柱１の側面１１が座屈変形して拘束面材３１に当接した際のその角形鋼管柱１の更なる面外変形を効果的に抑制することができる。
【００４０】
〔第３実施形態〕
本実施形態の拘束手段２は、図７、図８に示すように、角形鋼管柱１の４つの側面１１のうち各々対向する２つの側面に形成した貫通孔１３を貫通する一対の貫通材４０と、これら各々の貫通材４０の先端部に固定されて４つの側面１１各々の外面１１Ａに間隙Ｓを介して対向する４つの先端部材４１とを有して構成されている。
【００４１】
ここで、貫通材４０としては、少なくとも先端部にねじ山を有する鋼棒が利用できるが、鋼棒に限らず、長尺状の鋼板にボルトを接合したような部材であってもよい。また、先端部材４１としては、貫通材４０のねじ山に螺合できるナットが利用でき、側面１１に対向するつばを有したつば付きナットが好適であるが、ナットに限らず、貫通材４０の先端部に溶接固定される鋼板であってもよい。
【００４２】
このような構成によれば、角形鋼管柱１の柱脚部が局部座屈して対向する２つの側面１１が外方に変形した際に、これら２つの側面１１の外面１１Ａに先端部材４１が当接して角形鋼管柱１の座屈変形を規制できることによって、角形鋼管柱１の急激な耐力低下を抑制できるとともに、角形鋼管柱１の変形性能を確保することができる。
【００４３】
〔第４実施形態〕
本実施形態の拘束手段２は、図９(ａ)に示すように、角形鋼管柱１の内側に設けられる内部円形鋼管５０を有して構成され、この内部円形鋼管５０は、角形鋼管柱１の４つの側面１１各々の内面１１Ｂ側に間隙Ｓを介して対向する外周面５１を有して構成されている。すなわち、内部円形鋼管５０の外径寸法は、角形鋼管柱１における互いに対向する一対の内面１１Ｂ間の内法寸法よりも小さく形成され、角形鋼管柱１の内部に内部円形鋼管５０が遊挿された状態で設けられている。
【００４４】
このような内部円形鋼管５０によれば、角形鋼管柱１の柱脚部が局部座屈して対向する２つの側面１１が内方に変形した際に、これら２つの側面１１の内面１１Ｂに内部円形鋼管５０の外周面５１が当接して角形鋼管柱１の座屈変形を規制できるようになっている。ここで、内方に凹む２つの側面１１の座屈変形を内部円形鋼管５０で規制することによって、外方に突出する他の２つの側面１１の座屈変形を規制しなくても、これらの変形も抑制することができる。従って、内部円形鋼管５０で座屈変形を拘束することによって、角形鋼管柱１の急激な耐力低下を抑制できるとともに、角形鋼管柱１の変形性能を確保することができる。
【００４５】
なお、本実施形態の拘束手段２は、内部円形鋼管５０に限らず、図９(ｂ)に示すように、内部角形鋼管６０であってもよく、この内部角形鋼管６０は、角形鋼管柱１の４つの側面１１各々の内面１１Ｂ側に間隙Ｓを介して対向する４つの角部６１を有して構成されている。すなわち、内部角形鋼管６０の対角方向の外形寸法は、角形鋼管柱１における互いに対向する一対の内面１１Ｂ間の内法寸法よりも小さく形成され、角形鋼管柱１の内部に内部角形鋼管６０が遊挿された状態で設けられている。
【００４６】
このような内部角形鋼管６０によっても、角形鋼管柱１の柱脚部が局部座屈して対向する２つの側面１１が内方に変形した際に、これら２つの側面１１の内面１１Ｂに内部角形鋼管６０の角部６１が当接して角形鋼管柱１の座屈変形を規制できるようになっている。従って、内部角形鋼管６０で座屈変形を拘束することによって、角形鋼管柱１の急激な耐力低下を抑制できるとともに、角形鋼管柱１の変形性能を確保することができる。また、本実施形態の内部円形鋼管５０及び内部角形鋼管６０によれば、これらの拘束手段２が角形鋼管柱１の外部に露出しないことから、角形鋼管柱１の外部仕上げ寸法の拡大を防止しつつ、外観意匠に影響しない内部から補強することができる。
【００４７】
図１０は本実施形態に係る拘束手段２を構成する内部円形鋼管５０の角形鋼管柱１に対する取り付け構造の一形態を示す図である。
【００４８】
図１０に示す取り付け構造は、角形鋼管柱１の内面１１Ｂに溶接等により接合された支持部材９１を備えており、その支持部材９１上に内部円形鋼管５０を支承させることにより、内部円形鋼管５０が角形鋼管柱１に取り付けられている。なお、本実施形態のように、角形鋼管柱１の内面１１Ｂに内部円形鋼管５０等の拘束手段２を取り付ける場合、角形鋼管柱１は、図９に示すように４枚の鋼板を角部で溶接接合して角形鋼管としたり、圧延や曲げ加工により角筒状に成形した鋼材の端縁を溶接接合したものから構成されることが好ましい。これにより、角形鋼管柱１となる鋼材の内部に予め拘束手段２を設置してから角形鋼管柱１を組み立てることによって、角形鋼管柱１の内部に拘束手段２を簡単に設置することが可能となる。
【００４９】
〔第５実施形態〕
本実施形態の拘束手段２は、図１１(ａ)に示すように、角形鋼管柱１を囲んで設けられる外部鋼管７０で構成され、この外部鋼管７０は、角形鋼管柱１の４つの側面１１各々の外面１１Ａ側に間隙Ｓを介して対向する４つの拘束面７１を有して構成されている。４つの拘束面７１は、幅方向の中央部で角形鋼管柱１の側面１１に最も近づくとともに、角部１２側で側面１１から遠ざかるような内向き凸の曲率を有して形成され、側面１１に最も近づく中央部の内周面７２と外面１１Ａとの間に間隙Ｓが確保されている。
【００５０】
このような外部鋼管７０によれば、角形鋼管柱１の柱脚部が局部座屈して対向する２つの側面１１が外方に変形した際に、これら２つの側面１１の外面１１Ａに外部鋼管７０の内周面７２が当接して角形鋼管柱１の座屈変形を規制できるようになっている。従って、外部鋼管７０で座屈変形を拘束することによって、角形鋼管柱１の急激な耐力低下を抑制できるとともに、角形鋼管柱１の変形性能を確保することができる。また、拘束面７１が内向き凸の曲率を有していることで、アーチ効果により拘束面７１の面外剛性を高めることができ、座屈変形した角形鋼管柱１の側面１１が当接した際に拘束面７１の変形を抑制して拘束効果を高めることができる。
【００５１】
なお、本実施形態の拘束手段２は、外部鋼管７０に限らず、図１１(ｂ)に示すように、角形鋼管柱１を囲んで設けられる外部円形鋼管８０と、この外部円形鋼管８０の内面に突設されて角形鋼管柱１の４つの側面１１各々の外面１１Ａ側に間隙Ｓを介して対向する４つの拘束突起８１とを有して構成されたものでもよい。すなわち、外部円形鋼管８０の内径寸法は、角形鋼管柱１における対角方向の外形寸法よりも大きく形成され、この外部円形鋼管８０の内周面に鋼板からなる拘束突起８１が固定されている。
【００５２】
このような構成によっても、角形鋼管柱１の柱脚部が局部座屈して対向する２つの側面１１が外方に変形した際に、これら２つの側面１１の外面１１Ａに拘束突起８１が当接して角形鋼管柱１の座屈変形を規制できるようになっている。従って、外部円形鋼管８０及び拘束突起８１で座屈変形を拘束することによって、角形鋼管柱１の急激な耐力低下を抑制できるとともに、角形鋼管柱１の変形性能を確保することができる。また、面外剛性の高い外部円形鋼管８０の内周面に拘束突起８１が設けられていることで、座屈変形した角形鋼管柱１の側面１１が当接した際の拘束効果を高めることができる。
【００５３】
次に、本発明に係る拘束手段２の角形鋼管柱１に対する取り付け位置について説明する。
【００５４】
第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態、第５実施形態に係る拘束手段２のように、拘束手段２が外部角形鋼管２０等の管体を有して構成される場合、その管体から構成される拘束手段２は、図２に示すように、角形鋼管柱１の幅寸法Ｄp（ｍｍ）に対して、その軸方向の長さ寸法が０．６Ｄp以上となるように設定され、かつ、角形鋼管柱１の材端１ａから０．４Ｄpの位置を中心として、その軸方向両側に０．３Ｄpの範囲を含むように設置されることが好ましい。換言すると、角形鋼管柱１の材端１ａからその管体から構成される拘束手段２の下端部２ａまでの長さＬ１と、上端部２ｂまでの長さＬ２とのそれぞれが０．１Ｄp以下０．７Ｄp以上となるように設置されることが好ましい。このような範囲に管体から構成される拘束手段２を設けることで、局部座屈の生じやすい角形鋼管柱１の端部近傍の座屈変形を効果的に抑制することができる。具体的には、角形鋼管柱１における局部座屈の波形は、角形鋼管柱１の材端１ａから０．４Ｄｐの位置の面外変形量が最大になることが知られていることから、この位置を中心にして材端１ａ側に少なくとも０．３Ｄpの領域と材中央側に少なくとも０．３Ｄの領域とを管体から構成される拘束手段２で覆うことで、局部座屈による座屈変形に対する抑制効果を高めることができる。
【００５５】
なお、第３実施形態に係る補強構造のように、拘束手段２が一対の貫通材４０と先端部材４１とを有して構成される場合、拘束手段２としての一対の貫通材４０及び先端部材４１は、図８に示すように、角形鋼管柱１の材端１ａから０．１Ｄp〜０．７Ｄpの範囲の一部を含んで設置されていれば、上述の座屈変形を効果的に抑制する効果を発揮することが可能となる。
【００５６】
次に、本発明に係る拘束手段２の好ましい寸法条件について説明する。
【００５７】
本発明者は、本発明に係る拘束手段２の好ましい寸法条件を検討するため、以下に説明するような解析条件の下でＦＥＭ解析を行った。以下、その解析条件を解析条件Ｉとして
説明する。
【００５８】
解析条件Ｉでは、図９（ａ）に示すような形態の角形鋼管柱１の補強構造を適用した場合の、角形鋼管柱１及び内部円形鋼管５０の変形挙動について解析することとした。
【００５９】
角形鋼管柱１及び内部円形鋼管５０の寸法条件は図１２に示すような条件とした。角形鋼管柱１の板厚ｔpについては２２ｍｍ、１７ｍｍ、１３ｍｍと条件を変え、内部円形鋼管５０の板厚ｔrについては様々な条件に変えて解析を行なった。材料条件は角形鋼管柱１、内部円形鋼管５０のそれぞれについてＢＣＰ３２５、ＳＴＫＲ４９０を用いた場合のヤング率等を設定した。拘束条件は角形鋼管柱１の材端１ａが地盤面３に固定されているものと設定した。荷重条件は、角形鋼管柱１に降伏軸力Ｎｙ（Ｎ）の０．３倍となる圧縮軸力Ｎ（Ｎ）を負荷し、その圧縮軸力の値、方向を一定に保持したまま角形鋼管柱１の上端部１ｂを曲げ変形させるように載荷するものとして設定した。曲げ変形させるときの曲げ変形量は、図１３に示すように、角形鋼管柱１の上端部１ａを曲げ変形させたときの中心軸の曲げ変形前からの回転角をθとしたとき、図１３に示すような変形履歴となるように設定した。なお、この変形履歴では、回転角θのときの角形鋼管柱１の材端１ａでの曲げモーメントをＭとしたとき、角形鋼管柱１に全塑性モーメントＭpの曲げ荷重を負荷させたときの回転角θpに対して、２θp、４θp、６θp、８θpの最大変形量が順に正負２回ずつ与えられるものとして設定した。
【００６０】
解析条件Ｉでの解析結果から、回転角θと曲げモーメントＭとの関係で整理して得られる履歴曲線の履歴面積について、全載荷履歴で積算して全吸収エネルギーを求めた。図１４はその全吸収エネルギーと内部円形鋼管５０の板厚ｔrとの関係を示す図である。
【００６１】
このように、角形鋼管柱１の全吸収エネルギーは、内部円形鋼管５０の板厚ｔrの増加に伴い向上し、ある板厚を超えた時点で飽和する傾向があることが新たに知見された。また、この全吸収エネルギーが飽和するときの内部円形鋼管５０の板厚ｔrの値は、角形鋼管柱１の断面形状に応じて変化する傾向があることが知見された。以下、角形鋼管柱１の板厚ｔpが２２ｍｍ、１７ｍｍ、１３ｍｍそれぞれの条件の下で得られた解析値のうち、全吸収エネルギーが飽和するときの内部円形鋼管５０の最小の板厚値を飽和板厚値という。
【００６２】
図１５（ａ）は図１４における解析値ａの場合の角形鋼管柱１及び内部円形鋼管５０の変形状態を示す平面断面図であり、（ｂ）は図１４における解析値ｂの場合の変形状態を示す平面断面図である。このように、内部円形鋼管５０の板厚ｔrが飽和板厚値より小さい場合、角形鋼管柱１の局部座屈に伴う面外変形により内部円形鋼管５０に塑性ヒンジが形成されてしまうのに対して、内部円形鋼管５０の板厚ｔrが飽和板厚値である場合、その角形鋼管柱１の面外変形により内部円形鋼管５０に塑性ヒンジが形成されていなかった。内部円形鋼管５０に塑性ヒンジが形成されるということは、角形鋼管柱１の面外変形に対して内部円形鋼管５０が十分に抵抗していないということを意味している。
【００６３】
また、解析条件Ｉでの解析結果から、回転角θを回転角θpで除算した無次元化回転角θ／θpと、曲げモーメントＭを全塑性モーメントＭpで除算した無次元化曲げモーメントＭ／Ｍpとを求めた。図１６は、その無次元化回転角θ／θpと無次元化曲げモーメントＭ／Ｍpとの関係を示す図である。このように、内部円形鋼管５０の板厚ｔrが飽和板厚値となる場合（図中実線）と飽和板厚値より小さい場合（図中点線）とを比較すると、板厚ｔrが飽和板厚値より小さい場合の方が、最大耐力に到達後の耐力低下が大きく、角形鋼管柱１の吸収エネルギー量が小さくなっていた。
【００６４】
これらのことから、角形鋼管柱１の面外変形に対する拘束手段２による抵抗能を最大限に発揮して、角形鋼管柱１の耐力低下及び変形性能の維持を可能とする拘束手段２による補強効果を十分に確保するうえでは、角形鋼管柱１の面外変形により拘束手段２が塑性ヒンジを形成しないような条件を設定することが必要となることが導かれる。
【００６５】
ここで、内部円形鋼管５０の板厚ｔrが飽和板厚値を超えた以降において角形鋼管柱１の全吸収エネルギーが増大しないということは、内部円形鋼管５０の板厚ｔrが飽和板厚値である場合に角形鋼管柱１から内部円形鋼管５０が受ける面外変形力Ｐが、角形鋼管柱１の座屈変形によって内部円形鋼管５０が受け得る最大面外変形力Ｐということになる。図１７は、この最大面外変形力Ｐを角形鋼管柱１の基準化幅厚比βとの関係で整理した図である。ここで、基準化幅厚比βとは、角形鋼管柱１の幅をＤp（ｍｍ）、角形鋼管柱１の板厚をｔp（ｍｍ）、角形鋼管柱１の降伏耐力をσyp（Ｎ／ｍｍ2）、角形鋼管柱１のヤング係数をＥ（Ｎ／ｍｍ2）としたとき、下記式（２）により表される。基準化幅厚比βが大きいほど、ある角形鋼管柱１の幅Ｂに対して板厚ｔpが小さい断面形状となることになり、局部座屈が生じやすくなることになる。
0005655738.tif 000004
【００６６】
図１７に示すように、基準化幅厚比βが大きいほど、最大面外変形力Ｐが小さくなる傾向があり、その基準化幅厚比βと最大面外変形力Ｐとの間にはほぼ線形な関係があることが新たに知見された。この線形関係を表す式として、解析値から一次回帰式を求めたところ、下記の式（３）が算出された。この最大面外変形力Ｐは、下記の式（３）から把握できるように、角形鋼管柱１の寸法条件に応じて定まり、拘束手段２の形態によらないものとなる。
Ｐ＝−３４８β＋６２２  ・・・  （３）
【００６７】
ここで、拘束手段２として、上述の第１実施形態、第４実施形態において説明したような、外部角形鋼管２０、内部円形鋼管５０、内部角形鋼管６０を用いた場合において、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すような位置に力Ｐが作用したときに、外部角形鋼管２０等のそれぞれに作用する曲げモーメントについて考える。この曲げモーメントは、図１８（ａ）〜（ｃ）に示すような分布を示し、その最大曲げモーメントＭmaxは何れの場合も図示のような位置でＰＤr／８となる。なお、Ｄrは角形鋼管柱１の幅Ｄpと平行な方向の外部角形鋼管２０等の幅Ｄrを意味する。
【００６８】
すると、外部角形鋼管２０等の拘束手段２が塑性ヒンジを形成しないための条件とは、上述の式（３）から算出される最大面外変形力Ｐが外部角形鋼管２０等の拘束手段２に作用したときに、その拘束手段２に作用する最大曲げモーメントＭmaxが全塑性モーメントＭpとの関係で、下記の式（４）を満足すればよいことになる。
Ｍmax≦Ｍp  ・・・  （４）
【００６９】
ここで、全塑性モーメントＭpは、下記の式（５）から導出されることが知られている。但し、Ｚpは拘束手段２を構成する外部角形鋼管２０等の塑性断面係数（ｍｍ3）であり、σyrはその降伏耐力（Ｎ／ｍｍ2）であり、Ｌはその管軸方向の長さ（ｍｍ）であり、ｔrはその板厚（ｍｍ）である。
0005655738.tif 000005
【００７０】
そして、上述の（３）〜（５）と最大曲げモーメントＭmax＝ＰＤr／８を組み合わせることにより、下記の式（６）が導出される。
0005655738.tif 000006
【００７１】
因みに、図１８（ａ）においては、外部角形鋼管２０の曲げモーメントの分布として、外部角形鋼管２０の各側面が角部２２で回転剛性があるように接続されたとみなした場合の分布を示している。外部角形鋼管２０の各側面が角部２２でピン接続されているとみなした場合、その曲げモーメントの分布は、図１８（ｄ）に示すようになり、その最大曲げモーメントＭmaxはＰＤr／４となる。この点を考慮して、上述の（３）〜（５）を組み合わせると、上述の式（６）に代替する式として、下記の式（６）´が導出される。
0005655738.tif 000007
【００７２】
ここで、図１９は、拘束手段２を構成する外部円形鋼管２０等の板厚ｔrについて、上述の式（６）を満足する最小板厚ｔr(min)で除算した値と角形鋼管柱１の全吸収エネルギーの上昇率との関係で解析結果を整理した図である。なお、全吸収エネルギーの上昇率は、拘束手段２を設けたときの角形鋼管柱１の全吸収エネルギーについて、拘束手段２がないときの角形鋼管柱１の全吸収エネルギーで除算することにより求められる。
【００７３】
このように、上述の式（６）を満足する板厚ｔrとした場合、拘束手段２がない条件と比較して全吸収エネルギーが１．２倍以上に増大していることが確認できる。また、上述の式（６）を満足する最小板厚ｔr(min)に対して０．６倍の板厚ｔrとした場合、即ち、下記の式（１）を満足する場合でも、拘束手段２がない条件と比較して全吸収エネルギーを１．１倍以上にできることが確認できる。
0005655738.tif 000008
【００７４】
以上の解析条件Ｉの解析結果に基づき、本発明に係る拘束手段２の好ましい寸法条件として、以下のものを導出した。即ち、本発明に係る拘束手段２として、第１実施形態、第４実施形態において説明したような、外部角形鋼管２０、内部円形鋼管５０、内部角形鋼管６０の何れかを用いる場合、それぞれの鋼管２０、５０、６０は、上述の式（１）を満足するように構成されていることが好ましい。これにより、角形鋼管柱１の面外変形に対する鋼管２０、５０、６０による優れた抵抗能を発揮することが可能となり、その角形鋼管柱１の面外変形による耐力低下を効果的に防止しつつ、その角形鋼管柱１の変形性能を効果的に維持することが可能となる。また、このような角形鋼管柱１の面外変形に対する鋼管２０、５０、６０による抵抗能を最大限に発揮する観点からは、各鋼管２０、５０、６０は、上述の式（６）を満足することがより好ましい。因みに、拘束手段２が外部角形鋼管２０により構成される場合、上述の式（１）の右辺に２1/2を乗算した式、又は、式（６）´を満足するように構成されていることが更に好ましく、これにより、角形鋼管柱１の面外変形による耐力低下をより効果的に防止しつつ、角形鋼管柱１の変形性能をより効果的に維持することが可能となる。
【００７５】
なお、上述の式（１）、（６）は、拘束手段２を構成する鋼管２０、５０、６０の板厚ｔrの下限値を定めるものであり、その板厚ｔrの上限値は特に限定するものではないが、鋼材の降伏点のばらつきに対して安定して効果を発揮する観点からは、上述の式（６）を満足する最小板厚ｔr(min)に対して１．２倍の板厚が確保できれば十分である。このため、この板厚ｔrは、下記の式（７）を満足することが好ましく、これにより、鋼材の降伏点のばらつきに対して安定した効果を発揮しつつ、鋼材コストを抑えることが可能となる。
0005655738.tif 000009
【００７６】
次に、本発明に係る拘束手段２と角形鋼管柱１との間のクリアランスΔ（ｍｍ）について説明する。なお、ここでいうクリアランスΔとは、角形鋼管柱１に局部座屈が生じてその側面１１が外方又は内方に変形した際に、その側面１１に当接する拘束手段２の当接箇所２ｃと、角形鋼管柱１の側面１１との間の幅のことをいう。
【００７７】
本発明者は、本発明に係る拘束手段２について、好ましいクリランスΔを検討するため、以下に説明するような解析条件の下でＦＥＭ解析を行なった。以下、その解析条件を解析条件IIとして説明する。
【００７８】
解析条件IIでも、解析条件Ｉと同様に、図９（ａ）に示すような形態の角形鋼管柱１の補強構造を適用した場合の、角形鋼管柱１及び内部円形鋼管５０の変形挙動について解析することとした。
【００７９】
角形鋼管柱１及び内部円形鋼管５０の寸法条件は図２０に示すような条件とした。角形鋼管柱１の板厚ｔpについては２２ｍｍ、１７ｍｍ、１３．４ｍｍと条件を変え、クリアランスΔについては様々な条件に変えて解析を行なった。この他の材料条件、拘束条件、荷重条件は、解析条件Ｉと同様とした。
【００８０】
解析条件IIでの解析結果から、変形履歴の各ステップでの角形鋼管柱１の最大曲げモーメントを全塑性モーメントＭpで除算した無次元化最大曲げモーメントを求めた。図２１〜図２３はその無次元化最大曲げモーメントと変形履歴の各ステップとの関係を示す図である。このように、内部円形鋼管５０による補強効果は、クリアランスΔが小さくなるほど向上することが把握できる。特に、クリアランスΔが１０ｍｍ以下の場合、角形鋼管柱１の板厚ｔpによらず角形鋼管柱１の座屈変形に対する座屈初期段階での耐力劣化が抑えられていた。これは、クリアランスΔが１０ｍｍ以下の場合に、角形鋼管柱１の座屈初期段階で内部円形鋼管５０が角形鋼管柱１に接触して、内部円形鋼管５０による座屈変形拘束効果を早期に発揮させることができたためと考えられる。また、クリアランスΔが５ｍｍ以下の場合、角形鋼管柱１の板厚ｔpによらず角形鋼管柱１の座屈変形に対する座屈初期段階での最大耐力が向上していた。
【００８１】
以上の解析結果に基づき、本発明においては、そのクリアランスΔについて、１０ｍｍ以下とすることを好ましい条件としている。クリアランスΔが１０ｍｍ以下であれば、角形鋼管柱１の座屈変形による座屈初期段階での耐力劣化を拘束手段２によって効果的に防止することが可能となる。また、クリアランスΔは５ｍｍ以下とすることが更に好ましい。クリアランスΔが５ｍｍ以下であれば、角形鋼管柱１の座屈変形に対する座屈初期段階での最大耐力の向上を図ることが可能となる。なお、これらの効果は、上述の第１実施形態〜第５実施形態の何れにおいても発揮させることが可能である。
【００８２】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
【００８３】
例えば、前記各実施形態においては、角形鋼管柱１の柱脚部に拘束手段２を設けたが、拘束手段２を設ける角形鋼管柱１の長手方向所定位置としては、柱脚部に限らず、柱頭部でもよいし、さらに柱中間部でもよい。さらに、角形鋼管柱１の柱脚部や柱頭部などを含んだ複数箇所に拘束手段２を設けてもよい。
【００８４】
また、拘束手段２の設置位置は、前記実施形態のように、角形鋼管柱１の材端から０．１Ｄp〜０．７Ｄpの範囲に限定されず、角形鋼管柱１の全長に渡って連続して拘束手段２が設けられてもよいし、断続的に拘束手段２が設けられてもよい。
【００８５】
その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想及び目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
【００８６】
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８７】
１…角形鋼管柱、１ａ…材端、１ｂ…上端部、２…拘束手段、２ａ…下端部、２ｂ…上端部、２ｃ…当接箇所、３…地盤面、１１…側面、１１Ａ…外面、１１Ｂ…内面、１２…角部、２０…外部角形鋼管、２１…拘束面、２２…角部、３０…コーナー部材、３１…拘束面材、４０…貫通材、４１…先端部材、５０…内部円形鋼管、６０…内部角形鋼管、７０…外部鋼管、７１…拘束面、８０…外部円形鋼管、８１…拘束突起、９１…支持部材、Ｓ…間隙、Δ…クリアランス。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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