(57)【要約】      （修正有）【課題】構造骨組の鉄骨造部分の梁又は柱について、地震力が過大に作用した場合に形成される塑性ヒンジ部に発生する局部座屈によりもたらされる、柱梁仕口部の梁端や柱脚等の溶接部における局所曲げ応力と、フランジの軸方向剛性低下による応力集中とを抑制する局部座屈抑制構造及びその局部座屈抑制構造を鉄骨造部分に適用した構造骨組を提供する。【解決手段】大地震時に曲げを受けて形成されるＨ形断面材等の塑性ヒンジ部の局部座屈発生予想範囲について、フランジ３とそのフランジ３の部分に連続するウェブ４とに沿って一体的に形成した内拘束材５と、フランジ３に外側から接触するように配置した外拘束材６とによって、フランジ３を両面から挟み込んで、フランジ３に固定することなく内拘束材５と外拘束材６同士を連結する。かつ、ウェブ４の両側に位置する内拘束材５の一対によりウェブ４を両側から挟み込んで取り付ける。【選択図】図１
2016121475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄骨造における梁又は柱、もしくはＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の梁又は柱のＨ形断面材について、大地震時に形成される塑性ヒンジ部の局部座屈発生想定範囲のフランジと、そのフランジ部分に連続するウェブとに沿って一体的に形成した一対の内拘束材と、前記フランジに外側から接触するように配置した外拘束材とによって、前記フランジを両面から挟み込んでかつ前記内拘束材と前記外拘束材を前記フランジに固定することなく、前記内拘束材と前記外拘束材同士を連結し、前記ウェブの両側に位置する前記内拘束材の一対にて前記ウェブを挟み込んで取り付けて成る、鉄骨部材の局部座屈抑制構造。
【請求項２】
請求項１記載の鉄骨部材の局部座屈抑制構造において、前記一対の内拘束材と前記外拘束材が一体成形されていることを特徴とする鉄骨部材の局部座屈抑制構造。
【請求項３】
鉄骨造における梁又は柱、もしくはＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の梁又は柱のＨ形断面部材について、大地震時に形成される塑性ヒンジ形成想定部位に、予め請求項１又は２に記載の局部座屈抑制構造を適用したことを特徴とする構造骨組。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建物に地震力が過大に作用した場合に、鉄骨造における梁又は柱、もしくはＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の梁又は柱に形成される塑性ヒンジ（＝構造部材が降伏後に、曲げ耐力を保持しながら回転変形するようになった状態を示す概念）部の板要素（Ｈ形断面等の開断面材のフランジとウェブ）に発生する局部座屈を抑制する局部座屈抑制構造と、その局部座屈抑制構造を梁又は柱に適用した構造骨組に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、図１２（ａ）に図示の、２層１スパンラーメン架構で説明すると、地震による水平力Ｐ１、Ｐ２が設計荷重を超えて構造骨組に作用した場合、曲げモーメントは破線のような分布となり、大きな曲げモーメントが作用する柱や梁の端部に塑性ヒンジ１００、１００・・・（図１２（ｂ）に図示の●）が形成されるが、その塑性ヒンジ１００の耐力と変形性能は、Ｈ形断面材を例にとると、圧縮側フランジに局部座屈が発生しなければ引張側フランジの引張耐力と延び能力が発揮されて良好となる。
【０００３】
しかし、圧縮側フランジの局部座屈が先行して発生すると、塑性ヒンジ１００は早期に耐力低下を起すので、従来の設計法では、圧縮を受けるフランジの幅厚比（＝ウェブ芯からのフランジの突出寸法／板厚）が小さい部材を用いることで、局部座屈の発生をできるだけ遅らせる方法を採用している。また、一定の幅厚比を超える部分の断面を、計算上無視する「幅厚比制限」があり、必ずしも全断面有効に使用できない場合もあった。
【０００４】
図１３（ａ）に図示のような、コンクリートスラブ２０がスタッドジベル等にて上フランジ３ａに取り付けられたＨ形断面の梁２の柱１との接合部近傍に塑性ヒンジが形成される場合で説明する。図１３（ｂ）に図示のように、梁接合断面２ａにおいて、地震時に半円矢印の向きに曲げを受けて上フランジ３ａ側が圧縮（この時の上フランジの圧縮ひずみをUεc1とする）になると、コンクリートスラブ２０が柱１の側面に接触して抵抗するため、中立軸(＝梁断面の平面保持を仮定した時、部材の断面において、力が釣り合った状態で応力が零となる位置)が梁２断面の上方に移動して、下フランジ３には、圧縮ひずみUεc1よりも絶対値がかなり大きな引張ひずみLεt1が発生する。この時、引張ひずみLεt1は降伏点ひずみεｙを超えているものとする。
【０００５】
続いて図１３（ｃ）のように、逆に前記下フランジ３が圧縮になる曲げを受けると、コンクリートスラブ２０は引張に抵抗できないので、中立軸は梁２の材芯近くまで下がるが、前記下フランジ３の圧縮ひずみLεc1は前記引張ひずみLεt1よりも絶対値が小さいため、引張ひずみは相殺しきれず、ある程度の引張ひずみが残ることになる。その結果、地震力の繰り返し作用によって、下フランジ３には残留引張ひずみが累積するため、上フランジ３ａにコンクリートスラブ２０が無い場合に比べて下フランジ３は早期に破断する。
【０００６】
一方、上フランジ３ａの引張ひずみUεt1は下フランジ３の引張ひずみLεt1よりもかなり小さいので、上フランジ３ａは下フランジ３に比べて、早期には破断しにくい。
【０００７】
コンクリートスラブ２０を支持している梁２の柱１との接合部、即ち、柱梁仕口部の梁接合断面２ａに、地震による繰り返し曲げ応力が作用した場合の上記のような現象を、この梁接合断面２ａにおける応力〜ひずみ関係において説明する。
【０００８】
先ず、図１４（ａ）に図示の半円矢印の向きに曲げが作用し、上フランジ３ａ側が圧縮になった場合の前記接合断面２ａにおけるひずみ分布は、断面の平面保持を仮定すると、コンクリートスラブ２０も圧縮に抵抗する（柱１側面に押し付けられる）ため、梁接合断面２ａでの力の釣り合いにより、中立軸が梁２の材芯位置から上方に移動し、中立軸から遠くなる下フランジ３には大きな引張ひずみLεt1が発生する。一方、上フランジ３ａは中立軸から近くなるので、圧縮ひずみUεc1の絶対値は引張ひずみLεt1よりもかなり小さい。
【０００９】
例えば、模式的に表現した図１６（ａ）の下フランジ３の応力σ〜ひずみε曲線を参照して、下フランジ３に引張ひずみLεt1が生じて塑性化しＡ点にあるとすると、この時の圧縮を受けている上フランジ３ａの状態は、図１６（ｂ）に示す上フランジ３ａの応力σ〜ひずみε曲線の圧縮側のＡ´点にあり、圧縮ひずみUεc1は小さく、未だ降伏応力−σｙ（圧縮）に達していないとする。ここに、図中のσは応力、εはひずみであり、添え字のｔは引張を、cは圧縮を示す。
【００１０】
次に、上記とは逆に、図１４（ｂ）に図示の半円矢印の向きに曲げを受けると、下フランジ３の状態は図１６（ａ）の応力零のＢ点を通過し、圧縮側のＣ点まで反転する。Ｂ点における残留ひずみをLεｒ1とする。この時、上フランジ３ａ側が引張となるが、図１４（ｂ）に図示のように、コンクリートスラブ２０は引張に抵抗できないため、中立軸が梁２の材芯近傍まで下がり、下フランジ３には、前記の引張ひずみLεt1よりも絶対値の小さい圧縮ひずみLεc1（図１６（ａ）のＢ点からＣ点までのひずみ）が発生する。曲げが解除されると、下フランジ３は図１６（ａ）のＣ点から応力零のＤ点の状態になるが、圧縮ひずみLεc1はＢ点における残留ひずみLεｒ1を零にまで戻すことが出来ず、Ｄ点には残留ひずみLεｒ2だけ引張ひずみとして残る。
【００１１】
一方、図１４（ｂ）に示す半円矢印の向きに曲げを受けた上フランジ３ａの状態は、図１６（ｂ）に図示のように、Ａ´点は弾性範囲なので、ひずみも応力も零のＢ´点を通過し、引張側のＣ´点まで反転する。Ｃ´点における引張ひずみUεt1が降伏ひずみεyを超過したとすれば、曲げが解放されてＣ´点から応力零のＤ´点に到達しても、若干の残留ひずみとしてUεt1−εy＝Uεｒ1（引張）だけ残る。しかし、Uεｒ1は下フランジ３のＤ点における残留ひずみLεｒ2に比べれば僅かである。即ち、下フランジ３のＤ点（上フランジ３ａのＤ´点）における残留ひずみ状態は、図１５のようになり、下フランジ３の方が大きな引張ひずみLεｒ2（＜Uεｒ1）が残ることになる。
【００１２】
地震力によって梁端部には正負繰り返しの曲げが作用するので、以上のような過程が繰り返され、下フランジ３の応力〜ひずみ関係は、図１６（ｃ）に図示のように、引張ひずみに偏った累積が促進されることになり、その結果、早期に破断に至る。
【００１３】
以上のように、下フランジ３が早期破断に至る原因の1つは、引張ひずみに偏った累積であるが、上フランジ３ａのようにコンクリートスラブ２０のようなものが無いため下フランジ３の面外変形が抑制されないことから、必然的に、圧縮を受けた時に局部座屈が発生し易いことがもう一つの主要な原因である。即ち、局部座屈による下フランジ３の面外曲げが地震時に繰り返されることにより、早期破断が促進される。
【００１４】
以上は、引張ひずみの累積が原因となる下フランジ３の早期破断の説明であったが、地震時に部材が繰り返し曲げを受けると局部座屈がより一層発生し易くなる現象について説明する。一般に、降伏した鋼材が圧縮を受けた場合、降伏を経験していない鋼材よりも座屈し易い特性がある。その主な理由は、以下のように説明できる。
【００１５】
図１６（ａ）に図示した下フランジ３の応力〜ひずみ曲線のＡ点から応力零のＢ点までは、ほぼ直線的で弾性剛性に近いが、応力が反転して圧縮応力が増し、Ｃ点に至る過程は非線形であり、その曲線の接線勾配は徐々に低下する。この現象は「バウシンガー効果」として知られており、応力が圧縮から引張に反転する場合も同様である。図１６（ａ）において、弾性時の初期剛性をＥ0、Ｂ点〜Ｃ点の接線剛性をＥ1、以降最大経験ひずみを超過した後、圧縮に反転した後の接線剛性をＥiとすると、応力が同じであればＥ0＞Ｅ1＞…＞Ｅiとなる。即ち、最大経験ひずみが大きくなる程、「バウシンガー効果」による接線剛性の低下は進む。
【００１６】
一方、板の局部座屈は、形状寸法と板周辺の支持（境界）条件が同じ場合、鋼材が弾性状態では、ヤング係数（縦弾性係数とも言う）Ｅ（＝応力σ／ひずみε）に支配される。例えば、図１７に図示のような長方形板の場合の局部座屈限界応力σcrは次式で与えられる。
【００１７】
σcr＝ｋπ2Ｅ（ｔ/ｂ）2/{12（１−ν2）}
ここに、
σcr：＝Ｎｃ/（ｂ・ｔ）
Ｎｃ：圧縮力
ｔ：板厚
ｂ：板幅（圧縮力が作用している辺の寸法）
ｋ：座屈係数＝板周辺の境界条件、および板の縦横比（ａ/ｂ）によって決まる
係数（ａは、圧縮力と平行な辺の寸法）
Ｅ：ヤング係数（縦弾性係数）＝定数（鋼材の場合：2.05×105N/mm2）
ν：ポアソン比（応力作用直交方向ひずみの応力作用方向ひずみに対する比）＝
定数（鋼材の場合：0.3）
【００１８】
上式から、局部座屈限界応力σcrを支配するのは、板周辺の境界条件と板の縦横比（＝ａ/ｂ）とが同じ、即ちk＝一定であれば、ヤング係数（縦弾性係数）Ｅ、即ち軸方向剛性であることが分かる。
【００１９】
降伏を経験した板の場合には、「バウシンガー効果」によって軸方向剛性が初期剛性Ｅ0即ちＥよりも小さくなることは前述の通りであり、図１６（ａ）の応力σ〜ひずみε関係から、Ｅ（＝Ｅ0）＞Ｅ1＞…＞Ｅiである。従って、降伏後の板は、最大経験ひずみが大きくなる程、鋼材の接線剛性Ｅiが低下するため、前記式のヤング係数Ｅに対応する軸方向剛性が小さくなるので、局部座屈は発生し易くなることが理解できる。同時に、板が面外変形するため幾何学的にも軸方向剛性は低下する。
【００２０】
フランジが局部座屈した場合の影響として、以下のようなことが挙げられる。
１）塑性ヒンジの耐力と変形性能が、圧縮フランジの局部座屈により決定され、フランジ本来の引張耐力を発揮する前に、構造骨組全体の保有水平耐力と変形能力が限界付けられる。
【００２１】
２）図１８（ａ）に図示のように、半円矢印の向きに曲げを受けると、下フランジ３に作用する圧縮力Ｎ（図１８（ｄ）参照）によって、下フランジ３に局部座屈Ａ、Ａ・・・が発生し、それに伴って柱梁仕口部の梁接合断面２ａの溶接部に局所曲げ（Ｚ部を拡大した図１８（ｃ）の半円矢印の向き）による曲げ応力σｃ、σｔをもたらし、圧縮力Ｎにより発生する下フランジ３の軸応力との組合せにより、塑性化が促進される。
前記溶接部はもともと溶接熱影響により、母材よりも亀裂が発生し易く不利な状態にあるので、このような組合せ応力の作用が破断を促進する。
【００２２】
３）また、図１８（ｄ）に図示のように、下フランジ３の局部座屈Ａ、Ａの発生により塑性化が進み、ウェブ４から遠い位置ほど下フランジ３の軸方向剛性が低下（軟化）するが、一方で、ウェブ４の存在による補剛効果によって下フランジ３のウェブ４近傍では局部座屈が生じないので、下フランジ３のウェブ４近傍の軸方向剛性が相対的に高まり、ますます、ウェブ４近傍の下フランジ３の溶接部に引張もしくは圧縮応力σ１（＞σ２、σ３）が集中し、早期破断を促進する。特に、ウェブ４にスカラップ４ａを設けている場合やこの付近に溶接欠陥がある場合には早期破断が起き易い。
【００２３】
４）下フランジ３に局部座屈Ａ、Ａが生じると、連成してウェブ４にも面外に局部座屈Ｂ、Ｂを生じ（図１８（ａ）、（ｂ）、（ｄ）参照）、梁２のせん断耐力も低下させる。
【００２４】
現行の耐震設計法として採用されている保有水平耐力設計法は、構造骨組が崩壊機構を完全に形成するまで塑性ヒンジの耐力と変形性能が保持されることが前提であるが、局部座屈により塑性ヒンジ性能が早期に劣化してしまうと、設計上期待している保有水平耐力が発揮できず、建物の耐震信頼性を損なうことになる。しかし、塑性ヒンジの局部座屈を積極的に抑制することによりフランジ破断を遅らせ、塑性ヒンジの良好な性能を保持する考え方は、現在に至るまで耐震設計法に取り入れられていない。
【００２５】
柱梁仕口部でのフランジの早期破断抑制を図り、塑性ヒンジの性能を改善する従来の方法は、例えば図１９に図示のように、梁２端部のフランジ幅を広げて、仕口部（溶接部）への作用応力を下げる方法があった。図１９（ａ）は、フランジ３（３ａ）の端部を広げて拡幅部３３を形成した場合、図１９（ｂ）は、拡幅部３３を溶接にて継ぎ足した場合である。
【００２６】
図２０は上下フランジ３、３ａに近接して平行に横スチフナ４４、４４を設け、柱１側面とウェブ４に溶接して補強することにより、上下フランジ３、３ａへの作用応力を低減する方法である。
【００２７】
図２１は、梁２の全断面積は同じままで、ウェブ４の厚みを極力薄くする一方でフランジ３、３ａを厚くするものであり、薄くなったウェブ４の局部（せん断）座屈を抑制するために横スチフナ４４と縦スチフナ４４ａを設ける方法である。
【００２８】
図２２は、下フランジ３の端部の一定範囲をテーパ―付き板３３ａに置き換えて、柱１と接合されるフランジ断面（溶接部）を厚くし、作用応力を下げる方法である。
【００２９】
図２３は、梁２端部近傍の上下フランジ３、３ａに切り欠き部３３ｂ、３３ｂを設けてフランジ幅を狭くし、梁２端部が降伏するよりも早くこの部分を降伏させて、この部分に塑性ヒンジを形成させることで、柱梁仕口部の破断を避けようとしたものである。
【００３０】
以上に列記した従来の方法は、フランジへの作用応力を低減して柱梁仕口部（梁フランジ端部）の早期破断を抑制しようとしたものであるが、フランジの局部座屈の抑制に何ら注目したものではない。しかも、これらの方法であっても、補強（補剛）部近傍のフランジに局部座屈が発生する可能性はあり、その場合には、既述したようなフランジの局部座屈に伴う悪影響が生じる可能性は高く、塑性ヒンジの良好な性能保持の方法としては不十分である。
【００３１】
部材の局部座屈を抑制する従来の開示技術情報としては、例えば特許文献１のように、Ｈ形断面梁の端部において、ウェブとフランジに直交させて水平スチフナと縦スチフナを溶接にて取付ける方法があった。但し、水平スチフナと柱側面、縦スチフナとフランジとは溶接されておらず、主にはウェブの局部（せん断）座屈の補剛が目的である。しかし、ウェブの面外の曲げ剛性が高まるので、フランジが面外に変形（局部座屈）するのをある程度抑制するとしている。従って、フランジの局部座屈を積極的に抑制するものではなく、局部座屈の発生を許容するものである。
【００３２】
フランジの局部座屈を積極的に抑制するために、図２４に図示のように、狭い間隔で縦スチフナ４４ａをフランジ３、３ａとウェブ４に溶接して局部座屈を抑制するという考え方もあるが、しかし、その方法では、大ひずみが生じる塑性ヒンジ部の下フランジ３に多数箇所の溶接線が存在することになり、その溶接熱影響により亀裂が入り易くなるという別の問題がある。
【００３３】
前記のようなスチフナを用いないで、板の面外変形を拘束する従来技術として、座屈拘束ブレースがある。例えば特許文献２のように、ブレース芯材の両面を座屈拘束材で挟み込むことによって、ブレースの全体座屈を防ぐと共に、塑性化させる範囲全長に亘って、連続的にブレース芯材の面外局部変形（局部座屈）を抑制するものである。この方法では、大ひずみが発生する範囲への溶接が不要なので、溶接熱影響とは無縁である。しかし、この技術はブレースを対象としており、Ｈ形断面材等のフランジへの適用は難しく、また、そのような示唆も無い。
【００３４】
以上のように、従来技術や上記開示技術では、Ｈ形断面のような開断面材のフランジに形成される局部座屈発生を抑制し、塑性ヒンジの良好な性能を確保することは難しく、また、この課題を解決する手段の示唆もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】特開２０１４−５１８２２号
【特許文献２】特開２０００−２６５７０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
本発明は、鉄骨造における梁又は柱、もしくはＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の梁又は柱について、地震力が過大に作用した場合に形成される塑性ヒンジ部の板要素（Ｈ形断面等の開断面材のフランジとウェブ）に発生する局部座屈によってもたらされる、柱梁仕口部の梁端や柱頭もしくは柱脚の溶接部における局所曲げ応力と、フランジの軸方向剛性の低下による応力集中とを抑制する局部座屈抑制構造を提供するものである。
【００３７】
また、上記の効果により、超高層建物（多くは鉄骨造）が地震時において大きな振幅で長時間揺れる現象が大きな問題（所謂、長周期地震動問題）になっていることから、大きな曲げモーメントを受けて損傷（塑性ヒンジ発生）し易い部材（梁や柱）の端部の疲労抵抗性能改善に寄与する局部座屈抑制構造を提供するものである。
【００３８】
また、鉄骨造における梁又は柱、もしくはＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の梁又は柱について、大地震時に形成される塑性ヒンジ形成想定部位に、予め本発明の局部座屈抑制構造を適用し、過大な地震力によって惹き起こされる鉄骨骨組の、構造設計で想定した崩壊機構形成がより確実になると同時に、エネルギー吸収能力の高い構造骨組を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３９】
上記課題を解決するための本発明の手段を、鉄骨造における柱１又は梁２、もしくはＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の柱１又は梁２のＨ形断面材について、梁２がコンクリートスラブ２０を支持している場合を例として説明する。図１は、本発明の手段の基本形態を示したものである。大地震時に、図１（ｂ）に示す半円矢印の向きに曲げを受けて形成される塑性ヒンジ部の局部座屈発生予想範囲Ｌにおいて、下フランジ３とその下フランジ３の部分に連続するウェブ４とに沿って一体的に形成した内拘束材５、５と、前記下フランジ３に外側（図１（ａ）、（ｂ）では下側）から接触するように配置した外拘束材６とによって、前記下フランジ３を両面から挟み込んで、前記両拘束材５、６同士を連結し、かつ前記内拘束材５、５により前記ウェブ４を挟み込んで取り付けて成る、鉄骨部材の局部座屈抑制構造である。
【００４０】
ここで、塑性ヒンジ部の局部座屈発生予想範囲Ｌは、局部座屈は発生しないものとして、応力計算によって以下のように設定できる。図２５（梁の曲げモーメント分布状態を、柱を省略して模式的に表現したもの）を参照して、長期（自重＋積載）荷重による梁端曲げモーメントＭ1に、地震力による梁端曲げモーメントＭ2が加算され、下フランジが圧縮状態で梁端部が全塑性モーメントＭp（＝Ｍ1＋Ｍ2）に達すると、梁端部にはこれ以上の曲げモーメントは発生せず、塑性ヒンジ部は、降伏モーメントＭy〜全塑性モーメントＭpの範囲に対応する梁端からの一定範囲に発生すると見做せる。但し、局部座屈発生予想範囲Ｌは、やや余裕を見て、降伏モーメントＭyに低減係数α（＜1.0）を乗じたαＭyに対応した長さとしてもよい。
【００４１】
以上は、梁端部に局部座屈が発生しないものとして計算しているので、局部座屈が発生する場合は、梁端部における降伏モーメントＭy以上になる範囲は狭くなる。
【００４２】
なお、梁２にコンクリートスラブ２０が無い場合には、前記局部座屈抑制構造を両方のフランジ３、３ａに取り付けてもよいことは勿論である。
【００４３】
本発明はこのような構造なので、圧縮を受けてフランジが面外に変形しようとした場合、フランジを両面から挟み込んでいる内拘束材５と外拘束材６とが、図１（ａ）、（ｂ）に図示した複数の小矢印の位置でその変形を抑え込むので、塑性ヒンジの耐力と変形性能の劣化を抑制する。この効果を下フランジ３の応力〜ひずみ関係で説明する。
【００４４】
図１（ｃ）は、塑性ヒンジ部の下フランジ３断面における見かけの圧縮応力σｃ〜ひずみεｃ関係を模式的に示したものである。下フランジ３が圧縮を受けて降伏ひずみεｙに達すると、降伏応力σｙを維持したままひずみのみが増える状態（降伏棚という）を経た後、再び応力上昇する。応力が引張の場合には、同図の実線のように安定して応力上昇するが、圧縮を受けて下フランジ３が局部座屈すると、応力上昇の途中で破線のように応力低下に転じる。
【００４５】
しかし、下フランジ３の局部座屈が十分に抑制されれば、同図の２点鎖線のように改善されて応力上昇を維持し、実線の引張の場合と同等になるので、圧縮フランジの耐力と変形性能が改善され、よって、塑性ヒンジの耐力と変形性能の劣化が抑制される。
【００４６】
また、前記両拘束材５、６は、ウェブ４に取り付けられ、下フランジ３には固定されないので、下フランジ３が軸方向に伸縮するのを阻害せず、かつ下フランジ３に溶接を用いないので、大きなひずみの生じる部分への溶接熱影響もない。
【００４７】
更に、下フランジ３が局部座屈する時、それに連成して、図１８（ａ）、（ｂ）及び（ｄ）に図示のように、ウェブ４も面外に膨らんで局部座屈Ｂ、Ｂを起すが、本発明においては、内拘束材５、５がウェブ４の両面を挟んでいるので、そのようなウェブ４の局部変形も抑制し、下フランジ３の局部座屈抑制効果を高める。
【００４８】
また、本発明は、鉄骨造における梁又は柱、もしくはＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の梁又は柱のＨ形断面材について、大地震時に形成される塑性ヒンジ形成想定部位に、予め前記の局部座屈抑制構造を適用して、構造骨組の崩壊機構形成の確実性を高めたことを特徴とする構造骨組である。
【００４９】
以上のように、本発明の局部座屈抑制構造はこのような構成であるので、大地震時に形成される塑性ヒンジ部のフランジが圧縮力を受けて面外変形するのを、当該フランジ及びウェブを挟み込んでいる内拘束材と外拘束材とが抑えこむため、地震力が過大に作用した場合に形成される塑性ヒンジ部の板要素（Ｈ形断面等の開断面材のフランジとウェブ）に発生する局部座屈によってもたらされる、柱梁仕口部の梁端や柱頭もしくは柱脚の溶接部における局所曲げ応力と、フランジの軸方向剛性の低下による応力集中とを抑制することができる。また、この効果により、塑性ヒンジ部が繰り返し力を受けた場合の疲労抵抗性能が向上するので、これら塑性ヒンジ部のエネルギー吸収能力が高まる。。
【００５０】
また、本発明の前記局部座屈抑制構造を適用した構造骨組においては、塑性ヒンジ部の局部座屈が抑制されることにより、構造設計で想定した塑性ヒンジが実際に形成された場合に、必要とされる耐力と変形性能が良好に保持されるので、設定した崩壊機構形成の確実性が高まる。同時に、構造骨組のエネルギー吸収能力が向上する。
【００５１】
前記構造骨組において本発明の局部座屈抑制構造を適用する位置は、構造設計にて塑性ヒンジの発生が想定される箇所のみとすればよいが、現実に予想通りの位置に塑性ヒンジが発生するとは限らないので、安全余裕度をみて、適用箇所数を増やしてもよい。
【発明の効果】
【００５２】
本発明は、以上のような手段によるので、次のような効果がある。
【００５３】
（１）本発明によれば、鉄骨部材の局部座屈を簡易な構造によって抑制でき、圧縮を受ける板要素（Ｈ形断面材等のフランジ）であっても引張耐力相当の圧縮耐力を発揮できるので、塑性ヒンジの実際の耐力と変形性能が改善される。
【００５４】
（２）局部座屈によるフランジ部の軸方向剛性の低下が抑制されることから、柱梁仕口部の梁ウェブ近傍のフランジ溶接部への応力集中が緩和され、この部分からの破断発生を遅延させるので、（特に、スカラップや溶接欠陥がある場合は）塑性ヒンジの実際の耐力と変形性能の向上に貢献する。
【００５５】
（３）上記のように、塑性ヒンジの実際の耐力と変形性能が改善されることにより、繰り返し力を受けた場合の疲労抵抗性能が向上するので、塑性ヒンジ部のエネルギー吸収能力が向上する。このことにより、従来方法に比べて、現行設計法で設計・施工された建物の耐震信頼性も向上し、同時に、想定以上の地震力に対しても構造骨組の損傷レベルを低く抑え、地震後の建物の安全な継続使用の可能性が高まる。
【００５６】
（４）建物を設計する場合、通常、梁端部の降伏を先行させるために、梁端部の曲げ耐力は柱よりも低く設定することが多いが、既存建物を耐震改修する場合、梁端部の破断を避けるために、例えば、梁フランジに補強板を添接すれば梁が強くなり、柱と梁の耐力が接近し、梁降伏先行の仮定が崩れる可能性が高まる。しかし、本発明では、部材の断面積は変更しないのでその可能性は少ない。
【００５７】
（５）新設建物においては、梁端部のフランジを拡張（拡幅）する従来方法と本発明とを併用すれば、両方法の相乗効果によって、柱梁仕口部の梁接合断面（溶接部）における亀裂発生がより遅延され、塑性ヒンジの耐力・変形性能の更なる向上が期待できる。
【００５８】
（６）梁端部の局部的補強の従来方法としては、フランジの応力低減を図って、柱梁仕口部の破断を避ける目的で、フランジの拡幅やスチフナの溶接による有効断面の増大等があったが、補強部位隣接部での局部座屈発生を必ずしも抑制するものではなく、また、溶接を伴う場合は、大ひずみレベルまで塑性化する部位に溶接の熱影響を与えるので、特に既存建物への適用は慎重を要するものであった。一方、本発明は、部材断面積を変えることなく局部座屈を確実に抑制でき、また、部材のウェブに孔を明けてボルトで取り付けることができるので溶接は不要であり、既存建物への適用も問題ない。なお、ウェブへのボルト孔開けによる断面欠損は極僅かであり、梁耐力への影響は問題にならない程度である。
【００５９】
（７）局部座屈は板要素の幅厚比（＝板の突出寸法／板厚）が小さいほど生じにくいので、幅厚比を小さく（板厚を厚く）して、塑性ヒンジの耐力と変形性能を改善する従来方法もあるが、本発明によれば、幅厚比が大きく（板厚が薄く）ても局部座屈が抑制されるので、「幅厚比制限」を超えるために設計上無視されてきた部分も有効となり、かつ塑性ヒンジの耐力と変形性能も改善できる。よって、フランジの板厚を厚くする必要がないので、部材全体の重量アップとコストアップを抑制することにも寄与する。
【００６０】
（８）「幅厚比制限」から解放されることにより、特に高価な高強度材を用いた場合、フランジの板厚を薄くして必要最小断面での設計も可能になるので、そのコスト抑制効果はより大きい。
【００６１】
（９）本発明による局部座屈抑制構造は、Ｈ形断面のウェブとフランジとを挟み込んで拘束材を固定するので、ウェブも面外変形が拘束され、せん断座屈の発生抑制にも寄与する。
【００６２】
（１０）本発明は、梁部材だけでなく、柱部材の柱頭部もしくは柱脚部のフランジにも適用可能である。
【００６３】
（１１）以上より、塑性ヒンジが形成される限られた部分の鉄骨部材の局部座屈を、簡易な構造で抑制する本発明は、廉価にして、構造骨組としての実際の耐力と変形性能及びエネルギー吸収能力を改善し、かつ鉄骨の重量アップとコストアップの抑制をも同時に実現するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の基本形態であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のイ−イ断面視である。（ｃ）は下フランジの応力〜ひずみ関係を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施例であり、（ａ）は断面図、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ（ａ）のロ−ロ断面視及びハ−ハ断面視である。
【図３】本発明の第２実施例であり、（ａ）は断面図、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ（ａ）のニ−ニ断面視及びホ−ホ断面視である。
【図４】本発明の第３実施例であり、（ａ）は断面図、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ（ａ）のへ−へ断面視及びト−ト断面視である。
【図５】本発明の第４実施例であり、（ａ）は断面図、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ（ａ）のチ−チ断面視及びリ−リ断面視である。
【図６】本発明の第５実施例であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は、ヌ−ヌ断面視である。（ｃ）は、第５実施例の別例の立面図である。
【図７】本発明を適用した構造骨組の実施例であり、（ａ）は、鉄骨造部分の構造骨組への局部座屈抑制構造の設置位置（▲）を示した軸組図である。（ｂ）は、局部座屈抑制構造の設置有無の違いを示す、構造骨組の全水平荷重〜頂部水平変位関係の模式図である。
【図８】フランジ端部を拡張してある梁への本発明の設置例を示す。
【図９】本発明において内拘束材と外拘束材とが予め一体成形されている場合について、（ａ）は断面図、（ｂ）は梁への設置方法を説明した図である。
【図１０】断面形状が非対称な部材における本発明の設置例であり、（ａ）は溝形断面材、（ｂ）はＬ形断面材の場合である。
【図１１】柱側面とコンクリートスラブとの間に隙間を設けた場合の梁に本発明を設置した状態を示した図である。
【図１２】地震力により崩壊機構を形成する構造骨組の一例であり、（ａ）は地震力による曲げモーメント分布（破線）、（ｂ）は全層崩壊時の塑性ヒンジ（●）の発生位置を示した図である。
【図１３】コンクリートスラブを支持しているＨ形断面梁に塑性ヒンジが形成される過程を説明する図であり、（ａ）は地震力が作用する前の状態、（ｂ）は下フランジが引張となった場合の柱梁仕口部の梁接合断面のひずみ状態を示し、（ｃ）は下フランジが圧縮となった場合の柱梁仕口部の梁接合断面におけるひずみ状態を示した模式図である。
【図１４】図１３の詳細説明用の図であり、（ａ）は図１３（ｂ）に対応し、（ｂ）は図１３（ｃ）に対応したものである。
【図１５】図１４（ａ）及び（ｂ）に図示したひずみを経験した後の柱梁仕口部の梁接合断面における残留ひずみの状態を示した模式図である。
【図１６】フランジに繰り返し力が作用した場合の応力〜ひずみ関係を説明する模式図であり、（ａ）は下フランジの場合、（ｂ）は上フランジの場合である。（ｃ）は、下フランジに正負交番繰り返し力が作用して、引張ひずみが累積することを説明した模式図である。
【図１７】長方形板の局部座屈限界応力式に使用された記号を示した図である。
【図１８】下フランジに局部座屈が発生した場合の局所応力状態を説明する模式図であり、（ａ）は下フランジの変形状況の説明図、（ｂ）は（ａ）のＸ-Ｘ断面視、（ｃ）は（ａ）のＺ部の拡大図、（ｄ）は（ａ）のＹ-Ｙ断面視である。
【図１９】（ａ）及び（ｂ）は、梁端部を拡幅してフランジを補強する従来方法である。
【図２０】フランジに平行して横スチフナを設けて補強する従来方法である。
【図２１】梁の全断面積は同じままで、ウェブ厚を極力薄くする一方で、フランジを厚くする従来方法である。
【図２２】下フランジの端部にテーパ―付き板を継ぎ足して補強する従来方法である。
【図２３】梁端部近傍のフランジに切り欠き部を設けて狭くし、梁端部よりも早くこの部分を降伏させる従来方法である。
【図２４】狭い間隔で複数の縦スチフナをフランジとウェブに溶接して局部座屈を抑制する従来方法である。
【図２５】塑性ヒンジ部の局部座屈発生予想範囲の設定方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００６５】
図２は、本発明の第1実施例を示す説明図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、コンクリートスラブ２０を支持するＨ形断面の梁２の柱梁仕口に近接した、梁２軸方向に一定長さ（梁２のせい程度）の下フランジ３部分とその下フランジ３部分に連続するウェブ４とに沿って一体的に形成した内拘束材５の一対（梁のウェブ４を挟んで各一個）と、前記下フランジ３に外側（図２（ａ）、（ｂ）では下側）から接触するように配置した外拘束材６とによって、前記下フランジ３を両面から挟み込んで、かつ、下フランジ３の両縁から突出した部分の前記両拘束材５、６同士の隙間に間隔保持材７を挿入して、前記両拘束材５、６同士を連結ボルト８、８で連結してあり、前記内拘束材５の一対は、ずれないように、ボルト９、９にて前記ウェブ４に取り付けている。前記内拘束材５の一対は、溶接にて前記ウェブ４に取り付けてもよい。
【００６６】
第１実施例において、前記内拘束材５は、ウェブ４と下フランジ３に沿ってＬ字状に成形され、リブ５ａにて補剛され、かつ、下フランジ３の両縁から突出する部分に前記連結ボルト８用の孔が複数個開けられている。また、前記外拘束材６は、前記下フランジ３よりも幅広でかつ十分な剛性を有する厚板とし、間隔保持材７を貫通して前記内拘束材５とを連結する前記連結ボルト８用の孔が形成されている。
【００６７】
第１実施例はこのような構成なので、前記下フランジ３の厚みに応じて、間隔保持材７の厚みを調整すればよいので、前記両拘束材５、６は、下フランジ３の幅が同じＨ形断面材であれば共通に使用できる。
【００６８】
このように、本発明においては、下フランジ３は内拘束材５と外拘束材６とで挟み込まれており、大地震時に大きな曲げが梁２端部に作用して下フランジ３が大きな圧縮力を受けても、図１（ａ）及び（ｂ）に図示したように、上下両拘束材５、６と下フランジ３との僅かな隙間以上には面外に変形できないので、局部座屈の発生が抑制される。前記両拘束材５、６と下フランジ３との僅かな隙間のために発生する局部変形（局部座屈）は微小なので、下フランジ３の圧縮特性に及ぼす影響は極僅かである。
【００６９】
なお、上フランジ３ａにはコンクリートスラブ２０が、スタッドジベルにて堅固に取り付いているため、局部座屈は発生しにくいので、拘束材は不要である。
【実施例２】
【００７０】
図３は、本発明の第２実施例を示す説明図である。図３（ａ）〜（ｃ）は、Ｈ形断面の梁２の柱梁仕口に近接した、梁２軸方向一定長さ（梁のせい程度）の下フランジ３部分と、その下フランジ３部分に連続するウェブ４とに沿ってＬ字形に成形した内拘束材５の一対（梁のウェブ４を挟んで各一個）と、前記下フランジ３に外側（図３（ａ）、（ｂ）では下側）から接触するように配置した外拘束材６とによって、前記下フランジ３を両面から挟み込み、かつ、下フランジ３の両縁から突出した部分の前記両拘束材５、６同士の隙間に間隔保持材７を挿入し、連結ボルト８、８にて前記両拘束材５、６同士を連結し、前記内拘束材５の一対は、ずれないように、ボルト９，９にて前記ウェブ４に取り付けている。前記内拘束材５の一対は、溶接にて前記ウェブ４に取り付けてもよい。
【００７１】
第２実施例において、Ｌ字形に成形された前記内拘束材５はリブ５ａにて補剛され、かつ、下フランジ３両縁よりも外部に突出する部分に前記連結ボルト８用の孔が複数個開けられている。また、前記外拘束材６は、その外面に固定配置され、梁２軸方向に直交する複数列の補剛リブ６ａを有し、その補剛リブ６ａの両端の軸直交方向には、間隔保持材７を貫通して前記内拘束材５とを連結する、前記連結ボルト８用のボルト孔が形成されている。
【００７２】
第２実施例の場合、外拘束材６を薄くして軽量化でき、かつ補剛リブ６ａの高さで外拘束材６の剛性を調整できる利点がある。
【実施例３】
【００７３】
図４は第３実施例である。外拘束材６の補剛リブ６ａを下フランジ３の縁に沿って配置したもので、間隔保持材７と重ねて、前記連結ボルト８にて内拘束材５と連結したものである。このような補剛リブ６ａは、下フランジ３の縁に沿った配置なので、最も大きく面外変形し易い下フランジ３の縁の拘束に対して、より効果的である。
【実施例４】
【００７４】
図５は第４実施例である。２分割された外拘束材６、６をボルト９ａで連結するようにした場合であり、下フランジ３の幅がより広い梁２に対して、外拘束材６、６の間に調整板（図示せず）を挿入すれば、同じ外拘束材６、６を用いることができる利点がある。特に、大サイズの梁では外拘束材６も大きく重くなるので、分割タイプであれば人力で取付け作業が出来る程度の重量にすることも可能である。
【実施例５】
【００７５】
図６は第５実施例である。図６（ａ）は、本発明をＨ形断面柱１の柱脚部に適用した場合であり、ＳＲＣ造からＨ形断面の鉄骨柱が立ち上がる場合を例示している。図６（ｂ）のように、フランジを拘束する内拘束材５と外拘束材６は、両方のフランジに取り付けられる。それらの拘束材は、前記の第１実施例乃至第４実施例の何れでもよい。
また、本実施例は、図６（ｃ）のように、コンクリートスラブ２０が無い床開口部の鉄骨梁の場合にも適用可能である。
【００７６】
図７（ａ）は、鉄骨造とＳＲＣ造等との複合構造における鉄骨造部分の鉄骨骨組１０（骨組とコンクリートスラブ２０のみを表示）の柱１と梁２のＨ形断面材において、大地震時に形成される塑性ヒンジ形成想定部位（図７（ａ）の▲印位置）のフランジに、本発明である前記記載のような局部座屈抑制構造を取り付けた構造骨組の例である。
【００７７】
前記鉄骨骨組１０が構造計算上、図７（ａ）の▲印位置に全て塑性ヒンジが形成されて全体崩壊機構を形成するように想定していたとする。図７（ａ）のように、水平力Ｐ１、Ｐ２が漸増作用すると、図１２（ａ）に図示の破線で示したような分布で作用する曲げモーメントが増大し、前記鉄骨骨組１０の各部の塑性ヒンジが順次形成されていくが、何も対策しない場合では、実際には、全体崩壊機構を形成するよりも前に、これらの塑性ヒンジの幾つかが柱１又は梁２のフランジの局部座屈や破断により早期に耐力劣化を起こす可能性がある。その場合、図７（ｂ）に図示した、鉄骨骨組１０の全水平力Ｐ〜頂部水平変位δ関係の模式図を参照して、実線で表示のように比較的早く最大耐力Ｐm1、最大耐力時変形δｍ1に達し、その後早期に耐力低下する。即ち、完全な全体崩壊形に至っていないので、前記鉄骨骨組１０の構造計算上の保有水平耐力を発揮しておらず、構造設計の所期の目的が達成されないことになる。
【００７８】
しかし、本発明による局部座屈抑制機構を、これらの塑性ヒンジ形成位置に全て適用しておけば、これら塑性ヒンジ部の局部座屈が抑制され、フランジ破断の発生が遅延し、各塑性ヒンジの耐力と変形性能が改善されるので、最後の塑性ヒンジが完全に形成されるまで、その他の塑性ヒンジの耐力と変形性能が良好に保持される。その結果、図７（ｂ）の破線で表示したように、最大耐力はＰm2まで上昇し、最大耐力時変形δｍ2も伸びるので、鉄骨骨組が完全に全体崩壊機構を形成する確実性が高まることになる。
【００７９】
なお、図７（ａ）及び（ｂ）では、外力として一方向に漸増する水平力（Ｐ１、Ｐ２）にて説明したが、地震による水平力は、正負交番かつ多数回に亘り繰り返し作用するので、塑性ヒンジ形成部に対策が無い場合のフランジは、一方向漸増載荷の場合よりも早期破断に至る可能性がより高い。その原因は、図１２〜図１８に基づいて既に説明したように、下フランジ３におけるの引張ひずみの累積やバウシンガー効果による剛性低下に加え、局部座屈による影響のためである。
【００８０】
なお、本発明の局部座屈抑制構造の実施例においては、図８に図示のように、梁２の下フランジ３の端部を広げてある場合は、間隔保持材７の一部を下フランジ拡張部３３ｃの形状に合わせて成形すれば適用可能である。また、梁２を柱１に接合する前であれば、図９（ａ）に図示のように、内拘束材５と外拘束材６とを一体的に成形して、図９（ｂ）のように、梁２の端部から挿入することもできる。
また、梁２の断面形状が非対称、例えば、溝形断面やＬ形断面の場合にも、それぞれ図１０（ａ）、（ｂ）のように、非対称な内拘束材５，５により対応できる。
【００８１】
コンクリートスラブ２０を支持する梁２の場合、曲げを受けて下フランジ３が引張になった場合に、圧縮側となるコンクリートスラブ２０が柱１の側面に押し付けられ抵抗するので、中立軸が大きく上フランジ３ａ側に移動して下フランジ３に大きな引張ひずみが生じることは既述の通りである。その現象を緩和させるため、図１１に図示のように、柱１の側面とコンクリートスラブ２０との間に隙間２１を設けて接触しないようにすると、下フランジ３の引張ひずみが減少し、その結果、残留引張ひずみの累積が少なくなり、下フランジ３の早期破断防止に寄与する。前記柱１の側面とコンクリートスラブ２０との隙間２１は、空隙のままでも良いが、必要に応じてゴム等の柔らかいもので充填しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上のように、本発明による局部座屈抑制構造は、簡易な構造であり、柱もしくは梁に簡単に取り付けることができ、鉄骨骨組の保有水平耐力設計法の前提である塑性ヒンジの実際の耐力及び変形性能の改善によって、新築建物だけでなく既存建物の耐震性能向上にも大いに貢献するものである。
【００８３】
また、超高層建物（多くは鉄骨造）が地震時において大きな振幅で長時間揺れる現象が大きな問題（所謂、長周期地震動問題）になっており、大きな曲げモーメントを受けて損傷（塑性ヒンジ発生）し易い部材（梁や柱）の端部の疲労抵抗性能の改善、即ち、エネルギー吸収能力の向上に対して、本発明は寄与するものであり、同時に、地震後の建物の安全な継続使用の可能性を高めるものである。
【符号の説明】
【００８４】
１：柱
２：梁
２ａ：柱梁仕口部の梁接合断面
３：下フランジ
３ａ：上フランジ
４：ウェブ
４ａ：スカラップ
５：内拘束材
５ａ：リブ
６：外拘束材
６ａ：補剛リブ
７：間隔保持材
８：連結ボルト
９、９ａ：ボルト
１０：鉄骨骨組
２０：コンクリートスラブ
３３：フランジの拡幅部
３３ａ：テーパ―付き板
３３ｂ：フランジの切り欠き部
３３ｃ：下フランジの拡張部
４４：横スチフナ
４４ａ：縦スチフナ
１００：塑性ヒンジ
Ｌ：局部座屈発生予想範囲
εｔ、εｃ：ひずみ、ｔは引張、ｃは圧縮を示す
σｔ、σｃ：応力、ｔは引張、ｃは圧縮を示す
σｙ：降伏点応力
εｙ：降伏点ひずみ
Ｐ：全水平力
Ｐ1、Ｐ2：水平力
Ｐｍ1、Ｐｍ2：鉄骨骨組の最大耐力
δ：水平変位
δｍ1、δｍ2：鉄骨骨組の最大耐力時の水平変位
Ａ：下フランジの局部変形
Ｂ：ウェブの局部変形
Ｎ：下フランジの圧縮力
Ｍ1：長期荷重により生じる梁端曲げモーメント
Ｍ2：地震力により生じる梁端曲げモーメント
Ｍp：全塑性モーメント
Ｍy：降伏モーメント
α：低減係数
【図１】
2016121475.tif 000003
【図２】
2016121475.tif 000004
【図３】
2016121475.tif 000005
【図４】
2016121475.tif 000006
【図５】
2016121475.tif 000007
【図６】
2016121475.tif 000008
【図７】
2016121475.tif 000009
【図８】
2016121475.tif 000010
【図９】
2016121475.tif 000011
【図１０】
2016121475.tif 000012
【図１１】
2016121475.tif 000013
【図１２】
2016121475.tif 000014
【図１３】
2016121475.tif 000015
【図１４】
2016121475.tif 000016
【図１５】
2016121475.tif 000017
【図１６】
2016121475.tif 000018
【図１７】
2016121475.tif 000019
【図１８】
2016121475.tif 000020
【図１９】
2016121475.tif 000021
【図２０】
2016121475.tif 000022
【図２１】
2016121475.tif 000023
【図２２】
2016121475.tif 000024
【図２３】
2016121475.tif 000025
【図２４】
2016121475.tif 000026
【図２５】
2016121475.tif 000027