特開 2024-53896 円形鋼管及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024053896

(43)【公開日】2024-04-16

(54)【発明の名称】円形鋼管及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   E04C 3/32 20060101AFI20240409BHJP

【ＦＩ】

E04C3/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022160388

(22)【出願日】2022-10-04

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100100011

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 省三

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 規矩夫

【テーマコード（参考）】

2E163

【Ｆターム（参考）】

2E163FA02

2E163FB09

(57)【要約】

【課題】座屈現象を防止した円形鋼管及びその製造方法を提供する。
【解決手段】円形鋼管１０は、固定端としての基礎１０１上に柱エンドプレート１０２を介して設けられ、柱エンドプレート１０２はアンカボルト１０３によって基礎１０１に固定される。固定端に接続されるべき円形鋼管１０の下部端部は山折り部１１ａ、谷折り部１１ｂの繰返構造つまり蛇腹構造１１をなしている。蛇腹構造１１は円形鋼管１０の他の部分に比較して相対的に剛性が小さくなるので、変形が蛇腹構造１１のみに集約する。この結果、疑似的なピン柱脚となる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定端に固定されるべき端部に蛇腹構造を具備する円形鋼管。

【請求項2】

前記蛇腹構造は少なくとも２つの山折り部を有する請求項１に記載の円形鋼管。

【請求項3】

前記円形鋼管の管径／周方向板厚比は６０以下とする請求項１に記載の円形鋼管。

【請求項4】

前記蛇腹構造の長さは前記円形鋼管の管径より小さい請求項１に記載の円形鋼管。

【請求項5】

請求項１に記載の円形鋼管の製造方法であって、
前記円形鋼管を準備するための工程と、
前記円形鋼管を鉛直方向に立設し、前記円形鋼管に上下方向から圧縮力を水平方向に均等に印加するための工程と、
前記円形鋼管の前記端部に前記蛇腹構造が形成された後に前記圧縮力の均等印加を停止するための工程と
を具備する円形鋼管の製造方法。

【請求項6】

請求項１に記載の円形鋼管の製造方法であって、
前記円形鋼管を準備するための工程と、
前記蛇腹構造を準備するための工程と、
前記蛇腹構造を前記円形鋼管の前記端部に溶接接合するための工程と
を具備する円形鋼管の製造方法。

【請求項7】

第１、第２の固定端に固定されるべき第１、第２の端部に蛇腹構造を具備する円形鋼管。

【請求項8】

前記各第１、第２の蛇腹構造は少なくとも２つの山折り部を有する請求項１に記載の円形鋼管。

【請求項9】

前記円形鋼管の管径／周方向板厚比は６０以下とする請求項１に記載の円形鋼管。

【請求項10】

前記各第１、第２の蛇腹構造の長さは前記円形鋼管の管径より小さい請求項１に記載の円形鋼管。

【請求項11】

請求項７に記載の円形鋼管の製造方法であって、
前記円形鋼管を準備するための工程と、
前記円形鋼管の外壁に前記第１、第２の蛇腹構造を構成しない部分に拘束部材を設けるための工程と、
前記拘束部材を設けた前記円形鋼管を鉛直方向に立設し、前記円形鋼管に圧縮力を上下方向から水平方向に均等に印加するための工程と、
前記円形鋼管の前記第１、第２の端部に前記第１、第２の蛇腹構造が形成された後に前記圧縮力の均等印加を停止するための工程と、
前記圧縮力の均等印加停止後に前記拘束部材を除去するための工程と
を具備する円形鋼管の製造方法。

【請求項12】

請求項７に記載の円形鋼管の製造方法であって、
前記円形鋼管を準備するための工程と、
前記第１、第２の蛇腹構造を準備するための工程と、
前記第１、第２の蛇腹構造を前記円形鋼管の前記各第１、第２の端部に溶接接合するための工程と
を具備する円形鋼管の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は座屈現象を防止した円形鋼管及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

円形鋼管は鋼製煙突、橋梁主塔、風力発電タワー、海洋構造物、建築構造物、片端ピン柱、両端ピン柱等に用いられる。

【0003】

図６は従来の円形鋼管を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【0004】

図６に示すように、従来の円形鋼管１００は長さＬを有し、固定端としての基礎１０１上に柱エンドプレート１０２を介して設けられ、この場合、柱エンドプレート１０２はアンカボルト１０３によって基礎１０１に固定される。また、周方向板厚ｔは高さ方向で一定であり、管径Ｄは一様である。尚、周方向板厚ｔは高さ方向にテーパを付けて徐々に小さくするものもあり、また、管径Ｄも高さ方向にテーパを付けて徐々に小さくするものもある。

【0005】

図７は全体が大きい剛性を有する図６の円形鋼管１００の部材角θ（＝δ／Ｌ、但しδ：変位）－曲げモーメントＭ（＝ＱＬ、但しＱ：せん断力）特性を示す。図６に示すごとく、傾きＫ_０は大きく、小さい部材角θに対して大きな曲げモーメントＭが発生することが分る。尚、Ｘは座屈現象を示す。

【0006】

図８は図６の円形鋼管１００の動作を説明するための図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【0007】

図８に示すごとく、地震時に水平方向荷重を受けると、外力としての大きな曲げモーメントＭによって下部端部に大きな圧縮力Ｃ及び大きな引張力Ｔが発生し、大きな反力モーメントが発生する。この場合、円形鋼管１００の下部端部の一方側が大きな圧縮力Ｃにより面外方向にはらみ出すような局部的変形つまり局部座屈Ｘが発生し、早期に耐力が著しく低下して最悪は倒壊する。他方、円形鋼管１００の下部端部の他方側に大きな引張力Ｔが作用し、引張力Ｔによる引抜力によって柱エンドプレート１０２及びアンカボルト１０３が引抜かれることがある。

【0008】

円形鋼管１００の局部座屈及び早期の耐力低下を防止するために、従来、円形鋼管１００の下部端部の周囲を三角形状の背面支持部材で固定している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上述のごとく、円形鋼管１００の下部端部の周囲に三角形状の背面支持部材を溶接接合又はボルト接合で固定すると、円形鋼管１００の製造コストが上昇するという課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述の課題を解決するために、本発明に係る円形鋼管は、固定端に固定されるべき端部に蛇腹構造を具備するものである。

【0011】

また、本発明に係る円形鋼管の製造方法は、円形鋼管を準備するための工程と、円形鋼管を鉛直方向に立設し、円形鋼管に上下方向から圧縮力を水平方向に均等に印加するための工程と、円形鋼管の端部に蛇腹構造が形成された後に圧縮力の均等印加を停止するための工程とを具備するものである。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、蛇腹構造を設けることによって固定端としての端部に三角形状の背面支持部材を設ける必要がなくなるので、製造コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る円形鋼管の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【図2】図１の円形鋼管の部材角－曲げモーメント特性を示すグラフである。

【図3】図１の円形鋼管の動作を説明するための図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【図4】図１の円形鋼管の実物の写真である。

【図5】本発明に係る円形鋼管の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【図6】従来の円形鋼管を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【図7】図６の円形鋼管の部材角－曲げモーメント特性を示すグラフである。

【図8】図６の円形鋼管の動作を説明するための図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は本発明に係る円形鋼管の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は正面図である。

【0015】

図１に示すように、円形鋼管１０も長さＬを有し、固定端としての基礎１０１上に柱エンドプレート１０２を介して設けられ、この場合、柱エンドプレート１０２はアンカボルト１０３によって基礎１０１に固定される。また、周方向板厚ｔは高さ方向で一定であり、管径Ｄは一様である。尚、周方向板厚ｔは高さ方向にテーパを付けて徐々に小さくしてもよく、また、管径Ｄも高さ方向にテーパを付けて徐々に小さくしてもよい。

【0016】

さらに、固定端に接続されるべき円形鋼管１０の下部端部は山折り部１１ａ、谷折り部１１ｂの繰返構造つまり蛇腹構造１１をなしている。蛇腹構造１１は円形鋼管１０の他の部分に比較して相対的に剛性が小さくなるので、変形が蛇腹構造１１のみに集約する。この結果、疑似的なピン柱脚となる。これにより、局部座屈を発生することなく、耐力低下の少ない安定的な変形が可能となる。また、下部端部の反力モーメントが小さくなると共に、円形鋼管１０の全体の剛性も低下するので、円形鋼管１０が設けられた建物自体の固有周期を大きくでき、これにより、建物の耐震性が向上する。ここで、剛性が小さい蛇腹構造１１はベローズ又は伸縮環とも呼ばれ、剛性が小さい弾性部材、スプリングと異なり、伸縮による断面積がほとんど変化しないことに特徴がある。

【0017】

尚、疑似的なピン柱脚を実現する方法として、機械的なピン機構を設けたり、断面の小さい部材を意図的に配置することも考えられる。しかし、この場合には、その部分において断面欠損となり、軸力に対する抵抗能力及びせん断力に対する抵抗能力が低下するので、好ましくない。

【0018】

図２は全体が小さい剛性を有する図１の円形鋼管１０の部材角θ（＝δ／Ｌ、但しδ：変位）－曲げモーメントＭ（＝ＱＬ、但しＱ：せん断力）特性を示す。図２に示すごとく、傾きＫ（＜Ｋ_０）は小さく、小さい部材角θに対して小さい曲げモーメントＭが発生することが分る。この場合、座屈現象Ｘはない。

【0019】

図３は図１の円形鋼管１０の動作を説明するための図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。

【0020】

図３に示すごとく、地震時に水平方向荷重を受けると、小さな曲げモーメントＭによって固定端としての下部端部に小さい圧縮力Ｃ及び小さい引張力Ｔが発生し、従って、小さな反力モーメントが発生する。この場合、円形鋼管１０の下部端部の一方側の蛇腹構造１１が小さな圧縮力Ｃにより面外方向にはらみ出すような変形をするが、局部座屈Ｘが発生せず、耐力の低下もほとんどない。他方、円形鋼管１００の下部端部の他方側の蛇腹構造１１に小さな引張力Ｔが作用するが、引張力Ｔによる引抜力は小さく柱エンドプレート１０２及びアンカボルト１０３が引抜かれることはほとんどない。

【0021】

尚、地震時の鉛直方向荷重を受けた場合には、円形鋼管１０全体に引張力が発生するが、この引張力は蛇腹構造１１によって軽減し、やはり引抜力も軽減するので、柱エンドプレート１０２及びアンカボルト１０３の引抜きを防止できる。また、円形鋼管１０全体に圧縮力も発生するが、この場合には、蛇腹構造１１が存在しない従来の円形鋼管１００と同等の圧縮力を負担する。

【0022】

図１の円形鋼管１０の製造方法は次のごとく行われる。すなわち、蛇腹構造１１がない円形鋼管１０を鉛直方向に立設し、上下方向より圧縮力を水平方向に均等に印加する。このとき、円形鋼管１０の下部端部の最下端から蛇腹構造１１の山折り部１１ａが順番に形成される。たとえば山折り部１１ａの数が２になったときに上述の圧縮力の均等印加を停止する。この場合、山折り部１１ａが形成され易いように、円形鋼管１０の管径Ｄ／周方向板厚ｔ比（Ｄ／ｔ）は好ましくは６０以下とする。また、蛇腹構造１１の安定な形状を確保するために、蛇腹構造１１の長さは円形鋼管１０の管径Ｄより小さい値とする。このように、円形鋼管１０の蛇腹構造１１の形成は容易であることを本願発明者は見出した。

【0023】

図４は上述の製造方法によって得られた図１の円形鋼管１０を示す写真である。

【0024】

図４に示すように、蛇腹構造１１は山折り部１１ａ、谷折り部１１ｂ、山折り部１１ａによって構成されているが、他の数の山折り部１１ａ、谷折り部１１ｂとすることもできる。但し、山折り部１１ａの数は２以上であり、谷折り部１１ｂの数は山折り部１１ａの数より－１である。

【0025】

図１の円形鋼管１０のさらに他の製造方法は、蛇腹構造１１を予め製造しておき、円形鋼管１０の端部に溶接接合によって蛇腹構造１１を接続することである。但し、上述の製造方法に比較して製造コストは高くなる。

【0026】

図５は本発明に係る円形鋼管の第２の実施の形態を示す正面図である。たとえば、図５の円形鋼管２０は両端ピン柱として作用する。

【0027】

図５においては、円形鋼管２０の上部端部も固定端とし、基礎１１１、柱エンドプレート１１２及びアンカボルト１１３に固定されている。この場合、上部端部にも大きな曲げモーメントが発生する。このため、上部端部にも蛇腹構造１１と同一の蛇腹構造１２を設ける。

【0028】

図５の円形鋼管２０の製造方法は次のごとく行われる。すなわち、予め蛇腹構造がない円形鋼管２０の蛇腹構造１１、１２を構成する部分を除いた中央部分の外壁に２つ割にした状態の拘束部材（図示せず）を巻いておく。次いで、円形鋼管２０を鉛直方向に立設し、上下方向より圧縮力を水平方向に均等に印加する。上部端部、下部端部に谷折り部１１ｂ、１２ｂが形成されたときに上述の圧縮力の均等印加を停止する。この場合も、谷折り部１１ｂ、１２ｂが形成し易いように、円形鋼管２０の管径Ｄ／周方向板厚ｔ比（Ｄ／ｔ）は好ましくは６０以下とする。また、蛇腹構造１１、１２の安定な形状を確保するために、蛇腹構造１１、１２の長さは円形鋼管２０の管径Ｄより小さい値とする。

【0029】

図５の円形鋼管２０のさらに他の製造方法は、蛇腹構造１１、１２を予め製造しておき、円形鋼管２０の上部端部、下部端部に溶接接合によって蛇腹構造１１、１２を接続することである。

【0030】

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。

【産業上の利用可能性】

【0031】

本発明に係る円形鋼管は建築土木用の外、産業機械、家具等にも利用できる。

【符号の説明】

【0032】

１０、２０、１００：円形鋼管
１１、１２：蛇腹構造
１１ａ、１２ａ：山折り部
１１ｂ、１２ｂ：谷折り部
１０１、１１１：基礎
１０２、１１２：柱エンドプレート
１０３、１１３：アンカボルト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】