組立鋼構造物ノードコア技術の探究と課題

01 組み立てられた鉄骨構造ノードの概要

中国が長年推進している組立式建築物の開発において、角形鋼柱と角形鋼梁の組立式節点は、その高効率と環境保護の優位性から、徐々に研究のホットスポットとなっている。組立式鉄骨構造と伝統的な建築構造との間には明確な違いがあり、工場でプレハブ化されるため、現場建設の時間と不確実性が軽減され、建築物のグリーン属性も強化される。鉄骨建物は、その高い強度と優れた耐震性能により、工学界から支持されている。 組立鉄骨構造では、スリーブ接合、モジュール式柱梁接合、梁-柱端板接合、柱-柱片持ち梁接合、梁貫通接合など、様々なタイプの角形鋼管柱と梁の接合節があり、広範な研究の対象となっている。

[背景と展開］

2016年、中国は建設産業の発展実施に関する指導意見を相次いで発表し、組立式建築の発展促進という目標方向を明確に規定した。従来の鉄骨構造の梁や柱の節は溶接が主流だが、現場での溶接は効率が悪いだけでなく、環境や作業条件の影響を受け、溶接の品質を確保するのが難しい。これに対し、組立式鉄骨ノードは現場で溶接することなく工場でプレハブ化されるため、建設効率と品質が向上するだけでなく、環境に優しい建設によりエネルギー消費、非再生可能資源消費、二酸化炭素排出を削減することができ、グリーンビルディングの概念に合致している。

[接続ノードタイプ］

組立鉄骨構造では、角形鋼の柱と梁の接合部には、スリーブ式やモジュール式など多くの種類があり、それぞれ異なる材料特性、設置条件、耐荷重機能が組み合わされている。これらの接合部は、その構造や接合方法が異なるため、優れた耐震性能とエネルギー消費量を発揮することが多く、組立式建築物の開発を支える重要な役割を担っています。

02 スリーブ型接続ノード

組立式鋼構造物において、スリーブ接合節は重要な接合方法であり、設計や性能の面で注目されている。

[スリーブ・ノードの構造と性能]。

ジャケット付き節点は、完全ボルト接合による溶接レス設計であり、工場でプレハブ化できるため、優れた耐震性能とエネルギー消費性能を発揮する。李黎明らは、完全ボルト締め外筒-H形鋼梁柱接合ノードを提案し、その耐震性能について詳細に検討した結果、このノードは優れた耐震性能を有するだけでなく、エネルギー消費量も優れており、外筒の厚さを適切に拡大することにより、ノードの耐震性能と剛性をさらに向上させることができることを明らかにした。しかし、このノードの施工は複雑で、角形鋼管柱の閉端断面特性の制約の中で施工しなければならないため、組立工程が比較的面倒であることが主な課題である。

王燕（Wang Yan）らは、組立て鉄骨構造物の梁柱接合節点、特に内スリーブと外スリーブの2種類の節点への引張ボルトの適用をさらに検討した。この論文では、革新的なインナースリーブ-Tピース梁-柱節点が紹介され、角形鋼管柱、インナースリーブ、Tピース、H形鋼が組み合わされ、高力ボルトと引張ボルトの助けを借りて確実に接続されている。

[スリーブ・ノードの設置と設計の課題]。

その結果、スリーブ内側の厚さと柱壁との間の隙間はノードの性能に大きな影響を与えるため、厳密に管理する必要があることがわかった。スリーブ厚さが柱壁厚さをある値まで上回ったとき、ノードのヒステリシス性能は最良の状態を示す。しかし、インナースリーブ・ノードの設計も同じ問題に直面しており、引張ボルトを使用すると対称的な凹曲げ現象が発生し、ノードのエネルギー消費能力にある程度の影響を及ぼす。

03 モジュラー接続ノード

プレハブ化と迅速な設置で知られるモジュール式節点は、組立式鋼構造物における重要な研究分野である。

[モジュラー・ノードの設計と性能調査］

角形鋼の柱と梁を完全ボルト接合で組み合わせたモジュール式節点は、エネルギー消費能力だけでなく延性にも優れている。Xuechun Liu氏らは、溶接節点、ボルト接合節点、ボルトと溶接のハイブリッド節点の詳細な有限要素モデリングと解析を行った。

Liu Xuechunらの研究では、角柱とH形鋼の完全ボルト結合のモジュラー節点について、フランジプレートの厚さを変え、ボルトの厚さを変え、カバープレートのボルトの数を調整することで、節点の性能を全面的に分析し、ボルトの数を増やすと、節点のエネルギー消費能力が効果的に向上することが分かった。その結果、ボルトの本数を増やすと、ノードのエネルギー消費能力を効果的に改善できることがわかった。

モジュール式ノードの地震研究

モジュール式ノードの設計において、柱の軸圧縮比を下げたり、補強リブを追加したりすることで、効果的に性能を向上させることができる。ある研究では、実際には、このような設計上の取り組みによって、ノードの終局耐力と安定性を向上させることができることが示されているが、モジュール式建物を基礎に接続するノードの設計上の隙間によって、さらなる拡張と高層用途への可能性が制限されている。

04 片持ち梁とエンドプレートの接合部

角形鋼管柱と短い片持ち梁の間の接続は、多様な設計要件に対応するために柔軟に配置することができます。

短い片持ち梁ノードの多様な設計

角形鋼管柱と片持ち梁の組み合わせは、I形鋼節点とダブルチャンネル鋼節点を試験することにより、節点の上部フランジの応力状態を改善するように設計されている。郭志鵬のような何人かの学者は、Z型片持ち梁セグメントと弱化した梁セグメントを持つ角形鋼柱の接続節点について詳細な耐震性能研究を行い、Iビーム節点は安定したエネルギー散逸を示すが、ダブルスプライスチャンネル節点は弱化領域で不安定であることを示した。

[エンドプレート接合部の耐久性と改善］

エンドプレート接続ノードは、ボルトの取り付けスペースに制限があるため、人間と機械の相互作用に課題をもたらしている。一方向ボルト技術は、エンドプレートノードの改良案を与える。その耐荷重だけでなく回転能力についても、さらなる理論的裏付けが必要である。李国強と他の研究者は、一方向ボルト技術を革新的にエンドプレートノードに導入し、現場での溶接を必要としない解決策を提供した。

05 ビーム・スルー・ノード

梁貫通節点は、設計が単純であるため、組立式鋼構造物に採用されている。

[ビーム貫通ノードの応用と課題］

節を貫通して梁を配置するタイプの節は、低層建築物ではスマートで便利に使えるが、高層階に達すると支持力に関して困難にぶつかる可能性がある。劉浩金と他の専門家は徹底的な調査を行い、軸圧による柱の比率がノードの性能に大きな影響を与えることを発見した。軸圧による柱の比率が大きすぎると、ノードは柱の断面がひび割れしやすい損傷状態になる可能性があるため、軸圧による柱の比率を0.3以下に制御することが提案されている。

組立式鋼構造物の開発は、建設効率を向上させただけでなく、環境への配慮と優れた建築性能により、将来の建築開発の重要な方向性にもなっている。とはいえ、さまざまなタイプの節点は依然としてさまざまな技術的課題に直面しており、建築分野での組立式鋼構造物の幅広い応用を促進するためには、さらなる研究と探求が必要である。