柱梁の接合部補強構造

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【発明の名称】	柱梁の接合部補強構造
【発明者】	【氏名】菅野良一
【要約】	【課題】鋼管柱の接合部位における水平ダイアフラムとＨ形鋼梁の梁フランジとの補剛性を高め、耐震性能の向上と共に、脆性破壊の発生を防止することができるようにした柱梁の接合構造を提供する。【解決手段】鋼管柱１の梁接合部位にＨ形鋼梁２の梁ウェブ３の端面を接合し、その梁フランジ４の端面を鋼管柱１の外周側面に設けた水平ダイアフラム１１に溶接する。Ｈ形鋼梁２の梁フランジ４と水平ダイアフラム１１との間に補剛プレート７を溶接ｗする。この補剛プレート７の溶接部を、Ｈ形鋼梁２からの引張力等に対して水平ダイアフラム１１および梁フランジ４との溶接部位の梁軸方向に沿う溶接長方向の剪断力が主として作用するように設ける。

【特許請求の範囲】
【請求項１】鋼管柱部材の梁接合部位に設けた水平ダイアフラムにＨ形鋼梁部材の梁フランジ端を溶接し、該Ｈ形鋼梁部材の梁ウェブ端を前記鋼管柱部材の外周側面に接合するとともに、前記水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材の梁フランジとの間に補剛プレートを溶接してなる柱梁の接合部補強構造において、前記補剛プレートの溶接部を、梁軸方向に沿う溶接長方向に主として剪断力が作用するように設けてなることを特徴とする柱梁の接合部補強構造。
【請求項２】鋼管柱部材の梁接合部位の外周側面に設けた水平ダイアフラムにＨ形鋼梁部材の梁フランジ端を溶接し、該Ｈ形鋼梁部材の梁ウェブ端を前記鋼管柱部材の外周側面に接合するとともに、前記水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材の梁フランジとの間に補剛プレートを溶接してなる柱梁の接合部補強構造において、前記補剛プレートを、前記Ｈ形鋼梁部材からの引張力に対して前記水平ダイアフラムとの溶接部位の梁軸方向に沿う溶接長方向に平行な剪断力が主として作用するように設けてなることを特徴とする柱梁の接合部補強構造。
【請求項３】前記補剛プレートを前記Ｈ形鋼梁部材の梁フランジおよび水平ダイアフラムに対して直交させて溶接してなることを特徴とする請求項１または２に記載の柱梁の接合部補強構造。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、建築分野等における鉄骨架構に適用される柱梁の接合構造に関し、特に、鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部位の補剛構造に改良を施した柱梁の接合部補強構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の建築鉄骨架構においては、図６から図８に示すように、鉄骨フレームを角形鋼管柱１とＨ形鋼梁２との剛接により構成してなるものがある。このような接合部においては、（１）梁端部に溶接のためのスカラップと呼ばれる断面欠損部が存在し、梁フランジ部に応力が集中すること、（２）梁ウエブから接合部に作用する力に対して接合部が変形しやすく、結果としてウエブの抵抗力が低下し、梁フランジに応力が集中すること、（３）最も大きな応力度が作用する個所が材質劣化などが起きやすい溶接部であり、加えてその部分に破断の主因となる引張り応力が作用する等の問題点がある。単純化して言えば（１）の応力集中と（２）の溶接部への引張応力の作用が主なポイントである。
【０００３】さらに具体的に説明すると、このような柱梁の接合部位には、通常、鋼管柱１に上下方向に間隔を置いて水平なダイアフラム１１を溶接により取り付けるか、または上下に分割された鋼管柱１の分割鋼管１Ａ，１Ｂ間に、所謂、「サイコロ」と称される個体からなる中間梁接合体１０が介在されて溶接ｗされている。この中間梁接合体１０は、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の上下両端に設けた梁フランジ４，４間の背丈（梁せい）に応じた間隔を存して上下一対の鋼板からなる角形の水平ダイアフラム１１，１１と、これら水平ダイアフラム１１間に溶接ｗにて接合される鋼管柱１と同形の接合鋼管１２とで一体に構成されている。そして、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の端面は、中間梁接合体１０の接合鋼管１２の外周側面１２ａに溶接ｗされ、一方、その各梁フランジ４の端面は、各水平ダイアフラム１１に溶接ｗされて、鋼管柱１とＨ形鋼梁２とに作用する曲げモーメント、軸力などの断面力を相互に伝達している。
【０００４】また、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の接合端側の上下部には、スカラップ５が各梁フランジ４の溶接端に対応させてそれぞれ切込み形成され、このスカラップ５の形成により、水平ダイアフラム１１に裏当て金６を介して溶接ｗされる梁フランジ４の溶接端の連続性を確保している。これにより、Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆと圧縮力Ｐによる変形を防止し、剛性及び耐力を高めてなるとともに、耐震性能の向上を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記した従来の柱梁の接合構造にあっては、鋼管柱１とＨ形鋼梁２の接合部位に、地震時等において、Ｈ形鋼梁２からの曲げモーメント、すなわち、図６に実線矢印Ａで示すような梁軸方向の中心軸Ｏ－Ｏ廻りの捩じれ、あるいは、図６に点線矢印Ｂで示すような鉛直方向Ｙの荷重が作用すると、図６に斜線で模式図的に示すように、Ｈ形鋼梁２の応力伝達が鋼管柱１との接合部位に（ａ）（ｂ）（ｃ）と近づくに連れて、その歪の直線性が崩れる。特に、鋼管柱１との接合部位近傍では、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の歪が小さくなり、逆に、梁フランジ４の歪が大きくなるという現象を呈する。
【０００６】このようなＨ形鋼梁２の歪現象は、第１に、梁端近傍に水平ダイアフラム１１に対する梁フランジ４の溶接部の連続性を確保するためのスカラップ５による断面欠損が存在し、梁フランジ部に応力が集中すること、第２に、梁端の接合部に近づくに連れて、梁ウェブ３の歪が非常に小さくなることに起因する。
【０００７】すなわち、例えば、昭和６３年７月に日本建築学会発行の「日本建築学会構造系論文報告集」（第３８９号、第１２２頁から第１３１頁）の「角形鋼管柱に接合されるＨ形鋼はり端部の曲げ耐力の評価」の欄に公表されているように、Ｈ形鋼梁２における梁接合端側の応力分布は、鋼管幅厚比の影響を受ける。そして、梁ウェブ３のスカラップ５の存在は、断面欠損による曲げ性能の低下をもたらすばかりでなく、局部的な応力分布の乱れの原因ともなり、これらは、梁端の曲げ耐力に影響を与える因子となる。また、鋼管柱１とＨ形鋼梁２の接合部位では、水平ダイアフラム１１に対する梁フランジ４の面外曲げ剛性が低いため、梁接合端では平面保持の仮定が成立せず、梁ウェブ３は、ほとんど曲げ応力を負担しない。
【０００８】図９は、Ｈ形鋼梁に対する鋼管幅厚比の影響について、面外曲げを考慮した平面要素を用いた有限要素法（ＦＥＭ）による弾性解析により求めてなる解析結果と実験結果に基づき、梁ウェブの鋼管面から離れた各断面における梁軸方向応力（σ）及び剪断応力（τ）の分布図である。
【０００９】ここで、解析対象は、通しダイアフラム補剛形式の十字形部分架構供試体（ＳＴＸ９－０．７５：鋼管幅厚比Ｂ／Ｔ＝１７）を用い、また、図における梁軸方向応力（σ）の分布中の破線は梁理論値、剪断応力（τ）の分布中の破線は、梁ウェブの平均剪断応力の値である。この場合に、Ｈ形鋼梁に対する荷重を０．５ｔとし、鋼管面からの離間距離をｄｓ（ｃｍ）で示し、スカラップ先端位置は、鋼管面より６０ｍｍとする。
【００１０】図９に示す分布図に検討するに、角形鋼管の鋼管面よりＨ形鋼梁の背丈（例えば、３０ｃｍ）程度離れた梁ウェブの部位では、梁軸方向応力（σ）が梁理論値に一致し、一方、剪断応力（τ）は、平均剪断応力の値に一致する応力分布を呈する。そして、梁ウェブの部位が鋼管面に近づくに連れて、それらの応力分布が乱れ、鋼管面近傍の梁端では、梁軸方向応力（σ）が梁理論値と大きく異なっている。これにより、梁ウェブの曲げ応力の負担は、梁理論によるものより小さくなり、中立軸（梁軸方向の中心軸Ｏ－Ｏ）近傍では、ほとんど曲げ応力負担が期待できない。
【００１１】このようなＨ形鋼梁２の梁端における梁ウェブ３の応力分布の乱れは、鋼管柱１の接合壁面の面外変形となって現われる。すなわち、Ｈ形鋼梁２に曲げモーメントが加わると、梁ウェブ３と梁フランジ４の梁端に引張応力及び圧縮応力が作用する。このとき、Ｈ形鋼梁２の梁フランジ４端は、水平ダイアフラム１１に直接剛接されているため、応力に対する抗張力がＨ形鋼梁２に伝達されるが、特に、梁ウェブ３端では、応力に対して、それを受ける補剛部材がないために、鋼管柱１の接合壁面、すなわち、中間梁接合体１０を形成する接合鋼管１２の外周側面１２ａが、図７に２点破線で示すように、引張応力Ｆに対して梁軸方向に膨らむように変形δすることにより抵抗するしかない。
【００１２】その結果、図６における梁フランジ（ａ）（ｂ）（ｃ）の位置に対応して、それぞれ図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、梁ウェブ３の引張応力に対する無効部（白抜き部分）が、鋼管柱１の接合壁面１ａに近づくに連れて大きくなるため、梁ウェブ３の有効性が喪失し、接合鋼管１２の外周側面１２ａの変形により、梁フランジ４端に応力が集中し、その溶接部位が全面的に破断し易く、柱梁の接合部位の耐震性能に大きな影響を与える要因となっている。
【００１３】そこで、従来では、例えば、特開平１１－６１９９４号公報に開示されているように、鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部位間に補強プレート、ガセットプレート等の幾つもの補剛部材を添設することにより、上述したような梁ウェブ端の接合部位における破断を防止しているものであるが、複数の補剛部材の添設による溶接個所が多く、現場での溶接作業に多大な手間を要する。
【００１４】また従来、図１１に示すように、Ｈ形鋼梁２の各梁フランジ４の水平方向Ｘの両側面に補剛プレート７を溶接ｗし、この補剛プレート７の端面を水平ダイアフラム１１の端面に溶接ｗして、梁フランジ４の断面積を増やすことにより補剛してなる、所謂、「サイドプレート工法」と称される補剛構造を有するものが提案されている。
【００１５】しかしながら、このような「サイドプレート工法」による補剛構造では、補剛プレート７が、Ｈ形鋼梁２の梁フランジ４の側面に、水平方向Ｘに張出し状態で溶接ｗされているとともに、その端面が水平ダイアフラム１１の端面に突合せ溶接ｗされていることから、Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆが作用すると、図１２（ａ）に矢印で示すように、水平ダイアフラム１１と補剛プレート７との溶接部位が伸びて、その部位に引張応力ｆが作用する。
【００１６】その結果、図１２（ｂ）に矢印で示すように、Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆが梁フランジ４から補剛プレート７、補剛プレート７から水平ダイアフラム１１に伝達されて、材質劣化を惹起し易い水平ダイアフラム１１と補剛プレート７との溶接部位に作用する。しかも、梁フランジ４の端面を含めて水平ダイアフラム１１との溶接長が長くなるため、溶接施工上において不可避である溶接欠陥が入る可能性が高く、このような溶接欠陥の大小が溶接強度に大きな影響を及ぼし、溶接品質のバラツキの許容範囲を狭める。したがって、たとえ、応力レベルが低下したとしても、梁フランジ４と水平ダイアフラム１１との溶接部位での引張応力ｆによる脆性破壊を発生させる危険性を払拭するまでには至らない。
【００１７】本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、また溶接部に引張力が作用する場合と比較して、溶接部に溶接長方向のせん断力が作用する場合では、溶接部に引張力が作用する場合と比較して、溶接部からの脆性破壊発生の可能性が低いという利点を有効に利用して、鋼管柱の接合部位における水平ダイアフラムとＨ形鋼梁の梁フランジとの補剛性を高め、耐震性能の向上と共に、脆性破壊の発生を防止することができるようにした柱梁の接合部補強構造を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するために、本発明は、鋼管柱部材の梁接合部位に設けた水平ダイアフラムにＨ形鋼梁部材の梁フランジ端を溶接し、このＨ形鋼梁部材の梁ウェブ端を鋼管柱部材の外周側面に接合するとともに、水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材の梁フランジとの間に補剛プレートを溶接してなる柱梁の接合部補強構造において、補剛プレートの各溶接部を、梁軸方向に沿う溶接長方向に主として剪断力が作用するように設けてなることを特徴とする。
【００１９】また本発明は、鋼管柱部材の梁接合部位の外周側面に設けた水平ダイアフラムにＨ形鋼梁部材の梁フランジ端を溶接し、このＨ形鋼梁部材の梁ウェブ端を鋼管柱部材の外周側面に接合するとともに、水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材の梁フランジとの間に補剛プレートを溶接してなる柱梁の接合部補強構造において、補剛プレートを、Ｈ形鋼梁部材からの引張力に対して水平ダイアフラムとの溶接部位の梁軸方向に沿う溶接長方向に平行な剪断力が主として作用するように設けてなることを特徴とする。この場合、上記補剛プレートをＨ形鋼梁部材の梁フランジおよび水平ダイアフラムに対して直交させて溶接することが好ましい。
【００２０】すなわち、本発明は、上記の構成とすることにより、水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材の梁フランジとの間に溶接される補剛プレートの各溶接部および補剛プレートを、Ｈ形鋼梁部材からの引張力等に対して梁フランジおよび水平ダイアフラムとの溶接部位の溶接長方向の主として剪断力が作用するように設けてなるために、従前のように、梁フランジと水平ダイアフラムとの溶接部位における引張応力の作用による場合と比較して、脆性破壊に対する抵抗を高めることが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１から図５に示す図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の図示の実施形態において、図６から図８及び図１０に示す従来構造の柱梁の接合構造と構成が重複する部分は同一符号を用いて説明する。図１は柱梁の接合状態の説明図、図２は要部側面図、図３は平面図である。
【００２２】図１から図３に示すように、鋼管柱部材として角形鋼管柱１を用いる。この角形鋼管柱１は、Ｈ形鋼梁２の梁接合部位にて上下に分割され、これら各分割鋼管柱１Ａ，１Ｂ間には、個体からなる中間梁接合体１０が介在され、互いに溶接ｗにて接合されている。この中間梁接合体１０は、上下一対の八角形の角形水平ダイアフラム１１，１１と、この各水平ダイアフラム１１間に溶接ｗにて接合される鋼管柱１の断面形状と同一形状の接合鋼管１２とを一体的に組立てなる形態を有する。
【００２３】そして、中間梁接合体１０の各水平ダイアフラム１１の端面には、Ｈ形鋼梁２の各梁フランジ４の端面が突合せ接合され、それらの突合せ端面をスカラップ５及び裏当て金６を介して溶接ｗし、互いに接合されている。一方、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の端面は、鋼管柱１の外周側面、すなわち、中間梁接合体１０を形成する接合鋼管１２の外周側面（接合壁面）１２ａに溶接ｗにて突合せ接合されている。
【００２４】また、Ｈ形鋼梁２の上下両梁フランジ４，４と上下両水平ダイアフラム１１，１１との間には、鋼板からなる補剛プレート７が鉛直方向Ｙに接合されている。この補剛プレート７は、図４及び図５に示すように、Ｈ形鋼梁２の上下両梁フランジ４，４間の両側面に直交すると共に、上下両水平ダイアフラム１１，１１に直交するように配設され、かつ前記補剛プレート７の狭巾の先端部は、上下両水平ダイアフラム１１，１１間に配置されて、補剛プレート７の表裏両面の上下両端縁部が梁軸方向に延長する連続した溶接ｗにより接合されていると共に、補剛プレート７の広幅の基端部は、スカラップ８を介して上下両梁フランジ４，４から上部または下部に突出するように当接配置され、補剛プレート７の広幅の基端部の鉛直方向Ｙの両端面は、上下両梁フランジ４，４の上面に梁軸方向に連続した溶接ｗにより接合されている。
【００２５】上記した本発明の柱梁の接合部補強構造によれば、Ｈ形鋼梁２の各梁フランジ４と各水平ダイアフラム１１との間に設けた補剛プレート７を梁フランジ４に直交させて溶接ｗしてなるために、図２に示すように、Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆが作用すると、従前と同様に、梁フランジ４から補剛プレート７、補剛プレート７から水平ダイアフラム１１に伝達されるが、図２に矢印で示すように、梁フランジ４と補剛プレート７との溶接部位、及び、補剛プレート７と水平ダイアフラム１１との溶接部位に作用する力は、従前のような「サイドプレート工法」における引張力ではなく、梁軸方向の中心軸Ｏ－Ｏに沿う溶接長方向に平行な剪断力Ｑとなる。これにより、脆性破壊に対する抵抗を高めることが可能になる。しかも、Ｈ形鋼梁２の梁フランジ４と水平ダイアフラム１１との溶接長が短くなるため、溶接施工上において不可避である溶接欠陥の大小が溶接強度に及ぼす影響度を小さくすることが可能になり、溶接品質のバラツキの許容範囲を広げる。
【００２６】なお、上記した本発明の実施形態において、補剛プレート７をＨ形鋼梁２の上下両梁フランジ４，４間に架橋するように連続的に配置したが、これには限定されず、補剛プレート７を上梁フランジ４側と下梁フランジ４側と上下に分割しても、本発明の作用効果を発揮させることが可能である。その他、本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更実施可能なことは云うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る柱梁の接合部補強構造は、水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材の梁フランジとの間に溶接される補剛プレートの溶接部および補剛プレート自身を、Ｈ形鋼梁部材からの引張力に対して水平ダイアフラムとの溶接部位の梁軸方向に沿う溶接長方向に平行な剪断力が主として作用するように設けてなることから、従前のように、梁フランジと水平ダイアフラムとの溶接部位における引張応力の作用による場合と比較して、脆性破壊に対する抵抗を高めることができる。しかも、これにより、溶接施工上において不可避である溶接欠陥の大小が溶接強度に及ぼす影響度を小さくすることができ、溶接品質のバラツキの許容範囲を広げることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００６６５５【氏名又は名称】新日本製鐵株式会社
【出願日】	平成１２年４月６日（２０００．４．６）
【代理人】	【識別番号】１００１０７２５０【弁理士】【氏名又は名称】林信之
【公開番号】	特開２００１－２８８８２３（Ｐ２００１－２８８８２３Ａ）
【公開日】	平成１３年１０月１９日（２００１．１０．１９）
【出願番号】	特願２０００－１０４５８３（Ｐ２０００－１０４５８３）