JP2017179723A - 箱型断面部材及びその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度鋼板と低強度鋼板とを適切な板厚や幅厚比で組み合わせることで、設計自由度を向上させて、溶接量の削減と溶接施工管理の省力化等を実現した箱型断面部材を提供する。【解決手段】本発明を適用した箱型断面部材１は、複数の鋼板を溶接して断面略矩形状に組み合わせたものであり、互いに対向する一方の側面で一対となった高強度鋼板２と、互いに対向する他方の側面で一対となった低強度鋼板３とを備える。低強度鋼板３は、高強度鋼板２よりも低い降伏強度とした鋼材が用いられて、低強度鋼板３の板厚ｔｌと高強度鋼板２の板厚ｔｈとが相対的に異なる大きさとなる。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の鋼板を溶接して断面略矩形状に組み合わせた箱型断面部材及びその設計方法に関する。

従来から、異種鋼材からなるボックス柱を建築構造物の外周部の側柱に適用することで、側柱に作用する外力に対して効率的に抵抗させるとともに、側柱重量の軽減による建築構造物のコストの低減を図るものとして、特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱が提案されている。

特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、建築構造物の外周部の側柱として、板厚が一様な異種鋼材からなるボックス柱が用いられる。特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、外力の緩いＸ軸と平行な二面にＳＳ４１鋼の普通鋼が用いられるとともに、外力の厳しいＹ軸と平行な二面に６０キロ鋼の高張力鋼が用いられることを特徴とする。

特開平４−３６６２５７号公報

ここで、特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、外力の緩い二面には普通鋼が用いられて、外力の厳しい二面にのみ重点的に高張力鋼が用いられることで、側柱に作用する外力に対してボックス柱が効率的に抵抗できるものとする。

しかし、特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、異種鋼材からなるボックス柱の板厚が一様であるため、外力の緩い二面の普通鋼と、外力の厳しい二面の高張力鋼とで、互いの板厚が同一となっている。そして、特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、箱型断面を形成する普通鋼と高張力鋼とを接合するための具体的な溶接方法等が何ら開示されていない。

このため、特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、例えば、箱型断面を形成する普通鋼と高張力鋼とを完全溶込溶接で接合する場合に、普通鋼の板厚と高張力鋼の板厚とが同一となることで、溶接量が過大となってボックス柱の製作効率が低下するだけでなく、サブマージアーク溶接等の大入熱溶接により接合した場合の溶接金属や鋼材の溶接熱影響部の靭性低下も懸念される。また、特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、例えば、高張力鋼として超高強度鋼を用いて、普通鋼と超高強度鋼との溶接部をオーバーマッチングとした場合には、溶接量が過大となることで、さらに超高強度鋼を溶接するための溶接施工管理が煩雑化するとともに、溶接金属の割れ防止及び溶接継手の強度確保の観点から、大入熱サブマージアーク溶接の適用は極めて困難であった。

そして、特許文献１に開示される異種鋼材ボックス柱は、普通鋼及び高張力鋼の板厚が同一で断面正方形状に形成されるため、普通鋼と高張力鋼とで互いの幅厚比を異ならせるものではない。

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って、その目的とするところは、高強度鋼板と低強度鋼板とを適切な板厚や幅厚比で組み合わせることで、設計自由度を向上させて、溶接量の削減と溶接施工管理の省力化等を実現した箱型断面部材を提供することにある。

第１発明に係る箱型断面部材は、複数の鋼板を溶接して断面略矩形状に組み合わせた箱型断面部材であって、互いに対向する一方の側面で一対となった高強度鋼板と、互いに対向する他方の側面で一対となった低強度鋼板とを備え、前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板よりも低い降伏強度とした鋼材が用いられて、前記低強度鋼板の板厚と前記高強度鋼板の板厚とが相対的に異なる大きさとなることを特徴とする。

第２発明に係る箱型断面部材は、第１発明において、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記低強度鋼板の板厚が前記高強度鋼板の板厚よりも小さくなることを特徴とする。

第３発明に係る箱型断面部材は、第２発明において、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板と前記低強度鋼板との溶接部に設けられる溶接金属の材料としての引張強度が、前記低強度鋼板の鋼材の引張強度と同等以上で、かつ、前記高強度鋼板の鋼材の引張強度よりも低いことを特徴とする。

第４発明に係る箱型断面部材は、第１発明〜第３発明の何れかにおいて、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、相対的に板厚が小さい何れか一方の前記高強度鋼板又は前記低強度鋼板の側端部に、相対的に板厚が大きい何れか他方の前記低強度鋼板又は前記高強度鋼板に溶接するための開先が形成されることを特徴とする。

第５発明に係る箱型断面部材は、第１発明〜第４発明の何れかにおいて、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板に引張強度が７８０Ｎ／ｍｍ²以上の超高強度鋼の鋼材が用いられるとともに、前記低強度鋼板の降伏強度に対する前記高強度鋼板の降伏強度の比率が、６３０／５００以上、８８０／３２５以下となることを特徴とする。

第６発明に係る箱型断面部材は、第１発明〜第５発明の何れかにおいて、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、一対の前記高強度鋼板と一対の前記低強度鋼板とに取り囲まれて形成された中空部に、コンクリートが充填されることを特徴とする。

第７発明に係る箱型断面部材は、第１発明〜第６発明の何れかにおいて、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｈと、前記高強度鋼板の一方の側面での幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、前記低強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｌと、前記低強度鋼板の他方の側面での奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、下記（１）式の関係を満足することを特徴とする。

第８発明に係る箱型断面部材の設計方法は、複数の鋼板を溶接して断面略矩形状に組み合わせた箱型断面部材の設計方法であって、互いに対向する一方の側面で一対となった高強度鋼板と、互いに対向する他方の側面で一対となった低強度鋼板とを組み合わせるときに、前記低強度鋼板に前記高強度鋼板よりも低い降伏強度とした鋼材が用いられて、前記高強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｈと、前記高強度鋼板の一方の側面での幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、前記低強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｌと、前記低強度鋼板の他方の側面での奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、下記（１）式の関係を満足するように、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板の幅厚比を設計することを特徴とする。

第１発明〜第８発明によれば、相対的に降伏強度の高い高強度鋼板と相対的に降伏強度の低い低強度鋼板とを適切に組み合わせることで、鉛直荷重及び所定の方向性を持つ地震等による水平荷重（曲げモーメント）に対して効率的に抵抗させることが可能となる。そして、鉛直荷重及び所定の方向性を持つ地震等による水平荷重（曲げモーメント）に効率的に抵抗させるために、高強度鋼板の降伏強度及び幅厚比と、低強度鋼板の降伏強度及び幅厚比とを、互いに独立して設定して適切に組み合わせることができるため、箱型断面部材の設計自由度を向上させることが可能となる。

第２発明〜第４発明によれば、低強度鋼板の板厚を高強度鋼板の板厚よりも小さくして、低強度鋼板の側端部に形成された開先に溶接金属が設けられることで、溶接量を削減して製作効率を向上させると同時に、溶接金属の引張強度を高強度鋼板の引張強度よりも低くして、溶接金属の割れ防止を実現しながら、さらに低強度鋼板の引張強度を溶接金属の引張強度と同等以下とすることで、溶接施工管理の省力化と溶接継手の強度確保を実現することが可能となる。

特に、第３発明によれば、溶接金属の材料としての引張強度が、溶接金属が設けられる低強度鋼板の引張強度と同等以上となるため、溶接部をオーバーマッチングとした理想的な溶接状態とすることが可能となる。また、相対的に降伏強度の低い低強度鋼板が用いられるため、溶接金属の引張強度は低強度鋼板の引張強度と同等以上でよく、溶接金属の割れ防止が容易となり、結果として溶接前後の予熱、後熱及びパス間温度等の管理も容易となり、溶接施工管理の省力化を実現することが可能となる。

特に、第４発明によれば、相対的に板厚が小さい何れか一方の低強度鋼板又は高強度鋼板の側端部に形成された開先に溶接金属が設けられて、相対的に板厚が大きい何れか他方の高強度鋼板又は低強度鋼板の内面に溶接されることで、板厚が大きい鋼板の側端部に開先が形成されて当該開先内に溶接金属が設けられる場合と比較して、溶接量が削減されるため、箱型断面部材の製作効率を向上させることが可能となる。さらに、サブマージアーク溶接等の大入熱溶接により接合した場合においても、溶接量や溶接入熱が削減されるため、溶接金属及び鋼材の溶接熱影響部の靭性改善も期待できる。

特に、第５発明によれば、低強度鋼板に超高強度鋼が用いられることなく、高強度鋼板にのみ引張強度が７８０Ｎ／ｍｍ²以上の超高強度鋼が用いられるとともに、低強度鋼板の降伏強度に対する高強度鋼板の降伏強度の比率が、特に、６３０／５００以上、８８０／３２５以下となることで、高強度鋼板に超高強度鋼が用いられる場合であっても、高強度鋼板に比べて引張強度が低い溶接材料を用いることで溶接金属の割れ防止及び溶接施工管理が容易となって、大入熱サブマージアーク溶接等を実施することも可能となる。

特に、第６発明によれば、高強度鋼板と低強度鋼板とで形成された中空部にコンクリートが充填されることで、この中空部が、充填されたコンクリートで補強されるため、柱部材及び柱部材に梁部材が連結される箇所等で十分な剛性を発揮することが可能となる。

特に、第７発明、第８発明によれば、低強度鋼板の幅厚比を高強度鋼板の幅厚比に対して各々の降伏強度比の平方根に応じて小さくすることで、鉛直荷重や地震等による水平荷重が柱部材等に作用した場合にも、相対的に降伏強度が低い低強度鋼板の早期の局部座屈による耐荷能力の低下を防止することができる。さらに、低強度鋼板が高強度鋼板に先行して降伏した後も、柱部材等に作用する鉛直荷重や地震等による水平荷重を、低強度鋼板及び高強度鋼板の双方に安定して負担させるものとなるため、箱型断面部材全体の耐荷能力及び塑性変形性能を向上させることが可能となる。

本発明を適用した箱型断面部材が用いられた柱部材を示す斜視図である。 本発明を適用した箱型断面部材が用いられた柱部材を示す平面図である。 本発明を適用した箱型断面部材が断面略正方形状に形成されて高強度鋼板の板厚を相対的に大きくした状態を示す平面図である。 本発明を適用した箱型断面部材が断面略長方形状に形成されて高強度鋼板の板厚を相対的に大きくした状態を示す平面図である。 （ａ）は、本発明を適用した箱型断面部材で低強度鋼板の板厚を相対的に大きくして断面略正方形状に形成された状態を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）は、その断面略長方形状に形成された状態を示す平面図である。 （ａ）は、本発明を適用した箱型断面部材のレ形の開先を示す拡大平面図であり、（ｂ）は、そのＶ形の開先を示す拡大平面図である。 （ａ）は、本発明を適用した箱型断面部材で低強度鋼板の板厚を相対的に大きくして低強度鋼板に形成された開先を示す拡大平面図であり、（ｂ）は、その高強度鋼板に形成された開先を示す拡大平面図である。

以下、本発明を適用した箱型断面部材１を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用した箱型断面部材１は、図１に示すように、主に、超高層ビル等の建築物に設けられて、複数の鋼板を溶接して断面略矩形状に組み合わせることで、建築物の高さ方向Ｚに延びる柱部材８等として用いられる。

本発明を適用した箱型断面部材１は、建築物の柱部材８として用いられる場合に、図２に示すように、建築物の高さ方向Ｚに対する断面形状を略矩形状として、建築物の外周部８０に配置されるとともに、１個の柱部材８に１個又は複数個の梁部材７が連結される。

本発明を適用した箱型断面部材１は、建築物の外周部８０から内部８１へ奥行方向Ｙに延びる内側梁部材７１、及び、建築物の外周部８０に沿って幅方向Ｘに延びる外側梁部材７２が、複数個の梁部材７の各々として、１個の箱型断面部材１に連結される。

本発明を適用した箱型断面部材１は、例えば、建築物の外周部８０に配置されて、１個の箱型断面部材１に３個の梁部材７が連結される場合には、１個の内側梁部材７１及び２個の外側梁部材７２が、１個の箱型断面部材１に連結される。

このとき、本発明を適用した箱型断面部材１は、幅方向Ｘでは両側に２個の外側梁部材７２が設けられるものの、奥行方向Ｙでは片側にのみ１個の内側梁部材７１が設けられる。例えば、奥行方向Ｙに設けられた内側梁部材７１が大スパン梁で、当該内側梁部材７１に作用する荷重が大きい場合には、箱型断面部材１では、内側梁部材７１から奥行方向Ｙに作用するＸ軸周りの曲げモーメントＭｘが、幅方向Ｘに作用するＹ軸周りの曲げモーメントＭｙよりも大きくなる。一方で、箱型断面部材１の幅方向Ｘ及び奥行方向Ｙにおける各々１個の梁部材７から柱部材８に作用する曲げモーメントが同程度の場合には、箱型断面部材１では、１個の内側梁部材７１により奥行方向Ｙに作用するＸ軸周りの曲げモーメントＭｘが、２個の外側梁部材７２により幅方向Ｘに作用するＹ軸周りの曲げモーメントＭｙよりも小さいものとなる。

なお、本発明を適用した箱型断面部材１は、建築物の外周部８０のうち、特に、角部に配置される場合には、２個の外側梁部材７２が互いに略直交して１個の箱型断面部材１に連結されてもよい。このとき、本発明を適用した箱型断面部材１は、Ｘ軸周りの曲げモーメントＭｘ及びＹ軸周りの曲げモーメントＭｙの何れか一方が何れか他方よりも大きくなってもよい。

本発明を適用した箱型断面部材１は、図３に示すように、互いに対向する一方の側面で一対となった高強度鋼板２と、互いに対向する他方の側面で一対となった低強度鋼板３とを備え、一対の高強度鋼板２と一対の低強度鋼板３とが互いに組み合わせて用いられる。

本発明を適用した箱型断面部材１は、主に、一対の高強度鋼板２を奥行方向Ｙで互いに離間させるとともに、一対の低強度鋼板３を幅方向Ｘで互いに離間させる。なお、本発明を適用した箱型断面部材１は、一対の高強度鋼板２を幅方向Ｘで互いに離間させるとともに、一対の低強度鋼板３を奥行方向Ｙで互いに離間させてもよい。

本発明を適用した箱型断面部材１は、主に、各々の高強度鋼板２と各々の低強度鋼板３とが、高さ方向Ｚに連続させたシーム溶接で接合される。本発明を適用した箱型断面部材１は、高さ方向Ｚに対する断面形状を略正方形状等として、一対の高強度鋼板２と一対の低強度鋼板３とで断面略矩形状に取り囲まれて、略中空状の中空部４が形成される。

高強度鋼板２は、低強度鋼板３よりも高い降伏強度Ｆｈとした鋼材が用いられて、主に、引張強度が７８０Ｎ／ｍｍ²以上の超高強度鋼の鋼材が用いられる。各々の高強度鋼板２は、幅方向Ｘの両側端に側端部２ａが形成されて、一方の側端部２ａから他方の側端部２ａまで幅方向Ｘに連続することで、幅方向Ｘで所定の幅寸法Ｂとなる。

各々の高強度鋼板２は、略平板状に形成された鋼板が用いられて、高強度鋼板２の板厚ｔｈが所定の大きさとなる。各々の高強度鋼板２は、箱型断面部材１の幅方向Ｘに延びる一方の側面で、各々の高強度鋼板２に所定の幅厚比（Ｂ／ｔｈ）の鋼板が用いられることで、一方の側面での幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈが所定の大きさとなる。

高強度鋼板２は、例えば、最小で６３０Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｈの鋼材が用いられるとともに、最大で８８０Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｈの鋼材が用いられることが想定される。また、高強度鋼板２は、例えば、９ｍｍ〜１００ｍｍ程度の板厚ｔｈの鋼材が用いられることが想定される。

低強度鋼板３は、高強度鋼板２よりも低い降伏強度Ｆｌとした鋼材が用いられて、主に、引張強度が５９０Ｎ／ｍｍ²以下の高強度鋼等の鋼材が用いられる。各々の低強度鋼板３は、奥行方向Ｙの両側端に側端部３ａが形成されて、一方の側端部３ａから他方の側端部３ａまで奥行方向Ｙに連続することで、奥行方向Ｙで所定の奥行寸法Ｄとなる。

各々の低強度鋼板３は、略平板状に形成された鋼板が用いられて、低強度鋼板３の板厚ｔｌが所定の大きさとなる。各々の低強度鋼板３は、箱型断面部材１の奥行方向Ｙに延びる他方の側面で、各々の低強度鋼板３に所定の幅厚比（Ｄ／ｔｌ）の鋼板が用いられることで、他方の側面での奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌが所定の大きさとなる。

低強度鋼板３は、例えば、最小で３２５Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｌの鋼材が用いられるとともに、最大で５００Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｌの鋼材が用いられることが想定される。また、低強度鋼板３は、例えば、９ｍｍ〜１００ｍｍ程度の板厚ｔｌの鋼材が用いられることが想定される。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、低強度鋼板３の板厚ｔｌが高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも小さくなることで、低強度鋼板３の板厚ｔｌと高強度鋼板２の板厚ｔｈとが相対的に異なる大きさとなる。高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、これに限らず、高強度鋼板２の板厚ｔｈが低強度鋼板３の板厚ｔｌよりも小さくなることで、低強度鋼板３の板厚ｔｌと高強度鋼板２の板厚ｔｈとが相対的に異なる大きさとなってもよい。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、例えば、低強度鋼板３に最大で５００Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｌの鋼材が用いられて、かつ、高強度鋼板２に最小で６３０Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｈの鋼材が用いられることで、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌに対する高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈの比率（Ｆｈ／Ｆｌ）が、６３０／５００以上となる。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、例えば、低強度鋼板３に最小で３２５Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｌの鋼材が用いられて、かつ、高強度鋼板２に最大で８８０Ｎ／ｍｍ²の降伏強度Ｆｈの鋼材が用いられることで、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌに対する高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈの比率（Ｆｈ／Ｆｌ）が、８８０／３２５以下となる。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、高強度鋼板２に引張強度が７８０Ｎ／ｍｍ²以上の超高強度鋼の鋼材が用いられることが望ましい。このとき、高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌに対する高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈの比率（Ｆｈ／Ｆｌ）が、特に、６３０／５００以上、８８０／３２５以下となることが望ましい。

また、高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈと、高強度鋼板２の幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌと、低強度鋼板３の奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、下記（１）式の関係を満足することが望ましい。

上記（１）式は、板要素の材軸方向に圧縮応力が作用した場合の板要素の局部座屈耐力の基本式（下記（２）式）に基づき、相対的に降伏強度Ｆｌが低い低強度鋼板３での早期の局部座屈に起因する箱型断面部材１全体の耐荷能力の低下を防止するために、低強度鋼板３の座屈応力度と降伏強度の比σｃｒ，l／Ｆｌ（下記（３）式）が、高強度鋼板２の座屈応力度と降伏強度の比σｃｒ，ｈ／Ｆｈ（下記（４）式）に比べて同等以上となるという条件式（下記（５）式）を解くことにより、導出されたものである。

ただし、σｃｒ：座屈応力度
ｋ：座屈係数
Ｅ：ヤング係数
ν：ポアソン比
ｔ：板要素の板厚
ｂ：板要素の幅

ただし、σｃｒ，ｌ：低強度鋼板の座屈応力度
Ｆｌ：低強度鋼板の降伏強度
ｋ：座屈係数
Ｅ：ヤング係数
ν：ポアソン比
ｔｌ：低強度鋼板の板厚
Ｄ：低強度鋼板の奥行寸法

ただし、σｃｒ，ｈ：高強度鋼板の座屈応力度
Ｆｈ：高強度鋼板の降伏強度
ｋ：座屈係数
Ｅ：ヤング係数
ν：ポアソン比
ｔｈ：高強度鋼板の板厚
Ｂ：高強度鋼板の幅寸法

このとき、高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌが、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈよりも低い場合で、例えば、低強度鋼板３の板厚ｔｌが高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも小さいときであっても、高強度鋼板２の幅厚比（Ｂ／ｔｈ）との関係で、低強度鋼板３の幅厚比（Ｄ／ｔｌ）は、高強度鋼板２の幅厚比（Ｂ／ｔｈ）に対して各々の降伏強度比の平方根（√（Ｆｌ／Ｆｈ））に応じて小さくなる。したがって、上記（１）式の条件を満足する箱型断面部材１では、図２に示すように、鉛直荷重や地震等による水平荷重が柱部材８等に作用した場合にも、相対的に降伏強度が低い低強度鋼板３の早期の局部座屈による耐荷能力の低下を防止できる。さらに、低強度鋼板３が高強度鋼板２に先行して降伏した後も、柱部材８等に作用する鉛直荷重や地震等による水平荷重を、低強度鋼板３及び高強度鋼板２の双方に安定して負担させることができる。これにより、箱型断面部材１全体の耐荷能力及び塑性変形性能を向上させることが可能となる。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈ、幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌ、奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、上記（１）式の関係を満足する範囲で、断面略正方形状に形成される。また、高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、図４、図５に示すように、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈ、幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌ、奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、上記（１）式の関係を満足する範囲で、断面略長方形状に形成されてもよい。高強度鋼板２及び低強度鋼板３が断面略長方形状の場合、例えば、アスペクト比（Ｄ／Ｂ）は、０．５以上、２．０以下の範囲が望ましい。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、図４（ａ）に示すように、奥行方向Ｙが長手方向となる断面略長方形状に形成される場合に、幅方向Ｘに延びる短辺側に一対の高強度鋼板２が配置されるとともに、奥行方向Ｙに延びる長辺側に一対の低強度鋼板３が配置される。高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、図４（ｂ）に示すように、幅方向Ｘが長手方向となる断面略長方形状に形成される場合に、奥行方向Ｙに延びる短辺側に一対の低強度鋼板３が配置されるとともに、幅方向Ｘに延びる長辺側に一対の高強度鋼板２が配置される。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、図３、図４に示すように、低強度鋼板３の板厚ｔｌが高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも小さくなるだけでなく、図５に示すように、低強度鋼板３の板厚ｔｌが高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも大きくなってもよい。そして、高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、低強度鋼板３の板厚ｔｌが高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも大きい場合にも、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈ及び幅厚比（Ｂ／ｔｈ）と、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌ及び幅厚比（Ｄ／ｔｌ）とが、上記（１）式の関係を満足することが望ましい。

ここで、高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、図３〜図５に示すように、断面略矩形状に組み合わせた高強度鋼板２と低強度鋼板３とが、サブマージアーク溶接等のシーム溶接によって溶接部５で接合される。このとき、高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、図６に示すように、高強度鋼板２の内面２ｂ又は低強度鋼板３の内面３ｂに溶接するための開先５０が、低強度鋼板３の側端部３ａ又は高強度鋼板２の側端部２ａに形成される。

開先５０は、相対的に板厚が小さい何れか一方の低強度鋼板３の側端部３ａ又は高強度鋼板２の側端部２ａに形成されて、例えば、図６（ａ）に示すように、レ形に形成されるほか、図６（ｂ）に示すように、Ｖ形に形成される。また、開先５０は、必要に応じて、ルート面やルート間隔を設ける等、適宜の形状で形成されてもよく、裏当金５１を設けてもよい。

溶接部５は、相対的に板厚が小さい何れか一方の低強度鋼板３の側端部３ａ又は高強度鋼板２の側端部２ａに開先５０が形成されて、相対的に板厚が大きい何れか他方の高強度鋼板２の内面２ｂ又は低強度鋼板３の内面３ｂとの間に溶接金属Ｗが設けられる。溶接部５は、例えば、低強度鋼板３の板厚ｔｌが高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも小さくなる場合に、低強度鋼板３の側端部３ａに開先５０が形成されて、高強度鋼板２の内面２ｂと開先５０との間に溶接金属Ｗが設けられる。

溶接金属Ｗは、入熱させて開先５０に設けられる前の状態で、溶接金属Ｗの材料としての引張強度Ｆｕ，ｗが所定の大きさとなる。溶接金属Ｗは、主に、材料としての引張強度Ｆｕ，ｗが、低強度鋼板３の鋼材の引張強度Ｆｕ，ｌと同等以上で、かつ、高強度鋼板２の鋼材の引張強度Ｆｕ，ｈよりも低くなる（Ｆｕ，ｌ≦Ｆｕ，ｗ＜Ｆｕ，ｈ）。溶接金属Ｗは、例えば、低強度鋼板３の引張強度Ｆｕ，ｌが４９０Ｎ／ｍｍ²で、高強度鋼板２の引張強度Ｆｕ，ｈが９５０Ｎ／ｍｍ²のときに、材料としての引張強度Ｆｕ，ｗが４９０Ｎ／ｍｍ²以上、９５０Ｎ／ｍｍ²未満となる。

高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、図２に示すように、主に、建築物の柱部材８として用いられるため、一対の高強度鋼板２と一対の低強度鋼板３とに取り囲まれて形成された中空部４にコンクリート４０が充填されることが望ましい。高強度鋼板２及び低強度鋼板３は、例えば、柱部材８の中空部４に、無筋コンクリート又は鉄筋コンクリート等によってコンクリート４０が充填される。

本発明を適用した箱型断面部材１は、柱部材８等として用いられるため、例えば、Ｘ軸周りの曲げモーメントＭｘがＹ軸周りの曲げモーメントＭｙよりも大きいものとなって、柱部材８等に発生する曲げモーメントが、所定の方向性を持つものとなる。このとき、本発明を適用した箱型断面部材１は、曲げモーメントＭｘが大きい奥行方向Ｙに一対の高強度鋼板２を配置するとともに、曲げモーメントＭｙが小さい幅方向Ｘに一対の低強度鋼板３を配置することができる。

これにより、本発明を適用した箱型断面部材１は、相対的に降伏強度Ｆｈの高い高強度鋼板２と相対的に降伏強度Ｆｌの低い低強度鋼板３とを適切に組み合わせることで、鉛直荷重及び所定の方向性を持つ地震等による水平荷重（曲げモーメント）に対して効率的に抵抗させることが可能となる。そして、本発明を適用した箱型断面部材１は、鉛直荷重及び所定の方向性を持つ地震等による水平荷重（曲げモーメント）に効率的に抵抗させるために、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈ及び幅厚比（Ｂ／ｔｈ）と、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌ及び幅厚比（Ｄ／ｔｌ）とを、互いに独立して設定して適切に組み合わせることができるため、箱型断面部材１の設計自由度を向上させることが可能となる。

ここで、本発明を適用した箱型断面部材１は、図６に示すように、低強度鋼板３の板厚ｔｌを高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも小さくして、溶接金属Ｗの材料としての引張強度Ｆｕ，ｗが、低強度鋼板３の鋼材の引張強度Ｆｕ，ｌと同等以上で、かつ、高強度鋼板２の鋼材の引張強度Ｆｕ，ｈよりも低くなる（Ｆｕ，ｌ≦Ｆｕ，ｗ＜Ｆｕ，ｈ）。そして、本発明を適用した箱型断面部材１は、特に、板厚ｔｌが小さい低強度鋼板３の側端部３ａに形成された開先５０に溶接金属Ｗが設けられて、板厚ｔｈが大きい高強度鋼板２の内面２ｂに溶接される。

これにより、本発明を適用した箱型断面部材１は、溶接金属Ｗの材料としての引張強度Ｆｕ，ｗが、溶接金属Ｗが設けられる低強度鋼板３の引張強度Ｆｕ，ｌと同等以上となるため、溶接部５をオーバーマッチングとした理想的な溶接状態とすることが可能となる。また、本発明を適用した箱型断面部材１は、低強度鋼板３に超高強度鋼が用いられることなく、相対的に降伏強度Ｆｌの低い低強度鋼板３が用いられるため、溶接金属Ｗの材料としての引張強度は低強度鋼板３の引張強度と同等以上でよく、溶接金属Ｗの割れ防止が容易となり、結果として溶接前後の予熱、後熱及びパス間温度等の管理が容易となり、溶接施工管理の省力化を実現することが可能となる。

本発明を適用した箱型断面部材１は、低強度鋼板３に超高強度鋼が用いられることなく、高強度鋼板２にのみ引張強度が７８０Ｎ／ｍｍ²以上の超高強度鋼が用いられるとともに、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌに対する高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈの比率（Ｆｈ／Ｆｌ）が、特に、６３０／５００以上、８８０／３２５以下となることが望ましい。このとき、本発明を適用した箱型断面部材１は、高強度鋼板２に超高強度鋼が用いられる場合であっても、高強度鋼板２に比べて引張強度が低い溶接材料を用いることで溶接金属Ｗの割れ防止及び溶接施工管理が容易となることで、大入熱サブマージアーク溶接等を実施することも可能となる。

また、本発明を適用した箱型断面部材１は、相対的に板厚が小さい何れか一方の低強度鋼板３の側端部３ａ又は高強度鋼板２の側端部２ａに形成された開先５０に溶接金属Ｗが設けられて、相対的に板厚が大きい何れか他方の高強度鋼板２の内面２ｂ又は低強度鋼板３の内面３ｂに溶接部５で溶接される。これにより、本発明を適用した箱型断面部材１は、相対的に板厚が小さい開先５０に溶接金属Ｗが設けられることで、板厚が大きい部分に溶接金属Ｗが設けられる場合と比較して溶接量が削減されるため、箱型断面部材１の製作効率を向上させることが可能となる。さらに、サブマージアーク溶接等の大入熱溶接により接合した場合においても、溶接量や溶接入熱が削減されるため、溶接金属Ｗ及び鋼材の溶接熱影響部の靭性改善も期待できる。

本発明を適用した箱型断面部材１は、特に、低強度鋼板３の板厚ｔｌを高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも小さくして、低強度鋼板３の側端部３ａに形成された開先５０に溶接金属Ｗが設けられることで、溶接量を削減して製作効率を向上させると同時に、溶接金属Ｗの引張強度Ｆｕ，ｗを高強度鋼板２の引張強度Ｆｕ，ｈよりも低くして、溶接金属Ｗの割れ防止を実現しながら、さらに低強度鋼板３の引張強度Ｆｕ，ｌを溶接金属Ｗの引張強度Ｆｕ，ｗと同等以下とすることで、溶接施工管理の省力化と溶接継手の強度確保を実現することが可能となる。

本発明を適用した箱型断面部材１は、必要に応じて、図７に示すように、低強度鋼板３の板厚ｔｌを高強度鋼板２の板厚ｔｈよりも大きくしてもよい。このとき、本発明を適用した箱型断面部材１は、図７（ａ）に示すように、板厚ｔｌの大きい低強度鋼板３に開先５０が形成される場合は、低強度鋼板３の引張強度Ｆｕ，ｌが溶接金属Ｗの引張強度Ｆｕ，ｗと同等以下となるため、溶接施工管理の省力化を実現することが可能となる。これに対して、本発明を適用した箱型断面部材１は、図７（ｂ）に示すように、板厚ｔｈの小さい高強度鋼板２に開先５０が形成される場合は、板厚が小さい開先５０に溶接金属Ｗが設けられることで、溶接量を削減して箱型断面部材１の製作効率を向上させることが可能となる。

また、本発明を適用した箱型断面部材１は、図２に示すように、主に、建築物の柱部材８として用いられて、高強度鋼板２と低強度鋼板３とで形成された中空部４にコンクリート４０が充填される。これにより、本発明を適用した箱型断面部材１は、中空部４が充填されたコンクリート４０で補強されるため、柱部材８及び柱部材８に梁部材７が連結される箇所等で十分な剛性を発揮することが可能となる。

ここで、本発明を適用した箱型断面部材１の設計方法は、一対の高強度鋼板２と一対の低強度鋼板３とをシーム溶接して断面略矩形状に組み合わせるときに、高強度鋼板２及び低強度鋼板３の組み合わせを適切に設計するためのものである。このとき、本発明を適用した箱型断面部材１の設計方法は、特に、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈと、高強度鋼板２の幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌと、低強度鋼板３の奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、上記（１）式の関係を満足するように、高強度鋼板２の幅厚比（Ｂ／ｔｈ）及び低強度鋼板３の幅厚比（Ｄ／ｔｌ）を設計する。このとき、本発明を適用した箱型断面部材１の設計方法は、主に、低強度鋼板３の板厚ｔｌと高強度鋼板２の板厚ｔｈとが相対的に異なる大きさの箱型断面部材１の設計に用いられるが、低強度鋼板３の板厚ｔｌと高強度鋼板２の板厚ｔｈとが略同一の箱型断面部材１の設計に用いられてもよい。

本発明を適用した箱型断面部材１は、高強度鋼板２に用いられる超高強度鋼が、低強度鋼板３よりも高い降伏強度Ｆｈとなるものの、高強度鋼板２と低強度鋼板３の各々の降伏強度と幅厚比の組合せが適切でない場合には、柱部材８等に作用する鉛直荷重等によって、相対的に降伏強度が低い低強度鋼板３が降伏した後、早期に局部座屈が発生する虞がある。また、本発明を適用した箱型断面部材１は、低強度鋼板３の塑性化後の変形性能は大きいのに対して、高強度鋼板２に用いられる超高強度鋼の塑性化後の変形性能は一般的に乏しいものとなる。

本発明を適用した箱型断面部材１は、幅方向Ｘに一対の低強度鋼板３が配置されるため、柱部材８等に作用する鉛直荷重及びＸ軸周りの曲げモーメントＭｘに対して、高強度鋼板２となる超高強度鋼が降伏する前に、低強度鋼板３が先行して降伏するものとなる。このとき、本発明を適用した箱型断面部材１は、高強度鋼板２の降伏強度Ｆｈ及び幅厚比（Ｂ／ｔｈ）と、低強度鋼板３の降伏強度Ｆｌ及び幅厚比（Ｄ／ｔｌ）とを、上記（１）式の関係を満足するように設定することで、低強度鋼板３が高強度鋼板２に先行して降伏するものの、低強度鋼板３の幅厚比（Ｄ／ｔｌ）が高強度鋼板２の幅厚比（Ｂ／ｔｈ）に対して各々の降伏強度比の平方根（√（Ｆｌ／Ｆｈ））に応じて小さいものとなるため、低強度鋼板３に早期の局部座屈を生じさせないものとなる。

これにより、本発明を適用した箱型断面部材１は、低強度鋼板３の幅厚比（Ｄ／ｔｌ）を高強度鋼板２の幅厚比（Ｂ／ｔｈ）に対して各々の降伏強度比の平方根（√（Ｆｌ／Ｆｈ））に応じて小さいものとして、変形性能の大きい低強度鋼板３の早期の局部座屈を抑制することで、低強度鋼板３が降伏強度Ｆｌに達した後も、柱部材８等に作用する鉛直荷重等を高強度鋼板２に分配し、高強度鋼板２及び低強度鋼板３の双方に鉛直荷重等を負担させるものとなり、箱型断面部材１全体の耐荷能力及び塑性変形性能を向上させることが可能となる。

また、本発明を適用した箱型断面部材１は、柱部材８等に作用するＹ軸周りの曲げモーメントＭｙに対しては、降伏強度Ｆｌの低い低強度鋼板３の両端が、降伏強度Ｆｈの高い高強度鋼板２で拘束されることで、低強度鋼板３に局部座屈が発生することが抑制される。これにより、本発明を適用した箱型断面部材１は、柱部材８等に作用するＸ軸周りの曲げモーメントＭｘ及びＹ軸周りの曲げモーメントＭｙの何れに対しても、低強度鋼板３の早期の局部座屈の発生が抑制されて、箱型断面部材１全体の耐荷能力及び塑性変形性能を向上させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、上述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならない。

１ ：箱型断面部材
２ ：高強度鋼板
２ａ ：側端部
２ｂ ：内面
３ ：低強度鋼板
３ａ ：側端部
３ｂ ：内面
４ ：中空部
４０ ：コンクリート
５ ：溶接部
５０ ：開先
５１ ：裏当金
７ ：梁部材
７１ ：内側梁部材
７２ ：外側梁部材
８ ：柱部材
８０ ：外周部
８１ ：内部
Ｗ ：溶接金属
Ｘ ：幅方向
Ｙ ：奥行方向
Ｚ ：高さ方向

Claims (8)

1. 複数の鋼板を溶接して断面略矩形状に組み合わせた箱型断面部材であって、
   互いに対向する一方の側面で一対となった高強度鋼板と、互いに対向する他方の側面で一対となった低強度鋼板とを備え、
   前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板よりも低い降伏強度とした鋼材が用いられて、前記低強度鋼板の板厚と前記高強度鋼板の板厚とが相対的に異なる大きさとなること
   を特徴とする箱型断面部材。
2. 前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記低強度鋼板の板厚が前記高強度鋼板の板厚よりも小さくなること
   を特徴とする請求項１記載の箱型断面部材。
3. 前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板と前記低強度鋼板との溶接部に設けられる溶接金属の材料としての引張強度が、前記低強度鋼板の鋼材の引張強度と同等以上で、かつ、前記高強度鋼板の鋼材の引張強度よりも低いこと
   を特徴とする請求項２記載の箱型断面部材。
4. 前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、相対的に板厚が小さい何れか一方の前記高強度鋼板又は前記低強度鋼板の側端部に、相対的に板厚が大きい何れか他方の前記低強度鋼板又は前記高強度鋼板に溶接するための開先が形成されること
   を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の箱型断面部材。
5. 前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板に引張強度が７８０Ｎ／ｍｍ²以上の超高強度鋼の鋼材が用いられるとともに、前記低強度鋼板の降伏強度に対する前記高強度鋼板の降伏強度の比率が、６３０／５００以上、８８０／３２５以下となること
   を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の箱型断面部材。
6. 前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、一対の前記高強度鋼板と一対の前記低強度鋼板とに取り囲まれて形成された中空部に、コンクリートが充填されること
   を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の箱型断面部材。
7. 前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板は、前記高強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｈと、前記高強度鋼板の一方の側面での幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、前記低強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｌと、前記低強度鋼板の他方の側面での奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、下記（１）式の関係を満足すること
   を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の箱型断面部材。
   

   
8. 複数の鋼板を溶接して断面略矩形状に組み合わせた箱型断面部材の設計方法であって、
   互いに対向する一方の側面で一対となった高強度鋼板と、互いに対向する他方の側面で一対となった低強度鋼板とを組み合わせるときに、前記低強度鋼板に前記高強度鋼板よりも低い降伏強度とした鋼材が用いられて、前記高強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｈと、前記高強度鋼板の一方の側面での幅寸法Ｂ及び板厚ｔｈと、前記低強度鋼板の鋼材の降伏強度Ｆｌと、前記低強度鋼板の他方の側面での奥行寸法Ｄ及び板厚ｔｌとが、下記（１）式の関係を満足するように、前記高強度鋼板及び前記低強度鋼板の幅厚比を設計すること
   を特徴とする箱型断面部材の設計方法。
   

   

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