JP2024068437A - 梁接合構造及び梁接合構造の性能向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スカラップを有する梁接合構造において、梁に早期に亀裂が生じることを抑制する。【解決手段】鋼製の柱１０に接合される鋼製の梁２０の梁接合構造１００において、梁２０は、Ｈ形鋼材により形成され、強軸方向が鉛直方向に沿うように柱１０に接合され、梁２０のウェブ部２３は、柱１０に対向する端面から下側フランジ２１に向かって切り欠かれた下側スカラップ２５ａと、下側スカラップ２５ａから梁２０の長手方向に離間した位置に設けられ、ウェブ部２３を貫通する開口部２６と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、鋼製の柱に接合される鋼製の梁の接合構造及び接合構造の性能向上方法に関する。

特許文献１には、鋼製の柱に接合されるＨ形鋼材製の梁のウェブ部にスカラップを設けた構成が開示されている。

特開２００４－６８３８５号公報

特許文献１に記載の梁接合構造のように、鋼製の柱に対して梁のフランジ部を連続溶接するために、梁のウェブ部にはフランジ部に向かって切り欠かれた略四分円形状のスカラップが一般的に設けられる。このように梁のウェブ部にスカラップが設けられた構成では、地震等によって梁に鉛直方向荷重や捩じり荷重が作用すると、スカラップ周辺に応力が集中することによって梁のフランジ部に早期に亀裂が生じるおそれがある。

本発明は、スカラップを有する梁接合構造において、梁に早期に亀裂が生じることを抑制することを目的とする。

本発明は、鋼製の柱に接合される鋼製の梁の接合構造であって、梁は、一対のフランジ部と一対のフランジ部に挟まれたウェブ部とを有するＨ形鋼材により形成され、強軸方向が鉛直方向に沿うように柱に接合され、ウェブ部は、柱に対向する端面から一対のフランジ部のうち鉛直方向下方に配置される下側フランジに向かって切り欠かれたスカラップと、スカラップから梁の長手方向に離間した位置に設けられ、ウェブ部を貫通する開口部と、を有する。

本発明によれば、スカラップを有する梁接合構造において、梁に早期に亀裂が生じることを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る梁接合構造の側面図である。 図１の矢印Ａで示される部分の拡大図である。 変形例に係る開口部近傍の拡大図である。 （Ａ）梁接合構造に開口部を設けていない場合の荷重の作用を説明するための図である。（Ｂ）梁接合構造に開口部を設けた場合の荷重の作用を説明するための図である。 開口部を設ける位置と累積塑性変形倍率との関係を示すグラフである。 図５のグラフにおける各モデルの開口部の位置を示す図である。 変形例に係る梁接合構造の側面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る梁接合構造１００及び梁接合構造１００の性能向上方法について説明する。

図１及び２を参照して、本実施形態に係る梁接合構造１００について説明する。梁接合構造１００は、鉄骨造の建築物において、鋼製の柱１０に溶接接合される鋼製の梁２０の接合部の構造であり、以下では、図１に示すように、鉛直方向に沿って立設された柱１０に対して溶接接合される水平方向に沿って配置された梁２０の接合部の構造を例に説明する。

図１は、実施形態に係る梁接合構造１００を示す側面図であり、図２は、図１の矢印Ａで示される部分を拡大して示した拡大図である。なお、柱１０は、厳密に鉛直方向に沿ったものに限定されず、梁２０は、厳密に水平方向に沿って配置されたものに限定されない。また、柱１０と梁２０とは互いに直交して接合されるものに限定されない。

図１に示すように、柱１０は、角形鋼管により形成された鋼管部１１と、鉛直方向において鋼管部１１の間に設けられ、突合せ溶接によって鋼管部１１と一体化されるダイアフラム１２と、により構成された鋼管柱である。

ダイアフラム１２は、いわゆる通しダイアフラムであり、鋼管部１１よりも一辺の長さが大きい略正方形の鋼板により形成される。ダイアフラム１２は、後述の梁２０の下側フランジ２１及び上側フランジ２２（一対のフランジ部）の間隔に合わせて、鉛直方向に所定の間隔をあけて一対配置される。ダイアフラム１２の厚さは、下側フランジ２１及び上側フランジ２２の板厚よりも所定の大きさだけ厚く設定されている。

一対のダイアフラム１２間に配置される鋼管部１１には、図示しない高力ボルトを介して後述の梁２０のウェブ部２３と接合されるガセットプレート１４が鉛直方向に沿って溶接接合されている。

なお、柱１０の構成は、上述の構成に限定されず、梁２０が溶接接合可能であればどのような構成であってもよく、例えば、Ｈ形鋼や円形鋼管で構成された鋼製柱や複数の等辺山形鋼を連結することにより構成されたトラス構造柱、鋼管内にコンクリートを流し込むことにより形成されたコンクリート充填鋼管柱であってもよい。また、ダイアフラム１２は、通しダイアフラムに限定されず、鋼管部１１の内側に溶接された内ダイアフラムであってもよいし、ダイアフラムが設けられない構成であってもよい。

図１に示すように、梁２０は、下側フランジ２１及び上側フランジ２２と、下側フランジ２１及び上側フランジ２２に挟まれたウェブ部２３と、を有するＨ形鋼材であって、下側フランジ２１及び上側フランジ２２となる一対の鋼板がウェブ部２３となる鋼板に溶接接合されることによって形成された、いわゆるビルドＨ形鋼である。本実施形態の梁２０は、ウェブ部２３の幅厚比（＝ウェブ部２３の幅／板厚の比）が５０～１００程度に設定されている。

梁２０は、ウェブ部２３をガセットプレート１４に図示しない高力ボルトを介して仮接合した状態で、下側フランジ２１及び上側フランジ２２をダイアフラム１２にそれぞれ溶接接合することによって柱１０に接合される。つまり、梁２０は、強軸方向が鉛直方向に沿った状態、すなわち、鉛直方向下方に配置された下側フランジ２１と鉛直方向上方に配置された上側フランジ２２とに挟まれたウェブ部２３が鉛直方向に沿って配置された状態で柱１０に接合される。

なお、柱１０に対するウェブ部２３の接合は、高力ボルトによるボルト接合に限定されず、ウェブ部２３の端面２３ａを柱１０に直接溶接接合することにより行われてもよい。この場合、ガセットプレート１４は柱１０に設けられない。

柱１０に対する梁２０の溶接接合は、具体的には、下側フランジ２１及び上側フランジ２２の下面とダイアフラム１２の側面とに対して部分的に溶接固定された裏当て金３１をそれぞれの幅方向に沿って予め設けておき、裏当て金３１に沿って下側フランジ２１及び上側フランジ２２とダイアフラム１２との対向部分を連続的に溶接する完全溶け込み溶接によって行われる。

溶接が行われることによって、下側フランジ２１とダイアフラム１２と裏当て金３１とにより囲まれた領域、及び上側フランジ２２とダイアフラム１２と裏当て金３１とにより囲まれた領域には、それぞれ溶接部３２が形成される。この溶接部３２を下側フランジ２１及び上側フランジ２２の幅方向に沿って連続して形成するために、ウェブ部２３には下側スカラップ２５ａ及び上側スカラップ２５ｂが予め形成されている。

下側スカラップ２５ａは、下側フランジ２１とダイアフラム１２とが溶接される部分の近傍において、柱１０に対向するウェブ部２３の端面２３ａから下側フランジ２１に向かってウェブ部２３を略四分円形状に切り欠くことにより形成された切り欠きである。下側スカラップ２５ａが設けられることで、下側フランジ２１とダイアフラム１２との間に溶接部３２を裏当て金３１に沿って連続的に形成することが可能となる。

一方、上側スカラップ２５ｂは、上側フランジ２２とダイアフラム１２とが溶接される部分の近傍において、柱１０に対向するウェブ部２３の端面２３ａから上側フランジ２２に向かってウェブ部２３を略四分円形状に切り欠くことにより形成された切り欠きである。上側スカラップ２５ｂが設けられることで、上側フランジ２２の幅方向に沿って裏当て金３１を予め通しておくことが可能となる。

このようにウェブ部２３に下側スカラップ２５ａ及び上側スカラップ２５ｂを設けておくことによって、下側フランジ２１及び上側フランジ２２をダイアフラム１２に対してそれぞれ連続溶接することが可能となり、柱１０と梁２０との接続強度を十分確保することができる。なお、溶接部３２の始端及び終端において溶接不良が生じることを防止するために、下側フランジ２１及び上側フランジ２２の幅方向外側にエンドタブを設けてもよい。

一方で、下側スカラップ２５ａがウェブ部２３に設けられた構成では、地震等によって梁２０に鉛直方向荷重や捩じり荷重が作用すると、ウェブ部２３を介して下側フランジ２１に荷重が伝達される際に、下側スカラップ２５ａの下端（図２では端部２５ｃ）周辺に応力が集中し、応力集中部分を起点として下側フランジ２１に早期に亀裂が生じ、結果として、梁２０が早期に破断に至るおそれがある。

特に、図２に示すように、下側フランジ２１とウェブ部２３とが溶接接合されるビルドＨ形鋼においては、ウェブ部２３の最も端面２３ａ側の溶接部の周辺、すなわち、下側フランジ２１に下側スカラップ２５ａの下端部が接合される部分（図２の端部２５ｃ）の周辺には、直線状の溶接よりも作業時間が長くなる回し溶接が行われることによって、溶接熱影響部が比較的広い範囲に形成される。溶接熱影響部は溶接時の熱により母材が変質し脆化していることから、溶接熱影響部が形成された下側スカラップ２５ａの下端周辺に応力が集中すると、この部分を起点として下側フランジ２１に亀裂が生じやすくなる。

このような現象が生じることを避けるために、本実施形態では、下側スカラップ２５ａから梁２０の長手方向Ｌ（材軸方向）に離間した位置に、ウェブ部２３を貫通するように形成された開口部２６を設けている。

開口部２６は、ウェブ部２３を貫通する貫通孔によって形成される。図１及び図２に示す実施形態では、開口部２６は、真円の貫通孔によって形成されているが、図３に示すように、開口部２６は、梁２０の長手方向Ｌに長い長孔によって形成されていてもよいし、矩形の貫通孔であってもよい。

図２に示すように、開口部２６は、下側フランジ２１とウェブ部２３との溶接接合された部分である結合部２７から、下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１に相当するスカラップ高さＨ１の範囲内に形成される。

また、図２に示すように、開口部２６は、その中心Ｏ１が、下側スカラップ２５ａの梁２０の長手方向Ｌにおける端部２５ｃから、長手方向Ｌに下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１に相当する距離Ｄ１以上離間した位置に設けられる。さらに、開口部２６の中心Ｏ１は、端部２５ｃから下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１の２倍の距離に相当する距離Ｄ２程度までの範囲内に設けられることが好ましい。

次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して、開口部２６に係る作用について説明する。図４（Ａ）は、梁２０に開口部２６を設けていない比較例としての梁接合構造２００であり、図４（Ｂ）は、本実施形態の梁接合構造１００である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示す太線の矢印は、荷重の作用する方向（応力）を示している。

図４（Ａ）に示すように、梁２０に開口部２６を設けていない場合には、梁２０に下側フランジ２１が引張力を受ける方向の荷重が作用すると、端部２５ｃに応力が集中する。これに対し、図４（Ｂ）に示すように、梁２０に開口部２６を設けている場合には、梁２０に下側フランジ２１が引張力を受ける方向の荷重が作用すると、開口部２６によって端部２５ｃに向かう応力が分散する。これにより、梁２０に開口部２６を設けていない場合に比べ、端部２５ｃに作用する応力が小さくなる。したがって、下側スカラップ２５ａにおいて、早期に亀裂が生じることが抑制され、梁２０が早期に破断に至ることを抑制することができる。

また、梁２０に下側フランジ２１が引張力を受ける方向の荷重が作用した際には、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に点線で示すように、下側フランジ２１が座屈する。梁接合構造１００では、梁２０に開口部２６が設けられているので、開口部２６周辺の剛性が低下する。このため、梁２０に下側フランジ２１が引張力を受ける方向の荷重が作用した場合に、比較例である梁接合構造２００に比べて、開口部２６周辺で座屈量が大きくなる。梁接合構造１００では、開口部２６周辺の座屈量を大きくすることで、開口部２６周辺（座屈部分）においてエネルギーをより多く吸収させている。これにより、梁２０に開口部２６を設けていない梁接合構造２００に比べ、端部２５ｃに作用する応力を小さくできるので、下側スカラップ２５ａにおいて、早期に亀裂が生じることが抑制され、梁２０が早期に破断に至ることを抑制することができる。

次に、図５及び図６を参照して、開口部２６を設ける位置について説明する。

図５は、開口部２６を設ける位置と累積塑性変形倍率ηとの関係を示すグラフである。エネルギー吸収能力の指標となる累積塑性変形倍率ηは、降伏後の変形の累積値である累積塑性変形を降伏時の変形量で割った値に相当する。図５は、図６に示す各解析モデルに対して、梁２０を所定の塑性率（μ＝２．０，４．０，６．０）で各２回ずつ繰り返し振幅させたシミュレーションの結果に基づく累積塑性変形倍率ηを示している。図６におけるモデルＦＤ１は、梁２０に開口部２６を設けていない比較例（梁接合構造２００）に相当するモデルである。図６におけるモデルＳ１は、開口部２６の中心Ｏ１を、下側スカラップ２５ａの端部２５ｃから長手方向Ｌに下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１の半分に相当する距離Ｄ１×１／２離間した位置に設けたモデルである。図６におけるモデルＳ２は、開口部２６の中心Ｏ１を、下側スカラップ２５ａの端部２５ｃから長手方向Ｌに下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１に相当する距離Ｄ１離間した位置に設けたモデルである。図６におけるモデルＳ３は、開口部２６の中心Ｏ１を、下側スカラップ２５ａの端部２５ｃから長手方向Ｌに下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１の１．５倍に相当する距離Ｄ１×１．５離間した位置に設けたモデルである。図６におけるモデルＳ４は、開口部２６の中心Ｏ１を、下側スカラップ２５ａの端部２５ｃから長手方向Ｌに下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１の２倍に相当する距離Ｄ１×２離間した位置に設けたモデルである。

図５から明らかなように、モデルＳ１は、開口部２６を設けていない比較例ＦＤ１と、累積塑性変形倍率ηがともに４０前後になり、ほとんど差が見られない。これに対し、モデルＳ２，Ｓ３，Ｓ４は、累積塑性変形倍率ηが６０前後になり、比較例ＦＤ１やモデルＳ１に比べ、大きな値になっている。つまり、モデルＳ２，Ｓ３，Ｓ４に示す形状は、比較例ＦＤ１やモデルＳ１に比べ、エネルギー吸収能力が大きいといえる。したがって、モデルＳ２，Ｓ３，Ｓ４に示す形状、具体的には、開口部２６は、その中心Ｏ１が、下側スカラップ２５ａの端部２５ｃから長手方向Ｌに下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１に相当する距離Ｄ１以上離間した位置に設けられることが好ましい。また、開口部２６を下側スカラップ２５ａの端部２５ｃから遠い箇所に設けてしまうと、端部２５ｃに作用する応力を分散させる効果が低減するため、開口部２６の中心Ｏ１は、端部２５ｃから下側スカラップ２５ａのスカラップ径Ｒ１の２倍の距離に相当する距離Ｄ２程度までの範囲内に設けられることが好ましい。

このような位置に開口部２６を設けることにより、下側フランジ２１の塑性変形性能が向上し、地震力に対する梁２０のエネルギー吸収性能が向上する。これにより、梁接合構造１００が適用された建築物の耐震性を向上させることができる。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

上記構成の梁接合構造１００では、鋼製の柱１０に溶接接合されるＨ形鋼材により形成された梁２０は、ウェブ部２３と、下側スカラップ２５ａと、下側スカラップ２５ａから梁２０の長手方向Ｌに離間した位置に設けられ、ウェブ部２３を貫通する開口部２６と、有する。

このように、下側スカラップ２５ａから長手方向Ｌに離間した位置に、ウェブ部２３を貫通する開口部２６を設けることによって、下側スカラップ２５ａの端部２５ｃ周辺において応力が集中することが抑制される。これにより、下側フランジ２１に早期に亀裂が生じることが抑制され、梁２０が早期に破断に至ることを抑制することができる。

また、開口部２６が設けられた周辺では、剛性が低下することから、下側フランジ２１の塑性変形性能が向上することとなる。これにより、地震力に対する梁２０のエネルギー吸収性能が向上し、結果として、上記構成の梁接合構造１００が適用された建築物の耐震性を向上させることができる。

なお、次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の各実施形態で説明した構成を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせたりすることも可能である。

また、上記各実施形態では、下側スカラップ２５ａの形状は、略四分円形状である場合を例に説明したが。下側スカラップ２５ａの形状はこれに限定されず、例えば、図７に示すように、異なる曲率の円弧が複数組み合わされた形状であってもよい。

また、上記各実施形態では、梁２０は、ビルドＨ形鋼であるが、梁２０は、ウェブ部２３と、ウェブ部２３と一体化された下側フランジ２１と、を有する鋼材であればよく、例えば、圧延により形成されたＨ形鋼である、いわゆるロールＨ形鋼であってもよい。

開口部２６は、梁２０が柱１０に溶接接合される前、または、梁２０が柱１０に溶接接合された後に、孔あけ加工機等の一般的な工具を用いて形成することが可能であり、例えば、既に建築されている建築物の梁２０に開口部２６を後から加工することも可能である。

また、開口部２６近傍において、下側フランジ２１とウェブ部２３との溶接を行わないようにしてもよい。この場合には、溶接が行われない箇所は、剛性が低下するので、荷重が作用した際の座屈量が大きくなる。これにより、この部分において吸収できるエネルギー量をより多くすることができる。

さらに、開口部２６を下側フランジ２１とウェブ部２３との溶接部分と重なるように形成してもよい。また、開口部２６を複数の貫通孔としてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１００，２００・・・梁接合構造
１０・・・柱
１１・・・鋼管部
１２・・・ダイアフラム
２０・・・梁
２１・・・下側フランジ（フランジ部）
２２・・・上側フランジ（フランジ部）
２３・・・ウェブ部
２５ａ・・・下側スカラップ
２５ｃ・・・端部
２６・・・開口部
２７・・・結合部

Claims (6)

1. 鋼製の柱に接合される鋼製の梁の接合構造であって、
   前記梁は、一対のフランジ部と前記一対のフランジ部に挟まれたウェブ部とを有するＨ形鋼材により形成され、強軸方向が鉛直方向に沿うように前記柱に接合され、
   前記ウェブ部は、
   前記柱に対向する端面から前記一対のフランジ部のうち鉛直方向下方に配置される下側フランジに向かって切り欠かれたスカラップと、
   前記スカラップから前記梁の長手方向に離間した位置に設けられ、前記ウェブ部を貫通する開口部と、を有する、
   梁接合構造。
2. 前記開口部は、前記ウェブ部の前記下側フランジとの結合部から、前記スカラップのスカラップ径に相当する高さの範囲内に形成される、
   請求項１に記載された梁接合構造。
3. 前記開口部は、真円、あるいは、前記梁の長手方向に長い長孔によって形成される、
   請求項１または２に記載された梁接合構造。
4. 前記開口部は、前記スカラップの前記梁の長手方向における端部から前記スカラップのスカラップ径に相当する距離以上離間した位置に、中心が設けられる、
   請求項３に記載された梁接合構造。
5. 前記ウェブ部の幅厚比は、５０～１００である、
   請求項１または２に記載された梁接合構造。
6. 鋼製の柱に接合される鋼製の梁の接合構造の性能向上方法であって、
   前記梁が、一対のフランジ部をウェブ部に溶接接合することにより形成され、その強軸方向が鉛直方向に沿うように前記柱に接合され、前記ウェブ部が、前記柱に対向する端面から前記一対のフランジ部のうち鉛直方向下方に配置される下側フランジに向かって切り欠かれたスカラップを有する、梁接合構造の性能を向上する方法において、
   前記スカラップから前記梁の長手方向に離間した位置に形成された開口部を前記ウェブ部に形成する工程を有する、
   梁接合構造の性能向上方法。
   

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