JP7195081B2 - スカラップ及びそのスカラップを用いた梁端現場接合部 - Google Patents

Description

本発明は、Ｈ形断面梁の梁端現場接合部を形成するため、Ｈ形断面梁のウェブの端部に設けるスカラップ、及びスカラップを用いた梁端現場接合部に関する。

梁、柱等が鉄骨部材によって構成される鉄骨建物は、建設時の工事現場において梁と柱が接合される場合がある。とくに、梁としてＨ形断面部材を用いるＨ形断面梁の場合は、Ｈ形断面梁のウェブの端部と柱とを工事現場において溶接あるいはボルト接合し、Ｈ形断面梁の上下フランジの端部と柱とを工事現場において溶接するという、梁端現場接合部が広く一般に採用されている。この際、Ｈ形断面梁の下フランジの端部と柱との溶接を行うために、Ｈ形断面梁のウェブの端部には通常スカラップと呼ばれる溶接孔が設けられる。スカラップは、Ｈ形断面梁のウェブの端部をＨ形断面梁の下フランジの近傍で部分的に切り欠くものであり、Ｈ形断面梁の下フランジと柱との溶接部は、このスカラップを通してＨ形断面梁のウェブを横切るように形成される。

また、上記のＨ形断面梁に用いられるＨ形断面部材としては、溶接組立Ｈ形断面と圧延Ｈ形鋼がある。溶接組立Ｈ形断面は、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分を溶接することで成形される。このため、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分には、溶接金属によってウェブの厚さ方向に幅広となるように形成された隅肉部が設けられる。また、圧延Ｈ形鋼は、上下一対のフランジとウェブからなる断面Ｈ形形状に、圧延によって一体に成形される。この際、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分には、ウェブの厚さ方向に幅広となるように形成された通常フィレット部と呼ばれる隅肉部が設けられる。

ところで、上記のような梁端現場接合部は、スカラップにひずみが集中することでＨ形断面梁の下フランジが地震時に破断するおそれがあり、これを防止する対策が求められている。このために従来から、スカラップへのひずみの集中を緩和することのできるスカラップの形状やスカラップを補強する対策が講じられてきた。

例えば非特許文献１には、スカラップへのひずみの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、二つの曲率半径の円弧を組み合わせた形状であって、フランジと接続する部分の円弧の曲率半径を１０ｍｍとし、フランジから離れた部分の円弧の曲率半径を３５ｍｍとする形状の複合円型スカラップが開示されている。さらに非特許文献１には、スカラップへのひずみの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、フランジと接続する部分の１／４円状の円弧の曲率半径を１０ｍｍとし、この円弧から垂直に伸びる直線部を有する形状の改良Ｂ型スカラップが開示されている。また、非特許文献２及び３には、スカラップへのひずみの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、円弧となる部分と、当該円弧となる部分から直線状に延びてフランジと接続される形状のスカラップが開示されている。

一方、特許文献１には、スカラップを補強する対策として、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部を、梁のフランジと、フランジの外側に接合した板状部材と、鉄骨柱の通しダイアフラムとからなる開先部を完全溶け込み溶接した接合部とし、板状部材を肉厚部から肉薄部にかけて直線的に減厚するテーパープレートとし、梁のウェブにスカラップを設けた構造が開示されている。
また、特許文献２には、スカラップを補強する対策として、スカラップを溶接などで充填する構造が開示されている。

特開２０１３－７１９４号公報 特開２０１５－２２４４２７号公報

日本建築学会：鉄骨工事技術指針・工場製作編、日本、２００７年２月１５日、第５版、ｐ．２０８－２１１ 中込忠男、藤田哲也：角形鋼管柱に通しダイアフラム形式で溶接接合される圧延Ｈ形鋼梁端部の力学的性能 梁スカラップの有無および形状と目違いが破壊性状に及ぼす影響、日本建築学会構造系論文集第４５５号、１９９４年１月、ｐ．１８７－１９６ Ｊ．Ｍ．Ｒｉｃｌｅｓ，Ｊ．Ｗ．Ｆｉｓｈｅｒ，Ｌｅ－Ｗｕ Ｌｕ，Ｅ．Ｊ．Ｋａｕｆｍａｎｎ；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｅｌｄｅｄ ｍｏｍｅｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｄｅｓｉｇｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、２００２年、５８号、ｐ．５６５－６０４

しかし、非特許文献１～３のようなスカラップは、通常スカラップ底と呼ばれる、スカラップとＨ形断面梁の下フランジとが接続される部分の近傍にひずみが集中するという問題がある。すなわち、スカラップ底に歪が集中することで地震時にこの部分にき裂が発生し、このき裂がＨ形断面梁の下フランジの外面に進展するという問題がある。このき裂がＨ形断面梁の下フランジの外面に進展すると、これを起点としてＨ形断面梁の下フランジが破断してしまい、鉄骨建物の耐震性能を損なうおそれがある。このため、スカラップ底へのひずみの集中を緩和することのできるスカラップの形状が現在広く求められている。また、スカラップ底にひずみが集中することで地震時にこの部分にき裂が発生した場合、発生したき裂はＨ形断面梁が接合される柱などの他の鉄骨材があるために視認しづらく、地震後の損傷の診断が困難となるという問題がある。
また、特許文献１のような構造では、梁の端部の応力を低減することが可能であるが、補強するためのテーパープレートを用意し接続する手間がかかってしまう問題がある。同様に、特許文献２のような構造でも、補強するためにスカラップを溶接などにより充填するための手間がかかってしまう問題がある。

本発明は、上述の事情を鑑みてスカラップの形状の見直しを図ったもので、補強するために別の構成を設けなくても、スカラップ底へのひずみの集中を緩和することができ、スカラップ底へのき裂の発生を抑制し、Ｈ形断面梁の下フランジの破断を防止することができるスカラップ及び梁端現場接合部を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明によるスカラップは、Ｈ形断面梁の梁端現場接合部を形成するために、前記Ｈ形断面梁のウェブの端部に設けるものであって、前記Ｈ形断面梁の下フランジ側に位置する第一の開口端と、前記第一の開口端と相反する側に位置する第二の開口端とを有し、前記第一の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第一の開口縁部と、前記第二の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第二の開口縁部と、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する第三の開口縁部とを有し、前記第一の開口縁部は、前記ウェブと前記フランジとが交差する部分に設けられた隅肉部における前記ウェブ側の止端部と交差するように、円弧状に形成され、前記第一の開口端側の一端で、その接線が前記下フランジの内側の面と平行となる第一の円弧部を有し、前記第三の開口縁部は、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する円弧状に形成された第二の円弧部を有し、前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径より大きいことを特徴とする。
なお、本発明によるスカラップは、前記下フランジ側のスカラップ底のひずみの集中を緩和することを目的とするものであるが、当然、上フランジ側に対しても同様のスカラップを用いることができる。

この構成によれば、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する前記第三の開口縁部における前記第二の円弧部の曲率半径に対して、前記下フランジ側に位置する前記第一の開口縁部における前記第一の円弧部の曲率半径を大きくすることで、前記スカラップの周辺において、前記ウェブのせん断変形を起こしやすくすることができる。これにより、前記スカラップ底へのひずみの集中を緩和することが可能であり、前記スカラップ底にき裂が発生することを抑制することができる。ここで、本発明におけるスカラップ底とは、第一の円弧部における第一の開口端側の一端の近傍を意味する。さらに、前記第一の開口縁部が、前記隅肉部の前記ウェブ側の止端部と交差するように円弧状に形成されていることで、断面Ｈ形形状の幅方向の厚みが相対的に小さい前記隅肉部の前記ウェブ側の止端部において意図的に延性き裂を発生させることができる。この延性き裂は、前記フランジに進展することなく、前記フランジと比較して引張応力が小さい前記隅肉部の前記ウェブ側の止端部に沿って軸方向に安定的に進展するため、前記下フランジが破断して鉄骨建物の耐震性能を損なうことを防止することができる。

また、前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とは、前記第一の円弧部がなす円弧と前記第二の円弧部がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されているものとしてもよい。
この構成によれば、前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とが連続的に接続されることで、前記スカラップ底へのひずみの集中を一層緩和することができ、前記スカラップ底にき裂が発生することをより抑制することができる。

また、上記のようなスカラップの形状において、前記第一の開口端を含み直近の前記下フランジにおける内側の面に平行に配された直線部を有し、前記第一の円弧部の前記第一の開口端側の一端が前記直線部と接続されているものとしてもよい。
この構成によれば、前記下フランジと柱とを溶接するための十分なスペースを確保することができ、前記フランジと前記柱との溶接を安定的に行い、溶接欠陥を生じないようにすることができる。

さらに、本発明においては、前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径の２．５倍以上とすることが好ましい。
これにより、スカラップの下フランジ側におけるひずみの集中を緩和して、スカラップからのき裂の発生を安定的に抑制することが可能となる。

また、上記のようなスカラップの大きさは、梁端現場接合部の耐力を安定的に確保するためになるべく小さくすることが望ましいが、前記フランジと前記柱との溶接の施工性の観点から、前記スカラップの前記下フランジ側から上フランジ側へ向かう方向の寸法は、１５ｍｍ以上とすることが好ましい。

また、上記のようなスカラップの形成は、通常切削によって行われるが、円弧部の切削面を滑らかにしてき裂の発生を抑制するためには、切削加工上その曲率半径をなるべく大きくするのが好ましい。このとき、スカラップをカッターによって切削して成形し、前記第二の円弧部の曲率半径が６ｍｍ以上とすることが好ましい。

本発明によれば、補強するために別の構成を設けなくても、前記スカラップ底へのひずみの集中を緩和することができ、前記スカラップ底へのき裂の発生を抑制し、前記下フランジの破断を防止することができる。

実施形態の梁端現場接合部の概要を示す斜視図である。 図１におけるＡ部の詳細図である。 図１における切断線Ｉ－Ｉで切断した断面図である。 実施形態の第一の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。 実施形態の第二の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。 実施形態の第三の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。 実施形態の第四の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。 実施例で用いた解析モデルの全体を示すモデル図である。 撓み角を説明するための説明図である。 解析モデルＮＯ．１２における相当塑性ひずみ分布を示す分布図である。 解析モデルＮＯ．４５における相当塑性ひずみ分布を示す分布図である。 解析モデルＮＯ．１２における塑性せん断ひずみ分布を示す分布図である。 解析モデルＮＯ．２４おける塑性せん断ひずみ分布を示す分布図である。 解析結果に基づく第二の円弧部の曲率半径に対する第一の円弧部の曲率半径の比と、最大相当塑性ひずみとの関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について図１から図１４を参照して説明する。図１及び図２は、本実施形態の梁端現場接合部１００を示していて、この梁端現場接合部１００は、柱１１０と、柱１１０と接続される梁１とを備える。柱１１０は、鋼材からなり角管状に形成された複数の柱材１１１を軸方向に連結して構成されている。
また、柱１１０と梁１とが接続する柱梁接合部１１０ａには、梁１と接続するための一対のダイアフラム１１２、１１２が設けられている。各ダイアフラム１１２は、略矩形状の板体状に形成されたいわゆる通しダイアフラムであり、柱梁接合部１１０ａの上下両端側に配設されていて、この柱梁接合部１１０ａと柱材１１１とによってそれぞれ挟み込まれている。そして、各ダイアフラム１１２は、周縁部分が各柱材１１１の側面１１１ａから突出した状態で溶接等により柱梁接合部１１０ａ及び柱材１１１と一体化されている。
なお、梁端現場接合部については、本実施形態のような通しダイアフラム形式の構造に限定されず、例えば梁１がダイアフラムを介さず柱１１０に直接接続される構成でもよいし、柱１１０がＨ形鋼で梁１とは柱１１０あるいはダイアフラムを介して接続される構成でもよい。

梁１は、通常Ｈ形断面梁によって形成されている。本実施形態において梁１は、溶接組立Ｈ形断面により形成されている。梁１は、全体として一方向（水平方向）に延びていて、ウェブ１０と、ウェブ１０の軸方向と直交する方向の両端部（以下、ウェブ（１０）の軸方向と直交する方向の端部を「縁」ということがある。）１０ｂ,１０ｂに接続された一対のフランジ２０とを有する。
ウェブ１０は、ウェブ１０の軸方向と直交する方向、すなわちウェブ幅方向を梁１の高さ方向として、梁１の軸方向に延びている。一対のフランジ２０は、梁１の軸方向に延びており、ウェブ１０の両縁１０ｂ、１０ｂに接続されている。また、一対のフランジ２０は、ウェブ１０の上下両端部において、それぞれウェブ１０からウェブ１０の厚さ方向に略直角に張出している。そして、梁１の軸線方向の端部が、柱１１０の周面に接続されている。なお、一対のフランジ２０、２０のうち、下側に位置するフランジ２０を下フランジ、上側に位置するフランジ２０を上フランジと称する。
ここで、本発明においては、梁において柱と接続する軸方向の端部を軸端部（１ａ）と称し、梁の軸端部において、ウェブ及びフランジが柱と接続される部分をそれぞれ軸端（１０ａ、２０ａ）と称する。

この実施形態における接組立Ｈ形断面は、図３に示すように、ウェブ１０と一対のフランジ２０とが交差する部分には溶接により形成された隅肉部３０が設けられている。すなわち、隅肉部３０は、溶接材または溶接材と母材とが溶融することにより形成されている。隅肉部３０は、ウェブ１０の両縁１０ｂ、１０ｂにおいて、ウェブ１０の両方のウェブ面１１、１１と、一対のフランジ２０の互いに向かう内側の面である内面２１、２１との間にそれぞれ形成されている。言い換えれば、隅肉部３０は、ウェブ１０の各縁１０ｂ、１０ｂにおいてウェブ１０を挟み込むように各ウェブ面１１、１１に設けられている。
また、図３に示すように、本実施形態において隅肉部３０は、梁１の軸方向視した断面において、ウェブ１０のウェブ面１１と接続するウェブ止端部３１から、フランジ２０の内面２１と接続するフランジ止端部３２までを繋ぐ直線状の傾斜面を有する三角形状に形成されており、さらに本実施形態では断面二等辺三角形状に形成されている。隅肉部３０におけるウェブ１０のウェブ面１１及びフランジ２０の内面２１に沿う各辺の大きさ、すなわちフランジ２０の内面２１からウェブ止端部３１までの距離である隅肉高さＨｆ、及び、ウェブ１０のウェブ面１１からフランジ止端部３２までの距離である隅肉幅Ｗｆとしては、例えば３～３０ｍｍ程度である。

なお、隅肉部３０の断面は三角形状に限定されるものではない。ウェブ止端部３１からフランジ止端部３２まで円弧状の凹曲面で接続されてよく、ウェブ止端部３１及びフランジ止端部３２において当該凹曲面の接線がウェブ１０のウェブ面１１及びフランジ２０の内面２１に平行となるようにして接続されていてもよい。また、ウェブ止端部３１からフランジ止端部３２まで凸曲面で接続されていてもよい。
本実施形態では、上記のとおり隅肉部３０はウェブ１０とフランジ２０とを隅肉溶接を行うことにより形成されるものであり、隅肉部３０と、隅肉部３０近傍のウェブ１０及びフランジ２０との各部分によって溶接部が形成されている。

そして、当該梁１は、本実施形態のＨ形断面部材の端部接続構造２００により柱１１０に接続されている。すなわち、本実施形態のＨ形断面部材の端部接続構造２００は、梁１のフランジ２０の軸端２０ａを柱１１０に溶接するフランジ溶接部４０と、梁１のウェブ１０の軸端１０ａを柱１１０に溶接するウェブ溶接部５０とを有する。また、フランジ溶接部４０の下面側には、このフランジ溶接部４０を形成する溶金が、フランジ２０に開先面４０ａと柱１１０との間から抜け落ちるのを防ぐ裏当金が設けられている。
本実施形態においては、フランジ２０の軸端２０ａは柱１１０のダイアフラム１１２に溶接されて、ウェブ１０の軸端１０ａは柱材１１１の側面１１１ａに溶接されている。

また、梁１におけるウェブ１０の軸端１０ａにはスカラップ６０が設けられている。スカラップ６０は、ウェブ１０の軸端１０ａ側における一対のフランジ２０、２０側となる両縁１０ｂ、１０ｂ位置に、直近のフランジ２０の軸端２０ａ側及びウェブ１０の軸端１０ａ側の方向に向けて開口するように、且つウェブ１０の厚さ方向に貫通するようにそれぞれ設けられている。これにより、フランジ溶接部４０は、フランジ２０の幅方向一方の端部から、スカラップ６０を通してウェブ１０を横切って幅方向他方の端部まで形成されている。また、ウェブ溶接部５０は、ウェブ１０の両縁１０ｂ、１０ｂに設けられたスカラップ６０まで形成されている。
なお、本実施形態においては、梁１のウェブ１０は、その軸端１０ａを柱１１０に溶接することにより柱１１０に接続されているが、梁のウェブの軸端を接合する方法は溶接に限定されるものではなく、例えばボルト接合によるものでもよい。

図４に示すように、スカラップ６０は、上記のように、直近のフランジ２０の軸端２０ａ側及び直近のウェブ１０の軸端１０ａ側の方向に開いた開口を有しているため、２つの開口端を含んでいる。すなわち、直近のフランジ２０側に位置する第一の開口端６０ａと、第一の開口端６０ａと相反する側、言い換えれば、一対のフランジ２０で挟まれたウェブ１０のウェブ幅方向の中央側に位置する第二の開口端６０ｂとを含む。より具体的に、第一の開口端６０ａは、直近のフランジ２０の内面２１側の位置に、第二の開口端６０ｂはウェブ１０の軸端１０ａにそれぞれ形成されている。

また、スカラップ６０は、第一の開口縁部６１と、第二の開口縁部６２と、第三の開口縁部６３とを有している。第一の開口縁部６１は、第一の開口端６０ａを含み、第一の開口端６０ａから、梁１の軸方向における軸端部１ａから離れる方向に向かって延びている。第二の開口縁部６２は、第二の開口端６０ｂを含み、第二の開口端６０ｂから梁１の軸端部１ａから離れる向き、すなわち梁１の軸方向の中央に向かって延びている。第三の開口縁部６３は、第一の開口縁部６１と第二の開口縁部６２とを接続している。

具体的に、第一の開口縁部６１は、隅肉部３０におけるウェブ止端部３１と交差するようにして円弧状に形成された、第一の開口端６０ａ側の一端７１ａで接線が前記フランジ２０の内面２１と平行となる第一の円弧部７１を有する。
第二の開口縁部６２は、形状は特に限定されないが、本実施形態の場合は第二の開口端６０ｂから直線状に延びている。
また、第三の開口縁部６３は、第一の開口縁部６１から第二の開口縁部６２に向かって湾曲する円弧状に形成された第二の円弧部７２を有している。
ここで、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１は、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の２．５倍以上であることが望ましい。このように、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の２．５倍以上としたのは、スカラップ６０のフランジ２０側におけるひずみの集中を緩和して、スカラップ６０からのき裂の発生をより安定的に抑制することが可能となるためである。

なお、第一の開口縁部６１、第二の開口縁部６２及び第三の開口縁部６３によって構成されるスカラップ６０において、一対のフランジ２０が互いに離間する方向（梁１の高さ方向）におけるスカラップ６０の高さ寸法Ｈｓは、梁端現場接合部１００の耐力を安定的に確保するためになるべく小さくすることが望ましいが、フランジ２０と柱１１０との溶接の施工性の観点から、スカラップ６０の下フランジ２０側から上フランジ２０側へ向かう方向の寸法は、１５ｍｍ以上とすることが望ましい。さらに、スカラップ６０の高さ寸法Ｈｓは、ウェブ１０でもモーメントをより効率よく伝達させて、スカラップ６０のフランジ２０側のひずみの集中をさらに緩和させるため、３５ｍｍ以下であるものとしてもよい。
また、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２は、スカラップの形成の際にカッターにより切削することを考慮し、作業性を確保するためも６ｍｍ以上であるものとしてもよい。

以下、スカラップ６０のより詳細な態様について説明する。
図４は第一の態様のスカラップ６０を示している。図４に示すように、第一の態様のスカラップ６０において、第一の開口縁部６１は、直近のフランジ２０側の位置に配設されていて、第一の開口端６０ａを含む第一の直線部７３と、第一の直線部７３に接続された第一の円弧部７１とを有する。
第一の直線部７３は、直近のフランジ２０の内面２１において、スカラップ６０によりウェブ１０が切り欠かれた部分に相当するもので、本態様においては、直近のフランジ２０の内面２１に含まれている。また、第一の開口端６０ａは、直近のフランジ２０の軸端２０ａに設けられていて、さらに具体的には、柱１１０と溶接されるフランジ溶接部４０を形成する際に用いられる開先面４０ａにおけるウェブ１０側の端部がこの第一の開口端６０ａとなっている。
第一の円弧部７１は、第一の直線部７３と接続する位置における接線がフランジ２０の内面２１と平行であり、且つ梁１の軸端部１ａから離れるに従って、次第にフランジ２０から離れる方向に湾曲する凹曲線状に形成されている。この第一の円弧部７１は、第一の直線部７３と接続されて隅肉部３０を横断する隅肉横断部７１ｃと、隅肉横断部７１ｃにおける直近のフランジ２０とは反対側の一端部からウェブ１０のウェブ面１１に沿って形成されるウェブ形成部７１ｄとを有する。

一方、第二の開口縁部６２は、第二の開口端６０ｂを含む直線状に形成され、梁１の軸方向に沿って延びている第二の直線部７４を有している。
また、第三の開口縁部６３は、第二の円弧部７２を有していて、第二の円弧部７２の一端７２ａは、第一の開口縁部６１の第一の円弧部７１と接続されているとともに、他端７２ｂは第二の開口縁部６２の第二の直線部７４と接続されている。
ここで、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とは、第一の円弧部７１がなす円弧と第二の円弧部７２がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されている。また、第二の円弧部７２と第二の直線部７４との接続部分では、第二の円弧部７２をなす円弧の接線と第二の直線部７４とが一致している。これにより、第一の開口縁部６１、第二の開口縁部６２及び第三の開口縁部６３で構成されるスカラップ６０の縁部の形状は連続的になっている。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｈｓは第一の直線部７３と第二の直線部７４との離間距離によって定まる。

また、図５は第二の態様のスカラップ６０Ａを示している。なお、第一態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図５に示すように、第二の態様のスカラップ６０Ａにおいて第一の開口縁部６１は、第一の態様における第一の直線部７３に相当する部分を備えず、第一の円弧部７１における直近のフランジ２０側の一端７１ａが第一の開口端６０ａとなっている。第一の開口端６０ａとなる第一の円弧部７１の一端７１ａは、フランジ２０の内面２１上に位置しており、当該一端７１ａにおける接線がフランジ２０の内面２１に平行である。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｈｓは、第一の円弧部７１の一端７１ａと第二の直線部７４との離間距離によって定まる。

また、図６は第三の態様のスカラップ６０Ｂを示している。同様に、第一態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図６に示すように、本態様においては、フランジ溶接部４０を形成する際に用いられる開先面４０ａが、上方に（厳密には上方に行くに従って次第に梁１の軸端部１ａから離れる方向）に立ち上がっていて、開先面４０ａの一端が、直近のフランジ２０の内面よりもウェブ幅方向中央側に位置している。そして、この開先面４０ａの一端が第一の開口端６０ａとなっている。
具体的に、スカラップ６０Ｂは、第一の開口縁部６１が、第一の開口端６０ａを含む第一の直線部７５と、第一の直線部７５と接続された第一の円弧部７１とを有していて、第一の直線部７５は、第一の開口端６０ａが直近のフランジ２０の内面よりもウェブ幅方向中央側に位置している分だけフランジ２０の内面２１から離間した状態で、フランジ２０の内面２１と平行に形成されている。
ここで、第一の直線部７５とフランジ２０の内面２１との距離で表わされるスカラップ離間距離Ｘｓは、少なくとも隅肉部３０のウェブ止端部３１からフランジ２０の内面２１までの距離である隅肉高さＨｆよりも小さい。これにより、第一の直線部７５と接続されている第一の円弧部７１はウェブ止端部３１と交差している。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｈｓは第一の直線部７５と第二の直線部７４との離間距離によって定まる。

また、図７は第四の態様のスカラップ６０Ｃを示している。なお、第三態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図７に示すように、第四の態様のスカラップ６０Ｃにおいて第一の開口縁部６１は、第三の態様における第一の直線部７５に相当する部分を備えず、第一の円弧部７１の一端７１ａが第一の開口端６０ａとなっている。第一の開口端６０ａとなる第一の円弧部７１の一端７１ａは、第三の態様と同様にフランジ２０の内面２１から離間していて、当該一端７１ａにおける接線はフランジ２０の内面２１に平行となっている。
ここで、第一の円弧部７１の一端７１ａとフランジ２０の内面２１との距離で表わされるスカラップ離間距離Ｘｓは、少なくとも隅肉部３０のウェブ止端部３１からフランジ２０の内面２１までの距離である隅肉高さＨｆよりも小さい。これにより、第一の直線部７３と接続されている第一の円弧部７１はウェブ止端部３１と交差している。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｈｓは、第一の円弧部７１の一端７１ａと第二の直線部７４との離間距離によって定まる。

なお、上記第一～第四の態様において、第一の開口縁部６１の第一の円弧部７１と第三の開口縁部６３の第二の円弧部７２とは、第一の円弧部７１がなす円弧と第二の円弧部７２がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されているものとした。しかしながら、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが、共通の接線となる部分において接続されない、すなわち境界となる角が形成された状態で接続されていてもよい。また、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２との間に直線部を設けて、これらの第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが間接的に接続される構成であってもよい。
さらに、第二の開口縁部６２については、本実施形態においては直線部であるとしたが、任意の形状とすることができ、例えば円弧状に形成されていてもよい。

上記のようなＨ形断面部材の端部接続構造２００では、第一の開口縁部６１と第二の開口縁部６２とを接続する第三の開口縁部６３における第二の円弧部７２を設けると共に、フランジ２０側に位置する第一の開口縁部６１における第一の円弧部７１を設けて、第一の円弧部７１を第二の円弧部７２の２．５倍以上大きい曲率半径しても良い。
これにより、スカラップ６０のフランジ２０側におけるひずみの集中を緩和し、スカラップ６０からのき裂の発生を抑制することができる。そして、このような第一の円弧部７１が隅肉部３０におけるウェブ止端部３１と交差するようにして形成されていることで、仮に延性き裂が発生したとしても、幅が相対的に狭く断面がウェブ１０から断面変化が生じるウェブ止端部３１近傍でき裂を発生させることができる。また、仮にウェブ１０側の止端部近傍で延性き裂が発生したとしても、発生したき裂を、フランジ２０に比較して引張応力が低いウェブ止端部３１に沿って軸方向に安定的にき裂を進展させることができる。したがって、本実施形態のようなＨ形断面部材の端部接続構造２００では、補強するために別の構成を設けなくても、スカラップから初期き裂が発生することを遅らせつつ、万一初期き裂が発生しても早期破断に至らないように延性き裂を進展させることができ、より安全性の高い梁端現場接合部１００とすることができる。

また、スカラップ６０の高さ寸法を１５ｍｍ以上とすることで、フランジ２０と柱１１０との溶接の施工性を向上させることができる。
また、スカラップ６０の高さ寸法を３５ｍｍ以下とすることで、ウェブ１０でもモーメントをより効率よく伝達することができるため、柱１１０と梁１との接合部としての降伏曲げ耐力を向上させることができる。また、スカラップ６０の高さ寸法を低く抑えることによって、ウェブ１０でモーメントをより効率よく伝達することができるため、スカラップ６０のフランジ２０側のひずみの集中をさらに緩和させることができる。
さらに、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが共通の接線により接続されていることで、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが凹凸なく滑らかに接続されるため、より一層ひずみの集中を緩和することができ、き裂の発生をより安定的に抑制することができる。
また、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２を６ｍｍ以上とすることで、第二の円弧部７２におけるひずみの集中も緩和することができるとともに、スカラップをカッターによって容易に切削して成形することができる。

さらに、上記Ｈ形断面部材の端部接続構造２００は、上記の第三の態様のように、第一の開口縁部６１は、第一の開口端６０ａを有し前記フランジ２０の内面２１に平行に配された直線部７５を有し、第一の円弧部７１の一端７１ａがこの直線部７５と接続されているものとしてもよく、これにより、フランジ２０の軸端２０ａを溶接するための十分なスペースを確保することができ、フランジ２０と柱１１０との溶接を安定的に行い、溶接欠陥を生じないようにすることができる。

本発明の効果を実証するため、上記実施形態のような梁端現場接合部１００の具体例について、数値解析を行った。
解析手法としては有限要素法を用い、解析ソフトとしてはＡＮＳＹＳ．Ｖｅｒ１６を用いた。図８は本実施例で解析を行う解析モデルとなる梁端現場接合部１００のモデルの全体を示している。図８に示すように、解析モデルは、片持ち梁形式とし、対称性を考慮して、梁１の幅方向に１／２モデルとした。解析モデルは、８節点６面体要素を使用した三次元ソリッド要素で作成した。柱１１０及び梁１に用いる鋼材の材料特性は、柱１１０及び梁１ともに同一材で同一の材料特性とし、ＳＮ４９０Ｂの材料試験結果から得られた応力－ひずみ曲線を複数の直線成分によってモデル化したものを用いた。
梁１として用いるＨ形断面梁の断面としては、図３に示すせいＤｂが７００ｍｍ、幅Ｂが２００ｍｍ、ウェブ１０の厚さｔｂｗが１６ｍｍ、フランジ２０の厚さｔｂｆが２２ｍｍのものを用いた。ここで、隅肉部３０の形状はフランジ２０の内面２１からウェブ止端部３１までの隅肉高さＨｆと、ウェブ１０のウェブ面１１からフランジ止端部３２までの隅肉幅Ｗｆとは等しい二等辺三角形であり、Ｈｆ＝Ｗｆ＝１８ｍｍとした。また、柱１１０の側面から梁１の軸方向の端部までの長さＬｂを３５００ｍｍとした。なお、フランジ２０の軸端２０ａが溶接される柱１１０側のダイアフラム１１２の厚さｔｄ（図２参照）は３２ｍｍとした。また、図示しないが、柱１１０の外径Ｂｃは５００ｍｍ、板厚ｔｃｆは１６ｍｍとした。

解析は、スカラップ６０の形状に関するパラメータを変化させて５３種類のモデルについて解析を行った。解析モデルとして用いたスカラップ６０の形状は図４～図７に示すものが含まれる。なお、第二の開口縁部６２は第二の直線部７４のみで構成されており、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とは共通する接線で連続的に接続されている。スカラップ６０の形状に関するパラメータとしては、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）と、第一の直線部７３（７５）の長さＬ１と、スカラップ離間距離Ｘｓ（ｍｍ）と、スカラップ６０の高さ寸法Ｈｓとがある。第一の円弧部７１において軸端部１ａから離間する側の他端７１ｂのフランジ２０の内面２１からの高さである円弧部終端高さＨｃは、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）と、スカラップ離間距離Ｘｓと、スカラップ６０の高さ寸法Ｈｓとにより幾何学的に定まるものである。表１、表２に各解析モデルのパラメータ値を示す。

表１、表２に示すように、ＮＯ．１～２５では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍より大きくするとともに、第一の円弧部７１がウェブ止端部３１と交差、すなわち円弧部終端高さＨｃを隅肉高さＨｆ以上とした。
一方、ＮＯ．２６～３９では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍より大きくするとともに、円弧部終端高さＨｃを隅肉高さＨｆ未満とした。
また、ＮＯ．４０～４４では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍未満にするとともに、円弧部終端高さＨｃを隅肉高さＨｆ以上とした。
さらに、ＮＯ．４５～５３では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍未満にするとともに、円弧部終端高さＨｃが隅肉高さＨｆ未満とした。

これら解析モデルに対して、梁１の軸方向の端部に荷重を加えて、梁１を変形させた。そして、図９に示すように、梁１の載荷点における回転角θ（変形前の梁１の軸線Ｌ０に対する変形後の梁１の軸線Ｌ１の両端を結ぶ線Ｌ２のなす角度）が、梁１の軸端部１ａにおいて全断面塑性化した時の回転角をθｐとし、この３倍の角度３・θｐとなるまで梁１を変形させた。そして、θ＝３・θｐにおける相当塑性ひずみ分布及び塑性せん断ひずみ分布を有限要素法により求めた。一例として、図１０にＮＯ．１２の相当塑性ひずみ分布を、図１１にＮＯ．４５の相当塑性ひずみ分布を示す。また、一例として、図１２にＮＯ．１２の塑性せん断ひずみ分布を、図１３にＮＯ．２４の塑性せん断ひずみ分布を示す。さらに、本有限要素法による解析結果に基づいて、スカラップ６０のスカラップ底における最大相当塑性ひずみεｍａｘ（％）を求めた。表１、表２に、各解析モデルにおける最大相当塑性ひずみεｍａｘを示す。また、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２に対する第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１の比Ｒ１／Ｒ２と、対応する最大相当塑性ひずみεｍａｘとの関係をプロットしたグラフを図１４に示す。なお、横軸に平行な点線Ｐ１は、εｍａｘ＝２０％を示している。また、縦軸に平行な点線Ｑ１は比Ｒ１／Ｒ２＝１．０を示している。

表１、表２及び図１４から、第二の円弧部７２の半径に対する第一の円弧部７１の半径の比Ｒ１／Ｒ２が大きくなることで、最大相当塑性ひずみεｍａｘが小さくなる傾向にあることが分かる。とくに、Ｒ１／Ｒ２が１．０を超える解析ケースは、個々の解析パラメータの数値によらずεｍａｘは２０％程度以下の低値に留まっている。すなわち、Ｒ１／Ｒ２が１．０を超える場合には、Ｒ１／Ｒ２が１．０以下である場合に比べてスカラップ底へのひずみの集中が緩和されている。なお、さらに安定してスカラップ底へのひずみの集中を緩和するにはＲ１／Ｒ２をより大きくすることが望ましく、Ｈ型断面梁の靱性のばらつきなどを考慮すれば、Ｒ１／Ｒ２は２．５以上とすることが望ましい。図１０に示すように、Ｒ１／Ｒ２＞１．０である解析モデルでは、例えば図１０に示す解析モデルＮＯ．１２のように、スカラップ底における最大相当塑性ひずみεｍａｘを抑制し、特に第一の円弧部７１において接線がフランジ２０の内面２１と平行となる一端７１ａ近傍における相当塑性ひずみを抑制することができていることが認められる。すなわち、Ｒ１／Ｒ２＞１．０とすることで、ウェブ１０とフランジ２０との交差部分近傍でき裂が発生することを抑制することができる。このため、Ｒ１／Ｒ２＞１．０である解析モデルのような構造とすることで、極大地震時において第一の円弧部７１にき裂が発生することを抑制し、き裂がフランジ２０の外面２２（図３参照）に向かって進展することを抑制することができる。一方、比Ｒ１／Ｒ２≦１．０である解析モデルでは、図１１に示す従来型の形状を示す解析モデルＮＯ．４５のように、スカラップ底における最大相当塑性ひずみεｍａｘが大きくなるとともに、特に第一の円弧部７１において接線がフランジ２０の内面２１と平行となる一端７１ａ近傍における相当塑性ひずみを抑制することができていないことが認められる。このように、ウェブ１０とフランジ２０との交差部分近傍でき裂が発生することを抑制することができない。このため、Ｒ１／Ｒ２≦１．０である解析モデルのような構造では、極大地震時において第一の円弧部７１にき裂が発生してしまい、き裂がフランジ２０の外面２２に向かって進展してしまうおそれがある。き裂がフランジ２０の外面２２に向かって進展すると、フランジ２０には高い引張応力が作用しているため、フランジの脆性破断を助長することとなる。

また、Ｈｃ≧Ｈｆである解析モデルでは、図１２に示す解析モデルＮＯ．１２のように、隅肉部３０におけるウェブ止端部３１の近傍に沿った塑性せん断ひずみの分布が梁１の材軸方向に向かって広く形成されており、そのひずみの数値も高いことが分かる。すなわち、Ｈｃ≧Ｈｆであることで第一の円弧部７１がウェブ止端部３１と交差するスカラップ６０の形状では、延性き裂はウェブ止端部３１近傍で発生し、発生したき裂は断面Ｈ形形状の幅方向の厚みが相対的に小さい前記隅肉部３０の前記ウェブ止端部３１に沿って軸方向に安定的に進展させることができる。すなわち、き裂がフランジ２０の外面２２へ向かうことによる破断を抑制することができ、さらに、き裂が発生する箇所を明確にして極大地震後のき裂の視認を容易とし、補修を速やかかつ容易に行うことも可能となる。一方、Ｈｃ＜Ｈｆである解析モデルＮＯ．２４では、図１３に示すように第一の円弧部７１が前記隅肉部３０の前記ウェブ止端部３１と交差せず、第二の円弧部７２も隅肉部３０に含まれるため、スカラップから梁の軸方向に沿った塑性せん断ひずみの分布は形成されない。したがって、き裂は第一の円弧部７１において発生する。このき裂は隅肉部３０の内部で進展するため、き裂の発生を発見しにくく、また、フランジ２０の外面２２に向かってき裂が進展しフランジの脆性破断を助長することになる。

以上、本発明の実施形態及び実施例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記実施形態では、柱に接続するＨ形鋼は溶接組立Ｈ形断面としたが、これに限られるものではなく、圧延Ｈ形鋼としても良い。圧延Ｈ形鋼の場合には、隅肉部３０も母材により形成される。

１ 梁（Ｈ形断面梁）
１ａ 軸端部
１０ ウェブ
２０ フランジ
３０ 隅肉部
６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ スカラップ
６０ａ 第一の開口端
６０ｂ 第二の開口端
６１ 第一の開口縁部
６２ 第二の開口縁部
６３ 第三の開口縁部
７１ 第一の円弧部
７２ 第二の円弧部
７３ 第一の直線部（直線部）
Ｒ１ 第一の円弧部の曲率半径
Ｒ２ 第二の円弧部の曲率半径
Ｈｓ スカラップの高さ寸法
１００ 梁端現場接合部
１１０ 柱
２００ Ｈ形断面部材の端部接続構造

Claims (7)

1. Ｈ形断面梁の梁端現場接合部を形成するために、前記Ｈ形断面梁のウェブの端部に設けるスカラップであって、
   前記Ｈ形断面梁の下フランジ側に位置する第一の開口端と、
   前記第一の開口端と相反する側に位置する第二の開口端とを有し、
   前記第一の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第一の開口縁部と、前記第二の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第二の開口縁部と、
   前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する第三の開口縁部とを有し、
   前記第一の開口縁部は、前記ウェブと前記下フランジとが交差する部分に設けられた隅肉部における前記ウェブ側の止端部と交差するように、円弧状に形成され、前記第一の開口端側の一端で、その接線が前記下フランジの内側の面と平行となる第一の円弧部を有し、
   前記第三の開口縁部は、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する円弧状に形成された第二の円弧部を有し、前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径より大きいことを特徴とするスカラップ。
2. 前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とは、前記第一の円弧部がなす円弧と前記第二の円弧部がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されている請求項１に記載のスカラップ。
3. 前記第一の開口縁部は、前記第一の開口端を含み直近の前記下フランジにおける内側の面に平行に配された直線部を有し、前記第一の円弧部の前記第一の開口端側の一端が前記直線部と接続されている請求項１または請求項２に記載のスカラップ。
4. 前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径の２．５倍以上である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスカラップ。
5. 前記スカラップの前記下フランジ側から上フランジ側へ向かう方向の寸法が１５ｍｍ以上である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のスカラップ。
6. 前記スカラップをカッターによって切削して成形し、前記第二の円弧部の曲率半径が６ｍｍ以上である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスカラップ。
7. 前記請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のスカラップを用いて形成された梁端現場接合部。

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