JP7406764B2 - 鋼管柱の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管柱の接合構造に関する。

一般的な鉄骨建築を構築している柱は、角型鋼管や丸形鋼管等の鋼管柱による通し柱が主流である。これら鋼管柱の材料としての単位長さは、運搬等を考慮した場合、通常、３階層程度の長さである。従って、４階建て以上の建物の建設や長い柱が輸送できない現場では、柱継手により鋼管柱を繋ぐ必要がある。

柱継手は、柱にかかる曲げ応力が小さくなるように、梁から１ｍ程度の高さで繋ぐのが一般的であり、角型鋼管や丸形鋼管等の閉鎖型鋼管柱では、外周から接合施工する必要があるため、一般的には現地溶接で接合している。しかしながら、鋼管柱の溶接接合は、横向き溶接という高度な溶接技能が必要なため、溶接職人の確保や作業環境の確保が必要であり、多くの費用と工期が必要となっていた。

このような問題に対して、現在、大手ゼネコンでは溶接作業のロボット化を推し進めている（例えば、特許文献１）。これらの溶接作業のロボット化は、大規模な現場では効果を得ることができるものの、中小規模の現場では溶接のロボット化は困難な場合が多い。そのため、従来より提案されているボルトによる接合構造（例えば、特許文献２）を採用せざるを得ない。

特開２０１８－５３６２６号公報 特開平１０－３１７４９２号公報

しかしながら、上記従来のボルトによる接合構造は、適切な強度を満足させるための建築法規による制限が多く、高コストとなるため一般に普及していないのが現状である。また、これらのボルトによる接合構造では、鋼管柱の接合部側面にボルトの突起ができるため、梁等の接合施工上望ましくない場合があった。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、現場での溶接作業を必要とせず、建築基準法の規定内で、汎用のボルトでの簡便かつ強力な接合が可能であり、柱面からの突起がなく、現行のボルトの接合と同等以下のコストで接合が可能な鋼管柱の接合構造を提供することを課題としている。

本発明の鋼管柱の接合構造は、上記の技術的課題を解決するためになされたものであって、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の鋼管柱の接合構造は、長手方向上下に対向させた鋼管柱の端部同士を接合する鋼管柱の接合構造であって、
前記鋼管柱は、少なくとも一端部から長手方向に突出し、かつ、前記鋼管柱の外周から突出しないように溶接された一定の厚みを有する連結部材を備え、
前記連結部材は、上下の前記鋼管柱を長手方向直線状に対向させたときに、各々の連結部材の接合面が面接触する位置に配設されるとともに、前記接合面を面接触させた状態で各々を貫通するボルト挿通孔が設けられており、
上下の前記鋼管柱が、各々の前記連結部材の前記ボルト挿通孔を通してボルト接合されていることを特徴とする。
第２に、上記第１の発明の鋼管柱の接合構造において、前記連結部材は、長手方向に対して垂直方向の断面形状が直角に屈曲した１対の山形鋼部材からなり、
該一対の山形鋼部材は、各々の屈曲部を突き合わすように点対称の位置に配設されており、
上下に対向させた前記鋼管柱の一方の前記鋼管柱を長手軸方向に９０°回転させて、前記連結部材の前記山形鋼部材を嵌合させ、
前記接合面を面接触させた状態でボルト接合されていることが好ましい。
第３に、上記第２の発明の鋼管柱の接合構造において、前記１対の山形鋼部材が、前記接合面の下部で補強部材により接合されており、上下各々の前記山形鋼部材の先端部と前記補強部材を当接させた状態で接合されていることが好ましい。
第４に、上記第２又は第３の発明の鋼管柱の接合構造において、前記１対の山形鋼部材を突き合わせた互いの屈曲部が、１ｍｍ以下の間隔を空けて配設されていることが好ましい。
第５に、上記第１の発明の鋼管柱の接合構造において、前記連結部材は、一片の角部に矩形切欠き部を有する複数のプレートからなり、該プレートの前記切欠き部の下部の縦辺を突き合わせて配設されており、
上下に対向させた前記鋼管柱の前記連結部材を嵌合させて、接合面を面接触させた状態でボルト接合されていることが好ましい。
第６に、上記第５の発明の鋼管柱の接合構造において、前記連結部材が、前記プレート４枚からなり、該プレートの前記切欠き部の下部の縦辺を突き合わせて上面視十字型に配設されていることが好ましい。
第７に、上記第５又は第６の発明の鋼管柱の接合構造において、上下に対向させた前記鋼管柱が、各々の前記プレートの切欠き部の下横辺同士を当接させた状態で接合されていることが好ましい。
第８に、上記第１から第７の発明の鋼管柱の接合構造において、前記鋼管柱の端部側面の長手方向に、前記連結部材の縁部が嵌合するスリットが設けられており、前記連結部材の縁部を前記スリットに嵌合させて溶接されていることが好ましい。
第９に、上記第１から第８の発明の鋼管柱の接合構造において、前記鋼管柱が角型鋼管柱であり、前記連結部材の接合面が、前記角型鋼管柱の長手方向に対する垂直方向断面の対角線の位置に配設され、前記連結部材の縁部が前記角型鋼管柱の角部に溶接されていることが好ましい。
第１０に、上記第１から第８の発明の鋼管柱の接合構造において、前記鋼管柱が丸形鋼管柱であり、前記連結部材の接合面が、前記角型鋼管柱の長手方向に対する垂直方向断面において、円の中心を通る直径線状の位置に配設されて溶接されていることが好ましい。
第１１に、上記第１から第１０の発明の鋼管柱の接合構造において、接合する上下の前記鋼管柱における前記連結部材の形状及び配設が同一であることが好ましい。

本発明の鋼管柱の接合構造によれば、現場での溶接作業を必要とせず、建築基準法の規定内で、汎用のボルトでの簡便かつ強力な接合が可能であり、柱面からの突起がなく、現行のボルトの接合と同等以下のコストで接合が可能となる。

本発明の鋼管柱の接合構造の第１実施形態を示す概略側面図である。 図１の第１実施形態の接合構造におけるＡ－Ａ断面図である。 第１実施形態の接合部材における山形鋼部材と補強部材の接合状態を示す概略図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は上視面図である。 第１実施形態の接合部材を示す概略図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は上視面図である。 本発明の鋼管柱の接合構造の第２実施形態を示す概略側面図である。 図５の第２実施形態の接合構造におけるＢ－Ｂ断面図である。 第２実施形態の接合構造におけるプレートを示す概略図である。 第２実施形態の接合部材におけるプレートの接合状態を示す概略図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は上視面図である。 第２実施形態の接合部材を示す概略図であり、（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は上視面図である。 第３実施形態の接合構造における概略断面図である。

本発明の鋼管柱の接合構造について図面に基づいて以下に詳述する。図１は、本発明の鋼管柱の接合構造の第１実施形態を示す概略側面図であり、図２は、図１におけるＡ－Ａ断面図である。また、図５は、本発明の鋼管柱の接合構造の第２実施形態を示す概略側面図であり、図６は、図５におけるＢ－Ｂ断面図である。また、図１０は、本発明の鋼管柱の接合構造の第３実施形態を示す概略断面図である。

本実施形態の鋼管柱の接合構造は、長手方向上下に対向させた鋼管柱１の端部同士を接合する鋼管柱の接合構造である。鋼管柱１は、少なくとも一端部から長手方向に突出し、かつ、鋼管柱１の外周から突出しないように溶接された一定の厚みを有する連結部材２を備えており、連結部材２は、上下の鋼管柱１を長手方向直線状に対向させたときに、各々の連結部材２の接合面３０２が面接触する位置に配設されるとともに、接合面３０２を面接触させた状態で各々を貫通するボルト挿通孔４０が設けられている。そして、下の鋼管柱１が、各々の連結部材２のボルト挿通孔４０を通してボルト４１及びナット４２によりボルト接合されている。

なお、本発明の連結部材２の接合構造としては、第１実施形態の接合構造と第２実施形態の接合構造が例示される。なお、以下の実施形態の説明においては、角型鋼管柱１を用いた接合構造を示している。

（第１実施形態の連結部材の接合構造）
第１実施形態の接合構造では、鋼管柱１の一端部から長手方向に突出した連結部材２１は、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示すように、長手方向に対して垂直方向の断面形状が直角に屈曲した１対の山形鋼部材３０から構成されており、これら一対の山形鋼部材３０は、各々の屈曲部３０１を突き合わすように点対称の位置に配設されている。山形鋼部材３０の厚みは、鋼管柱１の規格等に応じて適宜決定可能であるが、ＪＩＳ Ｇ ３１９２で規定するの規格に準じた寸法の選択が考慮される。また、連結部材２１の接合面３０２にはボルト挿通孔４０が設けられている。

第１実施形態の接合構造においては、上記連結部材２１を構成する１対の山形鋼部材３０が、接合面３０２の下部で補強部材３１により相互に接合される。補強部材３１は、図３に示すように、１対の山形鋼部材３０の各々の接合面３０２の下部に密着するように、溶接部３１１で溶接されて固定されている。また、補強部材３１は、連結部材２１に用いた山形鋼部材３０と断面形状が同一のものを用いるのが好ましく、上下の鋼管柱１の接合状態において、上下各々の連結部材２１の先端部と補強部材３１の端部が当接し、応力が伝達する位置及び形状に形成されている必要がある。山形鋼部材３０は２枚のプレートがＬ型一体になっているが、隣接する山形鋼部材３０とも応力伝達が必要であるため補強部材３１を相互に渡すように溶接（孔開け溶接３１１）される。上記実施形態の補強部材３１を設けることにより連結部材２１を高強度にするとともに、接合状態において、上下各々の鋼管柱１を適正の強度で接合することができる。

角型鋼管柱１に対する上記連結部材２１の固定は、図１及び図４に示すように、予め鋼管柱１の角部端部側面の長手方向に、連結部材２１の縁部が嵌合する幅のスリット１１を設けておき、そのスリット１１に連結部材２１の縁部を嵌合させて溶接することにより固定される。なお、スリット１１の溶接部を斜線領域で示している。また、スリット１１の位置、即ち、連結部材２１の配設位置は、図１、図２に示すように、連結部材２１の接合面３０２が角型鋼管柱１の長手方向に対する垂直方向断面における対角線の位置に配設されるように設定される。

また、補強部材３１は、少なくともその一部が鋼管柱１のスリットに合わせる形で設けられていることが好ましい。連結部材の先端部に対して、連結部材と同形状断面の補強部材３１を当接させることで、角型鋼管の角のスリットが対角線対象の位置になる。これにより、補強部材３１と連結部材２１が共に鋼管柱１の角部端部に溶接されることになり、連結部材２１の強度をさらに大きくすることができる。

本第１実施形態の接合構造の接合方法としては、まず、同形状の上記連結部材２１を備えた鋼管柱１同士を上下に対向させ、鋼管柱１の一方を長手軸方向に９０°回転させて、連結部材２１の山形鋼部材３０の接合面３０２を面接触させた状態で嵌合させる。そして、上下各々の連結部材２の先端部と補強部材３１を当接させるまでずらし、各々を貫通するボルト挿通孔４０を通してボルト接合する。なお、連結部材２１同士の接合に用いるボルト４１として高力ボルトを用いることにより、連結部材２１の接合面３０２同士を摩擦接合することで、上下鋼管柱1をさらに強固に接合することができる。

一方、上記上下各々の連結部材２１を嵌合させる場合、連結部材２１を構成する一対の山形鋼部材３０の屈曲部３０１同士が接していると、山形鋼部材３０の嵌り具合がきつくなり、接合施工性を悪くする場合がある。そのため、山形鋼部材３０を突き合わせた互いの屈曲部３０１を接触させず、１ｍｍ以下、好ましくは０．４～１ｍｍ程度の間隔を空けて配設するのが好ましい。これにより、上下に対向させた鋼管柱１を接合する際に、連結部材２を抵抗なくスムーズに嵌合させることが可能となり、接合施工性を向上させることができる。なお、接合構造の規模が大きい場合等には１ｍｍより広く空けてもよいが、その場合には肌すき（隙間）が１ｍｍ以内になるように別途スペーサー等を配設する必要がある。これは、建築工事の標準仕様書等で肌すきの寸法を所定の間隔以内にする旨が定められているためである。

（第２実施形態の連結部材の接合構造）
第２実施形態の連結部材の接合構造は、図５～図９に示すように、連結部材２２が、一片の角部に矩形切欠き部３２１を有する４枚のプレート３２からなり、プレート３２の矩形切欠き部３２１の下部の縦辺３２２を突き合わせて上面視十字型に配設されて溶接されている。プレート３２の厚みは、鋼管柱１の規格等に応じて適宜決定可能であるが、強度の観点から、通常、６～４０ｍｍ程度が考慮される。なお、超高層用の角型鋼管の場合、特に極厚になる場合がある。また、連結部材２２の接合面３０２にはボルト挿通孔４０が設けられている。

角型鋼管柱１に対する上記連結部材２２の固定は、第１実施形態の連結部材２１の接合構造と同様に、図５及び図９に示すように、予め鋼管柱１の角部端部側面の長手方向に、連結部材２２の縁部が嵌合する幅のスリット１１を設けておき、そのスリット１１に連結部材２２の縁部を嵌合させて溶接することにより固定される。なお、スリット１１の溶接部を斜線領域で示している。また、スリット１１の位置、即ち、連結部材２２の配設位置は、プレート３２の接合面３０２が角型鋼管柱１の長手方向に対する垂直方向断面における対角線の位置に配設されるように設定される。即ち、連結部材２２を構成する４枚のプレート３２の矩形切欠き部３２１の下部の縦辺３２２は、上面視で図８（Ｂ）、図９（Ｂ）に示すような状態で溶接される。なお、この際プレート３２の突き合わせ部の断面を溶接用開先（楔状の切欠き）３２４として空間を設け、その溶接用開先３２４を溶接することにより、溶接余盛りが接合面３０２と干渉することがなく溶接表面積を大きくとることができ、より強固な溶接が可能となる。図８（Ｂ）、図９（Ｂ）において、溶接用開先及び溶接部３２４を斜線領域で示している。

本第２実施形態の接合構造の接合方法としては、まず、同形状の上記連結部材２２を備えた上下に対向させた鋼管柱１の接合部材の矩形切欠き部３２１で形成された空間部同士を嵌め合わせて、各々のプレート３２の矩形切欠き部３２１の下横辺３２３同士を当接させる。そして、プレート３２の接合面３０２を面接触させる。この状態では、矩形切欠き部３２１により形成される空間部が嵌め合いの遊びとなるため、第１実施形態と異なり、設計上プレート３２同士の隙間を空ける必要がなく、抵抗なく各々を嵌め合わせることができ、さらに容易に位置調整ができ、４つの接合面３０２を密着させることができる。そして、その状態で各々のプレート３２を貫通するボルト挿通孔４０を通してボルト接合する。なお、本第２実施形態においても、設計上肌すきが１ｍｍ以上となる場合には別途スペーサーを設ける必要がある。連結部材２２同士の接合に用いるボルト４１としては、第１実施形態の接合構造と同様に、高力ボルトを用いることにより上下の鋼管柱１をさらに強固に接合することができる。上記のように、第２実施形態の接合構造では、鋼管柱１の各々のプレート３２の矩形切欠き部３２１の下横辺３２３同士を当接させた状態で接合されるので、上下の鋼管柱１の軸力を当該面の支圧応力で伝達することができる。

（第３実施形態の連結部材の接合構造）
第３実施形態の連結部材の接合構造は、図１０に示すように、鋼管柱が丸形鋼管柱１であり、連結部材２３が上記第２実施形態で用いた一片の角部に矩形切欠き部３２１を有する複数のプレート３２からなり、プレート３２の矩形切欠き部３２１の下部の縦辺３２２を突き合わせて配設されて溶接されている。図１０に示す第３実施形態はプレート３が６枚の構成であり、断面の円の中心で各々のプレート３の下部の縦辺３２２が溶接されている。なお、本発明において用いる丸形鋼管柱１は、建築用の規格における一般構造用炭素鋼鋼管のSTKであり、一般に「丸パイプ」「丸鋼管」、単に「鋼管」とも呼ばれるものである。

丸形鋼管柱１に対する上記連結部材２３の固定は、予め丸形鋼管柱１の端部側面の長手方向に、連結部材２３の縁部が嵌合する幅のスリット１１を設けておき、そのスリット１１に連結部材２３の縁部を嵌合させて溶接することにより固定される。なお、スリット１１の位置、即ち、連結部材２３の配設位置は、丸形鋼管柱１の長手方向に対する垂直方向断面において、プレート３２の接合面３０２が円の中心を通り、かつ、均等な角度で分割した線分（中心点対象）に対し、の接合面３０２が同方向（左方向又は右方向）になるように配設されている。

本第３実施形態の接合構造の接合方法としては、まず、同形状の上記連結部材２３を備えた上下に対向させた丸形鋼管柱１の連結部材２３の矩形切欠き部３２１で形成された空間部同士を嵌め合わせて、各々のプレート３２の矩形切欠き部３２１の下横辺３２３同士を当接させる。そして、プレート３２の６つの接合面３０２を面接触させる。そして、その状態で各々のプレート３２を貫通するボルト挿通孔４０を通してボルト接合する。連結部材２３同士の接合に用いるボルト４１としては、第１実施形態、第２実施形態の接合構造と同様に、高力ボルトを用いることにより上下の丸形鋼管柱１をさらに強固に接合することができる。

なお、上記第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態のいずれの接合構造においても、連結部材２の鋼管柱１端部からの突出寸法は、接合する鋼管柱１の連結部材２との接合面積やボルト挿通孔４０の数等に応じて適宜設定ことができ、特に限定されるものではないが、建築に用いられる規格の鋼管柱の場合は、通常、１０～５０ｃｍ程度の突出寸法が考慮される。

また、上記第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態のいずれの接合構造においても、接続する上下の鋼管柱１に固定される連結部材２の形状及び配設が同一であることが好ましい。連結部材２の形状及び配設を同一とすることにより生産性を向上できるとともに、正確な位置かつ適切な強度で接合が可能となる。なお、上下の鋼管柱１の連結部材２の形状及び配設を同一とした場合に、連結部材２同士を適切に面接触させるためには、連結部材２が点対象であることと、点対象線に対して同方向に連結部材２の接合面３０２が配設されている必要がある。一方、上下の連結部材が同一でない場合は、面接触する線分を決めて設計することにより可能となる。

以上、本発明の鋼管柱の接合構造について実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。例えば、上記第３実施形態の接合構造では、丸形鋼管柱１の接合構造において、６枚のプレート３２を接合する構成を示したが、３枚の構成や６枚より多い構成とすることもできる。また、丸形鋼管柱１に対して実施形態１で用いた山形鋼部材３０を用いて連結部材２３を構成することもできる。さらに、丸形鋼管柱１の接合構造において、接合部材２３に山形鋼部材を２組用いたり、４枚のプレートを用いた構成とした場合には、丸形鋼管柱と角型鋼管柱とを接合させることもできる。

また、上記実施形態ではボルト４１とナット４２により摩擦接合しているが、リベットなどの締結具により剪断接合にすることもできる。また、ボルト４１は通常高力ボルトが用いられるが、超高力ボルトを用いることができ、これによりボルト４１の本数を減らすことができる。さらに、摩擦接合の強度を大きくする観点から、連結部材２の接合面３０２には赤錆処理又はブラスト処理を施しておくこともできる。

さらに、上記第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態の接合構造では、鋼管柱１の端部にスリット１１を設けて、該スリット１１に連結部材２を嵌合させて溶接、固定しているが、鋼管柱1の端部にダイヤフラムを設けて一体化し、このダイヤフラムと連結部材を一体化してもよい。

上記の構成を有する本発明の鋼管柱の接合構造によれば、従来の鋼管柱の接合と比べて同等以上の接合強度を有するとともに、現場での溶接作業を必要とせず、建築基準法の規定内で、汎用の高力ボルトでの接合が可能であり、柱面からの突起がなく、部品点数を少なくでき、現行ボルト方式と同等以下のコストで強力な接合が可能となる。

１ 鋼管柱（角型鋼管柱、丸形鋼管柱）
１１ スリット
２ 連結部材
２１ 第１実施形態の連結部材
２２ 第２実施形態の連結部材
２３ 第３実施形態の連結部材
３０ 山形鋼部材
３０１ 屈曲部
３０２ 接合面
３１ 補強部材
３１１ 孔開け溶接部
３２ プレート
３２１ 矩形切欠き部
３２２ 切欠き部の下部の縦辺
３２３ 切欠き部の下横辺
３２４ 溶接用開先及び溶接部
４０ ボルト挿通孔
４１ ボルト
４２ ナット

Claims (6)

1. 長手方向上下に対向させた鋼管柱の端部同士を接合する鋼管柱の接合構造であって、
   前記鋼管柱は、少なくとも一端部から長手方向に突出し、かつ、前記鋼管柱の外周から突出しないように溶接された一定の厚みを有する連結部材を備え、
   前記連結部材は、一片の角部に矩形切欠き部を有する複数のプレートからなり、該プレートの前記矩形切欠き部の下部の縦辺を突き合わせて配設され、上下の前記鋼管柱を長手方向直線状に対向させたときに、各々の連結部材の接合面が面接触する位置に配設されるとともに、前記接合面を面接触させた状態で、各々の連結部材を前記長手方向に直交する方向に貫通するボルト挿通孔が設けられており、
   上下に対向させた前記連結部材の前記プレートの前記矩形切欠き部で形成された空間部同士を嵌合させ、各々の前記プレートの前記矩形切欠き部の下横辺同士を当接させた状態で、上下の前記鋼管柱が、前記接合面を面接触させた各々の前記連結部材の前記ボルト挿通孔を通してボルト接合されていることを特徴とする鋼管柱の接合構造。
2. 前記連結部材が、４枚の前記プレートからなり、該プレートの前記矩形切欠き部の下部の縦辺を突き合わせて上面視十字型に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管柱の接合構造。
3. 前記鋼管柱の端部側面の長手方向に、前記連結部材の縁部が嵌合するスリットが設けられており、前記連結部材の縁部が前記スリットに嵌合されて溶接されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管柱の接合構造。
4. 前記鋼管柱が角型鋼管柱であり、前記連結部材の接合面が、前記角型鋼管柱の長手方向に対する垂直方向断面の対角線の位置に配設され、前記連結部材の縁部が前記角型鋼管柱の角部に溶接されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の鋼管柱の接合構造。
5. 前記鋼管柱が丸形鋼管柱であり、前記連結部材の接合面が、前記丸形鋼管柱の長手方向に対する垂直方向断面において、円の中心を通る直径線状の位置に配設されて溶接されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の鋼管柱の接合構造。
6. 接合する上下の前記鋼管柱における前記連結部材の形状及び配設が同一であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の鋼管柱の接合構造。

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