JP2010106515A - 四角形鋼管柱 - Google Patents

Abstract

【課題】厚肉の短尺四角形鋼管を採用した形式の種々な利点を維持でき、しかも短尺四角形鋼管を簡単に製造できる四角形鋼管柱を提供する。
【解決手段】所定の板厚ｔの長尺四角形鋼管１と、長尺四角形鋼管１よりも板厚Ｔが厚くかつパネルゾーンを形成する長さＬの短尺四角形鋼管２からなる。短尺四角形鋼管２は、４枚のプレート状板２Ａ，２Ｂを四角形状に配置して隣接間を溶接５して形成した。長尺四角形鋼管１の端面１ｂと短尺四角形鋼管２の端面２Ｃとを対向した状態で、両四角形鋼管１，２を溶接８により結合して四角形鋼管柱９を構成した。短尺四角形鋼管をパネルゾーンとして四角形鋼管柱を構成でき、厚肉の短尺四角形鋼管を採用した形式の種々な利点を維持できる。短尺四角形鋼管は、溶接機のみの製作作業で、どのような場所においても簡単に製造できるとともに、製作時間を短縮して安価に製造できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば鉄骨構造物の支柱として使用される四角形鋼管柱に関するものである。

従来、支柱として使用される角形鋼管柱は、複数の鋼管を溶接結合することにより構成されており、その際に溶接結合として、たとえば通しダイヤフラム方式や内ダイヤフラム方式などが提供されている。しかし、これら通しダイヤフラム方式や内ダイヤフラム方式によると、組立て工数が多くかつ溶接長さは長くなり、以て全体作業が複雑化するとともに製作費が高くなるなどの問題点があった。そこで最近では、このような問題点を解決したものとして、パネルゾーン用のコラムに、熱間成形により得た厚肉の短尺角形鋼管を採用したノンダイアフラム構法の構成が提供されている。すなわち、所定の板厚の長尺角形鋼管と、この長尺角形鋼管よりも板厚が厚くかつパネルゾーンを形成する長さの半成形短尺角形鋼管とを、それぞれ冷間成形で製造する。そして半成形短尺角形鋼管は、加熱炉において加熱したのち熱間成形して短尺角形鋼管を製造する。このようにして得た長尺角形鋼管と短尺角形鋼管とをアーク溶接などで結合することで角形鋼管柱を得ていた。

このような熱間成形により得た厚肉の短尺角形鋼管を採用した角形鋼管柱によると、組立て工数を削減できるとともに溶接長さを短くでき、以て全体を簡略化して経済的となり、さらにパネルゾーンは、短尺角形鋼管の予め厚い板厚によって十分な強度を確保でき、梁材の溶接による結合は何ら支障なく行え、しかも角形鋼管柱はパイプジョイント形式で得られ、内蔵リブなどがない状態に仕上げることができて、中にコンクリートなどを充填させる構成も容易に採用できる、などの種々な利点を期待できる（たとえば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２６８８７７号公報（第１−２頁、図１−図４）

しかし、上記したように、熱間成形により得た厚肉の短尺角形鋼管を採用した角形鋼管柱によると、短尺角形鋼管を得るための熱間製造設備が必要となり、簡単に製造することはできない。

そこで本発明の請求項１記載の発明は、厚肉の短尺四角形鋼管を採用した形式の種々な利点を維持でき、しかも短尺四角形鋼管を簡単に製造し得る四角形鋼管柱を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明の請求項１記載の四角形鋼管柱は、所定の板厚の長尺四角形鋼管と、この長尺四角形鋼管よりも板厚が厚くかつパネルゾーンを形成する長さの短尺四角形鋼管とからなり、この短尺四角形鋼管は、４枚のプレート状板を四角形状に配置して隣接間を溶接することで形成され、長尺四角形鋼管の端面と短尺四角形鋼管の端面とが対向された状態で、両四角形鋼管を溶接により結合して構成されていることを特徴としたものである。

したがって請求項１の発明によると、長尺四角形鋼管と短尺四角形鋼管とを、直線状に位置させて端面どうしを相対向させたのち溶接により結合することで、短尺角形鋼管をパネルゾーンとして角形鋼管柱を構成し得る。しかも、短尺四角形鋼管は、溶接機のみの製作作業で、どのような場所においても簡単に製造し得る。

また本発明の請求項２記載の四角形鋼管柱は、上記した請求項１記載の構成において、４枚のプレート状板は、それぞれ２枚の２種類からなり、同じ種類のプレート状板が相対向された状態で四角形状に配置して隣接間を溶接することで短尺四角形鋼管が形成されていることを特徴としたものである。

したがって請求項２の発明によると、１種類の２枚のプレート状板を相対向して位置させるとともに、これらプレート状板に対して直角状として、別種類で２枚のプレート状板を相対向して位置させた状態で、隣接間を溶接することで短尺四角形鋼管を形成し得る。

上記した本発明の請求項１によると、長尺四角形鋼管と短尺四角形鋼管とを、直線状に位置させて端面どうしを相対向させたのち溶接により結合することで、短尺四角形鋼管をパネルゾーンとして四角形鋼管柱を構成でき、以て厚肉の短尺四角形鋼管を採用した形式の種々な利点を維持できる。しかも、短尺四角形鋼管は、溶接機のみの製作作業で、どのような場所においても簡単に製造できるとともに、製作時間を短縮して安価に製造できる。

また上記した本発明の請求項２によると、１種類の２枚のプレート状板を相対向して位置させるとともに、これらプレート状板に対して直角状として、別種類で２枚のプレート状板を相対向して位置させた状態で、隣接間を溶接することにより、４枚のプレート状板を使用した正四角形状の短尺四角形鋼管を製造できる。

［実施の形態１］
以下に、本発明の実施の形態１を、図１〜図８に基づいて説明する。
図１〜図３に示されるように、所定の板厚ｔの長尺四角形鋼管１と、この長尺四角形鋼管１の板厚ｔよりも厚い板厚Ｔでかつパネルゾーンを形成する長さ（高さ）Ｌの短尺四角形鋼管２とを有する。ここで所定の板厚ｔとは、鉄骨構造物の規模に応じて採用される四角形鋼管柱の外寸Ｗなどにより決定されるもので、たとえば外寸Ｗが５００ｍｍのときに板厚ｔは２５ｍｍである。また長尺四角形鋼管１の板厚ｔと短尺四角形鋼管２の板厚Ｔとは、たとえば［２ｔ≒Ｔ］とされている。その際に板厚Ｔと外寸Ｗとの関係は、［Ｔ＝Ｗ／８〜Ｗ／１６］とされている。そして、長尺四角形鋼管１と短尺四角形鋼管２とは、その外寸Ｗが同一状に形成されている。また長尺四角形鋼管１は、各コーナ部１Ａにおける外周曲面１ａの曲率半径Ｒが、たとえば１．０ｔ〜３．０ｔに形成されている。

前記短尺四角形鋼管２は、４枚のプレート状板を四角形状に配置して隣接間を溶接することで形成されている。ここで４枚のプレート状板は、それぞれ２枚の２種類、すなわち、外寸Ｗと同等状の幅の２枚の長幅プレート状板２Ａと、外寸Ｗから２枚分の板厚Ｔを引いた値よりも少し狭い幅の２枚の短幅プレート状板２Ｂとからなる。そして短幅プレート状板２Ｂの両端部には、その傾斜角度θが３５°〜４５°の開先部（傾斜端面）２ｂが形成されている。この２種類、４枚のプレート状板２Ａ，２Ｂは、同じ種類のプレート状板２Ａと２Ａ、２Ｂと２Ｂが相対向された状態で四角形状に配置され、そして隣接間を溶接することで正四角形状の短尺四角形鋼管２が形成される。

すなわち、長幅プレート状板２Ａの一面（内面側）で、その端面２ａから板厚Ｔに相当して内側に入り込んだ位置には四角棒状の裏当て金３が配置されて溶接４Ａにより固定されている。そして、相対向された長幅プレート状板２Ａ間に短幅プレート状板２Ｂが嵌め込み状に位置され、短幅プレート状板２Ｂの内面側が裏当て金３に当接されて溶接４Ｂにより固定されている。さらに、長幅プレート状板２Ａの内面側と短幅プレート状板２Ｂの開先部２ｂと裏当て金３の外向き露出面とが溶接５により固定されている。これにより、４枚のプレート状板２Ａ，２Ｂを使用した正四角形状の短尺四角形鋼管２が形成される。

図１、図４〜図８に示されるように、前記長尺四角形鋼管１は、加工手段（切削加工装置など）において端部の外側部分が切削加工され、以て端部には、所定角度（３５°〜４５°）の開先部（端面）１ｂが形成される。そして、長尺四角形鋼管１の端部には、四角リング状の裏当て金６が内嵌されたのち、溶接７により固定されている。なお、短尺四角形鋼管２の端部は、溶接のための開先部を加工しておらず、扁平端面（端面）２Ｃとされている。以上のように短尺四角形鋼管２は、溶接機のみの製作作業で、どのよう場所においても簡単に製造できるとともに、製作時間を短縮して安価に製造できる。また長尺四角形鋼管１は、その開先部１ｂが外側からの加工であることから、製作時間を短縮して安価に形成できる。

上記のように形成された長尺四角形鋼管１と短尺四角形鋼管２とを、その外周形状を同一状として直線状に位置させたのち、長尺四角形鋼管１の内部に位置させた裏当て金６の外端面６ａを、短尺四角形鋼管２の扁平端面２Ｃに相当接させる。すなわち、長尺四角形鋼管１の開先部（端面）１ｂと、開先を形成していない短尺四角形鋼管２の扁平端面（端面）２Ｃとが対向される。

そして、相対向した開先部１ｂと扁平端面２Ｃとの間を、外側から仮り付け溶接したのち、外側からの全周に亘っての溶接（アーク溶接など。）８により結合することで、長尺四角形鋼管１と短尺四角形鋼管２とを外側からの溶接８により結合して、短尺四角形鋼管２をパネルゾーンとした四角形鋼管柱９を構成し得る。その際に溶接８による結合は、裏当て金６を利用した状態で好適に行える。

上記のようにして構成した四角形鋼管柱９は、所定本数が建築現場などに運搬され、そしてパネルゾーンを形成する長さＬの短尺四角形鋼管２の外面に、梁フランジまたは梁材１０が溶接１１によって結合される。なお四角形鋼管柱９は、図４の仮想線に示すように、積上げ状に配置されたのち、その上下間が溶接８により結合されることで、所定長さ（高さ）に構成される。

そしてパネルゾーンは、短尺四角形鋼管２の予め厚い板厚Ｔによって十分な強度を確保し得、梁フランジまたは梁材１０の溶接１１による結合は好適に行える。また四角形鋼管柱９はパイプジョイント形式で得られ、内蔵リブなどがない状態に仕上げることができ、したがって、中にコンクリートなどを充填させる構成も容易に採用し得る。

その際に短尺四角形鋼管２の扁平端面２Ｃから梁フランジまたは梁材１０の上下面１０ａとの間に所定長さ（５０〜３００ｍｍ）ｌの寸法を取ることにより、パネルゾーンを形成する長さＬの短尺四角形鋼管２における上下端の近傍部分にヒンジ作用が発生する効果がある。すなわち新耐震設計法により、柱と梁が接合するパネルゾーン部分が地震力によって降伏しないように規制するか、または降伏を認める場合は、建築物全体のバランスを考えて安全サイドに設計する必要がある。この場合、応力の集中するパネルゾーン部分と、比較的応力の影響が少ない柱との継手方法において、加工が簡単なこの継手構造を用いることにより、地震力によってパネルゾーン近傍でプラスティックヒンジが形成されるとともに、パネルゾーン部分から柱への地震力の伝達がスムーズに行われることに特色がある。

なお、上述した実施の形態１においては、長尺四角形鋼管１と短尺四角形鋼管２とを溶接８により結合することで、短尺四角形鋼管２をパネルゾーンとして四角形鋼管柱９を構成し、この四角形鋼管柱９を建築現場などに運搬し、そして短尺四角形鋼管２の外面に梁フランジまたは梁材１０を溶接１１によって結合しているが、これは長尺四角形鋼管１と短尺四角形鋼管２とを建築現場などに運搬し、そして建築現場などにおいて長尺四角形鋼管１と短尺四角形鋼管２とを溶接８により結合することで、短尺四角形鋼管２をパネルゾーンとして四角形鋼管柱９を構成してもよい。また、短尺四角形鋼管２の外面に梁フランジまたは梁材１０を溶接１１によって結合したのち、建築現場などに運搬してもよい。さらには、短尺四角形鋼管２の外面に、梁フランジまたは梁材１０を連結するための連結用プレートを取り付けてもよい。

上述した実施の形態１では、冷間成形した長尺四角形鋼管１を使用しているが、これは熱間成形した長尺四角形鋼管１であってもよい。この場合にコーナ部１Ａの外周曲面１ａの曲率半径Ｒは、たとえば２．０ｔとなる。

上記した実施の形態１において、長尺四角形鋼管１としては、たとえば、ロール成形によるワンシーム四角形鋼管、プレス成形による一対のみぞ型材を向き合わせて突き合わせ溶接したツーシーム四角形鋼管、一対の圧延みぞ型材を溶接してなるツーシーム四角形鋼管、圧延山型材を一対、向き合わせて溶接したツーシーム四角形鋼管、四面ボックス、シームレス鋼管など、いずれも既製の四角形鋼管が使用される。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２を、図９に基づいて説明する。

短尺四角形鋼管１２は、４枚のプレート状板を四角形状に配置して隣接間を溶接することで形成されている。ここで４枚のプレート状板は同じ形状の１種類、すなわち、外寸Ｗから板厚Ｔを引いた値よりも少し狭い幅のプレート状板１３からなる。そしてプレート状板１３の一端部には、その傾斜角度θが３５°〜４５°の開先部（傾斜端面）１３ａが形成されている。この１種類、４枚のプレート状板１３は四角形状に配置され、そして隣接間を溶接することで正四角形状の短尺四角形鋼管１２が形成される。

すなわち、プレート状板１３の他端部側の一面（内面側）で、その他端面１３ｂから板厚Ｔに相当して内側に入り込んだ位置には四角棒状の裏当て金１４が配置されて溶接１５Ａにより固定されている。そして、他端部側の一面（内面側）に開先部（傾斜端面）１３ａが対向されて別のプレート状板１３が直角状に位置され、この別のプレート状板１３の内面側が裏当て金１４に当接されて溶接１５Ｂにより固定されている。この繰り返しによって、４枚のプレート状板１３が四角形状に配置され、そして溶接１５Ａ，１５Ｂにより仮付け固定される。そして、プレート状板１３の他端部側の内面側と、一端部側の開先部１３ａと、裏当て金１４の外向き露出面とが溶接１６により固定されている。これにより、４枚のプレート状板１３を使用した正四角形状の短尺四角形鋼管１２が形成される。

この実施の形態２によると、４枚のプレート状板１３は同じ形状の１種類であることから、その製作や取り扱いを容易に行うことができる。
上記した実施の形態１、２では、横断面で正四角形状の短尺四角形鋼管２，１２を採用しているが、これは横断面で長方形の短尺四角形鋼管も同様に採用し得るものである。

上記した実施の形態１、２では、エレクトロスラグ溶接機やエレクトロガスアーク溶接機による溶接であり、これによると、短時間で高品質の溶接を行うことができる。なお、レーザなど他の溶接方式であってもよい。

本発明の実施の形態１を示し、四角形鋼管柱の溶接結合前の一部切り欠き斜視図である。 同四角形鋼管柱における短尺四角形鋼管の平面図である。 同四角形鋼管柱における短尺四角形鋼管の要部の平面図である。 同四角形鋼管柱の縦断正面図である。 同四角形鋼管柱の一部切り欠き斜視図である。 同四角形鋼管柱の縦断正面図である。 同四角形鋼管柱の要部拡大の縦断正面図である。 同四角形鋼管柱の横断平面図である。 本発明の実施の形態２を示し、四角形鋼管柱における短尺四角形鋼管の平面図である。

符号の説明

１ 長尺四角形鋼管
１ｂ 開先部（端面）
２ 短尺四角形鋼管
２Ａ 長幅プレート状板（プレート状板）
２ａ 端面
２Ｂ 短幅プレート状板（プレート状板）
２ｂ 開先部
２Ｃ 扁平端面（端面）
３ 裏当て金
５ 溶接
６ 裏当て金
７ 溶接
８ 溶接
９ 四角形鋼管柱
１０ 梁フランジまたは梁材
１１ 溶接
１２ 短尺四角形鋼管
１３ プレート状板
１３ａ 開先部
１３ｂ 他端面
１４ 裏当て金
１６ 溶接
ｔ 長尺四角形鋼管の板厚
Ｔ 短尺四角形鋼管の板厚
Ｌ パネルゾーンを形成する長さ
Ｗ 角形鋼管柱の外寸
θ 傾斜角度

Claims (2)

1. 所定の板厚の長尺四角形鋼管と、この長尺四角形鋼管よりも板厚が厚くかつパネルゾーンを形成する長さの短尺四角形鋼管とからなり、この短尺四角形鋼管は、４枚のプレート状板を四角形状に配置して隣接間を溶接することで形成され、長尺四角形鋼管の端面と短尺四角形鋼管の端面とが対向された状態で、両四角形鋼管を溶接により結合して構成されていることを特徴とする四角形鋼管柱。
2. ４枚のプレート状板は、それぞれ２枚の２種類からなり、同じ種類のプレート状板が相対向された状態で四角形状に配置して隣接間を溶接することで短尺四角形鋼管が形成されていることを特徴とする請求項１記載の四角形鋼管柱。

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