JP5741356B2

JP5741356B2 - ラーメン骨組の柱梁接合部

Info

Publication number: JP5741356B2
Application number: JP2011219201A
Authority: JP
Inventors: 至鈴木; 勝夫佃
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-10-03
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: JP2013079508A

Description

本発明は、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造またはコンクリート充填鋼管造の柱にＨ形鋼の梁を溶接接合することにより構成されるラーメン骨組の柱梁接合部に関し、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部の早期破断を防止することができると共に、施工が容易でコスト的に有利なラーメン骨組の柱梁接合部を提供することができる。

ラーメン骨組構造の建物は、地震時の水平荷重によって図８（ａ），（ｂ）に図示するように変形し、これに伴い梁と柱が図８（ｃ）に図示するように変形する。そして、梁端部には大きな曲げ引張応力と曲げ圧縮応力が発生する。

このため、この種の建物の柱梁接合部として広く適用される、Ｈ形鋼の梁を柱に溶接接合することにより構成される柱梁接合部においては、例えば、図９（ａ），（ｂ）に図示するように、梁２０のフランジ端溶接部２１の終始端の開先肩部２１ａに最も応力が集中し、特に曲げ引張応力のもとでは、溶接により脆化した梁２０のフランジ端溶接部２１が脆性破断により早期破壊に至るおそれのあることが指摘されている。

そこで、Ｈ形鋼の梁を柱となる鉄骨に溶接接合する場合は、溶接される梁のフランジ端部を拡幅して、梁端仕口部と拡幅部をほぼ同時に降伏させて塑性化の領域を拡大させることで、仕口部近傍での脆性的な破壊の回避する構造を適用したり、あるいは、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りの位置に梁端部より先に降伏する塑性化領域を設ける、いわゆるドッグボーン形式等の梁構造を適用することにより、梁のフランジ端溶接部の早期破断を防いでいる。

例えば、特許文献１，２には、図１０（ａ），（ｂ）に図示するようにＨ形鋼からなる梁２０の上下フランジ２０ａの側面部にリブプレート２２を取り付けて梁２０のフランジ端部を拡幅する構造が開示されている。

また、特許文献３には、図１１（ａ）に図示するようないわゆるドッグボーン形式の梁が開示されている。すなわち、Ｈ形鋼からなる梁２０のフランジ端溶接部２１から梁中央寄りの位置にフランジ幅を曲線形に削減することにより塑性化領域２３を設ける方法が記載されている。

また、非特許文献１には、図１１（ｂ）に図示するようなＨ形鋼からなる梁２０のフランジ端溶接部２１から梁中央寄りの上下フランジ２０ａのフランジ面に複数の貫通孔２０ｂをあけて塑性化領域２３を設ける方法が記載されている。

特開２００４−４４１００号公報特開２０００−９６７０６号公報特開２００４−２７８４０号公報

孔あきフランジ方式を用いた現場溶接型柱梁溶接接合部の変形能力に関する実験的研究(日本建築学会構造系論文集、第585号、p.155−p.161、2004年11月)

しかしながら、梁のフランジ側面にリブプレートを溶接する方法は、リブプレートと梁のフランジが完全一体となるように溶接する必要があるため、工場製作に手間がかかるほか、リブプレートの先端に溶接欠陥が生じると、この部分を起点に早期破断が生じるおそれがあった。

また、いわゆるドッグボーン形式の梁やフランジ面に貫通孔をあけた形式の梁は、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りの位置を断面欠損により積極的に塑性化させる方式であるため、梁耐力の低減が避けられないという課題がある。

さらに、梁のフランジを拡幅形状に切り出して溶接組立Ｈ形鋼を製作する方法も実施化されているが、一体の拡幅形状に梁のフランジを切り出すため、製作時の鋼材のロスが多くなるほか、拡幅部先端に切断ノッチが生じると、この部分を起点に早期破断が生じるおそれがある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止することができると共に、施工が容易でコスト的に有利なラーメン骨組の柱梁接合部を提供することを目的とするものである。

本発明のラーメン骨組の柱梁接合部は、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造またはコンクリート充填鋼管造の柱に、Ｈ形鋼からなる梁の上下フランジを溶接接合することにより構成されるラーメン骨組の柱梁接合部において、前記フランジの梁端溶接部から梁長手方向中央寄りの側面部に孔が所定深さに設けられていることを特徴とするものである。

本発明の柱梁接合部は、特に地震等の水平荷重に伴う曲げ引張応力によって梁のフランジ端溶接部に集中して作用する応力を緩和して、梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止できるようにしたものである。

本発明の柱梁接合部によれば、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りのフランジ側面部に設けた孔部を曲げ引張応力下で積極的に塑性化させることにより、梁のフランジ端溶接部に作用する応力を緩和して梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止することができる。

孔はフランジ幅方向に形成し、そのサイズは直径および深さ共に数ミリ〜数十ミリ程度あればよく、また、孔の位置は梁のサイズにもよるが、梁のフランジ端溶接部から概ね５０ｍｍ〜９０ｍｍ程度の範囲であれば、フランジ端溶接部に作用する応力を緩和させる効果があり望ましい。

さらに、孔は、梁の上または下フランジの一方の両側面に設けるだけでも、フランジ端溶接部の応力集中を緩和できるが、地震時の梁の変形を想定すると上下フランジの両側面に設けるのがよく、また複数個形成してもよい。なお、孔は、工場からの出荷時や施工現場でハンドドリル等を用いて容易に開けることができる。

本発明は、別の面からは、長手方向端部付近のフランジ側面部に孔が設けられていることを特徴とするＨ形鋼である。孔のサイズ、位置等については前述同様である。

このようなＨ形鋼をラーメン骨組の梁として用いることで、柱梁接合部において、特に地震等の水平荷重に伴う曲げ引張応力によって梁のフランジ端溶接部に集中して作用する応力を緩和して、梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止できる。

本発明は、柱となるＨ形鋼や角形鋼管などの鉄骨の側面部にＨ形鋼からなる梁の上下フランジを溶接接合することにより構成される柱梁接合部において、梁のフランジ端溶接部から梁の中央寄りのフランジ側面部に孔を設けることにより、地震等の水平荷重に伴う曲げ引張応力によって梁のフランジ端溶接部に集中して作用する応力を緩和して、梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止することができる。

また、孔は、工場からの出荷時や現地搬入後にハンドドリル等によって容易に形成することが可能なため、施工が容易でコスト的にもきわめて有利である。

本発明の一実施形態を示す柱梁接合部を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は図（ａ）における要部拡大図、（ｃ）は梁のフランジ端溶接部を示す側面図である。（ａ）はＦＥＭ解析による効果の検討を行うための説明図、（ｂ）は各部材の材料特性を示すグラフ、（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、梁のフランジ端溶接部の側面図、一部平面図である。フランジ端溶接部における歪に与える孔位置の影響を示すグラフである。フランジ端溶接部における歪に与える孔深さの影響を示すグラフである。フランジ端溶接部における歪に与える孔径の影響を示すグラフである。フランジ端溶接部における歪に与える孔数の影響を示すグラフである。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、フランジ端溶接部におけるフランジ幅方向の歪分布を示すグラフである。ラーメン構造の建物を示し、（ａ）はその側面図、（ｂ）は水平荷重による変形状態とモーメント分布を示す側面図、（ｃ）は水平荷重による梁の変形状態を示す柱梁接合部の側面図である。鉄骨ラーメン骨組構造の柱梁接合部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は梁のフランジ端溶接部の側面図である。（ａ），（ｂ）は、フランジ端部を拡幅した梁を使用した柱梁接合部の斜視図である。（ａ）は、いわゆるドッグボーン形式の梁、(ｂ)はフランジ面に孔をあけた形式の梁を使用した柱梁接合部の平面図である。

図１は、本発明の一実施形態を示し、図において、角形鋼管からなる柱１の梁接合部にＨ形鋼からなる梁２の上下フランジ２ａ，２ａがそれぞれ上下水平ダイアフラム３，３を介して溶接接合され、また、梁２のウェブ２ｂがブラケット(図省略)を介し、接合プレート４と複数の接合ボルト５によって接合されている。

上下水平ダイアフラム３，３は、柱１の外径より一回り大きい矩形板状に形成され、梁２の上下フランジ２ａ，２ａと対応する位置を水平に貫通し、かつ柱１に一体的に溶接されている。そして、上下水平ダイアフラム３，３の縁端部に梁２の上下フランジ２ａ，２ａの端部がそれぞれ溶接によって接合されている。

ブラケットは、柱１の上下水平ダイアフラム３，３間の側面部に鉛直に設置され、かつ柱１の側面部に一体的に溶接されている。そして、ブラケットに梁２のウェブ２ｂの端部が接合プレート４と接合プレート４およびブラケットを貫通する複数の接合ボルト５によって高力ボルト接合されている。

なお、梁２の上下フランジ２ａ，２ａと上下水平ダイアフラム３，３間の溶接には突合せ溶接が用いられ、梁２の上下フランジ２ａ，２ａの端部と上下水平ダイアフラム３ａ，３ａがそれぞれ同じ水平面内で突き合わせられ、双方の突合せ部に開先６と裏当て金７が設けられている。そして、開先６内に溶接金属が充填されている。

また、梁２の上下フランジ２ａ，２ａの両側面部にそれぞれ一個ないし複数個の孔８が形成されている。孔８は、梁２のフランジ端溶接部９から梁２の中央側寄りの位置に、梁２の軸直角方向に水平に形成されている。

なお、孔８は、上下フランジ２ａ，２ａの一方、また上下フランジ２ａの一側面部にのみ設けられていてもよい。

符号１０は梁２のウェブ２ｂを補強する水平スチフナーであり、必要に応じて梁２のフランジ端溶接部９に近いウェブ２ｂの側面部に溶接によって取り付けられている。

このような構成において、図８（ａ），（ｂ）に図示するように、地震時に建物が水平荷重によって変形し、これに伴い柱と梁が図８（ｃ）に図示するように変形すると、梁の端部に大きな曲げ引張応力と曲げ圧縮応力が発生し、梁の上下フランジ端溶接部に応力が集中する。

しかし、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りのフランジ両側面部に一個ないし複数の孔が設けられていることで、この部分が先行して塑性化して応力を低減することにより、特に曲げ引張応力下でのフランジ端溶接部の破断破壊を未然に防止することができる。

次に、梁のフランジ端溶接部より梁中央寄りのフランジ側面部に孔を設けることの意義と効果について、ＦＥＭでの解析例を用いて検討する(図２〜図７、表１〜表４参照)。

図２（ａ）〜（ｄ）に図示する条件のもと、梁のフランジ側面部に設けられた孔の位置、孔の深さ、孔の径および孔の数が、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部のＺ方向の歪に与える影響について検討した。

なお、図２（ａ）において、符号イ、ロ、ハは、それぞれ、図１および図２（ｃ）に図示する柱梁接合部における梁２のフランジ２ａ、ダイアフラム３、フランジ端溶接部９に対応する。

また、図２（ｂ）は、ダイアフラム、溶接金属および梁フランジの材料特性を示し、さらに、図２（ｃ），（ｄ）は、それぞれ、梁のフランジ端溶接部の側面図と一部平面図である。

同図に示すように、孔の位置は、梁２のフランジ端溶接部９(より詳しくは開先肩部)からの距離ｄ(ｍｍ)で表わし、孔の深さはｘ(ｍｍ)、孔の径はΦ(ｍｍ)で表わす。

図３と表１は、孔の位置（ｄ）がフランジ端溶接部のＺ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔の位置（ｄ）が５０mm＜ｄ＜９０mmの範囲内で、フランジの側面部に孔が設けられていない構造(以下、「従来型」とよぶ。)と比較して、フランジ端溶接部のＺ方向の歪を半減する効果が期待できることが確認された。

図４と表２は、孔の深さ（ｘ）がフランジ端溶接部のＺ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔径Φ=１０mmの場合、孔の深さ（ｘ）=２０〜３０mmで最も効果の大きいことが確認された。

図５と表３は、孔の径（Φ）がフランジ端溶接部のＺ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔径(Φ)を大きくすることでフランジ端溶接部の歪集中を緩和できる。しかし、孔径(Φ)を大きくしすぎると(例えばΦ≧１５mm)、孔部の塑性変形が大きくなり比較的早期の剛性低下が確認された。本解析結果ではΦ≦１０mmくらいが適当であると考えられる。

そして、図６と表４は、孔の数がフランジ端溶接部のＺ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔の数を増やすことで効果が期待できることが確認された。

本解析結果により、梁のフランジに破断防止の孔を有する柱梁接合部は、孔の位置、孔の深さ、孔の径、孔の数を適切に設計することで効果が期待でき、従来型の柱梁接合部において発生する梁のフランジ端溶接部の最大歪値と比較し、歪値を半分以下に緩和することができることを確認した。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、特に梁の断面(フランジ幅（Ｂ(ｍｍ)）、フランジ板厚(tf(ｍｍ))、ダイアフラム板厚(td(ｍｍ))を変更して解析し、孔がフランジ端溶接部のＺ方向の歪に与える影響を示したものである。

各図から明らかなように、梁の断面形状によらず、フランジの側面部に孔を設けることでフランジ端溶接部の歪値を低減できることが確認された。

以上の解析結果より、孔の位置がtf≦ｄ≦13tf/5、孔の深さがB/20≦ｘ≦2B/15、孔の径がtf/5≦Φ≦3tf/5の範囲内であれば、梁の断面形状によらず、梁のフランジ端溶接部への歪みの集中を緩和することができると考えられる。

本発明は、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部の早期破断を防止することができると共に、施工が容易でコスト的に有利な鉄骨造ラーメン骨組の柱梁接合部を提供することができる。

１柱
２梁
２ａ梁のフランジ
２ｂ梁のウェブ
３ａダイアフラム
４接合プレート
５接合ボルト
６開先
７裏当て金
８孔
９梁のフランジ端溶接部
１０水平スチフナー

Claims

鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造またはコンクリート充填鋼管造の柱に、Ｈ形鋼の梁を溶接接合することにより構成されるラーメン骨組の柱梁接合部において、前記梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りのフランジ側面部に、孔が設けられていることを特徴とするラーメン骨組の柱梁接合部。
請求項１記載のラーメン骨組の柱梁接合部において、前記孔は、上下フランジの両側面部にそれぞれ１または複数設けられていることを特徴とするラーメン骨組の柱梁接合部。
請求項１または２記載のラーメン骨組の柱梁接合部において、孔は、梁のフランジ端溶接部から50〜90ｍｍ梁中央寄りのフランジ側面部に設けられていることを特徴とするラーメン骨組の柱梁接合部。
請求項１〜３のいずれかひとつに記載のラーメン骨組の柱梁接合部において、Ｈ形鋼の梁の長手方向端部付近のフランジ側面部に孔が設けられていることを特徴とするラーメン骨組の柱梁接合部。
請求項４に記載のラーメン骨組の柱梁接合部に用いられるＨ形鋼であって、長手方向端部付近のフランジ側面部に孔が予め設けられていることを特徴とするＨ形鋼。