JP6996544B2 - 既存構造物の耐震改修方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷間成形角形鋼管からなる柱本体を有する柱部材を備えた既存構造物の耐震改修方法に関する。

従来の冷間成形角形鋼管を用いた柱部材では、鋼管角部が強い冷間加工を受けることにより、この鋼管角部とベースプレートやダイヤフラムとの溶接部が脆性破断して塑性変形性能が低下することが懸念される。脆性破断は、引張応力の高さ、靱性の低さ、部材の形状や切欠き等による応力集中の三条件が揃う場合に発生する。

そこで、例えば非特許文献１に示される方法に従って、柱部材に作用する応力を割り増して構造物の設計を行うなどの対応をとる必要がある。

しかし、過去に建設された既存構造物には、非特許文献１に示されるような対応がとられていない構造物も存在する。このような既存構造物の耐震改修を行う場合、ブレース等の補強部材を取り付けることによる既存構造物の耐力向上や、既存構造物の一部を取り除く減築を行うことによる外力入力低減といった通常の耐震改修方法では、必ずしも十分な耐震改修効果が得られない場合がある。具体的には、上記のような通常の耐震改修方法に加えて、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材の脆性破断が発生しないよう、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材の応力状態の詳細な検討、およびこの冷間成形角形鋼管を用いた柱部材の補強が必要となる場合がある。

非特許文献２には、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材の補強方法の具体例が複数示されている。これら補強方法の概要を、図３４（ａ）～（ｄ）に示す。

図３４（ａ）、（ｂ）の補強方法は、既存構造物の冷間成形角形鋼管を用いた柱部材９の柱脚部および柱頭部に、平鋼板や山形鋼からなる補強材９１、９２を側面隅肉溶接により取り付けるものである。これらの補強方法では、柱端部断面において補強材に作用する垂直応力を適切に伝達させるために、補強材９１、９２をダイヤフラム（やベースプレート）に完全溶込み溶接しなければならない。通常、既存構造物の柱部材の柱脚部には床スラブが設置されているので、図３４（ａ）、（ｂ）の補強方法を適用するには、柱部材９周辺の床スラブを除去する必要がある。

図３４（ｃ）の補強方法は、既存構造物の冷間成形角形鋼管を用いた柱部材９の柱脚部および柱頭部に、平鋼板からなる補強板９３を側面隅肉溶接により取り付けたうえで、これら柱脚部の床スラブ上面および柱頭部の梁下面に、平鋼板からなる定着板９４を配置して、この定着板に設けられた補強リブ９４ａにより上記補強板９３を押さえつけるようにし、この状態で柱脚部側および柱頭部側の両定着板９４、９４を、床スラブごとＰＣ鋼棒９５で締結するものである。

図３４（ｄ）の補強方法は、既存構造物の冷間成形角形鋼管を用いた柱部材９の柱脚部に、シヤーコッター９６を溶接により取り付けたうえで、この柱脚部を鋼板型枠９７で取り囲み、柱部材９の柱脚部と鋼板型枠９７の間に無収縮モルタル９８を充填して、柱部材の柱脚部を根巻き補強するものである。

これら図３４（ｃ）、（ｄ）の補強方法では、必ずしも柱周辺の床スラブを除去する必要は無いが、補強構造を構成する補強部材の点数が多く、複雑である。

このように、非特許文献２に示される方法では、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材を補強するために、床スラブを一旦除去したり、複雑な構造の補強部材を取り付けたりする必要があり、大がかりな工事が必要となる問題がある。

「２０１８年版 冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル」、日本建築センター、２０１８年、ｐｐ．２７～６２ 「－２００８年版 冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル 補遺－ ＳＴＫＲ柱補強設計・施工マニュアル」、日本建築センター、２０１４年、ｐ．５

本発明は、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材を備えた既存構造物において、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材の鋼管角部とベースプレートやダイヤフラムとの溶接部の脆性破断を防止すべく、柱部材に作用する応力を割り増す対応が設計時に取られていない場合にも、簡単な方法により、上記溶接部が脆性破断することを抑制し、柱部材の柱脚部や柱梁接合部における塑性変形性能を高めて、既存構造物の十分な耐震改修効果を得ることのできる、既存構造物の耐震改修方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の特徴を有する。

［１］ 冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、前記柱本体の柱脚部に溶接接合されたベースプレートとを有する柱部材を備えた既存構造物の耐震改修方法であって、前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ベースプレートとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設けることを特徴とする既存構造物の耐震改修方法。

［２］ 前記柱部材は、前記柱本体の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムをさらに有し、前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ダイヤフラムとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設けることを特徴とする［１］に記載の既存構造物の耐震改修方法。

［３］ 冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、前記柱本体の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムとを有する柱部材を備えた既存構造物の耐震改修方法であって、前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ダイヤフラムとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設けることを特徴とする既存構造物の耐震改修方法。

ここで、［１］～［３］における「角部」は、曲率を有する部分だけでなく、この曲率を有する部分の両側近傍の部分も含むものとする。

［４］ 前記孔は、前記柱部材に外力が作用した際に、前記溶接部に発生する応力を低減する形状を有することを特徴とする［１］～［３］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

［５］ 前記孔は、前記柱部材に外力が作用した際に、これら孔の断面欠損に起因する前記柱本体の局部座屈の発生を抑制する形状を有することを特徴とする［１］～［４］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

ここで、［４］および［５］における「形状」は、孔の輪郭の形だけでなく、孔の大きさ、孔の個数、孔の位置も含む概念である。

［６］ 前記孔に近接する前記溶接部止端部と前記孔の縁の離間距離が、前記孔の直径の１倍以上５倍以下であることを特徴とする［１］～［５］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

［７］ 前記孔は複数であり、前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々の稜線の両側に対称に配置されることを特徴とする［１］～［６］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

［８］ 前記孔の各々の縁は滑らかに加工されていることを特徴とする［１］～［７］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

［９］ 前記既存構造物の耐力を増加させる補強部材を取り付けることを特徴とする［１］～［８］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

ここで、［９］における「補強部材」は、ブレースやダンパーなど、既存構造物の耐力を増加させることが可能なあらゆる補強部材を含む。

［１０］ 前記既存構造物の一部を取り除く減築を行い、減築後の前記既存構造物に入力する外力を低減させることを特徴とする［１］～［９］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

［１１］ 前記既存構造物と構造的に一体となる増築部を設ける増築を行い、前記既存構造物と前記増築部が一体となった構造物全体の耐力が、前記既存構造物の耐力よりも大きくなるようにすることを特徴とする［１］～［１０］のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

本発明によれば、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材を備えた既存構造物において、冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、ベースプレートまたはダイヤフラムとの溶接部止端部に近接するようにして、孔を設けることにより、地震時などに耐震改修後の前記柱本体に外力が作用する場合に前記溶接部に生じる引張応力を拡散、低減して、溶接部が脆性破断することを抑制できる。

よって、既存構造物の設計時に、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材の鋼管角部とベースプレートやダイヤフラムとの溶接部が脆性破断して塑性変形性能が低下することを防止すべく、柱部材に作用する応力を割り増す対応が取られていなくても、既存構造物の十分な耐震改修効果が得られる。

また、柱本体の角部に孔を設ける簡単な方法により、床スラブを一旦除去したり、複雑な構造の補強部材を取り付けたりする大がかりな工事を必要とせずに、溶接部が脆性破断することを抑制し、既存構造物の十分な耐震改修効果が得られる。したがって、経済性に優れた耐震改修方法となる。

さらに、上記孔の大きさが比較的小さくても、溶接部の脆性破断の抑制効果が十分得られるため、孔の断面欠損による柱部材の耐力低下はわずかである。また、孔の断面欠損による柱部材の耐力低下に対しては、既存構造物の耐力を増加させる補強部材を取り付けたり、既存構造物の一部を取り除く減築を行ったり、既存構造物と構造的に一体となる増築部を設ける増築を行ったりする方法を併用して、耐震改修後の構造物全体の保有耐力を必要耐力以上とし、耐震性能を確保できるため、既存構造物の耐震改修効果が確実に得られる。

加えて、柱部材の柱脚部や柱梁接合部における塑性変形性能や低サイクル疲労特性が向上し、既存構造物の耐震改修効果がさらに高められる。

本発明の第１の実施形態の既存構造物の耐震改修方法を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の既存構造物の耐震改修方法を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の既存構造物の耐震改修方法を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の既存構造物の耐震改修方法を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態の既存構造物の耐震改修方法を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法を示す斜視図である。 耐震改修前の柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 耐震改修前の柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 耐震改修前の柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 耐震改修前の柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すグラフである。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すグラフである。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すグラフである。 耐震改修前の柱部材と本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材における、荷重－たわみ関係の数値解析結果を比較して示すグラフである。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すコンター図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すグラフである。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すグラフである。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すグラフである。 本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修された柱部材に発生するひずみ分布の数値解析結果を示すグラフである。 本発明の既存構造物の耐震改修方法が適用される前の既存構造物の構面を示す模式図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法の第１の変形例を示す模式図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法の第２の変形例を示す模式図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法の第３の変形例を示す模式図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法の第４の変形例を示す模式図である。 本発明の既存構造物の耐震改修方法の第５の変形例を示す模式図である。 従来の既存構造物の耐震改修方法を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の既存構造物の耐震改修方法の実施形態を詳細に説明する。

図１～図６に、本発明の第１～第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法をそれぞれ示す。

第１～第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法が適用される既存構造物の柱部材１は、冷間成形角形鋼管からなる柱本体１０と、柱本体１０の柱脚部に溶接接合されたベースプレート１５とを有する。

図１に示す第１の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々に、ベースプレート１５との溶接部止端部（溶接部と柱本体１０との境界位置）に近接するようにして、孔１１を一つずつ設ける。四つの角部に設けられる孔１１は、溶接部止端部からの高さが同じとなるように配置する。

ここで、上記「近接して」とは、構造物の自重による鉛直力や地震力等の水平力が柱部材１に入力するとき、柱本体１０とベースプレート１５との溶接部のうち、角形鋼管角部に隣接する部位に発生する応力を低減することができる位置を意味する。具体的には、孔１１の縁と溶接部止端部との離間距離が、例えば数ｍｍから孔の直径の５倍程度となるような位置に孔１１を設けることをいう。また、上記「角部」は、曲率を有する部分だけでなく、この曲率を有する部分の両側の近傍の部分も含む。

孔１１は、この孔１１が設けられた柱部材１に地震力等による外力が作用した際に、上記溶接部に発生する引張応力が、この溶接部の各位置において低減されるような形状に形成する。

本実施の形態では、孔１１の輪郭の形は、正円形とする。これに代えて、孔の輪郭の形を、楕円形、長円形などとすることも可能である。

孔１１の直径は、柱部材１に要求される耐力、塑性変形性能や柱本体（角形鋼管）１０の寸法とのバランスで決定される。孔の輪郭の形が正円形でない場合も、孔の大きさは、上記に相当する寸法とすることが好ましい。

第１の実施形態の既存構造物の耐震改修方法によれば、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材１を備えた既存構造物において、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々に、ベースプレート１５の溶接部止端部に近接するようにして孔１１を設けることにより、地震時などに耐震改修後の柱本体１０に作用する外力によって孔１１の下側の鋼管角部溶接部付近に生じる引張応力が拡散、低減され、この溶接部が脆性破断することを抑制できる。

よって、既存構造物の設計時に、冷間成形角形鋼管を用いた柱部材１の鋼管角部とベースプレート１５との溶接部が脆性破断して塑性変形性能が低下することを防止すべく、柱部材１に作用する応力を割り増す対応が取られていなくても、既存構造物の十分な耐震改修効果が得られる。

また、柱本体１０の角部に孔１１を設ける簡単な方法により、床スラブを一旦除去したり、複雑な構造の補強部材を取り付けたりする大がかりな工事を必要とせずに、溶接部が脆性破断することを抑制し、既存構造物の十分な耐震改修効果が得られる。したがって、経済性に優れた耐震改修方法となる。

さらに、孔１１の大きさが比較的小さくても、溶接部の脆性破断の抑制効果が十分得られるため、孔１１の断面欠損による柱部材の耐力低下はわずかである。また、孔１１の断面欠損による柱部材の耐力低下に対しては、後述の第１～第５の変形例で説明するように、既存構造物の耐力を増加させる補強部材を取り付けたり、既存構造物の一部を取り除く減築を行ったり、既存構造物と構造的に一体となる増築部を設ける増築を行ったりする方法を併用して、耐震改修後の構造物全体の保有耐力を必要耐力以上とし、耐震性能を確保できるため、既存構造物の耐震改修効果が確実に得られる。

加えて、柱部材１の柱脚部や柱梁接合部における塑性変形性能や低サイクル疲労特性を向上させ、既存構造物の耐震改修効果を高めることができる。

図２～図６に示す第２～第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法は、第１の実施形態の既存構造物の耐震改修方法から、孔の数や位置を変更したものである。これら第２～第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々に、二つ～四つの孔が、ベースプレートとの溶接部止端部に近接するようにして設けられている。

図２に示す第２の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々において、二つの孔２１、２２を、角形鋼管角部の稜線の両側に対称に設ける。

第２の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、地震力などの外力により耐震改修後の柱本体１０に曲げが発生したときに角形鋼管角部に生じる材軸方向引張応力が、孔２１、２２の下側の鋼管角部溶接部付近において拡散され、この部位における引張応力が低減される。

図３、図４に示す第３、第４の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱部材１の在軸方向に孔３１、３２、４１～４４を設ける。

図３に示す第３の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々において、二つの孔３１、３２を、角形鋼管角部の稜線上に沿って並ぶように設ける。

図４に示す第４の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々において、四つの孔４１～４４を、角形鋼管角部の稜線の両側に二つずつ対称に設ける。

第３、第４の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱部材１の材軸方向に複数設けた孔３１、３２、４１～４４近傍において、耐震改修後の柱本体３０、４０の塑性変形が促進され、柱部材１の塑性変形性能や低サイクル疲労特性がさらに向上して、既存構造物の耐震改修効果がさらに高められる。

図５、図６に示す第５、第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、孔５１～５３、６１～６３を千鳥状に配置するように設ける。

図５に示す第５の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々において、孔５１を、溶接部止端部に近接するようにして、角形鋼管角部の稜線上に設けるとともに、孔５２、５３を、上記孔５１よりも溶接部止端部からの高さが大きい位置に、角形鋼管角部の稜線の両側に対称に設ける。

図６に示す第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法では、柱本体（角形鋼管）１０の四つの角部の各々において、孔６１、６２を、溶接部止端部に近接するようにして、角形鋼管角部の稜線の両側に対称に設けるとともに、孔６３を、上記孔６１、６２よりも溶接部止端部からの高さが大きい位置に、角形鋼管角部の稜線上に設ける。

第１～第６の実施形態の既存構造物の耐震改修方法のいずれにおいても、上記孔１１、２１、２２、３１、３２、４１～４４、５１～５３、６１～６３は、耐震改修後の柱部材１に外力が作用した際に、これら孔の断面欠損に起因する柱本体１０の局部座屈の発生を抑制するような大きさや位置に配列される。「局部座屈の発生を抑制」とは、孔を設けることによる局部座屈強度の低下が、孔を設けない場合の局部座屈強度に対して一定の割合以内に抑えられていることを指すものとする。

上記孔１１、２１、２２、３１、３２、４１～４４、５１～５３、６１～６３は、この孔に近接する溶接部止端部と、孔の縁の離間距離が、孔の直径の１倍以上５倍以下となるように設けられることが好ましい。このようにすることで、孔を設けることによって得られる溶接部止端部の応力低減効果が高められる。

上記孔１１、２１、２２、３１、３２、４１～４４、５１～５３、６１～６３の縁は滑らかに加工することが好ましい。具体的には、ガス溶断による孔加工ではなくドリル加工によるキリ孔加工とし、孔の縁に面取り加工や丸み付け加工を施すことが好ましい。このようにすることで、孔の縁における応力集中の発生を抑制して、溶接部が脆性破断することを確実に抑制できる。

なお、上記第１～第６の実施形態では、柱本体１０の柱脚部にベースプレート１５が溶接接合されてなる柱部材１に対して、本発明の既存構造物の耐震改修方法が適用される場合について説明したが、本発明は、ベースプレート１５に代えて、あるいはベースプレート１５に加えて、柱本体の梁取付部にダイヤフラムが溶接されてなる柱部材に対しても同様に適用可能である。具体的には、角形鋼管の四つの角部の各々において、ダイヤフラムの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設けるようにすれば良い。

本発明の既存構造物の耐震改修方法の変形例を、図２８～図３３を参照して説明する。

図２８は、本発明の既存構造物の耐震改修方法を適用する前の、既存構造物１００の構面を示す。

図２９に、本発明の既存構造物の耐震改修方法の第１の変形例を示す。この第１の変形例では、既存構造物１００に対し、冷間成形角形鋼管からなる柱本体１０を有する柱部材１の柱脚部に溶接接合されたベースプレートの溶接部止端部、および上記柱本体１０の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムの溶接部止端部に近接するようにして、冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、少なくとも一つの孔を設けている。この孔は、必ずしも柱脚部のベースプレートの溶接部止端部近傍、梁取付部のダイヤフラムの溶接部止端部近傍の全てに設ける必要はない。具体的には、既存構造物１００のうち柱部材１の耐力や柱梁耐力比に余裕のある部位には孔を設けなくとも、既存構造物の十分な耐震改修効果が得られる。

図３０に、本発明の既存構造物の耐震改修方法の第２の変形例を示す。この第２の変形例では、図２９に示す第１の変形例に加えて、既存構造物１００の耐力を増加させる補強部材１２１（ブレースやダンパーなど）を、既存構造物１００の構面に取り付ける。

この第２の変形例によれば、補強部材１２１により既存構造物１００の耐力が増加することで、既存構造物１００の柱部材１に設けた孔の断面欠損による柱部材１の耐力低下が補われる。よって、耐震改修後の構造物全体の保有耐力を必要耐力以上とし、耐震性能を確保できる。

図３１に、本発明の既存構造物の耐震改修方法の第３の変形例を示す。この第３の変形例では、図２９に示す第１の変形例に加えて、既存構造物１００の耐力を増加させる補強部材１２２（ブレースやダンパーなど）を、既存構造物１００の構面に取り付ける。また、既存構造物１００の上に、この既存構造物１００と構造的に一体となるように、一層分の増築部１０１を設ける増築を行う。

この第３の変形例によれば、補強部材１２２により既存構造物１００の耐力が増加することで、既存構造物１００の柱部材１に設けた孔の断面欠損による耐力低下が補われる。よって、既存構造物１００の上に増築部１０１を設けることによる外力入力増加を加味しても、耐震改修後の構造物全体の保有耐力を必要耐力以上とし、耐震性能を確保できる。

図３２に、本発明の既存構造物の耐震改修方法の第４の変形例を示す。この第４の変形例では、図２９に示す第１の変形例に加えて、既存構造物１００の横に、この既存構造物１００と構造的に一体となるように、３スパン分の増築部１０２を設ける増築を行う。また、既存構造物１００と増築部１０２が一体となった構造物全体の耐力を増加させるよう、補強部材１２３（ブレースやダンパーなど）を、増築部１０２の構面に取り付ける。

この第４の変形例によれば、既存構造物１００の横に、この既存構造物１００と構造的に一体となる増築部１０２を設ける増築を行うことで、既存構造物１００と増築部１０２が一体となった構造物全体の耐力が増加する。また、補強部材１２３により、既存構造物１００と増築部１０２が一体となった構造物全体の耐力がさらに増加する。よって、既存構造物１００の柱部材１に設けた孔の断面欠損による耐力低下が補われ、耐震改修後の構造物全体の保有耐力を必要耐力以上とし、耐震性能を確保できる。なお、補強部材１２３を、増築部１０２でなく既存構造物１００の構面に取り付けても、同様の効果が得られる。

図３３に、本発明の既存構造物の耐震改修方法の第５の変形例を示す。この第５の変形例では、図２８に示される既存構造物１００の最上層を取り除く減築を行い、減築後の既存構造物に入力する外力を低減させる。

この第５の変形例によれば、既存構造物１００の最上層を取り除く減築を行い、減築後の既存構造物に入力する外力を低減させることで、既存構造物１００の柱部材１に設けた孔の断面欠損による耐力低下が補われ、耐震改修後の構造物全体の保有耐力を必要耐力以上とし、耐震性能を確保できる。

冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、前記柱本体の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムとを有する柱部材に対して、耐震改修前のもの、本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修されたものの各々について、地震等による水平外力が作用した場合に、柱部材とダイヤフラムとの溶接部に生じる相当塑性ひずみについて、孔の有無、孔の直径をパラメータとして、有限要素法による数値解析を行った。

本数値解析においては、冷間成形角形鋼管からなる柱本体の形状を、外寸４００ｍｍ角、板厚２２ｍｍ、角部の曲率半径（外周側）２５ｍｍ、柱本体の長さ１９８２ｍｍとした。また、柱本体の柱脚部とダイヤフラムとの間の溶接部の形状を、ルートギャップ７ｍｍ、開先角度３５度、柱側フランク角度１４０度、ダイヤフラム側余盛８ｍｍ、裏当て金９ｍｍ×２５ｍｍとした。溶接部の溶け込みは考慮しないものとした。

パラメータとなる孔の有無および孔の直径については、耐震改修前の例として孔を設けていない場合、本発明例１として直径が３９ｍｍの孔を設けた場合、本発明例２として直径が７８ｍｍの孔を設けた場合の三例とした。孔の縁と溶接部止端部（溶接部と柱本体との境界位置）との離間距離は１０ｍｍとした。

上記従来例および本発明例１、２において、各柱部材の柱脚部のダイヤフラム側を固定端、反対側の柱頭部を自由端とし、この自由端に４５度方向（角形鋼管からなる柱本体の断面係数が最大となる方向）に水平力（せん断力）を入力する条件で、数値解析を行った。

図７～図９に、従来例において、柱部材の変形角（自由端の変位／柱本体の長さ）が、０．００６ｒａｄ、０．０１ｒａｄ、０．０２ｒａｄとなった各時点での、柱本体のダイヤフラム近傍に発生する相当塑性ひずみの数値解析結果を、コンター図で示す。

同様に、図１０～図１２に、本発明例１において、柱部材の変形角が、０．００６ｒａｄ、０．０１ｒａｄ、０．０２ｒａｄとなった各時点での、柱本体のダイヤフラム近傍に発生する相当塑性ひずみの数値解析結果を、コンター図で示す。

また、図１３～図１５に、本発明例２において、柱部材の変形角が、０．００６ｒａｄ、０．０１ｒａｄ、０．０２ｒａｄとなった各時点での、柱本体のダイヤフラム近傍に発生する相当塑性ひずみの数値解析結果を、コンター図で示す。

図１６に、従来例において、柱部材が、０．００６ｒａｄ、０．０１ｒａｄ、０．０２ｒａｄとなった各時点での、この柱部材に発生する上記相当塑性ひずみ（図７～図９にも図示）の溶接部止端部位置における値と、角形鋼管（柱本体）の角部からの距離との関係を、グラフで示す。図１６のグラフにおいて、横軸の止端部座標は、角形鋼管（柱本体）を水平４５°方向（上記水平力の入力方向）から見たときの、角部からの距離を投影した長さ（角部位置を０とする）である。

同様に、図１７に、本発明例１において、柱部材が、０．００６ｒａｄ、０．０１ｒａｄ、０．０２ｒａｄとなった各時点での、この柱部材に発生する上記相当塑性ひずみ（図１０～図１２にも図示）の溶接部止端部位置における値と、角形鋼管（柱本体）の角部からの距離との関係を、グラフで示す。

また、図１８に、本発明例２において、柱部材が、０．００６ｒａｄ、０．０１ｒａｄ、０．０２ｒａｄとなった各時点での、この柱部材に発生する上記相当塑性ひずみ（図１０～図１２にも図示）の溶接部止端部位置における値と、角形鋼管（柱本体）の角部からの距離との関係を、グラフで示す。

通常は、冷間成形角形鋼管からなる柱本体の溶接部に発生する脆性破断は、溶接部止端部が起点となるから、この溶接部止端部に発生する相当塑性ひずみが小さい程、柱部材の溶接部が脆性破断するリスクが小さいと評価できる。

図７～図９、図１０～図１２、図１３～図１５を比較すると、孔の縁に近接する溶接部止端部に発生する相当塑性ひずみが、本発明例１では従来例よりも小さくなっており、本発明例２ではさらに本発明例１よりも小さくなっていることが分かる。

また、図１６～図１８を見ると、柱部材の変形角０．０２ｒａｄ時点での相当塑性ひずみの最大値が、従来例では０．０８２５であるのに対し、本発明例１では０．０２７６（従来例に対し６７％減）、本発明例２では０．０１３８（従来例に対し８３％減）となっている。

したがって、本発明のように、柱本体とダイヤフラムとの溶接部止端部に近接するようにして、角形鋼管角部に孔を設けることで、溶接部が脆性破断することを抑制する効果が得られることが分かる。

図１９のグラフに、従来例および本発明例１、２の各々における、柱部材の自由端の変位と荷重（入力する水平力）との関係を、比較して示す。本発明例１、２では、孔の断面欠損により、柱部材の耐力低下が生じている。しかし、この柱部材の耐力低下を、柱部材の変形角０．０２ｒａｄ時点において比較すると、本発明例１では従来例に対し６％減、本発明例２では従来例に対し１９％減にとどまっており、孔の断面欠損による影響は小さく、柱部材に必要な耐力が確保されていることが分かる。

冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、前記柱本体の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムとを有する柱部材であって、本発明の既存構造物の耐震改修方法により改修されたものについて、地震等による水平外力が作用した場合に、柱部材とダイヤフラムとの溶接部に生じる相当塑性ひずみについて、冷間成形角形鋼管の四つの角部に設ける孔の縁と、この孔に近接する前記ダイヤフラムの溶接部止端部との離間距離をパラメータとして、有限要素法による数値解析を行った。

本数値解析においては、図２に示す第２の実施形態のように、冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、角部の稜線の両側に対称に一対の孔が設けられた柱部材を解析対象とした。孔の直径は３９ｍｍとし、各孔の縁が角部の稜線の曲率を有する部分から１４ｍｍ離れるようにして、各孔が設けられるものとした。

冷間成形角形鋼管からなる柱本体の形状は、実施例１と同様に、外寸４００ｍｍ角、板厚２２ｍｍ、角部の曲率半径（外周側）２５ｍｍ、柱本体の長さ１９８２ｍｍとした。また、柱本体の柱脚部とダイヤフラムとの間の溶接部の形状も、実施例１と同様に、ルートギャップ７ｍｍ、開先角度３５度、柱側フランク角度１４０度、ダイヤフラム側余盛８ｍｍ、裏当て金９ｍｍ×２５ｍｍとし、溶接部の溶け込みは考慮しないものとした。

本実施例の数値解析のパラメータとなる、ダイヤフラムの溶接部止端部（溶接部と柱本体との境界位置）と孔の縁との離間距離は、孔の直径の１倍である３９ｍｍ（本発明例Ａ）、２倍である７８ｍｍ（本発明例Ｂ）、３．８倍である１５０ｍｍ（本発明例Ｃ）、０．２６倍である１０ｍｍ（本発明例Ｄ）の四例とした。

上記本発明例Ａ～Ｄにおいて、各柱部材の柱脚部のダイヤフラム側を固定端、反対側の柱頭部を自由端とし、この自由端に４５度方向（角形鋼管からなる柱本体の断面係数が最大となる方向）に水平力（せん断力）を入力する条件で、数値解析を行った。

図２０～図２３に、本発明例Ａ～Ｄにおいて、柱部材の変形角（自由端の変位／柱本体の長さ）が０．０２ｒａｄとなった各時点での、柱本体のダイヤフラム近傍に発生する相当塑性ひずみの数値解析結果を、コンター図で示す。

図２４～図２７に、本発明例Ａ～Ｄにおいて、柱部材が０．００６ｒａｄ、０．０１ｒａｄ、０．０２ｒａｄとなった各時点での、この柱部材に発生する上記相当塑性ひずみ（図２０～図２３にも図示）の溶接部止端部位置における値と、角形鋼管（柱本体）の角部からの距離との関係を、グラフで示す。図２４～図２７のグラフにおいて、横軸の止端部座標は、角形鋼管（柱本体）を水平４５°方向（上記水平力の入力方向）から見たときの、角部からの距離を投影した長さ（角部位置を０とする）である。

通常は、冷間成形角形鋼管からなる柱本体の溶接部に発生する脆性破断は、溶接部止端部が起点となるから、この溶接部止端部に発生する相当塑性ひずみが小さい程、柱部材の溶接部が脆性破断するリスクが小さいと評価できる。

図２０～図２３を比較すると、孔の縁と溶接部止端部との離間距離が大きくなるにつれて、孔の周辺に発生する部分的な応力集中箇所も溶接部止端部から離れていき、孔を設けることによって得られる溶接部止端部の応力低減効果が確実に確保されることがわかる。

また、図２４～図２７を見ると、孔の縁から溶接部止端部までの離間距離が１０ｍｍ（孔の直径の０．２６倍）の本発明例Ｄでは、角形鋼管角部における溶接部止端部の相当塑性ひずみが抑えられていないのに対し、離間距離が３９ｍｍ～１５０ｍｍ（孔の直径の１～３．８倍）の本発明例Ａ～Ｃでは、角形鋼管角部における溶接部止端部の相当塑性ひずみが抑えられている。このように、孔に近接する溶接部止端部と孔の縁の離間距離を、孔の直径の１倍以上５倍以下とすれば、孔を設けることによって得られる溶接部止端部の応力低減効果が高められることがわかる。

１ 柱部材
１０ 柱本体
１１、２１、２２、３１、３２、４１～４４、５１～５３、６１～６３ 孔
１５ ベースプレート
１００ 既存構造物
１０１、１０２ 増築部
１１１ 減築部
１２１、１２２、１２３ 補強部材

Claims (11)

1. 冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、
   前記柱本体の柱脚部に溶接接合されたベースプレートと
   を有する柱部材を備えた既存構造物の耐震改修方法であって、
   前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ベースプレートとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設け、前記孔は、前記柱部材に外力が作用した際に、前記溶接部に発生する応力を低減する形状を有することを特徴とする既存構造物の耐震改修方法。
2. 冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、
   前記柱本体の柱脚部に溶接接合されたベースプレートと
   を有する柱部材を備えた既存構造物の耐震改修方法であって、
   前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ベースプレートとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設け、前記孔は、前記柱部材に外力が作用した際に、これら孔の断面欠損に起因する前記柱本体の局部座屈の発生を抑制する形状を有することを特徴とする既存構造物の耐震改修方法。
3. 前記柱部材は、前記柱本体の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムをさらに有し、
   前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ダイヤフラムとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設けることを特徴とする請求項１または２に記載の既存構造物の耐震改修方法。
4. 冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、
   前記柱本体の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムと
   を有する柱部材を備えた既存構造物の耐震改修方法であって、
   前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ダイヤフラムとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設け、前記孔は、前記柱部材に外力が作用した際に、前記溶接部に発生する応力を低減する形状を有することを特徴とする既存構造物の耐震改修方法。
5. 冷間成形角形鋼管からなる柱本体と、
   前記柱本体の梁取付部に溶接接合されたダイヤフラムと
   を有する柱部材を備えた既存構造物の耐震改修方法であって、
   前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々に、前記ダイヤフラムとの溶接部止端部に近接するようにして、少なくとも一つの孔を設け、前記孔は、前記柱部材に外力が作用した際に、これら孔の断面欠損に起因する前記柱本体の局部座屈の発生を抑制する形状を有することを特徴とする既存構造物の耐震改修方法。
6. 前記孔に近接する前記溶接部止端部と前記孔の縁の離間距離が、前記孔の直径の１倍以上５倍以下であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。
7. 前記孔は複数であり、前記冷間成形角形鋼管の四つの角部の各々の稜線の両側に対称に配置されることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。
8. 前記孔の各々の縁は滑らかに加工されていることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。
9. 前記既存構造物の耐力を増加させる補強部材を取り付けることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。
10. 前記既存構造物の一部を取り除く減築を行い、減築後の前記既存構造物に入力する外力を低減させることを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。
11. 前記既存構造物と構造的に一体となる増築部を設ける増築を行い、前記既存構造物と前記増築部が一体となった構造物全体の耐力が、前記既存構造物の耐力よりも大きくなるようにすることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の既存構造物の耐震改修方法。

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