JP7047856B2 - 四面溶接箱形断面柱の組立方法、スキンプレート部材、四面溶接箱形断面柱、およびコンクリート充填鋼管柱 - Google Patents

Description

本発明は、四面溶接箱形断面柱の組立方法、スキンプレート部材、四面溶接箱形断面柱、およびコンクリート充填鋼管柱に関する。

鉄骨造やコンクリート充填鋼管（ＣＦＴ）構造の構造物において、鋼管等の中空の鋼材が柱に用いられる場合、構造物に地震力等の水平力が作用すると、柱梁接合部においては、主にＨ形鋼からなる梁の端部から柱に対して曲げモーメントが作用する。このとき、梁の上部および下部のフランジから柱の表面に対して押圧力または引張力が作用し、柱を構成する中空の鋼材表面に面外変形が発生する。この面外変形が大きくなると、構造物の柱や梁等の主要構造部が本来有する耐力を十分発揮する前に、柱梁接合部の降伏が先行して発生し、構造物の層間変形角が過大となる結果、構造物全体の剛性が低下して早期に崩壊するおそれがある。

そこで、上記のような構造物の柱梁接合部においては、柱を構成する中空の鋼材表面の面外変形を抑制して柱梁接合部に十分な耐力を備えるべく、ダイアフラムと呼ばれる鋼板が水平方向に設けられ、梁のフランジから作用する押圧力または引張力がこのダイアフラムを介して柱に伝達されるようになっている。

ダイアフラムの主な方式としては、内ダイアフラム方式、通しダイアアラム方式、外ダイアフラム方式がある。このうち、通しダイアフラム方式では、柱に高強度鋼材が用いられる場合には、ダイアフラムおよび溶接材料にも柱と同じ高強度の材料を用いる必要があるため、経済性に劣る。また、外ダイアフラム方式では、ダイアフラムが柱の表面から突出して納まりが悪いため、柱部材の運搬や柱周囲での作業がしにくくなり、施工性に劣る。一方、内ダイアフラム方式では、柱に高強度鋼材が用いられる場合であっても、ダイアフラムおよび溶接材料には梁と同強度の材料を用いればよく、またダイアフラムが柱内部に納まるため、通しダイアフラム方式や外ダイアフラム方式よりも経済性や施工性に優れるという利点がある。

しかし、鋼管柱に内ダイアフラム方式を採用すると、柱の内部に配置されたダイアフラムを炭酸ガスアーク溶接等の一般的な溶接方法で溶接するには、柱の表面に溶接口などを設け、この溶接口に溶接棒を挿入して溶接を行う必要がある。よって、溶接口を開けたり埋め戻す作業が発生するとともに、溶接自体の作業性も悪いため、工数が増え、溶接欠陥が発生しやすく、溶接欠陥の発見も難しい。

そこで、四面溶接箱形断面柱に内ダイアフラム方式を採用する場合には、生産性や品質確保の観点から、四面溶接箱形断面柱のスキンプレート、ダイアフラム、当金で囲まれた縦向きのＩ開先にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填させる方法により、柱の内部にダイアフラムが溶接されている。しかし、エレクトロスラグ溶接の入熱量は大きいため、柱にＨ－ＳＡ７００材（日本鉄鋼連盟製品規定ＭＤＣＲ００１５－２０１２）等の高強度鋼材が用いられる場合には、溶接時の入熱により鋼材の組織が変化して、高温割れが生じるおそれがある。このため、四面溶接箱形断面柱にＨ－ＳＡ７００材などの高強度鋼材が用いられる場合には、内ダイアフラム方式を採用することが難しくなる。

このような問題に関連して、特許文献１では、ＣＦＴ構造の構造物の柱梁接合部において、鋼管柱の表面に座金を装着し、鋼管柱両側の座金を棒鋼等で連結することによって、鋼管柱の管壁を補強し、ダイアフラムを不要としている。特許文献２では、鉄筋コンクリート柱と鉄骨梁の接合部を短鋼管で外包し、この短鋼管にスプリットティ等の接合部材を介して鉄骨梁をボルト接合している。これらの方法では、柱にダイアフラムを溶接する必要が無い。

特許文献３では、ダイアフラムに縦リブを溶接して補強した治具を予め用意し、この治具を四面溶接箱形断面柱のスキンプレートに溶接することで、接合部の耐力と剛性を高め、ダイアフラムにコンクリート充填用の大きな孔を開けることを可能とし、また、エレクトロスラグ溶接でなく入熱量の小さい一般的な溶接方法での施工を可能としている。

特許文献４では、柱梁接合部において、鋼管柱の内部にカットＴ形の補強材を溶接するとともに、鋼管柱の外部にダイアフラムを溶接した仕口構造とすることで、エレクトロスラグ溶接を用いることなく入熱量の小さい一般的な溶接方法で柱にダイアフラムを溶接することを可能としている。

特開２００３－３５６８号公報 特開２００１－２６２７０７号公報 特開平６－３０６９４１号公報 特開平６－３０６９４２号公報

しかし、これら特許文献１～４等に開示される技術では、柱梁接合部の構造が複雑となり、経済性や施工性等の観点から必ずしも効率的でない。

上記課題を解決すべく、本発明は、四面溶接箱形断面柱に内ダイアフラム方式を採用する場合に、エレクトロスラグ溶接などの入熱量の大きい溶接方法ではなく、炭酸ガスアーク溶接等の入熱量の比較的小さい一般的な溶接方法により施工でき、これによって四面溶接箱形断面柱にＨ－ＳＡ７００材などの高強度鋼材が用いられる場合にも、内ダイアフラム方式を採用することを可能とするとともに、比較的簡単な構造により四面溶接箱形断面柱のスキンプレートの面外変形を抑制して柱梁接合部に十分な耐力を確保することのできる、四面溶接箱形断面柱の組立方法、スキンプレート部材、四面溶接箱形断面柱、およびコンクリート充填鋼管柱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］ 梁接合部に内ダイアフラムを有する四面溶接箱形断面柱の組立方法であって、前記内ダイアフラムを、前記四面溶接箱形断面柱を構成する各スキンプレート本体に隣接する部分毎に分割して形成された複数のダイアフラム部から構成し、前記スキンプレート本体を箱状に組み合わせて溶接することで前記四面溶接箱形断面柱を形成する前に、前記スキンプレート本体に前記ダイアフラム部を溶接することを特徴とする四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［２］ 前記ダイアフラム部を、略台形の平面形状を有するように形成し、該略台形の底辺側を前記スキンプレート本体に溶接することを特徴とする［１］に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［３］ 前記ダイアフラム部を、略長方形の平面形状を有するように形成し、該略長方形の長辺側を前記スキンプレート本体に溶接することを特徴とする［１］に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［４］ 前記四面溶接箱形断面柱は、その内部にコンクリートが充填されてコンクリート充填鋼管柱を形成するものであることを特徴とする［１］～［３］のいずれかに記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［５］ 前記ダイアフラム部の形状および取付位置は、前記梁接合部内の前記コンクリートに支圧を発生させるように設定されていることを特徴とする［４］に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［６］ 前記ダイアフラム部に、凹凸部が設けられていることを特徴とする［４］または［５］に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［７］ 前記凹凸部は、前記ダイアフラム部に取り付けられたスタッドを含むことを特徴とする［６］に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［８］ 前記凹凸部は、前記ダイアフラム部に形成された孔を含むことを特徴とする［６］または［７］に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。

［９］ 四面溶接箱形断面柱を構成するスキンプレート本体と、前記四面溶接箱形断面柱の梁接合部に対応する位置に溶接されたダイアフラム部を有し、前記ダイアフラム部は、前記スキンプレート本体が箱状に組み合わされて溶接されることで前記四面溶接箱形断面柱が形成された状態で、前記梁接合部の内ダイアフラムを構成するように形成されていることを特徴とするスキンプレート部材。

［１０］ 前記ダイアフラム部は、略台形の平面形状を有するように形成され、該略台形の底辺側が前記スキンプレート本体に溶接されていることを特徴とする［９］に記載のスキンプレート部材。

［１１］ 前記ダイアフラム部は、略長方形の平面形状を有するように形成され、該略長方形の長辺側が前記スキンプレート本体に溶接されていることを特徴とする［９］に記載のスキンプレート部材。

［１２］ 前記四面溶接箱形断面柱は、その内部にコンクリートが充填されてコンクリート充填鋼管柱を形成するものであり、前記ダイアフラム部の形状および取付位置は、前記梁接合部内の前記コンクリートに支圧を発生させるように設定されていることを特徴とする［９］～［１１］のいずれかに記載のスキンプレート部材。

［１３］ 前記ダイアフラム部に、凹凸部が設けられていることを特徴とする［１２］に記載のスキンプレート部材。

［１４］ ［９］～［１１］のいずれかに記載の前記スキンプレート部材を箱状に組み合わせて溶接することで形成されることを特徴とする四面溶接箱形断面柱。

［１５］ ［１２］または［１３］に記載の前記スキンプレート部材を箱状に組み合わせて溶接することで形成される前記四面溶接箱形断面柱の内部に、前記コンクリートを充填して構成されることを特徴とするコンクリート充填鋼管柱。

本発明の四面溶接箱形断面柱の組立方法、スキンプレート部材、四面溶接箱形断面柱、およびコンクリート充填鋼管柱によれば、四面溶接箱形断面柱に内ダイアフラム方式を採用する場合に、エレクトロスラグ溶接などの入熱量の大きい溶接方法ではなく、炭酸ガスアーク溶接等の入熱量の比較的小さい一般的な溶接方法により施工できる。よって、四面溶接箱形断面柱にＨ－ＳＡ７００材などの高強度鋼材が用いられる場合にも、内ダイアフラム方式を採用することができる。

また、比較的簡単な構造によって、四面溶接箱形断面柱のスキンプレートの面外変形を抑制し、柱梁接合部に十分な弾性剛性および耐力を確保できる。

そして、高強度鋼材からなる四面溶接箱形断面柱に内ダイアフラム方式を採用可能となることで、通しダイアフラムや外ダイアフラムよりも少ない鋼材量および溶接量で柱梁接合部を製作できるとともに、内ダイアフラムは柱内部に納まるので、柱の運搬性や施工性を向上できる。

また、ダイアフラム部を、略台形の平面形状を有するように形成するとともに、この略台形の底辺側をスキンプレート本体に溶接することにより、ダイアフラム部の面積を大きく確保できる。よって、ダイアフラム部の強度・剛性が高められ、柱梁接合部に十分な弾性剛性および耐力を確保できる。

あるいは、ダイアフラム部を、略長方形の平面形状を有するように形成するとともに、この略長方形の長辺側をスキンプレート本体に溶接することで、略台形のダイアフラム部の底辺側を溶接する場合よりも、溶接量を低減できる。加えて、四面溶接箱形断面柱の内部にコンクリートが充填されてコンクリート充填鋼管柱が形成される場合には、隣接するダイアフラム部の略長方形の短辺側同士の間に生じる隙間が、コンクリート充填時の空気抜き孔として機能する。よって、ダイアフラム部に空気抜き孔を形成することを省略できる。

また、四面溶接箱形断面柱の内部にコンクリートを充填してコンクリート充填鋼管柱を形成する場合には、ダイアフラム部の形状および取付位置を、梁接合部内のコンクリートに支圧を発生させるように設定すれば、梁の端部から接合部に加わる応力の一部をコンクリートに負担させることができる。そして、ダイアフラム部とコンクリートの間の支圧力によって柱梁接合部の弾性剛性および耐力を高めることができる。特に、ダイアフラム部にスタッドを取り付けたり孔を形成したりすることにより凹凸部を設けることで、ダイアフラム部とコンクリートとの一体性が高められ、スタッドまたは孔とコンクリートの間の支圧力により、柱梁接合部の弾性剛性および耐力をさらに高めることができる。

本発明のスキンプレート部材の概略を示す斜視図である。 本発明の四面溶接箱形断面柱の組立方法の概略を示す図である。 本発明のスキンプレート部材を組み合わせて溶接することで形成された四面溶接箱形断面柱を示す水平断面図である。 図３に示す四面溶接箱形断面柱の内部に、さらにコンクリートを充填することで形成されたコンクリート充填鋼管柱を示す水平断面図である。 本発明のコンクリート充填鋼管柱（四面溶接箱形断面柱）およびこれを構成するスキンプレート部材の他の実施の形態を示す水平断面図である。 本発明のコンクリート充填鋼管柱（四面溶接箱形断面柱）およびこれを構成するスキンプレート部材のさらに他の実施の形態を示す水平断面図である。 本発明のコンクリート充填鋼管柱（四面溶接箱形断面柱）およびこれを構成するスキンプレート部材のさらに他の実施の形態を示す水平断面図である。 本発明のコンクリート充填鋼管柱（四面溶接箱形断面柱）およびこれを構成するスキンプレート部材のさらに他の実施の形態を示す縦断面図である。 本発明のコンクリート充填鋼管柱（四面溶接箱形断面柱）およびこれを構成するスキンプレート部材のさらに他の実施の形態を示す縦断面図である。

以下、本発明の四面溶接箱形断面柱の組立方法、スキンプレート部材、四面溶接箱形断面柱、およびコンクリート充填鋼管柱の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１～図３に示す実施の形態では、スキンプレート本体２に、二枚のダイアフラム部３を垂直に溶接して取り付けて、スキンプレート部材１が形成される。

スキンプレート本体２は、後述する四面溶接箱形断面柱２０を構成するものであり、例えばＨ－ＳＡ７００材等の高強度鋼板からなる。また、ダイアフラム部３は、四面溶接箱形断面柱２０と梁４０との接合部に設けられる内ダイアフラム３０を構成するものであり、梁４０と同強度の鋼板からなる。つまり、内ダイアフラム３０は、四面溶接箱形断面柱２０を構成する各スキンプレート本体２に隣接する部分毎に分割して形成されたダイアフラム部３から構成される。そして、スキンプレート本体２を互いに溶接して四面溶接箱形断面柱２０を形成する前に、スキンプレート本体２の長手方向のうち上記接合部に対応する位置に、ダイアフラム部３を溶接する。

上記のようにして構成されたスキンプレート部材１を、四枚用意する。これら四枚のスキンプレート部材１のスキンプレート本体２部分を、図２に示すように箱状に組み合わせ、図３に示すように互いに溶接することで、建築物等の構造物の四面溶接箱形断面柱２０が形成される。このとき、図３に示すように、四枚のスキンプレート部材１のダイアフラム部３から、四面溶接箱形断面柱２０の梁４０接合部の内ダイアフラム３０が構成される。

図１～図３に示すように、各ダイアフラム部３は略台形の平面形状を有し、この略台形の底辺側がスキンプレート本体２に溶接されている。また、図３に示すように、各ダイアフラム部３の略台形の底辺の両端部には切欠き部３ａが設けられている。そして、四面溶接箱形断面柱２０を構成するスキンプレート本体２の溶接部の裏当て金（図示せず）が、上記切欠き部３ａ内に納まることで、裏当て金が内ダイアフラム３０と干渉しないようになっている。

図４～図９に、本発明の四面溶接箱形断面柱の組立方法、スキンプレート部材、四面溶接箱形断面柱、およびコンクリート充填鋼管柱の他の複数の実施の形態を示す。これら各実施の形態では、図３に示す実施の形態の四面溶接箱形断面柱２０の内部に、さらにコンクリートＣが充填されて、コンクリート充填鋼管柱２１～２８が形成される。

図４～図６に示す各実施の形態では、スキンプレート部材１、１Ａ、１Ｂのダイアフラム部３、３Ｂは平板状の鋼板から構成され、略台形の平面形状を有するように形成されて、該略台形の底辺側がスキンプレート本体２、すなわち四面溶接箱形断面柱２１～２３の内面に溶接されている。そして、四枚のダイアフラム部３、３Ｂから、四面溶接箱形断面柱２１～２３の梁４０接合部の内ダイアフラム３０、３３が構成される。

図７に示す実施の形態では、ダイアフラム部３Ｄは平板状の鋼板から構成され、略長方形の平面形状を有するように形成されて、該略長方形の長辺側がスキンプレート本体２、すなわち四面溶接箱形断面柱２５の内面に溶接されている。そして、四枚のダイアフラム部３Ｄから、四面溶接箱形断面柱２５の梁４０接合部の内ダイアフラム３５が構成される。

これら各実施の形態のうち、図５、図６および図７に示す各実施の形態では、スキンプレート部材１Ａ、１Ｂ、１Ｄのダイアフラム部３、３Ｂ、３Ｄに、梁接合部内のコンクリートＣとの一体性を高める凹凸部５、３ｂが設けられている。具体的には、図５に示す実施の形態では、凹凸部としてスタッド５がダイアフラム部３の両面に取り付けられ、図６および図７に示す実施の形態では、凹凸部として複数の孔３ｂがダイアフラム部３に形成されている。これらスタッド５または孔３ｂにより、内ダイアフラム３０、３３、３５とコンクリートＣの間の応力伝達が確実に行われる。よって、四面溶接箱形断面柱２２、２３、２５の梁４０接合部内において圧縮力を負担するコンクリートＣに対する内ダイアフラム３０、３３、３５の支圧力が確保され、接合部の弾性剛性および耐力を高めることができる。

内ダイアフラム３０を構成する複数のダイアフラム部３の強度や板厚は必ずしも揃える必要はない。例えば、図８に示す実施の形態では、接合部に接続される梁４１、４２の強度やフランジ４１ｆ、４２ｆの厚さが互いに異なっており、これに応じてダイアフラム部３、３Ｆの強度や板厚を変化させている。

また、内ダイアフラム３０を構成する複数のダイアフラム部３は必ずしも同一平面上に配置する必要はない。例えば、図９に示す実施の形態では、接合部に接続される梁４１の高さが異なり段違いとなっており、それぞれの梁４１のフランジ位置に合うようにダイアフラムを設けている。これにより、段違い梁に適用される従来のダイアフラムよりも、鋼材量および溶接量を低減できる。

コンクリート充填鋼管柱２１～２８と梁４０の接合部は、接続される梁４０よりも早期に降伏しないように設計する。よって、コンクリート充填鋼管柱２１～２８の上記接合部内に充填されるコンクリートＣに生じうる圧縮応力が、梁４０の端部の降伏時にこのコンクリートＣに生じる圧縮応力よりも高くなるように、コンクリートＣの強度、ダイアフラム部３、３Ｂ、３Ｄ、３Ｆの鋼材の強度、板厚や形状、ダイアフラム部３に取り付けられるスタッド５の本数や配置、ダイアフラム部３Ｂ、３Ｄに形成される孔３ｂの数や配置等を設定する。また、これらコンクリートＣの強度、ダイアフラム部３、３Ｂ、３Ｄ、３Ｆの鋼材の強度、板厚や形状、ダイアフラム部３に取り付けられるスタッド５の本数や配置、ダイアフラム部３Ｂ、３Ｄに形成される孔３ｂの数や配置等は、構造物の骨組全体の弾性剛性が、通常の内ダイアフラム形式の接合部を有する場合と同等以上となるように、調整する。

なお、スキンプレート部材１、１Ａ、１Ｂ、１Ｄ、１Ｆ、１Ｇのダイアフラム部３、３Ｂ、３Ｄ、３Ｆの平面形状は、上記各実施の形態のような略台形や略長方形に限られず、例えば略三角形等の他の平面形状であってもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｄ、１Ｆ、１Ｇ スキンプレート部材
２ スキンプレート本体
３、３Ｂ、３Ｄ、３Ｆ ダイアフラム部
３ａ 切欠き部
３ｂ 孔（凹凸部）
５ スタッド（凹凸部）
２０ 四面溶接箱形断面柱
２１～２８ コンクリート充填鋼管柱（四面溶接箱形断面柱）
３０～３６ 内ダイアフラム
４０～４２ 梁
４１ｆ、４２ｆ 梁フランジ
Ｃ コンクリート

Claims (15)

1. 梁接合部に内ダイアフラムを有する四面溶接箱形断面柱の組立方法であって、
   前記内ダイアフラムを、前記四面溶接箱形断面柱を構成する各スキンプレート本体に隣接する部分毎に分割して形成された複数の平板状のダイアフラム部から構成し、
   前記スキンプレート本体を箱状に組み合わせて溶接することで前記四面溶接箱形断面柱を形成する前に、前記スキンプレート本体に前記ダイアフラム部を、該ダイアフラム部と前記スキンプレート本体との間にリブを設けることなく、該ダイアフラム部の一辺側を前記スキンプレート本体に溶接することのみにより接合すること
   を特徴とする四面溶接箱形断面柱の組立方法。
2. 前記ダイアフラム部を、略台形の平面形状を有するように形成し、該略台形の底辺側を前記スキンプレート本体に溶接すること
   を特徴とする請求項１に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。
3. 前記ダイアフラム部を、略長方形の平面形状を有するように形成し、該略長方形の長辺側を前記スキンプレート本体に溶接すること
   を特徴とする請求項１に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。
4. 前記四面溶接箱形断面柱は、その内部にコンクリートが充填されてコンクリート充填鋼管柱を形成するものであること
   を特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。
5. 前記ダイアフラム部の形状および取付位置は、前記梁接合部内の前記コンクリートに支圧を発生させるように設定されていること
   を特徴とする請求項４に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。
6. 前記ダイアフラム部に、凹凸部が設けられていること
   を特徴とする請求項４または５に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。
7. 前記凹凸部は、前記ダイアフラム部に取り付けられたスタッドを含むこと
   を特徴とする請求項６に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。
8. 前記凹凸部は、前記ダイアフラム部に形成された孔を含むこと
   を特徴とする請求項６または７に記載の四面溶接箱形断面柱の組立方法。
9. 四面溶接箱形断面柱を構成するスキンプレート本体と、
   前記スキンプレート本体のうち前記四面溶接箱形断面柱の梁接合部に対応する位置に溶接された平板状のダイアフラム部を有し、
   前記ダイアフラム部は、該ダイアフラム部と前記スキンプレート本体との間にリブを設けることなく、該ダイアフラム部の一辺側が前記スキンプレート本体に溶接されることのみにより接合され、
   前記ダイアフラム部は、前記スキンプレート本体が箱状に組み合わされて溶接されることで前記四面溶接箱形断面柱が形成された状態で、前記梁接合部の内ダイアフラムを構成するように形成されていること
   を特徴とするスキンプレート部材。
10. 前記ダイアフラム部は、略台形の平面形状を有するように形成され、該略台形の底辺側が前記スキンプレート本体に溶接されていること
    を特徴とする請求項９に記載のスキンプレート部材。
11. 前記ダイアフラム部は、略長方形の平面形状を有するように形成され、該略長方形の長辺側が前記スキンプレート本体に溶接されていること
    を特徴とする請求項９に記載のスキンプレート部材。
12. 前記四面溶接箱形断面柱は、その内部にコンクリートが充填されてコンクリート充填鋼管柱を形成するものであり、
    前記ダイアフラム部の形状および取付位置は、前記梁接合部内の前記コンクリートに支圧を発生させるように設定されていること
    を特徴とする請求項９～１１のいずれかに記載のスキンプレート部材。
13. 前記ダイアフラム部に、凹凸部が設けられていること
    を特徴とする請求項１２に記載のスキンプレート部材。
14. 請求項９～１１のいずれかに記載の前記スキンプレート部材を箱状に組み合わせて溶接することで形成されることを特徴とする四面溶接箱形断面柱。
15. 請求項１２または１３に記載の前記スキンプレート部材を箱状に組み合わせて溶接することで形成される前記四面溶接箱形断面柱の内部に、前記コンクリートを充填して構成されることを特徴とするコンクリート充填鋼管柱。

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