JP7143781B2 - Beam end joint - Google Patents
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Description
本発明は、箱形断面柱にH形断面梁の梁端が溶接接合された梁端接合部に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a beam end joint portion in which a beam end of an H-section beam is welded to a box-shaped section column.
梁、柱等が鉄骨部材によって構成される鉄骨建物は、建設時の工事現場において梁と柱が接合される場合がある。特に、梁としてH形断面部材を用いるH形断面梁の場合は、工事現場において、H形断面梁のウェブの端部と柱とを溶接あるいはボルト接合すると共に、H形断面梁の上下フランジの端部と柱のダイアフラムとを溶接することによって梁端接合部を形成することが多い。この際、H形断面梁の下フランジの端部と柱との溶接を行うために、H形断面梁のウェブの端部には通常スカラップと呼ばれる溶接孔が設けられる。スカラップは、H形断面梁のウェブの端部をH形断面梁の下フランジの近傍で部分的に切り欠くことによって形成されるものであり、H形断面梁の下フランジと柱との溶接部は、このスカラップを通してH形断面梁のウェブを横切るように形成される。 In steel-framed buildings in which beams, columns, and the like are made of steel-framed members, beams and columns are sometimes joined at a construction site during construction. In particular, in the case of H-section beams using H-section members as beams, at the construction site, the end of the web of the H-section beam and the column are welded or bolted, and the upper and lower flanges of the H-section beam are welded or bolted. Beam end joints are often formed by welding the ends to the diaphragm of the column. At this time, in order to weld the end of the lower flange of the H-section beam to the column, the end of the web of the H-section beam is provided with a welding hole, usually called a scallop. The scallop is formed by partially notching the end of the web of the H-section beam near the lower flange of the H-section beam, and the weld between the lower flange of the H-section beam and the column. are formed across the web of the H-section beam through this scallop.
また、上記のH形断面梁に用いられるH形断面部材としては、溶接組立H形断面部材と圧延H形鋼がある。溶接組立H形断面部材は、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分を溶接することで成形される。このため、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分には、溶接金属によってウェブの厚さ方向に幅広となるように形成された連結部が設けられる。また、圧延H形鋼は、上下一対のフランジとウェブからなる断面H形形状に、圧延によって一体に成形される。この際、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分には、ウェブの厚さ方向に幅広となるように形成された通常フィレット部と呼ばれる連結部が設けられる。 The H-section member used for the H-section beam includes a weld assembled H-section member and a rolled H-section steel. A welded assembly H-section member is formed by welding the intersections of a pair of upper and lower flanges and a web. For this reason, at the intersections of the pair of upper and lower flanges and the web, connecting portions are formed by the weld metal so as to be wide in the thickness direction of the web. Also, the rolled H-section steel is integrally formed by rolling into an H-shaped cross section consisting of a pair of upper and lower flanges and a web. At this time, at the intersections of the pair of upper and lower flanges and the web, there are provided connecting portions, generally called fillet portions, formed so as to be wide in the thickness direction of the web.
ところで、上記のような梁端接合部は、スカラップに歪みが集中することでH形断面梁の下フランジが地震時に破断するおそれがあり、これを防止する対策が求められている。このために従来から、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状やスカラップを補強する対策が講じられてきた。 By the way, there is a risk that the lower flange of the H-shaped cross-section beam may break during an earthquake due to strain concentration on the scallops of the beam end joints as described above, and measures to prevent this are required. For this reason, conventionally, measures have been taken to reinforce the shape of the scallops and to reinforce the scallops so as to reduce the concentration of strain on the scallops.
例えば非特許文献1には、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、二つの曲率半径の円弧を組み合わせた形状であって、フランジと接続する部分の円弧の曲率半径を10mmとし、フランジから離れた部分の円弧の曲率半径を35mmとする形状の複合円型スカラップが開示されている。さらに非特許文献1には、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、フランジと接続する部分の1/4円状の円弧の曲率半径を10mmとし、この円弧から垂直に伸びる直線部を有する形状の改良B型スカラップが開示されている。また、非特許文献2および3には、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、円弧となる部分と、当該円弧となる部分から直線状に延びてフランジと接続される形状のスカラップが開示されている。
For example, in Non-Patent
一方、特許文献1には、スカラップを補強する対策として、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部を、梁のフランジと、フランジの外側に接合した板状部材と、鉄骨柱の通しダイアフラムとからなる開先部を完全溶け込み溶接した接合部とし、板状部材を肉厚部から肉薄部にかけて直線的に減厚するテーパープレートとし、梁のウェブにスカラップを設けた構造が開示されている。
また、特許文献2には、スカラップを補強する対策として、スカラップを溶接などで充填する構造が開示されている。
On the other hand, in
Further,
しかし、非特許文献1~3のようなスカラップは、通常スカラップ底と呼ばれる、スカラップとH形断面梁の下フランジとが接続される部分の近傍に歪みが集中するという問題がある。すなわち、スカラップ底に歪みが集中することで地震時にこの部分にき裂が発生し、このき裂がH形断面梁の下フランジの外面に進展するという問題がある。このき裂がH形断面梁の下フランジの外面に進展すると、これを起点としてH形断面梁の下フランジが破断してしまい、鉄骨建物の耐震性能を損なうおそれがある。このため、スカラップ底への歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状が現在広く求められている。また、スカラップ底に歪みが集中することで地震時にこの部分にき裂が発生した場合、発生したき裂はH形断面梁が接合される柱などの他の鉄骨材があるために視認しづらく、地震後の損傷の診断が困難となるという問題がある。
また、特許文献1のような構造では、梁の端部の応力を低減することが可能であるが、補強するためのテーパープレートを用意し接続する手間がかかってしまう問題がある。同様に、特許文献2のような構造でも、補強するためにスカラップを溶接などにより充填するための手間がかかってしまう問題がある。
However, the scallops disclosed in
In addition, in the structure as disclosed in
一方、H形断面梁を接合する柱として、角形鋼管等の冷間コラム、溶接組立箱形断面等の箱形断面柱を用いる場合において、スカラップ底の歪み集中の程度は、梁ウェブ接合部の応力伝達効率に依存することが知られている。
すなわち、箱形断面柱の板厚が薄い場合には、梁ウェブ接合部において箱形断面柱の周壁(以下、スキンプレートという場合がある。)が面外変形を生じ易いため、梁ウェブ接合部は梁ウェブの応力をスキンプレートに伝達し難くなり、このためにスカラップ底に歪みが集中し易くなって、梁端接合部の早期破断を招くおそれがある。
梁端接合部の早期破断を防止するためには、スカラップ形状を見直すとともに、箱形断面柱のスキンプレートの板厚を厚くすることで梁ウェブ接合部においてスキンプレートの面外変形を生じ難くし、梁ウェブの応力をスキンプレートに伝達し易くする必要がある。
しかし、箱形断面柱のスキンプレートの板厚を厚くし過ぎると、鉄骨重量が大きくなり経済性を損なう他、箱形断面柱を形成する柱材とダイアフラム、あるいは柱材どうしの溶接に欠陥が生じ易くなるなど、梁端接合部の早期破断以外の問題を生じさせる可能性がある。
On the other hand, when using a cold column such as a square steel pipe or a box-shaped cross-section column such as a welded box-shaped cross-section as a column to join an H-section beam, the degree of strain concentration at the scallop bottom is It is known to depend on stress transfer efficiency.
That is, when the plate thickness of the box-shaped cross-section column is thin, the peripheral wall of the box-shaped cross-section column (hereinafter sometimes referred to as a skin plate) tends to cause out-of-plane deformation at the beam web joint. It becomes difficult to transmit the stress of the beam web to the skin plate, so strain tends to concentrate on the scalloped bottom, which may lead to premature breakage of the beam end joint.
In order to prevent early breakage of the beam end joints, we reviewed the scallop shape and increased the thickness of the skin plate of the box-shaped cross-section column to prevent out-of-plane deformation of the skin plate at the beam web joint. , to facilitate transmission of beam web stresses to the skin plate.
However, if the thickness of the skin plate of the box-shaped cross-section column is too thick, the weight of the steel frame will increase, impairing economic efficiency, and there will be defects in the welding between the column material and the diaphragm that form the box-shaped cross-section column, or between the columns. There is a possibility that problems other than early fracture of the beam end joint may occur.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、スカラップ底へのき裂の発生を抑制して、H形断面梁の下フランジの破断を防止することで、梁端接合部の早期破断を回避できる梁端接合部を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by suppressing the occurrence of cracks in the scalloped bottom and preventing the fracture of the lower flange of the H-shaped cross-section beam, early fracture of the beam end joint can be prevented. It is an object of the present invention to provide avoidable beam end joints.
前記目的を達成するために、本発明に係る梁端接合部は、箱形断面柱にH形断面梁の梁端が溶接接合された梁端接合部であって、
前記H形断面梁のウェブの端部にスカラップが設けられており、
前記スカラップは、
前記H形断面梁の下フランジ側に位置する第一の開口端と、
前記第一の開口端と相反する側に位置する第二の開口端と、
前記第一の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第一の開口縁部と、
前記第二の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第二の開口縁部と、
前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する第三の開口縁部とを有し、
前記第一の開口縁部は、前記ウェブと前記下フランジとが交差する部分に設けられた連結部における前記ウェブ側の止端部と交差するように、円弧状に形成され、前記第一の開口端側の一端で、その接線が前記下フランジの内側の面と平行となる第一の円弧部を有し、
前記第三の開口縁部は、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する円弧状に形成された第二の円弧部を有し、
前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径より大きくなっており、
前記H形断面梁の梁端の前記ウェブと前記箱形断面柱との接合部である梁ウェブ接合部の応力伝達効率をαwとすると、下記(1)式を満たすことを特徴とする。
A scallop is provided at the end of the web of the H-section beam,
The scallops are
a first open end positioned on the lower flange side of the H-section beam;
a second open end located on a side opposite to the first open end;
a first open edge extending from the first open end away from the end of the web;
a second open edge extending from the second open end and away from the end of the web;
a third opening edge connecting the first opening edge and the second opening edge;
The first opening edge is formed in an arc shape so as to intersect with a toe portion on the web side of a connecting portion provided at a portion where the web and the lower flange intersect. having a first arc portion at one end on the open end side, the tangent of which is parallel to the inner surface of the lower flange;
The third opening edge has a second circular arc portion formed in an arc shape connecting the first opening edge and the second opening edge,
The radius of curvature of the first arc portion is larger than the radius of curvature of the second arc portion,
The following formula (1) is satisfied, where αw is the stress transmission efficiency of the beam-web joint, which is the joint between the web at the end of the H-shaped cross-section beam and the box-shaped cross-section column.
ここで、前記H形断面梁のウェブ(以下、梁ウェブという場合がある。)の全塑性曲げ耐力wMpは下記(2)式で表すことができる。
また、箱形断面柱の面外降伏の影響を考慮した前記梁ウェブの最大曲げ耐力は下記(3)式で表すことができる。
ここで、応力伝達効率αw≧0.48としたのは、αwが0.48未満であると、梁ウェブの厚さが厚くなるあるいは、箱形断面柱のスキンプレートの厚さが薄くなる傾向にあるため、梁ウェブ接合部において箱形断面柱のスキンプレートが面外変形を生じ易くなって、梁ウェブが梁端の曲げモーメントを負担できなくなり、スカラップ底に歪みが集中し易くなって、梁端接合部の早期破断を招くおそれがあるからである。
また、αwの上限値は特に定めるものではなく、適宜設定することができる。αwが大きいほどスカラップ底の歪みが抑えられるが、一方でαwを大きくするために箱形断面柱のスキンプレートを厚くし過ぎると、鉄骨重量が大きくなり経済性を損なう他、箱形断面柱を形成する柱材とダイアフラム、あるいは柱材どうしの溶接に欠陥が生じ易くなるなど、梁端接合部の早期破断以外の問題を生じさせる可能性があるため、このような問題を生じさせないように、下記(4)式を満たすようにtcの板厚を留めることが望ましい。
Also, the upper limit of α w is not particularly defined and can be set as appropriate. The distortion of the scalloped bottom can be suppressed as αw increases. It is possible to cause problems other than premature breakage of the beam end joints, such as defects in the welding between the column material and the diaphragm that form the column, or between the column materials. In addition, it is desirable to keep the plate thickness of tc so as to satisfy the following formula (4).
なお、本発明は、スカラップ底の歪みの集中を緩和することを目的の一つとするものであるから、当然、スカラップはウェブの端部において、上フランジ側に設けてもよい。 Since one of the objects of the present invention is to reduce the concentration of strain on the bottom of the scallops, the scallops may of course be provided on the upper flange side at the end of the web.
本発明においては、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する前記第三の開口縁部における前記第二の円弧部の曲率半径に対して、前記下フランジ側に位置する前記第一の開口縁部における前記第一の円弧部の曲率半径を大きくすることで、前記スカラップの周辺において、前記ウェブのせん断変形を起こし易くすることができる。これにより、前記スカラップ底への歪みの集中を緩和することが可能であり、前記スカラップ底にき裂が発生することを抑制することができる。ここで、本発明におけるスカラップ底とは、第一の円弧部における第一の開口端側の一端の近傍を意味する。さらに、前記第一の開口縁部が、前記連結部の前記ウェブ側の止端部と交差するように円弧状に形成されていることで、断面H形形状の幅方向の厚みが相対的に小さい前記連結部の前記ウェブ側の止端部において意図的にき裂を発生させることができる。このき裂は、前記フランジの外面方向に進展することなく、前記フランジと比較して引張応力が小さい前記連結部の前記ウェブ側の止端部に沿って軸方向に安定的に進展するため、前記下フランジが破断して鉄骨建物の耐震性能を損なうことを防止することができる。 In the present invention, with respect to the radius of curvature of the second arc portion in the third opening edge connecting the first opening edge and the second opening edge, on the lower flange side By increasing the curvature radius of the first circular arc portion at the first opening edge located, shear deformation of the web can be easily caused around the scallop. As a result, it is possible to alleviate the concentration of strain on the scalloped bottom, and suppress the occurrence of cracks in the scalloped bottom. Here, the scalloped bottom in the present invention means the vicinity of one end of the first circular arc portion on the first opening end side. Furthermore, since the first opening edge is formed in an arc shape so as to intersect the web-side toe portion of the connecting portion, the thickness of the H-shaped cross section in the width direction is relatively increased. Cracks can be intentionally initiated at the web-side toes of the small joints. Since this crack does not propagate in the outer surface direction of the flange, it propagates stably in the axial direction along the toe on the web side of the connecting portion, which has a smaller tensile stress than the flange, It is possible to prevent the lower flange from breaking and impairing the seismic performance of the steel frame building.
また、梁ウェブ接合部の応力伝達効率αwが大きい程、スキンプレートの面外変形が抑制される。言い換えれば、梁ウェブ接合部の応力伝達効率αwが大きい程、梁ウェブ接合部においてスキンプレートの面外変形が生じ難くなって梁ウェブの梁端が負担する曲げモーメントを梁ウェブでより安定的に負担できるため、スカラップ底に歪みが集中し難くなる。すなわち、梁ウェブの応力伝達効率αwが大きい程、スカラップ底を起点とした梁端接合部の早期破断の危険性が低下する。
そこで、梁ウェブの応力伝達効率αwをどの程度大きくすれば、スカラップ底部からのき裂発生を回避でき、梁端接合部の早期破断を回避できるかを、実大の梁端破断実験を行なう(なお、この梁端破断実験については、後述する実験例において説明する。)ことで、梁端接合部の早期破断を回避できる梁ウェブ接合部の応力伝達効率αwの下限値を見出した。この下限値が0.48である。
したがって、前記(2)式において、梁ウェブの厚みtbw、梁ウェブの高さd、梁ウェブの降伏強さFwを適宜設定し、前記(3)式において、箱形断面柱のスキンプレートの厚みtc、スキンプレートの幅bj、箱形断面柱の塑性領域の高さdj、箱形断面柱の降伏強さFc、スカラップなどによる欠損を考慮した梁ウェブの高さHwを適宜設定して、αw=sMu/wMp≧0.48とすることによって、梁端接合部の早期破断を回避できる。
Further, the out-of-plane deformation of the skin plate is suppressed as the stress transmission efficiency α w of the beam web joint increases. In other words, the greater the stress transmission efficiency αw at the beam web joint, the more difficult the out-of-plane deformation of the skin plate occurs at the beam web joint, and the more stable the bending moment borne by the beam end of the beam web. , strain is less likely to concentrate on the scalloped bottom. That is, the greater the stress transmission efficiency α w of the beam web, the lower the risk of premature breakage of the beam end joint starting from the scallop bottom.
Therefore, a full-scale beam end fracture experiment was conducted to determine how much the stress transmission efficiency αw of the beam web should be increased to avoid cracking from the scallop bottom and early fracture of the beam end joint. (This beam end fracture experiment will be described in the experimental examples to be described later.) Thus, the lower limit of the stress transmission efficiency α w of the beam web joint was found that can avoid early fracture of the beam end joint. This lower limit is 0.48.
Therefore, in the above equation (2), the beam web thickness t bw , the beam web height d, and the beam web yield strength F w are appropriately set, and in the above equation (3), the skin plate of the box-shaped cross-section column thickness t c of skin plate, width b j of skin plate, height d j of plastic region of box-shaped cross-section column, yield strength of box-shaped cross-section column F c , beam web height H w is appropriately set to satisfy α w = s Mu / w M p ≥ 0.48, early breakage of the beam end joint can be avoided.
また、本発明の前記構成において、前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とは、前記第一の円弧部がなす円弧と前記第二の円弧部がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されていてもよい。
このような構成によれば、前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とが連続的に接続されることで、前記スカラップ底への歪みの集中を一層緩和することができ、前記スカラップ底にき裂が発生することをより抑制することができる。
Further, in the configuration of the present invention, the first circular arc portion and the second circular arc portion are tangent to a common arc formed by the first circular arc portion and the second circular arc portion. may be connected at any part.
According to such a configuration, the first circular arc portion and the second circular arc portion are continuously connected, so that the concentration of strain on the scallop bottom can be further alleviated, and the scallop It is possible to further suppress the occurrence of cracks in the bottom.
また、本発明の前記構成において、前記第一の開口縁部は、前記第一の開口端を含み直近の前記下フランジにおける内側の面に平行に配された直線部を有し、前記第一の円弧部の前記第一の開口端側の一端が前記直線部と接続されていてもよい。
このような構成によれば、前記下フランジと柱とを溶接するための十分なスペースを確保することができ、前記フランジと前記柱との溶接を安定的に行い、溶接欠陥を生じないようにすることができる。
Further, in the configuration of the present invention, the first opening edge has a straight portion arranged in parallel with the inner surface of the lower flange that includes the first opening end and is closest to the first opening edge. may be connected to the linear portion at one end on the first opening end side of the circular arc portion.
According to such a configuration, a sufficient space for welding the lower flange and the column can be secured, the welding between the flange and the column can be stably performed, and welding defects can be prevented. can do.
また、本発明の前記構成において、前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径の2.5倍以上であってもよい。
このような構成によれば、スカラップの下フランジ側における歪みの集中を緩和して、スカラップからのき裂の発生を安定的に抑制することが可能となる。
Moreover, in the configuration of the present invention, the radius of curvature of the first circular arc portion may be 2.5 times or more the radius of curvature of the second circular arc portion.
According to such a configuration, it is possible to alleviate the strain concentration on the lower flange side of the scallops and stably suppress the occurrence of cracks from the scallops.
また、前記第一の開口端と前記第二の開口端との下フランジ側から上フランジ側へ向かう方向の寸法である前記スカラップの大きさは、梁端接合部の耐力を安定的に確保するためになるべく小さくすることが望ましいが、前記フランジと前記柱との溶接の施工性の観点から、前記スカラップの前記下フランジ側から上フランジ側へ向かう方向の寸法は、15mm以上としてもよい。 In addition, the size of the scallop, which is the dimension of the first opening end and the second opening end in the direction from the lower flange side to the upper flange side, stably secures the proof stress of the beam end joint. For this reason, it is desirable to make it as small as possible, but from the viewpoint of welding workability between the flange and the column, the dimension of the scallop in the direction from the lower flange side to the upper flange side may be 15 mm or more.
また、前記スカラップは通常ウェブの一部を切削によって切り欠くことによって形成されるが、円弧部の切削面を滑らかにしてき裂の発生を抑制するためには、切削加工上その曲率半径をなるべく大きくするのが好ましい。このため、第二の円弧部の曲率半径を6mm以上としてもよい。 The scallops are usually formed by cutting a portion of the web by cutting. In order to smooth the cutting surface of the circular arc portion and suppress the occurrence of cracks, it is necessary to make the radius of curvature as large as possible in terms of cutting. preferably. Therefore, the radius of curvature of the second arc portion may be 6 mm or more.
本発明によれば、H形断面梁のウェブに形成されているスカラップ底へのき裂の発生を抑制して、H形断面梁の下フランジの破断を防止することで、梁端接合部の早期破断を回避できる。 According to the present invention, by suppressing the occurrence of cracks in the scalloped bottom formed in the web of the H-shaped cross-section beam and preventing the fracture of the lower flange of the H-shaped cross-section beam, Premature rupture can be avoided.
以下、本発明に係る実施形態について説明する。
図1は、箱形断面柱110(以下、柱110と略称する場合もある。)にH形断面梁1(以下、梁1と略称する場合もある。)の梁端が溶接接合された梁端接合部100を示す斜視図、図2は図1におけるA円部の拡大図である。
梁端接合部100は、例えば建設現場において溶接接合されることにより形成されるものであり、柱110と、この柱110に接続される梁1とを備えている。
柱110は、鋼材からなり箱形状に形成された複数の柱材111と、梁1が接続される柱梁接合部110aとを軸方向に連結して構成されている。なお、この実施形態においては、柱材111として角形鋼管を用いた例を示している。
柱梁接合部110aは、柱材111Aと、この柱材111Aの上下両端側に設けられた、梁1との接続に用いられる一対のダイアフラム112,112とを備えている。なお、柱梁接合部110aに用いられる柱材111Aの高さ寸法は、一対のダイアフラム112,112の周縁と、接続対象の梁1における後述する一対のフランジ20,20の軸方向の端部とが向かい合う程度の大きさとなっている。
各ダイアフラム112は、略矩形状の板体状に形成されたいわゆる通しダイアフラムであり、柱梁接合部110aを構成する柱材111Aと、柱梁接合部110aと高さ方向において隣り合う他の柱材111Bによって挟み込まれている。そして、各ダイアフラム112は、周縁部分が各柱材111Aの周面111aから外方(水平方向)に突出した状態で溶接等により柱梁接合部110aおよび柱材111Aと一体化されている。
なお、柱梁接合部については、本実施形態のような通しダイアフラム形式の構造に限定されず、例えば梁がダイアフラムを介さず柱に直接接続される構成でもよいし、柱がH形鋼で梁とは柱あるいはダイアフラムを介して接続される構成でもよい。
An embodiment according to the present invention will be described below.
FIG. 1 shows a beam in which the end of an H-section beam 1 (hereinafter also abbreviated as beam 1) is welded to a box-shaped cross section pillar 110 (hereinafter sometimes abbreviated as pillar 110). 2 is an enlarged view of the A circle portion in FIG. 1. FIG.
The beam end joint 100 is formed, for example, by welding at a construction site, and includes a
The
The column-to-beam joint 110a includes a
Each
In addition, the column-to-beam joint is not limited to the through-diaphragm type structure as in the present embodiment. and may be connected via a pillar or diaphragm.
梁1は、通常H形断面梁によって形成されている。本実施形態において梁1は、溶接組立H形断面梁により形成されている。梁1は、全体として一方向(水平方向)に延びていて、ウェブ10と、ウェブ10の軸方向と直交する高さ方向の両端部(以下、ウェブ(10)の軸方向と直交する高さ方向の端部を「縁」ということがある。)10b,10bに接続された上下一対のフランジ20,20とを有する。
ウェブ10は、ウェブ10の軸方向と直交する方向、すなわちウェブ幅方向を梁1の高さ方向として、梁1の軸方向に延びている。一対のフランジ20,20は、梁1の軸方向に延びており、ウェブ10の上下両端部、すなわちウェブ10の両縁10b,10bに接続されている。また、一対のフランジ20,20は、ウェブ10の上下両端部において、それぞれウェブ10からウェブ10の厚さ方向に略直角に張出している。そして、梁1の軸線方向の端部が、柱110の周面に接続されている。なお、一対のフランジ20,20のうち、下側に位置するフランジ20を下フランジ、上側に位置するフランジ20を上フランジと称する。
ここで、本実施の形態においては、梁1において柱110と接続する軸方向の端部を軸端部(1a)と称し、梁の軸端部において、ウェブ10およびフランジ20が柱110と接続される部分をそれぞれ軸端(10a、20a)と称する。
The
The
Here, in the present embodiment, the axial end of the
本実施形態における溶接組立H形断面梁1では、図3に示すように、ウェブ10と一対のフランジ20,20とが交差するそれぞれの部分に、溶接により形成された連結部30が設けられている。すなわち、連結部30は、溶接材または溶接材と母材とが溶融することにより形成されている。連結部30は、ウェブ10の両縁10b,10bにおいて、ウェブ10の両方のウェブ面11、11と、一対のフランジ20,20の互いに向かう内側の面である内面21、21との間にそれぞれ形成されている。言い換えれば、連結部30は、ウェブ10の各縁10b,10bにおいてウェブ10を挟み込むように各ウェブ面11、11に設けられている。
また、図3に示すように、本実施形態において連結部30は、梁1の軸方向視した断面において、ウェブ10のウェブ面11と接続するウェブ止端部31から、フランジ20の内面21と接続するフランジ止端部32までを繋ぐ直線状の傾斜面を有する三角形状に形成されており、さらに本実施形態では断面二等辺三角形状に形成されている。連結部30におけるウェブ10のウェブ面11およびフランジ20の内面21に沿う各辺の大きさ、すなわちフランジ20の内面21からウェブ止端部31までの距離である高さ方向の(梁せい方向)脚長sw、および、ウェブ10のウェブ面11から直近のフランジ止端部32までの距離である水平方向(フランジ幅方向)の脚長sfとしては、例えば3~30mm程度である。
In the weld assembled H-
Further, as shown in FIG. 3 , in this embodiment, the connecting
なお、連結部30の断面は三角形状に限定されるものではない。ウェブ止端部31からフランジ止端部32まで円弧状の凹曲面で接続されてよく、ウェブ止端部31およびフランジ止端部32において当該凹曲面の接線がウェブ10のウェブ面11およびフランジ20の内面21に平行となるようにして接続されていてもよい。また、ウェブ止端部31からフランジ止端部32まで凸曲面で接続されていてもよい。
本実施形態では、上記のとおり連結部30はウェブ10とフランジ20とを隅肉溶接を行うことにより形成されるものであり、連結部30と、連結部30近傍のウェブ10およびフランジ20との各部分によって溶接部が形成されている。
Note that the cross section of the connecting
In this embodiment, as described above, the connecting
そして、当該梁1は、本実施形態のH形断面部材の端部接続構造200により柱110に接続されている。すなわち、図1に示すように、本実施形態のH形断面部材の端部接続構造200は、梁1のフランジ20の軸端20aを柱110に溶接するフランジ溶接部40と、梁1のウェブ10の軸端10aを柱110に溶接するウェブ溶接部50とを有する。また、フランジ溶接部40の下面側には、このフランジ溶接部40を形成する溶金が、フランジ20の開先面40aと柱110との間から抜け落ちるのを防ぐ裏当金45が設けられている。
また、本実施形態においては、フランジ20の軸端20aは柱110のダイアフラム112に溶接されて、ウェブ10の軸端10aは柱梁接合部110aを形成する柱材111Aの周面111aに溶接されている。このようにして、箱形断面柱110にH形断面梁1の梁端が溶接接合されている。
The
Further, in this embodiment, the
また、梁1におけるウェブ10の軸端10aにはスカラップ60が設けられている。スカラップ60は、ウェブ10の軸端10a側における一対のフランジ20,20側となる両縁10b、10b位置に、直近のフランジ20の軸端20a側およびウェブ10の軸端10a側の方向に向けて開口するように、かつウェブ10の厚さ方向に貫通するようにそれぞれ設けられている。これにより、フランジ溶接部40は、フランジ20の幅方向一方の端部から、スカラップ60を通してウェブ10を横切って幅方向他方の端部まで形成されている。また、ウェブ溶接部50は、ウェブ10の両縁10b,10bに設けられたスカラップ60まで形成されている。
A
図4に示すように、スカラップ60は、上記のように、直近のフランジ20の軸端20a側および直近のウェブ10の軸端10a側の方向に開いた開口を有しているため、2つの開口端を含んでいる。すなわち、直近のフランジ20側に位置する第一の開口端60aと、第一の開口端60aと相反する側、言い換えれば、一対のフランジ20,20で挟まれたウェブ10のウェブ幅方向の中央側に位置する第二の開口端60bとを含む。より具体的に、第一の開口端60aは、直近のフランジ20の内面21側の位置に、第二の開口端60bはウェブ10の軸端10aにそれぞれ形成されている。
As shown in FIG. 4, since the
また、スカラップ60は、第一の開口縁部61と、第二の開口縁部62と、第三の開口縁部63とを有している。第一の開口縁部61は、第一の開口端60aを含み、第一の開口端60aから、梁1の軸方向における軸端部1aから離れる方向に向かって延びている。第二の開口縁部62は、第二の開口端60bを含み、第二の開口端60bから梁1の軸端部1aから離れる向き、すなわち梁1の軸方向の中央に向かって延びている。第三の開口縁部63は、第一の開口縁部61と第二の開口縁部62とを接続している。
The
具体的に、第一の開口縁部61は、連結部30におけるウェブ止端部31と交差するようにして円弧状に形成された、第一の開口端60a側の一端71aで接線が前記フランジ20の内面21と平行となる第一の円弧部71を有する。
第二の開口縁部62は、形状は特に限定されないが、本実施形態の場合は第二の開口端60bから直線状に延びている。
また、第三の開口縁部63は、第一の開口縁部61から第二の開口縁部62に向かって湾曲する円弧状に形成された第二の円弧部72を有している。
ここで、第一の円弧部71の曲率半径R1は、第二の円弧部72の曲率半径R2の2.5倍以上であることが望ましい。このように、第一の円弧部71の曲率半径R1を、第二の円弧部72の曲率半径R2の2.5倍以上としたのは、スカラップ60のフランジ20側における歪みの集中を緩和して、スカラップ60からのき裂の発生をより安定的に抑制することが可能となるためである。
Specifically, the first
The shape of the
Also, the
Here, it is desirable that the curvature radius R1 of the first
なお、第一の開口縁部61、第二の開口縁部62および第三の開口縁部63によって構成されるスカラップ60において、一対のフランジ20,20が互いに離間する方向(梁1の高さ方向)におけるスカラップ60の高さ寸法Srhは、梁端接合部100の耐力を安定的に確保するためになるべく小さくすることが望ましいが、フランジ20と柱110との溶接の施工性の観点から、スカラップ60の下フランジ20側から上フランジ20側へ向かう方向の寸法は、15mm以上とすることが望ましい。さらに、スカラップ60の高さ寸法Srhは、ウェブ10でもモーメントをより効率よく伝達させて、スカラップ60のフランジ20側の歪みの集中をさらに緩和させるため、35mm以下であるものとしてもよい。
また、第二の円弧部72の曲率半径R2は、スカラップの形成の際にカッターにより切削することを考慮し、作業性を確保するためも6mm以上であるものとしてもよい。
In the
Further, the radius of curvature R2 of the second
以下、スカラップ60のより詳細な態様について説明する。
図4は第一の態様のスカラップ60を示している。図4に示すように、第一の態様のスカラップ60において、第一の開口縁部61は、直近のフランジ20側の位置に配設されていて、第一の開口端60aを含む第一の直線部73と、第一の直線部73に接続された第一の円弧部71とを有する。
第一の直線部73は、直近のフランジ20の内面21において、スカラップ60によりウェブ10が切り欠かれた部分に相当するもので、本態様においては、直近のフランジ20の内面21に含まれている。また、第一の開口端60aは、直近のフランジ20の軸端20aに設けられていて、さらに具体的には、柱110と溶接されるフランジ溶接部40を形成する際に用いられる開先面40aにおけるウェブ10側の端部がこの第一の開口端60aとなっている。
第一の円弧部71は、第一の直線部73と接続する位置における接線がフランジ20の内面21と平行であり、かつ梁1の軸端部1aから離れるに従って、次第にフランジ20から離れる方向に湾曲する凹曲線状に形成されている。この第一の円弧部71は、第一の直線部73と接続されて連結部30を横断する連結横断部71cと、連結横断部71cにおける直近のフランジ20とは反対側の一端部からウェブ10のウェブ面11に沿って形成されるウェブ形成部71dとを有する。
More detailed aspects of the
FIG. 4 shows the
The first
The first
一方、第二の開口縁部62は、第二の開口端60bを含む直線状に形成され、梁1の軸方向に沿って延びている第二の直線部74を有している。
また、第三の開口縁部63は、第二の円弧部72を有していて、第二の円弧部72の一端72aは、第一の開口縁部61の第一の円弧部71と接続されているとともに、他端72bは第二の開口縁部62の第二の直線部74と接続されている。
ここで、第一の円弧部71と第二の円弧部72とは、第一の円弧部71がなす円弧と第二の円弧部72がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されている。また、第二の円弧部72と第二の直線部74との接続部分では、第二の円弧部72をなす円弧の接線と第二の直線部74とが一致している。これにより、第一の開口縁部61、第二の開口縁部62及び第三の開口縁部63で構成されるスカラップ60の縁部の形状は連続的になっている。
なお、本態様においてスカラップ60の高さ寸法Srhは第一の直線部73と第二の直線部74との離間距離によって定まる。
On the other hand, the
The
Here, the
In this embodiment, the height dimension Srh of the
また、図5は第二の態様のスカラップ60Aを示している。なお、第一態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図5に示すように、第二の態様のスカラップ60Aにおいて第一の開口縁部61は、第一の態様における第一の直線部73に相当する部分を備えず、第一の円弧部71における直近のフランジ20側の一端71aが第一の開口端60aとなっている。第一の開口端60aとなる第一の円弧部71の一端71aは、フランジ20の内面21上に位置しており、当該一端71aにおける接線がフランジ20の内面21に平行である。
なお、本態様においてスカラップ60の高さ寸法Srhは、第一の円弧部71の一端71aと第二の直線部74との離間距離によって定まる。
Also, FIG. 5 shows a
As shown in FIG. 5, the
In this embodiment, the height dimension Srh of the
また、図6は第三の態様のスカラップ60Bを示している。同様に、第一態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図6に示すように、本態様においては、フランジ溶接部40を形成する際に用いられる開先面40aが、上方に(厳密には上方に行くに従って次第に梁1の軸端部1aから離れる方向)に立ち上がっていて、開先面40aの一端が、直近のフランジ20の内面よりもウェブ幅方向中央側に位置している。そして、この開先面40aの一端が第一の開口端60aとなっている。
具体的に、スカラップ60Bは、第一の開口縁部61が、第一の開口端60aを含む第一の直線部75と、第一の直線部75と接続された第一の円弧部71とを有していて、第一の直線部75は、第一の開口端60aが直近のフランジ20の内面よりもウェブ幅方向中央側に位置している分だけフランジ20の内面21から離間した状態で、フランジ20の内面21と平行に形成されている。
ここで、第一の直線部75とフランジ20の内面21との距離で表わされるスカラップ離間距離Srfは、少なくとも連結部30のウェブ止端部31からフランジ20の内面21までの距離である高さ方向の脚長高さswよりも小さい。これにより、第一の直線部75と接続されている第一の円弧部71はウェブ止端部31と交差している。
なお、本態様においてスカラップ60の高さ寸法Srhは第一の直線部75と第二の直線部74との離間距離によって定まる。
Also, FIG. 6 shows a
As shown in FIG. 6, in this embodiment, the
Specifically, the
Here, the scallop separation distance Srf represented by the distance between the first
In this embodiment, the height dimension Srh of the
また、図7は第四の態様のスカラップ60Cを示している。なお、第三態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図7に示すように、第四の態様のスカラップ60Cにおいて第一の開口縁部61は、第三の態様における第一の直線部75に相当する部分を備えず、第一の円弧部71の一端71aが第一の開口端60aとなっている。第一の開口端60aとなる第一の円弧部71の一端71aは、第三の態様と同様にフランジ20の内面21から離間していて、当該一端71aにおける接線はフランジ20の内面21に平行となっている。
ここで、第一の円弧部71の一端71aとフランジ20の内面21との距離で表わされるスカラップ離間距離Srfは、少なくとも連結部30のウェブ止端部31からフランジ20の内面21までの距離である高さ方向の脚長swよりも小さい。これにより、第一の直線部73と接続されている第一の円弧部71はウェブ止端部31と交差している。
なお、本態様においてスカラップ60の高さ寸法Srhは、第一の円弧部71の一端71aと第二の直線部74との離間距離によって定まる。
Also, FIG. 7 shows a
As shown in FIG. 7, in the
Here, the scallop separation distance Srf represented by the distance between one
In this embodiment, the height dimension Srh of the
なお、上記第一~第四の態様において、第一の開口縁部61の第一の円弧部71と第三の開口縁部63の第二の円弧部72とは、第一の円弧部71がなす円弧と第二の円弧部72がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されているものとした。しかしながら、第一の円弧部71と第二の円弧部72とが、共通の接線となる部分において接続されない、すなわち境界となる角が形成された状態で接続されていてもよい。また、第一の円弧部71と第二の円弧部72との間に直線部を設けて、これらの第一の円弧部71と第二の円弧部72とが間接的に接続される構成であってもよい。
さらに、第二の開口縁部62については、本実施形態においては直線部であるとしたが、任意の形状とすることができ、例えば円弧状に形成されていてもよい。
In the above first to fourth aspects, the
Furthermore, although the
上記のようなH形断面部材の端部接続構造200では、第一の開口縁部61と第二の開口縁部62とを接続する第三の開口縁部63における第二の円弧部72を設けるとともに、フランジ20側に位置する第一の開口縁部61における第一の円弧部71を設けて、第一の円弧部71を第二の円弧部72の2.5倍以上大きい曲率半径しても良い。
これにより、スカラップ60のフランジ20側における歪みの集中を緩和し、スカラップ60からのき裂の発生を抑制することができる。そして、このような第一の円弧部71が連結部30におけるウェブ止端部31と交差するようにして形成されていることで、仮に延性き裂が発生したとしても、幅が相対的に狭く断面がウェブ10から断面変化が生じるウェブ止端部31近傍でき裂を発生させることができる。また、仮にウェブ10側の止端部近傍で延性き裂が発生したとしても、発生したき裂を、フランジ20に比較して引張応力が低いウェブ止端部31に沿って軸方向に安定的にき裂を進展させることができる。したがって、本実施形態のようなH形断面部材の端部接続構造200では、補強するために別の構成を設けなくても、スカラップから初期き裂が発生することを遅らせつつ、万一初期き裂が発生しても早期破断に至らないようにき裂を進展させることができ、より安全性の高い梁端接合部100とすることができる。
In the
As a result, concentration of strain on the
また、スカラップ60の高さ寸法を15mm以上とすることで、フランジ20と柱110との溶接の施工性を向上させることができる。
また、スカラップ60の高さ寸法を35mm以下とすることで、ウェブ10でもモーメントをより効率よく伝達することができるため、柱110と梁1との接合部としての降伏曲げ耐力を向上させることができる。また、スカラップ60の高さ寸法を低く抑えることによって、ウェブ10でモーメントをより効率よく伝達することができるため、スカラップ60のフランジ20側の歪みの集中をさらに緩和させることができる。
さらに、第一の円弧部71と第二の円弧部72とが共通の接線により接続されていることで、第一の円弧部71と第二の円弧部72とが凹凸なく滑らかに接続されるため、より一層歪みの集中を緩和することができ、き裂の発生をより安定的に抑制することができる。
また、第二の円弧部72の曲率半径R2を6mm以上とすることで、第二の円弧部72における歪みの集中も緩和することができるとともに、スカラップをカッターによって容易に切削して成形することができる。
Moreover, by setting the height dimension of the
In addition, by setting the height dimension of the
Furthermore, since the
In addition, by setting the radius of curvature R2 of the
さらに、上記H形断面部材の端部接続構造200は、上記の第三の態様のように、第一の開口縁部61は、第一の開口端60aを有し前記フランジ20の内面21に平行に配された直線部75を有し、第一の円弧部71の一端71aがこの直線部75と接続されているものとしてもよく、これにより、フランジ20の軸端20aを溶接するための十分なスペースを確保することができ、フランジ20と柱110との溶接を安定的に行い、溶接欠陥を生じないようにすることができる。
Furthermore, the
さらに、本実施形態においては、H形断面梁1の梁端10aのウェブ10と箱形断面柱110との接合部である梁ウェブ接合部120の応力伝達効率をαwとすると、下記(1)式を満たしている。
ここで、梁ウェブ10の全塑性曲げ耐力wMpは下記(2)式で表すことができる。
なお、(2)式は、梁ウェブ全断面の塑性断面係数に梁ウェブの降伏強さを乗じることから求めることができる。
Here, the total plastic bending strength w M p of the
Equation (2) can be obtained by multiplying the plastic section modulus of the entire cross section of the beam web by the yield strength of the beam web.
また、箱形断面柱110における柱梁接合部110aのスキンプレートの面外降伏の影響を考慮したH形断面梁1の梁ウェブ接合部120の最大曲げ耐力sMuは下記(3)式で表すことができる。
ここで、箱形断面柱110の塑性領域の高さdjは、箱形断面柱110の水平補剛材(本実施形態では柱梁接合部110aのダイアフラム112)の内法間距離である。
なお、(3)式は、「日本建築学会:鋼構造接合部設計指針 第3版 2017年2月」に記載されている式から求めることができる。
In addition, the maximum bending strength s Mu of the
Here, the height dj of the plastic region of the box-shaped
The formula (3) can be obtained from the formula described in "Architectural Institute of Japan: Steel Structure Joint Design Guidelines, 3rd Edition, February 2017".
前記(1)式で表される梁ウェブ接合部の応力伝達効率αwは、その値が大きい程、スキンプレートの面外変形が抑制されていることを表す。したがって、梁ウェブ接合部120の応力伝達効率αwが大きい程、梁ウェブ接合部120においてスキンプレートの面外変形が生じ難くなり、H形断面梁1の梁ウェブ10が負担する曲げモーメントを梁ウェブ10が安定的に伝達され易くなるため、スカラップ底に歪みが集中し難くなる。すなわち、梁ウェブ接合部120の応力伝達効率αwが大きい程、スカラップ底を起点とした梁端接合部の早期破断の危険性が低下する。
そこで、梁ウェブ接合部120の応力伝達効率αwをどの程度大きくすれば、梁端接合部の早期破断を回避できるかを、後述する実大の梁端破断実験を行なうことで、梁端接合部の早期破断を回避できる梁端接合部の応力伝達効率αwの下限値を見出した。この下限値が0.48である。
The larger the value of the stress transmission efficiency α w of the beam-web joint expressed by the formula (1), the more the out-of-plane deformation of the skin plate is suppressed. Therefore, the greater the stress transmission efficiency αw of the
Therefore, a full-size beam-end fracture test described later was conducted to determine how much the stress transmission efficiency α w of the beam web joint 120 should be increased to avoid early fracture of the beam-end joint. We found the lower limit of the stress transmission efficiency α w of the beam end joint that can avoid early breakage of the joint. This lower limit is 0.48.
したがって、前記(2)式において、梁ウェブの厚みtbw、梁ウェブの高さd、梁ウェブの降伏強さFwを適宜設定し、前記(3)式において、箱形断面柱のスキンプレートの厚みtc、箱形断面柱の降伏領域の幅bj、箱形断面柱の塑性領域の高さdj、箱形断面柱の降伏強さFc、スカラップなどによる欠損を考慮した梁ウェブ高さHwを適宜設定して、αw=sMu/wMp≧0.48とすることによって、梁端接合部の早期破断を回避できる。 Therefore, in the above equation (2), the beam web thickness t bw , the beam web height d, and the beam web yield strength F w are appropriately set, and in the above equation (3), the skin plate of the box-shaped cross-section column thickness t c , width b j of the yield region of the box-shaped cross-section column, height d j of the plastic region of the box-shaped cross-section column, yield strength F c of the box-shaped cross-section column, beam web considering loss due to scallops, etc. By appropriately setting the height Hw so that αw = sMu / wMp ≧ 0.48 , premature breakage of the beam end joint can be avoided.
本発明の効果を実証するため、上記実施形態のような梁端接合部100の具体例について、数値解析を行った。
解析手法としては有限要素法を用い、解析ソフトとしてはANSYS.Ver16を用いた。図8は本実施例で解析を行う解析モデルとなる梁端接合部100のモデルの全体を示している。図8に示すように、解析モデルは、片持ち梁形式とし、対称性を考慮して、梁1の幅方向に1/2モデルとした。解析モデルは、8節点6面体要素を使用した三次元ソリッド要素で作成した。柱110及び梁1に用いる鋼材の材料特性は、柱110及び梁1ともに同一材で同一の材料特性とし、SN490Bの材料試験結果から得られた応力-歪み曲線を複数の直線成分によってモデル化したものを用いた。
梁1として用いるH形断面梁の断面としては、図3に示すせいDbが700mm、幅Bが200mm、梁ウェブ10の厚さtbwが16mm、フランジ20の厚さtbfが22mmのものを用いた。ここで、連結部30の形状はフランジ20の内面21からウェブ止端部31までの高さ方向の脚長swと、ウェブ10のウェブ面11からフランジ止端部32までの水平方向の脚長sfとは等しい二等辺三角形であり、sw=sf=18mmとした。また、柱110の周面から梁1の軸方向の端部までの長さLbを3500mmとした。なお、フランジ20の軸端20aが溶接される柱110側のダイアフラム112の厚さtd(図2参照)は32mmとした。また、図示しないが、柱110の外径Bcは500mm、柱110のスキンプレートの板厚tcfは16mmとした。
In order to demonstrate the effect of the present invention, numerical analysis was performed on a specific example of the beam end joint 100 as in the above embodiment.
The finite element method was used as an analysis method, and ANSYS. Ver16 was used. FIG. 8 shows the entire model of the beam end joint 100, which is an analysis model for analysis in this embodiment. As shown in FIG. 8, the analysis model is a cantilever beam type, and the width direction of the
As for the cross section of the H-shaped cross-section beam used as the
解析は、スカラップ60の形状に関するパラメータを変化させて53種類のモデルについて解析を行った。解析モデルとして用いたスカラップ60の形状は図4~図7に示すものが含まれる。なお、第二の開口縁部62は第二の直線部74のみで構成されており、第一の円弧部71と第二の円弧部72とは共通する接線で連続的に接続されている。スカラップ60の形状に関するパラメータとしては、第一の円弧部71の曲率半径R1(mm)と、第二の円弧部72の曲率半径R2(mm)と、第一の直線部73(75)の長さLと、スカラップ離間距離Srf(mm)と、スカラップ60の高さ寸法Srhとがある。第一の円弧部71において軸端部1aから離間する側の他端71bのフランジ20の内面21からの高さである円弧部終端高さHcは、第一の円弧部71の曲率半径R1(mm)と、第二の円弧部72の曲率半径R2(mm)と、スカラップ離間距離Srfと、スカラップ60の高さ寸法Srhとにより幾何学的に定まるものである。表1、表2に各解析モデルのパラメータ値を示す。
For the analysis, 53 types of models were analyzed by changing parameters relating to the shape of the
表1、表2に示すように、NO.1~25では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部71の曲率半径R1を第二の円弧部72の曲率半径R2の1.0倍より大きくするとともに、第一の円弧部71がウェブ止端部31と交差、すなわち円弧部終端高さHcを高さ方向の脚長sw以上とした。
一方、NO.26~39では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部71の曲率半径R1を第二の円弧部72の曲率半径R2の1.0倍より大きくするとともに、円弧部終端高さHcを高さ方向の脚長sw未満とした。
また、NO.40~44では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部71の曲率半径R1を第二の円弧部72の曲率半径R2の1.0倍未満にするとともに、円弧部終端高さHcを高さ方向の脚長sw以上とした。
さらに、NO.45~53では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部71の曲率半径R1を第二の円弧部72の曲率半径R2の1.0倍未満にするとともに、円弧部終端高さHcが高さ方向の脚長sw未満とした。
As shown in Tables 1 and 2, NO. In 1 to 25, while changing the above parameters, the curvature radius R1 of the
On the other hand, NO. In 26 to 39, while changing the above parameters, the radius of curvature R1 of the
Also, NO. In 40 to 44, while changing the above parameters, the curvature radius R1 of the
Furthermore, NO. In 45 to 53, while changing the above parameters, the radius of curvature R1 of the
これら解析モデルに対して、梁1の軸方向の端部に荷重を加えて、梁1を変形させた。そして、図9に示すように、梁1の載荷点における回転角θ(変形前の梁1の軸線Lb0と変形後の梁1の軸線Lb1とがなす角度から梁端接合部における柱110の周面111aの回転角成分φ(変形前の柱110の周面111aの軸線Lc0と変形後の柱110の周面111aの軸線Lc1とがなす角度)を減じた回転角)が、梁1の軸端部1aにおいて全断面塑性化した時の回転角をθpとし、この3倍の角度3・θpとなるまで梁1を変形させた。そして、θ=3・θpにおける相当塑性歪み分布及び塑性せん断歪み分布を有限要素法により求めた。一例として、図10にNO.12の相当塑性歪み分布を、図11にNO.45の相当塑性歪み分布を示す。また、一例として、図12にNO.12の塑性せん断歪み分布を、図13にNO.24の塑性せん断歪み分布を示す。さらに、本有限要素法による解析結果に基づいて、スカラップ60のスカラップ底における最大相当塑性歪みεmax(%)を求めた。表1、表2に、各解析モデルにおける最大相当塑性歪みεmaxを示す。また、第二の円弧部72の曲率半径R2に対する第一の円弧部71の曲率半径R1の比R1/R2と、対応する最大相当塑性歪みεmaxとの関係をプロットしたグラフを図14に示す。なお、図中の三角のプロットはNO.45の結果を示し、その他のプロットはNo.45以外の解析結果を示す。また、横軸に平行な点線P1は、εmax=20%を示し、縦軸に平行な点線Q1は比R1/R2=1.0を示している。
A load was applied to the ends of the
表1、表2および図14から、第二の円弧部72の半径に対する第一の円弧部71の半径の比R1/R2が大きくなることで、最大相当塑性歪みεmaxが小さくなる傾向にあることが分かる。とくに、R1/R2が1.0を超える解析ケースは、個々の解析パラメータの数値によらずεmaxは20%程度以下の低値に留まっている。すなわち、R1/R2が1.0を超える場合には、R1/R2が1.0以下である場合に比べてスカラップ底への歪みの集中が緩和されている。なお、さらに安定してスカラップ底への歪みの集中を緩和するにはR1/R2をより大きくすることが望ましく、H型断面梁の靱性のばらつきなどを考慮すれば、R1/R2は2.5以上とすることが望ましい。図10に示すように、R1/R2>1.0である解析モデルでは、例えば図10に示す解析モデルNO.12のように、スカラップ底における最大相当塑性歪みεmaxを抑制し、特に第一の円弧部71において接線がフランジ20の内面21と平行となる一端71a近傍における相当塑性歪みを抑制することができていることが認められる。すなわち、R1/R2>1.0とすることで、ウェブ10とフランジ20との交差部分近傍でき裂が発生することを抑制することができる。このため、R1/R2>1.0である解析モデルのような構造とすることで、極大地震時において第一の円弧部71にき裂が発生することを抑制し、き裂がフランジ20の外面22(図3参照)に向かって進展することを抑制することができる。一方、比R1/R2≦1.0である解析モデルでは、図11に示す従来型の形状を示す解析モデルNO.45のように、スカラップ底における最大相当塑性歪みεmaxが大きくなるとともに、特に第一の円弧部71において接線がフランジ20の内面21と平行となる一端71a近傍における相当塑性歪みを抑制することができていないことが認められる。
このように、ウェブ10とフランジ20との交差部分近傍でき裂が発生することを抑制することができない。このため、R1/R2≦1.0である解析モデルのような構造では、極大地震時において第一の円弧部71にき裂が発生してしまい、き裂がフランジ20の外面22に向かって進展してしまうおそれがある。き裂がフランジ20の外面22に向かって進展すると、フランジ20には高い引張応力が作用しているため、フランジの脆性破断を助長することとなる。
From Tables 1 and 2 and FIG. 14, it can be seen that the maximum equivalent plastic strain εmax tends to decrease as the ratio R1/R2 of the radius of the
In this way, it is not possible to suppress the occurrence of cracks near the intersections of the
また、Hc≧swである解析モデルでは、図12に示す解析モデルNO.12のように、連結部30におけるウェブ止端部31の近傍に沿った塑性せん断歪みの分布が梁1の材軸方向に向かって広く形成されており、その歪みの数値も高いことが分かる。すなわち、Hc≧swであることで第一の円弧部71がウェブ止端部31と交差するスカラップ60の形状では、延性き裂はウェブ止端部31近傍で発生し、発生したき裂は断面H形形状の幅方向の厚みが相対的に小さい前記連結部30の前記ウェブ止端部31に沿って軸方向に安定的に進展させることができる。すなわち、き裂がフランジ20の外面22へ向かうことによる破断を抑制することができ、さらに、き裂が発生する箇所を明確にして極大地震後のき裂の視認を容易とし、補修を速やかかつ容易に行うことも可能となる。一方、Hc<swである解析モデルNO.24では、図13に示すように第一の円弧部71が前記連結部30の前記ウェブ止端部31と交差せず、第二の円弧部72も連結部30に含まれるため、スカラップから梁の軸方向に沿った塑性せん断歪みの分布は形成されない。したがって、き裂は第一の円弧部71において発生する。このき裂は連結部30の内部で進展するため、き裂の発生を発見しにくく、また、フランジ20の外面22に向かってき裂が進展しフランジの脆性破断を助長することになる。
Further, in the analysis model in which Hc≧ sw , the analysis model No. shown in FIG. As shown in 12, the distribution of plastic shear strain along the vicinity of the
次に、上述した実大の梁端破断実験について説明する。
実大ト字型部分架構試験体を用いた梁の正負交番による一定振幅の繰返し載荷実験を行い、梁断面やスカラップの形状が梁端接合部における破断までの繰返し回数(破断寿命)に及ぼす影響を確認した。なお、実大ト字型部分架構試験体とは、実大の梁を片持ち梁として、柱に接合した試験体のことを言う。
Next, the full-scale beam end fracture test described above will be described.
Using a full-scale T-shaped partial frame test specimen, constant-amplitude cyclic loading experiments with positive and negative alternation of beams were conducted, and the effect of beam cross-section and scallop shape on the number of repetitions until fracture (fracture life) at beam end joints It was confirmed. The full-scale V-shaped partial frame test specimen refers to a specimen in which a full-scale beam is used as a cantilever and joined to a column.
試験体一覧を表3に示す。試験体は、αwとスカラップ形状をパラメータとしたト字形の形状の試験体であり、LB16A、LB16F,TM16N、TM09N、KB12Nは梁に溶接組立H形断面(BH)梁を、NH09FおよびKH14Nは圧延H形鋼を用いた柱梁接合部の試験体である。また、LB16A、LB16F、TM16Nの梁は、断面形状および板厚を等しくしているが、スカラップ形状が異なる。NH09F、TM09NはそれぞれLB16F、TM16Nに比してウェブの厚みが薄くなっている他は同じ断面形状および板厚である。 Table 3 shows a list of test specimens. The test specimens are V-shaped specimens with α w and scallop shape as parameters. It is a test piece of a column-to-beam joint using rolled H-section steel. The beams LB16A, LB16F, and TM16N have the same cross-sectional shape and plate thickness, but different scallop shapes. NH09F and TM09N have the same cross-sectional shape and plate thickness as compared to LB16F and TM16N, respectively, except that the thickness of the web is thinner.
試験体のパラメータは、αwとスカラップの形状である。スカラップの形状は、図15に示す通り(a)、(b)、(c)の3種類とした。
(a)は、従来型のスカラップを有する梁ウェブを備えた柱梁接合部の一部を示す側面図である(表3中の「従来型」に相当)。すなわち、図15(a)に示すように、コラム側に位置する直線部およびフランジ側に位置する円弧1とウェブ側に位置する円弧2の二つの円で構成された複合円型スカラップで、円弧1の曲率半径(r1)は10mmであり、円弧2の曲率半径(r2)は35mmである。また、スカラップの高さ寸法(Srh)は35mm、開先とスカラップ底との距離(L)は10mmである。(a)のスカラップはLB16Aで採用しており、LB16Aのフランジの内面からウェブ止端部までの距離である高さ方向の脚長(sw)は22mmである。
(b)は、従来型のスカラップを有し、且つフィレットが残っている梁ウェブを備えた柱梁接合部の一部を示す側面図である(表3中の「フィレット残し」に相当)。すなわち、コラム側に位置する直線部およびフランジ側に位置する円弧1とウェブ側に位置する円弧2の二つの円で構成された複合円型スカラップで、円弧1の曲率半径(r1)は10mmであり、円弧2の曲率半径(r2)は35mmである。また、フィレットを6mm残している(図中の符号fはフィレットの高さ)。つまり、円弧1の止端がフランジの表面より6mmだけウェブ側に食い込んでいる。なお、スカラップの高さ寸法(Srh)、開先とスカラップ底との距離(L)は前記(a)の構成と同じである。(b)のスカラップはLB16F、NH09Fで採用しており、それぞれのフランジの内面からウェブ止端部までの距離である高さ方向の脚長(sw)は22mm、18mmである。
(c)は、従来型を改良したスカラップ形状(本発明に係るスカラップ形状(ただし(1)式を満たすか否かは問わない)を有する梁ウェブを備えた柱梁接合部の一部を示す面図である(表3中の「改良型」に相当)。すなわち、コラム側に位置する直線部およびフランジ側に位置する円弧1とウェブ側に位置する円弧2の二つの円で構成された複合円型スカラップで、円弧1の曲率半径(r1)は35mmであり、円弧2の曲率半径(r2)は10mmである。また、フィレットを6mm残している。つまり、円弧1の止端がフランジの表面より6mmだけウェブ側に食い込んでいる。なお、スカラップの高さ寸法(Srh)は30mmである。フランジの内面からウェブ止端部までの距離である高さ方向の脚長(sw)はTM16N、TM09N、KB12N、KH14Nそれぞれ19mm、12mm、17mm、18mmである。
The specimen parameters are α w and scallop shape. The shapes of the scallops were three types (a), (b), and (c) as shown in FIG.
(a) is a side view showing part of a beam-to-column joint with a conventional scalloped beam web (corresponding to "Conventional" in Table 3). That is, as shown in FIG. 15(a), a compound circular scallop composed of a straight portion located on the column side, an
(b) is a side view showing a portion of a beam-to-column joint having a beam web with conventional scallops and remaining fillets (corresponding to "fillet remaining" in Table 3). That is, it is a compound circular scallop composed of two circles, a straight portion located on the column side, an
(c) shows a part of a column-to-beam joint provided with a beam web having a scalloped shape improved from the conventional type (a scalloped shape according to the present invention (regardless of whether expression (1) is satisfied or not). This is a plan view (equivalent to the "improved type" in Table 3), which is composed of two circles, a straight portion located on the column side and an
図16に示すように、試験体は、鉛直の柱に水平の梁の端部を結合した状態で、柱の上下端部を反力壁に固定し、梁先端にオイルジャッキを取り付けて載荷を行った。載荷履歴は、全塑性曲げ耐力時の梁端回転角の弾性成分θpを基準として、その約3倍の約3θpの振幅で制御した。
また、梁の横座屈を拘束するために、面外拘束治具を配置した。
As shown in Fig. 16, the test specimen was prepared by connecting the ends of a horizontal beam to a vertical column, fixing the upper and lower ends of the column to the reaction wall, and attaching an oil jack to the tip of the beam to apply a load. gone. The loading history was controlled with an amplitude of about 3θp , which is about three times the elastic component θp of the beam end rotation angle at full plastic bending resistance.
In addition, an out-of-plane restraint jig was installed to restrain lateral buckling of the beam.
実験結果
破断までの繰り返し回数Nf(破断寿命)を図17および図18に示す。
図17において、横軸は破断寿命Nfを、縦軸は塑性率μ(実験における載荷振幅の大きさ)を示す。
また、図17において、「スカラップ無実験式」の実線は、下記(4)式の評価式によるもので梁ウェブにスカラップが形成されていない梁端接合部の過去の実験結果に基づいておおよそ下限の性能を示すものとして設定されているもので、この実線を上回る性能の梁端接合部は、スカラップの無い梁端接合部並の性能を有していると言える。
Experimental Results The number of repetitions Nf (life at break) until breakage is shown in FIGS. 17 and 18. FIG.
In FIG. 17, the horizontal axis indicates the rupture life Nf, and the vertical axis indicates the plasticity factor μ (magnitude of loading amplitude in the experiment).
Further, in FIG. 17, the solid line of the "experimental formula without scallops" is based on the evaluation formula of the following formula (4). It can be said that beam end joints with performance exceeding this solid line have the same performance as beam end joints without scallops.
図17に示すように、試験体LB16Aの従来型のスカラップを有する梁は、応力伝達効率αwが0.47であり本発明の最小値の0.48より小さく、1回の繰返し回数で梁端が破断したのが分かる。
また、試験体LB16Fの、従来型のスカラップにおいてフィレット残しをしている梁は、応力伝達効率αwが0.45であり本発明の最小値の0.48より小さく、4回の繰返し回数で梁端が破断しており、試験体LB16Aの梁より性能がよいのが分かるが、「スカラップ無実験式」を下回る。
また、試験体NH09Fの、従来型のスカラップにおいてフィレット残しをしている梁は、応力伝達効率αwが本発明の最小値の0.48より十分に大きい0.62であるが、12回の繰返し回数で梁端が破断しており、試験体LB16Fより性能がよいのが分かるが、「スカラップ無実験式」を下回る。
また、試験体TM16Nの改良型のスカラップを有する梁は、応力伝達効率αwが0.46の梁であり、スカラップ底にき裂が発生し11回の繰返し回数で梁端が破断しており、改良型のスカラップであっても、応力伝達効率αwが本発明の最小値の0.48を満たさない場合には「スカラップ無実験式」を下回る場合あることが分かる。
As shown in FIG. 17, the conventional scalloped beam of specimen LB16A has a stress transfer efficiency α w of 0.47, which is less than the minimum value of 0.48 of the present invention, and the beam is You can see that the ends are broken.
In addition, the beam of test specimen LB16F, which has a fillet left in the conventional scallop, has a stress transmission efficiency α w of 0.45, which is smaller than the minimum value of 0.48 of the present invention, and The beam ends are fractured, and it can be seen that the performance is better than the beam of the specimen LB16A, but it is lower than the "scallop-free formula".
In addition, the beam of the test piece NH09F, which has a fillet left in the conventional scallop, has a stress transmission efficiency α w of 0.62, which is sufficiently larger than the minimum value of 0.48 of the present invention, but 12 times The beam end breaks after repeated repetitions, and although it is understood that the performance is better than that of the specimen LB16F, it is lower than the "scallop-free formula".
In addition, the beam with improved scallops of test specimen TM16N has a stress transmission efficiency αw of 0.46, and a crack occurred at the bottom of the scallop, and the beam end broke after 11 repetitions. , even with the improved scallops, if the stress transmission efficiency α w does not satisfy the minimum value of 0.48 of the present invention, it may fall below the "scallop no empirical formula".
これに対して、試験体TM09N、KB12N、KH14Nの改良型のスカラップを有する梁で、応力伝達効率αwが0.48以上の梁については、き裂がスカラップ底から発生せずにウェブ止端部に発生し、梁材軸方向に進展し、それぞれ34回、29回、23回の繰返し回数で梁端接合部が破断しており、試験体LB16A、LB16F、NH09FおよびTM16Nの梁より性能がよく、「スカラップ無実験式」の実線を上回る性能であるため、スカラップの有る梁端接合部でも改良型のスカラップを採用することでスカラップの無い梁端接合部並の性能を有することが分かる。 On the other hand, in the beams with improved scallops of test specimens TM09N, KB12N, and KH14N, for which the stress transmission efficiency αw is 0.48 or more, cracks did not occur from the bottom of the scallops and the web toe The beam end joints were fractured at 34, 29, and 23 repetitions, respectively. Since the performance often exceeds the solid line of the "scallop-free experimental formula", it can be seen that by adopting the improved scallops even at the beam end joints with scallops, it has the same performance as the beam end joints without scallops.
また、図18において、横軸は梁ウェブ接合部の応力伝達効率αw、縦軸は破断寿命Nfを示す。LB16A、LB16Fは制御した振幅が3.04であり意図した3.00を上回り、NH09Fは制御した振幅が2.91であり3.00を下回っていたため、式(4)に基づいてμが3.00の振幅で制御した場合の破断寿命に補正している。具体的には試験体毎に実験結果に基づき(4)式より係数Cの値を定め、再び(4)式にそのCの値とμ=3.00を代入して破断寿命を求めている。
図18図中の太い横実線は、目標とするスカラップ無の柱梁接合部の破断寿命を示し、例えば12.7回程度である。目標とする破断寿命は(4)式の評価式にスカラップ無実験式の係数であるC=7.0、および制御変形角の塑性率μ=3.00を代入することによって算定した。
In FIG. 18, the horizontal axis represents the stress transmission efficiency α w of the beam web joint, and the vertical axis represents the rupture life Nf. LB16A and LB16F had a controlled amplitude of 3.04, which exceeded the intended 3.00, and NH09F had a controlled amplitude of 2.91, which was below 3.00. It is corrected to the rupture life when controlled with an amplitude of 0.00. Specifically, the value of coefficient C is determined from formula (4) based on the experimental results for each specimen, and the rupture life is obtained by substituting the value of C and μ = 3.00 into formula (4) again. .
The thick horizontal solid line in FIG. 18 indicates the target rupture life of the scallop-free column-to-beam joint, which is, for example, about 12.7 times. The target rupture life was calculated by substituting C=7.0, which is the coefficient of the scallop-free formula, and μ=3.00 for the plasticity ratio of the controlled deformation angle into the evaluation formula (4).
スカラップ形状が従来型である試験体LB16A(αw=0.47)、スカラップ形状がフィレット残し型である試験体LB16F(αw=0.45)、試験体NH09F(αw=0.62)、および、スカラップ形状が新型(本発明)である試験体TM16N(αw=0.46)は目標性能を満たさないのに対し、スカラップの形状が新型(本発明)である試験体TM09N(αw=0.62)、KB12N(αw=0.60)、KH14N(αw=0.55)は目標性能を満足した。
つまり、従来型のスカラップにおいてフィレット残しをしている試験体NH09Fは、応力伝達効率αwが0.62で0.48以上であっても、R1/R2≦1.0のスカラップ形状であるため目標性能を満たさない。一方で改良型のスカラップを採用し、αwが0.48以上である試験体については全て目標性能を満たしている。
また、新型のスカラップの試験体4体については、応力伝達効率αwと破断寿命Nfとに正の相関関係があることが確認できる。実験結果に基づく回帰直線を図18図中の点線で示すが、この点線が改良型のスカラップの保有する性能を示す直線であり、この直線上の点が目標性能を上回っている限り、改良型の新型スカラップを採用した梁端接合部は目標性能を上回ることができると言える。そこで、点線と目標性能の実線が交差する点をαwの下限値として0.48と設定した。
Specimen LB16A with a conventional scallop shape (α w =0.47), Specimen LB16F with a fillet-remaining scallop shape (α w =0.45), Specimen NH09F (α w =0.62) , and TM16N (α w =0.46), whose scallop shape is the new type (present invention), does not satisfy the target performance, whereas TM09N (α w = 0.62), KB12N (α w = 0.60), and KH14N (α w = 0.55) satisfied the target performance.
In other words, the test specimen NH09F, which has a fillet left in the conventional scallop, has a scallop shape with R1/R2 ≤ 1.0 even if the stress transmission efficiency α w is 0.62 and 0.48 or more. Does not meet target performance. On the other hand, the improved scallops were adopted, and all the test specimens with αw of 0.48 or more satisfied the target performance.
In addition, it can be confirmed that there is a positive correlation between the stress transmission efficiency α w and the rupture life Nf for the four new scalloped specimens. The regression line based on the experimental results is shown by the dotted line in FIG. It can be said that the beam end joint using the new scallop can exceed the target performance. Therefore, the point where the dotted line and the solid line of the target performance intersect was set to 0.48 as the lower limit of αw .
また、式3から柱の面外降伏の影響を考慮したH形断面梁のウェブの最大曲げ耐力sMuはウェブが全断面有効であるとみなした場合の下記(5)式が上限であることから、応力伝達効率αwは下記(6)式の関係を必然的に満たすこととなる。
Also, from
以上、本発明の実施形態、実施例および実験例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態、実施例および実験例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 As described above, the embodiments, examples, and experimental examples of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. Design changes, etc. within a range that does not deviate are also included.
1 H形断面梁(梁)
1a 軸端部
10 ウェブ
20 フランジ
30 連結部
60、60A、60B、60C スカラップ
60a 第一の開口端
60b 第二の開口端
61 第一の開口縁部
62 第二の開口縁部
63 第三の開口縁部
71 第一の円弧部
72 第二の円弧部
73 第一の直線部(直線部)
R1 第一の円弧部の曲率半径
R2 第二の円弧部の曲率半径
Srh スカラップの高さ寸法
100 梁端接合部
110 箱形断面柱(柱)
120 梁ウェブ接合部
200 H形断面部材の端部接続構造
1 H-shaped section beam (beam)
R1 Curvature radius of the first arc portion R2 Curvature radius of the second arc portion S Rh
120 beam web joint 200 H-section member end connection structure
Claims (6)
前記H形断面梁のウェブの端部にスカラップが設けられており、
前記スカラップは、
前記H形断面梁の下フランジ側に位置する第一の開口端と、
前記第一の開口端と相反する側に位置する第二の開口端と、
前記第一の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第一の開口縁部と、
前記第二の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第二の開口縁部と、
前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する第三の開口縁部とを有し、
前記第一の開口縁部は、前記ウェブと前記下フランジとが交差する部分に設けられた連結部における前記ウェブ側の止端部と交差するように、円弧状に形成され、前記第一の開口端側の一端で、その接線が前記下フランジの内側の面と平行となる第一の円弧部を有し、
前記第三の開口縁部は、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する円弧状に形成された第二の円弧部を有し、
前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径より大きくなっており、
前記H形断面梁の梁端の前記ウェブと前記箱形断面柱との接合部である梁ウェブ接合部の応力伝達効率をαwとすると、下記(1)式を満たすことを特徴とする梁端接合部。
A scallop is provided at the end of the web of the H-section beam,
The scallops are
a first open end positioned on the lower flange side of the H-section beam;
a second open end located on a side opposite to the first open end;
a first open edge extending from the first open end away from the end of the web;
a second open edge extending from the second open end and away from the end of the web;
a third opening edge connecting the first opening edge and the second opening edge;
The first opening edge is formed in an arc shape so as to intersect with a toe portion on the web side of a connecting portion provided at a portion where the web and the lower flange intersect. having a first arc portion at one end on the open end side, the tangent of which is parallel to the inner surface of the lower flange;
The third opening edge has a second circular arc portion formed in an arc shape connecting the first opening edge and the second opening edge,
The radius of curvature of the first arc portion is larger than the radius of curvature of the second arc portion,
A beam characterized by satisfying the following formula (1), where αw is the stress transmission efficiency of a beam web joint portion that is a joint portion between the web at the end of the H-shaped cross-section beam and the box-shaped cross-section column. end joint.
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