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WO2010103801A1 - 耐震鉄骨構造およびその設計方法 - Google Patents

耐震鉄骨構造およびその設計方法 Download PDF

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Publication number
WO2010103801A1
WO2010103801A1 PCT/JP2010/001647 JP2010001647W WO2010103801A1 WO 2010103801 A1 WO2010103801 A1 WO 2010103801A1 JP 2010001647 W JP2010001647 W JP 2010001647W WO 2010103801 A1 WO2010103801 A1 WO 2010103801A1
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WO
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column
corner
steel
strength
yield
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/001647
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
鈴木孝彦
鈴木悠介
竹内一郎
岡田忠義
Original Assignee
新日本製鐵株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 新日本製鐵株式会社 filed Critical 新日本製鐵株式会社
Priority to JP2010523234A priority Critical patent/JP4691210B2/ja
Publication of WO2010103801A1 publication Critical patent/WO2010103801A1/ja

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground
    • E04H9/021—Bearing, supporting or connecting constructions specially adapted for such buildings
    • E04H9/0237—Structural braces with damping devices

Definitions

  • the present invention relates to a seismic steel structure such as a multi-layer building and a design method thereof.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2009-058935 filed in Japan on March 12, 2009, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • rolled steel materials for building structures are standardized in JIS.
  • weldability low carbon equivalent
  • earthquake resistance low yield ratio, narrow yield point, high Charpy absorbed energy
  • the seismic design of architectural frames especially ramen frames in which columns and beams are rigidly joined, (1) Demonstrate the seismic function by elastic deformation of the framework during small and medium earthquakes, (2) In the event of a large earthquake, exhibit an earthquake resistance function by plastic deformation of the frame, Is the basic idea. More specifically, in (2), in anticipation of energy absorption performance by plastic deformation of the frame, plastic deformation is allowed to exhibit an earthquake resistance function. That is, the design strength is reduced by the plastic deformation performance.
  • the collapse mode of the frame be an overall collapse mode that is advantageous for energy absorption.
  • Non-Patent Document 1 it is recommended to set the column beam strength ratio to 1.5 or more at all nodes in order to realize the overall collapse mode.
  • the column beam strength ratio is a numerical value used as an index for determining the collapse mechanism, and is a value obtained by dividing the column strength by the beam strength.
  • Collapse mode includes partial collapse mode in which all columns in a specific layer (or multiple layers) yield to the beam first, and that specific layer (or multiple layers) collapses, and the beam yields to the column in advance. In addition, it is roughly divided into a total collapse mode in which the plastic hinge is dispersed in all layers.
  • a technique in which a brace using low yield point steel is provided in a portion surrounded by a beam on the upper floor, a beam on the lower floor, and a column connected to these beams.
  • This brace connects the beam on the upper floor (or the corner portion where the column beam on the upper floor intersects) and the corner portion where the column beam on the lower floor intersects.
  • the brace yields ahead of the pillar and the beam, even if a horizontal force acts on the building due to an earthquake or the like, the pillar and the beam can be suppressed within a range of elastic deformation. It is also known to design a framework so that seismic energy input to a building that cannot be absorbed by braces is absorbed by plastically deforming the beam before the column.
  • a part of the upper and lower flanges in the axial direction of the beam has a smaller cross-sectional area than the other parts, or a low yield strength steel material is interposed at the joint between the column side flange and the beam. .
  • a steel member having a tensile strength comparable to that of a steel plate for a beam member is used for the column member.
  • the vertical compressive load is applied to the lower floor pillars, the lower the pillars, the larger the sectional area such as the box cross section, the larger the building, and the higher the weight of the steel material. In this case, high skill and quality control are required for welding.
  • a ramen structure composed of a square steel pipe column and an H-shaped cross-section beam is adopted in many steel-framed buildings.
  • the rectangular steel pipe column is often manufactured by assembling thick plates by welding.
  • a steel material having high design strength (yield strength) and toughness (brittle fracture resistance) is required rather than plastic deformation performance.
  • the tensile strength is increased by increasing the amount of a hardening strengthening element such as carbon as a steel material having a high design strength, the weldability of the steel material is deteriorated. Therefore, the frequency of occurrence of hardening of the heat affected zone and weld cracks is increased.
  • FIGS. 4A and 4B a multilayer in which the column 101 and the beam 102 are connected as shown in FIGS. 4A and 4B.
  • a building 104 (with braces omitted) is constructed.
  • the side pillars 101a, the corner pillars 101b, and the middle pillars 101c provided in one layer of the building 104 have almost the same vertical load on each pillar. Column materials with the same performance are usually used.
  • a steel plate having a tensile strength of 200 N / mm grade 2 to 300 N / mm grade 2 (design strength 80 N / mm grade 2 to 205 N / mm grade 2 ) is used for the braces.
  • B ' a tensile strength in the beam member or the pillar member 400 N / mm 2 class ⁇ 590N / mm 2 class (each design strength, 235N / mm 2 class ⁇ 440 N / mm 2 class) using steel sheet.
  • a steel material with low yield strength is formed by reducing the cross-sectional area of one part (upper and lower flanges) of the beam in comparison with the other parts, or at the joint between the column side flange and the beam. By interposing and joining, a portion that is easily plastically deformed in the beam axis direction is provided.
  • a tensile strength (each design strength of tensile pillar member strength is 490 N / mm 2 class ⁇ 590N / mm 2 primary or 780N / mm 2 class exceeding this, 325N / mm 2 class ⁇ 440 N / mm 2 class Or a steel plate of 700 N / mm class 2 ) exceeding this.
  • the present invention employs the following means.
  • a first aspect of the present invention the side pillars and with 400 N / mm 2 or more yield strength; between the side pillars and the corner post; corner post and with 400 N / mm 2 or more yield strength
  • a first column beam yield strength ratio in the side column is 1.5 or more and 3.0 or less
  • a second column beam yield ratio in the corner column is 1 7 to 3.5
  • the first column beam strength ratio of the side column is lower than the second column beam strength ratio of the corner column.
  • the yield ratio of the side columns and the corner columns may be more than 80% and 95% or less.
  • a second aspect of the present invention is a steel structure having a side column and a corner column having a yield strength of 400 N / mm 2 or more, and a beam connecting the side column and the corner column. 2.
  • a design method the step of setting a yield strength ratio between the side column and the beam in a range of 1.5 or more and 3.0 or less; and a yield strength ratio between the corner column and the beam of 1.7 or more and 3. And a step of setting higher than the yield strength ratio between the side column and the beam in a range of 5 or less.
  • the yield ratio of the side columns and the corner columns may be designed to be more than 80% and 95% or less.
  • the column beam strength ratio of the side column and the column beam strength ratio of the corner column greatly exceed 1.0, the beam is compared with the side column and the corner column. It is possible to reliably surrender in advance. Furthermore, since the column beam strength ratio of the side column is set to 1.5 or more and the column beam strength ratio of the corner column is set to 1.7 or more, it is possible to prevent the early breakage of the column member, The probability of partial collapse of the steel structure can be greatly reduced. Therefore, high yield strength steel having a high yield ratio and a small elongation can be effectively applied to the side columns and corner columns.
  • the column beam strength ratio of the corner column is greater than the column beam strength ratio of the side column. It is set large. Therefore, a highly reliable earthquake-resistant steel structure can be obtained.
  • the upper limit of the column beam strength ratio of the side columns is set to 3.0, and the upper limit of the column beam strength ratio of the corner columns is set to 3.5. Strength design can be avoided.
  • the thickness of the side columns and corner columns can be made thinner than the conventional plate thickness to reduce the column cross-sectional area of the side columns and corner columns. The steel weight of the column cross section can be reduced.
  • FIGS. 1 to 3 show a multi-layered building 4 having a ramen structure that employs an earthquake-resistant steel frame structure and an earthquake-resistant design method according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-layer building 4 has an earthquake-resistant steel frame structure including columns 1, beams 2, and braces 3.
  • Side pillar 1a, corner pillar 1b, and middle pillar 1c are erected at intervals. Further, a beam 2 is connected between the side column 1a and the corner column 1b, between the side column 1a and the middle column 1c, and between the side columns 1a.
  • Column 1 is a rectangular steel tube column, box-shaped cross-section column, circular steel tube column, H-shaped cross-sectional column, or cross-H cross-sectional column (both sides of the web of the H-shaped cross-sectional column) formed by assembling thick steel plates having the same steel composition by appropriate welding.
  • Each of them is composed of a flanged cross-shaped cross-section column in which legs of a T-shaped steel material are fixed by welding.
  • a diaphragm (an inner diaphragm or an outer diaphragm) is provided at the beam joint portion of the column (not shown).
  • the flange and web of the beam 2 are welded to this diaphragm.
  • the diaphragm and the beam 2 may be joined via a splice plate (not shown).
  • the beam 2 or the beam joint is appropriately provided with a plastic deformation portion (not shown).
  • the beam 2 on the upper floor side, the beam 2 on the lower floor side, and the corner portion of the column 1 are connected by the brace 3.
  • seismic energy input to the building can be absorbed by the brace 3 first, and seismic energy that cannot be absorbed by the brace 3 can be absorbed by plastic deformation of the beam 2.
  • the steel materials which consist of a thick steel plate are used as the column material of the side column 1a and the corner column 1b
  • the yield strength of the column material shall be at least 400 N / mm ⁇ 2 >, for example, steel materials C and E in Table 1 are Used.
  • steel materials C and E in Table 1 are Used.
  • a pillar 1 is obtained by assembling pillar materials by welding.
  • Figure 6 shows the probability of partial collapse in the event of a large earthquake by giving variations in yield strength between side columns and beams for three types of frames of 2 to 4 spans in five layers, with the column beam strength ratio as a parameter. The obtained result is shown.
  • the horizontal axis indicates the column beam strength ratio
  • the vertical axis indicates the probability of partial collapse occurrence.
  • the probability of partial collapse can be lowered when the column beam strength ratio in the side column is 1.5 or more. Therefore, in this embodiment, the column beam yield strength ratio between the side column 1a and the beam 2 joined to the side column 1a is set to 1.5 or more.
  • the following factors can be considered as the reason why the partial collapse is high when the column beam strength ratio of the side column is less than 1.5.
  • a horizontal force earthquake force
  • the beam arranged orthogonal to the specific beam also resists the horizontal force. .
  • the concrete floor slab attached to the beam increases the yield strength of the beam. That is, it is considered that due to the factors (1) to (3) described above, the beam becomes difficult to be plastically deformed, so that the column is loaded and partial collapse is likely to occur.
  • the column beam strength ratio of the side column 1a is set to 1.5 or more.
  • the beam can be surely yielded before the side column receives a pulling force and breaks during an earthquake.
  • the column beam strength ratio in the side column 1a is sufficient to be less than 3.0, this is set to 3.0 or less, and the column does not have a remarkably large cross section, and is an economic column.
  • the strength of the column can be improved. Therefore, the cost of the pillar can be reduced.
  • the column beam strength ratio at the corner column 1b is set larger than the column beam strength ratio at the side column 1a. It is set to have a highly safe seismic steel structure or seismic design.
  • Figure 7 shows the column beam strength ratio of the corner column as a parameter.
  • the corner column and beam are given variations in yield strength, causing partial collapse during a large earthquake.
  • required the probability of occurring is shown.
  • the horizontal axis indicates the column beam strength ratio in the corner column
  • the vertical axis indicates the probability of partial collapse occurrence.
  • the column beam yield strength ratio between the corner column 1b and the beam 2 joined to the corner column 1b is set to 1.7 or more.
  • the burden of the pulling tensile force that acts during an earthquake is greater than that in the side column 1a. Therefore, the above factors (1) to (3) can be eliminated by setting the column beam strength ratio to 1.7 or more for the corner column.
  • the column beam strength ratio at the column corner 1b is set to 3.5, which is larger than 3.0 set as the upper limit of the side column 1a. Thereby, the corner pillar 1b does not have a remarkably large cross section, and the cost can be suppressed.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating the column beam strength ratio in the case of the middle column
  • FIG. 5B is a diagram illustrating the column beam strength ratio in the case of the side column or the corner column.
  • the column beam strength ratio of the column 1 is a square steel tube column is the sum of the total plastic bending moments at the left and right ends of each column
  • the beam 2 is the sum of all plastic bending moments in the case of the side column 1a and the corner column 1b.
  • Bending moment) M pbi the column is a comparison of the sum of the total plastic bending moments of the lower column and the lower column.
  • the column beam strength ratio of the i-joint portion is ⁇ ki in the k-th layer in the multi-layer building, it is determined by the following formula (1).
  • ⁇ ki M pci / M pbi (1)
  • M pci M pciu + M pcil
  • ⁇ ycil Yield stress level of the i-joint lower column
  • Z pciu Plastic section modulus of the i-joint upper column
  • Z pcil Plastic section modulus of the i-joint lower column
  • ⁇ iu case of axial forces of
  • the pillar material used as the side pillar 1a or the corner pillar 1b, preferably as the middle pillar 1c is a steel material having the same components as the steel materials A and B described above.
  • the steel materials manufactured by the manufacturing method in which the cooling rate from the austenite solid solution is made faster than those of the steel materials A and B are used.
  • the steel material as the column material is heat-treated (adjusted so that the cooling rate from the austenite solid solution is increased), the structure (pearlite structure or the like) is refined, and the yield strength is increased.
  • the weldability is not lowered by restricting the chemical component f HAZ of the weld heat affected zone (HAZ) to 0.58 or less when a member such as a diaphragm is completely melted and welded to a column like steel C. and so, also, when the Charpy impact energy absorbing performance V Eo and less steel C 70 J desirable.
  • the yield ratio exceeds 95%, the elasticity of the column becomes low and the brittleness increases accordingly, so the yield ratio is set to 95% or less.
  • the column beam joint panel (the column and beam are joined before the column).
  • the middle column 1c In order to prevent the middle column 1c from being broken by plastic deformation of the side plate portion corresponding to the dimension of the beam on the column side of the portion or the portion of the box-shaped or circular panel constituted by each side plate) There is no need to set a limit on the yield ratio.
  • brace 3 a steel material having a lower yield strength than that of the beam 2 is used and the portion 3a to be plastically deformed may be used as in the conventional case.
  • the yield strength of the column material is at least 400 N / mm 2, and in order to prevent the column material from being broken, It is preferable that the column beam strength ratio is 1.5 or more and 3.0 or less, and the column beam strength ratio at the corner column is 1.7 or more and 3.5 or less. More preferably, the column beam strength ratio at the side column is 1.5 or more and 1.7 or less, and the column beam strength ratio at the corner column is 1.7 or more and 1.9 or less. Further, it is preferable to use a column material having a yield strength higher than the yield strength of the beam material, and to make the beam material yield before the column material, or such a seismic design method. If the column is made of a column material with a high yield strength, the steel weight of the column material can be reduced by about 10 to 30%, so the construction cost can be reduced.
  • a steel material having a T-section in a web of a circular steel tube column, an H-shaped cross-section column or an H-shaped cross-section column in addition to a rectangular steel tube column or a box-shaped cross-section column, a steel material having a T-section in a web of a circular steel tube column, an H-shaped cross-section column or an H-shaped cross-section column. It is good also as a cross-section column with a flange which fixed the leg part of this by welding.

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Abstract

　本発明は、４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する側柱と；４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する隅柱と；前記側柱と前記隅柱との間を連結する梁と；を備える鉄骨構造であって、前記側柱における第１の柱梁耐力比が１．５以上３．０以下であり、前記隅柱における第２の柱梁耐力比が１．７以上３．５以下であり、前記側柱の前記第１の柱梁耐力比が前記隅柱の前記第２の柱梁耐力比より低い鉄骨構造を提供する。

Description

耐震鉄骨構造およびその設計方法
　本発明は、多層建築物等の耐震鉄骨構造およびその設計方法に関する。
　本願は、２００９年３月１２日に、日本に出願された特願２００９－０５８９３５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　日本では、建築構造用圧延鋼材（ＳＮ材）がＪＩＳ規格化されている。このＪＩＳ規格の中では、耐震建築物に使用される鋼材の性能に関し、溶接性（低炭素当量）と、耐震性（低降伏比，狭降伏点、高シャルピー吸収エネルギー）と、が規格化されている。
　従来、建築骨組、特に、柱と梁とが剛接合されているラーメン骨組の耐震設計は、
（１）中小地震時には骨組みの弾性変形による耐震機能を発揮させること、
（２）大地震時には骨組の塑性変形による耐震機能を発揮させること、
を基本思想としている。詳述すると、（２）においては、骨組みの塑性変形によるエネルギー吸収性能に期待して、塑性変形を許容して耐震機能を発揮させる。すなわち、塑性変形性能により設計耐力を低減させる。
　大地震に耐えるためには、より大きなエネルギーを吸収する必要がある。従って、一般的には、骨組を構成する部材として、降伏強度ＹＰと引張強度ＴＳとの比ＹＲ（＝ＹＰ／ＴＳ）が０．８０以下の低ＹＲ鋼材を用いて塑性変形性を向上させる。また、骨組の崩壊モードを、エネルギー吸収に有利な全体崩壊モードとすることが推奨されている。
　例えば、非特許文献１では、全体崩壊モードを実現するために、全ての節点で柱梁耐力比を１．５以上に設定することが推奨されている。柱梁耐力比とは、崩壊メカニズムを判別する際の指標として用いられる数値であり、柱の耐力を梁の耐力で除した値である。
　崩壊モードは、特定の層（又は複数層）における全ての柱が梁に対して先行降伏し、その特定の層（又は複数層）が崩壊する部分崩壊モードと、梁が柱に対して先行降伏し、塑性ヒンジが全層に分散する全体崩壊モードとに大別される。
　特定の層における全ての柱が梁に対して先行降伏する部分崩壊モードでは、発生する塑性ヒンジの数が少なくても崩壊が生じる。
　一方、梁が柱に対して先行降伏する全体崩壊モードでは、塑性ヒンジが全層に生成した場合において崩壊が起こる。従って、柱と梁とに同じ塑性変形性能を有する部材を用いた場合、全体崩壊モードでは、部分崩壊モードと比較して骨組のエネルギー吸収能力が高い（例えば、特許文献１参照）。
　また、柱梁耐力比が１．０を超えるような設計も知られている（例えば、特許文献２，３参照）。
　多層建築物の構造において、上階の梁と下階の梁とこれらに連結される柱とで囲まれる部分に、低降伏点鋼を用いたブレースを設ける技術も知られている。このブレースは、上階の梁（又は上階の柱梁が交差するコーナー部）と、下階の柱梁が交差するコーナー部とを連結する。この技術によれば、ブレースが柱及び梁に対して先行降伏するため、地震等により水平力が建物に作用しても、柱と梁とを弾性変形の範囲に抑えることができる。また、ブレースで吸収しきれなかった建物に入力される地震エネルギーを、柱よりも先に梁を塑性変形させることにより吸収するように骨組みを設計することも知られている。
　上述の骨組み設計の一例を以下に示す。
（Ａ）ブレースに引張強度が２００Ｎ／ｍｍ２級～３００Ｎ／ｍｍ２級（それぞれ設計強度で、８０Ｎ／ｍｍ２級～２０５Ｎ／ｍｍ２級）の鋼板を用いる。
（Ｂ）梁部材及び柱部材に引張強度が４００Ｎ／ｍｍ２級（ＳＮ４００）～５９０Ｎ／ｍｍ２級（それぞれ設計強度で、２３５Ｎ／ｍｍ２級～４４０Ｎ／ｍｍ２級）の鋼板を用いる。
（Ｃ）梁の軸方向の上下フランジの一部を他の部分よりも、断面積を小さくする、又は、柱側のフランジと梁との接合部に低降伏強度の鋼材を介在させて接合する。
　上述のように骨組みを設計することで、塑性変形しやすくした部分を含む梁を柱に対して先行降伏させることができる。その結果、柱を弾性変形の範囲内で使用できる。
　通常、柱部材には、梁部材用鋼板と同程度の引張強度を有する鋼材が使用される。また、下階の柱には、鉛直方向の圧縮荷重が大きくかかるため、建物が高い程、下階の柱はボックス断面等の断面積を大きくする必要があり、その鋼材重量が大きくなる。この場合、溶接に関しても高度の熟練と品質管理とが要求される。
　ところで、鉄骨造の建物の多くには、角形鋼管柱とＨ形断面梁とからなるラーメン構造が採用されている。前記の角形鋼管柱は、厚板を溶接により組み立てて製作される場合も多い。
　前記のように、柱を弾性変形の範囲内で使用する場合の柱素材としては、塑性変形性能よりも、むしろ設計強度（降伏強度）と靭性（耐脆性破壊）の高い鋼材が求められている。しかし、設計強度が高い鋼材として、炭素等の硬化強化元素の量を増加させて引張強度を増加させる場合、鋼材の溶接性は劣化する。従って、溶接熱影響部の硬化や溶接割れの発生頻度が高まる。
　また、硬化や割れを防止するために柱を予熱して溶接する場合、施工コストが増加する。予熱を必要としない一般的な鋼材（設計強度２３５～３２５Ｎ／ｍｍ２級）を用いると、角形鋼管柱を構成する各側面板の板厚が厚くなり、溶接金属が多く必要になると共に、角形鋼管柱の鋼重が重くなる。このため、建築物の重量も重くなり、コストが増加する。
　従来、前記のように、柱を弾性変形の範囲内で使用することを前提に骨組みが設計される場合に、図４Ａ、図４Ｂに示すように、柱１０１と梁１０２とが連結された多層建築物１０４（ブレース等は省略した）が構築される。しかし、このような建築物１０４の一層に設けられる側柱１０１ａと隅柱１０１ｂと中柱１０１ｃとには、それぞれの柱が負担する鉛直荷重がほぼ同じである場合、配置される位置によらず同じ性能の柱素材が通常は用いられる。
　しかし、中柱よりも、前記の側柱と隅柱には、地震時に建物に水平力等の地震エネルギーが入力された場合、建物の転倒を防ぐための引張力あるいは圧縮力が作用する。このため、側柱と隅柱の部材には、負担が大きくかかる。
特開２００６－２９１６９８号公報 特開２００６－４５８２１号公報 特開２００６－４５８２０号公報
冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル（日本建築センター発行）
　柱を弾性変形の範囲内において使用するために、引張強度の大小関係がブレース用鋼材＜梁用鋼材＜柱用鋼材となるように鋼材を選定した上で、以下のように設計を行うことを想定する。
（Ａ’）ブレースに引張強度が２００Ｎ／ｍｍ２級～３００Ｎ／ｍｍ２級（設計強度８０Ｎ／ｍｍ２級～２０５Ｎ／ｍｍ２級）の鋼板を用いる。
（Ｂ’）梁部材又は柱部材に引張強度が４００Ｎ／ｍｍ２級～５９０Ｎ／ｍｍ２級（それぞれ設計強度で、２３５Ｎ／ｍｍ２級～４４０Ｎ／ｍｍ２級）の鋼板を用いる。
（Ｃ’）梁の軸方向の（上下フランジの）一部を他の部分よりも、断面積を小さくすることにより、又は、柱側のフランジと梁との接合部に低降伏強度の鋼材を介在させて接合することにより、梁軸方向に塑性変形しやすい部分を設ける。
（Ｄ’）柱部材に引張強度が４９０Ｎ／ｍｍ２級～５９０Ｎ／ｍｍ２級あるいはこれを超える７８０Ｎ／ｍｍ２級の引張強度（それぞれ設計強度で、３２５Ｎ／ｍｍ２級～４４０Ｎ／ｍｍ２級、あるいはこれを越える７００Ｎ／ｍｍ２級）の鋼板を用いる。
　このような設計においては、柱部材、特に、側柱と隅柱とには、地震時に建物に水平力等の地震エネルギーが入力された場合、引き抜きの引張力あるいは押し込みの圧縮力が作用する。側柱と隅柱とにはこれらの引張力又は圧縮力が同様にかかるが、隅柱にはさらに、その引張力又は圧縮力が大きくかかる。従って、側柱よりも隅柱の耐力（もしくは強度）を高めるようにすることが望まれる。
　しかし、前記のように、側柱又は隅柱の引張強度を向上させるために、炭素当量等に関わる硬化強化元素を増加させると、鋼材の溶接性が低下する。また、柱素材の組成が異なる異質の鋼材が用いられる場合、鋼材の製造初期の段階から異なる処理が必要になるため、コストが増加する。
　このような課題があるため、柱を塑性変形させずに弾性変形の範囲において使用する弾性設計を前提にした技術の場合、柱素材の組成を変えずに冷却速度を高める等の熱処理により、降伏強度を高めるようにした方（降伏比を高めること）が、安価な柱素材とすることができる。また、中柱と側柱および隅柱とは、前記のように地震時に水平力が作用した場合の負担が異なる。このため、中柱と側柱および隅柱とを、鋼材組成が同じで性能の異なる鋼材にするほうが、建設コスト削減ができて、より合理的である。
　このように、建設コスト削減のために柱に高降伏強度鋼を使用する場合、高降伏強度での降伏比の上昇と伸びの減少により、柱の早期破断の恐れが生じる。従って、早期破断の恐れを排除した耐震鉄骨構造およびそのような耐震鉄骨構造とする耐震設計方法が必要になる。
　この場合、柱断面を格段に大きくすることなく、また柱素材の溶接性を低下させることなく、鋼重を低減することができる安価な柱で合理的な構造の耐震鉄骨構造およびその耐震設計方法が求められる。
　本発明は、このような課題に有利な耐震鉄骨構造およびその耐震設計方法を提供することを目的とする。
　上述の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用した。
（１）本発明の第１の態様は、４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する側柱と；４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する隅柱と；前記側柱と前記隅柱との間を連結する梁と；を備える鉄骨構造であって、前記側柱における第１の柱梁耐力比が１．５以上３．０以下であり、前記隅柱における第２の柱梁耐力比が１．７以上３．５以下であり、前記側柱の前記第１の柱梁耐力比が前記隅柱の前記第２の柱梁耐力比より低い鉄骨構造である。
である。
（２）上記（１）に記載の鉄骨構造では、前記側柱及び前記隅柱の降伏比が８０％超９５％以下であってもよい。
（３）本発明の第２の様態は、４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する側柱及び隅柱と、前記側柱と前記隅柱との間を連結する梁と、を備える鉄骨構造の設計方法であって、前記側柱と前記梁との耐力比を１．５以上３．０以下の範囲に設定する工程と；前記隅柱と前記梁との耐力比を１．７以上３．５以下の範囲で前記側柱と前記梁との耐力比よりも高く設定する工程と；を備える鉄骨構造の設計方法である。
（４）上記（３）に記載の鉄骨構造の設計方法では、前記側柱及び前記隅柱の降伏比が８０％超９５％以下に設計されてもよい。
　上記（１）又は（３）に記載の態様によれば、側柱の柱梁耐力比及び隅柱の柱梁耐力比が１．０を大きく上回るため、梁を側柱と隅柱とに対して確実に先行降伏させることができる。更に、側柱の柱梁耐力比が１．５以上に設定され、且つ、隅柱の柱梁耐力比が１．７以上に設定されるため、柱部材の早期破断を防止することができ、鉄骨構造の部分崩壊の確率を大きく低下させることができる。そのため、降伏比が高く伸びが小さな高降伏強度鋼を側柱および隅柱に効果的に適用することができる。また、地震時において建物に水平力等の力が作用した場合には、隅柱に引き抜き力および圧縮力が大きく作用するため、隅柱の柱梁耐力比を側柱の柱梁耐力比よりも大きく設定している。従って、信頼性の高い耐震鉄骨構造を得ることができる。更に、側柱の柱梁耐力比の上限が３．０に設定され、隅柱の柱梁耐力比の上限が３．５に設定されるため、側柱及び隅柱に関する必要以上の重量設計や強度設計を避けることができる。また、更なる効果として、側柱および隅柱の板厚を、従来の場合の板厚よりも薄くして、側柱および隅柱の柱断面積を少なくすることができるため、側柱および隅柱の柱断面の鋼重減少が図れる。従って、低い建設コストで耐震構造を得ることができる。また、柱の運搬の施工性もよくなる。
　上記（２）又は（４）に記載の態様によれば、側柱と隅柱の降伏比が８０％以上９５％以下であるため、建設コストを抑えることができる。
本発明の一実施形態の建築物を示す正面図である。 図１に示す建築物の地震時における挙動を示す正面図である。 図１に示す建築物の柱の配置を示す概略平面図である。 従来の建築物を示す概略正面図である。 同建築物の柱の配置を示す概略平面図である。 節点における耐力比較説明図である。 節点における耐力比較説明図である。 側柱の柱梁耐力比と部分崩壊の発生確率との関係を示す図である。 隅柱の柱梁耐力比と部分崩壊の発生確率との関係を示す図である。
　　次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。
　図１～図３には、本発明の一実施形態に係る耐震鉄骨構造とその耐震設計方法とを採用したラーメン構造の多層建築物４が示されている。
　多層建築物４は、柱１と梁２とブレース３とを備える耐震鉄骨構造を有する。
　側柱１ａと、隅柱１ｂと、中柱１ｃとは、間隔をおいて立設される。また、側柱１ａと隅柱１ｂとの間、側柱１ａと中柱１ｃとの間、および側柱１ａ間は、梁２により連結されている。
　柱１は、同じ鋼材組成の厚鋼板を適宜溶接により組み立てて形成される角形鋼管柱、箱形断面柱、円形鋼管柱、Ｈ形断面柱、又はクロスＨ断面柱（Ｈ形断面柱のウェブ両面それぞれに断面Ｔ形の鋼材の脚部を溶接により固定したフランジ付十字形断面柱）により構成される。前記柱の梁接合部には、ダイアフラム（内ダイアフラム又は外ダイアフラム）が設けられる（図示せず）。このダイアフラムには、梁２のフランジおよびウェブが溶接される。ダイアフラムと梁２とは、スプライスプレート（図示せず）を介して接合されてもよい。なお、梁２または梁接合部は、塑性変形部を適宜備えている（図示を省略した）。前記のダイアフラムと柱とを溶接する場合は、レ形開先の完全溶け込み溶接により接合することが好ましい。
　本実施形態に係る鉄骨構造では、上階側の梁２と、下階側の梁２と柱１のコーナー部とが、ブレース３により連結される。このような鉄骨構造により、建物に入力される地震エネルギーを、最初にブレース３により吸収し、ブレース３により吸収しきれなかった地震エネルギーを梁２の塑性変形により吸収することができる。
　また、前記形態では、側柱１ａおよび隅柱１ｂの柱素材として厚鋼板からなる鋼材が用いられ、その柱素材の降伏強度を少なくとも４００Ｎ／ｍｍ２とし、例えば、表１における鋼材Ｃ，Ｅが用いられる。前記以外にも、特に上限を定めるものではないが、例えば、引張強度が７８０Ｎ／ｍｍ２（設計強度７００Ｎ／ｍｍ２）級の鋼材を使用することも可能である。柱素材を溶接により組み立てて柱１が得られる。
　図６は、柱梁耐力比をパラメータにとり、５層で２～４スパンの３種類の骨組を対象に、側柱と梁とに降伏強度のバラツキを与えて大地震時に部分崩壊が生じる確率を求めた結果を示す。図６中、横軸は柱梁耐力比を示し、縦軸は部分崩壊発生確率を示す。この図６に示すように、側柱における柱梁耐力比が１．５以上である場合、部分崩壊の確率を下げることができることがわかる。従って、本実施形態においては、側柱１ａと、これに接合される梁２との柱梁耐力比は、１．５以上に設定される。尚、図６において、側柱の柱梁耐力比が１．５未満の場合に部分崩壊が生じる確率が高い理由としては、以下の要因が考えられる。
（１）所定の方向に延びる特定の梁に対して４５度方向から水平力（地震力）が作用した場合に、その特定の梁に直交して配設される梁もその水平力に抵抗する。
（２）鋼材のばらつきが大きい。
（３）梁に取り付けられるコンクリート床スラブにより、梁の耐力が上昇する。
　即ち、上記（１）～（３）の要因により、梁が塑性変形しにくい状態になるため柱に負荷がかかり、部分崩壊が生じやすくなると考えられる。
　本発明では、上述の要因の影響を受けないようにするために、側柱１ａの柱梁耐力比を１．５以上に設定している。これにより、地震時に側柱が引き抜き力を受けて破断する前に、梁を確実に降伏させることができる。
　また、側柱１ａでの柱梁耐力比は、３．０弱で十分であることから、これを３．０以下として、柱が格段に大きな断面とならず、経済的な柱としている。
　このような場合、梁素材の降伏強度よりも降伏強度の高い柱素材を用い、梁素材を柱素材に対して先行降伏させるようにすることで、梁に対して柱の耐力を高める場合に、少ない鋼重で、柱の耐力を向上させることができる。従って、柱のコストを低減できる。
　隅柱１ｂは、側柱１ａに比べて、地震時に水平力が建築物４に入力された場合、引き抜きの引張力あるいは押し込みの圧縮力がさらに大きくなる。従って、同じ階層で同じ梁材を側柱１ａあるいは隅柱１ｂに接合した場合等において、隅柱１ｂでの柱梁耐力比を、側柱１ａでの柱梁耐力比よりも大きく設定することにより、安全性の高い耐震鉄骨構造あるいは耐震設計となるように設定している。
　図７は、隅柱における柱梁耐力比をパラメータにとり、５層で２～４スパンの３種類の骨組を対象に、隅柱と梁とに降伏強度のバラツキを与えて大地震時に部分崩壊が生じる確率を求めた結果を示す。図７中、横軸は隅柱における柱梁耐力比を示し、縦軸は部分崩壊発生確率を示す。この図７に示すように、隅柱における柱梁耐力比が１．７以上である場合、部分崩壊の確率を下げることができることがわかる。従って、本実施形態においては、隅柱１ｂと、これに接合される梁２との柱梁耐力比は、１．７以上に設定される。特に隅柱１ｂでは、側柱１ａよりも、地震時に作用する引き抜きの引張力の負担が大きくなる。従って、上述の（１）～（３）の要因は、隅柱に関してはその柱梁耐力比を１．７以上にすることで解消できる。また、柱の隅柱１ｂでの柱梁耐力比は、側柱１ａの上限として設定した３．０よりも大きい３．５を上限とする。これにより、隅柱１ｂが格段に大きな断面とならず、コストを抑えることができる。尚、側柱と隅柱の余裕度（破断に対する安全率）が同程度となるように、その比率を１．１３（＝１．７／１．５）程度にすることが好ましい。
　また、各側柱１ａおよび隅柱１ｂの引張強度（または降伏強度）を、梁２の引張強度（または降伏強度）よりも高い鋼材を使用するようにすることで、鋼重増および溶接性並びに搬送設置の施工性を低下させることなく、より信頼性の高い耐震鉄骨構造の建築物とすることができる。
　前記の柱梁耐力比（α）について、図５Ａ、図５Ｂに示す節点における耐力比較説明図を参照して説明する。図５Ａは中柱の場合の柱梁耐力比、図５Ｂは側柱又は隅柱の場合の柱梁耐力比を説明する図である。柱１が角形鋼管柱の柱梁耐力比は、各接合部まわりで、梁２は左右両端の全塑性曲げモーメントの和（側柱１ａ並びに隅柱１ｂの場合には取り付く１つの梁の全塑性曲げモーメント）Ｍｐｂｉ、柱は上階の柱下部と下階の柱上部の全塑性曲げモーメントの和で比較したものである。例えば、多層建築物におけるｋ層目でｉ接合部の柱梁耐力比をαｋｉとした場合、下記式（１）により定められる。
　αｋｉ＝Ｍｐｃｉ／Ｍｐｂｉ　　　　　　（１）
　ここで、Ｍｐｃｉ＝Ｍｐｃｉｕ＋Ｍｐｃｉｌ
　Ｍｐｃｉｕ：接合部上部柱の全塑性曲げモーメント＝νｉｕ・σｙｃｉｕ・Ｚｐｃｉｕ
　Ｍｐｃｉｌ：接合部下部柱の全塑性曲げモーメント＝νｉｌ・σｙｃｉｌ・Ｚｐｃｉｌ
　σｙｃｉｕ：ｉ接合部上部柱の降伏応力度
　σｙｃｉｌ：ｉ接合部下部柱の降伏応力度
　Ｚｐｃｉｕ：ｉ接合部上部柱の塑性断面係数
　Ｚｐｃｉｌ：ｉ接合部下部柱の塑性断面係数
　νｉｕ：ｉ接合部上部の柱の軸力による全塑性曲げモーメントの低下率
　軸力比　ｎ≦０．５の場合　νｉｕ＝（１－４ｎ２／３）
　　　　　ｎ＞０．５の場合　νｉｕ＝４（１－ｎ）／３
　νｉｌ：ｉ接合部下部の柱の軸力による全塑性曲げモーメントの低下率
　軸力比　ｎ≦０．５の場合　νｉｌ＝（１－４ｎ２／３）
　　　　　ｎ＞０．５の場合　νｉｌ＝４（１－ｎ）／３
　また、本発明の実施形態では、側柱１ａまたは隅柱１ｂとして、好ましくはこれらに加えて中柱１ｃとして使用される柱素材は、前記の鋼材Ａ、Ｂと同様な成分の鋼材であるが、これらの鋼材Ａ、Ｂよりも、オーステナイト固溶体からの冷却速度がより速くされた製造方法により製造された鋼材が用いられる。柱素材としての鋼材は、熱処理（オーステナイト固溶体からの冷却速度が速くなるように調整）されて、組織（パーライト組織等）が微細化されて、降伏強度が高められている。そのため、柱間のスパンが１５ｍ～２５ｍの大規模空間を実現することが可能になり、荷重負担が増大しても、これに容易に対応することが可能な高強度の柱とすることができる。しかも鋼材の成分が変わらないから、ダイアフラムあるいは梁フランジ等を溶接により柱に取り付ける場合等の溶接性を低下させることがない。
　素材として、鋼材Ｃのように、柱にダイアフラム等の部材を全溶け込み溶接した場合の溶接熱影響部（ＨＡＺ）の化学成分ｆＨＡＺを０．５８以下に規制することで、溶接性を低下しないようにし、また、シャルピー衝撃エネルギー吸収性能ＶＥｏを７０Ｊ以下の鋼材Ｃとすると望ましい。
　また、降伏比が９５％を超えるようになると、柱の弾性が低くなりその分、脆性が増すため、降伏比を９５％以下とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　なお、中柱１ｃ（側柱１ａおよび隅柱１ｂ以外の柱）については、たとえ、柱梁耐力比が１．０未満でも、柱に先行して柱梁接合部パネル（柱と梁が接合される部位の柱側の梁せいの寸法に相当する側面板部分または各側面板により構成される箱型もしくは円形のパネルの部分）が塑性変形して中柱１ｃの破断を防止するため、柱梁耐力比の制限を設ける必要はない。
　また、ブレース３としては、前記の従来の場合と同様に、梁２よりも低降伏強度の鋼材が用いられ、塑性変形させる部分３ａを部分的に備えた形態でもよい。
　以上のことから、本発明の耐震鉄骨構造あるいは耐震鉄骨構造の耐震設計をする場合に、柱素材の降伏強度を少なくとも４００Ｎ／ｍｍ２とし、前記柱素材の破断を防止するために、側柱での柱梁耐力比を１．５以上３．０以下とし、隅柱での柱梁耐力比を１．７以上３．５以下とするとよい。尚好ましくは、側柱での柱梁耐力比を１．５以上１．７以下とし、隅柱での柱梁耐力比を１．７以上１．９以下とするとよい。また、梁素材の降伏強度よりも降伏強度の高い柱素材を用い、梁素材を柱素材よりも先行して降伏させるようにした耐震鉄骨構造またはそのような耐震設計方法とするのがよい。降伏強度の高い柱素材を用いた柱とすると柱素材の鋼重を１割～３割程度低減することも可能になるため、建設コストを低減できる。
　本発明を実施する場合、１階以上の階層の柱としては、角形鋼管柱または箱形断面柱以外にも、円形鋼管柱、Ｈ形断面柱あるいはＨ形断面柱のウェブに断面Ｔ形の鋼材の脚部を溶接により固定したフランジ付十字形断面柱としてもよい。
　本発明によれば、柱断面を格段に大きくすることなく、また柱素材の溶接性を低下させることなく、鋼重を低減することができる安価な柱で合理的な構造の耐震鉄骨構造を得られる。従って、産業上の利用可能性は大きい。
１　柱
１ａ　側柱
１ｂ　隅柱
１ｃ　中柱
２　梁
３　ブレース
３ａ　塑性変形させる部分
４　建築物

Claims (4)

  1. 　４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する側柱と；
    　４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する隅柱と；
    　前記側柱と前記隅柱との間を連結する梁と；
    を備える鉄骨構造であって、
    　前記側柱における第１の柱梁耐力比が１．５以上３．０以下であり、
    　前記隅柱における第２の柱梁耐力比が１．７以上３．５以下であり、
    　前記側柱の前記第１の柱梁耐力比が前記隅柱の前記第２の柱梁耐力比より低い
    ことを特徴とする鉄骨構造。
  2. 　前記側柱及び前記隅柱の降伏比が８０％超９５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉄骨構造。
  3. 　４００Ｎ／ｍｍ２以上の降伏強度を有する側柱及び隅柱と、前記側柱と前記隅柱との間を連結する梁と、を備える鉄骨構造の設計方法であって、
    　前記側柱と前記梁との耐力比を１．５以上３．０以下の範囲に設定する工程と；
    　前記隅柱と前記梁との耐力比を１．７以上３．５以下の範囲で前記側柱と前記梁との耐力比よりも高く設定する工程と；
    　を備えることを特徴とする鉄骨構造の設計方法。
  4. 　前記側柱及び前記隅柱の降伏比が８０％超９５％以下に設計されることを特徴とする請求項３に記載の鉄骨構造の設計方法。
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