JP2001288823A - 柱梁の接合部補強構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】鋼管柱の接合部位における水平ダイアフラムと
Ｈ形鋼梁の梁フランジとの補剛性を高め、耐震性能の向
上と共に、脆性破壊の発生を防止することができるよう
にした柱梁の接合構造を提供する。 【解決手段】鋼管柱１の梁接合部位にＨ形鋼梁２の梁ウ
ェブ３の端面を接合し、その梁フランジ４の端面を鋼管
柱１の外周側面に設けた水平ダイアフラム１１に溶接す
る。Ｈ形鋼梁２の梁フランジ４と水平ダイアフラム１１
との間に補剛プレート７を溶接ｗする。この補剛プレー
ト７の溶接部を、Ｈ形鋼梁２からの引張力等に対して水
平ダイアフラム１１および梁フランジ４との溶接部位の
梁軸方向に沿う溶接長方向の剪断力が主として作用する
ように設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、建築分野
等における鉄骨架構に適用される柱梁の接合構造に関
し、特に、鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部位の補剛構造に
改良を施した柱梁の接合部補強構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の建築鉄骨架構においては、図６か
ら図８に示すように、鉄骨フレームを角形鋼管柱１とＨ
形鋼梁２との剛接により構成してなるものがある。この
ような接合部においては、（１）梁端部に溶接のための
スカラップと呼ばれる断面欠損部が存在し、梁フランジ
部に応力が集中すること、（２）梁ウエブから接合部に
作用する力に対して接合部が変形しやすく、結果として
ウエブの抵抗力が低下し、梁フランジに応力が集中する
こと、（３）最も大きな応力度が作用する個所が材質劣
化などが起きやすい溶接部であり、加えてその部分に破
断の主因となる引張り応力が作用する等の問題点があ
る。単純化して言えば（１）の応力集中と（２）の溶接
部への引張応力の作用が主なポイントである。

【０００３】さらに具体的に説明すると、このような柱
梁の接合部位には、通常、鋼管柱１に上下方向に間隔を
置いて水平なダイアフラム１１を溶接により取り付ける
か、または上下に分割された鋼管柱１の分割鋼管１Ａ，
１Ｂ間に、所謂、「サイコロ」と称される個体からなる
中間梁接合体１０が介在されて溶接ｗされている。この
中間梁接合体１０は、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の上下両
端に設けた梁フランジ４，４間の背丈（梁せい）に応じ
た間隔を存して上下一対の鋼板からなる角形の水平ダイ
アフラム１１，１１と、これら水平ダイアフラム１１間
に溶接ｗにて接合される鋼管柱１と同形の接合鋼管１２
とで一体に構成されている。そして、Ｈ形鋼梁２の梁ウ
ェブ３の端面は、中間梁接合体１０の接合鋼管１２の外
周側面１２ａに溶接ｗされ、一方、その各梁フランジ４
の端面は、各水平ダイアフラム１１に溶接ｗされて、鋼
管柱１とＨ形鋼梁２とに作用する曲げモーメント、軸力
などの断面力を相互に伝達している。

【０００４】また、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の接合端側
の上下部には、スカラップ５が各梁フランジ４の溶接端
に対応させてそれぞれ切込み形成され、このスカラップ
５の形成により、水平ダイアフラム１１に裏当て金６を
介して溶接ｗされる梁フランジ４の溶接端の連続性を確
保している。これにより、Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆと
圧縮力Ｐによる変形を防止し、剛性及び耐力を高めてな
るとともに、耐震性能の向上を図っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の柱梁の接合構造にあっては、鋼管柱１とＨ形鋼
梁２の接合部位に、地震時等において、Ｈ形鋼梁２から
の曲げモーメント、すなわち、図６に実線矢印Ａで示す
ような梁軸方向の中心軸Ｏ−Ｏ廻りの捩じれ、あるい
は、図６に点線矢印Ｂで示すような鉛直方向Ｙの荷重が
作用すると、図６に斜線で模式図的に示すように、Ｈ形
鋼梁２の応力伝達が鋼管柱１との接合部位に（ａ）
（ｂ）（ｃ）と近づくに連れて、その歪の直線性が崩れ
る。特に、鋼管柱１との接合部位近傍では、Ｈ形鋼梁２
の梁ウェブ３の歪が小さくなり、逆に、梁フランジ４の
歪が大きくなるという現象を呈する。

【０００６】このようなＨ形鋼梁２の歪現象は、第１
に、梁端近傍に水平ダイアフラム１１に対する梁フラン
ジ４の溶接部の連続性を確保するためのスカラップ５に
よる断面欠損が存在し、梁フランジ部に応力が集中する
こと、第２に、梁端の接合部に近づくに連れて、梁ウェ
ブ３の歪が非常に小さくなることに起因する。

【０００７】すなわち、例えば、昭和６３年７月に日本
建築学会発行の「日本建築学会構造系論文報告集」（第
３８９号、第１２２頁から第１３１頁）の「角形鋼管柱
に接合されるＨ形鋼はり端部の曲げ耐力の評価」の欄に
公表されているように、Ｈ形鋼梁２における梁接合端側
の応力分布は、鋼管幅厚比の影響を受ける。そして、梁
ウェブ３のスカラップ５の存在は、断面欠損による曲げ
性能の低下をもたらすばかりでなく、局部的な応力分布
の乱れの原因ともなり、これらは、梁端の曲げ耐力に影
響を与える因子となる。また、鋼管柱１とＨ形鋼梁２の
接合部位では、水平ダイアフラム１１に対する梁フラン
ジ４の面外曲げ剛性が低いため、梁接合端では平面保持
の仮定が成立せず、梁ウェブ３は、ほとんど曲げ応力を
負担しない。

【０００８】図９は、Ｈ形鋼梁に対する鋼管幅厚比の影
響について、面外曲げを考慮した平面要素を用いた有限
要素法（ＦＥＭ）による弾性解析により求めてなる解析
結果と実験結果に基づき、梁ウェブの鋼管面から離れた
各断面における梁軸方向応力（σ）及び剪断応力（τ）
の分布図である。

【０００９】ここで、解析対象は、通しダイアフラム補
剛形式の十字形部分架構供試体（ＳＴＸ９−０．７５：
鋼管幅厚比Ｂ／Ｔ＝１７）を用い、また、図における梁
軸方向応力（σ）の分布中の破線は梁理論値、剪断応力
（τ）の分布中の破線は、梁ウェブの平均剪断応力の値
である。この場合に、Ｈ形鋼梁に対する荷重を０．５ｔ
とし、鋼管面からの離間距離をｄｓ（ｃｍ）で示し、ス
カラップ先端位置は、鋼管面より６０ｍｍとする。

【００１０】図９に示す分布図に検討するに、角形鋼管
の鋼管面よりＨ形鋼梁の背丈（例えば、３０ｃｍ）程度
離れた梁ウェブの部位では、梁軸方向応力（σ）が梁理
論値に一致し、一方、剪断応力（τ）は、平均剪断応力
の値に一致する応力分布を呈する。そして、梁ウェブの
部位が鋼管面に近づくに連れて、それらの応力分布が乱
れ、鋼管面近傍の梁端では、梁軸方向応力（σ）が梁理
論値と大きく異なっている。これにより、梁ウェブの曲
げ応力の負担は、梁理論によるものより小さくなり、中
立軸（梁軸方向の中心軸Ｏ−Ｏ）近傍では、ほとんど曲
げ応力負担が期待できない。

【００１１】このようなＨ形鋼梁２の梁端における梁ウ
ェブ３の応力分布の乱れは、鋼管柱１の接合壁面の面外
変形となって現われる。すなわち、Ｈ形鋼梁２に曲げモ
ーメントが加わると、梁ウェブ３と梁フランジ４の梁端
に引張応力及び圧縮応力が作用する。このとき、Ｈ形鋼
梁２の梁フランジ４端は、水平ダイアフラム１１に直接
剛接されているため、応力に対する抗張力がＨ形鋼梁２
に伝達されるが、特に、梁ウェブ３端では、応力に対し
て、それを受ける補剛部材がないために、鋼管柱１の接
合壁面、すなわち、中間梁接合体１０を形成する接合鋼
管１２の外周側面１２ａが、図７に２点破線で示すよう
に、引張応力Ｆに対して梁軸方向に膨らむように変形δ
することにより抵抗するしかない。

【００１２】その結果、図６における梁フランジ（ａ）
（ｂ）（ｃ）の位置に対応して、それぞれ図１０
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、梁ウェブ３の引
張応力に対する無効部（白抜き部分）が、鋼管柱１の接
合壁面１ａに近づくに連れて大きくなるため、梁ウェブ
３の有効性が喪失し、接合鋼管１２の外周側面１２ａの
変形により、梁フランジ４端に応力が集中し、その溶接
部位が全面的に破断し易く、柱梁の接合部位の耐震性能
に大きな影響を与える要因となっている。

【００１３】そこで、従来では、例えば、特開平１１−
６１９９４号公報に開示されているように、鋼管柱とＨ
形鋼梁との接合部位間に補強プレート、ガセットプレー
ト等の幾つもの補剛部材を添設することにより、上述し
たような梁ウェブ端の接合部位における破断を防止して
いるものであるが、複数の補剛部材の添設による溶接個
所が多く、現場での溶接作業に多大な手間を要する。

【００１４】また従来、図１１に示すように、Ｈ形鋼梁
２の各梁フランジ４の水平方向Ｘの両側面に補剛プレー
ト７を溶接ｗし、この補剛プレート７の端面を水平ダイ
アフラム１１の端面に溶接ｗして、梁フランジ４の断面
積を増やすことにより補剛してなる、所謂、「サイドプ
レート工法」と称される補剛構造を有するものが提案さ
れている。

【００１５】しかしながら、このような「サイドプレー
ト工法」による補剛構造では、補剛プレート７が、Ｈ形
鋼梁２の梁フランジ４の側面に、水平方向Ｘに張出し状
態で溶接ｗされているとともに、その端面が水平ダイア
フラム１１の端面に突合せ溶接ｗされていることから、
Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆが作用すると、図１２（ａ）
に矢印で示すように、水平ダイアフラム１１と補剛プレ
ート７との溶接部位が伸びて、その部位に引張応力ｆが
作用する。

【００１６】その結果、図１２（ｂ）に矢印で示すよう
に、Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆが梁フランジ４から補剛
プレート７、補剛プレート７から水平ダイアフラム１１
に伝達されて、材質劣化を惹起し易い水平ダイアフラム
１１と補剛プレート７との溶接部位に作用する。しか
も、梁フランジ４の端面を含めて水平ダイアフラム１１
との溶接長が長くなるため、溶接施工上において不可避
である溶接欠陥が入る可能性が高く、このような溶接欠
陥の大小が溶接強度に大きな影響を及ぼし、溶接品質の
バラツキの許容範囲を狭める。したがって、たとえ、応
力レベルが低下したとしても、梁フランジ４と水平ダイ
アフラム１１との溶接部位での引張応力ｆによる脆性破
壊を発生させる危険性を払拭するまでには至らない。

【００１７】本発明は、上記した事情に鑑みてなされた
もので、また溶接部に引張力が作用する場合と比較し
て、溶接部に溶接長方向のせん断力が作用する場合で
は、溶接部に引張力が作用する場合と比較して、溶接部
からの脆性破壊発生の可能性が低いという利点を有効に
利用して、鋼管柱の接合部位における水平ダイアフラム
とＨ形鋼梁の梁フランジとの補剛性を高め、耐震性能の
向上と共に、脆性破壊の発生を防止することができるよ
うにした柱梁の接合部補強構造を提供することを目的と
する。

【００１８】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、本発明は、鋼管柱部材の梁接合部位に設けた水平
ダイアフラムにＨ形鋼梁部材の梁フランジ端を溶接し、
このＨ形鋼梁部材の梁ウェブ端を鋼管柱部材の外周側面
に接合するとともに、水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材
の梁フランジとの間に補剛プレートを溶接してなる柱梁
の接合部補強構造において、補剛プレートの各溶接部
を、梁軸方向に沿う溶接長方向に主として剪断力が作用
するように設けてなることを特徴とする。

【００１９】また本発明は、鋼管柱部材の梁接合部位の
外周側面に設けた水平ダイアフラムにＨ形鋼梁部材の梁
フランジ端を溶接し、このＨ形鋼梁部材の梁ウェブ端を
鋼管柱部材の外周側面に接合するとともに、水平ダイア
フラムとＨ形鋼梁部材の梁フランジとの間に補剛プレー
トを溶接してなる柱梁の接合部補強構造において、補剛
プレートを、Ｈ形鋼梁部材からの引張力に対して水平ダ
イアフラムとの溶接部位の梁軸方向に沿う溶接長方向に
平行な剪断力が主として作用するように設けてなること
を特徴とする。この場合、上記補剛プレートをＨ形鋼梁
部材の梁フランジおよび水平ダイアフラムに対して直交
させて溶接することが好ましい。

【００２０】すなわち、本発明は、上記の構成とするこ
とにより、水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材の梁フラン
ジとの間に溶接される補剛プレートの各溶接部および補
剛プレートを、Ｈ形鋼梁部材からの引張力等に対して梁
フランジおよび水平ダイアフラムとの溶接部位の溶接長
方向の主として剪断力が作用するように設けてなるため
に、従前のように、梁フランジと水平ダイアフラムとの
溶接部位における引張応力の作用による場合と比較し
て、脆性破壊に対する抵抗を高めることが可能になる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１か
ら図５に示す図面を参照しながら詳細に説明する。な
お、本発明の図示の実施形態において、図６から図８及
び図１０に示す従来構造の柱梁の接合構造と構成が重複
する部分は同一符号を用いて説明する。図１は柱梁の接
合状態の説明図、図２は要部側面図、図３は平面図であ
る。

【００２２】図１から図３に示すように、鋼管柱部材と
して角形鋼管柱１を用いる。この角形鋼管柱１は、Ｈ形
鋼梁２の梁接合部位にて上下に分割され、これら各分割
鋼管柱１Ａ，１Ｂ間には、個体からなる中間梁接合体１
０が介在され、互いに溶接ｗにて接合されている。この
中間梁接合体１０は、上下一対の八角形の角形水平ダイ
アフラム１１，１１と、この各水平ダイアフラム１１間
に溶接ｗにて接合される鋼管柱１の断面形状と同一形状
の接合鋼管１２とを一体的に組立てなる形態を有する。

【００２３】そして、中間梁接合体１０の各水平ダイア
フラム１１の端面には、Ｈ形鋼梁２の各梁フランジ４の
端面が突合せ接合され、それらの突合せ端面をスカラッ
プ５及び裏当て金６を介して溶接ｗし、互いに接合され
ている。一方、Ｈ形鋼梁２の梁ウェブ３の端面は、鋼管
柱１の外周側面、すなわち、中間梁接合体１０を形成す
る接合鋼管１２の外周側面（接合壁面）１２ａに溶接ｗ
にて突合せ接合されている。

【００２４】また、Ｈ形鋼梁２の上下両梁フランジ４，
４と上下両水平ダイアフラム１１，１１との間には、鋼
板からなる補剛プレート７が鉛直方向Ｙに接合されてい
る。この補剛プレート７は、図４及び図５に示すよう
に、Ｈ形鋼梁２の上下両梁フランジ４，４間の両側面に
直交すると共に、上下両水平ダイアフラム１１，１１に
直交するように配設され、かつ前記補剛プレート７の狭
巾の先端部は、上下両水平ダイアフラム１１，１１間に
配置されて、補剛プレート７の表裏両面の上下両端縁部
が梁軸方向に延長する連続した溶接ｗにより接合されて
いると共に、補剛プレート７の広幅の基端部は、スカラ
ップ８を介して上下両梁フランジ４，４から上部または
下部に突出するように当接配置され、補剛プレート７の
広幅の基端部の鉛直方向Ｙの両端面は、上下両梁フラン
ジ４，４の上面に梁軸方向に連続した溶接ｗにより接合
されている。

【００２５】上記した本発明の柱梁の接合部補強構造に
よれば、Ｈ形鋼梁２の各梁フランジ４と各水平ダイアフ
ラム１１との間に設けた補剛プレート７を梁フランジ４
に直交させて溶接ｗしてなるために、図２に示すよう
に、Ｈ形鋼梁２からの引張力Ｆが作用すると、従前と同
様に、梁フランジ４から補剛プレート７、補剛プレート
７から水平ダイアフラム１１に伝達されるが、図２に矢
印で示すように、梁フランジ４と補剛プレート７との溶
接部位、及び、補剛プレート７と水平ダイアフラム１１
との溶接部位に作用する力は、従前のような「サイドプ
レート工法」における引張力ではなく、梁軸方向の中心
軸Ｏ−Ｏに沿う溶接長方向に平行な剪断力Ｑとなる。こ
れにより、脆性破壊に対する抵抗を高めることが可能に
なる。しかも、Ｈ形鋼梁２の梁フランジ４と水平ダイア
フラム１１との溶接長が短くなるため、溶接施工上にお
いて不可避である溶接欠陥の大小が溶接強度に及ぼす影
響度を小さくすることが可能になり、溶接品質のバラツ
キの許容範囲を広げる。

【００２６】なお、上記した本発明の実施形態におい
て、補剛プレート７をＨ形鋼梁２の上下両梁フランジ
４，４間に架橋するように連続的に配置したが、これに
は限定されず、補剛プレート７を上梁フランジ４側と下
梁フランジ４側と上下に分割しても、本発明の作用効果
を発揮させることが可能である。その他、本発明は、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更実施可能なこと
は云うまでもない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る柱梁
の接合部補強構造は、水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部材
の梁フランジとの間に溶接される補剛プレートの溶接部
および補剛プレート自身を、Ｈ形鋼梁部材からの引張力
に対して水平ダイアフラムとの溶接部位の梁軸方向に沿
う溶接長方向に平行な剪断力が主として作用するように
設けてなることから、従前のように、梁フランジと水平
ダイアフラムとの溶接部位における引張応力の作用によ
る場合と比較して、脆性破壊に対する抵抗を高めること
ができる。しかも、これにより、溶接施工上において不
可避である溶接欠陥の大小が溶接強度に及ぼす影響度を
小さくすることができ、溶接品質のバラツキの許容範囲
を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る柱梁の接合部補強構造の一実施形
態を示す要部説明図である。

【図２】同じく要部側面図である。

【図３】同じく要部平面図である。

【図４】図４（ａ）は図３のＩ−Ｉ線矢視方向から見た
縦断側面図、図４（ｂ）は図３のＩＩ−ＩＩ線矢視方向
から見た縦断側面図である。

【図５】図３のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向から見た縦断
側面図である。

【図６】従来の柱梁の接合構造の要部側面図である。

【図７】同じく従来の柱梁の接合構造の要部平面図であ
る。

【図８】図７のＩＶ−ＩＶ線矢視方向から見た縦断側面
図である。

【図９】Ｈ形鋼梁の梁ウェブの鋼管面から離れた各断面
における梁軸方向応力及び剪断応力の分布を示す説明図
である。

【図１０】図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）は図６に模式
図的に示す各Ｈ形鋼梁の（ａ），（ｂ），（ｃ）の位置
の梁ウェブ断面における歪の直線性に対する有効性の喪
失状態を示す説明図である。

【図１１】従来の他の柱梁の接合構造の要部説明図であ
る。

【図１２】図１２（ａ）は従来のＨ形鋼梁からの引張力
に対する梁フランジと水平ダイアフラムとの溶接部位に
おける引張応力の作用状態を概略的に示す説明図、図１
２（ｂ）はＨ形鋼梁からの引張力の伝達状態を概略的に
示す説明図である。

【符号の説明】

１ 鋼管柱 １Ａ 下部分割鋼管柱 １Ｂ 上部分割鋼管柱 ２ Ｈ形鋼梁 ３ 梁ウェブ ４ 梁フランジ ５ スカラップ ６ 裏当て金 ７ 補剛プレート ８ スカラップ １０ 中間梁接合体 １１ 水平ダイアフラム １２ 接合鋼管 １２ａ 外周側面（接合壁面） Ｏ−Ｏ 梁軸方向の中心軸 Ｆ 引張力 ｆ 引張応力 Ｐ 圧縮力 Ｑ 剪断力 ｗ 溶接部 Ｘ 水平方向 Ｙ 鉛直方向

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋼管柱部材の梁接合部位に設けた水平ダイ
   アフラムにＨ形鋼梁部材の梁フランジ端を溶接し、該Ｈ
   形鋼梁部材の梁ウェブ端を前記鋼管柱部材の外周側面に
   接合するとともに、前記水平ダイアフラムとＨ形鋼梁部
   材の梁フランジとの間に補剛プレートを溶接してなる柱
   梁の接合部補強構造において、 前記補剛プレートの溶接部を、梁軸方向に沿う溶接長方
   向に主として剪断力が作用するように設けてなることを
   特徴とする柱梁の接合部補強構造。
2. 【請求項２】鋼管柱部材の梁接合部位の外周側面に設け
   た水平ダイアフラムにＨ形鋼梁部材の梁フランジ端を溶
   接し、該Ｈ形鋼梁部材の梁ウェブ端を前記鋼管柱部材の
   外周側面に接合するとともに、前記水平ダイアフラムと
   Ｈ形鋼梁部材の梁フランジとの間に補剛プレートを溶接
   してなる柱梁の接合部補強構造において、 前記補剛プレートを、前記Ｈ形鋼梁部材からの引張力に
   対して前記水平ダイアフラムとの溶接部位の梁軸方向に
   沿う溶接長方向に平行な剪断力が主として作用するよう
   に設けてなることを特徴とする柱梁の接合部補強構造。
3. 【請求項３】前記補剛プレートを前記Ｈ形鋼梁部材の梁
   フランジおよび水平ダイアフラムに対して直交させて溶
   接してなることを特徴とする請求項１または２に記載の
   柱梁の接合部補強構造。