JP2003147901A - 鋼梁の開口部補強構造及び補強金具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 取付けが容易で、材料的な無駄が少なく、開
口部のない鋼梁に近い力学性状を与える、効率的で経済
性に優れた開口部補強構造を提供する。 【解決手段】 上下にフランジ３を持つ鋼梁１のウェブ
２に開口部４を設けた場合の開口部補強構造であり、材
料の無駄を極力抑えたＬ字形鋼板一対で構成する略正方
形枠の補強金具５を、四辺の枠が鋼梁１の材軸と略４５
度に斜交するように開口部４の周りを囲んでウェブ２の
表面に添接し、開口部４により失われるせん断力負担分
を補強金具５に生ずる斜め方向の軸力で伝達するように
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、開口部を有するＨ
形鋼梁など、ウェブの上下にフランジを有し、ウェブに
開口部を設けた鋼梁の開口部補強構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】配管等のために鋼梁に貫通孔を設ける場
合、図１０に示すように開口部周りに補強プレートを添
接する方法が最も一般的であるが、上下フランジに平行
する部位の隅肉溶接がフランジの出が邪魔となり不完全
なものとなる等の問題点もある。

【０００３】これを解消するために、図１１に示すよう
にリングプレートを添接する補強方法もあるが、補強金
具の製作コストが割高となるために、これが使われるケ
ースは前記補強方法と比較してそれほど多くはない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な従来技術における課題の解決を図ったものであり、取
付けが容易で、材料的な無駄が少なく、補強後も開口部
のない鋼梁に近い力学性状となる、効率的で経済性に優
れた開口部補強構造を提供することを目的としている。

【０００５】従来の補強プレート法は、開口部近傍のウ
ェブの板厚が急に厚くなるため、開口部周辺のせん断力
を補うだけでなく局所的に曲げ剛性が上がり、応力状態
が不連続となる等、梁の性能上好ましくない。

【０００６】又、補強プレートの一辺は開口径の約２倍
と大きく、更にその鋼板から開口径＋溶接代分の円形孔
をあける材料の無駄もあり、本発明の補強構造と比較し
て補強材の重量比で略３倍にもなり、従来型補強プレー
ト構造がコスト高である理由の一つになっている。

【０００７】従来の補強プレート法は、鋼梁のせん断力
への対処として開口部でのウェブ断面の不足分を補うと
いうもので、補強プレートの作用効果が曖昧であるのに
対し、本補強構造はトラス軸力による力の伝達であるこ
とから、必要とするせん断強度に応じての補強材設計が
可能となる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ウェブの上下
にフランジを有する鋼梁に、配管等の目的で開口部を設
けた場合の開口部補強構造であって、Ｌ字形鋼板一対を
組み合わせて略正方形枠の補強金具とし、その四辺が鋼
梁の材軸と略４５度に斜交するように開口部を囲みウェ
ブ表面に添接し、開口部を設けることにより失われるせ
ん断力負担分を、四辺に生ずる斜め方向の軸力で伝達す
るようにしたことを特徴とする開口部補強構造である。

【０００９】補強金具を一対のＬ字形鋼板とする目的の
一つは、開口部を取り囲んで正方形枠の補強金具を斜め
に取り付ける際、上下フランジに邪魔されないように角
部の形状を設定できる点で、たとえば鋼梁断面の上下か
ら組み合わせるものとすれば、開口径が大きな場合でも
ウェブ断面の不足分を補い得る補強金具の形状を選択で
きる。

【００１０】もう一つの目的は、補強金具を製作する上
で鋼材量を極力少なくすることと、補強金具を鋼梁の材
軸と斜交してウェブに添接する際の位置ぎめ等の工事手
間を省くことで、勿論取付け前にあらかじめ一対のＬ字
形鋼板を正方形枠の補強金具にしておくことはかまわな
い。

【００１１】補強金具の鋼梁ウェブへの取付け方法とし
ては隅肉溶接によるのが一般的であるが、溶接個所は補
強金具の外周部及び内周部の両側全てか、必要に応じそ
れらの一部とする場合が考えられる。

【００１２】補強金具としては、Ｌ字形鋼板一対を組み
合わせて略正方形の枠組みとしているが、両者が接する
部位では溶接により一体化してもよいものの、基本的に
は接合不要である。

【００１３】ウェブの上下にフランジを有する鋼梁とし
ては、Ｈ形鋼梁が最も一般的であるが、これに限定され
ず、たとえば溝形鋼や箱形鋼からなる梁についても同様
に適用可能である。

【００１４】本発明は、開口部を設けたことにより失わ
れるせん断力負担分を、鋼梁のウェブ面に材軸と斜交し
て取り付けられる略正方形枠の補強金具によりトラス軸
力で伝達するもので、鋼梁の受け持つ曲げには関与せ
ず、開口部のない鋼梁と同様の力学性状を与える。

【００１５】これにより、鋼梁における開口位置の設定
もこれまでよりも自由になり、たとえば塑性化が予想さ
れる鋼梁材端部に開口を設けても、本補強構造は梁の基
本的な塑性変形性能になんら影響を与えない。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態とし
て、鋼梁１のウェブ２に設けられた円形の開口部４に対
し、Ｌ字形鋼板一対を組み合わせて略正方形枠の補強金
具５とし、その四辺が鋼梁の材軸と略４５度に斜交する
ように開口部を取り囲みウェブ２に添接した場合を示し
たもので、ウェブ２をはさみ両面から取り付けられてい
る。

【００１７】図２は、図１で示した実施例の斜視図で、
円形開口４とその周りにＬ字形鋼板一対を組み合わせた
補強金具５が添接された鋼梁１の一部であり、このよう
な開口部は鋼梁の任意の位置に一つないし複数存在す
る。

【００１８】図３は、ＳＲＣ（鉄骨鉄筋コンクリート）
構造における鋼梁の実施例で、開口部４に対するコンク
リート型枠を兼ねたスリーブ鋼管６を設け、その周辺に
Ｌ字形の補強金具５を開口部の左右から取り付けたもの
で、スリーブ鋼管との協働効果もあり補強金具はウェブ
の片側にのみ添接されている。

【００１９】このように、Ｌ字形補強金具を材軸方向の
左右から添接するものでは、開口部での断面不足分を補
うことが難しい場合もあるが、トラス軸力を伝達するう
えで開口部中心位置で左右の補強金具が連続していなく
てもなんら支障はなく、又このような形状の金具は平鋼
二枚からでも容易に製作できる。

【００２０】図４は、本発明の最大の特長であるコスト
低減に向けた補強金具の製造方法を示した概念図で、Ｌ
字形の形状として内側と外側とを同一寸法とすることで
鋼板からできる限り無駄を省いて金具を製作し得るよう
にしたもので、まずｘ方向、ついでｙ方向への切断を考
えている。

【００２１】図５は、上下から添接する補強金具と左右
から添接する補強金具の正面図であり、従来型補強プレ
ートの一辺が開口径の１.７倍〜２.０倍となる大きさと
考えれば、本補強構造がいかに軽快なものであるかがわ
かる。

【００２２】図６は、本発明の補強構造における補強金
具の作用効果に関する説明図で、断面積Ａo の開口部４
を設けたことにより失われるせん断力負担分Ｑo を、補
強金具５の斜材に生ずる軸力Ｐo で伝達する。

【００２３】ウェブに開口部を設けることにより失われ
るせん断力負担分Ｑo は、開口径Ｄとウェブ板厚ｔwの
積である開口部断面積をＡo、ウェブのせん断降伏応力
度をτy とすると、略Ｑo＝Ａoτy となる。

【００２４】このせん断力負担分Ｑo を、開口部を囲む
斜め補強材によりトラス的軸力Ｐoで受け持つとすれ
ば、斜材角度が鋼梁の材軸方向と４５度であり、さらに
せん断降伏応力度τy と軸方向降伏応力度σy との関係
から、Ｐo＝０.４１Ａoσy となり、補強斜材断面積は
略Ａd＝０.４Ａoとなる。

【００２５】Ａo＝ｔwＤ Ｑo＝Ａoτy＝Ａoσy/３^1/2 Ｐo＝Ｑo/２^1/2＝Ａoσy/６^1/2＝０.４１Ａoσy Ａd＝０.４Ａoσy

【００２６】しかし、開口部を設けた鋼梁の実せん断耐
力は、鋼梁の材質やウェブ板厚とも関係し、前記で定義
された欠損断面積Ａo により失われるせん断耐力Ｑo＝
Ａoτy を下まわる。

【００２７】図７は、開口率５０％の鋼梁について数値
解析により実せん断耐力Ｑo'を求め、前記で定義された
欠損せん断力Ｑoとの比である修正率α＝Ｑo'/Ｑo を二
種類の鋼材についてウェブ幅厚比との関係で示したもの
で、この結果補強材の必要断面積としてＡd＝０.４αＡ
o とすることができる。

【００２８】 α＝０.０５＋０.０１(ｄ/ｔw) ： ４００ N/mm²級
鋼材 α＝０.１５＋０.０１(ｄ/ｔw) ： ４９０ N/mm²級
鋼材

【００２９】更に、Ａd＝０.４αＡo とＡo＝ｔwＤの二
式を変換することで、通常使用されるウェブの幅厚比ｄ
/ｔwの範囲で、鋼材の材質に応じて補強斜材断面積Ａd
が概略次式のように定義されるが、Ａd が開口径Ｄにの
み関係していることは一つの開口径に一種類の補強金具
で対応できる部品管理上の利点がある。

【００３０】 Ａd＝０.００９Ｄ² ： ４００ N/mm²級鋼材 Ａd＝０.０１０Ｄ² ： ４９０ N/mm²級鋼材

【００３１】Ａdを誘導するに当っては鋼梁と補強金具
の材質を同じとしたが、大型の鋼梁で開口径の大きな場
合に、補強金具に高強度鋼を用い重量の軽減を図ること
は、鉄骨製作における作業性を良くするために有力な手
段である。

【００３２】図８は、Ｈ−７５０x３００x１２x３２の
鋼梁に直径Ｄ＝３７５mm の開口を設けた場合のウェブ
のせん断耐力を数値解析により求めたもので、スパンＬ
＝３０００mm の両端からせん断荷重を加えており、縦
軸を鋼梁ウェブのせん断耐力Ｑを降伏せん断力Ｑy の比
とし、横軸を部材の平均せん断変形角γを降伏せん断変
形角γy の比として表したもので、鋼梁及び補強金具と
も材料の降伏点応力度をσy＝３５３ N/mm²としてい
る。

【００３３】補強金具として、４９０ N/mm²級鋼材での
必要補強量を目安に断面Ａdを決めたが、本補強構造は
無開口梁と同じせん断耐力にまで回復しており、加えて
開口部左右から添接し開口中央部のウェブ断面が補われ
ない場合でも剛性は若干下がるものの耐力は十分に確保
されており、更に斜材断面を２/３としてウェブの片側
から添接しスリーブ鋼管を併用した例でも同様に耐力は
回復している。

【００３４】図９は、従来型補強構造との比較を通して
本補強構造の特長を知るために行った解析図で、本補強
構造であるトラス型補強金具によれば、従来型補強プレ
ートと重量比で略１/３でありながらそれと同じ程度の
強度と剛性が確保され、むしろリングプレートによる補
強では円弧状の補強材と略４５度方向のトラス軸力との
ずれにより早期に剛性が低下しており好ましい結果には
なっていない。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、鋼梁の開口部周辺を取り囲む
ように、Ｌ字形補強金具の各辺が鋼梁の材軸と斜交する
ようにウェブ表面に取り付け、開口部より失われるせん
断力負担分を補強金具に生ずる斜め方向の軸力で伝達す
るようにしたものであり、開口部のない鋼梁に近い力学
性状となる。

【００３６】また、このことにより鋼梁における開口位
置の設定なども比較的自由となり、従来避けられていた
塑性化が予想される鋼梁材端においても開口を設けるこ
とが可能となり、むしろ補強金具がウェブに添接される
ことにより鋼梁材端における塑性変形性能にも好影響を
与える。

【００３７】補強金具を取り付けるための隅肉溶接もフ
ランジに邪魔されることなく作業することができ、その
上従来型補強プレート法に比し溶接長さが短くなるな
ど、製作に要する手間やコストを削減することができ
る。

【００３８】補強金具をＬ字形二枚で一組を構成するこ
とによって材料の無駄を省き、更にＬ字形の形状として
内側と外側とを同一寸法とすることで効率的な補強金具
の製作が可能となり、大幅なコストダウンを図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示したもので、開口部近
傍の鋼梁の正面図と断面図である。

【図２】前記実施形態の斜視図である。

【図３】本発明の他の実施形態を示したもので、開口部
近傍の鋼梁の正面図と断面図である。

【図４】本補強金具の製造方法を示した概念図である。

【図５】上下から添接する補強金具と左右から添接する
補強金具の正面図である。

【図６】本発明の補強金具での力の流れに関する説明図
である。

【図７】開口を設けることによる鋼梁のせん断耐力低下
率の図である。

【図８】本発明の開口補強構造について、せん断荷重を
受ける鋼梁の解析結果である。

【図９】本発明の補強効果検証のため、従来型補強方法
の解析結果との比較図である。

【図１０】従来型補強プレート法の代表例で、鋼梁正面
図と断面図である。

【図１１】リングプレート補強の代表例で、鋼梁正面図
と断面図である。

【符号の説明】

１ 鋼梁 ２ ウェブ ３ フランジ ４ 開口部 ５ 一対のL字形鋼板 ６ スリ−ブ鋼管 ７ 補強プレ−ト ８ リングプレ−ト

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェブの上下にフランジを有し、前記ウ
   ェブに開口部を設けた鋼梁の開口部補強構造であって、
   Ｌ字形鋼板一対を組み合わせて略正方形枠の補強金具と
   し、その四辺が鋼梁の材軸と略４５度に斜交するように
   開口部を囲んで前記ウェブ表面に取り付け、開口部を設
   けたことにより失われるせん断力負担分を斜め方向の軸
   力で伝達するようにしたことを特徴とする開口部補強構
   造。
2. 【請求項２】 補強金具を構成する略Ｌ字形の形状とし
   て、その角部及び直交する両辺の外側と内側の寸法を略
   同一とすることにより、無駄を極力避けて鋼板から切断
   し得るようにした補強金具の製造方法。