JP2006183444A - 鉄骨梁の開口補強工法 - Google Patents

Abstract

【課題】 設計や施工の自由度が向上し、構造耐力上安全且つ簡単でより大きな補強効果が得られる鉄骨梁の開口補強工法を提供すること。
【解決手段】 鉄骨梁１を立てたまま、中央管３を梁ウェブ１Ａの開口１Ｂ内に挿入する。そして、その開口縁部に形成されたネジ溝２Ａを中央管３のネジ溝３Ａに螺合させて、梁ウェブ１Ａを挟むように一対の補強鋼板２、２を中央管３に取り付ける。その後、補強鋼板２、２の軸力導入孔５、５に治具等の加力補助材を挿入して一方の補強鋼板２を固定した状態で他方の補強鋼板２を回転軸力方向に荷重を加え、回転させながらより大きな力を導入して前記梁ウェブ１Ａと前記一対の補強鋼板２、２とを摩擦接合させる。その後、前記加力補助材を軸力導入孔５から抜き、軸力導入孔５を栓溶接で充填して補強鋼板２、２と梁ウェブ１Ａとを更に固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄骨梁の開口補強工法に関するものである。

一般に、鉄骨梁の梁ウェブには、各種の配管や配線のため貫通孔を設ける場合が多く、この梁ウェブの開口部にはその断面欠損を補う補強手段が施されている。この梁ウェブの開口補強手段として、リング状の補強プレート（例えば、特許文献１参照）などがある。即ち、特許文献１には、図１３に示すようなリング状の補強プレート５２の中心孔部に突設したオネジ付き筒部５２ａを鉄骨梁５０のウェブ開口５１に挿入すると共に、他のリング状補強プレート５３の中心孔部に突設したメネジ付き筒部５３ａをウェブ開口５１に他側から挿入して前記オネジ付き筒部５２ａに螺合し、両補強プレート５２、５３を鉄骨梁５０のウェブ開口部５１の両面に締め付け挟着して補強する技術が開示されている。
特開平７−２３８６３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている補強プレート５２、５３は形状が複雑である。また、補強プレート５２、５３とワッシャー５４の同時装着は作業者が１人では困難で、梁の手前側と裏側で２人以上で行わなければ装着することが出来ない。更に、梁ウェブの厚みによっては、定まった長さのメネジ付き筒部５３ａやオネジ付き筒部５２ａとワッシャー５４では補強範囲に限度があり、全ての梁ウェブを補強しようとすれば数種類の長さのメネジ付き筒部５３ａやオネジ付き筒部５２ａを有する補強プレート５２、５３を用意しなければならない。

そこで本発明は、設計や施工の自由度が向上し、構造耐力上安全且つ簡単でより大きな補強効果が得られる鉄骨梁の開口補強工法を提供することを目的とする。

このため第１の鉄骨梁の開口補強工法に係る発明は、鉄骨梁の梁ウェブに開設された開口にその外面にネジ溝が形成された中央管を挿入して、前記梁ウェブを挟んでそれぞれ外方から一対の補強体の開口縁部に形成されたネジ溝を前記中央管のネジ溝に螺合させて、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを摩擦接合して固定したことを特徴とする。

第２の鉄骨梁の開口補強工法に係る発明は、鉄骨梁の梁ウェブに開設された開口にその外面にネジ溝が形成された中央管を挿入して、前記梁ウェブを挟んでそれぞれ外方から一対の補強体の開口縁部に形成されたネジ溝を前記中央管のネジ溝に螺合させて、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定したことを特徴とする。

第３の鉄骨梁の開口補強工法に係る発明は、第１又は第２の発明において、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定した後に、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを部分的に溶接することで、前記梁ウェブと前記一対の補強体を部分的に溶着固定したことを特徴とする。

第４の鉄骨梁の開口補強工法に係る発明は、第１又は第２の発明において、前記一対の補強体に開設された軸力導入孔に回転する力を与えることにより前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定したことを特徴とする。

第５の鉄骨梁の開口補強工法に係る発明は、第４の発明において、前記軸力導入孔に回転する力を与えて前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定した後に、前記軸力導入孔を溶接で充填して、前記補強体と梁ウェブを溶着固定したことを特徴とする。

第６の鉄骨梁の開口補強工法に係る発明は、第１、第２又は第３の発明において、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定した後に、この梁ウェブと一対の補強体とを挿通させたボルトとナットにより更に固定することを特徴とする。

第７の鉄骨梁の開口補強工法に係る発明は、第１又は第２の発明において、前記中央管のネジ溝に鉄骨鉄筋コンクリート造用のスリーブ管の内面に形成されたネジ溝を螺合させることを特徴とする。

第８の発明は、鉄骨梁の梁ウェブに開設された開口に中央管を挿入して、前記梁ウェブをそれぞれ外方から一対の補強体で挟んだ状態で前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定したことを特徴とする。

本発明は、設計や施工の自由度が向上し、構造耐力上安全且つ簡単でより大きな補強効果が得られる鉄骨梁の開口補強工法を提供することができる。また、一方の補強体を装着した状態の中央管を鉄骨梁の梁ウェブに開設した開口内に挿入してこの梁ウェブを挟むように他側から他方の補強体を装着する場合には、作業者は一人で取付け作業を行なうことができる。更には、中央管の外面にネジ溝を所定範囲に亘って形成することにより、厚みが異なる梁ウェブに対しても、補強体の種類を多く設ける必要が無く対応できる。

本発明の第１の実施形態について、図１乃至図６に基づき以下説明する。先ず、断面形状がＨ形状の補強される母材である鉄骨梁１の梁ウェブ１Ａの中間部には円形状の開口１Ｂが開設されている。そして、補強作業は鉄骨梁１を横にすることなく立てたままとし、外面全域（全長に亘って）にネジ溝３Ａが形成された中空円筒形状の中央管３（図５参照）を梁ウェブ１Ａの開口１Ｂ内に挿入する。

次いで、中央部に円形状の開口が形成された一対の補強鋼板２、２（図４参照）をそれぞれ外方からその開口縁部に形成されたネジ溝２Ａを前記中央管３のネジ溝３Ａに螺合させて、前記梁ウェブ１Ａを挟むように取り付ける。

その後、前記補強鋼板２、２に開設された複数（例えば、９０度毎の４個）の軸力導入孔５、５に治具等の加力補助材を挿入して、一方の補強鋼板２を固定した状態で他方の補強鋼板２を回転軸力方向に荷重を加えて回転させながらより大きな力を与える。この場合、前記梁ウェブ１Ａと前記一対の補強鋼板２、２の間に発生する摩擦力で応力を伝達させて摩擦接合するまで、大きな力を与える。この場合の摩擦接合は、前記一対の補強鋼板２、２を前記梁ウェブ１Ａに手締め程度で締めた状態では足らず、前述したように、治具等を利用して更に締め込んだ状態である。

そして、以上のような大きな力を与え終えたら、前記治具等の加力補助材を前記軸力導入孔５から抜き、前記軸力導入孔５を栓溶接で充填して、この栓溶接により前記補強鋼板２、２と梁ウェブ１Ａとを強固に固定し、更に補強鋼板２、２のゆるみ、すべり、又は剥離を防止する。

なお、前記補強鋼板２、２はあらかじめ、より強い摩擦が発生するように鉄骨梁１の梁ウェブ１Ａと密着する側を、ブラスト又は赤錆の発生等で前処理をしておけば、その効果はより大きい。

次に、図３に基づき、鉄骨鉄筋コンクリート造（ＳＲＣ）の梁の場合について、説明する。図１及び図２において、補強鋼板２、２を装着したときに使用した中央管３の外面に加工したネジ溝３Ａを利用して、図６で示すような中空円筒形状のスリーブ管４、４の各端部内面に形成されたネジ溝４Ａを前記中央管３のネジ溝３Ａに螺合させることにより、前記中央管３の両端部にスリーブ管４、４をそれぞれ取り付ける。

前記スリーブ管４、４は内側にネジ溝４Ａの加工がしてあるので、装着後所定の長さの確保がしやすい。また、製作工場で必ずしも組み付ける必要もなく、輸送上の配慮から建設現場で組み付けても良い。

なお、この第１の実施形態の摩擦接合の場合には、補強効果を高めるために、必ずしも栓溶接する必要も無く、前記補強鋼板２、２と梁ウェブ１Ａとは強固に固定できる。

次に、本発明の第２の（他の）実施形態について、図７乃至図９に基づき説明する。先ず、断面形状がＨ形状の補強される母材である鉄骨梁１１の梁ウェブ１１Ａの中間部には円形状の開口１１Ｂが開設されている。そして、補強作業は鉄骨梁１１を横にすることなく立てたままとし、外面全域（全長に亘って）にネジ溝１３Ａが形成された中空円筒形状の中央管１３を梁ウェブ１１Ａの開口１１Ｂ内に挿入する。次いで、中央部に円形状の開口が形成された一対の補強鋼板１２、１２をその開口縁部に形成されたネジ溝１２Ａを前記中央管１３のネジ溝１３Ａに螺合させて、前記梁ウェブ１１Ａを挟むように取り付ける。

その後、前記補強鋼板１２、１２に開設された複数（例えば、９０度毎の４個）の軸力導入孔１５、１５に治具等の加力補助材を挿入して一方の補強鋼板１２を固定した状態で他方の補強鋼板１２を回転軸力方向に荷重を加え、作業者が手締め程度で回転させながら、力を与える。

この場合、治具等を利用せずに、作業者の手で直接行なう手締めで一対の補強鋼板１２、１２を前記梁ウェブ１１Ａにこの梁ウェブ１１Ａを挟むように固定してもよい。いずれの場合でも、一対の補強鋼板１２、１２と梁ウェブ１１Ａとは隙間が無い状態で、固定される。

また、治具や締め付け機械を用いたとしても、前記梁ウェブ１１Ａと前記一対の補強鋼板１２、１２とが摩擦接合する前に、回転させる力の導入を止める。そして、この回転させる力の導入を停止した後、補強効果を高めるために、前記軸力導入孔１５が栓溶接２０、２１となり、この溶接により前記補強鋼板１２、１２と梁ウェブ１１Ａとを強固に固定する。

図９は本実施形態の動作原理を説明する側面図であり、鉄骨梁１１Ａに外力が加わった場合の作用について説明するが、先ず前記補強鋼板１２、１２のネジ溝１２Ａと中央管１３のネジ溝１３Ａとのネジ接合部のＡ部では、補強鋼板１２、１２が梁ウェブ１１Ａの手前側と奥側とで挟み込んで、中央管１３と一緒に梁ウェブ１１Ａを固定している。

そして、外力の増大と共に梁ウェブ１１Ａの面外変形量が大きくなっていくが、一対の補強鋼板１２、１２が梁ウェブ１１Ａに固定しているので、梁ウェブ１１Ａの変形を抑制している。

更に、栓溶接２０（一方の補強鋼板１２側の）及び栓溶接２１（他方の補強鋼板１２側の）で梁ウェブ１１Ａも補強鋼板１２、１２に部分的に溶接されているので、Ｂ部及びＣ部において、補強鋼板１２、１２と梁ウェブ１１Ａが一体化されているので、梁ウェブ１１Ａの変形は抑制され、補強効果が大きい。

更には、前記Ａ部では、補強鋼板１２、１２のネジ溝１２Ａと中央管１３のネジ溝１３Ａとのネジ接合部のＡ部では、補強鋼板１２、１２以外でも前記開口１１Ｂ中心にある中央管１３が梁ウェブ１１Ａの三次元的なねじれ変形を抑制しているので、塑性変形能力が飛躍的に向上する。

図１０のような加力実験装置を用いて耐力試験を行ったところ、図１１のＭ−Ｒ骨格曲線図を求めることができた。なお、この図１１のＦとＧが本実施形態の補強方法を実施した鉄骨梁であり、本実施形態の比較のため実施したＤは開口を有しない鉄骨梁で、Ｅは開口を有する無補強の鉄骨梁である。

この場合、加力は梁頂部に繰り返し水平加重を与え、無開口梁Ｄと有開口無補強梁Ｅは＋側終局耐力まで、また９ｍｍの補強鋼板Ｆと１２ｍｍの補強鋼板Ｇは部材角１／１０まで行った。

本実施形態による補強方法による工法で、耐力は回復していた。特に、最大耐力の効果は大きく、また最大耐力を示した後の耐力低下は緩やかで、結果終局耐力を飛躍的に伸ばしていることが確認できた。

詳述すると、この耐力試験結果から見られるように、本補強方法を実施した場合、無開口梁Ｄより本実施形態の鉄骨梁Ｆ及びＧの変形能力が飛躍的に伸びていることがわかる。現状の基準では建築物の靭性に依存した耐震設計が行なわれており、大地震時において梁曲げ降伏先行型の全体降伏機構を形成するような構造設計が望ましいとされている。そのため、梁端部のヒンジ形成が予想される部分には十分な靭性が要求されるが、本補強方法は耐力試験結果からわかるように、無開口梁（通常の梁の使用状態）Ｄを上回る塑性変形能力を有しており、更には開口無補強梁Ｅの変形能力から比べると大幅な改善が行なわれている。

以上の事由から、設計法においても、積極的に本補強方法を梁端部の塑性ヒンジ形成部に用いることにより建物の耐震性能が向上するため、鉄骨梁のサイズを小さくできたり、又は柱間隔を広げることができるなどの自由度が高まり、従来の設計とは全く別の発想による鋼構造設計法も期待することができる。

なお、本第２の（他の）実施形態においても、第１の実施形態と同様に、前記中央管１３のネジ溝１３Ａにその端部内面に形成したネジ溝を螺合させることにより鉄骨鉄筋コンクリート造用のスリーブ管（図示せず）を装着してもよい。このように、第１及び第２の実施形態ともに、中央管の余長分のネジ溝を利用して前記スリーブ管を取り付けることができるので、建方精度に依存しなくても取り付けたときのスリーブ管端部までの長さ（梁ウェブからの）を調整できて、コンクリートの型枠よりはみ出たり又は短いなどの不都合は解消でき、また製作工場で鉄骨梁にスリーブ管を必ず取り付けて運搬する必要もなくなるので、運搬車への積載率が改善できる。

以上のように、第１の実施形態のような摩擦結合や第２の実施形態の摩擦接合までには至らない固定により鉄骨梁の梁ウェブと補強鋼板とを固定し、更に補強鋼板の軸力導入孔を栓溶接で充填して前記補強鋼板と梁ウェブとを固定したが、この栓溶接に代えて、両補強鋼板及び梁ウェブに挿通孔を開設し、この挿通孔に挿通したボルト及びナットにより両補強鋼板と梁ウェブとを固定してもよく、作業環境に応じて固定方法を選択することができる。

この場合、前記梁ウェブ及び一方の補強鋼板の軸力導入孔（これに限らず、改めて形成した挿通孔でもよい）に対応する他方の補強鋼板の位置に挿通孔を開設して、一方の補強鋼板の軸力導入孔と前記梁ウェブ及び他方の補強鋼板の挿通孔に前記ボルトを挿通させてナットにより締め付け固定するが、この固定は少なくとも各補強鋼板の中心を挟んだ対称位置の２ケ所で行なう。従って、前記補強鋼板と梁ウェブとの固定は、栓溶接しないか、したとしても極少量であるため、梁ウェブに熱影響を与えることが少なく、溶接熱による鉄骨梁の変形や歪みが発生しないか発生しにくい。

なお、一対の補強鋼板の軸力導入孔を栓溶接で充填して前記補強鋼板と梁ウェブとを固定するに限らず、一対の補強鋼板外縁部と梁ウェブとを隅肉溶接してもよい。

また、中央管の外面にネジ溝を所定範囲に亘って、例えば広ければ広い範囲に亘って、更には全域に亘って形成することにより、厚みが異なる梁ウェブに対しても、補強することができて、補強鋼板の種類を多く設ける必要が無く、１種類でも対応できる。

更には、前記中央管を梁ウェブの開口内に挿入した状態で、梁ウェブを挟むように両側から前記補強鋼板を装着してもよいし、前記一方の補強鋼板を装着した状態の中央管を前記開口内に挿入して梁ウェブを挟むように他側から他方の補強鋼板を装着して、梁ウェブと一対の補強体とを固定してもよい。この後者の場合には、作業者は一人でも取付け作業を行なうことができることとなる。

次に、本発明の第３の実施形態について、図１２に基づき説明する。先ず、断面形状がＨ形状の補強される母材である鉄骨梁３１の梁ウェブ３１Ａの中間部には円形状の開口３１Ｂが開設されている。そして、補強作業は鉄骨梁３１を横にすることなく立てたままとし、中空円筒形状の中央管３３を梁ウェブ３１Ａの開口３１Ｂ内に挿入する。次いで、中央部に円形状の開口が形成された一対の補強鋼板３２、３２を前記梁ウェブ３１Ａをそれぞれ外方から挟むように配設する。

この場合、梁ウェブ３１Ａの開口３１Ｂ内に挿入された中央管３３が一対の補強鋼板３２、３２の開口内に嵌合するように、補強鋼板３２、３２を梁ウェブ３１Ａを挟むように配設する。

その後、中央管３３外縁部と補強鋼板３２、３２の開口縁部とを部分的に（数ヶ所）溶接３５することで、前記中央管３３と補強鋼板３２、３２とを部分的に溶着固定する。これにより、前記梁ウェブ３１Ａと前記一対の補強鋼板３２、３２とを強固に固定することができる。従って、この第３の実施形態によっても、前述したような種々の効果が得られる。なお、この溶接３５に代えて、接着剤その他で固定してもよい。

なお、全ての実施形態における前記補強鋼板は、鋳鉄製、鍛造製でもよいが、コストが高いなど製造課程に問題があるため、圧延鋼板で作製してもよい。また、この補強鋼板の形状は円形状に限らず、多角形状その他の形状でもよく、更には板材である必要もない。

鉄骨梁を補強した状態の縦断正面図である。 鉄骨梁を補強した状態の側面図である。 補強した状態の鉄骨梁にスリーブ管を取り付けた状態の縦断正面図である。 補強鋼板を示す図である。 中央管の縦断面図である。 スリーブ管の縦断面図である。 他の実施形態を示す鉄骨梁を補強した状態の側面図である。 図７のＸ−Ｘ断面図である。 他の実施形態の動作原理を説明するための補強鋼板などの側面図である。 耐力試験を行った加力概要図である。 実験結果を求めたＭ−Ｒ骨格曲線図である。 他の実施形態を示す鉄骨梁を補強した状態の側面図である。 従来例を示す側面図（Ａ）とア−ア部分の断面図（Ｂ）及びイ部分の拡大断面図である。

符号の説明

１、１１ 鉄骨梁
１Ａ、１１Ａ 梁ウェブ
１Ｂ、１１Ｂ 開口
２、１２ 補強鋼板
２Ａ、１２Ａ ネジ溝
３、１３ 中央管
３Ａ、１３Ａ ネジ溝
４ スリーブ管
５、１５ 軸力導入孔
８ 摩擦接合面
２０、２１ 栓溶接

Claims (8)

1. 鉄骨梁の梁ウェブに開設された開口にその外面にネジ溝が形成された中央管を挿入して、前記梁ウェブを挟んでそれぞれ外方から一対の補強体の開口縁部に形成されたネジ溝を前記中央管のネジ溝に螺合させて、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを摩擦接合して固定したことを特徴とする鉄骨梁の開口補強工法。
2. 鉄骨梁の梁ウェブに開設された開口にその外面にネジ溝が形成された中央管を挿入して、前記梁ウェブを挟んでそれぞれ外方から一対の補強体の開口縁部に形成されたネジ溝を前記中央管のネジ溝に螺合させて、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定したことを特徴とする鉄骨梁の開口補強工法。
3. 前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定した後に、前記梁ウェブと前記一対の補強体とを部分的に溶接することで、前記梁ウェブと前記一対の補強体を部分的に溶着固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鉄骨梁の開口補強工法。
4. 前記一対の補強体に開設された軸力導入孔に回転する力を与えることにより前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鉄骨梁の開口補強工法。
5. 前記軸力導入孔に回転する力を与えて前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定した後に、前記軸力導入孔を溶接で充填して、前記補強体と梁ウェブを溶着固定したことを特徴とする請求項４に記載の鉄骨梁の開口補強工法。
6. 前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定した後に、この梁ウェブと一対の補強体とを挿通させたボルトとナットにより更に固定することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の鉄骨梁の開口補強工法。
7. 前記中央管のネジ溝に鉄骨鉄筋コンクリート造用のスリーブ管の内面に形成されたネジ溝を螺合させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の鉄骨梁の開口補強工法。
8. 鉄骨梁の梁ウェブに開設された開口に中央管を挿入して、前記梁ウェブをそれぞれ外方から一対の補強体で挟んだ状態で前記梁ウェブと前記一対の補強体とを固定したことを特徴とする鉄骨梁の開口補強工法。

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