JP2007217984A

JP2007217984A - 柱梁接合構造

Info

Publication number: JP2007217984A
Application number: JP2006040801A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tagawa; 浩田川; Harukatsu Kadoya; 治克角屋; Toru Watanabe; 亨渡辺; Shunji Fujii; 俊二藤井
Original assignee: Nagoya University NUC; Okabe Co Ltd
Current assignee: Nagoya University NUC; Okabe Co Ltd
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】Ｈ形鋼柱に対してＨ形鋼梁を接合する柱梁接合部における補強構造を見直し、十分な接合強度や剛性を確保しやすく、しかもＨ形鋼柱の内部空間の有効利用が可能な柱梁接合構造を提供する。
【解決手段】Ｈ形鋼柱１の外周部に設置する外ダイアフラム２を介してＨ形鋼梁３，４を接合するとともに、そのＨ形鋼梁のフランジ部の幅Ｗｆより外側に垂直スチフナ７，８を設置する。前記外ダイアフラム２とＨ形鋼梁３，４のフランジ部の板厚及び材料強度をほぼ等しく設定するとともに、Ｈ形鋼柱１のフランジ部５，６縁端の外側に位置する両側の外ダイアフラムの幅Ｗａを加えた値をＨ形鋼梁３，４のフランジ部の幅より小さく設定する。さらに、Ｈ形鋼柱１のフランジ部５，６縁端の外側に位置する両側の外ダイアフラムの断面性能を加えた値をＨ形鋼梁３，４のフランジ部の断面性能の０．５倍以上１．０倍未満に設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｈ形鋼柱に対してそのＨ形鋼柱の少なくとも強軸方向にＨ形鋼梁を接合する柱梁接合構造に関する。

従来から角形鋼管柱に対してＨ形鋼梁を接合する柱梁接合構造において、角形鋼管柱の外周部に外ダイアフラムを設置し、その外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁を接合する柱梁接合構造は広く知られている（特許文献１参照）。また、Ｈ形鋼柱に対してＨ形鋼梁を接合する柱梁接合構造において、図６に示したように、Ｈ形鋼梁のフランジ部１０１，１０２の幅Ｗｆより若干内側に位置する、Ｈ形鋼柱１０３のフランジ部１０４，１０５の間の両側部分に垂直スチフナ１０６，１０７を設置して接合部の補強を図る柱梁接合構造も知られている。
特開２００１−６５０５２号公報

ところで、前者の外ダイアフラムを用いた柱梁接合構造においては、角形鋼管柱の面外方向の剛性が小さいため、図７に示したように外ダイアフラム１０８，１０９の部分に多くの応力が集中する傾向にあり、それらの外ダイアフラムの補強作用に依存するところが大きいことから、角形鋼管柱の性能に関わらず、梁フランジ部からの荷重を外ダイアフラムのみで負担し得るように設計するのが一般的であり、外ダイアフラムが大型化する要因にもなっていた。また、後者の垂直スチフナ１０６，１０７を用いて補強する従来の柱梁接合構造においては、とりわけ梁フランジ部から圧縮荷重を受けた場合に、垂直スチフナ１０６，１０７に座屈が生じて耐力が急激に低下するという危険があった。特に、垂直スチフナ１０６，１０７のＨ形鋼柱１０３のフランジ部１０４，１０５に対する溶接部に問題があると、更に座屈が生じやすくなるため、溶接の品質管理にも高い精度が必要とされ、コスト高の要因にもなっていた。さらに、それらの垂直スチフナや柱ウェブの面と梁フランジ面とは直交するため、十分な接合強度や剛性を確保することが容易ではないという技術的問題もあった。しかも、図８に示したようにＨ形鋼柱の内部空間を利用して配管１１０を通す際などには、それらの垂直スチフナによってＨ形鋼柱内の利用スペースが制約されるといった問題があった。

本発明は、以上のような従来の技術的状況に鑑み、Ｈ形鋼柱に対してＨ形鋼梁を接合する柱梁接合部における補強構造を見直し、十分な接合強度や剛性を確保しやすく、しかもＨ形鋼柱の内部空間の有効利用が可能な柱梁接合構造を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するため、請求項１の発明では、Ｈ形鋼柱に対して少なくとも該Ｈ形鋼柱の強軸方向にＨ形鋼梁を接合する柱梁接合構造において、前記Ｈ形鋼柱の外周部に設置する外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁を接合するとともに、そのＨ形鋼梁のフランジ部の幅より外側に位置する前記Ｈ形鋼柱のフランジ部間の両側に垂直スチフナを設置するという技術手段を採用した。さらに、請求項２の発明では、前記外ダイアフラムと前記Ｈ形鋼梁のフランジ部の板厚及び材料強度をほぼ等しく設定するとともに、前記Ｈ形鋼柱のフランジ部縁端の外側に位置する両側の外ダイアフラムの幅を加えた値をＨ形鋼梁のフランジ部の幅より小さく設定するという技術手段を採用した。また、請求項３の発明では、前記Ｈ形鋼柱のウェブ部と前記垂直スチフナの板厚をほぼ等しく設定するとともに、前記Ｈ形鋼柱のフランジ部縁端の外側に位置する両側の外ダイアフラムの断面性能を加えた値を前記Ｈ形鋼梁のフランジ部の断面性能の０．５倍以上１．０倍未満に設定するという技術手段を採用した。なお、ここでの断面性能は、当該部分の断面積と材料強度から決り、実際には断面積と設計基準強度を用いて算出される。

本発明によれば、次の効果を得ることができる。
（１）請求項１の発明によれば、柱梁接合部に圧縮荷重が作用した際、外ダイアフラムの補剛作用により垂直スチフナの座屈が生じにくくなるとともに、それらの外ダイアフラムと垂直スチフナとが相俟って効果的な補強作用が得られ、しかもＨ形鋼柱の内部空間の有効利用が可能である。
（２）Ｈ形鋼柱のウェブ部によって該Ｈ形鋼柱のフランジ部の面外変形が拘束され、前記Ｈ形鋼柱のウェブ部にもＨ形鋼梁のフランジ部からの荷重が一定の割合で流れるので、その分、従来の角形鋼管柱の場合に比べて外ダイアフラムの幅を縮小できる。
（３）柱梁接合部に圧縮荷重が作用した際、外ダイアフラムの補剛作用により垂直スチフナの座屈が生じにくくなる結果、垂直スチフナの座屈による急激な耐力低下の危険が緩和されるとともに、溶接等に関する品質管理上の負担も軽減可能であり、コストの削減にも有効である。
（４）請求項２の発明によれば、Ｈ形鋼柱のフランジ部の外側に位置する両側の外ダイアフラムの幅を加えた値をＨ形鋼梁のフランジ部の幅より小さく設定するようにしたので、外ダイアフラムと垂直スチフナとによる効果的な補強作用に基づく外ダイアフラムの小型化が可能である。
（５）請求項３の発明によれば、両側の外ダイアフラムの断面性能を加えた値を前記Ｈ形鋼梁のフランジ部の断面性能の０．５倍以上１．０倍未満に設定するようにしたので、更にＨ形鋼柱のウェブ部及び両側の垂直スチフナの応力伝達機能を加味した外ダイアフラムの小型化が可能である。

図１は本発明の一実施形態を示した斜視図であり、図２はその平面図である。図中１はＨ形鋼柱であり、そのＨ形鋼柱１の外周部に設置した外ダイアフラム２を介してＨ形鋼梁３，４を接合する柱梁接合構造を採用している。図２に示したように、Ｈ形鋼梁３，４のフランジ部の幅Ｗｆより外側に位置するＨ形鋼柱１のフランジ部５，６間の両側には、補強手段として垂直スチフナ７，８を設置している。この場合、垂直スチフナ７，８の両端部のＨ形鋼柱１のフランジ部５，６に対する溶接形態に関しては、前述の図６に示した従来技術の場合には、垂直スチフナに生じる座屈防止の観点から完全溶け込み溶接が必要とされるのに対して、本実施形態の場合には、外ダイアフラム２の垂直スチフナの座屈に対する補剛作用により、片側隅肉溶接の採用も強度的に可能であり、作業負担の軽減にも有効である。また、本実施形態においては、Ｈ形鋼柱１のフランジ部５，６の両側に位置する部分の外ダイアフラム２の幅を同じ幅Ｗａに設定し、それらを加えた２ＷａをＨ形鋼梁３，４のフランジ部の幅Ｗｆより小さく設定している。なお、Ｈ形鋼柱１のフランジ部５，６の両側に位置する部分の外ダイアフラム２の幅に関しては、各々変えることも可能であり、その場合には、両側の幅を加えた値がＨ形鋼梁３，４のフランジ部の幅Ｗｆより小さくなるように設定する。因みに、以上の図１及び図２に示した実施形態においては、Ｈ形鋼柱１に対して強軸方向のみにＨ形鋼梁３，４を接合した場合について説明したが、その強軸方向の接合に加え、前記垂直スチフナ７，８等を利用して弱軸方向にも他のＨ形鋼梁を接合する実施形態も可能である。

本発明においては、Ｈ形鋼柱に対してＨ形鋼梁を接合する柱梁接合構造における補強作用を検討するため、図３に示した試験体を用いて単純引張試験を行い、前記Ｈ形鋼梁３，４に作用する引張力Ｐと前記外ダイアフラム２に作用する引張力Ｔとの関係を調べた。図示のように、本引張試験では、前述のように、Ｈ形鋼梁３，４のフランジ部の幅Ｗｆより外側に位置するＨ形鋼柱１のフランジ部５，６間の両側に垂直スチフナ７，８を設置するとともに、前記Ｈ形鋼柱１の外周部に外ダイアフラム２を設置し、その外ダイアフラム２を介して前記Ｈ形鋼梁３，４を接合した本発明の前記実施形態（Ａ）、角形鋼管柱９の外周部に外ダイアフラム１０を設置し、その外ダイアフラム１０を介して前記Ｈ形鋼梁３，４を接合した比較例１に係る形態（Ｂ）、及び前記角形鋼管柱９と同じ構成からなる角形鋼管柱１１の外周部に外ダイアフラム１２を設置し、その外ダイアフラム１２を介して前記Ｈ形鋼梁３，４を接合した比較例２に係る形態（Ｃ）を用いて比較試験を行った。なお、柱部分の両側に位置する外ダイアフラム２の幅Ｗａと、外ダイアフラム１０の幅Ｗｂは同じ幅に設定し、外ダイアフラム１２の幅Ｗｃはそれらの幅Ｗａ，Ｗｂの１．５倍の幅に設定した。また、形態（Ａ）におけるＨ形鋼柱１のウェブ部１３の板厚は８ｍｍ、垂直スチフナ７，８の板厚は９ｍｍで、Ｈ形鋼梁３，４の接合方向に直交する方向のトータルの板厚が２６ｍｍに、他方、形態（Ｂ）及び（Ｃ）における角形鋼管柱９，１１の板厚は１２ｍｍで、Ｈ形鋼梁３，４の接合方向に直交する方向のトータルの板厚が２４ｍｍにそれぞれ設定され、形態（Ａ）〜（Ｃ）におけるＨ形鋼梁３，４の接合方向に直交する方向のトータルの板厚がほぼ同じ板厚になるように設定している。因みに、本発明においては、一般的に使用されている柱等を前提としており、ここで使用した具体的な各寸法も、柱等において一般的に使用されている寸法を使用したものである。

図４は前記比較試験の結果を示したグラフであり、横軸はＨ形鋼梁３，４に作用する引張力Ｐ（ｋＮ）、縦軸に各外ダイアフラム２，１０，１２に作用する引張力Ｔ（ｋＮ）を示したものである。図示のように、本グラフによれば、本発明に係る形態（Ａ）において外ダイアフラム２に作用する引張力Ｔ（ｋＮ）は、比較例１に係る形態（Ｂ）及び比較例２に係る形態（Ｃ）の場合に比べて半分程度であることが判る。これにより、本発明に係る形態（Ａ）における外ダイアフラム２の断面積は、比較例１に係る形態（Ｂ）及び比較例２に係る形態（Ｃ）の場合に比べて半分程度で十分足りることが判る。すなわち、本発明に係る実施形態（Ａ）の場合には、Ｈ形鋼柱１のフランジ部５，６の外側に位置する部分の両側の外ダイアフラム２の断面性能を加えた値をＨ形鋼梁３，４のフランジ部の断面性能の半分程度に設定しても強度的に十分であることが判る。なお、図５は前記比較試験において検出された前記形態（Ａ）〜（Ｃ）における歪の分布状態を例示したものである。なお、図中１４は外ダイアフラムの各位置に設置した歪みゲージである。図示のように、本発明に係る形態（Ａ）における歪の分布状態は、比較例１に係る形態（Ｂ）及び比較例２に係る形態（Ｃ）の場合に比べて、Ｈ形鋼梁３，４の接合方向に直交する方向に設定した各測定点における検出値の差がきわめて小さいことが判る。すなわち、本発明に係る形態（Ａ）の場合には、Ｈ形鋼梁３，４の接合方向に直交する方向に対してほぼ均等な応力伝達が行われていることが判り、これが図４の前記比較試験の結果に結び付いているものと推測される。

なお、以上ではＨ形鋼梁３，４に対して引張力Ｐが作用した場合に関して説明したが、圧縮力が作用した場合には、前述のように外ダイアフラム２の垂直スチフナ７，８に対する補剛作用によって、それらの垂直スチフナ７，８の座屈が生じにくくなることから、垂直スチフナの座屈による急激な耐力の低下が緩和され、圧縮力作用時における安全性の観点からもきわめて有効である。

以上の結果からみて、次の補強構造は、柱梁接合部における所期の接合強度や剛性を確保しながら、外ダイアフラムの小型化を図る上で有効であると判断される。（１）Ｈ形鋼柱の外周部に設置する外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁を接合するとともに、そのＨ形鋼梁のフランジ部の幅より外側に位置するＨ形鋼柱のフランジ部間の両側に垂直スチフナを設置してなる補強構造。（２）外ダイアフラムとＨ形鋼梁のフランジ部の板厚及び材料強度をほぼ等しく設定するとともに、Ｈ形鋼柱のフランジ部の外側に位置する両側の外ダイアフラムの幅を加えた値をＨ形鋼梁のフランジ部の幅より小さく設定してなる補強構造。さらに、一般的に使用されている断面寸法を用いた柱等を前提とした前記実験の結果、前述の外ダイアフラムの垂直スチフナの座屈に対する補剛作用や、外ダイアフラムの幅を縮小した場合に派生する、寸法誤差や製作精度、不測の応力などに基づく危険性を勘案すると、（３）Ｈ形鋼柱のウェブ部と垂直スチフナの板厚をほぼ等しく設定するとともに、Ｈ形鋼柱のフランジ部の外側に位置する両側の外ダイアフラムの断面性能を加えた値を前記Ｈ形鋼梁のフランジ部の断面性能の０．５倍以上１．０倍未満に設定してなる補強構造も、外ダイアフラムの小型化を図る上での目安として有効である。

本発明の一実施形態を示した斜視図である。同実施形態の平面図である。単純引張試験に用いた試験体を示した説明図である。比較試験の結果を示したグラフである。比較試験において検出された歪の分布状態を例示した説明図である。従来の柱梁接合部を示した平面図である。角形鋼管柱の外周部に外ダイアフラムを設置した場合の応力の分布状態を示した説明図である。柱梁接合部に配管を通す状態を例示した斜視図である。

符号の説明

１…Ｈ形鋼柱、２…外ダイアフラム、３，４…Ｈ形鋼梁、５，６…フランジ部、７，８…垂直スチフナ、９…角形鋼管柱、１０…外ダイアフラム、１１…角形鋼管柱、１２…外ダイアフラム、１３…ウェブ部、１４…歪みゲージ、（Ａ）…本発明の実施形態、（Ｂ）…比較例１に係る形態、（Ｃ）…比較例２に係る形態

Claims

Ｈ形鋼柱に対して少なくとも該Ｈ形鋼柱の強軸方向にＨ形鋼梁を接合する柱梁接合構造において、前記Ｈ形鋼柱の外周部に設置する外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁を接合するとともに、そのＨ形鋼梁のフランジ部の幅より外側に位置する前記Ｈ形鋼柱のフランジ部間の両側に垂直スチフナを設置したことを特徴とする柱梁接合構造。
前記外ダイアフラムと前記Ｈ形鋼梁のフランジ部の板厚及び材料強度をほぼ等しく設定するとともに、前記Ｈ形鋼柱のフランジ部縁端の外側に位置する両側の外ダイアフラムの幅を加えた値をＨ形鋼梁のフランジ部の幅より小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載の柱梁接合構造。
前記Ｈ形鋼柱のウェブ部と前記垂直スチフナの板厚をほぼ等しく設定するとともに、前記Ｈ形鋼柱のフランジ部縁端の外側に位置する両側の外ダイアフラムの断面性能を加えた値を前記Ｈ形鋼梁のフランジ部の断面性能の０．５倍以上１．０倍未満に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の柱梁接合構造。