JP2008280687A - 合成梁 - Google Patents

Abstract

【課題】合成梁の利点を活用して、鉄骨梁のコストを低減できる合成梁を提供する。
【解決手段】コンクリートスラブまたはコンクリート４とデッキプレート３との合成スラブ５と鉄骨梁２とがシアーコネクター６で一体となっている合成梁であって、鉄骨梁２の両端は単純支持され、鉄骨梁２はＨ形鋼からなり、Ｈ形鋼２の上フランジに直接またはデッキプレートを貫通して頭付きスタッド等のシアーコネクター６が溶接されてコンクリート４と一体化され、Ｈ形鋼２の下フランジの下面に鋼板７が面を接するようにして溶接により取り付けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、Ｈ形鋼の鉄骨梁とコンクリート床板とをシアーコネクターで一体化した合成梁に関する。

鉄骨造建築の床を支える小梁には主としてＨ形鋼が使われる。Ｈ形鋼には、圧延Ｈ形鋼（ロールＨ）、溶接組立Ｈ形鋼（ビルトＨ）、および溶接軽量Ｈ形鋼（軽量Ｈ）があるが、現状はほとんどロールHが使われている。
高層事務所ビルでは小梁の全鉄骨重量に占める割合は２０％程度、低層商業施設では３０〜４０％となり、鉄骨工事のコストダウンのためには、小梁のコストダウンも重要な要素となる。

通常、梁の上フランジには、頭付きスタッド等のシアーコネクターが溶接されることが多い。これは、地震時に床スラブに作用する水平力を鉄骨に伝達するためである。ただし、デッキプレートとコンクリートの合成スラブの場合は、デッキプレートを小梁に焼き抜き栓溶接することで水平力を伝達する場合もあるが、デッキプレートを貫通して小梁に頭付スタッドを溶接する場合もある。
頭付きスタッドを溶接することは、床スラブの水平力を鉄骨に伝達する効果以外に、床スラブのコンクリートとＨ形鋼が一体となった合成梁として機能し、鉄骨の応力とたわみが小さくなると言う効果ももたらす。

通常の大梁は、両端が柱と剛接合され、断面積も大きいので、鉛直荷重に対してたわみが過大になることは少ない。また、負曲げ（上フランジが引張になるような曲げ）を受ける部分が多いため、合成梁としての効果は期待しない場合が多い。
一方、小梁の場合は断面も小さく両端が単純支持のため、たわみが大きくなるが、正曲げしか受けないので、合成梁としてたわみを計算して評価する場合が多い。

合成梁の小梁に鉛直荷重による曲げモーメントが作用した場合に、床のコンクリートとＨ形鋼の上フランジが圧縮力を負担し、下フランジが引張力を負担する。コンクリートは鉄骨と比べると非常に大きな断面積があり、圧縮力に対しては余裕があるので、Ｈ形鋼の上フランジは最小限で良い。したがって、Ｈ形鋼の上フランジの断面積を減らして、その分、下フランジの断面積を増やすことで、鉄骨の重量は増やさずに合成梁の効果を更に増加させることができる。また、ウェブの断面積を減らして、その分下フランジを増加させることも効果がある。

下フランジの断面積を増加させるには、以下のような方法が考えられる。
（イ）上下異フランジのビルトＨを使う。すなわち、下フランジの板厚または板幅を上フランジより大きくする。この方法は橋梁で実施されている。
（ロ）上下異フランジの軽量Ｈを使う。すなわち、下フランジの板厚または板幅を上フランジより大きくする。ウェブはできるだけ薄くする。

また、特許文献１には、コンクリートスラブと鉄骨梁とを一体とした合成梁において、鉄骨梁の下フランジを、コンクリートスラブに接する上フランジより大きくした上下非対称の断面形状にすると共に、下フランジを上方に向き開口するコ字状断面の形材とし、且つ鉄骨梁のウェブとコ字状断面の下フランジとの間に形成される領域にＰＣ鋼材を張設することが記載されている。

特開平５−１９５６００号公報

しかしながら、上記（イ）の方法では以下のような問題点がある。
（１）ビルトＨの製造コストがロールＨや軽量Ｈよりも高い。
（２）フランジとウェブをアーク溶接するので、ウェブを薄くすると溶接ひずみが生じる。
（３）小梁の場合、両端が単純支持であるため、端部の曲げモーメントはゼロに近い。その部位の下フランジが中央部と同じ断面積では不経済となる。
（４）上記への対策として、橋梁の単純桁のように、端部と中央部でフランジの板厚を変えて溶接で継ぐ方法も考えられるが、製造コストがさらに高くなる。

また、上記（ロ）の方法では以下のような問題点がある。
（１）軽量ＨのコストがロールＨよりもやや高い。
（２）熱延コイルを素材とするため、フランジ厚を増大させるのにも限界がある。通常の設備では１２mm程度が限度である。
（３）上フランジと下フランジを同じ一条の熱延コイルを分割して使うような設備では、上下のフランジ厚を変えることはできない。
（４）上下のフランジ幅に差をつける場合でも、通用の設備では幅２００mm程度が最大限度である。一方、上フランジの幅は建方の際の安全確保から、最低１５０ｍｍ程度は必要である。したがって、上下フランジの断面積にあまり差はつけられない。
（５）通常の加工設備ではＨ形鋼を横にした状態でローラーテーブル上を搬送するので、上下のフランジ幅に差をつけた場合に、穴明け、切断の自動加工ラインが利用できないため、加工コストが増大する。
（６）小梁の場合、両端が単純支持であるため、端部の曲げモーメントはゼロに近い。その部位の下フランジが中央部と同じ断面積では不経済となる。

また、特許文献１に記載の合成梁では、鉄骨梁部分の構造が複雑であり、製作コストが高くなるなどの問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたもので、合成梁の利点を活用して、鉄骨梁のコストを低減できる合成梁を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の合成梁は、コンクリートスラブまたはコンクリートとデッキプレートとの合成スラブと鉄骨梁とがシアーコネクターで一体となっている合成梁であって、鉄骨梁の両端は単純支持され、鉄骨梁はＨ形鋼からなり、Ｈ形鋼の上フランジに直接またはデッキプレートを貫通して頭付きスタッド等のシアーコネクターが溶接されてコンクリートと一体化され、Ｈ形鋼の下フランジの下面に鋼板が面を接するようにして溶接により取り付けられていることを特徴とする。
この構成により、従来の合成梁と同等の曲げ剛性を有しながら、鉄骨梁の使用鋼材重量を削減することができ、さらには加工費まで含めたトータルコストを削減することができる。

ここで、鋼板の長さはＨ形鋼の長さよりも短く、かつ鋼板の端部からＨ形鋼の端部までの距離は両側でほぼ等しいのが好ましい。
このように、Ｈ形鋼の下フランジの中央部に鋼板を溶接することにより、以下の作用効果を得ることができる。
（ａ）曲げモーメントの大きい梁の中央部のみに下フランジの断面積を増加させるので、無駄がない。
（ｂ）上下異フランジの特殊な形状のＨ形鋼を使う必要がない。そのため、通常の穴明け・切断ラインを利用することができる。
（ｃ）溶接する鋼板として、一般に流通している平鋼を使うことができる。平鋼の長さは、梁の長さと一致させる必要がないので、梁の長さに応じて、それより短めの定尺長さ（５．５ｍまたは６ｍ）またはその半分長さ（２．２５ｍまたは３ｍ）とすることができ、材料ロスが出ない。
（ｄ）下フランジの下面に鋼板を溶接するため、孫梁や座屈止め接合用のガセットプレートがある場合でも邪魔にならない。

また、鋼板の幅はＨ形鋼のフランジ幅より小さいのが好ましい。このようにすると、鋼板の側面とＨ形鋼のフランジ面とをそのまま隅肉溶接できる。
別紙参照
一方、鋼板の断面積はＨ形鋼の下フランジの断面積以上とするのがよく、また鋼板の長さはＨ形鋼の長さの半分以上とするのがよい。この両方を満たすようなサイズの鋼板を使用することで概ね２割以上の軽量化が期待できる。

また、鋼板は、Ｈ形鋼の下フランジに鋼板の全長に渡って連続的に溶接されていてもよい。これにより、Ｈ形鋼の下フランジと鋼板とが一体断面となり、下フランジの断面積を増加させたのと同様と考えることができる。

一方、鋼板の溶接は両端部のみとし、必要に応じて中間部も数箇所溶接することとしてもよい。このような構造とすることで、以下の作用効果を得ることができる。
（ａ）鋼板に作用する引張力をＨ形鋼の下フランジに伝達するには、端部の溶接だけでほぼ十分である。したがって、鋼板全長を溶接するのと比較して、溶接のコストを低減できる。また、Ｈ形鋼の片側だけ（下フランジだけ）を溶接することから生じる溶接ひずみによる反りを抑制できる。

（ｂ）Ｈ形鋼が荷重を受けて撓んだ場合、鋼板はＨ形鋼下フランジに面外方向に押されるので、下フランジと同じ鉛直変位をせざるを得ない。鋼板を全長に渡って下フランジに溶接した場合は、下フランジの伸びと鋼板の伸びは当然全長に渡って一致する。一方、鋼板の両端のみをＨ形鋼に溶接した場合は、中間での下フランジと鋼板とのずれは拘束されていないので、下フランジの各位置の伸びは曲げモーメントに応じて変化するのに対し、鋼板の伸びはどの位置でも一定となる。しかし、この場合でも溶接された区間全体の伸びは、下フランジと鋼板とで一致する。鋼材はその伸びに比例して応力を負担するので、鋼板の両端部のみ溶接した場合も、鋼板全長溶接の場合と同様に有効に働くと考えられる。

（ｃ）また、両端部以外の数箇所でも溶接した場合には、それぞれの区間での両者の伸びは一致することになるので、全長溶接の状態に更に近づくと考えられる。

上記のことを確認するため、図１に示すような合成梁のＦＥＭ解析モデル（右半分）を作成し、Ｈ形鋼の下フランジと鋼板との溶接箇所数が合成梁の変形と応力に与える影響を解析した。ＦＥＭ解析モデル（右半分）の溶接箇所は図２に示すとおりであり、この図において、（Ｎ）はＨ形鋼のみの場合、（１）はＨ形鋼に平鋼（鋼板）を両端のみ溶接した場合、（４）はＨ形鋼に平鋼（鋼板）を両端および中間部を７箇所を溶接した場合、（Ａ）はＨ形鋼に平鋼（鋼板）を全長連続溶接した場合であり、溶接は隅肉溶接で両側を並列に溶接している。Ｈ形鋼は溶接軽量Ｈ形鋼LH-450×175×4.5×9で、平鋼はFB-9×150であり、Ｈ形鋼の長さは７２００ｍｍで、平鋼の長さは４８００ｍｍであり、平鋼はＨ形鋼の下フランジの中央部に配置すなわち平鋼の長さ方向の端からＨ形鋼の端までの距離は両端側で等しくなるように配置され、また平鋼の幅方向の端からＨ形鋼の下フランジの端までの距離は両側端側で等しくなるように配置されている。

この解析の結果、図３に示すように、（Ｎ）の場合には、Ｈ形鋼の撓み量がどの部位でもほぼ同じであって、中央部の撓み量が６．２５ｍｍ程度であるのに対し、（１）、（４）および（Ａ）の場合にはともに、（Ｎ）の場合によりもＨ形鋼の撓み量よりも大分小さく、中央部の撓み量はそれぞれ、４．６５ｍｍ程度、４．５５ｍｍ程度および４．４５ｍｍ程度である。すなわち、Ｈ形鋼の下フランジに鋼板を溶接すると曲げ剛性が高くなり、また鋼板を全長溶接した場合と両端のみ溶接した場合の撓み量はほとんど変わらないことが判明した。
ただし、鋼板の両端だけを溶接した場合には、溶接部付近の応力が許容応力を超過する場合もあり得る。また、鋼板が自重により垂れ下がり、下フランジとの間に隙間が生じる恐れもある。したがって、溶接位置は中間部にも数箇所設けることが望ましい。
Ｈ形鋼としては、ロールＨまたは軽量Ｈが好ましく、特に軽量Ｈが好ましい。軽量Ｈの方がロールＨよりも、重量あたりの単価は高いが、ウェブ厚さを薄くできるので、全重量をロールＨよりも少なくすることができ、その結果としてコストダウンを図ることができる。

本発明の合成梁によれば、従来の合成梁と同等の曲げ剛性を有しながら、鉄骨梁の使用鋼材重量を削減することができる。さらに、加工費まで含めたトータルコストを削減することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。
図４および図５に示すように、大梁１の間隔が７２００ｍｍ（小梁２（２Ａ）の長さが６９８０ｍｍ）の高層事務所ビルの床を想定し、本発明に係る小梁２と従来技術による小梁２Ａとが、合成梁としての曲げ剛性が同等となるように設計し、両者のコストを比較した。

ここで、床としては、山高７６ｍｍのデッキプレート３の上に普通コンクリート４を山上８０ｍｍとした合成スラブ５とする。頭付きスタッド６は、外径１６ｍｍφのものを１５０ｍｍ間隔で一列にＨ型鋼の上フランジに溶接し、これらの頭付きスタッド６をコンクリート４に埋設して合成スラブ５と一体化する。小梁２（２Ａ）の間隔は３２００ｍｍ（３．２ｍ）とする。固定荷重は８００Ｎ／ｍ^２（鉄骨、コンクリート自重を除く。）で、積載荷重は４９００Ｎ／ｍ^２とする。

図６および図７に示すように、本発明では、Ｈ形鋼からなる小梁（鉄骨梁）２の下フランジの下面に鋼板７が互いの面を接するようにして溶接により取り付けられる。鋼板７はＨ形鋼２の下フランジの中央部すなわち鋼板７の長さ方向端部からＨ形鋼２の端部までの距離は両側で等しくなるように配置され、また鋼板７の幅はＨ形鋼２のフランジ幅より小さい。Ｈ形鋼２のウェブの両端部にはそれぞれ、穴径２４ｍｍφの４つのボルト孔８が設けられ、これらのボルト孔８を用いてＨ形鋼２の長さ方向両端部がそれぞれ大梁１，１に固定される（図５参照）。

図８および図９に示すように、従来技術による小梁（鉄骨梁）２Ａは、Ｈ形鋼からなり、Ｈ形鋼２Ａのウェブの両端部にもそれぞれ、本発明と同様にボルト孔８が設けられ、このボルト孔８を用いてＨ形鋼２Ａの長さ方向両端部がそれぞれ大梁１，１に固定される。

その結果、従来技術（従来例）によれば、図９に示すように、使用するＨ形鋼２Ａは、圧延Ｈ形鋼のH-446×199×8×12（長さ６９８０ｍｍ）になるのに対し、本発明で使用するＨ形鋼２は、図７に示すように、溶接軽量Ｈ形鋼のLH-450×150×4．5×9（長さ６９８０ｍｍ）となり、溶接する鋼板７は平鋼のFB-12×125で長さ５５００ｍｍとなる。
平鋼７の幅をＨ形鋼のフランジ幅よりも若干小さくしたのは、平鋼７の側面とフランジ面とをそのまま隅肉溶接できるからである。また、平鋼の定尺長さが５５００ｍｍ（５．５ｍ）または６０００ｍｍ（６ｍ）なので、本実施例では５５００ｍｍの平鋼７をそのまま使用することにより、切断手間と材料ロスを省くことができる。
溶接（隅肉溶接）箇所は、平鋼７の両端部および中間部を３箇所とし、溶接長さ、脚長等は図７に記載のとおりである。

以上より、本発明の場合の鋼材重量は従来技術（従来例）の場合の約７０％となる。
さらに、鋼材費および小梁としての加工費の合計コストを比較する。加工費には、Ｈ形鋼２，２Ａの長さ切断、端部のウェブのボルト穴明けと摩擦面処理までを含み、本発明の場合は平鋼７の溶接費も含む。
鋼材の重量当たり単価は、現時点では平鋼の方が圧延Ｈ形鋼よりも若干高く、溶接軽量Ｈ形鋼は更に高い。しかし、平鋼も含んだ鋼材重量が大幅に減っているので、材料費（鋼材費）も大幅な削減率を達成している。

一方、加工費については溶接が加わる分、本発明の方が高くなるが、溶接長さに換算すると高々ガセットプレート数枚の溶接程度であり、それほどのコスト高にはならない。
したがって、鋼材費と加工費を合計した全コストを比較しても、本発明の方が安くなる。試算では、本発明の場合の方が従来技術の場合より約１５％安くなる。

合成梁のＦＥＭ解析モデル（右半分）である。 ＦＥＭ解析モデル（右半分）の溶接箇所を示す図である。 ＦＥＭ解析モデルの変形図（右半分）である。 大梁および小梁を示す平面図である。 合成梁を示す側面図である。 本発明の合成梁を示す断面図である。 本発明に係る小梁および鋼板を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は断面図である。 従来例を示す断面図である。 従来例に係る小梁を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）断面図である。

符号の説明

２ 小梁（Ｈ形鋼、鉄骨梁）
３ デッキプレート
４ コンクリート
５ 合成スラブ
６ スタッド（シアーコネクター）
７ 鋼板（平鋼）
１１、１１Ａ 柱
１２ 基礎
１３ アンカーボルト
１４ 座金
１５ ナット
１７ ドリリングタッピンねじ（ドリルねじ）

Claims (7)

1. コンクリートスラブまたはコンクリートとデッキプレートとの合成スラブと鉄骨梁とがシアーコネクターで一体となっている合成梁であって、
   鉄骨梁の両端は単純支持され、
   鉄骨梁はＨ形鋼からなり、
   Ｈ形鋼の上フランジに直接またはデッキプレートを貫通して頭付きスタッド等のシアーコネクターが溶接されてコンクリートと一体化され、
   Ｈ形鋼の下フランジの下面に鋼板が面を接するようにして溶接により取り付けられている、
   ことを特徴とする合成梁。
2. 鋼板の長さはＨ形鋼の長さよりも短く、かつ鋼板の端部からＨ形鋼の端部までの距離は両側でほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の合成梁。
3. 鋼板の幅はＨ形鋼のフランジ幅より小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の合成梁。
4. Ｈ形鋼が圧延Ｈ形鋼または溶接軽量Ｈ形鋼であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の合成梁。
5. 鋼板は、Ｈ形鋼の下フランジに鋼板の全長に渡って連続的に溶接されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の合成梁。
6. 鋼板は、Ｈ形鋼の下フランジに鋼板の両端部で溶接されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の合成梁。
7. 鋼板は、Ｈ形鋼の下フランジに鋼板の両端部および中間部で断続的数箇所を溶接されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の合成梁。

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