JP2011094406A - 外ダイアフラム形式の角形鋼管柱 - Google Patents

Abstract

【課題】柱梁接合部において梁からの作用応力に対して十分な耐力を有すると共に、張出し部が小さく運搬性及び建設時のハンドリング性に優れる外ダイアフラム形式の鋼管柱を提供する。
【解決手段】本発明の外ダイアフラム１形式の角形鋼管柱２は、Ｈ型断面梁が直交方向に接合可能とされる外ダイアフラム１を柱梁接合部に備えた外ダイアフラム１形式の角形鋼管柱２であって、前記外ダイアフラム１の張出し幅Ｈｄを、鋼管の外径Ｄに対してＨｄ＝０．１５Ｄ〜０．４Ｄとし、前記外ダイアフラム１の断面の面積Ａｄ（＝張出し幅Ｈｄ×板厚ｔｄ）を、接合されるＨ型断面梁からの作用応力に対してせん断抵抗力にて耐え得る面積とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄骨構造物などに使用される外ダイアフラム形式の角形鋼管柱に関する。

従来より、ビルや立体駐車場などの鉄骨構造物（鋼構造物）を建造する場合には、鋼管柱（円形鋼管柱や角形鋼管柱）を立てて、この鋼管柱に梁材を取り付ける構造が採用されている。鋼管柱に梁材を接合するにあたっては、その柱梁接合部の構造としてダイアフラム形式（通しダイアフラム、外ダイアフラム、内ダイアフラム）が採用されることが多い（（社）日本建築学会編、「鋼構造接合部設計指針」、第２版、日本建築学会発行、２００６年３月１日、ｐ１２０〜ｐ１２１などを参照)。

一例として、従来の外ダイアフラム形式の柱梁接合部は、図６に示すように、角形鋼管柱１００の外壁面に外ダイアフラム１０１を配置した上で角形鋼管柱１００と外ダイアフラム１０１の基端側を溶接すると共に、外ダイアフラム１０１の先端側に梁材を接続する構造となっている。
このような外ダイアフラム形式の柱梁接合構造においては、鉄骨柱は切断せずに、梁の接合箇所で外部から平板状の外ダイアフラムを溶接して鉄骨柱と梁の接合部を形成する。ただし、図２（ａ）に示すごとく、接合される梁材に生じる曲げモーメントに起因する作用応力に対し、外ダイアフラムの基端側に応力を伝達させ、外ダイアフラムの基端側近傍に引張降伏域を生じさせる構造とするため、(社)日本建築学会の基準では、外ダイアフラムと梁軸方向とのなす角度θを３０°以内と規定している。

このような外ダイアフラムは、鉄骨柱を切断せずに取り付ける構造であるため、通しダイアフラムなどに比して加工性がよい反面、外ダイアフラムと梁軸方向とのなす角度θが上述の制約を受けるため、外ダイアフラムの張出し部が大きく、ハンドリング性や運搬性に劣る等の問題がある。
外ダイアフラム形式の角形鋼管柱の運搬性に関しては、ダイアフラムの張出し部の大きさによって、トラックに積載可能な鉄骨柱本数が制約されるため、全数の運搬時間を左右する。そして更に、積載可能な本数による運搬費用が柱梁接合構造物の建設費用に影響することとなる。また、外ダイアフラムの張り出しのため、外壁と干渉するため隅柱、側柱として用いることが難しいという設計上の課題もあり、採用されるケースが少なかった。

係る不具合を改善するための従来技術（特許文献１〜特許文献５）が提案されている。
特許文献１は、閉鎖型断面の鉄骨柱と鉄骨梁とが結合されている鉄骨構造体の仕口において、環状体の開口が鉄骨柱の外周の寸法より大きくされ、鉄骨梁のフランジに対応する鉄骨柱の部分に環状体が嵌められ、環状体の内周面と鉄骨柱の外周面との間の隙間が溶融金属で埋められて、環状体と鉄骨柱とが互いに溶接され、鉄骨梁のウェブが二つの環状体の間の鉄骨柱に直接またはガセットプレートを介して固定され、鉄骨梁のフランジが環状体に溶接されている鉄骨構造体の仕口を開示する。

特許文献２は、 角形鋼管を柱材とした鉄骨構造物の柱はり接合部のはり上下フランジ取り付け部に各々４枚の矩形の板を溶接して接合する外ダイアフラムを開示する。
特許文献３は、鋼管柱の所定部分に、該鋼管柱に嵌合する内径を有し且つ所定の肉厚を有した厚肉鋼管を該厚肉鋼管の軸に垂直な面で所定の厚さに切断してなる一体環状のダイアフラムが、嵌合され、互いに隅肉溶接されているダイアフラム付鋼管柱を開示する。

特許文献４は、柱部材の外周に一定間隔を隔てて上下に装着され梁部材方向に突出した梁連結部を有する上下の各ダイアフラムとＨ形鋼製の梁部材との接合構造であって、上ダイアフラムの梁連結部より長く突出させた下ダイアフラムの梁連結部上に前記梁部材の下フランジを載置し、前記下ダイアフラムの梁連結部と前記梁部材の下フランジとをボルトナットおよび溶接で接合したダイアフラムと梁部材との接合構造を開示する。

特許文献５は、角形鋼管柱が貫通でき接合可能な開口部を有する環状体であって、梁材と接合するための突出部を備えたダイアフラムを開示しており、このダイアフラムは１枚の鋼板から形成されたものとなっている。

特開平６−１１７０４９号公報 実開平６−２９７６８号公報 特許第２７１５８３１号公報 特開２００２−１３８５７３号公報 特開２００４−２８５５８４号公報

確かに、特許文献１〜特許文献５に開示された図などを参照するに、外ダイアフラムの張出し部の幅は大きくはない。しかしながら、これら特許文献の技術においても、実際の現場に採用しようとすると、以下に述べるような不都合を孕んだものとなっている。
例えば、特許文献１の鉄骨構造体の仕口は、角形鋼管の柱にその外周より大きい環状体が嵌められ、環状体と鋼管、環状体とフランジが溶接で接合された構造となっている。

しかしながら、環状体の形状に対しては、環状体の幅を厚さよりも大きくすることと、鋼管の外周形状に類似した形状とすることが記載されているのみである。ゆえに、具体的な形状が明確でなく、実際の現部への適用は困難である。特許文献１の図１などに示された外ダイアフラムは、その厚さが薄く幅も短いため、地震時の梁方向の荷重に対し安全な構造とは言い難い。

特許文献２の外ダイアフラムは、角形鋼管の柱梁接合部のはり上下フランジ取り付け部に各々４枚の矩形の板を溶接して接合するものであり、この外ダイアフラムの板厚、板幅は梁から伝達される力に十分耐えるものとの開示がある。
しかしながら、梁から伝達される作用応力に対し、ダイアフラムのどの部分に応力が加わりどの部分で降伏変形するのか、その応力に耐えうるものとなっているか等の明確な記載がないため、本技術の実際の現場への採用に関しては慎重にならざるを得ない。また、本技術のように、４枚の矩形の板を接合しただけの外ダイアフラム構造では、冷間成形角形鋼管の角部が曲面のため、外ダイアフラムと鋼管の角部の溶接ができず、十分な耐震性を確保することができないといった問題も存在する。

特許文献３のダイアフラム付鋼管柱は、外ダイアフラムを角形鋼管の外径より大きな内径をもつ厚肉鋼管から輪切り切断して採取する構成を有している。
しかしながら、この技術では張出し幅が厚肉鋼管の厚さ以下に限定される。冷間成形角形鋼管の厚さは、現状の製品では６０ｍｍ以下なので、実際には、張出し幅を必要な強度を確保可能に大きくすることができず、梁材からの作用応力に耐えられる外ダイアフラムの製造は困難なのが実情である。

特許文献４のダイアフラムと梁部材との接合構造は、角形鋼管の外ダイアフラムをＨ形梁端の上下で別形状とし、上フランジとは溶接接合、下フランジとはボルト接合としたものである。
しかしながら、この外ダイアフラムは複雑な断面形状から鋳造によらなければ製造できない。鋳造で製造される外ダイアフラムは製造コストが高く、また溶接性や靭性にも劣るという問題がある。

特許文献５のダイアフラムは、様々な寸法、形状を比較的容易に得ることが可能で多品種、少量生産の要請に好適であって、信頼性に優れたダイアフラムであって、厚鋼板から切り出すことで当該ダイアフラムを製造することを開示している。
しかしながら、この技術によるダイアフラムも、梁から伝達される作用応力に対し、ダイアフラムのどの部分に応力が加わりどの部分で降伏変形するのか、その応力に耐えうるものとなっているか等の明確な記載がないため、本技術の実際の現場への採用に関しては慎重にならざるを得ない。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、梁材からの作用応力に対して十分な耐力を有すると共に、張出し部が小さく運搬性及び建設時のハンドリング性に優れる外ダイアフラム形式の鋼管柱を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明の外ダイアフラム形式の角形鋼管柱は、Ｈ型断面の梁材が直交方向に接合可能とされる外ダイアフラムを柱梁接合部に備えた外ダイアフラム形式の角形鋼管柱であって、前記外ダイアフラムの張出し幅Ｈｄを、鋼管の外径Ｄに対してＨｄ＝０．１５Ｄ〜０．４Ｄとし、前記外ダイアフラムの断面積Ａｄ（＝張出し幅Ｈｄ×板厚ｔｄ）を、接合される梁材からの作用応力に対してせん断抵抗力にて耐え得る面積に設定していることを特徴とする。

本願発明者らは、外ダイアフラムの張り出し幅を(社)日本建築学会の基準より大幅に短くすると共に、梁材からの作用応力に耐えることのできる外ダイアフラムの形状およびサイズを導出すべく、鋭意研究を行った。
その理由として、従来より、外ダイアフラムの梁方向の張り出し部を単に短縮した形状のアイデアはあったが、これでは地震などに対して安全とは言えないからである。そこで、本願出願人らは、コンピュータ・シミュレーション等を通じ、地震時などに作用する大きな力が外ダイアフラムに及ぼす状態（応力状況）と崩壊機構を解析した。

その結果、図２（ｂ）に示すごとく、張り出し幅が短くなると、外ダイアフラムには、接合されるＨ型梁材のフランジ外縁を軸方向に沿って延長した「領域Ｂ」にせん断降伏域が生じることを見出した。このせん断降伏域からの破壊が生じないようにするために、外ダイアフラムの張り出し幅と板厚の断面積を適正に決定した。
なお、図２（ａ）に示すような従来の外ダイアフラムに関しては、その崩壊はせん断降伏ではなく、外ダイアフラムの基端側の領域（領域Ａ）に破壊に至る引張降伏が発生することを想定して形状が決められている。特許文献１〜特許文献５に開示された外ダイアフラムに関しても、崩壊に関する明確な説明はなく、従来の基準に則り、引張降伏が発生することを想定た形状決定が行われているものと考えられる。

それに対し、本願発明者らは、従来の基準（(社)日本建築学会の基準）とは全く異なる「せん断降伏による崩壊機構」の考え方で耐震安全性を確保可能な「外ダイアフラム」の形状を決めている。
本願出願人らが行ったコンピュータ・シミュレーション等に基づけば、外ダイアフラムの張り出し幅Ｈｄは、鋼管の外形Ｄの０．１５倍以上必要であることが知見された。

確かに、Ｈｄは大きければ大きいほど耐震上安全ではあるが、ハンドリング性や運搬性が悪化し、設計応力的に無駄な構造となり、経済性が劣化する。一方、張り出し幅Ｈｄを短くするためには、外ダイアフラムの板厚を厚くすることが考えられるが、ダイアフラム厚が厚くなれば、外ダイアフラムと鋼管柱の溶接量が非常に多くなり溶接負荷が増大することは避けられない。

そのため、外ダイアフラムの板厚には上限があり、板厚１００ｍｍ以下とすることが望ましい。これら全体バランスで張り出し幅を決める必要があり、ダイアフラム厚の比較的薄い場合も考慮し、張り出し幅Ｈｄは、角形鋼管の外形Ｄの０．４倍以下とするのが好ましい。本願発明者らは、張り出し幅Ｈｄが角形鋼管の外形Ｄの０．４倍を超えるようになると、崩壊機構がせん断降伏ではなく、局部座屈モードや引張降伏モード（図２（ａ）に近い状況）となることを数々のシミュレーションから知見している。

さらに、図２（ｂ）のように、外ダイアフラムの領域Ｂにせん断降伏域が発生するため、この領域Ｂの断面積（外ダイアフラムの断面積）をＡｄとし、このＡｄが、Ｈ型断面梁からの作用応力に対してせん断抵抗力にて耐え得る面積となるように設定している。
以上の構成を採用することにより、梁材からの作用応力に対して十分な耐力を有すると共に、張出し部が小さく運搬性及び建設時のハンドリング性に優れる外ダイアフラム形式の鋼管柱が実現できる。

好ましくは、前記接合される梁材に生じる曲げモーメントに起因する作用応力より、外ダイアフラムの断面積Ａｄで耐え得るせん断抵抗力が大きいように、前記断面積Ａｄを設定するとよい。具体的には、式（１）を満たすような張出し幅Ｈｄと板厚ｔｄとする。

なお、本発明におけるＡｄの計算式は、式（１）に限定されるものではなく、せん断破壊の考え方が反映されている計算式であれば、式（１）に代えて採用可能である。
また、前記外ダイアフラムの先端側に形成され且つ梁材が接続される外縁直線部は、前記梁材のフランジ幅より幅広とされているとよい。
前記外ダイアフラムの板厚ｔｄを梁材のフランジ厚ｔｆより厚くするとよい。

こうすることで、地震などにより梁から大きな力が外ダイアフラムに作用した場合であっても、この作用応力に対して十分なせん断抵抗力を有するようになる。
なお、前記外ダイアフラムが、炭素当量Ｃｅｑ≦０．４４％、Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．００５％で、降伏応力Ｙｐ≧３２５Ｎ／ｍｍ²を満たす厚鋼板から切り出されたものであることは非常に好ましい。

外ダイアフラムは、梁材や角形鋼管柱と溶接接合するため、耐震性の観点から溶接欠陥や溶接割れの発生を防止できる素材とすることが重要である。鋳造で形状確保する場合、鋳造の容易さと強度確保のため炭素含有量が高くなり、必然的に炭素当量Ｃｅｑが高くなり溶接施工時に割れが生じ易くなる。
そこで、本発明では、厚鋼板（ＪＩＳ規格鋼材、または国土交通大臣認定鋼材）から切り出すものとする。強度クラスは降伏応力Ｙｐ＝３２５ＭＰａ級（引っ張り強さＴｓ＝４９０ＭＰａ級)以上であり、降伏応力Ｙｐ＝４４０ＭＰａ級（引っ張り強さＴｓ＝５９０ＭＰａ級）以下のものを採用するのが好ましい。

加えて、外ダイアフラムが切り出される鋼板としては、溶接時の予熱負荷を低減し、溶接割れを防止し、溶接部の破壊靭性を確保するため、炭素当量Ｃｅｑと不純物元素を少なくした厚鋼板を使用することが必要である。
係る条件を満たす厚鋼板としては、ＪＩＳ規格鋼材のＳＮ４９０→Ｃｅｑ≦０．４６％、Ｐ≦０．０２０％、Ｓ≦０．００８％、国土交通大臣認定鋼材のＳＡ４４０→Ｃｅｑ≦０．４７％、Ｐ≦０．０２０％、Ｓ≦０．００８％などが採用可能である。しかしながら、溶接割れの生じにくさ、ＨＡＺ靱性確保のため、Ｃｅｑ≦０．４４％、Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．００５％の成分の厚鋼板から外ダイアフラムを切り出すこととする。なお、本願出願人らは、Ｃｅｑ＝０．４６％では予熱なしで溶接した場合に溶接割れが生じることを確認している。

前記角形鋼管柱と外ダイアフラムとを部分溶け込み溶接で接合することは非常に好ましい。
外ダイアフラムと角形鋼管柱の溶接は、完全溶け込み溶接を行うと外ダイアフラムの板厚が厚い場合、膨大な溶接量となり溶接作業時間が長くなるので溶接施工性が悪い。梁材からの梁方向の作用応力に対して、主に外ダイアフラムの外側張り出し部（図２（ｂ）の領域Ｂ）にせん断応力が作用し、角形鋼管柱との溶接は完全溶け込み溶接でなくても十分耐えることが可能なため、部分溶け込み溶接とする。

また、角形鋼管柱と外ダイアフラムの基端との溶接は、直線部のみでは溶接端部から破壊が生じる可能性があるため、角形鋼管柱の角部の曲面部分も含め部分溶け込み溶接での全周溶接とするのが好ましい。
加えて、前記外ダイアフラムにおいて、前記外ダイアフラムにおいて、梁材が取り付く部分である取り付け部位と、梁材が取り付かない部分である非取り付け部位とが存在する場合、前記非取り付け部位の張出し幅Ｈｄ’を前記取り付け部位の張り出し幅Ｈｄより小さく設定するとよい。

本願出願人らは、数々のコンピュータ・シミュレーションを行うことで、梁材からの梁方向の作用応力に対して外ダイアフラムに加わる力は、梁材と角形鋼管柱の間の張り出し幅の部分に重点的に掛かり、サイド部分にはほとんど力は作用しないことを確認している。この知見に基づけば、外ダイアフラムのサイド側（梁材が接続されない側）の張り出し幅Ｈｄ’を短くすることが可能である。

ただし、外ダイアフラムの形状確保、溶接施工の容易さを鑑みれば、サイド側の張り出し幅Ｈｄ’は最低２５ｍｍ以上必要である。

本発明の外ダイアフラム形式の角形鋼管柱は、梁材の軸方向耐力に対して十分な耐力を有すると共に、張出し部が小さく運搬性及び建設時のハンドリング性に優れる。

本発明に係る外ダイアフラム形式の角形鋼管柱の柱梁接合構造を示し、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は正面断面図である。 外ダイアフラムの破壊状況を示す概念図（平面図）であり、図（ａ）は従来の外ダイアフラム、（ｂ）は本発明の外ダイアフラムである。 本発明に係る外ダイアフラムの変形例を示した平面図である。 角形鋼管柱及び外ダイアフラムの耐力を評価するために実施したＦＥＭ解析の結果（応力分布状態）の一例を示したものである。 本発明に係る外ダイアフラムの変形例を示した平面図である。 従来例に係る外ダイアフラム形式の柱梁接合構造を示したものである。

以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
図１を参照して、本発明に係る外ダイアフラム１形式の角形鋼管柱２及びこの角形鋼管柱２に梁部材５が直接接続されてなる柱梁接合部の構成（柱梁接合部の構造）について説明する。

本発明の角形鋼管柱２は、鉄骨構造物などの柱となる角形の鋼管であって断面角筒状である。この角形鋼管柱２には、断面Ｈ型の梁部材５が取り付けられ、建築構造物を構成する柱梁接合構造が形成される。
すなわち、図１に示すごとく、外ダイアフラム１形式の柱梁接合部は、角形鋼管柱２の外壁面に外ダイアフラム１を配備した上で、角形鋼管柱２と外ダイアフラム１の基端とを溶接し、外ダイアフラム１の先端に梁部材５を溶接する。その後、溶接した梁部材５に梁材３をボルト等で接続する。なお、梁部材５とそれに接続された梁材３とを合わせたものを単に梁と呼ぶ場合もある。

特に、図１（ａ）に示すように、外ダイアフラム１は厚板鋼板から切り出された平板状の部材であり、外ダイアフラム１の張出し幅Ｈｄを、鋼管の外径Ｄに対してＨｄ＝０．１５Ｄ〜０．４Ｄとしている。望ましくは、Ｈｄ＝０．２０Ｄ〜０．３５Ｄ（０．２０Ｄ以上０．３５Ｄ以下）とするとよい。
さらに、図１（ｂ）に示すように、外ダイアフラム１の断面の面積Ａｄを、接合されるＨ型断面の梁からの作用応力に対してせん断抵抗力にて耐え得る面積としている。なお、外ダイアフラム１の断面の面積Ａｄ＝張出し幅Ｈｄ×板厚ｔｄである。

詳しくは、図１（ａ）に示すように、外ダイアフラム１は平面視で角枠形（角環状形）を呈していて、梁部材５が取り付く部分は直線部（外縁直線部Ｌ）となっている。角枠形の中央部に形成された内孔６が角形鋼管柱２の外壁面に嵌り込むものとなっている。
外ダイアフラム１は角形角形鋼管柱２に嵌り込んだ上で上下に一対設けられる。上側の外ダイアフラム１ａと下側の外ダイアフラム１ｂとの間隔は、それに取り付く梁部材５に接続されるＨ型梁材３の梁せいと同じとされる。

外ダイアフラム１の板厚ｔｄに関しては、梁部材５のフランジ厚ｔｆより厚くするとよい。
外ダイアフラム１の断面の面積Ａｄ、特に、図２（ｂ）に示される領域Ｂの断面積Ａｄに関しては、以下に述べる式（１）を満たすことが必須である。
式（１）の導出に関しては、まず、外ダイアフラム１における降伏耐力Ｐｙが、梁フランジの全断面が降伏する荷重Ｐｍａｘを上回るという状況（式（２）の関係）を考える。この状況は、接合される梁（梁部材５及び梁材３）に生じる曲げモーメントに起因する作用応力より、外ダイアフラム１の断面積Ａｄで耐え得るせん断抵抗力が大きいようにすることを意味する。

なお、降伏耐力Ｐｙは式（３）、梁（梁部材５及び梁材３）の全断面が降伏する荷重Ｐｍａｘは式（４）で表される。

式（３），式（４）を式（２）に代入し、外ダイアフラム１の断面積Ａｄ（＝張出し幅Ｈｄ×板厚ｔｄ）について解くことで、式（１）が導出される。ここで、Ａｄ−ｒｅｑは、梁材３の全断面が降伏する荷重に耐えうる必要最小断面積であり、実際には、この面積Ａｄ−ｒｅｑより大なる断面積Ａｄが外ダイアフラム１には必要とされる。

まとめるならば、外ダイアフラム１の断面積Ａｄを、式（１）を満たされる様に構成することによって、外ダイアフラム１形式の柱梁接合構造においても張出し部Ｈｄを最小限に抑制でき、ハンドリング性及び運搬性に優れ、かつ十分な耐力を有する柱梁接合構造を構成可能となる。
なお、本特許では、上記式に限定されるものではなく、外リングの降伏耐力Ｐｙが梁方向荷重に対し、Ｈｄ×ｔｄの断面積に掛かるせん断破壊モードの考え方で構築されていればよい。また、本特許では支配的な破壊モードがせん断破壊モードとなるものであるが、一部領域で引張破壊モードなどの他のモードが含まれる複合的な破壊モードとなってもよい。

一方、角形鋼管柱２への外ダイアフラム１の取り付けに関しては、外ダイアフラム１の基端であって角形鋼管柱２の平面外側壁に接する部分のみを溶接するだけでは、溶接端部から破壊が生じる可能性があって強度的に不安がある。そのため、上下に配備された各外ダイアフラム１ａ，１ｂは、接合部において角形鋼管柱２の全周を取り囲むように部分溶け込み溶接により接合される。なお、完全溶け込み溶接により溶接されていても何ら問題はない。

外ダイアフラム１の先端（角形鋼管柱２とは反対側）には、断面Ｈ形の梁部材５が、上側外ダイアフラム１ａの下面が梁部材５のウェブ５ｃの上端に、下側外ダイアフラム１ｂの上面が梁部材５のウェブ５ｃの下端となるように溶接される。言い換えるならば、梁部材５の上フランジ５ａの下面と上側の外ダイアフラム１の下面とが面一となり、梁部材５の下フランジ５ｂの上面と下側の外ダイアフラム１の上面とが面一となるように溶接される。なお、外ダイアフラム１の板厚中心と梁フランジ５ａ，５ｂの板厚中心とを合わす方法であってもよく、外ダイアフラム１の外面と梁フランジ５ａ，５ｂの外面とを面一とする方法であっても構わない。

外ダイアフラム１と梁部材５との溶接は、完全溶け込み溶接とするのが好ましい。
加えて、梁部材５が取り付く外ダイアフラム１の外縁直線部Ｌに関し、当該外縁直線部Ｌの長さを梁部材５のフランジ幅よりも長くしている。好ましくは、外ダイアフラム１の外縁直線部Ｌの長さは梁部材５の幅（フランジ幅）より幅方向両側に各２０ｍｍ以上長くするとよい。

仮に、外ダイアフラム１の外縁直線部Ｌを梁部材５の幅と同じ長さにした場合、梁部材５の側縁外形線と外ダイアフラム１の外形線とのなす角が９０°にならず所定の角度が生じるため、溶接始終端部処理の溶接施工が難しく、溶接欠陥が生じ易くなる。この状況を防ぐために、溶接漏れ防止と形状確保のタブ（スチール、セラミックなど）を取り付けることとなるが、外ダイアフラム１の外縁直線部Ｌの長さがフランジ部材の幅より両側に各２０ｍｍ以上長く設定されていることで、タブを容易に設置可能となる。

なお、外ダイアフラム１と梁部材５とは、ボルト接合されていてもよい。
ところで、図１において例示した外ダイアフラム１の平面視での外形状は、略四角形であったが、それ以外の形状も採用することが可能である。
すなわち、外ダイアフラム１の外形状は、張り出し幅Ｈｄと、断面積Ａｄと、梁部材５の幅以上の外縁直線部Ｌを確保した形状が基本となり、他の部分の形状は、若干の変形の余地を有している。

図１に示すように、外縁直線部Ｌの長さは外ダイアフラム１の加工負荷を考慮すれば単純に延長した四角形でよいが、実建築構造物では鉄骨架構以外に柱近くにパイプや配管等の付属設備が取り付く場合があり、その場合は四角形の角部を切り取った図３（ａ）〜図３（ｃ）、すなわち、八角形や１２角形のいずれかの形状にすることも可能である。いずれであっても、角形鋼管柱２の外側壁に取り付く角枠形を呈している。また、この外ダイアフラム１は一枚の鋼板からくり抜いてもよく、分割した形状の鋼板を溶接接合して作製してもよい。

次に、本発明に係る外ダイアフラム１形式の角形鋼管柱２における外ダイアフラム１の各寸法の根拠について、実施例を通して述べる。
本願発明者らは、外ダイアフラム１の形状・寸法を明らかとするために、コンピュータによるＦＥＭ解析を行うと共に様々な実験を重ね鋭意研究を行った（図４にＦＥＭ解析の一例を示す）。その結果を以下に述べる。

なお、使用したＦＥＭ解析モデルに関しては、様々な条件でシミュレーションを行い、数値解析結果と、式（３）に示す降伏耐力式による解析解との強い相関を確認しており、このＦＥＭ解析モデルを用いることで、降伏耐力Ｐｙを高い精度で予測可能であることを確認している。

本発明にかかる角形鋼管柱２の実施例について述べる。
この実施例では、角形鋼管柱２の板厚ｔｃｆ、鋼管径Ｄとしては、(1)降伏応力Ｙｐ＝３８５Ｎ／ｍｍ²級の鋼板からなる板厚１９ｍｍ、鋼管径４００ｍｍの角形鋼管柱２、(2)降伏応力Ｙｐ＝３８５Ｎ／ｍｍ²級の鋼板からなる板厚２８ｍｍ、鋼管径６００ｍｍの角形鋼管柱２、(3) 降伏応力Ｙｐ＝４４０Ｎ／ｍｍ²級の鋼板からなる板厚４０ｍｍ、鋼管径１０００ｍｍの角形鋼管柱２を考え、それらに対して、外ダイアフラム１の板厚ｔｄと張り出し幅Ｈｄを変化させ、そのときの外ダイアフラム１の耐力Ｐｙが、接続される梁部材５及び梁材３の降伏耐力を上回る条件、言い換えるならば、外ダイアフラム１が安全上問題ない条件をシミュレーションにより算出した。

その結果を表１に示す。

表１の結果からわかるように、様々な外形の角形鋼管柱２、様々な寸法の外ダイアフラム１において、図２（ｂ）、図４の如く、当該外ダイアフラム１の張り出し幅Ｈｄが小さく、断面積Ａｄが小さいと、梁材３からの作用応力に対して耐え得る外ダイアフラム１の必要断面積Ａｄ−ｒｅｑを下回るため、外ダイアフラム１はせん断崩壊してしまう。
また、Ｈｄ／Ｄが大きくなると、Ｈｄ／ｔｄが大きくなり、ハンドリング性や運搬性が劣る。加えて、外ダイアフラム１の破壊形態がせん断降伏する前に局部座屈するようになって、想定の破壊モードが得られないため、Ｈｄ／Ｄ≦０．４０とする。

つまり、外ダイアフラム１の断面の面積Ａｄに関しては、式（１）を満たす必要があり、その結果は、表１において「判定」という項目にて評価している。
表１の結果を鑑みるに、式（１）を満たす（○となる）ためには、Ｈｄ／ｔｄ≧０．１５であることが必要不可欠である。また、同時にＨｄ／Ｄ＝０．４５の際には、式（１）を満たしていないため、Ｈｄ／Ｄ≦０．４０の条件も必要不可欠である。

なお、Ｈｄ／Ｄ＝０．１であると、外ダイアフラム１の張り出しがあまりにも小さく、溶接施工において問題が生じることがあるため、施工の観点から見ても、Ｈｄ／Ｄ≧０．１５とする必要がある。
以上、ＦＥＭ解析モデルのシミュレーション結果から考えて、外ダイアフラム１の形状を鋼管の外径Ｄに対してＨｄ＝０．１５Ｄ〜０．４Ｄとすると共に、外ダイアフラム１の断面積Ａｄを、式（１）を満たすように構成することによって、外ダイアフラム１形式の柱梁接合構造においても張出し部を最小限に抑制でき、ハンドリング性及び運搬性に優れ、かつ十分な耐力を有する柱梁接合構造を構成可能となる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、図５に示すごとく、外ダイアフラム１において、Ｈ形断面梁が取り付く部分である取り付け部位と、Ｈ形断面梁が取り付かない部分（サイド側）である非取り付け部位とが存在する場合においては、非取り付け部位の張出し幅Ｈｄ’を取り付け部位の張り出し幅Ｈｄより小さく設定するとよい。この場合、外ダイアフラム１の形状確保、溶接施工の容易さを鑑みれば、サイド側の張り出し幅Ｈｄ’は最低２５ｍｍ以上とするのが好ましい。

また、角形鋼管柱２として角形鋼管を例示して説明を行ったが、４面ボックス柱であっても何ら問題はない。
本実施形態では、外ダイアフラム１に梁部材５が溶接により取り付けられた柱梁接合部を例示して説明を行った。しかしながら、外ダイアフラム１に直接、Ｈ形梁材３が現場溶接接合された柱梁接合部であっても、本発明の角形鋼管柱２は同様の作用効果を奏するものとなっている。

１ 外ダイアフラム
１ａ 上側の外ダイアフラム
１ｂ 下側の外ダイアフラム
２ 鋼管柱
３ 梁材
３ａ 梁材の上フランジ
３ｂ 梁材の下フランジ
５ 梁部材
５ａ 梁部材の上フランジ
５ｂ 梁部材の下フランジ
Ｌ 外縁直線部

Claims (7)

1. Ｈ型断面の梁材が直交方向に接合可能とされる外ダイアフラムを柱梁接合部に備えた外ダイアフラム形式の角形鋼管柱であって、
   前記外ダイアフラムの張出し幅Ｈｄを、鋼管の外径Ｄに対してＨｄ＝０．１５Ｄ〜０．４Ｄとし、
   前記外ダイアフラムの断面積Ａｄ（＝張出し幅Ｈｄ×板厚ｔｄ）を、接合される梁材からの作用応力に対してせん断抵抗力にて耐え得る面積に設定していることを特徴とする外ダイアフラム形式の角形鋼管柱。
2. 前記接合される梁材に生じる曲げモーメントに起因する作用応力より、外ダイアフラムの断面積Ａｄで耐え得るせん断抵抗力が大きいように、前記断面積Ａｄを設定していることを特徴とする請求項１に記載の外ダイアフラム形式の角形鋼管柱。
3. 前記外ダイアフラムの先端側に形成され且つ梁材が接続される外縁直線部は、前記梁材のフランジ幅より幅広とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外ダイアフラム形式の角形鋼管柱。
4. 前記外ダイアフラムの板厚ｔｄを梁材のフランジ厚ｔｆより厚くしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の外ダイアフラム形式の角形鋼管柱。
5. 前記外ダイアフラムが、炭素当量Ｃｅｑ≦０．４４％、Ｐ≦０．０１５％、Ｓ≦０．００５％で、降伏応力Ｙｐ≧３２５Ｎ／ｍｍ²を満たす厚鋼板から切り出されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の外ダイアフラム形式の角形鋼管柱。
6. 前記角形鋼管柱と外ダイアフラムとを部分溶け込み溶接で接合していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の外ダイアフラム形式の鋼管柱。
7. 前記外ダイアフラムにおいて、梁材が取り付く部分である取り付け部位と、梁材が取り付かない部分である非取り付け部位とが存在する場合、
   前記非取り付け部位の張出し幅Ｈｄ’を前記取り付け部位の張り出し幅Ｈｄより小さく設定していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の外ダイアフラム形式の角形鋼管柱。