JP2011132745A - 鉄骨構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接作業や正確な溶接管理（溶接確認）を容易に行え、短尺四角形鋼管の板厚を薄くして重量を軽減しながらも面外変形に十分に対処し得る短尺四角形鋼管を採用した鉄骨構造物を提供する。
【解決手段】四角形鋼管柱２の梁材連結部に梁材５，６を連結して構成される鉄骨構造物１である。四角形鋼管柱２は、所定の板厚ｔの長尺四角形鋼管２０と、長尺四角形鋼管２０よりも板厚Ｔが厚くかつ梁材連結部を形成する短尺四角形鋼管１０からなる。短尺四角形鋼管１０の両端部に、短尺四角形鋼管１０の板厚Ｔと同一状の板厚Ｔａの四角形板状体１２が内嵌され、短尺四角形鋼管１０の端面１０ａと四角形板状体１２の外面１２ａを面一状として溶接１３により結合している。溶接１３は、短尺四角形鋼管の端部、すなわち外面（外部）での溶接作業であるため容易に行え、正確な溶接管理も容易に行える。溶接が短尺四角形鋼管内に垂れ込もうとしたとき、垂れ込みを四角形板状体の外面により阻止できて、コーナ部の溶接による結合を常に好適に行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、四角形鋼管柱と、この四角形鋼管柱の梁材連結部に梁材を連結して構成される鉄骨構造物に関するものである。

従来、鉄骨構造物としては、次のような構成が提供されている。すなわち、支柱として使用される四角形鋼管柱は、複数の四角形鋼管を溶接結合することにより構成されており、その際に溶接結合として、たとえば通しダイヤフラム方式や内ダイヤフラム方式などが提供されている。しかし、通しダイヤフラム方式によると、ダイヤフラムへの梁材の正確な溶接結合は容易に行えず、以て全体作業が複雑化するなどの問題点があった。また内ダイヤフラム方式によると、四角形鋼管の内部に入った位置での溶接であるため、その溶接作業は容易に行えず、さらに正確な溶接管理（溶接確認）も容易に行えなかった。

そこで最近では、このような問題点を解決したものとして、パネルゾーン用のコラムに、熱間成形により得た厚肉の短尺四角形鋼管を採用したノンダイアフラム構法の構成が提供されている。すなわち、所定の板厚の長尺四角形鋼管と、この長尺四角形鋼管よりも板厚が厚くかつ梁材連結部（パネルゾーン）を形成する長さの半成形短尺四角形鋼管とを、それぞれ冷間成形で製造する。そして半成形短尺四角形鋼管を加熱炉において加熱したのち、熱間成形して短尺四角形鋼管を製造する。このようにして得た長尺四角形鋼管と短尺四角形鋼管とを、短尺角形鋼管を梁材連結位置として長さ方向で溶接結合することで四角形鋼管柱を得ていた。

このような熱間成形により得た厚肉の短尺四角形鋼管を採用した角形鋼管柱によると、短尺四角形鋼管の予め厚い板厚によって十分な強度を確保でき、短尺四角形鋼管の外面に対する梁材の溶接による結合は、正確にかつ容易に何ら支障なく行える、などの種々な利点を期待できる（たとえば、特許文献１参照。）。

特開２００３−２６８８７７号公報（第１−２頁、図１−図４） 特開２００１−３０３６６１号公報 特開２００４−２７７４０号公報

しかし、上記した従来構成によると、面外変形に十分に対処するために、かなり厚肉の短尺四角形鋼管を採用することで、重量が大になるとともに、高価な絞り熱間成形手段を装備しなければならないことや、熱間成形手段による絞り熱間成形にかなりの時間を必要とすることで成形能率が悪いことなどから、短尺四角形鋼管、すなわち鉄骨構造物がコスト高となっていた。

そこで本発明の請求項１記載の発明は、溶接作業や正確な溶接管理（溶接確認）を容易に行えるとともに、短尺四角形鋼管の板厚を薄くして重量を軽減しながらも面外変形に十分に対処し得る短尺四角形鋼管を採用した鉄骨構造物を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明の請求項１記載の鉄骨構造物は、四角形鋼管柱と、この四角形鋼管柱の梁材連結部に梁材を連結して構成される鉄骨構造物であって、前記四角形鋼管柱は、所定の板厚の長尺四角形鋼管と、この長尺四角形鋼管よりも板厚が厚くかつ梁材連結部を形成する短尺四角形鋼管とからなり、この短尺四角形鋼管は熱間成形され、その両端部に、短尺四角形鋼管の板厚と同一状の板厚の四角形板状体が内嵌されるとともに、短尺四角形鋼管の端面と四角形板状体の外面とを面一状として溶接により結合されていることを特徴としたものである。

したがって請求項１の発明によると、四角形板状体の外面を短尺四角形鋼管の端面と面一状として溶接により結合して一体化する際に、溶接は、短尺四角形鋼管の端部、すなわち外面（外部）での溶接作業であるため容易に行えるとともに、正確な溶接管理（溶接確認）も容易に行える。そして、短尺四角形鋼管と長尺四角形鋼管との溶接による結合を行う際に、短尺四角形鋼管のコーナ部内面側に隙間が生じていたとき、溶接が短尺四角形鋼管内に垂れ込もうとするが、この垂れ込みを四角形板状体の外面により阻止し得る。そして鉄骨構造物の短尺四角形鋼管は、上下端に内嵌して位置されている同一状の板厚の四角形板状体によって補強し得、これにより、梁材側にかかる荷重などによって短尺四角形鋼管の辺に面外変形が生じようとしたとき、四角形板状体の補強作用によって十分に対処して、その面外変形を阻止し得る。その際に、短尺四角形鋼管の板厚は、長尺角形鋼管の板厚よりも厚いけれども、従来の厚肉の短尺四角形鋼管よりも薄く形成し得る。

また本発明の請求項２記載の鉄骨構造物は、上記した請求項１記載の構成において、短尺四角形鋼管は、その板厚を外径寸法に対して約１／１５に設定したことを特徴としたものである。

したがって請求項２の発明によると、外径寸法の変化に対応した好適な板厚の短尺四角形鋼管を提供し得る。
そして本発明の請求項３記載の鉄骨構造物は、上記した請求項１または２記載の構成において、四角形板状体の中央部分に貫通部が形成されていることを特徴としたものである。

したがって請求項３の発明によると、貫通部を通して、四角形鋼管柱の中にコンクリートなどを充填させる構成を採用し得る。

上記した本発明の請求項１によると、四角形板状体の外面を短尺四角形鋼管の端面と面一状として溶接により結合して一体化する際に、溶接は、短尺四角形鋼管の端部、すなわち外面（外部）での溶接作業であるため容易に行うことができるとともに、正確な溶接管理（溶接確認）も容易に行うことができる。そして、短尺四角形鋼管と長尺四角形鋼管との溶接による結合を行う際に、短尺四角形鋼管のコーナ部内面側に隙間が生じていたとき、溶接が短尺四角形鋼管内に垂れ込もうとするが、この垂れ込みを四角形板状体の外面により阻止でき、以てコーナ部の溶接による結合を常に好適に行うことができる。

そして鉄骨構造物の短尺四角形鋼管は、上下端に内嵌して位置されている同一状の板厚の四角形板状体によって補強でき、これにより、梁材側にかかる荷重などによって短尺四角形鋼管の辺に面外変形が生じようとしたとき、四角形板状体の補強作用によって十分に対処でき、その面外変形を阻止することができる。その際に、短尺四角形鋼管の板厚は、長尺角形鋼管の板厚よりも厚いけれども、従来の厚肉の短尺四角形鋼管よりも薄く形成でき、以て重量を軽減できるとともに、安価な絞り熱間成形手段により短時間で絞り熱間成形ができて成形能率を向上できることなどから、短尺四角形鋼管、すなわち鉄骨構造物のコストダウンを図ることができる。

また上記した本発明の請求項２によると、外径寸法の変化に対応した好適な板厚の短尺四角形鋼管を提供できる。
そして上記した本発明の請求項３によると、貫通部を通して、四角形鋼管柱の中にコンクリートなどを充填させる構成を容易に採用できる。

本発明の実施の形態１を示し、鉄骨構造物の要部の縦断正面図である。 同鉄骨構造物の要部の横断平面図である。 同鉄骨構造物の要部の一部切り欠き斜視図である。 同鉄骨構造物における四角形鋼管柱の要部の縦断正面図である。 同鉄骨構造物の要部拡大縦断正面図である。 同鉄骨構造物の要部拡大横断平面図である。 同鉄骨構造物における短尺四角形鋼管の溶接結合前の斜視図である。 同鉄骨構造物における四角形鋼管柱の溶接結合前の斜視図である。 同鉄骨構造物の要部の一部切り欠き斜視図である。 本発明の実施の形態２を示し、鉄骨構造物の要部の縦断正面図である。 同鉄骨構造物の要部の横断平面図である。

［実施の形態１］
以下に、本発明の実施の形態１を、図１〜図９に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、鉄骨構造物１は、四角形鋼管柱２と、この四角形鋼管柱２の梁材連結部に連結される梁材５，６とにより構成される。そして四角形鋼管柱２は、所定の板厚ｔの長尺四角形鋼管２０と、この長尺四角形鋼管２０の板厚ｔよりも厚い板厚Ｔ、すなわち［ｔ＜Ｔ］でかつ梁材連結部（パネルゾーン）を形成する長さ（高さ）Ｌの短尺四角形鋼管１０とからなる。ここで短尺四角形鋼管１０は、半成形短尺四角形鋼管（原鋼管）が加熱手段（加熱炉など）において加熱され、そして成形手段（成形ロール装置など）において熱間成形されることで形成されている。このように外周形状を熱間成形することにより、長尺四角形鋼管２０と同様な外径寸法Ｗの短尺四角形鋼管１０が得られる。

その際に短尺四角形鋼管１０は、板厚Ｔを外径寸法Ｗに対して約１／１５に、すなわち、［Ｗ／１５≒Ｔ］に設定しており、またコーナ部の外面曲率半径Ｒを板厚Ｔに対して同等もしくは小さめに、すなわち、［Ｒ＝０．７５Ｔ〜１．０Ｔ］に設定し、そしてコーナ部の内面は直角状に形成されている。なお、一つの平板部には、突き合わせ溶接による突き合わせ溶接部１１が形成されている。

図１〜図８に示すように、このように熱間成形された短尺四角形鋼管１０は、その両端部に、短尺四角形鋼管１０の板厚Ｔと同一状の板厚Ｔａ、すなわち［Ｔａ≒Ｔ］の四角形板状体１２が内嵌されるとともに、短尺四角形鋼管１０の端面１０ａと四角形板状体１２の外面１２ａとを面一状として溶接１３により結合されている。すなわち、短尺四角形鋼管１０内で、その端面１０ａの近くには四角リング状の裏当て金１４が溶接１５により結合されており、その際に裏当て金１４の外面と端面１０ａまでの寸法は、四角形板状体１２の板厚Ｔａと同等状とされている。そして、短尺四角形鋼管１０の端部に、その四側面に開先部１２ｂを形成している四角形板状体１２が、その開先部１２ｂを外向きとして内嵌されて裏当て金１４に当接されたのち、端部内面から開先部１２ｂに亘って溶接１３が施工されている。

これにより短尺四角形鋼管１０は、その両端部に、短尺四角形鋼管１０の板厚Ｔと同一状の板厚Ｔａの四角形板状体１２が、その外面１２ａを短尺四角形鋼管１０の端面１０ａと面一状として溶接１３により結合されて一体化される。その際に溶接１３は、短尺四角形鋼管１０の端部、すなわち外面（外部）での溶接作業であるため容易に行うことができるとともに、正確な溶接管理（溶接確認）も容易に行うことができる。

冷間成形した長尺四角形鋼管２０は、正規の外面間の外径寸法Ｗａでかつ正規の外面曲率半径Ｒａのコーナ部であるとともに、所定の板厚ｔである。ここで所定の板厚ｔとは、鉄骨構造物１の規模に応じて採用される四角形鋼管柱２の外径寸法Ｗ，Ｗａなどにより決定されるもので、たとえば外径寸法Ｗ，Ｗａが２５０ｍｍのときに板厚ｔは９ｍｍである。そして長尺角形鋼管１内で端部には、四角リング状の裏当て金２１が溶接２２により結合されている。

上記のように形成された短尺四角形鋼管１０と長尺四角形鋼管２０とを直線状に位置させたのち、短尺四角形鋼管１０の端面１０ａに裏当て金２１の外端面２１ａを当接させる。この状態で、短尺四角形鋼管１０の端面１０ａと、この端面１０ａに相対向した長尺四角形鋼管２０の開先端面２０ａと、裏当て金２１の外面との間を、外側からの全周に亘っての溶接２５により結合することで、短尺四角形鋼管１０を梁材連結部として四角形鋼管柱２を構成し得る。このように溶接２５による結合を行う際に、長尺四角形鋼管２０の外面曲率半径Ｒａが短尺四角形鋼管１０の外面曲率半径Ｒよりも大きいときや、外面曲率半径Ｒａが変形していたときなどで、短尺四角形鋼管１０のコーナ部内面と裏当て金２１のコーナ部外面との間に隙間が生じていたとき、溶接２５が短尺四角形鋼管１０内に垂れ込もうとするが、この垂れ込みを四角形板状体１２の外面１２ａにより阻止でき、以てコーナ部の溶接２５による結合を常に好適に行うことができる。

上記のようにして構成した四角形鋼管柱２は、所定本数が建築現場などに運搬され、そして梁材連結部を形成する長さＬの短尺四角形鋼管１０の外面に、梁材５，６が溶接７によって結合される。すなわち図１〜図３に示すように、短尺四角形鋼管１０の外面に一対の強軸梁材（梁材）５が、その側面を短尺四角形鋼管１０の一外面に沿わせて、すなわち短尺四角形鋼管１０に対して変位させた状態で溶接７によって結合されるとともに、短尺四角形鋼管１０の一外面とは反対側の外面に弱軸梁材（梁材）６が、短尺四角形鋼管１０に対して芯合わせした状態で溶接７によって結合される。この場合は、建物の壁側などの構成となる。または図９に示すように、短尺四角形鋼管１０の四面の全てに強軸梁材（梁材）５が、それぞれ短尺四角形鋼管１０に対して芯合わせした状態で溶接７によって結合される。この場合は、建物の中央部分などの構成となる。なお四角形鋼管柱２は、図４の仮想線に示すように、積上げ状に配置されたのち、その上下間が溶接２５により結合されることで、所定長さ（高さ）に構成される。

以下に、上記した実施の形態１における作用を説明する。
上述した鉄骨構造物１によると、短尺四角形鋼管１０は、上下端に内嵌して位置されている同一状の板厚Ｔａの四角形板状体１２によって補強できる。そして、梁材５，６側にかかる荷重などによって短尺四角形鋼管１０の辺に面外変形が生じようとしたとき、四角形板状体１２の補強作用によって十分に対処でき、その面外変形を阻止することができる。その際に、短尺四角形鋼管１０の板厚Ｔは、長尺角形鋼管１の板厚ｔよりも厚いけれども、従来の厚肉（Ｗ／１０≒Ｔ）の短尺四角形鋼管よりも薄く（Ｗ／１５≒Ｔ）形成でき、以て重量を軽減できるとともに、安価な絞り熱間成形手段により短時間で絞り熱間成形ができて成形能率を向上できることなどから、短尺四角形鋼管、すなわち鉄骨構造物のコストダウンを図ることができる。

なお、短尺四角形鋼管１０の外径寸法Ｗに対して短尺四角形鋼管１０の板厚Ｔを約１／１５に、すなわち［Ｗ／１５≒Ｔ］とし、そして四角形板状体１２の板厚Ｔａを短尺四角形鋼管１０の板厚Ｔと同一状に、すなわち［Ｔａ≒Ｔ］とし、さらに短尺四角形鋼管１０のコーナ部の外面曲率半径Ｒを短尺四角形鋼管１０の板厚Ｔに対して同等もしくは小さめに、すなわち［Ｒ＝０．７５Ｔ〜１．０Ｔ］とした状態での各部の寸法（ｍｍ）は表１の状態となる。

なお、表１における外径寸法Ｗが２５０ｍｍの形式において、強軸梁材５の高さＬａは４００ｍｍであり、その上下面と短尺四角形鋼管１０の端面１０ａとの間にそれぞれ２５ｍｍの段差Ｌｂが生じる状態で、短尺四角形鋼管１０に対して強軸梁材５が溶接７によって結合されている。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２を、図１０、図１１に基づいて説明する。

すなわち、両四角形板状体１２の中央部分に丸孔貫通部（貫通部）１２Ａが形成されている。この構成によると、丸孔貫通部１２Ａを通して、四角形鋼管柱２の中にコンクリートなどを充填させる構成を容易に採用できる。なお貫通部は、丸孔貫通部１２Ａや四角孔貫通部（角孔貫通部）などであり、その径の大きさなどは、面外変形に対する補強を損なわない条件下で設定される。

上記した実施の形態１，２において、短尺四角形鋼管１０や長尺四角形鋼管２０としては、たとえば、ロール成形によるワンシーム四角形鋼管、プレス成形による一対のみぞ型材を向き合わせて突き合わせ溶接したツーシーム四角形鋼管、一対の圧延みぞ型材を溶接してなるツーシーム四角形鋼管、圧延山型材を一対、向き合わせて溶接したツーシーム四角形鋼管、四面ボックス、シームレス四角形鋼管などが使用される。

上記した実施の形態１，２において、長尺四角形鋼管２０は、冷間成形したもの、熱間成形したものなど、いずれであってもよい。
上記した実施の形態１，２では、エレクトロスラグ溶接機やエレクトロガスアーク溶接機による溶接であり、これによると、短時間で高品質の溶接を行うことができる。なお、レーザなど他の溶接方式であってもよい。

１ 鉄骨構造物
２ 四角形鋼管柱
５ 強軸梁材（梁材）
６ 弱軸梁材（梁材）
１０ 短尺四角形鋼管
１０ａ 短尺四角形鋼管１０の端面
１２ 四角形板状体
１２ａ 四角形板状体１２の外面
１２ｂ 四角形板状体１２の開先部
１２Ａ 丸孔貫通部（貫通部）
１３ 溶接
１４ 裏当て金
２０ 長尺四角形鋼管
２０ａ 長尺四角形鋼管２０の開先端面
２１ 裏当て金
Ｔ 短尺四角形鋼管１０の板厚
Ｌ 梁材連結部を形成する長さ
Ｗ 短尺四角形鋼管１０の外径寸法
Ｒ 短尺四角形鋼管１０の外面曲率半径
Ｔａ 四角形板状体１２の板厚
ｔ 長尺四角形鋼管２０の板厚
Ｗａ 長尺四角形鋼管２０の外径寸法
Ｒａ 長尺四角形鋼管２０の外面曲率半径
Ｌａ 強軸梁材５の高さ
Ｌｂ 段差

Claims (3)

1. 四角形鋼管柱と、この四角形鋼管柱の梁材連結部に梁材を連結して構成される鉄骨構造物であって、前記四角形鋼管柱は、所定の板厚の長尺四角形鋼管と、この長尺四角形鋼管よりも板厚が厚くかつ梁材連結部を形成する短尺四角形鋼管とからなり、この短尺四角形鋼管は熱間成形され、その両端部に、短尺四角形鋼管の板厚と同一状の板厚の四角形板状体が内嵌されるとともに、短尺四角形鋼管の端面と四角形板状体の外面とを面一状として溶接により結合されていることを特徴とする鉄骨構造物。
2. 短尺四角形鋼管は、その板厚を外径寸法に対して約１／１５に設定したことを特徴とする請求項１記載の鉄骨構造物。
3. 四角形板状体の中央部分に貫通部が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の鉄骨構造物。

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