JP2013079508A - Beam-column connection of rigid-frame - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造またはコンクリート充填鋼管造の柱にH形鋼の梁を溶接接合することにより構成されるラーメン骨組の柱梁接合部に関し、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部の早期破断を防止することができると共に、施工が容易でコスト的に有利なラーメン骨組の柱梁接合部を提供することができる。 The present invention relates to a column-to-beam joint of a rigid frame constructed by welding a H-shaped steel beam to a steel, steel reinforced concrete, or concrete-filled steel tubular column, and welding the flange end of the beam by bending tensile stress. In addition to preventing early breakage of the portion, it is possible to provide a column beam joint portion of a rigid frame that is easy to construct and advantageous in cost.
ラーメン骨組構造の建物は、地震時の水平荷重によって図8(a),(b)に図示するように変形し、これに伴い梁と柱が図8(c)に図示するように変形する。そして、梁端部には大きな曲げ引張応力と曲げ圧縮応力が発生する。 A building having a rigid frame structure is deformed as shown in FIGS. 8A and 8B by a horizontal load at the time of an earthquake, and accordingly, the beam and the column are deformed as shown in FIG. 8C. A large bending tensile stress and bending compressive stress are generated at the beam end.
このため、この種の建物の柱梁接合部として広く適用される、H形鋼の梁を柱に溶接接合することにより構成される柱梁接合部においては、例えば、図9(a),(b)に図示するように、梁20のフランジ端溶接部21の終始端の開先肩部21aに最も応力が集中し、特に曲げ引張応力のもとでは、溶接により脆化した梁20のフランジ端溶接部21が脆性破断により早期破壊に至るおそれのあることが指摘されている。
For this reason, in a beam-column joint that is widely applied as a beam-column joint of this type of building and is formed by welding a beam of an H-shaped steel to a column, for example, FIG. As shown in FIG. b), the stress is most concentrated on the
そこで、H形鋼の梁を柱となる鉄骨に溶接接合する場合は、溶接される梁のフランジ端部を拡幅して、梁端仕口部と拡幅部をほぼ同時に降伏させて塑性化の領域を拡大させることで、仕口部近傍での脆性的な破壊の回避する構造を適用したり、あるいは、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りの位置に梁端部より先に降伏する塑性化領域を設ける、いわゆるドッグボーン形式等の梁構造を適用することにより、梁のフランジ端溶接部の早期破断を防いでいる。 Therefore, when welding an H-shaped steel beam to a steel frame as a column, the flange end of the beam to be welded is widened, and the beam end joint and the widened portion are yielded almost simultaneously to expand the plasticization area. By applying a structure that avoids brittle fracture near the joint, or a plasticized region that yields before the beam end at a position near the beam center from the flange end weld of the beam. By applying a beam structure such as a so-called dogbone type, an early breakage of the welded portion of the flange end of the beam is prevented.
例えば、特許文献1,2には、図10(a),(b)に図示するようにH形鋼からなる梁20の上下フランジ20aの側面部にリブプレート22を取り付けて梁20のフランジ端部を拡幅する構造が開示されている。
For example, in
また、特許文献3には、図11(a)に図示するようないわゆるドッグボーン形式の梁が開示されている。すなわち、H形鋼からなる梁20のフランジ端溶接部21から梁中央寄りの位置にフランジ幅を曲線形に削減することにより塑性化領域23を設ける方法が記載されている。
また、非特許文献1には、図11(b)に図示するようなH形鋼からなる梁20のフランジ端溶接部21から梁中央寄りの上下フランジ20aのフランジ面に複数の貫通孔20bをあけて塑性化領域23を設ける方法が記載されている。
Further, in
しかしながら、梁のフランジ側面にリブプレートを溶接する方法は、リブプレートと梁のフランジが完全一体となるように溶接する必要があるため、工場製作に手間がかかるほか、リブプレートの先端に溶接欠陥が生じると、この部分を起点に早期破断が生じるおそれがあった。 However, the method of welding the rib plate to the side of the flange of the beam requires welding so that the rib plate and the flange of the beam are completely integrated. When this occurs, there is a risk that early breakage may occur starting from this portion.
また、いわゆるドッグボーン形式の梁やフランジ面に貫通孔をあけた形式の梁は、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りの位置を断面欠損により積極的に塑性化させる方式であるため、梁耐力の低減が避けられないという課題がある。 In addition, the so-called dog bone type beam and the type of beam with a through hole in the flange surface are a method of positively plasticizing the position near the beam center from the weld end of the flange end of the beam by a cross-sectional defect. There is a problem that reduction in yield strength is inevitable.
さらに、梁のフランジを拡幅形状に切り出して溶接組立H形鋼を製作する方法も実施化されているが、一体の拡幅形状に梁のフランジを切り出すため、製作時の鋼材のロスが多くなるほか、拡幅部先端に切断ノッチが生じると、この部分を起点に早期破断が生じるおそれがある。 In addition, a method of manufacturing a welded assembly H-section steel by cutting the beam flange into a widened shape has also been implemented, but because the beam flange is cut into an integrated widened shape, the loss of steel during production increases. If a cut notch is generated at the end of the widened portion, there is a risk that early breakage may occur starting from this portion.
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止することができると共に、施工が容易でコスト的に有利なラーメン骨組の柱梁接合部を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and can prevent an early breakage of a welded portion of a flange end of a beam due to bending tensile stress, and can be easily installed and cost-effective. The object of the present invention is to provide a column-to-column joint of a frame.
本発明のラーメン骨組の柱梁接合部は、鉄骨造、鉄骨鉄筋コンクリート造またはコンクリート充填鋼管造の柱に、H形鋼からなる梁の上下フランジを溶接接合することにより構成されるラーメン骨組の柱梁接合部において、前記フランジの梁端溶接部から梁長手方向中央寄りの側面部に孔が所定深さに設けられていることを特徴とするものである。 The beam-to-column connection part of the frame of the present invention is a beam of a rigid frame constructed by welding the upper and lower flanges of a beam made of H-shaped steel to a column of steel, steel reinforced concrete, or concrete-filled steel pipe. In the joint portion, a hole is provided at a predetermined depth from a beam end weld portion of the flange to a side surface portion near the center in the beam longitudinal direction.
本発明の柱梁接合部は、特に地震等の水平荷重に伴う曲げ引張応力によって梁のフランジ端溶接部に集中して作用する応力を緩和して、梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止できるようにしたものである。 The column beam joint of the present invention relieves stress concentrated on the flange end weld of the beam due to bending tensile stress caused by horizontal loads such as earthquakes in particular, and prevents early failure of the beam flange end weld. This is designed to prevent this.
本発明の柱梁接合部によれば、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りのフランジ側面部に設けた孔部を曲げ引張応力下で積極的に塑性化させることにより、梁のフランジ端溶接部に作用する応力を緩和して梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止することができる。 According to the beam-column joint of the present invention, the flange end weld of the beam is positively plasticized under bending tensile stress from the flange end weld of the beam to the flange side surface near the beam center. It is possible to relieve stress acting on the portion and prevent early breakage of the welded portion of the flange end of the beam.
孔はフランジ幅方向に形成し、そのサイズは直径および深さ共に数ミリ〜数十ミリ程度あればよく、また、孔の位置は梁のサイズにもよるが、梁のフランジ端溶接部から概ね50mm〜90mm程度の範囲であれば、フランジ端溶接部に作用する応力を緩和させる効果があり望ましい。 The hole should be formed in the flange width direction, and the size and diameter should be several millimeters to several tens of millimeters. The position of the hole depends on the beam size, but it is roughly from the flange end weld of the beam. If it is the range of about 50 mm-90 mm, there exists an effect which relieve | moderates the stress which acts on a flange end welding part, and is desirable.
さらに、孔は、梁の上または下フランジの一方の両側面に設けるだけでも、フランジ端溶接部の応力集中を緩和できるが、地震時の梁の変形を想定すると上下フランジの両側面に設けるのがよく、また複数個形成してもよい。なお、孔は、工場からの出荷時や施工現場でハンドドリル等を用いて容易に開けることができる。 Furthermore, it is possible to relieve stress concentration at the flange end welds by simply providing holes on either side of the upper or lower flange of the beam. However, if holes are assumed to be deformed during an earthquake, they should be provided on both sides of the upper and lower flanges. A plurality of them may be formed. In addition, a hole can be easily opened using a hand drill etc. at the time of shipment from a factory or a construction site.
本発明は、別の面からは、長手方向端部付近のフランジ側面部に孔が設けられていることを特徴とするH形鋼である。孔のサイズ、位置等については前述同様である。 According to another aspect of the present invention, there is provided an H-section steel in which a hole is provided in a flange side surface in the vicinity of a longitudinal end portion. The size and position of the holes are the same as described above.
このようなH形鋼をラーメン骨組の梁として用いることで、柱梁接合部において、特に地震等の水平荷重に伴う曲げ引張応力によって梁のフランジ端溶接部に集中して作用する応力を緩和して、梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止できる。 By using such an H-shaped steel as a beam for a rigid frame, the stress that acts on the flange end weld of the beam at the beam-column joint is reduced, especially by bending tensile stress associated with horizontal loads such as earthquakes. Thus, early breakage of the welded portion of the flange end of the beam can be prevented.
本発明は、柱となるH形鋼や角形鋼管などの鉄骨の側面部にH形鋼からなる梁の上下フランジを溶接接合することにより構成される柱梁接合部において、梁のフランジ端溶接部から梁の中央寄りのフランジ側面部に孔を設けることにより、地震等の水平荷重に伴う曲げ引張応力によって梁のフランジ端溶接部に集中して作用する応力を緩和して、梁のフランジ端溶接部の早期破断を未然に防止することができる。 The present invention relates to a beam-to-flange end welded portion in a beam-to-column joint formed by welding the upper and lower flanges of a beam made of H-shaped steel to a side surface of a steel frame such as an H-shaped steel or a square steel pipe as a column. By providing a hole in the side of the flange near the center of the beam, the stress acting on the flange end weld of the beam due to bending tensile stress accompanying horizontal load such as earthquake is alleviated, and the flange end weld of the beam Early breakage of the part can be prevented in advance.
また、孔は、工場からの出荷時や現地搬入後にハンドドリル等によって容易に形成することが可能なため、施工が容易でコスト的にもきわめて有利である。 Moreover, since the hole can be easily formed by a hand drill or the like at the time of shipment from the factory or after carrying in the field, construction is easy and extremely advantageous in terms of cost.
図1は、本発明の一実施形態を示し、図において、角形鋼管からなる柱1の梁接合部にH形鋼からなる梁2の上下フランジ2a,2aがそれぞれ上下水平ダイアフラム3,3を介して溶接接合され、また、梁2のウェブ2bがブラケット(図省略)を介し、接合プレート4と複数の接合ボルト5によって接合されている。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the figure, upper and
上下水平ダイアフラム3,3は、柱1の外径より一回り大きい矩形板状に形成され、梁2の上下フランジ2a,2aと対応する位置を水平に貫通し、かつ柱1に一体的に溶接されている。そして、上下水平ダイアフラム3,3の縁端部に梁2の上下フランジ2a,2aの端部がそれぞれ溶接によって接合されている。
The upper and lower
ブラケットは、柱1の上下水平ダイアフラム3,3間の側面部に鉛直に設置され、かつ柱1の側面部に一体的に溶接されている。そして、ブラケットに梁2のウェブ2bの端部が接合プレート4と接合プレート4およびブラケットを貫通する複数の接合ボルト5によって高力ボルト接合されている。
The bracket is vertically installed on the side surface between the upper and lower
なお、梁2の上下フランジ2a,2aと上下水平ダイアフラム3,3間の溶接には突合せ溶接が用いられ、梁2の上下フランジ2a,2aの端部と上下水平ダイアフラム3a,3aがそれぞれ同じ水平面内で突き合わせられ、双方の突合せ部に開先6と裏当て金7が設けられている。そして、開先6内に溶接金属が充填されている。
Butt welding is used for welding between the upper and
また、梁2の上下フランジ2a,2aの両側面部にそれぞれ一個ないし複数個の孔8が形成されている。孔8は、梁2のフランジ端溶接部9から梁2の中央側寄りの位置に、梁2の軸直角方向に水平に形成されている。
Further, one or a plurality of
なお、孔8は、上下フランジ2a,2aの一方、また上下フランジ2aの一側面部にのみ設けられていてもよい。
The
符号10は梁2のウェブ2bを補強する水平スチフナーであり、必要に応じて梁2のフランジ端溶接部9に近いウェブ2bの側面部に溶接によって取り付けられている。
このような構成において、図8(a),(b)に図示するように、地震時に建物が水平荷重によって変形し、これに伴い柱と梁が図8(c)に図示するように変形すると、梁の端部に大きな曲げ引張応力と曲げ圧縮応力が発生し、梁の上下フランジ端溶接部に応力が集中する。 In such a configuration, as shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), when a building is deformed by a horizontal load during an earthquake, and columns and beams are deformed as shown in FIG. 8 (c). A large bending tensile stress and bending compressive stress are generated at the end of the beam, and the stress is concentrated at the welded portion of the upper and lower flange ends of the beam.
しかし、梁のフランジ端溶接部から梁中央寄りのフランジ両側面部に一個ないし複数の孔が設けられていることで、この部分が先行して塑性化して応力を低減することにより、特に曲げ引張応力下でのフランジ端溶接部の破断破壊を未然に防止することができる。 However, since one or more holes are provided in the flange side near the beam center from the flange end welded part of the beam, this part is first plasticized to reduce the stress. It is possible to prevent the fracture fracture of the lower flange end weld.
次に、梁のフランジ端溶接部より梁中央寄りのフランジ側面部に孔を設けることの意義と効果について、FEMでの解析例を用いて検討する(図2〜図7、表1〜表4参照)。 Next, the significance and effect of providing a hole in the flange side surface closer to the center of the beam than the flange end welded portion of the beam will be examined using FEM analysis examples (FIGS. 2 to 7, Tables 1 to 4). reference).
図2(a)〜(d)に図示する条件のもと、梁のフランジ側面部に設けられた孔の位置、孔の深さ、孔の径および孔の数が、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部のZ方向の歪に与える影響について検討した。 Under the conditions shown in FIGS. 2 (a) to 2 (d), the position of the hole provided in the side surface of the flange of the beam, the depth of the hole, the diameter of the hole, and the number of holes are determined by the bending tensile stress. The effect of the flange end weld on the strain in the Z direction was examined.
なお、図2(a)において、符号イ、ロ、ハは、それぞれ、図1および図2(c)に図示する柱梁接合部における梁2のフランジ2a、ダイアフラム3、フランジ端溶接部9に対応する。
In FIG. 2 (a), symbols a, b, and c are respectively attached to the
また、図2(b)は、ダイアフラム、溶接金属および梁フランジの材料特性を示し、さらに、図2(c),(d)は、それぞれ、梁のフランジ端溶接部の側面図と一部平面図である。 2 (b) shows the material properties of the diaphragm, weld metal, and beam flange, and FIGS. 2 (c) and 2 (d) show a side view and a partial plan view of the flange end weld of the beam, respectively. FIG.
同図に示すように、孔の位置は、梁2のフランジ端溶接部9(より詳しくは開先肩部)からの距離d(mm)で表わし、孔の深さはx(mm)、孔の径はΦ(mm)で表わす。
As shown in the figure, the position of the hole is represented by a distance d (mm) from the flange end welded portion 9 (more specifically, the groove shoulder) of the
図3と表1は、孔の位置(d)がフランジ端溶接部のZ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔の位置(d)が50mm<d<90mmの範囲内で、フランジの側面部に孔が設けられていない構造(以下、「従来型」とよぶ。)と比較して、フランジ端溶接部のZ方向の歪を半減する効果が期待できることが確認された。 3 and Table 1 show the effect of the hole position (d) on the Z-direction strain of the flange end weld, and the hole position (d) is within the range of 50 mm <d <90 mm. It was confirmed that the effect of halving the strain in the Z-direction of the flange end welded portion can be expected as compared with a structure in which a hole is not provided in the side surface portion of the flange (hereinafter referred to as “conventional type”).
図4と表2は、孔の深さ(x)がフランジ端溶接部のZ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔径Φ=10mmの場合、孔の深さ(x)=20〜30mmで最も効果の大きいことが確認された。 4 and Table 2 show the influence of the hole depth (x) on the strain in the Z direction of the flange end weld. When the hole diameter Φ = 10 mm, the hole depth (x) = 20. It was confirmed that the maximum effect was obtained at ˜30 mm.
図5と表3は、孔の径(Φ)がフランジ端溶接部のZ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔径(Φ)を大きくすることでフランジ端溶接部の歪集中を緩和できる。しかし、孔径(Φ)を大きくしすぎると(例えばΦ≧15mm)、孔部の塑性変形が大きくなり比較的早期の剛性低下が確認された。本解析結果ではΦ≦10mmくらいが適当であると考えられる。 FIG. 5 and Table 3 show the effect of the hole diameter (Φ) on the strain in the Z direction of the flange end weld. By increasing the hole diameter (Φ), the strain concentration in the flange end weld is increased. Can be relaxed. However, if the hole diameter (Φ) is too large (for example, Φ ≧ 15 mm), the plastic deformation of the hole portion becomes large, and a relatively early reduction in rigidity was confirmed. In this analysis result, it is considered that Φ ≦ 10 mm is appropriate.
そして、図6と表4は、孔の数がフランジ端溶接部のZ方向の歪に与える影響を示したものであり、孔の数を増やすことで効果が期待できることが確認された。 6 and Table 4 show the influence of the number of holes on the Z-direction strain of the flange end weld, and it was confirmed that the effect can be expected by increasing the number of holes.
本解析結果により、梁のフランジに破断防止の孔を有する柱梁接合部は、孔の位置、孔の深さ、孔の径、孔の数を適切に設計することで効果が期待でき、従来型の柱梁接合部において発生する梁のフランジ端溶接部の最大歪値と比較し、歪値を半分以下に緩和することができることを確認した。 Based on the results of this analysis, the beam-to-column joint with a fracture-preventing hole in the beam flange can be expected to be effective by appropriately designing the position of the hole, the depth of the hole, the diameter of the hole, and the number of holes. Compared with the maximum strain value of the flange end weld of the beam generated at the beam-column joint of the mold, it was confirmed that the strain value could be reduced to less than half.
図7(a),(b),(c)は、特に梁の断面(フランジ幅(B(mm))、フランジ板厚(tf(mm))、 ダイアフラム板厚(td(mm))を変更して解析し、孔がフランジ端溶接部のZ方向の歪に与える影響を示したものである。 7 (a), (b), and (c), especially the cross section of the beam (flange width (B (mm)), flange plate thickness (tf (mm)), and diaphragm plate thickness (td (mm))) Thus, the influence of the hole on the strain in the Z direction of the flange end weld is shown.
各図から明らかなように、梁の断面形状によらず、フランジの側面部に孔を設けることでフランジ端溶接部の歪値を低減できることが確認された。 As is clear from each figure, it was confirmed that the strain value of the flange end weld can be reduced by providing a hole in the side surface of the flange regardless of the cross-sectional shape of the beam.
以上の解析結果より、孔の位置がtf≦d≦13tf/5、孔の深さがB/20≦x≦2B/15、孔の径がtf/5≦Φ≦3tf/5の範囲内であれば、梁の断面形状によらず、梁のフランジ端溶接部への歪みの集中を緩和することができると考えられる。 From the above analysis results, the hole position is within the range of tf ≦ d ≦ 13tf / 5, the hole depth is B / 20 ≦ x ≦ 2B / 15, and the hole diameter is tf / 5 ≦ Φ ≦ 3tf / 5. If it exists, it is thought that the concentration of distortion on the flange end welded portion of the beam can be alleviated regardless of the cross-sectional shape of the beam.
本発明は、曲げ引張応力による梁のフランジ端溶接部の早期破断を防止することができると共に、施工が容易でコスト的に有利な鉄骨造ラーメン骨組の柱梁接合部を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can prevent early breakage of a flange end welded portion of a beam due to bending tensile stress, and can provide a steel-framed ramen-framed column-beam joint that is easy to construct and advantageous in cost.
1 柱
2 梁
2a 梁のフランジ
2b 梁のウェブ
3a ダイアフラム
4 接合プレート
5 接合ボルト
6 開先
7 裏当て金
8 孔
9 梁のフランジ端溶接部
10 水平スチフナー
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