JP2015132108A - Ｈ形梁の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の強度性能を確保でき、しかも溶接の作業効率が向上するＨ形梁の補強構造を提供する。
【解決手段】補強構造１０は、柱１４に梁端部１２ａが接合されるＨ形梁１２の補強構造であって、Ｈ形梁１２の梁端部１２ａのウエブ２２に角を持たない外縁形状を有する円形の補剛プレート１６を溶接している。補剛プレート１６は、例えば、Ｈ形梁１２自身から切り出した切出プレート１６ａ，１６ｂを用い、この切出プレート１６ａ，１６ｂを補剛プレート１６としてウエブ２２に溶接することで、材料費を実質的になくすことができてコストを低減でき、廃材の発生も抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄骨柱やＣＦＴ柱等の柱に接合されるＨ形梁の梁端部を補強するＨ形梁の補強構造に関する。

鉄骨建物のＨ形梁は、ウエブの幅厚比が大きくなると最大曲げモーメントが集中負荷される梁端部に早期の座屈現象を生じ易く、耐震性能の低下が懸念される。一方、幅厚比を小さくして強度を高めようとすると、その重量が増大してしまう。

そこで、ある程度大きな幅厚比のウエブからなるＨ形梁を用い、その梁端部のウエブに縦スチフナや水平スチフナといった補剛材を溶接することで補強する補強構造が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００２−２２０８７３号公報 特開２０１１−２０８４３４号公報

上記特許文献１、２記載の構造は、Ｈ形梁の梁端部での上下のフランジ間と、ウエブの側面とに対し、矩形の補剛プレートを溶接によって接合することで梁端部を補強している。

ところが、この構造の場合、補剛プレートの直角の角部の溶接を廻し溶接によって行った場合、溶接欠陥が出易くなると共に、応力集中を生じ易くなり、地震等によって大きな負荷が与えられた場合には、亀裂等の発生位置となることが懸念される。つまり、従来の補強構造では、Ｈ形梁の梁端部を補剛プレートによって補強しているにも関わらず、所望の強度性能を発揮できないことが生じないようにするため、慎重な溶接施工が必要とされる。また、溶接を行う際、リブの両面をウエブ、フランジに溶接する必要があり、溶接の作業効率が悪いという問題がある。

本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、所望の強度性能を確保でき、しかも溶接の作業効率が向上するＨ形梁の補強構造を提供することを目的とする。

本発明に係るＨ形梁の補強構造は、柱に梁端部が接合されるＨ形梁の補強構造であって、前記梁端部のウエブに角を持たない外縁形状の補剛プレートを溶接したことを特徴とする。

このような構成によれば、補剛プレートのウエブへの溶接作業時に、廻し溶接が発生せず、そのため溶接欠陥を生じ難く、溶接速度も一定で安定した溶接作業と溶接品質を得ることができる。従って、鉄骨柱やＣＦＴ柱等の柱への接合後に地震等による大きな力がＨ形梁に付与された場合であっても応力集中を起こすことがなく、高い補強強度を保持することができる。また、補剛プレートは、その溶接ラインとなる外縁に角を持たないため、溶接途切れとならずに全周の溶接を１パスで行うことができ、溶接の作業効率が向上する。

前記補剛プレートは、円形又は楕円形であると、溶接作業を容易に１パスで行うことができ、高い溶接品質を得ることができ、応力集中の発生をより確実に抑えることができる。

前記補剛プレートとして、前記ウエブの梁端部以外の部分から切り出した部材、例えば、当該Ｈ形梁にスリーブ管を通すために切り出した残材を利用すれば、補剛プレートの材料費をなくすことができ、コストを低減することができる。

前記補剛プレートは、矩形の角部を円弧状に面取りした形状であってもよい。

前記補剛プレートを、前記ウエブの裏表の両側面で重なる位置に溶接することが好ましい。ウエブの両側面での補剛プレートの位置を一致させると、バランスのよい補強が可能となり、溶接時の変形も最小限に抑えることができる。

本発明によれば、柱への接合後に地震等による大きな力がＨ形梁に付与された場合であっても応力集中を起こすことがなく、高い補強強度を保持することができる。また、補剛プレートは、その溶接ラインとなる外縁に角を持たないため、溶接途切れがなく、全周の溶接を１パスで行うことができ、溶接の作業効率が向上する。

図１は、本発明の一実施形態に係る補強構造を適用したＨ形梁の構成図であり、図１（Ａ）は、平面図を示し、図１（Ｂ）は、正面図を示し、図１（Ｃ）は、断面図を示す図である。 図２は、図１に示す補剛プレートの切出手順の一例を示す説明図である。 図３は、補剛プレートのウエブへの溶接手順の一例を示す説明図である。 図４は、外円形状が楕円形の補剛プレートをウエブに設けた構成例を示す正面図である。 図５は、矩形の角部を円弧状に面取りした外縁形状を有する補剛プレートをウエブに設けた構成例を示す正面図である。 図６は、補剛プレートを２枚溶接した構成例を示す正面図である。 図７は、本実施形態に係る補強構造を、補強構造なしのもの及び従来の補強構造のものと比較するＦＥＭ解析の条件を示す説明図であり、図７（Ａ）は、補強構造を適用しない構造を示し、図７（Ｂ）は、従来の補強構造を示し、図７（Ｃ）は、本実施形態に係る補強構造を示す図である。 図８は、図７に示すＦＥＭ解析での解析結果を示すグラフである。

以下、本発明に係るＨ形梁の補強構造について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る補強構造１０を適用したＨ形梁１２の構成図であり、図１（Ａ）は、平面図を示し、図１（Ｂ）は、正面図を示し、図１（Ｃ）は、断面図を示している。本実施形態に係る補強構造１０は、柱１４に接合されるＨ形梁１２の梁端部１２ａに円形の補剛プレート１６を溶接して補強し、梁端部１２ａの強度を高めたものである。柱１４としては、鉄骨柱やＣＦＴ（鋼管コンクリート）柱等、表面が鋼板のものが用いられる。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示すように、Ｈ形梁１２は、その一端側となる梁端部１２ａの端面を柱１４の側面に当てて接合される。梁端部１２ａと柱１４との接合は、例えば、溶接と、連結板１８を介したボルト２０による締結とを併用して行われる。Ｈ形梁１２の接合対象は、角形断面を持った鉄骨柱やＣＦＴ柱からなる柱１４以外にも、Ｈ形断面や円形断面を持った鉄骨柱やＣＦＴ柱等であってもよい。図１（Ａ）及び図１（Ｃ）では、図面の見易さを確保するため、連結板１８及びボルト２０の図示を省略している。

Ｈ形梁１２は、薄板状のウエブ２２と、ウエブ２２の上下端面に直交するように成形されたフランジ２４，２４とからなる断面Ｈ形の鋼材である。ウエブ２２の梁端部１２ａの裏表の両側面で重なる位置（同位置）には、補剛プレート１６が接合されている。補剛プレート１６は、梁端部１２ａにおけるウエブ２２の側面に、そのプレート面（平面部）を当てた状態で溶接される円形のプレート鋼材である。ウエブ２２の梁端部１２ａよりも中央寄りの部分には、貫通孔２６，２７が形成されている。貫通孔２６，２７は、図示しない排水管や空調ダクト等のスリーブ管を通すための孔部である。

次に、補剛プレート１６の具体的な構成例について図２及び図３を参照して説明する。図２は、図１に示す補剛プレート１６の切出手順の一例を示す説明図であり、図３は、補剛プレート１６のウエブ２２への溶接手順の一例を示す説明図である。

本実施形態の場合、図２に示すように、ウエブ２２から貫通孔２６，２７を形成するために、例えばガス切断によって円形に切り出した切出プレート１６ａ，１６ｂを、それぞれウエブ２２の両側面の補剛プレート１６として利用する。この場合、貫通孔２６，２７は、ウエブ２２の強度を担保できる形状とする必要があり、その直径は、Ｈ形梁１２の梁成Ｈの１／２以下、通常は１／２〜１／３程度の大きさとされる。例えば、ウエブ２２の梁成Ｈを６００〜９００ｍｍとした場合、補剛プレート１６の直径は２００〜４５０ｍｍ程度とするとよい。但し、補剛プレート１６として、Ｈ形梁１２自身から切り出した切出プレート１６ａ，１６ｂ以外の鋼材を用いる場合、その直径は梁成Ｈの１／２以上であっても構わない。

続いて、切出プレート１６ａ，１６ｂを補剛プレート１６としてウエブ２２に溶接する際には、図２に示すように、ウエブ２２の側面に、補剛プレート１６のプレート面を重ね、その外縁を、例えばアーク溶接によって溶接する。補剛プレート１６は、例えば、ウエブ２２の梁成の中央にその中心が重なる位置であって、梁端部１２ａの端面から所定距離離間した位置に取り付けられる。補剛プレート１６は、外縁が円形であるため、図３に示すように、その外縁の円形の１点を溶接始点ＷＳとし、そのまま補剛プレート１６の外縁に沿って溶接を続け、再び溶接始点ＷＳに到達した溶接終点ＷＥで溶接作業を終了する。このように、補剛プレート１６は、外縁に角を持たないため、溶接始点ＷＳから溶接終点ＷＥまで一定の速度で溶接を継続することができ、溶接途切れや廻し溶接部を生じない構成となっている。

以上のように、本実施形態に係る補強構造１０によれば、Ｈ形梁１２の梁端部１２ａのウエブ２２に角を持たない外縁形状を有する円形の補剛プレート１６を溶接している。これにより、人手或いは機械による補剛プレート１６のウエブ２２への溶接作業時に、廻し溶接が発生せず、そのため溶接欠陥を生じ難く、溶接速度も一定で安定した溶接作業と溶接品質を得ることができる。従って、柱１４への接合後に地震等による大きな力が付与された場合であっても応力集中を起こすことがなく、高い補強強度を保持することができる。また、補剛プレート１６は、溶接途切れがなく、全周の溶接を１パスで行うことができるため、溶接の作業効率を向上させることができる。従って、補強構造１０では、溶接作業が効率的且つ容易のため、新設の建物に用いるＨ形梁のみならず、既設の建物の耐震補強等においても有効に用いることができる。なお、アーク溶接での作業性等を考慮すると、補剛プレート１６や後述する補剛プレート３０，３２の外縁の円弧部分の曲率半径は、例えば４０ｍｍ以上とされることが好ましい。

補強構造１０では、補剛プレート１６として、図２に示すように、Ｈ形梁１２自身から切り出した切出プレート１６ａ，１６ｂを用いている。これにより、従来では廃材となっていた貫通孔２６，２７の形成時の残材を補剛プレート１６として利用することができ、材料費を実質的になくすことができてコストを低減でき、廃材の発生も抑えることができる。

この場合、補剛プレート１６は、ウエブ２２の裏表の両側面で重なる位置に溶接することが好ましい。ウエブ２２の両側面での補剛プレート１６の位置を一致させると、バランスのよい補強が可能となり、溶接時の変形も最小限に抑えることができる。さらに、ウエブ２２の裏表の両側面で重なる位置に溶接することで、従来の矩形の部材を溶接する補強構造よりも溶接量を低減しつつ、高い補強強度を得ることができ、しかも溶接熱による変形をより抑えることもできる。補剛プレート１６は、ウエブ２２の仕様等によっては、ウエブ２２の一側面にのみ溶接しても十分な補強強度を得ることができ、熱変形が少ない構造の場合等にはコストを低減することができるため有効である。

なお、補剛プレート１６としては、当該Ｈ形梁１２からの切出プレート１６ａ，１６ｂ以外にも、他のＨ形梁やＨ形梁以外の鋼材からの切出プレートを用いても勿論よい。但し、この場合には、補剛プレートと接合対象となるＨ形梁１２のウエブ２２の降伏強度、引張強度等を規定した鋼材の規格は同一とし、補剛プレートの板厚は、Ｈ形梁１２のウエブ２２の板厚以上とすることが好ましい。

上記のように、補剛プレート１６は、角を持たない円形の外縁形状を有するため、高い溶接品質と効率よい溶接作業を行うことができる。換言すれば、補強構造１０を構成する補剛プレートとしては、角を持たない外縁形状であれば、円形以外の外縁形状を有するものであってもよく、例えば、図４に示す補剛プレート３０、又は図５に示す補剛プレート３２を用いてもよい。

図４に示すように、補剛プレート３０は、外縁形状が楕円形となっている。この補剛プレート３０についても外縁形状に角を持たないため、ウエブ２２への溶接作業時に廻し溶接がなく、そのため溶接欠陥を生じ難く、溶接速度も一定で安定した溶接作業と溶接品質を得ることができる。なお、補剛プレート３０を当該Ｈ形梁１２から切り出す場合には、その梁成方向の径が、Ｈ形梁１２の梁成Ｈの１／２〜１／３程度の大きさとするとよい。

図５に示すように、補剛プレート３２は、矩形の角部を円弧状に面取りした外縁形状を有する。この補剛プレート３２についても外縁形状に角を持たないため、ウエブ２２への溶接作業時に廻し溶接がなく、そのため溶接欠陥を生じ難く、溶接速度も一定で安定した溶接作業と溶接品質を得ることができる。

このように、補剛プレート１６，３０，３２では、その外縁形状に角を持たないため、溶接速度を一定にでき、さらに溶接欠陥の発生を抑えることができる。換言すれば、人手による溶接作業或いは機械による溶接作業を問わず、溶接速度を一定にできる外縁形状、つまり溶接速度を一定にできる溶接ラインを有する補剛プレートであれば、溶接欠陥や応力集中の発生を回避することができる。すなわち、「角を持たない外縁形状」とは、通常の溶接作業において、所定の溶接ライン上に溶接速度の急激な変化を引き起こす部位がない形状であると言い換えることもでき、さらに換言すれば、通常の溶接作業時に所定の溶接ライン上を溶接を停止することなく１パスで作業可能な形状であるとも言える。従って、複数の角を持った多角形であっても、各角がそれぞれ鈍角であり、実際の溶接作業上、廻し溶接が不要であり、溶接速度を一定に保持できるものであれば、本発明では角を持たない外縁形状に含むものとして扱うことができる。

図６に示すように、補剛プレート１６は、Ｈ形梁１２のウエブ２２の一側面につき２個以上溶接してもよく、他の補剛プレート３０，３２についても同様である。

次に、本実施形態に係る補強構造１０を、補強構造なしのもの、及び従来の補強構造のものと比較したＦＥＭ（有限要素法）解析での解析結果について説明する。

本実施例では、図７（Ａ）に示す補強構造を適用しない構造（「補強なし」）、図７（Ｂ）に示す従来の補強構造４０（「補強ありＡ」）、図７（Ｃ）に示す本実施形態に係る補強構造１０（「補強ありＢ」）の各条件について、Ｈ形梁１２の梁端部１２ａの端面を壁面４２に固定し、梁端部１２ａの反対側に荷重Ｆをかけた際のＨ形梁１２の荷重変位関係について、ＦＥＭによる数値シミュレーションを用いて解析した。なお、試験に用いたＨ形梁１２の断面形状は、梁成６００ｍｍ、フランジ２４の幅２００ｍｍ、ウエブ２２の板厚１２ｍｍ、フランジ２４の板厚１９ｍｍのものとし、材質は、建築構造用圧延鋼材（ＳＮ４９０）とした。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示すように、各条件において、荷重Ｆは、壁面４２から３０００ｍｍ離間した位置にかけ、力の方向は上向きとした。また、各条件において、荷重Ｆと壁面４２との中央となる位置Ｐ１と、荷重Ｆをかける位置Ｐ２とで、横座屈を拘束した。

図７（Ｂ）に示す補強構造４０では、矩形の補剛プレート４４を水平方向にウエブ２２の裏表の両側面に溶接したものとした。補剛プレート４４は、板厚６ｍｍ、幅７５ｍｍ、長さ６００ｍｍの帯板状とし、その一端を壁面４２から３０ｍｍ離間させ、梁成の中央に配置した。図７（Ｂ）に示すように、補剛プレート４４は、長手方向に沿って板厚によって形成された端面をウエブ２２の側面に当てて溶接することにより、ウエブ２２の側面から幅７５ｍｍ分だけ突出した姿勢で固定されている。一方、図７（Ｃ）に示す補強構造１０では、円形の補剛プレート１６を、そのプレート面をウエブ２２の裏表の両側面に当てて溶接したものとした。補剛プレート１６は、板厚９ｍｍ、直径φ３００ｍｍとし、その一端を壁面４２から３０ｍｍ離間させ、梁成の中央に配置した。これら補剛プレート１６，４４には、Ｈ形梁１２と同様に建築構造用圧延鋼材（ＳＮ４９０）を用いた。

解析結果を図８に示す。図８中の縦軸は、全塑性モーメントＭを無補強の梁の全塑性モーメントＭｐで除して無次元化した耐力上昇率（Ｍ／Ｍｐ）を示す。図８中の横軸は、弾性部材角θを無補強の梁の弾性部材角θｐで除して無次元化した塑性率（θ／θｐ）を示す。

図８に示されるように、「補強なし」のものに比べて、「補強ありＡ」の補強構造４０及び「補強ありＢ」の補強構造１０では、Ｈ形梁１２の最大耐力時の変形量が増大しており、塑性変形性能が向上していることが分かる。特に、本実施形態に係る補強構造１０を適用した「補強ありＢ」では、従来構造の補強構造４０を適用した「補強ありＡ」よりもさらに塑性変形性能が高い値となっている。

この際、従来構造の補強構造４０を適用した「補強ありＡ」では、補剛プレート４４の溶接量は、その全周である（６００＋６００＋６＋６）×２＝２４２４ｍｍとなっている。一方、本実施形態に係る補強構造１０を適用した「補強ありＢ」では、補剛プレート１６の溶接量は、その全周である（３００×３．１４）×２＝１８８４ｍｍとなっている。つまり、本実施形態に係る補強構造１０を適用した「補強ありＢ」では、従来構造の補強構造４０を適用した「補強ありＡ」に比べて、その溶接量を２２％程度低減することができ、さらに、より高い塑性変形性能を得ることができることがわかった。

なお、本発明は、上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０，４０ 補強構造
１２ Ｈ形梁
１２ａ 梁端部
１４ 柱
１６，３０，３２，４４ 補剛プレート
１６ａ，１６ｂ 切出プレート
２２ ウエブ
２４ フランジ
２６，２７ 貫通孔
４２ 壁面

Claims (5)

1. 柱に梁端部が接合されるＨ形梁の補強構造であって、
   前記梁端部のウエブに角を持たない外縁形状の補剛プレートを溶接したことを特徴とするＨ形梁の補強構造。
2. 請求項１記載のＨ形梁の補強構造において、
   前記補剛プレートは、円形又は楕円形であることを特徴とするＨ形梁の補強構造。
3. 請求項１又は２記載のＨ形梁の補強構造において、
   前記補剛プレートとして、前記ウエブの梁端部以外の部分から切り出した部材を用いることを特徴とするＨ形梁の補強構造。
4. 請求項１記載のＨ形梁の補強構造において、
   前記補剛プレートは、矩形の角部を円弧状に面取りした形状であることを特徴とするＨ形梁の補強構造。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のＨ形梁の補強構造において、
   前記補剛プレートを、前記ウエブの裏表の両側面で重なる位置に溶接したことを特徴とするＨ形梁の補強構造。

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