JP2015190258A - 柱梁接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】梁の変形能力の向上を図る。
【解決手段】Ｈ形鋼で構成された梁のフランジの端面を鋼製の柱に溶接接合した柱梁接合構造であって、梁端仕口部から梁の長手方向に沿った所定範囲に、フランジの幅を拡幅したフランジ拡幅部を備え、フランジ拡幅部は、梁端仕口部の端と、当該端とは反対側の反対側端との間に内部塑性点を有し、梁に外力が入力された場合に、梁は、長手方向において、フランジ拡幅部の反対側端の位置にて降伏した後、且つ、フランジ拡幅部の前記端の位置にて降伏するよりも前に、フランジ拡幅部の内部塑性点の位置にて降伏するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、柱梁接合構造に関する。

柱と梁は一般的に溶接により接合（剛接合）されているが、柱と梁との接合部（梁端仕口部）は地震などの外力により大きな応力が発生して破断するおそれがある。特に、外力によるモーメントは梁の長手方向の中央部分よりも端部の方が大きくなるので、梁端仕口部が破断しやすい。

そこで、梁端部のフランジに幅を広げる部材（水平ハンチ）を取付けて梁端仕口部の応力を低減させるようにしたものが提案されている。

特開２０００−３０９９８０号公報

しかしながら、水平ハンチをフランジに取り付けると、水平ハンチの先端（梁端仕口部の端とは反対側の端）における形状が不連続となり、この位置のフランジにひずみの集中が発生する。この結果、ハンチ先端においてフランジに亀裂が進展し、性能を十分に発揮できないおそれがある。

また、特許文献１ではハンチ先端部分と梁端仕口部を同時に降伏させるようにしているため、梁端仕口部に大きなひずみが発生し、梁端仕口部が破断するおそれがある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、ひずみの集中を緩和し、梁の変形能力の向上を図ることにある。

かかる目的を達成するために本発明の柱梁接合構造は、Ｈ形鋼で構成された梁のフランジの端面を鋼製の柱に溶接接合した柱梁接合構造であって、梁端仕口部から前記梁の長手方向に沿った所定範囲に、前記フランジの幅を拡幅したフランジ拡幅部を備え、前記フランジ拡幅部は、前記梁端仕口部の端と、当該端とは反対側の反対側端との間に内部塑性点を有し、前記梁に外力が入力された場合に、前記梁は、前記長手方向において、前記フランジ拡幅部の前記反対側端の位置にて降伏した後、且つ、前記フランジ拡幅部の前記端の位置にて降伏するよりも前に、前記フランジ拡幅部の前記内部塑性点の位置にて降伏するようにしたことを特徴とする。
このような柱梁接合構造によれば、大地震時には前記フランジ拡幅部の前記反対側端と、前記内部塑性点の２か所で降伏することとなり、塑性化する領域を従来のハンチ先端部分よりも拡大させることができる。その結果、ひずみの集中を緩和することができ、梁の変形能力の向上を図ることが可能である。

かかる柱梁接合構造であって、前記梁の耐力上昇率をαとし、前記反対側端の全塑性モーメントをＭｐとし、前記内部塑性点に生じるモーメントをＭとし、反曲点から前記反対側端までの距離をＬ１とし、前記反曲点から前記内部塑性点までの距離をＬ２とした場合に、Ｍ＝α×Ｍｐ×（Ｌ２／Ｌ１）において１.０＜α≦１.２であることが望ましい。
このような柱梁接合構造によれば、想定した曲げ耐力を確実に発揮することができる。

かかる柱梁接合構造であって、前記フランジ拡幅部は、前記反対側端の側から前記端の側に向かうにつれて曲線的に幅が増加する曲線形状を有し、前記内部塑性点は前記曲線形状のうちの一部であることが望ましい。
このような柱梁接合構造によれば、内部塑性点におけるひずみを緩和することができる。これにより、内部塑性点における破壊を抑制することができる。

かかる柱梁接合構造であって、前記フランジ拡幅部の前記内部塑性点の位置における幅は、前記反対側端の位置における幅と同じであり、且つ、前記端の位置における幅よりも小さいことが望ましい。あるいは、前記フランジ拡幅部の前記内部塑性点の位置における幅は、前記反対側端の位置における幅よりも大きく、且つ、前記端の位置における幅よりも小さいことが望ましい。
このような柱梁接合構造によれば、ひずみの集中を緩和することができる。

本発明によれば、ひずみの集中を緩和することができ、梁の変形能力の向上を図ることが可能である。

図１Ａ及び図１Ｂは、参考例の柱梁接合構造の斜視図である。 本実施形態の柱梁接合構造の斜視図である。 柱梁接合部分を拡大して示す上面図である。 図４Ａ及び図４Ｂは本実施形態の柱梁接合構造の上面図及び側面図である。 柱梁接合構造の変形例を示す上面図である。

＝＝＝柱梁接合構造について＝＝＝
≪参考例の柱梁接合構造≫
図１Ａ及び図１Ｂは、参考例の柱梁接合構造の斜視図である。

図に示す参考例の柱梁接合構造は、柱１０と、梁２０とを備えて構成されている。

柱１０は、構造建物において床や梁などの鉛直荷重を支える構造部材である。図に示すように、柱１０は角型の鋼管である。また、柱１０は、上下一対のダイアフラム１２とガセットプレート１４を有している。

ダイアフラム１２は、柱１０の仕口の剛性を高める鋼板であり、柱１０において、梁２０（より具体的には、後述するフランジ２４）との接合位置の周囲に設けられている。

ガセットプレート１４は、柱１０と梁２０（より具体的には、後述するウェブ２２）との接合位置に設けられている。ガセットプレート１４は、２つの部材（ここでは柱１０と梁２０）を連結するための鋼板である。ガセットプレート１４、及び、梁２０（ウェブ２２）の長手方向の端部には、ボルト１６を通す孔（不図示）が複数設けられている。そして、ガセットプレート１４と梁２０（ウェブ２２）はボルト１６とナット（不図示）で締め付けられている。

梁２０は、構造建物において柱同士を水平方向につなぐ構造部材である。図に示すように梁２０は、長手方向に垂直な断面がＨ形の鉄製の鋼材（いわゆるＨ形鋼）であり、ウェブ２２とフランジ２４を有している。また、梁２０にはスカラップ２６が形成されている。

フランジ２４は、梁２０の上縁と下縁にそれぞれ配置された板状部材である。フランジ２４の長手方向の端は、柱１０のダイアフラム１２と溶接により接合されている。この接合部のことを梁端仕口部ともいう。

ウェブ２２は、上下のフランジ２４を結ぶ板状部材である。前述したように、ウェブ２２はボルト１６とナットによって柱１０のガセットプレート１４と接合されている。

スカラップ２６は、梁２０のウェブ２２の長手方向端部において上下のフランジ２４の近傍に設けられた円弧形状の切欠きである。

柱１０と梁２０とを接合する際には、柱１０のガセットプレート１４と、梁２０のウェブ２２と、をボルト１６及びナットを用いて固定してから、ダイアフラム１２とフランジ２４とを溶接により接合する。これにより柱１０と梁２０は剛接合される。

このような柱梁接合では、地震力などの外力が入力された際に、梁端仕口部で破壊するおそれがある。これは、外力によるモーメントが梁の長辺方向の中央側よりも端側の方が大きくなるからである。また、この梁端仕口部ではウェブ２２にスカラップ２６が形成されており、さらに、柱１０のダイアフラム１２と梁２０のフランジ２４とが溶接で接合されているため、他の部位よりも強度が弱く損傷するおそれが高くなっている。

そこで、この参考例では、梁２０の端部におけるフランジ２４の梁幅方向の両側部に長手方向に沿って（後述する先端Ｐ１と基端Ｐ２の範囲に）矩形状の水平ハンチ１００を水平に設けている。水平ハンチ１００は溶接によりダイアフラム１２とフランジ２４とに接合されている。ここで、水平ハンチ１００においてダイアフラム１２と接合された梁端仕口部側の端を基端Ｐ２（梁端仕口の端に相当）とよび、長手方向において基端Ｐ２とは反対側の端を先端Ｐ１（反対側端に相当）とよぶ。

このように水平ハンチ１００をフランジ２４に設けることでフランジ２４の幅が拡幅されている。こうすることで、梁端仕口部における断面積を増大することができ、梁端仕口部での損傷の防止を図ることができる。

しかし、この参考例の場合、先端Ｐ１の位置（長手方向の位置）でフランジの幅や断面積（換言すると剛性）が急変することになる。このため、地震力などの外力が入力されると、この位置のフランジ２４の部位（図の破線で囲まれた部分）に応力が集中して当該部位にひずみが生じる。これにより、図１Ｂに示すように、フランジ２４のこの部位に亀裂が生じるおそれがあり、設計値よりも小さいモーメントで梁２０が破損するおそれがある。

そこで本実施形態では、ひずみの集中を緩和するようにし、梁の変形能力の向上を図っている。

≪本実施形態の柱梁接合構造≫
図２は、本実施形態の柱梁接合構造の斜視図である。図３は、柱梁接合部分を拡大して示す上面図である。図４Ａ及び図４Ｂは本実施形態の柱梁接合構造の上面図及び側面図である。なお、前述の参考例（図１Ａ、図１Ｂ）と同一構成の部分には同一符号を付し説明を省略する。また、図４Ａ、図４Ｂの反曲点とは、モーメントがゼロとなる点である。この反曲点から離れるほどモーメントが大きくなる。例えば、基端Ｐ２におけるモーメントは、先端Ｐ１におけるモーメントよりも大きくなる。

本実施形態では、フランジ２４に水平ハンチ３０を設けている。水平ハンチ３０は、参考例の水平ハンチ１００と同様に、フランジ２４の幅を拡幅する部材であり、基端Ｐ２から梁２０の長手方向に沿って、先端Ｐ１と基端Ｐ２との間の範囲のフランジ２４に設けられている。また、水平ハンチ３０は、ダイアフラム１２（柱１０）とフランジ２４（梁２０）とに溶接により接合されている。

ただし、参考例の水平ハンチ１００は矩形だったのに対し、本実施形態の水平ハンチ３０は、矩形ではなく基端Ｐ２（梁端仕口部の端に相当）側よりも先端Ｐ１（反対側端に相当）側で幅（梁幅方向の長さ）が小さくなっている。このため、本実施形態では参考例の場合と比べて、先端Ｐ１の位置で梁２０が塑性化（降伏）しやすくなっている。これにより、参考例の場合よりも先端Ｐ１の位置におけるひずみの集中が緩和される。

さらに、本実施形態の水平ハンチ３０は、先端Ｐ１と基端Ｐ２との間の一部にも塑性化しやすい箇所を設けている。この箇所のことを内部塑性点Ｐ３とよぶ。

具体的には、図３に示すように、水平ハンチ３０は、曲線的に幅が変化する円弧形状（曲線形状に相当）の部位と、それよりも先端Ｐ１側で幅が変化しない直線状（長手方向に平行）の部位を有しており、その境目の箇所が内部塑性点Ｐ３となっている。つまり、内部塑性点Ｐ３は、円弧形状の一部である。また、水平ハンチ３０の内部塑性点Ｐ３の位置における幅は、先端Ｐ１の位置における幅と同じで、且つ、基端Ｐ２の位置における幅よりも小さい。内部塑性点Ｐ３は、梁２０に地震力などの外力が入力されたとき、先端Ｐ１の位置で降伏した後、且つ、基端Ｐ２（梁端仕口部）の位置で降伏するよりも前に、当該内部塑性点Ｐ３の位置で降伏するように定められている（この決定方法については後述する）。

このような水平ハンチ３０を設けることにより、地震力などの外力が入力された場合のひずみの集中を緩和することができ、梁２０の変形能力の向上を図ることができる。また、梁端仕口部（基端Ｐ２）の損傷の防止を図ることができる。

≪水平ハンチ３０の形状の決定方法について≫
以下、水平ハンチ３０の形状の決定方法について説明する。

水平ハンチ３０の先端Ｐ１における全塑性モーメントＭ_pは、
Ｍ_p=Ｂ×ｔ_f×(Ｈ-ｔ_f)×σ_yf＋ｔ_w×(Ｈ-２×ｔ_f)²/４×σ_yw ・・・（１）
ここで、
Ｈ：梁せい、Ｂ：梁幅、ｔ_f：フランジ厚、ｔ_w：ウェブ厚、
σ_yf、σ_yw：フランジ２４、ウェブ２２の降伏点（または耐力）

内部塑性点Ｐ３における全塑性モーメントＭ_phは、
Ｍ_ph=Ｍ_p+２×Ｂ_h×ｔ_h×(Ｈ_h−ｔ_h)×σ_yh ・・・・（２）
ここで
Ｈ_h：ハンチせい、Ｂ_h：内部塑性点におけるハンチ片側の幅、ｔ_h：ハンチ厚、
σ_yh：ハンチの降伏点（または耐力）

ハンチ先端Ｐ１がα×Ｍ_p（α＞１.０）に達した時に内部塑性点Ｐ３に生じるモーメントＭは、
Ｍ=α×Ｍ_p×(Ｌ２/Ｌ１) ・・・・（３）
ここで、
Ｌ１：反曲点から水平ハンチ３０の先端Ｐ１までの距離、
Ｌ２：反曲点から水平ハンチ３０の内部塑性点Ｐ３までの距離、
α：梁の耐力上昇率

ハンチ先端Ｐ１がα×Ｍ_pに達した時に内部塑性点Ｐ３が全塑性耐力に達する条件は、
Ｍ≧Ｍ_ph ・・・・（４）
式（１）〜式（３）より式（４）の関係を満たすようにする。このように各値を設定し、水平ハンチ３０の形状を決定する。

＜αの最適値について＞
水平ハンチ３０の先端Ｐ１の位置における破断により耐力が決定する試験体の最大耐力は、参考文献１（杉本浩一,高橋泰彦：改良梁端仕口形式を用いた角形鋼管柱−Ｈ形梁接合部の静的載荷実験―その３ 水平ハンチ改良型梁端仕口部の実験―,日本建築学会大会学術講演梗概集C-1,pp.595-596,1999.9）や、参考文献２（杉本浩一,高橋泰彦,後閑章吉：改良梁端仕口形式を用いた角形鋼管柱−Ｈ形梁接合部の静的載荷実験―その５ ウェブをスチフナで補強した水平ハンチ付仕口形式の実験―,日本建築学会大会学術講演梗概集C-1, pp.787-788,2001.9）より、全塑性耐力に対して１.２倍以上が期待できる。αを１.２倍より大きな値とすると、内部塑性点Ｐ３が全塑性耐力に達する前にハンチ先端Ｐ１にて破断する恐れがある。また、α＝１では、先端Ｐ１と内部塑性点Ｐ３が同時に降伏することになる。この場合、反曲点の位置が若干ずれると内部塑性点Ｐ３が危険断面となり、想定した曲げ耐力を発揮できないおそれがある。したがってαは１より大きいことが望ましい。
そのため、αの適正値は１＜α≦１.２となる。この場合、想定した曲げ耐力を発揮することができる。

このようにして定められた水平ハンチ３０を用いた柱梁接合構造では、地震力などの外力が入力された場合、梁２０は、まず先端Ｐ１の位置にて降伏する。その後、基端Ｐ２（梁端仕口部）の位置にて降伏するよりも前に、内部塑性点Ｐ３の位置にて降伏する。このとき、内部塑性点Ｐ３は円弧形状の一部であるので、内部塑性点Ｐ３におけるひずみの集中が緩和されており、当該内部塑性点Ｐ３での破壊を抑制することができる、
これにより、参考例の場合よりもひずみの集中を緩和することができ、梁２０の変形能力の向上を図ることができる。また、梁端仕口部（基端Ｐ２）の損傷の防止を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態の柱梁接合構造は、Ｈ形鋼の梁２０のフランジ２４の端面を鋼製の柱１０のダイアフラム１２に溶接接合されて構成されており、梁端仕口部（基端Ｐ２）から梁２０の長手方向に沿った先端Ｐ１までの範囲にフランジ２４の幅を拡幅する水平ハンチ３０が設けられている。この水平ハンチ３０は、先端Ｐ１側の幅が小さくなっており、また、先端Ｐ１と基端Ｐ２との間に内部塑性点Ｐ３を有している。そして、地震力などの外力が入力された場合に、梁２０が、長手方向において、先端Ｐ１にて降伏した後、且つ、梁端仕口部（基端Ｐ２）にて降伏するよりも前に、内部塑性点Ｐ３にて降伏するようにしている。

こうすることにより、先端Ｐ１、基端Ｐ２、及び、内部塑性点Ｐ３でのひずみの集中を緩和することができ、梁２０の変形能力の向上を図ることができる。また、梁端仕口部（基端Ｐ２）における破断を防止することができる。

≪変形例について≫
図５は、柱梁接合構造の変形例を示す上面図である。

この変形例では、水平ハンチ３０´が用いられている。

前述の実施形態の水平ハンチ３０では、内部塑性点Ｐ３を堺目として円弧形状の部位と円弧形状よりも先端Ｐ１側の直線形状の部位が設けられていたのに対し、変形例の水平ハンチ３０´は、先端Ｐ１から円弧形状となっている。そしてこの円弧内に内部塑性点Ｐ３が定められている。つまり、水平ハンチ３０´の内部塑性点Ｐ３の位置における幅は、先端Ｐ１の位置における幅よりも大きく、且つ、基端Ｐ２の位置における幅よりも小さくなっている。

この場合においても、前述の実施形態と同様に、ひずみの集中を緩和することができ、梁２０の変形能力の向上を図ることができる。また、梁端仕口部（基端Ｐ２）における破断を防止することができる。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

＜柱について＞
前述の実施形態では、柱１０として角型鋼管を用いていたがこれには限られない。例えば丸型の鋼管やＨ形鋼、その他の断面形状のものであってもよい。

また、ダイアフラム１２を介さずに柱１０と梁２０とを接合してもよい。その場合、ダイアフラムは鋼管の内部に設置してもよいし、あるいはダイアフラムを設けなくてもよい。

＜柱梁接合について＞
前述の実施形態では、柱１０と梁２０とを現場で溶接する現場溶接形式であったが、柱１０と梁２０を予め工場にて溶接してもよい。この場合、梁２０のウェブ２２は、工場において溶接により柱１０と接合される。よって、ガセットプレート１４やボルト１６は用いなくてよい。

＜水平ハンチについて＞
水平ハンチ３０の形状は前述した実施形態のものには限られない。たとえは、基端Ｐ２から円弧部分の端までの長手方向に平行な部位や、先端Ｐ１の梁幅方向に平行な部位がなくてもよい。また、前述した実施形態では水平ハンチ３０は円弧形状を有していたがこれには限られない。例えば楕円などの曲線形状であってもよい。

また、前述の実施形態ではフランジ２４の梁幅方向の両側に水平ハンチ３０を設けていたがこれには限られず、片側のみに設けてもよい。また、水平ハンチ３０をフランジ２４の梁幅方向の両側に設ける場合、フランジ２４の梁幅方向中央に対して対称でなくてもよい。例えば、梁幅方向の一方側と他方側で水平ハンチ３０のＢ_hの値が異なっていてもよい。

１０ 柱
１２ ダイアフラム
１４ ガセットプレート
１６ ボルト
２０ 梁
２２ ウェブ
２４ フランジ
２６ スカラップ
３０ 水平ハンチ
３０´ 水平ハンチ
１００ 水平ハンチ
Ｐ１ 先端
Ｐ２ 基端
Ｐ３ 内部塑性点

Claims (5)

1. Ｈ形鋼で構成された梁のフランジの端面を鋼製の柱に溶接接合した柱梁接合構造であって、
   梁端仕口部から前記梁の長手方向に沿った所定範囲に、前記フランジの幅を拡幅したフランジ拡幅部を備え、
   前記フランジ拡幅部は、前記梁端仕口部の端と、当該端とは反対側の反対側端との間に内部塑性点を有し、
   前記梁に外力が入力された場合に、前記梁は、
   前記長手方向において、
   前記フランジ拡幅部の前記反対側端の位置にて降伏した後、且つ、前記フランジ拡幅部の前記端の位置にて降伏するよりも前に、
   前記フランジ拡幅部の前記内部塑性点の位置にて降伏するようにした
   ことを特徴とする柱梁接合構造。
2. 請求項１に記載の柱梁接合構造であって、
   前記梁の耐力上昇率をαとし、前記反対側端の全塑性モーメントをＭｐとし、前記内部塑性点に生じるモーメントをＭとし、反曲点から前記反対側端までの距離をＬ１とし、前記反曲点から前記内部塑性点までの距離をＬ２とした場合に、
   Ｍ＝α×Ｍｐ×（Ｌ２／Ｌ１）において
   １.０＜α≦１.２
   であることを特徴とする柱梁接合構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の柱梁接合構造であって、
   前記フランジ拡幅部は、前記反対側端の側から前記端の側に向かうにつれて曲線的に幅が増加する曲線形状を有し、
   前記内部塑性点は前記曲線形状のうちの一部である
   ことを特徴とする柱梁接合構造。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の柱梁接合構造であって、
   前記フランジ拡幅部の前記内部塑性点の位置における幅は、前記反対側端の位置における幅と同じであり、且つ、前記端の位置における幅よりも小さい
   ことを特徴とする柱梁接合構造。
5. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の柱梁接合構造であって、
   前記フランジ拡幅部の前記内部塑性点の位置における幅は、前記反対側端の位置における幅よりも大きく、且つ、前記端の位置における幅よりも小さい
   ことを特徴とする柱梁接合構造。