JP2015190296A - Ｈ形鋼および柱梁接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】梁フランジと柱の接合部において柱側にスチフナを設置することなく、かつ鋼材量の増加を招かずに、応力集中による接合部近傍の梁フランジの早期の破壊を回避することが可能なＨ形鋼およびこのＨ形鋼からなる梁と柱の柱梁接合構造を提供する。
【解決手段】上下のフランジ２の幅方向中央部４の板厚が両縁端部５の板厚よりも厚く形成され、フランジの幅をＢ、両縁端部５の板厚をｔ１、幅方向中央部４の板厚をｔ２とすると、幅方向中央部の幅がＢ／３以下とされ、板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が０．４０以上０．７７以下に設定され、フランジの幅方向中央部と両縁端部の板厚差により生じる段差をフランジ内面側に有しているので、鋼材量の増加を招かずに、応力集中による接合部近傍の梁フランジの早期の破壊を回避することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼構造建築物の梁材などに使用されるＨ形鋼、およびこのＨ形鋼からなる梁と柱との柱梁接合構造に関する。

Ｈ形鋼を鋼構造建築物の架構を形成する梁材に使用し、同架構にＨ形断面の柱を使用して、柱フランジに溶接で剛接合する場合において、通常は、梁フランジからの応力を伝達する目的で、柱フランジの内面にスチフナを設置する形態で使用されることが多い（例えば特許文献１および２参照）。
一方で柱フランジの内面にスチフナを設置しない場合は、梁フランジに直交する柱フランジの面外曲げが生じるため、接合部近傍の梁フランジの応力は幅方向で均一にならず、フランジ面外剛性の大きい柱ウェブの中心で最も大きく、柱ウェブから距離のあるフランジ縁端側で小さくなる。

特開２００７−３２７２９６公報 特開２０１４−９５６３号公報

このように梁フランジに応力集中が生じることにより、柱ウェブ位置と梁フランジの接合部の交点である箇所に発生するひずみは、梁フランジ内を一様な応力分布と想定した場合よりも過大となり、地震等の外力を架構が受けた場合に早期の破壊が生じる可能性が考えられる。前述の柱フランジの内面にスチフナを設置する目的の一つはこの応力集中による早期の破壊を回避することであり、現実にもこのような形態で使用される場合が多い。
しかしながら、その一方で、梁フランジと柱の接合部全てにスチフナを設置することは、架構の製作費および製作期間の増大を招き、経済的な課題を内包している。
前述の梁フランジの応力集中を回避する他の方法としては、柱フランジの板厚を厚くして面外曲げに対する剛性を上昇させる手段が考えられるが、当然ながらこの方法は、柱の鋼材量を増加させ架構に要する材料費の上昇を招くので、スチフナを設置する手段と同様に、経済的な課題を解決できない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、梁フランジと柱の接合部において柱側にスチフナを設置することなく、かつ鋼材量の増加を招かずに、応力集中による接合部近傍の梁フランジの早期の破壊を回避することが可能なＨ形鋼およびこのＨ形鋼からなる梁と柱の柱梁接合構造を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明のＨ形鋼は、上下のフランジの幅方向中央部の板厚が、当該幅方向中央部より外側の両縁端部の板厚よりも厚く形成され、
前記フランジの幅をＢ、前記両縁端部の板厚をｔ１、前記幅方向中央部の板厚をｔ２とすると、
前記幅方向中央部の幅がＢ／３以下とされ、
前記板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が０．４０以上、０．７７以下に設定され、
前記フランジの幅方向中央部と両縁端部の板厚差により生じる段差をフランジ内面側に有していることを特徴とする。

本発明においては、Ｈ形鋼の上下フランジの幅方向中央部の板厚が、両縁端部の板厚よりも厚く形成されているので、質量増加（断面積の増加）をほとんど伴わずに、強軸回りの曲げ耐力、曲げ剛性を低下させない形状とすることができる。
また、フランジの幅方向中央部と両縁端部の板厚差により生じる段差をフランジ内面側に有しているので、工事施工上の利点が高くなる。

ここで、幅方向中央部の幅がＢ／３以下とされ、板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が０．４０以上０．７７以下に設定されているのは、本発明に係るＨ形鋼からなる梁をＨ形断面を有する柱に接合した場合において、幅方向中央部の幅がＢ／３を超え、かつ、板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が０．４未満、また、０．７７を超えると、本発明のＨ形鋼のフランジにおけるひずみ発生量が、フランジの板厚が一様な従来のＨ形鋼のフランジのひずみ発生量より、梁弾性時、梁降伏時、梁全塑性時のいずれかにおいて、大きくなるからである。

また、本発明の柱梁接合構造は、Ｈ形の断面を有する柱の柱フランジに、前記Ｈ形鋼からなる梁が前記柱フランジの内面側に応力伝達用のスチフナを設けない状態で接合され、
前記梁の梁ウェブと前記柱の柱ウェブとが同一平面内に位置していることを特徴とする。

ここで、梁ウェブと柱ウェブとが同一平面内に位置しているとは、梁ウェブの厚さの中心の仮想平面と柱ウェブの厚さの中心の仮想平面とが同一平面内に位置することを意味する。

本発明においては、柱フランジに前記Ｈ形鋼からなる梁が、梁ウェブと柱ウェブとが同一平面内に位置するようにして接合されているので、柱ウェブ中心付近に発生する梁フランジ軸方向のひずみを低下させ、早期破壊を回避できる。

本発明によれば、鋼材量の増加を招かずに、応力集中による接合部近傍の梁フランジの早期の破壊を回避することができる。

本発明に係るＨ形鋼の一例を示す断面図である。 従来のＨ形鋼の一例を示す断面図である。 本発明に係る柱梁接合構造の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態における数値解析のモデル図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は梁フランジの断面図である。 本発明の実施形態における数値解析における梁フランジの載荷荷重と載荷点変位を無次元化した履歴を示すグラフである。 図５の荷重−変形履歴における梁フランジの板厚比とひずみ発生量を無次元化した値をとの関係を示すグラフであり、（ａ）は梁弾性時、（ｂ）は梁降伏時、（ｃ）は梁全塑性時におけるものである。 本発明に係るＨ形鋼の梁フランジどうしを添接板を用いて摩擦接合した場合の接合部の断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１は本実施の形態に係るＨ形鋼１の断面図、図２は従来の通常のＨ形鋼１０の断面図である。
Ｈ形鋼１は、上下のフランジ２，２と、これら上下のフランジ２，２を接続するウェブ３とを有している。また、Ｈ形鋼１では、上下のフランジ２，２の幅方向中央部４の板厚が、当該幅方向中央部４より外側の両縁端部５の板厚よりも厚く形成されている。また、この幅方向中央部４はフランジ２の長手方向（図１において紙面と直交する方向）において連続して形成されている。
そして、フランジ２の幅をＢ、両縁端部５の板厚をｔ１、幅方向中央部４の板厚をｔ２とすると、幅方向中央部４の幅Ｂ２がＢ／３以下とされており、板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が０．４０以上０．７７以下に設定されている。
このように、Ｈ形鋼１は、図２に示す従来のＨ形鋼１０に比して、フランジ２の幅方向中央部４の板厚ｔ２が増加しており、両縁端部５の板厚ｔ１は等しくなっている。なお、従来のＨ形鋼１０は、上下のフランジ２，２と、これら上下のフランジ２，２を接続するウェブ３とを有しており、フランジ２の板厚はｔ１となっており、高さＨはＨ形鋼１と同じ高さＨとなっている。

図３は、Ｈ形鋼１からなる梁１を柱１１に接合した状態を示す斜視図である。
柱１１はＨ形の断面を有しており、柱フランジ１２，１２と、これら柱フランジ１２，１２を接続する柱ウェブ１３とを有している。
そして、柱フランジ１２に、梁（Ｈ形鋼）１が柱フランジ１２の内面側に応力伝達用のスチフナを設けない状態で接合されている。つまり、柱フランジ１２の外面に、梁フランジ２および梁ウェブ３の端面が溶接よって接合されており、柱フランジ１２の内面側に応力伝達用のスチフナが設けられていない。
また、柱１１と梁１とは、柱ウェブ１３と梁ウェブ３とが同一平面内に位置するようにして接合されている。つまり、柱１１と梁１とは、柱ウェブ１３の梁１の長手方向における延長線上に梁ウェブ３が位置するようにして接合されている。なお、本実施の形態では梁ウェブ３より柱ウェブ１３の方が厚いので、梁ウェブ３と柱ウェブ１３とが同一平面内に位置しているとは、梁ウェブ３の厚さの中心の仮想平面と柱ウェブ１３の厚さの中心の仮想平面とが同一平面内に位置することを意味する。
また、梁フランジ２の幅は柱フランジ１２の幅より小さくなっている。例えば、梁フランジ２の幅は柱フランジ１２の幅の１／２程度となっている。

このような柱梁接合構造において、接合部近傍の梁１の梁フランジ２に発生するひずみの大きさについて、幅方向中央部４の板厚ｔ２、両縁端部５の板厚ｔ１、幅方向中央部４の幅Ｂ２をパラメータとして、数値解析（ＦＥＭ数値解析）を行った。
すなわち、図４（ａ）に示すように、柱フランジ１２の内面側（図４（ａ）において下側）にスチフナを有しない形態で、柱フランジ１２の外面（図４（ａ）において上面）に梁フランジ２が垂直に接合されており、梁フランジ２の端部で引張力Ｆを梁フランジ２の軸方向に与えた場合の、柱中心面状の接合部近傍の代表点（ここでは柱フランジ１２の外面から距離１０ｍｍの位置）であるＡ点において、引張力Ｆと同一方向に発生するひずみ発生量εＡについて、本発明の実施の形態に係る柱梁接合構造と従来の柱梁接合構造とを比較する。なお、梁ウェブの厚さの中心（梁フランジ２の幅方向の中心）の仮想平面と柱ウェブ１３の厚さの中心の仮想平面とは同一平面内に位置している。

数値解析においては、従来の通常断面（フランジの板厚が一様）の場合をケース１とし、その他（ケース２〜９）は、ケース１と梁フランジの断面積（幅方向中央部のフランジ内面側に突出している部分を除く梁フランジの断面積）と梁フランジの幅Ｂを等しくして、本発明の実施の形態に係る梁フランジの幅方向中央部の板厚ｔ２と両縁端部の板厚ｔ１の比率、幅方向中央部の厚く形成されている幅Ｂ２と梁フランジの全幅Ｂの比率をパラメータとして、計９通りの形状について、数値解析（ＦＥＭ数値解析）を行った。また、接合される柱フランジの幅Ｂｃは、梁フランジの幅Ｂの２倍とした。

図５は、数値解析結果によるフランジの載荷点における荷重と荷重方向の変形をそれぞれ降伏荷重と降伏変位で無次元化した履歴を示している。
また、表１は、前記パラメータの各条件と、各解析条件下での図５の荷重−変形履歴上の、梁弾性時、梁降伏時、および梁全塑性時の各時点における、Ａ点のひずみ発生量εＡｎを、フランジの板厚が一様な条件のケース１におけるひずみ発生量εＡ１で無次元化した値の計算結果を示したものである。なお、ｎはケースナンバーを示す。

図６は表１の結果、すなわち前記数値解析結果をグラフ化したものである。つまり、図５の荷重−変形履歴上の、梁弾性時、梁降伏時、および梁全塑性時の各時点における、各解析ケースのＡ点のひずみ発生量εＡｎを、フランジの板厚が一様な場合のケース１におけるひずみ発生量εＡ１で無次元化した値を縦軸とし、板厚比ｔ１／ｔ２を横軸として、両者の関係を示したグラフである。なお、図６は表１に示すケースナンバーのうち６〜９の値を抜粋して示している。
表１に示すように、εＡｎ／εＡ１の値が１以下となる条件（表１の網掛け部分）であれば、本実施形態によるＨ形鋼は、従来の一様板厚のフランジを有するＨ形鋼よりも、ひずみ発生量が低減できるものといえる。
また、ケース１〜６では、梁弾性時においては、ひずみ発生量（εＡｎ／εＡ１）がいずれも１．０を超えており、ケース７〜９では、弾性時、降伏時、および梁全塑性時のいずれにおいても、ひずみ発生量が１．０未満である。

図６（ａ）に示すように、梁弾性時において、ｔ１／ｔ２＝０．２５で、εＡｎ／εＡ１＝１．０１（ケース６）、ｔ１／ｔ２＝０．４０でεＡｎ／εＡ１＝０．９２（ケース７）となる。
また、図６（ｂ）に示すように、梁降伏時において、全ての範囲でεＡｎ／εＡ１≦１．０となる。
また、図６（ｃ）に示すように、梁全塑性時において、ｔ１／ｔ２＝０．２５でεＡｎ／εＡ１＝１．１３（ケース６）、ｔ１／ｔ２＝０．４０でεＡｎ／εＡ１＝０．９５（ケース７）となる。
したがって、０．２５＜ｔ１／ｔ２＜０．４０の範囲にεＡｎ／εＡ１＝１．０となる閾値（ｔ１／ｔ２の閾値）が存在するものと推測できる。
よって、少なくとも０．４０≦ｔ１／ｔ２でεＡｎ／εＡ１≦１．０であることは明らかである。

図６（ａ）に示すように、梁弾性時において、ｔ１／ｔ２＝０．７７でεＡｎ／εＡ１＝０．９９（ケース９）となる。
また、図６（ｂ）に示すように、梁降伏時において、全ての範囲でεＡｎ／εＡ１≦１．０となる。
また、図６（ｃ）に示すように、梁全塑性時において、ｔ１／ｔ２＝０．７７でεＡｎ／εＡ１＝０．９６（ケース９）となる。
したがって、梁弾性時、梁全塑性時でεＡｎ／εＡ１＝１．０となる閾値は、図６（ａ）〜（ｃ）から工学的にｔ１／ｔ２＞０．７７の範囲にあると判断できる。
よって、０．７７≦ｔ１／ｔ２の範囲でεＡｎ／εＡ１≦１．０であることは明らかである。

したがって、表１および図６から、図５に示す荷重−変形履歴上の各時点において、上記の条件を満足する梁フランジ形状の条件は、Ｂ２／Ｂの値が１／３以下で、かつｔ１／ｔ２の値が０．４０以上０．７７以下の範囲となる。
上記の結果は、フランジ断面積を一定とした条件で確認したものであり、Ｈ形断面はフランジ断面積と図１に示すＨ形鋼１の断面せいＨにより、ほぼ曲げ耐力および曲げ剛性が定まるので、前記条件の梁フランジ形状とすることにより、これらの値に影響を与えずに、柱ウェブ中心面上で発生する梁フランジ軸方向のひずみ発生量を低下させ、早期破壊の確率を低減できる。

このように本実施の形態によれば、フランジの幅をＢ、フランジの両縁端部の板厚をｔ１、幅方向中央部の板厚をｔ２とすると、幅方向中央部の幅がＢ／３以下とされ、板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が０．４０以上０．７７以下に設定されているので、通常断面のＨ形鋼と同等質量で、柱フランジの内面側に応力伝達用のスチフナを設けないＨ形断面の柱フランジと接合する場合において、梁フランジ幅方向中央において発生するひずみ量を低減することが可能となる。したがって、地震等の外力を架構が受けた場合の梁フランジの早期破断を防止することが可能となる。
これにより、例えば、接合するＨ形断面の柱１１の柱フランジ１２の板厚を増やすことなくスチフナを省略することが可能となり、より経済的な架構を実現できる。

また、本実施の形態では、図３に示すように、梁フランジ２の幅方向中央部４と両縁端部５の板厚差により生じる段差を梁フランジ２の内面側に有しているので、フランジ外面側を平坦とし、フランジ内面側に段差を有することで、工事施工上の利点が高くなる。

図７は、本実施形態におけるＨ形鋼１からなる梁１の梁フランジ２どうしを接合してなる接合構造を示す要部の断面図である。なお、図７においては、梁１の一方の梁フランジ２と梁ウェブ３の一部のみを図示し、他方の梁フランジと残りの一部の梁ウェブは図示を省略している。

梁フランジ２の接合部における梁フランジ２の上面には添接板８が設けられている。この添接板８の幅方向両端部にはそれぞれ貫通孔８ａが形成されている。
一方、梁フランジ２の幅方向両端部にはそれぞれ貫通孔２ａが前記貫通孔８ａとほぼ同軸に形成されている。

また、梁フランジ２の接合部における梁フランジ２の下面には、梁フランジ２の幅方向中央部４の両側においてフィラープレート７が設けられている。つまり、フィラープレート７，７は下側に突出している幅方向中央部４を挟むようにして梁フランジ２の下面に設けられている。このフィラープレート７には、貫通孔７ａが貫通孔８ａ，２ａとほぼ同軸に形成されている。フィラープレート７の板厚は、幅方向中央部４の板厚と両縁端部５の板厚との板厚差（ｔ２−ｔ１）と等しくなっている。したがって、フィラープレート７の下面は幅方向中央部４の下面とほぼ面一となっている。

また、フィラープレート７の下面と幅方向中央部４の下面には、添接板９が設けられている。この添接板９には貫通孔９ａが貫通孔８ａ，２ａ，７ａとほぼ同軸に形成されている。
そして、これら貫通孔８ａ，２ａ，７ａ，９ａに高力ボルト６が挿通され、この高力ボルト６にナット６ａが螺合されて締め付けられることによって、梁フランジ２どうしが摩擦接合されている。

このような梁フランジの接合構造によれば、梁フランジ２の幅方向中央部４と両縁端部５との板厚差（ｔ２−ｔ１）に等しいフィラープレート７を梁フランジ２の縁端側に設置し、断面内の段差を吸収することで、従来の一様板厚を有するフランジと同様に添接板８，９による摩擦接合部を実現させることができる。

なお、本実施の形態では、Ｈ形鋼１を梁１として使用する場合を例にとって説明したが、Ｈ形鋼１は、梁１に限らず、柱やその他の構造部材として使用してもよい。

１ Ｈ形鋼
２ フランジ（梁フランジ）
３ ウェブ（梁ウェブ）
４ 幅方向中央部
５ 両縁端部
１１ 柱
１２ 柱フランジ
１３ 柱ウェブ

Claims (2)

1. 上下のフランジの幅方向中央部の板厚が、当該幅方向中央部より外側の両縁端部の板厚よりも厚く形成され、
   前記フランジの幅をＢ、前記両縁端部の板厚をｔ１、前記幅方向中央部の板厚をｔ２とすると、
   前記幅方向中央部の幅がＢ／３以下とされ、
   前記板厚ｔ２に対する板厚ｔ１の比率（ｔ１／ｔ２）が０．４０以上、０．７７以下に設定され、
   前記フランジの幅方向中央部と両縁端部の板厚差により生じる段差をフランジ内面側に有していることを特徴とするＨ形鋼。
2. Ｈ形の断面を有する柱の柱フランジに、請求項１に記載のＨ形鋼からなる梁が前記柱フランジの内面側に応力伝達用のスチフナを設けない状態で接合され、
   前記梁の梁ウェブと前記柱の柱ウェブとが同一平面内に位置していることを特徴とする柱梁接合構造。

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