JP2016108868A

JP2016108868A - 角形鋼管柱とｈ形鋼梁との柱梁接合構造

Info

Publication number: JP2016108868A
Application number: JP2014248605A
Authority: JP
Inventors: 智裕木下; Tomohiro Kinoshita; 匠石井; Takumi Ishii; 隼平安永; Jumpei Yasunaga
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】角形鋼管柱とＨ形鋼梁との外ダイアフラム形式による柱梁接合構造として、製作加工性と現場施工性に優れた柱梁接合構造を提供する。【解決手段】柱梁接合構造１０は、角形鋼管柱１とＨ形鋼梁２との柱梁接合構造であって、４枚のＬ字形鋼片１２が、各Ｌ字形鋼片１２の長辺側の端部が隣に位置するＬ字形鋼片１２の短辺側の端部と突き合された状態で、角形鋼管柱１と溶接接合されることで、分割式外ダイアフラム１１が形成されていて、その分割式外ダイアフラム１１を介して角形鋼管柱１とＨ形鋼梁２が溶接接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、主として建築分野において用いられる、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造に関する。

建築鋼構造において、角形鋼管柱とＨ形鋼梁による柱梁接合構造では、その柱梁接合部の耐力を補完するために、ダイアフラムと称する接合要素が用いられるのが一般的である。例えば、非特許文献１に示される種々の形式が採用されており、その形式は図９に例示するように、角形鋼管柱１とＨ形鋼梁２との柱梁接合部として、図９（ａ）に示す外ダイアフラム２１を用いた形式（外ダイアフラム形式）、図９（ｂ）に示す通しダイアフラム２２を用いた形式（通しダイアフラム形式）、図９（ｃ）に示す内ダイアフラム２３を用いた形式（内ダイアフラム形式）に大別される。

その中で、内ダイアフラム形式は、一般的にはエレクトロスラグ溶接により接合され、溶接部では数十万〜数百万Ｊ／ｃｍ程度の非常に大きな入熱が作用するため、一般の建築構造用鋼材では溶接部での靭性が非常に小さくなり、溶接部での脆性破断が生じ易い。この傾向は特に高強度鋼材で顕著である。さらに、冷間ロール成形角形鋼管や円形鋼管では、その形状によりエレクトロスラグ溶接が適用できないため、内ダイアフラム２３を用いた形式の適用が一般には困難である。

また、通しダイアフラム形式は、角形鋼管柱１を通しダイアフラム２２の配置位置で一旦切断し、その切断した位置でダイアフラム２２を角形鋼管柱１に溶接した後、分割された角形鋼管柱１を再び組み立てるので溶接量が多く、また仕口のずれなど精度確保に難点がある。

これに対して、外ダイアフラム形式では、角形鋼管柱１との溶接は隅肉溶接が適用可能であるため、大入熱による溶接部の靭性劣化の心配は不要であり、高強度鋼材に対しても適用し易い。また、外ダイアフラム２１を用いた形式は、通しダイアフラム２２を用いた形式に比べて溶接量・加工量が少ないこと、角形鋼管柱１にコンクリートを充填する際の施工性に優れること等の利点がある。

ただし、外ダイアフラム形式では、外ダイアフラム２１を予め鉄骨製作工場にて角形鋼管柱１に溶接接合する場合、工場から建設現場への運搬効率を勘案すると、外ダイアフラム２１の寸法は可能な限り小さく抑えることが望ましい。

この観点から、特許文献１では寸法の小さい外ダイアフラム形式が提案されている。

特開２０１１−９４４０６号公報

日本建築学会：鋼構造接合部設計指針４章柱梁接合部、２００６．３

しかしながら、特許文献１では、Ｈ形鋼梁２の梁端溶接部始終端での歪集中を緩和することも目的にして、１２角形の外ダイアフラムを用いることが提案されており、この場合、ダイアフラムの加工工数が多いこと、製作時の材料ロスが多いこと、接合される梁幅によってダイアフラムの形状寸法が制約されることなどが問題点として挙げられる。

本発明では、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との外ダイアフラム形式による柱梁接合構造として、製作加工性と現場施工性に優れた柱梁接合構造を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造であって、４枚のＬ字形鋼片が、各Ｌ字形鋼片の端部が隣に位置するＬ字形鋼片の端部と突き合された状態で、角形鋼管柱と溶接接合されることで、外ダイアフラムが形成されていて、該外ダイアフラムを介して角形鋼管柱とＨ形鋼梁が接合されていることを特徴とする、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。

［２］各Ｌ字形鋼片の端部が隣に位置するＬ字形鋼片の端部と突き合された突き合せ部が、Ｈ形鋼梁のフランジ幅内に位置することを特徴とする前記［１］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。

［３］前記突き合せ部は、接合されていないことを特徴とする前記［２］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。

［４］Ｌ字形鋼片は、圧延によって製造された山形鋼をスライスして製作したものであることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。

本発明においては、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との外ダイアフラム形式による柱梁接合構造として、製作加工性と現場施工性に優れた柱梁接合構造を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造を示す上面図である。本発明の他の実施形態に係る柱梁接合構造を示す上面図である。本発明の一実施形態で用いるＬ字形鋼片の寸法例を示すための図である。本発明の一実施形態で用いるＬ字形鋼片の製作加工方法例を示す図である。本発明の実施例における柱梁接合構造の解析モデルを示す図である。本発明の実施例における本発明例と比較例を示す図である。本発明の実施例における解析結果を示す図である。従来技術を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１、図２は、本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造を示すものであり、図１は斜視図、図２は上面図である。

図１、図２に示すように、本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造１０は、角形鋼管柱１とＨ形鋼梁２（フランジ２ａ、ウェブ２ｂ）との柱梁接合構造であって、４枚のＬ字形鋼片１２が、各Ｌ字形鋼片１２の長辺側の端部が隣に位置するＬ字形鋼片１２の短辺側の端部と突き合された状態で、角形鋼管柱１と隅肉溶接もしくは部分溶け込み溶接によって接合されることで、分割式外ダイアフラム１１が形成されていて、その分割式外ダイアフラム１１を介して角形鋼管柱１とＨ形鋼梁２が溶接接合されている。

なお、ここでは、各Ｌ字形鋼片１２の長辺側端部が隣に位置するＬ字形鋼片１２の短辺側端部と突き合された個所（突き合せ部）１３は、完全溶け込み溶接で接合されている。

このような、４個のＬ字形鋼片１２を組み合わせた分割式の外ダイアフラム１１を用いることによって、製作加工性と現場施工性に優れた柱梁接合構造となっている。

すなわち、従来の一体式の外ダイアフラム２１を現場施工する場合は、角形鋼管柱１の上端から一体式外ダイアフラム２１を通して所定位置まで移動させる必要があり、現場施工で非常に手間がかかる。また、一体式外ダイアフラム２１を鋼板から製作加工する場合には、一体式外ダイアフラム２１の中央部に該当する部分を切除して空間にする必要があり、材料ロスが多い。

これに対して、この実施形態に係る分割式外ダイアフラム１１を現場施工する場合は、分割式外ダイアフラム１１を角形鋼管柱１の上端を通して所定位置まで移動させる必要はなく、所定位置に分割式外ダイアフラム１１を直接溶接接合することができるので、現場施工が非常に容易である。また、この分割式外ダイアフラム１１を鋼板から製作加工する場合には、鋼板からＬ字形鋼片１２を順次隣り合わせて切り出していけばよいので、材料ロスが少ない。

なお、この分割式外ダイアフラム１１では、突き合せ部（溶接部）１３は、Ｈ形鋼梁２のフランジ２ａの幅内に位置することが好ましい。

突き合せ部（溶接部）１３がＨ形鋼梁２のフランジ２ａの幅外に位置していると、地震時にＨ形鋼梁２から分割式外ダイアフラム１１に引張力が作用した際に、この突き合せ部（溶接部）１３付近には応力・歪が集中しやすく、強度・靭性が劣化した溶接熱影響部付近より早期に破断に至る危険性があるからである。

逆に言えば、突き合せ部（溶接部）１３が、Ｈ形鋼梁２のフランジ２ａの幅内に位置している場合は、この突き合せ部（溶接部）１３付近には応力・歪が集中することはなく、その突き合せ部（溶接部）１３から脆性的に破断する危険性を低減することが可能になる。

したがって、場合によっては、突き合せ部１３は接合されていなくともよく、溶接等の手間を省くことができる。

そして、４枚のＬ字形鋼片１２は、同一の寸法・形状であることが好ましい。それによって、正方形の分割式外ダイアフラム１１を構成できるとともに、容易に突き合せ部１３をＨ形鋼梁２のフランジ２ａの幅内に位置させることができる。また、Ｌ字形鋼片１２の製作加工と管理も容易となる。

なお、図３に示すように、分割式外ダイアフラム１１を構成するＬ字形鋼片１２は２つの辺が等しくともよい。

ここで、分割式外ダイアフラム１１を構成するＬ字形鋼片１２の代表的な寸法例について、図４を用いて説明する。なお、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は側面図である。

すなわち、Ｌ字形鋼片１２の代表的な寸法は下記の如くである。

長辺の長さＡ＝５００〜７００ｍｍ
短辺の長さＢ＝５００ｍｍ
幅Ｃ＝４０〜６０ｍｍ
厚さＤ＝４０〜６０ｍｍ

そして、Ｌ字形鋼片１２の製作加工方法の例について、図５を用いて説明する。

まず、図５（ａ）は、鋼板３１からＬ字形鋼片１２を製作する場合である。上述したように、鋼板３１からＬ字形鋼片１２を順次隣り合わせて切り出していけばよいので、材料ロスが少なくて済む。

また、図５（ｂ）は、圧延された山形鋼３２からＬ字形鋼片１２を製作する場合である。山形鋼３２を順次スライスしていけばよいので、材料ロスがほぼ無くて済む。

このように、この実施形態に係る柱梁接合構造１０は、製作加工性と現場施工性に優れた柱梁接合構造となっている。

本発明の実施例として、本発明に係る柱梁接合構造の効果を実証するためにＦＥＭ解析を実施した。

解析モデルは、図６（ａ）に上面図、図６（ｂ）、（ｃ）に斜視図を示すように、角形鋼管柱１を想定した「コ」の字形の部材に、外ダイアフラムを介して梁フランジ２ａが接合された構造である。なお、図６中の３は、「コ」の字形の部材（角形鋼管柱）１に連結した仮想の掴み部である。

その際に、本発明例として、上記の本発明の一実施形態に係る柱梁接合構造１０を用いた。すなわち、図７（ａ）に示すように、外ダイアフラムとして、Ｌ字形鋼片１２で形成した分割式外ダイアフラム１１を採用した場合である。なお、分割式外ダイアフラム１１は、Ｌ字形鋼片１２の突き合せ部１３を接合せずにメタルタッチとした。

これに対して、比較のために、比較例として、図７（ｂ）に示すように、外ダイアフラムとして、図９（ａ）に示したような、一体物として製作された一体型の外ダイアフラム２１を用いた場合とした。

そして、梁フランジ２ａと掴み材３に引張力を作用させ、図６中のＡ点とＢ点の間の変位を出力し、荷重−変位関係を確認した。角形鋼管柱１には７８０Ｎ／ｍｍ^２級鋼を想定し、外ダイアフラム１１、２１には５５０Ｎ／ｍｍ^２級鋼を想定して、それぞれに対応する応力−歪特性を与えた。また、梁フランジ２ａと掴み材３は弾性体としてモデル化した。表１に解析ケース（本発明例１〜５、比較例１〜５）の一覧を示す。

図８は、本発明例と比較例において、各部寸法が同一の解析ケース（本発明例１と比較例１、本発明例２と比較例２、・・・、本発明例５と比較例５）について、両者の荷重−変位関係を比較して示したものである。

図８（ａ）〜（ｅ）に示すように、いずれの場合も本発明例と比較例の荷重−変位関係はほぼ同一であり、本発明が有効であることが実証された。

１角形鋼管柱
２Ｈ形鋼梁
２ａＨ形鋼梁のフランジ
２ｂＨ形鋼梁のウェブ
３掴み材
１０柱梁接合構造
１１分割式外ダイアフラム
１２Ｌ字形鋼片
１３突き合せ部
２１外ダイアフラム
２２通しダイアフラム
２３内ダイアフラム
３１鋼板
３２山形鋼

Claims

角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造であって、４枚のＬ字形鋼片が、各Ｌ字形鋼片の端部が隣に位置するＬ字形鋼片の端部と突き合された状態で、角形鋼管柱と溶接接合されることで、外ダイアフラムが形成されていて、該外ダイアフラムを介して角形鋼管柱とＨ形鋼梁が接合されていることを特徴とする、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。
各Ｌ字形鋼片の端部が隣に位置するＬ字形鋼片の端部と突き合された突き合せ部が、Ｈ形鋼梁のフランジ幅内に位置することを特徴とする請求項１に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。
前記突き合せ部は、接合されていないことを特徴とする請求項２に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。
Ｌ字形鋼片は、圧延によって製造された山形鋼をスライスして製作したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合構造。