JP2017075485A - 鋼管柱の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管柱を補強しつつ、補強手段を溶接するための作業空間の確保を容易とする事が可能な、鋼管柱の補強構造を提供する事。【解決手段】鋼管柱１０の補強構造は、鋼管柱１０の軸心と並行な２つの基準線Ｌ１、Ｌ２であり、鋼管柱１０の内周面上に位置する２つの基準線Ｌ１、Ｌ２を含み、かつ鋼管柱１０の軸心Ｃを含まない仮想の対象面Ｓ１、Ｓ２上に配置された補強プレート４０であって、補強プレート４０の両端が鋼管柱１０の内周面に接続された補強プレート４０を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、鋼管柱の補強構造に関する。

従来、鋼管柱の補強構造としては、鋼管柱の内部に十字状断面のスチフナー鋼板を挿入して鋼管柱の内周面に溶接し、このスチフナー鋼板の端部にＨ形鋼大梁のウェブの端部を接続する補強構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２７１４１９号公報

ここで、鋼管柱の内部にスチフナー鋼板を溶接する場合、鋼管柱の内部に作業員が溶接機を挿入して作業する必要がある。しかし、特許文献１では、スチフナー鋼板が大梁ウェブの梁軸方向の延長線上に連続して対応するように配置する必要があるため、鋼管柱の軸心位置にスチフナー鋼板が位置し、鋼管柱の内部に充分な作業空間を確保できない可能性があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、鋼管柱を補強しつつ、補強手段（上述したスチフナー鋼板に対応）を溶接するための作業空間の確保を容易とする事が可能な、鋼管柱の補強構造を提供する事を目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の鋼管柱の補強構造は、鋼管柱の補強構造であって、前記鋼管柱の軸心と並行な２つの基準線であり、前記鋼管柱の内周面上に位置する２つの基準線を含み、かつ前記鋼管柱の軸心を含まない仮想の対象面上に配置された補強手段であって、当該補強手段の両端が前記鋼管柱の内周面に接続された補強手段を備える。

請求項２に記載の鋼管柱の補強構造は、請求項１に記載の鋼管柱の補強構造において、前記鋼管柱の外周面にはＨ形鋼の第一梁が接続され、前記２つの基準線の一方は、前記第一梁の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、前記第一梁のウェブと同一平面上の位置に設けられる。

請求項３に記載の鋼管柱の補強構造は、請求項２に記載の鋼管柱の補強構造において、前記補強手段は、前記第一梁のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレートである。

請求項４に記載の鋼管柱の補強構造は、請求項２又は３に記載の鋼管柱の補強構造において、前記補強手段は、前記第一梁のウェブ厚の５０％以上の厚みを有する補強プレートである。

請求項５に記載の鋼管柱の補強構造は、請求項２から４のいずれか一項に記載の鋼管柱の補強構造において、前記鋼管柱の外周面にはＨ形鋼の第二梁が接続され、前記２つの基準線の他方は、前記第二梁の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、前記第二梁のウェブと同一平面上の位置に設けられる。

請求項６に記載の鋼管柱の補強構造は、請求項１から５のいずれか一項に記載の鋼管柱の補強構造において、前記補強手段を、前記鋼管柱の柱頭部又は柱脚部に配置した。

請求項１に記載の鋼管柱の補強構造によれば、鋼管柱の軸心と並行な２つの基準線であり、鋼管柱の内周面上に位置する２つの基準線を含み、かつ鋼管柱の軸心を含まない仮想の対象面上に補強手段を配置するので、補強手段により鋼管柱の面外変形を拘束して鋼管柱を補強しつつ、補強手段の配置の自由度を向上することにより、補強手段を溶接するための作業空間の確保を容易とすることができる。

請求項２に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段の一方の端部を、第一梁のウェブと同一平面上の位置に設けるので、第一梁のウェブから補強手段へのモーメント伝達を向上させることができ、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

請求項３に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段は、第一梁のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレートであるので、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

請求項４に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段は、第一梁のウェブ厚の５０％以上の厚みを有する補強プレートであるので、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

請求項５に記載の鋼管柱の補強構造によれば、第一梁と第二梁を結ぶように補強手段を配置するので、第一梁のウェブ及び第二梁のウェブから補強手段へのモーメント伝達を向上させることができ、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

請求項６に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段を、鋼管柱の柱頭部又は柱脚部に配置するので、地震時における鋼管柱の曲げ変形性能を向上させることができる。

柱梁構造体の斜視図である。 図１のＡ１断面における断面斜視図である。 図１のＡ１断面における断面図である。 本実施例１に係る実験に用いた試験体一覧を示す表である。 材料引張試験による各鋼材の機械的性質を示す表である。 試験体の形状及び寸法を示す図であって、図６（ａ）はＦ１−Ｎ、図６（ｂ）はＦ１−Ｈ０６Ｗ、図６（ｃ）はＦ１−Ｈ０８Ｗを示す図である。 解析の詳細を示す図であって、図７（ａ）は解析モデル、図７（ｂ）はθの定義、図７（ｃ）は加力プログラム、図７（ｄ）は部材特性を示す図である。 Ｆ１−Ｎの実験解析の結果を示すグラフで、図８（ａ）は繰返し履歴曲線、図８（ｂ）はスケルトンカーブである。 Ｆ１−Ｈ０６Ｗの実験解析の結果を示すグラフで、図９（ａ）は繰返し履歴曲線、図９（ｂ）はスケルトンカーブである。 Ｆ１−Ｈ０８Ｗの実験解析の結果を示すグラフで、図１０（ａ）は繰返し履歴曲線、図１０（ｂ）はスケルトンカーブである。 梁端ウェブの応力度σ_ｗの分布を示すグラフであって、図１１（ａ）はＦ１−Ｎ、図１１（ｂ）はＦ１−Ｈ０６Ｗ、図１１（ｃ）はＦ１−Ｈ０８Ｗを示すグラフである。 接合部曲げ耐力を示す表である。 ウェブ接合部曲げ耐力を示す表である。 従来の補強構造を示す図であって、図１４（ａ）は斜視図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ２断面における断面図、図１４（ｃ）は梁端部モーメントＭと梁部材角θの関係を示すグラフである。 本願の補強構造を示す図であって、図１５（ａ）は斜視図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ３断面における断面図、図１５（ｃ）は梁端部モーメントＭと梁部材角θの関係を示すグラフである。 耐力比Ｑ／Ｑ_０と高さ比ｈ_ｒ／ｈ_ｗの関係性を示すグラフである。 鋼管柱の荷重変形関係比較を示すグラフである。 鋼管柱の塑性変形能力比較を示すグラフである。 図１のＡ１断面に対応する変形例の断面図であり、図１９（ａ）は変形例１、図１９（ｂ）は変形例２、図１９（ｃ）は変形例３、図１９（ｄ）は変形例４、図１９（ｅ）は変形例５、図１９（ｆ）は変形例６を示す図である。 図１のＡ１断面に対応する変形例の断面図であり、図２０（ａ）は変形例７、図２０（ｂ）は変形例８、図２０（ｃ）は変形例９、図２０（ｄ）は変形例１０である。 変形例１１を示す図であり、図２１（ａ）は斜視図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）のＡ４断面における断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る鋼管柱の補強構造の実施の形態を詳細に説明する。まず、〔Ｉ〕実施の形態の基本的概念を説明した後、〔ＩＩ〕実施の形態の具体的内容について説明し、最後に、〔ＩＩＩ〕実施の形態に対する変形例について説明する。ただし、実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

〔Ｉ〕実施の形態の基本的概念
まず、実施の形態の基本的概念について説明する。実施の形態は、鋼管柱の補強構造に関する。ここで、「補強構造」とは、鋼管柱の構造上の性能向上に多少なりとも寄与している事を示し、どの程度性能を向上できているかについては問わない。また、鋼管柱が設けられる建築物の用途は任意で、例えば商業施設、飲食施設、娯楽施設、又は居住施設等として利用することができる。

〔ＩＩ〕実施の形態の具体的内容
次に、実施の形態の具体的内容について説明する。

（構成）
まず、本実施の形態に係る補強構造が適用される柱梁構造体１の構成を説明する。図１は、柱梁構造体１の斜視図、図２は、図１のＡ１断面における断面斜視図、図３は、図１のＡ１断面における断面図である。なお、本実施の形態に係る建築物には柱と梁が接続される複数箇所に同様の柱梁構造体１が設けられているが、これらはいずれも同様に構成できるため図示や詳細な説明を省略し、以下では１つの柱梁構造体１のみに着目して説明する。ここで、これら図１から図３に示すように、本実施の形態に係る柱梁構造体１は、鋼管柱１０、大梁２０、ダイアフラム３０、及び補強プレート４０を備えて構成されている。ここで、以下では各図におけるＸ−Ｘ´方向を幅方向（特にＸ方向を右方向、Ｘ´方向を左方向）、Ｙ−Ｙ´方向を奥行き方向（特にＹ方向を前方向、Ｙ´方向を後方向）、Ｚ−Ｚ´方向を高さ方向（特にＺ方向を上方向、Ｚ´方向を下方向）と必要に応じて称して説明する。また、特定の位置を基準として、鋼管柱１０の軸心Ｃに近い位置を「内側」、鋼管柱１０の軸心Ｃから遠い位置を「外側」と称して説明する。

（構成−鋼管柱）
鋼管柱１０は、本実施の形態に係る補強構造による補強の対象となる柱である。この鋼管柱１０は建築物における任意の箇所に配置されており、配置される階は建築物に応じて適宜決定でき、例えば地上階の柱でも地下階の柱でも構わない。ここで、鋼管柱１０の形状は、内部に補強プレート４０を配置可能な限りにおいて任意で、例えば円筒形状、多角筒形状等を適用できるが、本実施の形態では断面が略正方形状の四角筒形状であるものとして説明する。なお以下では、鋼管柱１０の内側を向く面を「内周面」と称し、この内周面のうち軸心Ｃの前後左右に位置する４つの面をそれぞれ「前内周面」、「後内周面」、「右内周面」、及び「左内周面」と称する。また、鋼管柱１０の外側を向く面を「外周面」と称し、この外周面のうち軸心Ｃの前後左右に位置する４つの面をそれぞれ「前外周面」、「後外周面」、「右外周面」、及び「左外周面」と称する。

なお、本願では図示の便宜上省略しているが、鋼管柱１０の内部や外部に、鋼管柱１０の補強や装飾等を目的とした付随的な要素を加えてもよく、例えば鋼管柱１０の内部にコンクリートを充填してコンクリート充填鋼管構造（ＣＦＴ構造）としても構わないし、さらに鉄筋を挿入して鉄筋内蔵コンクリート充填鋼管構造（ＣＦＴ−Ｒ構造）としても構わない。

（構成−大梁）
大梁２０は、鋼管柱１０の外周面に接続されたＨ形鋼の梁である。この大梁２０は、鋼管柱１０の外周面に接続される限り任意の箇所に配置でき、例えば地上階に配置される梁であっても構わないし、基礎に埋設される基礎梁であっても構わない。なお、任意の数の大梁２０を鋼管柱１０に対して接続できるが、本実施の形態では１つの鋼管柱１０に対して、前方、右方、後方、及び左方の四方向に大梁２０が接続されているものとし、必要に応じてそれぞれ第一梁２１、第二梁２２、第三梁２３、及び第四梁２４と称して説明する。ただし、これらの各大梁２０はいずれも同様に構成することができ、これらを区別する必要の無い場合には単に「大梁」２０と称し、以下では特記しない限り第一梁２１に着目して説明する。

ここで、大梁２０を鋼管柱１０に溶接する方法は公知であるが、本実施の形態では図示のように、各大梁２０の上フランジ及び下フランジがそれぞれ上ダイアフラム及び下ダイアフラム（いずれも後述する）に対して溶接されており、各大梁２０のウェブは、鋼管柱１０の外周面に直接溶接されている。ただし、このような構成に限らず、例えば各大梁２０のウェブを、鋼管柱１０の外周面に溶接されたウェブプレートを介して鋼管柱１０に接続しても良い。なお、このように大梁２０を鋼管柱１０に溶接する方法は公知であるため、詳細な説明を省略する。また、大梁２０に形成されたスカラップ等は図示を省略する。ここで、本実施の形態では、図３に示すように各大梁２０のウェブの梁軸方向の延長線上に鋼管柱１０の軸心Ｃが位置するが、延長線上に鋼管柱１０の軸心Ｃが位置しないように大梁２０を接続して構わない。

（構成−ダイアフラム）
ダイアフラム３０は、鋼管柱１０に接続された公知のダイアフラム３０であって、本実施の形態においては、上ダイアフラム及び下ダイアフラムを備えて構成されている。これらのダイアフラム３０としては公知のものを用いて構成でき、例えば外ダイアフラム、内ダイアフラム、又は通しダイアフラム等を用いる事ができる。

なお、内ダイアフラムや通しダイアフラムを採用し、上述したように鋼管柱１０の内部にコンクリートを打設する場合には、ダイアフラム３０にコンクリート充填用の孔を形成する必要がある。このような孔は適宜必要箇所に設けて構わないが、特にコンクリートが行き渡り難い箇所には充分に設ける必要がある。例えば、図３において補強プレート４０と内周面とによって構成される三角形状の領域にはコンクリートが行き渡り難いため、充分な数及び面積の孔を設ける必要がある。なお、補強プレート４０に孔を設けることにより、当該孔を介して上述した三角形状の領域にコンクリートが行き渡るようにしても構わない。

（構成−補強プレート）
補強プレート４０は、鋼管柱１０の軸心Ｃと並行な２つの基準線Ｌ１であり、鋼管柱１０の内周面上に位置する２つの基準線Ｌ１を含み、かつ鋼管柱１０の軸心Ｃを含まない仮想の対象面上に配置された補強手段であって、当該補強手段の両端が鋼管柱１０の内周面に接続された補強手段である。ここで、この補強手段は、鋼管柱１０の内部に少なくとも１つ以上設けられていれば構わないが、本実施の形態では第一補強プレート４１及び第二補強プレート４２の２つが設けられている。

ここで、補強プレート４０の配置の決定方法について、第一補強プレート４１を例に挙げて説明する。まず、２つの基準線Ｌ１を決定する。これらの基準線Ｌ１は、鋼管柱１０の軸心Ｃと並行であり（すなわち、高さ方向に沿うように配置されており）、かつ鋼管柱１０の内周面上に位置する限り任意に決定して構わない。ただし、本実施の形態では、図示のように、２つの基準線Ｌ１の一方は、第一梁２１の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、第一梁２１のウェブと同一平面上（具体的には、ウェブ厚の中央を通る面と同一平面上。以下同様。）の位置に設けられており、２つの基準線Ｌ１の他方は、第二梁２２の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、第二梁２２のウェブと同一平面上の位置に設けられている。

また、本実施の形態では、２つの基準線Ｌ１を、鋼管柱１０の内周面における隣り合う２面上（前内周面上と、右内周面上）に配置しているが、これに限らず、対向する２面（例えば、前内周面上と、後内周面上）に配置しても良いし、少なくとも一方の基準線を鋼管柱１０の内周面の四隅（例えば、右後方の隅）に配置しても良い。

続いて、上記のように決定した２つの基準線Ｌ１を含む対象面Ｓ１を決定する。ここで、「基準線を含む」とは、対象面上に基準線が位置していることを示す。この基準線は、２つの基準線Ｌ１を含む限り任意に決定でき、例えば本実施の形態では２つの基準線Ｌ１を向かい合う２辺とする長方形状の面（図３にて一点鎖線で図示した面）とするがこれに限らない。例えば、２つの基準線を含む曲面（平面視において円弧上に湾曲した曲面）であっても構わない。

また、鋼管柱１０の内周面と、対象面との角度α、βについては任意であるが、本実施の形態では図示のように前内周面及び右内周面のいずれに対しても４５度となっている。このように４５度の角度とすることにより、第一梁２１と第二梁２２のいずれからも均等に鋼管柱１０にモーメントを伝達できる。ただし角度α、βはその他の角度でもよく、例えば３０度、６０度、９０度等であっても良い。

最後に、上記のように決定した対象面に沿って補強プレート４０を配置する。ここで、「対象面に沿って配置」とは、補強プレート４０の厚みの中央を通る面と、対象面とが同一面上に位置するように配置することを示す。なお、補強プレート４０の高さ及び厚みは、鋼管柱１０の内部に収まる限り任意であるが、鋼管柱１０の補強の効果の観点からは、大梁２０のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレート４０を用いる事が好ましく、また、大梁２０のウェブ厚の５０％以上の厚みを有する補強プレート４０を用いることが好ましい。

また、上述したように大梁２０のウェブと同一平面上に基準線を決定することで、大梁２０の端部に対応する位置に補強プレート４０の端部を配置することで、大梁２０のウェブから補強プレート４０へのモーメント伝達を向上させることができ、鋼管柱１０をより効果的に補強できる。

また、上述したように対象面が軸心Ｃを通らないので、補強プレート４０によって２つに仕切られる鋼管柱１０の内部空間のうち、一方の空間を他方の空間よりも広く確保でき、この広い方の空間を溶接用の作業空間として確保する事が可能となる。また、この２つに仕切られた内部空間のうち狭い方の空間側の角度α、βをいずれも９０度未満（本実施の形態ではいずれも４５度）とすることで、図２や図３に示すように補強プレート４０の端面と鋼管柱１０の内周面との間にも角度ができるので、この部分に溶接機の先端を挿入して溶接することができる。したがって、補強プレート４０に溶接用の開先を形成する手間や時間や費用を省略する事が可能となる。

なお、第二補強プレート４２についても、第一補強プレート４１と同様に、２つの基準線Ｌ２を決定し、続いて対象面Ｓ２を決定し、最後に対象面Ｓ２に沿って第二補強プレート４２を配置する。

ここで、従来の補強構造においても、鋼管柱１０とＨ形鋼大梁とを組み合わせて用いる場合、柱梁構造体１の大梁ウェブを、鋼管柱１０の柱フランジ（スキンプレート）に接合していた。ここで、大地震時には梁端部は塑性化し、大きな曲げモーメントを生ずるが、柱フランジに面外変形が生じるため、大梁ウェブのモーメントが十分には鋼管柱１０に伝達できなかった。そこで、構造設計では安全側の評価となるよう、Ｈ形鋼大梁の曲げ耐力は大梁ウェブの曲げ耐力がないとみなし、大梁フランジのみ負担するとして算定している。このため、梁部材の持つ性能を十分に利用できていない。この問題を解決するために、柱フランジを増厚する方法や梁端部の大梁フランジを拡幅する方法があるが、経済合理性の低下の問題や、外周部の鋼管柱１０に対して適用する場合に大梁２０を外へ寄せることができないといった設計自由度を喪失する問題が生じていた。しかし、本願の補強構造では、柱フランジの拡幅や大梁フランジの拡幅が不要であるため上記の問題が生じることはなく、さらに鋼管柱１０の軸心Ｃの位置に補強プレート４０を配置する必要がないので、補強プレート４０を溶接するための作業空間の確保が容易となる。

（実施例１）
続いて、鋼管柱の補強構造の実施例１について説明する。

本実施例１では、本実施の形態に係る補強構造を適用した鋼管柱の曲げ耐力や塑性変形性能を確認する実験及び解析を行った。図４は、本実施例１に係る実験に用いた試験体一覧を示す表である。この図４に示すように、梁のウェブの負担曲げモーメント_ｊＭ_ｕの向上を確認するため、３つの試験体Ｆ１−Ｎ、Ｆ１−Ｈ０６Ｗ、及びＦ１−Ｈ０８Ｗを用意した。なお、これらの構成部材は同一とし、試験パラメータは補強プレートの有無と、補強プレートの高さとした。梁には、ＢＨ−６００×２００×１６×２２、接合部（上ダイアフラムと下ダイアフラムの間の鋼管部分）にはＢ□−４５０×１２（幅厚比３５．５）、柱（上ダイアフラムより上方の鋼管部分、及び下ダイアフラムより下方の鋼管部分）には□−４５０×２２を用いた。梁の接合は工場溶接を想定してノンスカラップ形式とした。なお、図５は、材料引張試験による各鋼材の機械的性質を示す表である。

図６は、試験体の形状及び寸法を示す図であって、図６（ａ）はＦ１−Ｎ、図６（ｂ）はＦ１−Ｈ０６Ｗ、図６（ｃ）はＦ１−Ｈ０８Ｗを示す図である。図７は、解析の詳細を示す図であって、図７（ａ）は解析モデル、図７（ｂ）はθの定義、図７（ｃ）は加力プログラム、図７（ｄ）は部材特性を示す図である。これら図６及び図７に示すように、加力は、柱両端を固定し梁の先端に荷重を与える片持ち梁形式とした。また、梁中間部で横座屈を拘束した。加力サイクルは梁部材角θで制御した。

図８は、Ｆ１−Ｎの実験解析の結果を示すグラフで、図８（ａ）は繰返し履歴曲線、図８（ｂ）はスケルトンカーブである。また、図９は、Ｆ１−Ｈ０６Ｗの実験解析の結果を示すグラフで、図９（ａ）は繰返し履歴曲線、図９（ｂ）はスケルトンカーブである。また、図１０は、Ｆ１−Ｈ０８Ｗの実験解析の結果を示すグラフで、図１０（ａ）は繰返し履歴曲線、図１０（ｂ）はスケルトンカーブである。なお、これら図８から図１０における各図（ａ）の縦軸は梁端部モーメントＭ、横軸は梁部材角θである。また、これら図８から図１０における各図（ｂ）のスケルトンカーブは、対応する各図（ａ）に基づいて求めたものであり、縦軸はＭ／_ｂＭ_ｐｅ、横軸はθ／θ_ｐｅである。

ここで、_ｂＭ_ｐｅ及び_ｂＭ_ｐｎは、引張試験による降伏強度及び降伏強度の公称値Ｆ_ｙから求めた梁の全塑性モーメントであり、θ_ｐｅは_ｂＭ_ｐｅ時の弾性変形角である。_ｊＭ_{ｕ，ｃａｌ}は、材料強度から推定したウェブの最大曲げ耐力Ｚ_ｗｐ・σ_ｗｙとフランジの最大曲げ耐力Ｚ_ｆｐ・σ_ｆｕの和である。図中の点線は、ＦＥＭ解析の結果を示しており、実線の実験結果をよく再現できている。図中の黒塗りの三角形は、最大及び最小曲げモーメントの位置であり、各図（ａ）は、Ｍ_ｍａｘ及びＭ_ｍｉｎ、各図（ｂ）は、Ｍ_ｍａｘ／_ｂＭ_ｐｅ及びＭ_ｍｉｎ／_ｂＭ_ｐｅを示している。ここで、Ｆ１−Ｈ０６ＷやＦ１−Ｈ０８Ｗのこれらの絶対値は、Ｆ１−Ｎよりも大きく、ほぼ_ｊＭ_{ｕ，ｃａｌ}まで上昇しており、補強プレートによる塑性変形能力の向上が確認できる。なお、いずれの試験体も梁端引張側フランジ縁に亀裂が生じ、梁幅の１０％程度まで進展した後にフランジ全断面の破断に至った。また破断は裏当金やウェブにも生じていた。

図１１は、梁端ウェブの応力度σ_ｗの分布を示すグラフであって、図１１（ａ）はＦ１−Ｎ、図１１（ｂ）はＦ１−Ｈ０６Ｗ、図１１（ｃ）はＦ１−Ｈ０８Ｗを示すグラフである。いずれの試験体も実験結果とＦＥＭ解析結果はよく対応している。また、補強プレートの取り付く試験体は、θ＝±２０／１０００ｒａｄ時にはウェブ中央部分においてもσ_ｗが降伏レベルまで上昇している。ＦＥＭのσ_ｗ分布をもとに基準化ウェブ負担モーメント_ｊＭ_ｗ／_ｂＭ_ｐｅを求め、図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）に二点鎖線で示した。補強プレートのあるＦ１−Ｈ０６Ｗ（図９（ｂ））やＦ１−Ｈ０８Ｗ（図１０（ｂ））では、Ｍ＝_ｊＭ_ｕ時に_ｊＭ_ｗはＺ_ｗｐ・σ_ｗｙとほぼ同等となっている。

図１２は、接合部曲げ耐力を示す表、図１３は、ウェブ接合部曲げ耐力を示す表である。ここで、_ｊＭ_ｕは、図８から図１０の繰返し履歴曲線における｜Ｍ_ｍａｘ｜と｜Ｍ_ｍｉｎ｜とを比較して小さい側の値とした。図１２におけるα_ｅｘｐは、_ｊＭ_ｕ／_ｂＭ_ｐｎであり、αに対応する値である。Ｆ１−Ｈ０６ＷとＦ１−Ｈ０８Ｗのα_ｅｘｐは、ＳＭ４９０材の母材破断形式で設計する際のα＝１．３５を上回った。

図８から図１０における_ｊＭ_ｗｕは、_ｊＭ_ｕ時の_ｊＭ_ｗであり、Ｚ_ｗｐ・σ_ｗｙで除した無次元化曲げ耐力ｍは、補強プレートによって上昇しており、Ｆ１−Ｈ０８Ｗでは１．０を上回った。

以上に示すように、箱形断面にＨ形断面梁が取りつく柱梁構造体１を対象とした、梁端部ウェブの曲げ耐力を増大させる新たな接合部形式の効果を、実施例１に示す実験と解析により確認した。

（実施例２）
続いて、実施例２について説明する。この実施例２では、従来の補強構造と、本願の補強構造との補強効果の比較を行った。

図１４は、従来の補強構造を適用した柱梁構造体２を示す図であって、図１４（ａ）は斜視図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ２断面における断面図、図１４（ｃ）は梁端部モーメントＭと梁部材角θの関係を示すグラフである。なお、図１４（ａ）では、鋼管柱１０の内部が見え易いように、鋼管柱１０の前側の一部を省略して図示している。なお、後述する図１５（ａ）及び図２１（ａ）も同様に一部を省略して図示している。ここで、この図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、従来の補強構造としては、鋼管柱１０の軸心Ｃを通るようにＸ−Ｘ´方向に沿って補強プレート５０を配置した構成を採用した。また、図１５は、本願の補強構造を適用した柱梁構造体３を示す図であって、図１５（ａ）は斜視図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡ３断面における断面図、図１５（ｃ）は梁端部モーメントＭと梁部材角θの関係を示すグラフである。この図１５（ａ）、図１５（ｂ）に示すように、本願の補強構造としては、鋼管柱１０の軸心Ｃを通らないように傾けて補強プレート６０を配置した構成を採用した。なお、図１４（ｃ）及び図１５（ｃ）のグラフは、縦軸は梁端部モーメントＭ、横軸は梁部材角θを示している。この結果に示すように、本願の補強構造では、フル耐力に近い補強効果を得ることができ、また、従来のように（図１４に示すように）補強プレート５０を配置した場合と同等の効果を得ることができる事が分かる。したがって、本願の補強構造は、従来の補強構造と同等の補強効果を確保しつつ、補強プレート６０の配置の自由度を向上することにより、補強プレート６０を溶接するための作業空間の確保を容易とすることができる。

（実施例３）
続いて、実施例３について説明する。この実施例３では、補強効果を得るための補強プレートの適切な高さを調べるための解析を行った。

図１６は、耐力比Ｑ／Ｑ_０と高さ比ｈ_ｒ／ｈ_ｗの関係性を示すグラフである。この図１６において、縦軸は耐力比Ｑ／Ｑ_０を示し、横軸は高さ比ｈ_ｒ／ｈ_ｗを示す。ここで、Ｑ＝耐力［ｋＮ］、Ｑ_０＝完全固定時耐力［ｋＮ］、ｈ_ｒ＝補強プレートの高さ、ｈ_ｗ＝大梁のウェブせいを示す。このように、大梁のウェブせいｈ_ｗを固定して補強プレートの高さｈ_ｒを適宜変更して解析を行い、解析結果をグラフに示した。ここで、実線は３０／１０００ｒａｄ時耐力のグラフを示し、点線は降伏耐力を示す。

この図１６からも明らかなように、高さ比ｈ_ｒ／ｈ_ｗが大きい程、耐力比Ｑ／Ｑ_０が大きくなることが分かり、特に、高さ比ｈ_ｒ／ｈ_ｗが０．２５以上である場合には、補強プレートを設けない場合と比べて耐力比Ｑ／Ｑ_０の顕著な上昇が確認できる。したがって、大梁のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレートを用いる事が好ましいことが分かる。

（実施例４）
続いて、実施例４について説明する。この実施例４では、本実施の形態に係る補強プレートを、本実施の形態のような柱梁接合部ではなく、鋼管柱の柱脚及び柱頭に設けて、鋼管柱の補強効果を解析した。

図１７は、鋼管柱の荷重変形関係比較を示すグラフである。ここで、図１７における縦軸はモーメントＭ、横軸は梁部材角θを示し、また、実線は補強プレートを設けた場合、点線は補強プレートを設けない場合を示す。また、図１８は、鋼管柱の塑性変形能力比較を示すグラフである。ここで、図１８における縦軸は塑性変形倍率Ｒ、横軸は無次元化幅厚比Ｂ／ｔ（σ_ｙ／Ｅ）^１／２を示し、また、黒丸は補強プレートを設けた場合、点線は補強プレートを設けない場合を示す。これら図１７及び図１８に示すように、鋼管柱の柱脚及び柱頭に補強プレートを設けることにより、補強プレートを設けない場合と比べて鋼管柱を補強できる事が分かる。したがって、実施の形態のように柱梁接合部に代えて、又は加えて、鋼管柱の柱脚又は柱頭に補強プレートを配置することにより、鋼管柱を補強する事が可能である。

（実施の形態の効果）
このように、本実施の形態の鋼管柱１０の補強構造によれば、鋼管柱１０の軸心Ｃと並行な２つの基準線Ｌ１であり、鋼管柱１０の内周面上に位置する２つの基準線Ｌ１を含み、かつ鋼管柱１０の軸心Ｃを含まない仮想の対象面上に補強プレート４０を配置するので、補強プレート４０により鋼管柱１０の面外変形を拘束して鋼管柱１０を補強しつつ、補強プレート４０の配置の自由度を向上することにより、補強プレート４０を溶接するための作業空間の確保を容易とすることができる。

また、補強プレート４０の一方の端部を、第一梁２１のウェブと同一平面上の位置に設けるので、第一梁２１のウェブから補強プレート４０へのモーメント伝達を向上させることができ、鋼管柱１０をより効果的に補強する事ができる。

また、補強手段は、第一梁２１のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレート４０であるので、鋼管柱１０をより効果的に補強する事ができる。

また、補強手段は、第一梁２１のウェブ厚の５０％以上の厚みを有する補強プレート４０であるので、鋼管柱１０をより効果的に補強する事ができる。

また、第一梁２１と第二梁２２を結ぶように補強プレート４０を配置するので、第一梁２１のウェブ及び第二梁２２のウェブから補強プレート４０へのモーメント伝達を向上させることができ、鋼管柱１０をより効果的に補強する事ができる。

また、補強プレート４０を、鋼管柱１０の柱頭部又は柱脚部に配置するので、地震時における鋼管柱１０の曲げ変形性能を向上させることができる。

〔ＩＩＩ〕実施の形態に対する変形例
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明の具体的な構成及び手段は、特許請求の範囲に記載した各発明の技術的思想の範囲内において、任意に改変及び改良することができる。以下、このような変形例について説明する。

（解決しようとする課題や発明の効果について）
まず、発明が解決しようとする課題や発明の効果は、上述の内容に限定されるものではなく、発明の実施環境や構成の細部に応じて異なる可能性があり、上述した課題の一部のみを解決したり、上述した効果の一部のみを奏することがある。例えば、実施の形態に係る鋼管柱１０の補強構造によって補強手段を溶接するための作業空間の確保を容易とすることができない場合であっても、従来と異なる技術により鋼管柱１０を補強できている場合には、本願発明の課題が解決されている。

（寸法や材料について）
発明の詳細な説明や図面で説明した鋼管柱１０の補強構造の各部の寸法、形状、材料、比率等は、あくまで例示であり、その他の任意の寸法、形状、材料、比率等とすることができる。

（補強手段について）
本実施の形態では、補強手段は鋼板の補強プレート４０であるものとして説明したが、補強手段の両端を鋼管柱１０の内周面に接続可能な限り、任意の構成を採用できる。例えば、鉄筋を網目状に接続して構成したメッシュ筋等を用いても構わない。また、長方形状以外の形状の補強プレート４０を用いてもよく、例えば平行四辺形状や台形状のプレートを用いても良い。特に、例えば第一梁２１と第二梁２２の設置高さや梁せいが異なる場合には、このような形状のプレートを用いることで、各大梁２０を補強プレート４０で好適に接続する事ができる。

（補強構造のパターンについて）
図１９は、図１のＡ１断面に対応する変形例の断面図であり、図１９（ａ）は変形例１、図１９（ｂ）は変形例２、図１９（ｃ）は変形例３、図１９（ｄ）は変形例４、図１９（ｅ）は変形例５、図１９（ｆ）は変形例６を示す図である。ここで、本実施の形態においては、図１から図３に示すように、鋼管柱１０に対して四方から大梁２０が接続された構成において、２つの補強プレート４０を配置する構成としたが、このような構成に限らず本願に係る補強を行うことができる。例えば、鋼管柱１０に大梁２０が接続される場合は、鋼管柱１０が接続された外周面と対応する内周面に対して補強プレート４０の端部が接続されるように、補強プレート４０を配置する事が望ましい。具体的には、図１９（ａ）の変形例１に示すように、鋼管柱１０の１つの外周面（例えば、後外周面）にのみ大梁２０が接続される場合、この大梁２０が接続された外周面に対応する内周面（後内周面）に補強プレート７０を接続する事が好ましい。

また、図１９（ｂ）の変形例２に示すように、鋼管柱１０に対して、隣合う２つの外周面（例えば後外周面、及び右外周面）に大梁２０が接続される場合、これら大梁２０が接続された外周面に対応する内周面（後内周面、及び右内周面）を架け渡すように１つの補強プレート８０を配置する事が好ましい。なお、図１９（ｃ）の変形例３に示すように、鋼管柱１０に対して、相互に対向する２つの外周面（例えば前外周面、及び後外周面）に大梁２０が接続される場合、２つの補強プレート９０を配置し、上記の２つの外周面に対応する内周面（前内周面、及び後内周面）にいずれかの補強プレート９０の端部が接続されるように配置しても構わない。また、図１９（ｄ）の変形例４に示すように、鋼管柱１０に対して、３つの外周面（例えば前外周面、右外周面、及び後外周面）に大梁２０が接続される場合も同様に、これら大梁２０が接続された外周面に対応する内周面（前内周面、右内周面、及び後内周面）にいずれかの補強プレート１００の端部が接続されるように配置しても構わない。

また、本実施の形態では２つの補強プレート４０が互いに平行になるように配置したが、これに限らず、例えば２つの補強プレート４０が互いに直交するように配置しても構わない。例えば、図１９（ｅ）の変形例５に示すように、補強プレート１１０のうち一方を前内周面及び右内周面に接続し、他方を後内周面及び右内周面に接続しても良い。なお、変形例５においては、２つの補強プレート１１０が右内周面で交わる構成としたが、左内周面で交わる構成としても良い。ただし、図１９（ｆ）の変形例６に示すように、大梁２０が３つ接続される場合には、大梁２０が接続される側の内周面（右内周面）で補強プレート１２０が交わる構成とした方が好ましい。なお、変形例５や変形例６のように補強プレート１１０、１２０が交わると、交わっている部分の溶接が困難となってしまうが、この場合には、２つの補強プレート１１０、１２０同士を予め溶接した状態で鋼管柱１０の内部に挿入しても構わないし、２つの補強プレート１１０、１２０のそれぞれの高さ方向の位置をずらしても構わない。

ここで、本実施の形態に係る補強手段（補強プレート４０等）は鋼管柱１０の軸心Ｃを通らない限り任意に配置できる。ここで、図２０は、図１のＡ１断面に対応する変形例の断面図であり、図２０（ａ）は変形例７、図２０（ｂ）は変形例８、図２０（ｃ）は変形例９、図２０（ｄ）は変形例１０を示す。例えば図２０（ａ）の変形例７に示すように、補強プレート１３０を後内周面から内周面の隅に至るように配置してもよいし、図２０（ｂ）の変形例８に示すように、補強プレート１４０を各大梁２０のウェブと対応する位置以外に配置しても構わない。

また、上述したように鋼管柱１０や補強手段（補強プレート４０等）の形状は任意で、例えば図２０（ｃ）の変形例９に示すように、鋼管柱１５０を円筒形状に構成しても良く、この場合にも各大梁２０が接続された外周面と対応する位置に補強プレート１６０を接続する事が好ましい。また、図２０（ｄ）の変形例１０に示すように、補強プレート１７０は湾曲していても良い。

図２１は、変形例１１を示す図であり、図２１（ａ）は斜視図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）のＡ４断面における断面図である。ここで、補強手段（補強プレート４０等）の高さ方向の位置は、補強手段を柱梁接合部に設ける場合、大梁２０の梁せいの中央に対応する位置に設ける事が好ましいが、これに限らず、大梁２０の梁せいの中央以外に配置しても構わない。例えばこの変形例１１に示すように、補強プレート１８０を分離した複数枚（本変形例では２枚）のプレートで構成し、大梁２０の梁せいの中央付近に補強手段を配置しない構成としても構わない。

（付記）
付記１の鋼管柱の補強構造は、鋼管柱の補強構造であって、前記鋼管柱の軸心と並行な２つの基準線であり、前記鋼管柱の内周面上に位置する２つの基準線を含み、かつ前記鋼管柱の軸心を含まない仮想の対象面上に配置された補強手段であって、当該補強手段の両端が前記鋼管柱の内周面に接続された補強手段を備える。

付記２の鋼管柱の補強構造は、付記１に記載の鋼管柱の補強構造において、前記鋼管柱の外周面にはＨ形鋼の第一梁が接続され、前記２つの基準線の一方は、前記第一梁の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、前記第一梁のウェブと同一平面上の位置に設けられる。

付記３の鋼管柱の補強構造は、付記２に記載の鋼管柱の補強構造において、前記補強手段は、前記第一梁のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレートである。

付記４の鋼管柱の補強構造は、付記２又は３に記載の鋼管柱の補強構造において、前記補強手段は、前記第一梁のウェブ厚の５０％以上の厚みを有する補強プレートである。

付記５の鋼管柱の補強構造は、付記２から４のいずれか一項に記載の鋼管柱の補強構造において、前記鋼管柱の外周面にはＨ形鋼の第二梁が接続され、前記２つの基準線の他方は、前記第二梁の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、前記第二梁のウェブと同一平面上の位置に設けられる。

付記６の鋼管柱の補強構造は、付記１から５のいずれか一項に記載の鋼管柱の補強構造において、前記補強手段を、前記鋼管柱の柱頭部又は柱脚部に配置した。

（付記の効果）
付記１に記載の鋼管柱の補強構造によれば、鋼管柱の軸心と並行な２つの基準線であり、鋼管柱の内周面上に位置する２つの基準線を含み、かつ鋼管柱の軸心を含まない仮想の対象面上に補強手段を配置するので、補強手段により鋼管柱の面外変形を拘束して鋼管柱を補強しつつ、補強手段の配置の自由度を向上することにより、補強手段を溶接するための作業空間の確保を容易とすることができる。

付記２に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段の一方の端部を、第一梁のウェブと同一平面上の位置に設けるので、第一梁のウェブから補強手段へのモーメント伝達を向上させることができ、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

付記３に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段は、第一梁のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレートであるので、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

付記４に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段は、第一梁のウェブ厚の５０％以上の厚みを有する補強プレートであるので、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

付記５に記載の鋼管柱の補強構造によれば、第一梁と第二梁を結ぶように補強手段を配置するので、第一梁のウェブ及び第二梁のウェブから補強手段へのモーメント伝達を向上させることができ、鋼管柱をより効果的に補強する事ができる。

付記６に記載の鋼管柱の補強構造によれば、補強手段を、鋼管柱の柱頭部又は柱脚部に配置するので、地震時における鋼管柱の曲げ変形性能を向上させることができる。

１、２、３ 柱梁構造体
１０ 鋼管柱
２０ 大梁
２１ 第一梁
２２ 第二梁
２３ 第三梁
２４ 第四梁
３０ ダイアフラム
４０ 補強プレート
４１ 第一補強プレート
４２ 第二補強プレート
５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、 補強プレート
１５０ 鋼管柱
１６０、１７０、１８０ 補強プレート
Ｃ 軸心
Ｌ１、Ｌ２ 基準線
Ｓ１、Ｓ２ 対象面

Claims (6)

1. 鋼管柱の補強構造であって、
   前記鋼管柱の軸心と並行な２つの基準線であり、前記鋼管柱の内周面上に位置する２つの基準線を含み、かつ前記鋼管柱の軸心を含まない仮想の対象面上に配置された補強手段であって、当該補強手段の両端が前記鋼管柱の内周面に接続された補強手段を備える、
   鋼管柱の補強構造。
2. 前記鋼管柱の外周面にはＨ形鋼の第一梁が接続され、
   前記２つの基準線の一方は、前記第一梁の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、前記第一梁のウェブと同一平面上の位置に設けられる、
   請求項１に記載の鋼管柱の補強構造。
3. 前記補強手段は、前記第一梁のウェブせいの１／４以上の高さを有する補強プレートである、
   請求項２に記載の鋼管柱の補強構造。
4. 前記補強手段は、前記第一梁のウェブ厚の５０％以上の厚みを有する補強プレートである、
   請求項２又は３に記載の鋼管柱の補強構造。
5. 前記鋼管柱の外周面にはＨ形鋼の第二梁が接続され、
   前記２つの基準線の他方は、前記第二梁の接続箇所に対応する内周面上の位置であって、前記第二梁のウェブと同一平面上の位置に設けられる、
   請求項２から４のいずれか一項に記載の鋼管柱の補強構造。
6. 前記補強手段を、前記鋼管柱の柱頭部又は柱脚部に配置した、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の鋼管柱の補強構造。
   

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