JP2017150189A - H形断面部材の座屈補剛構造と鉄骨構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】H形鋼からなる梁3は柱と剛結合している。梁3はウェブ3aの両端に上フランジ部3bと下フランジ部3cを設けている。梁3の曲げ圧縮力を生じる部分の下フランジ部3cに、下フランジ部3cを囲う中空部を有する鋼管状の補剛部材6を設けた。補剛部材6は鋼管状の一カ所を材軸方向に切断した切断部6aを形成して梁3のウェブ3aに嵌挿し、その周方向の両端をウェブ3aの両面に溶接等で接合した。梁3の補剛部材6を設けない上フランジ部3bにスタッド8を所定間隔で固定し、スタッド8を介して床スラブ9と上フランジ部3bを一体化した。
【選択図】図2
Description
H形鋼は外力による曲げとせん断力を効率的に負担できる優れた断面形状を有する鋼材であるが、主として建築構造の梁に用いられる場合、その対ねじり性能の低さに起因する横座屈現象を防止する設計を行う必要がある。また、高い曲げ剛性及び曲げ耐力を得るために梁のせいを高くする場合には、同時にウェブ部分のせん断座屈を防止する設計を行う必要がある。
これらの水平補剛部材や補剛リブを省略することができれば、経済的な梁構造を実現することが可能であり、それに対応する技術として例えば下記の特許文献1〜5に示すようなH形鋼の補剛構造とその製造方法が提案されている。
また、特許文献2及び3に記載された補剛部材は、みぞ形断面部材またはH形断面部材においてウェブとフランジとの隅部に矩形またはL字形の断面部材を溶接して三角形または四角形断面の管状体を設けて、フランジ降伏後の曲げ耐力を維持して塑性変形能力の向上を図っている。
また、特許文献5に記載された補剛構造では、H形鋼のウェブの両面中央部に補強部材として半割の鋼管を溶接した構造を備えている。
また、特許文献2及び3に記載の補強構造部材は上下フランジとウェブとに閉断面からなる三角形または四角形断面の管状体を形成するためウェブとフランジの両側に板状部材を溶接すること等に手間がかかり、しかもせん断座屈の防止能力は十分でなかった。
また、特許文献5に記載の補強構造は、H形鋼のウェブの両面に半割の鋼管をそれぞれ溶接固定しなければならず、鋼管の加工と溶接に手間がかかりコスト高になる上に圧縮側フランジの面外方向のそりを抑える効果が十分でなかった。
H形鋼等のH形断面部材が曲げ圧縮力を受けるときの座屈応力は、純捩り(純曲げ)と曲げ捩じりの2つである。
純曲げを受けるH形断面の梁部材が横座屈を発生する弾性限界時の曲げモーメント、即ち横座屈モーメントMcr及びMcr時のフランジ曲げ応力σcrは、次式(1)で与えられることはよく知られている。
H形断面の場合:
以上のことから、閉断面部材を用いて圧縮側フランジを囲うような形状でウェブに接合して、一体化された梁構造を採用すれば、純捩りと曲げ捩りの双方に対して同時に抵抗することが可能であるので、弾性限界の横座屈モーメントMcrを向上させることができる。
また、構造物の梁には通常曲げモーメントだけではなく、せん断力も想定されるので、特にウェブの幅厚比が大きいH形断面部材の梁ではせん断座屈を防止するよう考慮する必要がある。そこで、前述した横座屈を防止するために梁と一体化した閉断面部材によって、同時にウェブの座屈を防止できるような構造にすれば更に理想的であるものといえる。
即ち、本発明によるH形断面部材の座屈補剛構造は、一方向に延びるウェブの両端に、ウェブの軸線方向に沿って延びるフランジをそれぞれ設けたH形断面部材と、ウェブに接合されていて、一方のフランジの曲げ圧縮応力を生じる部分を該一方のフランジの軸線方向まわりに囲んで内包して閉断面を形成する補剛部材と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、H形断面部材の一方または両方の曲げ圧縮力が作用する部分のフランジ部を、補剛部材の閉断面としての中空部内に収容し、且つこの補剛部材をウェブと一体化したため、簡単な構造で純捩じりと曲げ捩じりに対する抵抗を向上させて横座屈及びせん断座屈を防止することができる。
しかも、この座屈補剛構造は、補剛部材を、例えば鋼管等の閉断面部材の一部を材軸方向に切断してH形断面部材のウェブ挿入用の間隙を設けたり、鋼板等の板材を折り曲げたりすることで形成し、フランジを内包した状態においてウェブと対向する補剛部材の端部を接合するだけで製造することができるため、経済的かつ容易に施工製作することが可能である。
H型断面部材が常載荷重や地震等の外力を受けて、床スラブと一体化した他方のフランジ部に曲げ圧縮応力を生じると、他方のフランジ部に固定されている床スラブが圧縮応力の一部を負担するため、一方のフランジ部に対して作用する曲げ圧縮力は小さくなり、しかもH形断面部材の他方のフランジ部は床スラブと一体化しているので、本発明と同様に純捩りと曲げ捩りに対する抵抗性能は向上する。
さらに、従来は床スラブと一体化してない一方のフランジ部に圧縮応力が発生する場合には、曲げ捩りに対する性能向上は望めなかったが、本発明は一方のフランジ部に圧縮応力の発生が予測される範囲に、閉断面状の補剛部材を付加しているため、床スラブと一体化していない一方のフランジ部の曲げ捩りに対する性能が向上する。
さらに、補剛部材は、H形断面部材の一方のフランジ部を補剛部材の閉断面としての中空部内に収容した状態で、一対の端部をH形断面部材のウェブの両面にそれぞれ接合することによってウェブと一体化したため、純捩じりと曲げ捩じりに対する抵抗を向上させて横座屈及びせん断座屈を防止することができる。
補剛部材の一対の端部をウェブの幅方向の略中央に接合していることにより、フランジと補剛部材の間に挟まれたウェブの幅と板厚の比を最小化できるので、補剛部材によるH形断面部材のせん断座屈防止効果が高い。
ウェブにスチフナを接合しているため、スチフナがウェブを補剛して横座屈及びせん断座屈を一層効果的に防止することができる。
これにより、鉄骨構造の施工時においては、H形断面部材を接続した柱に補剛構造を当接したり接合したりする必要はないため、柱梁架構の建方施工をなんら妨げることはなく、施工自体も容易である。
しかも、本発明によるH形断面部材の補剛構造と鉄骨構造は、補剛部材を、例えば鋼管等の閉断面部材の一部を材軸方向に切断してH形断面部材のウェブ挿入用の間隙を設けたり、フランジをその材軸方向まわりに囲むように鋼板等の板材を折り曲げたりすることに形成した上で、フランジを内包した状態においてウェブと対向する補剛部材の端部を接合するだけで製造することができる。
そのため、経済的かつ容易に施工製作可能であり、また、H形断面部材のウェブと補剛部材との接合は、例えば溶接接合するだけであるので、補剛部材の取り付けを製作工場で行っても建築現場で行ってもよいことから製作の自由度が高い。
図1は、本発明の第一実施形態によるH形断面部材の座屈補剛構造を用いた鉄骨構造としての梁構造1を示すものである。図1(a)は柱2に梁3(梁部材)を剛接合してなる構造物を示している。柱2は鋼材からなる鋼製柱であり、この実施形態では角柱状の鋼管からなる鋼管柱である。梁3は鋼材からなる鋼製梁であり、具体的にはH形鋼からなる鉄骨梁である。図1(b)に示すように、梁3はウェブ3aとその両端の上下に設けた上フランジ部3bと下フランジ部3cとで断面H形に構成されている。本実施形態による梁構造1では、梁3の上フランジ部3bや下フランジ部3cにスラブは固定されていない。
柱2と梁3との剛接合は、柱2の仕口部2aに梁3の端部を当接させ、仕口部2aから突設するガセットプレート4にウェブ3aを重ねて、ウェブ3aとガセットプレート4とがそれぞれのボルト孔に高力ボルト等のボルトを挿通して締結し、上フランジ部3bと下フランジ部3cを仕口部2aに当接させ溶接で接合することにより行われている。
そのため、図1に示す本実施形態による梁構造1では、曲げ圧縮応力やせん断力を受ける領域の少なくとも一部において、梁3の下フランジ部3cや上フランジ部3bをその材軸まわりに囲うように、例えば断面が中空円形状の鋼管を用いて筒状に形成された補剛部材6を取り付けている。補剛部材6は、周方向の一部に小さな間隙を形成するよう切断部6aが材軸方向全長に略直線状に形成されていて、この切断部6aの間隙内にウェブ3aを嵌挿させた状態で、切断部6aにより形成された、この切断部6aの端縁部分である一対の端部が、ウェブ3aの両側面に溶接等で接合されている。
このように、下フランジ部3cが補剛部材6Aの内部空間に収容された状態で補剛部材6Aの切断部6aの両端をウェブ3aに接合することにより、補剛部材6Aの内部空間が閉断面を形成する。このとき、補剛部材6Aの閉断面である中空部内に下フランジ部3cが収納されているため、梁断面のねじり定数Isを大きくすることができ、同時に下フランジ部3cのそりによる水平方向の面外曲げを拘束することができる。
一方で、梁3の材軸方向における補剛部材6Aから離間した位置で、上フランジ部3bの圧縮応力Qが発生する領域において、梁3の上フランジ部3bを囲うように、補剛部材6Aとは別の補剛部材6(以下、これを符号6Bで示す)を、その切断部6aの間隙内にウェブ3aを嵌挿させた状態でH形鋼に嵌合させている。そして、補剛部材6Bの切断部6aにより形成された、補剛部材6Aの材軸方向に延びる一対の端部を、ウェブ3aの両側面に溶接等で接合している。
このように、上フランジ部3bが補剛部材6Bの内部空間に収容された状態で補剛部材6Bの切断部6aの両端をウェブ3aに接合することにより、補剛部材6Aの内部空間が閉断面を形成する。このとき、補剛部材6Aの閉断面である中空部内に上フランジ部3bが収納されているため、梁断面のねじり定数Isを大きくすることができ、同時に上フランジ部3bのそりによる水平方向の面外曲げを拘束することができる。
なお、地震力のような水平力を受けると曲げモーメントの分布は変化するので、圧縮応力が生じる領域が長くなることが予測される場合は、圧縮応力が生じる領域に適合するように、補剛部材6A,6Bを該補剛部材6A,6Bの材軸方向にそれぞれ長く設定しなければならない。
なお、補剛部材6における切断部6aにより形成された一対の端部のウェブ3aの幅wに対する溶接位置は任意に設定することができるが、この溶接位置については、例えば図1に示すように、ウェブ3aの幅wの1/2程度の部分、即ち、ウェブ3aの幅w方向の略中央の位置に設定することができる。溶接位置をウェブ3aの幅wの1/2程度の部分とすることにより、ウェブ3aの幅厚比が溶接位置の上下で対称となり、幅厚比を最小化できるので、せん断座屈応力度を最大化させることができる。
まず工場または現場において、柱2の仕口部2aにH形鋼の梁3の端面を当接させてガセットプレート4を介してボルト等で固定する。
つぎに、鋼管の長さ方向一端部における周方向の1カ所に切欠を設け、その材軸方向に切欠を延長させて他端部まで切断部6aを略直線状に全長にわたって形成することにより補剛部材6を形成する。そして、梁3のウェブ3aを補剛部材6の切断部6aの間隙に通し、下フランジ部3cまたは上フランジ部3bを補剛部材6の中空部内に収納して切断部6aでウェブ3aを挟み込み、切断部6aにより形成された一対の端部をウェブ3aの両面にそれぞれ溶接することで、梁3と補剛部材6を一体化できる。
或いは、鋼板等の板材を折り曲げて梁3の下フランジ部3cまたは上フランジ部3bを材軸方向まわりに囲むように折り曲げて筒状として補剛部材6を形成すると共に、ウェブ3aの面と対向する一対の端部をそのウェブ3aの両面に溶接し、梁3と補剛部材6を一体化してもよい。
つぎに、建築現場において、柱2の仕口部2aにH形鋼の梁3のウェブ3aの端面を当接させてガセットプレート4を介してボルト等で固定し、上フランジ部3bと下フランジ部3cを仕口部2aに当接させ溶接で接合する。
なお、補剛部材は断面略円形状の筒状に限らず、後述のように三角や四角等の適宜の多角形断面をなす角筒状等でもよく、断面形状は任意である。
また、補剛部材6Aに対して柱2からより離れた領域では、梁3は上フランジ部3b側に圧縮応力Qが生じるが、この領域においても上フランジ部3bを囲う補剛部材6Bをウェブ3aに接合したため同様に横座屈に対する補剛効果を発揮できる。また、これら補剛部材6A、6Bによって梁3のH形断面の横座屈及びウェブ3aのせん断座屈に対する補剛効果も同時に発揮できる。
しかも、補剛部材6A,6Bに設けた切断部6a内に梁3のウェブ3aを梁3の材端から嵌挿した上で、補剛部材6A,6Bにおいてウェブ3aの面に対向する一対の端部を、ウェブ3aの両面に溶接等で接合するだけで製造できるため経済的で容易に施工製作できる。
さらに、本実施形態による梁構造1は、補剛部材6A,6Bに対して純捩りと曲げ捩りの補剛効果を期待するもので梁3の曲げ応力を直接負担するものではないので、梁3を接続した柱2に補剛部材6A,6Bを当接したり接合したりする必要がなく、柱梁架構の施工の妨げとなるものではない。
次に本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述した実施形態の部分や部品と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を行うものとする。
本第二実施形態による梁構造1Aでは、柱2に連結固定された梁3の上フランジ部3bの上面にはシアコネクタとして頭付きのスタッド8が所定間隔で固定されている。このスタッド8を介して床スラブ9が接合されて上フランジ部3bと一体化されている。圧縮応力を生じる領域の下フランジ部3cには鋼管状の補剛部材6を嵌合してなり、補剛部材6の中空部内に下フランジ部3cを保持して切断部6aの両端をウェブ3aの両側面に溶接している。
そして、梁3が常載荷重や地震等の外力を受けて曲げ応力を生じると、上フランジ部3bに圧縮応力が生じる場合には、上フランジ部3bが負担する圧縮応力の一部を床スラブ9が負担し、上フランジ部3bに対する曲げ圧縮応力は小さくなるので、上フランジ部3b側には特段の補剛構造は必要でない。下フランジ部3cに曲げ圧縮応力が生じる場合は横座屈を生じ得るが、補剛部材6で下フランジ部3cを囲うことで補剛できる。特に地震力のような水平力を繰り返し受けると、無補剛状態で許容される曲げモーメントに対して発生する曲げモーメントを超える範囲が長くなるので、これに応じて長い補剛部材6を梁3に接合する必要がある。
本第三実施形態による梁構造1Bでは、柱2に連結固定された梁3の上フランジ部3bの上面には所定間隔で固定されたスタッド8を介して床スラブ9が接合され、上フランジ部3bと一体化されている。圧縮応力が生じる領域の下フランジ部3cには鋼管状の補剛部材6を嵌合してなり、補剛部材6の中空部内に下フランジ部3cを保持して切断部6aの両端をウェブ3aの両側面に溶接している。
このように、梁3のウェブ3aにおいて鉛直方向にスチフナ12を接合することで梁3の捩じり剛性とせん断座屈抵抗を更に向上させることができ、梁3の横座屈及びウェブ3aのせん断座屈を防止できる。なお、スチフナについては、必ずしも四角形の板状である必要はなく、梁の捩じり剛性とせん断座屈抵抗を向上させることができれば、任意の形状とすることができる。
次に鋼管状の補剛部材6を切り欠いて切断部6aを形成し、補剛部材6の切断部6aの間隙を広げてウェブ3aに挿入して下フランジ部3cを補剛部材6で囲うと共に、スリット溝11をスチフナ12に嵌合させる。そして、補剛部材6の切断部6aにより形成された一対の端部をウェブ3aの両側面にそれぞれ溶接等で接合する。
本第四実施形態による梁構造1Cでは、図5(a)〜(c)に示すように、柱2の側面に例えばH形鋼からなるブラケット14を溶接して固定しておき、このブラケット14とH形鋼の梁3とを接合プレート15を介してボルト等で接合している。接合プレート15はブラケット14のウェブ14aと梁3のウェブ3aとにわたって、またブラケット14の上フランジ部14bと梁3の上フランジ部3bとにわたって、さらにブラケット14の下フランジ部14cと梁の下フランジ部3cとにわたってそれぞれ設置してボルトで接合している。
また、梁3とブラケット14の上フランジ部3b、14bの上面にはスタッド8を介して床スラブ9が接合され、上フランジ部3b、14bと一体化されている。圧縮応力が生じる領域の下フランジ部3c、14cは、梁3とブラケット14との両方にわたって延びる鋼管状の補剛部材6により囲われている。補剛部材6は、その閉断面である中空部内に下フランジ部3c、14cを収容した状態で、切断部6aにより形成された一対の端部がウェブ3aの両側面に溶接されている。しかも、切断部6aにより形成された一対の端部には、補剛部材6のウェブ3aへの接合状態において、接合プレート15とボルトに跨る領域に切欠凹部16が形成されていて、補剛部材6が接合プレート15やボルトを避けて、これらの補剛部材6や接合プレート15、ボルトのそれぞれの機能を阻害しないようにしている。
なお、補剛部材の断面形状については、これらの形状以外のものを適宜採用することができ、補剛部材に設ける切断部についても、補剛部材の機能を阻害しない範囲で任意の位置に設けることができる。
2 柱
3 梁
3a、14a ウェブ
3b、14b 上フランジ部
3c、14c 下フランジ部
6,18,19 補剛部材
6a 切断部
8 スタッド
9 床スラブ
14 ブラケット
15 接合プレート
Claims (6)
- 一方向に延びるウェブの両端に、前記ウェブの軸線方向に沿って延びるフランジ部をそれぞれ設けたH形断面部材と、
前記ウェブに接合されていて、一方の前記フランジ部の曲げ圧縮応力を生じる部分を該一方のフランジ部の軸線方向まわりに囲んで内包して閉断面を形成する補剛部材と、
を有することを特徴とするH形断面部材の座屈補剛構造。 - 前記H形断面部材の他方のフランジ部に床スラブが接合され、前記一方のフランジ部は前記補剛部材に内包された状態で補剛されていることを特徴とする請求項1に記載のH形断面部材の座屈補剛構造。
- 前記補剛部材は、その軸線方向に延びて周面を分割する切断部を備えた筒状に形成されていて、前記補剛部材内に前記一方のフランジ部が内包された状態において、前記切断部により形成された補剛部材の軸線方向に延びる一対の端部が、前記H形断面部材のウェブの両面にそれぞれ接合されていることを特徴とする請求項1または2に記載のH形断面部材の座屈補剛構造。
- 前記補剛部材の前記一対の端部は、前記H形断面部材の前記ウェブのせい方向の中央に接合した請求項3に記載のH形断面部材の座屈補剛構造。
- 前記ウェブに、該ウェブのせい方向に延びるスチフナが設けられている請求項1から4のいずれか1項に記載のH形断面部材の座屈補剛構造。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の前記H形断面部材の座屈補剛構造を有し、前記H形断面部材を梁とする梁部材と、
前記梁部材が剛接合された柱と、
を備え、前記補剛部材が前記柱に接合されていないことを特徴とする鉄骨構造。
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