JP2019194428A - Ｈ形鋼製梁 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェブの補剛に加えて、フランジの局部座屈補剛効果が期待でき、最大耐力以降の変形性能に優れたＨ形鋼製梁を提供する。【解決手段】本発明に係るＨ形鋼製梁１は、上フランジ３と下フランジ５とこれら上下のフランジ３、５を繋ぐウェブ７を有し、長手方向直交断面がＨ形で、梁端部が補剛部材１１によって補剛されたＨ形鋼製梁１であって、補剛部材１１は、梁長手方向に直交して配置され、上フランジ３とウェブ７に接合された上補剛部材１１ａと、上補剛部材１１ａと所定の間隔を離して、かつ上補剛部材１１ａに連続する仮想直線Ｌ上に設けられて、ウェブ７と下フランジ５に接合された下補剛部材１１ｂとを備えてなることを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、長手方向直交断面がＨ形で、梁端部が補剛部材によって補剛されたＨ形鋼製梁に関する。

鉄骨造のＨ形鋼製梁は、近年、建物の大型化や大空間化に伴い、梁長さが長くなると同時に梁のたわみを防止するために、梁せいが大きくなる傾向にある。コスト・製作性の両面から鋼材量を低減するために、剛性への寄与が小さいウェブの厚みは薄くなる傾向にあり、結果として大断面でウェブの薄いＨ形鋼製梁が増える傾向にある。

このような大断面薄肉ウェブのＨ形鋼製梁においては、大地震時に端部に大きな曲げモーメントが作用し、局部座屈が発生する危険性がある。
例えば、Ｈ形鋼製梁２１の梁長さが長い場合は、図９に示すように、端部の曲げモーメントが卓越するため、梁断面を中立軸で二分したときの一方のウェブ面において、グレーの太い楕円で示すような曲げ座屈が生じる。
一方、Ｈ形鋼製梁２１の梁長さが短い場合は、図１０に示すように、端部の曲げモーメントに比べてせん断力が卓越するため、グレーの細い楕円で示すようなせん断座屈が発生する。

局部座屈を防止し、変形性能を向上する構造として、ウェブに補剛部材を設ける技術が知られている。
例えば特許文献１で提案されているように、Ｈ形鋼製梁２１の梁ウェブ２３に直交する横スチフナ２５を設置する方法（図１１参照）や、特許文献２で提案されている梁ウェブ２３に直交する縦スチフナ２７を複数設置する方法（図１２参照）や、あるいは特許文献３で提案されている縦スチフナ２７と横スチフナ２５を組合せて設置される方法（図１３参照）などがある。
これらの方法はいずれもスチフナ（横スチフナ２５、縦スチフナ２７）が梁ウェブ２３に溶接にて接合されており、これによって、梁ウェブ２３の幅厚比あるいは境界条件をコントロールして、座屈を生じにくくすることを目的としている。

特開２０１６−２３４１７号公報 特開２０１１−２０８４３４号公報 特開２０１４−５１８２２号公報

図１４は図１２に示した従来の補剛構造に荷重が作用した状態を模式的に示したものである。このような補剛構造の場合、図１４に示すように、ウェブ２３が上下のフランジ２８、２９に加えて、柱９と縦スチフナ２７、あるいは隣り合うと縦スチフナ２７によって上下左右が拘束される形となり、梁材軸方向の幅厚比が小さい矩形の板状に分割される。
このため、ウェブ２３は分割された狭い範囲において、面外変形を起こすことになり、変形量が大きくなる。

また、ウェブ２３の局部座屈に伴い、縦スチフナ２７全体が反りあるいは捩れ変形を生じるため、縦スチフナ２７が早期に耐力低下して、例えば下フランジ２９を拘束する効果が維持できなくなる。このため、図１５に示すように、梁の最大耐力以降で早期に下フランジ２９が局部座屈し、梁の耐力が急激に低下する。

このように、従来の補剛方法は主にウェブのせん断座屈を補剛することを主目的としており、最大耐力以降の変形性能に影響するフランジの局部座屈を補剛する効果は期待できないという問題がある。
特に、特許文献２は、梁と柱の接合部における梁フランジに水平ハンチを設けることを前提としており、ウェブ２３に設ける縦スチフナ２７に梁端部のフランジの局部座屈の補剛を期待するものではない。
また、従来の補剛方法のように、梁せいと同等の長さを有する補剛部材を設ける場合には、鋼重が大きく、製作の際の取り回しが悪いという問題もある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、ウェブの補剛に加えて、フランジの局部座屈補剛効果が期待でき、最大耐力以降の変形性能に優れたＨ形鋼製梁を提供することを目的としている。

（１）本発明に係るＨ形鋼製梁は、上フランジと下フランジとこれら上下のフランジを繋ぐウェブを有し、長手方向直交断面がＨ形で、梁端部が補剛部材によって補剛されたＨ形鋼製梁であって、
前記補剛部材は、梁長手方向に直交して配置され、前記上フランジと前記ウェブに接合された上補剛部材と、
該上補剛部材と所定の間隔を離して、かつ前記上補剛部材に連続する仮想直線上に設けられて、前記ウェブと前記下フランジに接合された下補剛部材とを備えてなることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、梁せい内のり寸法をｈ、梁幅をB、ウェブ厚さをｔとして、
前記上補剛部材及び前記下補剛部材のトータル長さLsが、ｈ/２≦Ls≦３ｈ/４であり、
前記補剛部材の幅Ｈsが（B-ｔ）/4≦Ｈs≦（B-ｔ）/２であることを特徴とするものである。

（３）本発明に係るＨ形鋼製梁は、上フランジと下フランジとこれら上下のフランジを繋ぐウェブを有し、長手方向直交断面がＨ形で、梁端部が補剛部材によって補剛され、かつ上フランジが床スラブ等によって補剛されるＨ形鋼製梁であって、
前記補剛部材は、梁長手方向に直交して配置され、梁せい内のり寸法をｈとしてｈ/２〜３ｈ/４の長さを有し、前記下フランジと前記ウェブに接合された下補剛部材を備えてなることを特徴とするものである。

（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記補剛部材は、前記下補剛部材と所定の間隔を離して、かつ前記下補剛部材に連続する仮想直線上に設けられて、前記ウェブと前記上フランジに接合された前記下補剛部材よりも短尺の上補剛部材を備えてなることを特徴とするものである。

（５）また、上記（３）又は（４）に記載のものにおいて、梁幅をB、ウェブ厚さをｔとして、
前記補剛部材の幅Ｈsが（B-ｔ）/4≦Ｈs≦（B-ｔ）/２であることを特徴とするものである。

（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記補剛部材を、梁端部に長手方向に連続して２列以上設けたことを特徴とするものである。

本発明においては、梁端部に設ける補剛部材が、梁長手方向に直交して配置され、前記上フランジと前記ウェブに接合された上補剛部材と、該上補剛部材と所定の間隔を離して、かつ前記上補剛部材に連続する仮想直線上に設けられて、ウェブと下フランジに接合された下補剛部材とを備えてなることにより、ウェブの補剛に加えて、最大耐力以降のフランジの局部座屈補剛効果が期待でき、最大耐力以降の変形性能に優れている。
また、補剛部材が上補剛部材と下補剛部材に分割されているので、一つの補剛部材が従来のものに比べて寸法が小さいため、取り回しが良く製作性に優れる。

本発明の一実施の形態のＨ形鋼製梁の説明図であり、側面図（図１（ａ））、図１（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図（図１（ｂ））、上面図（図１（ｃ））である。 本発明の一実施の形態のＨ形鋼製梁の作用効果を説明する図である（その１）。 本発明の一実施の形態のＨ形鋼製梁の作用効果を説明する図である（その２）。 本発明の一実施の形態のＨ形鋼製梁の他の態様の説明図であり、側面図（図４（ａ））と図４（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図（図４（ｂ））である（その１）。 本発明の一実施の形態のＨ形鋼製梁の他の態様の説明図である（その２）。 本発明の一実施の形態のＨ形鋼製梁の他の態様の説明図である（その３）。 本発明の他の実施の形態のＨ形鋼製梁の説明図である。 本発明の他の実施の形態の他の態様のＨ形鋼製梁の説明図である。 従来の補剛をしていないＨ形鋼製梁の局部座屈の説明図である（その１）。 従来の補剛をしていないＨ形鋼製梁の局部座屈の説明図である（その２）。 従来例のＨ形鋼製梁の説明図であり、側面図（図１１（ａ））と図１１（ａ）の矢視Ｃ−Ｃ断面図（図１１（ｂ））である（その１）。 従来例のＨ形鋼製梁の説明図であり、側面図（図１２（ａ））と図１２（ａ）の矢視Ｈ−Ｈ断面図（図１２（ｂ））である（その２）。 従来例のＨ形鋼製梁の説明図であり、側面図（図１３（ａ））と図１３（ａ）の矢視Ｅ−Ｅ断面図（図１３（ｂ））である（その３）。 従来例の課題を説明する説明図である（その１）。 従来例の課題を説明する説明図である（その２）。 本発明の一実施の形態の効果を確認する解析結果の説明図である。

［実施の形態１］
本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼製梁１は、図１に示すように、上フランジ３と下フランジ５とこれら上下のフランジ３、５を繋ぐウェブ７を有し、長手方向直交断面がＨ形で、一端が柱９に接合されると共に、梁端部が補剛部材１１によって補剛されたものである。
そして、補剛部材１１は、梁長手方向に直交して配置され、上フランジ３とウェブ７に接合された上補剛部材１１ａと、上補剛部材１１ａと所定の間隔を離して、かつ上補剛部材１１ａに連続する仮想直線Ｌ上に設けられて、ウェブ７と下フランジ５に接合された下補剛部材１１ｂとを備えてなるものである。

本実施の形態の上補剛部材１１ａ及び下補剛部材１１ｂは、図１に示すように、矩形の板状体からなり、ウェブ７を挟んで両側に設けられている。なお、ウェブ７を挟んで両側に設けられる上補剛部材１１ａと下補剛部材１１ｂは、対称な位置関係になるように配置するのが好ましい。

補剛部材１１同士の材軸方向間隔ｐ（図１参照）あるいは柱９のスキンプレートから補剛部材１１までの材軸方向間隔ｐ（図１参照）は、梁幅Ｂ以下であることが好ましい。
補剛部材１１同士の材軸方向間隔ｐ又はスキンプレートから補剛部材１１までの材軸方向間隔ｐが梁幅Ｂ以上の場合、スキンプレートと補剛部材１１又は補剛部材１１同士の間においてフランジの局部座屈が先行して生じ、十分な塑性変形性能が得られない可能性がある。
また、柱９のスキンプレートから最も離れた補剛部材１１までの材軸方向距離は、０．５Ｈ以上（Ｈ：梁せい）が好ましい。前記材軸方向距離が０．５Ｈ以下の場合、梁端部の塑性化領域に対して補剛範囲が不足し、十分な塑性変形性能が得られない可能性がある。

梁せい内のり寸法をｈ、梁幅をB、ウェブ厚さをｔとして、上補剛部材１１ａ及び下補剛部材１１ｂのトータル長さ、すなわち上下の仮想直線Ｌ上に配置された一組の上補剛部材１１ａの長さLsaと下補剛部材１１ｂの長さLsbを加算した長さLs（図１参照）が、ｈ/２≦Ls≦３ｈ/４に設定されている。
Lsをｈ/２以上としたのは、ウェブ７の補剛効果を得るためにはこのようにするのが好ましいからである。
また、Lsを３ｈ/４以下にすることで、上補剛部材１１ａと下補剛部材１１ｂの間に隙間を形成することができ、上補剛部材１１ａ及び下補剛部材１１ｂが従来例のように上下のフランジ３、５で拘束されず、座屈し難い構造になっている。
また、補剛部材１１を上補剛部材１１ａと下補剛部材１１ｂに分割したことで、各部材が小さくなり、とり回しが容易で製作がし易い。

補剛部材１１の幅Ｈs（ウェブ７を挟んで両側に設けられている補剛部材１１における片側の幅）は、（B-ｔ）/4≦Ｈs≦（B-ｔ）/２に設定されている。
幅Ｈsを（B-ｔ）/4以上としたのは、補剛部材１１自体の面外方向への剛性を高くするのに好ましいからである。
また、幅Ｈsを（B-ｔ）/２以下とすることで、上下のフランジ３、５よりも出っ張ることがない。

上補剛部材１１ａの上フランジ３及びウェブ７との接合、下補剛部材１１ｂの下フランジ５及びウェブ７との接合は、溶接接合するのが一般的であるが、これに限定されるものではない。例えば、エンドプレートを介したボルト接合とすることも可能である。
また、上補剛部材１１ａ及び下補剛部材１１ｂの接合は、予め工場で行うのが好ましい。

次に、本実施の形態のＨ形鋼製梁１の作用について、図２及び図３に基づいて説明する。
図２は従来例を示した図１２、図１４と同程度の間隔で補剛部材１１を設置したものである。この場合、上補剛部材１１ａと下補剛部材１１ｂが繋がっていないので、ウェブ７における補剛部材１１のない部分においてある程度ウェブ７の局部座屈変形を許容することになる（図中グレーで示した部分が局部座屈している部分である）。そのため、補剛部材１１に作用する応力が抑えられ、補剛部材１１そのものの耐力低下を防ぎ、梁の最大耐力以降もフランジの拘束効果を維持することが可能となる。
しかも、補剛部材１１がない部分に局部座屈が発生するが、図１４の場合に比較して範囲が広いので面外変形量が小さく抑えられる。

図３は、補剛部材１１の設置間隔を図２の場合よりも狭めた場合のウェブ局部座屈を模式的に示したものである。
図３に示すように、補剛部材１１の設置間隔を狭くすると、ウェブ７の局部座屈は、補剛部材１１のないウェブ７の中央部分で発生するようになる。これは補剛部材１１の強軸方向に対する面外変形であるため、補剛部材１１の耐力低下は発生しない。したがって、図２の場合と同様に、補剛部材１１は梁の最大耐力以降も上下フランジ３、５の拘束効果を維持することが可能となる。

以上のように、本実施の形態のＨ形鋼製梁１は、補剛部材１１が上下フランジ３、５に連続することなく、上下で分割されて上下フランジ３、５にそれぞれ接合されているため、ウェブ７の局部座屈補剛効果に加え、該局部座屈補剛効果に伴う補剛部材１１そのものの耐力低下を抑制することができ、上下フランジ３、５の局部座屈補剛効果を期待できる。そして、上下フランジ３、５の局部座屈を抑えることで、最大耐力以降の変形性能が向上する。
また、補剛部材１１が上補剛部材１１ａと下補剛部材１１ｂに分割されているので、一つの補剛部材１１が従来のものに比べて寸法が小さいため、取り回しが良く製作時の作業性に優れる。
また、従来例に比較して、上補剛部材１１ａ及び下補剛部材１１ｂの長さを短く設定することができ、溶接量を低減して、工数やコスト低下が可能であり、また、溶接熱影響によるウェブ７の反り等を防止することができる。

なお、図１に示した補剛部材１１は、矩形の板状体であったが、例えば図４に示すように、三角形でもよい。さらに言えば、補剛部材１１は上下フランジ３、５およびウェブ７と接合される形状であればよく、矩形や三角形に限らず様々な形状を有することが可能である。

また、図１に示した補剛部材１１は、複数の補剛部材１１を梁長手方向に等間隔で配置したが、図５に示すように、曲げモーメントの卓越する梁端部では設置間隔を狭め、梁中央寄りに行くに従って設置間隔を広くするようにしてもよい。

また、図６に示すように、複数の上補剛部材１１ａ及び下補剛部材１１ｂに、梁長手方向に連結する横スチフナ１３を設けてもよい。横スチフナ１３を設けることで、上補剛部材１１ａ及び下補剛部材１１ｂの剛性を高めて座屈を防止して耐力を維持できるので、最大耐力以降の上下フランジ３、５の局部座屈補剛効果を確実に得ることができる。

［実施の形態２］
本実施の形態のＨ形鋼製梁１５は、図７に示すように、上フランジ３が例えば鉄筋コンクリートの床スラブ１７によって補剛される合成梁等の場合である。図７において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
上フランジ３が床スラブ１７で補剛される場合、上フランジ３の補剛が不要になり、かつ中立軸が中央線より上になるため、ウェブ７の上部の補剛をしなくてもよい場合があり、本実施の形態はこのような場合に有効である。

もっとも、上補剛部材１１ａを設けることを排除するものではなく、図８に示すように、上補剛部材１１ａを設けてもよい。この場合、上補剛部材１１ａは下補剛部材１１ｂよりも長さの短いものでよい。

本実施の形態では、上補剛部材１１ａを不要、又は短尺のものにすることができるので、効率的な補剛構造となる。

本実施の形態による性能向上効果を検証するためにＦＥＭ解析を実施した。対象とする梁は、断面がＨ−１０００×３００×１２×２５（ＳＮ４９０）であり、片持ち梁長さＬがＬ＝５０００ｍｍである。
補剛部材は、材軸方向間隔ｐをｐ＝２００ｍｍとして、上下に３列設置した。片方の梁端部を完全固定とし、もう一方の梁端部を鉛直方向に変位制御で載荷することにより、解析を実施した。
解析結果を図１６に示す。図１６には補剛部材のない梁に対する結果を併せて破線で示している。補剛部材のない梁では、全塑性耐力に到達後、早期に耐力低下が生じている。一方、補剛部材のある梁では、全塑性耐力に到達後も耐力を維持することが可能となっており、塑性変形性能の向上が確認できる。
この解析結果から、本発明によれば、全塑性耐力に到達後の急激な耐力低下を抑え、塑性変形性能を向上することが可能となることが実証された。

Ｌ 仮想直線
１ Ｈ形鋼製梁（実施の形態１）
３ 上フランジ
５ 下フランジ
７ ウェブ
９ 柱
１１ 補剛部材
１１ａ 上補剛部材
１１ｂ 下補剛部材
１３ 横スチフナ
１５ Ｈ形鋼製梁（実施の形態２）
１７ 床スラブ
＜従来例＞
２１ Ｈ形鋼製梁
２３ 梁ウェブ
２５ 横スチフナ
２７ 縦スチフナ
２８ 上フランジ
２９ 下フランジ

Claims (6)

1. 上フランジと下フランジとこれら上下のフランジを繋ぐウェブを有し、長手方向直交断面がＨ形で、梁端部が補剛部材によって補剛されたＨ形鋼製梁であって、
   前記補剛部材は、梁長手方向に直交して配置され、前記上フランジと前記ウェブに接合された上補剛部材と、
   該上補剛部材と所定の間隔を離して、かつ前記上補剛部材に連続する仮想直線上に設けられて、前記ウェブと前記下フランジに接合された下補剛部材とを備えてなることを特徴とするＨ形鋼製梁。
2. 梁せい内のり寸法をｈ、梁幅をB、ウェブ厚さをｔとして、
   前記上補剛部材及び前記下補剛部材のトータル長さLsが、ｈ/２≦Ls≦３ｈ/４であり、
   前記補剛部材の幅Ｈsが（B-ｔ）/4≦Ｈs≦（B-ｔ）/２であることを特徴とする請求項１記載のＨ形鋼製梁。
3. 上フランジと下フランジとこれら上下のフランジを繋ぐウェブを有し、長手方向直交断面がＨ形で、梁端部が補剛部材によって補剛され、かつ上フランジが床スラブ等によって補剛されるＨ形鋼製梁であって、
   前記補剛部材は、梁長手方向に直交して配置され、梁せい内のり寸法をｈとしてｈ/２〜３ｈ/４の長さを有し、前記下フランジと前記ウェブに接合された下補剛部材を備えてなることを特徴とするＨ形鋼製梁。
4. 前記補剛部材は、前記下補剛部材と所定の間隔を離して、かつ前記下補剛部材に連続する仮想直線上に設けられて、前記ウェブと前記上フランジに接合された前記下補剛部材よりも短尺の上補剛部材を備えてなることを特徴とする請求項３記載のＨ形鋼製梁。
5. 梁幅をB、ウェブ厚さをｔとして、
   前記補剛部材の幅Ｈsが（B-ｔ）/4≦Ｈs≦（B-ｔ）/２であることを特徴とする請求項３又は４に記載のＨ形鋼製梁。
6. 前記補剛部材を、梁端部に長手方向に連続して２列以上設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＨ形鋼製梁。