JP2020169526A - 接合構造およびｈ形断面部材 - Google Patents

Abstract

【課題】補強の工程を必要とせずに、スカラップの開口縁で発生したき裂の進展によるフランジの破断を効果的に防止する。【解決手段】ウェブ、フランジ、およびウェブとフランジとの間の連結部を有するＨ形断面梁を柱に接合する接合構造であって、柱に接合されるＨ形断面梁の材軸方向の端部では、フランジに接するウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、スカラップの開口縁またはその近傍からフランジに沿って延びるウェブまたは連結部の欠落部が形成される接合構造が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、接合構造およびＨ形断面部材に関する。

例えば柱に接合されるＨ形断面梁の端部には、フランジに接するウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成される。スカラップを形成することによって、Ｈ形断面梁の端部でフランジに形成される溶接部とウェブとの干渉を避けることができる。しかしながら、断面欠損部分であるスカラップにひずみが集中することによってき裂が発生し、き裂の進展によってフランジが破断することもあった。

この問題に対し、例えば特許文献１には、フランジの外側にテーパープレートを接合することによってＨ形断面梁でスカラップが形成される部分を補強する技術が記載されている。特許文献２には、フランジの溶接後にスカラップを溶接で充填して補強する技術が記載されている。また、非特許文献１から非特許文献３には、ひずみが集中しにくいスカラップの形状として、例えば異なる曲率半径の円弧を組み合わせた形状や、円弧と直線とを組み合わせた形状が記載されている。

特開２０１３−７１９４号公報 特開２０１５−２２４４２７号公報

日本建築学会：鉄骨工事技術指針・工場製作編、日本、２００７年２月１５日、第５版、ｐ．２０８−２１１ 中込忠男、藤田哲也：角形鋼管柱に通しダイアフラム形式で溶接接合される圧延Ｈ形鋼梁端部の力学的性能 梁スカラップの有無および形状と目違いが破壊性状に及ぼす影響、日本建築学会構造系論文集第４５５号、１９９４年１月、ｐ．１８７−１９６ Ｊ．Ｍ．Ｒｉｃｌｅｓ，Ｊ．Ｗ．Ｆｉｓｈｅｒ，Ｌｅ−Ｗｕ Ｌｕ，Ｅ．Ｊ．Ｋａｕｆｍａｎｎ；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｅｌｄｅｄ ｍｏｍｅｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ−ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｄｅｓｉｇｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、２００２年、５８号、ｐ．５６５−６０４

しかしながら、上記の非特許文献１から非特許文献３に記載されたようなスカラップの形状でも、Ｈ形断面梁のフランジに近いスカラップの開口縁近傍、いわゆるスカラップ底へのひずみの集中は十分に解消できていない。フランジに近いスカラップ底で発生したき裂はフランジの破断につながる可能性が高いため、これを防止するために特許文献１や特許文献２などに記載されたような補強の工程が必要になる。

そこで、本発明は、補強の工程を必要とせずに、スカラップ底で発生したき裂の進展によるフランジの破断を効果的に防止することが可能な接合構造およびＨ形断面部材を提供することを目的とする。

本発明のある観点によれば、ウェブ、フランジ、およびウェブとフランジとの間の連結部を有するＨ形断面梁を柱に接合する接合構造であって、柱に接合されるＨ形断面梁の材軸方向の端部では、フランジに接するウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、スカラップの開口縁またはその近傍からフランジに沿って延びるウェブまたは連結部の欠落部が形成される接合構造が提供される。

上記の接合構造において、スカラップの開口縁は、フランジに近い側に形成される第１の円弧部と、フランジから遠い側に形成される第２の円弧部とを含み、第１の円弧部の曲率半径は第２の円弧部の曲率半径よりも大きく、第１の円弧部と第２の円弧部とは第１の変曲点において接続され、欠落部のフランジからの距離Ｈｅおよび第１の変曲点のフランジからの距離Ｈｃについて、Ｈｃ≧Ｈｅであってもよい。

上記の接合構造において、欠落部は、ウェブまたは連結部に形成される溝であってもよい。溝は、連結部のウェブ側の止端よりもフランジ側に形成されてもよい。

上記の接合構造において、欠落部は、連結部がウェブ側の止端からウェブの側面に沿って切り取られた切取部であってもよい。

上記の接合構造において、連結部は、隅肉溶接部であってもよく、圧延加工によって形成されたフィレットであってもよい。

本発明の別の観点によれば、ウェブ、フランジ、およびウェブとフランジとの間の連結部を有するＨ形断面部材であって、Ｈ形断面部材の材軸方向の少なくとも一方の端部では、フランジに接するウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、スカラップの開口縁またはその近傍からフランジに沿って延びるウェブまたは連結部の欠落部が形成されるＨ形断面部材が提供される。

上記の構成によれば、スカラップの開口縁で発生したき裂の進展する方向を欠落部に沿ってフランジに向かわない方向に誘導することによって、補強の工程を必要とせずに、き裂の進展によるフランジの破断を効果的に防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る接合構造を示す図である。 図１のII−II線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る接合構造を示す図である。 図３のIV−IV線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る接合構造を示す図である。 図５のVI−VI線断面図である。 参考例に係る接合構造を示す図である。 図７のVIII−VIII線断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る接合構造を示す図であり、図２は図１のII−II線断面図である。図１および図２に示された接合構造１は、Ｈ形断面梁２と、例えば角形鋼管などで構成される柱３との間に形成される。Ｈ形断面梁２の下フランジ２１は、柱３に取り付けられるダイアフラム３１に溶接部４１を介して接合される。具体的には、下フランジ２１の材軸方向の端面２１１とダイアフラム３１の端面３１１との間に形成された開先に、裏当金４１１を用いて溶接金属を充填または積層することによって溶接部４１が形成される。一方、Ｈ形断面梁２のウェブ２２は、柱３の側面３２に溶接部（図示せず）を介して接合される。他の例では、柱３にダイアフラム３１が取り付けられず、下フランジ２１およびウェブ２２の両方が柱３の側面３２に溶接部を介して接合されてもよい。

柱３に接合されるＨ形断面梁２の材軸方向の端部では、下フランジ２１に接するウェブ２２の一部分を切り欠いたスカラップ５が形成される。スカラップ５は、例えば下フランジ２１およびウェブ２２を柱３に接合する前に、切削などによって形成される。あるいは、後述するようにＨ形断面梁２は組立Ｈ形鋼であるため、下フランジ２１にウェブ２２を溶接する前にスカラップ５が形成されてもよい。図示された例において、ウェブ２２に形成されるスカラップ５の開口縁は、下フランジ２１側の始点５１１から第１の変曲点５１２までの第１の円弧部５１と、第１の変曲点５１２から第２の変曲点５２１までの第２の円弧部５２と、第２の変曲点５２１からウェブ２２の材軸方向の端面２２１までの直線部５３とを含む。

Ｈ形断面梁２は組立Ｈ形鋼であり、下フランジ２１とウェブ２２とは隅肉溶接されている。Ｈ形断面梁２は、隅肉溶接部４２を有する。隅肉溶接部４２は、ウェブとフランジとの間の連結部の例である。具体的には、隅肉溶接部４２は、下フランジ２１の上面２１２とウェブ２２の側面２２２との間に溶接金属を積層することによって形成される。

本実施形態では、隅肉溶接部４２のウェブ２２側の止端４２１よりも下フランジ２１側で、スカラップ５の開口縁から下フランジ２１の材軸方向に沿って延びる溝６が形成される。溝６は、少なくとも隅肉溶接部４２の欠落部であり、隅肉溶接部４２を貫通してウェブ２２に到達する場合は隅肉溶接部４２およびウェブ２２の欠落部である。溝６の下フランジ２１からの距離Ｈｅ、および隅肉溶接部４２の止端４２１の下フランジ２１からの距離Ｈｆについて、Ｈｆ＞Ｈｅである。このような溝６を形成することによって、例えば、き裂は溝６から発生して溝６に沿った方向に誘導され、下フランジ２１には向かわない。従って、本実施形態ではき裂の進展による下フランジ２１の破断を防止できる。

ここで、Ｈ形断面梁２では、スカラップ５の開口縁のうち第１の円弧部５１の曲率半径Ｒ１が第２の円弧部５２の曲率半径Ｒ２よりも大きく（Ｒ１＞Ｒ２）、具体的には例えば曲率半径Ｒ１が曲率半径Ｒ２の２．５倍以上である（Ｒ１≧２．５Ｒ２）。これによって、下フランジ２１に近い第１の円弧部５１へのひずみの集中を緩和し、第１の円弧部５１におけるき裂の発生を抑制することができる。しかし、図示された例では、スカラップ５の開口縁で第１の円弧部５１と第２の円弧部５２とが接続される第１の変曲点５１２の下フランジ２１からの距離Ｈｃ、および隅肉溶接部４２の止端４２１の下フランジ２１からの距離Ｈｆについて、Ｈｆ＞Ｈｃである。この場合、地震時に最もひずみが集中するスカラップ底に近い第１の円弧部５１でき裂が発生し、梁の材軸方向に進展することなく下フランジ２１に向かって進展する可能性がある。

そこで、本実施形態では、上記のように溝６を形成することによってき裂の発生および進展の方向を誘導し、き裂の進展による下フランジ２１の破断を防止する。溝６の下フランジ２１からの距離Ｈｅ、および第１の変曲点５１２の下フランジ２１からの距離ＨｃについてＨｃ≧Ｈｅとすることによって、溝６よりも下フランジ２１に近いスカラップ５の開口縁がすべて第１の円弧部５１になる。上述のように第１の円弧部５１におけるき裂の発生は抑制されているため、上記のような本実施形態の構成によって、スカラップ５の開口縁で発生したき裂の進展による下フランジ２１の破断を効果的に抑制することができる。

なお、溝６の幅については、上記の通りき裂の進展する方向を誘導できれば足りることから特に限定されず、例えば加工が可能な範囲で最小の幅にしてもよい。また、溝６の断面形状は、図２に示されたようなＵ字形には限定されず、例えばＶ字形であってもよい。溝６の下フランジ２１からの距離Ｈｅは、上述したように隅肉溶接部４２の止端４２１の下フランジ２１からの距離Ｈｆよりも低い範囲において、例えば第１の変曲点５１２の下フランジ２１からの距離Ｈｃの半分（１／２Ｈｃ）程度であってもよく、ウェブ２２の板厚程度であってもよく、さらに小さくてもよい。また、図２に示された例において溝６の深さ方向は下フランジ２１の上面２１２に平行であるが、他の例では溝６の深さ方向が上面２１２に対して傾いていてもよい。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態に係る接合構造を示す図であり、図４は図３のIV−IV線断面図である。図３および図４に示された接合構造１Ａは、Ｈ形断面梁２Ａと柱３との間に形成される。上記の第１の実施形態との相違として、本実施形態ではＨ形断面梁２Ａが圧延Ｈ形鋼であり、下フランジ２１とウェブ２２とは一体的に形成されている。下フランジ２１の上面２１２とウェブ２２の側面２２２との間には、圧延加工によってフィレット２３が形成される。フィレット２３は、ウェブとフランジとの間の連結部の例である。ここで、フィレット２３の上端、すなわちウェブ２２の板厚が下フランジ２１に向かって増大し始める位置を、本明細書では便宜的にフィレット２３の止端２３１という。

本実施形態では、フィレット２３の止端２３１よりも上方、つまり下フランジ２１とは反対側で、スカラップ５の開口縁から下フランジ２１に沿って延びる溝６Ａが形成される。溝６Ａは、ウェブ２２の欠落部である。溝６Ａの下フランジ２１からの距離Ｈｅ、およびフィレット２３の止端２３１の下フランジ２１からの距離Ｈｆについて、Ｈｆ＞Ｈｅである。このような溝６Ａを形成することによって、溝６Ａでき裂が発生し、き裂の進展は溝６Ａに沿った方向に誘導され、下フランジ２１には向かわない。従って、本実施形態でも、上記の第１の実施形態と同様に下フランジ２１の破断を防止できる。

ここで、本実施形態でも、スカラップ５は第１の実施形態と同様に形成され、スカラップ５の開口縁の第１の円弧部５１の曲率半径Ｒ１は第２の円弧部５２の曲率半径Ｒ２よりも大きい（Ｒ１＞Ｒ２）。ただし、第１の実施形態とは異なり、スカラップ５の開口縁における第１の変曲点５１２の下フランジ２１からの距離Ｈｃ、溝６Ａの下フランジ２１からの距離Ｈｅ、およびフィレット２３の止端２３１の下フランジ２１からの距離Ｈｆについて、Ｈｃ＞Ｈｅ＞Ｈｆである。従って、本実施形態では、溝６Ａの下フランジ２１からの距離Ｈｅ、および第１の変曲点５１２の下フランジ２１からの距離ＨｃについてＨｃ≧Ｈｅとすることによって、スカラップ５の開口縁の第１の円弧部５１で発生するき裂を専ら溝６Ａからのものにし、き裂の進展を下フランジ２１に向かわない方向に誘導する。これによって、結果的には第１の実施形態と同様に、スカラップ５の開口縁で発生したき裂の進展による下フランジ２１の破断を効果的に抑制することができる。

なお、溝６Ａの幅、断面形状、および深さ方向については、上記の第１の実施形態と同様の構成が可能であるが、第１の実施形態の隅肉溶接部４２よりも厚さが小さいウェブ２２に溝６Ａを形成するため、深さは小さくすることが好ましい。

上記の第２の実施形態のような圧延Ｈ形鋼でも、第１の実施形態と同様に、下フランジ２１からの距離Ｈｅがフィレット２３の止端２３１の下フランジからの距離Ｈｆに対してＨｆ＞Ｈｅとなるような溝６を形成してもよい。この場合、溝６はフィレット２３の欠落部であり、溝６の効果は第１の実施形態と同様である。また、第１の実施形態のような組立Ｈ形鋼でも、第２の実施形態と同様に、下フランジ２１からの距離Ｈｅが隅肉溶接部４２の止端４２１の下フランジからの距離Ｈｆに対してＨｅ＞Ｈｆとなるような溝６Ａを形成してもよい。この場合、溝６Ａはウェブ２２の欠落部であり、溝６Ａの効果は第２の実施形態と同様である。

（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態に係る接合構造を示す図であり、図６は図５のVI−VI線断面図である。図１および図２に示された接合構造１Ｂは、Ｈ形断面梁２と、柱３との間に形成される。なお、上記の第１の実施形態で説明した溝６に代えて以下で説明する切取部７が形成される点を除いて、本実施形態の構成は上記の第１の実施形態と同様であるため、重複した詳細な説明は省略する。

本実施形態では、スカラップ５の開口端に面する隅肉溶接部４２が、ウェブ２２側の止端４２１からウェブ２２の側面２２２に沿って切り取られた切取部７が形成される。図示された例において、切取部７の側面７１はウェブ２２の側面２２２に連続しており、従って切取部７が形成された範囲ではウェブ２２の板厚が変化しない。一方、切取部７の底面７２は下フランジ２１からの距離Ｈｅの位置に形成され、これよりも下フランジ２１に近い範囲では隅肉溶接部４２がそのまま残されている。底面７２は、下フランジ２１に沿って延びる。なお、図示された例では、底面７２が下フランジ２１の上面２１２に平行であるが、他の例では底面７２が上面２１２に対して傾いていてもよい。

上記のような切取部７を形成することによって、例えば、切取部７の底面７２よりも上方のスカラップ５の開口縁、具体的には第１の円弧部５１で発生したき裂が下フランジ２１に向かって進展しても、切取部７の底面７２に到達したき裂の進展は形状変化点である底面７２に沿った方向に誘導され、下フランジ２１には向かわない。従って、本実施形態でも、上記の第１の実施形態と同様にき裂の進展による下フランジ２１の破断を防止できる。

ここで、本実施形態でも、スカラップ５は第１の実施形態と同様に形成され、スカラップ５の開口縁の第１の円弧部５１の曲率半径Ｒ１は第２の円弧部５２の曲率半径Ｒ２よりも大きい（Ｒ１＞Ｒ２）。本実施形態では、本来の隅肉溶接部４２の止端４２１がスカラップ５の開口縁の近傍で切り取られているため、専ら切取部７の底面７２によってき裂の発生および進展を誘導する。具体的には、切取部７の底面７２の下フランジ２１からの距離Ｈｅ、およびスカラップ５の開口縁の第１の変曲点５１２の下フランジ２１からの距離ＨｃについてＨｃ≧Ｈｅとすることによって、スカラップ５の開口縁の第１の円弧部５１で発生したき裂を専ら切取部７の底面７２によって下フランジ２１に向かわない方向に誘導する。これによって、結果的には第１の実施形態と同様に、スカラップ５の開口縁で発生したき裂の進展による下フランジ２１の破断を効果的に抑制することができる。

上記の第２の実施形態のような圧延Ｈ形鋼でも、第３の実施形態と同様にフィレット２３がウェブ２２の側面２２２に沿って切り取られた切取部７を形成してもよい。

なお、上記の各実施形態では、Ｈ形断面梁２，２Ａに形成されるスカラップ５の開口縁が第１の円弧部５１、第２の円弧部５２および直線部５３を含む例について説明したが、本発明の実施形態はこのような例には限られない。例えば、スカラップの開口縁において、第２の円弧部５２がウェブ２２の端面２２１まで続いて直線部が形成されなくてもよい。また、スカラップの開口縁が単一の曲率の円弧部と直線部とによって構成されてもよい。これらの場合においても、例えば上記の各実施形態のような溝６または切取部７を形成することによって、溝６、または切取部７の底面７２よりも上方のスカラップの開口縁で発生したき裂が進展する方向をＨ形断面梁の材軸方向に誘導し、き裂による下フランジ２１の破断を効果的に抑制することができる。

また、上記の各実施形態では、Ｈ形断面梁２，２Ａのウェブ２２の両側に溝６または切取部７が形成されたが、溝６または切取部７はウェブ２２の片側のみに形成されてもよい。き裂はウェブ２２を貫通して発生するため、ウェブ２２の片側に形状変化点である溝６または切取部７が形成されていれば、き裂の進展する方向は溝６または切取部７に沿って誘導される。また、上記の各実施形態では、Ｈ形断面梁２，２Ａの下フランジ２１に接するウェブ２２の一部分を切り欠いたスカラップ５の開口縁から溝６または切取部７を形成する例について説明したが、上フランジに接するウェブの一部分を切り欠いたスカラップの開口縁から同様の溝または切取部を形成してもよい。また、既に入ったき裂の進展する方向を誘導するためには、溝または切取部が必ずしもスカラップの開口縁から形成されなくてもよく、その近傍、すなわち開口縁からわずかに離れた位置から溝または切取部が形成されてもよい。

（参考例）
図７は参考例に係る接合構造を示す図であり、図８は図７のVIII−VIII線断面図である。図７および図８に示された接合構造１Ｚは、Ｈ形断面梁２Ｂと柱３との間に形成される。Ｈ形断面梁２Ｂは、上記の第１の実施形態と同様に組立Ｈ形鋼であり、下フランジ２１とウェブ２２とは隅肉溶接部４２Ａを介して互いに接合される。第１の実施形態との相違として、本例では、スカラップ５の開口縁における第１の変曲点５１２の下フランジ２１からの距離Ｈｃ、および隅肉溶接部４２Ａの止端４２１Ａの下フランジ２１からの距離Ｈｆについて、Ｈｃ＞Ｈｆである。つまり、本例では、スカラップ５の開口縁において、第１の円弧部５１が隅肉溶接部４２Ａと止端４２１Ａを越えたウェブ２２の側面２２２とにまたがって形成される一方で、第２の円弧部５２は全体が止端４２１Ａを越えたウェブ２２の側面２２２に形成される。

従って、上記の例では、形状変化点である止端４２１Ａでき裂が発生して止端４２１Ａに沿ってＨ形断面梁２Ｂの材軸方向に誘導される。このため、上記の例では、例えば本発明の第１の実施形態において説明したような溝や第３の実施形態で説明したような切取部を形成しなくてもよい。ただし、例えばウェブ２２の板厚が厚いと、図１および図２に示した例のように隅肉溶接部４２の止端４２１の下フランジ２１からの距離Ｈｆが大きくなる結果、Ｈｆ＜Ｈｃとすることが困難な場合がある。そのような場合には、上記の第１の実施形態で説明したような溝６、または第３の実施形態で説明したような切取部７を形成することによって、効果的にスカラップ５の開口縁に発生するき裂による下フランジ２１の破断を防止することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１，１Ａ，１Ｂ…接合構造、２，２Ａ…Ｈ形断面梁、２１…下フランジ、２２…ウェブ、２３…フィレット、２３１…止端、３…柱、３１…ダイアフラム、３２…側面、４１…溶接部、４２…隅肉溶接部、４２１…止端、５…スカラップ、５１…第１の円弧部、５１２…第１の変曲点、５２…第２の円弧部、５２１…第２の変曲点、５３…直線部、６，６Ａ…溝、７…切取部、７１…側面、７２…底面。

Claims (8)

1. ウェブ、フランジ、および前記ウェブと前記フランジとの間の連結部を有するＨ形断面梁を柱に接合する接合構造であって、
   前記柱に接合される前記Ｈ形断面梁の材軸方向の端部では、前記フランジに接する前記ウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、前記スカラップの開口縁またはその近傍から前記フランジに沿って延びる前記ウェブまたは前記連結部の欠落部が形成される接合構造。
2. 前記スカラップの開口縁は、前記フランジに近い側に形成される第１の円弧部と、前記フランジから遠い側に形成される第２の円弧部とを含み、前記第１の円弧部の曲率半径は前記第２の円弧部の曲率半径よりも大きく、前記第１の円弧部と前記第２の円弧部とは第１の変曲点において接続され、
   前記欠落部の前記フランジからの距離Ｈｅおよび前記第１の変曲点の前記フランジからの距離Ｈｃについて、Ｈｃ≧Ｈｅである、請求項１に記載の接合構造。
3. 前記欠落部は、前記ウェブまたは前記連結部に形成される溝である、請求項１または請求項２に記載の接合構造。
4. 前記溝は、前記連結部の前記ウェブ側の止端よりも前記フランジ側に形成される、請求項３に記載の接合構造。
5. 前記欠落部は、前記連結部が前記ウェブ側の止端から前記ウェブの側面に沿って切り取られた切取部である、請求項１または請求項２に記載の接合構造。
6. 前記連結部は、隅肉溶接部である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の接合構造。
7. 前記連結部は、圧延加工によって形成されたフィレットである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の接合構造。
8. ウェブ、フランジ、および前記ウェブと前記フランジとの間の連結部を有するＨ形断面部材であって、
   前記Ｈ形断面部材の材軸方向の少なくとも一方の端部では、前記フランジに接する前記ウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、前記スカラップの開口縁またはその近傍から前記フランジに沿って延びる前記ウェブまたは前記連結部の欠落部が形成されるＨ形断面部材。

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