JP2021055464A - 床スラブ付き鉄骨梁およびその補強方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉄骨梁は長い場合であっても、横座屈による鉄骨梁の上フランジの構面外変形を拘束して十分な変形能力を確保できる床スラブ付き鉄骨梁およびその設計方法を提供する。【解決手段】本発明に係る床スラブ付き鉄骨梁１は、両端部が柱３に剛接合されたＨ形断面の鉄骨梁５と、頭付きスタッド１１を介して接合されたコンクリート床スラブ１３とを有し、鉄骨梁５は、15＜λw≦30、A＜λy（A:鉄骨梁５の全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁５の弱軸に関する細長比の上限を定める係数）であり、頭付きスタッド１１の本数が、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上であり、鉄骨梁５に接合された縦スチフナ１５が、鉄骨梁５の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ柱３に最も近い縦スチフナ１５と柱３との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けられている。【選択図】 図１
Description
本発明は、梁の上部にコンクリート床スラブが存在し、該コンクリート床スラブと梁が接合されている床スラブ付鉄骨梁およびその補強方法に関するものである。
鋼構造建物では地震時に横座屈と呼ばれる現象によって鉄骨梁が梁材軸直交方向に変形して、所定の耐力や変形能力を発揮しない恐れがあるため、通常、小梁又は孫梁を鉄骨梁間に配置して、鉄骨梁の材軸直交方向の移動を拘束することで横座屈を防止する。
その際、小梁又は孫梁に接合してあるアングル等の部材と鉄骨梁の下フランジとを接合することで、下フランジの構面外変形も拘束することが通例である。
その際、小梁又は孫梁に接合してあるアングル等の部材と鉄骨梁の下フランジとを接合することで、下フランジの構面外変形も拘束することが通例である。
鉄骨梁が頭付きスタッドを介してコンクリート床スラブと接合されている従来の形態を図９、図１０に示す。
従来の床スラブ付き鉄骨梁４１は、両端部が柱３に剛接合されたＨ形断面の鉄骨梁５と、鉄骨梁５の上部に頭付きスタッド１１を介して接合されたコンクリート床スラブ１３とを有するものであって、鉄骨梁５の側面にはガセットプレート４３が設けられ、小梁４５が鉄骨梁５の上部においてガセットプレート４３とボルト接合され、アングル４７が小梁４５の下部に設けたガセットプレート４９と鉄骨梁５の側面のガセットプレート４３の下部とに跨るように接合されている。これによって鉄骨梁５の横座屈による構面外変形が拘束される。また、コンクリート床スラブ１３にはコンクリート２３の内部に鉄筋２５が設けられている。
鉄骨梁５のウェブ１９は柱３に溶接接合されるか、柱３に溶接接合されたシヤプレート５１と高力ボルト接合される。
従来の床スラブ付き鉄骨梁４１は、両端部が柱３に剛接合されたＨ形断面の鉄骨梁５と、鉄骨梁５の上部に頭付きスタッド１１を介して接合されたコンクリート床スラブ１３とを有するものであって、鉄骨梁５の側面にはガセットプレート４３が設けられ、小梁４５が鉄骨梁５の上部においてガセットプレート４３とボルト接合され、アングル４７が小梁４５の下部に設けたガセットプレート４９と鉄骨梁５の側面のガセットプレート４３の下部とに跨るように接合されている。これによって鉄骨梁５の横座屈による構面外変形が拘束される。また、コンクリート床スラブ１３にはコンクリート２３の内部に鉄筋２５が設けられている。
鉄骨梁５のウェブ１９は柱３に溶接接合されるか、柱３に溶接接合されたシヤプレート５１と高力ボルト接合される。
昨今、非特許文献1に示すように、鉄骨梁が頭付きスタッドを介してコンクリート床スラブと接合されている場合、上フランジの構面外変形が拘束され、横座屈防止用の小梁、孫梁、アングルを省略できるという考え方が広まっている。
このような考えの下、特許文献１では、鉄骨梁に接合されているコンクリート床スラブのねじれ剛性を鉄骨梁のねじれ剛性の10倍とすることで横座屈補剛材がなくても横座屈を防止できる設計法が提案されている。
また、特許文献２では、コンクリート床スラブと接合された鉄骨梁の設計法および床構造を提案しており、コンクリート床スラブと接合された鉄骨梁の弾性横座屈モーメントＭeを用いて計算された横座屈細長比λbが0.5以下であれば、横座屈補剛部材がなくても十分な耐力が期待できることを示している。
このような考えの下、特許文献１では、鉄骨梁に接合されているコンクリート床スラブのねじれ剛性を鉄骨梁のねじれ剛性の10倍とすることで横座屈補剛材がなくても横座屈を防止できる設計法が提案されている。
また、特許文献２では、コンクリート床スラブと接合された鉄骨梁の設計法および床構造を提案しており、コンクリート床スラブと接合された鉄骨梁の弾性横座屈モーメントＭeを用いて計算された横座屈細長比λbが0.5以下であれば、横座屈補剛部材がなくても十分な耐力が期待できることを示している。
日本建築学会「各種合成構造設計指針・同解説，2010」
前述の通り、鉄骨梁５がコンクリート床スラブ１３と頭付きスタッド１１を介して接合されている場合、鉄骨梁５の上フランジ７の構面外変形が拘束されるため、横座屈防止用の小梁４５、孫梁、アングル４７を省略できる考え方が広まっている。
しかし、梁長さが長い場合は鉄骨梁５が頭付きスタッド１１を介してコンクリート床スラブ１３と接合されている場合でも、鉄骨梁５が横座屈によって十分な変形能力を発揮できない恐れがある。
しかし、梁長さが長い場合は鉄骨梁５が頭付きスタッド１１を介してコンクリート床スラブ１３と接合されている場合でも、鉄骨梁５が横座屈によって十分な変形能力を発揮できない恐れがある。
そのため、特許文献１、２に開示された設計法では、鉄骨梁が長すぎる場合などは適用範囲外となるよう横座屈細長比λbもしくは細長比λyの上限が規定されている。
すなわち、長尺の鉄骨梁では、特許文献２に記載の通り、梁長さが長いほど鉄骨梁の耐力が低くなり、コンクリート床スラブと接合されていても十分な耐力を発揮できず、それに伴い変形能力も不十分となる恐れがあるため、横座屈補剛部材の省略が難しい。
一方で、昨今の建築物では梁長さが20mを越えるような場合もあり、梁長さが長いものほど、従来の設計方法では必要とされる横座屈補剛部材数が多いため、横座屈補剛部材の省略によるメリットが大きいが、従来法では対応できないという課題がある。
すなわち、長尺の鉄骨梁では、特許文献２に記載の通り、梁長さが長いほど鉄骨梁の耐力が低くなり、コンクリート床スラブと接合されていても十分な耐力を発揮できず、それに伴い変形能力も不十分となる恐れがあるため、横座屈補剛部材の省略が難しい。
一方で、昨今の建築物では梁長さが20mを越えるような場合もあり、梁長さが長いものほど、従来の設計方法では必要とされる横座屈補剛部材数が多いため、横座屈補剛部材の省略によるメリットが大きいが、従来法では対応できないという課題がある。
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、鉄骨梁が長い場合であっても、横座屈防止用の小梁、孫梁等を設けることなく、横座屈による鉄骨梁の上フランジの構面外変形を拘束して十分な変形能力を確保できる床スラブ付き鉄骨梁およびその設計方法を提供することを目的としている。
（１）本発明に係る床スラブ付き鉄骨梁は、両端部が柱に剛接合されると共に横座屈補剛部材が設けられていないＨ形断面の鉄骨梁と、該鉄骨梁の上フランジの全長に亘って設けられた頭付きスタッドを介して接合されたコンクリート床スラブとを有するものであって、
前記鉄骨梁は、梁長さと上下フランジの板厚中心間距離の比であるλwが15＜λw≦30で、前記鉄骨梁の弱軸に関する細長比λyがA＜λyであり、
前記頭付きスタッドの本数が、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上とし、
前記鉄骨梁の上下フランジを繋ぐように接合された縦スチフナが、前記鉄骨梁の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ前記柱に最も近い前記縦スチフナと前記柱との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けられていることを特徴とするものである。
ただし、Aは、鉄骨梁全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。例えば、鉄骨梁５に用いられる鋼材が400N級鋼の場合は170、490N級鋼の場合は130、520N級鋼の場合は120、550N級鋼の場合は110である。
前記鉄骨梁は、梁長さと上下フランジの板厚中心間距離の比であるλwが15＜λw≦30で、前記鉄骨梁の弱軸に関する細長比λyがA＜λyであり、
前記頭付きスタッドの本数が、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上とし、
前記鉄骨梁の上下フランジを繋ぐように接合された縦スチフナが、前記鉄骨梁の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ前記柱に最も近い前記縦スチフナと前記柱との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けられていることを特徴とするものである。
ただし、Aは、鉄骨梁全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。例えば、鉄骨梁５に用いられる鋼材が400N級鋼の場合は170、490N級鋼の場合は130、520N級鋼の場合は120、550N級鋼の場合は110である。
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記縦スチフナは、板厚が前記鉄骨梁のウェブ板厚の0.5倍以上であり、かつ用いられている鋼材の設計基準強度が前記鉄骨梁に用いられている鋼材の設計基準強度より低く設定され、
かつ、前記鉄骨梁は、全塑性モーメントＭｐと下式によって与えられる弾性横座屈モーメントＭｅの比の平方根√（Ｍｐ/Ｍｅ）で与えられる前記鉄骨梁の横座屈細長比λｂ＝√（Ｍｐ/Ｍｅ）が、0.5＜λb≦0.54を満足することを特徴とするものである。
かつ、前記鉄骨梁は、全塑性モーメントＭｐと下式によって与えられる弾性横座屈モーメントＭｅの比の平方根√（Ｍｐ/Ｍｅ）で与えられる前記鉄骨梁の横座屈細長比λｂ＝√（Ｍｐ/Ｍｅ）が、0.5＜λb≦0.54を満足することを特徴とするものである。
（３）本発明に係る床スラブ付き鉄骨梁の補強方法は、両端部が柱に剛接合されると共に横座屈補剛部材が設けられていないＨ形断面の鉄骨梁と、該鉄骨梁の上フランジの全長に亘って設けられた頭付きスタッドを介して接合されたコンクリート床スラブとを有する床スラブ付き鉄骨梁であって、
前記鉄骨梁は、梁長さと上下フランジの板厚中心間距離の比であるλwが15＜λw≦30で、前記鉄骨梁の弱軸に関する細長比λyがA＜λyであり、
前記頭付きスタッドの本数が、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上である床スラブ付き鉄骨梁の補強方法であって、
前記鉄骨梁の上下フランジを繋ぐように縦スチフナを設け、かつ該縦スチフナを、前記鉄骨梁の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ前記柱に最も近い前記縦スチフナと前記柱との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けることを特徴とするものである。
ただし、Aは鉄骨梁全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。例えば、鉄骨梁５に用いられる鋼材が400N級鋼の場合は170、490N級鋼の場合は130、520N級鋼の場合は120、550N級鋼の場合は110である。
前記鉄骨梁は、梁長さと上下フランジの板厚中心間距離の比であるλwが15＜λw≦30で、前記鉄骨梁の弱軸に関する細長比λyがA＜λyであり、
前記頭付きスタッドの本数が、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上である床スラブ付き鉄骨梁の補強方法であって、
前記鉄骨梁の上下フランジを繋ぐように縦スチフナを設け、かつ該縦スチフナを、前記鉄骨梁の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ前記柱に最も近い前記縦スチフナと前記柱との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けることを特徴とするものである。
ただし、Aは鉄骨梁全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。例えば、鉄骨梁５に用いられる鋼材が400N級鋼の場合は170、490N級鋼の場合は130、520N級鋼の場合は120、550N級鋼の場合は110である。
本発明によれば、梁長さが長い鉄骨梁においても、頭付きスタッドを介してコンクリート床スラブと接合すると共に縦スチフナを設けることで、横座屈防止用の小梁、孫梁、アングルを省略しても、地震時に十分な変形能力を発揮することができる。
本実施の形態に係る床スラブ付き鉄骨梁を図１、図２に基づいて説明する。なお、図１、図２において、従来例を示した図９、図１０と同一部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態に係る床スラブ付き鉄骨梁１は、両端部が柱３に剛接合されると共に横座屈補剛部材が設けられていないＨ形断面の鉄骨梁５と、鉄骨梁５の上フランジ７の全長に亘って設けられた頭付きスタッド１１を介して接合されたコンクリート床スラブ１３とを有する床スラブ付き鉄骨梁１であって、鉄骨梁５の上フランジ７および下フランジ９を繋ぐように縦スチフナ１５が設けられている。
以下、各構成を詳細に説明する。
本実施の形態に係る床スラブ付き鉄骨梁１は、両端部が柱３に剛接合されると共に横座屈補剛部材が設けられていないＨ形断面の鉄骨梁５と、鉄骨梁５の上フランジ７の全長に亘って設けられた頭付きスタッド１１を介して接合されたコンクリート床スラブ１３とを有する床スラブ付き鉄骨梁１であって、鉄骨梁５の上フランジ７および下フランジ９を繋ぐように縦スチフナ１５が設けられている。
以下、各構成を詳細に説明する。
＜柱＞
柱３の種類は特に限定されないが、例えば溶接組立箱形断面柱、角形鋼管柱、Ｈ形断面柱、ＣＦＴ柱、ＲＣ柱、ＳＲＣ柱などが該当する。
柱３には、鉄骨梁５の上下フランジ７、９から伝達される力を柱３に伝達するためにダイアフラム１７という鋼板が設けられる。ダイアフラム１７には、柱３との接合形式によって、通しダイアフラム形式、内ダイアフラム形式、外ダイアフラム形式に分けられる。
柱３の種類は特に限定されないが、例えば溶接組立箱形断面柱、角形鋼管柱、Ｈ形断面柱、ＣＦＴ柱、ＲＣ柱、ＳＲＣ柱などが該当する。
柱３には、鉄骨梁５の上下フランジ７、９から伝達される力を柱３に伝達するためにダイアフラム１７という鋼板が設けられる。ダイアフラム１７には、柱３との接合形式によって、通しダイアフラム形式、内ダイアフラム形式、外ダイアフラム形式に分けられる。
＜鉄骨梁＞
鉄骨梁５は、Ｈ形断面を有し、設計基準強度で235N/mm2以上、440N/mm2以下の鋼材で構成されている。設計基準強度440N/mm2越えの鋼材については、高強度ゆえに伸びが小さく、地震時の変形能力に乏しくなるため、梁には不適である。鉄骨梁のサイズとしてはJIS G3192記載の小断面のH形鋼や最大梁せい1000mmの外法一定H形鋼、さらには溶接組立H形断面部材で梁せい1000mmを越えるような大断面のものが該当する。この中でも梁せいが1000mmを越えるような大断面部材や、設計基準強度355N/mm2以上の高強度鋼によるH形断面部材では、下フランジの構面外変形を抑えるためのアングル47等の補剛部材が必要となることが多い。
本実施の形態の鉄骨梁５は、図９、図１０に示した従来例のように、構面外変形を拘束することを目的とした小梁４５やアングル４７は設けられていない。
鉄骨梁５は、Ｈ形断面を有し、設計基準強度で235N/mm2以上、440N/mm2以下の鋼材で構成されている。設計基準強度440N/mm2越えの鋼材については、高強度ゆえに伸びが小さく、地震時の変形能力に乏しくなるため、梁には不適である。鉄骨梁のサイズとしてはJIS G3192記載の小断面のH形鋼や最大梁せい1000mmの外法一定H形鋼、さらには溶接組立H形断面部材で梁せい1000mmを越えるような大断面のものが該当する。この中でも梁せいが1000mmを越えるような大断面部材や、設計基準強度355N/mm2以上の高強度鋼によるH形断面部材では、下フランジの構面外変形を抑えるためのアングル47等の補剛部材が必要となることが多い。
本実施の形態の鉄骨梁５は、図９、図１０に示した従来例のように、構面外変形を拘束することを目的とした小梁４５やアングル４７は設けられていない。
鉄骨梁５は、梁長さと上下フランジ７、９の板厚中心間距離の比であるλwが15＜λw≦30で、鉄骨梁５の弱軸に関する細長比λyがA＜λyである。
ただし、Aは、鉄骨梁５全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁５の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。例えば、鉄骨梁５に用いられる鋼材が400N級鋼の場合は170、490N級鋼の場合は130、520N級鋼の場合は120、550N級鋼の場合は110である。
ただし、Aは、鉄骨梁５全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁５の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。例えば、鉄骨梁５に用いられる鋼材が400N級鋼の場合は170、490N級鋼の場合は130、520N級鋼の場合は120、550N級鋼の場合は110である。
λw及びλyを上記のように規定した理由は以下の通りである。
横座屈補剛が不要な鉄骨梁５や、梁長さがあまり長くなく、コンクリート床スラブ１３によって上フランジ７の構面外変形が拘束されれば小梁４５やアングル４７を省略しても十分な変形能力が発揮される床スラブ付き鉄骨梁１を、本発明の対象から外すためである。
横座屈補剛が不要な鉄骨梁５や、梁長さがあまり長くなく、コンクリート床スラブ１３によって上フランジ７の構面外変形が拘束されれば小梁４５やアングル４７を省略しても十分な変形能力が発揮される床スラブ付き鉄骨梁１を、本発明の対象から外すためである。
鉄骨梁５の両端部は柱３に剛接合されるが、この場合、鉄骨梁５の上下フランジ７、９は柱３もしくは柱３に設けられたダイアフラム１７と溶接接合される。上下フランジ７、９がダイアフラム１７と接合される場合、ダイアフラム１７の形式によって、以下のような態様で接合される。
内ダイアフラム形式では柱３の内部にダイアフラム１７が設けられるため、鉄骨梁５の上下フランジ７、９は柱３に接合される。通しダイアフラム形式と外ダイアフラム形式では、鉄骨梁５の上下フランジ７、９はダイアフラム１７に溶接接合される。
鉄骨梁５のウェブ１９は柱３に溶接接合されたシヤプレート５１と高力ボルト接合されるか、あるいは柱３に溶接接合される。
鉄骨梁５のウェブ１９は柱３に溶接接合されたシヤプレート５１と高力ボルト接合されるか、あるいは柱３に溶接接合される。
鉄骨梁５の上フランジ７にはコンクリート打設用のデッキプレート２１が溶接接合され、その上にコンクリート床スラブ１３が設けられる。
デッキプレート２１には捨て型枠用のフラットデッキ、コンクリートと一体となって挙動する波形の合成デッキ、鉄筋が溶接された鉄筋トラス付き捨て型枠デッキなどがある。
デッキプレート２１には捨て型枠用のフラットデッキ、コンクリートと一体となって挙動する波形の合成デッキ、鉄筋が溶接された鉄筋トラス付き捨て型枠デッキなどがある。
＜コンクリート床スラブ＞
コンクリート床スラブ１３はコンクリート２３の内部に鉄筋２５が配設された鉄筋コンクリート構造である。コンクリート２３には普通コンクリート、軽量コンクリートが用いられ、鉄筋２５には異形鉄筋、丸鋼鉄筋、溶接金網が用いられる。また工場で製作したプレキャストコンクリート板を現場で兼用型枠として用いるハーフPCスラブや、中空部を含むボイドスラブも該当する。
コンクリート床スラブ１３はコンクリート２３の内部に鉄筋２５が配設された鉄筋コンクリート構造である。コンクリート２３には普通コンクリート、軽量コンクリートが用いられ、鉄筋２５には異形鉄筋、丸鋼鉄筋、溶接金網が用いられる。また工場で製作したプレキャストコンクリート板を現場で兼用型枠として用いるハーフPCスラブや、中空部を含むボイドスラブも該当する。
＜頭付きスタッド＞
頭付きスタッド１１は、鉄骨梁５の上フランジ７の全長に亘って溶接接合されており、その本数は、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上の本数である。
頭付きスタッド１１の本数をこのように設定することで、横座屈補剛部材がない場合でも鉄骨梁５の変形能力改善効果が期待できる。なお、この点は、後述の実施例２において実証している。
頭付きスタッド１１は、鉄骨梁５の上フランジ７の全長に亘って溶接接合されており、その本数は、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上の本数である。
頭付きスタッド１１の本数をこのように設定することで、横座屈補剛部材がない場合でも鉄骨梁５の変形能力改善効果が期待できる。なお、この点は、後述の実施例２において実証している。
頭付きスタッド１１は、十分な耐力が期待できる、軸部の直径が16mm以上で、高さが床スラブの厚さの0.5倍以上のものが望ましい。頭付きスタッド１１の配置形状は1列配置、２列以上の複数列配置、千鳥配置などが挙げられる。
＜縦スチフナ＞
縦スチフナ１５は、鉄骨梁５の上下フランジ７、９を繋ぐように鉄骨梁５に溶接接合されている。そして、縦スチフナ１５は、鉄骨梁５の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ柱３に最も近い縦スチフナ１５と前記柱３との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けられている。
縦スチフナ１５をこのように設けることで、横座屈補剛部材がない場合でも鉄骨梁５の変形能力改善効果が期待できる。なお、この点は、後述の実施例１において実証している。
縦スチフナ１５は、鉄骨梁５の上下フランジ７、９を繋ぐように鉄骨梁５に溶接接合されている。そして、縦スチフナ１５は、鉄骨梁５の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ柱３に最も近い縦スチフナ１５と前記柱３との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けられている。
縦スチフナ１５をこのように設けることで、横座屈補剛部材がない場合でも鉄骨梁５の変形能力改善効果が期待できる。なお、この点は、後述の実施例１において実証している。
縦スチフナ１５の板厚は、鉄骨梁５のウェブ板厚の0.5倍以上にするのが望ましい。縦スチフナ１５の板厚をこのようにすることで、鉄骨梁５の変形能力を確保することができる。
また、縦スチフナ１５をコンクリート床スラブ１３支持用の小梁と接合するためのガセットプレートと兼用することも可能である。コンクリート床スラブとの接合を考慮することで横座屈防止用の小梁、孫梁、アングルを省略できたとしても、床スラブのたわみの抑制のために、小梁が設けられる場合がある。このような小梁は、従来の横座屈防止用の小梁と異なり、大梁の下フランジの構面外変形を抑えるためのアングル等はなく、また鉛直荷重さえ支持できればよいので、断面が横座屈補剛用の小梁より小さかったり、接合部のボルト本数が少なくなったりすることがある。
また、縦スチフナ１５をコンクリート床スラブ１３支持用の小梁と接合するためのガセットプレートと兼用することも可能である。コンクリート床スラブとの接合を考慮することで横座屈防止用の小梁、孫梁、アングルを省略できたとしても、床スラブのたわみの抑制のために、小梁が設けられる場合がある。このような小梁は、従来の横座屈防止用の小梁と異なり、大梁の下フランジの構面外変形を抑えるためのアングル等はなく、また鉛直荷重さえ支持できればよいので、断面が横座屈補剛用の小梁より小さかったり、接合部のボルト本数が少なくなったりすることがある。
上記のように構成された本実施の形態の床スラブ付き鉄骨梁１であれば、鉄骨梁５は長い場合で、小梁４５やアングル４７等の横座屈補剛部材がない場合であっても、横座屈による鉄骨梁５の上フランジ７の構面外変形を拘束して十分な変形能力を確保できる。
なお、特許文献２においては、鉄骨梁５が、全塑性モーメントＭｐと下式によって与えられる弾性横座屈モーメントＭｅの比の平方根√（Ｍｐ/Ｍｅ）で与えられる鉄骨梁５の横座屈細長比λｂ＝√（Ｍｐ/Ｍｅ）が、λb≦0.5であれば、鉄骨梁５の耐力がＭｐを十分上回ることが示されている。
すなわち、横座屈細長比λｂ≦0.5であれば、地震力に対して横座屈補剛材を取り付けずに鉄骨梁５の横座屈を防止することができることが示されている。換言すれば、横座屈細長比λｂ≦0.5を満たす鉄骨梁５であれば、本願発明で規定した頭付きスタッド１１の本数や縦スチフナ１５の配置の要件を満たす必要がなく、本願発明を適用する有利性がないと言える。
この意味から、本願発明の有利性が得られる鉄骨梁５としては、横座屈細長比λｂが0.5を超えるものである。
したがって、横座屈細長比λｂが、0.5＜λb≦0.54の鉄骨梁５であれば、本発明を適用することで、本発明の効果が十二分に期待できる。
この意味から、本願発明の有利性が得られる鉄骨梁５としては、横座屈細長比λｂが0.5を超えるものである。
したがって、横座屈細長比λｂが、0.5＜λb≦0.54の鉄骨梁５であれば、本発明を適用することで、本発明の効果が十二分に期待できる。
なお、横座屈細長比λｂを0.54以下にした理由は以下の通りである。横座屈細長比λｂが0.54以を超えるような鉄骨梁には、梁長さが実構造では用いられないほど長い梁や、梁長さが長く、かつ梁ウェブの板厚も薄い梁が該当する。前者は記載の通り実構造では用いられない梁であり、後者は局部座屈等の横座屈以外の問題が生じる可能性が高い。上記の理由から横座屈細長比λｂの上限を0.54とした。
本発明における縦スチフナ１５の効果を確認するために図３に示す解析モデル２７を用いてFEM解析を実施したので、以下説明する。
図３の解析モデル２７は床スラブによる上フランジ７の構面外変形拘束効果を、上フランジ７の境界条件として考慮した簡易モデルである。
解析ケースは、以下に示す４ケースであり、いずれも両端が柱３と剛接合されていることを想定して材端の梁断面を剛面とした。
図３の解析モデル２７は床スラブによる上フランジ７の構面外変形拘束効果を、上フランジ７の境界条件として考慮した簡易モデルである。
解析ケースは、以下に示す４ケースであり、いずれも両端が柱３と剛接合されていることを想定して材端の梁断面を剛面とした。
・ケース１：基本ケースとして、縦スチフナ１５無しのもの
・ケース２：梁端から0.125L（L:鉄骨梁５の長さ）の位置にのみ縦スチフナ１５を設けたもの
・ケース３：梁端から0.125Lの位置と、0.15Lのピッチで梁全長にわたって縦スチフナ１５を設けたもの
・ケース４：梁端から0.1Lの位置と、0.2Lのピッチで梁全長にわたって縦スチフナ１５を設けたもの
・ケース２：梁端から0.125L（L:鉄骨梁５の長さ）の位置にのみ縦スチフナ１５を設けたもの
・ケース３：梁端から0.125Lの位置と、0.15Lのピッチで梁全長にわたって縦スチフナ１５を設けたもの
・ケース４：梁端から0.1Lの位置と、0.2Lのピッチで梁全長にわたって縦スチフナ１５を設けたもの
梁の形状はいずれもH-350x125x6x12、λw=25.7、λy=310、λb=0.53で、材料特性は490N級鋼想定とした。縦スチフナ１５は板厚6mmで、400N級鋼想定の材料特性とした。
梁、縦スチフナ１５ともにシェル要素でモデル化した。解析では地震荷重時の逆対称曲げモーメント分布となるよう梁材端に曲げモーメントを与えた。
梁、縦スチフナ１５ともにシェル要素でモデル化した。解析では地震荷重時の逆対称曲げモーメント分布となるよう梁材端に曲げモーメントを与えた。
解析結果を図４、図５に示す。図４は負曲げ側の梁の最大耐力（Ｍmax）を全塑性モーメント(Ｍp)で基準化したもの、図５は負曲げ側の梁の最大耐力時の塑性変形倍率（Ｒmax）を示す。
図４に示すように、ケース２〜４は縦スチフナ１５の効果によって縦スチフナ１５を設けていないケース１より最大耐力が上昇している。
しかし、縦スチフナ１５を端部にのみ配置したケース２の塑性変形倍率は、図５に示すように、ケース１と同程度であり、耐力は上昇したものの変形能力は向上していない。それに比べて、ケース３、４では耐力、変形能力ともにケース１よりも向上している。そして、梁端に最も近い縦スチフナ１５の位置が、より梁端に近いケース４の方がケース３よりも耐力は大きくなった。
よって、梁全長にわたって縦スチフナ１５で補強することで、床スラブ付き鉄骨梁１の耐力と変形能力を改善できることを確認した。
図４に示すように、ケース２〜４は縦スチフナ１５の効果によって縦スチフナ１５を設けていないケース１より最大耐力が上昇している。
しかし、縦スチフナ１５を端部にのみ配置したケース２の塑性変形倍率は、図５に示すように、ケース１と同程度であり、耐力は上昇したものの変形能力は向上していない。それに比べて、ケース３、４では耐力、変形能力ともにケース１よりも向上している。そして、梁端に最も近い縦スチフナ１５の位置が、より梁端に近いケース４の方がケース３よりも耐力は大きくなった。
よって、梁全長にわたって縦スチフナ１５で補強することで、床スラブ付き鉄骨梁１の耐力と変形能力を改善できることを確認した。
続いて本発明における頭付きスタッド１１の本数の効果を確認するために、図６に示す解析モデル２９を用いて合成率をパラメータとしたFEM解析を実施したので、以下説明する。
解析では柱３、ダイアフラム１７、鉄骨梁５をシェルモデルで、コンクリート床スラブ１３を梁要素で、頭付きスタッド１１をバネ要素で詳細にモデル化した。
頭付きスタッド１１接合部は、頭付きスタッド1本分の耐力と剛性を考慮したせん断バネ、回転バネでモデル化した。
解析では柱３、ダイアフラム１７、鉄骨梁５をシェルモデルで、コンクリート床スラブ１３を梁要素で、頭付きスタッド１１をバネ要素で詳細にモデル化した。
頭付きスタッド１１接合部は、頭付きスタッド1本分の耐力と剛性を考慮したせん断バネ、回転バネでモデル化した。
鉄骨梁５はH-1000x350x19x36、λw=21.6、λy=268、λb=0.53で、材料特性は550N級鋼想定（YS=385N/mm2）とした。縦スチフナ１５は一般的に用いられる400N級鋼想定（YS=235N/mm2）とした。
解析ケースは３ケースで、合成率は1.0、2.5、4.7とした。図７、図８に解析結果を示す。図７は負曲げ側の梁の最大耐力（Ｍmax）を全塑性モーメント(Ｍp)で基準化したもの、図８は負曲げ側の梁の最大耐力時の塑性変形倍率(Ｒmax)を示す。
解析ケースは３ケースで、合成率は1.0、2.5、4.7とした。図７、図８に解析結果を示す。図７は負曲げ側の梁の最大耐力（Ｍmax）を全塑性モーメント(Ｍp)で基準化したもの、図８は負曲げ側の梁の最大耐力時の塑性変形倍率(Ｒmax)を示す。
合成率を上げることで耐力及び変形能力ともに上昇した。合成率2.5と4.7のケースの最大耐力の差よりも、合成率1.0と2.5のケースの最大耐力の差の方が大きく、合成率を大きくする効果は収束していく傾向がうかがえる。
本解析の結果、合成率2.0あれば十分な耐力、変形能力改善効果が得られると考えられる。この結果から、頭付きスタッド１１の本数を、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上にすることが有効であることが示された。
本解析の結果、合成率2.0あれば十分な耐力、変形能力改善効果が得られると考えられる。この結果から、頭付きスタッド１１の本数を、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上にすることが有効であることが示された。
１ 床スラブ付き鉄骨梁
３ 柱
５ 鉄骨梁
７ 上フランジ
９ 下フランジ
１１ 頭付きスタッド
１３ コンクリート床スラブ
１５ 縦スチフナ
１７ ダイアフラム
１９ ウェブ
２１ デッキプレート
２３ コンクリート
２５ 鉄筋
＜従来例＞
４１ 床スラブ付き鉄骨梁
４３ ガセットプレート
４５ 小梁
４７ アングル
４９ ガセットプレート
５１ シヤプレート
３ 柱
５ 鉄骨梁
７ 上フランジ
９ 下フランジ
１１ 頭付きスタッド
１３ コンクリート床スラブ
１５ 縦スチフナ
１７ ダイアフラム
１９ ウェブ
２１ デッキプレート
２３ コンクリート
２５ 鉄筋
＜従来例＞
４１ 床スラブ付き鉄骨梁
４３ ガセットプレート
４５ 小梁
４７ アングル
４９ ガセットプレート
５１ シヤプレート
Claims (3)
- 両端部が柱に剛接合されると共に横座屈補剛部材が設けられていないＨ形断面の鉄骨梁と、該鉄骨梁の上フランジの全長に亘って設けられた頭付きスタッドを介して接合されたコンクリート床スラブとを有する床スラブ付き鉄骨梁であって、
前記鉄骨梁は、梁長さと上下フランジの板厚中心間距離の比であるλwが15＜λw≦30で、前記鉄骨梁の弱軸に関する細長比λyがA＜λyであり、
前記頭付きスタッドの本数が、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上とし、
前記鉄骨梁の上下フランジを繋ぐように接合された縦スチフナが、前記鉄骨梁の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ前記柱に最も近い前記縦スチフナと前記柱との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けられていることを特徴とする床スラブ付き鉄骨梁。
ただし、Aは、鉄骨梁全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。 - 前記縦スチフナは、板厚が前記鉄骨梁のウェブ板厚の0.5倍以上であり、かつ用いられている鋼材の設計基準強度が前記鉄骨梁に用いられている鋼材の設計基準強度より低く設定され、
かつ、前記鉄骨梁は、全塑性モーメントＭｐと下式によって与えられる弾性横座屈モーメントＭｅの比の平方根√（Ｍｐ/Ｍｅ）で与えられる前記鉄骨梁の横座屈細長比λｂ＝√（Ｍｐ/Ｍｅ）が、0.5＜λb≦0.54を満足することを特徴とする請求項１記載の床スラブ付き鉄骨梁。
- 両端部が柱に剛接合されると共に横座屈補剛部材が設けられていないＨ形断面の鉄骨梁と、該鉄骨梁の上フランジの全長に亘って設けられた頭付きスタッドを介して接合されたコンクリート床スラブとを有する床スラブ付き鉄骨梁であって、
前記鉄骨梁は、梁長さと上下フランジの板厚中心間距離の比であるλwが15＜λw≦30で、前記鉄骨梁の弱軸に関する細長比λyがA＜λyであり、
前記頭付きスタッドの本数が、逆対称曲げモーメント分布時に完全合成梁として必要とされる本数の２倍以上である床スラブ付き鉄骨梁の補強方法であって、
前記鉄骨梁の上下フランジを繋ぐように縦スチフナを設け、かつ該縦スチフナを、前記鉄骨梁の全長にわたって梁長さの0.2倍以下のピッチで、かつ前記柱に最も近い前記縦スチフナと前記柱との距離が梁長さの0.125倍以下となるように設けることを特徴とする床スラブ付き鉄骨梁の補強方法。
ただし、Aは鉄骨梁全長にわたって均等間隔で横補剛を設ける場合において、横座屈補剛が不要である鉄骨梁の弱軸に関する細長比の上限を定める係数である。
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| CN115288345A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-11-04 | 鞍钢房地产开发集团建筑设计院有限公司 | 一种钢梁侧向支撑板楼承板内连接 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5885911B2 (ja) * | 2010-06-29 | 2016-03-16 | 株式会社竹中工務店 | 鉄筋コンクリートスラブ付鉄骨梁の設計方法 |
| JP2017166122A (ja) * | 2016-03-14 | 2017-09-21 | 新日鐵住金株式会社 | 鉄骨梁および柱梁接合構造 |
| JP2018135668A (ja) * | 2017-02-21 | 2018-08-30 | 三井住友建設株式会社 | 鉄骨梁の横補剛構造 |
| JP2019056220A (ja) * | 2017-09-20 | 2019-04-11 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 床構造に用いる鉄骨梁の設計方法、床構造 |
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