JP2021110149A - 梁の開口補強方法及び梁の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に貫通孔を補強することができる梁の開口補強方法及び梁の構造を提供する。【解決手段】梁構造１０は、梁２０の軸に対して直交する方向に貫通孔２５が設けられ、梁２０の上方にスラブ３０が配置される。貫通孔２５の下方に、貫通孔２５により低下した耐力を補強する補強部材として、梁２０の下フランジ２２の下面に補強板４１を溶接する。更に、貫通孔２５の上方に、貫通孔２５により低下した耐力を補強する補強部材として、スラブ３０に埋設される補強筋４２を配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、貫通孔が形成される梁の開口補強方法及び梁の構造に関する。

例えば、配管を通す等の目的のために、建物の躯体を構成する梁に貫通孔を開口することがある。貫通孔を設けた梁は、貫通孔を設けない梁に比べて、曲げ耐力が低下する。そこで、低下した曲げ耐力を補うために、従来、貫通孔毎に補強が行なわれていた。例えば、梁の各貫通孔にリング材を設置したり、各貫通孔の周囲を囲むプレート材を設けたりする（例えば、特許文献１参照。）。この文献に記載の梁においては、鉄骨梁本体のウェブに設けられる曲げ補強部とせん断補強部の幅及び厚さを設定する。この幅及び厚さに基づいて、梁の開口の部分の曲げ耐力とせん断耐力との関係を表す曲げせん断耐力曲線を定める。そして、曲げせん断耐力曲線と、梁に想定する設計用荷重から求められる設計用せん断力及び設計用曲げモーメントとを比較する。

特開２０１７−２１０７８５号公報

梁に設ける貫通孔は、配管等の状況に応じて、径の大きさ等を変更することがある。この場合、特許文献１に記載の補強方法等の従来技術では、貫通孔径に応じたリング状の補強材や貫通孔の周囲に配置するプレート状の補強材が必要であった。更に、配管の直径等が変わる度に、貫通孔径に応じた補強材を製作し、貫通孔の補強を再設計する必要があった。

上記課題を解決する梁の開口補強方法は、Ｈ形断面梁のウェブに貫通孔が設けられ、前記Ｈ形断面梁のフランジに補強材を設けて、前記貫通孔の開口を補強する梁の開口補強方法であって、前記貫通孔の大きさを決定した場合、前記貫通孔の大きさに応じて、前記Ｈ形断面梁の軸方向の前記補強材の長さと、前記軸方向に対して直交する面における前記補強材の断面積とを設定する。
上記課題を解決する梁の構造は、Ｈ形断面梁のウェブに貫通孔が設けられ、前記Ｈ形断面梁の上方にスラブが配置される梁の構造であって、前記貫通孔の上方で、前記スラブに埋設した補強筋を、上方補強部材として設け、前記貫通孔の下方で、前記貫通孔の下方の前記Ｈ形断面梁の下面に固定した補強板を、下方補強部材として設け、前記上方補強部材及び前記下方補強部材は、前記貫通孔の大きさに応じて低下した耐力を補強する。

本発明によれば、効率的に貫通孔を補強することができる。

実施形態における梁の構造の正面図。 実施形態における梁の構造を解析するモデル条件を説明する説明図。 実施形態におけるＦＥＭ解析モデルの全体を説明する斜視図。 実施形態におけるＦＥＭ解析モデルの要部を説明する斜視図。 実施形態におけるＦＥＭ解析結果による軸方向応力の分布例を説明する説明図であって、（ａ）は貫通孔なしの場合、（ｂ）は無補強の場合、（ｃ）は補強材長さが貫通孔径の０．５倍の場合、（ｄ）は補強材長さが貫通孔径と同じ場合、（ｅ）補強材長さが貫通孔径の２倍の場合。 実施形態におけるＦＥＭ解析結果によるミーゼス応力の分布例を説明する説明図であって、（ａ）は貫通孔なしの場合、（ｂ）は無補強の場合、（ｃ）は補強材長さが貫通孔径の０．５倍の場合、（ｄ）は補強材長さが貫通孔径と同じ場合、（ｅ）補強材長さが貫通孔径の２倍の場合。 実施形態におけるＦＥＭ解析結果による変位に対する荷重の変化を示すグラフであって、（ａ）は貫通孔が梁せいの１／３倍の場合、（ｂ）は（ａ）の要部を拡大した場合、（ｃ）は貫通孔が梁せいの４／５倍の場合、（ｄ）は（ｃ）の要部を拡大した場合を示す。 実施形態における基準化補強材長さと耐力比との関係を示すグラフ。 実施形態における必要補強材長さと基準化した貫通孔径との関係を示すグラフ。

以下、図１〜図９を用いて、梁の開口補強方法及び梁の構造を具体化した実施形態を説明する。
図１に示すように、本実施形態の梁構造１０は、梁２０と、梁２０の上に設けられたスラブ３０とを備える。梁２０は、例えばＨ形鋼の鉄骨梁で構成され、上フランジ２１、下フランジ２２及びこれらを中央で連結するウェブ２３を有する。梁２０のウェブ２３には、貫通孔径（貫通孔の直径）φの貫通孔２５が形成される。この貫通孔２５は、梁２０の軸Ｃ１方向に対して直交する水平方向に開口する。

更に、梁２０の下フランジ２２の下面には、下方補強部材として、補強板４１が取り付けられている。この補強板４１は、梁２０に設けられる仕上材の捨てプレートとして用いることができる。本実施形態では、仕上材として、軽量鉄骨間仕切壁等を用いる。

補強板４１は、ウェブ２３に貫通孔２５を設けることにより低下した耐力の一部を補強する。本実施形態では、補強板４１の長さは、ウェブ２３の高さＨ１の１．５倍である。更に、補強板４１は、貫通孔２５の垂直軸Ｖ１で等分されて配置される。また、補強板４１の幅（紙面に対して垂直な方向の長さ）は、下フランジ２２の両端から約１０ｍｍずつ短い。そして、補強板４１の周囲は、下フランジ２２の下面と溶接されて一体化される。

梁２０の上フランジ２１の上面には、スラブ３０が設けられている。このスラブ３０は、複数のスタッドボルト３１と複数のスラブ筋３２とを、コンクリート３５内に埋設して構成される。複数のスタッドボルト３１は、上フランジ２１の上面に並ぶように立設される。複数のスラブ筋３２は、格子状に配置される。

更に、このスラブ３０内には、上方補強部材として、複数の補強筋４２が埋設される。補強筋４２は、補強板４１と協働して、ウェブ２３に貫通孔２５を設けることにより低下した耐力を補強する。複数の補強筋４２は、補強板４１が補強する耐力に釣り合う合計断面積となるように、鉄筋の断面積及び数が決定されて用いられる。この補強筋４２は、補強板４１に対応した位置に配置される。そして、補強筋４２は、補強板４１の長さに対して、両方向に、補強筋４２の定着長さ分を追加した長さを有する。
上述したように、梁２０の上方及び下方に設けた補強板４１及び補強筋４２により、貫通孔２５によって低下した剛性及び耐力を補強することができる。

（補強部材の効果）
次に、上述した補強板４１及び補強筋４２について、貫通孔がない梁（無貫通孔梁）と同等の曲げ耐力を有することを説明する。
ここでは、補強板４１及び補強筋４２をモデル化した補強材を用いて、有限要素法（ＦＥＭ）による解析により、この長さを算出した。

図２に示すように、貫通孔５５の周囲に曲げモーメントのみが作用する力学モデルの梁５０を用いた。そして、梁５０の上面及び下面には、貫通孔５５の下方及び上方の位置に補強材６１，６２を設けると仮定する。補強材６１，６２は、同じ材質であって、同じ大きさ（長さ、幅及び厚み）を有する部材であると仮定する。

梁５０は、６００ｍｍの梁せいＤ、２００ｍｍの幅を有する。この梁５０のウェブの厚みｔｗが１２ｍｍであって、フランジの厚みｔｆが２２ｍｍである。更に、梁５０の支点間の距離が４８００ｍｍであって、中央に貫通孔５５が位置し、各支点から１２００ｍｍの位置に、半分の荷重（Ｐ／２）がそれぞれ加わると仮定する。また、貫通孔径を「φ」、補強材６１，６２の補強材長さを「Ｌｒ」、厚みを「ｔｒ」と仮定する。

図３は、力学モデルを有限要素に分割した様子を示している。なお、図４は図３の要部の拡大図である。この力学モデルとして、梁５０のウェブの板厚中心で分割した１／２モデルを用いる。この力学モデルにおいては、荷重によって梁５０が局部的に撓まない条件を追加している。このために、荷重が加わる箇所にはスチフナを設けている。なお、力学モデルにおいては、下方の補強材６１を備えているが、図３及び図４では省略している。

このような力学モデルを用いて、貫通孔径φと補強材長さＬｒを変化させるパレメトリックスタディを行なった。
この場合、貫通孔５５の貫通孔径（梁せい比）φは、「０」、「２００（＝Ｄ／３）」、「３００（＝Ｄ／２）」、「３１５（＝０．５２５Ｄ）」、「３３０（＝０．５５Ｄ）」、「３６０（＝０．６Ｄ）」、「４００（＝２Ｄ／３）」、「５００（＝４Ｄ／５）」の８種類を用いる。また、補強材長さＬｒは、「０（無補強）」、「０．５φ」、「０．７５φ」、「１．０φ」、「１．２５φ」、「１．５０φ」、「２．００φ」、「３．００φ」の８種類を用いる。

図２に示すように、補強材６１，６２の断面は、貫通孔５５による耐力減少量Ｍ_φを補う断面積Ｂｒ×ｔｒの組み合わせを用いて算出する。この場合、以下の２式を用いる。
貫通孔による耐力減少量Ｍ_φ＝１／４×ｔｗ×φ²×σｙｗ …（１）
補強材による耐力増加Ｍｒ＝Ｂｒ×ｔｒ×（Ｄ＋ｔｒ）×σｙｒ …（２）
そして、Ｍ_φ＝ＭｒとなるＢｒ×ｔｒの組み合わせを算出する。
ここで、ｔｗはウェブ厚、φは貫通孔径、Ｂｒは補強材の幅、ｔｒは補強材の板厚、Ｄは梁せい、σｙｗはウェブの降伏応力、σｙｒは補強材の降伏応力である。

そして、補強材６１，６２は、同じ大きさ及び対応する位置に配置し、梁５０のフランジに溶接で接合されることを想定する。この場合、図４に示すように、補強材６２（６１）の外周部と梁５０のフランジのＦＥＭの接点を共有する。
更に、本実施形態では、材料の降伏応力は、すべて３２５Ｎ／ｍｍ^２とする。材料の応力−ひずみ関係はバイリニア型とし、降伏後の剛性は初期剛性の１／２００とする。

（解析結果の説明）
図５及び図６には、貫通孔径φが４００ｍｍとして解析したときの軸方向応力の分布例及びミーゼス応力の分布例をそれぞれ示している。図５（ａ）及び図６（ａ）は貫通孔なし、図５（ｂ）及び図６（ｂ）は無補強、図５（ｃ）及び図６（ｃ）は補強材長さが貫通孔径の０．５倍の場合、図５（ｄ）及び図６（ｄ）は補強材長さが貫通孔径と同じ場合、図５（ｅ）及び図６（ｅ）は補強材長さが貫通孔径の２倍の場合を示す。図５の軸方向応力の分布例においては、絶対値が高くなるに従って色が濃くなるように示している。図６のミーゼス応力の分布例においては、応力が高くなるに従って色が薄くなるように示している。

図５及び図６に示すように、補強材長さＬｒが長い程、梁５０のウェブ中央付近まで軸方向応力を伝達でき、高い耐力を発揮できることがわかる。ただし、解析結果より、有効な補強材６１，６２の補強材長さＬｒには上限があることもわかった。

また、図７には、荷重と変位の関係を示す。この場合、接線剛性が初期剛性の１／３に低下した時を降伏耐力Ｐｙと定めている。
図７（ａ），（ｂ）は、貫通孔５５の貫通孔径φが２００（＝Ｄ／３）の場合であり、図７（ｂ）は図７（ａ）における荷重Ｐが１０００〜２０００（ｋＮ）の部分を拡大した要部のグラフである。また、図７（ｃ），（ｄ）は、貫通孔５５の貫通孔径φが５００（＝４Ｄ／５）の場合であり、図７（ｃ）は図７（ｄ）における荷重Ｐが１０００〜２０００（ｋＮ）の部分を拡大した要部のグラフである。

図７（ａ），（ｂ）に示すように、貫通孔５５が小さい場合には、貫通孔がない場合と補強材がない場合の耐力に大きな差は生じない。また、図７（ｃ），（ｄ）に示すように、貫通孔５５が大きいと、貫通孔がない場合と補強材がない場合との耐力の差が大きくなる。また、全体的に、補強材６１，６２の補強材長さＬｒが大きくなると耐力が上昇する傾向がある。

図８は、耐力比（Ｐ_φｙ／Ｐｙ）と、基準化補強材長さ（Ｌｒ／φ）との関係を示している。ここで、耐力比とは、無貫通孔の梁の降伏耐力Ｐｙに対する、貫通孔５５がある梁５０の降伏耐力Ｐ_φｙの割合である。また、基準化補強材長さ（Ｌｒ／φ）は、貫通孔径φに対する補強材長さＬｒである。

図８に示すように、補強材長さＬｒが長くなると、耐力が上昇する傾向が見られる。ここで、無貫通梁の耐力の９９％以上の耐力を有する場合を、無貫通梁同等と見なすと仮定する。この場合、基準化補強材長さ（Ｌｒ／φ）は、１．５以上であれば、無貫通梁同等の耐力となる。

更に、図９における実線は、無貫通孔梁と同等の耐力を発揮するための必要補強材長さ（Ｌｒ／φ）と、梁せいで基準化した貫通孔径（φ／Ｄ）との関係（解析値）を示している。貫通孔５５が大きくなる程、必要補強材長さ（Ｌｒ／φ）は大きくなる傾向が見られる。
また、図９における点線は、解析値に基づいて近似した必要補強材長さの設計式を示している。ここでは、０．５≦φ＜０．５５の範囲と０．５５≦φ＜０．８の範囲とにおいて異なる近似曲線を用いて長さを算出する。０．５≦φ＜０．５５の範囲では、必要補強材長さ（Ｌｒ／φ）は、「９×φ／Ｄ−４」で算出され、０．５５≦φ＜０．８の範囲では、必要補強材長さ（Ｌｒ／φ）は、「１．８×φ／Ｄ−０．０４」で算出される。

貫通孔径を３種類の閾値（Ｄ／２、２Ｄ／３、４Ｄ／５）で区分すれば、貫通孔径に対して、以下の補強材長さＬｒを確保することで無貫通孔梁と同等の曲げ耐力を発揮できる。
・２Ｄ／３＜φ≦４Ｄ／５の場合、補強材長さＬｒは１．４φ以上
・Ｄ／２＜φ≦２Ｄ／３の場合、補強材長さＬｒは１．２φ以上
・０＜φ≦Ｄ／２の場合、補強材長さＬｒは０．５φ以上
また、図９から、梁２０に最大径の貫通孔２５を形成しても、補強材長さＬｒは、１．５φ程度あれば、無貫通孔梁と同等の曲げ耐力を発揮することができる。

（作用）
梁２０の貫通孔２５の下方で下フランジ２２に溶接された補強板４１と、貫通孔２５の上方でスラブ３０内に埋設された補強筋４２により、貫通孔２５がある場合にも貫通孔周囲の応力を伝達できる。そして、貫通孔２５がない場合同等の耐力を維持することができる。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、補強板４１及び補強筋４２によって、貫通孔２５によって低下した梁２０の剛性及び耐力を補強する。これにより、貫通孔２５の内部を補強するリング材や貫通孔２５の周囲を補強するプレート材を不要にすることができる。

（２）本実施形態では、補強板４１は、梁２０のウェブ２３の高さＨ１の１．５倍の長さを有する。これにより、梁２０に形成される貫通孔２５の貫通孔径φの大きさが梁２０に形成可能な最大径まで変更した場合においても、補強板４１及び補強筋４２によって梁２０の曲げ耐力を確保できる。従って、貫通孔２５の貫通孔径φの大きさが変更になっても、それに応じて補強材の形状を変更する必要がなく、更に補強を設計し直す必要がない。

（３）本実施形態では、補強板４１は、梁２０の下フランジ２２の幅よりも小さいので、補強板４１の端部を、下フランジ２２の下面に効率的に溶接することができる。
（４）本実施形態では、補強板４１を、仕上材の捨てプレートとして用いることができるので、補強板４１とは別に、仕上材の捨てプレートを設ける箇所を少なくすることができる。

（５）本実施形態では、貫通孔２５の上方のスラブ３０に、補強板４１に対応する補強筋４２を埋設する。これにより、補強板をスラブ３０の上下に設けないので、スラブ３０を凹凸なく形成することができる。

（６）本実施形態では、補強筋４２は、補強板４１が補強した耐力と同等の耐力となる合計断面積となる断面積の鉄筋及び数で配置し、補強板４１に対応した位置を覆い、更に必要補強材長さの両方に定着長さ分を加えた長さ以上の長さを有する。これにより、補強板４１とバランスさせて、貫通孔２５によって低下した剛性と耐力を補強することができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、補強板４１を、梁２０のウェブ２３の高さＨ１の１．５倍の長さとした。補強材長さＬｒは、１．５倍に限定されない。例えば、貫通孔の最大径がＤ／２以下で形成される場合には、補強材長さＬｒを０．５φ以上にすればよいし、貫通孔の最大径が２Ｄ／３で形成される場合には、補強材長さＬｒを１．２φ以上にすればよい。これにより、設計される貫通孔の範囲に応じた適切な長さの補強材を用いることができる。

・上記実施形態では、梁２０において貫通孔２５の上方には、補強板４１に対応する補強筋４２をスラブ３０内に設けた。梁２０の上方に設ける補強部材は補強筋に限定されない。例えば、補強筋４２の代わりに、梁２０の上フランジ２１の上面に、補強板４１を設けてもよい。

・上記実施形態において、貫通孔２５を設けた梁２０を、Ｈ形断面の鉄骨で構成した。梁はＨ形鋼に限定されず、例えば閉鎖型の箱型断面梁でもよい。更に、梁２０は、鉄骨造に限定されず、鉄骨鉄筋コンクリート造の鉄骨部分、ステンレス造、アルミニウム合金造等、等方性とみなせるいかなる材料で構成されてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（ａ）前記補強筋は、前記補強板に対応する補強材長さの両端に定着長さをそれぞれ加えた長さを有し、前記補強板の断面積以上の合計断面積となる本数で配置されることを特徴とする請求項２に記載の梁の構造。
（ｂ）前記下方補強部材は、仕上材を取り付けるための捨てプレートとして用いられることを特徴とする請求項２又は前記（ａ）に記載の梁の構造。

φ…貫通孔径、Ｃ１…軸、Ｌｒ…補強材長さ、１０…梁構造、２０，５０…梁、２１…上フランジ、２２…下フランジ、２３…ウェブ、２５，５５…貫通孔、３０…スラブ、３１…スタッドボルト、３２…スラブ筋、３５…コンクリート、４１…補強板、４２…補強筋、６１，６２…補強材。

Claims (2)

1. Ｈ形断面梁のウェブに貫通孔が設けられ、前記Ｈ形断面梁のフランジに補強材を設けて、前記貫通孔の開口を補強する梁の開口補強方法であって、
   前記貫通孔の大きさを決定した場合、前記貫通孔の大きさに応じて、前記Ｈ形断面梁の軸方向の前記補強材の長さと、前記軸方向に対して直交する面における前記補強材の断面積とを設定することを特徴とする梁の開口補強方法。
2. Ｈ形断面梁のウェブに貫通孔が設けられ、前記Ｈ形断面梁の上方にスラブが配置される梁の構造であって、
   前記貫通孔の上方で、前記スラブに埋設した補強筋を、上方補強部材として設け、
   前記貫通孔の下方で、前記貫通孔の下方の前記Ｈ形断面梁の下面に固定した補強板を、下方補強部材として設け、
   前記上方補強部材及び前記下方補強部材は、前記貫通孔の大きさに応じて低下した耐力を補強することを特徴とする梁の構造。

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