JP2023144538A - 接合構造およびｈ形断面部材 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な工程でスカラップ底へのひずみの集中を効果的に緩和する。【解決手段】フランジおよびウェブを有するＨ形断面梁を被接合部材に接合する接合構造であって、上記被接合部材に溶接される上記Ｈ形断面梁の材軸方向の端部では、上記フランジに接する上記ウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、上記スカラップに隣接して、上記ウェブに開孔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、簡易な工程でスカラップ底へのひずみの集中を効果的に緩和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。

［１］フランジおよびウェブを有するＨ形断面梁を被接合部材に接合する接合構造であって、上記被接合部材に溶接される上記Ｈ形断面梁の材軸方向の端部では、上記フランジに接する上記ウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、上記スカラップに隣接して、上記ウェブに開孔が形成される接合構造。
［２］上記Ｈ形断面梁には、上記フランジと上記ウェブとを溶接する隅肉溶接部、または上記フランジと上記ウェブとの圧延成形によるフィレット部が形成され、上記開孔は、上記ウェブと、上記隅肉溶接部または上記フィレット部とにまたがって形成される、［１］に記載の接合構造。
［３］上記ウェブに対して直交する方向で見た場合に、上記開孔の形状の図心は上記ウェブ側に位置する、［２］に記載の接合構造。
［４］上記開孔は、円形であり、上記スカラップの縁部は、１または複数の円弧部分を含み、上記開孔の半径は、上記１または複数の円弧部分の曲率半径のうち最小の曲率半径以上である、［１］から［３］のいずれか１項に記載の接合構造。
［５］上記スカラップと上記開孔との間の上記材軸方向での最短距離は、上記ウェブの板厚の１．２５倍以下である、［１］から［４］のいずれか１項に記載の接合構造。
［６］上記スカラップと上記開孔とを連通させる切り欠きがさらに形成される、［１］に記載の接合構造。
［７］フランジおよびウェブを有するＨ形断面部材であって、上記Ｈ形断面部材の材軸方向の少なくとも一方の端部では、上記フランジに接する上記ウェブの一部分を切り欠いたスカラップが形成され、上記スカラップに隣接して、上記ウェブに開孔が形成されるＨ形断面部材。

上記の構成によれば、Ｈ形断面梁のウェブにスカラップに加えて開孔を形成することによって、スカラップの周辺の補強やスカラップ自体を埋める加工などを必要とせずに、比較的簡易な工程でスカラップへのひずみの集中を効果的に緩和することができる。また、スカラップの形状にかかわらず開孔を形成してひずみの集中を緩和することが可能であり、例えば特殊な形状のスカラップの加工方法などが必要とされない点でも有利である。

本発明の一実施形態に係る接合構造の例を示す図である。 図１のII－II線に沿った断面図である。 図１のIII－III線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態に係るＨ形断面部材の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る接合構造の変形例を示す図である。 実施例において設定された各部材の寸法を示す図である。 実施例において設定された各部材の応力－ひずみ関係を示すグラフである。 実施例における相当塑性ひずみと距離ｘとの関係を示すグラフである。 実施例における相当塑性ひずみと距離ｙとの関係を示すグラフである。 比較例１の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。 実施例１の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。 実施例２の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。 実施例３の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。 実施例４の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。 実施例５の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。 比較例２の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。

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した説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る接合構造の例を示す図である。図示された例において、接合構造は、Ｈ形断面梁１と、被接合部材２との間に形成される。被接合部材２は、例えば柱に取り付けられるダイアフラムのような板状部材として図示されているが、柱の側面であってもよい。Ｈ形断面梁１は、フランジ１１およびウェブ１２を有し、フランジ１１が被接合部材２に溶接される。具体的には、フランジ１１の材軸方向の端面と被接合部材２との間に形成された開先に、裏当て金３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４が形成される。なお、フランジ１１は下フランジとして例示されているが、上フランジについても同様の構成が可能である。一方、Ｈ形断面梁１のウェブ１２は、フランジ１１とは別に被接合部材に接合される。フランジ１１およびウェブ１２がそれぞれ接合される被接合部材は必ずしも一体的な部材ではなくてもよく、例えばフランジ１１はダイアフラムに溶接され、ウェブ１２はダイアフラムが取り付けられている柱の側面に接合されてもよい。この場合は、柱および柱に取り付けられたダイアフラムが、Ｈ形断面梁１に対する被接合部材を構成する。

被接合部材２に接合されるＨ形断面梁１の材軸方向の端部では、フランジ１１に接するウェブ１２の一部分を切り欠いたスカラップ１２１が形成される。スカラップ１２１は、例えばフランジ１１およびウェブ１２を被接合部材２に接合する前に、切削などによって形成される。あるいは、後述する例のようにＨ形断面梁１が組立Ｈ形鋼である場合、フランジ１１にウェブ１２を溶接する前にスカラップ１２１が形成されてもよい。スカラップ１２１を形成することによって、フランジ１１と被接合部材２との間の溶接部４がウェブ１２に干渉するのを避けることができる。図示された例において、スカラップ１２１の縁部は２つの円弧部分を含み、フランジ１１に近い方の円弧部分の曲率半径ｒ２は、フランジ１１から遠い方の円弧部分の曲率半径ｒ１よりも小さい（ｒ１＞ｒ２）。

さらに、本実施形態では、スカラップ１２１に隣接して、ウェブ１２に開孔１２２が形成される。スカラップ１２１に隣接して開孔１２２を形成することによって、地震等で接合構造に大きな力が作用したときに塑性化する領域がスカラップ１２１の近傍だけではなく開孔１２２の近傍にも拡大し、スカラップ１２１の縁部、特にスカラップ１２１がフランジ１１に交差または近接するスカラップ底へのひずみの集中を緩和することができる。ひずみを効果的に緩和するためには開孔１２２がスカラップ１２１からの所定の距離の範囲内に形成されることが好ましい。具体的には、例えば、Ｈ形断面梁１の材軸方向におけるスカラップ１２１と開孔１２２との間の最短距離ｘは、ウェブ１２の板厚の１．２５倍以下であることが好ましい。なお、最短距離ｘの下限値は特に限定されず、０以下であってもよい。この場合、開孔１２２とスカラップ１２１とは連続して形成される。また、後述する例のように、スカラップ１２１と開孔１２２とを連通させる切り欠きが形成されてもよい。

図示された例において、開孔１２２は円形である。楕円形や長円形の開孔が形成されてもよいが、円形の開孔１２２は、例えばドリルを用いて加工するのが容易であるという点で有利である。円形の開孔１２２の半径Ｒは、スカラップ１２１の縁部に含まれる円弧部分の曲率半径ｒ１，ｒ２のうち最小の曲率半径以上であることが好ましい。上述のように、開孔１２２はスカラップ１２１へのひずみの集中を緩和するために設けられるため、開孔１２２の縁部にもひずみが発生する。このとき、半径Ｒが大きい方が、開孔１２２の縁部でのひずみがスカラップ１２１に比べて大きくなることはなく、開孔１２２の縁部でき裂が発生したとしても、開孔１２２のない梁でスカラップ１２１で発生したき裂を起点に破断する接合構造に比べて繰り返し変形性能を向上させることができる。

図２および図３は、それぞれ図１のII－II線およびIII－III線に沿った断面図である。図１に示されたＨ形断面梁１は組立Ｈ形鋼であっても圧延Ｈ形鋼であってもよく、図２は組立Ｈ形鋼の場合を、図３は圧延Ｈ形鋼の場合をそれぞれ示す（図１のII－II線およびIII－III線は同じ線である）。図２に示された例において、Ｈ形断面梁１のフランジ１１とウェブ１２とは隅肉溶接部１３１によって溶接される。この隅肉溶接部１３１によって、フランジ１１とウェブ１２との間の連結部１３が形成される。なお、図示された例のようにウェブ１２の両面側の隅肉溶接部１３１の間にウェブ１２とフランジ１１との不溶着部が存在してもよいし、両面側の隅肉溶接部１３１が一体化して不溶着部が存在しなくてもよい。また、隅肉溶接にあたってウェブ１２の端部に開先が形成されていてもよい。以下の説明において、連結部１３は、フランジ１１とウェブ１２との間に形成される部分であって、フランジ１１およびウェブ１２のそれぞれの板厚範囲内（図２および図３において仮想線で示す）にはない部分を意味する。図２の例において、ウェブ１２側の連結部１３の端縁は、隅肉溶接部１３１の止端である。

上記のような図２に示された例において、開孔１２２は、ウェブ１２と隅肉溶接部１３１とにまたがって形成される。地震等で接合構造に大きな力が作用した場合において、スカラップ１２１の近傍では隅肉溶接部１３１の止端とスカラップ底部とでせん断ひずみが卓越するが、上記のように開孔１２２を形成して隅肉溶接部１３１の止端に開孔１２２の縁部を交差させることによって、隅肉溶接部１３１の止端で発生するせん断ひずみをより卓越させることができ、より効果的にスカラップ１２１へのひずみの集中を緩和することができる。

一方、図３に示された例では、Ｈ形断面梁１のフランジ１１とウェブ１２とは圧延成形によって一体的に形成され、フランジ１１とウェブ１２との間には圧延時に発生するフィレット部１３２が形成される。このフィレット部１３２によって、フランジ１１とウェブ１２との間の連結部１３が形成される。図３に示された例において、開孔１２２は、ウェブ１２とフィレット部１３２にまたがって形成される。地震等で接合構造に大きな力が作用した場合において、スカラップ１２１の近傍では形状変化点であるフィレット部１３２のウェブ１２側の端縁とスカラップ底部とでせん断ひずみが卓越するが、上記のように開孔１２２を形成してフィレット部１３２の端縁に開孔１２２の縁部を交差させることによって、フィレット部１３２のウェブ１２側の端縁で発生するせん断ひずみをより卓越させることができ、より効果的にスカラップ１２１へのひずみの集中を緩和することができる。

再び図１を参照して、図示された例において、ウェブ１２と連結部１３とにまたがって形成される円形の開孔１２２の中心Ｐは、連結部１３側ではなくウェブ１２側に位置する。このような開孔１２２の配置によって、スカラップ１２１から開孔１２２に分散されたひずみによって開孔１２２の縁部からき裂が発生した場合に、き裂を連結部１３の端縁、すなわち隅肉溶接部１３１の止端部またはフィレット部１３２の端縁に沿って、Ｈ形断面梁１の材軸方向に誘導することができる。ひずみの集中によるき裂の発生を抑制し、かつき裂が発生した場合にもき裂をＨ形断面梁１の材軸方向に誘導することによって、スカラップ１２１や開孔１２２で発生したき裂がフランジ１１側に進展することによるフランジ１１の破断を効果的に防止できる。なお、開孔１２２が円形ではない場合も、円形の場合と同様に、ウェブ１２に対して直交する方向で見た場合の開孔１２２の形状の図心をウェブ１２側に位置させることによって同様の効果が得られる。

図４は、本発明の一実施形態に係るＨ形断面部材の例を示す図である。図４には、図１に示された接合構造に用いられるＨ形断面梁１が、被接合部材に接合される前の状態が示されている。Ｈ形断面梁１のフランジ１１の材軸方向の端部には、開先面１１１が形成されている。この例のように、開孔１２２は、Ｈ形断面梁１が被接合部材に接合される前に形成されてもよい。具体的には、工場でのＨ形断面梁１の製造時に開孔１２２が形成されてもよいし、Ｈ形断面梁１を施工現場に搬入した後に、被接合部材への接合の前作業として開孔１２２が形成されてもよい。あるいは、図４とは異なる例として、開孔１２２が形成されていないＨ形断面梁１を被接合部材２に接合した後に、開孔１２２が形成されてもよい。いずれの場合も、開孔１２２は、ドリルを用いた加工の他、例えばガス切断を用いた加工などによって形成されてもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係る接合構造の変形例を示す図である。図示された例では、Ｈ形断面梁１に、スカラップ１２１と開孔１２２とを連通させる切り欠き１２３がさらに形成される。上述のように、開孔１２２はスカラップ１２１へのひずみの集中を緩和するために形成されるため、スカラップ１２１と開孔１２２とが離隔している必要性はない。従って、既に述べたように開孔１２２がスカラップ１２１に連続して形成されてもよいし、図５の例のように切り欠き１２３によってスカラップ１２１と開孔１２２とが連通させられてもよい。

以上で説明したような本発明の実施形態によれば、Ｈ形断面梁１のウェブ１２にスカラップ１２１に加えて開孔１２２を形成することによって、スカラップ１２１の周辺の補強やスカラップ自体を埋める加工などを必要とせずに、比較的簡単な工程でスカラップ１２１へのひずみの集中を緩和することができる。また、本発明の実施形態は、スカラップ１２１の形状にかかわらず開孔１２２を形成してひずみの集中を緩和することが可能であり、例えば特殊な形状のスカラップの加工方法などが必要とされない点でも有利である。

以下では、本発明の実施例に係る解析結果について説明する。解析では、図６に示すように各部材の寸法を設定し、図７に示すように各部材の応力－ひずみ関係を設定した。なお、図７に示す応力－ひずみ関係は、過去の実験における素材の引張試験結果を真応力－真ひずみ関係に変換し、多直線近似したものを用いた。Ｈ形断面梁のフランジとウェブとはサブマジアーク溶接（ＳＡＷ）で接合されるものとし、ＳＡＷの脚長は１２ｍｍとした。また、フランジと被接合部材とはＣＯ_２溶接で接合されるものとした。フランジおよびウェブの降伏応力（σ_ｙ，σ_ｗｙ）はいずれも３６７Ｎ／ｍｍ^２とし、梁端全塑性耐力時の部材角θ_ｐは０．００７６５ｒａｄ、全塑性モーメントＭ_ｐは１７０５．３ｋＮｍとした。

開孔の半径は１５ｍｍとし、表１に示すように、開孔が形成されない比較例１と、Ｈ形断面梁の材軸方向におけるスカラップと開孔との間の最短距離ｘを変化させた実施例１から実施例５と、フランジ上面（ウェブに接合される側の面）から開孔の中心までの距離ｙを大きくして開孔をスカラップから離れた位置に形成した比較例２とについて、ひずみ緩和の効果を検証した。要素には８節点要素を用い、載荷方法は梁先端に強制変位Ｄを一方向に与える単調載荷とした。降伏条件にはvon Misesの降伏条件を採用し、解析には汎用非線形構造解析プログラム「Marc2021」を用いた。

図８は、実施例１から実施例５および比較例１について、部材角が３θ_ｐを迎えたときにスカラップの中で最もひずみが高まる要素（以下、スカラップ底ともいう）の相当塑性ひずみε_ｅｑと距離ｘとの関係を示すグラフである。比較例１における相当塑性ひずみが基準値として示され、その８０％にあたる値も示されている。図９は、同様に実施例１、比較例１および比較例２について、相当塑性ひずみε_ｅｑと距離ｙとの関係を示すグラフである。また、図１０から図１６は、各実施例および比較例の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）せん断ひずみのコンター図である。

図１０のコンター図に示されるように、開孔が形成されない比較例１では、スカラップ底および溶接止端の２箇所で塑性せん断ひずみが高まり、それに伴って両箇所で相当塑性ひずみも高まる。これに対して、図１１から図１５のコンター図に示されるように、開孔が形成される実施例１から実施例５では、載荷時に開孔およびＳＡＷ止端の塑性せん断ひずみが卓越することでＳＡＷ止端の降伏が先行し、それに伴ってスカラップ底の塑性せん断ひずみおよび相当塑性ひずみが緩和される。

ここで、図８のグラフに示されるように、スカラップ底の相当塑性ひずみε_ｅｑは距離ｘが短いほど小さくなる傾向を示す。より具体的には、距離ｘが１５ｍｍ以下、すなわちウェブ板厚の１．２５倍以下である実施例１から実施例３では、相当塑性ひずみε_ｅｑが比較例１に比べて２０％以上緩和される。距離ｘが１５ｍｍ以下である実施例１から実施例３の相当塑性ひずみε_ｅｑの近似直線は、距離ｘが１５ｍｍ以上である実施例３から実施例５の相当塑性ひずみε_ｅｑの近似直線よりも傾きが急である。つまり、実施例に係る解析結果では、距離ｘがウェブ板厚の１．２５倍以下である場合に、ひずみを緩和する効果がより顕著になる。

図１１および図１２のコンター図に示されるように、距離ｘが１５ｍｍよりもさらに短く、開孔がスカラップに近い実施例１や実施例２では、スカラップ底の相当塑性ひずみが顕著に緩和され、開孔からＳＡＷ止端に沿った方向にせん断ひずみがより高まる。このようにＳＡＷ止端に沿った方向にせん断ひずみが高まると、開孔にき裂が進展した場合にはそこからＳＡＷ止端に沿った方向にき裂が進展するため、スカラップ底や開孔からフランジ板厚方向に進展するようなき裂は発生しにくい。

その一方で、図１６のコンター図に示されるように、距離ｙを大きくして開孔をスカラップから梁せい方向に離れた位置に形成した比較例２では、ＳＡＷ止端部のせん断ひずみを高めることができないため、スカラップ底のひずみは緩和されず、むしろ開孔による断面欠損が影響して、開孔が形成されない比較例１に比べてもひずみが大きくなる。

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、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…Ｈ形断面梁、２…被接合部材、３…裏当て金、４…溶接部、１１…フランジ、１２…ウェブ、１３…連結部、１１１…開先面、１２１…スカラップ、１２２…開孔、１２３…切り欠き、１３１…隅肉溶接部、１３２…フィレット部。

Claims (7)

1. フランジおよびウェブを有するＨ形断面梁を被接合部材に接合する接合構造であって、
   前記被接合部材に溶接される前記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、
   前記スカラップに隣接して、前記ウェブに開孔が形成される接合構造。
2. 前記Ｈ形断面梁には、前記フランジと前記ウェブとを溶接する隅肉溶接部、または前記フランジと前記ウェブとの圧延成形によるフィレット部が形成され、
   前記開孔は、前記ウェブと、前記隅肉溶接部または前記フィレット部とにまたがって形成される、請求項１に記載の接合構造。
3. 前記ウェブに対して直交する方向で見た場合に、前記開孔の形状の図心は前記ウェブ側に位置する、請求項２に記載の接合構造。
4. 前記開孔は、円形であり、
   前記スカラップの縁部は、１または複数の円弧部分を含み、
   前記開孔の半径は、前記１または複数の円弧部分の曲率半径のうち最小の曲率半径以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の接合構造。
5. 前記スカラップと前記開孔との間の前記材軸方向での最短距離は、前記ウェブの板厚の１．２５倍以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の接合構造。
6. 前記スカラップと前記開孔とを連通させる切り欠きがさらに形成される、請求項１に記載の接合構造。
7. フランジおよびウェブを有する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、
   前記スカラップに隣接して、前記ウェブに開孔が形成されるＨ形断面部材。

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