JP2023144801A - 接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】フランジの溶接止端部で発生したき裂が進展して梁端接合部の早期破断につながることを防止する。
【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、上記フランジの幅方向の端部に隣接して配置される鋼製のエンドタブを含み、上記フランジに形成される第１の開先面と上記被接合部材との間、および上記エンドタブに形成される第２の開先面と上記被接合部材との間にそれぞれ溶接金属が充填され、上記被接合部材に対して、上記第２の開先面の上端は上記第１の開先面の上端よりも離隔している接合構造が提供される。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、接合構造に関する。

工事現場で溶接される現場溶接形式の梁端接合部に関する技術の例として、特許文献１には、Ｈ形断面梁のフランジに裏当て金を当接させ、裏当て金の反対側に拡開させた開先面を形成し、フランジに含まれる厚板部と薄板部との板厚差を補完するエンドタブを配置して、フランジの略全幅を厚板部の板厚で溶接接合する技術が記載されている。

特開２０１８－６５１５５号公報

上記のような梁端接合部では、工事現場で溶接される場合、Ｈ形断面梁のフランジの端部と柱やダイアフラムのような被接合部材との溶接部がウェブに干渉するのを避けるために、フランジとの交差部においてウェブの端部にスカラップと呼ばれる切り欠きが形成される。ところが、地震時などに梁端部に曲げモーメントが作用すると、スカラップ底に応力やひずみが集中し、スカラップ底を起点として梁端接合部が脆性的に破断する場合がある。そこで、スカラップ形状などを工夫することによって、早期破断につながるスカラップ底からのき裂発生を回避することが検討されている。一方、スカラップ底以外では、フランジの幅方向両側の溶接止端部においてき裂が発生する可能性があるが、溶接止端部で発生した亀裂も、靱性の安定しないフランジの溶接熱影響部に沿った方向に進展した場合には、梁端接合部の早期破断につながる可能性がある。

一方、工場で溶接される梁端接合部のようにスカラップが形成されない梁端接合部では、フランジの幅方向両側の溶接止端部においてき裂が発生し、フランジの溶接熱影響部に沿った方向に進展する可能性がある。

そこで、本発明は、フランジの溶接止端部で発生したき裂が進展して梁端接合部の早期破断につながることを防止することが可能な接合構造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、上記フランジの幅方向の端部に隣接して配置される鋼製のエンドタブを含み、上記フランジに形成される第１の開先面と上記被接合部材との間、および上記エンドタブに形成される第２の開先面と上記被接合部材との間にそれぞれ溶接金属が充填され、上記被接合部材に対して、上記第２の開先面の開先開放側の端部は上記第１の開先面の開先開放側の端部よりも離隔している接合構造。
［２］上記第２の開先面の開先開放側の端部と上記第１の開先面の開先開放側の端部との間の距離は、１０ｍｍ以上である、［１］に記載の接合構造。
［３］上記被接合部材に対して、上記第２の開先面の開先ルート側の端部は上記第１の開先面の開先ルート側の端部よりも離隔している、［１］または［２］に記載の接合構造。
［４］上記第２の開先面の開先角度は、上記第１の開先面の開先角度よりも大きい、［１］から［３］のいずれか１項に記載の接合構造。

上記の構成によれば、Ｈ形断面梁のフランジと被接合部材との間の溶接部に連続してエンドタブと被接合部材との間の溶接部を形成し、フランジ側の溶接止端とエンドタブ側の溶接止端との位置をずらすことによって、溶接止端の端部から生じる可能性があるき裂をフランジの母材側に誘導し、き裂がフランジの溶接止端や溶接熱影響部に沿った方向に進展することを防止できる。フランジの母材側では溶接止端や溶接熱影響部に比べて靭性が安定することからき裂が脆性き裂に転化しにくく、き裂による梁端接合部の早期破断を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る接合構造を示す図である。 図１の接合構造を左上手前側から見た拡大斜視図である。 図１の接合構造を左上手前側から見た拡大斜視図である。 図１の接合構造における溶接施工の例を示す写真である。 本発明の一実施形態におけるエンドタブの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態におけるエンドタブの別の構成例を示す図である。 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。 実施例および比較例におけるモーメント部材角関係を示すグラフである。 実施例および比較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。 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。

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を示す図である。図１に示された接合構造１では、Ｈ形断面梁２が、例えば角形鋼管などで構成される柱３およびダイアフラム３１（被接合部材）に接合される。より具体的には、Ｈ形断面梁２のフランジ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。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、裏当て金４１１を用いて溶接金属を充填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、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。

なお、以下ではＨ形断面梁２の下側のフランジ２１とダイアフラム３１との間の溶接部４１を含む接合構造について説明するが、図１に示されているように、Ｈ形断面梁２の上側のフランジ２３とダイアフラム３３との間の溶接部４２を含む接合構造についても同様の構成が可能である。

柱３に接合されるＨ形断面梁２の材軸方向の端部では、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、Ｈ形断面梁２が組立Ｈ形鋼である場合は、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。なお、Ｈ形断面梁２は組立Ｈ形鋼には限られず、圧延Ｈ形鋼であってもよい。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、曲率半径が異なる円弧部５１，５２と、円弧部５２に続いて形成されウェブ２２の材軸方向の端面２２１まで達する直線部５３とを含む。スカラップ５の開口縁の形状も図示された例には限られず、公知の様々な形状が利用可能である。

図２Ａおよび図２Ｂは、図１の接合構造を左上手前側から見た拡大斜視図である。図２Ａでは開先に溶接金属を充填して溶接部４１が形成される前の状態が示され、図２Ｂでは溶接部４１の形成後の状態が示されている。図示されるように、本実施形態では、ダイアフラム３１に溶接されるＨ形断面梁２の材軸方向（図中のｘ方向）の端部で、フランジ２１の幅方向（図中のｙ方向）の端部に隣接して鋼製のエンドタブ６が配置される。図示された例において、エンドタブ６はフランジ２１と同じ板厚で形成される板状の小片であり、フランジ２１の溶接表層側の面に揃えられる上面６１と、フランジ２１の溶接表層側の反対側の裏面に揃えられてフランジ２１とともに裏当て金４１１に当接させられる下面６２と、フランジ２１の端面２１１とともにダイアフラム３１の端面３１１に対向する端面６３とを有する。

上記のようなエンドタブ６が配置されることによって、本実施形態では、フランジ２１の端面２１１とダイアフラム３１の端面３１１との間に第１の開先Ｇ１が形成されるのに加えて、エンドタブ６の端面６３とダイアフラム３１の端面３１１との間に第２の開先Ｇ２が形成される。なお、本明細書では、第１の開先Ｇ１を形成するフランジ２１の端面２１１を第１の開先面ともいい、第２の開先Ｇ２を形成するエンドタブ６の端面６３を第２の開先面ともいう。被接合部材であるダイアフラム３１に対して、第２の開先面であるエンドタブ６の端面６３の上端は、第１の開先面であるフランジ２１の端面２１１の上端よりも離隔している。なお、ここで上端は開先面の開先開放側の端部を意味する。Ｈ形断面梁２の材軸方向について、第２の開先面である端面６３の上端と第１の開先面である端面２１１の上端との間は距離ｄだけ離れている。この距離ｄによって、図２Ｂに示すように第１の開先Ｇ１および第２の開先Ｇ２にそれぞれ溶接金属が充填されて溶接部４１が形成されたときに、フランジ２１側の溶接止端４１２とエンドタブ６側の溶接止端４１３との間に、Ｈ形断面梁２の材軸方向について位置ずれが生じる。

図３は、図１の接合構造における溶接施工の例を示す写真である。上記のようにして形成された第１の開先Ｇ１および第２の開先Ｇ２には、例えば図３の写真に示すように連続して溶接金属を充填することによって溶接部４１を形成することができる。具体的には、図３の写真に矢印で示されるように、第１の開先Ｇ１側から順次進行する溶接のパスを第２の開先Ｇ２内で折り返してエンドタブ６が隣接するフランジ２１の側面で終端とすることによって、第１の開先Ｇ１と、第１の開先Ｇ１よりも幅広の第２の開先Ｇ２とに溶接金属を充填することができる。図３の写真に示されるように、溶接金属は複数のパスにわたって積層されることによって充填されてもよい。

本実施形態では、上記のようにＨ形断面梁２のフランジ２１と被接合部材との間の溶接部に連続してエンドタブ６と被接合部材との間の溶接部を形成し、フランジ２１側の溶接止端とエンドタブ６側の溶接止端との位置をずらすことによって、溶接止端の端部から生じる可能性があるき裂がフランジ２１の溶接止端や溶接熱影響部に沿った方向に進展することを防止できる。より具体的には、第１の開先Ｇ１および第２の開先Ｇ２に溶接金属が充填されて形成される溶接部４１の溶接止端の端部からき裂が発生する場合、き裂はまずエンドタブ６側の溶接止端４１３とフランジ２１の小端面との交差点４１４で発生する。しかし、上述のように溶接止端４１３はフランジ２１側の溶接止端４１２とは位置がずれているため、交差点４１４で発生したき裂は、そのまま溶接止端４１２やその近傍のフランジ２１の溶接熱影響部に進展するのではなく、フランジ２１の母材側に誘導される。母材側では、溶接止端や溶接熱影響部に比べてき裂が進展しにくいため、き裂による梁端接合部の早期破断を防止することができる。

なお、第２の開先面であるエンドタブ６の端面６３の上端と第１の開先面であるフランジ２１の端面２１１の上端との間の距離ｄは、フランジ２１の溶接熱影響部を避けてき裂を誘導するために、例えば１０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、例えば図３の例に示されたように第１の開先Ｇ１および第２の開先Ｇ２への溶接金属の充填を共通のパスで実施する場合、通常１回のパスで溶接金属を充填できる幅を考慮して、距離ｄは１５ｍｍ以下とすることが好ましい。ただし、距離ｄの好ましい範囲は、Ｈ形断面梁２などの部材のサイズや、溶接の条件などによっても異なるため、必ずしも上記の例には限定されない。

また、上記の例ではＨ形断面梁２のフランジ２１の幅方向の一方の端部の構成について説明したが、幅方向の反対側の端部も同様に構成されてもよい。また、Ｈ形断面梁２の上フランジについても、被接合部材であるダイアフラム３１または柱３との間の接合構造が同様に構成されてもよい。

図４は、本発明の一実施形態におけるエンドタブの構成例を示す図である。上述したように、本実施形態では、被接合部材であるダイアフラム３１に対して、第２の開先面であるエンドタブ６の端面６３の上端が、第１の開先面であるフランジ２１の端面２１１の上端に比べて距離ｄだけ離れている。このような構成とするために、例えば、エンドタブ６の端面６３の開先ルート側の端部についても、フランジ２１の端面２１１の開先ルート側の端部に比べてダイアフラム３１から離れて配置してもよい。これによって、エンドタブ６とダイアフラム３１との間に形成される第２の開先Ｇ２のルートギャップＲ２は、フランジ２１とダイアフラム３１との間に形成される第１の開先Ｇ１のルートギャップＲ１よりも大きくなる。この場合、例えば第１の開先Ｇ１と第２の開先Ｇ２とで開先角度θが同じであっても、エンドタブ６の端面６３の上端をフランジ２１の端面２１１の上端に比べてダイアフラム３１から離れさせることができる。

図５は、本発明の一実施形態におけるエンドタブの別の構成例を示す図である。図５に示された例では、第２の開先面であるエンドタブ６の端面６３の開先角度θ２が、第１ン開先面であるフランジ２１の端面２１１の開先角度θ１よりも大きい。なお、本明細書において、開先角度は、鉛直面に対して開先面がなす角度（鋭角側）を意味する。この場合、例えば第１の開先Ｇ１と第２の開先Ｇ２とでルートギャップＲが同じであっても、第２の開先面であるエンドタブ６の端面６３の上端は第１の開先面であるフランジ２１の端面２１１の上端に比べてダイアフラム３１から離隔する。あるいは、図４および図５の例を併用して、第２の開先Ｇ２において、ルートギャップおよび開先角度の両方を第１の開先Ｇ１よりも大きくしてもよい。

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する。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（Ｆ_ｙ，Ｆ_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。なお、Ｈ形断面梁のウェブにスカラップは形成されない。

表１に示すように、エンドタブが配置されるが開先面上端側でのフランジとエンドタブとの間のずらし量ｘ（上記の実施形態で説明した距離ｄ）が０である比較例１と、ずらし量ｘを段階的に増加させた実施例１から実施例４とについて、ひずみ緩和の効果を検証した。解析モデルは対称性を考慮した１／２モデルとし、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、実施例および比較例におけるモーメント部材角関係を示すグラフである。各例の差は最大でも０．５％程度であり、ほとんど差はない。図９は、実施例および比較例において部材角が３θ_ｐを迎えたときのフランジの開先上端角部（溶接止端とフランジ小端面との交差位置）要素の相当塑性ひずみを示すグラフである。図９のグラフから、エンドタブのずらし量ｘが大きいほど相当塑性ひずみε_ｅｑが小さくなることがわかる。具体的には、ｘ＝１０ｍｍの実施例３では、比較例に対して相当塑性ひずみが約９１％緩和されている。

図１０から図１４は、各実施例および比較例の（ａ）相当塑性ひずみおよび（ｂ）塑性せん断ひずみのコンター図である。なお、コンター図においてエンドタブは非表示にされている。図１０に示す比較例１の場合、スリット先端（図２Ｂに示した交差点４１４）にひずみが集中するのに加えて、フランジ溶接止端の周辺で梁幅方向にひずみ、特に塑性せん断ひずみが高まっていることが確認できる。この場合、スリット先端に発生したき裂はフランジ溶接止端に沿って進展することが想定される。これに対して、図１１から図１４に示す実施例１から実施例４では、いずれもフランジ溶接止端のひずみの緩和が確認できる。特に、ずらし量ｘをある程度大きく（ｘ＝１０）確保した実施例３では、フランジ溶接止端の周辺におけるひずみ集中は確認されなかった。この場合、スリット先端に発生したき裂は、溶接部靱性の低下が予測される溶接熱影響部に沿った方向には進展せず、母材側に誘導されると考えられる。ずらし量ｘをさらに大きく（ｘ＝３０）した実施例４でも同様の効果が確認できる。

以上の解析結果から、開先面上端側でフランジとエンドタブとの間にずらし量（上記の実施形態で説明した距離ｄ）を設定することによってひずみが緩和され、特にずらし量を１０ｍｍ以上に設定した場合にはひずみが緩和され、発生したき裂を母材側に誘導する効果が顕著であることが確認された。

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、本発明はこれらの例に限定されない。本発明の属する技術の分野の当業者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更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…接合構造、２…Ｈ形断面梁、２１，２３…フランジ、２１１…端面、２２…ウェブ、２２１…端面、３…柱、３１，３３…ダイアフラム、３１１…端面、３２…側面、４１…溶接部、４１１…裏当て金、４１２，４１３…溶接止端、４１４…交差点、５…スカラップ、５１…第１の円弧部、５２…第２の円弧部、５３…直線部、６…エンドタブ、６１…上面、６２…下面、６３…端面、Ｇ１…第１の開先、Ｇ２…第２の開先、Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…ルートギャップ、ｄ…距離、θ，θ１，θ２…開先角度。

Claims (4)

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、前記フランジの幅方向の端部に隣接して配置される鋼製のエンドタブを含み、
   前記フランジに形成される第１の開先面と前記被接合部材との間、および前記エンドタブに形成される第２の開先面と前記被接合部材との間にそれぞれ溶接金属が充填され、
   前記被接合部材に対して、前記第２の開先面の開先開放側の端部は前記第１の開先面の開先開放側の端部よりも離隔している接合構造。
2. 前記第２の開先面の開先開放側の端部と前記第１の開先面の開先開放側の端部との間の距離は、１０ｍｍ以上である、請求項１に記載の接合構造。
3. 前記被接合部材に対して、前記第２の開先面の開先ルート側の端部は前記第１の開先面の開先ルート側の端部よりも離隔している、請求項１または請求項２に記載の接合構造。
4. 前記第２の開先面の開先角度は、前記第１の開先面の開先角度よりも大きい、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。
   

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