JP2024065136A - 角形鋼管柱とｈ形鋼梁の接合構造および接合構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 製作効率が高く、部材どうしの組立精度を確実に確保できる、角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造および接合構造の製造方法を提供する。
【解決手段】 角形鋼管柱に、外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁が接合されてなる、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合構造であって、前記角形鋼管柱の側面と前記外ダイアフラムの端面との間に、当て金により囲まれた溶接用の孔が設けられ、該溶接用の孔にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填して形成された溶接部により、前記角形鋼管柱と前記外ダイアフラムとが接合されている、角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。
【選択図】図３

Description

本発明は、建築物における柱と梁との接合構造および接合構造の製造方法に関し、特に角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合構造に関する。

冷間ロール成形角形鋼管や冷間プレス成形角形鋼管などの角形鋼管は、中低層から高層までの鋼構造建築物の柱材として、幅広く使用されている。角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合部においては、地震時など建築物に水平力が作用する時にＨ形鋼梁のフランジから角形鋼管柱の側面に応力が伝達する。この応力により、角形鋼管柱の側面に局所的な変形が生じないように、角形鋼管柱には、ダイアフラムと称する水平補剛材を、Ｈ形鋼梁のフランジと同じ高さに設けることが一般的に行なわれている。

角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部は、内ダイアフラムを用いる内ダイアフラム形式、通しダイアフラムを用いる通しダイアフラム形式、外ダイアフラムを用いる外ダイアフラム形式に大別される。

このうち、通しダイアフラム形式は、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部に最も多く採用されている。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に、通しダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部の斜視図および平面図を示す。また、図１１に、通しダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部の要部の縦断面図を示す。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）、ならびに図１１に示すように、通しダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部では、角形鋼管柱８１の断面を貫通するように通しダイアフラム８５が設けられている。このため、通しダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部の組立ては、角形鋼管柱８１を通しダイアフラム８５を設ける位置で切断し、通しダイアフラム８５を切断位置に挿入し、角形鋼管柱８１と通しダイアフラム８５とを溶接する方法で行われる。

ここで、図１１に示すように、角形鋼管柱８１と通しダイアフラム８５との溶接部８６は完全溶込み溶接とされ、これにより、角形鋼管柱８１の断面を貫通するように通しダイアフラム８５が設けられていても、角形鋼管柱８１の性能が確保されるようにしている。角形鋼管柱８１と通しダイアフラム８５との溶接は、鉄骨製作工場などで、溶接効率が高いロボット溶接などの自動溶接を適用して行われるので、高品質で安定した溶接部８６とすることができる。

しかし、上述のとおり、通しダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部の組立ては、角形鋼管柱８１を通しダイアフラム８５を設ける位置で切断し、通しダイアフラム８５を切断位置に挿入し、角形鋼管柱８１と通しダイアフラム８５とを溶接して行われる。よって、角形鋼管柱８１の切断や、角形鋼管柱８１を通しダイアフラム８５との完全溶込み溶接の開先加工に手間を要するとともに、溶接量が多くなりやすい。また、通しダイアフラム８５の上下に接合される角形鋼管柱８１の位置合わせなどの精度確保に高い技量を必要とする。

さらに、角形鋼管柱８１の断面を貫通するように設けられる通しダイアフラム８５は、角形鋼管柱８１の一部を構成するものとして、建築物が設計される。この設計の前提条件として、角形鋼管柱８１と通しダイアフラム８５との溶接部８６には、角形鋼管柱８１の強度と同等以上の強度を有する溶接材料を用いる必要があり、材料費および施工負荷が高くなりやすい。例えば、角形鋼管柱８１として高強度鋼材を用いる場合には、角形鋼管柱８１と通しダイアフラム８５との溶接部８６にも、角形鋼管柱８１と同等以上の強度クラスの高強度の溶接材料を用いる必要が生じる。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に、内ダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部の斜視図および平面図を示す。図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、内ダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部では、内ダイアフラム８４が、角形鋼管柱８１の断面を貫通することなく、角形鋼管柱８１の内側に設けられる。よって、角形鋼管柱８１と内ダイアフラム８４との溶接部に用いる溶接材料の強度は、角形鋼管柱８１の性能には影響しない。すなわち、角形鋼管柱８１と内ダイアフラム８４との溶接部には、角形鋼管柱８１の強度と同等以上の強度を有する溶接材料を用いる必要はなく、Ｈ形鋼梁８２の強度と同等以上の強度を有する溶接材料を用いれば足りる。

しかし、角形鋼管柱８１と内ダイアフラム８４との溶接は、角形鋼管柱８１の内部に内ダイアフラム８４を落とし込んで行うことになるため、内ダイアフラム８４および裏当て金の組立精度および溶接条件の管理、ならびに溶接部の検査および手直しが極めて難しい。

図１３（ａ）および図１３（ｂ）に、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部の斜視図および平面図を示す。図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部では、外ダイアフラム８３が、角形鋼管柱８１の断面を貫通することなく、角形鋼管柱８１の外側に設けられる。よって、内ダイアフラム形式の場合と同様に、角形鋼管柱８１と外ダイアフラム８３との溶接部に用いる溶接材料の強度は、角形鋼管柱８１の性能には影響しない。すなわち、角形鋼管柱８１と外ダイアフラム８３との溶接部には、角形鋼管柱８１の強度と同等以上の強度を有する溶接材料を用いる必要はなく、Ｈ形鋼梁８２の強度と同等以上の強度を有する溶接材料を用いれば足りる。

また、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部では、角形鋼管柱８１と外ダイアフラム８３との溶接は、角形鋼管柱８１の外部から行われる。よって、角形鋼管柱８１に外ダイアフラム８３を取り付けやすく、部材どうしの組立精度を確保しやすい。さらに、角形鋼管柱８１の内部にはダイアフラムが挿入されないため、角形鋼管柱８１の内部にコンクリートを充填する場合の施工性にも優れている。

図１４～図１６に、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部の要部の縦断面図を示す。図１４は、角形鋼管柱８１と外ダイアフラム８３との溶接部８７を隅肉溶接とした例である。図１５は、角形鋼管柱８１と外ダイアフラム８３との溶接部８８を完全溶込み溶接とした例である。図１６は、角形鋼管柱８１と外ダイアフラム８３との溶接部８９を部分溶込み溶接とした例である。

角形鋼管柱８１と外ダイアフラム８３とは、図１４に示すように隅肉溶接で接合されるか、または、図１５および図１６に示すように、外ダイアフラム８３に開先加工を施した上で、完全溶込み溶接または部分溶込み溶接により接合されることが一般的である。これら隅肉溶接、完全溶込み溶接および部分溶込み溶接には、半自動のガスシールドアーク溶接などが適用されるが、通しダイアフラム形式で採用されるロボット溶接などの自動溶接と比べると、製作効率が低くなりやすい。

また、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、冷間成形される角形鋼管柱８１の角部８１ｃはアールを有するため、角形鋼管柱８１の側面の平坦な部分に比べて、外ダイアフラム８３を溶接しにくい。特に、角形鋼管柱８１に外ダイアフラム８３を完全溶込み溶接または部分溶込み溶接により接合する場合には、角形鋼管柱８１の角部８１ｃ付近に取り付く外ダイアフラム８３に開先加工を施すことが難しい。

また、図１３（ｂ）に示すように、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱８１とＨ形鋼梁８２との接合部では、柱梁接合部の耐力を確保するために、角形鋼管柱８１の側面からの外ダイアフラム８３の突出幅８３ｈを大きくすることが多い。よって、外ダイアフラム８３が取り付けられた角形鋼管柱８１を鉄骨製作工場で製作し、これを建設現場に搬入するとき、外ダイアフラム８３の突出幅８３ｈが大きいと、運搬車両に一度に積載できる角形鋼管柱８１の本数が制限されてしまい、運搬効率が悪化しやすい。

そこで、特許文献１および特許文献２では、外ダイアフラムの突出幅を抑えつつ柱梁接合部の耐力を確保可能な外ダイアフラムおよびこれを用いた柱梁接合構造が提案されている。

具体的には、特許文献１では、角形鋼管柱の外周面に沿うように平鋼を面外に折り曲げて形成したスリーブ状の外ダイアフラムを用いることにより、従来の外ダイアフラムに比べて平面形状を縮小することが提案されている。

また、特許文献２では、４枚のＬ字形鋼片を組み合わせて外ダイアフラムを構成し、Ｌ字形鋼片に板厚の大きい材料を用いることにより、外ダイアフラムの寸法を抑えることが提案されている。Ｌ字形鋼片どうしの接合は、表裏面での隅肉溶接や部分溶け込み溶接などにより行われている。

特開２００６－００２３５１号公報 特開２０１６－１０８８６８号公報

ここで、角形鋼管柱と外ダイアフラムとの溶接部の品質を確保するには、角形鋼管柱と外ダイアフラムのルート間隔を適切な精度で確保する必要がある。ルート間隔が小さすぎると溶接欠陥が生じやすくなり、ルート間隔が大きすぎると溶接量が増大して施工性が悪化するためである。しかし、特許文献１では、平鋼を面外に折り曲げる際に平鋼内に局所的な残留応力が発生するため、外ダイアフラム製作時の寸法精度、および外ダイアフラムを角形鋼管柱に取り付けるときの組立精度を確保することが難しいという課題がある。

また、特許文献１および特許文献２では、角形鋼管柱と外ダイアフラムとを、ガスシールドアーク溶接による隅肉溶接により、または外ダイアフラムに開先加工を施した上で部分溶込み溶接により接合することを前提としている。よって、通しダイアフラム形式で採用されるロボット溶接などの自動溶接と比べると、製作効率が低くなりやす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、製作効率が高く、部材どうしの組立精度を確実に確保できる、角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造および接合構造の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の特徴を有する。

［１］ 角形鋼管柱に、外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁が接合されてなる、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合構造であって、前記角形鋼管柱の側面と前記外ダイアフラムの端面との間に、当て金により囲まれた溶接用の孔が設けられ、該溶接用の孔にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填して形成された溶接部により、前記角形鋼管柱と前記外ダイアフラムとが接合されている、角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。

［２］ 前記外ダイアフラムは、前記角形鋼管柱の角部まで延長され、前記角形鋼管柱の角部はアールを有するとともに、該アールにより前記外ダイアフラムとの間に生じる隙間には、鋼板からなる埋め材が設けられ、前記溶接用の孔が、前記角形鋼管柱の側面から前記埋め材の側面まで直線状に延長されている、［１］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。

［３］ 前記溶接用の孔が前記外ダイアフラムの板厚方向に二つ以上の孔に分割されるように、前記溶接用の孔の内部に鋼片からなる隔壁が設けられている、［１］または［２］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。

［４］ 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、［１］または［２］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。

［５］ 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、［３］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。

［６］ 角形鋼管柱に、外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁を接合する、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合構造の製造方法であって、前記角形鋼管柱の側面と前記外ダイアフラムの端面との間を当て金で囲むことにより溶接用の孔を設け、該溶接用の孔に１００～１５００ｋＪ／ｃｍの入熱量でエレクトロスラグ溶接を行うことにより溶融金属を充填して溶接部を形成することで、前記角形鋼管柱と前記外ダイアフラムとを接合する、角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。

［７］ 前記外ダイアフラムは、前記角形鋼管柱の角部まで延長されるとともに、前記角形鋼管柱の角部はアールを有し、該アールにより前記外ダイアフラムとの間に生じる隙間に、鋼板からなる埋め材を設けることで、前記溶接用の孔が、前記角形鋼管柱の側面から前記埋め材の側面まで直線状に延長される、［６］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。

［８］ 前記溶接用の孔が前記外ダイアフラムの板厚方向に二つ以上の孔に分割されるように、前記溶接用の孔の内部に鋼片からなる隔壁を設ける、［６］または［７］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。

［９］ 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、［６］または［７］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。

［１０］ 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、［８］に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。

本発明に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造および接合構造の製造方法では、角形鋼管柱と外ダイアフラムとがエレクトロスラグ溶接により接合されている。エレクトロスラグ溶接は、最大で数百万Ｊ／ｃｍ程度の大入熱を与える溶接方法であり、手動または半自動のガスシールドアーク溶接と比べて、きわめて能率が高い。よって、ガスシールドアーク溶接により接合される一般的な外ダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造に比べて、製作効率を大幅に高めることができる。

また、本発明に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造および接合構造の製造方法では、角形鋼管柱と外ダイアフラムとのエレクトロスラグ溶接は、角形鋼管柱の外部から行われる。よって、角形鋼管柱の側面と外ダイアフラムの端面とのルート間隔や当て金などの組立精度を確実に確保できる。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の平面図である。 図２は、本発明の第一の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の要部を示す縦断面図である。 図３は、本発明の第一の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の要部を示す縦断面図である。 図４は、本発明の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造における鋼板の形状を示す図である。 図５（ａ）～図５（ｃ）は、本発明の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製作手順を示す図である。 図６は、本発明の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造における外ダイアフラムの形状の一例を示す平面図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、本発明の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造における外ダイアフラムの形状の他の例を示す平面図である。 図８は、本発明の第二の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の要部を示す縦断面図である。 図９は、本発明の第二の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の要部を示す縦断面図である。 図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、通しダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部を示す斜視図および平面図である。 図１１は、通しダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部の要部を示す縦断面図である。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、内ダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部を示す斜視図および平面図である。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部を示す斜視図および平面図である。 図１４は、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部の要部を示す縦断面図である。 図１５は、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部の要部を示す縦断面図である。 図１６は、外ダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合部の要部を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造および接合構造の製造方法の実施形態について、詳細に説明する。
（第一の実施形態）
図１に、本発明の第一の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の平面図を示す。また、図２および図３に、本発明の第一の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の要部の縦断面図を示す。

図１～図３に示すように、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造は、角形鋼管柱１に、外ダイアフラム３を介してＨ形鋼梁２が接合されたものである。具体的には、図２に示すように、角形鋼管柱１の側面と外ダイアフラム３の端面との間に、当て金３１により囲まれた溶接用の孔３２が設けられる。そして、図３に示すように、溶接用の孔３２にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填して形成された溶接部５により、角形鋼管柱１と外ダイアフラム３とが接合されている。

図１に示すように、エレクトロスラグ溶接の溶接用の孔３２の断面形状は、内ダイアフラム形式による箱形断面柱とＨ形鋼梁との接合部におけるスキンプレートと内ダイアフラムとの間のエレクトロスラグ溶接の溶接用の孔と同様に、矩形状とされている。

また、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造では、図１に示すように、外ダイアフラム３は、角形鋼管柱１の角部１ｃまで、さらに角部１ｃを超えた先まで延長されている。また、角形鋼管柱１の角部１ｃはアールを有するとともに、このアールにより外ダイアフラム３との間に生じる隙間には、図４に示すように、角部１ｃの形状に合わせて鋼板により形成された埋め材４が設けられている。

そして、当て金３１および溶接用の孔３２が、角形鋼管柱１の側面から埋め材４の側面まで、直線状に延長されている。また、図１において紙面の横方向に延びる当て金３１および溶接用の孔３２は、角形鋼管柱１の側面から埋め材４の側面まで、さらに外ダイアフラム３どうしの間まで、直線状に延長されている。すなわち、溶接用の孔３２は、角形鋼管柱１の側面上では、角形鋼管柱１と、外ダイアフラム３と、当て金３１とにより囲まれて形成され、角形鋼管柱１の角部１ｃでは、埋め材４と、外ダイアフラム３と、当て金３１とにより囲まれて形成されている。また、図１において紙面の横方向に延びる溶接用の孔３２の両端部は、外ダイアフラム３どうしの間と、当て金３１とにより囲まれて形成されている。このような構成により、外ダイアフラム３を、角形鋼管柱１の角部１ｃまで、さらに角部１ｃを超えた先の外ダイアフラム３どうしの間まで、角形鋼管柱１の外径以上の長さに亘って、エレクトロスラグ溶接により接合することが可能とされている。

角形鋼管柱１に接続するＨ形鋼梁２には、圧延成形されるＨ形鋼および溶接組立Ｈ形鋼のいずれも使用できる。

また、当て金３１には、内ダイアフラム形式による箱形断面柱とＨ形鋼梁との接合部におけるスキンプレートと内ダイアフラムとの間のエレクトロスラグ溶接で使用される鋼材と同様のものを使用できる。

角形鋼管柱１の角部１ｃに取り付ける埋め材４には、外ダイアフラム３の強度と同等以上の強度を有する鋼板を用いる。また、エレクトロスラグ溶接を行いやすくするために、埋め材４の板厚は外ダイアフラム３の板厚ｔ_ｄと同等以上とする。

また、エレクトロスラグ溶接中に溶融金属が溶接用の孔３２から漏れ出さないように、角形鋼管柱１の角部１ｃのアール開始位置においては、埋め材４は角形鋼管柱１と接触するように配置される。これに対し、角形鋼管柱１の角部１ｃのアール中央位置においては、角形鋼管柱１と埋め材４とは必ずしも接触している必要はなく、埋め材４と角形鋼管柱１の角部１ｃとの間に隙間があっても良い。例えば、図４では、埋め材４のうち角形鋼管柱１の角部１ｃと対向する側面が、角部１ｃのアール形状に合わせた曲面状に形成されている例を示したが、埋め材４のうち角形鋼管柱１の角部１ｃと対向する側面の一部に平面が含まれるようにしても良い。

また、外ダイアフラム３の降伏強度は、外ダイアフラム３に取り付くＨ形鋼梁２のフランジの降伏強度よりも大きくすることが好ましい。このようにすると、地震時などにＨ形鋼梁２のフランジ２１から角形鋼管柱１の側面に作用する応力に対して、柱梁接合部の耐力を低下させることなく、図１に示す外ダイアフラム３の突出幅ｈ_ｄを低減できる。そして、外ダイアフラム３が取り付けられた角形鋼管柱１を鉄骨製作工場で製作し、これを建設現場に搬入するとき、外ダイアフラム３の突出幅ｈ_ｄによって角形鋼管柱１の運搬効率が損なわれにくくなる。

図５（ａ）～図５（ｃ）に、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製作手順を示す。

まず、図５（ａ）に示すように、角形鋼管柱１の角部１ｃに埋め材４を取り付ける。埋め材４を角形鋼管柱１に取り付けるに際しては、角形鋼管柱１の角部１ｃに直接溶接するのは避け、角形鋼管柱１の角部１ｃのアール開始位置に、埋め材４の先端を板厚方向に溶接するようにすることが好ましい。このようにすると、冷間ロール成形角形鋼管や冷間プレス成形などにより製造される角形鋼管柱１の角部１ｃにおける、溶接に起因する力学的性能の低下を抑制できる。

次に、図５（ｂ）に示すように、角形鋼管柱１を横に寝かせた状態で、対向する２つの側面に、外ダイアフラム３および当て金３１を仮付けして、角形鋼管柱１の側面から埋め材４の側面まで、直線状に溶接用の孔３２を設ける。そして、溶接用の孔３２にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填して形成された溶接部５を形成し、角形鋼管柱１と外ダイアフラム３とを接合する。

さらに、角形鋼管柱１を９０°回転させる。そして、図５（ｃ）に示すように、角形鋼管柱１の残りの２つの側面に、外ダイアフラム３および当て金３１を仮付けして、角形鋼管柱１の側面から埋め材４の側面まで、さらに外ダイアフラム３どうしの間まで、直線状に溶接用の孔３２を設ける。そして、溶接用の孔３２にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填して形成された溶接部５を形成し、角形鋼管柱１と外ダイアフラム３とを接合する。

なお、上述の製作手順の例では、最初に、角形鋼管柱１の角部１ｃに埋め材４を取り付けているが、埋め材４と外ダイアフラム３と当て金３１とを一体に組み合わせた部材を予め製作しておき、この部材を角形鋼管柱１に取り付けるようにしても良い。このようにすると、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製作手順を簡略化できる。

本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造では、外ダイアフラム３が角形鋼管柱１の外側に取り付けられるため、角形鋼管柱１と外ダイアフラム３とのエレクトロスラグ溶接は、角形鋼管柱１の外部から行われる。よって、角形鋼管柱１の表面と外ダイアフラム３の端面とのルート間隔Ｇや当て金３１などの組立精度を確実に確保できる。

なお、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造における角形鋼管柱１の表面と外ダイアフラム３の端面とのルート間隔Ｇは、内ダイアフラム形式による箱形断面柱とＨ形鋼梁との接合部における箱形断面柱の内面と内ダイアフラムの端面とのルート間隔と同様に、適宜の寸法に設定できる。

また、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造では、角形鋼管柱１と外ダイアフラム３とがエレクトロスラグ溶接により接合されている。よって、ガスシールドアーク溶接により接合される一般的な外ダイアフラム形式による角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造に比べて、製作効率を大幅に高めることができる。

図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）、および図７（ｂ）に、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造における、外ダイアフラム３の形状の変形例を示す。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、外ダイアフラム３Ａの幅を、図１に示す外ダイアフラム３の幅よりも縮小した変形例である。図１に示した例では、角形鋼管柱１の角部１ｃに埋め材４を取り付けることで、角形鋼管柱１の外径以上の幅を有する外ダイアフラム３をエレクトロスラグ溶接で接合可能としたのに対し、本変形例では、角形鋼管柱１の角部１ｃに埋め材４を取り付ける必要が無い。本変形例では、角形鋼管柱１の角部１ｃのアールにかからない位置まで外ダイアフラム３を延長できる。角形鋼管柱１と外ダイアフラム３とは、図１～図３に示した例と同様に、溶接用の孔３２にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填して形成された溶接部５により接合されている。また、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、角形鋼管柱１に取り付くＨ形鋼梁２の本数に応じて、角形鋼管柱１の４つの側面のうち１～４面に、外ダイアフラム３が接合される。

図４（ａ）は、外ダイアフラム３Ｂとして、多角形に形成された鋼板を用いた変形例である。また、図４（ｂ）は、外ダイアフラム３Ｃの平面形状の一部に円弧を有するようにした変形例である。図４（ｂ）に示すように、外ダイアフラム３Ｃの平面形状の一部に円弧を有するようにすると、Ｈ形鋼梁２のフランジ２１から外ダイアフラムを経由して角形鋼管柱１の側面へと応力を円滑に伝達できる。よって、外ダイアフラム３に亀裂や破断が生じることを抑制できるので好ましい。

また、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法は、上述の角形鋼管柱１とＨ形鋼梁２の接合構造を製作する際に、入熱量が１００～１５００ｋＪ／ｃｍとなるようにエレクトロスラグ溶接を行うことにより実現される。
（第二の実施形態）
図８および図９に、本発明の第二の実施形態に係る角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の要部の縦断面図を示す。

図８および図９に示すように、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造では、第一の実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造に比べて、Ｈ形鋼梁２のフランジ２１および外ダイアフラム３の板厚が大きい。一般の建築構造用鋼材に対して、大入熱のエレクトロスラグ溶接を適用すると、エレクトロスラグ溶接による溶接部５の靭性が低下して、地震時にＨ形鋼梁２のフランジ２１から外ダイアフラム３に伝達する応力により、溶接部５で脆性破断が生じやすい。特に、本実施形態のように、外ダイアフラム３の板厚が大きい場合には、エレクトロスラグ溶接時に溶接用の孔の周囲の部材への溶接金属の溶込みを確保するために必要となる入熱量が増大するため、溶接部５の著しい靭性低下を引き起こしやすくなる。

そこで、本実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造では、図８および図９に示すように、角形鋼管柱１の表面、外ダイアフラム３の端面と、当て金３１とにより囲まれて設けられた溶接用の孔の内部に、鋼片からなる隔壁３３が設けられている。これにより、角形鋼管柱１の表面、外ダイアフラム３の端面と、当て金３１とにより囲まれて設けられた溶接用の孔が、外ダイアフラム３の板厚方向に二つの溶接用の孔３４、３５に分割されている。このようにすると、各溶接用の孔３４、３５の外ダイアフラム３の板厚方向の幅ｗ_１、ｗ_２を小さくすることができる。すなわち、Ｈ形鋼梁２のフランジ２１や外ダイアフラム３の板厚が大きい場合でも、エレクトロスラグ溶接時に溶接用の孔の周囲の部材への溶接金属の溶込みを確保するために必要となる入熱量を抑えることができ、溶接部５の著しい靭性低下を抑制できる。

以上、本発明の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造および接合構造の製造方法の実施形態について説明したが、本発明の具体的な構成は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更することが可能である。

例えば、図８および図９では、溶接用の孔３４、３５の幅ｗ_１、ｗ_２が同一の場合を示したが、溶接用の孔３４、３５の幅ｗ_１、ｗ_２を異ならせても良い。また、図８および図９では、角形鋼管柱１の側面、外ダイアフラム３の端面と、当て金３１とにより囲まれて設けられた溶接用の孔が二つの溶接用の孔３４、３５に分割されている例を示したが、外ダイアフラム３の板厚方向に三つ以上の溶接用の孔に分割しても良い。地震時などにＨ形鋼梁２のフランジ２１から外ダイアフラム３に伝達する応力に対して、溶接部５の脆性破断を効果的に抑制できるように、使用する鋼材の種類、寸法、エレクトロスラグ溶接の溶接条件などを考慮して、溶接用の孔の分割数や幅を適宜設定することが好ましい。

第二の実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造において、溶接用の孔の内部に隔壁３３を設けて、外ダイアフラム３の板厚方向に二つの溶接用の孔３４、３５に分割することにより、エレクトロスラグ溶接の入熱量をどの程度小さくできるかについて検証を行った。

まず、図２および図３に示した第一の実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造に基づく計算例Ｎｏ．１～３を設定した。表１に、計算例Ｎｏ．１～３の各々における、角形鋼管柱１の外径Ｄ_ｃおよび肉厚ｔ_ｃ、外ダイアフラム３の突出幅ｈ_ｄおよび板厚ｔ_ｄ、溶接用の孔３２のルート間隔Ｇおよび幅ｗ_０を示す。

表１に示すとおり、計算例Ｎｏ．１～３では、角形鋼管柱１の外径Ｄ_ｃを５００ｍｍ、８００ｍｍ、１０００ｍｍの三種類に変化させた。また、角形鋼管柱１の外径Ｄ_ｃの大きさに対応するように、計算例Ｎｏ．１～３において、角形鋼管柱１の肉厚ｔ_ｃ、ならびに外ダイアフラム３の突出幅ｈ_ｄおよび板厚ｔ_ｄを変化させた。溶接用の孔３２のルート間隔Ｇは、計算例Ｎｏ．１～３の全てにおいて、２３ｍｍに設定した。

エレクトロスラグ溶接時に溶接用の孔３２の周囲の部材への溶接金属の溶込みを確保するために必要となる入熱量は、溶接用の孔３２の周囲の部材の寸法に依存して変化する。そこで、本実施例では、計算の基準として、計算例Ｎｏ．１の入熱量が３００ｋＪ／ｃｍであるものと仮定した。そして、計算例Ｎｏ．２、３の入熱量の計算は、計算例Ｎｏ．１に対する計算例Ｎｏ．２、３の溶接用の孔３２の断面積、角形鋼管柱１の肉厚ｔ_ｃ、外ダイアフラム３の突出幅ｈ_ｄおよび板厚ｔ_ｄによる放熱量の変化に基づいて行った。この計算結果を、表１に併せて示す。

表１の計算例Ｎｏ．１～３から分かるように、外ダイアフラム３の板厚ｔ_ｄが小さい場合には、エレクトロスラグ溶接の入熱量が小さく抑えられ、溶接部５の著しい靭性低下を引き起こしにくい。これに対し、外ダイアフラム３の板厚ｔ_ｄが大きくなるにつれて、エレクトロスラグ溶接の入熱量も大きくなり、溶接部５の著しい靭性低下を引き起こしやすくなる。

次に、図８および図９に示した第二の実施形態の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造に基づく計算例Ｎｏ．３Ａを設定して、エレクトロスラグ溶接の入熱量を計算した。表２に、計算例Ｎｏ．３Ａにおける、角形鋼管柱１の外径Ｄ_ｃおよび肉厚ｔ_ｃ、外ダイアフラム３の突出幅ｈ_ｄおよび板厚ｔ_ｄ、溶接用の孔３４、３５のルート間隔Ｇおよび幅ｗ_１、ｗ_２を示す。計算例Ｎｏ．３Ａは、表１に示した計算例Ｎｏ．３の溶接用の孔３２の内部に隔壁３３を設けて、外ダイアフラム３の板厚方向に二つの溶接用の孔３４、３５に分割したものである。計算例Ｎｏ．３Ａにおける隔壁３３の厚さＢは１５ｍｍとし、溶接用の孔３４、３５の幅ｗ_１、ｗ_２がそれぞれ２２．５ｍｍになるものとした。

そして、計算例Ｎｏ．１～３と同様の方法で、計算例Ｎｏ．３Ａについて、エレクトロスラグ溶接による入熱量を計算した。この計算結果を、表２に併せて示している。

表２の計算例Ｎｏ．３Ａから分かるように、エレクトロスラグ溶接の溶接用の孔を隔壁３３で二つの溶接用の孔３４、３５に分割して、各溶接用の孔３４、３５にエレクトロスラグ溶接を施すことで、表１の計算例Ｎｏ．１と同程度まで入熱量が小さく抑えられている。つまり、エレクトロスラグ溶接の溶接用の孔を隔壁３３で二つの溶接用の孔３４、３５に分割して、各溶接用の孔３４、３５にエレクトロスラグ溶接を施すことで、溶接部５の著しい靭性低下を抑制できることが確認された。

１ 角形鋼管柱
１ｃ 角部
２ Ｈ形鋼梁
２１ フランジ
２２ ウェブ
３、３Ａ～３Ｃ 外ダイアフラム
３１ 当て金
３２、３４、３５ 溶接用の孔
３３ 隔壁
４ 埋め材
ｗ_０～ｗ_２ 溶接用の孔の幅
５ 溶接部
Ｄ_ｃ 角形鋼管柱の外径
ｔ_ｃ 角形鋼管柱の肉厚
ｔ_ｄ 外ダイアフラムの板厚
ｈ_ｄ 外ダイアフラムの突出幅
Ｇ ルート間隔
Ｂ 隔壁の厚さ
８１ 角形鋼管柱
８１ｃ 角部
８２ Ｈ形鋼梁
８２１ フランジ
８３ 外ダイアフラム
８３ｈ 外ダイアフラムの突出幅
８４ 内ダイアフラム
８５ 通しダイアフラム
８６～８９ 溶接部

Claims (10)

1. 角形鋼管柱に、外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁が接合されてなる、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合構造であって、
   前記角形鋼管柱の側面と前記外ダイアフラムの端面との間に、当て金により囲まれた溶接用の孔が設けられ、該溶接用の孔にエレクトロスラグ溶接により溶融金属を充填して形成された溶接部により、前記角形鋼管柱と前記外ダイアフラムとが接合されている、角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。
2. 前記外ダイアフラムは、前記角形鋼管柱の角部まで延長され、
   前記角形鋼管柱の角部はアールを有するとともに、該アールにより前記外ダイアフラムとの間に生じる隙間には、鋼板からなる埋め材が設けられ、
   前記溶接用の孔が、前記角形鋼管柱の側面から前記埋め材の側面まで直線状に延長されている、請求項１に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。
3. 前記溶接用の孔が前記外ダイアフラムの板厚方向に二つ以上の孔に分割されるように、前記溶接用の孔の内部に鋼片からなる隔壁が設けられている、請求項１または請求項２に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。
4. 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、請求項１または請求項２に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。
5. 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、請求項３に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造。
6. 角形鋼管柱に、外ダイアフラムを介してＨ形鋼梁を接合する、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との接合構造の製造方法であって、
   前記角形鋼管柱の側面と前記外ダイアフラムの端面との間を当て金で囲むことにより溶接用の孔を設け、該溶接用の孔に１００～１５００ｋＪ／ｃｍの入熱量でエレクトロスラグ溶接を行うことにより溶融金属を充填して溶接部を形成することで、前記角形鋼管柱と前記外ダイアフラムとを接合する、角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。
7. 前記外ダイアフラムは、前記角形鋼管柱の角部まで延長されるとともに、前記角形鋼管柱の角部はアールを有し、
   該アールにより前記外ダイアフラムとの間に生じる隙間に、鋼板からなる埋め材を設けることで、前記溶接用の孔が、前記角形鋼管柱の側面から前記埋め材の側面まで直線状に延長される、請求項６に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。
8. 前記溶接用の孔が前記外ダイアフラムの板厚方向に二つ以上の孔に分割されるように、前記溶接用の孔の内部に鋼片からなる隔壁を設ける、請求項６または請求項７に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。
9. 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、請求項６または請求項７に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。
10. 前記外ダイアフラムの降伏強度が前記Ｈ形鋼梁のフランジの降伏強度よりも大きい、請求項８に記載の角形鋼管柱とＨ形鋼梁の接合構造の製造方法。

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