JP2750098B2 - H形断面梁の補強構造 - Google Patents

H形断面梁の補強構造

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本願発明は、構造部材としてのH
形鋼等のH形断面(梁の場合、実際にはHを横向きに
したI形断面が普通であるが、説明の都合上、H形断面
呼ぶ。以下の説明においても同様)の補強構造に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】H形断面梁等の構造部材においては、圧
縮側フランジの座屈により部材の耐荷能力が急激に低下
するという問題がある。この問題に対しては、大きな曲
げモーメントを受ける部分にスティフナーあるいは補強
リブを設けて補剛したり、部材として座屈を生じる恐れ
がある場合に、剛性を上げるための補強リブ等を設ける
ことが一般に行われている。
【0003】また、一般に、梁は曲げを受ける主軸まわ
りの剛性に比べ、横方向の剛性が小さく、横座屈(横倒
れ座屈)する危険がある。そのため、設計では、主梁に
対し、これと直交するつなぎ梁等で横倒れしないよう拘
束する。
【0004】さらに、耐震設計上、部材の塑性化とその
後の変形能力を維持する必要がある場合には、梁が横座
屈して耐力劣化しないよう、相当密につなぎ梁等の横座
屈止めを配置しなければならない。
【0005】こうして配置されるつなぎ梁や材端部の火
打ち材は、架構を極めて煩雑にし、設計上問題の多いと
ころである。
【0006】一方、特開昭59−61645号公報に
は、梁の曲げ耐力を向上させることを目的として、大き
な曲げ剛性を必要とする部分のみ、H形断面部材等の上
下フランジ間に溝形断面部材を嵌合し、ボルトで合着し
たり、フランジとウェブとの隅角部に山形断面部材を合
着し、構造部材の外形寸法を増すことなく、構造部材の
強度を高めた増強梁の構成方法が開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】特開昭59−6164
5号公報に記載された発明他、従来の構造部材に対する
補強の考え方は、梁等、構造部材の曲げ耐力を向上させ
るものであり、また補強リブによる座屈補剛も行われる
が、これは補強リブを所要間隔で設け、座屈長さを短く
することで、強度向上を図ったものである。
【0008】しかし、従来の座屈補剛は、大変形により
一旦座屈が生じると、構造部材としての耐力が急激に劣
化し、構造的に成り立たなくなってしまう場合もある。
【0009】形鋼梁についてみた場合、塑性化が進展
する領域では圧縮側フランジの剛性低下が著しく、圧縮
フランジの局部座屈変形が拡大するとともに、それがウ
ェブに波及し、梁全体として曲げねじれ変形を伴い、横
座屈破壊する。従って、梁が塑性化する領域にあって
は、ウェブに添接した補剛部材により、ウェブが健全化
するとともに、補剛部材が弾性を持続することで、それ
程大きくない補剛部材でも梁本体の横座屈を防止するの
に十分な剛性が期待でき、さらにはフランジの局部座屈
変形に伴う耐力劣化を補いつつ、安定した変形性能を確
保することができる。
【0010】本願発明は従来技術における上述のような
問題点を解決し、H形断面部材からなる構造部材につい
て、圧縮側フランジの局部座屈に対する急激な崩壊や横
座屈が防止可能なH形断面梁の補強構造を提供すること
を目的としたものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本願発明は、ウェブの両
端にフランジを有するH形断面梁について、部材断面の
中立軸またはその近傍に、中立軸方向に延びる所定のね
じり剛性を有する中空管状の補強部を設け、補強部のね
じり剛性により横座屈を防止しつつ、圧縮側フランジの
変形の進行に伴い中立軸近傍に生じる応力の一部を、徐
々にこの中空管状の補強部で受け持たせるようにしたも
のである。
【0012】圧縮側フランジの変形及び耐力減少に伴
い、H形断面の実質的な中立軸が引張側にずれて行
き、その耐力劣化分を補強部が順次分担し、圧縮側フラ
ンジの座屈に伴う耐力の低下を補うことができる。
【0013】中空管状の補強部はH形断面の全長にわ
たって設ける場合と、一部に設ける場合とがある。一部
に設ける場合は、例えば梁におけるモーメント分布に対
応させて設ければよい。通常、地震等水平方向から力を
受ける建物にあっては、梁は両材端で大きな曲げを受け
る逆対象分布となるため、材端部近傍に補強部を設ける
ことが横座屈防止の面でも効果的である。
【0014】補強部の形態としては、補強部材としての
所定のねじり剛性を有する半割り鋼管部材を、H形断面
のウェブの両面または片面に添接するもの、中空管状
の補強部をH形断面と一体に成形するもの、補強部と
しての鋼管部材の上下にT形鋼のウェブ先端を溶接して
H形断面とするもの等、いくつかのケースが考えられ
る。
【0015】このような中空管状の補強部は、圧縮側フ
ランジの座屈に対する補強効果に加え、ねじり剛性が小
さい開断面のH形断面梁について、部材断面の中立軸近
傍に閉断面部を形成することで、ねじり剛性の大幅な向
上が可能となり、横座屈を防止する効果大きい。
【0016】また、閉断面を形成する半割り鋼管や鋼管
部材からなる中空管状の補強部を配管または配線用のダ
クトとして兼用したり、さらにその所定位置にダクト用
の接続口を設ける等して空間の有効利用を図ることも可
能である。
【0017】
【実施例】次に、本願発明の実施例を図面に基づいて説
明する。
【0018】図1は本願発明の一実施例を示したもの
で、本実施例はH形断面梁としてのH形鋼1のウェブ4
の両面中央部に、補強部材として半割りの鋼管55を溶
接し、ねじりに弱い開断面部材の断面の一部に閉断面部
分を形成したものである。
【0019】半割りの鋼管55は、H形鋼1の中立軸上
にその長手方向に沿って、ウェブ4の両面に取り付けて
あり、通常の荷重状態ではこの鋼管55はほとんど荷重
を負担しない。
【0020】圧縮側フランジの座屈によるH形断面梁
縮側の耐力減少に伴い、梁全体の中立軸が引張側にずれ
て行き、耐力劣化分を補強部材としての鋼管55が順次
分担して行く。
【0021】これにより、上下フランジ2,3の圧縮側
フランジの座屈による急激な耐荷能力の低下を防止して
いる。また、材端部等におけるフランジの局部座屈に対
する補強効果に加え、部材のねじり剛性を大幅に増し、
横座屈に対しても有効である。
【0022】なお、本実施例では鋼管55の端部が柱1
0に当接し、梁端部における下フランジ3の座屈変形
(あるいは梁長手方向中央部における上フランジ2の座
屈変形)によって増大する鋼管55長手方向の応力を柱
10に直接伝達する形になっている。
【0023】図2は、図1の実施例に対応する半割り鋼
管55を用いた場合のねじり剛性の増加に関する解析モ
デル図である。
【0024】図2(a) は、モデルに設定したH形鋼であ
り、h/b=3、b/tf =10、tf /tw =2とし
て計算した(ただし、bはフランジ幅、hは高さ、tw
はウェブ厚、tf はフランジ厚である)。図2(b) は、
ケース1として、d/b=1、d/td =10の条件を
満たす補強部材を用いた場合(ただし、dは半割りの薄
板管体の外径、td は薄板管体の板厚)である。図2
(c) は、同様にケース2として、d/b=1.2、d/
d =10の条件を満たす補強部材を用いた場合であ
る。材質は全て同じものとする。
【0025】以上の条件の下に計算すると、ケース1お
よびケース2における各断面のねじり定数は、それぞれ
補強部材がない場合の約50倍、約100倍となる。ま
た、大スパンの梁の弾性横座屈荷重は、概略ねじり剛性
の平方根に比例するので、ケース1、ケース2で、それ
ぞれ補強前のI形断面に比べ約7倍、約10倍となる。
【0026】図3は、補強部材としての半割り鋼管55
の効果を確認するための実験に用いた試験体及び試験方
法を、図4は試験結果を示したものである。
【0027】この実験は梁の曲げ実験であり、試験体と
しては、高さ300mm、フランジ幅100mm、ウェブ厚
6mm、フランジ厚10mm、長さ3000mm、部材の降伏
点σy =40.5kg/mm2 のH形鋼を用いた。このH形
鋼1の断面中立軸に関し、ウェブ4の両側に補強部材と
して、直径89.1mm、厚さ3.2mmの半割り鋼管55
を水平に溶接した。この試験体の両端に曲げモーメント
Mを作用させ、上下フランジ2,3の横方向変形u1
2 を求めた。
【0028】なお、図4のグラフにおいて、縦軸は曲げ
モーメントMを全塑性モーメントMp で無次元化し、横
軸は横方向変形uをフランジ幅bで割って無次元化して
いる。
【0029】A1 、A2 で示される実線がそれぞれ本発
明の補強を行った場合の曲げモーメントと横座屈に伴う
上下フランジ2,3の横方向変形の関係であり、B1
2で示される破線が無補強の場合の曲げモーメント
と、横座屈に伴う上下フランジ2,3の横方向変形の関
係である。
【0030】半割り鋼管55で両面から補強したことに
より、元の断面に比べねじり剛性が25倍強になり、図
に示されるように、無補強の場合には塑性モーメントの
0.5倍程度で弾性座屈したものが、塑性モーメント近
傍まで横座屈しなかった。また、ねじり剛性の小さな無
補強梁では加力初期から横方向への変形が生じたのに対
し、本発明の補強梁では最大荷重近くまで横振れせず、
極めて安定している。上フランジ2と下フランジ3の横
変形から、補強梁では無補強梁に比べ、ねじれ難い様子
がわかる。
【0031】図5〜図7は、他の実施例として、閉断面
を形成する溝状断面の補強部材65の内部を空調等のダ
クトに兼用できるようにした場合の実施例を示したもの
である。図6は図5のG−G断面、図7は図5のH−H
断面に相当する。
【0032】補強部材65はH形鋼1の全長またはかな
りの部分に取り付けることが望ましい。本実施例におい
て、補強部材65はボルト66によりH形鋼1のウェブ
4に固定されている。図中、67はH形鋼1に設けた貫
通穴、68は補強部材65に設けたダクト用の接続口で
ある。
【0033】図8及び図9は図1の実施例の変形例に相
当する。図1の実施例ではH形鋼1に対し半割り鋼管5
5を溶接していたのに対し、図8の実施例では、補強部
としての丸鋼管状部75と上下に設けたT字状部72,
73とで略H字形のH形断面梁71を一体成形すること
により、さらに断面の合理化を図ったものである。機能
的には図1の場合と略同じであり、同様の形状は、丸鋼
管の上下にT形鋼のウェブ先端を溶接することによって
も得られる。
【0034】図8の実施例では補強部の断面が円形であ
るのに対し、図9の実施例では角形に近い形状となって
いる(角鋼管状部75’)。
【0035】図10〜図12は、図5〜図7の実施例と
同様、補強部を空調等のダクトに兼用できるようにした
場合の実施例を示したもので、構造部材は図8の丸鋼管
状部75とT字状部72,73からなるH形断面梁71
に相当する。図11は図10のI−I断面、図12は図
10のJ−J断面に相当し、図中、76は所定間隔で設
けた補強リブ、77は補強部としての丸鋼管状部75に
対し、直角な方向に設けた接続口である。
【0036】
【発明の効果】 H形断面における圧縮側フランジ
の局部座屈に対し、中立軸またはその近傍に設けた中空
管状の補強部が耐荷能力の低下分を負担し、構造部材全
体としての崩壊を有効に防止することができる。
【0037】 開断面部材であるH形断面梁の中立軸
近傍に閉断面を形成する補強部が形成されることで、上
記効果に加えてねじり剛性を大幅に増大させ、横座屈防
止効果が得られる。
【0038】 補強部はH形断面梁の中立軸またはそ
の近傍に設けることで、初期の応力変形状態にはほとん
ど関与せず、設計を複雑にすることがない。
【0039】 H形断面梁の部材端部に適用した場合
等においては、圧縮側フランジの座屈に伴う耐荷能力の
低下を補うとともに、部材端部における塑性変形能力を
発揮させることができる。
【0040】 補強部によって形成される閉断面をダ
クトに兼用し、空間の有効利用を図ることも可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本願発明の一実施例を示す斜視図である。
【図2】 (a) 〜(c) は半割り鋼管を補強部材として用
いた場合のねじり剛性の増加に関する解析モデル図であ
る。
【図3】 (a) は実験に用いた試験体を示す正面図、
(b) はその側面図である。
【図4】 図3の試験体についての試験結果を示すグラ
フである。
【図5】 本願発明の他の実施例を示す正面図である。
【図6】 図5のG−G断面図である。
【図7】 図5のH−H断面図である。
【図8】 図1の実施例の変形例として、一体成形の場
合の一実施例を示すH形断面梁の側面図である。
【図9】 一体成形の場合の他の実施例を示すH形断面
の側面図である。
【図10】 補強部をダクトに兼用した場合の実施例を
示す正面図である。
【図11】 図10のI−I断面図である。
【図12】 図10のJ−J断面図である。
【符合の説明】
1…H形鋼、2…上フランジ、3…下フランジ、4…ウ
ェブ、10…柱、55…半割り鋼管、65…補強部材、
66…ボルト、67…貫通穴、68…ダクト用接続口、
71…H形断面梁、72,73…T字状部、75…丸鋼
管状部、75’…角鋼管状部75’

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ウェブの両端にフランジを有するH形断
    面梁の部材断面の中立軸またはその近傍に、中立軸方向
    に延びる所定のねじり剛性を有する中空管状の補強部を
    設け、前記補強部のねじり剛性により横座屈を防止しつ
    つ、圧縮側フランジの変形の進行に伴い前記中立軸近傍
    に生じる応力の一部を、徐々に前記補強部で受け持たせ
    るようにしたことを特徴とするH形断面梁の補強構造。
  2. 【請求項2】 前記補強部は、前記H形断面部材の部材
    断面の中立軸またはその近傍に、前記中立軸と平行また
    はほぼ平行に、H形断面部材の全長にわたって設けてあ
    る請求項1記載のH形断面梁の補強構造。
  3. 【請求項3】 前記補強部は、補強部材としての所定の
    ねじり剛性を有する半割りの鋼管部材からなり、前記ウ
    ェブの両面または片面に添接されている請求項1または
    2記載のH形断面梁の補強構造。
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