JP3854415B2 - アレスト性に優れた鋼材を用いた建築構造物 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレスト性に優れた鋼材を、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジあるいは通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジと拡幅プレートに使用して構築される建築構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、建築構造物は、大地震に対してある一定の塑性変形能力を持つものとして耐震設計されており、各々の建築構造物の有する塑性変形能力はその構造特性により判断されている。
鉄骨構造においては、鋼材が高い靭性を持つこと等を理由に建築構造物自体も高い塑性変形能力を持つものとして設計されている。
【０００３】
しかしながら先の阪神大震災では、一部の被災鉄骨建築構造物で構造部材の脆性破断が観察された。
例えば、
（１）通しダイヤフラム４を用いて角形鋼管柱３とＨ形鋼梁５を溶接ｗした図８に示すようなラーメン構造の柱梁接合部において、図９に示すように、応力集中部であるＨ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材のスカラップ６底を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生して伝播し、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材の全面が十分な塑性変形なくしてフランジ５ｆ母材で脆性破断ｃｃする例。
（２）通しダイヤフラム４を用いて角形鋼管柱３とＨ形鋼梁５を溶接ｗしたラーメン構造の柱梁接合部において、図１０に示すように、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆとダイヤフラム４が突き合わせ溶接された溶接ｗ接合始終点を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生して伝播し、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材の全面が十分な塑性変形なくして溶接部で脆性破断ｃｃする例。
などが挙げられる。
【０００４】
脆性破断は、切欠・亀裂、欠陥、構造的な応力・歪み集中部を起点として、最大主応力とほぼ直交する方向に瞬時に亀裂が伝播し、断面の一部または全断面が破断する現象である。
前述の（１）、（２）の事例は、地震力により梁端に曲げモーメントが作用し、上下フランジの内、破断した側のフランジ全面に材軸に沿って引張応力が作用した状態で発生したものと推測される。
【０００５】
これら震災の被災事例や脆性破断の特徴を鑑みると、脆性破断は切欠・亀裂、欠陥、構造的な応力・歪み集中部を有し、曲げまたは引張力を受ける建築構造部材すべてに発生する可能性がある。
例えば、次の（３），（４），（５）などが考えられる。
（３）角形鋼管８ａと角形鋼管８ｂを溶接接合するために、図１１に示すようにエレクションピース９ａ、９ｂを溶接ｗした角形鋼管柱３ａにおいては、材軸に沿って引張力が作用した場合、角形鋼管８ａ、８ｂとエレクションピース９ａ、９ｂとの溶接ｗｅ接合部近傍において、角形鋼管柱３ａの材軸の方向と直交する方向に脆性亀裂ｃｋが発生して伝播し、角形鋼管柱３ａ母材全面が脆性破断ｃｃする例。
【０００６】
（４）デッキプレートを設置するための付属金物であるデッキプレート受け金物１０を、フランジ５ｆに溶接したＨ形鋼梁５においては、図１２に示すように、デッキプレート受け金物が取り付く側のフランジ５ｆに引張力が作用するような曲げモーメントが作用した場合、溶接ｗおよび断面変化による歪み集中が発生するデッキプレート受け金物１０端部のＨ形鋼梁５のフランジ５ｆとの溶接ｗ部を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生し伝播して、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材全面が脆性破断ｃｃする例。
【０００７】
（５）角形鋼管８ａと角形鋼管８ｂを溶接ｗ接合して長さを確保した角形鋼管柱３ａにおいては、図１３に示すように、材軸に沿って引張力が作用した場合、溶接ｗによる歪み集中が発生する角形鋼管８ａと角形鋼管８ｂの溶接ｗ接合部を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生して溶接線に沿って伝播し、角形鋼管柱３ａ全面が脆性破断ｃｃする例。
【０００８】
脆性破断が発生した建築構造部材においては、十分な塑性変形を伴わずに急激に耐力が低下するため、このような建築構造部材で構築された建築構造物は、設計で期待した塑性変形能力を十分に発揮することなく崩壊に至る可能性がある。
【０００９】
現状の建築構造物の設計・施工における脆性破断防止に向けた対応としては、母材に切欠が存在する場合には、極力応力集中の緩和ができるように角部にＲを設けたり、全断面が突き合わせ溶接されるような梁フランジとダイヤフラムの溶接部ではフランジ両側にプレートを溶接して拡幅し、作用する応力を低減する等して、脆性破断の起点となる亀裂発生を防止するような配慮がなされている。
【００１０】
一方、タンク、船舶等の分野では、特開昭６０−４９８９０号公報、実開昭５９−４３８００号公報に、アレスト性（脆性亀裂伝播停止特性を意味する。以下「アレスト性」と略。）を付与して、万が一脆性亀裂が発生しても、亀裂の伝播を停止させる構造について開示がある。
【００１１】
さらに、建築構造物を構成する建築構造部材は、脆性破断が生じた場合には、即、建築構造物の崩壊に直結する可能性があり、アレスト性を利用して建築構造部材の脆性破断を防止するためには、設計で期待する塑性変形の範囲内で亀裂が発生した場合、この亀裂の伝播を数十ｍｍの範囲内で停止させる必要がある上、建築構造物の大地震に対する耐震設計においては、降伏後の塑性変形を考慮しており、降伏点以下の応力で数百ｍｍ〜数ｍの亀裂伝播の停止が必要とされる前記タンク、船舶とは異質で、厳しい特性が求められるものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、建築構造部材の脆性破断による建築構造物の全体または部分的な崩壊、急激な耐力低下の防止を目的とするものである。即ち、建築構造部材母材での脆性破断の防止、及び溶接部での脆性破断の防止を目的とするものである。
【００１３】
この脆性破断を防止するためには、２種類のアプローチがあると考えられる。
１つ目は、脆性破断の起点となる亀裂の発生を防止することである。具体的には、溶接による材料の局所的な脆化、急激な断面変化による応力集中等の亀裂発生要因を改善する従来技術で行われているアプローチである。しかしながら、こは特定箇所に対する対応であり、脆性亀裂が発生する可能性があるすべてに対して対応するのは困難である。したがって、現状の対応のみでは万が一亀裂が発生した場合には、脆性破断を回避することは難しい。
２つ目は、脆性亀裂の伝播をごく短い長さで停止させることで断面全体の脆性破断を防止するアプローチである。
【００１４】
本発明は、後者のアプローチに関わるものであり、建築構造部材に脆性亀裂が発生した場合に、この脆性亀裂の伝播を数十ｍｍの範囲内で停止させ、設計で期待する塑性変形の範囲内で断面全体の脆性破断を防止できる建築構造物を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、最低使用温度での靭性値Ｋｃａが３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 以上で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた鋼材を、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジあるいは通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジと拡幅プレートに使用したことを特徴とする建築構造物である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（１）本発明は、建築構造物を構成する通しダイヤフラム、Ｈ形鋼梁、拡幅プレートのすべてまたは一部にアレスト性に優れた鋼材を用いることを特徴とするものであるが、本発明でアレスト性に優れた鋼材とは、最低使用温度での靭性値Ｋｃａが３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 以上で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有する鋼材である。
【００２０】
ここで、小型アレスト試験とは、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、供試体１表面に隅肉溶接ａｗにより厚さ１０〜１５ｍｍ、幅１０〜２０ｍｍのスチフナー２を溶接し、供試体１の中間部分に位置する隅肉廻し溶接部ｂｗ中に切欠ｃｋを施し、降伏応力以上で引張力を作用させて切欠ｃを起点として脆性亀裂を発生させるもので、母材表面からの脆性亀裂の伝播を停止させる能力を把握する試験である。
この際、隅肉溶接ａｗは、試験温度に応じて脆性亀裂が発生しやすい、例えば６０Ｋ〜８０Ｋ級の溶接材料を選択し、脆性亀裂の発生を可能とさせるものである。
【００２１】
脆性亀裂を発生させる溶接部は、供試体１とスチフナー２との間に形成することは不可欠ではなく、スチフナー２を用いず溶接材料を供試体１に直接溶接することにより形成してもよい。
なお、最低使用温度での靭性値Ｋｃａは、通常温度勾配型ＥＳＳＯ試験または温度勾配型の二重引張試験等の破壊靭性試験により求められるもので、板材の側面からの亀裂の伝播を停止させる特性を評価するものであり、小型アレスト試験は、板材の表面からの亀裂の伝播を停止させる特性を評価するものである。
【００２２】
（２）ここで、溶接する際の溶接材料には、基本的には普通鋼材に用いるものを使用してもよいが、部材に作用する主応力と直交する面の全面が突き合わされて溶接される際には、以下（２−１，２−２）に示すような手段で溶接部での破断を防止するようにする。
【００２３】
（２−１）アレスト性に優れた鋼材としてＮｉ含有鋼を用いる場合には、溶接材料にも最低使用温度での靭性値Ｋｃａが３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 以上で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた少なくとも０．１％以上のＮｉを含有する溶接材料（以下「Ｎｉ含有溶接材料」という。）を用いる。これにより、溶接部にもアレスト性を付与することができ、溶接部での全面脆性破断を防止することができる。
【００２４】
なお、ここでは、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れたＮｉ含有鋼を用いると限定的に規定しているが、亀裂伝播の長さ、深さは、サイズ、形状、構成部位等によっては、この規定値より大きくしても問題がない場合もある。
なお、アレスト性に優れたＮｉ含有溶接材料は非常に高価であるため、その他として、溶接部にプレートを溶接して拡幅し作用する応力を低減することにより、溶接部での脆性破断を回避し、亀裂が必ずアレスト性を有する母材部で発生するようにしてもよい。
【００２５】
（２−２）アレスト性に優れた鋼材としてＮｉ含有鋼よりも安価である表層超細粒鋼を用いる場合には、溶接部にプレートを溶接して拡幅し作用する応力を低減することにより、溶接部での脆性破断を回避し、亀裂が必ずアレスト性を有する母材部に伝播するようにする。
なお、表層超細粒鋼は表層の超細粒部で亀裂の伝播を停止させるため、溶接により粗粒化した溶接熱影響部（ＨＡＺ）ではアレスト性が低下する。したがって、アレスト性に優れたＮｉ含有の溶接材料を用いても粗粒ＨＡＺではアレスト性を失うこともあるため、拡幅等の処置が好適である。
【００２６】
本発明の建築構造構造物を形成する際に、使用鋼材すべてに最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた鋼材を用いることは絶対条件ではなく、この建築構造部材の適用部位と要求されるアレスト性を考慮して各々のアレスト性能を選定すればよい。構成部位によっては通常の一般構造用鋼を用いてもよい。
【００２７】
（３）本発明の建築構造物を形成する際に、鋼材のすべてまたは一部を、最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた鋼材とすることを特徴とするものであるが、この建築構造物を構築する場合において用いる鋼材は、全て最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有することは絶対条件ではなく、各構成部位に求められるアレスト性能を適宜選定すればよい。構成部位によっては通常の一般構造用鋼を用いてもよい。
また、建築構造部材を接合する際に溶接接合を用いる場合には、前記（２−１）、（２−２）のような手段で溶接部での脆性破断を防止することにより、建築構造物全体を脆性破壊し難くすることができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
厚み２５ｍｍ、一辺が４００ｍｍの角形鋼管柱３に厚み２８ｍｍ、幅４７０ｍｍの通しダイヤグラム４を取り付け、この通しダイヤフラム４に、フランジ厚２４ｍｍ、ウエブ厚１３ｍｍ、梁背５００ｍｍ、梁幅２００ｍｍのＨ形鋼梁５を、突き合わせて溶接ｗ接合した図２、図３に示したようなラーメン構造において、ダイヤフラム４とＨ形鋼梁５との溶接ｗ接合部に対して、使用状態で規定される最大荷重を付与し、亀裂の発生とその伝播について調べた。
【００２９】
（１）通しダイヤフラム４、Ｈ形鋼梁５、溶接材料を全て最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れたＮｉ含有鋼とＮｉ含有溶接材とで形成した、本発明の実施例では、通しダイヤグラム４とＨ形鋼梁５との溶接ｗ接合部端部において、フランジ幅方向に脆性亀裂ｃｋが発生したものの、その亀裂は４０ｍｍで停止した。
また、この例で、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆを最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れたＮｉ含有鋼で形成し、ウエブ５ｕを一般構造用鋼材で形成したビルドタイプのＨ形鋼梁で代替した例でも、同様な結果が得られた。
【００３０】
（２）これに対して、通しダイヤフラム４、Ｈ形鋼梁５、溶接材を全て一般構造用鋼材で形成した比較例では、図４（ａ）に示すように、通しダイヤグラム４とＨ形鋼梁５との溶接ｗ部で脆性亀裂ｃｋが発生し、この亀裂ｃｋは溶接ｗ線に沿って伝播して脆性破断ｃｃした。
また、図４（ｂ）に示すように、スカラップ６底のフランジ５ｆ母材で脆性破断する場合もあった。
【００３１】
（実施例２）
厚み２５ｍｍ、一辺が４００ｍｍの角形鋼管柱３に厚み２８ｍｍ、幅４７０ｍｍの通しダイヤグラム４を取り付け、この通しダイヤフラムに、フランジ厚２４ｍｍ、ウエブ厚１３ｍｍ、梁背５００ｍｍ、梁幅２００ｍｍのＨ形鋼梁５を、突き合わせて溶接接合する場合に、通しダイヤフラム４とＨ形鋼梁５のフランジ５ｆに拡幅プレート７を溶接ｗした図５に示したようなラーメン構造において、ダイヤフラム４とＨ形鋼梁５および拡幅プレート７の溶接ｗ接合部に対して、使用状態で規定される最大荷重を付与し、亀裂の発生とその伝播について調べた。
【００３２】
（１）通しダイヤフラム、Ｈ形鋼梁５、拡幅プレート７、溶接材料を全て最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた表層超細粒鋼材で形成した本発明の実施例では、拡幅プレート７とＨ形鋼梁５のフランジ５ｆの溶接ｗ接合部端で、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材に脆性亀裂ｃｋが発生したが、この亀裂は、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材に４０ｍｍ伝播して停止し、脆性破断することはなかった。
【００３３】
また、この例で、Ｈ形鋼梁のフランジを最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた表層超細粒鋼材で形成し、ウエブを一般構造用鋼材で形成したビルドタイプのＨ形鋼梁で代替した例でも、拡幅プレートとＨ形鋼梁のフランジの溶接接合部端で、Ｈ形鋼梁のフランジ母材に同様の脆性亀裂ｃｋが発生したが、この亀裂はＨ形鋼梁のフランジ母材に４０ｍｍ伝播して停止し、脆性破断することはなかった。
【００３４】
（２）これに対して、通しダイヤフラム４、Ｈ形鋼梁５、拡幅プレート７、溶接材を全て一般構造用鋼材で形成した比較例では、図７（ａ）に示すように、拡幅プレート７とＨ形鋼梁５のフランジ５ｆの溶接ｗ接合部端で、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材に脆性亀裂ｃｋが発生し、この亀裂は、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材の全幅に脆性破断ｃｃを生じ、図７（ｂ）に示すように、Ｈ形鋼梁５のウエブ５ｕ母材にも、その高さの約１／２の亀裂を発生した。
【００３５】
なお、本発明は、上記の実施例１、２に示すような建築構造物に限定されるものではない。また、各種の溶接接合を行う建築構造鋼材だけではなく、ボルト接合による接合を行う建築構造物においても適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、
（１）アレスト性に優れた鋼材、例えばＮｉ含有鋼を用いることにより、地震時に脆性亀裂が発生しても建築構造物の一部または全体の崩壊を回避することができ、地震による被害を大幅に低減することができる。
（２）鋼材として、アレスト性に優れ、Ｎｉ含有鋼より安価な表層超細粒鋼を用いることにより、Ｎｉ含有鋼を用いる場合より低コストで上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明でアレスト性を評価するための小型アレスト試験方法例を示す説明図で、（ａ）図は立体説明図、（ｂ）図は（ａ）図の一部平面説明図。
【図２】本発明を適用するラーメン構造例を示す立体説明図。
【図３】図２のラーメン構造例で本発明を適用した場合の、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図。
【図４】（ａ）図は、図２のラーメン構造例での比較例における通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図、（ｂ）図は（ａ）図の立面説明図。
【図５】本発明を適用する他のラーメン構造例を示す立体説明図。
【図６】図５のラーメン構造例で本発明を適用した場合の、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図。
【図７】（ａ）図は、図５のラーメン構造例での比較例における、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図、（ｂ）図は （ａ）図の立面説明図。
【図８】従来の一般的なラーメン構造例を示す立体説明図。
【図９】図８のラーメン構造例でのＨ形鋼梁のスカラップ部付近での亀裂発生、伝播状況を示す立面説明図。
【図１０】図８のラーメン構造例での通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図。
【図１１】従来の角形鋼管と角形鋼管をエレクションピースを用いて溶接接合して角形鋼管柱を形成した場合の、エレクションピース溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す立体説明図。
【図１２】従来のＨ形鋼梁とデッキプレート受け金物との溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す立体説明図。
【図１３】従来の角形鋼管と角形鋼管を溶接接合して長さを確保した角形鋼管柱の、溶接部での亀裂発生、伝播状況を示す立体説明図。
【符号の説明】
１ ：供試体
２ ：スチフナー
ａｗ：隅肉溶接
ｂｗ：隅肉廻し溶接部
ｃ ：脆性亀裂
ｃｃ：脆性破断
３、３ａ：角形鋼管柱
４ ：ダイヤフラム
５ ：Ｈ形鋼梁
５ｆ：フランジ
５ｕ：ウェブ
６ ：スカラップ
７ ：拡幅プレート
ｗ、ｗｅ：溶接
８ａ、８ｂ：角形鋼管
９ａ、９ｂ：エレクションピース
１０ ：デッキプレート受け金物
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレスト性に優れた鋼材を、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジあるいは通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジと拡幅プレートに使用して構築される建築構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、建築構造物は、大地震に対してある一定の塑性変形能力を持つものとして耐震設計されており、各々の建築構造物の有する塑性変形能力はその構造特性により判断されている。
鉄骨構造においては、鋼材が高い靭性を持つこと等を理由に建築構造物自体も高い塑性変形能力を持つものとして設計されている。
【０００３】
しかしながら先の阪神大震災では、一部の被災鉄骨建築構造物で構造部材の脆性破断が観察された。
例えば、
（１）通しダイヤフラム４を用いて角形鋼管柱３とＨ形鋼梁５を溶接ｗした図８に示すようなラーメン構造の柱梁接合部において、図９に示すように、応力集中部であるＨ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材のスカラップ６底を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生して伝播し、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材の全面が十分な塑性変形なくしてフランジ５ｆ母材で脆性破断ｃｃする例。
（２）通しダイヤフラム４を用いて角形鋼管柱３とＨ形鋼梁５を溶接ｗしたラーメン構造の柱梁接合部において、図１０に示すように、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆとダイヤフラム４が突き合わせ溶接された溶接ｗ接合始終点を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生して伝播し、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材の全面が十分な塑性変形なくして溶接部で脆性破断ｃｃする例。
などが挙げられる。
【０００４】
脆性破断は、切欠・亀裂、欠陥、構造的な応力・歪み集中部を起点として、最大主応力とほぼ直交する方向に瞬時に亀裂が伝播し、断面の一部または全断面が破断する現象である。
前述の（１）、（２）の事例は、地震力により梁端に曲げモーメントが作用し、上下フランジの内、破断した側のフランジ全面に材軸に沿って引張応力が作用した状態で発生したものと推測される。
【０００５】
これら震災の被災事例や脆性破断の特徴を鑑みると、脆性破断は切欠・亀裂、欠陥、構造的な応力・歪み集中部を有し、曲げまたは引張力を受ける建築構造部材すべてに発生する可能性がある。
例えば、次の（３），（４），（５）などが考えられる。
（３）角形鋼管８ａと角形鋼管８ｂを溶接接合するために、図１１に示すようにエレクションピース９ａ、９ｂを溶接ｗした角形鋼管柱３ａにおいては、材軸に沿って引張力が作用した場合、角形鋼管８ａ、８ｂとエレクションピース９ａ、９ｂとの溶接ｗｅ接合部近傍において、角形鋼管柱３ａの材軸の方向と直交する方向に脆性亀裂ｃｋが発生して伝播し、角形鋼管柱３ａ母材全面が脆性破断ｃｃする例。
【０００６】
（４）デッキプレートを設置するための付属金物であるデッキプレート受け金物１０を、フランジ５ｆに溶接したＨ形鋼梁５においては、図１２に示すように、デッキプレート受け金物が取り付く側のフランジ５ｆに引張力が作用するような曲げモーメントが作用した場合、溶接ｗおよび断面変化による歪み集中が発生するデッキプレート受け金物１０端部のＨ形鋼梁５のフランジ５ｆとの溶接ｗ部を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生し伝播して、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材全面が脆性破断ｃｃする例。
【０００７】
（５）角形鋼管８ａと角形鋼管８ｂを溶接ｗ接合して長さを確保した角形鋼管柱３ａにおいては、図１３に示すように、材軸に沿って引張力が作用した場合、溶接ｗによる歪み集中が発生する角形鋼管８ａと角形鋼管８ｂの溶接ｗ接合部を起点として、脆性亀裂ｃｋが発生して溶接線に沿って伝播し、角形鋼管柱３ａ全面が脆性破断ｃｃする例。
【０００８】
脆性破断が発生した建築構造部材においては、十分な塑性変形を伴わずに急激に耐力が低下するため、このような建築構造部材で構築された建築構造物は、設計で期待した塑性変形能力を十分に発揮することなく崩壊に至る可能性がある。
【０００９】
現状の建築構造物の設計・施工における脆性破断防止に向けた対応としては、母材に切欠が存在する場合には、極力応力集中の緩和ができるように角部にＲを設けたり、全断面が突き合わせ溶接されるような梁フランジとダイヤフラムの溶接部ではフランジ両側にプレートを溶接して拡幅し、作用する応力を低減する等して、脆性破断の起点となる亀裂発生を防止するような配慮がなされている。
【００１０】
一方、タンク、船舶等の分野では、特開昭６０−４９８９０号公報、実開昭５９−４３８００号公報に、アレスト性（脆性亀裂伝播停止特性を意味する。以下「アレスト性」と略。）を付与して、万が一脆性亀裂が発生しても、亀裂の伝播を停止させる構造について開示がある。
【００１１】
さらに、建築構造物を構成する建築構造部材は、脆性破断が生じた場合には、即、建築構造物の崩壊に直結する可能性があり、アレスト性を利用して建築構造部材の脆性破断を防止するためには、設計で期待する塑性変形の範囲内で亀裂が発生した場合、この亀裂の伝播を数十ｍｍの範囲内で停止させる必要がある上、建築構造物の大地震に対する耐震設計においては、降伏後の塑性変形を考慮しており、降伏点以下の応力で数百ｍｍ〜数ｍの亀裂伝播の停止が必要とされる前記タンク、船舶とは異質で、厳しい特性が求められるものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、建築構造部材の脆性破断による建築構造物の全体または部分的な崩壊、急激な耐力低下の防止を目的とするものである。即ち、建築構造部材母材での脆性破断の防止、及び溶接部での脆性破断の防止を目的とするものである。
【００１３】
この脆性破断を防止するためには、２種類のアプローチがあると考えられる。
１つ目は、脆性破断の起点となる亀裂の発生を防止することである。具体的には、溶接による材料の局所的な脆化、急激な断面変化による応力集中等の亀裂発生要因を改善する従来技術で行われているアプローチである。しかしながら、こは特定箇所に対する対応であり、脆性亀裂が発生する可能性があるすべてに対して対応するのは困難である。したがって、現状の対応のみでは万が一亀裂が発生した場合には、脆性破断を回避することは難しい。
２つ目は、脆性亀裂の伝播をごく短い長さで停止させることで断面全体の脆性破断を防止するアプローチである。
【００１４】
本発明は、後者のアプローチに関わるものであり、建築構造部材に脆性亀裂が発生した場合に、この脆性亀裂の伝播を数十ｍｍの範囲内で停止させ、設計で期待する塑性変形の範囲内で断面全体の脆性破断を防止できる建築構造物を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、最低使用温度での靭性値Ｋｃａが３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 以上で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた鋼材を、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジあるいは通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジと拡幅プレートに使用したことを特徴とする建築構造物である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（１）本発明は、建築構造物を構成する通しダイヤフラム、Ｈ形鋼梁、拡幅プレートのすべてまたは一部にアレスト性に優れた鋼材を用いることを特徴とするものであるが、本発明でアレスト性に優れた鋼材とは、最低使用温度での靭性値Ｋｃａが３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 以上で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有する鋼材である。
【００２０】
ここで、小型アレスト試験とは、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、供試体１表面に隅肉溶接ａｗにより厚さ１０〜１５ｍｍ、幅１０〜２０ｍｍのスチフナー２を溶接し、供試体１の中間部分に位置する隅肉廻し溶接部ｂｗ中に切欠ｃｋを施し、降伏応力以上で引張力を作用させて切欠ｃを起点として脆性亀裂を発生させるもので、母材表面からの脆性亀裂の伝播を停止させる能力を把握する試験である。
この際、隅肉溶接ａｗは、試験温度に応じて脆性亀裂が発生しやすい、例えば６０Ｋ〜８０Ｋ級の溶接材料を選択し、脆性亀裂の発生を可能とさせるものである。
【００２１】
脆性亀裂を発生させる溶接部は、供試体１とスチフナー２との間に形成することは不可欠ではなく、スチフナー２を用いず溶接材料を供試体１に直接溶接することにより形成してもよい。
なお、最低使用温度での靭性値Ｋｃａは、通常温度勾配型ＥＳＳＯ試験または温度勾配型の二重引張試験等の破壊靭性試験により求められるもので、板材の側面からの亀裂の伝播を停止させる特性を評価するものであり、小型アレスト試験は、板材の表面からの亀裂の伝播を停止させる特性を評価するものである。
【００２２】
（２）ここで、溶接する際の溶接材料には、基本的には普通鋼材に用いるものを使用してもよいが、部材に作用する主応力と直交する面の全面が突き合わされて溶接される際には、以下（２−１，２−２）に示すような手段で溶接部での破断を防止するようにする。
【００２３】
（２−１）アレスト性に優れた鋼材としてＮｉ含有鋼を用いる場合には、溶接材料にも最低使用温度での靭性値Ｋｃａが３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 以上で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた少なくとも０．１％以上のＮｉを含有する溶接材料（以下「Ｎｉ含有溶接材料」という。）を用いる。これにより、溶接部にもアレスト性を付与することができ、溶接部での全面脆性破断を防止することができる。
【００２４】
なお、ここでは、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れたＮｉ含有鋼を用いると限定的に規定しているが、亀裂伝播の長さ、深さは、サイズ、形状、構成部位等によっては、この規定値より大きくしても問題がない場合もある。
なお、アレスト性に優れたＮｉ含有溶接材料は非常に高価であるため、その他として、溶接部にプレートを溶接して拡幅し作用する応力を低減することにより、溶接部での脆性破断を回避し、亀裂が必ずアレスト性を有する母材部で発生するようにしてもよい。
【００２５】
（２−２）アレスト性に優れた鋼材としてＮｉ含有鋼よりも安価である表層超細粒鋼を用いる場合には、溶接部にプレートを溶接して拡幅し作用する応力を低減することにより、溶接部での脆性破断を回避し、亀裂が必ずアレスト性を有する母材部に伝播するようにする。
なお、表層超細粒鋼は表層の超細粒部で亀裂の伝播を停止させるため、溶接により粗粒化した溶接熱影響部（ＨＡＺ）ではアレスト性が低下する。したがって、アレスト性に優れたＮｉ含有の溶接材料を用いても粗粒ＨＡＺではアレスト性を失うこともあるため、拡幅等の処置が好適である。
【００２６】
本発明の建築構造構造物を形成する際に、使用鋼材すべてに最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた鋼材を用いることは絶対条件ではなく、この建築構造部材の適用部位と要求されるアレスト性を考慮して各々のアレスト性能を選定すればよい。構成部位によっては通常の一般構造用鋼を用いてもよい。
【００２７】
（３）本発明の建築構造物を形成する際に、鋼材のすべてまたは一部を、最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた鋼材とすることを特徴とするものであるが、この建築構造物を構築する場合において用いる鋼材は、全て最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有することは絶対条件ではなく、各構成部位に求められるアレスト性能を適宜選定すればよい。構成部位によっては通常の一般構造用鋼を用いてもよい。
また、建築構造部材を接合する際に溶接接合を用いる場合には、前記（２−１）、（２−２）のような手段で溶接部での脆性破断を防止することにより、建築構造物全体を脆性破壊し難くすることができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
厚み２５ｍｍ、一辺が４００ｍｍの角形鋼管柱３に厚み２８ｍｍ、幅４７０ｍｍの通しダイヤグラム４を取り付け、この通しダイヤフラム４に、フランジ厚２４ｍｍ、ウエブ厚１３ｍｍ、梁背５００ｍｍ、梁幅２００ｍｍのＨ形鋼梁５を、突き合わせて溶接ｗ接合した図２、図３に示したようなラーメン構造において、ダイヤフラム４とＨ形鋼梁５との溶接ｗ接合部に対して、使用状態で規定される最大荷重を付与し、亀裂の発生とその伝播について調べた。
【００２９】
（１）通しダイヤフラム４、Ｈ形鋼梁５、溶接材料を全て最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れたＮｉ含有鋼とＮｉ含有溶接材とで形成した、本発明の実施例では、通しダイヤグラム４とＨ形鋼梁５との溶接ｗ接合部端部において、フランジ幅方向に脆性亀裂ｃｋが発生したものの、その亀裂は４０ｍｍで停止した。
また、この例で、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆを最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れたＮｉ含有鋼で形成し、ウエブ５ｕを一般構造用鋼材で形成したビルドタイプのＨ形鋼梁で代替した例でも、同様な結果が得られた。
【００３０】
（２）これに対して、通しダイヤフラム４、Ｈ形鋼梁５、溶接材を全て一般構造用鋼材で形成した比較例では、図４（ａ）に示すように、通しダイヤグラム４とＨ形鋼梁５との溶接ｗ部で脆性亀裂ｃｋが発生し、この亀裂ｃｋは溶接ｗ線に沿って伝播して脆性破断ｃｃした。
また、図４（ｂ）に示すように、スカラップ６底のフランジ５ｆ母材で脆性破断する場合もあった。
【００３１】
（実施例２）
厚み２５ｍｍ、一辺が４００ｍｍの角形鋼管柱３に厚み２８ｍｍ、幅４７０ｍｍの通しダイヤグラム４を取り付け、この通しダイヤフラムに、フランジ厚２４ｍｍ、ウエブ厚１３ｍｍ、梁背５００ｍｍ、梁幅２００ｍｍのＨ形鋼梁５を、突き合わせて溶接接合する場合に、通しダイヤフラム４とＨ形鋼梁５のフランジ５ｆに拡幅プレート７を溶接ｗした図５に示したようなラーメン構造において、ダイヤフラム４とＨ形鋼梁５および拡幅プレート７の溶接ｗ接合部に対して、使用状態で規定される最大荷重を付与し、亀裂の発生とその伝播について調べた。
【００３２】
（１）通しダイヤフラム、Ｈ形鋼梁５、拡幅プレート７、溶接材料を全て最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた表層超細粒鋼材で形成した本発明の実施例では、拡幅プレート７とＨ形鋼梁５のフランジ５ｆの溶接ｗ接合部端で、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材に脆性亀裂ｃｋが発生したが、この亀裂は、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材に４０ｍｍ伝播して停止し、脆性破断することはなかった。
【００３３】
また、この例で、Ｈ形鋼梁のフランジを最低使用温度での靭性値Ｋｃａ３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた表層超細粒鋼材で形成し、ウエブを一般構造用鋼材で形成したビルドタイプのＨ形鋼梁で代替した例でも、拡幅プレートとＨ形鋼梁のフランジの溶接接合部端で、Ｈ形鋼梁のフランジ母材に同様の脆性亀裂ｃｋが発生したが、この亀裂はＨ形鋼梁のフランジ母材に４０ｍｍ伝播して停止し、脆性破断することはなかった。
【００３４】
（２）これに対して、通しダイヤフラム４、Ｈ形鋼梁５、拡幅プレート７、溶接材を全て一般構造用鋼材で形成した比較例では、図７（ａ）に示すように、拡幅プレート７とＨ形鋼梁５のフランジ５ｆの溶接ｗ接合部端で、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材に脆性亀裂ｃｋが発生し、この亀裂は、Ｈ形鋼梁５のフランジ５ｆ母材の全幅に脆性破断ｃｃを生じ、図７（ｂ）に示すように、Ｈ形鋼梁５のウエブ５ｕ母材にも、その高さの約１／２の亀裂を発生した。
【００３５】
なお、本発明は、上記の実施例１、２に示すような建築構造物に限定されるものではない。また、各種の溶接接合を行う建築構造鋼材だけではなく、ボルト接合による接合を行う建築構造物においても適用可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、
（１）アレスト性に優れた鋼材、例えばＮｉ含有鋼を用いることにより、地震時に脆性亀裂が発生しても建築構造物の一部または全体の崩壊を回避することができ、地震による被害を大幅に低減することができる。
（２）鋼材として、アレスト性に優れ、Ｎｉ含有鋼より安価な表層超細粒鋼を用いることにより、Ｎｉ含有鋼を用いる場合より低コストで上記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明でアレスト性を評価するための小型アレスト試験方法例を示す説明図で、（ａ）図は立体説明図、（ｂ）図は（ａ）図の一部平面説明図。
【図２】本発明を適用するラーメン構造例を示す立体説明図。
【図３】図２のラーメン構造例で本発明を適用した場合の、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図。
【図４】（ａ）図は、図２のラーメン構造例での比較例における通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図、（ｂ）図は（ａ）図の立面説明図。
【図５】本発明を適用する他のラーメン構造例を示す立体説明図。
【図６】図５のラーメン構造例で本発明を適用した場合の、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図。
【図７】（ａ）図は、図５のラーメン構造例での比較例における、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図、（ｂ）図は （ａ）図の立面説明図。
【図８】従来の一般的なラーメン構造例を示す立体説明図。
【図９】図８のラーメン構造例でのＨ形鋼梁のスカラップ部付近での亀裂発生、伝播状況を示す立面説明図。
【図１０】図８のラーメン構造例での通しダイヤフラムとＨ形鋼梁の溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す平面説明図。
【図１１】従来の角形鋼管と角形鋼管をエレクションピースを用いて溶接接合して角形鋼管柱を形成した場合の、エレクションピース溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す立体説明図。
【図１２】従来のＨ形鋼梁とデッキプレート受け金物との溶接部付近での亀裂発生、伝播状況を示す立体説明図。
【図１３】従来の角形鋼管と角形鋼管を溶接接合して長さを確保した角形鋼管柱の、溶接部での亀裂発生、伝播状況を示す立体説明図。
【符号の説明】
１ ：供試体
２ ：スチフナー
ａｗ：隅肉溶接
ｂｗ：隅肉廻し溶接部
ｃ ：脆性亀裂
ｃｃ：脆性破断
３、３ａ：角形鋼管柱
４ ：ダイヤフラム
５ ：Ｈ形鋼梁
５ｆ：フランジ
５ｕ：ウェブ
６ ：スカラップ
７ ：拡幅プレート
ｗ、ｗｅ：溶接
８ａ、８ｂ：角形鋼管
９ａ、９ｂ：エレクションピース
１０ ：デッキプレート受け金物
Claims (1)
- 最低使用温度での靭性値Ｋｃａが３００Ｋｇｆ／ｍｍ1.5 以上で、小型アレスト試験による脆性亀裂を長さ４０ｍｍ、深さ１５ｍｍ以下で停止させる能力を有するアレスト性に優れた鋼材を、通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジあるいは通しダイヤフラムとＨ形鋼梁フランジと拡幅プレートに使用したことを特徴とする建築構造物。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33989598A JP3854415B2 (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | アレスト性に優れた鋼材を用いた建築構造物 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33989598A JP3854415B2 (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | アレスト性に優れた鋼材を用いた建築構造物 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000160680A JP2000160680A (ja) | 2000-06-13 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33989598A Expired - Lifetime JP3854415B2 (ja) | 1998-11-30 | 1998-11-30 | アレスト性に優れた鋼材を用いた建築構造物 |
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| JP4898110B2 (ja) * | 2004-11-04 | 2012-03-14 | 三菱重工業株式会社 | 船舶用鋼構造体の選択方法及び船舶 |
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-
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- 1998-11-30 JP JP33989598A patent/JP3854415B2/ja not_active Expired - Lifetime
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