JP4305230B2 - 柱と梁の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、建築物、その他の各種構造物において、Ｈ形断面や十字断面、あるいは閉鎖断面を有する鋼部材やコンクリート充填管、あるいは鉄筋コンクリート部材を柱材とし、この柱材の側部にＨ形鋼、Ｉ形鋼などからなる梁材を取り付ける柱と梁の接合構造に関する。

従来、柱と梁の接合部は保有耐力接合設計された剛接合とするのが一般的であったが、大地震時、接合部の溶接部が脆性破断するという問題が明らかになり、近年、接合部の耐震性向上対策として、接合部の塑性化が先行することを許容する半剛接が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００３−２６１９９３号公報 特開２００２−３７１６２６号公報

特許文献１では、柱側壁あるいは柱フランジ（以下、柱フランジを含めて柱側壁という）と梁ウェブとをアングル材を介してボルトで緊結し、柱側壁と梁フランジの一方もしくは両方をつなぎ材を介してボルトで緊結する接合構造である。しかし、この接合構造では地震時の振動によるエネルギーを、軸力抵抗要素に十分集中させることができずに一部を柱や梁に負担させているので、柱や梁の破壊を招くという問題がある。

特許文献２は、接合部でのエネルギー吸収能力の増大を図ったものである。その接合構造は、上側接合部では、柱側壁にガセットプレートを溶接し、そのガセットプレートと梁上フランジとを連結プレートで挟んでボルトで緊結し、下側接合部では、柱側壁に溝形鋼等の支持部材を溶接し、この支持部材と梁下フランジとの間に板状の先行降伏部材を挟んでボルトで緊結する構造である。この接合構造においては、板状の先行降伏部材に梁材から軸力が作用することにより地震エネルギーを吸収しようとするものであるが、軸力抵抗要素としての先行降伏部材を梁下フランジと支持部材との間で挾持する必要があるため、接合構造が複雑で多大な時間・手数がかかり、コスト高となるうえに、梁変形時の回転を防止できないという問題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたもので、簡単な構成による柱と梁の接合構造とするとともに、地震時における接合部位でのエネルギー吸収能力が高い柱と梁の接合構造を提供することを目的とする。

本発明に係る柱と梁の接合構造は、柱と梁の接合部の上側及び下側のいずれか一方をピン接合とし、他方をアングル部材とリブ部材とからなる接合金物を介して接合することを特徴とする。
本発明の柱と梁の接合構造は、上記のように構成されているので、接合構造が極めて簡単であるうえに、接合金物のリブ部材が塑性変形することによって地震時におけるエネルギーを十分に吸収することができるとともに、アングル部材によって柱と梁を接合することにより梁の柱軸まわりの回転を防止することができる。
したがって、本発明の接合金物を使用することにより、短い工期でかつ低コストで耐震性に富む柱と梁の接合を施工することができる。

また、本発明の柱と梁の接合構造においては、前記接合金物は、前記リブ部材と前記アングル部材のコーナ部との間に空間部を有し、該リブ部材が梁ウェブと同一鉛直面内に位置するように設置するものである。
リブ部材はアングル部材のコーナ部との間に空間部を設けることによって、地震時、梁及び柱から伝達される軸力によってエネルギーを吸収できるようにする。そしてさらに、リブ部材を梁ウェブと同一鉛直面内に位置するように設置することにより、リブ部材のエネルギー吸収を効率よく行わせることが可能となる。

また、本発明の柱と梁の接合構造においては、前記リブ部材の外側縁端部が座屈補剛されていることが好ましい。内側縁端部は長さが短くなるため、リブ板厚／長さ比が１０を超えない限り座屈しない。このため、外側縁端部のみ座屈補剛すれば十分である。
リブ部材は、辺の長さが最も長くなる外側縁端部が座屈により波打ち現象を生じやすい。このような座屈を防ぐために、補剛材等を用いて座屈補剛するものである。

また、前記リブ部材は低降伏点鋼からなるものが好ましい。低降伏点鋼とすることで、同耐力の場合、板厚もしくは断面積を大きくすることができ、剛性が高くなるもしくは座屈しにくくなる。リブ部材を低降伏点鋼あるいは極低降伏点鋼とすることによりエネルギー吸収性能を高めることができる。

以上のように本発明の柱と梁の接合構造によれば、簡単な構成で地震時の接合部位でのエネルギー吸収を確実に達成することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の柱と梁の接合構造の一例を示す正面図、図２は同接合構造を拡大して示す斜視図である。
本発明の柱１と梁２の接合構造は、接合部の上側及び下側のいずれか一方を第１の接合金物３によりピン接合とし、他方をアングル部材４１とリブ部材４２とからなる第２の接合金物４を介して接合するものである。まず、これらの接合金物について詳しく説明する。

（１）第２の接合金物
図３には、本発明における第２の接合金物４（梁端ダンパーとも呼ぶ）の３つの例が示されている。第２の接合金物すなわち梁端ダンパー４は、梁１の変形によるエネルギー吸収を目的とする接合部材である。梁端ダンパー４のリブ部材４２が主にエネルギー吸収機能（制振ダンパー機能）を有する。同図（ａ）から（ｃ）はいずれも梁端ダンパー４の正面図である。また、各梁端ダンパー４の取付部は全て同じであるので、（ｄ）、（ｅ）に（ａ）のＡ−Ａ及びＢ−Ｂからみた取付部の上面図及び側面図を示してある。これらの梁端ダンパー４は、構成部材であるアングル部材４１の形態が異なるだけである。

図３（ａ）において、このアングル部材４１は、柱側壁１ａ（柱１のフランジを含む。以下同じ。）に複数の高力ボルト５（図１、図２参照）で緊結される柱取付部４１ａと、一方の梁下フランジ２ｂに複数の高力ボルト５で緊結される梁取付部４１ｂとが直交するように設けられ、これら柱取付部４１ａと梁取付部４１ｂとを同じ板厚の円弧コーナ部４１ｃを介して連結した構成である。
リブ部材４２は、柱取付部４１ａと梁取付部４１ｂとを溶接で連結されたプレート（斜材）であり、円弧コーナ部４１ｃとの間は接続されていない空間部４３を有する構成である。

図３（ｂ）において、アングル部材４１は、上記円弧コーナ部４１ｃの肉厚を柱取付部４１ａ及び梁取付部４１ｂよりも薄肉にした円弧コーナ部４１ｄである。また、上記の各円弧コーナ部４１ｃ、４１ｄの曲率半径はある程度大きくすることが望ましい。

図３（ｃ）において、アングル部材４１は、上記円弧コーナ部の代わりに、台形型コーナ部４１ｅとしたものである。台形型コーナ部４１ｅの板厚は柱取付部４１ａ及び梁取付部４１ｂと同じか、もしくは薄肉にされる。なお、図３（ｄ）、（ｅ）の６は高力ボルト５の挿通孔を示す。

（２）第１の接合金物
ピン接合とは、梁の回転を許容する接合方法であり、その一つの例が図１、図２に示されている。これらの図に示す第１の接合金物３は、柱側壁１ａに複数の高力ボルト５で締結されるプレート３１と、このプレート３１及び他方の梁上フランジ２ａの両方に溶接３２で固着される突起部３３とからなっている。
また、図４（ａ）から（ｃ）に第１の接合金物３によるその他のピン接合の例を示している。同図（ａ）は、第１の接合金物３をアングル部材またはＬ形部材で構成したものであり、同図（ｂ）はＴ形部材、同図（ｃ）はヒンジ結合部材で、それぞれ第１の接合金物３を構成したものである。これらの部材はいずれも高力ボルト５で柱１及び梁２に緊結される。同図（ｄ）は、第１の接合金物３を用いないピン接合の例で、Ｈ形鋼梁上部フランジ部分を直接、柱材に溶接したものである。梁ウェブと柱１とは、ある隙間を持って取り付けられている。なお、図１、図２、図４において、７は第１及び第２の接合金物と、Ｈ形鋼梁上部フランジ部分の取付部において、Ｈ形鋼からなる柱１のフランジ間に水平に溶接で取り付けられた補強板である。柱が閉鎖断面の角形鋼管の場合には内部にダイヤフラムが溶接で取り付けられる。

以上に例示した、第１の接合金物３と第２の接合金物４とを適宜組み合わせて、例えば図１に示したような柱１と梁２の接合構造とするものである。
柱１は、鉄骨柱であり、ここではＨ形鋼で示されているが閉鎖断面の鋼管柱でもよい。鋼管柱の場合、内部にコンクリートや鉄筋コンクリートが充填されていてもよい。本発明の接合構造を適用できるものであれば柱１の断面形状は問われない。
梁２は、Ｈ形鋼で示されているがＩ形鋼でもよい。また、第１の接合金物３と第２の接合金物４とは図示とは上下逆に取り付けられていてもよい。すなわち、第１の接合金物３を梁下フランジ２ｂに、第２の接合金物４を梁上フランジ２ａと接合するように取り付けてもよい。なお、図１、図２とも、柱１と梁２は、ある隙間を持って取り付けている。

第２の接合金物すなわち梁端ダンパー４は、リブ部材４２が専らエネルギー吸収機能を有するものであるので、梁２のウェブ２ｃの変形時におけるエネルギーを効率よく吸収するために、リブ部材４２は梁ウェブ２ｃと同一鉛直面内に位置するように取り付けられる。第１の接合金物３においても突起部３３が梁ウェブ２ｃと同一鉛直面内に位置するように取り付けられる。

本実施形態における柱１と梁２の接合構造では、地震時等において梁２に作用する軸力及び剪断力は梁フランジ２ａ、２ｂ又は第１の接合金物３、及び第２の接合金物４を介して柱１に伝達される。このとき第２の接合金物４においては、リブ部材４２が専ら梁２の変形を負担し塑性変形することでエネルギーを吸収する。アングル部材４１は、円弧コーナ部４１ｃや薄肉にされた円弧コーナ部４１ｄ、あるいは台形型コーナ部４１ｅにおいて一部エネルギー吸収も行うが、専ら梁２の柱軸まわりの回転を防止する役目を果たす。
したがって、本実施形態の接合構造によれば、地震時等における柱と梁の接合部でのエネルギー吸収と梁の柱軸まわりの回転防止を極めて簡単な構造で効率よく行うことができる。しかも、第１、第２の接合金物は構成が簡単で部品点数も少ないものであるため、工期の短縮、工事費の低コスト化に貢献する。また、地震による被害が第１、第２の接合金物の破損程度にとどまりやすいため復旧工事が容易かつ短い期間で実施できる。

第２の接合金物４のリブ部材４２には、普通鋼よりもエネルギー吸収性能が高い、低降伏点鋼もしくは極低降伏点鋼を用いることができる。
また、リブ部材４２の座屈を防止するために、図５に示すような溝形鋼等からなる座屈補剛材４４をリブ部材４２に取り付けるようにしてもよい。同図（ａ）は座屈補剛材４４の取付前、（ｂ）は取付後の状態を示す。座屈補剛材４４は、リブ外側縁端部に沿った方向に滑ることができるように、針金４５等を複数巻きにすることで、リブ部材４２に取り付ければよい。また、リブ部材４２の断面をＴ形やＬ形にして外側縁端部を厚くしてもよい。
リブ部材４２は、辺の長さが最も長い外側縁端において座屈を生じやすいので、この部分を座屈補剛材４４等で座屈補剛するものである。

次に、実施例の試験結果を示す。表１に示す９体の試験体について試験を行った。また、リブ部材の材質は降伏耐力が１６０Ｎ／ｍｍ²に適合する低降伏点鋼とした。第１の接合金物は図２に示すピン接合によるものを用い、第２の接合金物である梁端ダンパーは図６、表１に示す寸法にて作製したものを用いた。なお、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．５以外は本発明の梁端ダンパーを用いたものである。
試験方法は、図７に示すように、片持ち梁の自由端に上下方向の交番載荷を次の変位対スパンの条件で各２回ずつ行った。
変位対スパン：1/1000,1/800,1/400,1/200,1/100,1/66,1/50,1/25

Ｎｏ．１、Ｎｏ．５、およびＮｏ．７の試験体についての荷重−変位の履歴曲線をそれぞれ図８、図９、図１０に示す。また、表１の評価欄の×印は不良、○印は良、◎印は最良をあらわす。
試験体Ｎｏ．５は、第２の接合金物に対応する接合部材がリブ部材が無くアングル部材のみであるため、図９の履歴曲線から明らかなように、エネルギーの吸収はほとんど全く不可能である。
一方、試験体Ｎｏ．１とＮｏ．７は、本発明の梁端ダンパーを用いたものであるため、図８、図１０の履歴曲線に見られるようにループ面積が大きく、リブ部材によるエネルギー吸収が十分に行われていることがわかる。ただ、図８、図１０の履歴曲線を比べると、前者のループ面積がやや小さくなっている。これは、Ｎｏ．１のＲ寸法がＮｏ．７に比べてかなり小さいことが原因であると考えられる。

本発明の柱と梁の接合構造の一例を示す正面図。 上記接合構造の拡大斜視図。 第２の接合金物の例を示す正面図（ａ）〜（ｃ）と取付部の上面図（ｄ）及び側面図（ｅ）。 第１の接合金物の例と、第１の接合金物を有さない例を示す図。 座屈補剛材の一例を示す図。 試験に供した梁端ダンパーの寸法図。 試験方法の説明図。 試験体Ｎｏ．１の荷重−変位の履歴曲線図。 試験体Ｎｏ．５の荷重−変位の履歴曲線図。 試験体Ｎｏ．７の荷重−変位の履歴曲線図。

符号の説明

１ 柱
１ａ 柱側壁
２ 梁
２ａ 梁上フランジ
２ｂ 梁下フランジ
２ｃ 梁ウェブ
３ 第１の接合金物
３１ プレート
３３ 突起部
４ 第２の接合金物
４１ アングル部材
４２ リブ部材
４３ 空間部
４４ 座屈補剛材

Claims (4)

1. 柱と梁の接合部の上側及び下側のいずれか一方をピン接合とし、他方をアングル部材とリブ部材とからなる接合金物を介して接合することを特徴とする柱と梁の接合構造。
2. 前記接合金物は、前記リブ部材と前記アングル部材のコーナ部との間に空間部を有し、該リブ部材が梁ウェブと同一鉛直面内に位置するように設置することを特徴とする請求項１記載の柱と梁の接合構造。
3. 前記リブ部材の外側縁端部が座屈補剛されていることを特徴とする請求項１または２記載の柱と梁の接合構造。
4. 前記リブ部材は低降伏点鋼からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の柱と梁の接合構造。
   

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