JP4655491B2 - 梁部材 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨構造における柱梁接合部で、柱と接合される梁部材に関し、特に耐震性を要求される建築構造物に好適なものに関する。

建築物その他の構造物に用いられる鉄骨造柱と梁フランジの接合部は地震時に曲げ応力が最大になる個所であるが、溶接により靭性が低下したり、溶接欠陥が生じたりして十分な変形が得られないままに破断を生じ、建築物その他の構造物の耐震性を損なう場合があった。

そこで、地震時に梁フランジを柱梁接合部から離れた母材位置で十分に変形させるため、梁の柱梁接合部側の端部に、梁フランジの幅を所定の個所から柱梁接合部となる梁端部に向けて連続的または段階的に増大させたハンチ部を設け、梁端部における作用応力を低減することが提案されている。

図１０は、梁端部にフランジ幅を拡張する部材を取り付け、梁端に発生する応力を低減させる柱梁仕口部の構造に関し、柱１００に設けた通しダイヤフラム３００に、梁２００を溶接接合する柱梁仕口部構造であって、梁２００の端部に部材４００を溶接し、梁端部にハンチ部を設けることを特徴とする（特許文献１）。

図１１は、通しダイヤフラム形式の柱梁仕口部において梁２００の梁フランジの幅を梁端部に向けてハンチ始端部５００から連続的に増加させ、ハンチ部４１０を設けた柱梁仕口部を示す。

図１２は、梁フランジの梁端部にハンチ部を設けた内ダイヤフラム形式の溶接組立箱形断面柱を用いた柱梁接合部、図１３はノンダイヤフラム形式の鋼管柱に用いた柱梁接合部の構造を示す。
特開２０００−２９１１３８号公報

しかしながら、梁端部にハンチ部を設け、梁端接合部への作用応力を低下させた柱梁接合部では、地震などの外力が作用した場合に梁が十分に変形する前にハンチ部先端に破断が生じる場合が懸念される。

特許文献１記載の柱梁接合部では、柱梁を接合する溶接部９００の他に梁２００に部材４００を取り付けるための溶接部９１０が必要で、ハンチ始端部５００での溶接端処理仕上げが適切でないとハンチ先端５００から破断が生じる。

そこで、本発明は、地震などの外力が作用した場合に、ハンチ部での破断が防止され、梁が十分に変形して優れた耐震性の柱梁接合部が得られる梁部材を提供することを目的とする。

本発明者等は、梁の幅が増大し始めるハンチ始端部と梁と柱を接合するためにハンチ部を処理するハンチ終端部における応力集中係数と梁部材の最大耐力の関係について鋭意検討し、１ ハンチ始端部における応力集中係数には当該個所における曲率とハンチ角度が影響を与えること、２ ＦＥＭ弾性解析で当該個所における応力集中係数が３以下であれば、実部材は部材最大耐力の９５％程度の耐力が得られることを見出した。本発明は以上の知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は
１ 柱と接合されて柱梁接合部を構成する、梁フランジにハンチを設けた梁部材であって、前記ハンチは梁の幅が増大し始めるハンチ始端部と直線部とハンチ終端部から構成され、前記ハンチ始端部及び前記ハンチ終端部には円弧部が設けられ、前記直線部のハンチ角θとハンチ始端部の円弧部の曲率半径Ｒが、Ｒ≧３ｍｍでθ≦２０°、Ｒ≧６ｍｍでθ≦３０°、Ｒ≧１０ｍｍでθ≦４０°、Ｒ≧１５ｍｍでθ≦４５°であり、ハンチ終端部の円弧部の曲率半径が１０ｍｍ以上、２５ｍｍ以下であって、前記梁フランジのハンチ始端部、ハンチ終端部における応力集中係数が３以下であり、前記ハンチ終端部の柱側に位置する梁フランジ端部の形状が矩形状であることを特徴とする梁部材。

本発明によれば、ハンチの始終端部が破断しないので梁が十分に変形し、内ダイヤフラム形式の組立て柱を用いた柱梁接合部や、ノンダイヤフラム形式の鋼管柱を用いた柱梁接合部のように、柱のスキンプレートに梁フランジが直接溶接されるため、地震などの外力が梁に加わった場合、スキンプレートに面外変形を生じ、通しダイヤフラム形式と比較して梁端接合部に応力や歪が集中し、梁端接合部が破断しやすい柱梁接合部であっても、ハンチ部を設けたことによる梁端部の応力低下効果が得られ、優れた耐震性の柱梁接合部が得られる。

また、内ダイヤフラム形式の組立て柱に接合した場合は、エレクトロスラグアーク溶接部の破断も防止できるので建築物全体の耐震性が向上し、産業上極めて有用である。

本発明に係る梁部材は、地震などの外力が作用した場合に、ハンチ始終端部への応力集中を抑制するように、ハンチ始終端部の形状を規定したことを特徴とする。本発明に係る梁部材にはブラケット部材も含むものとする。以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する。

図１は、通しダイヤフラム形式の柱梁仕口部の一例を示し、図において１は柱、２はハンチ部（水平ハンチ４）を有する梁、３は通しダイヤフラム、４はハンチ部（水平ハンチ）、４１はハンチ始端部、４２はハンチ終端部、９は梁フランジ端部、１０ａはハンチ始端部の円弧部、１０ｂはハンチ終端部（梁フランジ端部）の円弧部、１１は柱１と梁２を接合する溶接部、１２はハンチ角を示す。

通しダイヤフラム形式の柱梁仕口部では、通しダイヤフラム３と梁２は溶接による溶接部１１で接合され、地震などの外力は溶接部１１に作用する。溶接部１１の作用応力を低減させるため、梁２の端部には、ハンチ部４が設けられ梁端部の断面積を大きくしている。

本発明に係る梁部材では、ハンチ部のハンチ角１２の大きさと、ハンチ始端部４１に円弧部１０ａ、ハンチ終端部に円弧部１０ｂを設けることを規定し、更に耐震性を向上させる場合、これらの円弧部における曲率を規定する。梁フランジ端部９の形状は、円孤部１０ｂによる切欠き部が、ダイヤフラムとの溶接により損傷しないように矩形状とすることが好ましい。

図２は、ハンチ始端部の応力集中係数に及ぼすハンチ角と曲率半径の影響をFEM解析により求めた図で、本発明では、ハンチ始端部の曲率半径とハンチ角θを、ハンチ始端部の応力集中係数が３以下となるように選定する。ハンチ角θは、ハンチ始端部の加工が容易なように４５°以下とし、ハンチ始端部の曲率半径を求めることが好ましい。

図より、ハンチ角θとハンチ始端部の曲率半径Ｒは、R≧３ｍｍでθ≦２０°、Ｒ≧６ｍｍでθ≦３０°、R≧１０ｍｍでθ≦４０°、R≧１５ｍｍでθ≦４５°とした場合、ハンチ始端部の応力集中係数を３以下とすることが可能である。

図３は、ハンチ終端部の応力集中係数に及ぼす、ハンチ終端部の円弧部１０ｂの曲率半径の影響をＦＥＭ解析により求めた図で、ハンチ始端部と同様に、応力集中係数が３以下となるように曲率半径を選定する。

曲率半径は加工の容易性から１５ｍｍ以上とし、梁端部への応力の流れを防止するため２５ｍｍ以下とすることが好ましい。図４にＦＥＭ解析に用いた梁端部モデルを示す。梁端部モデルは、ＦＥＭ解析を容易とするため、曲率半径をＲとするハンチ終端部が直接に、通しダイヤフラム３と接合されている。

以上、本発明を通しダイヤフラム形式の柱梁接合部を用いて説明したが、本発明は梁部材のハンチ部の形状を規定すれば良く、他の構造の柱を用いた柱梁接合部にも適用可能である。

図５は本発明を内ダイヤフラム形式の柱梁接合部に適用した場合の平面図を示し、図６は外観斜視図を示す。図において６が内ダイヤフラム、７が内ダイヤフラムを取り付けるタブを示す（その他の符号は図１と同様とする）。

図７はダイヤフラムを用いないノンダイヤフラム形式の柱に本発明に係る梁部材を適用する様子を模式的に示し、梁２が接合される柱のスキンプレートは、梁２に引張力が作用すると面外に突出するようになるので、梁端部９に応力集中が生じやすく、本形式の場合は、梁端部での突出幅を５０ｍｍ程度設けることが望ましい。

尚、本発明に係る梁部材は、梁端部が、ハンチ終端部に特定の曲率半径が得られるように加工された形状となるので、柱梁接合部の溶接始終端側（梁幅端）に作用する外力が低減される。

図８に柱と梁の接合をハンチ継手とした場合の柱梁接合部における応力流れ（図中矢印で表示）を示し、図９に本発明に係る梁部材を用いた柱梁接合部における場合を示す。

本発明に係る梁部材を用いると、図８の場合と比較して、溶接欠陥が発生しやすい溶接の始端部１１ｂ、終端部１１ａに応力が流れにくくなり、溶接の始端部１１ｂ、終端部１１ａでの応力が低減されるので（図９）、梁幅端からの破断防止に有効で、ハンチ部破断を防止する効果と相俟って、耐震性の向上を著しいものとすることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る梁部材を用いた柱梁接合部構造を示す模式図。 ハンチ始端部の応力集中係数に及ぼすハンチ角と曲率半径の影響を示す図。 ハンチ終端部の応力集中係数に及ぼすハンチ終端部の円弧部１０ｂの曲率半径の影響を示す図。 図３に用いたハンチ終端部のモデル図。 本発明の他の実施形態に係る梁部材を用いた柱梁接合部構造を示す模式図。 図５の柱梁接合構造の斜視外観図。 本発明の他の実施形態に係る梁部材を用いた柱梁接合部構造を示す模式図。 従来例における梁端部の応力流れを示す模式図。 本発明の一実施形態に係る梁部材における梁端部の応力流れを示す模式図。 従来例。 従来例。 従来例。 従来例。

符号の説明

１ 柱
２ ハンチ部を有する梁
３ 通しダイヤフラム
４ ハンチ部（水平ハンチ）
４１ ハンチ始端部
４２ ハンチ終端部（入り隅部）
６ 内ダイヤフラム
７ タブ
８ 成形角形鋼管
９ 梁フランジ端部
１０ａ ハンチ始端部の円弧部
１０ｂ ハンチ終端部（梁フランジ端部）の円弧部
１１ 溶接部
１２ ハンチ角

Claims (1)

1. 柱と接合されて柱梁接合部を構成する、梁フランジにハンチを設けた梁部材であって、前記ハンチは梁の幅が増大し始めるハンチ始端部と直線部とハンチ終端部から構成され、前記ハンチ始端部及び前記ハンチ終端部には円弧部が設けられ、前記直線部のハンチ角θとハンチ始端部の円弧部の曲率半径Ｒが、Ｒ≧３ｍｍでθ≦２０°、Ｒ≧６ｍｍでθ≦３０°、Ｒ≧１０ｍｍでθ≦４０°、Ｒ≧１５ｍｍでθ≦４５°であり、ハンチ終端部の円弧部の曲率半径が１０ｍｍ以上、２５ｍｍ以下であって、前記梁フランジのハンチ始端部、ハンチ終端部における応力集中係数が３以下であり、前記ハンチ終端部の柱側に位置する梁フランジ端部の形状が矩形状であることを特徴とする梁部材。

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