JP4710067B2 - 柱梁接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨柱と鉄骨梁とを接合金物を介して接合する柱梁接合構造に関するものである。

従来、鋼管柱と鉄骨梁とを接合する方法として、鋼管柱の梁接合部に通しダイヤフラムを介在させ、この通しダイヤフラムに鉄骨梁を完全溶込溶接により接合するのが一般的である。しかし、この方法は、柱材の切断・溶接加工に多くの手間が掛かり、製作コストが上昇する難点があった。

そこで、柱材の切断・溶接加工の不要な接合方法として、Ｔ形接合金物を利用した接合方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。しかしながら、この接合方法は、柱材とＴ形接合金物のフランジとを専ら高力ボルトを用いて接合していたため、例えば地震時等において接合部に引張力が加わった場合、この引張力は全てボルトが負担することになり、また、このボルトにはＴ形接合金物のフランジによる、てこ反力が付加的に作用することから、ボルト破断による建築物の倒壊等の危険性があった。

更にまた、従来のＴ形接合金物を用いた接合方法においては、柱材の側面に多数のボルト孔を開設しなければならず、地震時等の引張力によるボルト孔周辺の局部変形を防ぐためには、ボルト孔周辺の肉厚を増したり当て板をするなど何らかの補強をせざるを得ず、この補強対策に多大な労力、工費を要する難点があった（下記特許文献１参照）。
特開平９−８８２３６号公報

本発明は、従来の柱梁接合構造に上記のような難点があったことに鑑みて為されたもので、加工工数を大幅に削減することができ、しかも地震時等における建築物の構造安全性に優れた柱梁接合構造を提供することを技術的課題とする。

本発明は、柱材に接合されるフランジと梁材に接合されるウェブとを備えた接合金物を介して該柱材と該梁材とを接合する柱梁接合構造であって、
前記接合金物のフランジが前記柱材の側面に溶接されており、かつ、前記梁材からの引張力による該柱材の該溶接部周辺の降伏応力が該接合金物のフランジの降伏応力よりも小さく、前記柱材が断面角形管状に形成されており、前記柱材の側面のうち前記接合金物が溶接された接合側面と隣り合う隣接側面に、該隣接側面の幅よりも小さい幅を有する補強板材が溶接されていることを特徴とする。

更にまた、本発明は、前記接合金物のフランジの幅が前記柱材の側面の幅よりも小さいことを特徴とする。

更にまた、本発明は、前記溶接が、隅肉溶接、プラグ溶接、スロット溶接から選択される一または複数の組み合わせから成ることを特徴とする。

本発明に係る柱梁接合構造によれば、接合金物のフランジと柱材とを溶接により接合しているので、ボルト接合していた従来の接合構造のように、例えば地震時等におけるボルト破断の危険性がなく、建築物の構造安全性に優れている。また、柱材のボルト孔による断面欠損を補うための補強対策に多大な労力、工費を要することがない。

しかも、引張力による柱材の溶接部周辺における降伏応力を接合金物のフランジの降伏応力より小さく構成しているので、地震等の振動エネルギーを柱材においても吸収することができ、接合金物への応力集中を回避することができる。更にまた、柱材が接合金物のフランジに先行して塑性変形するので、フランジ周囲の溶接部への応力集中も回避することができ、このことによっても建築物の構造安全性を高めることができる。

また、柱材に補強板材を溶接した柱梁接合構造によれば、低コストで地震時等における柱材の塑性変形を許容しながら必要な鉛直荷重の支持能力を維持することができ、平常時における建築物の構造安全性を確保することができる。

以下、本実施形態の柱梁接合構造１０について、図１〜図４を参照しながら詳しく説明する。

本実施形態の柱梁接合構造１０は、図１及び図２に示すように、断面角形管状の柱材１と、断面Ｈ形の梁材２と、柱材１と梁材２とを接合する断面Ｔ形の接合金物３と、柱材１の側面に溶接された補強板材４とから構成されている。

柱材１は、角形鋼管により構成され、その肉厚は柱材の長手方向、及び側面の幅方向に均一に形成されている。本実施形態では、側面幅３５０ｍｍ×３５０ｍｍ×厚さ１６ｍｍの角形鋼管（ＢＣＲ２９５）を採用している。

梁材２は、Ｈ形鋼により構成されており、対向する上下一対の梁フランジ２１と、梁フランジ２１同士を連結する梁ウェブ２２とを備えている。そして、梁フランジ２１の端部には、高力ボルト２３を挿通するための複数のボルト孔が開設されている。本実施形態では、高さ４５０ｍｍ×幅２００ｍｍ×ウェブ厚さ１２ｍｍ×フランジ厚さ２２ｍｍのＨ形鋼（ＳＭ４９０Ｂ）を採用している。

接合金物３は、図３に示すように、断面Ｔ字形状を成す鋼材から形成されており、上記柱材１の側面に接合されるべき正方形板状のフランジ３１と、フランジ３１の高さ方向の中央位置に直交状態で連結された長方形板状のウェブ３２とから構成されている。また、ウェブ３２には、高力ボルトを挿通するための複数のボルト孔３３が開設されている。本実施形態の接合金物３は、Ｈ形鋼（ＳＮ４９０Ｂ）を切断加工して形成されており、フランジ３１の寸法は、幅２００ｍｍ×高さ２００ｍｍ×厚さ２２ｍｍであり、ウェブ３２の寸法は、幅２００ｍｍ×長さ４００ｍｍ×厚さ１６ｍｍである。

補強板材４は、図１に示すように、正方形板状の鋼板材から形成されている。本実施形態では、幅２００ｍｍ×高さ２００ｍｍ×厚さ２２ｍｍの鋼板材（ＳＮ４９０Ｂ）を採用しており、上記接合金物３のフランジ３１と同寸法に形成されている。

本実施形態の柱梁接合構造１０は、図１及び図２に示すように、柱材１と梁材２とが、接合金物３を介して接合されて構成されている。

即ち、接合金物３のフランジ３１は、柱材１の接合側面１１と面接触し、フランジ３１の全周が接合側面１１との間で隅肉溶接されて接合されている。本実施形態では、隅肉溶接部５のサイズを１６ｍｍとしている。図１に示すように、柱材１の接合側面１１に上下一対の接合金物３・３が隅肉溶接されており、これら上下の接合金物３のウェブ３２の間に、梁材２の高さとほぼ同じ間隔が設けられている。また、図２に示すように、接合金物３のフランジ３１の幅は、柱材１の接合側面１１の幅よりも小さく形成されており、柱材１の接合側面１１の幅方向の中央位置に接合金物３のフランジ３１が隅肉溶接されている。

他方、接合金物３のウェブ３２は、梁材２の梁フランジ２１と高力ボルト２３によってボルト接合されている。図１に示すように、上下一対の接合金物３のウェブ３２によって梁材２の梁フランジ２１の端部を挟むように、ウェブ３２と梁フランジ２１とが重ね合わされており、これらウェブ３２及び梁フランジ２１に開設されたボルト孔に挿通した高力ボルト２３によってボルト接合されている。本実施形態では、図２に示すように、接合金物３のウェブ３２の幅を梁材２の梁フランジ２１の幅と同じ寸法にしているが、必ずしも同寸法である必要はない。また、接合金物３のウェブ３２と梁材２の梁フランジ２１とは必ずしもボルト接合する必要はなく、両者を溶接接合しても良い。この場合、梁材２の梁フランジ２１および接合金物３のウェブ３２には、ボルト孔を開設する必要はない。

また、本実施形態の柱梁接合構造１０は、図４に示すように、梁材２からの引張力Ｔによる柱材１の降伏応力が、接合金物３のフランジ３１の降伏応力よりも小さくなるように構成されている。このことで、地震時等において接合部に引張力が加わったとき、接合金物３のフランジ３１の塑性変形に先行させて、フランジ３１の隅肉溶接部５の周辺部Ａにおいて柱材１の接合側面１１を塑性変形させるようにしている。本実施形態では、上述したように、接合側面１１の幅より小さい幅を有する接合金物３のフランジ３１を柱材１の接合側面１１の幅方向の中央位置に溶接しているので、接合側面１１の幅方向における隅肉溶接部５の両側においても、接合側面１１が接合金物３のフランジ３１に先行して塑性変形し得る。

また、本実施形態では、図１及び図２に示すように、柱材１の４つの側面のうち、梁材２が接合された接合側面１１に隣り合う両側の隣接側面１２・１２と、接合側面１１の裏側の裏側面１３とにそれぞれ、補強板材４が溶接されている。つまり、補強板材４が、各側面１２、１３と面接触し、各補強板材４の全周が各側面１２、１３との間で隅肉溶接されて接合されている。本実施形態では、隅肉溶接部６のサイズを、上述した隅肉溶接部５と同じく１６ｍｍとしている。また、図２に示すように、補強板材４の幅は、柱材１の各側面１２、１３の幅よりも小さく形成されており、各補強板材４は、側面１２、１３の幅方向の中央位置に溶接されている。

上述した引張力による柱材１の塑性変形は、柱材１の寸法、材質、或いは接合金物３のフランジ３１の寸法等（隅肉溶接部５の溶接長等）によっては、その接合側面１１のみならず、隣接側面１２や裏側面１３にも及び得る。これら補強板材４によって、柱材１の塑性化を許容しながら必要な鉛直荷重の支持能力を維持して平常時における建築物の構造安全性を確保することができる。なお、本実施形態では、接合金物３のフランジ３１と同寸法の補強板材４を、接合金物３の溶接位置と同じ高さ位置に溶接しているが、これに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能である。また、必要な構造安全性を確保することができるのであれば、必ずしも隣接側面１２及び裏側面１３に補強板材４を設ける必要はない。また、両側の隣接側面１２にのみ補強板材４を設けるようにしても良い。

このように本実施形態の柱梁接合構造１０にあっては、接合金物３のフランジ３１と柱材１とを隅肉溶接によって接合しているので、ボルト接合していた従来の接合構造のように、例えば地震時等におけるボルト破断の危険性や、柱材１のボルト孔による断面欠損を補うための補強対策に多大な労力、工費を要することもない。また、接合金物３のフランジ３１の周囲を隅肉溶接しているので、梁材２からの引張力を分散させて柱材１へ伝達することができ、従来の接合構造のようにボルト孔周辺に応力が集中することもなく地震時等における構造安全性に優れている。

しかも、引張力による柱材１の少なくとも隅肉溶接部５の周辺部Ａの降伏応力を接合金物３のフランジ３１の降伏応力より小さく構成しているので、地震等の振動エネルギーを柱材１においても吸収することができる。したがって、接合金物３への応力集中を回避することができ、従来の接合方法のように、接合金物３のフランジ３１を増厚する必要もない。更にまた、柱材１が接合金物３のフランジ３１に先行して塑性変形するので、フランジ３１の周囲の隅肉溶接部５への応力集中も回避することができ、このことによっても、建築物の構造安全性を高めることができる。

また、本実施形態では、角形鋼管から成る柱材１の隣接側面１２及び裏側面１３に補強板材４を溶接しているので、柱材１が塑性変形する際、隣接側面１２が座屈してしまう惧れもなく、確実に柱材１で振動エネルギーを吸収することができる。また、低コストで地震時等における柱材１の塑性変形を許容しながら、必要な鉛直荷重の支持能力を維持することができ、平常時における建築物の構造安全性を確保することができる。

また、本実施形態の柱梁接合構造１０は、予め工場内で柱材１に上下一対の接合金物３を隅肉溶接しておき、その後、現場建方時には、上下の接合金物３のウェブ３２間に梁材２を挿入してボルト接合するだけで柱材１と梁材２とを接合することができるので、その施工も極めて容易である。この場合、接合金物３のウェブ３２と梁材２との間に厚さ数ミリのフィラープレートを介在させて接合金物３と梁材２とをボルト接合しても良い。上下の接合金物３のウェブ３２同士の間隔を、介在させるフィラープレートの厚さ分、大きく設ければ、ウェブ３２間への梁材２の挿入作業を容易化することができる。

以上、本実施形態の柱梁接合構造１０について説明したが、本発明に係る柱梁接合構造はその他の形態でも実施することができる。

例えば、上記実施形態では、角形鋼管から成る柱材１の一つの側面１１に梁材２が接合されている例について説明しているが、図５に示す柱梁接合構造２０のように、柱材１の隣接する二つの側面１４・１５にそれぞれ、梁材２が接合されていても良く、柱材１の四つの側面全てに梁材２が接合されていても良い。

図５に示す柱梁接合構造２０の場合、一方の接合側面１４には、他方の接合側面１５と隣接側面１６とが隣り合っている。そして、接合側面１５には接合金物３のフランジ３１が隅肉溶接されている一方、隣接側面１６には補強板材４が隅肉溶接されている。したがって、例えば地震時等による引張力が接合側面１４に接合された梁材２に加わった場合、接合側面１５に接合されたフランジ３１が、隣接側面１６に接合された補強板材４と略同等な補強効果を奏する。また、本発明の柱梁接合構造において、柱材１の側面に補強板材４を接合する代わりに、接合金物３のみを接合するようにしても良い。

また、上記実施形態では、断面Ｔ字形状の接合金物３を採用しているが、本発明は決してこれに限定されるものではなく、図６に示すように、断面Ｌ字形状の接合金物７を使用しても良い。接合金物７のフランジ７１が柱材１と溶接されるので、必ずしもウェブ７２がフランジ３１の高さ方向の中央位置に連結されている必要はない。本発明に係る接合金物は、柱材の側面と面接触状態で溶接し得るフランジと、梁材の梁フランジにボルト接合または溶接接合し得るウェブとを備えていれば足り、その断面形状は種々の設計変更が可能である。また、接合金物のフランジとウェブとの間に補強リブを設けても良い。また、接合金物のフランジやウェブの平面形状についても四角形状に限定されるものではなく、例えば、フランジの平面形状に凹部を設けて隅肉溶接の溶接長さを確保するようにしても良い。また、必要な接合耐力を得ることができるのであれば、柱材１と接合金物３のフランジ３１との隅肉溶接は、必ずしもフランジ３１の全周に亘って連続的に行われている必要はなく、フランジ３１の周囲を断続的に隅肉溶接するようにしても良い。また、柱材１と接合金物３のフランジ３１とを隅肉孔溶接や隅肉溝溶接により接合しても良い。

また、図７に示す柱梁接合構造３０のように、柱材１の側面に接合金物８のフランジ８１をプラグ溶接（栓溶接）により接合しても良い。接合金物８は、断面Ｔ字状を成す鋼材から形成されており、予めフランジ８１には複数の貫通孔８３がウェブ８２を挟むように開設されている。この接合金物８のフランジ８１を柱材１の側面に面接触させ、各貫通孔８３においてプラグ溶接が施されている。そして、プラグ溶接部８４の周辺部における柱材１の降伏応力が接合金物８のフランジ８１の降伏応力よりも小さくなるように構成されている。また、柱材１の隣接側面には、接合金物８と同様、補強板材４１がプラグ溶接されている。

この柱梁接合構造３０においても、柱材１にボルト孔を開設する必要がないため、従来の接合構造のように、柱材１の補強対策に多大な労力、工費を要することがなく、また、地震等の振動エネルギーを柱材においても吸収することができる。また、接合金物８のフランジ８１と柱材１とがプラグ溶接部８４により部分的に接合されているので、プラグ溶接部８４以外の部分においてフランジ８１の変形を許すことができる。したがって、ウェブ８２の根元部におけるフランジ８１の塑性変形を利用して地震時等の振動エネルギーを吸収することも可能となる。

また、図８に示す柱梁接合構造４０のように、柱材１の側面に接合金物９のフランジ９１をスロット溶接（溝溶接）により接合しても良い。接合金物９は、断面Ｔ字形状を成す鋼材から形成されており、予めフランジ９１には複数の貫通溝９３がウェブ９２を挟むように開設されている。この接合金物９のフランジ９１を柱材１の側面に面接触させ、各貫通溝９３においてスロット溶接が施されている。そして、スロット溶接部９４の周辺部における柱材１の降伏応力が接合金物９のフランジ９１の降伏応力よりも小さくなるように構成されている。また、柱材１の隣接側面には、接合金物９と同様、補強板材４２がスロット溶接されている。この柱梁接合構造４０は、上述した柱梁接合構造３０と同様の効果を奏する。

また、図９に示す柱梁接合構造５０のように、柱材１の側面に接合金物１００のフランジ１０１を、プラグ溶接と隅肉溶接とを併用して接合しても良い。接合金物１００は、断面Ｔ字形状を成す鋼材から形成されており、予めフランジ１０１には複数の貫通孔１０３がウェブ１０２を挟むように開設されている。この接合金物１００のフランジ１０１を柱材１の側面に面接触させ、各貫通孔１０３においてプラグ溶接が施されるとともに、フランジ１０１の周囲において部分的に隅肉溶接が施されている。そして、隅肉溶接部１０５の周辺部における柱材１の降伏応力が、接合金物１００のフランジ１０１の降伏応力よりも小さくなるように構成されている。

柱梁接合構造５０は、接合金物１００のフランジ１０１と柱材１とがプラグ溶接部１０４により部分的に接合されているとともに、フランジ１０１と柱材１との隅肉溶接がウェブ１０２の根元部以外の部分に施されているので、上述した柱梁接合構造３０と同様、ウェブ１０２の根元部におけるフランジ１０１の塑性変形を利用して地震時等の振動エネルギーを吸収することも可能となる。なお、接合金物１００のフランジ１０１と柱材１との隅肉溶接をフランジ１０１の角部分にのみ施すようにしても良い。

また、本発明は、引張力による柱材の降伏応力を接合金物の降伏応力よりも小さく構成しているが、梁材と接合金物、或いは梁材と柱材との間の降伏応力の関係については、状況に応じて種々の設計が可能である。本発明において、梁材の曲げ降伏を柱材に先行させるように構成することも勿論可能である。

また、上記実施形態では、角形鋼管から成る断面角形管状の柱材１を採用しているが、本発明は決してこれに限定されるものではなく、例えば、溶接組立して得た断面角形の柱材を採用しても良く、その他、断面Ｈ形状、断面クロスＨ形状、断面円形状等の柱材を採用することもできる。また、上記実施形態ではＨ形鋼から成る梁材２を採用しているが、例えば断面角形の梁材を採用しても良い。

本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づいて種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものである。また、同一の作用又は効果が生じる範囲内でいずれかの発明特定事項を他の技術に置換した形態で実施しても良く、また、一体に構成されている発明特定事項を複数の部材から構成したり、複数の部材から構成されている発明特定事項を一体に構成した形態で実施しても良い。

本実施形態の柱梁接合構造の側面図である。 本実施形態の柱梁接合構造の平面図である。 本実施形態の柱梁接合構造の接合金物の全体斜視図である。 本実施形態の柱梁接合構造の梁材に地震等により引張力が加わった状態を説明する要部側面図である。 本発明に係る変形例の柱梁接合構造の平面図である。 本発明に係る他の変形例の柱梁接合構造の接合金物の全体斜視図である。 本発明に係る更に他の変形例の柱梁接合構造の部分側面図である。 本発明に係る更に他の変形例の柱梁接合構造の部分側面図である。 本発明に係る更に他の変形例の柱梁接合構造の部分側面図である。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０ 柱梁接合構造
１ 柱材
１１ 接合側面
１２ 隣接側面
１３ 裏側面
２ 梁材
２１ 梁フランジ
２２ 梁ウェブ
３、７、８、９、１００ 接合金物
３１、７１、８１、９１、１０１ （接合金物の）フランジ
３２、７２、８２、９２、１０２ （接合金物の）ウェブ
４、４１、４２ 補強板材
５、６、１０５ 隅肉溶接部
８４、１０４ プラグ溶接部
９４ スロット溶接部

Claims (3)

1. 柱材に接合されるフランジと梁材に接合されるウェブとを備えた接合金物を介して該柱材と該梁材とを接合する柱梁接合構造であって、
   前記接合金物のフランジが前記柱材の側面に溶接されており、かつ、前記梁材からの引張力による該柱材の該溶接部周辺の降伏応力が該接合金物のフランジの降伏応力よりも小さく、
   前記柱材が断面角形管状に形成されており、
   前記柱材の側面のうち前記接合金物が溶接された接合側面と隣り合う隣接側面に、該隣接側面の幅よりも小さい幅を有する補強板材が溶接されていることを特徴とする柱梁接合構造。
2. 前記接合金物のフランジの幅が前記柱材の側面の幅よりも小さいことを特徴とした請求項１に記載の柱梁接合構造。
3. 前記溶接が、隅肉溶接、プラグ溶接、スロット溶接から選択される一または複数の組み合わせから成る請求項１または請求項２に記載の柱梁接合構造。

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