JP4722952B2 - 梁孔補強部材及び有孔梁の補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、ウェブに孔部が形成された有孔梁を補強するための梁孔補強部材と、該梁孔補強部材を利用した有孔梁の補強構造に関する。

鉄骨構造物においては、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、溝形鋼等からなる梁に設備配管等を挿通させるため、梁のウェブに円形の孔部を貫通形成した、いわゆる有孔梁がしばしば用いられる。かかる有孔梁においては、孔部によって部材断面が欠損し、梁の曲げ強度や剪断強度が低下する。そこで、梁の強度を補うため、孔部の周囲に鋼製の添え板や補強リング等の補強部材を取り付けることが行われている。

かかる補強部材の取付構造としては、
（１）例えば特許文献１等に記載されたように、孔部の内側に略筒状の補強部材を挿入して孔部の周縁部に溶接するもの、
（２）例えば特許文献２、３等に記載されたように、孔部を囲む形状の補強部材をウェブの両面又は片面に当てがって溶接するもの、
（３）例えば特許文献４等に記載されたように、孔部を囲む形状の補強部材をウェブの両面又は片面に当てがい、ウェブを貫通するボルトによって締結するもの、
等が知られている。

これらのうち、（１）の、孔部内に補強部材を挿入して孔部の周縁部に溶接する構造は、補強部材の分だけ孔部の有効径が狭くなるので、梁には、それを見越して必要な径よりも大きい孔部を形成しておかなければならない。すると、梁の断面欠損はさらに大きくなり、それを補うための補強部材も、より大きくなって、コスト増を招く。

（２）の、孔部を囲む形状の補強部材をウェブに溶接する構造であれば、孔部の径を必要以上に大きくしなくても済む。ただし、ウェブの両面に補強部材を溶接する場合は、溶接（通常は隅肉溶接）の作業性を確保するため、梁のウェブを水平に寝かせた状態で片側ずつ溶接することになる。したがって、片側ごとに梁を反転する作業が必要になり、作業効率が低下するとともに作業時の危険性も増す。

補強部材をウェブの片面にのみ溶接する場合は、上記両面溶接の場合に比べて作業効率は良い。しかし、片側の補強部材だけで強度を確保する必要から、補強部材自体の見付面積（梁の側方から見た大きさ）や厚さは、両面に溶接する場合に比べて大きくならざるを得ない。すると、補強部材の周縁部と形鋼のフランジとの間隔が狭くなり、その狭い部分はフランジが邪魔になって溶接の作業性が低下したり、溶接欠陥が生じたりするおそれがある。

一方、（３）の、補強部材をボルト締結する構造は、練度を要する溶接作業を省略することができるので、コスト面や品質管理面では有利である。しかし、十分な強度を得るためには、溶接の場合に比べて補強部材の見付面積を拡張する必要がある。そして、その分、ボルトの本数やウェブに形成するボルト挿通孔の個数も多くなり、作業性が低下するとともに、梁回りの設備配置等に関して設計上の制約が生じるおそれもある。
特開２００３−２３２１０５号公報 特開２００６−２１４１８４号公報 特開２００７−１６２２４４号公報 実開平５−５７１４９号公報

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、特に、取付作業が溶接に比べて簡単なボルト締結によって、有孔梁の片面にのみ補強部材を固着する構造において、孔部の径が大きい場合でも、補強部材自体の見付面積や厚さの増大を極力、抑えながら力学的に優れた補強効果が得られ、作業性や経済性にも優れた効果を奏する補強部材と、該補強部材を用いた有孔梁の補強構造を提案する。

上記した目的を達成するため、本発明の請求項１に係る梁孔補強部材は、内側に貫通孔を有する略短筒状のリング部と、上記リング部の軸方向における一端から全周方向に張り出したフランジ部とを具備し、上記フランジ部側の端面はリング部の軸心に直交する当接面部となされ、上記リング部の軸心を通る直交２方向の分割面について互いに対称となる偶数箇所の位置に、上記フランジ部よりも肉厚でリング部の外方に突出する補強リブが形成され、該補強リブにボルト挿通孔が形成されたことを特徴とする。

この構成に係る梁孔補強部材は、ウェブの片面にのみ添設されることを前提に強度設計されている。ウェブに形成される孔部の径が大きい場合、それに合わせてリング部を全体的に大きくするのは、材量がむやみに増大して不経済である。そこで、本発明の梁孔補強部材は、主として孔部回りの面外変形を防ぐ厚いリング部と、主としてウェブの剪断変形を拘束する薄いフランジ部と、さらに、応力の集中しやすい部分を重点的に補強する補強リブという３種類の構造要素の組み合わせを採用している。

補強リブは、少なくともフランジ部よりは肉厚で、好ましくはリング部の軸長と略等しい厚さとする。

補強リブの配置については、構造力学におけるフィーレンディールの曲げ作用を考慮して設定される。梁せいの６割程度の直径の孔部を設けた有孔梁に面外座屈が生じるとき、孔部の周囲は、垂線方向（有孔梁の梁軸に直交する方向）に対して斜め（概ね２０度）の方向に波打つように変形しやすい。そこで、請求項１では、応力が集中しやすい箇所を、「リング部の軸心を通る直交２方向の分割面について互いに対称となる偶数箇所の位置」と設定している。より具体的には、梁孔補強部材を有孔梁に取り付けた状態において、孔部の中心を通る垂線に対し１５〜４５度傾斜した４箇所の位置を基本とする。

さらに、補強リブの位置にボルト挿通孔を形成してボルト締結することにより、応力の伝達も良好になる。このような補強リブを採用することにより、少ない材量で効率よく、高い補強効果を得ることができる。

さらに、請求項４に記載したように、補強リブの表面側におけるボルト挿通孔の開口端に、ボルトの頭部を収容した状態で回転を拘束する多角形状の座繰り孔を形成すれば、ウェブの片側からボルト・ナットの締結が可能になり、作業性が向上する。また、補強リブの厚さを利用してボルトの頭部を座繰り孔内に沈めることにより、梁回りの納まりがすっきりして、設計上の自由度が向上する。

有孔梁の孔部が大きい場合、上記構成においてフランジ部を拡張しすぎると、フランジ部が有孔梁のフランジに干渉してしまう。そこで、請求項２に係る梁孔補強部材は、フランジ部の外周縁部が、平行に相対する一対の直線部と、その直交方向に相対する一対の円弧部とからなるように構成し、直線部を有孔梁のフランジに沿わせて添設する。

さらに、請求項３に係る梁孔補強部材は、上記両直線部間の距離よりも両円弧部間の距離が大きくなるように形成されたことを特徴とする。このように、直線部間の距離は最小限に抑えてフランジ部と有孔梁のフランジとの干渉を避けながら、それと直行する梁軸方向にフランジ部を拡張することにより、補強部材自体の見付面積が過剰に増大するのを抑制しつつ、力学的に優れた補強効果を得ることができる。

また、本発明の請求項５に係る梁孔補強部材は、当接面部の径方向における略中間部に、当接面部の周方向に沿って連続する凹溝が形成されるとともに、該凹溝の一部がフランジ部の外周縁部の一部に開口することを特徴とする。この構成は、有孔梁に梁孔補強部材を取り付けた後、梁全体を電解着色塗装や溶融亜鉛メッキ等の処理液に浸漬（いわゆるドブ漬け）する場合に、有孔梁のウェブと補強部材との当接面に過剰な処理液が残留するのを防ぐための構成である。処理液の残留を防ぐには、当接面を完全に密閉するか、適度の隙間を設けて処理液を円滑に排出するのが望ましい。しかし、当接面を完全に密閉するのは現実的に困難であるから、本発明の梁孔補強部材においては、処理液の排出を円滑にする凹溝を当接面に形成している。有孔梁を処理液中に浸漬して引き上げたとき、ウェブと梁孔補強部材との当接面に入り込んだ処理液は、凹溝からフランジ部の一部に形成された開口を通じて排出される。処理液を排出し易い凹溝の深さは、概ね１．５ｍｍ以上である。

本発明の梁孔補強部材は、特に溶接性を問わないので、公知の各種鋳鋼や鋳鉄によって鋳造するか、又は鍛造によって形成することができる。このような材料を利用することにより、機械的強度、寸法精度、量産性等を好適に確保することができる。

また、本発明に係る有孔梁の補強構造は、上記した梁孔補強部材を、形鋼からなる有孔梁のウェブに形成された孔部を囲むようにしてウェブの片面に添設し、ボルト・ナットによってウェブに締結する有孔梁の補強構造であって、梁孔補強部材は、リング部の内径が孔部の径よりも大きく、リング部の軸長がウェブの肉厚の１．５倍以上となるように形成されて、リング部が孔部と同心状をなすようにウェブに添設され、各補強リブに形成されたボルト挿通孔、及び該ボルト挿通孔と合致するようにウェブに形成されたボルト孔にボルトが挿入されてナット締結されたことを特徴とする。これにより、大きな孔部が形成された有孔梁であっても効率的に補強することができる。

本発明の梁孔補強部材と、それを利用した有孔梁の補強構造によれば、有孔梁に形成される孔部の径が大きい場合でも、補強部材自体の製造に要する材量を抑えながら、力学的に優れた補強効果を得ることができる。また、ボルトの締結位置は補強リブの位置に集約され、それだけでも十分な強度を確保することができるので、取付作業が格段に容易になり、施工性や経済性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図を参照しつつ説明する。

図１は本発明の実施形態に係る梁孔補強部材の全体形状を示した斜視図であり、図２は該梁孔補強部材の裏面図である。図３は上記梁孔補強部材を有孔梁のウェブに固着した状態を示す図であり、図４及び図５は図３の固着状態における要部の断面図である。

有孔梁１は、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、溝形鋼等からなるもので、そのウェブ１１に略円形の孔部１２が形成されている。梁せい（梁の高さ）方向における孔部１２の位置は概ね中央である。本発明の梁孔補強部材２は、該孔部１２を囲むようにしてウェブ１１の片面にのみ添設され、ボルト７１（好ましくは高力ボルト）及びナット７２を介してウェブ１１に固着される。

梁孔補強部材２は、内側に貫通孔を有する略短筒状のリング部３と、リング部３の一端から全周方向に張り出したフランジ部４と、リング部３の一部から外方に突出した補強リブ５とを一体的に有しており、それら各部が鋳造又は鍛造によって一体的に形成されている。

リング部３の軸長は、少なくとも有孔梁１のウェブ１１の肉厚の１．５倍以上、好ましくは２〜３倍程度となされている。また、リング部３の径方向の肉厚は、ウェブ１１の肉厚の１〜２倍程度となされている。リング部３の内径はウェブ１１に形成された孔部１２よりもひと回り（半径で１０〜３０ｍｍ程度）大きくなるように形成されており、このリング部３がウェブ１１の孔部１２と同心状をなすようにしてウェブ１１に添設される。例示形態では、リング部３の内周面が、ウェブ１１に当接する側に向かって緩いテーパで縮径するように形成されている。

フランジ部４は、その軸方向における厚さがリング部３の軸長の１／３〜１／２程度となされている。この厚さは、フランジ部４全体で略均一でもよいし、外方に向かって若干、傾斜的に薄くなるように形成されていてもよい。

図３に示すように、フランジ部４を梁軸の側方から見たとき、フランジ部４の外周縁部は、上下方向（Ｙ方向）に相対する平行な一対の直線部４１、４１と、梁軸方向（Ｘ方向）に相対する一対の円弧部４２、４２とが連続した形状をなし、直線部４１が有孔梁１のフランジ１３と平行になるように配置される。各直線部４１の長さは、軸心回りの中心角が概ね４０〜７０°となる範囲に設定されている。また、円弧部４２の図心は、リング部３の軸心から梁軸方向に沿って、各円弧部４２の反対向きに若干、偏倚している。フランジ部４の全体としては、直線部４１、４１間の距離よりも円弧部４２、４２間の距離のほうが大きくなるように形成されている。

リング部３及びフランジ部４の一端は、リング部３の軸心に直交する平坦な当接面部６となっており、この当接面部６がウェブ１１に添設される。当接面部６の径方向における略中間部には、高さが１．５ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ程度の平らな台形状断面をなす凹溝６１が形成されている。凹溝６１は当接面部６の周方向に連続しており、その一部が外方に拡がって、上下の直線部４１、４１にそれぞれ開口している。この凹溝６１は、予め梁孔補強部材２が取り付けられた有孔梁１を、塗装やメッキのための処理液中に浸漬して引き上げたとき、処理液が当接面部６から円滑に排出されるのを促進する作用をなす。処理液は、下側の直線部４１における開口を通して流出し、このとき、上側の直線部４１における開口は空気抜きとなる。

リング部３の外方に突出した補強リブ５は、少なくともフランジ部４よりは肉厚で、好ましくはリング部３の軸長と略等しい厚さを有し、フランジ部４と一体化するように形成されている。補強リブ５の位置は、リング部３の軸心を通る上下方向（Ｙ方向）の分割面について互いに対称、かつ、リング部３の軸心を通る梁軸方向（Ｘ方向）の分割面についても互いに対称となる偶数箇所に設定される。例示形態にあっては、上下方向（Ｙ方向）の分割面から左右にそれぞれ４０°ずつ傾斜した線を中心とする４箇所の位置に補強リブ５が設けられている。各補強リブ５の周方向における幅は、軸心回りの中心角において約２０度である。

補強リブ５は上記の４箇所に設けるのを基本とし、場合によっては更に２箇所ないし４箇所程度、増設してもよい。補強リブ５の位置については、梁せいや孔部１１の径等に応じ、上下方向（Ｙ方向）の分割面から左右に概ね１５〜４５°の範囲内で適宜設定することができる。また、補強リブ５の幅についても、軸心回りの中心角が概ね２０〜４０度になる範囲で適宜設定可能である。

補強リブ５の略中心には、それぞれ１箇所ずつのボルト挿通孔５１が形成されている。ボルト挿通孔５１は補強リブ５及びフランジ部４を貫通している。補強リブ５の表面側におけるボルト挿通孔５１の開口端には、六角形の座繰り孔５２が形成されている。この座繰り孔５２は、ボルト挿通孔５１に挿入されるボルト７１の頭部（またはナット７２、以下同様）を収容して回転を拘束する作用をなす。したがって、ボルト７１の頭部が例えば四角形である場合は、座繰り孔５２も四角形とするのが好ましい。梁孔補強部材２が添設される有孔梁１のウェブ１１にも、予めボルト挿通孔５１の位置に合致するボルト孔が形成されている。

なお、ボルト挿通孔５１にボルト７１が挿入されると、このボルト７１が当接面部６側に形成された前述の凹溝６１を分断してしまうおそれがある。そこで、これを防ぐため、当接面部６側におけるボルト挿通孔５１の開口端の周囲では、凹溝６１が略円形に拡張して連続している。

梁孔補強部材２を有孔梁１のウェブ１１に取り付ける作業は、ウェブ１１を垂直に立てたままの状態で行うことができる。ウェブ１１の片面に梁孔補強部材２を当てがい、ボルト挿通孔５１にボルト７１を挿入して、ウェブの反対側からナット７２（またはボルト７１）を締結する。この作業は特に専門性や練度を要しないので、一般工でも十分に可能である。締付トルクを確認することによって、施工品質も確保しやすい。また、例えばウェブ１１の両面に溶接する場合のように有孔梁１を反転させる必要もないので、作業時の危険性が少なく、作業場所も特に制約されない。梁孔補強部材２には、予め、その全面に塗装やメッキ処理を施しておくこともできるので、工程上の自由度も大きい。

こうして、比較的少ないボルト本数でも効率よく有孔梁の補強効果を得ることができ、［孔部の直径／梁せい］の限界値を従来よりも上昇させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る梁孔補強部材の表側斜視図である。 本発明の実施形態に係る梁孔補強部材の裏面図である。 図１、２の梁孔補強部材を有孔梁のウェブに添設した状態を梁軸の側方から見た図である。 図３におけるＡ−Ａ’断面図である。 図３におけるＢ−Ｂ’断面図である。

符号の説明

１ 有孔梁
１１ ウェブ
１２ 孔部
１３ フランジ
２ 梁孔補強部材
３ リング部
４ フランジ部
４１ 直線部
４２ 円弧部
５ 補強リブ
５１ ボルト挿通孔
５２ 座繰り孔
６ 当接面部
６１ 凹溝
７１ ボルト
７２ ナット

Claims (7)

1. 内側に貫通孔を有する略短筒状のリング部と、上記リング部の軸方向における一端から全周方向に張り出したフランジ部とを具備し、上記フランジ部側の端面はリング部の軸心に直交する当接面部となされ、上記リング部の軸心を通る直交２方向の分割面について互いに対称となる偶数箇所の位置に、上記フランジ部よりも肉厚でリング部の外方に突出する補強リブが形成され、該補強リブにボルト挿通孔が形成されたことを特徴とする梁孔補強部材。
2. 請求項１に記載の梁孔補強部材において、
   フランジ部の外周縁部は、平行に相対する一対の直線部と、その直交方向に相対する一対の円弧部とからなることを特徴とする梁孔補強部材。
3. 請求項２に記載の梁孔補強部材において、
   両直線部間の距離よりも両円弧部間の距離が大きくなるように形成されたことを特徴とする梁孔補強部材。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の梁孔補強部材において、
   補強リブの表面側におけるボルト挿通孔の開口端には、ボルトの頭部を収容した状態で回転を拘束する多角形状の座繰り孔が形成されたことを特徴とする梁孔補強部材。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の梁孔補強部材において、
   当接面部の径方向における略中間部に、当接面部の周方向に沿って連続する凹溝が形成されるとともに、該凹溝の一部がフランジ部の外周縁部の一部に開口することを特徴とする梁孔補強部材。
6. 鋳鋼若しくは鋳鉄による鋳造、又は鍛造によって形成された請求項１〜５のいずれか一項に記載の梁孔補強部材。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載された梁孔補強部材を、形鋼からなる有孔梁のウェブに形成された孔部を囲むようにしてウェブの片面に添設し、ボルト・ナットによってウェブに締結する有孔梁の補強構造であって、
   梁孔補強部材は、リング部の内径が孔部の径よりも大きく、リング部の軸長がウェブの肉厚の１．５倍以上となるように形成されて、リング部が孔部と同心状をなすようにウェブに添設され、各補強リブに形成されたボルト挿通孔、及び該ボルト挿通孔と合致するようにウェブに形成されたボルト孔にボルトが挿入されてナット締結されたことを特徴とする有孔梁の補強構造。

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