JP4734840B2 - Beam-column joint - Google Patents
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Description
本発明は、内ダイアフラム形式の鋼管とH形鋼を有する接合部に関し、特に内ダイアフラム形式の鋼管柱とH形鋼の梁を有する柱梁接合部で、耐震性を要求される建築構造物に好適なものに関する。
BACKGROUND OF THE
建築物その他の構造物における鉄骨造柱と梁フランジの接合部が、地震時に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。 In some cases, the joints between steel columns and beam flanges in buildings and other structures are broken without sufficient deformation during earthquakes, and the earthquake resistance of buildings and other structures may be impaired.
その原因として、1 当該接合部において、地震時に曲げモーメントが最大になるにも拘わらず、溶接による靭性低下や、溶接欠陥が生じ、2 内ダイアフラム形式の場合はダイアフラムを柱内部に接合するエレクトロスラグ溶接部にノッチ状の空隙が発生し、該空隙が起点となる亀裂が発生することが指摘されている。
As a cause of this, although the bending moment becomes maximum at the time of an earthquake at the joint, the toughness drop due to welding and welding defects occur, and in the case of the two-inner diaphragm type, the electroslag that joins the diaphragm to the inside of the column It has been pointed out that a notch-shaped gap is generated in the weld and a crack starting from the gap occurs.
図7は、内ダイアフラム形式の鋼管柱を用いた柱梁接合部の内部構造の一部を説明する部分透視図で、柱梁接合部700の柱100の内部で、梁フランジ200の接合部となる位置に、内ダイアフラム400が取り付けられる。
FIG. 7 is a partial perspective view for explaining a part of the internal structure of the beam-column joint using the inner-diaphragm type steel pipe column. In the
図8は、内ダイアフラム400の取付け部を拡大して説明する図で、ダイアフラム400の4周は柱スキンプレート100の内側にエレクトロスラグ溶接法により溶接され、図はその溶接部を示す。超高層建築物の柱部材を溶接する場合は溶接入熱は500〜1500kJ/cmで、溶接金属600の外側の溶接熱影響部が柱スキンプレート100の表面から20〜100mmmの深さにまで達し、ダイアフラム400は25〜50mm程度が溶接熱影響部となる。
FIG. 8 is an enlarged view of the mounting portion of the
そのため、溶接後の熱収縮により柱スキンプレート100は曲げ変形し、柱スキンプレート100とエレクトロスラグ溶接の裏当金500が接する部分に空隙部a1,a2を生じる。地震時に梁フランジ200と梁ウェブ300からの材軸応力による曲げモーメントが内ダイアフラム400に作用すると、空隙部a1,a2がノッチとして作用し、柱梁接合部が破断される。曲げモーメントが最も大きくなるダイアフラム400と裏当金500が当接する位置から距離l1離れた位置に空隙部a1の先端が位置している状態を示す。
For this reason, the
特許文献1は耐破壊特性に優れたエレクトロスラグ溶接継手の製造方法に関し、溶接後、熱収縮により裏当金と柱スキンプレートの接する部分に空隙が生じないように、当該部分に開先を設けて両者を溶接接合することが記載されている。
特許文献1記載の発明によれば、裏当金と柱スキンプレートが溶接されるので、内ダイアフラムを柱スキンプレートにエレクトロスラグ溶接で接合しても、溶接後に両者の間に空隙は生ずることはなく耐震性に優れた柱梁接合部が得られる。
しかしながら、特許文献1に記載されているエレクトロスラグ溶接方法は、裏当金の開先加工や、裏当金と柱スキンプレートを溶接する工程が必要となる。また、柱の狭隘な内部で、開先を組み立てなければならず、作業者の負担が大きい。更に、当該個所の溶接部に低温割れなどのノッチ状の欠陥が生じると耐震性は向上しない。
However, the electroslag welding method described in
そこで、本発明は、内ダイアフラム形式の鉄骨造柱において、ダイアフラムを柱に取り付けるエレクトロスラグ溶接部にノッチ状の空隙(以下、ノッチ)が生じたとしても、優れた耐震性が得られる柱梁接合部を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a column-to-column connection that provides excellent seismic resistance even when a notch-shaped gap (hereinafter referred to as a notch) is generated in an electroslag welded portion for attaching a diaphragm to a column in an internal diaphragm type steel column. The purpose is to provide a department.
本発明の課題は以下の手段により達成できる。
1.内ダイアフラム形式の鋼管と、H形鋼とを接合する接合部であって、裏当金を用いて内ダイアフラムを鋼管スキンプレートに取り付けるエレクトロスラグ溶接の開先断面が、内ダイアフラムと裏当金の間の、少なくともH形鋼のウェブ側となる裏当金と内ダイアフラムの間にスペーサ板を設けた、少なくとも鋼管スキンプレートに沿う辺の長さが、内ダイアフラムの板厚より長い矩形形状で、更に、前記エレクトロスラグ溶接の開先断面側となる前記鋼管スキンプレートに、内ダイアフラムを両側から挟持する裏当金の内法寸法の幅と内ダイアフラムの板厚の1/2〜1/3の深さの溝を有することを特徴とする接合部。
2.内ダイアフラム形式の鋼管柱と、H形鋼の梁とを接合する接合部であって、裏当金を用いて内ダイアフラムを鋼管スキンプレートに取り付けるエレクトロスラグ溶接の開先断面が、内ダイアフラムと裏当金の間の、少なくとも梁のウェブ側となる裏当金と内ダイアフラムの間にスペーサ板を設けた、少なくとも鋼管スキンプレートに沿う辺の長さが、内ダイアフラムの板厚より長い矩形形状で、更に、前記エレクトロスラグ溶接の開先断面側となる前記鋼管スキンプレートに、内ダイアフラムを両側から挟持する裏当金の内法寸法の幅と内ダイアフラムの板厚の1/2〜1/3の深さの溝を有することを特徴とする柱梁接合部。
The object of the present invention can be achieved by the following means.
1. This is a joint that joins the inner diaphragm type steel pipe and the H-shaped steel, and the groove section of electroslag welding that attaches the inner diaphragm to the steel pipe skin plate using the backing metal is the same as the inner diaphragm and backing metal . In the meantime, the spacer plate is provided between the backing metal on the web side of the H-shaped steel and the inner diaphragm, and the length of the side along the steel pipe skin plate is longer than the thickness of the inner diaphragm, Furthermore, the steel pipe skin plate on the groove cross-sectional side of the electroslag welding has a width of the inner dimension of the backing metal that holds the inner diaphragm from both sides and 1/2 to 1/3 of the plate thickness of the inner diaphragm. A junction having a groove having a depth.
2. A joint that joins an inner diaphragm type steel pipe column and an H-shaped steel beam, and the groove section of electroslag welding that attaches the inner diaphragm to the steel pipe skin plate using a backing metal is the inner diaphragm. A spacer plate is provided between the backing plate which is at least the web side of the beam and the inner diaphragm between the inner plate and the backing plate, and a rectangle whose length along at least the steel pipe skin plate is longer than the plate thickness of the inner diaphragm In addition, the steel pipe skin plate, which is the groove cross-sectional side of the electroslag welding, has a width of the inner dimension of the backing metal that sandwiches the inner diaphragm from both sides and 1/2 to 1 of the plate thickness of the inner diaphragm. A beam-column joint characterized by having a groove with a depth of / 3.
本発明によれば、ダイアフラムを柱に取り付けるエレクトロスラグ溶接の溶接金属の形状が、柱スキンプレートに沿った扁平な楕円形状となる。 According to the present invention, the shape of the electroslag weld metal that attaches the diaphragm to the column becomes a flat oval shape along the column skin plate.
そのため、1 柱スキンプレートと裏当金の間で、柱スキンプレートと平行に形成されるノッチの先端は、曲げ応力が最大となる柱スキンプレートと梁フランジとの接合位置より離れるので、ノッチ先端を開口させるように作用する応力値が低下する。 For this reason, the notch tip formed parallel to the column skin plate between the column skin plate and the backing metal is separated from the joining position between the column skin plate and the beam flange where the bending stress is maximized. The stress value acting to open the aperture is reduced.
2 また、応力の作用方向が、柱スキンプレートに沿うようになるので、ノッチ先端を開口させる力が低減し、1の効果と相俟ってノッチ先端からの破壊の発生が抑制される。
2 In addition, since the acting direction of stress is along the column skin plate, the force for opening the notch tip is reduced, and combined with the
3 特に、柱スキンプレートに材軸応力により曲げモーメントを発生させる梁ウェブ側のノッチにおいて大きな効果が得られる。 3 In particular, a great effect can be obtained at the notch on the beam web side in which a bending moment is generated in the column skin plate by a material axial stress.
本発明は、内ダイアフラムを柱に取り付けるエレクトロスラグ溶接において、少なくとも柱スキンプレートに沿う開先の幅が、内ダイアフラムの板厚より長い開先断面形状を用い、扁平な形状の溶接金属が得ることを特徴とする。以下の説明では、柱を角形鋼管、梁をH形鋼として説明する。 According to the present invention, in electroslag welding in which an inner diaphragm is attached to a column, at least a groove width along the column skin plate is longer than the plate thickness of the inner diaphragm, and a flat weld metal is obtained. It is characterized by. In the following description, the column will be described as a square steel pipe and the beam as an H-shaped steel.
図1は、本発明の一実施形態に係る柱梁接合部の構造を説明する概略断面図を示し、図において1は柱スキンプレート、2は柱スキンプレート1に取り付けられる梁フランジ、3は梁ウェブ、4はダイアフラム、5はエレクトロスラグ溶接に用いる裏当金、6はエレクトロスラグ溶接金属、7はダイアフラム4と裏当金の間に挟むスペーサ、8はスカラップ、9は梁フランジ2と柱スキンプレート1の接合部、10は梁フランジ2からダイアフラム4に作用する応力を示す力の流れ、11は梁ウェブ3から柱スキンプレート1に作用する材軸応力、12は開先部を示す。図は溶接後の状態を示し、裏当金5と柱スキンプレート1の間にノッチa1,a2が発生している。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of a column beam joint according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a column skin plate, 2 is a beam flange attached to the
本発明に係る柱梁接合部は、ダイアフラム4と柱スキンプレート1を接合するエレクトロスラグ溶接の開先部において、裏当金5とダイアフラム4の間に、スペーサ7を挟み、開先部12を柱スキンプレート1に沿う矩形形状とする。
In the column beam joint according to the present invention, a
スペーサ7の板厚を厚くし、ノッチa1の先端と、ダイアフラム4の間隔l2を離すほど、ノッチa1の先端に作用する応力が減少する。スペーサの板厚は、好ましくは2mm以上、ダイアフラム4の板厚の10%以下、更に好ましくは5mm以上、ダイアフラム4の板厚の5%以下とする。
The stress acting on the tip of the notch a1 decreases as the plate thickness of the
2mm未満とすると、ノッチa1の先端に作用する応力の減少が不十分で、開先組み立ても困難となるので2mm以上とし、5mm以上とすると柱スキンプレート1と溶着金属6の接触面積が増大し、ノッチa1の先端に作用する応力を10%程度減少させることができ好ましい。
If it is less than 2 mm, the stress acting on the tip of the notch a1 is not sufficiently reduced, and it is difficult to assemble the groove. Therefore, if it is 2 mm or more, the contact area between the
ダイアフラム4の板厚の10%を超えると、溶着金属量が20%以上増加し、溶接入熱や溶接材料費を増大させるので10%以下とし、板厚の5%以下とすると更に好ましい。
If it exceeds 10% of the plate thickness of the
スペーサ7の位置は特に限定しない。ダイアフラム4の両側で、裏当金5との間に配置しても良いが、片側のみに配置する場合は、梁ウェブ3側に配置することが好ましい。
The position of the
すなわち、梁フランジ2からの引張応力は、主に、力の流れ10として示すようにダイアフラム4に流れるが、梁ウェブ3からの材軸応力11は、柱スキンプレート1に曲げモーメントを発生させる。
That is, the tensile stress from the
曲げモーメントは、スカラップ8(梁フランジ2)に近くなるほど大きくなり、ノッチa1を開口させるように作用するため、梁ウェブ3側にスペーサ7を配置すると、ノッチa1の先端と梁フランジ2の間隔l2が大きくなり、曲げモーメントが減少して好ましい。
Since the bending moment becomes larger as the scallop 8 (beam flange 2) is closer and acts to open the notch a1, when the
尚、図1は開先部12が長方形の場合を示すが、開先部12は正方形であっても良い。但し、正方形とする場合でも、開先部12で、柱スキンプレートに沿う辺の長さは、ダイアフラム4の板厚より長くする。
Although FIG. 1 shows a case where the
図2に、梁ウェブ3側にのみスペーサ7を配置した柱梁接合部を示す。スペーサ7をダイアフラム4の両側に配置した場合と比較して、溶着金属量を減少させることができるので、溶接入熱を小さくし、熱影響部の靭性劣化を抑制することが可能となる。また、溶接材料も少量でよく、施工コストを低減できる。
FIG. 2 shows a column beam joint in which
図3は、本発明の他の実施形態を示し、開先部の形状を長方形とするため、裏当金5aに,スペーサ7の厚みに相当する深さの切欠部を設けた場合を示す。図はダイアフラム4の両側の裏当金5aに切欠部を設ける場合を示すが、梁ウエブからの材軸応力が主に作用する梁ウエブ側の裏当金5aにのみ加工しても良い。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention, and shows a case where a notch portion having a depth corresponding to the thickness of the
図4は、本発明の他の実施形態を示し、更に、ノッチ先端に作用する応力を小さくするため、柱スキンプレート1に深さdの溝1aを設ける場合を示す。
FIG. 4 shows another embodiment of the present invention, and further shows a case where a groove 1a having a depth d is provided in the
図9は、溝1aを設けた効果を説明する図で、(a)は従来例、(b)は本発明例を示す。溝1aの深さだけ、エレクトロスラグ溶接の溶着金属部6は梁フランジ2に近づくので、ノッチa1,a2に対し、主応力16が平行に流れるようになり、ノッチを起点とした破壊の発生を抑制することが可能となる。
9A and 9B are diagrams for explaining the effect of providing the groove 1a. FIG. 9A shows a conventional example, and FIG. 9B shows an example of the present invention. Since the
溝1aの寸法は、エレクトロスラグ溶接の溶け落ちや、溶け込み不測などの欠陥を防止するため、深さdは10mm以上、好ましくはダイアフラムの板厚の1/2〜1/3、幅は左右の裏当金の内法寸法程度とする。 The dimension of the groove 1a is such that the depth d is 10 mm or more, preferably 1/2 to 1/3 of the diaphragm thickness, and the width is left and right in order to prevent defects such as electroslag welding burnout and inadequate penetration. The inner size of the backing metal is about the same size.
上述した図3、4に示す切欠部や溝を加工する場合は、角部にRをつけて、溶接欠陥を防止することが好ましい。尚、本発明は柱梁接合部に限定されず、エレクトロスラグ溶接を用いて、水平部材と該水平部材に垂直な部材からなるT字部材を製造する接合部に適用可能である。 When machining the notches and grooves shown in FIGS. 3 and 4 described above, it is preferable to prevent the welding defect by attaching an R to the corner. In addition, this invention is not limited to a column beam junction, It can apply to the junction which manufactures the T-shaped member which consists of a horizontal member and a member perpendicular | vertical to this horizontal member using electroslag welding.
以下、本発明の効果を実施例を用いて説明する。 Hereinafter, the effect of the present invention will be described using examples.
内ダイアフラム形式の柱梁接合部を種々の開先加工条件で製作し、梁端部に地震時を想定した強制変位を作用させ、破壊状況を観察した。 The inner-diaphragm column beam-to-column joints were manufactured under various groove processing conditions, and the forcible displacement was applied to the end of the beam in the event of an earthquake, and the fracture condition was observed.
柱は590N/mm2級の鋼材を用い、板厚60mmのスキンプレートに板厚40mmのダイアフラムをエレクトロスラグ溶接(溶接材料:640N/mm2級ソリッドワイヤ直径1.6mm)で溶接し、BOX柱とした。 The column is made of 590 N / mm grade 2 steel, and a 40 mm thick diaphragm is welded to a skin plate with a thickness of 60 mm by electroslag welding (welding material: 640 N / mm grade 2 solid wire diameter 1.6 mm). It was.
柱と梁は、半自動CO2ガスシールド(溶接材料:540N/mm2級、直径1.4mm)で溶接した。 The columns and beams were welded with a semi-automatic CO 2 gas shield (welding material: 540 N / mm class 2 , diameter 1.4 mm).
柱は断面が600mm×600mm、長さ3.5m(支点間距離)で、梁はH−900×300×18×32、長さ4m(載荷点距離)とした。 The column had a cross section of 600 mm × 600 mm and a length of 3.5 m (distance between fulcrums), and the beam was H-900 × 300 × 18 × 32 and a length of 4 m (loading point distance).
本発明例1は、図1に示した開先部を用い、更に、柱のスキンプレートに溝を切削加工した開先部を用いた場合で、開先部においてスペーサ板(板厚12mm,幅20mm)を、梁のウェブ側となる、ダイアフラムと裏当金の間に挟み込み、更に、柱スキンプレートに裏当金の内法寸法と同じ幅で、深さ20mmのU字型の溝を切削加工して、開先断面寸法を柱スキンプレート側を52mm、ダイアフラム側を40mmとする矩形状とした。溶接入熱量は1000kJ/cmとした。
Example 1 of the present invention is a case where the groove portion shown in FIG. 1 is used and a groove portion obtained by cutting a groove is used for the pillar skin plate. In the groove portion, a spacer plate (
本発明例2は、本発明例1と同じ寸法とした矩形状の開先を、スペーサ板に替わり、50mm×50mm角の鋼材を用いて製作し、エレクトロスラグ溶接を行った。 In Invention Example 2, a rectangular groove having the same dimensions as in Invention Example 1 was manufactured using a steel material of 50 mm × 50 mm square instead of the spacer plate, and electroslag welding was performed.
本発明例3は、本発明例1と同じ寸法の矩形状の開先を、本発明例1において柱スキンプレートのU字型の溝を切削加工せず、裏当金を40mm×60mmとして製作し、エレクトロスラグ溶接を行った。 Example 3 of the present invention is a rectangular groove having the same dimensions as Example 1 of the present invention, but the U-shaped groove of the pillar skin plate is not cut in Example 1 of the present invention, and the backing metal is made 40 mm × 60 mm. Then, electroslag welding was performed.
比較例1は、本発明例1において、柱スキンプレートにU字型の溝を切削加工せず、開先断面寸法を40mm×40mmとし、エレクトロスラグ溶接を行った。 In Comparative Example 1, electroslag welding was performed without cutting a U-shaped groove on the column skin plate in Example 1 of the present invention, and with a groove cross-sectional dimension of 40 mm × 40 mm.
本発明例1〜3、比較例1のエレクトロスラグ溶接部について、溶接後、マクロ断面を観察したところ、溶け込み深さは1.2〜1.6mmであった。 About the electroslag welding part of this invention example 1-3 and the comparative example 1, when the macro cross section was observed after welding, the penetration depth was 1.2-1.6 mm.
図5に試験方法を示す。上述した何れかの方法で製作した柱14と梁13の柱梁接合部の梁13の端部に地震時を想定した強制変位を作用させた。柱14は両端をピン15で固定した。
FIG. 5 shows the test method. The forced displacement assumed at the time of an earthquake was made to act on the edge part of the
強制変位は、梁端全塑性モーメント作用時の弾性変形量δpを基準に耐力低下が生じるまで2δp、3δp、4δp、5δp、6δp、7δp、8δpを各2回づつ載荷した。 For the forced displacement, 2δp, 3δp, 4δp, 5δp, 6δp, 7δp, and 8δp were loaded twice each until the proof stress decreased based on the elastic deformation amount δp when the beam end total plastic moment was applied.
図6に試験結果を示す。試験結果は無次元化最大変形(梁端最大変位/梁端全塑性モーメント作用時の弾性変形量δp)とし、本発明例1〜3では、梁の破壊によって最大変形が決定されたが、比較例では4δpの載荷を2回終了し5δpの載荷の途中で荷重が低下した。 FIG. 6 shows the test results. The test results were dimensionless maximum deformation (maximum displacement at the beam end / elastic deformation amount δp at the time of the total plastic moment acting on the beam end). In Examples 1-3 of the present invention, the maximum deformation was determined by the fracture of the beam. The loading of 4δp was completed twice, and the load decreased during the loading of 5δp.
試験後、比較例のエレクトロスラグ溶接部を切断したところ、裏当金と柱スキンプレートが形成する梁ウェブ側のノッチ部を起点とする亀裂が生じていることが観察された。 After the test, when the electroslag welded portion of the comparative example was cut, it was observed that a crack originated from the notch portion on the beam web side formed by the backing metal and the column skin plate.
1 柱スキンプレート
1a 溝
2 梁フランジ
3 梁ウェブ
4 ダイアフラム
5、5a、5b 裏当金
6 エレクトロスラグ溶接金属
7 スペーサ板
8 スカラップ
9 接合部
10 力の流れ
11 梁ウェブの材軸応力
12 開先部
13 梁(試験体)
14 柱(試験体)
15 ピン
16 主応力
a1,a2 ノッチ状の空隙部
100 柱
200 梁
400 内ダイアフラム
500 裏当金
600 溶接金属
700 柱梁接合部
1 Pillar skin plate
1a groove
2 Beam flange
3 Beam web
4 Diaphragm
5, 5a, 5b Back money
6 Electroslag weld metal
7 Spacer plate
8 Scallop
9 joints
10 Power flow
11 Beam axial stress of beam web
12 Groove
13 Beam (test body)
14 columns (test body)
15 pin
16 principal stress
a1, a2 Notch-shaped gap
100 pillars
200 beams
400 inner diaphragm
500 Back Money
600 weld metal
700 Beam-column joint
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