JP4793023B2

JP4793023B2 - 溶接組立てｂｏｘ柱

Info

Publication number: JP4793023B2
Application number: JP2006049683A
Authority: JP
Inventors: 久哉加村; 匠石井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007222929A

Description

本発明は内ダイヤフラム形式の溶接組立てＢＯＸ柱に関し、特に耐震性を要求される建築構造物用柱部材として好適なものに関する。

超高層建築物に用いられる大断面柱には内ダイヤフラム形式の溶接組立てＢＯＸ柱が用いられることが多い。

図６は内ダイヤフラム形式の溶接組立てＢＯＸ柱による柱梁接合部の部分透視図を示し、ＢＯＸ柱１００は柱スキンプレート１０１の内部で、梁２００の上下のフランジ部が取り付けられる位置に、ダイヤフラム４００を溶接する。

溶接はエレクトロスラグ溶接で、ダイヤフラム４００の両側に裏当金５００を取り付けて開先を構成する。ＢＯＸ柱１００の外周部は柱スキンプレート１０１が組合わされる角部にサブマージアーク溶接部３００を形成して構成する。

図５は内ダイヤフラム形式の溶接組立てＢＯＸ柱で溶接される個所を示す模式図で、ダイヤフラム４００と柱スキンプレート１０１を取り付けるエレクトロスラグ溶接部６００、柱スキンプレート１０１の角継手に形成されるサブマージアーク溶接部３００を示す。

図７は、ダイヤフラム４００と柱スキンプレート１０１のエレクトロスラグ溶接部を示し、超高層建築物の柱部材の場合、溶接入熱は５００〜１５００ｋＪ／ｃｍとなり、溶接金属７００の一部は柱スキンプレート１０１に溶け込み、ＨＡＺ８００の外周部は柱スキンプレートで２０〜５００ｍｍ程度の深さに達する。

そのため、溶接後の熱収縮により柱スキンプレート１０１と裏当金５００との間にノッチ状の空隙部ｇ１、ｇ２が発生し、地震時に梁からの材軸応力による曲げモーメントが作用して柱梁接合部が破断される場合がある。図は空隙部ｇ１の先端部がダイヤフラム４００から距離ｌ１で位置していることを示す。

上述したように、内ダイヤフラム形式の溶接ＢＯＸ柱は組立て工程が複雑で、且つ大型となるとエレクトロスラグ溶接の入熱量の増加に伴い溶着金属および鋼材の熱影響部の靭性が低下し、破壊の危険性が増大する。

また、溶接ＢＯＸ柱に高張力鋼を使用する場合、入熱の大きなエレクトロスラグ溶接で、健全な溶接部を得るため、高度な材質設計や溶接条件の選定が必要とされる。

特許文献１は、鋼柱の製造方法に関し、鋼柱を構成する側板１０１の少なくとも１枚にスロット９００を設け、一方、ダイヤフラム４００には該スロットに対応する差込部１０００を設けて、該差込部１０００を前記スロット９００に嵌合させながら側板１０１とダイヤフラム４００を溶接することが記載されている（図８）。

特許文献１記載の発明によれば、ダイヤフラム４００は側板１０１に対し、正確な位置決めが可能で、両者の溶接は嵌合部のみであっても良く、且つ、外側から溶接することが可能なため、機械化が容易である。

特許文献２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、裏当金と柱スキンプレートが当接する部分に、溶接後、空隙が生じないように、裏当金側に開先を設けて溶接することが記載されている。

特許文献２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ているので、ダイヤフラムを柱スキンプレートにエレクトロスラグ溶接しても、溶接後に両者の間に空隙が生じることはなく耐震性に優れた柱梁接合部が得られる。
特公昭５０−２１４２４号公報特開平８−１５５６６１号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法は、ダイヤフラムとスキンプレートの両者に加工が必要で、特許文献２記載の方法も裏当金の開先加工を必要とし、いずれも製作コストを上昇させる。

特に、特許文献１記載の方法は、スキンプレートのスロットにダイヤフラムを差込んだ状態で溶接を行うため、スロット角部において溶接欠陥を生じやすい。

更に、ダイヤフラムに差し込み部を加工するため、スカラップの寸法が大きくなり、該スカラップにより梁から柱への応力の伝達が阻害され、柱スキンプレートの隅角部内側に大きな引張り応力が生じるようになり、上述した溶接欠陥と共に柱が脆性破壊される可能性を増大させる。

そこで、本発明はスキンプレートやダイヤフラムに複雑な前加工が必要でなく、且つエレクトロスラグ溶接を用いずに組立てが可能な内ダイヤフラム形式の溶接ＢＯＸ柱を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段により達成される。
１．エレクトロスラグ溶接を用いずにダイヤフラムを内部に取り付ける溶接組立てＢＯＸ柱であって、前記ＢＯＸ柱の外周面のうち梁が取り付けられる面または該面に対向する面の少なくとも一面は、ダイヤフラムを挟むようにスキンプレートが分割され、前記ダイヤフラムと前記スキンプレートは当接する個所がＭＡＧ溶接を用いて両面溶接されているとともに、分割されたスキンプレート間に挟まれるダイヤフラムの外辺が、前記スキンプレートの外表面と同一高さであることを特徴とする溶接組立てＢＯＸ柱。

２．分割されたスキンプレート間に挟まれるダイヤフラムの外辺に、ＢＯＸ柱の角溶接用開先が設けられていることを特徴とする請求項１記載の溶接組立てＢＯＸ柱。

３．スキンプレートが引張強さ５４０Ｎ／ｍｍ^２以上の鋼板で、ダイヤフラムは前記スキンプレートと同等以上の引張強さであることを特徴とする１または２に記載の溶接組立てＢＯＸ柱。

４．ダイヤフラムとスキンプレートを入熱１５０ｋＪ／ｃｍ以下で溶接することを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載の溶接組立てＢＯＸ柱。

本発明は、柱の外周面のうち、３面のスキンプレートに逐次ダイヤフラムを溶接し、最後の１面は当該ダイヤフラムを挟むように分割したスキンプレートで形成するので、以下の効果が得られる。
１．スキンプレートとダイヤフラムの溶接にエレクトロスラグ溶接を用いずに、入熱１５０ｋＪ／ｃｍ以下の小入熱で溶接することが可能である。
２．その結果、溶接欠陥が少なく、溶接熱変形のない寸法精度の高い溶接ＢＯＸ柱が得られ、建築構造物において設計性能が保証される。
３．また、高張力鋼の使用が容易となり、超高層建築構造物の設計の自由度が増大する。４．ダイヤフラムの板厚により溶接条件が選定され、より板厚が薄いスキンプレートにおいて溶け落ちなどの溶接欠陥が発生しやすいＣＦＴ用ＢＯＸコラムの製造が容易となる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る内ダイヤフラム形式の溶接ＢＯＸ柱の外観図を、図２にその内部構造を示す。両図において、１は溶接ＢＯＸ柱、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄはスキンプレート、３はダイヤフラム、２１、２２、２３はダイヤフラム３を挟むように分割されたスキンプレート２ｄの分割プレート、３１はダイヤフラム３の外辺、ａはダイヤフラム３を分割スキンプレート２１、２２、２３に外面溶接するための開先で分割スキンプレート側に加工されたもの、ｂは、スキンプレート２ｂ、２ｄの角継手溶接用開先で、スキンプレート２ｂ、２ｄの柱軸方向の両端部と、ダイヤフラム３でスキンプレート２２、２３（２１）に挟み込まれる外辺３１の両端部に加工されるもの、Ｃはダイヤフラム３とスキンプレート２ａ，２ｂ，２ｃを溶接するための開先でダイヤフラム３側に加工されるものを示す。

図示した溶接ＢＯＸ柱１は、２枚のダイヤフラム３を有し、柱外周面を形成する四面のスキンプレート２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄのうち、梁が取り付けられる面または該面に対向する面（本図ではスキンプレート２ｄ）を、２枚のダイヤフラム３の両側から挟み込めるように、分割し、分割スキンプレート２１，２２，２３とする。２枚のダイヤフラム３は梁フランジ（図では省略）の間隔に配置する。

ダイヤフラム３の外辺３１はその両側の分割スキンプレート２２と２１（２３）の間から柱外周面に露出し、通しダイアフラムとなるので、分割スキンプレートの外表面に開先ａを加工し、ＢＯＸ柱の外側からこれら分割スキンプレートとダイヤフラム３を溶接する。尚、開先ａは，外辺３１に加工してもよい。

ダイヤフラム３は、外辺３１を除く残りの３辺に開先Ｃが加工され、ＢＯＸ柱の内部において、スキンプレート２ａ，２ｂ，２ｃと溶接される。

本発明に係るＢＯＸ柱では、梁が取り付けられる面または該面に対向する面を分割するので、ダイヤフラム３の外辺３１の両端には、ＢＯＸ柱の外周面を形成するために隣り合うスキンプレート２ｄとスキンプレート２ａ（２ｃ）を柱軸方向に溶接する角継手溶接用開先ｂを加工する。

図３は本発明に係る溶接ＢＯＸ柱のダイヤフラムの取り付け方法例を示す図で、図において４は１／４円弧形状のスカラップを示し（その他の符号は図１と同じものを指す）、（ａ）はスカラップ４を設けない場合、（ｂ）はスカラップ４を設けた場合を示す。

尚、本発明ではダイヤフラム３の外辺３１の、分割スキンプレートの外表面に対する高さは特に規定しない。外辺３１を分割スキンプレート２１（２２、２３）の外表面と同じ高さとなるようにすると、梁フランジの取り付けが容易で好ましい。

外辺３１の高さを分割スキンプレートの外表面より低くし、梁フランジ先端部を差込式にしたり、外辺３１を分割スキンプレートの外表面から突出させることも可能である。

図４は本発明に係るＢＯＸ柱の組立て手順の一例を示す図で、図において５は角継手溶接用の裏あて金（25ｘ25ｍｍの角材）、ｆはダイヤフラム３とスキンプレート２ａ（２ｂ，２ｃ）の溶接部、ｈは角継手溶接部、ｇはスキンプレート２ｄの外表面、その他で図１と同じ符号は同じものを指す。

まず、角継手溶接用の、角度θの開先ｂを幅方向両端部に設けたスキンプレート２ｂを水平面に置き（ａ）、スキンプレート２ｂの長手方向で所定の位置にダイアフラム３を仮付け溶接する。

ダイヤフラム３には、外辺３１の両端部に角継手溶接用の、角度θの開先ｂを、その他の３辺にはスキンプレートに溶接するための開先ｃを加工しておく。

ダイヤフラム３とスキンプレート２ｂは100％CO₂ガスをシールドガスに用いたMAG溶接（以下CO₂溶接）を用いて両面溶接（片側から溶接し、裏面をガウジングした後、反対側を溶接する）を行う（ｂ）。

次に、角継手溶接用の裏あて金（角材）５をスキンプレート２ｂの両側に取り付け、両側のスキンプレート２ｃ，２ａを立て込み、角溶接用の裏あて金５とダイアフラム３とを仮付け溶接する（ｃ）。

次に、コの字形の組立て材を90度回転させ、下向きCO₂溶接によりスキンプレート２ａとダイアフラム３を（ｂ）と同様に溶接する（ｄ）。次に反転させ同様に溶接する（ｅ）。

次に外辺３１がスキンプレート２ｄ（２１，２２，２３）に挟まれる面を上にして、角継手溶接の裏当て金５及びダイアフラム３とスキンプレート２ｄ（２１，２２，２３）の溶接部の裏当て金（図では省略）を所定の位置にセットし、仮付け溶接を行う。

角継手溶接の裏当て金５はダイアフラム３と通しとなるよう柱軸方向に３分割する。この際、ダイアフラム３とスキンプレートのCO₂溶接のビードと裏当て金５が干渉しないようグランダー仕上げを行うことが望ましい。

その後、分割スキンプレート２１，２２，２３に３分割されているスキンプレート２ｄをセットし、仮付け溶接を行う。この際、外辺３１とスキンプレート２ｄ（２１，２２，２３）の外表面ｇが一致するように、ダイヤフラム３の高さを調整する。

分割スキンプレート２１，２２，２３とダイアフラム３を下向きCO₂溶接により接合する。最後にスキンプレート２ｄと２ａ（２ｃ）、スキンプレート２ｂと２ａ（２ｃ）を溶接する角継手溶接をサブマージ溶接で行う（ｆ）。角継手を溶接する順番は特に規定しない。

本発明に係る溶接ＢＯＸ柱をスキンプレート、ダイアフラムに鋼種ＳＡ４４０を用い、□−５００Ｘ５００Ｘ２５長さ５０００（ｍｍ）で製作する場合、スキンプレートの開先角度は３５度、ダイアフラムの板厚は２５ｍｍ、幅方向の開先角度も３５度、台形の切り欠きの上底部は５ｍｍで高さは２５ｍｍ、他の３辺の板厚方向にはＫ開先とし開先角度は４５度とした。角は半径３５ｍｍの１／４円のスカラップとし、裏当金は２５ｍｍ×２５ｍｍの角材とすることが望ましい。

上述したように、本発明に係る溶接ＢＯＸ柱は、柱外周面の一面においてダイヤフラムを柱の外面側からスキンプレートに溶接可能とし、スキンプレートにダイヤフラムを取り付ける溶接を、全て開放空間で可能とする構造を特徴とする。そのため、エレクトロスラグ溶接を用いずにダイヤフラムとスキンプレートの組立て溶接が可能となる。

本発明に係るＢＯＸ柱の組み立てにおいて最も入熱が大きくなる角継手溶接のサブマージ溶接でも入熱は15万J/ｃｍ程度であり、引張強さ５４０Ｎ／ｍｍ^２以上の高張力鋼を用いた場合でも溶接部の靭性低下が抑制され耐震性に優れる。

本発明の一実施形態に係る内ダイヤフラム形式の溶接ＢＯＸ柱の外観図。図１に示した溶接ＢＯＸ柱の内部構造を示す図。本発明に係る溶接ＢＯＸ柱におけるダイヤフラムの取り付け例を示す図。本発明に係るＢＯＸ柱の組立て手順の一例を示す図。従来例。従来例。ダイヤフラムとスキンプレートのエレクトロスラグ溶接部を示す模式図。従来例。

符号の説明

１溶接ＢＯＸ柱
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄスキンプレート
３ダイヤフラム
４スカラップ
５裏当金
２１、２２、２３分割スキンプレート
３１ダイヤフラムの外辺
ａ、ｂ、ｃ開先
１００ＢＯＸ柱
１０１柱スキンプレート
２００梁
３００サブマージアーク溶接部
４００ダイヤフラム
５００裏当金
６００エレクトロスラグ溶接部
７００溶接金属
８００ＨＡＺ

Claims

エレクトロスラグ溶接を用いずにダイヤフラムを内部に取り付ける溶接組立てＢＯＸ柱であって、前記ＢＯＸ柱の外周面のうち梁が取り付けられる面または該面に対向する面の少なくとも一面は、ダイヤフラムを挟むようにスキンプレートが分割され、前記ダイヤフラムと前記スキンプレートは当接する個所がＭＡＧ溶接を用いて両面溶接されているとともに、分割されたスキンプレート間に挟まれるダイヤフラムの外辺が、前記スキンプレートの外表面と同一高さであることを特徴とする溶接組立てＢＯＸ柱。
分割されたスキンプレート間に挟まれるダイヤフラムの外辺に、ＢＯＸ柱の角溶接用開先が設けられていることを特徴とする請求項１記載の溶接組立てＢＯＸ柱。
スキンプレートが引張強さ５４０Ｎ／ｍｍ^２以上の鋼板で、ダイヤフラムは前記スキンプレートと同等以上の引張強さであることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接組立てＢＯＸ柱。
ダイヤフラムとスキンプレートを入熱１５０ｋＪ／ｃｍ以下で溶接することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の溶接組立てＢＯＸ柱。