JP4800335B2 - 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。

一方、（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。

また、（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、有孔梁の片面にのみ補強部材を溶接する構造において、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、さらに、溶接時の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軸心に直交する当接面部となされ、上記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梁孔補強部材において、上記リング部の軸心を通り上記フランジ部の直線部を垂直２等分するＹ方向の分割面について互いに対称、かつ、上記リング部の軸心を通り上記Ｙ方向の分割面と直交するＸ方向の分割面についても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上記リング部の外方に突出する補強リブが、上記フランジ部と一体に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、溶接時の作業性を鑑みて、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と有孔梁のフランジに干渉してしまうので、リング部自体を周方向に拡大するには限度がある。そこで、リング部は主として軸方向の長さにより強度を確保し、これによって孔部回りの面外変形を防ぐとともに、リング部の外方にフランジ部を張り出して、ウェブの剪断変形を拘束する。ただし、フランジ部は、有孔梁のフランジに干渉しないよう、その外周縁部に相対する一対の直線部を設け、その直線部を有孔梁のフランジに沿わせて添設することとする。

上記梁孔補強部材においては、該直線部間の距離は梁せい以上には拡張できないので、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、溶接時の作業性も確保しながら、力学的に優れた補強効果を得ることができる。

この構成に係る補強リブは、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けられたものである。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、この応力が集中する箇所を特に補強すべく、リング部の外方に肉厚の補強リブを突設する。補強リブを設ける位置は、孔部の中心を通る垂線に対して１５〜４５度傾斜した４箇所の位置を基本とする。これにより、少ない材量で効率よく、高い補強効果を得ることができ、施工性や経済性が一層、向上する。補強リブの厚さは、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くなるようにする。

さらに、本発明の請求項２に係る梁孔補強部材は、上記当接面部の径方向における略中間部に、上記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、該凹溝の一部が上記フランジ部の相対する直線部にそれぞれ開口することを特徴とする。有孔梁に電解着色塗装や溶融亜鉛メッキ等の表面処理を施す場合、通常は、先に補強部材を溶接しておいてから、有孔梁を処理液中に浸漬（いわゆるドブ漬け）することになる。その際、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直線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、例えば、溶接構造用鋳鋼（ＳＣＷ）、ステンレス製鋳鋼（ＳＣＳ）、白心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＷ）、黒心可鍛鋳鉄（ＦＣＭＢ）などの溶接可能な鋳鋼若しくは鋳鉄によって鋳造されるか、又は鍛造によって形成される。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溶接するものであって、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し、かつ、フランジ部の直縁部が有孔梁のフランジと平行になるようにしてウェブに添設され、リング部の内周縁部の全周と、フランジ部の外周縁部のうちの円弧部がウェブに溶接されたことを特徴とする。

この構成においては、溶接箇所をリング部の内周縁部とフランジ部の円弧部に限定しており、有孔梁のフランジに近接する直線部の溶接は省いているが、これでも十分な強度が得られる。溶接するのは溶接作業の容易な部位に限定されるので、作業性が格段に向上する。さらに、全ての溶接線が円弧状になるので溶接品質も確保しやすく、ロボットを用いた自動溶接の適用も容易になる。

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、有孔梁のフランジに干渉する部分の溶接を省いても十分な強度を確保することができるので、溶接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及び図２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３は上記梁孔補強部材を有孔梁のウェブに溶接した状態を示す図、また図４及び図５は図３の溶接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、溶接によってウェブ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、これら各部が溶接構造用鋳鋼等による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度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、梁孔補強部材２が溶接された有孔梁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。例示形態の梁孔補強部材２にあっては、両円弧部４２の略中間位置にも、フランジ部４を貫通して凹溝６１に連通する空気抜き孔６２、６２が形成されている。

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とも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度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３０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度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。

なお、梁孔補強部材２の鋳造に際して、補強リブ５の位置は、当接面部６を下にして溶湯を注ぐ場合の湯口とすることもできる。これによれば、梁孔補強部材２を精度良く成形することができるとともに、鋳造後の後加工も特に必要ないので、成形上、都合がよい。

梁孔補強部材２を有孔梁１のウェブ１１に溶接するに際しては、ウェブ１１を水平に寝かせて下向きに作業するのが好ましい。本発明は片面溶接であるから、有孔梁１を反転する必要はない。溶接を要する箇所は、リング部３の内周縁部の全周と、フランジ部４における円弧部４２の全縁部である。これらの箇所は、溶接線が単純な円弧になるので溶接品質を確保しやすく、自動溶接の適用も容易である。

リング部３の内周面にテーパが形成されている場合は、内周縁部の溶接作業も一層、容易になる。リング部３の内径はウェブ１１の孔部１２よりも若干、大きく形成されているので、リング部３の内周縁部に沿って形成される溶接の肉盛りは、孔部１２の内側にはみ出さない。したがって、本発明によれば、孔部１２を必要以上に大きく形成する必要はない。

フランジ部４の外周縁部のうち、直線部４１は溶接を省くことができる。つまり、有孔梁１のフランジ１３に近接する直線部４１を窮屈な状態で溶接しなくてもよいので、この部分の溶接欠陥を懸念する必要はなくなる。直線部４１の溶接を省いても、円弧部４２の全長によって溶接量が確保されるので、十分な補強効果が発揮される。

従来、この種の補強構造によって現実的に実施しうる［孔部の直径／梁せい］の限界値は概ね０．６以下であったが、図示のような形状比率の梁孔補強部材２を用いて本発明を実施すれば、上記限界値を０．６５程度まで上昇させることが可能である。

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側斜視図である。 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
６ 当接面部
６１ 凹溝

Claims (3)

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軸心に直交する当接面部となされ、
   上記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梁孔補強部材において、
   上記リング部の軸心を通り上記フランジ部の直線部を垂直２等分するＹ方向の分割面について互いに対称、かつ、上記リング部の軸心を通り上記Ｙ方向の分割面と直交するＸ方向の分割面についても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上記リング部の外方に突出する補強リブが、上記フランジ部と一体に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、
   上記当接面部の径方向における略中間部に、上記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、
   該凹溝の一部が上記フランジ部の相対する直線部にそれぞれ開口することを特徴とする梁孔補強部材。
3. 請求項１又は２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溶接する有孔梁の補強構造であって、
   上記梁孔補強部材は、上記リング部の内径が孔部の径よりも大きく、上記リング部の軸長が上記ウェブの肉厚の１．５倍以上となるように形成されて、
   上記リング部が上記孔部と同心状をなし、かつ、上記フランジ部の直縁部が上記有孔梁のフランジと平行になるようにして上記ウェブに添設され、
   上記リング部の内周縁部の全周と、上記フランジ部の外周縁部のうちの円弧部が上記ウェブに溶接されたことを特徴とする有孔梁の補強構造。

Images