JP4898374B2 - 鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管にコンクリートを充填すると共に、前記鋼管のうち鉄骨梁と接合する仕口部の全長にわたる厚肉化によりその仕口部を補剛した構造の鋼管コンクリート柱に鉄骨梁を溶接で接合させてある鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法に関する。

従来、この種の鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力を評価する方法としては、鉄骨梁のうち、引っ張り側のフランジが鋼管コンクリート柱の仕口部から抜け出すことで仕口部が破壊する抜け出し最大荷重を算定し、この抜け出し最大荷重を評価耐力とする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、鋼管の剪断降伏強度Ｆｓと仕口部の管厚ｔｐと鉄骨梁の引っ張り側のフランジの周長φｆとから抜け出し最大荷重Ｐｍａｘを式Ｐｍａｘ＝Ｆｓ×ｔｐ×φｆに基づいて算出していた。
しかし、この技術では、接合部の耐力を過大評価する傾向があることが実験等で確認され、改善の余地があった。
また、このような過大評価の傾向が改善されたものとしては、鋼管コンクリート柱と鉄骨梁との接合部のうち、鉄骨梁の引っ張り側のフランジと鋼管コンクリート柱との接合部を、フランジ幅方向の両端近くの端領域とそれら間の中央領域とに分け、これら端領域及び中央領域のそれぞれについて、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とを求め、端領域については、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とのうち小さい方を端降伏耐力とし、中央領域については、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とのうち小さい方に応力ブロック係数を乗じた耐力を中央降伏耐力とし、これら端降伏耐力と中央降伏耐力との合力を評価耐力（Ｐ（ζ））とする技術が提案された（例えば、特許文献２参照）。
そして、この技術においては、前記鋼管の補剛部と非補剛部との境界から、前記フランジまでの長さ（Ｌｐ）が、０となる時には、評価耐力（Ｐ（０））を、次の数２によって求めていた。

特開平７‐３２４３８２号公報 特開２００１−９８６４２号公報

鋼管コンクリート柱と梁との接合部における鋼管の補剛部の範囲は、図１に示すように、通常は梁成より大きな寸法に設定してあることが多く、そのような条件下での耐力評価は従来の方法でもまったく問題は無かった。しかしながら、さまざまな建物ニーズに応える必要性から、接合部構造として、前記Ｌｐ（鋼管の補剛部と非補剛部との境界から、梁フランジまでの長さ）が０となることも充分考えられ、そのような接合部構造を前提とした場合、上述した従来の鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力を評価する方法によれば、耐力評価の精度が低くなり易い問題点があった。
即ち、接合部での耐力は、常識的には、前記Ｌｐが小さくなるに伴って低くなると評価されるが、従来法によれば、Ｌｐ＝０とした場合に、大きくなる傾向が見られ、精度の向上が望まれた。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、柱・梁接合部におけるＬｐ値が変化しても高い精度で評価耐力を求めることができる鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力を評価する方法を提供するところにある。

本発明の第１の特徴構成は、鋼管にコンクリートを充填すると共に、前記鋼管のうち鉄骨梁と接合する仕口部の全長にわたる厚肉化によりその仕口部を補剛した構造の鋼管コンクリート柱に鉄骨梁を溶接で接合させてある鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力を評価する方法において、接合部のうち鉄骨梁の引っ張り側のフランジと鋼管コンクリート柱との接合部を、フランジ幅方向の両端近くの端領域とそれら間の中央領域とに分け、これら端領域及び中央領域のそれぞれについて、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とを求め、端領域については、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とのうち小さい方を端降伏耐力とし、中央領域については、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とのうち小さい方に応力ブロック係数を乗じた耐力を中央降伏耐力とし、これら端降伏耐力と中央降伏耐力との合力を評価耐力（Ｐ（ζ））とするにあたり、前記鋼管の補剛部と非補剛部との境界から、前記フランジまでの長さ（Ｌｐ）が、０となる時には、評価耐力（Ｐ（０））を、補剛部の肉厚寸法を非補剛部の肉厚寸法まで減じた場合の降伏耐力（Ｐ※）と、非補剛部の肉厚寸法を補剛部の肉厚寸法まで増やした場合の降伏耐力（Ｐ（∞））との間の値となるように、所定の重み係数（ｗ）を乗じた配分によって求めるところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、Ｌｐ＝０の時の評価耐力Ｐ（０）は、全長が補剛部とした直管の降伏耐力Ｐ（∞）と、全長が非補剛部とした直管の降伏耐力Ｐ※の間に存在すると考えられ、これら両者の重み付きの配分値、即ち、重み係数を乗じることで求められるから、従来のような矛盾が発生することを防止でき、図７に示すように、Ｌｐが０に近い時には評価耐力も小さくなり、より精度の高い接合部耐力の評価を行うことが可能となる。
従って、柱・梁接合部におけるＬｐ値が変化しても、何れの場合にも、高い精度で評価耐力を求めることができる。

本発明の第２の特徴構成は、数３に示すように設計式（Ｆ）を設定し、その設計式（Ｆ）に基づいて評価耐力（Ｐ（ζ））を算定するところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、本発明の第１の特徴構成による上述の作用効果を叶えることができるのに加えて、設定した設計式に基づいて評価耐力を算出するから、評価耐力の算出を容易にしながらも、評価耐力の精度を向上させることができ、接合部の耐力評価を、より一層、迅速に適正に実施することが可能となる。

本発明の第３の特徴構成は、前記重み係数（Ｗ）が０．７４０であるところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、本発明の第１又は２の特徴構成による上述の作用効果を叶えることができるのに加えて、耐力Ｐ※とＰ（∞）との重み付き平均耐力であるＰ（０）と、Ｌｐ＝０のＦＥＭ解析結果との差が最小となるように、最小二乗法を用いて０．７４０（詳しくは、０．７４０４２）と言う重み係数Ｗを求めたから、当該重み係数Ｗを使用して求めた評価耐力は、その都度、ＦＥＭ解析を行わなくても非常に近い値として求めることができ、且つ、高い精度で求めることができる。
この一例を示すと、図６に示すとおりで、横軸のＦＥＭ解析値と、縦軸の計算値とは、極めて近い値を示している。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１、図２、図３に示すように、鋼管１にコンクリート２を充填すると共に、前記鋼管１のうちＨ型鋼利用の鉄骨梁３と接合する仕口部１Ａの全長にわたる厚肉化によりその仕口部１Ａを補剛した構造の鋼管コンクリート柱４に鉄骨梁３を溶接で接合してある鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力を評価する方法であって、接合部のうち鉄骨梁３の引っ張り側のフランジ３Ｆと鋼管コンクリート柱４との接合部を、フランジ幅方向の両端近くの端領域ｅとそれら間の中央領域ｍとに分け、これら端領域ｅ及び中央領域ｍのそれぞれについて、鋼管１の降伏耐力とフランジ３Ｆの降伏耐力とを求め、端領域ｅについては、鋼管１の降伏耐力とフランジ３Ｆの降伏耐力とのうち小さい方を端降伏耐力とし、中央領域ｍについては、鋼管１の降伏耐力とフランジ３Ｆの降伏耐力とのうち小さい方に応力ブロック係数を乗じた耐力を中央降伏耐力とし、これら端降伏耐力と中央降伏耐力との合力を評価耐力とする方法である。

具体的には、スロープファクター１／３として実施する設計条件下での評価耐力（Ｐ（ζ））の算定条件が、ζ＝∞の時には、数３で示す評価耐力（Ｐ（∞））を算定し、ζ＝０の時には、数３で示す評価耐力（Ｐ（０））を算定し、０＜ζ＜∞の時には、数３で示す（Ｐ（ζ））を算定する。なお、スロープファクター１／３とは、図４に示すように、鋼管コンクリート柱・梁接合部の荷重変形曲線における弾性域の第１傾斜角θ₁の１／３の傾斜角で定義される第２傾斜角θ₂を接線角とする荷重変形曲線上の点に対応した荷重を降伏荷重とすることであり、本実施の形態では、降伏荷重としてスロープファクター１／３を採用したが、本発明では、スロープファクター１／３に替えて、例えば、スロープファクター１／２やスロープファクター１／４、スロープファクター１／５などの数値を採用しても良い。更には、降伏荷重の決定法はスロープファクター法に限定するものではなく、他の方法（ゼネラルイールド法や０．２％オフセット法等）でも良い。

ここで以下の説明を容易にするために、応力検討断面を示す接合部モデルを図５に基づいて説明する。
Ｌｐは補剛部（仕口部１Ａ）と非補剛部との境界からフランジ３Ｆまでの長さであり、Ｄｐは補剛部の外径であり、ｈｐｉは補剛部の非補剛部から内方への突出長さであり、ｈｐｏは補剛部の非補剛部から外方への突出長さであり、Ｔｐは補剛部の肉厚であり、Ｔｃは非補剛部の肉厚であり、Ｔｆはフランジ３Ｆの肉厚であり、Ｂｆはフランジ３Ｆの幅である。また、Ｓ₁はフランジ３Ｆ側辺の仕口部１Ａへの溶接の余盛り量であり、Ｓ₂はフランジ３Ｆ下辺の仕口部１Ａへの溶接の余盛り量であり、Ｓ₃はフランジ３Ｆ上辺の仕口部１Ａへの溶接の余盛り量である。θｓは接合部中心（左右中心）と柱中心とを結ぶ直線と、接合部左右余盛り端と柱中心とを結ぶ直線とが成す接合部角であり、ｍθは接合部中心（左右中心）と柱中心とを結ぶ直線と、領域境界と柱中心とを結ぶ直線とが成す中央領域角であり、ｅθは領域境界と柱中心とを結ぶ直線と、接合部左右余盛り端と柱中心とを結ぶ直線とが成す端領域角である。なお、本実施の形態では領域境界を、フランジ３Ｆの側辺からフランジ３Ｆの肉厚Ｔｆの１／２の距離の位置に設定してあるが、その位置設定は適宜変更可能である。

ここで、_pσ_yを補剛部鋼管の材料降伏応力度として、ζは、数３のように定義する。

そして、フランジ３Ｆに引っ張り力が作用した場合に接合部に作用する応力を数４に示す式に基づいて算出する。

そして、端領域ｅのうちフランジ厚さ方向に沿った余盛りが施された鋼管部分の横断面部分（Ｉ）の降伏耐力ｅＱ₁、端領域ｅのうちフランジ幅方向に沿った余盛りが施された上下鋼管部分の一方の横断面部分（II）の降伏耐力ｅＱ₂、端領域ｅのフランジ部分の横断面部分の降伏耐力ｅＴ、中央領域ｍをフランジ幅方向で二分した一方の領域部分のうち余盛りが施された上下鋼管部分の一方の横断面部分（II）の降伏耐力ｍＱ₂、中央領域ｍをフランジ幅方向で二分した一方の領域部分のフランジ部分の横断面部分の降伏耐力ｍＴ、Ｌｐ＝０の場合の端領域ｅにおける補剛部と非補剛部との境界部の横断面部分（III）の降伏耐力ｅＱ₃、Ｌｐ＝０の場合の中央領域ｍをフランジ幅方向で二分した一方の領域部分における補剛部と非補剛部との境界部の横断面部分（III）の降伏耐力ｍＱ₃は、数６で示す式で表される。

そして、数３における応力ブロック係数は、表１及び数７で示す式で定義されている。

次に、本実施形態の評価方法によって鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力を適正に評価できることを確認するために条件を変えた１３９モデルについて、数３による計算と、ＦＥＭ解析とを行った。

各モデル２０〜１５８の各寸法（形状）を表２〜４に、また、物性を表５〜７にそれぞれ示す。

〈結果〉
ＦＥＭ解析値ｃＰｙと算定した評価耐力（Ｐ（ζ））の一覧を表８〜１０に示す。

また、ＦＥＭ解析値と、本実施形態評価方法で算定した評価耐力との関係を図８に示す。

以上の結果から、本実施形態の評価方法によるときは、従来の評価方法に比較して、過
大評価すること少なく、かつ、バラツキ少なく適正に降伏耐力を評価することができることが判る。

更に、本発明は、円形以外に各種断面形状の鋼管コンクリート柱４を備えた接合部の耐力評価に適用することができる。

尚、上述のように、図面との対照を便利にするために符号を記したが、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

鋼管コンクリート柱・梁接合部の切り欠き正面図 鋼管コンクリート柱・梁接合部の横断平面図 鋼管コンクリート柱・梁接合部の切り欠き側面図 荷重と変形量との関係を示すグラフ図 鋼管コンクリート柱・梁接合部の模式図 ＦＥＭ解析値と算定した評価耐力との関係を示すグラフ図 Ｌｐと局部降伏耐力との関係図 ＦＥＭ解析値と算定した評価耐力との関係を示すグラフ図

符号の説明

１ 鋼管
１Ａ 仕口部
２ コンクリート
３ 鉄骨梁
３Ｆ 引っ張り側のフランジ
４ 鋼管コンクリート柱
ｅ 端領域
Ｌｐ 鋼管の補剛部と非補剛部との境界から、フランジまでの長さ
ｍ 中央領域
Ｐ（ζ） 評価耐力
Ｐ（０） 評価耐力
Ｐ※ 補剛部の肉厚寸法を非補剛部の肉厚寸法まで減じた場合の降伏耐力
Ｐ（∞） 非補剛部の肉厚寸法を補剛部の肉厚寸法まで増やした場合の降伏耐力
ｗ 重み係数

Claims (3)

1. 鋼管にコンクリートを充填すると共に、前記鋼管のうち鉄骨梁と接合する仕口部の全長にわたる厚肉化によりその仕口部を補剛した構造の鋼管コンクリート柱に鉄骨梁を溶接で接合させてある鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力を評価する方法であって、
   接合部のうち鉄骨梁の引っ張り側のフランジと鋼管コンクリート柱との接合部を、フランジ幅方向の両端近くの端領域とそれら間の中央領域とに分け、これら端領域及び中央領域のそれぞれについて、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とを求め、端領域については、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とのうち小さい方を端降伏耐力とし、中央領域については、鋼管の降伏耐力とフランジの降伏耐力とのうち小さい方に応力ブロック係数を乗じた耐力を中央降伏耐力とし、これら端降伏耐力と中央降伏耐力との合力を評価耐力（Ｐ（ζ））とするにあたり、前記鋼管の補剛部と非補剛部との境界から、前記フランジまでの長さ（Ｌｐ）が、０となる時には、評価耐力（Ｐ（０））を、補剛部の肉厚寸法を非補剛部の肉厚寸法まで減じた場合の降伏耐力（Ｐ※）と、非補剛部の肉厚寸法を補剛部の肉厚寸法まで増やした場合の降伏耐力（Ｐ（∞））との間の値となるように、所定の重み係数（ｗ）を乗じた配分によって求める鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法。
2. 次の設計式（Ｆ）を設定し、その設計式（Ｆ）に基づいて評価耐力（Ｐ（ζ））を算定する請求項１記載の鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法。
   

   
3. 前記重み係数（Ｗ）が０．７４０である請求項１又は２に記載の鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法。

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