JP4898375B2

JP4898375B2 - 鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法

Info

Publication number: JP4898375B2
Application number: JP2006272042A
Authority: JP
Inventors: 亨平出; 充森崎
Original assignee: Takenaka Corp; Kubota Corp
Current assignee: Takenaka Corp; Kubota Corp
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2026-10-03
Also published as: JP2008031819A

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・梁接合部の耐力を評価する方法に関する。

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、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

従来の耐力評価方法によれば、接合部が降伏する状態において評価耐力が求められるから、その結果をもとにして、該当する設計による安全率を認識することが可能となる。
しかしながら、例えば、鉄骨梁の降伏耐力が鋼管に比べて非常に小さくなるような状況においては、鉄骨梁のみが降伏してしまい、鋼管と鉄骨梁との接合部は非降伏の状態となり、接合部の評価耐力が存在しないことになる。
但し、評価耐力が求まらなかったにしても、接合部における降伏が無いことは確認できるから、入力設計値によって、接合部の安全を評価することができ、事実上、耐力評価としての問題は無かった。
しかし、従来法によれば、入力設計値でどの程度の安全率が確保されているかを認識することは不可能であり、経済設計を目指す上からも、安全率を認識できることが望まれた。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、接合部において降伏が発生しない場合でも評価耐力が求まり、耐力上の安全率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、フランジのみが降伏して前記接合部が非降伏となって評価耐力が存在しない場合に、鋼管の厚み寸法を数値上減少させて降伏耐力が求められる少なくとも２点を想定し、それら２点どうしの鋼管厚み寸法と評価耐力との変化傾向から、該当する鋼管厚み寸法に対する評価耐力を算出するところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、前記接合部の耐力評価を精度よく実施できながら、本来であれば、降伏耐力が存在しないような状況（例えば、梁フランジのみが降伏して前記接合部が非降伏となるような状況）であっても、鋼管の厚み寸法を数値上減少させて接合部においても降伏する状態を少なくとも２点想定し、それら２点どうしの鋼管厚み寸法と評価耐力との変化傾向から、該当する鋼管厚み寸法に対する評価耐力を算出するから、何れの設計条件においても、接合部の降伏に対する余裕を数値的に認識でき、鋼管コンクリート柱・梁の接合部での安全率を評価上の数値として使用することができるようになる。
その結果、接合部での耐力評価として、単に『接合部では降伏しない』と言うだけの結果に止まらず、『接合部ではこの程度の安全率を備えた状態で降伏しない』と言う評価をすることが可能となり、例えば、安全率が高すぎる場合には、適正な安全率となるように部材厚みを小さくする等、合理的な部材設計をして、より無駄のない経済的な建物設計を行えるようになる。

本発明の第２の特徴構成は、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。
また、設計式（Ｆ）中の当該発明に深く係わる（ｋ∞＞Ｃ∞）の条件式について説明する。
柱・梁接合部（仕口部）の管厚を設計管厚Ｔｐから徐々に薄くしていくと、応力ブロック係数ｋ∞が減少するため、図７に示す限界線に到達し、解が存在するようになる。この時の限界仕口部管厚をＴｐａ、接合局部降伏耐力をＰ_Tpaとする。更に、ｍ領域における仕口部のパンチング耐力とｍ領域における梁フランジの引張降伏耐力が等しくなるまで仕口部管厚を薄くする。この時の仕口部管厚をＴｐｂ、接合局部降伏耐力をＰ_Tpbとする。
この二つの存在局部降伏耐力を二つの仕口部管厚に応じて外挿したＴｐ外挿値を、非降伏の場合の評価耐力とした（図８参照）。
このような外挿の方法については、種々の設計例ケースを想定し、ＴｐａとＴｐｂの中点の仕口部管厚に対応する局部降伏耐力が直線状に乗るかを検証したところ、想定したすべてのケースにおいてほぼ直線状に乗ることが確認されたことから、直線補間でよいと評価された（図９参照）。
仕口部管厚を薄くする場合の好ましいルールは以下の通りである。
・外出し寸法ｈｐｏは不変とし、内出し寸法ｈｐｉのみ減少させ、内部コンクリートの断面積も変更する。
・減少させる仕口部管厚が設計柱管厚Ｔｃに到達するまでは柱管厚を不変とするが、Ｔｃを下回る場合、設計柱外径Ｄｐを減少させ、柱管厚を仕口部管厚と等しくする。
・柱、及び仕口部に作用する軸力値は設計軸力値のまま不変とする。

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。
尚、表中の（）内の数値は、Ｔｐ外挿値である。

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６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、数３における非降伏時の評価耐力の外挿に関する考え方は、鋼管の肉厚を減少させながら行う解析に替えて、梁フランジ厚Ｔｆを増加させた二点を外挿しても、局部降伏耐力ポテンシャルＴｆ外挿値を求めることができる（図１０参照）。種々の設計例ケースを想定し、同様にしてＴｆ外挿値を調べたところ、想定したすべてのケースにおいて中点がほぼ直線状に乗ること、Ｔｆ外挿値は常にＴｐ外挿値を上回ることが確認されている。
この時、降伏・非降伏の判定前の式による応力ブロック面積比を外挿することにより得られる値（ｋ外挿値）は常にＴｐ外挿値とＴｆ外挿値の間に存在することも確認されている。
因みに、これらの関係は、図１１に示すとおりである。図１１は、モデル番号７１についてＴｐ外挿値、Ｔｆ外挿値を求めた結果を示しており、これから見られるように、Ｔｐ外挿値が最も小さい値となっており、最も安全側といえる。
また、これらの方法の他、柱・梁接合部における鋼管の材料降伏強度_pσ_yを減少させた二点を外挿する方法や、梁フランジの材料降伏強度_fσ_yを増大させた二点を外挿する方法によっても局部降伏耐力ポテンシャルをそれぞれ求めることができる。そして、こうして求められた外挿値は、先のＴｐ外挿値やＴｆ外挿値に近い値となることが確認されている。外挿する方法に関しては、解が存在するように何らかの数値を増減させればよい。

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ｋ∞とＴｐ／Ｄｐとの関係図仕口部管厚と局部降伏耐力との関係図仕口部管厚と局部降伏耐力との関係図梁フランジ厚と局部降伏耐力との関係図各外挿値の関係を示す説明図

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
ｍ中央領域

Claims

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、フランジのみが降伏して前記接合部が非降伏となって評価耐力が存在しない場合に、鋼管の厚み寸法を数値上減少させて降伏耐力が求められる少なくとも２点を想定し、それら２点どうしの鋼管厚み寸法と評価耐力との変化傾向から、該当する鋼管厚み寸法に対する評価耐力を算出する鋼管コンクリート柱・梁接合部の耐力評価方法。
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。