JP5063162B2 - 鉄骨梁補強金具 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔の周部に固定されることにより、貫通孔が形成されて強度が低下した鉄骨梁のウェブを補強すると共に、略環状に形成された自身が有する軸孔内に配線や配管等の長く延びるものを通すことができる鉄骨梁補強金具に関するものである。

図６，７は、特許文献１の鉄骨梁補強金具２を示す正面図及び側面断面図である。この鉄骨梁補強金具２（以下、適宜補強金具２０と呼ぶ）は、環状に形成された本体部４と、この本体部４の軸方向一端側（図７中右側）かつ半径方向外側に一体的に、鍔状に形成され、鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔の径よりも大きな径のフランジ部６とを有している。

フランジ部６は、その厚さ（図７中、軸方向の長さＴ）が本体部４の厚さ（図７中、軸方向の長さＷ）よりも薄く形成されている。また、本体部４は、その外周面が傾斜して形成されており、フランジ部６の付け根から、このフランジ部６とは反対側の軸方向他端側（図７中左側）に向かって、その直径が小さくなっていくように形成されている。

このような鉄骨梁補強金具２は、例えば、図８に示すように、建築構造物におけるＨ形鋼を用いた鉄骨梁８のウェブ１０に形成された貫通孔１２の周部に固定される。すなわち補強金具２は、その本体部４の傾斜した外周面が、鉄骨梁８のウェブ１０に形成された貫通孔１２内に嵌入した状態で、この本体部４の傾斜した外周面と、軸方向に水平な貫通孔１２の内周面との間にビード１４が形成される、溶接により固定されるようになっていた。

これにより鉄骨梁補強金具２は、ウェブ１０に貫通孔１２が形成されたことによりその分低下した鉄骨梁８の強度を補強すると共に、補強金具２の本体部４が有する軸孔の中空部分に配線や配管等の長く延びるものを通すことができるようになっていた。

また、鉄骨梁補強金具２は、鉄骨梁８のウェブ１０に形成された貫通孔１２への固定作業時において、本体部４のフランジ部６とは反対側の軸方向他端側を貫通孔１２内に嵌入する際に、フランジ部６のウェブ１０側に対向する面が、ウェブ１０の補強金具２のフランジ部６側の面に接触して停止するようになっているので、補強金具２の軸線方向（図８中、横方向）の位置が、ウェブ１０に対して容易かつ確実に定まるようになっていた。

このような従来の鉄骨梁補強金具２は、鉄骨梁８のウェブ１０の厚さと補強金具２の軸孔の軸方向と直角な開口面積との積により求められる体積に対する、補強金具２の中実形状全体の体積の比が、１〜３倍となるように形成されることにより、自身が重量過大にならないようにすると共に、鉄骨梁８の強度を十分に補強できるようにすることを目的としていた。

特開２００３−２３２１０５号公報

しかしながら、柱等に固定された鉄骨梁の端部の、柱等に接近した長さ領域は塑性化領域と呼ばれ、この塑性化領域は、大地震の時において大きく変形することにより地震エネルギを吸収しようとするための部位である。上記特許文献１に係る鉄骨梁補強金具２は、このような鉄骨梁のウェブの塑性化領域に止むを得ず形成された貫通孔の周部に設けられて、貫通孔を形成したことにより低下した鉄骨梁の強度を補強するために用いられるものであった。

したがって、このような従来の、上記塑性化領域に設けることを目的とした鉄骨梁補強金具２を、鉄骨梁の柱等から上記塑性化領域よりも離れた、大地震の時において変形する程度が上記塑性化領域よりも小さい位置のウェブに明けた貫通孔に設けた場合には、必要以上に鉄骨梁の強度を補強することになってその分無駄が生じるだけでなく、鉄骨梁補強金具２の重量化やコストアップを招く結果となるという問題があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みて、鉄骨梁の長さ方向の位置によって、形成された貫通孔の周部に設けられる鉄骨梁補強金具の重量化やコストアップを防止することができる鉄骨梁補強金具を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、
鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔の周部に固定されることにより前記鉄骨梁を補強する鉄骨梁補強金具であって、
軸孔を有し略環状に形成され、軸方向一端側が前記貫通孔に嵌入して固定される本体部と、
前記本体部の軸方向他端側かつ半径方向外側に一体的に鍔状に形成され、前記貫通孔の径よりも大きい径のフランジ部とを有し、
前記鉄骨梁のウェブの厚さと前記補強金具の軸孔の軸方向と直角な開口面積との積により求められる体積に対する前記補強金具の体積の比が０．５から１．０未満までの間の値であり、
前記貫通孔の周縁部の前記鉄骨梁のウェブの厚さに対する前記本体部の軸方向の長さの比が２から５までの間の値であると共に、
前記本体部の軸孔の内周面から前記フランジ部の付け根までの半径方向の長さが、前記貫通孔の周縁部の前記鉄骨梁のウェブの厚さよりも大きいことを特徴とするものである。

このような本発明の鉄骨梁補強金具によれば、
鉄骨梁に形成された貫通孔の周部に固定されることにより前記鉄骨梁を補強する鉄骨梁補強金具であって、
前記貫通孔が前記鉄骨梁のウェブに形成され、
前記鉄骨梁のウェブの厚さと前記補強金具の軸孔の軸方向と直角な開口面積との積により求められる体積に対する前記補強金具の体積の比が０．５から１．０未満までの間の値であることにより、
鉄骨梁の長さ方向の位置によって、形成された貫通孔の周部に設けられる鉄骨梁補強金具の重量化やコストアップを防止することができる。

また、このような本発明の鉄骨梁補強金具によれば、
軸孔を有し略環状に形成され、軸方向一端側が前記貫通孔に嵌入して固定される本体部と、
前記本体部の軸方向他端側かつ半径方向外側に一体的に鍔状に形成され、前記貫通孔の径よりも大きい径のフランジ部とを有し、
前記貫通孔の周縁部の鉄骨梁のウェブの厚さに対する前記本体部の軸方向の長さの比が２から５までの間の値であると共に、
前記本体部の軸孔の内周面から前記フランジ部の付け根までの半径方向の長さが、前記貫通孔の周縁部の鉄骨梁のウェブの厚さよりも大きいことにより、
前記本体部から前記フランジ部への応力の伝達効率を向上させることができる。

以下、本発明に係る鉄骨梁補強金具を実施するための最良の形態について、図面に基づいて具体的に説明する。
図１から図５は、本発明の一実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０について説明するために参照する図である。従来の鉄骨梁補強金具と同様の部分には同じ符号を用いて説明するものとする。

本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０（以下、適宜補強金具２０と呼ぶ）は、柱に端部が固定された鉄骨梁の長さ方向における、柱から所定長さ以上離れたウェブの位置に形成された貫通孔に設けられる。

ここで、柱から所定長さ以上離れた位置とは、例えば、柱に接近した鉄骨梁の端部は塑性化領域と呼ばれ、この領域は、大地震の時において大きく変形することにより地震エネルギを吸収しようとするための部位であり、この塑性化領域よりも十分柱から離れた位置を意味するものとする。

また、本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０は、環状の本体部４の、軸孔内の中空部分を除く中実形状全体の体積が、鉄骨梁のウェブの厚さと補強金具２０の軸孔の軸方向と直角な開口面積との積により求められる体積に対して、０．５から１．０未満までの間の値を乗じて得られる範囲内に設定されている。

また、本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０は、図３に示すように、その本体部４の軸方向の長さｈが、鉄骨梁２４の貫通孔２８が明けられるウェブ２６の厚さｔｗに対して、２から５までの間の値を乗じて得られる範囲内に設定されている。

また、本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０は、図１に示すその本体部４の、径がｄの軸孔の内周面からフランジ部６の付け根６ａまでの半径方向の長さｔ’が、図３に示す鉄骨梁２４の貫通孔２８が形成されたウェブ２６の厚さｔｗよりも大きくなるように設定されている。

このような本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０の形状や各部分間の大小関係は、以下に説明するような、ＦＥＭ（有限要素法）による構造解析に基づいて定められたものである。

まず、構造解析の前提条件として、図２，３に示すように、基端部が柱２５に固定されたＨ形鋼の鉄骨梁２４のウェブ２６の長さ方向（図２中横方向）の途中位置に貫通孔２８が形成されて、この貫通孔２８の周部に補強金具２０が固定されているものと想定し、鉄骨梁２４の長さ方向先端部（図２中左端部）に下側から荷重Ｐが加えられる場合を想定した。図２中貫通孔２８の柱２５からの長さＳの位置は、柱２５から所定長さ以上離れた位置、すなわち、前述した、柱２５から、それに接近した塑性化領域よりも十分離れた位置とする。

図４は、有限要素法による構造解析を行なう際に作成した鉄骨梁２４の力学的モデルの一部分を示す斜視図である。同図には、図面の複雑化を防止するため、符号は付していない。

図４の鉄骨梁の力学的モデルは、図中右上側の図示してない柱に固定された端部から、遠く離れた位置で仮想的に切断された一部分を片持ち梁状に示している（図２参照）が、実際にはその鉄骨梁２４の力学的モデルの図中右上側端部は、図示してない柱まで連続して長く伸びていると共に、鉄骨梁２４の図中左下側の図示していない他端部も、他の柱に固定されているものとする。すなわち実際には、鉄骨梁２４はその両端部が一対の柱に固定された両持ち梁であって、その力学的モデルの一部分を片持ち梁状に示しているだけである。

このような前提条件の下で、図３における、補強金具２０の高さｈと、鉄骨梁２４のウェブ２６の厚さｔｗとの間の長さ比（ｈ／ｔｗ）の変化に対する、以下に述べる最大応力比の変化の相関を検証した。

ここで最大応力比とは、例えば、同一断面の鉄骨梁２４において、図２に示すように、環状の補強金具２０で補強した、貫通孔２８を有する鉄骨梁２４の先端部に、下側から所定の大きさの力Ｐを作用させた場合に、鉄骨梁２４又は補強金具２０に発生する最大応力を、ある基準の大きさの応力の値で除した応力比の値のことである。

ある基準の大きさの応力とは、補強金具２０で補強してない貫通孔２８を有する鉄骨梁２４に、前記と同じ所定の大きさの力Ｐを、前記と同じ位置に作用させた場合に、鉄骨梁２４に発生する最大応力のことである。

したがって、最大応力比が１．０の場合には、鉄骨梁２４又は補強金具２０に発生する最大応力は、補強金具２０で補強してない貫通孔２８を有する鉄骨梁２４に発生する最大応力と同じということになり、補強金具２０はほとんど鉄骨梁２４に対して補強力を発揮してないことになる。

図５は、有限要素法を用いた構造解析による検証結果を示す線図である。この線図中において、白丸のドットは、鉄骨梁２４のウェブ２６の厚さと補強金具２０の軸孔の軸方向と直角な開口面積との積により求められる体積（Ｖ１）に対する、鉄骨梁補強金具２０の中実形状全体の体積（Ｖ２）の体積比が０．３３の場合に検証した結果を示すものである。

また、黒三角形のドットは、前記体積比が０．５の場合に検証した結果を示すもの、また、黒丸のドットは、前記体積比が１．０の場合に検証した結果を示すもの、さらに、×印のドットは、前記体積比が１．５の場合に検証した結果を示すものである。

図５に示す検証結果の線図において、横軸に示す上記長さ比（ｈ／ｔｗ）の値が２以下のときは、最大応力比が大きくなってその値が１に近づいていくので、鉄骨梁２４又は補強金具２０に発生する最大応力は、補強金具２０で補強してない貫通孔２８を有する鉄骨梁２４に発生する最大応力と同等となり、補強金具２０はほとんど鉄骨梁２４に対して補強力を発揮していないことになる。

このため、鉄骨梁２４の力学的モデルの一部分を片持ち梁状に示した図２における、鉄骨梁２４の先端部に小さな力が作用しただけでも、鉄骨梁２４又は補強金具２０はたやすく降伏（塑性変形）してしまう現象が起きる。

したがって、図５に示す線図において、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）が２以下のときは、最大応力比が大きくなって、補強金具２０の体積や重量を増加させなければ補強力を発揮させることができず、さらに、そうさせることにより補強金具２０の重量化やコストアップを招くおそれが出てくる。

また、図５に示す線図において、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）の値が２より大きくなると、その値が２以下のときよりも最大応力比の値が低くなると共に、最大応力比の変化がそれほど無くて安定している傾向にある。これにより、鉄骨梁２４における応力が、場所的に偏って、極端に大きくなることがなく、補強効率が改善されることが読取れる。

このため、鉄骨梁２４の力学的モデルの一部分を片持ち梁状に示した図２における、鉄骨梁２４の先端部に小さな力が作用しただけで鉄骨梁２４又は補強金具２０がたやすく降伏（塑性変形）してしまうことを防止することができる。これはいうまでもなく、鉄骨梁２４にとっては好ましいことである。

しかしながら、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）の値があまり大きくなり過ぎると今度は、補強金具２０の断面積が変わらないとした場合、図１における長さｔ´、すなわち、本体部４の径ｄを有する軸孔の内周面からフランジ部６の付け根６ａまでの半径方向の長さｔ´が、図３に示す鉄骨梁２４のウェブ２６の厚さｔｗに比べて小さく（薄く）なりやすくなり、最大応力比の減少が期待できなくなる。

すなわち、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）の値があまり大きくなり過ぎると最大応力比が大きくなって、補強効率が悪化し、補強金具２０の体積や重量を増加させなければ補強力を発揮できなくなるおそれが強くなってくる。

このため、図５においては、黒丸のドットの場合（前記体積比が１．０の場合）には、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）が５までは最大応力比の値が低く維持されているので、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）は５よりも大きくならない方がよいことが読取れる。したがって、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）は、最大応力比の値が低くなると共に、その変化がそれほど無くて安定しているところの、２から５の間の値が最も補強効率が良い範囲であることが推察される。

図５において、カッコ内の白丸のドットの場合（前記体積比が０．３３の場合）や、カッコ内の黒三角形のドットの場合（前記体積比が０．５の場合）は、前記長さ比（ｈ／ｔｗ）の値が４のとき、すなわち、その値が２から５までの間に入ってはいても、その値が３．５以下のときに比べて最大応力比が急に大きくなっている。

これは、図１における鉄骨梁補強金具２０の断面積が変わらないとした場合、本体部４の軸孔の内周面からフランジ部６の付け根６ａまでの半径方向の長さ、すなわち、図１における長さｔ´が、図３における鉄骨梁２４のウェブ２６の厚さｔｗに比べて小さく（薄く）なりすぎて、その補強金具２０の長さｔ´の部分に応力が集中してしまうために、最大応力比が大きくなっていることを意味している。このため、カッコ内の白丸のドットや、カッコ内の黒三角のドットの部分に相当するような補強金具２０は、著しく補強効率が悪化してしまうので使えないことが読取れる。

これに対して、前述のように、本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０は、その本体部４の軸孔の内周面からフランジ部６の付け根６ａまでの半径方向の長さｔ´が、鉄骨梁２４の貫通孔２８が形成されたウェブ２６の厚さｔｗよりも大きくなるように設定されているので、カッコ内の白丸のドットや、カッコ内の黒三角形のドットの部分のように最大応力比が大きくなってしまうことを防止することができる。

一方、鉄骨梁２４のウェブ２６の厚さと補強金具２０の軸孔の軸方向と直角な開口面積との積により求められる体積（Ｖ１）に対する、鉄骨梁補強金具２０の中実形状全体の体積（Ｖ２）の体積比（Ｖ２／Ｖ１）が１．５の場合、すなわち図５における×印のドットの場合では、黒三角形のドットや黒丸のドットの場合に比べて最大応力比があまり減少しないので、本発明の効果が得られない。

上記長さ比（ｈ／ｔｗ）が３の場合において、上記体積比（Ｖ２／Ｖ１）が１．５の場合（×印のドットの場合）の最大応力比０．７２よりも、体積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．５の場合（黒三角形のドットの場合）の最大応力比０．６５の方が小さいので、降伏耐力が大きく、補強効果も大きいことが読取れる。そして、体積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．５の場合の方が体積比（Ｖ２／Ｖ１）が１．５の場合よりも、補強金具２０の重量が３分の１で済むことが分かっている。

また、上記体積比（Ｖ２／Ｖ１）が０．３３の場合、すなわち図５における白丸のドットの場合は、上記体積比（Ｖ２／Ｖ１）が１．５の場合（×印のドットの場合）よりも、もっと最大応力比が減少しないので、やはり本発明の効果は得られないことが読取れる。

したがって以上の検証結果から、本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０によれば、貫通孔２８が鉄骨梁２４の柱２５から所定長さ以上離れた位置に形成され、鉄骨梁２４の貫通孔２８をくり抜いてできた中空部分の容積に対する補強金具２０の体積比が、０．５から１．０未満までの間の値であることにより、鉄骨梁２４の長さ方向の位置によって、形成された貫通孔２８の周部に設けられる補強金具２０の重量化やコストアップを防止することができる。

すなわち、鉄骨梁２４の長さ方向において、柱２５から、鉄骨梁２４が大地震の時において大きく変形する塑性化領域より十分離れた位置に設けられる補強金具２０の重量化やコストアップを防止することができる。

また、本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０によれば、貫通孔２８の周縁部のウェブ２６の厚さｔｗに対する本体部４の軸方向の長さｈの比が２から５までの間の値にあると共に、本体部４の軸孔の内周面からフランジ部６の付け根６ａまでの半径方向の長さｔ´が、鉄骨梁２４の貫通孔２８の周縁部のウェブ２６の厚さｔｗよりも大きいことにより、本体部４からフランジ部６への応力の伝達効率を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０によれば、補強効率が悪化して補強金具２０の体積や重量を増加させなければならなくなることを防止できるので、補強金具２０を小型化及び軽量化することができると共に、その製造コストの高騰を防止することができる。

なお、上記実施の形態においては、鉄骨梁補強金具２０を、両端部が一対の柱２５に固定された鉄骨梁２４のウェブ２６に形成された貫通孔２８に設けた場合について説明したが、両端部が一対の鉄骨梁２４に固定された梁（小梁）のウェブに形成された貫通孔に鉄骨梁補強金具２０を設けてもよく、この場合も本発明の効果を有することができることはいうまでもない。

また、上記実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０においては、鉄骨梁２４の貫通孔２８の周縁部のウェブ２６の厚さｔｗに対する本体部４の軸方向の長さｈの比が、２から５までの間の値にある場合について説明したが、上記長さ比（ｈ／ｔｗ）は３から５までの間の値にあるように絞ってもよく、このことにより、本体部４からフランジ部６への応力の伝達効率をさらに向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係る鉄骨梁補強金具２０を示す側面断面図である。 図１に示す鉄骨梁補強金具２０を、鉄骨梁２４のウェブ２６の貫通孔２８に固定した状態を示す正面図である。 図２中における鉄骨梁補強金具２０及び鉄骨梁２４の側面断面図である。 有限要素法による構造解析を行なう際に作成した、鉄骨梁補強金具及び片持ち梁の力学的モデルの一部分を示す概念斜視図である。 有限要素法による構造解析の検証結果を示す線図である。 従来の鉄骨梁補強金具２を示す正面図である。 図６に示す鉄骨梁補強金具２の側面断面図である。 従来の鉄骨梁補強金具２を鉄骨梁８のウェブ１０に形成された貫通孔１２の周部に固定した状態を示す鉄骨梁８及び鉄骨梁補強金具２の断面図である。

符号の説明

２ 鉄骨梁補強金具
４ 本体部
６ フランジ部
８ 鉄骨梁
１０ ウェブ
１２ 貫通孔
１４ ビード
２０ 鉄骨梁補強金具
２４ 鉄骨梁
２５ 柱
２６ ウェブ
２８ 貫通孔

Claims (1)

1. 鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔の周部に固定されることにより前記鉄骨梁を補強する鉄骨梁補強金具であって、
   軸孔を有し略環状に形成され、軸方向一端側が前記貫通孔に嵌入して固定される本体部と、
   前記本体部の軸方向他端側かつ半径方向外側に一体的に鍔状に形成され、前記貫通孔の径よりも大きい径のフランジ部とを有し、
   前記鉄骨梁のウェブの厚さと前記補強金具の軸孔の軸方向と直角な開口面積との積により求められる体積に対する前記補強金具の体積の比が０．５から１．０未満までの間の値であり、
   前記貫通孔の周縁部の前記鉄骨梁のウェブの厚さに対する前記本体部の軸方向の長さの比が２から５までの間の値であると共に、
   前記本体部の軸孔の内周面から前記フランジ部の付け根までの半径方向の長さが、前記貫通孔の周縁部の前記鉄骨梁のウェブの厚さよりも大きい
   ことを特徴とする鉄骨梁補強金具。

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