JP5280769B2 - 柱梁接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、建築構造物として角形鉄骨柱とＨ型断面梁とを接合した柱梁接合構造の改善に関する。

角形鉄骨柱（以下、単に鉄骨柱或いは柱とも言う）とＨ型断面梁（以下、単に梁とも言う）とを接合した従来例に係る柱梁接合構造は、日本建築学会において、通しダイアフラム形式、内ダイアフラム形式、外ダイアフラム形式及びノンダイアフラム形式に分類されている（非特許文献１参照）。

上記通しダイアフラム形式は、梁の接合箇所で鉄骨柱を一旦切断し、この鉄骨柱内部に補強用のダイアフラムを溶接接合した後、前記鉄骨柱を再度組立する形式のもので、中低層建築物に採用されることが多い。しかしながら、一旦切断した鉄骨柱を再組立するため溶接量が多く、組立精度を確保するための施工が容易でない。

それに対し、内ダイアフラム形式は高層以上の建築物に用いられることが多く、鉄骨柱は切断する必要はないが、梁の接合箇所でエレクトロスラグ溶接等の特殊な技術を用いて柱の内部に水平ダイアフラムで補強するので、施工のための設備が大掛かりとなり段取りが複雑である。

次に、従来例に係る外ダイアフラム形式の柱梁接合構造について、以下添付図５，６を参照しながら説明する。図５は、従来例に係る外ダイアフラム形式の柱梁接合構造を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその立面図である。

通常の外ダイアフラム形式の柱梁接合構造においては、図５に示す如く鉄骨柱１１は切断せずに、梁１２の接合箇所で外部から平板状の外ダイアフラム１３を溶接して前記鉄骨柱１１と梁１２の接合部を形成するものである。但し、柱１１と梁１２相互の応力伝達上Ｑ部に応力集中を生じやすく、この応力集中を緩和するため、（社）日本建築学会では、外ダイアフラム１３と梁軸方向とのなす角度θを３０度以内と規定している。

そのため、通しダイアフラム形式や内ダイアフラム形式に比べて加工性が良い反面、外ダイアフラム１３と梁軸方向とのなす上記角度θ上の制約から外ダイアフラム１３の張出し部が大きく、ハンドリング性や運搬性に劣る他、外壁と干渉するため隅柱、側柱として用いることが難しいという設計上の課題もあり、採用されるケースが少なかった。

一方、運搬性に関しては、ダイアフラムの張出し部の大きさによって、トラックに積載可能な鉄骨柱本数が制約されるため、全数の運搬時間を左右する。そして更に、昨今の燃料費高騰により、積載可能な本数による運搬費用が柱梁接合構造物の建設費用に影響する様になってきている。

上記外ダイアフラム形式の柱梁接合構造は、図５に示したものが一般的であるが、上記不具合点を改善した従来技術につき、以下添付図６も参照しながら説明する。図６は、従来技術に係る閉鎖型断面の鉄骨柱と鉄骨梁の仕口構造の一実施例を示す斜視図である。

この従来技術に係る閉鎖型断面の鉄骨柱と鉄骨梁の仕口構造によれば、外ダイアフラム２３と鉄骨柱２１の母線に沿ってリブプレート２４を溶接し、更に上下の前記外ダイアフラム２３を連結し前記鉄骨柱２１の母線に沿うように前記鉄骨梁２２のウェブの部位にウェブプレート２５を溶接する等によって、外ダイアフラム２３と梁軸方向とのなす上記角度θを４５度以内まで拡げることが提案されている（特許文献１参照）。この他、前記角度θを４５度とする柱梁接合構造は多く提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、前記外ダイアフラムの耐力を左右する柱角部からの出幅を確保しつつ、θ≦４５度或いはθ＝４５度の角度での柱梁接合構造とするには、角柱の一辺の２倍程度の辺の外ダイアフラムが必要となり、尚ハンドリング性や運搬性に劣るといわざるを得ない。

また逆に、従来技術に係るスチフナーリングにおいて、６角形または８角形のスチフナーリングが提案されている（特許文献３参照）が、地震等による終局状態では、この様な構造では十分な耐力を有するとは言い難い。また、スチフナーリングに対して垂直に梁が溶接されているため、降伏応力に到達する前に入り隅部での破壊が生じる可能性もある。
（社）日本建築学会編，「鋼構造接合部設計指針」，第２版，日本建築学会発行，２００６年３月１日，ｐ．１２０−１２１ 特開平８−１４４３７０号公報 特開昭６３−２５５４４７号公報 特許第３０５３６２６号公報

従って、本発明の目的は、鉄骨建築物において、曲げモーメントが作用する梁の耐力と比較して十分な耐力を有し、張出し部が小さくハンドリング性及び運搬性に優れる外ダイアフラム形式の角形柱梁接合構造を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る柱梁接合構造が採用した手段は、
角形柱の外面にＨ型断面梁が直交方向に接合され、このＨ型断面梁の上下梁フランジの取付部位に夫々外ダイアフラムが接合された柱梁接合構造において、前記角形柱を取り囲む一枚物の平板で形成された上側及び下側外ダイアフラムが、前記上下梁フランジの取付部位に夫々溶接もしくはリベットにより接合される一方、前記Ｈ型断面梁の端部で前記外ダイアフラムが梁軸方向となす角度が、４５度を越え８０度以内であることを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る柱梁接合構造が採用した手段は、請求項１に記載の柱梁接合構造において、次式（数１）で定義される前記外ダイアフラムの断面積Ａｄが、次式（数２）を満たすことを特徴とするものである。

（ここに、ｔ _ｄ ≧ｔ _ｆ ）
ただし、
Ｈ_ｄ：Ｈ型断面梁の角形柱への接合部での外ダイアフラム幅で定義される外ダ
イアフラム代表幅
ｔ_ｄ：外ダイアフラム肉厚

ただし、
Ｂ_ｆ：梁フランジ幅
ｔ_ｆ：梁フランジ肉厚
_ｆσ_ｙ：梁フランジ降伏応力
Ｄ：角形柱断面幅
ｔ_ｃｆ：角形柱肉厚
_ｄσ_ｙ：外ダイアフラム降伏応力

本発明の請求項１に係る柱梁接合構造によれば、角形柱の外面にＨ型断面梁が直交方向に接合され、このＨ型断面梁の上下梁フランジの取付部位に夫々外ダイアフラムが接合された柱梁接合構造において、前記角形柱を取り囲む一枚物の平板で形成された上側及び下側外ダイアフラムが、前記上下梁フランジの取付部位に夫々溶接もしくはリベットにより接合される一方、前記Ｈ型断面梁の端部で前記外ダイアフラムが梁軸方向となす角度が、４５度を越え８０度以内であるので、外ダイアフラム形式の柱梁接合構造においても張出し部を最小限に抑制でき、ハンドリング性及び運搬性に優れる柱梁接合構造を構成することが可能となる。

また、本発明の請求項２に係る柱梁接合構造によれば、前式（数１）で定義される前記外ダイアフラムの断面積Ａ_ｄが、前式（数２）を満たす様に構成されるので、外ダイアフラム形式の柱梁接合構造においても張出し部を最小限に抑制でき、ハンドリング性及び運搬性に優れ、かつ十分な耐力を有する柱梁接合構造を構成可能となる。

本発明の実施の形態に係る柱梁接合構造を、添付図１〜３を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係る柱梁接合構造を示し、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は図（ａ）の矢視Ａ−Ａを示す立断面図である。図２は、降伏耐力時の梁端部の相当塑性ひずみを解析するための解析モデル及び実施例の解析モデルを示す。図３は、梁端部で外フランジが梁軸方向となす角度θと降伏耐力時の梁フランジ端部の相当塑性ひずみの関係を示す図である。

本発明の実施の形態に係る柱梁接合構造は、図１に示す如く、角形柱１の外表面所定位置にＨ型断面梁２が直交方向に接合され、このＨ型断面梁２の上下梁（または袖梁）フランジ２ａ，２ｂの取付部位に、夫々上側及び下側外ダイアフラム３ａ，３ｂが接合された外ダイアフラム形式の柱梁接合構造である。図１においては、角形柱１は正方形断面を有する角形鋼管としているが、４面ボックス柱でも構わない。

この様な柱梁接合構造において、前記上側及び下側外ダイアフラム３ａ，３ｂは、角形柱１に接合されたＨ型断面梁２の上側及び下側梁フランジ２ａ，２ｂの夫々の取付部位に、前記角形柱１を取り囲んで夫々溶接により接合されると共に、前記角形柱１と反対側の上側及び下側梁フランジ２ａ，２ｂにも夫々溶接接合されている。同時に、上側外フランジ３ａの下面がＨ型断面梁２のウェブ２ｃの上端に、下側外フランジ３ｂの上面がＨ型断面梁２のウェブ２ｃの下端に溶接接合して構成されている。接合手段としては、前述の通り溶接接合として説明しているが、リベット接合でも良い。

そして、本発明の実施の形態に係る柱梁接合構造は、前記Ｈ型断面梁２の梁端部において、梁軸方向と上側及び下側外ダイアフラム３ａ，３ｂとのなす角度θが、４５度を越え８０度以内であるのが好ましい。

前記角度θが４５度を越えれば、この柱梁接合構造を平面視した図１（ａ）において、前記角形柱１の角部で外ダイアフラム３が外側に突出されて、前記Ｈ型断面梁２の角形柱１への接合部での外ダイアフラム幅Ｈ_ｄを確保しつつ、前記角部での外ダイアフラム３の出幅ｈｓを大きく取ることが可能となるため好ましい。

一方、梁端部の梁軸方向と外ダイアフラム３ａ，３ｂのなす前記角度θが大きくなる程、入り隅部Ｐでの応力集中が大きくなるため、地震時等に大きな荷重が作用する場合には、溶接部の破壊が問題となる。そこで、図２に示す解析モデルにおいて、角形柱１の断面幅Ｄ＝４００ｍｍ、肉厚ｔ_ｃｆ＝１９ｍｍ、梁フランジ２の幅Ｂ_ｆ＝２００ｍｍ、肉厚ｔ_ｆ＝１９ｍｍ、降伏応力_ｆσ_ｙ＝３００Ｎ／ｍｍ^２、外ダイアフラム３の代表幅Ｈ_ｄ＝１３０ｍｍ、肉厚ｔ_ｄ＝３２ｍｍ、降伏応力_ｄσ_ｙ＝３００Ｎ／ｍｍ^２として、梁軸方向と外ダイアフラム３のなす角度θを４５〜９０度まで変化させて、降伏耐力時の梁端部の相当塑性ひずみを解析した。

解析結果を図３に示す。即ち、梁軸方向と外ダイアフラム３のなす角度θが大きくなるに従って相当塑性ひずみは増加するが、前記角度θが８０度を越えた頃から急激に前記相当塑性ひずみが増大することが分かる。この結果から、梁軸方向と外ダイアフラム３のなす角度θを８０度以内とすることにより、柱梁接合部の破壊を防止することが可能となるのである。

次に、前記解析モデルにおける降伏耐力について、弾塑性を考慮した数値解析結果と、降伏耐力式による解析解との相関につき以下説明する。先ず、数値解析については、前記解析モデルにおいて表１の解析条件にて解析した。この表１の耐力は、荷重−変位関係において、剛性が初期剛性の１／３となる点とした。降伏耐力Ｐ_ｙの数値解析結果を表１中に示す。

降伏耐力Ｐ_ｙの解析解については、次の降伏耐力式（数３）により求めた。

前記解析モデルにおける降伏耐力について、上述の数値解析結果と降伏耐力式（数３）による解析解の相関を図４に示す。この図４から、両者は強い相関関係を有しており、前記解析モデルにおける降伏耐力Ｐ_ｙは、上記降伏耐力式（数３）により高い精度で予測可能なことが分かった。

そこで今、本発明に係る柱梁接合構造における降伏耐力Ｐ_ｙが、梁の全断面が降伏する荷重Ｐ_ｍａｘを上回るという次式（数４）の関係を考える。

ただし、梁の全断面降伏荷重Ｐ_ｍａｘは次式（数５）で表される。

そして、上記降伏耐力式（数３）及び（数５）を上式（数４）に代入し、外ダイアフラム断面積Ａ_ｄについて解くことによって次式（数２）が求められるのである。

即ち、前式（数１）で定義される外ダイアフラム断面積Ａ_ｄを、上式（数２）が満たされる様に構成することによって、外ダイアフラム形式の柱梁接合構造においても張出し部を最小限に抑制でき、ハンドリング性及び運搬性に優れ、かつ十分な耐力を有する柱梁接合構造を構成可能となる。

＜実施例＞
次に、前図２に示した解析モデルにおいて、上式（数２）を求める実施例について説明する。表２の諸元を用い、梁軸方向と外ダイアフラム３ａ，３ｂのなす角度θを６０度として、上式（数２）を計算すると次式（数６）の通りとなる。この解析結果によれば、前式（数３）で求められる降伏耐力Ｐ_ｙも１２３８ｋＮであり、梁フランジの全断面降伏荷重Ｐmax＝１１４０ｋＮを越えている。

即ち、本発明に係る柱梁接合構造は、Ｈ型断面梁の端部で前記外ダイアフラムが梁軸方向となす角度が、４５度を越える６０度であったとしても、外ダイアフラム断面積Ａ_ｄが上式（数２）を満たすことによって、十分な耐力を有する柱梁接合構造を構成可能となることが分かる。

以上説明した通り、本発明に係る柱梁接合構造は、Ｈ型断面梁の端部で前記外ダイアフラムが梁軸方向となす角度が４５度を越え８０度以内であるので、外ダイアフラム形式の柱梁接合構造においても張出し部を最小限に抑制でき、ハンドリング性及び運搬性に優れる柱梁接合構造を構成可能となる。また、外ダイアフラム断面積Ａ_ｄが前式（数２）を満たす様に構成されるので、十分な耐力を有する柱梁接合構造を構成できる。

本発明の実施の形態に係る柱梁接合構造を示し、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は図（ａ）の矢視Ａ−Ａを示す立断面図である。 降伏耐力時の梁端部の相当塑性ひずみを解析するための解析モデル及び実施例の解析モデルを示す。 梁端部で外フランジが梁軸方向となす角度θと降伏耐力時の梁フランジ端部の相当塑性ひずみの関係を示す図である。 解析モデルにおける降伏耐力について、数値解析結果と降伏耐力式による解析解とを比較して示す図である。 従来例に係る外ダイアフラム形式の柱梁接合構造を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその立面図である。 従来技術に係る閉鎖型断面の鉄骨柱と鉄骨梁の仕口構造の一実施例を示す斜視図である。

符号の説明

Ｐ：入り隅部，
ｈｓ：出幅，
θ：梁端部で外ダイアフラムが梁軸方向となす角度,
１：角形柱，
２：Ｈ型断面梁， ２ａ：上側梁フランジ， ２ｂ：下側梁フランジ，
２ｃ：ウェブ，
３：外ダイアフラム， ３ａ：上側外ダイアフラム， ３ｂ：下側外ダイアフラム

Claims (2)

1. 角形柱の外面にＨ型断面梁が直交方向に接合され、このＨ型断面梁の上下梁フランジの取付部位に夫々外ダイアフラムが接合された柱梁接合構造において、前記角形柱を取り囲む一枚物の平板で形成された上側及び下側外ダイアフラムが、前記上下梁フランジの取付部位に夫々溶接もしくはリベットにより接合される一方、前記Ｈ型断面梁の端部で前記外ダイアフラムが梁軸方向となす角度が、４５度を越え８０度以内であることを特徴とする柱梁接合構造。
2. 次式（数１）で定義される前記外ダイアフラムの断面積Ａ_ｄが、次式（数２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の柱梁接合構造。
   

   

   （ここに、ｔ _ｄ ≧ｔ _ｆ ）
   ただし、
   Ｈ_ｄ：Ｈ型断面梁の角形柱への接合部での外ダイアフラム幅で定義される外ダ
   イアフラム代表幅
   ｔ_ｄ：外ダイアフラム肉厚
   

   

   ただし、
   Ｂ_ｆ：梁フランジ幅
   ｔ_ｆ：梁フランジ肉厚
   _ｆσ_ｙ：梁フランジ降伏応力
   Ｄ：角形柱断面幅
   ｔ_ｃｆ：角形柱肉厚
   _ｄσ_ｙ：外ダイアフラム降伏応力

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