JP5899895B2 - 角形中空断面柱とｈ形断面梁の柱梁接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、角形中空断面の柱とＨ形断面の梁を外ダイアフラムを介して接合する柱梁接合構造に関する。

建築鋼構造の柱梁接合部には、その接合部耐力を補完するためにダイアフラムと称する接合要素が用いられるのが一般的である。ダイアフラムの取り付けには種々の形式が採用されているが、非特許文献１に示す内ダイアフラム形式（図１１）、通しダイアフラム形式（図１０）、外ダイアフラム形式（図１２）に大別される。

内ダイアフラム形式はエレクトロスラグ溶接により接合されることが多く、溶接部では数十万〜数百万Ｊ／ｃｍ程度の非常に大きな入熱が作用するため、一般の建築構造用鋼材では溶接部での靭性が劣化し、溶接部での脆性破断が生じ易い。この傾向は特に高強度鋼材で顕著である。さらに、冷間ロール成形角形鋼管や円形鋼管では、その形状によりエレクトロスラグ溶接が適用できないため、内ダイアフラム形式の適用が困難である。

通しダイアフラム形式は、柱をダイアフラム配置位置で一旦切断し、ダイアフラム溶接後に分割された柱を再び組み立てるので溶接量が多く、また仕口のずれなど精度確保に難点がある。

外ダイアフラム形式は、ダイアフラムと鋼管柱との溶接に隅肉溶接が適用可能であるため、大入熱による溶接部の靭性劣化の心配は不要であり、高強度鋼材に対しても適用し易い。また、外ダイアフラム形式は通しダイアフラム形式にくらべて溶接量・加工量が少ないこと、鋼管柱にコンクリートを充填する際の施工性に優れること等の利点がある。

外ダイアフラムを建設現場にて鋼管柱に溶接する場合、ダイアフラムと鋼管柱との溶接に加えて、ダイアフラムと梁フランジとの溶接、もしくは高力ボルト接合もあり、建設現場での作業工程が多くなる。

加えて、現状の外ダイアフラムは柱面からの突出幅が大きいので、工場で外ダイアフラムを取り付けて工事現場へ運搬する場合、突出幅の大きい外ダイアフラムによりトラックに積み込む柱本数が制限されてしまうので、運搬効率が悪い。

そのため、外ダイアフラムの突出幅寸法が小さくなるように、四枚の板状部材を鋼管柱の壁面で梁のフランジ部が取り付く位置に接合した外ダイアフラム形式が提案されている（非特許文献２）。

また、特許文献１には一定幅の平鋼を折り曲げた角形スリーブを鋼管柱に環装した外ダイアフラムが開示され、平鋼の幅を調整することで、同一の鋼管柱に「梁せい」の異なる梁が取り付け可能であることが記載されている。

特開２００６−００２３５１号公報

日本建築学会 鋼構造接合部設計指針４章 柱梁接合部、２００６、３ ４枚板外ダイアフラムを用いた角形鋼管柱・Ｈ形梁接合部の実験的研究、日本建築学会学術講演概要集Ｃ、構造ＩＩ １９９２、１５５５−１５５６、１９９２、８

しかしながら、非特許文献２記載の外ダイアフラム形式の場合、ダイアフラムとする板状部材における柱軸方向の長さはその板厚と同じであって、大きくとることができない。そのため、同一の鋼管柱にせいの異なる梁がとりつく場合にはそれぞれの梁フランジ位置毎に外ダイアフラムを設置する必要があり、施工コストが高くなる。

特許文献１記載の外ダイアフラム形式では、バンド幅が大きくなると梁フランジから外ダイアフラムに伝達される、鋼管柱面外方向の引張力に対する外ダイアフラムの耐力が低減されるという欠点がある。

そこで、本発明は、柱面からの外ダイアフラムの突出幅が小さく、且つ重量も軽くて運搬が容易な角形中空断面の柱とＨ形断面の梁を連結する外ダイアフラム形式の柱梁接合部の構造を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．角形中空断面の柱とＨ形断面の梁のフランジ部を外ダイアフラムを介して連結する柱梁接合部の接合構造であって、前記外ダイアフラムは、前記柱の４周を覆う４枚の板状部材で構成され、前記板状部材は梁のフランジ幅方向を長辺とし、柱軸方向を短辺とする矩形を、前記長辺の端部またはその近傍から１／２位置にかけて柱軸方向の長さが漸次減少し、且つ前記１／２位置における柱軸方向の長さが前記梁のフランジ部の厚み以上となるように左右対称に切欠いた形状を有し、前記板状部材の板厚が前記柱のスキンプレートの板厚以上で、前記柱で前記梁のフランジが取り付けられる位置に、前記長辺が前記柱軸に直交するように接合されていることを特徴とする角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造。
２．角形中空断面の柱とＨ形断面の梁のフランジ部を外ダイアフラムを介して連結する柱梁接合部の接合構造であって、前記外ダイアフラムは、前記柱の４周を覆う４枚の板状部材で構成され、前記板状部材は梁のフランジ幅方向を長辺とし、柱軸方向を短辺とする矩形を、前記長辺の端部またはその近傍から１／２位置近傍にかけて柱軸方向の長さが漸次減少し、前記１／２位置における柱軸方向の長さが前記梁のフランジ部の厚み以上で且つ前記１／２位置の左右に柱軸方向に一定の長さの部分を有するように左右対称に切欠いた形状を有し、前記板状部材の板厚が前記柱のスキンプレートの板厚以上で、前記柱で前記梁のフランジが取り付けられる位置に、前記長辺が前記柱軸に直交するように接合されていることを特徴とする角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造。
３．前記板状部材が、長辺側の両端となる部分に、柱軸方向に一定の長さの部分を有していることを特徴とする１または２記載の角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造。
４．前記板状部材の柱軸方向の長さのうち、前記梁のフランジ部が取り付く範囲内における最小の長さが最大の長さの９０％以上であることを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載の角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造。

本発明によれば、外ダイアフラムの柱からの突き出し部が小さく、梁せいの異なる梁を柱に取り付けることが可能なため、運搬効率に優れる外ダイアフラム形式の角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造が得られ、産業上極めて有用である。

本発明の一実施例に係る柱梁接合構造（工場溶接の場合）を説明する図。 本発明の他の実施例に係る柱梁接合構造（現場溶接の場合）を説明する図。 本発明に係る柱梁接合構造の外ダイアフラムを構成する板状部材の形状を解析する試験に用いた解析モデルを説明する図で（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示す。 図３の解析モデルに用いた板状部材の形状を説明する図。 板状部材の切欠き部が図３、４の解析モデルの柱梁接合構造の力学的特性に及ぼす影響を示す図。 本発明に係る柱梁接合構造の外ダイアフラムを構成する板状部材の形状例（（ａ）〜（ｄ））を示す図。 本発明に係る柱梁接合構造の外ダイアフラムを構成する板状部材の形状例（（ａ）〜（ｄ））を示す図。 本発明に係る柱梁接合構造の外ダイアフラムを構成する板状部材の形状例（（ａ）〜（ｄ））を示す図。 本発明の一実施例に係る柱梁接合構造を中柱に適用した図。 従来の柱と梁の接合構造の通しダイアフラムの例。 従来の柱と梁の接合構造の内ダイアフラムの例。 従来の柱と梁の接合構造の外ダイアフラムの例。

本発明は、外ダイアフラム形式の柱梁接合部において、外ダイアフラムを板状部材とし、当該板状部材の形状を、柱梁接合部の降伏耐力が梁フランジの最大耐力を上回り、更に、梁せいの異なる梁が取り付けられるような形状とすることを特徴とする。

図１は本発明の一実施例に係る外ダイアフラム形式の柱梁接合部の構成を示す模式図で、図において１は角形中空断面の鉄骨柱、１ａは鉄骨柱１のスキンプレート、２はＨ形断面の鉄骨梁（梁ブラケットという場合がある）、２ａは鉄骨梁２の梁フランジ、２ｂは鉄骨梁２の梁ウェブ、３は梁フランジ２ａと外ダイアフラム１０を溶接するための開先、４はスカラップ、５は鉄骨柱１のスキンプレート（柱面と言う場合がある）１ａと外ダイアフラム１０の隅肉溶接部、６は外ダイアフラム１０と梁フランジ２ａの突合せ溶接部、１０は板状部材１１からなる外ダイアフラムを示す。

外ダイアフラム１０は鉄骨柱１の４周を覆う４枚の板状部材１１で構成されている。板状部材１１は鉄骨梁２の梁フランジ２ａの幅方向を長辺とし、柱軸方向を短辺とする矩形に切欠き部を設けた形状とする。板状部材１１に切欠き部を設けて外ダイアフラム１０とした場合の柱梁接合部の力学的特性を以下に説明する。

柱梁接合部では、柱梁接合部の降伏耐力をＰ_ｙ、梁フランジ２ａの最大耐力をＰ_ｍａｘとした場合_、梁破断とするため、下式（１）を満足することが必要である。

柱梁接合部の降伏耐力Ｐ_ｙは、図３に示す解析モデルにおいて表１のパラメータを変化させた弾塑性を考慮した数値解析結果より得られた式２で求める。図３において（ａ）は解析モデルの平面図、（ｂ）は側面図を示す。解析モデルは、板状部材を外ダイアフラムとする箱形断面柱−Ｈ形断面梁接合部における柱−引張梁フランジ接合部をモデル化した外ダイヤフラム補強接合部で、柱面１ａに板状部材１１を接合し、梁フランジ２ａを取り付けている。

地震時の水平荷重が建物に作用した際の中柱を想定し、水平荷重と直交する柱中心軸における外ダイヤフラム断面では無応力状態となることを解析に反映するため、該当する板状部材１１に５０ｍｍのスリットを設けている（図３では５０ｍｍのスリットにより分断された板状部材の梁側の部分を支材９とした）。図４に図３に示した解析モデルにおける板状部材１１の形状を示す。これらの図において図１と同じものは同じ符号を付している。

式（２）は計２１個の解析モデルから得られる降伏耐力Ｐ_ｙと接合部の５つのパラメータを用いて表現した式で、各解析モデルの降伏耐力Ｐ_{ｙ＿ＦＥＭ}とそれらのパラメータを用いて重回帰分析を行って導出している。式２において、Ｂ_ｆは板状部材１１の柱材軸方向の幅を変化させる範囲、ｔ_ｐは柱面の厚さ、ｔ_ｓは解析モデルにおける板状部材１１の支材の厚さ、ｈ_ｓは解析モデルにおける柱面１ａの背面からフランジ相当部材２ａまでの距離、_ｐσ_ｙは柱スキンプレート１ａの降伏強度、_ｄσ_ｙは外ダイヤフラム（板状部材１１）の降伏強度を示す。なお、各解析モデルの降伏耐力Ｐ_{ｙ＿ＦＥＭ}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。

前記解析モデルにおける降伏耐力Ｐ_ｙについて、板状部材１１の柱材軸方向（柱軸方向とも言う）の幅ｔ_ｆ（フランジの厚みｔ_ｆに相当）を変化させて、降伏耐力Ｐ_ｙに与える影響を解析した。

板状部材１１の柱材軸方向の幅を変化させる範囲Ｂ_ｆは梁フランジ２ａの幅Ｂ_ｆとし、その外側は４５°の傾斜角の斜辺を挟んで柱材軸方向の幅ｔ_ｓ（ｔ_ｓは解析モデルにおける板状部材１１の支材９の厚さと同じ値）を切り替えている（図４）。

表１のＮｏ．５のモデルを基準として、図４のΔｔ_ｓを２．５〜９ｍｍ（両側で５〜１８ｍｍ）まで変化させた。

解析結果を図５に示す。板状部材１１の柱材軸方向に切り欠く幅Δｔ_ｓが大きくなるにしたがって、Ｐ_ｙ ／Ｐ_ｙ０（Ｐ_ｙ０はＮｏ．５の降伏耐力）は減少するが、Δｔ_ｓが７．５％（両側で１５％）を超えた時点からＰ_ｙは大きく減少している。

図５より、板状部材１１の長辺で幅Ｂ_ｆ（梁フランジ幅Ｂ_ｆと同じ幅）の領域において柱軸方向に切り欠く幅Δｔｓには柱梁接合部の力学性状に大きな影響を与えない範囲があり、少なくとも元幅ｔｓの１割は切り欠くことが可能である。

従って、本発明では、板状部材１１の重量を軽減し、工事現場におけるハンドリングを容易とするために切欠き部を設ける。板状部材１１に設ける切欠き部の形状、寸法は、上述した手法を用いて柱梁接合部の力学性状を損なわないように適宜設定する。

切欠き部の形状は、板状部材１１への加工が容易なように、切欠き後の板状部材の形状が、板状部材１１の長辺の端部またはその近傍から１／２位置にかけて柱軸方向の長さが漸次減少し、板状部材１１の長辺の１／２位置に対して左右対称な形状（リボン状）としたり（図６（ａ）〜（ｄ）、図８（ａ）〜（ｄ））、板状部材１１の長辺の端部またはその近傍から１／２位置近傍にかけて柱軸方向の長さが漸次減少し、１／２位置の左右に柱軸方向に一定の長さの部分を有する左右対称な形状（ドッグボーン状）とすることが好ましい（図７（ａ）〜（ｄ））。

解析モデル結果より、板状部材１１の柱軸方向の長さのうち、長辺において梁２の梁フランジ２ａが取り付く範囲内における最小の長さを板状部材１１の長辺における最大の長さの９０％以上とすれば力学的特性に大きな影響は生じない。但し、図６〜８に示したいずれの板状部材１１においても、梁フランジ２ａが溶接できるように、板状部材１１の長辺の１／２位置における柱軸方向の長さを梁２のフランジ部の厚み以上とする。

また、板状部材１１の板厚（肉厚）は鉄骨柱１のスキンプレート１ａを補強し、外ダイヤフラムとしての剛性を確保するため、スキンプレート１ａの板厚以上とする。

板状部材１１の柱軸方向の長さは、鉄骨梁２の「せい」が変化しても取り付けられるように適宜設定する。鉄骨柱１が外柱、中柱、内柱の場合、「せい」の異なる複数の鉄骨梁２が取付く（図９）。

本発明に係る柱梁接合部では、板状部材１１は鉄骨柱１で梁２のフランジ２ａが取り付けられる位置に、その長辺が鉄骨柱１の柱軸に直交するようにスキンプレート１ａに接合されている。

板状部材１１が梁フランジ２ａと鉄骨柱１に固定されることにより、梁フランジ２ａの接合端部が補強される。また、板状部材１１が柱隅部で幅が広くなっていることから、柱隅部の応力集中を緩和し、鉄骨梁２からの応力を鉄骨柱１内へスムースに流すことができ、かつ板状部材１１の梁２の材軸方向の長さを短くすることができる。

施工は鉄骨柱１と板状部材１１を隅肉溶接で溶接後、鉄骨梁２の梁フランジ２ａを板状部材１１に突合せ溶接で溶接する。溶接欠陥のない突合せ溶接部６や隅肉溶接部５とするため、突合せ溶接は梁フランジ２ａに開先３を設けて行い、隅肉溶接は板状部材１１の長辺のスキンプレート１ａ側を面取りする。

柱梁接合部に作用する「曲げ」は上下のフランジ２ａ、２ａから板状部材１１を介して鉄骨柱１に伝達され、せん断力は梁ウェブ２ｂを介して鉄骨柱１に伝達されるため、梁ウェブ２ｂは隅肉溶接で鉄骨柱１のスキンプレート１ａに固定しておく。

なお、図１は工場溶接による柱と梁の接合構造の場合を示すものである。図２に現場溶接による柱と梁の接合構造の場合を示す。図２において、７はガセットプレート、８はボルトを示し、図１と同じものには同符号を付す。

現場溶接による施工では、鉄骨柱１にガセットプレート７を予め溶接で取付けておき、鉄骨柱１、１間に鉄骨梁２を吊り込み、ガセットプレート７に梁ウェブ２ｂをボルト８で仮止めした後、鉄骨柱１に溶接された板状部材１１に梁フランジ２ａを突合せ溶接で接合を行い、溶接終了後、ボルト８を本締めして鉄骨柱１と鉄骨梁２を接合する。

なお、本発明に係る柱梁接合部では、外ダイアフラム１０の構成方法は特に規定しない。鋼管柱１のスキンプレート１ａ毎に板状部材１１を接合し、接合した４枚の板状部材１１の端部を溶接して鋼管柱１の４周を覆ったり、予め角形スリーブとしておいても良い。

また、外ダイアフラム１０は複数に分割されていても構わない。その場合は、一の分割された外ダイアフラム１０（板状部材１１）は隣接する外ダイアフラム１０（板状部材１１）のどちらか一方と連結させる。

１ 鉄骨柱
１ａ スキンプレート
２ 鉄骨梁
２ａ 梁フランジ
２ｂ 梁ウェブ
３ 開先
４ スカラップ
５ すみ肉溶接部
６ 突合せ溶接部
７ ガセットプレート
８ ボルト
９ 支材
１０ 外ダイアフラム
１１、１１ａ 板状部材

Claims (3)

1. 角形中空断面の柱とＨ形断面の梁のフランジ部を外ダイアフラムを介して連結した柱梁接合部の接合構造であって、前記外ダイアフラムは、前記柱の４周を覆う４枚の板状部材で構成され、前記板状部材は梁のフランジ幅方向を長辺とし、柱軸方向を短辺とする矩形を、前記長辺の端部またはその近傍から１／２位置にかけて柱軸方向の長さが漸次減少し、且つ前記１／２位置における柱軸方向の長さが前記梁のフランジ部の厚み以上となるように左右対称に切欠いた形状を有し、前記板状部材の板厚が前記柱のスキンプレートの板厚以上で、前記柱で前記梁のフランジが取り付けられる位置に、前記長辺が前記柱軸に直交するように接合され、
   前記板状部材の柱軸方向の長さのうち、前記梁のフランジ部が取り付く範囲内における最小の長さが最大の長さの９０％以上であることを特徴とする角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造。
2. 角形中空断面の柱とＨ形断面の梁のフランジ部を外ダイアフラムを介して連結した柱梁接合部の接合構造であって、前記外ダイアフラムは、前記柱の４周を覆う４枚の板状部材で構成され、前記板状部材は梁のフランジ幅方向を長辺とし、柱軸方向を短辺とする矩形を、前記長辺の端部またはその近傍から１／２位置近傍にかけて柱軸方向の長さが漸次減少し、前記１／２位置における柱軸方向の長さが前記梁のフランジ部の厚み以上で且つ前記１／２位置の左右に柱軸方向に一定の長さの部分を有するように左右対称に切欠いた形状を有し、前記板状部材の板厚が前記柱のスキンプレートの板厚以上で、前記柱で前記梁のフランジが取り付けられる位置に、前記長辺が前記柱軸に直交するように接合され、
   前記板状部材の柱軸方向の長さのうち、前記梁のフランジ部が取り付く範囲内における最小の長さが最大の長さの９０％以上であることを特徴とする角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造。
3. 前記板状部材が、長辺側の両端となる部分に、柱軸方向に一定の長さの部分を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の角形中空断面柱とＨ形断面梁の柱梁接合構造。