JP5982879B2

JP5982879B2 - 溶接組立ｈ形鋼

Info

Publication number: JP5982879B2
Application number: JP2012046226A
Authority: JP
Inventors: 智裕木下; 匠石井
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-03-02
Also published as: JP2013181336A

Description

本発明は、主として建築分野における梁部材として好適な溶接組立Ｈ形鋼に関する。

建築鋼構造の柱梁接合部においては、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。ダイアフラムには種々の形式のものがあるが、非特許文献１では図２（ａ）に示す外ダイアフラム４を用いた形式、図２（ｂ）に示す通しダイアフラム５を用いた形式、図２（ｃ）に示す内ダイアフラム６を用いた形式に大別している。

内ダイアフラムを用いた形式は、エレクトロスラグ溶接により接合されることが多いが、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非常に小さくなり、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、内ダイアフラムを用いた形式を適用しがたい。

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。

一方、外ダイアフラムを用いた形式では、鋼管との溶接は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、外ダイアフラムを用いた形式は通しダイアフラムを用いた形式に比べて溶接量・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。

建設現場への運搬効率を勘案すると、建設現場にて外ダイアフラムを鋼管柱に接合する工法が有益である。

しかし、外ダイアフラムを建設現場にて鋼管柱に溶接接合する場合、ダイアフラムと鋼管柱との溶接接合に加えて、ダイアフラムと梁フランジとの溶接接合、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。建設現場における外ダイアフラムと梁フランジとの溶接が必要となる場合、図３に示すように、Ｈ形鋼梁のウェブ７には裏当金１０を通すためのスカラップ７ａと称する切欠きを設けることが必要となる。

さらに、スカラップ７ａが存在する場合、スカラップ７ａと梁フランジ８との溶接接合部９では局所的に応力と歪が集中し易く、この部分から延性き裂が生じ最終的には梁フランジ８が早期に破断する危険性があることが非特許文献２などで指摘されている。

外ダイアフラムを予め鉄骨製作工場にて鋼管柱に溶接接合する場合、工場から建設現場への運搬効率を勘案すると、鋼管柱表面からの外ダイアフラムの出寸法は可能な限り小さく抑えることが望ましく、形状に制約が出易い。

また、鋼管柱表面からの外ダイアフラムの出寸法を小さく抑えた場合、梁フランジと外ダイアフラムは高力ボルト接合の適用は難しく、建設現場にて溶接接合されることになり、大きな応力が作用し破断する危険のある梁端溶接部での溶接品質の確保が大きな課題となる。

なお、中低層建築物や高層・超高層建築物の上層部の梁においては、圧延Ｈ形鋼による断面サイズで設計上必要な耐力・剛性を賄えるが、高層・超高層建築物の下層部の梁では圧延Ｈ形鋼よりも大きな断面サイズが必要となり、溶接組立Ｈ形断面梁が用いられることが多くなっている。

そこで、本発明では、上記課題を解決することが可能な溶接組立Ｈ形断面梁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．鋼管柱と梁を接合する柱梁接合部に梁として使用される溶接組立Ｈ形鋼であって、前記溶接組立Ｈ形鋼は、フランジの長手方向の少なくとも一方の端部に、ウェブより外側に突出する突出し部を有し、前記突出し部は、前記ウェブの端部より内側から前記ウェブの端部の外側にかけてフランジが幅方向に拡大後一定または逐次拡大する、前記ウェブに対して対称となる形状で、材端側に開口して、前記鋼管柱の外周の一部に嵌合する切欠き部を有し、前記切欠き部は前記突出し部において、前記ウェブの端部が前記鋼管柱と接する位置から鋼管柱と嵌合するように開口し、前記突出し部で前記切欠き部を囲む部分は、前記鋼管柱に前記切欠き部が嵌合した際、前記柱梁接合部の外ダイアフラムを形成する形状を有していることを特徴とする溶接組立Ｈ形鋼。
２．前記鋼管柱が角形鋼管柱で、前記切欠き部は、前記角形鋼管柱の三辺以上と接して前記角形鋼管柱に嵌合することを特徴とする１記載の溶接組立Ｈ形鋼。
３．前記鋼管柱が円形鋼管柱で、前記切欠き部は、前記円形鋼管柱の円周の１／５以上と接して前記円形鋼管柱に嵌合することを特徴とする１記載の溶接組立Ｈ形鋼。
４．梁せいが８００ｍｍ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溶接組立Ｈ形鋼。
５．２記載の梁と角形鋼管柱を溶接接合した柱梁接合構造。
６．３記載の梁と円形鋼管柱を溶接接合した柱梁接合構造。
７．１記載の梁と鋼管柱を溶接接合した柱梁接合構造。
８．梁せいが８００ｍｍ以上であることを特徴とする５乃至７のいずれか一つに記載の柱梁接合構造。

本発明によれば、従来の溶接組立Ｈ形断面梁と柱との接合工法に対して、施工効率ならびに品質確保に優れた柱と梁との接合工法を可能とする溶接組立Ｈ形梁が得られ、産業上極めて有用である。

本発明の一実施例に係る溶接組立Ｈ形鋼を用いた柱梁接合部を説明する図で、（ａ）は鋼管柱が角形鋼管の場合、（ｂ）は鋼管柱が円形鋼管の場合を示す図。従来の柱梁接合部を示し、（ａ）は外ダイアフラムを用いた形式、（ｂ）は通しダイアフラムを用いた形式、（ｃ）は内ダイアフラムを用いた形式を説明する図。外ダイヤフラムと梁フランジ端の接合部におけるスカラップを説明する図。鋼管柱が中柱の場合における本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼の突出し部（梁の端部）の形状例を示し、（ａ）は鋼管柱が角形鋼管柱の場合、（ｂ）、（ｃ）は鋼管柱が円形鋼管の場合を示す図。本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼を用いた柱梁接合部に他のＨ形鋼を取り付けた場合を示す図。鋼管柱が角形鋼管の場合に本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼を梁とした柱梁接合部の模試的外観図。

本発明による溶接組立Ｈ形鋼は、上下フランジで鋼管柱と接合される部分がウェブより外側に張り出し、鋼管柱と嵌合して外ダイアフラムとなるような形状であることを特徴とする。以下、図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例に係る溶接組立Ｈ形鋼を用いた柱梁接合部を説明する図で、（ａ）は鋼管柱が角形鋼管の場合、（ｂ）は鋼管柱が円形鋼管の場合を示し、これらの図において、１は溶接組立Ｈ形鋼、１１はフランジ、１２はフランジの突出し部、１３はウェブ、２は梁、３は鋼管柱、ａはフランジの突出し部１２で鋼管柱３を取り囲む部分の幅、ｂはフランジ１１とフランジの突出し部１２との境界線を示す。

図示した溶接組立Ｈ形鋼１は、フランジ１１の長手方向の端部近傍に、フランジ１１の幅より幅広で、その一部がウェブ１３より外側に張り出した形状の突出し部１２を有する。

突出し部１２は、ウェブ１３の端部より内側（溶接組立Ｈ形鋼１側）となる位置（以下、特定位置ｂ）からウェブ１３の端部の外側にかけてフランジ１１が幅方向に拡大後一定または逐次拡大した形状で、先端側に開口した切欠き部を有する。

突出し部１２及び突出し部１２の切欠き部の形状は梁２（フランジ１）の長手方向の中心軸に対して（ウェブ１３に対して）対称で、切欠き部の形状は前記梁２と柱梁接合部を構成する鋼管柱３に嵌合する形状とする。切欠き部は突出し部１２において、ウェブ１３の端部が鋼管柱３と接する位置から鋼管柱３と嵌合するように設ける。

切欠き部は鋼管柱３の外周の一部に嵌合する形状で、鋼管柱３が角形鋼管の場合は、当該角形鋼管の外周の三辺以上と接して嵌合する矩形の形状とし、鋼管柱３が円形鋼管の場合は、当該円形鋼管の外周（円周）の１／５以上と接して嵌合する略円弧形の形状とする。

なお、突出し部１２は溶接組立Ｈ形鋼１において上下のフランジ１１でウェブ１３に対して同じ位置に同じ形状のものを設ける。溶接組立Ｈ形鋼１を両端が鋼管柱３に接合される梁２とする場合は、フランジ１の長手方向の両端に突出し部１２を設ける。

突出し部１２で切欠き部を囲む部分の形状（突出し部１２が鋼管柱３のスキンプレートに接する部分から突出し部１２の外側までで、且つフランジ１１の特定位置ｂから外側の形状）は、鋼管柱３に前記切欠き部が嵌合した際、鋼管柱３と梁２が接合する柱梁接合部において外ダイアフラムとして機能する形状であれば施工上あるいは意匠上の要求に応じた形状として良く特に規定しない。

例えば、溶接組立Ｈ形鋼１が梁２として円形の鋼管柱３と柱梁接合部を構成する場合、突出し部１２は円形の鋼管柱３に嵌合するように切欠き部が略半円形で、突出し部１２はフランジ１１の端部となる部分を除いて突出し長さａの環状の一部を成す形状としても良い（図１（ｂ））。

図４は鋼管柱３が中柱の場合における溶接組立Ｈ形鋼１の突出し部１２（フランジ１１の特定位置ｂより鋼管柱３側の形状、以下、同じ）の形状例を示し、（ａ）は鋼管柱３が角形鋼管柱の場合、（ｂ）、（ｃ）は鋼管柱３が円形鋼管の場合を示す。各図に示すように、鋼管柱３に複数の梁２を接続する場合、夫々の梁２における突出し部１２の形状は、接続後において互いに連結して鋼管柱３の外周と取り囲む形状となるようにすると外ダイヤフラムとしての剛性が向上して好ましい。

（ｃ）に示すように、円形鋼管３に複数の梁２を接続する場合、夫々の梁２における突出し部１２の形状は、接続後において円形鋼管３の外周と取り囲む円形となるようにする。突出し部１２の外形は運搬が容易なように適宜決定する。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼１が取り付けられた柱梁接合部において、当該溶接組立Ｈ形鋼１と直交する方向に通常のＨ形鋼１ａを梁として設置することも可能である。

同じ梁せいの溶接組立Ｈ形断面梁１ａを組合わせる場合、突出し部１２と干渉しないように溶接組立Ｈ形断面梁１ａのフランジの一部を切り欠いて、前記フランジは突出し部１２と、溶接組立Ｈ形断面梁１ａのウェブは鋼管柱３に溶接などで接合して使用する。なお、突出し部１２と鋼管柱３は突出し部１２の切欠き部の内周と鋼管柱３の外周を溶接して接合する。突出し部１２と鋼管柱３をボルトにより接合しても良い。

図６は鋼管柱３が角形鋼管の場合に本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼１を梁２とした柱梁接合部を示し、突出し部１２で角形鋼管３に嵌合する切欠き部を囲む部分の形状のうち、突き出し長さａは鋼管柱３（角形鋼管）のスキンプレートの板厚ｔｃ、フランジ１１の板厚ｔ_ｆを考慮して、梁２とする溶接組立Ｈ形鋼１からの応力が鋼管柱３に伝達されるように選定する。フランジ１１の特定位置ｂは、ウェブ１３の端部から突き出し長さａだけ溶接組立Ｈ形鋼１の内側に入った位置に対応する。鋼管柱３が円形鋼管の場合も同様とする。

フランジ１１の板厚ｔ_ｆが鋼管柱３の板厚ｔ_ｃに比べて大きいような場合には、突出し部１２の突き出し長さａを小さく抑えることも可能であり、柱との接合部周辺がコンパクトに収まり、意匠的に好ましい。

本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼１は、鉄骨加工工場にてフランジ１１とウェブ１３が溶接接合されＨ形断面梁の状態で建設現場に搬入さる。その後、建設現場にて鋼管柱３とフランジ１１の突出し部１２（切欠き部の内側）が隅肉溶接により溶接接合されて柱梁接合部を構成する。本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼１は、予め外ダイアフラム部となる突出し部１２の形状を一体として切り出してフランジ１１とするため、建設現場において外ダイアフラムとフランジとの溶接接合もしくは高力ボルト接合工程が不要となり、建設現場における柱と梁との接合工程の簡略化が可能である。

本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼を用いた柱梁接合部における溶接量を従来の外ダイアフラム形式で、外ダイアフラムと梁フランジとが溶接接合される場合（以下、従来技術）と比較した。

本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼を、高層・超高層下層部梁に適用されることを想定して、柱サイズは□−１０００ｍｍ×６０ｍｍ（外径×板厚）の角形鋼管を、梁サイズはＢＨ−９００ｍｍ×５００ｍｍ×２２ｍｍ×４０ｍｍ（せい×幅×ウェブ板厚×フランジ板厚）とする。

本発明では従来の柱梁接合部（以下、従来例）では必要であった外ダイヤフラムと梁フランジとの溶接が不要であり、従来例に対して溶接量が約１１％低減される。

尚、試算では柱と突出し部１２との溶接部と、従来技術における外ダイアフラムと梁フランジとの溶接部で開先断面での溶接金属量は等しいものとした。

本発明によれば、外ダイアフラムとなる突出し部１２はフランジ１１と一体として成形されているため、スカラップ７ａが不要で加工工程が省略化され、更に早期破断の危険性も低減できる。

本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼１を柱梁接合部に用いた場合、フランジ１１における突出し部１２と他の部分との境界位置（特定位置ｂ）で地震時の応力が最も大きくなるが、この部分には溶接部が存在しないため、早期に破断する危険性が小さく、変形性能が向上する。

１溶接組立Ｈ形鋼
１ａＨ形鋼
１１フランジ
１２突出し部
１３ウェブ
２梁
３鋼管柱
４外ダイアフラム
４ａ外ダイアフラムと梁フランジの溶接部
５通しダイアフラム
６内ダイアフラム
７Ｈ形鋼梁のウェブ
７ａスカラップ
８梁フランジ
９溶接接合部
１０裏当金

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梁端破断防止ガイドライン

Claims

鋼管柱と梁を接合する柱梁接合部に梁として使用される溶接組立Ｈ形鋼であって、前記溶接組立Ｈ形鋼は、フランジの長手方向の少なくとも一方の端部に、ウェブより外側に突出する突出し部を有し、前記突出し部は、前記ウェブの端部より内側から前記ウェブの端部の外側にかけてフランジが幅方向に拡大後一定または逐次拡大する、前記ウェブに対して対称となる形状で、材端側に開口して、前記鋼管柱の外周の一部に嵌合する切欠き部を有し、前記切欠き部は前記突出し部において、前記ウェブの端部が前記鋼管柱と接する位置から鋼管柱と嵌合するように開口し、前記突出し部で前記切欠き部を囲む部分は、前記鋼管柱に前記切欠き部が嵌合した際、前記柱梁接合部の外ダイアフラムを形成する形状を有していることを特徴とする溶接組立Ｈ形鋼。
前記鋼管柱が角形鋼管柱で、前記切欠き部は、前記角形鋼管柱の三辺以上と接して前記角形鋼管柱に嵌合することを特徴とする請求項１記載の溶接組立Ｈ形鋼。
前記鋼管柱が円形鋼管柱で、前記切欠き部は、前記円形鋼管柱の円周の１／５以上と接して前記円形鋼管柱に嵌合することを特徴とする請求項１記載の溶接組立Ｈ形鋼。
梁せいが８００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の溶接組立Ｈ形鋼。
請求項２記載の梁と角形鋼管柱を溶接接合した柱梁接合構造。
請求項３記載の梁と円形鋼管柱を溶接接合した柱梁接合構造。
請求項１記載の梁と鋼管柱を溶接接合した柱梁接合構造。
梁せいが８００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一つに記載の柱梁接合構造。