JP6060809B2 - 主部材と副部材を接合する接合部材の形状設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば柱と梁との接合部のように主部材に副部材を接合する接合構造に関する。

鋼構造物においては、柱と梁の接合部やトラス架構など部材が交差する結節点において、柱等の主部材よりも厚肉の断面を有する接合部材を使用することで、ダイアフラムやリブを省略する合理化工法が広く採用されている。
例えば特許文献１には、「建物の柱と梁とを接合する柱梁接合金物であって、接続する角形断面柱の板厚に対して厚肉の角形断面の厚肉管からなる柱梁接合金物にテーパーが梁成より長い範囲に亘って設けられてなることを特徴とする柱梁接合金物。」（特許文献１の請求項１参照）が開示されている。
特許文献１の柱梁接合金物は、鋳造によって製造する旨が記載されている。

また、特許文献２には、「所定の板厚の長尺四角形鋼管と、この長尺四角形鋼管よりも板厚が厚くかつパネルゾーンを形成する長さの短尺四角形鋼管とからなり、この短尺四角形鋼管は、４枚のプレート状板を四角形状に配置して隣接間を溶接することで形成され、長尺四角形鋼管の端面と短尺四角形鋼管の端面とが対向された状態で、両四角形鋼管を溶接により結合して構成されていることを特徴とする四角形鋼管柱。」が開示されている（特許文献２の請求項１参照）。

特開２００３−８２７６１号公報 特開２０１０−１０６５１５号公報

例えば角形鋼管部材からなる柱部材について、該柱部材よりも肉厚の接合部材を用いて前記柱を接合する場合、設計の合理性と施工の容易性を考慮して、接合部材としては、柱部材と外形が同一サイズ（同一辺長）で柱部材よりも肉厚の角形鋼管からなる接合部材を用いることになる。

しかしながら、角形鋼管として一般的に普及しているロール成形鋼管やプレス成形鋼管を用いる場合、角部寸法（コーナー寸法）が板厚の２倍や３倍など、板厚に比例して大きくなるという製品形状としての特性があるため、同一サイズの角形鋼管でも板厚が異なると、角部の輪郭が異なる。
この点を図８に用いて詳細に説明する。図８は、上柱２１と下柱２３を、上柱２１と下柱２３よりも厚肉の接合部材２５によって接合した状態を示している。
接合部材２５に用いる角形鋼管としてロール成形鋼管やプレス成形鋼管を用いると、上柱２１および下柱２３と接合部材２５では板厚が異なるため、図８に示すように、角部では、上柱２１および下柱２３が接合部材２５よりも外方に突出して、柱断面が不連続となってしまう。
通常、このような主部材断面の不連続が生じることは、構造特性上、過大な応力集中を招く場合もあり好ましくない。

そこで、特許文献１に示されるように、外形の輪郭が同一で厚肉の鋳鋼製品を用いることが考えられる。
しかし、鋳造品の場合には、製品としてのコストが高くなり、また形状の可変性の自由度が小さいという課題がある。

また、特許文献２に開示されたような、４枚のプレート状板を四角形状に配置して隣接間を溶接することも考えられるが、この場合には、主部材断面の間で不連続が生じないような形状にするには、部材全体について過大な板厚が必要となるという課題がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、主部材に副部材を接合する接合構造であって、接合部において主部材断面の不連続が生じず、またコストが高くならず、さらには接合部材全体として過大な板厚にならない主部材と副部材の接合構造を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る主部材と副部材の接合構造は、角形鋼管を主部材とするトラスや柱梁接合部の結節点に接合部材を用いて副部材を接合する主部材と副部材の接合構造であって、
前記接合部材として主部材と同一辺長でかつ前記主部材よりも肉厚の角形鋼管を用い、
前記接合部材の角部形状の外半径をＲ´、内半径をｒ´としたときに、これら外半径Ｒ´及び内半径ｒ´が下式（１）および式（２）を満たすことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記主部材がロール成形角形鋼管又はプレス成形角形鋼管であり、前記接合部材がシームレス成形角形鋼管であることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記主部材における前記接合部材と接合する端面に裏当て金を設置すると共に、前記端面にレ形開先部を設け、該レ形開先部が前記接合部材と溶接接合されていることを特徴とするものである。

本発明の主部材と副部材の接合構造によれば、接合部材の角部形状における外円弧が主部材の外円弧と同じ位置又は外側に位置し、角部形状における内円弧が主部材の内円弧と同じ位置又は内側に位置することになり、主部材と接合部材の接合部において主部材断面の不連続が生ぜず、断面の不連続に起因する応力集中を招くことがない。

本発明の一実施の形態の接合構造の要部の説明図である。 本発明の一実施の形態の接合構造の説明図である。 図２における矢視Ａ−Ａ断面図である。 本発明の一実施の形態の接合構造に用いる接合部材における角部形状の外半径の範囲を示すグラフである。 本発明の一実施の形態の接合構造に用いる接合部材における角部形状の内半径の範囲を示すグラフである。 本発明の一実施の形態の接合構造の好ましい態様の説明図である。 図６の矢視Ｂ−Ｂ図である。 本発明が解決しようとする課題を説明する説明図である。

本発明の一実施の形態に係る主部材１と副部材５の接合構造は、図２に示すように、角形鋼管を主部材１とする柱梁接合部の結節点に接合部材３を用いて副部材５としての梁を接合する柱・梁接合構造に関するものである。図２において、主部材１と接合部材３は溶接部６を介して連結されている。
接合部材３として主部材１と同一辺長でかつ主部材１よりも厚肉の角形鋼管を用いている。
そして、接合部材３の角部形状の外半径をＲ´、角部形状の内半径をｒ´としたときに、これら外半径Ｒ´及び内半径ｒ´が下記に示す式（１）及び式（２）を満たすようになっている。ただし、α＝ｒ／ｔ（r:主部材１の内半径、ｔ：主部材１の板厚）、γ＝（ｔ´／ｔ）である。

以下、主部材１と副部材５の接合構造の構成要件を詳細に説明する。
＜主部材＞
主部材１としては、一般に多用されているロール成形角形鋼管又はプレス成形角形鋼管を用いるのが一般的であるが、これに限定されるものではない。
ここで、主部材１としてロール成形角形鋼管を用いた場合の接合部材３の角部形状の外半径Ｒ´、角部形状の内半径ｒ´を例示する。
ロール成形角形鋼管の場合、α＝１〜２である。
したがって、外半径Ｒ´は、式（１）にαの裕度下限であるα＝１を代入すると、Ｒ´≦２ｔとなる。また内半径ｒ´は、式（２）にαの裕度上限であるα＝２を代入すると、ｒ´≧（5.42-3.42γ）ｔとなる。

＜副部材＞
副部材５は接合部材３を介して主部材１に接合される部材である。副部材５は、Ｈ形鋼やＩ形鋼、角形鋼管等その形態は特に限定されない。

＜接合部材＞
接合部材３は、主部材１と同一辺長でかつ主部材１よりも厚肉の角形鋼管を用いている。
接合部材３を、主部材１と同一辺長としたのは、同一辺長にするとことで接合部材３の周面と主部材１の周面を面一にでき、材料の無駄がなく、かつ接合時の施工が容易になるからである。
また、接合部材３を主部材１よりも厚肉にしているのは、接合部材３には梁等の副部材５が接続されるため、主部材１よりも剛性を高くする必要があるからである。
なお、接合部材３となる角形鋼管は、熱間シームレス成形によって製造されるシームレス成形角形鋼管又はプレス成形角形鋼管を用いるのが好ましい。

接合部材３における角部形状は、上述したように、角部形状の外半径をＲ´、内半径をｒ´としたときに、これら外半径Ｒ´及び内半径ｒ´が上記の式（１）及び式（２）を満たすように設定されている。
接合部材３における角部形状を、上記のように設定することで、接合部材３と主部材１の接合状態において、接合部材３の角部形状における外円弧が主部材１の外円弧と同じ位置又は外側に位置し、角部形状における内円弧が主部材１の内円弧と同じ位置又は内側に位置する（図１参照）。
接合部材３と主部材１の配置関係が上記のようになることで、主部材１と接合部材３の接合部において主部材断面の不連続が生ぜず、断面の不連続に起因する応力集中を招くことがない。

式（１）は、接合部材３における角部形状の外円弧が、主部材１における角部形状の外円弧と同じ位置又は外側に位置させるための条件であり、式（２）は、接合部材３における角部形状の内円弧が主部材１における角部形状の内円弧と同じ位置又は内側に位置させるための条件である。
以下、これらの条件について図１に基づいて詳細に説明する。
なお、図１は図３中点線の丸で囲んだ部分の拡大図であり、太実線が接合部材３を示し、破線が主部材１を示している。
また、図１において、Ｒ：主部材１における角部形状の外半径、ｒ：主部材１における角部形状の内半径、ｔ：主部材１の板厚、Ｏ：主部材１の角部形状円弧（外半径Ｒと内半径ｒ）の中心点、Ｒ´：接合部材３の角部形状の外半径、ｒ´：接合部材３の角部形状の内半径、ｔ´：接合部材３の板厚、Ｏ´：接合部材３の角部形状における内側円弧（内半径）の中心点である。

[式（１）の説明]
接合部材３の外円弧が主部材１の外円弧の外側に位置するためには、Ｒ´≦Ｒであればよい。
Ｒは、図１に示すように、ｔ＋ｒで表される。ここでｒ＝αｔとするとＲ＝ｔ（α＋１）となる。さらにｔ＝ｔ´／γとすると、上述した式（１）になる。

以上のように、式（１）を満たすことが、接合部材３の外円弧が主部材１の外円弧と同じ位置又は外側に位置するための条件である。

[式（２）の説明]
接合部材３の内円弧と主部材１の内円弧の距離をΔｒとすると（図１参照）、接合部材３の内円弧が主部材１の内円弧と同じ位置又は内側に位置するためには、Δｒ≧０であればよい。
Δｒは、図１に示すように、主部材１の内半径ｒから線分ＯＯ´の長さと接合部材３の内半径ｒ´を差し引いた長さである。

ここで、線分ＯＯ´の長さについて、図１中に示す中心点Ｏおよび中心点Ｏ´近傍（点線の丸で囲んだ部分）の拡大図に基づいて説明する。線分ＯＯ´は、図１中の拡大図に示すように、辺長が（Ｒ−ｔ´−ｒ´）の直角二等辺三角形の底辺に相当するものであるから、線分ＯＯ´の長さは、下式（３）となる。

従ってΔｒは下式（４）で表される。

上述したとおりΔｒ≧０であればよく、すなわち下式（５）となる。

ここでＲ＝ｒ＋ｔ（図１参照）とし、γ＝ｔ´／ｔとして整理すると、式（５）は下式（６）になる。

また、ｒ＝（α／γ）ｔ´であるから、式（６）をｔ´の関数として整理すると上述した式（２）となる。

以上のように、式（２）を満たすことが、接合部材３の内円弧が主部材１の内円弧よりも内側に位置するための条件である。

本実施の形態の主部材１と副部材５の接合構造によれば、接合部材３の角部形状における外円弧が主部材１の外円弧と同じ位置又は外側に位置し、角部形状における内円弧が主部材１の内円弧と同じ位置又は内側に位置することになり、主部材１と接合部材３の接合部において主部材断面の不連続が生ぜず、断面の不連続に起因する応力集中を招くことがない。
また、上述したような接合部材３であれば、シームレス成形角形鋼管又はプレス成形角形鋼管を用いることができ、コストの高い鋳鋼製品の使用が不要となり、コスト低減効果が期待できる。
また、接合部材３の長さも容易に可変にすることができるため、大きな断面から小さな断面に対して簡易で且つ、構造上信頼度の高い接合構造を実現できる。

なお、上記の実施の形態においては、接合部材３の角部形状の外半径をＲ´の上限値を式（１）で示し、接合部材３の角部形状の内半径をｒ´の下限値を式（２）によって規定したが、外半径Ｒ´の下限値及び内半径ｒ´の上限値については特に規定していない。
しかしながら、接合部材３としてシームレス成形角形鋼管を用いる場合、シームレス成形角形鋼管には製造可能な角部形状の制限がある。この制限から、外半径Ｒ´の下限値は０．５ｔ´、内半径ｒ´の上限値は１．０ｔ´となる。

このような製造方法に起因する制限を考慮すると、接合部材３としてシームレス成形角形鋼管を用いる場合、接合部材３における角部形状の外半径Ｒ´の範囲は、縦軸を外半径Ｒ´、横軸を接合部材３の板厚ｔ´としたグラフで示すと、図４に示すグラフの範囲となる。また、接合部材３における角部形状の内半径ｒ´の範囲は、縦軸を内半径ｒ´、横軸を接合部材３の板厚ｔ´としたグラフで示すと、図５のグラフに示す範囲となる。

なお、接合部材３と主部材１を接合するに際しては、図６、図７に示すように、主部材１における接合部材３と接合する端面に裏当て金９を設置すると共に、端面にレ形開先部７を設け、レ形開先部７において接合部材３と溶接接合するのが好ましい。
このようにすることで、接合部材３と主部材１との位置決めが容易となり、接合部材３における角部の位置を正しいに位置に配置することが容易になる。

なお、上記の説明では、主部材１と副部材５の接合構造の例として、柱と梁の接合部を例に挙げたが、本発明はこれに限られず、主部材としての横部材に副部材としての斜め部材が接合されるトラス架構における接合構造にも適用できる。

１ 主部材
３ 接合部材
５ 副部材
６ 溶接部
７ レ形開先部
９ 裏当て金
２１ 上柱
２３ 下柱
２５ 接合部材

Claims (1)

1. ロール成形角形鋼管又はプレス成形角形鋼管を主部材とするトラスや柱梁接合部の結節点において前記主部材と副部材を接合する接合部材の形状設定方法であって、
   前記接合部材は、前記主部材と同一辺長でかつ前記主部材よりも厚肉のシームレス成形角形鋼管であり、
   前記接合部材の角部形状の外半径をＲ´、内半径をｒ´としたときに、これら外半径Ｒ´及び内半径ｒ´を下式（１）および式（２）を満たすように設定することを特徴とする主部材と副部材を接合する接合部材の形状設定方法。