JP6164010B2 - 柱梁接合部の補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、柱梁接合部の補強構造に関する。

鉄骨造の構造物の柱梁接合部において、梁を柱に溶接する際に溶接線の交差を避けるために梁のウェブにスカラップという円弧状の切欠部を設けることがある。しかし、このようなスカラップを設けると、梁のスカラップ形成部位周辺に大きな応力が発生するおそれがある。特にスカラップ底は応力集中が著しく、当該部位を基点とする亀裂がフランジに生じたり梁の荷重保持能力が低下したりするおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１ではスカラップ形成部をふさぐ補強部材を梁に設けることにより、梁の補強を行っている。

特開平５−２１４７６５号公報

しかしながら、特許文献１の補強構造では、スカラップの形成部分を補強部材で完全にふさぐようにしているため、柱と梁のフランジとの接合部（溶接部あるいは裏当金）にほぼ密着するように補強部材を形成しなければならない。柱と梁の取付精度によっては補強部材を現場で再加工する必要がある。よって、補強部材を作成するのに手間がかかるという問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、その主な目的は柱梁接合部の補強の簡易化を図ることにある。

かかる目的を達成するために本発明の柱梁接合部の補強構造は、ウェブにスカラップが形成されたＨ形鋼の梁と、柱との柱梁接合部の補強構造であって、前記梁を補強する補強部材であって、前記梁のフランジと前記柱の接合部と、当該補強部材との間に空隙を形成するための切欠部を有する補強部材を、前記スカラップ形成部位周辺の前記ウェブの側面に固設したことを特徴とする。
このような柱梁接合部の補強構造によれば、補強部材を柱と梁のフランジの接合部にほぼ密着するように設けなくてもよい（すなわち補強部材の作成に高い精度が求められない）。よって、この補強部材をスカラップの周辺に設けることにより柱梁接合部の補強の簡易化を図ることが可能である。

かかる柱梁接合部の補強構造であって、前記補強部材を前記フランジに接合することが望ましい。
このような柱梁接合部の補強構造によれば、より確実に補強部材を梁に固定することができる。

かかる柱梁接合部の補強構造であって、前記補強部材を前記柱にも接合することが望ましい。
このような柱梁接合部の補強構造によれば、補強の効果をより高めることが可能である。

かかる柱梁接合部の補強構造であって、前記切欠部は、前記スカラップよりも大きく形成されていてもよい。また、前記切欠部は、前記スカラップよりも小さく形成されていてもよい。

前記切欠部が前記スカラップよりも大きい場合の柱梁接合部の補強構造であって、前記補強部材の前記切欠部側の端と前記ウェブとを溶接することが望ましい。
このような柱梁接合部の補強構造によれば、補強部材をより確実に梁に接合することができる。

前記切欠部が前記スカラップよりも小さい場合の柱梁接合部の補強構造であって、前記補強部材は、前記ウェブの一方の側面に設けられており、前記一方の側面の側から前記補強部材の外縁と前記ウェブの前記一方の側面とを溶接し、他方の側面の側から前記ウェブの前記スカラップ側の端と前記補強部材とを溶接することが望ましい。
このような柱梁接合部の補強構造によれば、補強部材をより確実に梁に接合することができる。

本発明によれば、柱梁接合部の補強の簡易化を図ることが可能である。

柱梁接合構造を示す側面図である。 図１Ａを斜め上から見た斜視図である。 図１Ａの柱梁構造に亀裂が生じた状態を示す側面図である。 図２Ａを斜め上から見た斜視図である。 参考例における柱梁接合の補強構造について説明するための側面図である。 第１実施形態における柱梁接合の補強構造を示す側面図である。 図４Ａを斜め上から見た斜視図である。 図４Ａを斜め下から見た斜視図である。 １実施形態における柱梁接合部の拡大図である。 柱梁接合の解析モデルの説明図である。 荷重Ｐと変位δとの関係の解析結果を示す図である。 相当組成ひずみに関する有限要素法（ＦＥＭ）のコンター図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、第１実施形態の変形例の説明図である。 第２実施形態における柱梁接合の補強構造を示す側面図である。 図９Ａを斜め上側から見た斜視図である。 図９Ａを斜め下側から見た斜視図である。 第２実施形態における柱梁接合部の拡大図である。 図１０のＡ−Ａ断面の状態を示す概念図である。 第３実施形態の柱梁接合部の断面の状態を示す概念図である。

＝＝＝柱梁接合構造について＝＝＝
図１Ａは、柱梁接合構造の一例を示す側面図である。また、図１Ｂは、図１Ａを斜め上から見た斜視図である。なお、図において上を上側とし、下を下側とする。図に示す柱梁接合構造は、柱１０と、梁２０とを備えて構成されている。

柱１０は、構造建物において床や梁などの鉛直荷重を支える構造部材である。図に示すように、柱１０は角型の鋼管である。また、柱１０はダイアフラム１２とガセットプレート１４を有している。

ダイアフラム１２は、柱１０の仕口の剛性を高める鋼板であり、柱１０において、梁２０（より具体的には、後述するフランジ２４）との接合位置の周囲に設けられている。

ガセットプレート１４は、柱１０と梁２０（より具体的には、後述するウェブ２２）との接合位置に設けられている。ガセットプレート１４は、２つの部材（ここでは柱１０と梁２０）を連結するための鋼板である。ガセットプレート１４及び梁２０（ウェブ２２の幅方向の端部）には、ボルト１６を通す孔が複数設けられている。そして、ガセットプレート１４と梁２０をボルト１６とナット（不図示）で締め付けることにより柱１０に梁２０（ウェブ２２）を固定できる。

梁２０は、構造建物において柱同士を水平方向につなぐ構造部材である。図に示すように梁２０は、幅方向に垂直な断面がＨ形の鉄製の鋼材（いわゆるＨ形鋼）であり、ウェブ２２とフランジ２４を有している。また、梁２０にはスカラップ２６が形成されている。
フランジ２４は、梁２０の上縁と下縁にそれぞれ配置された板状部材である。
ウェブ２２は、上下のフランジ２４を結ぶ板状部材である。
スカラップ２６は、梁２０のウェブ２２の幅方向の端部において上下のフランジ２４の近傍に設けられた円弧形状の切欠きである。

梁２０のフランジ２４と柱１０（ダイアフラム１２）とを接合する際には、柱１０と梁２０をガセットプレート１４によりボルト１６を用いて固定してから、裏当金３２を溶接部分の下に配置し、ダイアフラム１２とフランジ２４を溶接により接合する。これにより溶接部３０が形成される。なお、裏当金３２は、溶接部分の裏側（ここでは下側）に設けられて、溶融金属が抜け落ちるのを防ぐ鋼材である。

図２Ａは、図１Ａの柱梁構造に亀裂が生じた状態を示す側面図である。また、図２Ｂは、図２Ａを斜め上から見た斜視図である。

図１のように梁２０のウェブ２２にスカラップ２６を形成した場合、フランジ２４におけるスカラップ２６の端部の位置に応力が集中しやすくなる。このような応力集中により、図２Ａ，図２Ｂの破線で囲んだ部分に示すように、上下のフランジ２４に亀裂が生じるおそれがある。

そこで本実施形態では、梁２０のスカラップ形成部位周辺を補強することにより亀裂の発生を抑制するようにしている。

＝＝＝第１実施形態＝＝＝
本実施形態の補強構造について説明する前に、参考例について説明する。

≪参考例の補強構造≫
図３は、参考例における柱梁接合の補強構造について説明するための側面図である。図３では、柱１０と梁２０（梁２０の上側のフランジ２４）との接合部を拡大して示している。

この参考例では、柱梁接合を補強する補強構造として補強部材４００を設けている。

補強部材４００は、ウェブ２２のスカラップ２６形成位置に設けられており、スカラップ２６を完全にふさいでいる。こうするように補強部材４００を設けることで、フランジ２４におけるスカラップ２６の端部の応力集中を防止し、亀裂が発生するのを抑制することができる。

しかし、このようにスカラップ２６の部位を完全にふさぐ補強部材４００を形成するには、形状が複雑になるため高い精度が求められる。これにより補強部材４００の作成に手間がかかるという問題がある。さらに、フランジ２４と柱１０（ダイアフラム１２）との接合形状が上下で異なるため、上側のフランジ２４と下側のフランジ２４で同じ補強部材４００が使えないという問題がある。具体的には、上側のフランジ２４の場合、図３に示すように、補強部材４００は裏当金３２と接している。このため、補強部材４００は、裏当金の外形に沿った形状に作成されている。これに対し、下側のフランジ２４の場合、補強部材４００は、溶接部３０と接することになる（図２Ａ参照）。よって、図３の補強部材４００を下側のフランジ２４の補強に用いることができず、梁２０の上側と下側で異なる補強部材を用意しなければならない。

≪第１実施形態の補強構造≫
図４Ａは、第１実施形態における柱梁接合の補強構造を示す側面図である。図４Ｂは図Ａを斜め上から見た斜視図であり、図４Ｃは図４Ａを斜め下から見た斜視図である。また、図５は、第１実施形態における柱梁接合部の拡大図である。

なお、前述した柱梁接合における構成と同一構成の部分には同一符号を付し説明を諸略する。

本実施形態では、スカラップ２６の形成部位を補強する補強部材として補強部材４０を備えており、参考例の補強部材４００と比べると形状が異なっている。

補強部材４０は、柱１０（ダイアフラム１２）と梁２０（フランジ２４）との接合部（溶接部３０あるいは裏当金３２）と、当該補強部材４０との間に空隙を形成する切欠部４２を有している。例えば、図５の場合、切欠部４２は裏当金３２と補強部材４０との間に空隙を形成している。また、ウェブ２２の下側のスカラップ２６を補強する補強部材４０の場合、切欠部４２は溶接部３０と補強部材４０との間に空隙を形成する（図４Ａ参照）。

本実施形態では切欠部４２は、ウェブ２２のスカラップ２６と同様の曲線形状（円弧状）に設けられている。また、第１実施形態の補強部材４０では、切欠部４２はスカラップ２６よりも若干小さくなるように形成されている。

このような補強部材４０をウェブ２２の側面、フランジ２４、柱１０にそれぞれ溶接して接合することで、柱梁接合部を補強することが出来、スカラップ２６による応力集中を抑制することができる。なお、補強部材４０は、必ずしもフランジ２４に接合（溶接）していなくてもよいが、フランジ２４にも接合すると、より確実に補強部材４０を梁２０に固定することができる。

また、切欠部４２は、裏当金３２や溶接部３０に密着させる必要がないので形状の精度を高める必要がなく、簡易に補強部材４０を作成することができる。なお、第１実施形態ではウェブ２２の両側面に補強部材４０を固設する。

＜解析モデルによる補強の評価＞
（解析モデル）
図６は、柱梁接合の解析モデルの説明図である。図中の数字は長さを示している。
また、柱と梁の断面条件は以下の通りである（単位ｍｍ）。
柱：□−４００×１６（柱パネル□−４００×２２）
梁：Ｈ−５００×２００×１２×２５

（補強部材）
板厚：ｔ１２（ウェブ両側面に配置、Ｒ２５の切欠付き）

（水準）
水準１：補強部材なし
水準２：補強部材あり（柱への溶接あり）
水準３：補強部材あり（柱への溶接なし）

（評価項目）
評価項目１：荷重Ｐ−変位δ関係
評価項目２：相当塑性ひずみ（変位δ＝１００ｍｍ）

（評価結果）
図７Ａは荷重Ｐと変位δとの関係の解析結果を示す図である。図の横軸は変位量δ（ｍｍ）を示し、縦軸は荷重Ｐ（ｋＮ）を示している。図６のように梁の端部（柱との接合端と反対側の端部）に荷重Ｐをかけてそのときの変位δを算出した。また、図７Ｂは相当組成ひずみに関する有限要素法（ＦＥＭ）のコンター図である。

図７Ａに示すように、水準２、水準３では、水準１と比べて、或る荷重Ｐ（例えば５００ｋＮ）をかけたときの変位量が小さい。すなわち荷重Ｐのせん断力を加えても変形し難くなっていることがわかる。

また、図７Ｂに示すように各水準の相当塑性ひずみの最大値は、例えばδ＝１００ｍｍにおいて、
水準１：６.３７９％
水準２：４.８５０％
水準３：５.４１１％
となり水準２が最も小さい。また全体的に水準２、３とも水準１よりもひずみが小さくなっており、補強部材も設けることで梁（特にスカラップ底）に生じるひずみ集中が緩和されている。

これらの結果から、補強部材４０を設けることでスカラップ２６の形成部位周辺を補強できることがわかる。なお、補強部材４０は、柱１０に溶接しなくても補強の効果が得られるが、柱１０に溶接すると、さらに効果を高めることができる。

以上説明したように、本実施形態では、ウェブ２２にスカラップ２６が形成されたＨ形鋼の梁２０と、柱１０との柱梁接合部を補強する際に、補強部材４０で補強を行っている。補強部材４０は、梁２０のフランジ２４と柱１０との接合部（溶接部３０あるいは裏当金３２）と、当該補強部材４０との間に空隙を形成するための切欠部４２を有しており、この補強部材４０をスカラップ２６形成部位周辺のウェブ２２の側面及びフランジ２４に溶接により固設する。

こうすることにより、補強部材４０を作成する際に切欠部４２の形成精度を高める必要がない。よって、スカラップ２６をふさぐようにした参考例（図３）の場合と比べて、柱梁接合部の補強を簡易に行うことができる。

＜変形例＞
前述の実施形態では、柱１０と梁２０とを現場で溶接する現場溶接形であったが、この変形例では、柱１０と梁２０を予め工場にて溶接している。

図８Ａ及び図８Ｂは、第１実施形態の変形例の説明図である。

前述の第１実施形態（図４Ａ）と比べると、柱１０にガセットプレート１４、ボルト１６が設けられていない。また、梁２０のウェブ２２の幅方向の端は、工場において溶接により柱１０と接合されている。

なお、図８Ａの場合、上側のフランジ２４と柱１０との接合部の裏当金３２は接合部の下側に設けられており、下側のフランジ２４と柱１０との接合部の裏当金３２は接合部の上側に設けられている。つまり、上側のフランジ２４と柱１０との接合部では、図の上側から溶接が行われており(溶接部３０が上側に形成されており)、下側のフランジ２４と柱１０との接合部では図の下側から溶接が行なわれている（溶接部３０が下側に形成されている）。

図８Ｂの場合、裏当金３２が設けられていない。この場合、上側のフランジ２４と柱１０との接合部、及び、下側のフランジ２４と柱１０との接合部は、それぞれ、上側と下側から溶接を行っている（上側と下側のそれぞれに溶接部３０が形成されている）。

このような場合においても、前述の実施形態と同様に、スカラップ２６形成部位周辺に補強部材４０を設けることにより、亀裂の発生を抑制することができる。

＝＝＝第２実施形態＝＝＝
図９Ａは、第２実施形態における柱梁接合の補強構造を示す側面図である。図９Ｂは図９Ａを斜め上側から見た斜視図であり、図９Ｃは図９Ａを斜め下側から見た斜視図である。また、図１０は、第２実施形態における柱梁接合部の拡大図である。なお、第１実施形態（図４Ａ〜図４Ｃ、図５）と同一構成の部分には同一符号を付し説明を省略する。

第２実施形態では、スカラップ２６の形成部位周辺のウェブ２２及びフランジ２４に補強部材４０´を溶接して固設している。前述の実施形態１の補強部材４０は、スカラップ２６よりも若干小さな切欠部４２を有していたのに対し、補強部材４０´は、スカラップ２６よりも若干大きな切欠部４２´を有している。これにより、既存の裏当金３２や溶接部３０との干渉をより確実に防ぐようにすることができる。

また、この第２実施形態では、補強部材４０´の切欠部４２´側の端もウェブ２２に溶接により接合している。

図１１は、図１０のＡ−Ａ断面の状態を示す概念図である。図１１において斜線で示す部分は溶接箇所を示している。図に示すように、スカラップ２６よりも切欠部４２´の方が大きいので、補強部材４０´の外縁（図の上側の斜線部分）のみでなく、切欠部４２´側の端（図の下側の斜線部分）もウェブ２２に溶接することができる。こうすることによって、補強部材４０´をより確実にウェブ２２に接合することができる。

この第２実施形態においても、柱１０と梁２０との接合部に切欠部４２´を有する補強部材４０´を設けることにより、柱梁接合部の補強を簡易に行うことが出来る。

＝＝＝第３実施形態＝＝＝
前述の実施形態では、ウェブ２２の両側面に補強部材を設けていた。第３実施形態ではウェブ２２の一方の側面のみに補強部材を設けている。

図１２は、第３実施形態の柱梁接合部の断面の状態を示す概念図である。なお、図１２は、図５の構成において図１１に対応する位置の断面を示している。また、図１１と同様に斜線部分は溶接箇所を示している。

第３実施形態では、スカラップ２６よりも小さい切欠部４２が形成された補強部材（第１実施形態の補強部材４０）をウェブ２２の一方（図では右側）の側面のみに設けている。

このため、右側から補強部材４０の外縁とウェブ２２の側面とを溶接することができ（図の上側の斜線部分）、左側からウェブ２２のスカラップ２６側の端と補強部材４０とを溶接することができる（図の下側の斜線部分）。これにより、補強部材４０をより確実にウェブ２２に接合することができる。なお、ウェブ２２の反対側の側面（図の左側の側面）に補強部材４０を設けても良い。

また、第２実施形態（図１１）の補強部材４０´をウェブ２２の一方の側面に設けるようにしても良い。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

＜柱１０について＞
前述の実施形態では、柱１０として角型鋼管を用いていたがこれには限られない。例えば丸型の鋼管やＨ形鋼、その他の断面形状のものであってもよい。

また、ダイアフラム１２を介さずに柱１０と梁２０とを接合してもよい。その場合、ダイアフラムは鋼管の内部に設置してもよいし、あるいはダイアフラムを設けなくてもよい。

＜切欠部４２について＞
前述の実施形態では切欠部４２を、スカラップ２６と同様の円弧状に設けていたがこれには限られず、柱１０とフランジ２４との接合部と、補強部材４０との間に空隙を形成するものであればよい。例えば、補強部材４０の角部を直線状に切り欠いた形状であってもよい。

１０ 柱
１２ ダイアフラム
１４ ガセットプレート
１６ ボルト
２０ 梁
２２ ウェブ
２４ フランジ
２６ スカラップ
３０ 溶接部
３２ 裏当金
４０ 補強部材
４０´ 補強部材
４２ 切欠部
４２´ 切欠部
４００ 補強部材

Claims (7)

1. ウェブにスカラップが形成されたＨ形鋼の梁と、柱との柱梁接合部の補強構造であって、
   前記梁を補強する補強部材であって、前記梁のフランジと前記柱の接合部と、当該補強部材との間に空隙を形成するための切欠部を有する補強部材を、前記スカラップ形成部位周辺の前記ウェブの側面に固設した、
   ことを特徴とする柱梁接合部の補強構造。
2. 請求項１に記載の柱梁接合部の補強構造であって、
   前記補強部材を前記フランジに接合した
   ことを特徴とする柱梁接合部の補強構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の柱梁接合部の補強構造であって、
   前記補強部材を前記柱にも接合した
   ことを特徴とする柱梁接合部の補強構造。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の柱梁接合部の補強構造であって、
   前記切欠部は、前記スカラップよりも大きく形成されている
   ことを特徴とする柱梁接合部の補強構造。
5. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の柱梁接合部の補強構造であって、
   前記切欠部は、前記スカラップよりも小さく形成されている
   ことを特徴とする柱梁接合部の補強構造。
6. 請求項４に記載の柱梁接合部の補強構造であって、
   前記補強部材の前記切欠部側の端と前記ウェブとを溶接した
   ことを特徴とする柱梁接合部の補強構造。
7. 請求項５に記載の柱梁接合部の補強構造であって、
   前記補強部材は、前記ウェブの一方の側面に設けられており、前記一方の側面の側から前記補強部材の外縁と前記ウェブの前記一方の側面とを溶接し、他方の側面の側から前記ウェブの前記スカラップ側の端と前記補強部材とを溶接した
   ことを特徴とする柱梁接合部の補強構造。