JP6186624B2 - 柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱、及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、角形鋼管柱の柱頭部にノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアが設けられた柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱、及びその製造方法に関する。

柱に角形鋼管を用い梁にＨ形鋼を用いる建築構造物における柱梁接合部構造として、上下階の角形鋼管柱を別部材の柱梁接合部コアを介して溶接接合し、この柱梁接合部コアにＨ形鋼梁を溶接接合する構造がある。
この種の柱梁接合部コアは、梁に作用する曲げモーメント等の応力を柱に十分に伝達できる剛接合とするために、短尺の角形鋼管に補強としてダイアフラムを溶接固定した構造のものが一般に用いられる。
ダイアフラムを持つ柱梁接合部コアとして、短尺角形鋼管の両端面にダイアフラムを溶接固定した通しダイアフラム形式の柱梁接合部コアが広く採用されているが、剛性を確保できるように厚肉にしたダイアフラムなしの短尺厚肉角形鋼管、いわゆるノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアを用いる場合もある。柱梁接合部コアの短尺の角形鋼管自体をコア材と呼ぶ。
ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアの場合、柱梁接合部に要求される剛性として、梁端モーメントに対する柱の鋼管壁の面外変形耐力が考慮される。

図１に柱頭部に用いる柱梁接合部コアを示す。図１（イ）は通しダイアフラム形式の柱梁接合部コア１であり、短尺角形鋼管であるコア材１ａの上下両端面にダイアフラム１ｂ、１ｃを溶接固定している。図１（ロ）はノンダイアフラム形式の柱梁接合部コア２であり、短尺厚肉角形鋼管であるコア材２ａのみからなり、ダイアフラムを持たない。３は角形鋼管柱、４はＨ形鋼の梁である。Ｈ形鋼梁４の上側フランジを４ａ、下側フランジを４ｂで示す。
角形鋼管柱の柱頭部に柱梁接合部コアを設ける場合、通しダイアフラム形式の柱梁接合部コア１の場合とノンダイアフラム形式の柱梁接合部コア２の場合とで、設計方法が異なる。すなわち、通しダイアフラム形式の場合は、梁４の上下のフランジ４ａ、４ｂから作用する水平力をそれぞれ上下のダイアフラム１ｂ、１ｃが直接負担する（応力の伝達がダイアフラムを介して行なわれる）ので、通常の設計方法（柱頭部でない柱中間部の柱梁接合部コアの場合と同じ設計方法）で設計することができる。
しかし、ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コア２の場合、柱中間部の柱梁接合部コアでは、図２（イ）、（ロ）に示すように、梁の上下のフランジ４ａ、４ｂからそれぞれ作用する水平力に対する荷重負担は、柱梁接合部コアのみでなく下階柱３及び上階柱３’も利用した荷重負担となる場合が多く、上階柱３’のない図２（ハ）、（ニ）のような柱頭部の柱梁接合部コアでは、面外変形耐力が低下する。そこで、柱梁接合部コア２の上端面に、コア材外径より若干小径の補強板５を隅肉溶接で固定して、この補強板５が上階柱がない分の面外変形耐力低下を負担する方法が一般に採用されている。なお、補強板５は、柱梁接合部コア２に溶融亜鉛めっきを施さない場合には、孔をあけない単なる正方形の板材である。
図２（ロ）、（ニ）において、白抜き矢印は梁の上フランジ４ａ又は下フランジ４ｂからコア材２ａの管壁面に作用する荷重を示し、（イ）、（ハ）における破線は管壁面の正面から見た面外変形を模式的に示し、（ロ）、（ニ）における破線は管壁断面で見た面外変形状態を模式的に示す。

『建築工事標準仕様書JASS6 鉄骨工事:日本建築学会』、『鉄骨工事技術指針−工場製作編：日本建築学会』では、閉鎖形断面の鋼管、角形鋼管、溶接組立箱形断面材の内部にダイアフラムやエンドプレートを取り付けて溶融亜鉛めっきする場合には、亜鉛流出入および空気抜き用の開口部を設けることが必要と記載されている。この際の開口部面積の合計は閉鎖形断面の断面積に対して１／３以上を確保することが望ましいとしている。具体例として通しダイアフラム形式の場合について記載された説明によれば、図３に示すように、ダイアフラム１ｂ、１ｃに設ける開口部として、ダイアフラムの中央に大きな円孔１ｄ、コア材（柱梁接合部コアの短尺角形鋼管）１ａの４箇所の内周角部の近傍に小さな円孔１ｅをあけたパターンが推奨されている。すなわち、１つの大きな円孔１ｄと４つの小さな円孔１ｅの合計面積を閉鎖形断面の断面積（コア材内空水平断面積）に対して１／３以上とする。図４は図３の通しダイアフラム形式の柱梁接合部コア１のみを簡潔に図示したもので、（イ）は平面図、（ロ）は断面図、（ハ）は底面図である。
上記鉄骨工事技術指針で具体例として記載された柱梁接合部コアは通しダイアフラム形式のものであるが、ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアに前述の補強板５を設ける場合も同様と考えると、図５（イ）に示すように、補強板５には、中央に大きな円孔５ｄ、コア材２ａの４箇所の内周角部の近傍にそれぞれ小さな円孔５ｅをあけることになる。図５の（ロ）、（ハ）は、図自体はそれぞれ図２の（ハ）、（ニ）と同じである。

ノンダイアフラム形式の柱頭部柱梁接合部コアに溶融亜鉛めっきを施す技術についての特許文献は特にないが、柱梁接合部コアとしての要求剛性に関する技術に関する特許文献として特開２０１０−２３６２０６がある。

特開２０１０−２３６２０６

補強板を両端面に持つ通しダイアフラム形式の柱梁接合部コアを溶融亜鉛めっきする場合に、上下ダイアフラムに亜鉛流出入および空気抜き用の開口部を前述した図３（図４）のようなパターンで設けたものでは、開口部面積が閉鎖形断面の断面積の１／３以上設けられていても、めっき槽から部材を引き上げる際に、四角形の補強板の隅角部に亜鉛が溜まり易く、完全に亜鉛を鋼管内部から抜き切ることが難しいという問題がある。

ノンダイアフラム形式の柱頭部用の柱梁接合部コア２の補強板５に図５（イ）のパターンで開口部５ｄ、５ｅを設けた場合には、次の問題もある。
すなわち、通しダイアフラム形式の柱梁接合部コア１のダイアフラム１ｂ、１ｃは、図１（イ）で説明したように、梁フランジ接合位置で梁フランジ４ａ、４ｂに直接接合されて、応力の伝達をなめらかにし柱梁接合部コア１の面外変形を拘束する部材であるのに対して、ノンダイアフラム形式の柱頭部柱梁接合部コア２の補強板５は、図１（ロ）、図２（ハ）、（ニ）で説明したように、梁フランジ接合位置より若干上に位置するコア材上端面に接合されて、上側に上階柱が接合されない耐力減少分を負担する部材であるから、補強板５に閉鎖断面の１／３以上有する面積の開口部を図５（イ）のようなパターンで設けてしまうと、柱梁接合部の耐力が著しく低下することが考えられる。

本発明は上記背景のもとになされたもので、ノンダイアフラム形式で補強板を有する柱頭部用の柱梁接合部コアを角形鋼管柱に溶接固定した柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱を溶融亜鉛めっきする際に、作業性が良好であり、かつ亜鉛が内部に溜まらずに良好な溶融亜鉛めっきを施すことが可能であり、また、補強板に所定広さの開口部を設けても柱梁接合部コアに要求される耐力を確保できる柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する請求項１の発明は、角形鋼管柱の柱頭部にノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアが設けられた構造で、かつ、溶融亜鉛めっき槽に浸漬して溶融亜鉛めっきが施された柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱であって、
前記柱梁接合部コアは、平面視の縦横比が１：１の短尺厚肉角形鋼管であるコア材の上端面に正方形の補強板が溶接接合された構造であり、前記補強板には、前記コア材の３ヶ所又は４ヶ所の内周角部近傍の付置にのみ円孔からなる開口部が設けられてなり、前記各円孔の面積の合計が前記コア材の内空水平断面積の１／３以上であることを特徴とする。

請求項２は、請求項１の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱において、角形鋼管柱の左右両側の管壁面に接合される２つの梁を少なくとも有する場合に、前記補強板に設けられる円孔は、補強板の中心を通り補強板の辺と平行な互いに直交する２つの中心線に関していずれも、大きさ及び位置が対称であることを特徴とする。
請求項３は、請求項１の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱において、角形鋼管柱の互いに直角な管壁面にそれぞれ接合される２つの梁のみを有する場合に、前記補強板に設けられる円孔は、２つの梁がなす角度の二等分線方向の補強板対角線に関して、大きさ及び位置が対称であることを特徴とする。

請求項４は、請求項１又は２の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱において、前記補強板は、板厚が前記コア材の外径の８％以上であることを特徴とする。

請求項５は、請求項１〜４のいずれか１項の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱において、 前記コア材は、板厚が当該コア材の下端面に接合される前記角形鋼管柱の板厚より４mm以上厚いことを特徴とする。

請求項６の発明は、 請求項１〜５のいずれか１項の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱を製造する柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱の製造方法であって、
一体の柱梁接合部コアと角形鋼管柱とを、補強板側を上側、角形鋼管柱下端を下側にした傾斜状態で溶融亜鉛めっき槽に浸漬し同じ傾斜状態で溶融亜鉛めっき槽から引き上げて溶融亜鉛めっきを施すことを特徴とする
る。

請求項１あるいは請求項６の発明によれば、開口部を持つ補強板を上端面に溶接固定した柱梁接合部コアの下端面に角形鋼管柱を溶接固定した状態で、すなわち柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱の状態で溶融亜鉛めっきを施すので、作業性よくかつ良好な溶融亜鉛めっきを施すことができる。
すなわち、補強板側（柱梁接合部コア側）を上側、角形鋼管柱下端を下側にした傾斜状態で溶融亜鉛めっき槽に入れた時、下側は長い角形鋼管柱ではあるが閉鎖はされておらず、一方、上側は補強板の開口部が空気抜き作用をするので、亜鉛が管内部に円滑に浸入して満たされる。また、同様な傾斜状態でめっき槽から引き上げた時は、補強板の開口部が管内への空気供給作用をして管内の亜鉛が勢いよく鋼管下端開口から抜け出るので、作業能率が向上するとともに、単なる筒である角形鋼管柱の下端部に亜鉛が溜まることがない。さらに、補強板の開口部から空気の流出入が円滑におこなわれるので、角形鋼管柱のめっき割れの発生を防ぐことができる。

また、補強板には、コア材の内周角部近傍の付置にのみ円孔からなる開口部が設けられており、補強板中央部には孔がないので、補強板周囲の隅肉溶接部から伝わる応力を補強板中央部を経て伝達させることができる。したがって、補強板が梁フランジから作用する水平力に対して負担可能な荷重は、補強板中央部に大きな円孔を設けた場合と比べてあまり低下せず、したがって、板厚を極端に厚くしなくても、補強板に柱中間部における上階柱の負担荷重と同程度の荷重を負担させることが可能となる。
これにより、コア材の例えば４ヶ所の内周角部の近傍にそれぞれ設けた円孔の面積の合計がコア材の内空水平断面積の１／３以上という合計面積の極めて広い開口部を設けても、ノンダイアフラム形式の柱頭部柱梁接合部に要求される耐力を確保することが可能となる。

請求項２によれば、角形鋼管柱の左右両側の管壁面に接合される２つの梁を少なくとも有する場合に、前記補強板に設けられる円孔が、補強板の中心を通り補強板の辺と平行な互いに直交する２つの中心線に関していずれも、大きさ及び位置が対称なので、梁からの荷重によって補強板に偏った応力が生じることは少なく、耐力を確保する上で良好である。また、めっき槽に浸漬して溶融亜鉛めっきする際に、亜鉛を均一に付着させるためにも好ましいと言える。
請求項３によれば、角形鋼管柱の互いに直角な管壁面にそれぞれ接合される２つの梁のみを有する場合に、前記補強板に設けられる円孔が、２つの梁がなす角度の二等分線方向の補強板対角線に関して、大きさ及び位置が対称なので、前記と同様、梁からの荷重によって補強板に偏った応力が生じることは少なく、耐力を確保する上で良好である。また、めっき槽に浸漬して溶融亜鉛めっきする際に、亜鉛を均一に付着させるためにも好ましいと言える。

請求項４のように、補強板の板厚ｔ’をコア材の外径の８％以上とすると、詳細は後述するが、開口部を設けた補強板を持つ柱梁接合部コアに対して、開口部を設けない所定板厚（標準板厚ｔ）の補強板を持つ柱梁接合部コアの耐力と同等の耐力を持たせることが可能となる。

コア材の板厚を請求項５のようにすれば、ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアとしての性能を確保できる。

柱頭部の柱梁接合部コアについて説明するもので、（イ）は通しダイアフラム形式である場合、（ロ）はノンダイアフラム形式である場合を示す。 ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアの荷重負担について説明するもので、（イ）、（ロ）は柱中間部用である場合、（ハ）、（ニ）は柱頭部用である場合を断面図を示す。 『鉄骨工事技術指針−工場製作編：日本建築学会』において、閉鎖形断面材の内部にダイアフラム等を取り付けて溶融亜鉛めっきする場合にダイアフラム等に開口部を設ける必要性の説明に用いられている図で、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）の拡大したＡ−Ａ断面図である。 図３に示された通しダイアフラム形式の柱梁接合部コアの構造を簡潔に示した図で、（イ）は平面図、（ロ）は縦断面図、（ハ）は底面図である。 ノンダイアフラム形式の柱頭部柱梁接合部コアの補強板に、図３（図４）に示されたパターンで開口部を設けた場合を示すもので、（イ）は平面図、（ロ）は図２（ハ）の転記、（ニ）は図２（ニ）の転記である。 補強板に図５（イ）の従来パターンの開口部を設けたノンダイアフラム形式の柱頭部柱梁接合部コアに角形鋼管柱を溶接固定した柱梁接合部コア付き角形鋼管柱の斜視図である（但し、四方に梁フランジを接合した状態で示している）。 本発明の一実施例の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱を示すもので、（イ）は平面図、（ロ）は正面図、（ハ）はＢ−Ｂ断面図である。 図７の柱頭部柱梁接合部コアに角形鋼管柱の斜視図である。 本発明において補強板に設ける複数の円孔の配置要領を説明するもので、（イ）は四方に梁を接合した中柱の場合（図７の（イ）と同じ）、（ロ）は三方向に梁を接合した側柱の場合、（ハ）は直角二方向に梁を接合した隅柱の場合、（ニ）は隅柱の場合の他の例、（ホ）は隅柱の場合のさらに他の例、（ヘ）は左右に梁を接合した側柱の場合を示す。 梁フランジから作用する水平力が補強板を介して伝達される状況を知るために、補強板及び梁フランジを１枚板に簡略化してＦＥＭ解析をして得られた力の流れを示す図であり、（イ）は孔なし補強板の場合、（ロ）は中央に大きな孔のある５つ孔の補強板の場合、（ハ）は本発明実施例の４つ孔の補強板の場合である。 本発明における柱頭部柱梁接合部コアの補強板の板厚に関して、柱頭部柱梁接合部コアが、上階に柱が接合されている場合と同等の耐力を確保することができる補強板の板厚ｔ’を求めるために行なったＦＥＭ解析について簡単に説明する図であり、（イ）はＦＥＭ解析のためにモデル化した柱梁接合部コアのメッシュ図、（ロ）は分析結果を示すグラフである。 柱頭部を模擬した平板において、孔なしの場合、４つ孔の場合（本願発明の補強板に対応する）、５つ孔の場合（従来の補強板に対応する）の３種類のパターンについて、ＦＥＭ解析により変位δｍｍと荷重とＰ(kN)の関係を調べた結果を示すグラフである。

以下、本発明の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱、及びその製造方法を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図７、図８に本発明の一実施例の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱１６の一実施例を示す。図７は柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱１６の平面図、（ロ）は（イ）の正面図、（ハ）は（イ）のＢ−Ｂ断面図、図８は柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱１６斜視図である。
この柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱１６は、中柱の場合であり、正方形の角形鋼管柱３の上端にノンダイアフラム形式の柱頭部用の柱梁接合部コア１２を溶接固定し、その４面にＨ形鋼梁と同一サイズのＨ形鋼からなる短尺の梁ブラケット４を溶接固定してなる。
前記柱梁接合部コア１２は、平面視の縦横比が１：１の短尺厚肉角形鋼管であるコア材１２ａの上端面に正方形の補強板１５が溶接接合された構造であり、前記補強板１５には、溶融亜鉛めっきを施す際の空気抜き用又は空気供給用として、前記コア材１２ａの各内周角部近傍の付置にそれぞれ円孔１５ｂを設けている。４つの円孔１５ｂの面積の合計面積は、日本建築学会・鉄骨工事技術指針の推奨に対応させて、コア材１２ａの内空水平断面積（コア材断面の内側輪郭が囲む面積）の１／３以上としている。
なお、前記４つの円孔１５ｂは、図７（イ）で補強板１５の中心を通り補強板１５の辺と平行な互いに直交する２つの中心線Ｓ_１、Ｓ_２に関していずれも、大きさ及び位置が対称に配置されている。したがって、図で左右の梁４の接合位置間の中間線（Ｓ_１）に関しても、図で上下の梁４の接合位置間の中間線（Ｓ_２）に関しても対称である。

実施例の角形鋼管柱３のサイズは、縦幅３００×横幅３００×板厚１９ｍｍである。コア材１２ａの板厚は２９ｍｍ、すなわちサイズは縦幅３００×横幅３００×板厚２９ｍｍである。なお、ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアの場合、一般的には板厚が角形鋼管柱の板厚より４ｍｍ以上厚い厚肉角形鋼管が用いられるが、この実施例ではさらに板厚を厚くしている。補強板１５の板厚は２２ｍｍである。したがって、コア材１２ａの内径（内法寸法）は３００−２９×２＝２４２ｍｍで、コア材内空水平断面積は２４２ｍｍ×２４２ｍｍ＝５８５６４ｍｍ^２である。
補強板１５に設ける円孔１５ｂの直径は例えば８０ｍｍとする。この場合、円孔１５ｂの面積は５０２４ｍｍ^２、４つの円孔１５ｂの合計面積は２００９６ｍｍ^２である。したがって、開口部の全面積のコア材内空水平断面積に対する割合は、２００９６／５８５６４＝０．３４となり、１／３より大となっている。
また、短尺のＨ形鋼梁である梁ブラケット４のサイズは、例えば４００×２００である。なお、図６、図８では、直交する二方向の内の一方向の２つの梁は成の低い梁として図示している。

この柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱１６は、例えば次のようにして製作する。
コア材の断面積（外輪郭断面積）より若干小サイズの正方形の補強板材に図７（イ）のように４つの円孔１５ｂをあける。そのあける位置は、前記コア材１２ａの内周角部近傍の付置である。コア材１２ａの内周を図７（イ）に破線１２ａ’で示す。
コア材１２ａの上側となる端面（上端面）に、前記４つの円孔１５ｂをあけた補強板１５を溶接固定して柱梁接合部コア１２を構成する。また、コア材１２ａの四方の管壁面に短尺のＨ形鋼である梁ブラケット４を溶接固定する。また、コア材１２ａの下側となる端面（下端面）に角形鋼管柱３の上端面を溶接固定する。なお、各図において、梁ブラケット４には、梁本体と継手プレートを介してボルト接合するための複数のボルト孔をあけているが、各図では省略した。
次いで、溶融亜鉛めっきを施す。その場合、柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱１６を、柱梁接合部コア１２の上端側すなわち補強板１５側が上側、角形鋼管柱３の下端が下側となる傾斜で、めっき槽に浸漬する。

この場合、開口部１５ｂを持つ補強板１５を上端面に溶接固定した柱梁接合部コア１２の下端面に角形鋼管柱３を溶接固定した状態で、すなわち柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱１６の状態で溶融亜鉛めっきを施すので、作業性よくかつ良好な溶融亜鉛めっきを施すことができる。
すなわち、補強板１５側（柱梁接合部コア１２側）を上側、角形鋼管柱３の下端を下側にした傾斜状態で溶融亜鉛めっき槽に入れた時、下側は長い角形鋼管柱ではあるが閉鎖はされておらず、一方、上側は補強板１５の開口部１５ｂが空気抜き作用をするので、亜鉛が管内部に円滑に浸入して満たされる。また、同様な傾斜状態でめっき槽から引き上げた時は、補強板１５の開口部１５ｂが管内への空気供給作用をして管内の亜鉛が勢いよく鋼管下端開口から抜け出るので、作業能率が向上するとともに、単なる筒である角形鋼管柱３の下端部に亜鉛が溜まることがない。
さらに、補強板の開口部から空気の流出入が円滑におこなわれるので、角形鋼管柱のめっき割れの発生を防ぐことができる。
また、補強板１５に設けられた４つの円孔１５ｂは、補強板１５の中心を通り補強板の辺と平行な互いに直交する２つの中心線Ｓ_１、Ｓ_２に関していずれも（中心線Ｓ_１に関しても、中心線Ｓ_２に関しても）、大きさ及び位置が対称であり、したがって、図７（イ）で左右の梁４の接合位置間の中間線（Ｓ_１）に関しても、図７（イ）で上下の梁４の接合位置間の中間線（Ｓ_２）に関しても対称なので、梁４からの荷重によって補強板１５に偏った応力が生じることは少なく、耐力を確保する上で良好である。また、めっき槽に浸漬して溶融亜鉛めっきする際に、亜鉛を均一に付着させるためにも好ましいと言える。

また、補強板１５に設けられる開口部が、コア材１２ａの４ヶ所の内周角部の近傍の円孔１５ｂとして形成されて中央部には孔がないので、補強板周囲の隅肉溶接部から伝わる応力を補強板中央部を経て伝達させることができる。
図１０は梁フランジから作用する水平力が補強板を介して伝達される状況を知るために、補強板及び梁フランジを図のような形状の１枚板に簡略化してＦＥＭ解析をして得られた力の流れを示すもので、（イ）は孔なしの補強板５’の場合、（ロ）は中央の大きな孔と角部近傍の４つの小さな孔のある５つ孔の補強板５、（ハ）は本発明の実施例であり中央部に孔はなく角部に４つの孔のある補強板１５の場合である。
図示の通り、（イ）の孔のない補強板５’は、梁から作用する水平力で生じた応力をそのまま伝達できる、（ロ）の中央部の大きな孔のある補強板５は、その中央部の大きな孔の存在で梁から作用する水平力で生じた応力を十分に伝達できない、（ハ）の中央部に孔のない補強板１５は、補強板中央部で応力を伝達できるので、梁から作用する水平力で生じた応力を良好に伝達できる、という様子が分かる。

前記の通り、中央部に孔のない補強板１５では、補強板周囲の隅肉溶接部から伝わる応力を補強板中央部を経て伝達させることができるので、コア材内空水平断面積の１／３以上という合計面積の広い開口部としても、補強板１５が梁フランジから作用する水平力に対して負担可能な荷重は、補強板中央部に大きな円孔を設けた場合と比べてあまり低下せず、したがって、板厚を極端に厚くしなくても、補強板１５に柱中間部における上階柱の負担荷重と同程度の荷重を負担させることが可能である。これにより、補強板にコア材内空水平断面積の１／３以上という合計面積の極めて広い開口部を設けても、ノンダイアフラム形式の柱頭部柱梁接合部に要求される耐力を確保することが可能となる。
このことについて、ＦＥＭ（有限要素法）による詳細な解析を行なって確認した結果を以下に述べる。
実験に基づいた学術論文によれば、柱頭部用の柱梁接合部コアとして、□３００×３００×２９の厚肉角形鋼管（コア材）に対して補強板の板厚を１２mmとすれば、上階に柱が接合されている場合と同等の耐力を有するとされている（『聲高他：厚肉角形鋼管部材を用いたノンダイアフラム形式の柱梁接合部の力学性能に関する実験研究その１〜２，本建築学会大会学術講演梗概集，Ｐ１０８９−１０９１，２０１１．８』参照）。
この実験研究を参考にして、図７（イ）のような開口部（円孔１５ｂ）を持つ補強板を溶接固定した□３００×３００×２９の厚肉角形鋼管を対象にしたＦＥＭによる解析を行った。ただし、実際のＦＥＭ解析は、厚肉角形鋼管に接合する梁がＨ形鋼梁自体ではなく、図１１（イ）に示すように左右に平板状梁（Ｈ形鋼梁の上フランジ相当）を厚肉角形鋼管に接合した構造として行なった。
その解析結果は図１１（ロ）のグラフに示す通りであり、板厚１２mmの補強板の場合、開口部を設けない場合(太い実線：ＰＬ−１２孔なし）の耐力Ｐｙ＝１４８４ｋＮに対して、図７（イ）のパターンで鋼管内空水平断面積の１／３の開口部を設けた場合(細い破線：ＰＬ−１２孔あり）の耐力Ｐｙは１２７６ｋＮであり、１４％程度低下している。
一方、補強板の板厚を２２mmとし前記と同じ図７（イ）のパターンで開口部を設けた場合(太い破線：ＰＬ−２２孔あり）の耐力Ｐｙは１４２３ｋＮであり、板厚１２mmの補強板について開口部を設けない場合の耐力（１４８４ｋＮ）とほぼ同等であった。
前記と同様なＦＥＭ解析により、厚肉角形鋼管の複数のサイズについて、開口部を設けない補強板を持つ柱梁接合部コアが上階に柱が接合されている場合と同等の耐力を確保できる補強板の板厚ｔ（このｔを標準板厚と呼ぶ）に対して、開口部を設けた補強板を持つ柱梁接合部コアが上階に柱が接合されている場合と同等の耐力を確保するために必要な補強板の板厚ｔ’を求めた。解析結果を表１に示す。

表１に示す通り、ＦＥＭ解析をした厚肉角形鋼管（コア材）の管径Ｄｍｍと板厚Ｔｍｍとの組合せは「Ｄ１５０、Ｔ１６．５」、「Ｄ１７５、Ｔ１７」、「Ｄ２００、Ｔ２２」、「Ｄ２５０、Ｔ２４」、「Ｄ３００、Ｔ２９」の５種のサイズである。
それらの各サイズについて、開口部を設けない補強板の場合は、その板厚ｔ（標準板厚ｔ）がそれぞれ６ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍであれば、上階に柱が接合されている場合と同等の耐力を有し、開口部を設けた補強板の場合は、板厚ｔ’がそれぞれ１２ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、１６ｍｍ、２２ｍｍであれば、上階に柱が接合されている場合と同等の耐力を有するという解析結果が得られた。
したがって、補強板に開口部を設けた場合に最低限必要とする板厚ｔ’と厚肉角形鋼管径Ｄとの比ｔ’／Ｄは、それぞれ１２／１５０（＝８．０％）、１２／１７５（＝６．９％）、１６／２００（＝８．０％）、１６／２５０（＝６．４％）、２２／３００（＝７．３％）である。
この結果から、補強板に閉鎖形断面の断面積（コア材内空水平断面積）の１／３という広い開口部を設けても、補強板の板厚ｔ’と厚肉角形鋼管径Ｄとの比ｔ’／Ｄを８％以上（ｔ’／Ｄ≧８％）とすれば、その補強板を持つ柱頭部用の柱梁接合部コアは、上階に柱が接合されている場合と同等の耐力を有すると言うことができる。
なお、上記のＦＥＭ解析結果は、前記の通り左右に梁が接合されている側柱の場合について解析したものであるが、補強板が孔なし標準板厚ｔの場合と孔あり板厚ｔ’の場合との対比結果であるから、四方に梁が接合された中柱の場合でも、補強板が孔なし標準板厚ｔの場合と孔あり板厚ｔ’の場合との対比は同様であると言える。詳細は省略するが、三方に梁が接合された隅柱の場合も同様である。

図１２は柱頭部を模擬した平板として、孔なしの場合、４つ孔の場合（本願発明の補強板に対応する）、５つ孔の場合（従来の補強板に対応する）の３種類のパターンについて、ＦＥＭ解析により変位δｍｍと荷重とＰ(kN)の関係を調べた結果を示す。
図示の通りであり、孔なしの場合（実線）が大きな荷重に耐えられことは当然であるが、４つ孔の場合（破線）は、５つ孔の場合（１点鎖線）と比較してより大きな荷重に耐えることが分かる。

図９に開口部として補強板１５に設ける円孔１５ｂの配置の種々のパターンを示す。
（イ）は角形鋼管柱３の四方の面に梁（梁ブラケット）４が接合された中柱の場合であり、前述した図７、図８のものである。
（ロ）は角形鋼管柱３の左右両側の面とこれと直角な面との三方の面に梁４が接合されたた側柱の場合であり、補強板１５に設けられる４つの円孔１５ｂは、補強板１５の中心を通り補強板１５の辺と平行な互いに直交する２つの中心線Ｓ_１、Ｓ_２に関していずれも（中心線Ｓ_１に関しても、中心線Ｓ_２に関しても）、大きさ及び位置が対称である。
（ハ）、（ニ）、（ホ）は角形鋼管柱３の互いに直角な２つの面に梁４が接合された隅柱の場合であり、２つの梁４がなす角度の二等分線方向の補強板対角線Ｓに関して、大きさ及び位置が対称である。
前記（ハ）は前記補強板対角線Ｓと直交する方向の内周角部近傍の２つの円孔１５ｂと、前記補強板対角線Ｓ上の内周角部近傍の２つの円孔１５ｂとを有するが、前記補強板対角線Ｓに関して対称である。
前記（ニ）は前記補強板対角線Ｓと直交する方向の内周角部近傍の２つの円孔１５ｂと、前記補強板対角線Ｓ上で外側の内周角部近傍の１つの大きな円孔１５ｂとを有するが、前記補強板対角線Ｓに関して対称である。なお、前記３つの円孔のサイズを等しくし、その合計面積が前記と同等になるようにしてもよい。
前記（ホ）は前記補強板対角線Ｓと直交する方向の内周角部近傍の２つの円孔１５ｂと、前記補強板対角線Ｓ上で内側の内周角部近傍の１つの大きな円孔１５ｂとを有するが、前記補強板対角線Ｓに関して対称である。
（ヘ）は角形鋼管柱３の左右両側の面にのみ梁４が接合されている場合であり、補強板１５に設けられている４つの円孔１５ｂは、補強板１５の中心を通り補強板１５の辺と平行な互いに直交する２つの中心線Ｓ_１、Ｓ_２に関していずれも、大きさ及び位置が対称である。
なお、複数の円孔を対称軸Ｓに関して対称に配置させるパターンは上記以外にも種々のパターンを採用することができる。

３ 角形鋼管柱（下階柱）、
３’上階柱
４ 梁ブラケット（Ｈ形鋼梁）
４ａ 上側フランジ
４ｂ 下側フランジ
１２ （ノンダイアフラム形式の）柱梁接合部コア
１２ａ コア材
１２ａ’ コア材の内周
１５ 補強板
１５ｂ 円孔（開口部）
１６ 柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱
Ｓ_１、Ｓ_２ 補強板の中心を通り補強板の辺と平行な互いに直交する２つの中心線
Ｓ ２つの梁がなす角度の二等分線方向の補強板対角線

Claims (6)

1. 角形鋼管柱の柱頭部にノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアが設けられた構造で、かつ、溶融亜鉛めっき槽に浸漬して溶融亜鉛めっきが施された柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱であって、
   前記柱梁接合部コアは、平面視の縦横比が１：１の短尺厚肉角形鋼管であるコア材の上端面に正方形の補強板が溶接接合された構造であり、前記補強板には、前記コア材の３ヶ所又は４ヶ所の内周角部近傍の付置にのみ円孔からなる開口部が設けられてなり、前記各円孔の面積の合計が前記コア材の内空水平断面積の１／３以上であることを特徴とする柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱。
2. 角形鋼管柱の左右両側の管壁面に接合される２つの梁を少なくとも有する場合に、前記補強板に設けられる円孔は、補強板の中心を通り補強板の辺と平行な互いに直交する２つの中心線に関していずれも、大きさ及び位置が対称であることを特徴とする請求項１記載の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱。
3. 角形鋼管柱の互いに直角な管壁面にそれぞれ接合される２つの梁のみを有する場合に、前記補強板に設けられる円孔は、２つの梁がなす角度の二等分線方向の補強板対角線に関して、大きさ及び位置が対称であることを特徴とする請求項１記載の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱。
4. 前記補強板は、板厚が前記コア材の外径の８％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱。
5. 前記コア材は、板厚が当該コア材の下端面に接合される前記角形鋼管柱の板厚より４ｍｍ以上厚いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱。
6. 請求項１〜５のいずれか１項の柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱を製造する柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱の製造方法であって、
   一体の柱梁接合部コアと角形鋼管柱とを、補強板側を上側、角形鋼管柱下端を下側にした傾斜状態で溶融亜鉛めっき槽に浸漬し同じ傾斜状態で溶融亜鉛めっき槽から引き上げて溶融亜鉛めっきを施すことを特徴とする柱頭部柱梁接合部コア付き角形鋼管柱の製造方法。

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