JP6283839B2 - 大梁と小梁の剛接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に、柱・大梁・小梁から構成される鉄骨建築構造物において、大梁と小梁の接合を効率的な剛接合として小梁のサイズ（寸法）を低減させる技術に関するものである。ここで、大梁とは、鉄骨構造で柱に連結されて地震・風・床荷重等を負担する梁を言い、小梁とは柱と直接連結されず大梁に連結されて主に床荷重を支える梁をいう。剛接合とは、接合された部材の材軸の接合点における接続が相互になす角度が、外力を受けて骨組みが変形した後でも変化しない接合をいう。

通常、鉄骨構造物の柱に取付けて柱に対し剛接合となる大梁に、大梁と直角方向に小梁がピン接合で取り付けられる。小梁は床荷重を支えると共に大梁の横補剛として用いられることが多い。この小梁は大梁間のスパンが大きい場合に取り付けられるが、通常この小梁は大梁のフランジとウエブにガセットプレートを予め溶接接合しておき、このガセットプレートに小梁のウエブがボルト接合されている。この場合、構造的にはピン接合となっている。ここで、スパンとは、梁又は柱の中心間の距離をいう。

これに対して、大梁に小梁を取り付ける方法がいくつか提案されている。例えば、特願２００７−２２６３１に、大梁の上フランジの上に小梁の上フランジを載せ互いにすみ肉溶接で接合させる方法がある。また、特願２００１−８４２２７に大梁と小梁の接合部を高力ボルトによる剛接合とした鉄骨小梁の構造がある。他に、大梁と小梁の接合の構造が提案されているがいずれも大梁と小梁の上フランジのレベル（高さ）がほぼ同一である。

特願２００７−２２６３１ 特願２００１−８４２２７

図１に示すように、大梁側面と小梁端部はピン接合となっており、大梁と小梁の間で曲げモーメントを伝達することができないので、小梁の長さ方向中央部に曲げモーメントが集中して小梁の垂直方向の変形量が大きくなる。従って、一定床荷重の基ではピン接合の小梁は、端部で曲げモーメントを負担する剛接合の小梁よりも大きな小梁の部材を用いざるをえない。大梁と小梁の間でピン接合を行うと、ガセットプレートを大梁フランジとウエブに溶接接合させて用いるので、ガセット部材とそのボルト接合で、ボルト部材やガセット部材が多くなる。従って、ガセット部材取付けの作業及びボルト接合作業が多くなる。一方、図２及び図３に示すように、ガセットプレートを大梁フランジとウエブに溶接接合させて用いると、やはりガセット部材とそのボルト接合で、ボルト部材やガセット部材が多くなる。また、大梁フランジと小梁フランジの溶接による接合は溶接量が多い。しかも、現場溶接量が多い。また、小梁は大梁の間隔毎に長さが決められているので、その取付けの材料と作業量が多くなる。更に、図２及び図３に示すように、小梁の梁フランジを溶接接合してもウエブはピン接合になっており、小梁端部に掛かる曲げモーメントに対し、断面係数Ｚと断面２次モーメントＩが小梁の全断面に対して使用できず、十分な剛性を確保することが困難である。また、ガセット３を水平スティフナーが貫通しているので部材が多くて取り付ける手間が掛かるという問題がある。

小梁の変形・重量・取付材料・部品数・溶接量を低減するためには、次の構造的な改良を実施する必要がある。
１ 小梁端部フランジに対し大梁と剛接合とする。
２ 小梁同士のウエブを溶接等で剛接合とする。又は、小梁フランジ強度を上げて小梁全断面の断面係数を確保する。
３ 現場溶接量を減らす。
４ 大梁に取り付ける垂直ガセット部材を小さくし、且つ水平スティフナーで上下に分割された２部材を１部材に集約する。
５ 水平スティフナー部材を小さくする。

請求項１について説明する。本発明では鉄骨構造の大梁と小梁の剛接合方法において、次の構成要素から成り立っている。先ず、図４に示すように、Ｈ形鋼大梁１にＨ形鋼小梁２を取り付ける該大梁位置に、逆Ｌ字形の側面形状を有する垂直ガセット（スティフナー）３をその大梁上下フランジ５間とウエブ６Ｍに溶接で取り付ける。この垂直ガセット（スティフナー）の板厚は通常は小梁板厚以上とする。この溶接は通常すみ肉溶接で行うが板厚の大きい場合は垂直ガセット（スティフナー）３端部に開先加工を行なって溶接量を少なくする。また、該垂直ガセット３は通常小梁２のウエブ６の板厚以上とする。該垂直ガセット（スティフナー）３はその大梁上下フランジ５間を水平スティフナー７の上下で分割せずに一枚の鋼板で仕上げるのが本発明の特徴である。

第２に、図６に示すように、該垂直ガセット３を挟んで小梁下フランジ位置に図１０に示すＣ字形の水平スティフナー７を該垂直ガセットに挟んで該垂直ガセット及び大梁ウエブに溶接で取り付ける。Ｃ字形の水平スティフナー７の長さは大梁フランジ５のウエブ９を除いたフランジ幅の１／２程度であり、該Ｃ字形の水平スティフナー７の幅はこれに取り付けられる小梁フランジ幅より０〜５０ｍｍ程度大きくする。また、該Ｃ字形の水平スティフナー７の板厚は小梁フランジの１サイズアップ（３ｍｍ）以上が望ましい

第３に、該Ｃ字形の水平スティフナー７の端部と小梁２端部下フランジ５とを溶接接合させると共に、大梁１上フランジ５と小梁２端部上フランジ５とを溶接接合させることを特徴とする。このようにすれば垂直スティフナーを分割するか、又は、水平スティフナーを分割する必要がなく、部材数量が低減し製作工数とコストの低減になる。

請求項２は、請求項１に係る発明において、Ｃ字形の水平スティフナーの平面形状を四辺形又は台形の外径輪郭を有するものとするそして、図１０に示すように、このＣ字形の水平スティフナー７は平面図で中央にレーザ切断等で切り込みが設けられていてこの切り込み幅は該垂直ガセットの板厚よりも０．５〜３ｍｍ程度大きくとり、切り込みの深さは垂直ガセット板幅程度の深さに加工する。通常この垂直ガセット板幅は梁フランジ幅より１０ｍｍ程度小さく設定する。図１０（Ａ）はＣ字形の水平スティフナーの平面形状を四辺形としたもので、図１０（Ｂ）のＣ字形の水平スティフナー７は平面形状で台形をしており側面がテーパになっており、自身の材料使用量を少なくすることができ、大梁ウエブとの溶接量を減らすことができる。また、図１０（Ｃ）のＣ字形の水平スティフナー７は小梁フランジが取付けられる箇所より外側で同図（Ａ）（Ｂ）よりもそれぞれ幅広且つ小梁軸方向に５〜３０ｍｍほど長くして、この部分で溶接のエンドタブの効果を発揮できるようになっている。

請求項３は、請求項１又は２に係る発明において、図５に示すように、逆Ｌ字形の垂直ガセット３の先端に小梁溶接中心線上にボルト孔４を設け、逆Ｌ字形の垂直ガセット３端部と小梁ウエブ６とをボルト接合４Ｍさせ、且つ溶接接合させることを特徴とする構造である。このボルト接合は、小梁２を大梁１に取り付けるための建て方用仮ボルト接合用である。このボルト接合では小梁２に架かる床重量による剪断力受け持つには不十分である。
そこで、この仮ボルトにより小梁の組立が終われば逆Ｌ字形の垂直ガセット３端部と小梁ウエブ６とを通常はすみ肉溶接する。このすみ肉溶接はガセット３板側端部及び小梁ウエブ６端部側に対して行われる。このすみ肉溶接により床荷重の剪断力を負担させる。なお、垂直ガセット３の先端に小梁溶接中心線（中立線）上にボルト孔４を設けるのは、小梁に架かる床荷重による曲げモーメントに対して断面欠損にならないように設けたものである。

請求項４は、請求項１から３のいずれか１項に係る発明において、逆Ｌ字形の側面形状を有する垂直ガセット（スティフナー）の先端及び該先端に当接する小梁ウエブにそれぞれ３個以上のボルト孔を設け、該垂直ガセットと該小梁ウエブとをボルト接合させて、大梁と小梁を剛接合させることを特徴とする大梁と小梁の剛接合方法であり、建設現場における溶接の現場溶接及びその仮設を減らす方法である。図６に示すように、垂直ガセット（スティフナー）の先端及び該先端に当接する小梁ウエブにそれぞれ４個のボルトを縦に並べて打設している一例である。図６では、大梁５の横補剛が小梁せいだけでは不足する場合にカットティーハンチを大梁下フランジと小梁下フランジの間に設けている方式である。図７は、大梁５の横補剛が小梁せいだけでは不足する場合にカットティーハンチを大梁下フィレット部分と小梁下フランジの間に設けている方式である。この方式は、カットティーフランジを大梁ウエブに取り付けるより簡単で容易である。

請求項５は、請求項１から４のいずれか１項に係る発明において、図１１に示すように、大梁１と小梁２の溶接接合部から大梁間のスパンの２０分の１〜５分の１の寸法位置の小梁にボルト継手４Ｍを設けることを特徴とする大梁と小梁の剛接合方法である。この小梁同士のボルト継ぎ手の位置は正確には大梁間の小梁のモーメント分布によりモーメントがゼロになる位置を選ぶことが肝要である。この位置ならばモーメントゼロなので床荷重の剪断力のみを考慮すればよいと言うメリットがある。従って、小梁ウエブのみをボルト接合すれば良い。実際にこのモーメントゼロの位置が建物使用中に移動することが予想される場合は小梁フランジもスプライスを用いてボルト接合することが望ましい。請求項１〜４のいずれか１項において、このような小梁・小梁間の剛接合は請求項５を利用しない限り、建設現場における現場溶接が主体となる。請求項５に係る小梁同士のボルト継手を用いれば小梁・小梁間の剛接合は建設現場で行うことが可能になり、現場溶接に伴う現場での仮設や養生等の作業やコストが最小化される。

請求項５は、フィッシュボーン方式と言い、請求項１から４のいずれか１項に係る発明において、大梁と小梁の溶接接合部から大梁間のスパンの２０分の１〜５分の１の寸法位置の小梁にボルト継手を設けることを特徴とする大梁と小梁の剛接合方法であり、大梁側の小梁端部は工場で大梁に取り付けを行い、大梁側の小梁と中央側小梁は通常現場でボルト接合を行う。このボルト接合はピン接合となる。

本発明の効果については、上記の説明の中でも行っているが、要点を列挙すると次の通りである。
１ ピン接合の大梁・小梁接合部を用いる場合に比較して小梁の重量低減（１０〜３０％）が図れる。大梁の左右で小梁が剛接合と見なせるので、従来のピン接合と比較して、大きな強度と剛性がえられて、小梁の重量低減（１０〜３０％）が図れる。
２ ピン接合の大梁・小梁接合部を用いる場合に比較して、同じ梁せいの小梁で比較した場合、小梁の最大変形量（撓み）が１／５に低減及び最大応力度が２／３に低減する。大梁の左右で小梁が剛接合と見なせるので、従来のピン接合と比較して、小梁の最大変形量（撓み）が１／５に低減及び最大応力度が２／３に低減する。
３ ピン接合の大梁・小梁接合部を用いる場合に比較して、小梁を大梁に取付けるガセットとボルトが大幅に減少する。従来方式では、大梁にボルト穴付きガセットを取り付
けて、小梁とボルト接合している。
４ 従来の剛接合同士の比較でも、垂直ガセット及び水平スティフナーの部材数が半減する。その分鋼材費が節約できる。
５ 従来の剛接合同士の比較でも、小梁ウエブのボルト使用数が１／４程度になり、ボルト孔加工・ボルト材料費が低減できる
６ 従来の剛接合同士の比較でも、ボルト孔欠損が少ないので強度が高い。
７ フィッシュボーン方式は、連続小梁構造でもボルト接合で現場建て方ができるので、工期短縮と小梁低減と同時達成が可能になる

従来の大梁と小梁のピン接合図 従来の大梁と小梁の突合せ溶接接合図 従来の大梁と小梁のすみ肉溶接接合図（特願２００７−２２６３１） 大梁と小梁の本発明に係る剛接合図 小梁中心上に最少のボルト孔を設けてガセット先端と小梁ウエブを溶接接合させる説明図 ガセット先端と小梁ウエブを縦一列または複数列でボルト孔を開けて接合する例 ガセット先端と小梁ウエブを縦一列または複数列でボルト孔を開けて接合し、且つ、ｏｐ梁フランジと小梁フランジ下面をテーパ付きカットティーハンチを取り付けた例である。 連続小梁構造におけるガセット下部拡大による大梁下半分の横補剛強化説明図 水平スティフナーの 取付け状況図 Ｃ形水平スティフナーの平面図及びＣ形水平スティフナーの小梁下フランジとの溶接接合の平面図。（Ａ）矩形Ｃ形水平スティフナー、（Ｂ）テーパ形Ｃ形水平スティフナー、（Ｃ）Ｃ形水平スティフナーの小梁下フランジとの溶接接合の平面図。 本発明に係る連続小梁構造図の一例

実施例１
図５を基に、実施の施工を説明する。
工場製作において、大梁１の上下フランジ５とウエブ６で囲まれた空間にウエブせいまで一体となった垂直スティフナーを嵌め込みこれらとすみ肉溶接する。次に、該垂直ガセット３の切り込み部を垂直ガセットに差し込み垂直ガセットを挟んで、小梁下フランジ位置にＣ字形の水平スティフナー７を該垂直ガセット及び大梁ウエブに溶接で取り付ける。垂直ガセットの先端には小梁の中立軸上に通常は２個のボルト孔を事前に開けておく。
建設現場においては、隣接する大梁間に小梁を配置し予め小梁ウエブの中立軸上に開けておいたボルト孔と垂直ガセットのボルト孔とにボルトを通し、小梁を仮組立し、納まりが良ければ大梁フランジと小梁上フランジそして水平スティフナーと小梁下フランジを組立溶接して、鉄骨精度を確認した上でこの部分の本溶接を実施する。しかる後に、垂直ガセットと小梁ウエブとのすみ肉溶接を実施する。

本発明は、従来のピン接合小梁方式に比較して、部材・溶接量等が少なく且つ施工が容易であり、且つ発明の効果が大きく、また、本発明は、構造設計も従来方式の応用でできるので容易である。これらの理由で、産業上の利用可能性が高い。

１ 柱に接合される大梁
２ 大梁に接合される小梁
３ 垂直ガセットプレート
４ 高力ボルト
４Ｍ ボルト継手（ピン接合）
５ フランジ
６ ウエブ
６Ｂ 大梁ウエブ
７ 水平スティフナー（繋ぎ板）
７Ｍ 水平スティフナー切り込み口
８ フランジ同士の突合せ溶接
９ ガセットプレートと大梁との溶接
１０ 剛接合部
１０Ａ 水平スティフナー（繋ぎ板）と梁フランジとの溶接
１１ すみ肉溶接
１１Ｂ 突合せ溶接又は完全溶け込み溶接
１２カットティーハンチフランジ
１３カットティーハンチウエブ
１４カットティーハンチフランジと小梁フランジの溶接
１５カットティーハンチフランジと大梁フランジの溶接
１６カットティーハンチフランジと大梁フィレット部との溶接
１９ 柱
２０ コンクリート止め
２５ 組立溶接
２６ 裏当金
４０ カバープレート
４１ カバープレート小梁中央側溶接
４２ スティフナー
４３ 鋼製当て板溶接部
４４ 梁フランジ・ダイアフラム溶接部
４５ ダイアフラム
５０ ボルト継手
５３ 頭付きスタッド
５７ 床スラブ
５９ 地震力からもたらされる床スラブによる水平力

Claims (5)

1. 鉄骨構造において、Ｈ形鋼大梁にＨ形鋼小梁を取り付ける該大梁位置に、逆Ｌ字形の側面形状を有する垂直ガセット（スティフナー）をその大梁上下フランジ間と該大梁ウエブに溶接接合で取り付けて、該垂直ガセットを挟んで小梁下フランジ位置に平面形状でＣ字形の水平スティフナーを該垂直ガセット及び大梁ウエブに溶接接合で取り付け、該Ｃ字形の水平スティフナー端部と小梁端部下フランジとを溶接接合させると共に、大梁上フランジと小梁端部上フランジとを溶接接合させることを特徴とする大梁と小梁の剛接合方法。
2. 請求項１に係る発明において、Ｃ字形の水平スティフナーの平面形状を四辺形又は台形の外径輪郭とする大梁と小梁の剛接合方法。
3. 請求項１から２のいずれか１項に係る発明において、逆Ｌ字形の側面形状を有する垂直ガセット（スティフナー）の先端に小梁中立軸上にボルト孔を設け小梁端部ウエブに小梁中立軸上にボルト孔を設けて、該垂直ガセットと該小梁ウエブとをボルト接合させて、更に溶接接合させることを特徴とする大梁と小梁の剛接合方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に係る発明において、逆Ｌ字形の側面形状を有する垂直ガセット（スティフナー）の先端及び該先端に当接する小梁ウエブにそれぞれ３個以上のボルト孔を設け、該垂直ガセットと該小梁ウエブとをボルト接合させて、大梁と小梁を剛接合させることを特徴とする大梁と小梁の剛接合方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に係る発明において、大梁と小梁の溶接接合部から大梁間のスパンの２０分の１〜５分の１の寸法位置の小梁にボルト継手を設けることを特徴とする大梁と小梁の剛接合方法。