JP6885370B2 - 鉄骨梁及び該鉄骨梁を用いた柱梁接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨梁及び該鉄骨梁を用いた柱梁接合構造に関する。

近年、建物の大型化や大空間化に伴い、梁長さが長くなる傾向にあり、同時に梁のたわみを防止する（剛性を高める）ために梁せいが大きくなる傾向にもある。さらに、剛性への寄与が小さい梁ウェブの厚みは、鋼材量を低減するためになるべく薄い方がよく、結果として大断面かつ梁ウェブが薄肉のＨ形断面梁が用いられるようになっている。

このような大断面薄肉梁ウェブのＨ形断面梁においては、梁ウェブの幅厚比が大きくなることで、地震時に生じる曲げやせん断力によって局部座屈現象が生じやすくなる。特に曲げモーメントが大きくなる柱に近い梁端近傍では、梁中央と比較して局部座屈が進行しやすく、局部座屈によって必要な梁の変形性能が得られないといった課題がある。

このような課題を解決するため、梁端部における梁ウェブの局部座屈を防止する方法として、例えば特許文献１で提案されているようにＨ形断面梁２１の梁ウェブ２３に直交する横スチフナ２５を設置する方法（図６参照）や、特許文献２で提案されている梁ウェブ２３に直交する縦スチフナ２７を複数設置する方法（図７参照）や、あるいは特許文献３で提案されている縦スチフナ２７と横スチフナ２５を組合せて設置される方法（図８参照）などがある。
これらの方法はいずれもスチフナが梁ウェブに溶接にて接合されており、これによって、梁ウェブの幅厚比あるいは境界条件をコントロールして、座屈を生じにくくすることを目的としている。

特開２０１６−２３４１７号公報 特開２０１１−２０８４３４号公報 特開２０１４−５１８２２号公報

しかし、従来のいずれの方法においても、梁ウェブの座屈を補剛するためのスチフナは、全て梁ウェブに溶接されており、溶接のための工数が多く、コストが高く、さらには溶接熱の影響による梁ウェブの曲りや反りを防止するための手間も生じるという問題がある。
また、スチフナ等の座屈補剛材が梁ウェブと接合されることにより、梁ウェブに生じる曲げモーメントやせん断力の一部が座屈補剛材に伝達するため、梁ウェブの面外変形に伴う面外力以外の力によって座屈補剛材が損傷する可能性があるという問題もある。

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、溶接コストや工数の増加、梁ウェブの曲りや反りの発生を防止し、かつ梁ウェブの面外変形による局部座屈を防止することが可能な鉄骨梁及び該鉄骨梁を用いた柱梁接合構造を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る鉄骨梁は、柱に取りつくＨ形断面の鉄骨梁であって、
梁端部に配設された縦スチフナを有し、該縦スチフナの上下端部が上下の梁フランジに接合され、かつ該縦スチフナは梁ウェブとは当接又は近接しつつも接合されていない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、前記縦スチフナの上下端部が前記上下の梁フランジと溶接接合されてい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、前記縦スチフナの座屈を補剛する座屈補剛材を有し、該座屈補剛材は前記縦スチフナに接合され、前記梁ウェブには接合されていないことを特徴とするものである。

（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記座屈補剛材が、前記縦スチフナと交差方向で、かつ前記梁ウェブに当接又は近接して配置された横スチフナであることを特徴とするものである。

（５）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記座屈補剛材が、前記梁ウェブと材軸方向に平行でかつ当接又は近接して配設された面材であることを特徴とするものである。

（６）また、上記（３）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記縦スチフナを複数有し、前記座屈補剛材が隣り合う前記縦スチフナ間に亘るように設けられていることを特徴とするものである。

（７）また、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載のものにおいて、梁端部に最も近い縦スチフナは、前記梁端部から梁せいの1/2以下の距離に配置されていることを特徴とするものである。

（８）また、上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のものにおいて、前記縦スチフナを複数有し、隣り合う縦スチフナ間の間隔が、梁せいの1/2以下の距離に設定されていることを特徴とするものである。

（９）本発明に係る柱梁接合構造は、（１）乃至（８）のいずれかに記載の鉄骨梁が柱に接合されていることを特徴とするものである。

本発明の鉄骨梁は、梁端部に配設された縦スチフナを有し、該縦スチフナの上下端部が上下の梁フランジに接合され、かつ該縦スチフナは梁ウェブとは当接又は近接しつつも接合されていないことにより、梁ウェブの面外変形を抑制できる。
また、縦スチフナは梁ウェブに接合されていないので、梁ウェブに生じる曲げやせん断力による変形が縦スチフナに伝達しないため、縦スチフナのねじりといった変形が防止でき、梁ウェブの面外変形による力に対して、安定した座屈拘束効果が発揮できる。
さらに、梁ウェブと縦スチフナの溶接量および工数を削減することができ、また、梁ウェブと縦スチフナが溶接されないため、溶接熱による梁ウェブの曲りや反りなどを防止することができ、曲りや反りの矯正に要する工数やコストも削減できる。

本発明の一実施の形態の鉄骨梁の説明図であり、側面図（図１（ａ））と図１（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図（図１（ｂ））である。 本発明の一実施の形態の鉄骨梁の作用効果を説明する図である。 図２の矢視断面図であり、図３（ａ）は図２（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図、図３（ｂ）は図２（ｂ）の矢視Ｃ−Ｃ断面図、図３（ｃ）は図２（ｃ）の矢視Ｄ−Ｄ断面図である。 本発明の他の実施の形態の鉄骨梁の説明図であり、側面図（図４（ａ））と図４（ａ）の矢視Ｅ−Ｅ断面図（図４（ｂ））である。 本発明の他の実施の形態の鉄骨梁の説明図であり、側面図（図５（ａ））と図５（ａ）の矢視Ｆ−Ｆ断面図（図５（ｂ））である。 従来例の鉄骨梁の説明図であり、側面図（図６（ａ））と図６（ａ）の矢視Ｇ−Ｇ断面図（図６（ｂ））である（その１）。 従来例の鉄骨梁の説明図であり、側面図（図７（ａ））と図７（ａ）の矢視Ｈ−Ｈ断面図（図７（ｂ））である（その２）。 従来例の鉄骨梁の説明図であり、側面図（図８（ａ））と図８（ａ）の矢視Ｉ−Ｉ断面図（図８（ｂ））である（その３）。

［実施の形態１］
本発明の一実施の形態に係る鉄骨梁１は、図１に示すように、梁上フランジ３、梁下フランジ５及びこれらを接続する梁ウェブ７からなるＨ形断面を有し、端部が柱９に取り付くものであって、梁端部に梁長手方向と直交するように梁上フランジ３と梁下フランジ５の間に配設された縦スチフナ１１を有している。
そして、縦スチフナ１１の上端部及び下端部がそれぞれ梁上フランジ３及び梁下フランジ５に接合され、かつ縦スチフナ１１は梁ウェブ７とは当接又は近接しつつも接合されていないことを特徴とするものである。

縦スチフナ１１と梁上フランジ３及び梁下フランジ５との接合は、溶接接合するのが一般的であるが、これに限定されるものではない。例えば、エンドプレートを介したボルト接合とすることも可能である。
また、縦スチフナ１１と梁上フランジ３及び梁下フランジ５との接合は、予め工場で行うのが好ましい。

縦スチフナ１１は梁ウェブ７に当接又は近接して配置されるが、近接配置する場合の梁ウェブ７とのクリアランスは小さい方が望ましい。具体的には、梁の製造誤差等を考慮して3.0mm以下が望ましく、さらには梁ウェブの耐座屈性能に与える影響が小さい初期不整の範囲と同程度として、0.2mm以下がより望ましい。

鉄骨梁１には上部の積載荷重や地震時の水平荷重によって、曲げモーメントやせん断力が発生し、幅厚比が大きくなるにしたがって、梁ウェブ７が面外方向（図１（ａ）では紙面直交方向、図１（ｂ）では左右方向）にはらみ出す変形を生じやすくなる。
本実施の形態の鉄骨梁１では、縦スチフナ１１と梁ウェブ７が接合されていないため、梁ウェブ７の幅厚比や境界条件は変わらず、面外変形が生じる荷重条件は縦スチフナ１１を有していない鉄骨梁と変わらない。
しかしながら、本実施の形態では、縦スチフナ１１が梁ウェブ７に当接又は近接配置されているので、梁ウェブ７の面外変形が生じ始めると、梁ウェブ７と縦スチフナ１１の接触により、面外力が縦スチフナ１１に伝達され、これに抵抗することによって面外変形を抑制できる。
そのため、縦スチフナ１１は、梁ウェブ７の面外変形を拘束するのに十分な厚みと高さ（曲げ剛性）を有している。

なお、梁端部（柱面）に最も近い縦スチフナ１１は、梁端部から梁せいの1/2以下の距離に配置されているのが好ましい。
また、縦スチフナ１１を複数設ける場合には、隣り合う縦スチフナ間の間隔が、梁せいの1/2以下の距離に設定されていることが好ましい。
この理由は、以下の通りである。
梁ウェブに純せん断力が作用する場合は、45度方向に座屈が発生し、曲げモーメントの影響が大きくなるほど、その角度が小さくなり、梁端部に近づく傾向にある。よって、縦スチフナが効果的に面外座屈を抑えるためには、座屈の中心に近い位置に配置することが望ましく、梁せいの1/2以下とするのが好ましい。

次に、本実施の形態の鉄骨梁１の作用について、図２及び図３に基づいて説明する。
図２、図３は、座屈拘束をしていないＨ形断面梁２１（図２（ａ）、図３（ａ））と、Ｈ形断面梁２１に縦スチフナ２７を梁ウェブ２３に溶接したもの（図２（ｂ）、図３（ｂ））と、本発明の実施の形態１の鉄骨梁１（図２（ｃ）、図３（ｃ））について、それぞれの応力伝達（図中の矢印）と面外変形（図中のグレーの楕円）を模式的に示したもの（図２）及び各図の断面方向の変形を示したもの（図３）である。

座屈拘束をしていないＨ形断面梁２１では、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、せん断が卓越する短い梁では、概ね45度方向に大きな面外変形が生じる。
なお、梁長さが長くなると、曲げモーメントが支配的になるため、面外変形は45度より小さく、紙面縦方向に近づく傾向がある。

これに対し、図２（ｂ）に示すように、Ｈ形断面梁２１に縦スチフナ２７を梁ウェブ２３に溶接して設置したものでは、梁ウェブ２３が上下の梁フランジに加えて、柱９と縦スチフナ２７、あるいは隣り合う縦スチフナ２７によって上下左右が拘束される形となり梁材軸方向の幅厚比が小さい矩形の板状に分割される。これにより、梁ウェブ２３の面外変形が抑制され、曲げによる応力の高い梁フランジ近傍、あるいは柱９から最も遠い縦スチフナ２７より梁中央側に座屈発生領域を移行させることができ、変形性能を高めることが可能となる。

一方で、縦スチフナ２７と梁ウェブ２３は溶接接合されているため、梁ウェブ２３に生じる面内および面外応力が縦スチフナ２７に伝達される（図２（ｂ）、図３（ｂ）参照）。
これにより縦スチフナ２７には強軸・弱軸方向に３次元的な応力が発生し、ねじり現象が生じるため、荷重条件によっては、梁ウェブ２３の面外変形の拘束効果が低下する可能性がある。

これに対して、本実施の形態の鉄骨梁１においては、縦スチフナ１１が梁ウェブ７と接合されていないため、梁ウェブ７の面外変形は、座屈拘束をしていないＨ形断面梁２１と同様に、斜め方向に生じようとする（図２（ｃ）参照）。
しかしながら、面外変形が生じようとすると縦スチフナ１１と梁ウェブ７が接触することにより縦スチフナ１１近傍の面外変形が拘束され、結果として、幅厚比の小さい縦スチフナ１１で分割された範囲に変形を留めることが可能となる（図３（ｃ）参照）。また、縦スチフナ１１と梁ウェブ７が溶接接合されていないので、梁ウェブ７に生じるせん断や曲げによる応力が縦スチフナ１１に伝達することは無い。このため、縦スチフナ１１にはねじりが生じず、上下の梁フランジ間で安定した形状を保つことができる。

以上のように、本実施の形態の鉄骨梁１によれば、溶接コストや工数増加、梁ウェブ７の曲りや反りの発生を防止し、かつ梁ウェブ７の面外変形による局部座屈を防止することができる。
また、梁ウェブ７に生じる曲げやせん断力による変形が縦スチフナ１１に伝達しないため、縦スチフナ１１のねじりといった変形が防止でき、梁ウェブ７の面外変形による力に対して、安定した座屈拘束効果が発揮できる。

［実施の形態２］
本実施の形態に係る鉄骨梁１３を図４に基づいて説明する。なお、図４において、実施の形態１を示した図１と同一部分には同一の符号を付している。
本実施の形態の鉄骨梁１３は、梁ウェブ７の面外変形を防止する機能と、縦スチフナ１１の座屈を補剛する座屈補剛材としての機能を有する横スチフナ１５を設けたものである。
横スチフナ１５は、縦スチフナ１１に直交し、かつ梁ウェブ７に当接又は近接するように配置されている。また、梁端部に最も近い縦スチフナ１１については、縦スチフナ１１と柱９との間に設けられ、隣に縦スチフナ１１がある場合には、隣り合う縦スチフナ１１に亘るように設けられている。
この横スチフナ１５は、梁ウェブ７と近接しているが梁ウェブ７には溶接されておらず、縦スチフナ１１あるいは柱９とのみ溶接にて接合されている。
なお、横スチフナ１５を梁ウェブ７に近接させる場合の横スチフナ１５と梁ウェブ７とのクリアランスは、前述した縦スチフナ１１と梁ウェブ７とのクリアランスと同程度にするのが望ましい。

ここで、せん断力が支配的な梁を想定すると、梁ウェブ７の面外変形はおおよそ斜め45度方向に生じることとなるため、横スチフナ１５を面外変形が卓越すると思われる位置に配置している。これにより、縦スチフナ１１のみでは抑えきれない面外変形が生じた場合も、横スチフナ１５によって同様の面外変形を抑制することが可能となり、面外拘束力はより高まる。

さらに、梁せいが大きい場合には、縦スチフナ１１が細長くなることで、縦スチフナ１１自体が梁フランジからの軸応力によって面外（弱軸）方向に座屈する可能性もあるが、適切な間隔で横スチフナ１５を設置することにより、縦スチフナ１１の座屈を防止する補剛材としての機能も有している。
なお、縦スチフナ１１と横スチフナ１５で構成される格子状のスチフナ群を予め製作し、このスチフナ群を梁フランジ３あるいは柱９に設置するようにすれば、縦スチフナ間隔の調整が簡易となるという効果が得られる。

上記の実施の形態は、一つの事例であり、例えば縦スチフナ１１や横スチフナ１５の本数や配置、板厚などは荷重条件によって適宜変わってもよい。
また、上記の例では、横スチフナ１５を縦スチフナ１１に直交するように設けているが、横スチフナ１５は必ずしも縦スチフナ１１に直交する必要はなく、縦スチフナ１１と交差するように配置されていればよく、さらには梁ウェブ７の座屈形状に応じて、縦スチフナに対して概略45度方向に配置されていても良い。
また、横スチフナ１５を梁ウェブ７に近接させないで、すなわち梁ウェブ７からある程度の距離を離して配置しても、縦スチフナ１１の座屈補剛材としては機能するので、このような態様でもよい。

［実施の形態３］
本実施の形態に係る鉄骨梁１７を図５に基づいて説明する。なお、図５において、実施の形態１を示した図１と同一部分には同一の符号を付している。
本実施の形態の鉄骨梁１７は、実施の形態２の横スチフナ１５に代えて面材１９を隣り合う縦スチフナ１１に亘るように設置したものである。面材１９は、横スチフナ１５と同様に梁ウェブ７と当接又は近接しているが梁ウェブ７には溶接されていない。
なお、面材１９は、縦スチフナ１１における最も梁ウェブ７に近い側に配設することにより、梁ウェブ７と近接させて梁ウェブ７との間のクリアランスを小さくすることが望ましい。
横スチフナ１５と比較すると、面材１９は梁ウェブ７の面外への変形を線ではなく面で抑えることが可能となるので、より面外変形拘束効果は高まる。

なお、上記の実施の形態は、一例であり、座屈補剛材に用いる面材１９は溝形鋼などを用いて縦リブと一体化した部材としてもよく、また長方形に限ったものではなく、梁ウェブ７の面外変形領域に応じた形状を有していてもよい。
また、実施の形態２と同様に、面材１９を梁ウェブ７に近接させる場合の面材１９と梁ウェブ７とのクリアランスは、前述した縦スチフナ１１と梁ウェブ７とのクリアランスと同程度にするのが望ましい。
もっとも、面材１９を梁ウェブ７に近接させないで配置しても、縦スチフナ１１の座屈補剛材としては機能するので、このような態様でもよい。

１ 鉄骨梁（実施の形態１）
３ 梁上フランジ
５ 梁下フランジ
７ 梁ウェブ
９ 柱
１１ 縦スチフナ
１３ 鉄骨梁（実施の形態２）
１５ 横スチフナ
１７ 鉄骨梁（実施の形態３）
１９ 面材
＜従来例＞
２１ Ｈ形断面梁
２３ 梁ウェブ
２５ 横スチフナ
２７ 縦スチフナ

Claims (9)

1. 端部が柱に取りつくＨ形断面の鉄骨梁であって、
   梁端部に配設された縦スチフナを有し、該縦スチフナの上下端部が上下の梁フランジに接合され、かつ該縦スチフナは梁ウェブとは当接又は近接しつつも接合されていないことを特徴とする鉄骨梁。
2. 前記縦スチフナの上下端部が前記上下の梁フランジと溶接接合されていることを特徴とする請求項１記載の鉄骨梁。
3. 前記縦スチフナの座屈を補剛する座屈補剛材を有し、該座屈補剛材は前記梁フランジに接合されることなく前記縦スチフナに接合され、前記梁ウェブには接合されていないことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄骨梁。
4. 前記座屈補剛材が、前記縦スチフナと交差方向で、かつ前記梁ウェブに当接又は近接して配置された横スチフナであることを特徴とする請求項３記載の鉄骨梁。
5. 前記座屈補剛材が、前記梁ウェブと材軸方向に平行でかつ当接又は近接して配設された面材であることを特徴とする請求項３記載の鉄骨梁。
6. 前記縦スチフナを複数有し、前記座屈補剛材が隣り合う前記縦スチフナ間に亘るように設けられていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の鉄骨梁。
7. 梁端部に最も近い縦スチフナは、前記梁端部から梁せいの1/2以下の距離に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の鉄骨梁。
8. 前記縦スチフナを複数有し、隣り合う縦スチフナ間の間隔が、梁せいの1/2以下の距離に設定されていることを特徴とする請求項1乃至７のいずれか一項に記載の鉄骨梁。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の鉄骨梁が柱に接合されていることを特徴とする柱梁接合構造。

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