JP6891053B2 - 柱梁接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管柱と、Ｈ形鋼の鋼製梁との柱梁接合構造に関する。

従来から、鋼管柱と、Ｈ形鋼の鋼製梁との接合構造では、たとえば、鋼管柱に形成された一対のダイアフラムに鋼製梁のフランジが溶接されている。ここで、鋼製梁の梁成と、一対のダイアフラムの距離とが略同じ場合には、鋼製梁の両方のフランジを各ダイアフラムに溶接すればよいが、例えば、これらの鋼製梁のうち鋼製梁の梁成が、一対のダイアフラムの距離よりも小さい場合には、各ダイアフラムに、鋼製梁の各フランジを直接溶接することはできない。このような点を鑑みて、たとえば、特許文献１には、鋼管柱と鋼製梁とを接合した構造として、以下に示す柱梁接合構造が提案されている。

この柱梁接合構造では、鋼管柱に、上下に一対の通しダイアフラムが形成されており、下側通しダイアフラムには、鋼製梁の下側フランジが溶接されており、鋼製梁のウェブと上側フランジは、鋼製柱の側壁部に溶接されている。さらに、鋼管柱の上側通しダイアフラムと、鋼製梁の上側フランジには、板状の方杖材（ハンチ）が溶接されており、方杖材と鋼製梁の上側フランジとの間には、方杖用ウェブが溶接されている。さらに、方杖材と上側フランジとが接合された部分から外れた位置において、鋼製梁のウェブを挟むように、上下方向に延在した補強リブ（スティフナー）が配置されている。

この柱梁接合構造によれば、鋼管柱の上側ダイアフラムと、鋼製梁の上側フランジとの間に接合された方杖材と、方杖材と鋼製梁の上側フランジとの間とに接合された方杖用ウェブにより、鋼管柱と鋼製梁との接合強度を確保している。また、補強リブを、方杖材と上側フランジとが接合された部分から外れ位置に設けることにより、鋼製梁の強度を確保するとともに、方杖材と上側フランジとが接合された部分の応力集中を回避することができる。

特許第５６９０５３３号公報

しかしながら、特許文献１に示す柱梁接合構造では、確かに、方杖材と方杖用ウェブにより、方杖材の塑性変形を抑えることにより鋼管柱と鋼製梁との接合強度を確保しているが、方杖用リブは、その周縁に接触する鋼製梁の上側フランジと、方杖材と、鋼製柱の側壁部と、に溶接されている。このため、溶接時に、これらの部分に熱応力を受けやすいばかりでなく、これらを溶接した溶接部分の検査箇所も多くなる。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、鋼管柱と鋼製梁との溶接部分をこれまでよりも少なくすることにより、溶接時に作用する熱応力を低減するとともに、溶接部分の検査を低減することができる柱梁接合構造を提供することにある。

前記課題を鑑みて、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、補強リブを適正な位置に設けることにより、方杖用リブを省略しても、方杖材の塑性変形を抑えることができ、これにより、方杖用リブによる溶接部分を抑えることができると考えた。

本発明は、このような考えに基づくものであり、本発明に係る柱梁接合構造は、鋼管柱と、Ｈ形鋼の鋼製梁との柱梁接合構造であって、前記鋼管柱には、前記鋼管柱の側壁部から端部が突出するように、上下に一対の通しダイアフラムが形成されており、前記鋼製梁の梁成は、前記一対の通しダイアフラムの距離よりも小さく、前記一対の通しダイアフラムのうち、一方の通しダイアフラムには、前記鋼製梁の一方のフランジの端部が溶接されており、前記一対の通しダイアフラムの間の前記鋼管柱の前記側壁部には、前記鋼製梁の他方のフランジとそのウェブの端部が溶接されると共に、前記他方の通しダイアフラムと、前記他方のフランジとは、水平方向に対して傾斜するように配置された板状の方杖材を介して溶接され、前記鋼管柱と、前記鋼製梁と、前記方杖材とにより囲まれた空間は、貫通した空間になっており、前記方杖材の厚さを二等分する第１仮想平面と、前記他方のフランジの厚さを二等分する第２仮想平面と、が交差する位置から、前記一方のフランジに向かう上下方向に沿って、前記鋼製梁のウェブを挟むように一対の補強リブが形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、鋼管柱の他方の通しダイアフラムと、鋼製梁の他方のフランジとは、板状の方杖材を介して溶接されているため、鋼製梁からの荷重を方杖材で受けることができる。このとき、方杖材から鋼製梁への反力は、鋼製梁の他方のフランジに作用するが、この反力は、方杖材の厚さを二等分する第１仮想平面と、他方のフランジの厚さ方向に沿った断面において、他方のフランジの厚さを二等分する第２仮想平面と、が交差する位置から、一方のフランジに向かう上下方向に沿って、作用する。本発明では、この反力が作用する方向に沿って、一対の補強リブが延在しているので、方杖用リブを設けることなく、補強リブで、方杖材から鋼製梁への反力を受けることができる。このような結果、方杖用リブを設けた場合に比べて、鋼管柱と鋼製梁との溶接部分をより少なくすることにより、溶接時の熱応力を低減するとともに、溶接部分の検査を低減することができる。また、鋼管柱と、鋼製梁と、方杖材とにより囲まれた空間は貫通しているため、この空間を利用して、鋼管柱と鋼製梁との溶接部分の検査を簡単に行うことができる。

より好ましい態様としては、前記方杖材は、矩形状の板材であり、前記方杖材の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃは、０．５３以下である。ただし、_ｈλ_ｃ＝（_ｈＮ_ｙ／_ｈＮ_ｅ）^１／２であり、_ｈＮ_ｙは、_ｈＮ_ｙ＝Ｂ_ｈ・ｔ_ｈ・_ｈσ_ｙで表される方杖材の降伏限界耐力であり、Ｂ_ｈは、方杖材の幅であり、ｔ_ｈは、方杖材の厚さであり、_ｈσ_ｙは、方杖材の降伏応力度であり、_ｈＮ_ｅは、_ｈＮ_ｅ＝π^２・Ｅ・Ｉ_ｈ／_ｋｌ_ｃ ^２で表される方杖材の降伏曲げ座屈耐力であり、Ｅは、方杖材のヤング率であり、Ｉ_ｈは、方杖材の弱軸断面二次モーメントであり、_ｋｌ_ｃは、方杖材の座屈長さであり、方杖材の座屈長さは、方杖材の長さの２分の１である。

この態様によれば、後述する発明者らの解析結果からも明らかなように、方杖材の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃが、０．５３以下であれば、方杖材の座屈変形をより確実に抑えることができる。

さらに好ましい態様としては、前記鋼製梁の前記他方のフランジおよび前記ウェブと、前記鋼管柱の前記側壁部とは、隅肉溶接により溶接されている。この態様によれば、他方にフランジおよびウェブは、ダイアフラムが無い鋼管柱の側壁部に、隅肉溶接により溶接されているので、溶接部分の検査を外部から簡単に行うことができる。

さらに好ましい態様としては、前記補強リブは、略直角三角形状の板材からなり、前記補強リブの上下方向の高さは、前記鋼製梁の前記他方のフランジの幅の２分の１以上であり、前記鋼製梁の梁成の大きさの２分の１以下である。この態様によれば、補強リブの上下方向の高さは、鋼製梁の梁成の大きさの２分の１以下であっても、他方のフランジの幅の２分の１以上であれば、補強リブで方杖材の反力を充分に受けることができる。この結果、補強リブと鋼製梁のウェブとの溶接部分の長さを短くすることができ、溶接時の補強リブと鋼製梁のウェブとに作用する熱応力を低減することができる。

本発明に係る柱梁接合構造によれば、鋼管柱と鋼製梁との溶接部分をこれまでよりも少なくすることにより、溶接時に作用する熱応力を抑えるとともに、溶接部分の検査を低減することができる。

本発明の実施形態に係る柱梁接合構造の模式的斜視図である。 図１に示す柱梁接合構造の側面図である。 図１に示す柱梁接合構造の正面図である。 （ａ）は図２に示す鋼製梁と方杖材との接合部分の模式的拡大図であり、（ｂ）は仮想平面を示した模式的斜視図である。 （ａ）は図３に示す柱梁接合構造の変形例であり、（ｂ）は図３に示す柱梁接合構造の別の変形例である。 図２に示す柱梁接合構造の別の変形例である。 （ａ）〜（ｃ）は柱梁接合構造の強度計算を説明するための図である。 図１に示す柱梁接合構造の解析モデルである。 （ａ）は柱梁接合構造の梁降伏の解析結果であり、（ｂ）は柱梁接合構造の方杖座屈の解析結果である。 （ａ）および（ｂ）は、方丈材の曲げ座屈細長比と柱梁接合構造の強度比との関係を示したグラフである。 （ａ）〜（ｆ）は、柱梁接合構造の解析結果を示したグラフである。

以下、図面を参照して、本実施形態に基づき本発明を説明する。

１．柱梁接合構造
図１に示すように、本実施形態に係る柱梁接合構造１は、鋼管柱１０と、Ｈ形鋼の鋼製梁２０、３０とを接合した柱梁接合構造である。本実施形態では、鋼管柱１０は、断面矩形状の角形鋼管柱であり、鋼管柱１０には、鋼管柱１０の側壁部１０ａから端部が突出するように上下に一対の通しダイアフラム１５、１６が形成されている。

具体的には、鋼管柱１０は、鋼管柱部１１、１２、１３の間に、矩形状の板材からなる一対の通しダイアフラム１５、１６が溶接された構造である。上側通しダイアフラム１５は、鋼管柱部１１と鋼管柱部１３により挟まれた状態で、鋼管柱部１１と鋼管柱部１３とに溶接され、上側通しダイアフラム１５の周縁（端部）が、鋼管柱１０の側壁部１０ａから突出している。同様に、下側通しダイアフラム１６は、鋼管柱部１３と鋼管柱部１２により挟まれた状態で、鋼管柱部１３と鋼管柱部１２とに溶接され、下側通しダイアフラム１６の周縁（端部）が、鋼管柱１０の側壁部１０ａから突出している。

ここで、各鋼管柱部１１、１２、１３の外寸の一辺は、１５０〜１０００ｍｍの範囲になることが好ましく、その肉厚は、６〜５０ｍｍの範囲にあることが好ましい。また、上側および下側通しダイアフラム１５、１６の一辺は、２００〜１０５０ｍｍの範囲にあることが好ましく、その肉厚は、１２〜１００ｍｍの範囲にあることが好ましい。さらに、上側および下側通しダイアフラム１５、１６の端部の突出長さは、５〜３０ｍｍの範囲にあることが好ましい。なお、上側通しダイアフラム１５と下側通しダイアフラム１６との距離は、後述する鋼製梁３０の梁成に応じた大きさとなっている。

本実施形態では、上側通しダイアフラム１５と下側通しダイアフラム１６との間の鋼管柱１０の内部には、内ダイアフラム等のダイアフラムが無く、空洞となっている。また、上側通しダイアフラム１５と下側通しダイアフラム１６との間の鋼管柱１０の外部にも外ダイアフラムなどのダイアフラムが形成されていない。すなわち、鋼管柱１０には、上側および下側通しダイアフラム１５、１６からなる一対の通しダイアフラムを除いて、後述する鋼製梁２０、３０を接合するためのダイアフラムは存在していない。

本実施形態では、２つの鋼製梁２０、３０は、梁成の異なるＨ形鋼からなり、鋼製梁２０の梁成は、上側および下側通しダイアフラム１５、１６の距離よりも小さく、鋼製梁３０の梁成は、上側および下側通しダイアフラム１５、１６の距離と同じである。鋼製梁２０と、鋼製梁３０とは、直交する方向にそれぞれが延在するように、鋼管柱１０に接合されている。このようにして、梁成の異なる鋼製梁２０、３０を鋼管柱１０に接合することにより、鋼製梁２０と鋼製梁３０との間に段差を設けることができる。ここで、鋼製梁２０と鋼製梁３０との段差（下側フランジ２２、３２同士の差）は、５０〜１５０ｍｍの範囲にあることが好ましい。

ここで、鋼製梁３０の上側フランジ３１は、その端部において、裏当金３８を当接させた状態で、上側通しダイアフラム１５に、突合せ溶接により溶接されている。これにより、上側フランジ３１と上側通しダイアフラム１５との間には、突合せ溶接部３５が形成されている。

同様に、鋼製梁３０の下側フランジ３２は、その端部において、裏当金３９を当接させた状態で、下側通しダイアフラム１６に突合せ溶接により溶接されている。これにより、下側フランジ３２と下側通しダイアフラム１６との間には、突合せ溶接部３７が形成されている。さらに、上側フランジ３１と下側フランジ３２との間のウェブ３３は、その端部において、鋼管柱部１３の側壁部１３ａに、両側から隅肉溶接により溶接されている。これにより、ウェブ３３と側壁部１３ａとの間には、隅肉溶接部３６が形成されている。

一方、鋼製梁２０の上側フランジ２１は、その端部において、裏当金２８を当接させた状態で、上側通しダイアフラム１５に突合せ溶接により溶接されており、上側フランジ２１と上側通しダイアフラム１５との間には、突合せ溶接部２５が形成されている。

鋼製梁２０の下側フランジ２２は、その端部において、鋼管柱部１３の側壁部１３ａに、隅肉溶接により溶接されており、下側フランジ２２と側壁部１３ａとの間には、隅肉溶接部２７が形成されている。さらに、鋼製梁２０のウェブ２３は、その端部において、鋼管柱部１３の側壁部１３ａに、隅肉溶接により溶接されており、ウェブ２３と側壁部１３ａとの間には、隅肉溶接部２６が形成されている。

さらに、下側通しダイアフラム１６と、下側フランジ２２とは、水平方向に対して傾斜するように配置された板状の方杖材４０を介して、突合せ溶接により溶接されている。これにより、鋼管柱１０の下側通しダイアフラム１６の端部と、鋼製梁２０の下側フランジ２２の下面とは、方杖材４０を介して溶接されているため、鋼製梁２０からの荷重を方杖材４０で受けることができる。本実施形態では、図２および図４（ａ）に示すように、下側フランジ２２（本実施形態では水平方向）に対する方杖材４０の傾斜角度φは、１５°〜３５°の範囲にあることが好ましく、この範囲を満たすことにより、鋼製梁２０からの荷重を方杖材４０でより効果的に受けることができる。また、方杖材４０の板厚は、６〜２２ｍｍの範囲にあることが好ましい。方杖材４０の幅は１００〜３００ｍｍの範囲にあることが好ましく、下側フランジ２２の幅と同じであることがより好ましい。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、柱梁接合構造１の側面視において、鋼管柱１０と、鋼製梁２０と、方杖材４０とにより囲まれた空間Ｓは、貫通した空間になっている。すなわち、本実施形態に係る柱梁接合構造１では、従来の構造とは異なり、方杖材４０と下側フランジ２２との間に、補強用のウェブ（リブ）等が存在しないので、これまでよりも溶接箇所が少なく、溶接時の熱応力の影響を受け難い。また、この空間Ｓを利用して、下側フランジ２２と、側壁部１３ａとの間に形成された隅肉溶接部２７の溶接状態の検査を簡単に行うことができる。

ここで、方杖材４０の一端は、裏当金４５を当接させた状態で、下側フランジ２２の下面に突合せ溶接により接合されており、これにより、これらの間には突合せ溶接部４１が形成されている。方杖材４０の他端は、裏当金４６を当接させた状態で、下側通しダイアフラム１６の端部に、突合せ溶接により接合されており、これらの間には突合せ溶接部４２が形成されている。

さらに、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、方杖材４０の厚さを二等分する第１仮想平面Ｆ１と、下側フランジ２２の厚さを二等分する第２仮想平面Ｆ２とが交差する位置（交線Ｌ）から、上側フランジ２１に向かう上下方向に沿って、一対の補強リブ５０、５０が形成されている。一対の補強リブ５０、５０は、鋼製梁２０のウェブ２３を挟むように形成されている。

具体的には、本実施形態では、方杖材４０の第１仮想平面Ｆ１と、下側フランジ２２の第２仮想平面Ｆ２と、が交差した交線Ｌを含み、上下方向に延在した第３仮想平面Ｆ３が、補強リブ５０の高さ方向に亘って補強リブ５０の断面を通過するように、各補強リブ５０が形成されている。より好ましくは、本実施形態では、第３仮想平面Ｆ３が、補強リブ５０の厚さを二等分する平面と一致している。これにより、補強リブ５０により、方杖材４０からの反力を、より効率良く受けることができる。

各補強リブ５０と下側フランジ２２とは、隅肉溶接により接合されており、これらの間には隅肉溶接部５１が形成されており、各補強リブ５０とウェブ２３とは、隅肉溶接により接合されており、これらの間には隅肉溶接部５２が形成されている。

このようにして、方杖材４０から鋼製梁２０への反力が作用する方向に沿って、鋼製梁２０のウェブを挟むように、一対の補強リブ５０が延在するので、従来の如く、方杖用リブ等を設けることなく、方杖材４０から鋼製梁２０への反力を一対の補強リブ５０で受けることができる。

本実施形態では、各補強リブ５０は、略直角三角形状の板材からなり、下側フランジ２２の上面とウェブ２３の側面とに溶接されている。補強リブ５０の幅は、下側フランジ２２の幅の４０％以上であることが好ましい。下側フランジ２２に溶接された状態で、補強リブ５０が下側フランジ２２からはみ出さない長さ（ウェブ２３から下側フランジ２２の縁部までの長さ以下）であることが好ましい。また、補強リブ５０の厚さは、６〜２２ｍｍの範囲が好ましく、方杖材４０の厚さよりも薄くても良い。

さらに、三角形の斜辺に相当する縁部５７と、水平方向との成す角は、４５°以上であることが好ましく、補強リブ５０の上下方向の高さＨａは、鋼製梁２０の下側フランジ２２の幅の２分の１以上であることが好ましい。また、補強リブ５０の上下方向の高さＨａは、鋼製梁２０の梁成の大きさの２分の１以下であることが好ましい。

本実施形態では、補強リブ５０の幅を満たすことを前提に、補強リブ５０の上下方向の高さＨを、鋼製梁２０の下側フランジ２２の幅の２分の１以上確保すれば、その高さＨａを梁成の大きさの２分の１以下にしても、補強リブ５０により、方杖材４０からの反力を充分に受けることができる。これにより、下側フランジ２２と補強リブ５０との隅肉溶接部５２をより小さくし、溶接時の熱応力による影響を抑えることができる。

ここで、上述した方杖材４０の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃは、０．５３以下であることが好ましい。
ただし、_ｈλ_ｃ＝（_ｈＮ_ｙ／_ｈＮ_ｅ）^１／２であり、
_ｈＮ_ｙは、_ｈＮ_ｙ＝Ｂ_ｈ・ｔ_ｈ・_ｈσ_ｙで表される方杖材４０の降伏限界耐力であり、
Ｂ_ｈは、方杖材４０の幅であり、ｔ_ｈは、方杖材４０の厚さであり、_ｈσ_ｙは、方杖材４０の降伏応力度であり、
_ｈＮ_ｅは、_ｈＮ_ｅ＝π^２・Ｅ・Ｉ_ｈ／_ｋｌ_ｃ ^２で表される方杖材４０の降伏曲げ座屈耐力であり、
Ｅは、方杖材４０のヤング率であり、Ｉ_ｈは、方杖材４０の弱軸断面二次モーメントであり、_ｋｌ_ｃは、方杖材４０の座屈長さであり、方杖材４０の座屈長さ_ｋｌ_ｃは、方杖材の長さの２分の１である。なお、本明細書で示す一連の式に用いた同じ文字は、同じ物理量を示している。
後述する解析結果からも明らかなように、方杖材４０の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃが、０．５３以下であれば、方杖材４０の座屈変形をより確実に抑えることができる。

このような柱梁接合構造１は、以下のようにして施工される。まず、鋼管柱１０を施工する。具体的には、鋼管柱部１２に矩形状の下側通しダイアフラム１６を載置し、これらを溶接し、次に、下側通しダイアフラム１６に、鋼管柱部１３を載置し、これらを溶接する。次に、鋼管柱部１３に、上側通しダイアフラム１５を載置しこれらを溶接し、最後に、上側通しダイアフラム１５に鋼管柱部１１を載置しこれらを溶接する。これにより、鋼管柱１０を得ることができる。

次に、施工された鋼管柱１０に、鋼製梁２０、３０を接合する。まず、上述した溶接により、鋼製梁３０の端部を、上側および下側通しダイアフラム１５、１６、および、側壁部１３ａに溶接する。次に、鋼製梁２０の端部を上側通しダイアフラム１５と側壁部１３ａに溶接する。次に、方杖材４０を、下側通しダイアフラム１６と鋼製梁３０の下側フランジ２２とに溶接し、一対の補強リブ５０を鋼製梁２０の下側フランジ２２とウェブ３３に溶接する。

ここで、本実施形態では、方杖用リブを設けずに、上述した位置に溶接された方杖材４０と一対の補強リブ５０により、鋼製梁２０と鋼管柱１０との接合強度を確保することができる。このため、鋼管柱１０の内部に、下側フランジ３２に溶接する内ダイアフラムを設けることなくても、鋼製梁３０の端部において、下側フランジ３２とウェブ３３とは、鋼管柱１０の側壁部１０ａに隅肉溶接すれば、鋼製梁２０と鋼管柱１０との接合強度を確保される。

このような結果、補強すべき部材をこれまでよりも少なくし、これに伴い溶接個所も少なくなるので、溶接時の熱応力の影響を低減することができるとともに、溶接部分の検査も少なくすることができる。特に、隅肉溶接の検査の場合、超音波によらず、目視により検査を行うことができるため、より迅速に、鋼製梁３０の下側フランジ３２とウェブ３３の隅肉溶接部２６、２７を検査することができる。

ここで、図３に示す実施形態では、各補強リブ５０は、略直角三角形状の板材であったが、たとえば、図５（ａ）に示すように、各補強リブ５０の形状が、略矩形状であり、各補強リブ５０が、上側フランジ２１、下側フランジ２２、およびウェブ２３に溶接されていてもよい。さらに、図３に示す実施形態では、方杖材４０は、矩形状の板材であったが、たとえば、図５（ｂ）に示すように、下側通しダイアフラム１６側を下底とし、下側フランジ２２側を上底とした台形状の板材であってもよい。

さらに、図２に示す実施形態では、上側通しダイアフラム１５に上側フランジ２１を溶接し、下側通しダイアフラム１６に方杖材４０を接合したが、たとえば、図６に示す変形例の如く、上側通しダイアフラム１５に方杖材４０を接合し、下側通しダイアフラム１６に下側フランジ２２を接合してもよい。

２−１．柱梁接合構造の強度計算について
ここで、柱梁接合構造１の各溶接部を含む接合部の強度計算について説明する。この計算を、図７（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）では、方杖材４０と、これに溶接された鋼管柱１０と鋼製梁２０との側面図および平面図を示しており、鋼製梁３０は省略している。また、図７（ｃ）は、鋼管柱１０の端面図である。なお、図中において、点Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれ結ぶ線は、降伏線である。

ここで、接合部は、鋼製梁２０に要求される塑性変形能力を確保するのに必要な耐力を保有するように設計する。すなわち、その前提として、以下の式（１．１）〜（１．３）を満たすものとする。なお、これらの関係は、柱梁接合構造の構造解析上、一般的な式である。

ここで、_ｊＭ_ｙ：接合部の降伏曲げ耐力
_ｂＭ_ｙ：鋼製梁２０の降伏曲げモーメント
_ｊＭ_ｐ：接合部の全塑性曲げ耐力
_ｂＭ_ｐ：鋼製梁２０の全塑性曲げモーメント
_ｊＭ_ｕ：接合部の最大曲げ耐力
α：接合部係数（鋼製梁２０の材料が４００Ｎ／ｍｍ^２級鋼の場合は式１．３、
鋼製梁２０の材料が４９０Ｎ／ｍｍ^２級鋼の場合は式１．２）
なお、以下に示すいくつかの式では、これらの耐力および曲げモーメントの算出する過程を説明しているが、この式は一例であり、これに限定されるものではない。

２−２．接合部の降伏曲げ耐力
接合部の降伏曲げ耐力_ｊＭ_ｙは、以下の式（２．１）により、算出することができる。

ただし、Ｄ_ｃ：鋼管柱１０の外径（一辺の寸法）
ｔ_ｃ：鋼管柱１０の肉厚
Ｈ：鋼製梁２０の梁せい
ｔ_ｆ：鋼製梁２０の上側および下側フランジ２１、２２のフランジ厚
ｃ：鋼製梁２０の下側フランジ２２と下側通しダイアフラム１６の距離
ｄ：鋼製梁２０の下側フランジ２２の縁から降伏線ＡＢまでの距離
ｘ：鋼製梁２０の梁端の降伏領域の幅
ｙ：鋼製梁２０の下側フランジ２２から降伏線ＡＡまでの距離
_ＬＭ_ｙ：降伏線の単位長さ当たりの降伏曲げモーメント
_ｂσ_ｙ：鋼製梁２０の降伏応力度
_ｈＮ_ｃ：方杖材４０の曲げ座屈限界耐力
φ：方杖材４０と梁フランジのなす角度

ここで、降伏線の単位長さ当たりの降伏曲げモーメント_ＬＭ_ｙは、以下の式（２．２）により算出することができる。

ただし、_ｃσ_ｙ：鋼製梁２０の降伏応力度

方杖材の曲げ座屈限界耐力_ｈＮ_ｃは、以下の式（２．３）または式（２．４）により算出することができる。
（Ａ）_ｈλ_ｃ≦_ｐλ_ｃの場合

（Ｂ）_ｐλ_ｃ＜_ｈλ_ｃ≦０．５の場合

ただし、_ｈλ_ｃ：方杖材４０の曲げ座屈細長比（上述した式参照）
_ｐλ_ｃ：塑性限界細長比＝０．１５
_ｅλ_ｃ：弾性限界細長比＝１／（０．６）^１／２

２−３．接合部の全塑性曲げ耐力
接合部の全塑性曲げ耐力_ｊＭ_ｐは、以下の式（３．１）により算出することができる。

ただし、_ＬＭ_ｐ：降伏線の単位長さ当たりの全塑性曲げモーメント

ここで、降伏線の単位長さ当たりの全塑性曲げモーメント_ＬＭ_ｐは、以下の式（３．２）により算出することができる。

２−４．接合部の最大曲げ耐力
接合部の最大曲げ耐力_ｊＭ_ｕは、以下の式（４．１）により算出することができる。

ただし、_ＬＭ_ｕ：降伏線の単位長さ当たりの最大曲げモーメント
_bσ_ｕ：鋼製梁２０の引張強さ

降伏線の単位長さ当たりの最大曲げモーメント_ＬＭ_ｕは、以下の式（４．２）により算出することができる。

ただし、_ｃσ_ｕ：鋼製梁２０の引張強さ

２−５．補強リブ５０の検討
方杖材４０が取り付く部位の鋼製梁２０のウェブ２３を補強する補強リブ５０を検討する。補強リブ５０は、以下の式（５．１）を満たすものとする。

ただし、Ｐ_Ｒ：リブの耐力
Ｐ_ｒ：リブに作用する力

リブ耐力Ｐ_Ｒは、以下の式（５．２）および（５．３）により算出することができる。

ただし、ｌ_０：局部圧縮領域の幅
ｔ_ｗ：鋼製梁２０のウェブ２３の厚さ
ｔ_ｈ：補強リブ５０の厚さ
ｒ：鋼製梁２０のフィレット半径
ｈ_ｒ：補強リブ５０のリブの高さ
ａ_ｒ：リブ溶接部の有効のど厚

一方、リブに作用する力Ｐ_ｒは、以下の式（５．４）により、算出することができる。

２−６．鋼製梁２０の下側フランジ２２の溶接部の検討
鋼製梁２０の下側フランジ２２は、隅肉溶接で接合する。溶接部は、以下の式（６．１）を満たすものとする。

ただし、_ｆｗＰ_ｕ：梁の下フランジ溶接部の最大耐力
_ｆＰ_ｙ：梁の下フランジの降伏耐力
_ｃＰ_ｐ：柱フランジ面外曲げ全塑性耐力
α：接合部係数（式（１．３）参照）

下側フランジ２２の溶接部の最大耐力_ｆｗＰ_ｕは、以下の式（６．２）により算出することができる。

だたし、a_f：梁の下フランジ溶接部の有効のど厚
_ｂσ_ｕ：梁の引張強さ
Ｂ：鋼製梁２０の下側フランジ２２の幅

下側フランジ２２の降伏耐力_ｆＰ_ｙは、以下の式（６．３）により算出することができる。

柱フランジの面外曲げ全塑性耐力_ｃＰ_ｐは、以下の式（６．４）により算出することができる。

２−７．方杖材４０の検討
方杖材４０は、以下の式（７．１）を満たすものとする。

ただし、_ｈＮ：梁降伏時に方杖材４０に作用する軸力
_ｈＮ_ｃ：方杖材４０の曲げ座屈限界耐力（式（２．３）、（２．４）参照）

梁降伏時に方杖材に作用する軸力_ｈＮは、以下の式（７．２）により算出することができる。

ここで、_ｂＭ_ｙ：梁の降伏曲げモーメント
_ｃＰ_ｙ：柱フランジの面外曲げ降伏耐力
φ：方杖材と梁フランジのなす角度

柱フランジの面外曲げ降伏耐力_ｃＰ_ｙは、以下の式（７．３）により算出することができる。

上述した式（１．１）〜（１．３）、（５．１）、（６．１）および（７．１）は、柱梁接合構造において、各部材の強度を確保するための一般的な式である。ここで、以下の表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ１４の条件ごとに、上述した式に従って、方杖材の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃを算出し、式（３．１）に従って、接合部の全塑性曲げ耐力_ｊＭ_ｐと強度比（_ｊＭ_ｐ／_ｂＭ_ｐ）とを算出した。この結果を、表１に示す。

なお、鋼管柱１０の外径Ｄ_ｃを３００ｍｍとし、鋼製梁２０の梁成Ｈを４５０ｍｍとし、上側および下側フランジ２１、２２の幅Ｂを２００ｍｍとし、ウェブ２３の厚さｔ_ｗを９ｍｍとし、上側および下側フランジ２１、２２の厚さｔ_ｆを１４ｍｍとした。方杖材４０の幅Ｂ_ｈを２００ｍｍとした。さらに、鋼製梁の全塑性曲げモーメント_ｂＭ_ｐは、すべて４７４ｋＮｍとした。また、変数として、鋼管柱１０の肉厚を、変数として、１２ｍｍ、１６ｍｍ、１９ｍｍのいずれかとし、方杖材の段差ｂを変数として、１００ｍｍ、１５０ｍｍのいずれかとした。方杖材の長さａは、段差ｂの１．５倍とした。方杖材４０の厚さを、６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍのいずれかとした。

この条件と図８に示すモデルの条件を前提として、Ｎｏ．１〜Ｎｏ１４の条件に対して、ＦＥＭ解析を行った。鋼管柱１０の下端をピン支持、上端をピンローラー支持し、片持ち梁の先端に鉛直下向きに荷重を作用させた。解析は材料非線形と幾何学的非線形を考慮した弾塑性有限要素解析で、汎用構造解析プログラムＭＳＣ．Ｍａｒｃ２０１５を用いた。要素はシェル要素を用いた。降伏条件はミーゼスの降伏条件を用い、降伏後は等方硬化則に従うものとした。

この解析結果から、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４の接合部の全塑性曲げ耐力_ａＭ_ｐと、方杖材の座屈荷重_ａＭ_ｃｒを算出し、これらのうち、大きい方の値_ａＭ_ｐｃｒに対する強度比（_ｊＭ_ｐ／_ａＭ_ｐｃｒ）を算出した。この結果を、表１に示す。表１には、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１４の各条件における全塑性曲げ耐力_ａＭ_ｐ、方杖材の座屈荷重_ａＭ_ｃｒのうち、大きい方の値を示している。この解析結果では、破壊モードとして、図９（ａ）に示すように、梁降伏モード（鋼製梁２０の全塑性曲げ耐力_ａＭ_ｐの方が大きい場合）と、図９（ｂ）の方丈材座屈モード（方杖材の座屈荷重_ａＭ_ｃｒの方が大きい場合）に分類できる。この結果も合わせて表１に示した。なお、図９（ａ）、（ｂ）は１／５０変形時の変形とミーゼス応力分布を示している。

さらに、図１０（ａ）に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ１４の方杖材の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃと、強度計算における強度比（_ｊＭ_ｐ／_ｂＭ_ｐ）と、の関係を示し、図１０（ｂ）に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ１４の方杖材の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃとＦＥＭ解析における強度比強度比（_ｊＭ_ｐ／_ａＭ_ｐｃｒ）と、の関係を示した。この結果から、方杖材の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃが０．５３以下であれば、強度比が１を超え、方杖材４０の曲げ座屈、鋼製梁２０の梁降伏が抑えられ、柱梁接合構造の強度を確保できると言える。

さらに、鋼製梁２０、３０との段差、鋼管柱１０の肉厚、方杖材４０の厚さ、をそれぞれ、図１１（ａ）〜（ｆ）に示す変数として、荷重変形関係をＦＥＭにより算出した。縦軸は梁端（柱フェース位置）の作用モーメントを鋼製梁の_ｂＭ_ｐで無次元化したものＭ／Ｍｐ、横軸は柱梁接合構造の骨組全体の変形角Ｒである。

この結果から、鋼管柱の肉厚が厚くなるに従って、柱梁接合構造の骨組全体の変形が抑えられ、方杖材の厚さが厚くなるに従って、柱梁接合構造の骨組全体の変形が抑えられることが分かる。さらに、鋼管柱の段差が大きくなると、方杖材の長さが長くなり、方杖材が座屈し易いと言える。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。本実施形態では、２本の鋼製梁を、鋼管柱に接合したが、たとえば、３本または４本の鋼製梁を、鋼管柱に接合してもよい。

１：柱梁接合構造、１０：鋼管柱、１５：上側通しダイアフラム（一方の通しダイアフラム）、１６：下側通しダイアフラム（他方の通しダイアフラム）、２０：鋼製梁、２１：上側フランジ（一方のフランジ）、２２：下側フランジ（他方のフランジ）、２３：ウェブ、３０：鋼製梁、４０：方杖材、５０：補強リブ

Claims (4)

1. 鋼管柱と、Ｈ形鋼の鋼製梁との柱梁接合構造であって、
   前記鋼管柱には、前記鋼管柱の側壁部から端部が突出するように、上下に一対の通しダイアフラムが形成されており、
   前記鋼製梁の梁成は、前記一対の通しダイアフラムの距離よりも小さく、
   前記一対の通しダイアフラムのうち、一方の通しダイアフラムには、前記鋼製梁の一方のフランジの端部が溶接されており、
   前記一対の通しダイアフラムの間の前記鋼管柱の前記側壁部には、前記鋼製梁の他方のフランジとそのウェブの端部が溶接されると共に、前記他方の通しダイアフラムと、前記他方のフランジとは、水平方向に対して傾斜するように配置された板状の方杖材を介して溶接され、前記鋼管柱と、前記鋼製梁と、前記方杖材とにより囲まれた空間は、貫通した空間になっており、
   前記方杖材の厚さを二等分する第１仮想平面と、前記他方のフランジの厚さを二等分する第２仮想平面と、が交差する位置から、前記一方のフランジに向かう上下方向に沿って、前記鋼製梁のウェブを挟むように一対の補強リブが形成されていることを特徴とする柱梁接合構造。
2. 前記方杖材は、矩形状の板材であり、
   前記方杖材の曲げ座屈細長比_ｈλ_ｃは、０．５３以下であることを特徴とする請求項１に記載の柱梁接合構造。
   ただし、_ｈλ_ｃ＝（_ｈＮ_ｙ／_ｈＮ_ｅ）^１／２であり、
   _ｈＮ_ｙは、_ｈＮ_ｙ＝Ｂ_ｈ・ｔ_ｈ・_ｈσ_ｙで表される方杖材の降伏限界耐力であり、
   Ｂ_ｈは、方杖材の幅であり、ｔ_ｈは、方杖材の厚さであり、_ｈσ_ｙは、方杖材の降伏応力度であり、
   _ｈＮ_ｅは、_ｈＮ_ｅ＝π^２・Ｅ・Ｉ_ｈ／_ｋｌ_ｃ ^２で表される方杖材の降伏曲げ座屈耐力であり、
   Ｅは、方杖材のヤング率であり、Ｉ_ｈは、方杖材の弱軸断面二次モーメントであり、_ｋｌ_ｃは、方杖材の座屈長さであり、方杖材の座屈長さは、方杖材の長さの２分の１である。
3. 前記鋼製梁の前記他方のフランジおよび前記ウェブと、前記鋼管柱の前記側壁部とは、隅肉溶接により溶接されていることを特徴とする請求項１または２に記載の柱梁接合構造。
4. 前記補強リブは、略直角三角形状の板材からなり、前記補強リブの上下方向の高さは、前記鋼製梁の前記他方のフランジの幅の２分の１以上であり、前記鋼製梁の梁成の大きさの２分の１以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の柱梁接合構造。

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