JP7138460B2 - 鉄骨梁の補強方法および鉄骨梁 - Google Patents

Description

本発明は、鉄骨梁の補強方法および鉄骨梁に関するものである。

鋼構造建物（鉄骨柱と鉄骨梁の柱梁接合構造）では、地震作用時に梁端接合部には梁の長手方向中央部より大きな曲げモーメントが作用する。梁端接合部では梁フランジは柱スキンプレートまたはダイアフラムと溶接接合されるのが一般的で、地震作用時にはこの溶接部に大きな応力が作用し、破断する恐れがある。

この梁端接合部の破断を防止して梁の変形能力を向上させる方法に関して、過去の研究によりいくつか提案され、その中でも、梁端接合部近傍の梁フランジを拡幅して応力を低減する方法が実際によく用いられている。拡幅する方法の一つとして、梁フランジ側面に矩形の鋼製プレートを溶接接合する方法が挙げられる。

しかし、梁フランジ側面に矩形の鋼製プレートを接合した場合、鋼製プレートの後端（梁端接合部と反対側の長手方向端部）における形状不連続（梁フランジを拡幅した部分と拡幅していない部分との幅段差）によるひずみ集中という原因により、鋼製プレートの後端（形状不連続部）から亀裂が発生し、梁フランジが破断してしまう恐れがある。

具体的に述べると、図８に示す構造が、上述したような、梁フランジ側面に矩形の鋼製プレートを溶接接合した鋼構造柱梁接合部を示すものであり、図８（ａ）が立面図、図８（ｂ）が平面図である。

図８に示すように、梁端接合部で鉄骨梁１のフランジ（梁フランジ）１ａはダイアフラム２と呼ばれる鋼板または鉄骨柱３に溶接接合されている。鉄骨梁１のウェブ（梁ウェブ）１ｂは接合部パネルに溶接接合、または接合部パネルに溶接接合されているシヤープレート４と呼ばれる鋼板とボルト接合されている。鉄骨梁１の部材として、例えば一般的なＨ形断面鋼が挙げられる。鉄骨柱３の部材として、例えば溶接接合または曲げ加工による箱形断面部材やＨ形断面鋼が挙げられる。

そして、鉄骨梁１の端部では、梁フランジ溶接部５の破断を防止するために、フランジ溶接部５近傍の梁フランジ１ａ側面に所定長さの矩形の鋼製プレート６を接合して、梁フランジ１ａを部分的に拡幅している。

しかし、地震作用時には、図９（ａ）に立面図、図９（ｂ）に平面図を示すような繰返し曲げ変形が生じ、鋼製プレート６の後端（形状不連続部）７でひずみ集中により亀裂が生じる。形状不連続部７に亀裂が一度生じると、その亀裂先端が常にひずみ集中部となり、梁フランジ１ａが破断してしまう恐れがある。

この問題に対応するために、特許文献１では、鋼製プレートの形状を調整することにより、梁フランジの塑性変形領域を広くとって局所的な塑性変形を防ぐことで、梁の変形能力を向上させるようにしている。

また、特許文献２では、鋼製プレートの長手方向端部近傍の梁フランジに孔を設けることにより、梁フランジの塑性変形領域を広くとって局所的な塑性変形を防ぐことで、梁の変形能力を向上させるようにしている。

特開２０１５－１９０２５８号公報 特開２０１６－５６５１５号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の方法については、梁フランジと鋼製プレートとの溶接部の存在により、形状不連続部のひずみ集中が生じてしまうため、後から形状不連続部を削り取る手間が生じてしまう。しかも、形状の問題なので精度良く削り取る必要があり、工事現場で後から削り取るのは困難である。

また、前記特許文献２に記載の方法については、孔欠損により梁の耐力を下げてしまう。

しかも、前記特許文献１、２はいずれも塑性変形領域を広くとることで梁の変形能力を向上させるもので、鋼製プレート後端の形状不連続部のひずみ集中を抑制するものではない。

なお、梁端接合部近傍の梁フランジを拡幅する他の方法として、フランジ幅が広いＨ形鋼梁の梁端部以外のフランジ幅を切断して狭くする方法や、Ｈ形鋼梁端に当該Ｈ形鋼梁よりフランジ幅が広いＨ形鋼を接合する方法などがあるが、いずれの場合も、拡幅部の後端が形状不連続部になってひずみ集中が生じるので、上述した鋼製プレートによる拡幅と同様の問題が生じる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、鉄骨柱と鉄骨梁の柱梁接合構造において、鉄骨柱との接合部近傍で鉄骨梁のフランジ側面に矩形の鋼製プレートを接合するなどして部分的に拡幅する際に、拡幅部の後端（形状不連続部）のひずみ集中部からの亀裂の早期発生を的確に防止することができる鉄骨梁の補強方法および鉄骨梁を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有している。

［１］鉄骨柱との接合部でフランジが部分的に拡幅された鉄骨梁において、前記フランジの表面に、前記フランジが部分的に拡幅された部分の後端が位置するフランジ長手方向位置を含めて、フランジ幅の２．０倍未満の長さを有する補強部材を接合することを特徴とする鉄骨梁の補強方法。

［２］前記フランジの表面に、前記補強部材を接着剤で接着接合することを特徴とする前記［１］に記載の鉄骨梁の補強方法。

［３］鉄骨柱との接合部でフランジが部分的に拡幅されていて、前記フランジの表面に、前記フランジが部分的に拡幅された部分の後端が位置するフランジ長手方向位置を含めて、フランジ幅の２．０倍未満の長さを有する補強部材が接合されていることを特徴とする鉄骨梁。

［４］前記フランジの表面に、前記補強部材が接着剤で接着接合されていることを特徴とする前記［３］に記載の鉄骨梁。

本発明によれば、鉄骨柱と鉄骨梁の柱梁接合構造において、鉄骨柱との接合部近傍で鉄骨梁のフランジ側面に矩形の鋼製プレートを接合するなどして部分的に拡幅する際に、拡幅部の後端（形状不連続部）からの亀裂の早期発生を的確に防止することができる。

本発明の実施形態１を示す図である。 本発明の実施形態２を示す図である。 本発明の実施例における有限要素法解析モデルの概要図である。 本発明の実施例における有限要素法解析結果（梁の回転角と形状不連続部の相当塑性ひずみの関係）を示す図である。 本発明の実施例における有限要素法解析結果（梁の回転角と形状不連続部の相当塑性ひずみの関係）を示す図である。 本発明の実施例における有限要素法解析結果（梁の回転角と形状不連続部の相当塑性ひずみの関係）を示す図である。 本発明の実施例における有限要素法解析結果（梁の回転角と形状不連続部の相当塑性ひずみの関係）を示す図である。 従来技術を示す図である。 従来技術における地震作用時の繰返し曲げ変形を示す図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１を示す図であり、図１（ａ）が立面図、図１（ｂ）が平面図である。

図１に示すように、この実施形態１では、上述の図８に示した従来技術と同様に、梁端接合部で鉄骨梁１のフランジ（梁フランジ）１ａはダイアフラム２と呼ばれる鋼板または鉄骨柱３に溶接接合されている。鉄骨梁１のウェブ（梁ウェブ）１ｂは接合部パネルに溶接接合、または接合部パネルに溶接接合されているシヤープレート４と呼ばれる鋼板とボルト接合されている。鉄骨梁１の部材として、例えば一般的なＨ形断面鋼が挙げられる。鉄骨柱３の部材として、例えば溶接接合または曲げ加工による箱形断面部材やＨ形断面鋼が挙げられる。

そして、鉄骨梁１の端部では、梁フランジ溶接部５の破断を防止するために、フランジ溶接部５近傍の梁フランジ１ａ側面に所定長さの矩形の鋼製プレート６を接合して、梁フランジ１ａを部分的に拡幅している。

その上で、この実施形態１では、上述の図８に示した従来技術と異なり、梁フランジ１ａの表面に、鋼製プレート６の後端（形状不連続部）７が位置するフランジ長手方向位置を含めて、フランジ幅（拡幅されない部分のフランジ幅）の２．０倍未満の長さを有する１個の補強部材８を接着剤９で接着接合している。以下、補強部材８の長さの基準として述べるフランジ幅は、拡幅されない部分のフランジ幅とする。

これによって、補強部材８に梁フランジ１ａ（特に、形状不連続部７）の梁材軸方向の応力の一部を負担させ、形状不連続部７のひずみ集中を低減し、形状不連続部７を起点とした亀裂の早期発生を防止することができる。

ここで、補強部材８には、例えば、鋼材、木材、繊維強化プラスチックがあり、梁材軸方向の応力を負担できるものであればよい。

また、ここでは、補強部材８を梁フランジ１ａの外表面に接着剤９で接着接合しているが、梁フランジ１ａの内表面に接着剤９で接着接合してもよい。

また、梁フランジ１ａの表面に補強部材８を接合する際には、梁フランジ梁フランジ１ａの梁材軸方向の応力を補強部材８に伝達することができる接合方法であればよいが、ここでは、補強部材８を接着剤９で接着接合している。

これは、梁フランジ１ａと補強部材８の間に剪断力が作用した際に、接着剤９による接着接合の場合は、接着剤９が剪断力の作用方向にズレ変形して剪断力を吸収してくれるからである。溶接接合やボルト接合の場合は、剪断力を吸収する機能はあまり期待できない。

しかも、接着接合の場合は、ボルト接合のような穴あけ等の加工も必要なく、施工性の優れた補強方法となる。接着接合材には、例えば、エポキシ樹脂が挙げられる。

また、上述したように、補強部材８は梁フランジ１ａ（特に、形状不連続部７）の応力の一部を負担するものである。ただし、補強部材８の長さが長過ぎると、接着剤９を介して補強部材８に応力が伝達される部分の長さが長くなって、補強部材８を含めた梁フランジ１ａ全体の耐力が上昇して、鉄骨梁１に生じる曲げモーメントが大きくなり過ぎてしまう。その結果、形状不連続部７のひずみを低減する効果が薄れて、形状不連続部７を起点とした亀裂の早期発生を防止することが難しくなる。詳細は、後述する実施例で述べるが、補強部材８の長さは、梁フランジ１ａの幅の２．０倍未満の長さにしている。

このようにして、この実施形態１によれば、鉄骨柱３と鉄骨梁１の柱梁接合構造において、鉄骨柱３との接合部５近傍で鉄骨梁１のフランジ1ａ側面に矩形の鋼製プレート６を接合して部分的に拡幅する際に、鋼製プレート６の後端（形状不連続部）７からの亀裂の早期発生を的確に防止することができる。

［実施形態２］
図２は本発明の実施形態２を示す図であり、図２（ａ）が立面図、図２（ｂ）が平面図である。

図２に示すように、この実施形態２の基本的構成は、上記の図１に示した実施形態１と同様であるが、実施形態１では補強部材８を１個接着接合していたのに対して、この実施形態２では、左右それぞれの形状不連続部７の近傍に１個ずつ（計２個）の補強部材８を接着接合している。なお、補強部材８は３個以上であってもよい。

このようにして、この実施形態２によれば、鉄骨柱３と鉄骨梁１の柱梁接合構造において、鉄骨柱３との接合部５近傍で鉄骨梁１のフランジ1ａ側面に矩形の鋼製プレート６を接合して部分的に拡幅する際に、鋼製プレート６の後端（形状不連続部）７からの亀裂の早期発生を的確に防止することができる。

なお、上記の実施形態１、２では、鋼製プレートによって拡幅する場合を例にして述べたが、本発明は、フランジ幅が広いＨ形鋼梁の梁端部以外のフランジ幅を切断して狭くすることによって拡幅する場合や、Ｈ形鋼梁端に当該Ｈ形鋼梁よりフランジ幅が広いＨ形鋼を接合することによって拡幅する場合にも同じように適用することができる。

本発明の効果を確認するために、図３（ａ）に平面図、図３（ｂ）に立面図、図３（ｃ）に立断面図を示す解析モデルを対象にして、有限要素法解析を実施した。

図３に示すように、有限要素法解析モデルは、通しダイアフラム２を有する鉄骨柱（角形鋼管柱）３と鉄骨梁１が溶接接合されたト字形の柱梁接合部で、梁端接合部近傍の梁フランジ１ａは、鋼製プレート６が溶接接合されて部分的に拡幅されている。

鉄骨梁１の形状は、Ｈ－６００×２５０×１２×２５（ウェブ高さ６００ｍｍ、フランジ幅２５０ｍｍ、ウェブ厚１２ｍｍ、フランジ厚２５ｍｍ）で、拡幅部分ではＨ－６００×４００×１２×２５（ウェブ高さ６００ｍｍ、フランジ幅４００ｍｍ、ウェブ厚１２ｍｍ、フランジ厚２５ｍｍ）となっている。鉄骨柱（角形鋼管）３の形状は、□－５５０×２２（辺長さ５５０ｍｍ、管厚２２ｍｍ）で、通しダイアフラム２は板厚３２ｍｍ、辺長さ６００ｍｍである。鋼製プレート６は、梁フランジ１ａと同じ板厚２５ｍｍの鋼板とした。

梁フランジ溶接部５はルートギャップ７ｍｍ、開先角度３５°の完全溶け込み溶接で、複合円形のスカラップ（断面欠損）が設けられている。

鉄骨梁１、通しダイアフラム２、角形鋼管柱３、鋼製プレート６、溶接金属はいずれもヤング係数２０５０００Ｎ／ｍｍ^２、ポアソン比０．３とした。

解析では、炭素繊維強化プラスチックの板材を補強部材８とし、接合方法は樹脂（接着剤）による接着接合とした。接着剤９の厚さは０．８ｍｍ、ヤング係数は２０００Ｎ／ｍｍ^２とし、補強部材８の寸法をパラメータにして、厚さ１～２ｍｍ、幅５０～２００ｍｍ、長さ１００～６２５ｍｍで変化させた。

表１に解析モデルの一覧を示す。解析では鉄骨梁１に曲げ変形を与え、鋼製プレート６の後端（形状不連続部）７の相当塑性ひずみを比較した。

図４～７に解析結果（梁の回転角と形状不連続部７の相当塑性ひずみの関係）を示す。

図４は補強部材８の厚さが１ｍｍで補強部材８の幅をパラメータとした結果を、図５は補強部材８の厚さが２ｍｍで補強部材８の幅をパラメータとした結果を、図６は補強部材８の厚さが１ｍｍで補強部材８の長さをパラメータとした結果を、図７は補強部材８の厚さが２ｍｍで補強部材８の長さをパラメータとした結果を示す。

まず、補強部材８の厚さが１ｍｍの場合（図４、図６）と補強部材８の厚さが２ｍｍの場合（図５、図７）とを比較すると、補強部材８の厚さについては大きな影響は見られない。

次に、補強部材８の幅をパラメータとした場合（図４、図５）は、補強部材８の幅が大きいほど、形状不連続部７の相当塑性ひずみの低減効果は大きい。

次に、補強部材８の長さをパラメータとした場合（図６、図７）は、補強部材８の長さが梁フランジ幅の２．５倍（６２５ｍｍ）のモデル（Ｎｏ．Ｆ、Ｍ）で、補強部材８が無いモデル（Ｎｏ．Ａ）よりも形状不連続部７の相当塑性ひずみが大きく、補強部材８の長さが梁フランジ幅の２．０倍（５００ｍｍ）のモデル（Ｎｏ．Ｅ、Ｌ）で、補強部材８が無いモデル（Ｎｏ．Ａ）と形状不連続部７の相当塑性ひずみが同程度である。一方、補強部材８の長さが梁フランジ幅の０．４～１．５倍（３７５～１００ｍｍ）のモデル（Ｎｏ．Ｂ～Ｄ、Ｉ～Ｋ）では、補強部材８が無いモデル（Ｎｏ．Ａ）よりの形状不連続部７の相当塑性ひずみが小さくなっており、補強部材８による補強効果が十分得られている。

このことは、前述したように、補強部材８の長さが長過ぎると、接着剤９を介して補強部材８に応力が伝達される部分の長さが長くなって、補強部材８を含めた梁フランジ１ａ全体の耐力が上昇して、鉄骨梁１に生じる曲げモーメントが大きくなり過ぎてしまい、形状不連続部７の相当塑性ひずみを低減する効果が薄れて、形状不連続部７を起点とした亀裂の早期発生を防止することが難しくなることを意味している。

以上のことから、補強部材８の長さが梁フランジ幅の２．０倍未満の範囲（好ましくは、０．２倍以上）であれば、補強部材８の効果が十分得られることが確認された。

１ 鉄骨梁
１ａ 鉄骨梁のフランジ（梁フランジ）
１ｂ 鉄骨梁のウェブ（梁ウェブ）
２ ダイアフラム
３ 鉄骨柱
４ シヤープレート
５ 梁フランジ溶接部
６ 鋼製プレート
７ 形状不連続部（鋼製プレートの後端）
８ 補強部材
９ 接着層

Claims (6)

1. 鉄骨柱との接合部でフランジが部分的に拡幅された鉄骨梁において、前記フランジの表面に、前記フランジが部分的に拡幅された部分の後端が位置するフランジ長手方向位置を含めて、拡幅されない部分のフランジ幅の０．４倍以上１．５倍以下の長さを有する補強部材を接着剤で接着接合することを特徴とする鉄骨梁の補強方法。
2. 前記補強部材が炭素繊維強化プラスチックの板材であることを特徴とする請求項１に記載の鉄骨梁の補強方法。
3. 前記補強部材の厚さが１～２ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の鉄骨梁の補強方法。
4. 鉄骨柱との接合部でフランジが部分的に拡幅されていて、前記フランジの表面に、前記フランジが部分的に拡幅された部分の後端が位置するフランジ長手方向位置を含めて、拡幅されない部分のフランジ幅の０．４倍以上１．５倍以下の長さを有する補強部材が接着剤で接着接合されていることを特徴とする鉄骨梁。
5. 前記補強部材が炭素繊維強化プラスチックの板材であることを特徴とする請求項４に記載の鉄骨梁。
6. 前記補強部材の厚さが１～２ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載の鉄骨梁。

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