JP7202949B2 - Design method of joint structure - Google Patents

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Description

本発明は、接合構造の設計方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a joint structure.

鋼管柱とH形鋼梁との接合構造として、通しダイヤフラム工法が知られている。通しダイヤフラム工法では、鋼管柱をH形鋼梁の上下フランジ位置で切断した上で、ダイヤフラムを挿入して鋼管柱に溶接し、ダイヤフラムに梁ブラケットの上下フランジを溶接するとともに梁ブラケットのウェブを鋼管柱のスキンプレートに溶接接合し、梁ブラケットとH形鋼梁とを高力ボルト接合する。 A through-diaphragm construction method is known as a joint structure between a steel pipe column and an H-shaped steel beam. In the through-diaphragm method, the steel pipe column is cut at the upper and lower flange positions of the H-shaped steel beam, the diaphragm is inserted and welded to the steel pipe column, the upper and lower flanges of the beam bracket are welded to the diaphragm, and the web of the beam bracket is attached to the steel pipe. It is welded to the skin plate of the column, and the beam bracket and the H-beam are high-strength bolted.

これに対して、特許文献1では、鋼管柱を切断することなく鋼管柱の外側にダイヤフラムを設置する外ダイヤフラム工法であって、鋼管柱の柱面に接触しH形鋼梁の上下フランジにそれぞれ接合される外ダイヤフラムを鋼管柱の外周方向に分割された分割ダイヤフラムとし、鋼管柱の柱面に接触圧が作用するように分割ダイヤフラム同士を互いに締め付け固定する技術が記載されている。 On the other hand, Patent Document 1 discloses an outer diaphragm construction method in which a diaphragm is installed on the outside of a steel pipe column without cutting the steel pipe column. A technique is described in which the outer diaphragm to be joined is a divided diaphragm divided in the outer peripheral direction of a steel pipe column, and the divided diaphragms are tightened and fixed to each other so that contact pressure acts on the column surface of the steel pipe column.

上記のような特許文献1に記載された技術では、外ダイヤフラムの設置によって鋼管柱の切断が不要になるのに加えて、外ダイヤフラムを面摩擦によって鋼管柱に接合するため、この部分における溶接が不要になり、加工量が大幅に減少する。 In the technique described in Patent Document 1 as described above, the installation of the outer diaphragm eliminates the need to cut the steel pipe column, and in addition, the outer diaphragm is joined to the steel pipe column by surface friction, so welding at this portion is unnecessary. It becomes unnecessary, and the amount of processing is greatly reduced.

国際公開第2017/026113号WO2017/026113

ところで、特許文献1に記載された接合構造では、外ダイヤフラムが鋼管柱に溶接されないため、H形鋼梁に作用する曲げモーメントによってフランジに生じる引張偶力は直接的に鋼管柱の柱面に伝達されるのではなく、鋼管柱の周りに締め付け固定された外ダイヤフラムを介して反対側の柱面への圧縮力として作用する。自重や積載荷重が作用する場合、反対側の外ダイヤフラムに接合されたH形鋼梁のフランジには引張偶力が生じているため上記の圧縮力が相殺されて問題は生じない。 By the way, in the joint structure described in Patent Document 1, since the outer diaphragm is not welded to the steel pipe column, the tensile couple generated in the flange by the bending moment acting on the H-shaped steel beam is directly transmitted to the column surface of the steel pipe column. Instead, it acts as a compressive force on the opposite column face through an outer diaphragm clamped around the steel column. When the own weight or load is applied, a tension couple is generated in the flange of the H-shaped steel beam joined to the outer diaphragm on the opposite side, so the above compression force is canceled and no problem occurs.

しかしながら、例えば地震荷重が作用して、反対側の外ダイヤフラムに接合されたフランジに圧縮偶力が生じている場合、鋼管柱の柱面に作用する圧縮力が過大になり、鋼管柱に局部変形が生じる可能性がある。このような局部変形が生じると鋼管柱の柱面と外ダイヤフラムとの間に隙間が生じ、接合構造のエネルギー吸収能力が低下する。従って、地震時を考慮した設計にあたっては角形鋼管柱の局部変形の影響を評価する必要があるが、そのための効果的な手法についてはまだ提案されていない。 However, for example, when an earthquake load acts and a compression couple is generated in the flange joined to the outer diaphragm on the opposite side, the compressive force acting on the column surface of the steel pipe column becomes excessive, causing local deformation of the steel pipe column. may occur. When such local deformation occurs, a gap is generated between the column surface of the steel pipe column and the outer diaphragm, and the energy absorption capacity of the joint structure is lowered. Therefore, it is necessary to evaluate the effect of local deformation of square steel pipe columns in the design considering earthquakes, but no effective method has been proposed yet.

そこで、本発明は、面摩擦によって接合される外ダイヤフラムを有する角形鋼管柱と梁との接合構造において、角形鋼管柱の局部変形の影響を評価することを可能にする接合構造の設計方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a joint structure design method that makes it possible to evaluate the influence of local deformation of a square steel pipe column in a joint structure of a square steel pipe column having an outer diaphragm joined by surface friction and a beam. intended to

本実施形態のある観点によれば、互いに対向する第1および第2の平坦面、第1および第2の平坦面に直交し互いに対向する第3および第4の平坦面、ならびに第1から第4の平坦面のそれぞれの間にある円柱面を側面に含む角形鋼管柱と、第1から第4の平坦面にそれぞれ当接される第1から第4の分割ダイヤフラムを含み、第1から第4の分割ダイヤフラムが平面視において角形鋼管柱を囲むように配置されるとともに平坦面に接触圧を作用させるように互いに締結されることによって構成される外ダイヤフラムと、少なくとも第1の分割ダイヤフラムに接合される梁とを備える接合構造の設計方法であって、第1の平坦面の局部変形による角形鋼管柱の全塑性耐力計算値CLp0を評価する工程と、全塑性耐力計算値CLp0が発生したときの節点モーメント計算値CLp0に基づいて梁の全塑性耐力、角形鋼管柱の全塑性耐力、または梁と角形鋼管柱との間のパネルゾーンの全塑性耐力の少なくともいずれかを決定する工程とを含む、接合構造の設計方法が提供される。 According to one aspect of this embodiment, first and second flat surfaces facing each other, third and fourth flat surfaces orthogonal to the first and second flat surfaces and facing each other, and including a rectangular steel pipe column whose side surfaces include cylindrical surfaces between the four flat surfaces; 4 divided diaphragms are arranged so as to surround the square steel pipe column in plan view and are joined to the outer diaphragm and at least the first divided diaphragm, which are constructed by fastening each other so as to exert contact pressure on the flat surface. A method for designing a joint structure comprising a beam and a beam, comprising a step of evaluating a total plastic strength calculation value CL P p0 of a square steel pipe column due to local deformation of a first flat surface, and a total plastic strength calculation value CL P p0 At least one of the total plastic strength of the beam, the total plastic strength of the square steel pipe column, or the total plastic strength of the panel zone between the beam and the square steel pipe column based on the nodal moment calculation value CL M p0 when A method of designing a junction structure is provided, comprising the step of determining.

上記の接合構造の設計方法において、全塑性耐力計算値CLp0が発生したときの節点モーメント計算値CLp0よりも小さくなるように、梁の全塑性耐力、角形鋼管柱の全塑性耐力、または梁と角形鋼管柱との間のパネルゾーンの全塑性耐力の少なくともいずれかを決定してもよい。 In the above joint structure design method, the total plastic strength of the beam , the total plastic strength of the square steel pipe column, the total plastic strength of the square steel pipe column, or determine at least one of the total plastic strength of the panel zone between the beam and the square steel column.

上記の接合構造の設計方法において、全塑性耐力計算値CLp0を、第1の平坦面と第1の分割ダイヤフラムとが接触する領域の1/2の長さb、円柱面の板厚中心部断面の半径r、および円柱面における単位長さあたりの全塑性モーメントmpcを用いて式(i)によって算出してもよい。 In the above joint structure design method, the total plastic strength calculated value CL P p0 is 1/2 the length b of the area where the first flat surface and the first split diaphragm contact, and the thickness center of the cylindrical surface It may be calculated by the formula (i) using the radius r of the partial cross section and the total plastic moment mpc per unit length on the cylindrical surface.

Figure 0007202949000001
Figure 0007202949000001

さらに、節点モーメント計算値CLp0に基づいて、曲げモーメントと軸力との組み合わせ応力を考慮した局部変形による角形鋼管柱の全塑性耐力計算値に対応する節点モーメント計算値CLを、角形鋼管柱の全塑性曲げ耐力計算値に対応する節点モーメントCCを用いて式(ii)によって算出し、節点モーメント計算値CLに基づいて梁の全塑性耐力、角形鋼管柱の全塑性耐力、または梁と角形鋼管柱との間のパネルゾーンの全塑性耐力の少なくともいずれかを決定してもよい。ここでは節点モーメントで整理しているが、別位置のモーメントや、梁または柱のせん断力等で整理しても良い。 Furthermore, based on the nodal moment calculated value CL M p0 , the nodal moment calculated value CL M p corresponding to the total plastic strength calculated value of the square steel pipe column due to local deformation considering the combined stress of the bending moment and the axial force is Calculated by formula (ii) using the nodal moment CC M p corresponding to the total plastic bending yield strength calculation value of the steel pipe column, and based on the nodal moment calculated value CL M p , the total plastic yield strength of the beam and the total plastic yield strength of the square steel pipe column The yield strength and/or the total plastic yield strength of the panel zone between the beam and the square steel column may be determined. Here, it is sorted by the nodal moment, but it may be sorted by the moment of another position, the shear force of the beam or the column, and the like.

Figure 0007202949000002
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上記の接合構造の設計方法において、接合構造は、第2、第3または第4の分割ダイヤフラムの少なくともいずれかに接合される梁をさらに備えてもよい。 In the joint structure design method described above, the joint structure may further comprise a beam joined to at least one of the second, third or fourth split diaphragm.

上記の構成によれば、面摩擦によって接合される外ダイヤフラムを有する角形鋼管柱と梁との接合構造において、角形鋼管柱の局部変形の影響を評価することができる。 According to the above configuration, it is possible to evaluate the influence of local deformation of the square steel pipe column in the joint structure between the beam and the square steel pipe column having the outer diaphragm joined by surface friction.

本発明の一実施形態に係る接合構造の斜視図である。1 is a perspective view of a joint structure according to one embodiment of the present invention; FIG. 図1に示す接合構造について実施した十字試験の概要を示す図である。1. It is a figure which shows the outline|summary of the cross test implemented about the joint structure shown in FIG. 図2に示す十字試験の結果を示すグラフである。3 is a graph showing the results of the cross test shown in FIG. 2; 通しダイヤフラム工法の十字試験の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the cross test of a through-diaphragm construction method. 図1に示す接合構造における引張偶力と圧縮偶力との発生状態の例を示す図である。1. It is a figure which shows the example of the generation|occurrence|production state of the tension couple and compression couple in the joining structure shown in FIG. 角形鋼管柱の局部変形をモデル化して示す図である。It is a figure which models and shows the local deformation of a square steel pipe column. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. 角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。4 is a graph showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description.

図1は、本発明の一実施形態に係る接合構造の斜視図である。図1に示された接合構造1は、角形鋼管柱2と、外ダイヤフラム3と、H形鋼梁4とを含む。 FIG. 1 is a perspective view of a joint structure according to one embodiment of the present invention. A joint structure 1 shown in FIG.

角形鋼管柱2は、断面が全体として矩形状であり角部が丸められた鋼管、具体的には例えば冷間ロール成形角形鋼管である。角形鋼管柱2の側面は、互いに対向する平坦面21A,21Bと、平坦面21A,21Bに直交し互いに対向する平坦面21C,21Dと、平坦面21A~21Dのそれぞれの間にある円柱面22とを含む。 The square steel pipe column 2 is a steel pipe having a rectangular cross section as a whole and rounded corners, specifically, for example, a cold roll formed square steel pipe. The side surfaces of the square steel pipe column 2 are flat surfaces 21A and 21B facing each other, flat surfaces 21C and 21D perpendicular to the flat surfaces 21A and 21B and facing each other, and a cylindrical surface 22 between the flat surfaces 21A to 21D. including.

外ダイヤフラム3は、角形鋼管柱2の平坦面21A~21Dにそれぞれ当接される分割ダイヤフラム31A~31Dを含む。分割ダイヤフラム31A~31Dは、平面視において角形鋼管柱2を囲むように配置されるとともに、平坦面21A~21Dに接触圧を作用させるように互いに締結される。本実施形態では、後述するようにH形鋼梁4が上フランジ41、ウェブ42および下フランジ43を有し、外ダイヤフラム3は上フランジ41に接合される上側外ダイヤフラム3Aと下フランジ43に接合される下側外ダイヤフラム3Bとを含む。 The outer diaphragm 3 includes split diaphragms 31A to 31D that are brought into contact with the flat surfaces 21A to 21D of the square steel pipe column 2, respectively. The split diaphragms 31A-31D are arranged to surround the square steel pipe column 2 in plan view, and are fastened together so as to apply contact pressure to the flat surfaces 21A-21D. In this embodiment, as will be described later, the H-shaped steel beam 4 has an upper flange 41, a web 42 and a lower flange 43, and the outer diaphragm 3 is joined to the upper outer diaphragm 3A joined to the upper flange 41 and the lower flange 43. and the lower outer diaphragm 3B.

それぞれの分割ダイヤフラム31A~31Dは、H形鋼梁4の上フランジ41または下フランジ43に接合される梁プレート311と、角形鋼管柱2の平坦面21A~21Dにそれぞれ当接される柱プレート312とを含む。梁プレート311は、例えば図示された例のように上フランジ41または下フランジ43に添接され、高力ボルト接合などのボルト接合や、隅肉溶接などによって上フランジ41または下フランジ43に接合される。あるいは、梁プレート311は、突合せ溶接によって上フランジ41または下フランジ43に接合されてもよい。 Each of the divided diaphragms 31A to 31D includes a beam plate 311 joined to the upper flange 41 or the lower flange 43 of the H-shaped steel beam 4, and a column plate 312 abutting on the flat surfaces 21A to 21D of the square steel pipe column 2, respectively. including. The beam plate 311 is spliced to the upper flange 41 or the lower flange 43 as in the illustrated example, and is joined to the upper flange 41 or the lower flange 43 by bolt joint such as high-strength bolt joint or fillet welding. be. Alternatively, beam plate 311 may be joined to upper flange 41 or lower flange 43 by butt welding.

さらに、図示された例において、それぞれの分割ダイヤフラム31A~31Dは、柱プレート312の両側に延出する締結プレート313を含む。互いに隣接する分割ダイヤフラム31A~31Dの間で締結プレート313を重ね合わせ、ボルト314およびナット315を用いて締結することによって、分割ダイヤフラム31A~31Dのそれぞれの柱プレート312が角形鋼管柱2の平坦面21A~21Dに押し付けられて接触圧が作用し、外ダイヤフラム3を面摩擦によって角形鋼管柱2に接合することができる。 Further, in the illustrated example, each segmented diaphragm 31A-31D includes a fastening plate 313 extending on either side of the post plate 312. As shown in FIG. By overlapping the fastening plates 313 between the split diaphragms 31A to 31D adjacent to each other and fastening them using bolts 314 and nuts 315, the column plates 312 of the split diaphragms 31A to 31D are attached to the flat surface of the square steel pipe column 2. 21A to 21D are pressed against each other to apply contact pressure, and the outer diaphragm 3 can be joined to the square steel pipe column 2 by surface friction.

H形鋼梁4は、上フランジ41、ウェブ42、および下フランジ43を有する。本実施形態では、接合構造1が、外ダイヤフラム3のうち分割ダイヤフラム31A,31Bに接合される2本のH形鋼梁4を含む。ここで、分割ダイヤフラム31A,31Bは、角形鋼管柱2の互いに対向する平坦面21A,21Bに当接される。接合構造1は、分割ダイヤフラム31C,31Dのいずれか、または両方に接合されるH形鋼梁4をさらに含んでもよい。具体的には、例えば、接合構造1は、分割ダイヤフラム31Aに接合される1本のH形鋼梁4のみを含んでもよいし、分割ダイヤフラム31A,31Cにそれぞれ接合されてL字形をなす2本のH形鋼梁4を含んでもよいし、分割ダイヤフラム31A~31Cにそれぞれ接合されてT字形をなす3本のH形鋼梁4を含んでもよいし、分割ダイヤフラム31A~31Dにそれぞれ接合されて十字形をなす4本のH形鋼梁4を含んでもよい。なお、図示された例において、H形鋼梁4は角形鋼管柱2の平坦面21A~21Dにそれぞれ直交するように配置されるが、他の例ではH形鋼梁4が平坦面21A~21Dに斜交するように配置されてもよい。 The H-beam 4 has an upper flange 41 , a web 42 and a lower flange 43 . In this embodiment, the joint structure 1 includes two H-shaped steel beams 4 that are joined to the split diaphragms 31A and 31B of the outer diaphragm 3 . Here, the split diaphragms 31A and 31B are brought into contact with the mutually opposing flat surfaces 21A and 21B of the square steel pipe column 2 . The joint structure 1 may further include an H-beam 4 joined to either or both of the split diaphragms 31C, 31D. Specifically, for example, the joint structure 1 may include only one H-shaped steel beam 4 joined to the split diaphragm 31A, or two L-shaped steel beams joined to the split diaphragms 31A and 31C, respectively. , or three H-shaped steel beams 4 joined to the split diaphragms 31A to 31C to form a T shape, or joined to the split diaphragms 31A to 31D. It may include four H-shaped steel beams 4 forming a cross. In the illustrated example, the H-shaped steel beam 4 is arranged so as to be orthogonal to the flat surfaces 21A to 21D of the square steel pipe column 2, but in other examples, the H-shaped steel beam 4 is arranged to be perpendicular to the flat surfaces 21A to 21D. may be arranged obliquely to the

なお、上述したような接合構造の細部の構成、および変形例については、例えば国際公開第2017/026113号を参照して適宜実施することが可能である。 It should be noted that detailed configurations and modifications of the joint structure as described above can be appropriately implemented with reference to, for example, International Publication No. 2017/026113.

図2に、図1に示す接合構造について実施した十字試験の概要を示す。十字試験では、角形鋼管柱2の下端を固定するとともに、角形鋼管柱2の両側に接合されるH形鋼梁4について、角形鋼管柱2とは反対側の端部で鉛直方向変位を固定した状態で、角形鋼管柱2の上端に水平方向の荷重(地震時の荷重を模擬している)を作用させた。その結果、図3のグラフに示すように、層間変形角0.02rad付近から荷重上昇を伴わずに変形が増大する区間が発生した。このような区間を含むスリップ型の挙動が接合構造において発生する場合、例えば図4のグラフに示す通しダイヤフラム工法の接合構造における同様の試験結果のような紡錘型の挙動の場合に比べて、接合構造のエネルギー吸収能力(グラフ上でループによって囲まれる領域の面積で表される)が低くなる。 FIG. 2 shows an outline of a cross test performed on the joint structure shown in FIG. In the cross test, the lower end of the square steel pipe column 2 was fixed, and the vertical displacement of the H-shaped steel beams 4 joined to both sides of the square steel pipe column 2 was fixed at the end opposite to the square steel pipe column 2. In this state, a horizontal load (which simulates the load during an earthquake) was applied to the upper end of the square steel pipe column 2 . As a result, as shown in the graph of FIG. 3, there was a section where the deformation increased without increasing the load from the vicinity of the inter-story deformation angle of 0.02 rad. When a slip-type behavior involving such a section occurs in a joint structure, the joint is less likely to behave as compared to a spindle-type behavior such as similar test results in a through-diaphragm joint structure shown in the graph of FIG. The energy absorption capacity of the structure (represented on the graph by the area of the area enclosed by the loops) is reduced.

十字試験後の接合構造1を観察したところ、角形鋼管柱2の平坦面21Aに変形が生じたことによって、平坦面21Aに当接される分割ダイヤフラム31Aの柱プレート312との間に隙間が生じていた。これは、十字試験において、図5に示すように分割ダイヤフラム31Bに接合されるH形鋼梁4の上フランジ41に荷重によるモーメントによる引張偶力F1が発生したときに、角形鋼管柱2を挟んで対向する分割ダイヤフラム31Aに接合される上フランジ41には圧縮偶力F2が発生しており、分割ダイヤフラム31Bから分割ダイヤフラム31C,31Dを介して伝達された引張偶力が分割ダイヤフラム31Aに作用する圧縮偶力と同じ向きで合成された結果、分割ダイヤフラム31Aの柱プレート312から角形鋼管柱2の平坦面21Aに作用する圧縮荷重Pが過大になり、平坦面21Aに局部変形が生じたものと考えられる。 Observation of the joint structure 1 after the cross test revealed that the flat surface 21A of the square steel pipe column 2 was deformed, resulting in a gap between the split diaphragm 31A and the column plate 312, which abuts on the flat surface 21A. was This is because, in a cross test, when a tensile couple F1 due to a moment due to a load is generated in the upper flange 41 of the H-shaped steel beam 4 joined to the split diaphragm 31B as shown in FIG. A compression couple F2 is generated in the upper flange 41 joined to the opposing split diaphragm 31A at , and a tensile couple transmitted from the split diaphragm 31B via the split diaphragms 31C and 31D acts on the split diaphragm 31A. As a result of combining in the same direction as the compression couple, the compressive load P acting on the flat surface 21A of the square steel pipe column 2 from the column plate 312 of the split diaphragm 31A became excessive, and local deformation occurred in the flat surface 21A. Conceivable.

そこで、本発明者らは、上記のような局部変形を考慮した角形鋼管柱2の全塑性耐力を評価する手法について検討した。例えば大きな地震荷重が作用した場合にH形鋼梁4が角形鋼管柱2よりも先に降伏して塑性化することによって、角形鋼管柱2の塑性化を防止または低減し、地震時における構造物の倒壊を阻止することができるが、このような設計をする際に角形鋼管柱2の全塑性耐力を局部変形を考慮して評価することによって、H形鋼梁4の降伏前には角形鋼管柱2に局部変形が生じず、従って図3のグラフに示されたようなスリップ型の挙動が生じないことによって、地震のエネルギーを接合構造1において十分に吸収することができる。 Therefore, the present inventors studied a technique for evaluating the total plastic strength of the rectangular steel pipe column 2 in consideration of the local deformation as described above. For example, when a large seismic load acts, the H-shaped steel beam 4 yields and plasticizes before the square steel pipe column 2, thereby preventing or reducing the plasticization of the square steel pipe column 2. However, by evaluating the total plastic yield strength of the square steel pipe column 2 in consideration of local deformation in such a design, the square steel pipe before yielding the H-shaped steel beam 4 The absence of local deformation of the column 2 and therefore of the slip-type behavior shown in the graph of FIG.

(局部変形による角形鋼管の全塑性耐力評価)
検討にあたり、まず、面外圧縮力のみを考慮して局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力を評価する。図6に、角形鋼管柱2の局部変形部分をモデル化して示す。図6に示されたモデルは、対称性を考慮し、平坦面21Aの幅方向の1/2、かつ平坦面21Aと分割ダイヤフラム31Aとが接触する領域の長さ方向の1/2の領域Rとそれに隣接する平坦面21Aおよび円柱面22を含む。ここで、図1に示された例では外ダイヤフラム3が上側外ダイヤフラム3Aと下側外ダイヤフラム3Bとを含むが、領域Rは、上側外ダイヤフラム3Aに含まれる分割ダイヤフラム31Aと平坦面21Aとが接触する領域の長さ方向の1/2の領域である。領域Rには、例えば図5に示したような状況において、図6に矢印で示す向きに圧縮荷重Pが作用する。
(Total plastic yield strength evaluation of square steel pipe by local deformation)
In the study, first, the total plastic yield strength of the rectangular steel pipe column 2 due to local deformation is evaluated by considering only the out-of-plane compressive force. FIG. 6 shows a model of a locally deformed portion of the square steel pipe column 2 . In the model shown in FIG. 6, taking symmetry into account, the area R is half the width of the flat surface 21A and half the length of the contact area between the flat surface 21A and the split diaphragm 31A. and a flat surface 21A and a cylindrical surface 22 adjacent thereto. Here, in the example shown in FIG. 1, the outer diaphragm 3 includes the upper outer diaphragm 3A and the lower outer diaphragm 3B. It is half the length of the area of contact. In the situation shown in FIG. 5, for example, a compressive load P acts on the region R in the direction indicated by the arrow in FIG.

図6に示されたモデルにおいて、降伏線は、角形鋼管柱2の板厚中心を通り、平坦面21Aと円柱面22との境界、および円柱面22の中間点に設定されている。角形鋼管柱2の板厚をtとすると、円柱面22の外側半径は2.5t、円柱面22を通る降伏線の半径(円柱面22の板厚中心部断面の半径)rは2.0tである。図6には、降伏線を示す実線と、それ以外の部材位置を示す破線と、これらの線の節点A~Kとが示されている。 In the model shown in FIG. 6, the yield line passes through the plate thickness center of the square steel pipe column 2 and is set at the boundary between the flat surface 21A and the cylindrical surface 22 and the midpoint of the cylindrical surface 22. Assuming that the plate thickness of the square steel pipe column 2 is t, the outer radius of the cylindrical surface 22 is 2.5t, and the radius of the yield line passing through the cylindrical surface 22 (the radius of the cross section at the center of the plate thickness of the cylindrical surface 22) r is 2.0t. is. FIG. 6 shows a solid line indicating the yield line, a broken line indicating the positions of other members, and nodes A to K of these lines.

上記のようなモデルにおいて、領域R(領域ABFE)がY方向に-δだけ変位する場合を考える。分割ダイヤフラム31Aに隣接する分割ダイヤフラム31C(または分割ダイヤフラム31D)の柱プレート312による拘束を考慮によって、降伏線DHにX方向の変位は生じないものとする。この場合において、各降伏線の長さが変化せず、節点での回転が生じると仮定した場合、各降伏線の単位モーメント、長さ、および回転角の増分は、表1に示すように求められる。表1において、mpfは角形鋼管柱2の平坦面21Aにおける単位長さあたりの全塑性モーメント、mpcは角形鋼管柱2の円柱面22における単位長さあたりの全塑性モーメントであり、それぞれ以下の式(1)および式(2)によって算出される。なお、σyfは平坦面21Aの降伏点または耐力(設計においては基準強度に置き換える)、σycは円柱面22の降伏点または耐力(設計においては基準強度に置き換える)である。また、図6に示されるように、長さdは平坦面21Aの幅の1/2、長さbは平坦面21Aと分割ダイヤフラム31Aとが接触する領域Rの長さの1/2、長さcは角形鋼管柱2の局部変形による形状変化部分の長さ、rは円柱面22の断面半径である。 In the above model, consider a case where the region R (region ABFE) is displaced by −δ in the Y direction. Considering the restraint by the column plate 312 of the divided diaphragm 31C (or the divided diaphragm 31D) adjacent to the divided diaphragm 31A, the yield line DH is not displaced in the X direction. In this case, assuming that the length of each yield line does not change and rotation at the node occurs, the unit moment, length, and rotation angle increments of each yield line are obtained as shown in Table 1. be done. In Table 1, mpf is the total plastic moment per unit length on the flat surface 21A of the square steel pipe column 2, and mpc is the total plastic moment per unit length on the cylindrical surface 22 of the square steel pipe column 2. is calculated by the formulas (1) and (2) of σyf is the yield point or proof stress of the flat surface 21A (replaced with reference strength in design), and σyc is the yield point or proof stress of the cylindrical surface 22 (replaced with reference strength in design). Further, as shown in FIG. 6, the length d is 1/2 the width of the flat surface 21A, the length b is 1/2 the length of the region R where the flat surface 21A and the split diaphragm 31A contact, and the length The length c is the length of the shape-changed portion due to the local deformation of the square steel pipe column 2 , and the r is the cross-sectional radius of the cylindrical surface 22 .

Figure 0007202949000003
Figure 0007202949000003

Figure 0007202949000004
Figure 0007202949000004

ここで、接合構造についてのFEM解析の結果から、角形鋼管柱2に局部変形が生じた場合、主に降伏するのは平坦面21Aと円柱面22との境界、および円柱面22の中間点の降伏線(図6に太線で示す降伏線BF,CG,DH)である。そこで、この3つの降伏線以外には塑性変形が生じないと仮定してモデルを単純化し、表1の値を用いて内力仕事と外力仕事とのつり合いより面外圧縮力のみを考慮すると、局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLp0は以下の式(3)のように算出される。 Here, from the results of the FEM analysis of the joint structure, when local deformation occurs in the square steel pipe column 2, the yield mainly occurs at the boundary between the flat surface 21A and the cylindrical surface 22 and at the intermediate point of the cylindrical surface 22. Yield lines (yield lines BF, CG, DH indicated by thick lines in FIG. 6). Therefore, if we simplify the model by assuming that plastic deformation does not occur outside of these three yield lines, and consider only the out-of-plane compressive force rather than the balance between the internal and external work using the values in Table 1, local The total plastic yield strength calculation value CL P p0 of the square steel pipe column 2 due to deformation is calculated as in the following equation (3).

Figure 0007202949000005
Figure 0007202949000005

(組み合わせ応力を考慮した角形鋼管の全塑性耐力評価)
次に、曲げモーメントと軸力との組み合わせ応力を考慮して角形鋼管柱2の全塑性耐力を評価する。接合構造についてのFEM解析の結果から、角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLは、せん断スパンSR(角形鋼管柱2の長さをL、外径をDとして、SR=L/2D)が大きいと角形鋼管柱2の全塑性曲げ耐力計算値CCに収束し、SRが小さい範囲ではそれとは異なる値に収束する。ここで、SRが小さい場合は角形鋼管柱2に曲げがほとんど生じないことから、上記の収束値は式(3)で算出された局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLp0に対応するものと考えられる。従って、組み合わせ応力を考慮した局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLは、式(4)のようにCLp0およびCCとの相関式で表され、これをCLの式に書き換えると式(5)になる。なお、式(4)および式(5)では、せん断応力は角形鋼管柱2の側面(平坦面21C,21D)で負担されるため局部変形への影響は小さいと考え、全塑性曲げ耐力計算値CCのみを対象とした。
(Evaluation of total plastic yield strength of square steel pipe considering combined stress)
Next, the total plastic strength of the rectangular steel pipe column 2 is evaluated in consideration of the combined stress of bending moment and axial force. From the results of the FEM analysis of the joint structure, the total plastic yield strength calculation value CL P p of the square steel pipe column 2 is the shear span SR (where L is the length of the square steel pipe column 2 and D is the outer diameter, SR = L / 2D ) is large, it converges to the total plastic bending yield strength calculation value CC P p of the square steel pipe column 2, and converges to a different value in the range where SR is small. Here, when the SR is small, bending hardly occurs in the square steel pipe column 2. Therefore, the above convergence value is the total plastic yield strength calculated value CL P p0 of the square steel pipe column 2 due to local deformation calculated by the formula (3). is considered to correspond to Therefore, the total plastic strength calculated value CL P p of the square steel pipe column 2 due to local deformation in consideration of the combined stress is expressed by a correlation equation with CL P p0 and CC P p as shown in Equation (4) . Rewriting the equation of P p results in equation (5). In formulas (4) and (5), since the shear stress is borne by the side surfaces (flat surfaces 21C and 21D) of the square steel pipe column 2, it is considered that the effect on local deformation is small. Only CC P p was considered.

Figure 0007202949000006
Figure 0007202949000006

ここで、角形鋼管柱2の全塑性曲げ耐力計算値CCは、例えば以下の式(6)を用いて算出することができる。式(6)において、Zは角形鋼管柱2の塑性断面係数、Lは角形鋼管柱2の長さ、Bは角形鋼管柱2の幅、nは軸力比である。ここで、軸力は全塑性曲げ耐力を低減させるものとして考慮されている。 Here, the total plastic bending strength calculated value CC P p of the square steel pipe column 2 can be calculated using the following equation (6), for example. In Equation (6), Zp is the plastic section modulus of the square steel pipe column 2, L is the length of the square steel pipe column 2, B is the width of the square steel pipe column 2, and n is the axial force ratio. Here, the axial force is taken into account as reducing the total plastic bending strength.

Figure 0007202949000007
Figure 0007202949000007

図7Aから図7Iは、角形鋼管柱の全塑性耐力の計算値と解析値とを示すグラフである。径厚比D/tが33,25,19の3通り、軸力比nが0,0.3,0.5の3通りの合計9通りのケースについて比較した結果、いずれの場合も、上記の式(5)で算出された角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLは、せん断スパンSRが小さい範囲では式(3)で算出された局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLp0に漸近し、SRが大きい範囲では角形鋼管柱2の全塑性曲げ耐力計算値CCに漸近するという、角形鋼管柱2の全塑性耐力解析値の傾向をよく捉えている。グラフに示された各例におけるCLは0.96~1.22である。 7A to 7I are graphs showing calculated values and analytical values of the total plastic yield strength of square steel pipe columns. As a result of comparing a total of nine cases of three cases of diameter-thickness ratio D/t of 33, 25, and 19, and three cases of axial force ratio n of 0, 0.3, and 0.5, in all cases, the above In the range where the shear span SR is small, the calculated total plastic yield strength of the square steel pipe column 2 calculated by the formula (5) is equal to the total plastic yield strength of the square steel pipe column 2 due to the local deformation calculated by the formula (3). The tendency of the total plastic strength analysis value L P p of the square steel pipe column 2, which is asymptotic to the calculated value CL P p0 and, in the range where SR is large, to the total plastic bending strength calculation value CC P p of the square steel pipe column 2, is well understood. catch. The L P p / CL P p in each example shown in the graph is between 0.96 and 1.22.

以上で説明したような角形鋼管の全塑性耐力評価の結果は、原理的には荷重Pを3点曲げ試験の中央荷重として整理したものである。なお、角形鋼管柱2の全塑性曲げ耐力計算値CCは、全塑性モーメント計算値を載荷重治具の材軸方向長さBの範囲で等分布荷重が生じているものとして計算している。これを実設計に適用するにあたっては、角形鋼管柱2およびH形鋼梁4の挙動を考慮する必要があるため、以下のように接合構造(柱梁架構)の節点モーメントとして整理する。まず、局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLp0が発生したときの節点モーメント計算値CLp0を定義する。節点モーメント計算値CLp0は、図5に示した偶力F1,F2の合計が局部変形による全塑性耐力計算値CLp0に等しくなったとき(F1+F2=CLp0)に発生する。なお、他の例で、角形鋼管柱2の片側のみにH形鋼梁4が接合される場合、節点モーメント計算値CLp0は、H形鋼梁4から受ける圧縮力F1が局部変形による全塑性耐力計算値CLp0に等しくなったとき(F1=CLp0)に発生する。 In principle, the results of the total plastic yield strength evaluation of square steel pipes as described above are obtained by arranging the load P as the central load of the three-point bending test. In addition, the total plastic bending yield strength calculation value CC P p of the square steel pipe column 2 is calculated assuming that the total plastic moment calculation value is uniformly distributed within the range of the material axial length B of the loading jig. . When applying this to the actual design, it is necessary to consider the behavior of the square steel pipe column 2 and the H-shaped steel beam 4, so the joint structure (column-beam frame) is arranged as the nodal moment as follows. First, the nodal moment calculated value CL M p0 when the total plastic strength calculated value CL P p0 of the square steel pipe column 2 due to local deformation occurs is defined. The nodal moment calculated value CL M p0 is generated when the sum of the force couple F1 and F2 shown in FIG. In another example, when the H-section steel beam 4 is joined only to one side of the square steel pipe column 2, the nodal moment calculated value CL M p0 is the total compression force F1 received from the H-section steel beam 4 due to local deformation. Occurs when the plastic strength is equal to the calculated value CL P p0 (F1= CL P p0 ).

さらに、組み合わせ応力を考慮した角形鋼管の全塑性耐力評価について説明したように、角形鋼管柱2の全塑性耐力解析値は、せん断スパンSRが大きいと角形鋼管柱2の全塑性曲げ耐力計算値CCに収束し、SRが小さい範囲では局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLp0に収束する。曲げモーメントおよび軸力との組合せ応力を考慮した局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力に対応する節点モーメント計算値CLについても同様に、せん断スパンSRが大きいと角形鋼管柱2の全塑性モーメントに対応する節点モーメントCCに収束し、SRが小さい範囲ではCLp0に対応する節点モーメント計算値CLp0に収束する。従って、組み合わせ応力を考慮した節点モーメント計算値CLは、以下の式(7)のようにCLp0およびCCとの相関式で表され、これをCLの式に書き換えると式(8)になる。 Furthermore, as explained in the evaluation of the total plastic yield strength of the square steel pipe considering the combined stress, the total plastic yield strength analysis value L Pp of the square steel pipe column 2 is the total plastic bending yield strength of the square steel pipe column 2 when the shear span SR is large It converges to the calculated value CC P p , and in the range where SR is small, converges to the total plastic strength calculated value CL P p0 of the rectangular steel pipe column 2 due to local deformation. Similarly, for the nodal moment calculation value CL M p corresponding to the total plastic strength of the square steel pipe column 2 due to local deformation in consideration of the combined stress with the bending moment and the axial force, if the shear span SR is large, the total stress of the square steel pipe column 2 It converges to the nodal moment CC M p corresponding to the plastic moment, and converges to the calculated nodal moment CL M p0 corresponding to CL P p0 in the range where SR is small. Therefore, the nodal moment calculation value CL M p that considers the combined stress is represented by a correlation formula with CL M p0 and CC M p as shown in the following formula (7) . Equation (8) is obtained.

Figure 0007202949000008
Figure 0007202949000008

本実施形態に係る接合構造1において、H形鋼梁4の全塑性耐力に対応する節点モーメントが式(8)を用いて算出された節点モーメント計算値CLよりも小さくなるように角形鋼管柱2およびH形鋼梁4を設計することによって、上述したように例えば大きな地震荷重が作用した場合にH形鋼梁4を角形鋼管柱2よりも先に降伏させ、かつH形鋼梁4の降伏前には角形鋼管柱2に局部変形が生じないようにすることができる。なお、せん断スパンSRが小さい範囲ではCLが局部変形による角形鋼管柱2の節点モーメント計算値CLp0に漸近することから、CLCLp0とみなして角形鋼管柱2の全塑性耐力に対応する節点モーメントを算出してもよい。また、上記では平坦面21Aの局部変形による角形鋼管柱2の全塑性耐力計算値CLp0および節点モーメント計算値CLp0に基づいてH形鋼梁4の全塑性耐力を決定する例について説明したが、同様に全塑性耐力計算値CLp0および節点モーメント計算値CLp0に基づいて角形鋼管柱2の全塑性耐力、またはH形鋼梁4と角形鋼管柱2との間のパネルゾーンの全塑性耐力を決定してもよい。 In the joint structure 1 according to the present embodiment, the square steel pipes are arranged such that the nodal moment corresponding to the total plastic strength of the H-shaped steel beam 4 is smaller than the nodal moment calculated value CL M p calculated using the formula (8). By designing the column 2 and the H-shaped steel beam 4, for example, when a large seismic load acts as described above, the H-shaped steel beam 4 yields earlier than the square steel pipe column 2, and the H-shaped steel beam 4 It is possible to prevent local deformation from occurring in the square steel pipe column 2 before yielding. In addition, in the range where the shear span SR is small, CL M p asymptotically approaches the nodal moment calculation value CL M p0 of the square steel pipe column 2 due to local deformation . A nodal moment corresponding to the plastic strength may be calculated. In the above description, an example of determining the total plastic yield strength of the H-beam 4 based on the total plastic yield strength calculated value CL P p0 and the nodal moment calculated value CL M p0 of the square steel pipe column 2 due to the local deformation of the flat surface 21A will be described. However, similarly, based on the total plastic strength calculation value CL P p0 and the nodal moment calculation value CL M p0 , the total plastic strength of the square steel pipe column 2 or the panel zone between the H-beam 4 and the square steel pipe column 2 may determine the total plastic yield strength of

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can conceive of various modifications or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. It is understood that these also naturally belong to the technical scope of the present invention.

1…接合構造、2…角形鋼管柱、21A~21D…平坦面、22…円柱面、3…外ダイヤフラム、3A…上側外ダイヤフラム、3B…下側外ダイヤフラム、31A~31D…分割ダイヤフラム、311…梁プレート、312…柱プレート、313…締結プレート、314…ボルト、315…ナット、4…H形鋼梁、41…上フランジ、42…ウェブ、43…下フランジ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Joining structure 2... Square steel pipe column 21A to 21D... Flat surface 22... Cylindrical surface 3... Outer diaphragm 3A... Upper outer diaphragm 3B... Lower outer diaphragm 31A to 31D... Divided diaphragm 311... Beam plate, 312... Column plate, 313... Fastening plate, 314... Bolt, 315... Nut, 4... H-shaped steel beam, 41... Upper flange, 42... Web, 43... Lower flange.

Claims (5)

互いに対向する第1および第2の平坦面、前記第1および第2の平坦面に直交し互いに対向する第3および第4の平坦面、ならびに前記第1から第4の平坦面のそれぞれの間にある円柱面を側面に含む角形鋼管柱と、
前記第1から第4の平坦面にそれぞれ当接される第1から第4の分割ダイヤフラムを含み、前記第1から第4の分割ダイヤフラムが平面視において前記角形鋼管柱を囲むように配置されるとともに前記平坦面に接触圧を作用させるように互いに締結されることによって構成される外ダイヤフラムと、
少なくとも前記第1の分割ダイヤフラムに接合される梁と
を備える接合構造の設計方法であって、
前記第1の平坦面の局部変形による前記角形鋼管柱の全塑性耐力計算値CLp0を評価する工程と、
前記全塑性耐力計算値CLp0が発生したときの節点モーメント計算値CLp0に基づいて前記梁の全塑性耐力、前記角形鋼管柱の全塑性耐力、または前記梁と前記角形鋼管柱との間のパネルゾーンの全塑性耐力の少なくともいずれかを決定する工程と
を含む、接合構造の設計方法。
first and second flat surfaces facing each other, third and fourth flat surfaces perpendicular to the first and second flat surfaces and facing each other, and between each of the first to fourth flat surfaces A rectangular steel pipe column including a cylindrical surface on the side at
It includes first to fourth divided diaphragms that abut on the first to fourth flat surfaces, respectively, and the first to fourth divided diaphragms are arranged so as to surround the square steel pipe column in plan view. an outer diaphragm configured by being fastened together to exert contact pressure on the flat surface with
A beam joined to at least the first split diaphragm, and a joint structure designing method comprising:
Evaluating the calculated total plastic yield strength CL P p0 of the square steel pipe column due to the local deformation of the first flat surface;
Based on the nodal moment calculated value CL M p0 when the total plastic strength calculated value CL P p0 occurs, the total plastic strength of the beam, the total plastic strength of the square steel pipe column, or the relationship between the beam and the square steel pipe column and determining at least one of the total plastic strength of inter-panel zones.
前記全塑性耐力計算値CLp0が発生したときの節点モーメント計算値CLp0よりも小さくなるように、前記梁の全塑性耐力、前記角形鋼管柱の全塑性耐力、または前記梁と前記角形鋼管柱との間のパネルゾーンの全塑性耐力の少なくともいずれかを決定する、請求項1に記載の接合構造の設計方法。 The total plastic yield strength of the beam, the total plastic yield strength of the square steel pipe column, or the beam and the square shape so as to be smaller than the nodal moment calculation value CL M p0 when the total plastic yield strength calculated value CL P p0 occurs. 2. The method of designing a joint structure according to claim 1, wherein at least one of the total plastic strength of the panel zone between the steel pipe column is determined. 前記全塑性耐力計算値CLp0を、前記第1の平坦面と前記第1の分割ダイヤフラムとが接触する領域の1/2の長さb、前記円柱面の板厚中心部断面の半径r、および前記円柱面における単位長さあたりの全塑性モーメントmpcを用いて式(i)によって算出する、請求項1または請求項2に記載の接合構造の設計方法。
Figure 0007202949000009
The total plastic strength calculated value CL P p0 is the half length b of the region where the first flat surface and the first split diaphragm contact, the radius r of the thickness center section of the cylindrical surface , and a total plastic moment mpc per unit length on the cylindrical surface, which is calculated by formula (i).
Figure 0007202949000009
前記節点モーメント計算値CLp0に基づいて、曲げモーメントと軸力との組み合わせ応力を考慮した局部変形による前記角形鋼管柱の全塑性耐力に対応する節点モーメント計算値CLを、前記角形鋼管柱の全塑性曲げ耐力計算値に対応する節点モーメントCCを用いて式(ii)によって算出し、前記節点モーメント計算値CLに基づいて前記梁の全塑性耐力、前記角形鋼管柱の全塑性耐力、または前記梁と前記角形鋼管柱との間のパネルゾーンの全塑性耐力の少なくともいずれかを決定する、請求項3に記載の接合構造の設計方法。
Figure 0007202949000010
Based on the nodal moment calculated value CL M p0 , the nodal moment calculated value CL M p corresponding to the total plastic strength of the square steel pipe column due to local deformation considering the combined stress of the bending moment and the axial force is calculated as the square steel pipe. Calculated by formula (ii) using the nodal moment CC M p corresponding to the total plastic bending strength calculation value of the column, and based on the nodal moment calculated value CL M p , the total plastic strength of the beam, the square steel pipe column 4. The method of designing a joint structure according to claim 3, wherein determining at least one of a total plastic strength or a total plastic strength of a panel zone between the beam and the square steel column.
Figure 0007202949000010
前記接合構造は、前記第2、第3または第4の分割ダイヤフラムの少なくともいずれかに接合される梁をさらに備える、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の接合構造の設計方法。 The joint structure design method according to any one of claims 1 to 4, wherein the joint structure further comprises a beam joined to at least one of the second, third, or fourth split diaphragms. .
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