JP7423419B2 - 鉄骨梁の設計方法 - Google Patents
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これらの鉄骨梁端のウェブを補強する補強部材(鉄骨梁端補強部材とする)を設ける鉄骨梁端ウェブ補強工法と、貫通孔回りを補強する補強部材(貫通孔補強部材とする)を設ける鉄骨梁貫通孔補強工法とは、それぞれ独立して設計される。
図1および図2に示すように、本実施形態による鉄骨梁1は、H型鋼で、上フランジ2、下フランジ3およびウェブ4を有している。図1では、鉄骨梁1の長さ方向の一方の端部近傍11(鉄骨梁1における長さ方向の一方の端部1aから中央に向かった所定の範囲)を示している。鉄骨梁1の端部1aは、柱12に接合されている。鉄骨梁1の端部1a近傍には、ハンチ13が形成されている。
上側スチフナ51および下側スチフナ52は、ウェブ4の長さ方向の両側の端部近傍41にそれぞれ設けられている。
ウェブの等価幅厚比の検討では、図2に示すウェブ4における上側スチフナ51の上側の領域45(外側サブパネル45とする)、ウェブ4における下側スチフナ52の下側の領域46(外側サブパネル46とする)、およびウェブ4における上側スチフナ51と下側スチフナ52との間の領域47(内側サブパネル47とする)それぞれの等価幅厚比を検討する。本実施形態では、外側サブパネル45のせいd、外側サブパネル46のせいd、内側サブパネル47のせいdの比率は、1:2:1としている。
等価幅厚比は、等価幅厚比の算定方法(星川努、原田幸博:ウェブを軸方向スチフナで補強したH形鋼梁の塑性変形能力、鋼構造論文集、第20巻、第80号、p.19-32、2013.12)を準用し、下式(1)-(4)を用いて算定する。算定した等価幅厚比が鉄骨梁として必要な幅厚比制限を満足するように設計する。図3(a)に(鋼構造設計基準に示された圧縮応力度分布係数を示し、図3(b)に本実施形態の圧縮応力度分布係数を示す。
なお、スチフナがウェブの片側に対して1つのみ設けられている場合は、ウェブにおけるスチフナの上側の領域、およびウェブにおけるスチフナの下側の領域のそれぞれの等価幅厚比を検討し、大きい等価幅厚比を採用して幅厚比制限の照査を行う。また、スチフナがウェブの片側に対して3つ以上設けられている場合は、ウェブにおける一番上のスチフナの上側の領域、およびウェブにおける一番下のスチフナの下側の領域、ウェブにおける上下に並んだスチフナの間の領域のそれぞれの等価幅厚比を検討し、大きい等価幅厚比を採用して幅厚比制限の照査を行う。
スチフナ51,52を設ける長さ寸法(補剛長さle、図1参照)および設置位置は、鉄骨梁の設計用モーメント分布に応じて設定する。図4に示すように、鉄骨梁1におけるスチフナ51,52が設けられている部分の端部71(補剛端部)の設計用モーメントM´Dに対して、鉄骨梁1におけるスチフナ51,52が設けられていない部分の梁断面の局部座屈限界耐力Mcが上回ることを確認する。ここで、局部座屈限界耐力は、「日本建築学会:鋼構造限界状態設計指針」に基づき算定する。薄肉化したウェブ4について着目すると、局部座屈限界耐力は、下式(5)-(7)を用いて算定する。
スチフナの必要剛性は、「日本建築学会:鋼構造設計規準」に基づき検討する。スチフナの断面2次半径i(ウェブ面を主軸として算定)が、下式(8)-(12)を用いて算定した値以上であることを確認する。
ウェブにおけるスチフナが設けられていない区間(以下、無補剛区間とする)におけるせん断座屈による崩壊についてせん断余裕度に着目して検討を行う。ここで、せん断余裕度とは、ウェブのせん断耐力Qwと鉄骨梁の端部が全塑性モーメントに達するときの鉄骨梁に作用するせん断力Qpの比であるQw/Qpとして表現できる。鉄骨梁の耐力上昇の影響を考慮し、ウェブの無補剛区間においてせん断余裕度が1.29以上を確保できるように設計する。ウェブのせん断耐力Qwは、下式(13)を用いて算定する。図5に、せん断余裕度、塑性変形倍率および補剛長さの関係を示すグラフを示す。
上記のように設計されたスチフナは、貫通孔(貫通孔補強部材)と干渉しない場合には、上記のスチフナの補剛長さおよび設置位置を採用する。スチフナと貫通孔とが干渉する場合は、貫通孔の芯からウェブの長さ方向の一方側に向かう貫通孔補強部材の内径φの1.5倍の(1.5φ)長さ範囲でスチフナを省略することが可能である。図6に、スチフナ51,52の省略可能範囲53、スチフナ51,52の省略された部分511,521を示す。
上記の本実施形態による鉄骨梁の設計方法では、スチフナ51,52と貫通孔43とが干渉する場合は、貫通孔43の芯からウェブ4の長さ方向の一方側に向かう貫通孔補強部材6の内径φの1.5倍の(1.5φ)長さ範囲でスチフナ51,52を省略することが可能である。これにより、貫通孔43をスチフナ51,52と干渉しないように設けることができるとともに、貫通孔43のサイズの制限が限定されず設計の自由度を高めることができる。
実験では、図10に示す試験体No.C-1、試験体No.C-3、試験体No.D-1、試験体No.D-2の計4体の試験体を用いた。図11-14に示すように、4つの試験体は、それぞれ同じH形鋼を使用しており、ウェブ4の片側に上下2つのスチフナ51,52が接合され、それぞれ貫通孔43が形成されている。試験体No.C-1および試験体No.C-3には、鉄骨梁の長さ方向に間隔をあけて3つの貫通孔43が形成され。試験体No.D-1および試験体No.D-2には、鉄骨梁の長さ方向に間隔をあけて2つの貫通孔43が形成されている。4つの試験体は、それぞれ貫通孔43の縁部に貫通孔補強部材6が設けられている。
試験体No.C-1および試験体No.C-3は、いずれも梁長さが2112mmで、貫通孔補強部材6の内径が192mmである。
試験体No.D-1および試験体No.D-2は、いずれも梁長さが3312mmで、貫通孔補強部材6の内径が288mmである。
図16に試験体No.C-1および試験体No.C-3の加力装置図81を示し、図17に試験体No.D-1および試験体No.D-2の加力装置図82を示す。加力は、2000kN串型ジャッキを用いて静的載荷を行う。荷重の計測は、ジャッキに取り付けたロードセルを用いる。4つの試験体それぞれの変形は、図18に示す試験体における位置の変位を変位計により計測する。試験体軸心の加力点における水平変位(d1、d2)、エンドプレートの水平変位(d3~d6)および鉛直変位(d7~d10)を計測する。
図19には、塑性変形能力の評価手法を示す。
(試験体No.C-1)
図22-図25に示すように、試験体No.C-1は、4θpまでは安定した履歴性状を示す。+6θpの1サイクル目で鉄骨梁端部のフランジおよび、ウェブにおけるスチフナが設けられている区間(以下、スチフナ補剛区間)の局部座屈が顕著に確認され、耐力は低下した。終局時の変形性状は、ハンチ拡幅開始部におけるフランジの局部座屈およびウェブのスチフナ補剛区間のせん断型の局部座屈が確認された。
図26-図29に示すように、試験体No.C-3は、-4θpの1サイクル目にスチフナ間でウェブの局部座屈が発生した。+4θpの2サイクル目にスチフナ間のウェブの局部座屈の影響を受けて耐力低下が確認された。+6θpの1サイクル目の載荷途中に局部座屈が進展し、耐力上昇が期待できないため+6θpの1サイクル目の途中で載荷を終了した。
図30-図33に示すように、試験体No.D-1は、+4θpの2サイクル目で鉄骨梁端部のフランジの局部座屈に伴う耐力低下が発生した。このとき、全体座屈モードの影響による鉄骨梁のねじれも確認された。+6θpの1サイクル目の2θpを超えたところで全体座屈モードが顕著に表れ、貫通孔補強付近のフランジの変形が急速に進展したため+6θpの1サイクル目の途中で載荷を終了した。
図34-図37に示すように、試験体No.D-2は、4θpの1サイクル目で鉄骨梁端側の貫通孔補強部材付近のフランジに局部座屈が発生した。4θpの2サイクル目で鉄骨梁端側の貫通孔補強部材付近のフランジの局部座屈に伴う耐力低下が発生した。+6θpの1サイクル目の載荷途中に鉄骨梁端側の貫通孔補強部材付近のフランジとスチフナ補剛区間のウェブの局部座屈が急速に進展し、耐力上昇も期待できないため+6θpの1サイクル目の途中で載荷を終了した。
例えば、上記の実施形態では、ウェブ4の片側のみにスチフナ51,52が設けられているが、ウェブ4の両側にスチフナ51,52が設けられていてもよい。また、スチフナ51,52が設けられる位置や向き、スチフナ51,52の数は適宜設定されてよい。
上記の実施形態では、ウェブ4の片側のみに貫通孔補強部材6が設けられているが、ウェブ4の両側に貫通孔補強部材6が設けられていてもよい。
1a 端部
4 ウェブ
5 貫通孔補強部材(第2補強部材)
4a 端部
41 端部近傍
43 貫通孔
51,52 スチフナ(第1補強部材)
Claims (1)
- ウェブの長さ方向の端部近傍に、前記ウェブを厚さ方向に貫通する貫通孔が形成され、
前記ウェブの座屈を防止する第1補強部材と、
前記貫通孔による前記ウェブの耐力低下を防止する第2補強部材と、が設けられ、
前記第1補強部材は、前記ウェブの長さ方向に延び、前記ウェブの長さ方向の端部近傍かつ前記貫通孔よりも前記ウェブの長さ方向の端部側における前記ウェブの高さ方向の中間部に接合され、
前記第2補強部材は、リング状に形成され、前記貫通孔の縁部に沿って接合された鉄骨梁の設計方法において、
前記ウェブにおける前記第1補強部材の上側の等価幅厚比および前記第1補強部材の下側の等価幅厚比それぞれが、必要となる前記ウェブの幅厚比の条件を満たし、
前記鉄骨梁における前記第1補強部材が設けられる部分の設計用モーメントが、前記鉄骨梁における前記第1補強部材が設けられない部分の局部座屈限界耐力よりも大きくなるように前記第1補強部材の長さ寸法および前記第1補強部材を設置する範囲を設定し、
前記ウェブにおける前記第1補強部材が設けられない部分のせん断余裕度が1.29以上となるように設計し、
前記貫通孔の芯から前記ウェブの長さ方向の端部側に向かう前記第2補強部材の内径寸法の1.5倍の長さ範囲において、前記第1補強部材の設置を部分的に省略可能に構成されていることを特徴とする鉄骨梁の設計方法。
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小澤祐周,牛坂伸也,久保山寛之,石井大吾,向出静司,スチフナ補剛した薄肉ウェブ鉄骨大梁の塑性変形性能に関する実験的研究 その1 実験計画,日本建築学会大会学術講演梗概集,日本,一般社団法人日本建築学会,2019年09月,第1031-1032頁 |
石井大吾,小澤祐周,牛坂伸也,久保山寛之,向出静司,スチフナ補剛した薄肉ウェブ鉄骨大梁の塑性変形性能に関する実験的研究 その2 実験結果,日本建築学会大会学術講演梗概集,日本,一般社団法人日本建築学会,2019年09月,第1033-1034頁 |
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