JP7487868B2 - 鋼材接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、Ｈ形鋼またはＩ形鋼等の鋼材同士を接合するための鋼材接合構造に関する。

フランジとウェブを備える鋼材（例えば、Ｈ形鋼やＩ形鋼等）同士を軸方向に連結する場合には、鋼材の端面同士を突き合せた状態で、両鋼材にまたがって配設されたスプライスプレートを利用して摩擦接合を行うのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

鋼材同士の摩擦接合は、スプライスプレートによりフランジまたはウェブを両面から挟んだ状態で、高力ボルトで締め付けることにより鋼材とスプライスプレートとの当接面で生じる摩擦力によって応力を伝達する。

特開２００１－１２３５２７号公報

摩擦接合では、摩擦力により接合部におけるズレを抑制している。よって、ボルト孔径よりボルト径が小さくクリアランスがあっても性能上、問題ないので施工誤差を考慮した大きめのクリアランスで施工しているので施工上も問題はない。
一方、ボルト剪断接合では、複数のボルトを用いて鋼材同士を接合する場合、製造時の誤差を吸収可能なクリアランスを設けるのが一般的であるが、接合部に荷重が作用するとクリアランス分のズレが生じて建物に有害な変形が生じてしまうので重要な接合部に使用することは避けられている。

また、高力ボルトおよびボルト接合以外の鋼材同士の接合方法としては、溶接を行う場合もあるが、鋼材の接合部全周にわたって溶接するには手間がかかるとともに、溶接によって鋼材同士を一体に接合するには高度な技術が必要となる。

本発明は、フランジとウェブとを備える鋼材同士を、簡易に応力の伝達が可能な状態で一体に接合することを可能とした鋼材接合構造を提案することを課題とする。

このような課題を解決する本発明は、端面同士を対向させたＨ形鋼またはＩ形鋼からなる一対の鋼材を接合する鋼材接合構造であって、前記鋼材のフランジのウェブ側の面に沿って前記ウェブを挟んで両側に配設された一対の連結プレートを備え、一方の前記連結プレートは一方の前記鋼材の前記フランジと前記ウェブに溶接されているとともに他方の前記鋼材の前記フランジにボルト接合されており、他方の前記連結プレートは他方の前記鋼材の前記フランジと前記ウェブに溶接されているとともに一方の前記鋼材の前記フランジにボルト接合されている。

かかる鋼材接合構造によれば、連結プレートと一方の鋼材との間では、フランジとウェブに溶接しているため、鋼材（Ｈ形鋼等）の１／２程度の強度を連結プレートに伝達することができ、他方の鋼材（Ｈ形鋼等）と連結プレートとの間は、ボルトを介して力の伝達が可能となっている。ウェブを挟んで両側に配設された連結プレートは、互い違いに配設されているため、両鋼材に対してバランスよく応力が伝達される。

前記ウェブの一面側において上側の前記フランジの下面および下側の前記フランジの上面に沿って一方の前記連結プレートがそれぞれ配設し、前記ウェブの他面側において上側の前記フランジの下面および下側の前記フランジの上面に沿って他方の前記連結プレートがそれぞれ配設するのが望ましい。

ボルト剪断接合による前記鋼材接合構造は、前記連結プレートにボルトの軸部を螺合可能な雌ネジ部が形成されていて、前記フランジの前記雌ネジ部に対応する位置に前記ボルトの前記軸部を挿通して当該ボルトの頭部を係止可能な貫通孔が形成されており、前記頭部の外面には前記軸部に近付くにしたがって縮径する傾斜が形成されており、前記軸部には前記雌ネジ部に螺合する雄ネジ部と、前記頭部と前記雄ネジ部との間に形成された剪断変形部とが形成されていて、前記貫通孔の内面には前記頭部の傾斜と同等の傾斜面が形成されており、前記雌ネジ部の少なくとも前記剪断変形部に対応する部分の最小内径が前記剪断変形部の最大外径よりも大きいものであってもよい。

かかる鋼材接合構造によれば、貫通孔の内面にボルトの頭部を係止可能なテーパー（傾斜面）が形成されていて、この貫通孔は雄ネジ部のネジ径に対して大きな内径を有しているため、貫通孔の中心軸と雌ネジ部の中心軸との位置にズレがあったとしても雄ネジ部を雌ネジ部に螺合しやすい。ボルトは、頭部にテーパー（傾斜面）を有しているため、雌ネジ部に螺合することで、貫通孔の内面に頭部が密着する。このとき、雌ネジ部と貫通孔との位置（中心軸）のズレは、剪断変形部が所要の剪断力により剪断変形することにより吸収する。そのため、接合部に所要の剪断力より小さい外力が作用したとしても、部材同士の間にズレが生じることがない。

本発明の鋼材接合構造によれば、フランジとウェブとを備える鋼材同士を、簡易に応力の伝達が可能な状態で一体に接合することが可能となる。

本発明の実施形態に係る鋼材接合構造の一例を示す正面図である。 鋼材接合構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は縦断面図、（ｄ）は（ａ）の横断面図である。 鋼材接合構造の分解斜視図である。 （ａ）は鋼材接合構造の拡大断面図、（ｂ）はボルトの頭部を上方から望む平面図である。 接合構造の一部を示す断面図である。 本実施形態の鋼材接合構造の施工手順を示す平面図であって、（ａ）は柱の配置状況、（ｂ）は梁配設状況、（ｃ）は梁接合状況である。 他の形態に係る接合構造の一部を示す拡大断面図である。 （ａ）は他の形態に係るボルトを示す側面図、（ｂ）はボルトの頭部を上方から望む平面図である。 （ａ）はその他の形態に係るボルトを示す側面図、（ｂ）はボルトの頭部を上方から望む平面図である。

本実施形態では、図１に示すように、左右一対の柱２，２と、両柱２，２に横架された梁３とからなる梁柱架構における、柱２と梁３の接合部をズレが生じないボルト剪断接合で構成する鋼材接合構造１について説明する。

柱２は、鋼管やＨ形鋼等の鋼材からなる。柱２の側面には、梁３の接合箇所（高さ位置）に応じて、接合部材２１が一体に形成されている。接合部材２１は、梁３と同一断面の鋼材を柱２の側面に溶接することにより形成されている。本実施形態の接合部材２１は、図２（ｄ）に示すように、上下一対のフランジ２２，２２とフランジ２２同士を連結するウェブ２３とからなるＨ形鋼により構成されている。

梁３は、左右の柱２の接合部材２１の間に架け渡されている。梁３は、図２（ｂ）に示すように、上下一対のフランジ３１，３１とフランジ３１同士を連結するウェブ３２とを備えたＨ形鋼からなる。図２（ａ）および（ｂ）に示すように、梁３は、柱２の接合部材２１と、端面同士を対向させた（突き合せた）状態で接合されている（鋼材接合構造１）。鋼材接合構造１は、梁３のフランジ３１のウェブ３２側の面に沿って配設された一対の連結プレート４，４を備えている。一対の連結プレート４，４は、ウェブ３２を挟んで両側に配設されている。

ウェブ３２を挟んで対向する一対の連結プレート４，４のうちの一方の連結プレート４（第一連結プレート４ａ）は、梁３の端部において、フランジ３１とウェブ３２に基部４１が溶接されている。連結プレート４の基部４１（梁３に溶接された部分）以外の部分（突出部４２）は、図３に示すように、梁３の先端から接合部材２１側に突出している。突出部４２には、複数（本実施形態では三つ）の雌ネジ部４３，４３，４３が形成されている。図２（ｃ）に示すように、突出部４２は、雌ネジ部４３に螺合されたボルト５を介して、接合部材２１のフランジ２２にボルト接合されている。

本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、ウェブ３２（ウェブ２３）の一面側には、上下のフランジ３１，３１（２２，２２）に沿って第一連結プレート４ａが同じ向きに配設されている。すなわち、ウェブ３２の一面側に配設された連結プレート４（第一連結プレート４ａ）は、梁３の上側のフランジ３１の下面および梁３のウェブ３２の板面、または、梁３の下側のフランジ３１の上面および梁３のウェブ３２の板面に基部４１が溶接されている。

ウェブ３２を挟んで対向する一対の連結プレート４，４のうちの他方の連結プレート４（第二連結プレート４ｂ）は、図３に示すように、接合部材２１のフランジ２２とウェブ２３に基部４１が溶接されていて、突出部４２は接合部材２１の先端から梁３側に突出している。突出部４２には、複数（本実施形態では三つ）の雌ネジ部４３，４３，４３が形成されている。突出部４２は、雌ネジ部４３に螺合されたボルト５を介して、梁３のフランジ３１にボルト接合されている。

本実施形態では、図２（ａ）に示すように、ウェブ３２（ウェブ２３）の他面側には、上下のフランジ３１，３１（フランジ２２，２２）に沿って第二連結プレート４ｂが同じ向きに配設されている。すなわち、ウェブ２３の他面側に配設された連結プレート４は、接合部材２１の上側のフランジ２２の下面および接合部材２１のウェブ２３の板面、または、接合部材２１の下側のフランジ２２の上面および接合部材２１のウェブ２３の板面に溶接されている。

図３および図４（ａ）に示すように、梁３のフランジ３１には、連結プレート４（第二連結プレート４ｂ）の雌ネジ部４３に対応する位置に貫通孔６が形成されている。貫通孔６は、ボルト５の軸部５２を挿通し、当該ボルト５の頭部５１を収納した状態で係止可能な形状を有している。

また、図２（ｃ）、図３および図４（ａ）に示すように、接合部材２１のフランジ２２にも、連結プレート４（第一連結プレート４ａ）の雌ネジ部４３に対応する位置に貫通孔６が形成されている。貫通孔６は、ボルト５の軸部５２を挿通し、当該ボルト５の頭部５１を収納した状態で係止可能な形状を有している。貫通孔６の最小内径は、ボルト５の軸部５２の最大外径よりも大きい。

図４（ａ）に示すように、貫通孔６の内面には、傾斜面（テーパー）が形成されている。本実施形態の貫通孔６のテーパーは、勾配の縦横比が５：１（貫通孔６の中心軸に対して１１．３°）であるが、貫通孔６の勾配は、貫通孔６の中心軸に対して４５°以下、好ましくは１０°以上３０°以下であれば限定されるものではない。

ボルト５は、図４（ａ）に示すように、貫通孔６に係止される頭部５１と、雌ネジ部４３に螺合される軸部５２とを備えている。
頭部５１の外面には、軸部５２に近付くにしたがって縮径する傾斜面（テーパー）が形成されている。頭部５１の外面に形成されたテーパーの勾配は、貫通孔６のテーパー（内壁面）の勾配と同等（縦横比が５：１）とする。また、頭部５１のテーパーの長さは、貫通孔６のテーパーの長さと同等する。すなわち、ボルト５の頭部５１は、貫通孔６に挿入した状態で、略全体が、貫通孔６に収まる形状を有している。頭部５１には、図４（ｂ）に示すように、上面に開口する平面視六角形状の凹部（六角穴）５３が形成されている。ボルト５は、凹部５３を利用して、六角棒レンチなどの工具による締め付けが可能である。

軸部５２には、図４（ａ）に示すように、外面にネジ（雄ネジ）が形成された雄ネジ部５４と、雄ネジ部５４と頭部５１との間に形成された剪断変形部５５とが形成されている。
剪断変形部５５の外面には雄ネジを有しておらず、剪断変形部５５の外径は、雄ネジ部５４の谷径よりも小さくする。そのため、剪断変形部５５の外径は、雌ネジ部４３の内径よりも小さい。すなわち、軸部５２の軸心と、雌ネジ部４３の軸心とが一致した状態でボルト５を雌ネジ部４３に螺合すると、剪断変形部５５の外面と雌ネジ部４３との間に、剪断変形部５５の外径を雄ネジ部５４の谷径よりも小さくした寸法の隙間が形成される。剪断変形部５５と雌ネジ部４３との隙間の大きさは、隣り合う雌ネジ部４３同士の孔間寸法Ｐ２と隣り合う貫通孔６同士の孔間寸法Ｐ１との差の１／２程度とするのが望ましい（図５参照）。

本実施形態の梁３は、以下の手順により、柱２同士の間に横架する。
まず、図６（ａ）に示すように、接合部材２１に連結プレート４（第二連結プレート４ｂ）を溶接するとともに、梁３の端部に連結プレート４（第一連結プレート４ａを溶接する。接合部材２１への連結プレート４の固定は、柱２を建て込む前に行ってもよいし、柱２を所定の位置に建て込んでから行ってもよい。

次に、図６（ｂ）に示すように、連結プレート４が固定された梁３を、揚重機（図示せず）を利用して、柱２，２同士の間に配設する。このとき、梁３は、柱２同士を結ぶ直線に対して、交差する向きにした状態で、柱２同士の間に挿入してから、回転させることにより、柱２同士の間に配設する。

図６（ｃ）に示すように、梁３を所定の位置に配置したら、梁３の端面と接合部材２１の端面とを対向させた状態（突き合せた状態）で、貫通孔６に軸部５２を貫通させたボルト５を、連結プレート４の雌ネジ部４３に締結する。

図５に示すように、隣り合う貫通孔６同士の孔間寸法Ｐ１の大きさと、隣り合う雌ネジ部４３同士の孔間寸法Ｐ２の大きさとに差がある場合であっても、剪断変形部５５においてボルト５が変形することで、ボルト５の頭部５１が貫通孔６の内面に密着した状態で、フランジ３１，２２と連結プレート４とを接合できる。すなわち、雌ネジ部４３より小さく、雌ネジ部４３の内径との間に隙間を有した剪断変形部５５において変形することで、貫通孔６と雌ネジ部４３との間の寸法差を吸収することができる。このとき、剪断変形部５５では、貫通孔６同士の孔間寸法Ｐ１と雌ネジ部４３同士の孔間寸法Ｐ２との差の１／２である調整寸法ΔＴ（＝（Ｐ１－Ｐ２）／２）分の変位が生じることで、ズレを吸収する。

本実施形態の鋼材接合構造１によれば、連結プレート４を梁３または接合部材２１のいずれか一方のフランジ３１，２２とウェブ３２，２３に溶接しているため、鋼材（Ｈ形鋼）の１／２程度の強度を連結プレート４に伝達することができ、他方の鋼材（Ｈ形鋼）と連結プレート４との間ではボルト５を介して力の伝達が可能となっている。ウェブ３２，２３を挟んで両側に配設された連結プレート４，４は、互い違いに配設されているため、梁３と接合部材２１とに対してバランスよく応力を伝達する。

また、鋼材接合構造１では、摩擦力により応力を伝達するのではなく、溶接またはボルト５を介して梁３と接合部材２１との間で応力を伝達するため、鋼材の形状により連結プレート４の板面と梁３のフランジ３１の板面または接合部材２１のフランジ２２の板面との間にわずかな隙間が形成されている場合であっても、伝達性能が低下することはない。

鋼材接合構造１は、貫通孔６の内面にボルト５の頭部５１を係止可能なテーパー（傾斜面）が形成されていて、この貫通孔６は雌ネジ部４３に対して大きな内径を有しているため、貫通孔６の中心軸と雌ネジ部４３の中心軸との位置にズレがあったとしてもボルト５を雌ネジ部４３に螺合しやすい。ボルト５は、頭部５１にテーパー（傾斜面）を有しているため、雌ネジ部４３に螺合することで、貫通孔６の内面に頭部５１の外面が密着する。このとき、雌ネジ部４３６と貫通孔６との位置（中心軸）のズレは、剪断変形部５５が剪断変形することにより吸収する。そのため、鋼材接合構造１に外力が作用したとしても、フランジ３１，２２と連結プレート４との間にズレが生じることがない。

剪断変形部５５の外径が雄ネジ部５４の谷径よりも小さいため、剪断変形部５５において剪断変形しやすくなる。貫通孔６と雌ネジ部４３との間にズレが生じている場合であっても、剪断変形部５５が先行して剪断変形（弾性変形～塑性変形）するとき、最大剪断強度に達することを想定して、ボルトの他部位や、貫通孔６または雌ネジ部４３が損傷しないように設計しておく。また、フランジ３１，２２と連結プレート４との間でズレが生じる力に対して、剪断変形部５５の弾性範囲の剪断力で設計しておくとよい。

貫通孔６がボルト５の頭部５１のほぼ全体が収まる形状を有しているため、ボルト５の頭部５１は鋼材からほぼ突出しない。
また、貫通孔６のテーパーがボルト５挿入時のガイドとして機能する。
また、ボルト５の外面が貫通孔６の内面に密着しているため、緩み難い。

また、テーパーの勾配を縦横比が５：１（貫通孔６の中心軸に対して４５°以下、好ましくは１０°以上３０°以下）にすることで、ボルト５を締め込みつつ、テーパーに追って剪断変形部５５を剪断変形させることができる。なお、テーパーの角度が大きすぎると、ボルト５の締め込み力に対して、水平力が小さくなるので剪断変形部５５の剪断変形が難くなる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
前記実施形態では、梁３と柱２の接合部における鋼材接合構造１について説明したが、鋼材接合構造１は、Ｈ形鋼またはＨ形鋼等の鋼材同士を接合するものであれば、接合する部材の用途は限定されるものではない。

また、前記実施形態では、ボルト５の剪断変形部５５にネジが形成されていない場合について説明したが、図８に示すように、ボルト５の軸部５２の全長にわたってネジが形成されていてもよい。このとき、雌ネジ部４３には、剪断変形部５５の位置に対応して、剪断変形部５５の最大外径（ネジの山）よりも大きな内径の拡径部４５を形成しておく。こうすることで、剪断変形部５５と雌ネジ部４３との間に隙間を形成し、剪断変形部５５における変形を可能として、貫通孔６と雌ネジ部４３とのズレを吸収可能とする。

前記実施形態では、貫通孔６の内面と、ボルト５の頭部５１の外面にそれぞれテーパーが形成されている場合について説明したが、ボルト５の形状は限定されるものではない。また、ボルト５の頭部５１は、鋼材の板面から突出していてもよい。このとき、ボルト５の軸部５２の一部または頭部５１の一部が、貫通孔６の内面に密着しているのが望ましい。

また、連結プレート４の雌ネジ部４３に雌ネジを加工しない場合には、ボルト５を連結プレート４に添接されたナットに締結してもよい。このとき、ボルト５は、軸部５２の外面が貫通孔６の内面および雌ネジ部４３の内面に密着しているのが望ましい。

前記実施形態では、ボルト５の頭部５１に工具を挿入可能な凹部（六角穴）５３が形成されているものとしたが、ボルト５の形状は限定されるものではない。例えば、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、頭部５１の上面にレンチやスパナ等の締付工具を係止可能な平面視多角形状（図８では六角形）の係止部５６が突設されていてもよい。
また、ボルト５の頭部５１は、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、レンチやスパナ等の締付工具を係止可能な平面視多角形状（図９では六角形）の係止部５６を構成していてもよい。このとき、頭部５１は、図９（ａ）に示すように軸部５２との境界部に軸部５２に近付くにしたがって縮径する傾斜面（テーパー）が形成されている。

１ 鋼材接合構造
２ 柱
２１ 接合部材
２２ フランジ
２３ ウェブ
３ 梁
３１ フランジ
３２ ウェブ
４ 連結プレート
４１ 基部
４２ 突出部
４３ 雌ネジ部（ボルト孔）
５ ボルト
５１ 頭部
５２ 軸部
５３ 凹部
５４ 雄ネジ部
５５ 剪断変形部
６ 貫通孔

Claims (3)

1. 端面同士を対向させたＨ形鋼またはＩ形鋼からなる一対の鋼材を接合する鋼材接合構造であって、
   前記鋼材のフランジのウェブ側の面に沿って前記ウェブを挟んで両側に配設された一対の連結プレートを備え、
   一方の前記連結プレートは、一方の前記鋼材の前記フランジと前記ウェブに溶接されているとともに、他方の前記鋼材の前記フランジにボルト接合されており、
   他方の前記連結プレートは、他方の前記鋼材の前記フランジと前記ウェブに溶接されているとともに、一方の前記鋼材の前記フランジにボルト接合されていることを特徴とする、鋼材接合構造。
2. 前記ウェブの一面側において、上側の前記フランジの下面および下側の前記フランジの上面に沿って一方の前記連結プレートがそれぞれ配設されており、
   前記ウェブの他面側において、上側の前記フランジの下面および下側の前記フランジの上面に沿って他方の前記連結プレートがそれぞれ配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の鋼材接合構造。
3. 前記連結プレートには、ボルトの軸部を螺合可能な雌ネジ部が形成されていて、
   前記フランジの前記雌ネジ部に対応する位置には、前記ボルトの前記軸部を挿通し、当該ボルトの頭部を係止可能な貫通孔が形成されており、
   前記頭部の外面には、前記軸部に近付くにしたがって縮径する傾斜が形成されており、
   前記軸部には、前記雌ネジ部に螺合する雄ネジ部と、前記頭部と前記雄ネジ部との間に形成された剪断変形部とが形成されていて、
   前記貫通孔の内面には、前記頭部の傾斜と同等の傾斜面が形成されており、
   前記雌ネジ部の少なくとも前記剪断変形部に対応する部分の最小内径が前記剪断変形部の最大外径よりも大きいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の鋼材接合構造。

Images