JP7506033B2 - Welded H-shaped steel beams, beam-to-column joint structure - Google Patents
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Description
特許法第３０条第２項適用 村田康則、安田亨平、下川弘海、中野達也、藤沢清二、米森誠が、日本建築学会大会学術講演梗概集（関東）の第６１７頁～第６２０頁にて、村田康則、安田亨平、下川弘海、中野達也、藤沢清二、米森誠、河村義昭、木下智裕及び大庭諒介が発明した「溶接組立Ｈ形鋼梁、柱梁接合構造」に関する溶接施工試験について公開した。Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Yasunori Murata, Kohei Yasuda, Hiromi Shimokawa, Tatsuya Nakano, Seiji Fujisawa, and Makoto Yonemori published a welding construction test of the "Welded Assembled H-Shaped Steel Beam and Beam-Column Joint Structure" invented by Yasunori Murata, Kohei Yasuda, Hiromi Shimokawa, Tatsuya Nakano, Seiji Fujisawa, Makoto Yonemori, Yoshiaki Kawamura, Tomohiro Kinoshita, and Ryosuke Ohba in Proceedings of the Architectural Institute of Japan Annual Meeting (Kanto) on pages 617 to 620.
本発明は、梁ウェブと梁フランジが溶接接合されてなる溶接組立Ｈ形鋼梁、該溶接組立Ｈ形鋼梁を用いた柱梁接合構造に関する。 The present invention relates to a welded H-shaped steel beam in which the beam web and the beam flange are welded together, and to a beam-column joint structure using the welded H-shaped steel beam.
鋼構造物の柱-梁接合部は、地震時の梁の大変形に対して脆性破断することなく、鋼構造物が倒壊しないよう十分な塑性変形性能を発揮させることが求められる。すなわち、梁端部の溶接部近傍の形状や溶接部特性は、建物の耐震安全性にとって重要な部位であり、鉄骨製作時の管理も厳格に求められることから、製作・管理に必要なコストや人工は大きいといえる。また、昨今では建築構造用鋼材SN400やSN490よりも高強度鋼材が梁に広く適用されつつあり、溶接部の品質確保のための製作管理の重要性が増している。 The column-beam joints of steel structures are required to exhibit sufficient plastic deformation performance to prevent brittle fracture in the event of large deformation of the beam during an earthquake, and to prevent the collapse of the steel structure. In other words, the shape and weld characteristics near the weld at the end of the beam are important for the seismic safety of the building, and strict management is required during steel frame manufacturing, so the costs and labor required for manufacturing and management are large. In addition, higher-strength steel than SN400 and SN490 architectural structural steels are being widely used for beams these days, and manufacturing management to ensure the quality of welds is becoming increasingly important.
本発明で扱う溶接組立Ｈ形断面梁は、３枚の厚鋼板を組み合わせ、梁フランジと梁ウェブはサブマージアーク溶接によって接合されるのが効率的であり、最も一般的な製作方法である。ただし、材軸方向の両端、すなわち溶接始終端では溶接部の品質および形状管理の観点から、サブマージアーク溶接を両端から数十mm手前でとどめておき、ガスシールドアーク溶接などでの手動もしくは半自動溶接にて端部の梁フランジと梁ウェブの溶接を施していることが多い。 The welded H-section beams used in this invention are made by combining three thick steel plates, and the beam flanges and beam web are joined by submerged arc welding, which is the most efficient and most common manufacturing method. However, at both ends in the axial direction of the material, i.e., at the start and end of the weld, from the perspective of quality and shape control of the weld, submerged arc welding is stopped several tens of millimeters before both ends, and the beam flanges and beam web at the ends are welded manually or semi-automatically using gas-shielded arc welding or similar.
また、梁フランジと柱との溶接線や、そのための裏当金を通すために、梁端部の梁ウェブにはスカラップと称する切り欠きを設ける必要がある。梁フランジと梁ウェブとの溶接は、隅肉溶接もしくは部分溶け込み溶接とすることが一般的であり、スカラップ底付近の梁ウェブ板厚中心近傍には、未溶着部が存在する。
この未溶着部が表面に露わになることを回避するために、上述したガスシールドアーク溶接に際して、スカラップ底も含めて廻し溶接を施すことが多い。
In addition, in order to pass the weld line between the beam flange and the column and the backing metal for the weld, it is necessary to provide a notch called a scallop in the beam web at the end of the beam. The welding between the beam flange and the beam web is generally done by fillet welding or partial penetration welding, and there is an unwelded part near the center of the beam web plate thickness near the bottom of the scallop.
In order to prevent this unwelded portion from being exposed on the surface, during the above-mentioned gas shielded arc welding, box welding is often performed including the scallop bottom.
一方、過去の地震被害や実験的研究により、このスカラップ底を起点として、梁フランジ板厚方向に亀裂が進展し、早期の脆性破断に至る危険性があることが指摘されている（例えば、非特許文献１）。また、このスカラップ底からの亀裂が延性的に進展し、柱‐梁フランジ溶接部の始終端から生じた延性亀裂と結合して破断に至ることもある。このメカニズムについては後述する。 On the other hand, past earthquake damage and experimental research have pointed out the risk of cracks starting from the bottom of the scallop and propagating in the thickness direction of the beam flange, leading to early brittle fracture (for example, Non-Patent Document 1). In addition, cracks from the bottom of the scallop may propagate ductilely and join with ductile cracks that have occurred at the start and end of the column-beam flange weld, leading to fracture. The mechanism behind this will be described later.
いずれにしても、スカラップ底からの梁フランジ板厚方向の亀裂発生および進展を抑止することが柱梁接合部の耐震安全性向上につながる。この観点で、亀裂発生を抑止するためにスカラップの形状を工夫する提案（非特許文献1や特許文献1）や、スカラップ底からの亀裂進展を抑止するための提案（特許文献2、特許文献3）がなされている。 In any case, preventing cracks from initiating and progressing in the thickness direction of the beam flange from the bottom of the scallop will lead to improved seismic safety of the beam-column joint. From this perspective, proposals have been made to devise scallop shapes to prevent crack initiation (Non-Patent Document 1 and Patent Document 1), as well as proposals to prevent crack progression from the bottom of the scallop (Patent Document 2 and Patent Document 3).
非特許文献１で示されているのは、円弧状のスカラップを単純な1/4円とするのではなく、梁フランジとの境界付近において、概ね半径10mm程度の小円を組み合わせた複合円形とし、スカラップ底での梁フランジと梁ウェブの断面変化を緩やかにしたものである。
また、特許文献１も同様に複合円形のスカラップ形状を提案している。
この場合、上述したようにスカラップ底の廻し溶接を施したのちに、この廻し溶接部を棒状のグラインダーなどによって切削し、梁フランジに対して平滑になるよう成形する。
Non-patent document 1 shows that, rather than making the arc-shaped scallop a simple quarter circle, it is a compound circle made by combining small circles with a radius of approximately 10 mm near the boundary with the beam flange, thereby gradualizing the cross-sectional change of the beam flange and beam web at the bottom of the scallop.
Patent Document 1 also proposes a compound circular scallop shape.
In this case, after the scallop bottom is box welded as described above, the box weld is cut with a rod grinder or the like to form a smooth surface against the beam flange.
また、特許文献２、特許文献３では、複合円スカラップを前提としておらず、廻し溶接の有無も明確ではないが、スカラップ底にスリット状の切り欠きや、円孔を設け、スカラップ底からの亀裂が進展するのを抑止する効果を期待している。 In addition, Patent Document 2 and Patent Document 3 do not assume the use of a compound circular scallop, and it is not clear whether or not a turn weld is used, but they provide a slit-shaped notch or a circular hole at the bottom of the scallop, which is expected to have the effect of preventing cracks from progressing from the bottom of the scallop.
非特許文献１や特許文献１の場合には、廻し溶接部を棒状のグラインダーなどによって切削し、梁フランジに対して平滑にする必要があるが、グラインダー等で梁ウェブならびに廻し溶接部を切削し、所定の形状に成形する作業は非常に加工手間を要し、また切削時に健全部である梁フランジを傷つける恐れがあるといった課題がある。 In the cases of Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, the weld must be cut with a rod-shaped grinder or similar tool to make it smooth against the beam flange, but the process of cutting the beam web and weld with a grinder or similar tool and forming them into the required shape is extremely time-consuming, and there is also the issue that the beam flange, which is the healthy part, may be damaged during cutting.
また、特許文献２、３の場合には、梁フランジに欠損部を設けることから、梁の耐力が低下することは免れないほか、その加工手間を要するという課題がある。 In addition, in the cases of Patent Documents 2 and 3, since a missing portion is provided in the beam flange, the strength of the beam is inevitably reduced, and there is also the problem that the processing work is required.
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、塑性変形性能と製作時の溶接施工効率とを同時に向上させることができる溶接組立Ｈ形鋼梁、及び該溶接組立Ｈ形鋼梁を用いた柱梁接合構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and aims to provide a welded and assembled H-shaped steel beam that can simultaneously improve plastic deformation performance and welding construction efficiency during manufacturing, and a column-beam joint structure using the welded and assembled H-shaped steel beam.
（１）本発明に係る溶接組立Ｈ形鋼梁は、梁ウェブと梁フランジが溶接接合されてなるものであって、
柱との接合部となる梁材軸方向端部における前記梁ウェブの前記梁フランジとの境界部にスカラップを有し、該スカラップにおける前記梁フランジと前記梁ウェブの境界であるスカラップ底を起点として、前記梁フランジと前記梁ウェブが材軸方向に溶接接合されていない不溶接領域を有することを特徴とするものである。
(1) The welded H-shaped steel beam according to the present invention is formed by welding a beam web and a beam flange together,
The beam flange is welded to the beam web in the axial direction of the beam, and the beam web has a scallop at the boundary with the beam flange at the axial end of the beam, which is the joint with the column, and the beam flange and the beam web have an unwelded region that is not welded to the beam web in the axial direction, starting from the bottom of the scallop, which is the boundary between the beam flange and the beam web.
（２）上記（１）に係るものにおいて、前記スカラップ底において、前記スカラップと前記梁フランジの接線がスカラップ空隙部側に為す角が90°以下であることを特徴とするものである。 (2) In the above (1), the angle between the tangent line of the scallop and the beam flange at the bottom of the scallop toward the scallop gap is 90° or less.
（３）また、上記（１）又は（２）に係るものにおいて、柱もしくはダイアフラムと前記梁フランジとがレ形開先による完全溶け込み溶接によって接合され、前記レ形開先の表面から前記梁端部におけるスカラップ底までの距離が10mm以上であることを特徴とするものである。 (3) Also, in the above (1) or (2), the column or diaphragm and the beam flange are joined by full penetration welding with a R-shaped groove, and the distance from the surface of the R-shaped groove to the bottom of the scallop at the end of the beam is 10 mm or more.
（４）本発明に係る柱梁接合構造は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の溶接組立Ｈ形鋼梁のフランジ端を柱に溶接接合したことを特徴とするものである。 (4) The column-beam joint structure of the present invention is characterized in that the flange end of the welded assembled H-shaped steel beam described in any one of (1) to (3) above is welded to a column.
本発明においては、柱との接合部となる梁材軸方向端部における梁ウェブの梁フランジとの境界部にスカラップを有し、該スカラップにおける前記梁フランジと前記梁ウェブの境界であるスカラップ底を起点として、前記梁フランジと前記梁ウェブが材軸方向に溶接接合されていない不溶接領域を有することにより、梁材軸方向端部における煩雑な加工や溶接を必要とせず、梁フランジ板厚方向の亀裂発生・進展を抑止することができ、溶接組立Ｈ形鋼梁の加工効率向上と、変形性能向上の両方を実現することができる。 In the present invention, a scallop is provided at the boundary between the beam web and the beam flange at the axial end of the beam, which is the joint with the column, and the beam flange and the beam web have an unwelded area that is not welded to each other in the axial direction, starting from the bottom of the scallop, which is the boundary between the beam flange and the beam web. This eliminates the need for complicated processing or welding at the axial end of the beam, and prevents cracks from occurring and progressing in the thickness direction of the beam flange, thereby improving both the processing efficiency and deformation performance of welded H-shaped steel beams.
本発明の一実施の形態に係る溶接組立Ｈ形鋼梁を図１、図２に基づいて説明する。
図１、２は、本実施の形態に係る溶接組立Ｈ形鋼梁１の説明図であり、溶接組立Ｈ形鋼梁１を柱７に接合して柱梁接合構造とした状態を示している。図１、図２において、１は溶接組立Ｈ形鋼梁、３は梁フランジ、５は梁ウェブ、７は柱、９はスカラップ、１０はスカラップ底、１１はフランジ-ウェブ溶接部、１３は裏当て金、１５は柱-フランジ溶接部である。
本実施の形態に係る溶接組立Ｈ形鋼梁１は、図１、図２に示すように、梁ウェブ５と梁フランジ３が溶接接合されてなるものである。
そして、柱７との接合部となる梁材軸方向端部における梁ウェブ５の梁フランジ３との境界部にスカラップ９を有し、梁フランジ３と梁ウェブ５の境界であるスカラップ底１０を起点として、梁フランジ３と梁ウェブ５が材軸方向に溶接接合されていない不溶接領域ａ（図１の部分拡大図参照）を有するものである。
以下、詳細に説明する。
An embodiment of a welded H-shaped steel beam according to the present invention will be described with reference to Figs.
1 and 2 are explanatory diagrams of a welded H-shaped steel beam 1 according to this embodiment, showing a state in which the welded H-shaped steel beam 1 is joined to a column 7 to form a beam-column joint structure. In Fig. 1 and Fig. 2, 1 denotes a welded H-shaped steel beam, 3 denotes a beam flange, 5 denotes a beam web, 7 denotes a column, 9 denotes a scallop, 10 denotes a scallop bottom, 11 denotes a flange-web weld, 13 denotes a backing metal, and 15 denotes a column-flange weld.
As shown in Figs. 1 and 2, the welded H-shaped steel beam 1 according to this embodiment is formed by welding a beam web 5 and a beam flange 3 together.
The beam has a scallop 9 at the boundary between the beam web 5 and the beam flange 3 at the end of the beam in the axial direction, which is the joint with the column 7, and has an unwelded area a (see enlarged partial view in Figure 1) where the beam flange 3 and the beam web 5 are not welded in the axial direction, starting from the scallop bottom 10, which is the boundary between the beam flange 3 and the beam web 5.
The details will be explained below.
＜柱＞
柱７は、鋼管柱であり、梁との接続部は内ダイアフラム、外ダイアフラムのいずれの形式であってもよい。
内ダイアフラムの場合は、図１に示すように、梁端部は柱７のスキンプレートに直接接続される。
外ダイアフラムの場合には、梁端部はダイアフラムを介して接続される。
柱７（もしくはダイアフラム２９（図５参照））と梁フランジ３との溶接部である柱-フランジ溶接部１５はレ形開先による完全溶け込み溶接によって接合されている。
＜Pillars＞
The column 7 is a steel pipe column, and the connection with the beam may be in the form of either an internal diaphragm or an external diaphragm.
In the case of an internal diaphragm, the end of the beam is directly connected to the skin plate of the column 7, as shown in FIG.
In the case of an external diaphragm, the beam ends are connected through the diaphragm.
The column-flange weld 15, which is the weld between the column 7 (or the diaphragm 29 (see Figure 5)) and the beam flange 3, is joined by full penetration welding using a R-shaped groove.
＜スカラップ＞
スカラップ９は、梁ウェブ５の梁材軸方向端部における梁フランジ３との境界部に設けられる切り欠きであるが、その形状は特に限定されず、例えば1/4円等の円弧状、三角形もしくは四角形等である。
もっとも、スカラップと梁フランジ境界（スカラップ底１０）において、スカラップ９と梁フランジ３の接線１６がスカラップ空隙部側に為す角度α（図１の部分拡大図参照）が90°以下であることが好ましい。
<Scallop>
The scallop 9 is a notch provided at the boundary between the beam web 5 and the beam flange 3 at the axial end of the beam material, and its shape is not particularly limited, and may be, for example, an arc shape such as a quarter circle, a triangle, or a rectangle.
However, it is preferable that the angle α (see the partially enlarged view of FIG. 1) that the tangent 16 of the scallop 9 and the beam flange 3 makes toward the scallop gap at the boundary between the scallop and the beam flange (scallop bottom 10) is 90° or less.
従来例においては、スカラップ底１０に廻し溶接を施すため当該部分の応力集中を防止する観点から角度αを９０度超にしている。しかし、本発明においては廻し溶接を施さないため、スカラップ底での角度αはスカラップの切り欠き形状のままと等しくなり、スカラップの切断加工を施しやすい９０度以下するのが望ましい。つまり、αを９０度以下とすることで、スカラップ形状は単純な１／４円や三角形、長方形もしくは正方形にすることができ、ウェブの切断作業が容易になる。 In the conventional example, the angle α is set to more than 90 degrees in order to prevent stress concentration at the scallop bottom 10, which is subjected to loop welding. However, in the present invention, loop welding is not performed, so the angle α at the scallop bottom remains the same as the cut-out shape of the scallop, and it is desirable to set the angle α to 90 degrees or less, which makes it easier to cut the scallop. In other words, by setting α to 90 degrees or less, the scallop shape can be a simple quarter circle, triangle, rectangle, or square, making it easier to cut the web.
また、梁フランジ３の開先の表面からスカラップ底１０までの距離が10mm以上であることが好ましい。その理由を図３に基づいて説明する。
梁フランジ３と柱７（もしくはダイアフラム２９）との完全溶け込み溶接で多用される入熱30,000J/cm近傍のCO2溶接では、開先面に対して通常、少なくとも3mm程度（図３のａ参照）は溶接金属の溶け込みが生じる。さらに、溶接熱によって組織が変化し、強度や靭性が低下する可能性がある熱影響部１７も通常3mm程度（図３のb参照）存在することとなる。
It is also preferable that the distance from the surface of the groove of the beam flange 3 to the scallop bottom 10 is 10 mm or more. The reason for this will be explained with reference to FIG.
In CO2 welding with a heat input of about 30,000 J/cm, which is often used for full penetration welding between the beam flange 3 and the column 7 (or the diaphragm 29), the weld metal usually penetrates into the groove face by at least about 3 mm (see Fig. 3a). Furthermore, there is usually a heat-affected zone 17 of about 3 mm (see Fig. 3b) where the structure changes due to the welding heat and there is a possibility of a decrease in strength and toughness.
フランジ-ウェブ溶接部１１の隅肉溶接もしくは部分溶け込み溶接においてもフランジ表面には同様に3mm程度(図３のｃ参照)の熱影響部１８が存在するものと考えられる。
両者の熱影響部１７、１８をオーバーラップさせると、繰返しの溶接熱に伴って一層靭性・強度の劣化が懸念され、また、熱影響部１７、１８での塑性変形集中が懸念されることとなる。
したがって、熱影響部１７、１８をオーバーラップさせないためには、梁フランジ３の開先表面からフランジ-ウェブ溶接部１１の止端まで概ね10mm以上離す必要がある。
また、溶接施工に伴う熱収縮の影響や施工誤差を勘案し、上記の10mm以上を確実に確保・管理することを考えると、本発明では、スカラップ底１０から材軸方向に不溶接部ａが存在しているので、梁フランジ３の開先表面からスカラップ底１０までの距離dを10mm以上確保すれば確実である。
It is believed that a heat-affected zone 18 of about 3 mm (see FIG. 3c) also exists on the flange surface in the fillet weld or partial penetration weld of the flange-web weld 11.
If the heat-affected zones 17, 18 of both are overlapped, there is a concern that the toughness and strength will be further deteriorated due to repeated welding heat, and there is also a concern that plastic deformation will be concentrated in the heat-affected zones 17, 18.
Therefore, in order to prevent the heat-affected zones 17, 18 from overlapping, it is necessary to keep a distance of approximately 10 mm or more from the groove surface of the beam flange 3 to the toe of the flange-web weld 11.
In addition, taking into consideration the effects of thermal contraction and construction errors associated with welding, and considering how to reliably secure and manage the above-mentioned 10 mm or more, in the present invention, since an unwelded portion a exists from the scallop bottom 10 in the material axis direction, it is sufficient to secure the distance d from the groove surface of the beam flange 3 to the scallop bottom 10 to be 10 mm or more.
＜不溶接領域＞
不溶接領域ａは、スカラップ９における梁フランジ３と梁ウェブ５の境界であるスカラップ底１０を起点として、梁フランジ３と梁ウェブ５が材軸方向に溶接接合されていない領域である。
不溶接領域ａにおける材軸方向長さは30mm以下が好ましい。同長さを30mm以下が好ましいとしたのは、不溶接領域ａの材軸方向長さが長すぎる場合には、不溶接領域でフランジが局部座屈したり、梁の曲げ剛性や耐力が損なわれたりする可能があるため、管理許容差として30mm以内としたものである。
また、不溶接領域ａの材軸方向長さは10mm以上が好ましい。溶接部終端の形状管理のためにセラミック等の固形タブを設ける場合、扱いやすい固形タブの大きさも勘案したものである。
<Non-welded area>
The non-welded region a is a region where the beam flange 3 and the beam web 5 are not welded together in the material axial direction, starting from the scallop bottom 10, which is the boundary between the beam flange 3 and the beam web 5 at the scallop 9.
The length in the axial direction of the non-welded region a is preferably 30 mm or less. The reason why the length is preferably 30 mm or less is that if the length in the axial direction of the non-welded region a is too long, the flange may buckle locally in the non-welded region, or the bending rigidity and yield strength of the beam may be impaired, so the control tolerance is set at 30 mm or less.
The length of the non-welded region a in the material axial direction is preferably 10 mm or more. When a solid tab made of ceramic or the like is provided for shape control of the end of the weld, the size of the solid tab that is easy to handle is also taken into consideration.
上記のように構成された本実施の形態によれば、塑性変形性能が向上されることになるが、この理由について従来例を示した図４と比較して説明する。図４（ａ）は図１の部分拡大図に対応する梁端部の側面図、図４（ｂ）は図２に対応する平面図であり、図４において図１、図２と同一部分には同一の符号が付してある。
図４に示す例は、特許文献１等で示されたように、梁ウェブ５と梁フランジ３がサブマージアーク溶接によって接合され（サブマージアーク溶接部１９）、梁端の数十mmの部分がガウジングしたうえでガスシールドアーク溶接によってスカラップ底１０も含めて廻し溶接（ガスシールドアーク溶接部２１）が施されている。
According to the present embodiment configured as described above, the plastic deformation performance is improved, and the reason for this will be explained by comparing it with the conventional example shown in Fig. 4. Fig. 4(a) is a side view of the beam end corresponding to the partially enlarged view in Fig. 1, Fig. 4(b) is a plan view corresponding to Fig. 2, and in Fig. 4, the same parts as in Fig. 1 and Fig. 2 are given the same reference numerals.
In the example shown in Figure 4, as disclosed in Patent Document 1 and the like, the beam web 5 and the beam flange 3 are joined by submerged arc welding (submerged arc weld 19), and a portion of several tens of millimeters of the beam end is gouged, and then the scallop bottom 10 is also welded by gas shielded arc welding (gas shielded arc weld 21).
図４に示す例において、梁に強軸方向（図面縦方向）の応力が作用するとスカラップ底１０において梁ウェブ５と梁フランジ３が離れようとするが、スカラップ底１０に溶接が施されているため、当該部分は形状が急変する箇所でかつ熱影響部が存在する箇所となっている。また、一般的には廻し溶接部は比較的小入熱の溶接となりやすく、母材よりも溶接金属の強度が高くなりやすい。さらに、廻し溶接部止端とフランジ端溶接部１５の止端が近接しやすい。そのため、当該箇所は形状および強度の不連続箇所となり、非特許文献１で指摘されているように、梁ウェブ５と梁フランジ３の溶接部においてはスカラップ底１０を起点として、梁フランジ板厚方向に亀裂２３が進展し、早期の脆性破断に至る危険性がある。また、このスカラップ底１０からの亀裂２３は、図４（ｂ）に示すように、梁幅方向にも延性的に進展し、柱‐梁フランジ溶接部の始終端から生じた延性亀裂２５と結合して早期に破断に至ることもある。 In the example shown in FIG. 4, when stress acts on the beam in the strong axis direction (vertical direction in the drawing), the beam web 5 and the beam flange 3 try to separate at the scallop bottom 10, but since the scallop bottom 10 is welded, this part is a part where the shape changes suddenly and where a heat-affected zone exists. In addition, in general, the welded part is likely to be welded with a relatively small heat input, and the strength of the weld metal is likely to be higher than that of the base material. Furthermore, the toe of the welded part and the toe of the flange end welded part 15 tend to be close to each other. Therefore, this part becomes a part where the shape and strength are discontinuous, and as pointed out in Non-Patent Document 1, there is a risk that a crack 23 will start from the scallop bottom 10 at the welded part of the beam web 5 and the beam flange 3 and progress in the beam flange plate thickness direction, leading to early brittle fracture. In addition, as shown in FIG. 4(b), the crack 23 from the scallop bottom 10 will also progress ductilely in the beam width direction, and may join with a ductile crack 25 generated from the start and end of the column-beam flange welded part, leading to early fracture.
これに対して、本実施の形態では、図１、図２に示すように、梁材軸方向端部において不溶接領域ａを有することで、梁ウェブ５と梁フランジ３の溶接部に生じる亀裂２３の方向は梁フランジ板厚方向ではなく梁材軸方向に進展しやすくなる。そのため、柱‐フランジ溶接部１１の始終端から延性亀裂２５が生じたとしても、この亀裂２３とは亀裂２３の方向が違い距離も離れているため（図２参照）、図４に示した例のように、これに連結しにくくなる。したがって、図４の従来例のように、亀裂２３の連結による早期破断は生じない。
また、本実施の形態では、梁ウェブ５と梁フランジ３の溶接部止端と、梁フランジ端部の柱-フランジ溶接部１５の止端との距離Ｘ（図１拡大図参照）が図４（ａ）に示す従来例よりも離れており、スカラップ底近傍での強度、形状の不連続が緩慢となることで溶接止端近傍での塑性歪が集中しにくくなり、そもそも亀裂が生じにくくなることが期待できる。
In contrast, in this embodiment, as shown in Figures 1 and 2, by having a non-welded area a at the end in the axial direction of the beam material, the direction of the crack 23 that occurs in the welded part of the beam web 5 and the beam flange 3 is likely to progress in the axial direction of the beam material, not in the thickness direction of the beam flange. Therefore, even if a ductile crack 25 occurs at the start and end of the column-flange welded part 11, the crack 25 is difficult to connect to this crack 23, as shown in the example shown in Figure 4, because the direction of the crack 23 is different and the distance is different (see Figure 2). Therefore, early fracture due to the connection of the crack 23 does not occur, as in the conventional example of Figure 4.
In addition, in this embodiment, the distance X (see the enlarged view in FIG. 1) between the toe of the weld between the beam web 5 and the beam flange 3 and the toe of the column-flange weld 15 at the end of the beam flange is greater than that in the conventional example shown in FIG. 4(a). This reduces the discontinuity in strength and shape near the bottom of the scallop, making it difficult for plastic strain to concentrate near the weld toe, and is expected to make it difficult for cracks to occur in the first place.
また、梁材軸方向端部において亀裂２３が梁材軸方向に多少進展したとしても、梁フランジ３および梁ウェブ５は柱７と溶接やボルトによって接合されることでＨ形鋼としての断面形状が保持されるため、梁の曲げ剛性や耐力が直ちに損なわれることはない。
このように、本実施の形態のように梁材軸方向端部において不溶接領域ａを有することによって梁フランジ‐梁ウェブ境界で梁フランジ板厚方向への亀裂発生・進展が抑止されるため、梁の変形性能向上が見込まれる。
Furthermore, even if the crack 23 at the axial end of the beam propagates somewhat in the axial direction of the beam, the beam flange 3 and the beam web 5 are joined to the column 7 by welding or bolts, thereby maintaining the cross-sectional shape of the H-shaped steel, and the bending rigidity and strength of the beam are not immediately impaired.
In this way, by having a non-welded area a at the axial end of the beam material as in this embodiment, crack initiation and propagation in the thickness direction of the beam flange at the beam flange-beam web boundary is suppressed, thereby improving the deformation performance of the beam.
また、本実施の形態によれば、従来技術で課題であった溶接組立Ｈ形鋼の梁材軸方向端部におけるフランジ-ウェブ溶接部において、棒グラインダーによるスカラップ底の平滑化処理や、従来技術にみられるような梁ウェブのグラインダー処理等の加工を必要としない。
さらに、本実施の形態では、梁材軸方向端部において、梁フランジ３と梁ウェブ５の未溶着部を設けており、CO2溶接による廻し溶接を必要としていないことから、サブマージアーク溶接のみで梁フランジ３と梁ウェブ５との接合が完成させることが可能となり、製作効率が高いといえる。
Furthermore, according to this embodiment, there is no need to perform processing such as smoothing the scallop bottom with a bar grinder or grinding the beam web as seen in the conventional technology at the flange-web welds at the axial end of the beam material of welded assembled H-shaped steel, which was a problem in the conventional technology.
Furthermore, in this embodiment, an unwelded portion of the beam flange 3 and the beam web 5 is provided at the axial end of the beam material, and since there is no need for turn welding using CO2 welding, it is possible to complete the joint between the beam flange 3 and the beam web 5 using only submerged arc welding, which can be said to result in high production efficiency.
もっとも、梁フランジ３と梁ウェブ５の溶接はサブマージアーク溶接であってもガスシールドアーク溶接であっても、あるいはその複合であってもかまわない。例えば、溶接部品質を良いものに確保するために、サブマージアーク溶接をスカラップ９より手前で止めてガウジングしたのちに、ガスシールドアーク溶接によってスカラップ９近傍まで（不溶接部の手前まで）溶接してもよく、この場合であっても、廻し溶接やグラインダー処理を必要としないため、従来例に比べて施工効率が高まるといえる。
このように、本実施の形態によれば、梁材軸方向端部における煩雑な加工や溶接を必要とせず、梁フランジ板厚方向の亀裂発生・進展を抑止することが可能となる。すなわち、溶接組立Ｈ形鋼梁１の加工効率向上と、変形性能向上の両方を実現することができる。
However, welding of the beam flange 3 and the beam web 5 may be performed by submerged arc welding, gas shielded arc welding, or a combination of both. For example, in order to ensure good weld quality, submerged arc welding may be stopped just before the scallop 9 and gouged, and then gas shielded arc welding may be performed up to the vicinity of the scallop 9 (just before the unwelded portion). Even in this case, since there is no need for turn welding or grinding, it can be said that construction efficiency is improved compared to the conventional example.
In this way, according to the present embodiment, it is possible to prevent cracks from occurring and propagating in the thickness direction of the beam flange without requiring complicated processing or welding at the axial end of the beam material. In other words, it is possible to improve both the processing efficiency and the deformation performance of the welded H-shaped steel beam 1.
また、梁端のフランジ‐柱スキンプレートもしくはダイアフラム２９との完全溶け込み溶接とスカラップ底１０が近接している場合、従来のスカラップ底廻し溶接があると両者の溶接止端が近接し、形状ならびに溶接熱に伴う強度の不連続が狭い領域で生ずることとなり、亀裂２３が生じやすくなる懸念がある。
しかし、本実施の形態のようにフランジ-ウェブ溶接部１１が端部より10mm以上離れることとなり、上述の形状および強度の不連続が狭い領域では生じず、歪の局所的な集中が従来技術に比べて緩和される。
一般的なCO2溶接の場合、熱影響部１７、１８の幅は3mm程度であり、梁端のフランジ‐柱スキンプレートもしくはダイアフラムとの完全溶け込み溶接と、梁のウェブ‐フランジ溶接部１１の熱影響部１７、１８の幅の合計は概ね10mm弱となる。そして、本実施の形態では不溶接領域ａを10mm以上設けることにしているので、梁フランジ３のレ形開先の表面から熱影響部の概ね10mmの2倍となる20mm離れることになり、熱影響部の重なりを確実に防止できる。
In addition, when the full penetration weld between the flange at the beam end and the column skin plate or diaphragm 29 is close to the scallop bottom 10, the use of conventional scallop bottom turning welding will bring the weld toes of both into close proximity, causing discontinuity in strength due to the shape and welding heat in a narrow area, raising the concern that cracks 23 will be more likely to occur.
However, in the present embodiment, the flange-web weld 11 is located 10 mm or more away from the end, so that the discontinuity in shape and strength described above does not occur in a narrow area, and local concentration of distortion is mitigated compared to the prior art.
In the case of general CO2 welding, the width of the heat-affected zones 17, 18 is about 3 mm, and the total width of the heat-affected zones 17, 18 of the full penetration weld between the flange at the beam end and the column skin plate or diaphragm and the beam web-flange weld 11 is approximately just under 10 mm. In this embodiment, the non-welded area a is set to 10 mm or more, so that it is 20 mm away from the surface of the R-shaped groove of the beam flange 3, which is approximately twice the 10 mm of the heat-affected zone, and overlapping of the heat-affected zones can be reliably prevented.
本発明の効果を実証するために、柱‐梁架構による載荷実験を実施した。
試験装置２７の概要は図５に示す通りであり、試験体に用いた溶接組立Ｈ形断面梁は、BH-600×200×16×25（単位mm）である。図５において、図１に対応する部分には同一の番号を付してある（図中の寸法の単位はmmである。）。なお、試験装置２７では、溶接組立Ｈ形断面梁を柱７のダイアフラム２９に溶接接合した態様である。
柱７と梁との溶接接合部にはスカラップ９を設けており、その詳細仕様を実験パラメータとした。
In order to verify the effectiveness of the present invention, a loading test was carried out using a column-beam structure.
The outline of the test apparatus 27 is as shown in Fig. 5, and the welded H-beam used for the test was BH-600 x 200 x 16 x 25 (unit: mm). In Fig. 5, parts corresponding to Fig. 1 are given the same numbers (unit of dimensions in the figure is mm). In the test apparatus 27, the welded H-beam was welded to the diaphragm 29 of the column 7.
A scallop 9 was provided at the welded joint between the column 7 and the beam, and its detailed specifications were used as the experimental parameters.
発明例である試験体３１の設計仕様詳細は、図６に示す通りであり、スカラップ底１０より材軸方向に10mmだけ梁ウェブ５と梁フランジ３が溶接接合されていない不溶接部が設けられている。
他方、従来例である試験体３３の設計仕様詳細は、図７に示す通りであり、廻し溶接を施したうえで、スカラップ底１０をR=10mmとなるように棒グラインダーで成形したものである。
試験体３１、３３はいずれもスカラップ近傍でのウェブ‐フランジ溶接部１１はガスシールドアーク溶接を用いている。
載荷は、図５に示すように、梁先端を油圧ジャッキによって正負交番に繰り返し載荷し、載荷振幅は塑性率（載荷点の変位を梁端部（柱７との境界）に作用する曲げモーメントが梁の全塑性モーメントとなる変位で除した値）3.0とした。
The detailed design specifications of the test specimen 31, which is an example of the invention, are as shown in Figure 6, and an unwelded portion is provided in which the beam web 5 and the beam flange 3 are not welded to each other for 10 mm from the scallop bottom 10 in the material axial direction.
On the other hand, the detailed design specifications of the test specimen 33, which is a conventional example, are as shown in FIG. 7, and after box welding, the scallop bottom 10 was formed with a bar grinder so that R=10 mm.
In both test specimens 31 and 33, the web-flange weld 11 near the scallop was welded using gas shielded arc welding.
As shown in Figure 5, the beam tip was repeatedly loaded with alternating positive and negative forces using a hydraulic jack, and the loading amplitude was set to a plasticity factor of 3.0 (the displacement of the loading point divided by the displacement at which the bending moment acting on the beam end (boundary with column 7) becomes the total plastic moment of the beam).
実験の結果、本発明例の試験体３１では繰り返し数（塑性率±3.0で1周を1と定義、半周は0.5）8.5であったのに対し、従来技術の試験体３３では6.5であり、本発明の優位性が実証された。
また、発明例である試験体３１ではスカラップ底１０から梁材軸方向に亀裂２３が若干進展したのちに板厚方向に転化して終局を迎えているのに対し、従来例である試験体３３では初めから梁フランジ板厚方向に亀裂２３が進展しており、想定どおりの結果であった。
As a result of the experiment, the number of cycles (one revolution is defined as 1 with a plasticity rate of ±3.0, and half a revolution is 0.5) for specimen 31 of the present invention was 8.5, while for specimen 33 of the prior art it was 6.5, demonstrating the superiority of the present invention.
In addition, in the case of specimen 31, which is an example of the invention, the crack 23 propagated slightly from the scallop bottom 10 in the axial direction of the beam material before changing direction to the plate thickness direction and eventually reached a critical state, whereas in the case of specimen 33, which is a conventional example, the crack 23 propagated in the beam flange plate thickness direction from the beginning, which was the expected result.
また、発明例である試験体３１および、試験体３１に対して不溶接領域ａにおける材軸方向長さだけを変え、これを３０ｍｍとした発明例である試験体３５（設計仕様詳細は図８参照）について、単調載荷を模擬した有限要素法解析をおこなった。解析では、溶接部の溶け込み形状やフランジ、ウェブ、溶接金属の強度は実験試験体を再現したモデルを用いた。
解析の結果、前述の塑性率3.0における最大の相当塑性歪の大きさは、試験体３１が０．８５であるのに対し、試験体３５では０．６５であった。相当塑性歪の大小は、延性亀裂発生の早晩と相関があると考えられ、止端間距離Ｘが大きくなると歪集中が緩和されることが実証された。
Furthermore, a finite element analysis simulating monotonic loading was performed on specimen 31, an example of the invention, and specimen 35, an example of the invention, in which only the axial length of the non-welded region a in specimen 31 was changed to 30 mm (see FIG. 8 for details of the design specifications). In the analysis, a model reproducing the experimental specimen was used for the penetration shape of the weld and the strength of the flange, web, and weld metal.
As a result of the analysis, the magnitude of the maximum equivalent plastic strain at the aforementioned plasticity factor of 3.0 was 0.85 for specimen 31, whereas it was 0.65 for specimen 35. It is considered that the magnitude of equivalent plastic strain is correlated with the time when ductile cracks will occur, and it was demonstrated that the strain concentration is alleviated as the toe distance X increases.
ａ 不溶接領域
１ 溶接組立Ｈ形鋼梁
３ 梁フランジ
５ 梁ウェブ
７ 柱
９ スカラップ
１０ スカラップ底
１１ フランジ-ウェブ溶接部
１３ 裏当て金
１５ 柱-フランジ溶接部
１６ 接線
１７、１８ 熱影響部
１９ サブマージアーク溶接部
２１ ガスシールドアーク溶接部
２３ 亀裂
２５ 延性亀裂
２７ 試験装置
２９ ダイアフラム
３１ 試験体（発明例）
３３ 試験体（従来例）
３５ 試験体（発明例）
a Non-welded area 1 Welded assembled H-shaped steel beam 3 Beam flange 5 Beam web 7 Column 9 Scallop 10 Scallop bottom 11 Flange-web weld 13 Backing metal 15 Column-flange weld 16 Tangent 17, 18 Heat-affected zone 19 Submerged arc weld 21 Gas-shielded arc weld 23 Crack 25 Ductile crack 27 Test apparatus 29 Diaphragm 31 Test specimen (example of the invention)
33 Test specimen (conventional example)
35 Test specimen (example of the invention)
Claims (2)
前記柱との接合部となる梁材軸方向端部における前記梁ウェブの前記梁フランジとの境界部にスカラップを有し、
該スカラップにおける前記梁フランジと前記梁ウェブの境界であるスカラップ底を起点として、前記梁フランジと前記梁ウェブが材軸方向に溶接接合されていない不溶接領域を有し、
該不溶接領域の材軸方向長さが10mm以上30mm以下であることを特徴とする柱梁接合構造。 A column-beam joint structure in which the flange end of a welded assembled H-shaped steel beam, which is formed by welding a beam web and a beam flange, is joined to a column skin plate or diaphragm by full penetration welding with a R-shaped groove,
A scallop is provided at the boundary between the beam web and the beam flange at the beam axial end portion which is a joint with the column,
The scallop has a non-welded region in which the beam flange and the beam web are not welded in the material axial direction, starting from the scallop bottom, which is the boundary between the beam flange and the beam web in the scallop;
A column-beam joint structure, characterized in that the length of the unwelded area in the material axial direction is 10 mm or more and 30 mm or less .
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|---|
| Specification for Structual Steel Buildings，米国，AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSUTRUCTION，2010年06月22日，Ｐ．３８６～３８７ |
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