JPH0718780A

JPH0718780A - 高靱性構造部材

Info

Publication number: JPH0718780A
Application number: JP16052293A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Suzuki; 敏郎鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】【目的】断面的に安定し、かつ塑性域における高い変
形能力を設計に活かすことができる高靱性構造部材を提
供する。【構成】互いに平行な２つウェブ２と、ウェブ２の両
端のフランジ３とからなる高靱性構造部材１であり、断
面中央部に閉断面部を有し、閉断面部に対しフランジ３
が所定長突出する。フランジ幅Ｂ、断面せいＨ、ウェブ
中心からのフランジの出ｂ₁、ウェブ中心間の幅ｂ₂、
フランジの出の部分の板厚ｔ₁、フランジのウェブ間の
部分の板厚ｔ₂、及びウェブの板厚ｔ₃との関係におい
て、主としてフランジの出ｂ₁の設定により構造部材と
して塑性域における所要の靱性を確保する。フランジの
出ｂ₁の設定により、断面的に近いＨ形鋼や角形鋼管に
比べ高い靱性を確保することができる。フランジの板厚
については、フランジのウェブ間の部分の板厚ｔ₂のみ
を大きくした場合にも、靱性に関し良好な改善効果が得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高靱性構造部材に関す
るもので、柱、梁等の構造部材の設計において、塑性域
における高い変形性能を発揮させることを考慮したもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、建築構造物の構造部材、特に梁、
柱等に用いられる金属製の構造部材としてはＨ形鋼が広
く用いられており、また柱については角形鋼管が用いら
れることも多い。

【０００３】梁部材に関しては、Ｈ形鋼梁がそのほとん
どであるが、効率的な設計として構成板要素であるウェ
ブの板厚が薄く、さらに断面せいに比しフランジの幅が
狭く、局部座屈や横座屈の恐れが常にある。従って、板
補強としてスティフナーを設けたり、横座屈に対しては
所要間隔で配置したつなぎ梁や火打材により座屈長を短
くすることが行われているが、その煩雑さは設計上、施
工上の問題となっている。

【０００４】また、柱部材に関しては、鋼管柱はねじり
剛性が大きく、Ｈ形鋼柱のように弱軸、強軸で曲げ剛性
が大きく異なることがないことから、柱部材として多用
されているが、梁、筋違、その他部材との接合でスティ
フナーを設けることがＨ形鋼柱に比べ難しく、鋼管内部
ないし外部スティフナーは製作上、施工上厄介な点であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ｈ形鋼、角形鋼管と
も、従来、構造部材として広く用いられているものであ
るが、Ｈ形鋼の場合、強軸方向の曲げ剛性に比べ、弱軸
方向の曲げ剛性が極端に小さく、また開断面部材であり
ねじり剛性も低い。このため、梁部材として用いた場合
には、横座屈等の問題がある。また、Ｈ形鋼を柱部材と
して用いた場合も同様の問題がある。

【０００６】角形鋼管は、従来の技術の項で述べたよう
に、曲げ剛性、ねじり剛性とも高いが、閉断面であるた
めスティフナーの取り付けが困難であるという問題があ
る。また、Ｈ形鋼のような開断面の部材に比べると変形
性能が乏しく、局部的な座屈変形等が部材全体に影響し
やすい。

【０００７】本発明は、従来の構造部材としてのＨ形鋼
や角形鋼管の欠点を解消し、断面的に安定し、かつ塑性
域における高い変形能力を設計に活かすことができる高
靱性構造部材を提供することを目的としたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の高靱性構造部材
は、柱や梁等の構造部材の設計において、構造部材自体
が持つ高い変形性能を有効に発揮させることを考慮した
ものであり、所定間隔をおいて互いに平行に配置した一
対のウェブと、ウェブの両端に配置した一対のフランジ
とからなり、所定のフランジ幅Ｂ、断面せいＨ、ウェブ
中心からのフランジの出ｂ₁、ウェブ中心間の幅ｂ₂、
フランジの出の部分の板厚ｔ₁、フランジのウェブ間の
部分の板厚ｔ₂、及びウェブの板厚ｔ₃を有し、断面中
央部に閉断面部を形成するとともに、フランジの出ｂ₁
により塑性域における所要の靱性を確保したものであ
る。

【０００９】靱性を確保するための断面形状としては、
フランジの出ｂ₁とウェブ中心間の幅ｂ₂について、ｂ
₁：ｂ₂：ｂ₁＝３：１：３〜１：３：１程度が考えら
れ、より効果的な範囲としては、ｂ₁：ｂ₂：ｂ₁＝
２：１：２〜１：２：１、柱部材として最も効果的な範
囲としては、ｂ₁：ｂ₂：ｂ₁＝１：１：１〜１：１．
５：１程度となる。

【００１０】フランジ幅Ｂと断面せいＨとの関係におい
ては、柱部材の場合、Ｈ／Ｂ≒１、すなわち断面の外縁
を略正方形とすることで、角形鋼管に比べ若干、弱軸、
強軸方向の曲げ剛性に差が生ずるものの、構造部材とし
て納まり、使い勝手のよい柱部材が構成される。また、
フランジの出部分を利用することで、梁部材との取り合
いやスティフナーによる補剛も容易である。

【００１１】この他、Ｈ／Ｂ＝１〜２程度の中幅、Ｈ／
Ｂ＝２〜４程度の細幅の断面等もあり、特に一般に細幅
となる梁部材については、２つのウェブに挟まれた閉断
面部があることで、Ｈ形鋼に比べ大幅にねじり剛性が上
がり、横座屈し難い安定した断面となり、Ｈ／Ｂ≒４と
いった極端に細幅のものも可能である。また、実用的な
範囲としてはＨ／Ｂが１より若干大きい範囲もあり得
る。

【００１２】また、本願発明の高靱性構造部材におい
て、塑性域の耐力を維持し、安定した塑性変形能力を付
与するための手段として、フランジの板厚ｔ₁，ｔ₂を
増すことは有効であるが、フランジのウェブ間の部分の
板厚ｔ₂のみを大きくしたｔ₂＞ｔ₁の関係において
も、良好な改善効果が得られる。この傾向はウェブ中心
間の幅ｂ₂に比べフランジの出ｂ₁が比較的小さい、角
形鋼管に近づいた形態で顕著である。

【００１３】この他、例えばフランジを軟鋼、ウェブを
高張力鋼というように異種鋼材で構成し、弱軸、強軸方
向の曲げ剛性、強度を調整しつつ、塑性変形能力を改善
することも可能である。

【００１４】なお、本発明の高靱性構造部材は主として
鉄骨構造の構造部材として用いられるが、コンクリート
断面内に埋設して鉄骨鉄筋コンクリートとして用いた
り、中央の閉断面部にコンクリートを充填してコンクリ
ート充填鋼管的に用いることも可能である。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１６】図１は、本発明の高靱性構造部材１の代表
的な断面形状と寸法関係を示したもので、図１(a) はフ
ランジ幅Ｂと断面せいＨが、Ｈ／Ｂ＝１の関係にある柱
部材に適用した場合、図１(b) はＨ／Ｂ＝２の関係にあ
る梁部材に適用した場合である。

【００１７】基本的な断面形状としては、互いに平行な
一対のウェブ２と、ウェブ２の両端の一対のフランジ３
とからなり、断面中央部にこれらで囲まれる閉断面部を
形成している。

【００１８】フランジ幅Ｂ、断面せいＨ、ウェブ中心か
らのフランジの出ｂ₁、ウェブ中心間の幅ｂ₂、フラン
ジの出の部分の板厚ｔ₁、フランジのウェブ間の部分の
板厚ｔ₂、及びウェブの板厚ｔ₃との関係において、主
としてフランジの出ｂ₁により構造部材として塑性域に
おける所要の靱性を確保する。

【００１９】図２は、本発明の高靱性構造部材の塑性変
形能力についての解析例を示したものである。

【００２０】数値シュミレーションモデルは、図２(a)
の部材断面（図１(a) に対応）におけるフランジ幅Ｂ＝
１５０mm、断面せいＨ＝１５０mm、フランジの板厚ｔ₁
＝ｔ₂＝４．５mm、ウェブの板厚ｔ₃＝４．５mmとして
いる。

【００２１】図２(b) に示すような片持梁形式で、材長
Ｌ＝９００mmの端部に鉛直荷重Ｐにより曲げせん断荷重
Ｍ＝ＰＬを作用させた場合の塑性変形能力（θ_max／θ
_p−１）を、Ｈ形鋼（Ｈタイプ）、角形鋼管（口タイ
プ）を両極として、Ａ〜Ｆの６タイプのダブルウェブ構
造部材（本発明における平行な一対のウェブ２を有する
構造部材をいうものとする）の合計８種類について解析
した。

【００２２】材料強度はσ_y＝３０kg/mm²で、応力−ひ
ずみ関係における塑性域での勾配Ｅ’＝Ｅ／１００のバ
イリニアモデルとしている（図２(c) 参照）。

【００２３】なお、この数値シュミレーションでは、正
方形断面のせん断曲げによる荷重変形を対象としたが、
軸力の存在する柱部材の場合でも、細幅の梁部材の場合
でも、力学的特徴はあまり変わらない。

【００２４】図２(d) は、横軸に塑性変形能力（θ_max
／θ_p−１）をとり、縦軸についてはパラメーターをｂ
₁：ｂ₂：ｂ₁として、２枚のウェブ位置を変化させ、
順番にＨタイプ（１：０：１），Ａ〜Ｆの各タイプ，口
タイプ（０：１：０）を並べたものである。

【００２５】図において、最大曲げモーメントとなる時
点を黒丸で示している。なお、フランジの出ｂ₁が大き
く、Ｈ形断面寄りの部材は荷重の変動を伴うので、第２
のピーク点を白丸で示した。この間の耐力の変動は小さ
く、部材の塑性変形能力として十分評価できる。

【００２６】この図から、Ａ〜Ｆのタイプでは両極にあ
るＨタイプと口タイプと比較し、変形能力が向上し、特
にＢ〜Ｅのタイプに相当する２：１：２〜１：２：１の
範囲では変形能力が大幅に向上していることがわかる。

【００２７】図３は、パラメーターをｂ₁：ｂ₂：ｂ₁
として、曲げモーメントＭと部材変形角θの関係を、全
塑性モーメントＭ_pと塑性変形角θ_pで無次元化して示
したものである。

【００２８】Ｂタイプ、Ｃタイプ（図２(d) に対応）は
フランジの出ｂ₁が比較的大きな例である。Ｈタイプと
同様、まずフランジの出の部分が局部座屈し、その後、
フランジのウェブ間の部分がその耐力劣化を補いつつ変
形する（図３(a) 参照）。

【００２９】Ｄタイプ、Ｅタイプはフランジの出ｂ₁が
比較的小さな例である。口タイプと同様、ウェブ間の部
分が先行し、またはフランジの出の部分と連成して局部
座屈する。降伏以降も耐力が上昇するものの、最大耐力
後は単調に劣化する（図３(b) 参照）。

【００３０】図４は、パラメーターをｔ₁：ｔ₂：ｔ₁
として、曲げモーメントＭと部材変形角θの関係を、全
塑性モーメントＭ_pと塑性変形角θ_pで無次元化して示
したものである。

【００３１】図４(a) はＢタイプ（図２(d) に対応）に
ついて、フランジ板厚ｔ₁，ｔ₂を変化させたＢ’タイ
プ、Ｂ”タイプとの比較を行ったものである。

【００３２】Ｂタイプは耐力の上昇、下降、上昇と変化
しつつ変形が進むにつれ緩やかに耐力低下する。

【００３３】Ｂ’タイプはフランジ中間部の板厚ｔ₂の
みを２倍にしたもので、Ｂタイプと同様、フランジの出
の部分の局部座屈により波形に進行するものの、全体的
には耐力は上昇する。

【００３４】Ｂ”タイプはフランジ全体の板厚を、Ｂタ
イプの板厚の１．５倍としたもので、耐力変化の波形が
消える傾向にあり、塑性変形性状は安定してくる。

【００３５】図４(b) はＥタイプについて、フランジ板
厚ｔ₁，ｔ₂を変化させたＥ’タイプ、Ｅ”タイプとの
比較を行ったものである。

【００３６】Ｅ’タイプはフランジ中間部の板厚ｔ₂の
みを１．５倍にしたもので、Ｅ”タイプはフランジ全体
の板厚を１．５倍にしたものである。

【００３７】図４(a) のＢタイプの場合と比べて分かる
ことは、図４(b) のＥタイプのように角形断面を構成す
る口タイプに近づくにつれ、ウェブに挟まれた部分の板
厚ｔ₂を上げるだけで、塑性変形能力を向上させること
ができるということである。

【００３８】図５は、本発明の高靱性構造部材１を柱部
材として用いた場合の柱梁接合部の一例を示したもので
ある。ダブルウェブ構造の高靱性構造部材１柱部材とし
て用いた場合の柱梁接合部は、Ｈ形断面柱の場合に類似
し、角形鋼管柱等、箱形断面部材で問題となる複雑さは
ない。

【００３９】この例では柱部材の強軸方向については、
Ｈ形鋼梁１１を溶接等により直接接合し（スプリットテ
ィーその他の接合金具を用いることもできる）、弱軸方
向については、フランジ３間の断面幅内に接合金具とし
て兼用されるスティフナー１２を取り付け、このスティ
フナー１２を利用して弱軸方向のＨ形鋼梁１３を接合し
ている。

【００４０】もちろんＨ形鋼梁１１，１３の代わりに、
図１(b) に示すような細幅の梁タイプの高靱性構造部材
を用いることもできる。また、接合金具や接合方法につ
いては、従来、Ｈ形断面柱とＨ形鋼梁の接合部に用いら
れている種々の接合金具、接合方法が適用可能である。

【００４１】図６は、本発明の高靱性構造部材１を梁部
材に適用した場合の使用方法の一例として、Ｈ形断面柱
２１の強軸方向に梁タイプの細幅の高靱性構造部材１を
取り付けた状態を示している。図中、２２はスティフナ
ーである。

【００４２】梁部材は通常単一の高靱性構造部材１で構
成すればよいが、図示した例ではダブルウェブ構造の高
靱性構造部材１をモーメントの大きい梁端近傍にのみ設
け、梁中間部は通常のＨ形鋼梁２３としている。

【００４３】高靱性構造部材１とＨ形鋼梁２３の接続
は、高靱性構造部材１の２枚のウェブ２間に、Ｈ形鋼梁
２３の端部から突出させたウェブ２４部分を挿入して行
っている。Ｈ形鋼梁２３のウェブ２４には板厚に応じて
添接板２６を設ける等し、高靱性構造部材１のウェブ２
と重ね合わせた状態でボルト接合し、さらに高靱性構造
部材１のフランジ３とＨ形鋼梁２３のフランジ２５どう
しをスプライスプレートを介する等して接合する。

【００４４】

【発明の効果】断面中央部に形成した閉断面部により曲げ剛性、ね
じり剛性を確保しつつ、フランジの出を適切に設定する
ことで、断面的に近いＨ形鋼や角形鋼管に比べ塑性域に
おける高い変形性能を確保することができ、高靱性構造
部材としてその変形性能を構造物の設計に反映させるこ
とができる。

【００４５】フランジの板厚については、フランジ
のウェブ間の部分の板厚のみを大きくした場合にも、靱
性に関し良好な改善効果が得られる。

【００４６】柱部材として用いる場合、フランジ幅
と断面せいが略等しい外縁が略正方形の断面とすること
で、柱としての納まりがよく、梁との取り合い等の面で
も構造設計が容易である。また、Ｈ形断面柱に比べ弱
軸、強軸方向の断面剛性の差が少なく、それに応じた設
計が可能である。

【００４７】フランジの出の部分を利用すること
で、梁部材との取り合いやスティフナーによる補剛が角
形鋼管に比べ容易である。

【００４８】梁部材として用いる場合、ウェブ間の
間隔が小さい場合でも、従来のＨ形鋼梁等と比べ、ねじ
り剛性が極端に大きくなり、横座屈に対して有利であ
り、大スパンの梁に適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高靱性構造部材の代表的な断面形状と
寸法関係についての説明図であり、(a) が柱部材に適用
した場合、(b) は梁部材に適用した場合である。

【図２】本発明の高靱性構造部材の塑性変形能力に関す
る解析の説明図であり、(a) は数値シュミレーションモ
デルの断面を示す図、(b) は加力方法を示す図、(c) は
曲げモーメントと部材回転角の関係を示す図、(d) は解
析結果の図である。

【図３】数値シュミレーションにおいて、パラメーター
をｂ₁：ｂ₂：ｂ₁として、曲げモーメントＭと部材変
形角θの関係を、全塑性モーメントＭ_pと塑性変形角θ
_pで無次元化して示したグラフである。

【図４】数値シュミレーションにおいて、パラメーター
をｔ₁：ｔ₂：ｔ₁として、曲げモーメントＭと部材変
形角θの関係を、全塑性モーメントＭ_pと塑性変形角θ
_pで無次元化して示したグラフである。

【図５】本発明を柱部材に適用した場合の柱梁接合部の
一例を示す斜視図である。

【図６】本発明を梁部材に適用した場合の使用方法の一
例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…高靱性構造部材、２…ウェブ、３…フランジ、１１
…Ｈ形鋼梁、１２…スティフナー、１３…Ｈ形鋼梁、２
１…Ｈ形断面柱、２２…スティフナー、２３…Ｈ形鋼
梁、２４…ウェブ、２５…フランジ、２６…添接板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定間隔をおいて互いに平行に配置した
一対のウェブと、前記ウェブの両端に配置した一対のフ
ランジとからなり、所定のフランジ幅Ｂ、断面せいＨ、
ウェブ中心からのフランジの出ｂ₁、ウェブ中心間の幅
ｂ₂、フランジの出の部分の板厚ｔ₁、フランジのウェ
ブ間の部分の板厚ｔ₂、及びウェブの板厚ｔ₃を有し、
断面中央部に閉断面部を形成するとともに、前記フラン
ジの出ｂ₁により塑性域における所要の靱性を確保した
ことを特徴とする高靱性構造部材。
【請求項２】前記フランジの出ｂ₁とウェブ中心間の
幅ｂ₂が、ｂ₁：ｂ₂：ｂ₁＝２：１：２〜１：２：１
の関係にある請求項１記載の高靱性構造部材。
【請求項３】前記フランジの出の部分の板厚ｔ₁とフ
ランジのウェブ間の部分の板厚ｔ₂が、ｔ₂＞ｔ₁の関
係にある請求項１または２記載の高靱性構造部材。
【請求項４】前記フランジ幅Ｂと断面せいＨが、Ｈ／
Ｂ＝１〜４の関係にある請求項１、２または３記載の高
靱性構造部材。
【請求項５】柱部材を構成し、前記フランジ幅Ｂと断
面せいＨが、Ｈ／Ｂ≒１の関係にある請求項１、２また
は３記載の高靱性構造部材。