JPH11315581A - Ｈ形鋼の溶接施工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉄骨建築構造物に大地震等による大きな荷重
がかかった場合にも、スカラップ底の接するフランジに
生ずる歪集中を最小限に抑え、スカラップ底からの延性
き裂発生及び脆性破を減少させる施工方法の提供。 【解決手段】 圧延または鋼板の溶接組立により製作さ
れたＨ形鋼接合部にスカラップを設けて、他の部材と溶
接施工する方法であって、Ｈ形鋼ウェブ厚さの９０％以
上の直径を有する貫通穴を、Ｈ形鋼フランジのスカラッ
プ底部に設けることを特徴とする溶接施工方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は建築鉄骨構造の鋼製
柱・Ｈ形鋼梁仕口部の接合部にスカラップを設けて溶接
接合する方法に関し、スカラップ底の応力集中に起因す
る歪集中によって発生する脆性亀裂や延性亀裂の発生を
防止する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄骨構造物は溶接による鋼材の接合によ
って組み立てられる部分が多い。特に鉄骨建築構造物で
は柱と梁の接合に図２に示す形状の溶接が行われること
が多い。図２は角形鋼管の柱１の間にダイアフラム５を
はさんで溶接で接合し、さらにスカラップ６を加工した
Ｈ形鋼梁の梁フランジ２の端部を溶接接合し、梁ウエブ
３を柱フランジ１に溶接等で接合して製作した柱梁接合
部を示している。建物が地震により揺さぶられたときス
カラップ底７は構造的応力集中部であるために高い応力
が発生する。応力集中部はその周りが低応力であるため
変形しにくく、拘束を受けやすい。このため大地震時に
は降伏応力を越えるような高い応力が発生する。鋼材は
応力がその鋼材特有の限界劈開破壊応力に達すると脆性
破壊すると言われており、スカラップ底７から脆性破壊
することになる。

【０００３】また、特に、一般の鉄骨造建物では大地震
時には梁が塑性変形することを許容する設計となってお
り、応力集中するスカラップ底７は局所的に大きな塑性
歪が生じることがある。鋼材は歪がその鋼材特有の限界
歪に達すると延性亀裂が生じると言われており、スカラ
ップ底７から延性亀裂が発生することがある。この延性
亀裂は進展すると切欠の効果により脆性破壊に転じるこ
とになる。

【０００４】以上のような破壊を防止する方法としては
一つにスカラップ底７を応力集中が起こりにくい形状に
することが考えられている。この例として、特開平４−
９７３４５号公報では梁フランジとスカラップ端部のな
す角を規定することでスカラップ底の巨視的な応力集中
を低減させる方法や（社）鋼材クラブ／スカラップ研究
小委員会でのスカラップ形状に起因する巨視的な応力集
中の検討があげられる。二つ目の方法として延性亀裂や
脆性破壊に対する発生抵抗の高い鋼材を使用して仕口部
を製作する方法がある。

【０００５】すなわち、大地震の際の鉄骨建築構造物の
スカラップ底からの破壊を防止する方法としては、ス
カラップ底を応力集中の起こりにくい形状にする。延
性亀裂や脆性破壊に対する発生抵抗の高い鋼材を使用し
て仕口部を製作する方法がある。では部材全体に高破
壊靱性の鋼材を用いる設計があるが、破壊靱性の高い鋼
材は高価であり不経済な設計となる。さらに、溶接部か
らの破壊であるため溶接条件、溶接仕上がりによっても
破壊条件が大きく変化するため、鉄骨鋼材や溶接材料の
選択だけでは破壊を防止するのは難しい等の問題があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】発明者らは既に、の
方法として、特開平９−２７１９３８号公報にて、応力
集中の起こりにくいＨ形鋼のウェブに設けるスカラップ
を開示しているが、さらなる検討の結果、Ｈ形鋼のフラ
ンジのスカラップ底に接する部分に歪集中がなお存在
し、延性破壊の原因になりうることを究明した。さら
に、圧延Ｈ形鋼ではスカラップ底にあたるフィレット部
での破壊靱性がフランジ平坦部よりも低い場合があるこ
とや、溶接組立によるＨ形鋼ではスカラップ底に必ず溶
接部が存在し、この溶接による溶接欠陥の存在や熱影響
による破壊靱性の低下が原因となり、脆性破壊が発生す
ることを究明した。

【０００７】本発明は、鉄骨建築構造物に大地震等によ
る大きな荷重がかかった場合にも、スカラップ底に生ず
る歪集中を欠陥や靱性低下の無いフランジ母材部に分散
させることにより、スカラップ底からの延性き裂発生及
び脆性破壊を減少させることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者らは、フランジ部
分の曲げ剛性にあまり影響を与えない範囲の貫通穴を、
スカラップ底に設けることにより、前記スカラップ底部
における歪集中を回避できることを想到し、設けるべき
貫通穴の直径と位置を種々検討の結果、本発明を完成さ
せたもので、その要旨は、次のとおりである。

【０００９】（１）圧延または鋼板の溶接組立により製
作されたＨ形断面を呈するＨ形鋼の接合部にスカラップ
を設けて、他の部材と溶接施工する方法であって、Ｈ形
鋼ウェブ厚さの９０％以上の直径を有する貫通穴を、Ｈ
形鋼フランジのスカラップ底部に設けることを特徴とす
る溶接施工方法。 （２）前期Ｈ形鋼接合部が、鋼製柱にＨ形鋼梁を接合す
る仕口部であることを特徴とする前期（１）に記載の溶
接施工方法。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明をさらに詳細に説
明する。図１は本発明に属する接合部の例として図２に
示したもと同様の仕口部においてＨ形鋼フランジに貫通
穴を設けた一例であるが、図１および図２の柱梁接合部
に同じ変位を与えた場合に、スカラップ部近傍の応力集
中を有限要素法により計算した結果を、スカラップ底７
を中心とする断面図にて示したものが図３（本発明図１
のスカラップ部近傍）および図４（従来技術図２のスカ
ラップ部近傍）であるが、図４では最大の歪集中係数が
５以上であるのに対し図３では最大の歪集中係数は３以
下に軽減されており、歪集中度が従来より４０％以上改
善されている。

【００１１】貫通穴を設けることにより、スカラップ底
の歪集中をなくすためには溶接Ｈ形鋼ではウエブ厚＋溶
接脚長の２倍のサイズの穴を開ける必要があるが、発明
者らの詳細な応力解析等の結果により、穴の径はウェブ
厚さの９０％以上で十分効果が得られることが明らかと
なった。貫通穴を設けてもウェブ厚さの９０％未満のも
のでは、本発明の効果は期待できない。

【００１２】特に、ウエブとフランジが緩やかなＲを持
ってつながっている圧延Ｈ形鋼においては、フィレット
部の曲率を考慮して、貫通穴の直径の下限値は、ウェブ
厚さ＋（フィレット部曲率半径の２０％以上）とするの
が好ましい。一方、貫通穴がフランジ幅の２０％を超え
ると、フランジ部分の曲げ剛性低下が顕著となるので、
貫通穴の直径の上限はフランジ幅の２０％とするのが望
ましいが、この上限値はＨ形鋼の加工硬化特性やＨ形梁
の設計条件により異なるので、必須の条件としては限定
しない。ただし、実際の設計では、フランジ幅の２０％
もの貫通穴を設けることは剛性を考慮したより大きい断
面の部材を用いる必要性が生じることもあり不経済な設
計となる上、施工上も加工量が増え費用もかかることに
なる。本発明は穴の大きさがウェブ厚さ以上であること
にさえ注意すればよく、現実的には、ウェブ厚さ以上の
ドリル刃を選択して穿孔加工することになる。

【００１３】本発明で設ける貫通穴の位置・形状につい
ては、スカラップ底が貫通穴以内に存在すればよいが、
図１に示すような、スカラップ底に接する円形状の穴を
スカラップの下に設けるのが、特にスカラップを設けた
ウェブが既に存在している場合は、施工上最も有利であ
る。なお、本発明は、貫通穴の形状や仕上げ精度を特に
規定するものではないが、フランジに過度の応力集中を
招くものは、当然ながら好ましくない。

【００１４】また、本発明はウェブとフランジを溶接し
てＨ形鋼を形成する場合は、溶接する前後どちらに適用
しても良いが、溶接前にフランジに予め貫通穴を開けて
おく方が施工が容易である。しかし、例えば圧延Ｈ形鋼
や既設鉄骨など、ウェブとフランジが既に一体となって
いる場合は、貫通穴はフランジの外表面（ウェブと反対
の面）から加工するのが施工上容易で、この場合フラン
ジの内表面（ウェブがある面）から５ｍｍ以上の位置ま
で穿孔するのが望ましく、これにより十分な効果を期待
できる貫通穴を確保できる。

【００１５】なお、上記説明は柱梁の仕口部を例に説明
したが、本発明の要旨より明らかなように、Ｈ形鋼が他
の部材に溶接接合される部分であれば、その目的用途に
係わらず本発明のフランジに設ける貫通穴は、同様の効
果が期待できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例として以下の方法で制
作した柱梁接合部モデルの破壊試験結果結果の例を取り
上げて説明する。柱および梁には建築構造用圧延鋼板の
ＳＮ４９０Ａを用いて溶接により、従来施工法で溶接組
立Ｈ形鋼を用いた試験体Ａ、従来施工法で溶接組立Ｈ形
鋼を用いた試験体Ｂ、本発明を適用した溶接組立Ｈ形鋼
を用いた試験体Ｃ、本発明を適用したＨ形鋼を用いた試
験体Ｄの４種類の試験体を作成した。

【００１７】なお、試験体制作に用いた梁のＨ形鋼のサ
イズは４２８ｍｍ×４０７ｍｍ×２０ｍｍ×３５ｍｍ
（ウエブ高さ×フランジ幅×ウエブ厚×フランジ厚）で
あり、柱は板厚４０ｍｍで一辺が４４０ｍｍの溶接ボッ
クスとした。本発明を用いた試験体Ｃと試験体Ｄにはス
カラップ底にそれぞれ３５ｍｍ、４５ｍｍの穴を開け
た。また、試験体は柱と梁を十字に組み立て梁両端の荷
重点間隔を３５００ｍｍ、両端を固定した柱高さを２８
００ｍｍとした。

【００１８】柱梁接合部の溶接はＣＯ₂ ガスシールド半
自動溶接で行った。溶接ワイヤーは１．４ｍｍφのＪＩ
Ｓ Ｚ ３３１２ ＹＧＷ１１相当を使用し、入熱条件
は２１ＫＪ／ｃｍで溶接を行った。柱部を固定し、梁部
の静的曲げ試験を行った。実験は、圧延鋼板と圧延Ｈ形
鋼で破壊靱性が異なるため、梁材のシャルピー衝撃試験
吸収エネルギーが１０Ｊを呈する温度まで冷却して同じ
衝撃特性となる温度で行った。

【００１９】実験の結果、試験体Ａでは梁の曲げ変位４
３ｍｍ、試験体Ｂでは４８ｍｍで最大荷重以前にスカラ
ップ底を起点として脆性亀裂が発生しフランジが破断し
たのに対し、試験体ＣとＤは１５０ｍｍでも破壊せず、
十分な耐力を示した後、梁端部の局部座屈により荷重が
低下した。以上の結果より本発明の有効性が確認され
た。

【００２０】

【発明の効果】本発明により、大地震などによる大きな
負荷が接合部にかかった際、スカラップ底の歪集中を低
下させることにより、脆性破壊の起点となる延性亀裂の
発生を妨げることができる。また、溶接により組み立て
たＨ形鋼のスカラップ底部には溶接欠陥が発生している
場合が考えられるが溶接部の歪集中を軽減させて亀裂や
欠陥の存在確率の低い母材に歪集中を移動させることが
できる。圧延Ｈ形鋼でも、破壊靱性がフランジ部より低
いことのあるフィレット部への歪集中を避け破壊靱性の
高いフランジ部に歪集中を移動させることができるた
め、脆性亀裂の発生も低減させることができる。こうし
た効果によりスカラップ底の歪集中を起点としたＨ形鋼
フランジの脆性破壊を起こりにくくすることができる。

【００２１】さらに、本発明の方法はフランジを溶接す
る前後どちらでも適用でき、同等の効果がある。従っ
て、比較的簡単な加工により、震災等による脆性破壊の
危険を大幅に軽減できるため、本発明は産業上、特に耐
震建築の分野における価値の極めて高い発明であるとい
える。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による鉄骨構造の溶接接合部の
（１）斜視図および（２）スカラップ近傍（（１）の丸
囲み部Ｓ）断面図である。

【図２】図２は、従来技術による鉄骨構造の溶接接合部
の（１）斜視図および（２）スカラップ近傍（（１）の
丸囲み部Ｓ）断面図である。

【図３】図３は、図１のスカラップ底部断面の拡大図に
計算による歪集中係数の分布を示した図である。

【図４】図４は、図２のスカラップ底部断面の拡大図に
計算による歪集中係数の分布を示した図である。

【符号の説明】

１…柱フランジ ２…梁フランジ ３…梁ウェブ ４…柱ウェブ ５…ダイヤフラム ６…スカラップ ７…スカラップ底 ８…貫通穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古谷 仁志 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧延または鋼板の溶接組立により製作さ
   れたＨ形断面を呈するＨ形鋼の接合部にスカラップを設
   けて、他の部材と溶接施工する方法であって、Ｈ形鋼の
   ウェブ厚さの９０％以上の直径を有する貫通穴を、Ｈ形
   鋼フランジのスカラップ底部に設けることを特徴とする
   溶接施工方法。
2. 【請求項２】 前記Ｈ形鋼接合部が、鋼製柱にＨ形鋼梁
   を接合する仕口部であることを特徴とする請求項１に記
   載の溶接施工方法。