WO2019215942A1

WO2019215942A1 - Ｈ形断面部材の接合構造およびその製造方法

Info

Publication number: WO2019215942A1
Application number: PCT/JP2018/039364
Authority: WO
Inventors: 耕一横関; 冨永　知徳; 悠介鈴木; 半谷　公司
Original assignee: 日本製鉄株式会社
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2019-11-14

Abstract

フランジおよびウェブを含む第１のＨ形断面部材を、材軸方向端部において、フランジに対応する第１の板状部分およびウェブに対応する第２の板状部分を有する第２のＨ形断面部材に接合するＨ形断面部材の接合構造であって、フランジと第１の板状部分との間に材軸方向に交差する方向に延びる第１の溶接部が形成され、ウェブおよび第２の板状部分のそれぞれの板面を仮想的に延長した面と第１の溶接部を仮想的に延長した線との交差部分を含む領域でフランジおよび第１の板状部分にまたがる開口部が形成されている、Ｈ形断面部材の接合構造が提供される。

Description

Ｈ形断面部材の接合構造およびその製造方法

　本発明は、Ｈ形断面部材の接合構造およびその製造方法に関する。

　Ｈ形断面梁の梁端部同士、またはＨ形断面梁の梁端部と柱との接合部では、Ｈ形断面梁の材軸方向端部でフランジを全溶け込み溶接するにあたり、例えば特許文献１に記載されたようにウェブにスカラップを形成し、必要に応じて裏当金を設置したうえで全溶け込み溶接を実施する。ウェブにスカラップを形成することによって、フランジの溶接線とウェブとの交差を避けることができる。

特開平５－２７２１７２号公報

　しかしながら、梁に曲げやせん断力が作用した場合、裏当金とフランジとの溶接部、およびスカラップの縁部が、脆性き裂、または金属疲労によるき裂の起点になる場合がある。この原因として、応力が集中しやすいフランジの溶接線とウェブ接合面との交差部に、溶接欠陥や形状急変部といったき裂の起点となりやすい部位を含む可能性のある溶接部を残存させていること、またスカラップ部において局所的にウェブに拘束されていないフランジが面外変形し、そのフランジがスカラップ以外の部分でウェブに拘束されることによってスカラップ部近傍に二次的な過大応力が発生するといった構造上の理由が考えられる。

　そこで、本発明は、Ｈ形断面部材の材軸方向端部で相手方部材との間に形成される溶接接合部におけるき裂の発生をより効果的に防止することが可能な、新規かつ改良されたＨ形断面部材の接合構造およびその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明のある観点によれば、フランジおよびウェブを含む第１のＨ形断面部材を、材軸方向端部において、フランジに対応する第１の板状部分およびウェブに対応する第２の板状部分を有する第２のＨ形断面部材に接合するＨ形断面部材の接合構造であって、フランジと第１の板状部分との間に材軸方向に交差する方向に延びる第１の溶接部が形成され、ウェブおよび第２の板状部分のそれぞれの板面を仮想的に延長した面と第１の溶接部を仮想的に延長した線との交差部分を含む領域でフランジおよび第１の板状部分にまたがる開口部が形成されている、Ｈ形断面部材の接合構造が提供される。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、ウェブと第２の板状部分との間に第２の溶接部が形成されていてもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、開口部に連通して、ウェブおよび第２の板状部分にそれぞれ切り欠きが形成されてもよい。この場合、材軸方向において、ウェブに形成される切り欠きのフランジ側の端部位置は開口部のフランジ側の端部位置に一致し、第２の板状部分に形成される切り欠きの第１の板状部分側の端部位置は開口部の第１の板状部分側の端部位置に一致してもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、第１の溶接部に接する領域でウェブおよび第２の板状部分の少なくともいずれかにスカラップが形成されていてもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、ウェブ及び第２の板状部分の少なくとも一方に、第１のＨ形断面部材の材軸方向に平行に延びる部分を含む補強部材が取り付けられていてもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、フランジを形成する材料の降伏点は、ウェブを形成する材料の降伏点よりも高くてもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、第１の板状部分を形成する材料の降伏点は、第２の板状部分を形成する材料の降伏点よりも高くてもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、第１のＨ形断面部材は第１のＨ形断面梁であり、第２のＨ形断面部材は第２のＨ形断面梁であり、第１の板状部分は第２のＨ形断面梁のフランジであり、第２の板状部分は第２のＨ形断面梁のウェブであってもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造において、第１のＨ形断面部材は第１のＨ形断面梁であり、第２のＨ形断面部材は柱に第１のＨ形断面梁を接合するための接合部材であってもよい。

　本発明の別の観点によれば、フランジおよびウェブを含む第１のＨ形断面部材を、材軸方向端部において、フランジに対応する第１の板状部分およびウェブに対応する第２の板状部分を有する第２のＨ形断面部材に接合するＨ形断面部材の接合構造の製造方法であって、フランジと第１の板状部分との間に材軸方向に交差する方向に延びる第１の溶接部を形成する工程と、ウェブおよび第２の板状部分のそれぞれの板面を仮想的に延長した面と第１の溶接部を仮想的に延長した線との交差部分を含む領域でフランジおよび第１の板状部分にまたがる開口部を形成する工程とを含む、Ｈ形断面部材の接合構造の製造方法が提供される。

　上記のＨ形断面部材の接合構造の製造方法において、開口部を形成する工程は、第１の溶接部を形成する工程の後に実施されてもよい。

　上記のＨ形断面部材の接合構造の製造方法において、第１の溶接部を形成する工程の前に、フランジとウェブとの間、および第１の板状部分と第２の板状部分との間に第２の溶接部を形成する工程をさらに含み、開口部を形成する工程は、第２の溶接部を形成する工程の前に実施されてもよい。

　本発明によれば、フランジに開口部を形成することによって、フランジの面外変形が拘束されない部分でフランジ自体が切り取られるため、フランジの面外変形によってウェブに作用する応力を緩和し、この応力によるき裂の発生を防止することができる。また、第１の溶接部と他の溶接部との交差部分がある場合、交差した溶接部には溶接欠陥が生じやすいが、万一溶接欠陥が生じたとしても、開口部を形成すること、つまり交差部分を除去することにより、溶接欠陥を起点とするき裂の発生を防止することができる。

第１の実施形態に係る梁端部接合構造の概略的な斜視図である。図１Ａの部分拡大図である。図１ＡのII－II線断面図である。図２Ａの例における変形時の挙動を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る梁端部接合構造においてフランジの溶接に裏当金を使用した例の上面図である。図３ＡのIIIB－IIIB線断面図である。本発明の第１の実施形態に係る梁端部接合構造の製造方法の工程を示す図である。本発明の第１の実施形態における開口部の寸法の例について説明するための図である。本発明の第２の実施形態に係る梁端部接合構造の製造方法の工程を示す図である。本発明の第３の実施形態に係る梁端部接合構造の製造方法の工程を示す図である。本発明の実施形態において補強部材を取り付けた例を示す図である。本発明の実施形態において補強部材を取り付けた例を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る柱梁接合構造の斜視図である。図９の分解図である。図９に示された例における応力集中部と開口部との関係を示す図である。

　以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

　（第１の実施形態）
　図１Ａは本発明の第１の実施形態に係る梁端部接合構造の概略的な斜視図であり、図１Ｂは図１Ａの部分拡大図である。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、本実施形態に係る梁端部接合構造では、フランジ１１Ａおよびウェブ１２Ａを有するＨ形断面梁１０Ａ（第１のＨ形断面部材）が、材軸方向端部において、フランジ１１Ｂ（第１の板状部分）およびウェブ１２Ｂ（第２の板状部分）を有するＨ形断面梁１０Ｂ（第２のＨ形断面部材）に接合される。Ｈ形断面梁１０Ａ,１０Ｂは、例えば鋼材等の金属材料で形成されていて、フランジ１１Ａとフランジ１１Ｂとの間には、Ｈ形断面梁１０Ａの材軸方向に交差する方向に延びる突合せ溶接部１３１（第１の溶接部）が形成される。図示された例では、ウェブ１２Ａとウェブ１２Ｂとの間にも突合せ溶接部１３２（第２の溶接部）が形成されている。ただし、ウェブ１２Ａとウェブ１２Ｂとの間は必ずしも溶接されなくてもよく、例えば添接板を用いてボルト接合されてもよい。なお、材軸方向とはＨ形断面に交差する方向であり、Ｈ形梁鋼の場合「梁が延びる方向」または「梁の長さ方向」とも言われる。

　さらに、本実施形態では、ウェブ１２Ａおよびウェブ１２Ｂのそれぞれの板面を仮想的に延長した延長面１２１Ａ，１２１Ｂと突合せ溶接部１３１を仮想的に延長した線との交差部分を含む領域で、フランジ１１Ａおよびフランジ１１Ｂにまたがる開口部１４が形成される。開口部とは、鋼材または溶接金属などがなく、空洞になっていることを意味する。ここで、ウェブ１２Ａ，１２Ｂはいずれも板状部分であるため、端面（フランジ１１Ａ，１１Ｂに溶接される面（圧延Ｈ形鋼の場合には、ウェブ１２Ａ，１２Ｂとフランジ１１Ａ，１１Ｂとがそれぞれ一体に形成されるためこの面は存在しない）、および突合せ溶接部１３２で互いに溶接される面）と板面（端面ではない、Ｈ形断面梁１０Ａの材軸方向に平行に広がる面）とを定義することができる。同様に、フランジ１１Ａ，１１Ｂも、いずれも板状部分であるため、端面（接合構造において互いに溶接される面、およびＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの幅方向両側に向けられる面）と板面（端面ではない、Ｈ形断面梁１０Ａの材軸方向に平行に広がる面）とを定義することができる。開口部１４は、フランジ１１Ａ，１１Ｂの一方の板面から他方（反対側）の板面まで貫通している。具体的には、図示された例において、開口部１４は、フランジ１１Ａおよびフランジ１１Ｂのそれぞれの幅方向中央に形成されている。なお、開口部１４の平面形状は、図示された例では円形であるが、楕円形、または長円形など他の形状であってもよい。また開口部１４の形状を矩形としてもよいが、矩形の隅に応力が集中し、そこが破壊の起点となる可能性があるため、矩形とする場合は矩形の隅を丸く加工することが好ましい。

　図２Ａは図１ＡのII－II線断面図であり、図２Ｂは図２Ａの例における変形時の挙動を示す図である。図２Ａに示されるように、本実施形態に係る梁端部接合構造では、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂのフランジ１１Ａ，１１Ｂにまたがって形成される開口部１４に連通して、ウェブ１２Ａおよびウェブ１２Ｂにそれぞれ切り欠き１５Ａ，１５Ｂが形成されている。切り欠き１５Ａ,１５Ｂ内の空間と開口部１４内の空間とは直接的に連通し、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの材軸方向において、切り欠き１５Ａ，１５Ｂを合わせた長さは開口部１４の長さに一致する。つまり、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの材軸方向において、切り欠き１５Ａのフランジ１１Ａ側（突合せ溶接部１３２とは反対側）の端部位置は開口部１４のフランジ１１Ａ側の端部位置に一致し、切り欠き１５Ｂのフランジ１１Ｂ側（突合せ溶接部１３２とは反対側）の端部位置は開口部１４のフランジ１１Ｂ側の端部位置に一致する。これによって、後述するように、応力が集中しやすい突合せ溶接部１３１と突合せ溶接部１３２との交差部分において溶接欠陥や形状急変部といったき裂の起点となりやすい部位を含む可能性のある溶接部が除去されるため、き裂の発生を効果的に防止することができる。また、図２Ｂに示されるように、本実施形態では、開口部１４が形成された部分でフランジ１１Ａ，１１Ｂがウェブ１２Ａ，１２Ｂに接合されないため、この部分ではフランジ１１Ａ，１１Ｂの面外変形が拘束されないが、開口部１４では面外変形するフランジ１１Ａ，１１Ｂ自体が切り取られているため、フランジ１１Ａ，１１Ｂの面外変形によってウェブ１２Ａ，１２Ｂに作用する二次的な応力は緩和され、この二次的な応力によるき裂の発生を防止することができる。前記交差部分が確実に開口部１４となるように加工するためには、図２Ａのように、ウェブ１２Ａおよびウェブ１２Ｂの切り欠き１５Ａ，１５Ｂが生じるような加工をすることが好ましいが、切り欠き１５Ａ，１５Ｂの存在は必須ではない。前記交差部分のみが開口部１４となっていてもよい。なお、開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂは形成された後、一体化した空間となっている。さらに、梁端部接合構造を上面から見た場合、開口部１４と切り欠き１５Ａ，１５Ｂは、材軸方向において寸法が等しくてもよい。

　なお、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、本実施形態では、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの上下両側のフランジ１１Ａ，１１Ｂおよびウェブ１２Ａ，１２Ｂにおいて同様に開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂが形成される。以上の説明では上側のフランジ１１Ａ，１１Ｂおよびウェブ１２Ａ，１２Ｂに形成される開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂについて説明したが、下側のフランジ１１Ａ，１１Ｂおよびウェブ１２Ａ，１２Ｂに形成される開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂについても同様である。なお、他の実施形態では、Ｈ形断面梁１０ＡまたはＨ形断面梁１０Ｂのいずれか一方のみで開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂが形成されてもよい。また、他の実施形態では、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの上側または下側のいずれか一方のみに開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂが形成されてもよい。なお、上述のように、ウェブ１２Ａとウェブ１２Ｂとの間を溶接する代わりに添接板を用いてボルト接合することも可能であるが、この場合、切り欠き部１５Ａ，１５Ｂはウェブ１２Ａ，１２Ｂが切り欠かれた部分であり、ウェブ１２Ａとウェブ１２Ｂとの間に現れる隙間は切り欠き部ではない。

　図３Ａは本発明の第１の実施形態に係る梁端部接合構造においてフランジの溶接に裏当金を使用した例を示す図であり、図３Ｂは図３ＡのIIIB－IIIB線断面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、本実施形態では、フランジ１１Ａとフランジ１１Ｂとの間に突合せ溶接部１３１を形成するために裏当金１６が使用されてもよい。裏当金１６がフランジ１１Ａ，１１Ｂとウェブ１２Ａ，１２Ｂとの交差部分に位置している場合、裏当金１６とフランジ１１Ａ，１１Ｂとの間の形状急変部がき裂の起点になる可能性があるが、本実施形態では開口部１４によってウェブ１２Ａ，１２Ｂとの交差部分でフランジ１１Ａ，１１Ｂが裏当金１６とともに切り取られるため、裏当金１６を起点とするき裂の発生を防止することができる。

　図４は、本発明の第１の実施形態に係る梁端部接合構造の製造方法の工程の一例を示す図である。図４（Ａ）に示されるように、まずＨ形断面梁１０Ａのフランジ１１Ａおよびウェブ１２Ａの端面に開先を加工した上で、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの材軸方向端部を対向させる。この時点で、上述した開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂは形成されていない。次に、図４（Ｂ）に示されるように、フランジ１１Ａ，１１Ｂの間に突合せ溶接部１３１を形成し、ウェブ１２Ａ，１２Ｂの間に突合せ溶接部１３２を形成する工程を実施する。突合せ溶接部１３１，１３２を形成する工程の後に、図４（Ｃ）に示されるように、フランジ１１Ａ，１１Ｂに開口部１４を形成し、さらにウェブ１２Ａ，１２Ｂに切り欠き１５Ａ，１５Ｂを形成する工程を実施する。開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂは、例えば、コア抜き用のドリルを用いた切削加工によって形成することができる。なお、突合せ溶接部１３２を形成した後、突合せ溶接部１３１を形成し、その後、開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂを形成してもよい。

　本実施形態では、上記のような工程によって、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂを接合するとともに、突合せ溶接部１３１と突合せ溶接部１３２との交差部分を除去する。溶接部の交差部分では溶接の作業性が低下し、また溶接の始終端になるため溶接欠陥が発生しやすいため、突合せ溶接部１３１と突合せ溶接部１３２との交差部分を除去することによって溶接欠陥を起点とするき裂の発生を効果的に防止することができる。溶接の始終端において溶接欠陥が発生しやすい部分を十分に除去するために、切り欠き１５Ａ，１５Ｂは、例えば突合せ溶接部１３２の始終端から１０ｍｍ以上の範囲を切り取ることが好ましく、突合せ溶接部１３２の始終端から２０ｍｍ以上の範囲を切り取ることがより好ましい。

　また、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂが鋼板を溶接することにより製造されたＨ形断面梁である場合、フランジ１１Ａとウェブ１２Ａとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間には溶接部１３３が形成されている。この場合、突合せ溶接部１３１と突合せ溶接部１３２との交差部分は溶接部１３３も含めて３つの溶接部の交差部分になるため、切り欠き１５Ａ，１５Ｂによって溶接部１３３も含めた溶接部の交差部分を除去することで、溶接欠陥を起点とするき裂の発生をより効果的に防止できる。また、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂが圧延Ｈ形鋼である場合も、フランジ１１Ａとウェブ１２Ａとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間には形状変化部分であるフィレット部が形成される。開口部１４および切り欠き１５Ａ，１５Ｂの形成により、突合せ溶接部１３１と突合せ溶接部１３２との交差部分をフィレット部も含めて除去することで、溶接欠陥を起点とするき裂の発生をより効果的に防止できる。

　図５には、本実施形態における開口部１４の寸法の例について説明するための図である。本実施形態においてＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂのフランジ１１Ａ，１１Ｂに形成される開口部１４の寸法の下限は、例えば溶接部などによって規定される領域Ｘに外接する寸法としてもよい。領域Ｘは、材軸方向にａ_ｆ、フランジ１１Ａ，１１Ｂの幅方向にｔ_ｗ＋２ａ_ｗ、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの高さ方向にｔ_ｆ＋ａ_ｗの寸法をもつ領域である。ここで、ｔ_ｆはフランジ１１Ａ，１１Ｂの板厚、ａ_ｆはフランジ１１Ａとフランジ１１Ｂとの間の突合せ溶接部１３１の溶接幅、ｔ_ｗはウェブ１２Ａ，１２Ｂの板厚、ａ_ｗはフランジ１１Ａ，１１Ｂとウェブ１２Ａ，１２Ｂとの溶接部１３３の脚長である。なお、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂが圧延Ｈ形鋼の場合は、フランジ１１Ａとウェブ１２Ａとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間に形成されるフィレット部の脚長（フィレット部が円柱面で近似される場合には円柱断面の半径）がａ_ｗになる。このような領域Ｘを含む開口部１４の直径Ｄおよび深さｈ_ｏは、以下の式（１）および式（２）を満たす範囲にある。

　領域Ｘには溶接部（または形状変化部分）の交差部分が含まれるため、上記のような領域Ｘを少なくとも含む大きさとなるようにコア抜き用のドリルを用いた切削加工で開口部１４を形成することによって、き裂の発生をより効果的に防止できる。

　一方、開口部１４の寸法の上限は、例えば直径Ｄがフランジ１１Ａ，１１Ｂの幅の１／２、深さｈ_０がＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの梁せいの１／８としてもよい。梁せいとは、Ｈ形断面部材の上下のフランジの外側の表面間の間隔であり、Ｈ形鋼の場合その高さをいう。これら開口部１４の寸法の上限は、開口部１４が形成されることによるＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの曲げ剛性およびせん断強度の低下を最低限に抑える観点から決定される。例えば後述する例のように曲げ剛性などの低下を補強部材を取り付けることによって補うことも可能であるが、補う曲げ剛性がＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂそのものの曲げ剛性を超えないようにする場合、開口部１４の直径Ｄはフランジ１１Ａ，１１Ｂの幅の１／２以下になる。具体的な直径Ｄの上限としては、フランジ１１Ａ，１１Ｂの幅の１／３，１／５，１／１０，１／２０、または下限の値に５ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍを加えたものが例示される。また、深さｈ_０の上限としては、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの梁せいの１／１０，１／１５，１／２０，１／４０、または下限の値に５ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍを加えたものが例示される。

　（第２の実施形態）
　図６は、本発明の第２の実施形態に係る梁端部接合構造の製造方法の工程を示す図である。なお、以下で説明する部分を除いて、本実施形態の構成は第１の実施形態と同様である。図６（Ａ）に示されるように、本実施形態では、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂのウェブ１２Ａ，１２Ｂにおけるフランジ１１Ａ,１１Ｂ側の部分に予めスカラップ２１Ａ，２１Ｂがそれぞれ形成されている。スカラップ２１Ａ，２１Ｂは、図６（Ｂ）に示すようにＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂが突合せ溶接されたときに、フランジ１１Ａ，１１Ｂの間に形成される突合せ溶接部１３１に接し、且つウェブ１２Ａ,１２Ｂが相互に対向する端面側の領域にそれぞれ形成されている。そして、ウェブ１２Ａ,１２Ｂを突合せ溶接して突合せ溶接部１３２が形成された際には、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂのそれぞれのスカラップ２１Ａ,２１Ｂ内の空間が相互に一体化し、１つの閉じた空間が形成される態様となっている。突合せ溶接部１３１を形成する工程の後、図６（Ｃ）に示されるように、フランジ１１Ａ，１１Ｂに開口部１４を形成する工程が実施される。開口部１４は、第１の実施形態と同様に切削加工などによって形成することができる。なお、開口部１４が形成されると、開口部１４およびスカラップ２１Ａ，２１Ｂは連通し、一体化した空間となる。

　本実施形態では、ウェブ１２Ａ，１２Ｂの間の突合せ溶接部１３２がスカラップ２１Ａ，２１Ｂの領域には形成されないため、突合せ溶接部１３１と突合せ溶接部１３２との交差部分は形成されない。また、フランジ１１Ａとウェブ１２Ａとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間の溶接部１３３（圧延Ｈ形鋼の場合フィレット部）もスカラップ２１Ａ，２１Ｂの領域には形成されないため、突合せ溶接部１３１と溶接部１３３の交差部分も形成されない。その一方で、スカラップ２１Ａ，２１Ｂが形成された部分ではフランジ１１Ａ，１１Ｂの面外変形が拘束されないため、フランジに面外変形が生じ、これをウェブが拘束することでスカラップ周辺のフランジおよびウェブに二次的な過大応力が生じる。開口部１４によって面外変形するフランジ１１Ａ，１１Ｂ自体を切り取ることによって、過大応力が生じる箇所からき裂起点となりやすい溶接部を除去するとともに、フランジ１１Ａ，１１Ｂの面外変形によってウェブ１２Ａ，１２Ｂに作用する応力を緩和することでき裂の発生を効果的に防止することができる。また、ウェブ１２Ａとウェブ１２Ｂについては、スカラップ２１Ａ，２１Ｂが形成されていることにより、第１の実施形態のように、ウェブ１２Ａとウェブ１２Ｂや突合せ溶接部１３２、各Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの溶接部（圧延Ｈ形鋼の場合フィレット部）を除去する必要がなく、切削加工が比較的容易である。

　なお、第１の実施形態では、切り欠き１５Ａ，１５Ｂが図４（Ｃ）に示されるように開口部１４に続いて形成される。一方、第２の実施形態では、スカラップ２１Ａ，２１Ｂが図６（Ａ）に示されるように開口部１４が形成されるよりも前に予め形成される。その結果、第１の実施形態では、材軸方向において、切り欠き１５Ａ，１５Ｂを合わせた長さは開口部の長さと等しくなる。一方、第２実施形態では、スカラップ２１Ａ，２１Ｂの形状は、図６（Ｃ）に示されるように、材軸方向において、スカラップ２１Ａ，２１Ｂを合わせた長さが開口部１４の長さと異なることになる。なお、図６（Ｃ）では、材軸方向において、スカラップ２１Ａ，２１Ｂを合わせた長さが開口部１４の長さより長いが、スカラップ２１Ａ，２１Ｂを合わせた長さが開口部１４の長さより短くてもよく、同じ長さであってもよい。また、上記で図５を参照して説明した開口部１４の大きさについて、本実施形態のようにウェブ１２Ａ，１２Ｂにスカラップ２１Ａ，２１Ｂが形成される場合は、フランジ１１Ａとフランジ１１Ｂとの間の突合せ溶接部１３１がフランジ１１Ａとウェブ１２Ａとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間の溶接部１３３またはフィレット部と交差しないため、上記の式（１）および式（２）においてａ_ｗ＝０としてよい。

　（第３の実施形態）
　図７は、本発明の第３の実施形態に係る梁端部接合構造の製造方法の工程を示す図である。なお、以下で説明する部分を除いて、本実施形態の構成は第１の実施形態と同様である。図７（Ａ）に示されるように、本実施形態では、鋼板を溶接することにより製造されたＨ形断面梁３０Ａ，３０Ｂでフランジ１１Ａとウェブ１２Ａとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間に溶接部１３３を形成する工程の前に、フランジ１１Ａ，１１Ｂに半開口部１４Ａ，１４Ｂを形成する工程を実施する。半開口部１４Ａ，１４Ｂは、フランジ１１Ａ,１１Ｂの対向する材軸方向の端部側に形成されていて、平面視において、略半円形や半楕円形、半長円状等、フランジ１１Ａ,１１Ｂの端部方向（他方の半開口部１４Ｂ，１４Ａ方向）が開放された空間となっている。そして、Ｈ形断面梁３０Ａ，３０Ｂを突合せ溶接した際には、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂのそれぞれの半開口部１４Ａ，１４Ｂ内の空間が開放部分側で相互に一体化し、平面視において略円形や楕円形、長円状等の１つの閉じた空間（開口部１４）が形成される態様となっている。なお、各半開口部１４Ａ，１４Ｂは、第１の実施形態と同様に切削加工などによって形成することができる。また、本実施形態でも、第２の実施形態と同様に、ウェブ１２Ａ，１２Ｂに予めスカラップを形成してもよい。

　次に、図７（Ｂ）に示されるように、フランジ１１Ａとウェブ１２Ｂとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間に溶接部１３３を形成する工程を実施する。このとき、半開口部１４Ａ，１４Ｂではフランジ１１Ａ，１１Ｂが切り取られているため、溶接部１３３の始終端は半開口部１４Ａ，１４Ｂの縁部に形成される。次に、図７（Ｃ）に示されるように、フランジ１１Ａ，１１Ｂの間に突合せ溶接部１３１を形成し、ウェブ１２Ａ，１２Ｂの間に突合せ溶接部１３２を形成する工程を実施する。このとき、前述のように、フランジ１１Ａ，１１Ｂにそれぞれ形成された半開口部１４Ａ，１４Ｂは、合体して開口部１４になる。

　本実施形態では、フランジ１１Ａ，１１Ｂの間の突合せ溶接部１３１が開口部１４の領域には形成されないため、ウェブ１２Ａ，１２Ｂに切り欠きを形成しなくても、突合せ溶接部１３１とウェブ１２Ａ，１２Ｂの間の突合せ溶接部１３２との交差部分は形成されない。また、フランジ１１Ａとウェブ１２Ａとの間、およびフランジ１１Ｂとウェブ１２Ｂとの間の溶接部１３３も開口部１４（半開口部１４Ａ，１４Ｂ）の領域には形成されないため、ウェブ１２Ａ，１２Ｂに切り欠きを形成しなくても、突合せ溶接部１３１と溶接部１３３との交差部分は形成されない。開口部１４が形成された部分ではフランジ１１Ａ，１１Ｂの面外変形が拘束されないが、開口部１４で面外変形するフランジ１１Ａ，１１Ｂ自体が切り取られることによって、フランジ１１Ａ，１１Ｂの面外変形によってウェブ１２Ａ，１２Ｂに作用する応力を緩和することができる。

　（補強部材を取り付けた例）
　図８Ａおよび図８Ｂは、上述したような本発明の実施形態において補強部材を取り付けた例を示す図である。なお、図８Ａおよび図８Ｂには、それぞれの断面図の視点がVIIA－VIIA線およびVIIB－VIIB線によって示されている。図８Ａおよび図８Ｂに示された例では、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂのウェブ１２Ａ，１２Ｂにおけるウェブ面の両面に、板体状の補強部材１７が、上側のフランジ１１Ａ,１１Ｂ側寄りの位置及び下側のフランジ１１Ａ,１１Ｂ寄りの位置の上下二段に、ウェブ１２Ａ,１２Ｂに対して垂直に突出するようにそれぞれ接合されている。開口部１４が形成されることによるフランジ１１Ａ，１１Ｂの断面欠損によるＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの強度（例えば断面係数）および剛性（例えば断面二次モーメント）の低下は、補強部材１７を取り付けることによって補うことができる。なお、図示された例では補強部材１７がウェブ１２Ａおよびウェブ１２Ｂ（第２のＨ形断面部材の第２の板状部分）の両方に取り付けられているが、補強部材１７はウェブ１２Ａまたはウェブ１２Ｂのいずれか一方のみに取り付けられてもよい。

　例えば、図８Ａおよび図８Ｂに示されたようにフランジ１１Ａ，１１Ｂの材軸方向に平行に延び、且つウェブ１２Ａ,１２Ｂに対して垂直に突出するように取り付けられる板体状の補強部材１７の場合、補強部材１７の取付位置と断面寸法との関係は以下の式（３）で表される。なお、式（３）では、開口部１４の形成によるＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの断面強軸回りの中立軸位置の変動が無視できることを仮定し、補強およびフランジ断面欠損の前と補強後の断面とで断面二次モーメントが等しくなるような補強部材を示している。式（３）において、Ｄはフランジ１１Ａ，１１Ｂの幅方向における開口部１４の寸法（開口部１４が円形の場合は直径に等しい）、ｔ_ｆはフランジ１１Ａ，１１Ｂの板厚、ｈ_ｆはＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの断面強軸回りの中立軸からフランジ１１Ａ，１１Ｂの板厚中心までの距離、Ａ_Ｓは補強部材１７の断面積、ｈ_ＳはＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの断面強軸回りの中立軸から補強部材１７の板厚中心までの距離である。なお、補強部材１７の断面積は、補強部材１７の両側を合わせた幅をｂ_Ｓ、板厚をｔ_Ｓ、ウェブ１２Ａ，１２Ｂの板厚をｔ_ｗとすると、Ａ_ｓ＝（ｂ_ｓ－ｔ_ｗ）ｔ_ｓで求められる。

　また、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの材軸方向における補強部材１７の長さは、例えば開口部１４の材軸方向の長さ以上としてもよいし、補強部材１７の長さ２Ｌを以下の式（４）を用いて算出してもよい。なお、式（４）は、ウェブ１２Ａ，１２Ｂを流れるせん断力が材軸方向に対して４５°の方向で伝わることを仮定している

　なお、図８Ａおよび図８Ｂの例では板状の補強部材１７が溶接などによってウェブ１２Ａ，１２Ｂに取り付けられるが、補強部材１７の形状および取り付け方法はこのような例には限られない。例えば、補強部材１７は、Ｌ字状の断面形状を有し、一方の面がウェブ１２Ａ，１２Ｂに当接されてボルト接合される一方で、他方の面がウェブ１２Ａ，１２Ｂに対して垂直に、すなわちフランジ１１Ａ，１１Ｂとは平行に延びてもよい。それ以外にも、Ｈ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの強度および剛性を上昇させることが可能であれば、様々な形状の補強部材１７を、様々な方法で取り付けることができる。

　また、上記のような補強部材１７の取り付けとは別の観点で、フランジ１１Ａ，１１Ｂを形成する材料の強度を高くすることによって、開口部１４が形成されることによるフランジ１１Ａ，１１Ｂの断面欠損によるＨ形断面梁１０Ａ，１０Ｂの強度低下を補ってもよい。この場合、フランジ１１Ａを形成する材料の降伏点（以下、降伏強度という場合もある）はウェブ１２Ａを形成する材料の降伏点よりも高くなり、フランジ１１Ｂ（第２のＨ形断面部材の第１の板状部分）を形成する材料の降伏点はウェブ１２Ｂ（第２のＨ形断面部材の第１の板状部分）を形成する材料の降伏点よりも高くなってもよい。具体的には、フランジ１１Ａ，１１Ｂの降伏強度ｆ_ｙａを、フランジ１１Ａ，１１Ｂの幅ｂ_ｆ、開口部１４が形成されない場合のフランジ１１Ａ，１１Ｂの降伏強度ｆ_ｙ０、およびフランジ１１Ａ，１１Ｂの幅方向における開口部１４の寸法Ｄ（開口部１４の平面形状が円形の場合は直径に等しい）を用いて、以下の式（５）を満たすように決定することができる。なお、上記のような材料の選定は、ウェブ１２Ａとフランジ１１Ａとの組み合わせ、またはウェブ１２Ｂとフランジ１１Ｂとの組み合わせのいずれか一方のみが対象であってもよい。

　（第４の実施形態）
　図９は、本発明の第４の実施形態に係る柱梁接合構造の斜視図であり、図１０は図９の分解図である。図１１は、図９に示された例における応力集中部と開口部との関係を示す図である。図９に示されるように、本実施形態に係る柱梁接合構造では、フランジ１１Ａおよびウェブ１２Ａを有するＨ形断面梁１０Ａ（第１のＨ形断面部材）が、材軸方向端部において、鋼管柱４０に設けられるダイヤフラム４１（第１の板状部分）および仕口ウェブ４２（第２の板状部分）を有する接合部材（第２のＨ形断面部材）に接合される。フランジ１１Ａとダイヤフラム４１との間には突合せ溶接部４３１（第１の溶接部）が形成される。図示された例では、ウェブ１２Ａと仕口ウェブ４２との間にも突合せ溶接部４３２（第２の溶接部）が形成されているが、ウェブ１２Ａと仕口ウェブ４２との間は必ずしも溶接されなくてもよく、例えば添接板を用いてボルト接合されてもよい。

　さらに、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、ウェブ１２Ａおよび仕口ウェブ４２のそれぞれの仮想的な延長面と突合せ溶接部４３１を仮想的に延長した線との交差部分を含む領域で、フランジ１１Ａおよびダイヤフラム４１にまたがる開口部４４が形成される。図示された例において、開口部４４は、フランジ１１Ａの幅方向中央に形成されている。開口部４４の平面形状は、図示された例では円形であるが、楕円形、または長円形など他の形状であってもよい。図１０の分解図では、フランジ１１Ａ側の半開口部４４Ａおよびダイヤフラム４１側の半開口部４４Ｂが図示されている。

　このように、本発明の実施形態に係るＨ形断面部材の接合構造は、上記の第１から第３の実施形態のような梁端部接合構造には限られず、本実施形態のような柱梁接合構造であってもよい。この場合、上記の例のように、Ｈ形断面梁１０Ａに接合される部材がフランジ１１Ａに対応する第１の板状部分とウェブ１２Ａに対応する第２の板状部分とを含んでいればよい。従って、鋼管柱４０は図示された例のような円形断面の鋼管柱には限られず、角形鋼管柱やＨ形断面柱、溶接箱形断面柱などであってもよい。なお、図１１に示す例のように、フランジ１１Ａの幅方向中央の延長線上に鋼管柱４０とダイヤフラム４１との境目の応力集中部４１Ａが形成される場合、開口部４４を形成することによって、フランジ１１Ａを介して伝達される引張応力の作用線（図中に両矢印で示す）を応力集中部４１Ａからずらし、応力集中部４１Ａにおける応力集中を緩和することができる。

　上記で第１から第３の実施形態として説明された梁端部接合構造の構成は、Ｈ形断面梁１０Ｂ（第２のＨ形断面部材）のフランジ１１Ｂ（第１の板状部分）およびウェブ１２Ｂ（第２の板状部分）を、それぞれ本実施形態における鋼管柱４０の接合部材のダイヤフラム４１および仕口ウェブ４２に置き換えることによって、本実施形態においても適用可能である。従って、例えば、本実施形態でも、開口部４４に連通して、ウェブ１２Ａおよび仕口ウェブ４２にそれぞれ切り欠きを形成してもよい。あるいは、突合せ溶接部４３１に接する領域で予めウェブ１２Ａ（および仕口ウェブ４２）にスカラップを形成した上で、突合せ溶接後にフランジ１１Ａおよびダイヤフラム４１に開口部４４を形成してもよい。また、Ｈ形断面梁１０Ａが鋼板を溶接することにより製造されたＨ形鋼である場合に、予めフランジ１１Ａおよびダイヤフラム４１に半開口部を形成した上で、フランジ１１Ａとウェブ１２Ａとを溶接し、その後にＨ形断面梁１０Ａとダイヤフラム４１および仕口ウェブ４２とを突合せ溶接してもよい。

　以上で説明した本発明の実施形態に係る梁端部接合構造は、溶接欠陥やフランジの面外変形などによるき裂の発生を効果的に防止することができる。従って、例えば、繰り返し荷重による疲労き裂が発生やすい橋梁や、重量物が収容される倉庫などの構造物、および波浪による繰返し応力を受ける海洋構造物などにおいて、上記の梁端部接合構造を有利に用いることができる。

　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

　１０Ａ，１０Ｂ…Ｈ形断面梁、１１Ａ，１１Ｂ…フランジ、１２Ａ，１２Ｂ…ウェブ、１２１Ａ，１２１Ｂ…延長面、１３１，１３２…突合せ溶接部、１３３…溶接部、１４…開口部、１４Ａ，１４Ｂ…半開口部、１５Ａ，１５Ｂ…切り欠き、１６…裏当金、１７…補強部材、２１Ａ，２１Ｂ…スカラップ、４０…鋼管柱、４１…ダイヤフラム、４２…仕口ウェブ、４３１，４３２…突合せ溶接部、４４…開口部。

Claims

　フランジおよびウェブを含む第１のＨ形断面部材を、材軸方向端部において、前記フランジに対応する第１の板状部分および前記ウェブに対応する第２の板状部分を有する第２のＨ形断面部材に接合するＨ形断面部材の接合構造であって、
　前記フランジと前記第１の板状部分との間に前記材軸方向に交差する方向に延びる第１の溶接部が形成され、
　前記ウェブおよび前記第２の板状部分のそれぞれの板面を仮想的に延長した面と前記第１の溶接部を仮想的に延長した線との交差部分を含む領域で前記フランジおよび前記第１の板状部分にまたがる開口部が形成されている、Ｈ形断面部材の接合構造。
　前記ウェブと前記第２の板状部分との間に第２の溶接部が形成されている、請求項１に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記開口部に連通して、前記ウェブおよび前記第２の板状部分にそれぞれ切り欠きが形成される、請求項１または請求項２に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記材軸方向において、前記ウェブに形成される切り欠きの前記フランジ側の端部位置は前記開口部の前記フランジ側の端部位置に一致し、前記第２の板状部分に形成される切り欠きの前記第１の板状部分側の端部位置は前記開口部の前記第１の板状部分側の端部位置に一致する、請求項３に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記第１の溶接部に接する領域で前記ウェブおよび前記第２の板状部分の少なくともいずれかにスカラップが形成されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記ウェブ及び前記第２の板状部分の少なくとも一方に、前記第１のＨ形断面部材の材軸方向に平行に延びる部分を含む補強部材が取り付けられている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記フランジを形成する材料の降伏点は、前記ウェブを形成する材料の降伏点よりも高い、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記第１の板状部分を形成する材料の降伏点は、前記第２の板状部分を形成する材料の降伏点よりも高い、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記第１のＨ形断面部材は第１のＨ形断面梁であり、前記第２のＨ形断面部材は第２のＨ形断面梁であり、前記第１の板状部分は前記第２のＨ形断面梁のフランジであり、前記第２の板状部分は前記第２のＨ形断面梁のウェブである、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　前記第１のＨ形断面部材は第１のＨ形断面梁であり、前記第２のＨ形断面部材は柱に前記第１のＨ形断面梁を接合するための接合部材である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のＨ形断面部材の接合構造。
　フランジおよびウェブを含む第１のＨ形断面部材を、材軸方向端部において、前記フランジに対応する第１の板状部分および前記ウェブに対応する第２の板状部分を有する第２のＨ形断面部材に接合するＨ形断面部材の接合構造の製造方法であって、
　前記フランジと前記第１の板状部分との間に前記材軸方向に交差する方向に延びる第１の溶接部を形成する工程と、
　前記ウェブおよび前記第２の板状部分のそれぞれの板面を仮想的に延長した面と前記第１の溶接部を仮想的に延長した線との交差部分を含む領域で前記フランジおよび前記第１の板状部分にまたがる開口部を形成する工程とを含む、Ｈ形断面部材の接合構造の製造方法。
　前記開口部を形成する工程は、前記第１の溶接部を形成する工程の後に実施される、請求項１１に記載のＨ形断面部材の接合構造の製造方法。
　前記第１の溶接部を形成する工程の前に、前記フランジと前記ウェブとの間、および前記第１の板状部分と前記第２の板状部分との間に第２の溶接部を形成する工程をさらに含み、
　前記開口部を形成する工程は、前記第２の溶接部を形成する工程の前に実施される、請求項１１に記載のＨ形断面部材の接合構造の製造方法。