JP5229799B2

JP5229799B2 - 鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法及びシステム

Info

Publication number: JP5229799B2
Application number: JP2008237482A
Authority: JP
Inventors: 治克角屋; 学村田; 貴章平山
Original assignee: 岡部株式会社
Priority date: 2008-08-23
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: JP2010079321A

Description

本発明は、鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔をリング状金物を用いて補強する際に用いられる鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法及びシステムに関する。

鉄骨構造物においてさまざまな配管を床下あるいは天井懐に配置する場合、鉄骨梁と床下あるいは天井との間に配管を配置すれば、配管と鉄骨梁との干渉を防ぐことができるが、その分、階高が大きくなって建物全体のコストに大きな影響を及ぼす。

そのため、鉄骨梁に貫通孔を形成し、該貫通孔に配管を通すことで鉄骨梁と配管との干渉を防ぐケースが多いが、かかる場合には、鉄骨梁に強度上の品質低下が生じる懸念がある。

そのため、旧来においては、大きな応力が発生する梁端部を避け、そこから所定の距離だけ離れた応力が小さい位置に貫通孔を形成することによって、貫通孔に起因した鉄骨梁の強度低下が構造体としての性能に影響しないようにしていた。

一方、このような対策では、配管を配置する経路が貫通孔の位置で制約されるため、配管工事を効率よく行うにはどうしても限界がある。

かかる制約を解消すべく、リング状などの補強金物を貫通孔に取り付けることで貫通孔の補強を行う手法が採用されるようになってきた。

特開２００５−１０５６７４号公報特開２００７−１６４３２２号公報特開２００７−１７２０９９号公報「鉄骨はり貫通孔補強工法ＯＳリング」、岡部株式会社、インターネット＜URL :http://www.okabe.co.jp/os_ring/download.html＞、[平成２０年８月１８日検索]

リング状金物を用いて鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔を補強するには、貫通孔の径に応じた大きさのリング状金物を準備し、これを貫通孔の開口縁部に沿って溶接等で固着する。

ここで、貫通孔形成による鉄骨梁の耐力低下がリング状金物で適切に補強されているかどうかを判断するにあたっては、鉄骨梁の種類に応じて、リング状金物の規格ごとに貫通孔部分の耐力を予め評価するとともに、貫通孔がない場合の想定応力を鉄骨梁のスパン長や長期荷重条件ごとに構造計算で算出し、かかる想定応力が耐力を上回っていないことを確認しなければならない。

しかしながら、鉄骨梁の種類、スパン長、長期荷重条件及び貫通孔の径、又はその径に応じたリング状金物の規格の組み合わせは膨大であって、たとえそれらの組み合わせを早見表として予め作成しておいたとしても、想定応力と耐力との比較作業はきわめて煩雑であるという問題を生じていた。

また、上述した比較作業を支援するシステムも構築されてはいるが、貫通孔の径、又はその径に応じたリング状金物の規格を入力せねばならない等、入力作業がなお煩雑であり、改善の余地があった。

さらに、このシステムの入力条件である貫通孔の径や位置、個数などは設備計画時において検討されることから、それら貫通孔の諸条件が変更又は追加されるたびに構造設計を一から検討し直さなければならず、非常に手間がかかっていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、貫通孔及びこれを補強するリング状金物の設置可能範囲を適切かつ迅速に把握可能な鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法及びシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法は請求項１に記載したように、鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔をリング状金物を用いて補強する際に用いられる鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法であって、
前記鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件を設定し、
設定された前記鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件に対し、前記鉄骨梁に生じる応力を、前記貫通孔が形成される前の状態で算出して想定応力とし、
該想定応力を、前記貫通孔が形成された後であって該貫通孔に前記リング状金物が補強された状態の耐力と比較することで、前記想定応力が前記耐力を上回らない領域を、貫通孔の形成可能範囲として貫通孔の径又は該貫通孔の径に対応するリング状金物の規格とともに表示するものである。

また、本発明に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法は、前記領域を、鉄骨梁の端部からの距離、又は鉄骨梁の端部からの距離及び鉄骨梁に対する許容偏心量とするものである。

また、本発明に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システムは請求項３に記載したように、鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔をリング状金物を用いて補強する際に用いられる鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システムにおいて、
入力部を介して入力された前記鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件に対し、前記鉄骨梁に生じる応力を、前記貫通孔が形成される前の状態で算出して想定応力とするとともに、該想定応力を、前記貫通孔が形成された後であって該貫通孔に前記リング状金物が補強された状態の耐力と比較する演算部を備え、
該演算部は、前記想定応力が前記耐力を上回らない領域を貫通孔の形成可能範囲としてかつ貫通孔の径又は該貫通孔の径に対応するリング状金物の規格とともに出力部を介して表示するようになっているものである。

また、本発明に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システムは、前記領域を、鉄骨梁の端部からの距離、又は鉄骨梁の端部からの距離及び鉄骨梁に対する許容偏心量としたものである。

本発明に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システムによりリング状金物を用いて貫通孔の補強を設計するには、まず、鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件を設定する。

この設定工程は、上述した鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件を入力値とし、該入力値をキーボード、マウス等の入力部を介して入力することで行うが、鉄骨梁の種類については、ハードディスク等の記憶装置に予め蓄積しておき、これらをモニター等の出力部に出力させた上、入力部で適宜選択できるようにしておくのが望ましい。なお、入力されたデータは、メモリー、ハードディスク等の記憶装置に適宜蓄積する。

次に、設定された鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件に対し、鉄骨梁に生じる応力を貫通孔が形成される前の状態で演算部で算出し、想定応力とする。ここで、想定応力とは、貫通孔が形成される前、すなわち貫通孔がない状態で長期、短期、終局時の設計によってそれぞれ得られた応力を言う。

次に、想定応力の算出工程と同時に又は相前後して、貫通孔が形成された後であって該貫通孔にリング状金物が補強された状態の耐力を評価するとともに該耐力データを記憶装置に蓄積しておく。

次に、想定応力と耐力とを演算部で比較する。

次に、モニター等の出力部を介して、想定応力が耐力を上回らない領域を、貫通孔の径又は該貫通孔の径に対応するリング状金物の規格とともに貫通孔の形成可能範囲として表示する。

このようにすれば、どのような規格のリング状金物で鉄骨梁のどの箇所に貫通孔を設けることができるのかを、一目で把握することができる。

想定応力が耐力を上回らない領域は、貫通孔の形成可能範囲として把握できる限り、その表示形態は任意であり、例えば、鉄骨梁の端部からの距離、又は鉄骨梁の端部からの距離及び鉄骨梁に対する許容偏心量として表示することができる。

以下、本発明に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法及びシステムの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システムを示したブロック図である。同図でわかるように、本実施形態に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システム１は、鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔をリング状金物を用いて補強する際に用いられるものであり、鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件を入力値として入力する入力部２と、入力値に対して鉄骨梁に生じる応力を、貫通孔が形成される前の状態で算出して想定応力とするとともに、該想定応力を、貫通孔が形成された後であって該貫通孔にリング状金物が補強された状態の耐力と比較して想定応力が耐力を上回らない領域を演算する演算部３と、想定応力が耐力を上回らない領域を、貫通孔の形成可能範囲として貫通孔の径に対応するリング状金物の規格とともに出力する出力部４とを備える。

入力部２は、キーボード、マウス等で構成すればよい。また、演算部３は、例えばパソコン本体で、出力部４は、該パソコン本体に接続されたモニターでそれぞれ構成することができる。

出力部４は、想定応力が耐力を上回らない領域を、鉄骨梁の端部からの距離及び鉄骨梁に対する許容偏心量として出力するようになっている。

図２は、本実施形態に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システム１を実施する手順を示したフローチャートである。同図でわかるように、鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システム１によりリング状金物を用いて貫通孔の補強を設計するには、まず、鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件を、後述するように設定する（ステップ１０１ａ、１０１ｂ）。

この設定工程は、入力部２を構成するキーボード、マウス等を介した入力によって行うが、鉄骨梁の種類については、ハードディスク等の記憶装置に予め蓄積しておき、これらを出力部４であるモニターに表示させた上、該モニター上で適宜選択できるようにしておくのが望ましい。なお、入力されたデータは、メモリー、ハードディスク等に適宜蓄積する。

図３は、出力部４を構成するモニターに入力値と貫通孔の形成可能範囲が出力表示されている様子を示したものである。

同図でわかるように、モニターの左側が主として入力項目を表示するエリア３１となっており、該エリアのうち、梁の情報を入力するエリア３２には図４(a)に示すように、梁の名称を入力するフィールド３３、位置を入力するフィールド３４、梁鋼材のＦ値を入力するフィールド３５、梁の種別及び梁のサイズを入力するフィールド３６を設けてある。

鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件を入力値として入力するには、まず図４(a)に示すように、梁の名称や梁の位置といった梁に関する書誌事項を入力するとともに、梁鋼材のＦ値、梁の種別及び梁のサイズをエリア３２の各フィールドにそれぞれ入力する（ステップ１０１ａ）。

ここで、フィールド３６においては、梁がＪＩＳシリーズ又は外法一定サイズの場合、梁のシリーズを選択入力してから、梁のサイズを選択入力する。

一方、図３に示したエリア３１のうち、荷重条件を仮定するための情報を入力するエリア３８には図４(b)に示すように、梁の内法スパン長を入力するフィールド３９、梁の種類を入力するフィールド４０、長期荷重を直接入力する場合のチェックを入力するフィールド４１、及び長期荷重を直接入力しない場合における長期荷重の仮定条件を選択入力するフィールド４２を設けてあるので、これらの各フィールドに梁の内法スパン長、梁の種類、長期荷重を直接入力する場合のチェック、長期荷重を直接入力しない場合における長期荷重の仮定条件をそれぞれ入力する（ステップ１０１ｂ）。

ここで、貫通孔の径に応じたリング状金物については、後述するように、規格ごとに貫通孔の形成可能範囲が出力されるので、貫通孔の径に応じたリング状金物の情報については入力不要である。

次に、上述した入力値に対し、鉄骨梁に生じる応力を、貫通孔が形成される前の状態で演算部３で算出し、これを想定応力とする（ステップ１０２）。ここで、想定応力とは、貫通孔が形成される前、すなわち貫通孔がない状態で長期、短期、終局時の設計によってそれぞれ得られた応力を言う。想定応力については、公知の構造計算方法に従って上述した入力値から適宜演算を行えばよい。

次に、算出された想定応力を、事前に評価された耐力と比較するとともに、想定応力が耐力を上回らない領域を演算部３で演算する（ステップ１０３）。

耐力は、貫通孔が形成された後であって該貫通孔にリング状金物が補強された状態のものであり、許容応力度設計に基づく考え方をはじめとした公知の手法を用いて適宜評価することができる。

耐力を求めるには、例えば、以下の４つの応力状態、すなわち、

(a)鉄骨梁のフランジ、ウェブ（貫通孔による欠損部分を除く）及びリング状金物が曲げモーメントを負担するケース（純曲げ）、

(b)鉄骨梁のフランジ及びリング状金物が曲げモーメントを負担し、ウェブ（貫通孔による欠損部分を除く）がせん断力を負担するケース、

(c)鉄骨梁のフランジが曲げモーメントを負担し、リング状金物及びウェブ（貫通孔による欠損部分を除く）がせん断力を負担するケース、及び

(d)リング状金物及びウェブ（貫通孔による欠損部分を除く）がせん断力を負担するケース（純せん断）、

を想定し、それぞれのケースにおける耐力を曲げモーメント及びせん断力で評価する。

次に、４つのケース以外のケースは、これらの曲げモーメント及びせん断力が線形に変化するものと考えて、Ｍ−Ｑ相関曲線を作成する。このように作成されたＭ−Ｑ相関曲線を図５に示す。ここで、曲線６１ａは長期、６１ｂは短期、６１ｃは終局時のＭ−Ｑ相関曲線である。

想定応力と耐力とを比較して該想定応力が耐力を上回るどうかを評価するには、ステップ１０２で算出された想定応力を、Ｍ−Ｑ相関曲線と同じ座標上にプロットし、そのプロット位置がＭ−Ｑ相関曲線の内側に入るかどうかで判断すればよい。

図５には、曲線６１ａ，６１ｂ及び６１ｃと併せて、一例として、任意の方向から力が加わった際に、一方の梁端から他方の梁端に向かって連続的に算出された想定応力を曲線６２として示してある。想定応力は、便宜上、終局時のものだけを曲線６２として示した。

曲線６２は、鉄骨梁の左端に相当する点ＡからＢ，Ｃ，Ｄ点を経て鉄骨梁の右端に相当する点Ｅまで概ね左上方向に向かって延びているが、これを終局時のＭ−Ｑ相関曲線６１ｃと比較すると、まず点Ａは、わずかではあるが曲線６１ｃで囲まれた領域に入っており、Ｂ点で曲線６１ｃと交差していったん曲線６１ｃの外側に出た後、上昇に転じて再び曲線６１ｃと点Ｃで交差し、点Ｄでは曲線６１ｃと再び交差して曲線６１ｃの外側に出る。

すなわち、

Ａ点〜Ｂ点；貫通孔を設置できる範囲

Ｂ点〜Ｃ点；貫通孔を設置できない範囲

Ｃ点〜Ｄ点；貫通孔を設置できる範囲

Ｄ点〜Ｅ点；貫通孔を設置できない範囲

となる。

なお、この比較を、任意の方向とは逆の方向から力が加わった際に一方の梁端から他方の梁端に向かって算出された想定応力でも同様に行うことにより、後述する貫通孔の形成可能範囲が決定される。さらに、これら比較については、リング状金物の規格（貫通孔の径）ごとに行う。算出された演算結果については、メモリーやハードディスク等の記憶装置に適宜記憶しておく。

次に、メモリーや記憶装置から演算結果を読み出し、想定応力が耐力を上回らない領域を貫通孔の形成可能範囲として出力部４を構成するモニターに画像表示する（ステップ１０４）。ここで、貫通孔の形成可能範囲は、梁端からの距離及び貫通孔の許容偏心量として、かつ貫通孔の径に対応するリング状金物の規格ごとに画像表示する。

図３に示すようにモニターの右側は、主として検討結果であるところの形成可能範囲５２を表示するエリア５１になっており、該エリアの左下でエリア３１の下に位置するエリア５３には図４(c)に示すように、梁端からの距離Ｌｈ及び貫通孔の許容偏心量ｅを鉄骨梁上でわかりやすく図示してある。貫通孔の許容偏心量ｅは、同図でわかる通り、梁フランジ天端から貫通孔中心までの距離である。また、孔径比は、貫通孔径を梁成で除した数値である。

貫通孔の形成可能範囲５２は図６に示すように、梁端からの距離Ｌｈ及び貫通孔の許容偏心量ｅとして、かつ貫通孔の径に対応するリング状金物の規格ごとに出力されてなるものであり、例えば、内径が１００ｍｍである１００Ｓという規格のリング状金物（ここでは、ＯＳリングを使用。ＯＳリングは、岡部株式会社の登録商標）を用いるのであれば、梁左端から貫通孔中心までの距離Ｌｈが３８４〜６６１６ｍｍ、偏心量ｅが１３１〜３５１ｍｍとなるように、１００ｍｍの貫通孔を形成すればよいことがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法及びシステムによれば、貫通孔の形成可能範囲５２が、貫通孔の径に対応するリング状金物の規格ごとに画面表示されるので、鉄骨梁のどの箇所に貫通孔を形成することができるのか、さらには、その際にどのような規格のリング状金物を使用すればよいのかが一目で把握することができる。

そのため、リング状金物を用いた貫通孔の補強設計を、早見表等を使った従前の方法よりもはるかに迅速かつ確実に実施することが可能となる。

本実施形態では、想定応力が耐力を上回らない領域を、鉄骨梁の端部からの距離及び鉄骨梁に対する許容偏心量として出力するように、出力部４を構成したが、これに代えて、鉄骨梁に対する許容偏心量を省略し、鉄骨梁の端部からの距離として出力するように構成してもよい。

また、本実施形態では、貫通孔の形成可能範囲を梁端からの距離として画像表示するようにしたが、必ずしも梁端を基準にする必要はなく、例えば柱中心からの距離を採用してもよい。同様に、本実施形態では、貫通孔の形成可能範囲を梁フランジ天端からの距離としたが、これに代えて、例えば梁の部材中心軸からの距離としてもよい。

また、本実施形態では、貫通孔の形成可能範囲５２として貫通孔の径に対応するリング状金物の規格、すなわち、”１００Ｓ”、”１２５Ｓ”等とともに出力するようにしたが、これに代えて、貫通孔の径、すなわち”１００ｍｍ”、”１２５ｍｍ”等とともに出力するようにしてもよい。

本実施形態に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システムの概略図。本実施形態に係る鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法を実施する手順を示したフローチャート。出力部４を構成するモニターに入力値と貫通孔の設置可能範囲が表示された様子を示した図。入力値が表示された様子をエリアごとに示したものであり、(a)はエリア３２を示した詳細図、(b)はエリア３８を示した詳細図、(c)はエリア５３を示した詳細図。耐力を表すＭ−Ｑ相関曲線とそれに重ねられた想定応力。貫通孔の形成可能範囲５２が表示された様子を示した詳細図。

符号の説明

１鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システム
２入力部
３演算部
４出力部

Claims

鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔をリング状金物を用いて補強する際に用いられる鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法であって、
前記鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件を設定し、
設定された前記鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件に対し、前記鉄骨梁に生じる応力を、前記貫通孔が形成される前の状態で算出して想定応力とし、
該想定応力を、前記貫通孔が形成された後であって該貫通孔に前記リング状金物が補強された状態の耐力と比較することで、前記想定応力が前記耐力を上回らない領域を、貫通孔の形成可能範囲として貫通孔の径又は該貫通孔の径に対応するリング状金物の規格とともに表示することを特徴とする鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法。
前記領域を、鉄骨梁の端部からの距離、又は鉄骨梁の端部からの距離及び鉄骨梁に対する許容偏心量とする請求項１記載の鉄骨梁貫通孔の補強設計支援方法。
鉄骨梁のウェブに形成された貫通孔をリング状金物を用いて補強する際に用いられる鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システムにおいて、
入力部を介して入力された前記鉄骨梁の種類及びスパン長並びに長期荷重条件に対し、前記鉄骨梁に生じる応力を、前記貫通孔が形成される前の状態で算出して想定応力とするとともに、該想定応力を、前記貫通孔が形成された後であって該貫通孔に前記リング状金物が補強された状態の耐力と比較する演算部を備え、
該演算部は、前記想定応力が前記耐力を上回らない領域を貫通孔の形成可能範囲としてかつ貫通孔の径又は該貫通孔の径に対応するリング状金物の規格とともに出力部を介して表示するようになっていることを特徴とする鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システム。
前記領域を、鉄骨梁の端部からの距離、又は鉄骨梁の端部からの距離及び鉄骨梁に対する許容偏心量とした請求項３記載の鉄骨梁貫通孔の補強設計支援システム。