JP6260554B2 - 柱と梁の接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、柱と梁の接合構造に関し、特に、柱とＨ形鋼梁をブラケットを用いて接合する柱と梁の接合構造に関する。

一般的に、隣り合う柱のスパンが大きくなると、梁の剛性を確保するため、Ｈ形鋼梁の断面はウェブせいを大きくし、ウェブ板厚を薄くする（ウェブ幅厚比を大きくする）のが効率的となる。
しかし、ウェブ幅厚比を大きくすると、ウェブがフランジに先行して面外座屈を生じ、所定の耐力あるいは変形性能を得られない可能性がある。これを防止する手段として、例えば、特許文献１に示されるように、フランジに平行な横スチフナ、あるいはフランジに直交する縦スチフナを設置する補強工法が提案されている。

また、特許文献２には、横スチフナに相当する部分を圧延加工してなる突起付きＨ形鋼が提案されている。

一方、特許文献３には、Ｈ形鋼梁に設ける設備配管等の貫通孔を補強することを目的とした、ウェブの板厚が高さ中央部とフランジ接続部で異なるＨ形鋼が提案されている。

特開２００２−２２０８７３号公報 特開昭６１−１６２６５８号公報 特開２０１１−２０２４２３号公報

ウェブの座屈補剛として、横スチフナ、縦スチフナ、あるいはそれらを組み合せて設置することにより、面外座屈防止効果はあると考えられる。しかし、横スチフナや縦スチフナをウェブに溶接する場合、溶接時の熱影響により曲がりや反りを生じ、精度を確保するための矯正が必要となるとともに、溶接残留歪みによる応力集中なども問題となる。

また、特許文献２に開示されたように、ウェブ中央部に突起を付けると、柱あるいは隣接する梁とのボルト接合において、ウェブ部のガセットプレートを高さ方向に２分割するかあるいは板厚方向に湾曲した鋼板を用いるしかなく、耐力面で不十分であり、また製造が難しいという問題がある。

特許文献３に開示されたＨ形鋼梁は、梁貫通孔の補剛を目的としたものであり、本願発明が対象としている柱と梁の接合部において卓越する曲げモーメントが発生する際のウェブの面外座屈についての検討はなされていない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、簡易な構造での接合が可能であり、かつ溶接残留歪みによる問題や、耐力面での問題のない柱と梁の接合構造を得ることを目的としている。

（１）本発明に係る柱と梁の接合構造は、柱とＨ形鋼梁を、ブラケットを用いて接合する柱と梁の接合構造であって、前記ブラケットはウェブとフランジを有するＨ形鋼からなり、該Ｈ形鋼は少なくとも前記ウェブが圧延により一体成形されており、かつ前記ウェブにおける前記フランジとの接続部分に前記ウェブの高さ方向の中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を有することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記Ｈ形鋼梁はウェブの厚みが一定であり、かつ前記ブラケットにおける中央部の厚みが前記Ｈ形鋼梁のウェブの厚みと同厚に設定されていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記ブラケットは、ウェブの高さ方向の中央部の板厚t_w1と、前記ウェブ厚肉部の板厚t_w2が下式を満たすことを特徴とするものである。
t_w2/t_w1≧0.7φ+2.5
但し、φ＝ｄ₁/ｄ
ここに、ｄ₁：ウェブ中央部の高さ
ｄ：ウェブ高さ

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記柱と前記ブラケットとの接合部は、該ブラケットのウェブ高さ方向の中央部に当て板を取り付けて連続的な部分溶け込み溶接とし、かつ該当て板とウェブ中央部をすみ肉溶接としたことを特徴とするものである。

本発明における柱と梁の接合構造においては、柱とＨ形鋼梁を、ブラケットを用いて接合するに際して、前記ブラケットは圧延により一体成形されたウェブを備えたＨ形鋼からなり、該Ｈ形鋼はウェブにおけるフランジとの接続部分に前記ウェブの高さ方向の中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を有するようにしたので、ウェブに発生する面外座屈を効率的に防止することが可能となる。ブラケットのウェブ部である厚肉部と薄肉部とが圧延により一体成形されているため、スチフナ等の溶接手間、材料、および溶接による反りや曲がりといった製造上の問題もない。

本発明の一実施の形態に係る柱と梁の接合構造の説明図である。 本発明の一実施の形態に係る柱と梁の接合構造に用いるブラケットの説明図である。 図２の矢視Ａ−Ａ´断面図である。 本発明の一実施の形態に係る柱と梁の接合構造におけるブラケットと角柱の接合方法の説明図である（その１）。 本発明の一実施の形態に係る柱と梁の接合構造におけるブラケットと角柱の接合方法の説明図である（その２）。 図５の矢視Ｃ−Ｃ´断面図である。 図５の矢視Ｄ−Ｄ´断面図である。 図１の矢視Ｂ−Ｂ´断面図である。 本発明の一実施の形態に係る柱と梁の接合構造におけるブラケットとＨ形梁の接合方法の説明図である。 図９の矢視Ｅ−Ｅ´断面図である。 従来のスチフナ補剛方法における座屈耐力の計算方法の説明図である。 本発明のブラケットを用いた柱と梁の接合方法における座屈耐力の計算方法の説明図である。

本実施の形態に係る柱と梁の接合構造は、図１に示すように、角柱１とＨ形鋼梁３を、ブラケット５を用いて接合する柱梁接合構造であって、ブラケット５は圧延により一体成形されたＨ形鋼からなる。ブラケット５を構成するＨ形鋼は、図２に示すように、ウェブ７におけるフランジ９との接続部分にウェブ７の高さ方向の中央部７ａの厚みよりも厚いウェブ厚肉部７ｂを有している。
ウェブ７の板厚が高さ方向の中央部７ａとウェブ厚肉部７ｂで異なるＨ形鋼は、フランジ接続部の板厚を十分厚くすることにより、従来例における横スチフナ２３による補剛と同様の効果を得られると考えられる。
この点の詳細は後述する。

角柱１とブラケット５は溶接接合され、ブラケット５とＨ形鋼梁３とはボルト接合されている。
角柱１とブラケット５との溶接は、図４に示すように、ウェブ中央部７ａの高さに相当し、組立て溶接で用いられる裏当て金と同等の幅を持ち、かつウェブ７と同形状の開先を取った当て板１１をウェブ７側とすみ肉溶接する。当て板１１を溶接した状態で、図５に示すように、ブラケット５の端部を角柱１に当接させ、これにより、図６、図７に示すように、柱側と高さ方向に連続した部分溶け込み溶接が可能となる。

フランジ９と角柱１のダイアフラム１３の溶接は、図５に示すように、フランジ９との接続部のウェブ７にスカラップ１５を設けることで、通常の完全溶け込み溶接とすることが出来る。あるいはスカラップを設けないノンスカラップ工法を採用することも可能である。

Ｈ形鋼梁３は、図８に示すように、梁ウェブ３ａと梁フランジ３ｂを備えている。梁ウェブ３ａの厚みが一定であり、かつ梁ウェブ３ａの厚みは、ブラケット５における中央部７ａの厚みと同厚に設定されている。このような、Ｈ形鋼梁３とブラケット５の接合は、ガセットプレート１９を用いて接続する。せん断力が小さい場合には、ウェブ中央部７ａのみを用いて通常と同じ接合工法が可能である。

また、せん断力が大きく、接合部分の高さが必要となる場合は、図９、図１０に示すように、Ｔ字形のフィラープレート１７を、Ｔ字の縦辺側がブラケット５の中央部７ａに配置されるように挿入し、フィラープレート１７の上にブラケット５のウェブ厚肉部７ｂも含むようにガセットプレート１９を配置してボルト２１によって接合することで、ガセットプレート１９を分割することなく接続することが可能となる。

次に、ブラケット５における、ウェブ７の高さ方向の中央部７ａの板厚t_w1と、ウェブ厚肉部７ｂの板厚t_w2の好ましい関係について説明する。
Ｈ形鋼梁３の端部には曲げとせん断力が発生するが、一般的な梁長さにおいては曲げが卓越すること、また、ウェブ７のフランジ接続部に近い位置ではより曲げ応力の影響が大きいことから、ここでは簡略的に曲げによる座屈耐力を考える。

図１１は、従来のスチフナ補剛方法における座屈耐力の計算方法の説明図であり、図１１（ａ）が柱梁接合部の側面図であり、角柱１にＨ形鋼梁３が接合され、Ｈ形鋼梁３の梁ウェブ３ａに横スチフナ２３によって補剛されている。図１１（ｂ）は柱梁接合部近傍の断面図であり各部の厚み及び長さを付記した図であり、図１１（ｃ）が図１１（ａ）の破線で示した部位の境界条件の説明図である。
図１１（ｂ）に示すように、梁ウェブ３ａの高さをｄ、梁フランジ３ｂから横スチフナ２３までの距離をｄ₂、横スチフナ２３と横スチフナ２３で挟まれた梁ウェブ３ａの高さをｄ₁、梁ウェブ３ａの厚みをｔ_w1とし、横スチフナ２３が柱からの長さｄの範囲において十分な剛性をもつと仮定すると、横スチフナ２３よりフランジ側のパネル部（図１１（ａ）、図１１（ｃ）参照）における座屈耐力は、四周回転端とした圧縮＋曲げの座屈耐力式として下式（１）で近似できる。

図１２は、本発明のブラケット５を用いた角柱１と梁の接合方法における座屈耐力の計算方法の説明図であり、図１２（ａ）が柱梁接合部の側面図、図１２（ｂ）がブラケット５の断面図であり各部の厚み及び長さを付記した図、図１２（ｃ）が図１２（ａ）の破線で示した部位の境界条件の説明図である。
図１２（ｂ）に示すように、ウェブ７の高さをｄ、ウェブ厚肉部７ｂの長さをｄ₂、中央部７ａの長さをｄ₁、中央部７ａの厚みをｔ_w1、ウェブ厚肉部７ｂの厚みをｔ_w2とし、上記の図１１に示した従来例の場合と同様に、上記パネル部に相当する部分を板厚の厚いパネル部とすると、座屈耐力は３辺回転端、１辺自由端の座屈耐力式として、下式（２）で近似できる。

図１２に示した本発明のパネル部に相当する部位の座屈耐力が、図１１に示したスチフナ設置のパネル部の座屈耐力以上を確保することを条件とすると、フランジ接合部の板厚と中央部７ａの板厚の比(t_w2/t_w1)は上記（１）式、（２）式から以下で表現できる。
σ_cr2≧σ_cr1
t_w2/t_w1≧（k₁/k₂）^1/2≒0.7φ+2.5
但し、φ＝ｄ₁/ｄ
ここに、ｄ₁：中央部７ａの高さ
ｄ：ウェブ高さ

よって、例えば、ブラケット５における中央部７ａの高さを全高の1/3と仮定すると、t_w2＞2.73_tw1とすることで、従来例のスチフナ設置と同等の座屈耐力を得ることができる。

なお、上記の実施の形態では、角柱１とブラケット５との接合部は、ブラケット５のウェブ７の高さ方向の中央部７ａに当て板１１を取り付けて連続的な部分溶け込み溶接としたが、柱側にブラケット５に向けて突出するシアプレートを取り付け、シアプレートとブラケット５をボルト接合するようにしてもよい。
また、上記の実施の形態では、ブラケット５とＨ形鋼梁３を、ガセットプレート１９を用いてボルト接合する例を示したが、両者を溶接によって接合してもよい。

本実施の形態においては、角柱１とＨ形鋼梁３を、ブラケット５を用いて接合するに際して、ブラケット５として圧延により一体成形されたＨ形鋼を用い、該Ｈ形鋼はウェブ７におけるフランジ９との接続部分にウェブ７の高さ方向の中央部７ａの厚みよりも厚いウェブ厚肉部７ｂを有するようにしたので、ウェブ７に発生する面外座屈を効率的に防止することが可能となる。ブラケット５のウェブである厚肉部と薄肉部とが圧延により一体成形されているため、スチフナ等の溶接手間、材料、および溶接による反りや曲がりといった製造上の問題もない。

また、ウェブ厚肉部７ｂを有するＨ形鋼をブラケット５に用い、発生する曲げ応力分布に応じた座屈耐力式からブラケット５の断面形状を決定する方法を提案したことにより、ブラケット５における必要板厚の算定が可能となる。
さらに、各柱とウェブ厚肉部７ｂを有するＨ形鋼からなるブラケット５の接合部において、ブラケット５の中央部７ａに当て板１１を取り付けるようにしたので、ブラケット５の高さ方向に連続した部分溶け込み溶接とすることが可能となり、効率的な施工が可能となる。
また、ブラケットとの接合部は、該ブラケットのウェブ高さ方向の中央部に当て板を取り付けて連続的な部分溶け込み溶接とし、かつ該当て板とウェブ中央部をすみ肉溶接としたことで、厚肉部から薄肉部への効率的なせん断力の伝達が可能となる。

なお、上記の説明では、柱として角柱１を例示したが、柱は角柱に限定されるものではなく、円柱も含み、この場合にも、柱側にブラケット５に向けて突出するシアプレートを取り付けるようにしてもよい。
また、上記の本実施の形態では、ブラケット５を構成するＨ形鋼として圧延により一体成形されたものを例示したが、本発明のブラケットはこれに限定されず、少なくともウェブが圧延により一体成形されておればよく、フランジをウェブに溶接して形成された溶接組立Ｈ形鋼であってよい。

１ 角柱
３ Ｈ形鋼梁
３ａ 梁ウェブ
３ｂ 梁フランジ
５ ブラケット
７ ウェブ
７ａ 中央部
７ｂ ウェブ厚肉部
９ フランジ
１１ 当て板
１３ ダイアフラム
１５ スカラップ
１７ フィラープレート
１９ ガセットプレート
２１ ボルト
２３ 横スチフナ

Claims (5)

1. 柱とＨ形鋼梁を、ブラケットを用いて接合する柱と梁の接合構造であって、
   前記Ｈ形鋼梁はウェブの厚みが一定であり、
   前記ブラケットはウェブとフランジを有するＨ形鋼からなり、該Ｈ形鋼は少なくとも前記ウェブが圧延により一体成形されており、かつ前記ウェブにおける前記フランジとの接続部分に前記ウェブの高さ方向の中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を有し、中央部の厚みが前記Ｈ形鋼梁のウェブの厚みと同厚に設定されていることを特徴とする柱と梁の接合構造。
2. 柱とＨ形鋼梁を、ブラケットを用いて接合する柱と梁の接合構造であって、
   前記ブラケットはウェブとフランジを有するＨ形鋼からなり、該Ｈ形鋼は少なくとも前記ウェブが圧延により一体成形されており、かつ前記ウェブにおける前記フランジとの接続部分に前記ウェブの高さ方向の中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を有し、
   前記ブラケットは、ウェブの高さ方向の中央部の板厚t _w1 と、前記ウェブ厚肉部の板厚t _w2 が下式を満たすことを特徴とする柱と梁の接合構造。
   t_w2/t_w1≧0.7φ+2.5
   但し、φ＝ｄ₁/ｄ
   ここに、ｄ₁：ウェブ中央部の高さ
   ｄ：ウェブ高さ
3. 柱とＨ形鋼梁を、ブラケットを用いて接合する柱と梁の接合構造であって、
   前記ブラケットはウェブとフランジを有するＨ形鋼からなり、該Ｈ形鋼は少なくとも前記ウェブが圧延により一体成形されており、かつ前記ウェブにおける前記フランジとの接続部分に前記ウェブの高さ方向の中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を有し、
   前記柱と前記ブラケットとの接合部は、該ブラケットのウェブ高さ方向の中央部に当て板を取り付けて連続的な部分溶け込み溶接とし、かつ該当て板とウェブ中央部をすみ肉溶接としたことを特徴とする柱と梁の接合構造。
4. 前記ブラケットは、ウェブの高さ方向の中央部の板厚t_w1と、前記ウェブ厚肉部の板厚t_w2が下式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の柱と梁の接合構造。
   t_w2/t_w1≧0.7φ+2.5
   但し、φ＝ｄ₁/ｄ
   ここに、ｄ₁：ウェブ中央部の高さ
   ｄ：ウェブ高さ
5. 前記柱と前記ブラケットとの接合部は、該ブラケットのウェブ高さ方向の中央部に当て板を取り付けて連続的な部分溶け込み溶接とし、かつ該当て板とウェブ中央部をすみ肉溶接としたことを特徴とする請求項１、２、４のいずれか一項に記載の柱と梁の接合構造。