JP6984510B2 - Joint structure of square steel pipe columns and H-shaped steel beams - Google Patents
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Description
本発明は、建築構造における柱と梁の接合構造に関し、特に角形鋼管柱とH形鋼梁の接合構造に関する。 The present invention relates to a joint structure of columns and beams in a building structure, and particularly to a joint structure of square steel pipe columns and H-shaped steel beams.
建築鋼構造の柱梁接合部においては、その接合部耐力を補完するためにダイアフラムと称する接合要素が用いられるのが一般的であり、その形式は図13に示すように、角形鋼管柱41とH形鋼梁43とを内ダイアフラム45を用いて接合する内ダイアフラム形式、図14に示すように、通しダイアフラム47を用いて接合する通しダイアフラム形式、図15に示すように外ダイアフラム49を用いて接合する外ダイアフラム形式に大別される。
In a beam-column joint of a building steel structure, a joint element called a diaphragm is generally used to supplement the strength of the joint, and the form is as shown in FIG. 13, with a square
内ダイアフラム形式は一般的にはエレクトロスラグ溶接により接合され、溶接部では数十万〜数百万J/cm程度の非常に大きな入熱が作用するため、一般の建築構造用鋼材では溶接部での靭性が非常に小さくなり、溶接部での脆性破断が生じ易い。この傾向は特に高強度鋼材で顕著である。さらに、冷間ロール成形角形鋼管や円形鋼管など、直角を為す角がない断面では、その形状によりエレクトロスラグ溶接が適用できないため、そもそも内ダイアフラム形式の適用が困難である。 The inner diaphragm type is generally joined by electroslag welding, and a very large heat input of several hundred thousand to several million J / cm acts on the welded part. The toughness of the weld is very small, and brittle fracture is likely to occur at the weld. This tendency is particularly remarkable in high-strength steel materials. Further, in a cross section having no right-angled angle such as a cold roll-formed square steel pipe or a circular steel pipe, electroslag welding cannot be applied due to the shape, so that it is difficult to apply the inner diaphragm type in the first place.
通しダイアフラム形式は、角形鋼管柱を通しダイアフラム配置位置で一旦切断し、通しダイアフラム溶接後に分割された角形鋼管柱を再び組み立てるので溶接量が多く、また仕口のずれなど精度確保に難点がある。
また、通しダイアフラムは柱の一部として構造設計されるため、通しダイアフラムおよび通しダイアフラムと角形鋼管柱との溶接材料は、角形鋼管柱に用いた鋼材以上の強度クラスの材料を用いる必要があり、例えば柱に780N/mm2級鋼材などの高強度鋼材を用いた場合には、施工負荷および材料費が高くなる。
In the through-diaphragm type, the square steel pipe column is cut once at the position where the through-diaphragm is arranged, and then the divided square steel pipe column is reassembled after welding the through-diaphragm.
In addition, since the through diaphragm is structurally designed as a part of the column, the through diaphragm and the welding material between the through diaphragm and the square steel pipe column must be made of a material having a strength class higher than that of the steel used for the square steel pipe column. For example, when a high-strength steel material such as 780 N / mm class 2 steel material is used for the column, the construction load and material cost become high.
これらに対して、本発明で対象とする外ダイアフラム形式では、角形鋼管柱との溶接材料は梁側の強度にあわせればよく、大入熱による溶接部の靭性劣化の心配は不要であり、柱に高強度鋼材が用いられている場合でも適用し易い。
また、外ダイアフラム形式は通しダイアフラム形式にくらべて溶接量・加工量が少ないこと、角形鋼管柱にコンクリートを充填する際の施工性に優れること等の利点がある。
On the other hand, in the outer diaphragm type targeted by the present invention, the welding material with the square steel pipe column may be adjusted to the strength on the beam side, and there is no need to worry about the toughness deterioration of the welded portion due to the large heat input. It is easy to apply even when high-strength steel materials are used.
In addition, the outer diaphragm type has advantages such as a smaller welding amount and processing amount than the through diaphragm type, and excellent workability when filling concrete into a square steel pipe column.
一方、外ダイアフラムを建設現場にて角形鋼管柱に溶接接合する場合、外ダイアフラムと角形鋼管柱との溶接接合に加えて、外ダイアフラムと梁フランジとの溶接接合、もしくは高力ボルト接合もあり、建設現場での作業工程が多くなる。 On the other hand, when the outer diaphragm is welded to the square steel pipe column at the construction site, in addition to the welded joint between the outer diaphragm and the square steel pipe column, there is also the welded joint between the outer diaphragm and the beam flange, or the high-strength bolt joint. There will be more work processes at the construction site.
また、現状の外ダイアフラムは柱面からの突出幅が大きいので、工場で外ダイアフラムを取り付けて工事現場へ運搬する場合、突出幅の大きい外ダイアフラムによりトラックに積み込む柱本数が制限されてしまい効率が悪いという問題がある。 In addition, since the current outer diaphragm has a large protrusion width from the pillar surface, when the outer diaphragm is attached at the factory and transported to the construction site, the number of pillars loaded on the truck is limited by the outer diaphragm with a large protrusion width, which improves efficiency. There is a problem of being bad.
この観点から、特許文献1および特許文献2では突出幅の小さい外ダイアフラムが提案されている。
特許文献1には、ある一定の幅を持ったバンド状の鋼板を用いた外ダイアフラムが提案され、突出幅を小さくすると共に同一の鋼管柱にせいの異なる梁がとりつく場合にもそのまま適用可能なように工夫されている。
From this point of view,
また、特許文献2では、L字形の4枚の鋼片により外ダイアフラムを形成し、そのL字形鋼片に厚肉材を用いることで外ダイアフラムの出寸法を小さく抑えている。そして、L字形鋼片同士の接合は、表裏面での隅肉溶接や、部分溶け込み溶接などによって行われるが、その接合面は、とりつく梁フランジ内に限定されている。
Further, in
しかし、特許文献1の場合、バンド幅(外ダイアフラムの高さ)が大きくなると、面外方向(梁材軸方向)の外ダイアフラムの曲げ剛性が小さくなり、局所歪も増大して降伏耐力も低下しやすいため、梁フランジから外ダイアフラムに伝達される鋼管柱面外方向の引張力に対する外ダイアフラムの耐力が低減されるという欠点がある。
However, in the case of
また、特許文献2の場合、構造上重要部位である梁フランジ−外ダイアフラム溶接の健全性検証を超音波探傷検査で行うことが難しいという問題がある。
すなわち、特許文献2では、L字形鋼片同士の接合面が 梁フランジ内にあるため、梁端溶接部での超音波探傷検査を実施する際、L字形鋼片同士の接合面に未溶着部を有する場合には、この未溶着部を欠陥として検出してしまうため、梁フランジ−外ダイアフラム溶接の健全性検証を超音波探傷検査で行うのが難しいのである。
Further, in the case of
That is, in
また、L字形鋼片同士が完全溶け込み溶接によって接合されている場合を考えると、梁フランジ溶接前にこの接合面の超音波探傷検査を予め実施し、無欠陥であることを確認しておかなければ、超音波探傷検査によって梁フランジ−外ダイアフラム溶接部の欠陥の有無および位置の特定が困難となる。この場合、超音波探傷検査工程が増えることとなり、施工工数が大きくなってしまうという問題がある。 In addition, considering the case where L-shaped steel pieces are joined by complete penetration welding, ultrasonic flaw detection inspection of this joint surface should be performed in advance before beam flange welding to confirm that there are no defects. For example, it becomes difficult to identify the presence / absence and position of defects in the beam flange-outer diaphragm weld by ultrasonic flaw detection inspection. In this case, there is a problem that the ultrasonic flaw detection inspection process is increased and the construction man-hours are increased.
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、角形鋼管柱面外方向の引張力に対する外ダイアフラムの耐力が低減することなく、また梁フランジ−外ダイアフラム溶接の健全性検証を超音波探傷検査で行うことに支障が生ずることのない角形鋼管柱とH形鋼梁の接合構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, without reducing the yield strength of the outer diaphragm against the tensile force in the outward direction of the square steel pipe column surface, and surpassing the soundness verification of the beam flange-outer diaphragm weld. It is an object of the present invention to provide a joint structure of a square steel pipe column and an H-shaped steel beam that does not interfere with the sound detection inspection.
(1)本発明に係る角形鋼管柱とH形鋼梁の接合構造は、角形鋼管柱とH形鋼梁とを外ダイアフラムを介して接合するものであって、
前記外ダイアフラムは、同一形状の2枚のL字形鋼片の端部を突き合わせて矩形リング状にして、該矩形リングの内周面が前記角形鋼管柱のスキンプレートに溶接接合されてなり、
前記L字形鋼片同士の2か所の接合面が前記角形鋼管柱の角部に位置し、前記角形鋼管柱の直交する各スキンプレートの延長面と前記接合面とが成す角度がいずれも25度以上65度以下となるように設定され、かつ前記接合面が隅肉溶接によって接合されて、その溶接部の長さが前記外ダイアフラムの出寸法の10%増し以上となっていることを特徴とするものである。
(1) The joining structure of the square steel pipe column and the H-shaped steel beam according to the present invention is to join the square steel pipe column and the H-shaped steel beam via the outer diaphragm.
The outer diaphragm is formed by abutting the ends of two L-shaped steel pieces having the same shape to form a rectangular ring, and the inner peripheral surface of the rectangular ring is welded to the skin plate of the square steel pipe column.
Two joint surfaces of the L-shaped steel pieces are located at the corners of the square steel pipe column, and the angle formed by the extension surface of each of the orthogonal skin plates of the square steel pipe column and the joint surface is 25. It is characterized in that the degree is set to be 65 degrees or more, and the joint surface is joined by fillet welding, and the length of the welded portion is 10% or more of the protruding dimension of the outer diaphragm. Is to be.
(2)また、上記(1)に記載のものにおいて、前記角形鋼管柱のスキンプレートと前記外ダイアフラムが部分溶け込み溶接によって溶接接合されており、かつ前記L字形鋼片同士はその表裏面において開先深さが8mm未満の部分溶け込み溶接によって溶接接合されていることを特徴とするものである。 (2) Further, in the above-mentioned (1), the skin plate of the square steel pipe column and the outer diaphragm are welded and joined by partial penetration welding, and the L-shaped steel pieces are opened on the front and back surfaces thereof. It is characterized by being welded and joined by partial penetration welding with a tip depth of less than 8 mm.
(3)また、上記(1)又は(2)に記載のものにおいて、外ダイアフラムの出寸法をld,外ダイアフラムが取付く柱の幅をDcとし、ld≦Dc/2の関係を満たすことを特徴とするものである。 (3) Further, in those described in the above (1) or (2), the exit dimensions of the outer diaphragm l d, outer diaphragm width of the attachment rather the pillar and D c, l d ≦ D c / 2 Relationship It is characterized by satisfying.
(4)また、上記(1)乃至(3)のいずれかに記載のものにおいて、外ダイアフラムの出寸法をld、板厚をtd、降伏強度をσd、外ダイアフラムが取付く梁フランジの幅をBf、板厚をtf、降伏強度をσf、水平ハンチによる拡幅幅をBs、外ダイアフラムが取付く柱の幅をDc、板厚をtc、としたときに下式の関係を満たすことを特徴とするものである。
本発明の角形鋼管柱とH形鋼梁の接合構造においては、外ダイアフラムは、同一形状の2枚のL字形鋼片の端部を突き合わせて矩形リング状にして、該矩形リングの内周面が前記角形鋼管柱のスキンプレートに溶接接合されてなり、前記L字形鋼片同士の2か所の接合面が前記角形鋼管柱の角部に位置し、前記角形鋼管柱の直交する各スキンプレートの延長面と前記接合面とが成す角度がいずれも25度以上65度以下となるように設定され、かつ前記接合面が隅肉溶接によって接合されて、その溶接部の長さが前記外ダイアフラムの出寸法の10%増し以上となっていることにより、鋼管柱面外方向の引張力に対する外ダイアフラムの耐力が低減することなく、また梁フランジ−外ダイアフラム溶接の健全性検証を超音波探傷検査で行うことに支障が生ずることもない。 In the welded structure of the square steel pipe column and the H-shaped steel beam of the present invention, the outer diaphragm is formed into a rectangular ring by abutting the ends of two L-shaped steel pieces having the same shape, and the inner peripheral surface of the rectangular ring is formed. Is welded to the skin plate of the square steel pipe column, two joint surfaces of the L-shaped steel pieces are located at the corners of the square steel pipe column, and each skin plate orthogonal to the square steel pipe column is located. The angle formed by the extension surface and the joint surface is set to be 25 degrees or more and 65 degrees or less, and the joint surface is joined by fillet welding, and the length of the welded portion is the outer diaphragm. By increasing the protrusion dimension by 10% or more, the resistance of the outer diaphragm to the tensile force in the outward direction of the steel pipe column surface is not reduced, and the soundness verification of the beam flange-outer diaphragm welding is performed by ultrasonic flaw detection inspection. There is no problem in doing it in.
本実施の形態に係る角形鋼管柱とH形鋼梁の接合構造1は、図1に示すように、角形鋼管柱3とH形鋼梁7とを外ダイアフラム9を介して接合するものであって、外ダイアフラム9は、同一形状の2枚のL字形鋼片11の端部を突き合わせて矩形リング状にして、矩形リングの内周面が角形鋼管柱3の外周面に溶接接合されてなるものである。
以下、外ダイアフラム9の詳細を説明する。
As shown in FIG. 1, the
Hereinafter, the details of the outer diaphragm 9 will be described.
外ダイアフラム9を構成する2枚のL字形鋼片11は、同一形状である。L字形鋼片11を同一形状とすることで、部品の取り間違いがなくなり、製作時の管理が容易になる。
The two L-shaped
L字形鋼片11同士の2か所の接合面13は、角形鋼管柱3の角部に対称に位置している。そして、接合面13が角形鋼管柱3の隣合う各スキンプレート5a、b、c、dの延長面と成す角度は、いずれも25度以上65度以下になっている。この点を、図1に示す2つの接合面13のうちの一つについて具体的に説明すると、接合面13が一つのスキンプレート5aの延長面Aと成す角度をθA、接合面13が隣接する他のスキンプレート5bの延長面Bと成す角度をθBとすれば、θA及びθBがいずれも25度以上65度以下になっているということである。換言すれば、接合面13が上記の角度になるように、各L字形鋼片11の端面15(図2参照)の形状が設定されている。なお、L字形鋼片11を厚鋼板から切り出す場合には、切り出し時において端面15が上記の角度になるように切り出せばよい。
The two
接合面13を角形鋼管柱3の角部に位置させたのは、H形鋼梁7の梁フランジと外ダイアフラム9との溶接部と接合面13の溶接部が重ならないようにして、構造上重要部位である梁フランジ−外ダイアフラム溶接の健全性検証を超音波探傷検査で行うことができるようにしたものである。
また、接合面13を角部に位置させることで、当該部位の応力負担が少ないことにも起因している。この点は、接合面13の溶接仕様とも関連するので後述する。
The
It is also due to the fact that the stress load on the portion is small by locating the
また、接合面13が各スキンプレート5a、b、c、dの延長面と成す角度を上記のように設定した理由は以下の通りである。
まず、接合面13の角度規定をしているのは、接合面13における溶接長を長く確保して、ショートビードとなることによる極端な硬化などの溶接部の品質悪化を防止するためである。
そして、接合面13の各スキンプレート5a、b、c、dの延長面と成す角度を25度以上65度以下としたのは、接合面13を一方のスキンプレート5に対して直交する向きに設けた場合(この場合、接合面13は他方のスキンプレート5と成す角度が0度となる)と比較して10%以上長くなるようにするためである。例えば、接合面13の一方のスキンプレート5と成す角度を25度にした場合(この場合、接合面13は他方のスキンプレート5と成す角度が65度となる)、上述した直交の場合に比べて溶接長は約1.1倍になる。
Further, the reason why the angle formed by the
First, the angle of the
The angle formed by the extension surfaces of the
接合面13の角度規定をすることで、外ダイアフラム9の出寸法が周方向で一定であれば、接合面13の溶接長を外ダイアフラム9の出寸法の10%以上にすることができ、外ダイアフラム9の出寸法が小さい場合にも、隅肉溶接を健全に施工することができる。
なお、外ダイアフラム9の形状が角部で出寸法が短くなるような形状の場合、上記の角度設定だけでは溶接長を十分確保できないので、本発明では、このような場合を想定して外ダイアフラム9の出寸法の10%増し以上の溶接長を確保するようにしている。
By defining the angle of the
If the shape of the outer diaphragm 9 is such that the protruding dimension is shortened at the corners, the welding length cannot be sufficiently secured only by setting the above angle. Therefore, in the present invention, the outer diaphragm is assumed to be in such a case. We are trying to secure a welding length of 10% or more of the protrusion dimension of 9.
通常、寸法精度の観点から、L字形鋼片11同士は予め接合せずに、各L字形鋼片11をひとつずつスキンプレート5に溶接接合したうえで、L字形鋼片11同士を接合面13において溶接接合することとなる。このとき、L字形鋼片11の内面側はスキンプレート5と溶接接合され、当然ながらその接合面13には溶接余盛が存在する。そのため、接合面13をみれば、予めスキンプレート側端部では一定長さ溶接接合されていることになり、接合面13同士を接合する隅肉溶接の溶接長はその分短くなる。このような施工上の観点からしても、接合面13の溶接長を長く確保できるような形状にすることは重要であり、特に、出寸法の小さい外ダイアフラム9を実現するためにはより重要な観点となる。
Normally, from the viewpoint of dimensional accuracy, the L-shaped
本実施の形態では、角形鋼管柱3のスキンプレート5と外ダイアフラム9が部分溶け込み溶接によって溶接接合されており、かつ外ダイアフラム9同士の接合面13は、図3に示すように、その表裏面において開先深さが8mm以下の部分溶け込み溶接によって溶接接合されている。なお、図3では接合面13が各スキンプレート5a、b、c、dの延長面と成す角度が45度の場合を示している。
このような溶接仕様とした理由は以下の通りである。
In the present embodiment, the
The reasons for such welding specifications are as follows.
地震時に梁フランジから仕口(柱梁接合部)に伝達される水平力は、一般論としてその水平力の作用方向に対する剛性が大きい方に流れやすい。この理論に従えば、本発明の構造においては、スキンプレート5近傍にほとんどの力が流れ、L字形鋼片11同士の接合面13の外端角部付近ではほとんど水平力を負担しない。
また、外ダイアフラム9とスキンプレート5とは部分溶け込み溶接によって溶接接合されているから、少なくとも柱表面において外ダイアフラム9は溶接接合されているものとみなせる。
以上のことからL字形鋼片11同士の溶接接合は、完全溶け込み溶接に依らなくともよいといえる。
In general, the horizontal force transmitted from the beam flange to the joint (column-beam joint) during an earthquake tends to flow to the one with higher rigidity in the direction of action of the horizontal force. According to this theory, in the structure of the present invention, most of the force flows in the vicinity of the
Further, since the outer diaphragm 9 and the
From the above, it can be said that the welding joint between the L-shaped
一方で、外ダイアフラム9同士がまったく接合されない場合には、梁フランジ−外ダイアフラム溶接などの周囲での溶接施工にともなう熱変形や、昼夜間での温度変化に伴う鋼材の膨張・収縮、風荷重などの微振動に対して外ダイアフラム9の変形が大きくなり、外観が損なわれるほか、塗装や表装材の剥落、局所的な応力集中による微細なき裂発生につながることが考えられる。
そこで、本発明では、L字形鋼片11同士の接合部において、表裏面に深さ8mm以下の開先による部分溶け込み溶接によって溶接接合することとしている。
この溶接接合部は、前述したように地震時の大きな水平力の負担・伝達を期待するものでなく、形状保持を目的としていることから、施工効率を勘案し、多層多パスでない1パスでの施工で賄えるように開先深さを8mm以下としている。
On the other hand, when the outer diaphragms 9 are not joined at all, thermal deformation due to welding work around the beam flange-outer diaphragm welding, expansion / contraction of the steel material due to temperature changes during the day and night, and wind load It is considered that the outer diaphragm 9 is greatly deformed by the slight vibration such as, and the appearance is spoiled, and the coating and the surface material are peeled off, and fine cracks are generated due to local stress concentration.
Therefore, in the present invention, at the joint portion between the L-shaped
As mentioned above, this welded joint is not expected to bear or transmit a large horizontal force in the event of an earthquake, but is intended to maintain its shape. The groove depth is set to 8 mm or less so that it can be covered by construction.
<外ダイアフラムの出寸法>
前述したように、外ダイアフラム9の出寸法が大きいと、工場で外ダイアフラム9を取り付けて工事現場へ運搬する場合等に運搬や取り扱いの効率が悪いという問題があり、本実施の形態では、外ダイアフラム9の出寸法をld,外ダイアフラム9が取付く柱の幅をDcとして、ld≦Dc/2の関係を満たすようにしている。
このように設定したのは運搬効率や工事現場での取り回しを考慮したことが主な理由であるが、ld>Dc/2となるような場合には、外ダイアフラム9の面外方向(柱材軸方向)の局所変形も大きくなることから、耐力などの構造性能の維持や、外ダイアフラム9とスキンプレート5柱などの溶接施工時の熱変形を押さえて施工時の寸法精度を確保すること等も考慮したものである。
<External dimensions of outer diaphragm>
As described above, if the outer dimension of the outer diaphragm 9 is large, there is a problem that the efficiency of transportation and handling is poor when the outer diaphragm 9 is attached and transported to the construction site at the factory. The protruding dimension of the diaphragm 9 is l d , and the width of the pillar to which the outer diaphragm 9 is attached is D c , so that the relationship of l d ≤ D c / 2 is satisfied.
The main reason for setting this is that the transportation efficiency and handling at the construction site are taken into consideration, but when l d > D c / 2, the outer diaphragm 9 is set in the out-of-plane direction ( Since local deformation (in the direction of the column material axis) also increases, structural performance such as yield strength is maintained, and thermal deformation during welding of the outer diaphragm 9 and
<外ダイアフラムの板厚の設定>
出寸法を短くすると地震時に外ダイアフラム9が梁から水平力を受けた際に降伏しやすくなるため、出寸法を決定する際には、外ダイアフラム9の板厚を厚くする必要がある。
そこで、本実施の形態では、地震時に梁が接合部より先に降伏し、建物が十分なエネルギーを吸収できるように、外ダイアフラム接合部の耐力Pd≧梁フランジの耐力Pfとなるよう外ダイアフラム9の板厚と出寸法の関係を決めている。
具体的には、外ダイアフラム9の出寸法をld、板厚をtd、降伏強度をσd、外ダイアフラム9が取付く梁フランジの幅をBf、板厚をtf、降伏強度をσf、水平ハンチによる拡幅幅をBs、外ダイアフラム9が取付く柱の幅をDc、板厚をtc、としたときに下式の関係を満たす。
なお、水平ハンチによる拡幅幅とは、外ダイアフラムと梁フランジとの境界における梁フランジ幅(ハンチ先端の幅)である。なお、ハンチがない場合には、Bs=Bfとなる。
<Setting the thickness of the outer diaphragm>
If the protrusion dimension is shortened, the outer diaphragm 9 tends to yield when the outer diaphragm 9 receives a horizontal force from the beam during an earthquake. Therefore, when determining the protrusion dimension, it is necessary to increase the plate thickness of the outer diaphragm 9.
Therefore, in the present embodiment, the beam yields before the joint in the event of an earthquake, and the outer diaphragm joint has a proof stress P d ≥ the beam flange proof stress P f so that the building can absorb sufficient energy. The relationship between the plate thickness of the diaphragm 9 and the protrusion size is determined.
Specifically, the protrusion dimension of the outer diaphragm 9 is l d , the plate thickness is t d , the yield strength is σ d , the width of the beam flange to which the outer diaphragm 9 is attached is B f , the plate thickness is t f , and the yield strength is. The following relationship is satisfied when σ f , the widening width by the horizontal flange is B s , the width of the column to which the outer diaphragm 9 is attached is D c , and the plate thickness is t c.
The widening width by the horizontal haunch is the beam flange width (width at the tip of the haunch) at the boundary between the outer diaphragm and the beam flange. If there is no haunch, Bs = Bf.
ここで、外ダイアフラム接合部の耐力式P回帰は、FEM解析を実施し、解析結果を最小二乗法で回帰することで求めている。
以下、FEM解析と回帰式の求め方を具体的に説明する。
Here, the yield strength P regression of the outer diaphragm junction is obtained by performing FEM analysis and regressing the analysis result by the least squares method.
Hereinafter, the method of FEM analysis and the calculation of the regression equation will be specifically described.
・FEM解析の説明
外ダイアフラム接合部耐力を求めるために、下記の表1に示す柱・梁・外ダイアフラムの各形状に対してFEM解析を実施した。
-Explanation of FEM analysis In order to obtain the yield strength of the outer diaphragm joint, FEM analysis was performed for each shape of the column, beam, and outer diaphragm shown in Table 1 below.
解析モデル17は図4、図5に示す柱梁接合部の柱19、外ダイアフラム21および梁フランジ23で構成される。外ダイアフラム接合部付近の梁ウェブは、応力伝達におよぼす影響が小さいため本モデルでは省略している。
境界条件は梁フランジ中心面をz方向、柱上下端をx方向に拘束し、梁フランジ端部にx方向の荷重Pfを加えることで、地震時の応力状態を再現している。鋼材のヤング率は205,000N/mm2とした。
The
As for the boundary conditions, the central surface of the beam flange is constrained in the z direction, the upper and lower ends of the column are constrained in the x direction, and the load P f in the x direction is applied to the end of the beam flange to reproduce the stress state at the time of an earthquake. The Young's modulus of the steel material was set to 205,000 N / mm 2 .
ここで、図5に示す柱19の内面の2点P、Qのx方向変位の差δP-δQを接合部の変形量と定義し、梁フランジ荷重Pf(kN)と接合部変形δP-δQ(mm)関係のグラフを描くと図6となる。図6において、縦軸が梁フランジ荷重Pf(kN)で横軸が接合部変形δP-δQ(mm)である。
本例においては、外ダイアフラム21が降伏して、グラフの接線剛性が初期剛性の1/3まで低下した時点(グラフ中の★印)を接合部の耐力としている。
Here, the difference δ P -δ Q of the displacements of the two points P and Q on the inner surface of the
In this example, the yield strength of the joint is defined as the time when the
次に、回帰式の定め方を説明する。
外ダイアフラム接合部の耐力の回帰式P回帰を未知数α、β、γ、δ、ε、ζを用いて下式のように置く。
Next, how to determine the regression equation will be described.
Regression equation of the strength of the outer diaphragm joint P regression is set as the following equation using unknowns α, β, γ, δ, ε, ζ.
両辺に自然対数logをとると、以下のようになる。 Taking the natural logarithm log on both sides, it becomes as follows.
表1記載のNo.iの試験体の耐力をPiとすると、下式で示されるP回帰とlogPiの二乗和が最小になるとき、
上記の式を連立させて解くことで、未知数α、β、γ、δ、ε、ζ以下のように定めることができる。
α=4.72、β=-0.24、γ=1.22、δ=-1.21、ε=0.74、ζ=0.24
すなわち,外ダイアフラム接合部の耐力式P回帰は以下の式となる。
By solving the above equations simultaneously, the unknown variables α, β, γ, δ, ε, and ζ can be determined as follows.
α = 4.72, β = -0.24, γ = 1.22, δ = -1.21, ε = 0.74, ζ = 0.24
That is, the yield strength formula P regression of the outer diaphragm joint is as follows.
設計では上式で表わされる外ダイアフラム接合部の耐力を梁フランジ耐力Bftfσf以上にするため、下式の関係となる。 In the design, the yield strength of the outer diaphragm joint expressed by the above equation is equal to or greater than the beam flange yield strength B f t f σ f , so the relationship is as follows.
回帰式耐力とFEMで求めた耐力(以下、FEM耐力という)との関係を図7に示す。図7は縦軸が回帰式耐力であり、横軸がFEM解析耐力を示しており、表1に示したそれぞれの形状について、回帰式耐力とFEM解析耐力(表1の最右列参照)をプロットしたものである。
図7に示されるように、回帰式の決定係数R2は0.97であり、回帰式耐力とFEM耐力との相関が得られている。
FIG. 7 shows the relationship between the regression yield strength and the yield strength obtained by FEM (hereinafter referred to as FEM yield strength). In FIG. 7, the vertical axis shows the regression proof stress and the horizontal axis shows the FEM analysis proof stress. For each shape shown in Table 1, the regression proof stress and the FEM analysis proof stress (see the rightmost column of Table 1) are shown. It is a plot.
As shown in FIG. 7, the coefficient of determination R 2 of the regression formula is 0.97, the correlation between the regression Strength and FEM strength is obtained.
本発明に関わる柱梁接合部構造の効果を実証するためにFEM解析を実施したので、以下これについて説明する。
発明例の解析モデル25は、平面図である図8、斜視図である図9に示すように、角形鋼管柱27に外ダイアフラム29を介してH形鋼梁31が接合する立体骨組モデルである。ここで、各部材の寸法は実際の建物を想定して、柱:□−1500×50(780N/mm2級鋼)、梁:H−1200×400×19×28(550N/mm2級鋼)、外ダイアフラム:出寸法330、板厚60(550N/mm2級鋼)とし、柱はコンクリート充填とした。解析では、図9に示すように、柱柱頭に荷重を与えることで地震時水平力を模擬した。
An FEM analysis was performed to demonstrate the effect of the beam-column joint structure related to the present invention, which will be described below.
As shown in FIG. 8 which is a plan view and FIG. 9 which is a perspective view, the
外ダイアフラム29は、角部で45度方向溶接を模擬した接合形式とした。溶接深さは6mmであり、溶接部以外は摩擦係数0のメタルタッチとした。
これに対する比較例の解析モデル33は、平面図である図10、斜視図である図11に示すように、内ダイアフラム35が内蔵された角形鋼管柱37にH形鋼梁39が接合する立体骨組モデルとして解析を実施した。表2に解析ケース一覧を示す。
The
As shown in FIG. 10 which is a plan view and FIG. 11 which is a perspective view, the
図12は、発明例と比較例の両者における荷重−変形角関係を比較して示したグラフであり、縦軸が荷重(kN)、横軸が変形角(rad)を示している。
図12より、発明例の骨組剛性と耐力はそれぞれ比較例を上回っており、本発明が有効であることが実証された。
FIG. 12 is a graph showing a comparison of the load-deformation angle relationship in both the invention example and the comparative example, in which the vertical axis indicates the load (kN) and the horizontal axis indicates the deformation angle (rad).
From FIG. 12, the skeleton rigidity and the proof stress of the invention example were higher than those of the comparative example, respectively, demonstrating that the present invention is effective.
1 角形鋼管柱とH形鋼梁の接合構造
3 角形鋼管柱
5 スキンプレート
5a、b、c、d 各スキンプレート
7 H形鋼梁
9 外ダイアフラム
11 L字形鋼片
13 接合面
15 端面
17 解析モデル
19 柱
21 外ダイアフラム
23 梁フランジ
A、B 延長面
<実施例>
25 解析モデル(発明例)
27 角形鋼管柱
29 外ダイアフラム
31 H形鋼梁
33 解析モデル(比較例)
35 内ダイアフラム
37 角形鋼管柱
39 H形鋼梁
<従来例>
41 角形鋼管柱
43 H形鋼梁
45 内ダイアフラム
47 通しダイアフラム
49 外ダイアフラム
1 Joint structure of square steel pipe column and H-shaped
25 Analytical model (invention example)
27 Square
35
41 Square steel pipe column 43 H-shaped
Claims (1)
前記外ダイアフラムは、同一形状の2枚のL字形鋼片の端部を突き合わせて矩形リング状にして、該矩形リングの内周面が前記角形鋼管柱のスキンプレートに溶接接合し、
前記L字形鋼片同士の2か所の接合面が前記角形鋼管柱の角部に位置し、前記角形鋼管柱の直交する各スキンプレートの延長面と前記接合面とが成す角度がいずれも25度以上65度以下となるように設定し、かつ前記接合面が前記L字形鋼片同士の表裏面において開先深さが8mm以下の部分溶け込み溶接によって溶接接合し、その溶接部の長さを前記外ダイアフラムの出寸法の10%増し以上とし、
前記外ダイアフラムの出寸法をld、板厚をtd、降伏強度をσd、前記外ダイアフラムが取付く梁フランジの幅をBf、板厚をtf、降伏強度をσf、水平ハンチによる拡幅幅をBs、前記外ダイアフラムが取付く柱の幅をDc、板厚をtc、としたときに下式の関係を満たすように設定することを特徴とする角形鋼管柱とH形鋼梁の接合構造の設計方法。
The outer diaphragm is formed into a rectangular ring by abutting the ends of two L-shaped steel pieces having the same shape, and the inner peripheral surface of the rectangular ring is welded to the skin plate of the square steel pipe column.
Two joint surfaces of the L-shaped steel pieces are located at the corners of the square steel pipe column, and the angle formed by the extension surface of each of the orthogonal skin plates of the square steel pipe column and the joint surface is 25. The degree is set to be 65 degrees or more, and the joint surface is welded and joined by partial penetration welding with a groove depth of 8 mm or less on the front and back surfaces of the L-shaped steel pieces, and the length of the welded portion is set. Increase by 10% or more of the protruding dimension of the outer diaphragm.
The outer dimension of the outer diaphragm is l d , the plate thickness is t d , the yield strength is σ d , the width of the beam flange to which the outer diaphragm is attached is B f , the plate thickness is t f , the yield strength is σ f , and the horizontal haunch. The square steel pipe column and H are characterized in that the widening width is set to B s , the width of the column to which the outer diaphragm is attached is D c , and the plate thickness is t c , so that the relationship of the following equation is satisfied. How to design a joint structure for shaped steel beams.
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