JP7207982B2

JP7207982B2 - 鉄骨梁および鉄骨梁の設計方法

Info

Publication number: JP7207982B2
Application number: JP2018230922A
Authority: JP
Inventors: 大吾石井; 寛之久保山; 祐周小澤; 伸也牛坂
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2038-12-10
Also published as: JP2020094339A

Description

本発明は、鉄骨梁および鉄骨梁の設計方法に関する。

従来、鉄骨造建物における鉄骨梁の鋼材量削減を目的として、鉄骨梁端ウェブ補強工法が各種提案されている。鉄骨梁端ウェブ補強工法では、鉄骨梁における設計上の発生応力が低いスパン中央部に合せて梁断面サイズを設定し、梁端部のヒンジ形成位置近傍のウェブにスチフナなどの補剛材を溶接して補強している。
このように、鉄骨梁における必要箇所のみ補強することで、鉄骨梁全体の必要塑性変形能力を確保しながら、架構全体の鋼材量を削減することができる（例えば、特許文献１および２参照）。

一方、鉄骨梁のウェブには、設備配管等を挿通させるために貫通孔を設けることが多い。このような場合、貫通孔を設けることによる鉄骨梁の耐力低下を防止するため、貫通孔まわりを補強する工法（梁貫通孔補強工法）がある。梁貫通孔補強工法では、例えば、鉄骨梁のウェブの貫通孔まわりに、補強板やスリーブ管などの貫通孔補強部材を設けて補強している（例えば、特許文献３参照）。

特許第６１０５８７８号公報特開２０１４－４３７５１号公報特開平９－３２１９７号公報

上記の梁端ウェブ補強工法と梁貫通孔補強工法とは、それぞれ独立して設計される。しかしながら、梁端ウェブ補強工法によって補剛材を設置する箇所と、梁貫通孔補強工法によって貫通孔および貫通孔補強部材を設ける位置とが干渉すると、梁端ウェブ補強工法による補剛材と、梁貫通孔補強工法による貫通孔補強部材と、をいずれか一方が他方を跨ぐように設置する必要が生じることがあり、溶接などの鉄骨梁の加工が難しくなるという問題がある。また、梁端ウェブ補強工法による補剛材と、梁貫通孔補強工法による貫通孔補強部材とが干渉しないように設計しようとすると、貫通孔のサイズが限定されてしまい、設計自由度が低くなるという問題がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ウェブに所望のサイズの貫通孔を設けても、第１補強部材（梁端ウェブ補強工法による補剛材）と第２補強部材（梁貫通孔補強工法による貫通孔補強部材）とを干渉しないように設けることができて、ウェブの座屈を防止できるとともに、貫通孔によるウェブの耐力低下を防止することができる鉄骨梁および鉄骨梁の設計方法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は、ウェブの長さ方向の端部近傍に、前記ウェブを厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された鉄骨梁において、前記ウェブの長さ方向の端部近傍において前記ウェブに接合され、前記ウェブの座屈を防止する第１補強部材と、前記貫通孔の周囲に設けられ、前記貫通孔による前記ウェブの耐力低下を防止する第２補強部材と、を有し、前記第１補強部材は、前記ウェブの前記長さ方向における少なくとも前記第２補強部材が設けられている第２補強部材設置範囲には設けられておらず、前記ウェブの長さ方向の端部近傍における前記第１補強部材が設けられていない第１補強部材省略範囲の座屈耐力は、前記第１補強部材省略範囲において前記貫通孔が形成されておらず、前記第１補強部材が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きく設定されていることを特徴とする。

また、本発明に係る鉄骨梁の設計方法は、ウェブの長さ方向の端部近傍に設けられ、前記ウェブを厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記ウェブの長さ方向の端部近傍において前記ウェブに接合され、前記ウェブの座屈を防止する第１補強部材と、前記貫通孔の周囲に設けられ、前記貫通孔による前記ウェブの耐力低下を防止する第２補強部材と、を有する鉄骨梁の設計方法において、前記第１補強部材は、前記ウェブの前記長さ方向における少なくとも前記第２補強部材が設けられている第２補強部材設置範囲には設けず、前記ウェブの長さ方向の端部近傍における前記第１補強部材が設けられていない第１補強部材省略範囲の座屈耐力を、前記第１補強部材省略範囲において前記貫通孔が形成されておらず、前記第１補強部材が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きくなるように設計することを特徴とする。

本発明では、ウェブの長さ方向の端部近傍における第１補強部材が設けられていない第１補強部材省略範囲の座屈耐力は、第１補強部材省略範囲において貫通孔が形成されておらず、第１補強部材が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きく設定されている。これにより、ウェブにおける第１補強部材省略範囲は、第１補強部材が省略されていても、座屈が防止される。
そして、貫通孔および第２補強部材が設置される第２補強部材設置範囲は、第１補強部材省略範囲に含まれおり、第１補強部材が設けられていない。このため、ウェブに所望のサイズの貫通孔を設けても、第１補強部材と第２補強部材とを干渉しないように設けることができ、ウェブの座屈を防止できるとともに、貫通孔によるウェブの耐力低下を防止することができる。

本発明によれば、ウェブに所望のサイズの貫通孔を設けても、第１補強部材と第２補強部材とを干渉しないように設けることができて、ウェブの座屈を防止できるとともに、貫通孔によるウェブの耐力低下を防止することができる。

本発明の実施形態による鉄骨梁の一例を示す斜視図である。（ａ）は鉄骨梁にスチフナを設置する範囲（スチフナ補剛範囲）を示す図、（ｂ）は設計上のレベル２地震時のウェブのモーメント図、（ｃ）は貫通孔および貫通孔補強部材を設けることができる範囲（貫通孔設置可能範囲）を示す図である。貫通孔が形成されておらずスチフナのみが設けられた鉄骨梁（Ｎｏ.１）を示す図である。貫通孔が形成されて貫通孔補強部材が設けられるとともに、スチフナが貫通孔補強部材設置範囲に及ぶように設けられた鉄骨梁（Ｎｏ.２）を示す図である。ＦＥＭ解析の結果の一覧を示す表である。（ａ）は、Ｎｏ.１の鉄骨梁の荷重変形関係を示すグラフ、（ｂ）は、Ｎｏ.２の鉄骨梁の荷重変形関係を示すグラフ、（ｃ）は、Ｎｏ.３の鉄骨梁の荷重変形関係を示すグラフである。（ａ）はＮｏ.１の鉄骨梁の終局状態の変形および応力コンターを示す図、（ｂ）は、Ｎｏ.２の鉄骨梁の終局状態の変形および応力コンターを示す図、（ｃ）は、Ｎｏ.３の鉄骨梁の終局状態の変形および応力コンターを示す図である。鉄骨梁の設計フローである。鉄骨梁の設計フローにおける座屈検定を説明する図である。（ａ）は、スチフナ補剛範囲およびスチフナを省略する範囲の他の形態を説明する側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。

以下、本発明の実施形態による鉄骨梁および鉄骨梁の設計方法について、図１乃至図９に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態による鉄骨梁１は、Ｈ型鋼で、上フランジ２、下フランジ３およびウェブ４を有している。図１では、鉄骨梁１の長さ方向の一方の端部近傍１１（鉄骨梁１における長さ方向の一方の端部１ａから中央に向かった所定の範囲）を示している。

ウェブ４の長さ方向の端部近傍４１（ウェブ４における鉄骨梁１の長さ方向の端部近傍１１に対応する部分、長さ方向の一方の端部４ａから中央に向かった所定の範囲）には、ウェブ４の座屈を防止するためのスチフナ５（第１補強部材）が設けられている。本実施形態では、ウェブ４の両側に上下方向に間隔をあけて２つずつスチフナ５が設けられている。上側のスチフナ５は、上フランジ２の下側に間隔をあけて設けられ、下側のスチフナ５は下フランジ３の上側に間隔をあけて設けられている。スチフナ５は、上フランジ２および下フランジ３と平行に設けられている。
ウェブ４の長さ方向の端部近傍４１におけるスチフナ５が設けられていない範囲を、スチフナ省略範囲４２（第１補強部材省略範囲）とする。

ウェブ４の長さ方向の端部近傍４１には、例えば、設備配管を通すための貫通孔４３が形成されている。貫通孔４３は、ウェブ４を厚さ方向に貫通し、ウェブ４の長さ方向の端部４ａよりも中央に向かった位置で、スチフナ５の長さ方向の他方側に設けられている。貫通孔４３は、スチフナ省略範囲４２に設けられている。
貫通孔４３は、円形状に形成されている。
ウェブ４には、貫通孔４３の周囲に貫通孔補強部材６（第２補強部材）が設けられている。貫通孔補強部材６は、貫通孔４３を設けることによる鉄骨梁１の耐力低下を防止するために設けられている。

貫通孔補強部材６は、平板状に形成されウェブ４に接合される平板部６１と、平板部６１に突設された筒状部６２とを有している。
平板部６１は、板面が貫通孔４３よりも大きい鋼板で、中央に貫通孔４３と同じ径の円形の孔部６３が形成されている。
筒状部６２は、孔部６３と同じ径の円筒状の鋼管で、一方の端部６２ａが平板部６１の孔部６３の縁部６３ａと接続され、他方の端部６２ｂが平板部６１から突出した位置に配置されている。

貫通孔補強部材６は、筒状部６２が突出していない側の面がウェブ４と面接触し、孔部６３および筒状部６２が貫通孔４３と重なるようにウェブ４と接合されている。貫通孔補強部材６は、ウェブ４の両側それぞれに設けられている。
貫通孔補強部材６は、スチフナ省略範囲４２に設けられていて、スチフナ５と干渉していない。
ウェブ４の長さ方向における貫通孔補強部材６が設けられている範囲を、貫通孔補強部材設置範囲４４（第２補強部材設置範囲）とする。貫通孔補強部材設置範囲４４は、スチフナ省略範囲４２よりも小さく、スチフナ省略範囲４２の内部に設けられている。

本実施形態による鉄骨梁１は、ウェブ４の長さ方向の端部近傍４１におけるスチフナ省略範囲４２の座屈耐力は、スチフナ省略範囲４２において貫通孔４３が形成されておらず、スチフナ５が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きく設定されている。本実施形態による鉄骨梁の設計方法では、ウェブ４の長さ方向の端部近傍４１におけるスチフナ省略範囲４２の座屈耐力を、スチフナ省略範囲４２において貫通孔４３が形成されておらず、スチフナ５が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きく設定する。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態では、鉄骨梁１にスチフナ５を設置する範囲（スチフナ補剛範囲４５とする）は、設計上のレベル２地震時（上下動による応力も加算）の応力状態において、鉄骨梁１のウェブ４の局部座屈限界耐力ＭＤを超える範囲とする。図２（ｂ）は、設計上のレベル２地震時のモーメント図である。
なお、図２（ａ）では、スチフナ補剛範囲４５全体にわたってスチフナ５が設けられているが、スチフナ補剛範囲４５にスチフナ省略範囲４２（図１参照）が含まれている。

図２（ｃ）に示すように、本実施形態では、貫通孔４３および貫通孔補強部材６を設けることができる範囲（貫通孔設置可能範囲４６）は、鉄骨梁１の端部１ａの塑性化領域４８（梁成の０．５倍）以外の範囲とする。したがって、貫通孔４３および貫通孔補強部材６を設けることによりスチフナ５を省略可能となる範囲４７は、スチフナ補剛範囲４５と貫通孔設置可能範囲４６とが重なる範囲となる。
なお、貫通孔補強部材６の形態が上記以外の場合は、それぞれの指針に従って貫通孔設置可能範囲４６を設定する。

本実施形態による鉄骨梁１のＦＥＭ解析を実施した。
解析ケースは、以下に示すＮｏ．１－Ｎｏ．３の３ケースとする。
Ｎｏ.１：貫通孔が形成されておらずスチフナ５のみが設けられた鉄骨梁１Ａ（図３参照）
Ｎｏ.２：貫通孔４３が形成されて貫通孔補強部材６が設けられるとともに、スチフナ５が貫通孔補強部材設置範囲４４に及ぶように設けられた鉄骨梁１Ｂ（図４参照）
Ｎｏ.３：本実施形態の鉄骨梁１Ｃ（図１参照）

ＦＥＭ解析は、ＭＤ．Ｎａｓｔｒａｎ（ＳＯＬ１０６）を用い、材料非線形および幾何学非線形を考慮した非線形静的増分解析を行った。境界条件として、鉄骨梁１Ａ～１Ｃの端部１ａ（図中左側）を完全固定とし、他端に強制変形を与えた片持梁形式の加力とした。

ＦＥＭ解析の結果の一覧を図５の表に示し、得られた荷重変形関係を図６（ａ）－（ｃ）のグラフに示す。図６（ａ）は、Ｎｏ.１の鉄骨梁１Ａの荷重変形関係を示し、図６（ｂ）は、Ｎｏ.２の鉄骨梁１Ｂの荷重変形関係を示し、図６（ｃ）は、Ｎｏ.３の鉄骨梁１Ｃの荷重変形関係を示している。
ここで、図中の荷重および変形は、梁断面の全塑性耐力およびその時の変形の計算値で無次元化して示した。また、終局状態の変形および応力コンター（ｖｏｎＭｉｓｅｓＳｔｒｅｓｓ）を図７に示す。図７（ａ）は、Ｎｏ.１の鉄骨梁１Ａの終局状態の変形および応力コンターを示し、図７（ｂ）は、Ｎｏ.２の鉄骨梁１Ｂの終局状態の変形および応力コンターを示し、図７（ｃ）は、Ｎｏ.３の鉄骨梁１Ｃの終局状態の変形および応力コンターを示している。
図６に示すように、荷重変形関係は、Ｎｏ.１の鉄骨梁とＮｏ.２の鉄骨梁とは、同等の耐力および塑性変形能力を有していることが分かる。また、図７から分かるように、Ｎｏ．３の鉄骨梁では、スチフナ省略範囲４２においても、貫通孔補強部材６が十分にウェブ４の座屈を拘束していることが分かる。
以上より、本実施形態による鉄骨梁１（Ｎｏ．３）の有効性を確認できた。

続いて、本実施形態による鉄骨梁の設計フローについて説明する。
本実施形態による鉄骨梁の設計フローでは、上記の鉄骨梁１のＦＥＭ解析（座屈固有値解析）による確認に加え、以下の条件を満足することを確認する。図８に鉄骨梁１の設計フローを示す。

まず、鉄骨梁１の設計用のモーメント（Ｍ）およびせん断力（Ｑ）を算定する（ステップ１（Ｓ－１））。
ステップ１（Ｓ－１）で算定された設計用のモーメント（Ｍ）およびせん断力（Ｑ）から鉄骨梁１の断面を設定する（ステップ２（Ｓ－２））。
続いて、スチフナ補剛の設計（スチフナ５を設置する補剛区間、スチフナ５の間隔、およびスチフナ５の寸法の設定）を行う（ステップ３（Ｓ－３））。スチフナ補剛の設計に不具合が生じる場合は、ステップ２（Ｓ－２）に戻り、鉄骨梁１の断面を再度設定する。

ステップ３（Ｓ－３）のスチフナ補剛の設計と前後して、または同時に、配管等の計画（ステップ４（Ｓ－４））に従って、貫通孔４３の設計（孔径および位置の設定）を行う（ステップ５（Ｓ－５））。
ステップ５（Ｓ－５）で設計された貫通孔４３の形状に基づいて、貫通孔補強部材６の設計を行う（ステップ６（Ｓ－６））。

ステップ３（Ｓ－３）で設計されたスチフナ５と、ステップ６（Ｓ－６）で設計された貫通孔補強部材６とが干渉するかどうかを判断する（ステップ７（Ｓ－７））。
ステップ７（Ｓ－７）でスチフナ５と、貫通孔補強部材６とが干渉しないと判断された場合は、従来の工法に基づいたスチフナおよび貫通孔補強部材を有する鉄骨梁となる（本実施形態による鉄骨梁を適用しない）。
ステップ７（Ｓ－７）でスチフナ５と貫通孔補強部材６とが干渉すると判断された場合は、スチフナ５を省略可能な範囲（スチフナ省略範囲４２）を設定する（ステップ８（Ｓ－８））。

ステップ８（Ｓ－８）で設定されたスチフナ省略範囲４２における、図９に示す貫通孔補強部材６よりも上側の領域Ａと、下側の領域Ａ‘について梁ウェブプレートとしての座屈検定を行う（ステップ９（Ｓ－９））。なお、図９の鉄骨梁１では、貫通孔４３および貫通孔補強部材６がウェブ高さ方向の中央よりも上側に位置し、貫通孔補強部材６の両側にスチフナ５が設けられている。
座屈検定は、日本建築学会：鋼構造設計規準に示された検定方法による。なお、貫通孔補強部材６が設けられている部分ｄｒについては、従来の鉄骨梁の貫通孔補強としての設計を満足していれば、梁ウェブプレートとしての座屈検定は必要ない。

ステップ９（Ｓ－９）の座屈検定により基準を満たしている場合は、上記のＦＥＭ解析（座屈固有値解析）による確認を行う（ステップ１０（Ｓ－１０））。
ステップ１０（Ｓ－１０）により、鉄骨梁の有効性を確認できれば、スチフナ５を省略可能となり（ステップ１１（Ｓ－１１））、スチフナ５および貫通孔補強部材６の設計が完了する。

ステップ９（Ｓ－９）において、座屈検定による基準を満たしていない場合は、ステップ８（Ｓ－８）に戻る。また、ステップ１０（Ｓ－１０）において、鉄骨梁の有効性を確認できない場合も、ステップ８（Ｓ－８）に戻る。
ステップ８（Ｓ－８）でスチフナ省略範囲４２を再度設定し、ステップ９（Ｓ－９）で、座屈検定による基準を満たし、ステップ１０（Ｓ－１０）で、鉄骨梁の有効性を確認できればスチフナ５を省略可能となり（ステップ１１（Ｓ－１１））、スチフナ５および貫通孔補強部材６の設計が完了する。
ステップ９（Ｓ－９）で、座屈検定による基準を満たせない場合、または、ステップ１０（Ｓ－１０）で、鉄骨梁の有効性を確認できない場合は、スチフナ５の省略が不可となる。

次に、上述した本実施形態による鉄骨梁１および鉄骨梁の設計方法の作用・効果について図面を用いて説明する。
上述した本実施形態による鉄骨梁１および鉄骨梁の設計方法では、ウェブ４のスチフナ省略範囲４２の座屈耐力は、スチフナ省略範囲４２において貫通孔４３が形成されておらず、スチフナ５が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きく設定されている。これにより、ウェブ４におけるスチフナ省略範囲４２は、スチフナ５が省略されていても、座屈が防止される。
そして、貫通孔４３および貫通孔補強部材６が設置される貫通孔補強部材設置範囲４４は、スチフナ省略範囲４２に含まれおり、スチフナ５が設けられていない。このため、ウェブ４に所望のサイズの貫通孔４３を設けても、スチフナ５と貫通孔補強部材６とを干渉しないように設けることができ、ウェブ４の座屈を防止できるとともに、貫通孔４３によるウェブ４の耐力低下を防止することができる。

以上、本発明による鉄骨梁１および鉄骨梁の設計方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記の実施形態では、貫通孔補強部材６の長さ方向の一方側のみにスチフナ５が設けられているが、長さ方向の両側にスチフナ５が設けられていてもよい。スチフナ省略範囲４２は、貫通孔補強部材設置範囲４４と同じ範囲でもよいし、貫通孔補強部材設置範囲４４よりも大きい範囲であってもよい。

また、上記の実施形態では、ウェブ４の長さ方向の端部近傍４１には、ウェブ４の座屈を防止するための第１補強部材としてスチフナ５が設けられているが、第１補強部材としてスチフナ５以外の部材が設けられていてもよい。また、スチフナ５が設けられる位置や向き、スチフナ５の数は適宜設定されてよい。

また、上記の実施形態では、鉄骨梁１にスチフナ５を設置する範囲（スチフナ補剛範囲４５とする）は、設計上のレベル２地震時（上下動による応力も加算）の応力状態において、鉄骨梁１のウェブ４の局部座屈限界耐力ＭＤを超える範囲としている。
これに対し、図１０に示すように、スチフナ補剛範囲４５は、鉄骨梁１の塑性ヒンジ形成位置（拡幅ハンチの端部１ｂ）から鉄骨梁１の長さ方向の中央に、梁せい寸法の１．０倍の寸法分、向かった位置までの範囲としてもよい。例えば、梁せい寸法が１２００ｍｍの場合、スチフナ補剛範囲４５は、拡幅ハンチの端部１ｂから鉄骨梁１の長さ方向の中央に１２００ｍｍ向かった位置までの範囲となる。

そして、スチフナ補剛範囲４５に貫通孔４３を形成して貫通孔補強部材６を設ける場合には、スチフナ省略範囲４２は、貫通孔補強部材６が設けられている範囲（貫通孔補強部材設置範囲４４）となる。例えば、上記のスチフナ補剛範囲４５に４００φの貫通孔４３を形成して６００ｍｍ角の平板部６１と４００φの筒状部６２とを有する貫通孔補強部材６を設ける場合には、スチフナ省略範囲４２は、貫通孔補強部材６が設けられている６００ｍｍの範囲（貫通孔補強部材設置範囲４４）となる。

また、上記の実施形態では、貫通孔４３を設けることによる鉄骨梁１の耐力低下を防止するための第２補強部材として平板部６１と、筒状部６２とを有する貫通孔補強部材６が設けられているが、第２補強部材として、リング状の部材などが設けられていてもよい。

１鉄骨梁
４ウェブ
５スチフナ（第１補強部材）
６貫通孔補強部材（第２補強部材）
４１端部近傍
４２スチフナ省略範囲（第１補強部材省略範囲）
４３貫通孔
４４貫通孔補強部材設置範囲（第２補強部材設置範囲）

Claims

ウェブの長さ方向の端部近傍に、前記ウェブを厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された鉄骨梁において、
前記ウェブの長さ方向の端部近傍において前記ウェブに接合され、前記ウェブの座屈を防止する第１補強部材と、
前記貫通孔の周囲に設けられ、前記貫通孔による前記ウェブの耐力低下を防止する第２補強部材と、を有し、
前記第１補強部材は、前記ウェブの前記長さ方向における少なくとも前記第２補強部材が設けられている第２補強部材設置範囲には設けられておらず、
前記ウェブの長さ方向の端部近傍における前記第１補強部材が設けられていない第１補強部材省略範囲の座屈耐力は、前記第１補強部材省略範囲において前記貫通孔が形成されておらず、前記第１補強部材が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きく設定されていることを特徴とする鉄骨梁。
ウェブの長さ方向の端部近傍に設けられ、前記ウェブを厚さ方向に貫通する貫通孔と、
前記ウェブの長さ方向の端部近傍において前記ウェブに接合され、前記ウェブの座屈を防止する第１補強部材と、
前記貫通孔の周囲に設けられ、前記貫通孔による前記ウェブの耐力低下を防止する第２補強部材と、を有する鉄骨梁の設計方法において、
前記第１補強部材は、前記ウェブの前記長さ方向における少なくとも前記第２補強部材が設けられている第２補強部材設置範囲には設けず、
前記ウェブの長さ方向の端部近傍における前記第１補強部材が設けられていない第１補強部材省略範囲の座屈耐力を、前記第１補強部材省略範囲において前記貫通孔が形成されておらず、前記第１補強部材が設けられていると仮定した場合の座屈耐力よりも大きくなるように設計することを特徴とする鉄骨梁の設計方法。