(57)【要約】【課題】スカラップ底へのき裂の発生を抑制して、Ｈ形断面梁の下フランジの破断を防止することで、梁端接合部の早期破断を回避できる梁端接合部を提供する。【解決手段】スカラップ６０は、第一の開口端６０ａと、第二の開口端６０ｂと、第一の開口縁部６１と、第二の開口縁部６２と、第三の開口縁部６３とを有し、第一の開口縁部６１は連結部３０のウェブ１０側止端部と交差する円弧状に形成され、第一の開口端６０ａ側一端で接線が下フランジ２０の内面と平行となる第一の円弧部７１を有し、第三の開口縁部６３は、第一の開口縁部６１と第二の開口縁部６２とを接続する円弧状に形成された第二の円弧部７２を有し、第一の円弧部７１の曲率半径が第二の円弧部７２の曲率半径より大きく、Ｈ形断面梁１の梁端のウェブ１０と柱１１０との接合部である梁ウェブ接合部１２０の応力伝達効率αｗが０．４８以上である。【選択図】図４
2020133218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
箱形断面柱にＨ形断面梁の梁端が溶接接合された梁端接合部であって、
前記Ｈ形断面梁のウェブの端部にスカラップが設けられており、
前記スカラップは、
前記Ｈ形断面梁の下フランジ側に位置する第一の開口端と、
前記第一の開口端と相反する側に位置する第二の開口端と、
前記第一の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第一の開口縁部と、
前記第二の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第二の開口縁部と、
前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する第三の開口縁部とを有し、
前記第一の開口縁部は、前記ウェブと前記下フランジとが交差する部分に設けられた連結部における前記ウェブ側の止端部と交差するように、円弧状に形成され、前記第一の開口端側の一端で、その接線が前記下フランジの内側の面と平行となる第一の円弧部を有し、
前記第三の開口縁部は、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する円弧状に形成された第二の円弧部を有し、
前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径より大きくなっており、
前記Ｈ形断面梁の梁端の前記ウェブと前記箱形断面柱との接合部である梁ウェブ接合部の応力伝達効率をαｗとすると、下記（１）式を満たすことを特徴とする梁端接合部。
【数１】
2020133218.tif 000016
但し、ｗＭｐは前記Ｈ形断面梁のウェブの全塑性曲げ耐力、ｓＭｕは前記箱形断面柱の面外降伏の影響を考慮した前記Ｈ形断面梁のウェブの最大曲げ耐力である。
【請求項２】
前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とは、前記第一の円弧部がなす円弧と前記第二の円弧部がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されていることを特徴とする請求項１に記載の梁端接合部。
【請求項３】
前記第一の開口縁部は、前記第一の開口端を含み直近の前記下フランジにおける内側の面に平行に配された直線部を有し、前記第一の円弧部の前記第一の開口端側の一端が前記直線部と接続されていることを特徴とする請求項１また２に記載の梁端接合部。
【請求項４】
前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径の２．５倍以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の梁端接合部。
【請求項５】
前記スカラップの前記下フランジ側から上フランジ側へ向かう方向の寸法が１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の梁端接合部。
【請求項６】
前記第二の円弧部の曲率半径が６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の梁端接合部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、箱形断面柱にＨ形断面梁の梁端が溶接接合された梁端接合部に関する。
【０００２】
梁、柱等が鉄骨部材によって構成される鉄骨建物は、建設時の工事現場において梁と柱が接合される場合がある。特に、梁としてＨ形断面部材を用いるＨ形断面梁の場合は、工事現場において、Ｈ形断面梁のウェブの端部と柱とを溶接あるいはボルト接合すると共に、Ｈ形断面梁の上下フランジの端部と柱のダイアフラムとを溶接することによって梁端接合部を形成することが多い。この際、Ｈ形断面梁の下フランジの端部と柱との溶接を行うために、Ｈ形断面梁のウェブの端部には通常スカラップと呼ばれる溶接孔が設けられる。スカラップは、Ｈ形断面梁のウェブの端部をＨ形断面梁の下フランジの近傍で部分的に切り欠くことによって形成されるものであり、Ｈ形断面梁の下フランジと柱との溶接部は、このスカラップを通してＨ形断面梁のウェブを横切るように形成される。
【０００３】
また、上記のＨ形断面梁に用いられるＨ形断面部材としては、溶接組立Ｈ形断面部材と圧延Ｈ形鋼がある。溶接組立Ｈ形断面部材は、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分を溶接することで成形される。このため、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分には、溶接金属によってウェブの厚さ方向に幅広となるように形成された連結部が設けられる。また、圧延Ｈ形鋼は、上下一対のフランジとウェブからなる断面Ｈ形形状に、圧延によって一体に成形される。この際、上下一対のフランジとウェブとがそれぞれ交差する部分には、ウェブの厚さ方向に幅広となるように形成された通常フィレット部と呼ばれる連結部が設けられる。
【０００４】
ところで、上記のような梁端接合部は、スカラップに歪みが集中することでＨ形断面梁の下フランジが地震時に破断するおそれがあり、これを防止する対策が求められている。このために従来から、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状やスカラップを補強する対策が講じられてきた。
【０００５】
例えば非特許文献１には、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、二つの曲率半径の円弧を組み合わせた形状であって、フランジと接続する部分の円弧の曲率半径を１０ｍｍとし、フランジから離れた部分の円弧の曲率半径を３５ｍｍとする形状の複合円型スカラップが開示されている。さらに非特許文献１には、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、フランジと接続する部分の１／４円状の円弧の曲率半径を１０ｍｍとし、この円弧から垂直に伸びる直線部を有する形状の改良Ｂ型スカラップが開示されている。また、非特許文献２および３には、スカラップへの歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状として、円弧となる部分と、当該円弧となる部分から直線状に延びてフランジと接続される形状のスカラップが開示されている。
【０００６】
一方、特許文献１には、スカラップを補強する対策として、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部を、梁のフランジと、フランジの外側に接合した板状部材と、鉄骨柱の通しダイアフラムとからなる開先部を完全溶け込み溶接した接合部とし、板状部材を肉厚部から肉薄部にかけて直線的に減厚するテーパープレートとし、梁のウェブにスカラップを設けた構造が開示されている。
また、特許文献２には、スカラップを補強する対策として、スカラップを溶接などで充填する構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−７１９４号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２４４２７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本建築学会：鉄骨工事技術指針・工場製作編  第５版、２００７年２月
【非特許文献２】中込忠男、藤田哲也：角形鋼管柱に通しダイアフラム形式で溶接接合される圧延Ｈ形鋼梁端部の力学的性能  梁スカラップの有無および形状と目違いが破壊性状に及ぼす影響、日本建築学会構造系論文集第４５５号、１９９４年１月
【非特許文献３】Ｊ．Ｍ．Ｒｉｃｌｅｓ，Ｊ．ＷＦｉｓｈｅｒ，Ｌｅ−Ｗｕ  Ｌｕ，Ｅ．Ｊ．Ｋａｕｆｍａｎｎ；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｗｅｌｄｅｄ  ｍｏｍｅｎｔ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  ｄｅｓｉｇｎ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ  Ｓｔｅｅｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，５８（２００２），５６５−６０４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、非特許文献１〜３のようなスカラップは、通常スカラップ底と呼ばれる、スカラップとＨ形断面梁の下フランジとが接続される部分の近傍に歪みが集中するという問題がある。すなわち、スカラップ底に歪みが集中することで地震時にこの部分にき裂が発生し、このき裂がＨ形断面梁の下フランジの外面に進展するという問題がある。このき裂がＨ形断面梁の下フランジの外面に進展すると、これを起点としてＨ形断面梁の下フランジが破断してしまい、鉄骨建物の耐震性能を損なうおそれがある。このため、スカラップ底への歪みの集中を緩和することのできるスカラップの形状が現在広く求められている。また、スカラップ底に歪みが集中することで地震時にこの部分にき裂が発生した場合、発生したき裂はＨ形断面梁が接合される柱などの他の鉄骨材があるために視認しづらく、地震後の損傷の診断が困難となるという問題がある。
また、特許文献１のような構造では、梁の端部の応力を低減することが可能であるが、補強するためのテーパープレートを用意し接続する手間がかかってしまう問題がある。同様に、特許文献２のような構造でも、補強するためにスカラップを溶接などにより充填するための手間がかかってしまう問題がある。
【００１０】
一方、Ｈ形断面梁を接合する柱として、角形鋼管等の冷間コラム、溶接組立箱形断面等の箱形断面柱を用いる場合において、スカラップ底の歪み集中の程度は、梁ウェブ接合部の応力伝達効率に依存することが知られている。
すなわち、箱形断面柱の板厚が薄い場合には、梁ウェブ接合部において箱形断面柱の周壁（以下、スキンプレートという場合がある。）が面外変形を生じ易いため、梁ウェブ接合部は梁ウェブの応力をスキンプレートに伝達し難くなり、このためにスカラップ底に歪みが集中し易くなって、梁端接合部の早期破断を招くおそれがある。
梁端接合部の早期破断を防止するためには、スカラップ形状を見直すとともに、箱形断面柱のスキンプレートの板厚を厚くすることで梁ウェブ接合部においてスキンプレートの面外変形を生じ難くし、梁ウェブの応力をスキンプレートに伝達し易くする必要がある。
しかし、箱形断面柱のスキンプレートの板厚を厚くし過ぎると、鉄骨重量が大きくなり経済性を損なう他、箱形断面柱を形成する柱材とダイアフラム、あるいは柱材どうしの溶接に欠陥が生じ易くなるなど、梁端接合部の早期破断以外の問題を生じさせる可能性がある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、スカラップ底へのき裂の発生を抑制して、Ｈ形断面梁の下フランジの破断を防止することで、梁端接合部の早期破断を回避できる梁端接合部を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明に係る梁端接合部は、箱形断面柱にＨ形断面梁の梁端が溶接接合された梁端接合部であって、
前記Ｈ形断面梁のウェブの端部にスカラップが設けられており、
前記スカラップは、
前記Ｈ形断面梁の下フランジ側に位置する第一の開口端と、
前記第一の開口端と相反する側に位置する第二の開口端と、
前記第一の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第一の開口縁部と、
前記第二の開口端から、前記ウェブの端部から離れる向きに延びる第二の開口縁部と、
前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する第三の開口縁部とを有し、
前記第一の開口縁部は、前記ウェブと前記下フランジとが交差する部分に設けられた連結部における前記ウェブ側の止端部と交差するように、円弧状に形成され、前記第一の開口端側の一端で、その接線が前記下フランジの内側の面と平行となる第一の円弧部を有し、
前記第三の開口縁部は、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する円弧状に形成された第二の円弧部を有し、
前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径より大きくなっており、
前記Ｈ形断面梁の梁端の前記ウェブと前記箱形断面柱との接合部である梁ウェブ接合部の応力伝達効率をαｗとすると、下記（１）式を満たすことを特徴とする。
【数１】
2020133218.tif 000003
但し、ｗＭｐは前記Ｈ形断面梁のウェブの全塑性曲げ耐力、ｓＭｕは前記箱形断面柱の面外降伏の影響を考慮した前記Ｈ形断面梁のウェブの最大曲げ耐力である。
【００１３】
ここで、前記Ｈ形断面梁のウェブ（以下、梁ウェブという場合がある。）の全塑性曲げ耐力ｗＭｐは下記（２）式で表すことができる。
【数２】
2020133218.tif 000004
但し、ｔｂｗは梁ウェブの厚み、ｄは梁ウェブの高さ、Ｆwは梁ウェブの降伏強さを表す。
【００１４】
また、箱形断面柱の面外降伏の影響を考慮した前記梁ウェブの最大曲げ耐力は下記（３）式で表すことができる。
【数３】
2020133218.tif 000005
但し、ｔｃは箱形断面柱のスキンプレートの厚み、ｂｊは箱形断面柱の降伏領域の幅、ｄｊは箱形断面柱の塑性領域の高さで、柱の水平補剛材（例えばダイアフラム等）の内法間距離、Ｆcは角形断面柱の降伏強さ、Ｈwはスカラップなどによる欠損を考慮した梁ウェブの高さを表す。
【００１５】
ここで、応力伝達効率αｗ≧０．４８としたのは、αｗが０．４８未満であると、梁ウェブの厚さが厚くなるあるいは、箱形断面柱のスキンプレートの厚さが薄くなる傾向にあるため、梁ウェブ接合部において箱形断面柱のスキンプレートが面外変形を生じ易くなって、梁ウェブが梁端の曲げモーメントを負担できなくなり、スカラップ底に歪みが集中し易くなって、梁端接合部の早期破断を招くおそれがあるからである。
また、αｗの上限値は特に定めるものではなく、適宜設定することができる。αｗが大きいほどスカラップ底の歪みが抑えられるが、一方でαｗを大きくするために箱形断面柱のスキンプレートを厚くし過ぎると、鉄骨重量が大きくなり経済性を損なう他、箱形断面柱を形成する柱材とダイアフラム、あるいは柱材どうしの溶接に欠陥が生じ易くなるなど、梁端接合部の早期破断以外の問題を生じさせる可能性があるため、このような問題を生じさせないように、下記（４）式を満たすようにｔｃの板厚を留めることが望ましい。
【数４】
2020133218.tif 000006
【００１６】
なお、本発明は、スカラップ底の歪みの集中を緩和することを目的の一つとするものであるから、当然、スカラップはウェブの端部において、上フランジ側に設けてもよい。
【００１７】
本発明においては、前記第一の開口縁部と前記第二の開口縁部とを接続する前記第三の開口縁部における前記第二の円弧部の曲率半径に対して、前記下フランジ側に位置する前記第一の開口縁部における前記第一の円弧部の曲率半径を大きくすることで、前記スカラップの周辺において、前記ウェブのせん断変形を起こし易くすることができる。これにより、前記スカラップ底への歪みの集中を緩和することが可能であり、前記スカラップ底にき裂が発生することを抑制することができる。ここで、本発明におけるスカラップ底とは、第一の円弧部における第一の開口端側の一端の近傍を意味する。さらに、前記第一の開口縁部が、前記連結部の前記ウェブ側の止端部と交差するように円弧状に形成されていることで、断面Ｈ形形状の幅方向の厚みが相対的に小さい前記連結部の前記ウェブ側の止端部において意図的にき裂を発生させることができる。このき裂は、前記フランジの外面方向に進展することなく、前記フランジと比較して引張応力が小さい前記連結部の前記ウェブ側の止端部に沿って軸方向に安定的に進展するため、前記下フランジが破断して鉄骨建物の耐震性能を損なうことを防止することができる。
【００１８】
また、梁ウェブ接合部の応力伝達効率αｗが大きい程、スキンプレートの面外変形が抑制される。言い換えれば、梁ウェブ接合部の応力伝達効率αｗが大きい程、梁ウェブ接合部においてスキンプレートの面外変形が生じ難くなって梁ウェブの梁端が負担する曲げモーメントを梁ウェブでより安定的に負担できるため、スカラップ底に歪みが集中し難くなる。すなわち、梁ウェブの応力伝達効率αｗが大きい程、スカラップ底を起点とした梁端接合部の早期破断の危険性が低下する。
そこで、梁ウェブの応力伝達効率αｗをどの程度大きくすれば、スカラップ底部からのき裂発生を回避でき、梁端接合部の早期破断を回避できるかを、実大の梁端破断実験を行なう（なお、この梁端破断実験については、後述する実験例において説明する。）ことで、梁端接合部の早期破断を回避できる梁ウェブ接合部の応力伝達効率αｗの下限値を見出した。この下限値が０．４８である。
したがって、前記（２）式において、梁ウェブの厚みｔｂｗ、梁ウェブの高さｄ、梁ウェブの降伏強さＦｗを適宜設定し、前記（３）式において、箱形断面柱のスキンプレートの厚みｔｃ、スキンプレートの幅ｂｊ、箱形断面柱の塑性領域の高さｄｊ、箱形断面柱の降伏強さＦｃ、スカラップなどによる欠損を考慮した梁ウェブの高さＨｗを適宜設定して、αｗ＝ｓＭｕ／ｗＭｐ≧０．４８とすることによって、梁端接合部の早期破断を回避できる。
【００１９】
また、本発明の前記構成において、前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とは、前記第一の円弧部がなす円弧と前記第二の円弧部がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されていてもよい。
このような構成によれば、前記第一の円弧部と前記第二の円弧部とが連続的に接続されることで、前記スカラップ底への歪みの集中を一層緩和することができ、前記スカラップ底にき裂が発生することをより抑制することができる。
【００２０】
また、本発明の前記構成において、前記第一の開口縁部は、前記第一の開口端を含み直近の前記下フランジにおける内側の面に平行に配された直線部を有し、前記第一の円弧部の前記第一の開口端側の一端が前記直線部と接続されていてもよい。
このような構成によれば、前記下フランジと柱とを溶接するための十分なスペースを確保することができ、前記フランジと前記柱との溶接を安定的に行い、溶接欠陥を生じないようにすることができる。
【００２１】
また、本発明の前記構成において、前記第一の円弧部の曲率半径が前記第二の円弧部の曲率半径の２．５倍以上であってもよい。
このような構成によれば、スカラップの下フランジ側における歪みの集中を緩和して、スカラップからのき裂の発生を安定的に抑制することが可能となる。
【００２２】
また、前記第一の開口端と前記第二の開口端との下フランジ側から上フランジ側へ向かう方向の寸法である前記スカラップの大きさは、梁端接合部の耐力を安定的に確保するためになるべく小さくすることが望ましいが、前記フランジと前記柱との溶接の施工性の観点から、前記スカラップの前記下フランジ側から上フランジ側へ向かう方向の寸法は、１５ｍｍ以上としてもよい。
【００２３】
また、前記スカラップは通常ウェブの一部を切削によって切り欠くことによって形成されるが、円弧部の切削面を滑らかにしてき裂の発生を抑制するためには、切削加工上その曲率半径をなるべく大きくするのが好ましい。このため、第二の円弧部の曲率半径を６ｍｍ以上としてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、Ｈ形断面梁のウェブに形成されているスカラップ底へのき裂の発生を抑制して、Ｈ形断面梁の下フランジの破断を防止することで、梁端接合部の早期破断を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施形態の梁端接合部の概要を示す斜視図である。
【図２】図１におけるＡ部の詳細図である。
【図３】図１における切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。
【図４】実施形態の第一の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。
【図５】実施形態の第二の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。
【図６】実施形態の第三の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。
【図７】実施形態の第四の態様であるスカラップの詳細を示す側面図である。
【図８】実施例で用いた解析モデルの全体を示すモデル図である。
【図９】撓み角を説明するための説明図である。
【図１０】解析モデルＮＯ．１２における相当塑性歪み分布を示す分布図である。
【図１１】解析モデルＮＯ．４５における相当塑性歪み分布を示す分布図である。
【図１２】解析モデルＮＯ．１２における塑性せん断歪み分布を示す分布図である。
【図１３】解析モデルＮＯ．２４おける塑性せん断歪み分布を示す分布図である。
【図１４】解析結果に基づく第二の円弧部の曲率半径に対する第一の円弧部の曲率半径の比と、最大相当塑性歪みとの関係を示すグラフである。
【図１５】実験例におけるスカラップの形状を示す側面図であり、（ａ）および（ｂ）は従来型のスカラップの形状の側面図、（ｃ）は本発明に係るスカラップの形状の側面図である。
【図１６】実験例における載荷試験装置の構成を示す側面図である。
【図１７】実験例における、破断寿命と塑性率（片振幅）との関係を示すグラフである。
【図１８】実験例における、梁ウェブの応力伝達効率と破断寿命との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施形態について説明する。
図１は、箱形断面柱１１０（以下、柱１１０と略称する場合もある。）にＨ形断面梁１（以下、梁１と略称する場合もある。）の梁端が溶接接合された梁端接合部１００を示す斜視図、図２は図１におけるＡ円部の拡大図である。
梁端接合部１００は、例えば建設現場において溶接接合されることにより形成されるものであり、柱１１０と、この柱１１０に接続される梁１とを備えている。
柱１１０は、鋼材からなり箱形状に形成された複数の柱材１１１と、梁１が接続される柱梁接合部１１０ａとを軸方向に連結して構成されている。なお、この実施形態においては、柱材１１１として角形鋼管を用いた例を示している。
柱梁接合部１１０ａは、柱材１１１Ａと、この柱材１１１Ａの上下両端側に設けられた、梁１との接続に用いられる一対のダイアフラム１１２，１１２とを備えている。なお、柱梁接合部１１０ａに用いられる柱材１１１Ａの高さ寸法は、一対のダイアフラム１１２，１１２の周縁と、接続対象の梁１における後述する一対のフランジ２０，２０の軸方向の端部とが向かい合う程度の大きさとなっている。
各ダイアフラム１１２は、略矩形状の板体状に形成されたいわゆる通しダイアフラムであり、柱梁接合部１１０ａを構成する柱材１１１Ａと、柱梁接合部１１０ａと高さ方向において隣り合う他の柱材１１１Ｂによって挟み込まれている。そして、各ダイアフラム１１２は、周縁部分が各柱材１１１Ａの周面１１１ａから外方（水平方向）に突出した状態で溶接等により柱梁接合部１１０ａおよび柱材１１１Ａと一体化されている。
なお、柱梁接合部については、本実施形態のような通しダイアフラム形式の構造に限定されず、例えば梁がダイアフラムを介さず柱に直接接続される構成でもよいし、柱がＨ形鋼で梁とは柱あるいはダイアフラムを介して接続される構成でもよい。
【００２７】
梁１は、通常Ｈ形断面梁によって形成されている。本実施形態において梁１は、溶接組立Ｈ形断面梁により形成されている。梁１は、全体として一方向（水平方向）に延びていて、ウェブ１０と、ウェブ１０の軸方向と直交する高さ方向の両端部（以下、ウェブ（１０）の軸方向と直交する高さ方向の端部を「縁」ということがある。）１０ｂ,１０ｂに接続された上下一対のフランジ２０，２０とを有する。
ウェブ１０は、ウェブ１０の軸方向と直交する方向、すなわちウェブ幅方向を梁１の高さ方向として、梁１の軸方向に延びている。一対のフランジ２０，２０は、梁１の軸方向に延びており、ウェブ１０の上下両端部、すなわちウェブ１０の両縁１０ｂ，１０ｂに接続されている。また、一対のフランジ２０，２０は、ウェブ１０の上下両端部において、それぞれウェブ１０からウェブ１０の厚さ方向に略直角に張出している。そして、梁１の軸線方向の端部が、柱１１０の周面に接続されている。なお、一対のフランジ２０，２０のうち、下側に位置するフランジ２０を下フランジ、上側に位置するフランジ２０を上フランジと称する。
ここで、本実施の形態においては、梁１において柱１１０と接続する軸方向の端部を軸端部（１ａ）と称し、梁の軸端部において、ウェブ１０およびフランジ２０が柱１１０と接続される部分をそれぞれ軸端（１０ａ、２０ａ）と称する。
【００２８】
本実施形態における溶接組立Ｈ形断面梁１では、図３に示すように、ウェブ１０と一対のフランジ２０，２０とが交差するそれぞれの部分に、溶接により形成された連結部３０が設けられている。すなわち、連結部３０は、溶接材または溶接材と母材とが溶融することにより形成されている。連結部３０は、ウェブ１０の両縁１０ｂ，１０ｂにおいて、ウェブ１０の両方のウェブ面１１、１１と、一対のフランジ２０，２０の互いに向かう内側の面である内面２１、２１との間にそれぞれ形成されている。言い換えれば、連結部３０は、ウェブ１０の各縁１０ｂ，１０ｂにおいてウェブ１０を挟み込むように各ウェブ面１１、１１に設けられている。
また、図３に示すように、本実施形態において連結部３０は、梁１の軸方向視した断面において、ウェブ１０のウェブ面１１と接続するウェブ止端部３１から、フランジ２０の内面２１と接続するフランジ止端部３２までを繋ぐ直線状の傾斜面を有する三角形状に形成されており、さらに本実施形態では断面二等辺三角形状に形成されている。連結部３０におけるウェブ１０のウェブ面１１およびフランジ２０の内面２１に沿う各辺の大きさ、すなわちフランジ２０の内面２１からウェブ止端部３１までの距離である高さ方向の（梁せい方向）脚長ｓｗ、および、ウェブ１０のウェブ面１１から直近のフランジ止端部３２までの距離である水平方向（フランジ幅方向）の脚長ｓｆとしては、例えば３〜３０ｍｍ程度である。
【００２９】
なお、連結部３０の断面は三角形状に限定されるものではない。ウェブ止端部３１からフランジ止端部３２まで円弧状の凹曲面で接続されてよく、ウェブ止端部３１およびフランジ止端部３２において当該凹曲面の接線がウェブ１０のウェブ面１１およびフランジ２０の内面２１に平行となるようにして接続されていてもよい。また、ウェブ止端部３１からフランジ止端部３２まで凸曲面で接続されていてもよい。
本実施形態では、上記のとおり連結部３０はウェブ１０とフランジ２０とを隅肉溶接を行うことにより形成されるものであり、連結部３０と、連結部３０近傍のウェブ１０およびフランジ２０との各部分によって溶接部が形成されている。
【００３０】
そして、当該梁１は、本実施形態のＨ形断面部材の端部接続構造２００により柱１１０に接続されている。すなわち、図１に示すように、本実施形態のＨ形断面部材の端部接続構造２００は、梁１のフランジ２０の軸端２０ａを柱１１０に溶接するフランジ溶接部４０と、梁１のウェブ１０の軸端１０ａを柱１１０に溶接するウェブ溶接部５０とを有する。また、フランジ溶接部４０の下面側には、このフランジ溶接部４０を形成する溶金が、フランジ２０の開先面４０ａと柱１１０との間から抜け落ちるのを防ぐ裏当金４５が設けられている。
また、本実施形態においては、フランジ２０の軸端２０ａは柱１１０のダイアフラム１１２に溶接されて、ウェブ１０の軸端１０ａは柱梁接合部１１０ａを形成する柱材１１１Ａの周面１１１ａに溶接されている。このようにして、箱形断面柱１１０にＨ形断面梁１の梁端が溶接接合されている。
【００３１】
また、梁１におけるウェブ１０の軸端１０ａにはスカラップ６０が設けられている。スカラップ６０は、ウェブ１０の軸端１０ａ側における一対のフランジ２０，２０側となる両縁１０ｂ、１０ｂ位置に、直近のフランジ２０の軸端２０ａ側およびウェブ１０の軸端１０ａ側の方向に向けて開口するように、かつウェブ１０の厚さ方向に貫通するようにそれぞれ設けられている。これにより、フランジ溶接部４０は、フランジ２０の幅方向一方の端部から、スカラップ６０を通してウェブ１０を横切って幅方向他方の端部まで形成されている。また、ウェブ溶接部５０は、ウェブ１０の両縁１０ｂ，１０ｂに設けられたスカラップ６０まで形成されている。
【００３２】
図４に示すように、スカラップ６０は、上記のように、直近のフランジ２０の軸端２０ａ側および直近のウェブ１０の軸端１０ａ側の方向に開いた開口を有しているため、２つの開口端を含んでいる。すなわち、直近のフランジ２０側に位置する第一の開口端６０ａと、第一の開口端６０ａと相反する側、言い換えれば、一対のフランジ２０，２０で挟まれたウェブ１０のウェブ幅方向の中央側に位置する第二の開口端６０ｂとを含む。より具体的に、第一の開口端６０ａは、直近のフランジ２０の内面２１側の位置に、第二の開口端６０ｂはウェブ１０の軸端１０ａにそれぞれ形成されている。
【００３３】
また、スカラップ６０は、第一の開口縁部６１と、第二の開口縁部６２と、第三の開口縁部６３とを有している。第一の開口縁部６１は、第一の開口端６０ａを含み、第一の開口端６０ａから、梁１の軸方向における軸端部１ａから離れる方向に向かって延びている。第二の開口縁部６２は、第二の開口端６０ｂを含み、第二の開口端６０ｂから梁１の軸端部１ａから離れる向き、すなわち梁１の軸方向の中央に向かって延びている。第三の開口縁部６３は、第一の開口縁部６１と第二の開口縁部６２とを接続している。
【００３４】
具体的に、第一の開口縁部６１は、連結部３０におけるウェブ止端部３１と交差するようにして円弧状に形成された、第一の開口端６０ａ側の一端７１ａで接線が前記フランジ２０の内面２１と平行となる第一の円弧部７１を有する。
第二の開口縁部６２は、形状は特に限定されないが、本実施形態の場合は第二の開口端６０ｂから直線状に延びている。
また、第三の開口縁部６３は、第一の開口縁部６１から第二の開口縁部６２に向かって湾曲する円弧状に形成された第二の円弧部７２を有している。
ここで、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１は、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の２．５倍以上であることが望ましい。このように、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の２．５倍以上としたのは、スカラップ６０のフランジ２０側における歪みの集中を緩和して、スカラップ６０からのき裂の発生をより安定的に抑制することが可能となるためである。
【００３５】
なお、第一の開口縁部６１、第二の開口縁部６２および第三の開口縁部６３によって構成されるスカラップ６０において、一対のフランジ２０，２０が互いに離間する方向（梁１の高さ方向）におけるスカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈは、梁端接合部１００の耐力を安定的に確保するためになるべく小さくすることが望ましいが、フランジ２０と柱１１０との溶接の施工性の観点から、スカラップ６０の下フランジ２０側から上フランジ２０側へ向かう方向の寸法は、１５ｍｍ以上とすることが望ましい。さらに、スカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈは、ウェブ１０でもモーメントをより効率よく伝達させて、スカラップ６０のフランジ２０側の歪みの集中をさらに緩和させるため、３５ｍｍ以下であるものとしてもよい。
また、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２は、スカラップの形成の際にカッターにより切削することを考慮し、作業性を確保するためも６ｍｍ以上であるものとしてもよい。
【００３６】
以下、スカラップ６０のより詳細な態様について説明する。
図４は第一の態様のスカラップ６０を示している。図４に示すように、第一の態様のスカラップ６０において、第一の開口縁部６１は、直近のフランジ２０側の位置に配設されていて、第一の開口端６０ａを含む第一の直線部７３と、第一の直線部７３に接続された第一の円弧部７１とを有する。
第一の直線部７３は、直近のフランジ２０の内面２１において、スカラップ６０によりウェブ１０が切り欠かれた部分に相当するもので、本態様においては、直近のフランジ２０の内面２１に含まれている。また、第一の開口端６０ａは、直近のフランジ２０の軸端２０ａに設けられていて、さらに具体的には、柱１１０と溶接されるフランジ溶接部４０を形成する際に用いられる開先面４０ａにおけるウェブ１０側の端部がこの第一の開口端６０ａとなっている。
第一の円弧部７１は、第一の直線部７３と接続する位置における接線がフランジ２０の内面２１と平行であり、かつ梁１の軸端部１ａから離れるに従って、次第にフランジ２０から離れる方向に湾曲する凹曲線状に形成されている。この第一の円弧部７１は、第一の直線部７３と接続されて連結部３０を横断する連結横断部７１ｃと、連結横断部７１ｃにおける直近のフランジ２０とは反対側の一端部からウェブ１０のウェブ面１１に沿って形成されるウェブ形成部７１ｄとを有する。
【００３７】
一方、第二の開口縁部６２は、第二の開口端６０ｂを含む直線状に形成され、梁１の軸方向に沿って延びている第二の直線部７４を有している。
また、第三の開口縁部６３は、第二の円弧部７２を有していて、第二の円弧部７２の一端７２ａは、第一の開口縁部６１の第一の円弧部７１と接続されているとともに、他端７２ｂは第二の開口縁部６２の第二の直線部７４と接続されている。
ここで、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とは、第一の円弧部７１がなす円弧と第二の円弧部７２がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されている。また、第二の円弧部７２と第二の直線部７４との接続部分では、第二の円弧部７２をなす円弧の接線と第二の直線部７４とが一致している。これにより、第一の開口縁部６１、第二の開口縁部６２及び第三の開口縁部６３で構成されるスカラップ６０の縁部の形状は連続的になっている。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈは第一の直線部７３と第二の直線部７４との離間距離によって定まる。
【００３８】
また、図５は第二の態様のスカラップ６０Ａを示している。なお、第一態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図５に示すように、第二の態様のスカラップ６０Ａにおいて第一の開口縁部６１は、第一の態様における第一の直線部７３に相当する部分を備えず、第一の円弧部７１における直近のフランジ２０側の一端７１ａが第一の開口端６０ａとなっている。第一の開口端６０ａとなる第一の円弧部７１の一端７１ａは、フランジ２０の内面２１上に位置しており、当該一端７１ａにおける接線がフランジ２０の内面２１に平行である。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈは、第一の円弧部７１の一端７１ａと第二の直線部７４との離間距離によって定まる。
【００３９】
また、図６は第三の態様のスカラップ６０Ｂを示している。同様に、第一態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図６に示すように、本態様においては、フランジ溶接部４０を形成する際に用いられる開先面４０ａが、上方に（厳密には上方に行くに従って次第に梁１の軸端部１ａから離れる方向）に立ち上がっていて、開先面４０ａの一端が、直近のフランジ２０の内面よりもウェブ幅方向中央側に位置している。そして、この開先面４０ａの一端が第一の開口端６０ａとなっている。
具体的に、スカラップ６０Ｂは、第一の開口縁部６１が、第一の開口端６０ａを含む第一の直線部７５と、第一の直線部７５と接続された第一の円弧部７１とを有していて、第一の直線部７５は、第一の開口端６０ａが直近のフランジ２０の内面よりもウェブ幅方向中央側に位置している分だけフランジ２０の内面２１から離間した状態で、フランジ２０の内面２１と平行に形成されている。
ここで、第一の直線部７５とフランジ２０の内面２１との距離で表わされるスカラップ離間距離Ｓｒｆは、少なくとも連結部３０のウェブ止端部３１からフランジ２０の内面２１までの距離である高さ方向の脚長高さｓｗよりも小さい。これにより、第一の直線部７５と接続されている第一の円弧部７１はウェブ止端部３１と交差している。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈは第一の直線部７５と第二の直線部７４との離間距離によって定まる。
【００４０】
また、図７は第四の態様のスカラップ６０Ｃを示している。なお、第三態様と同一の構成については同一の符号を付与した上で説明を省略する。
図７に示すように、第四の態様のスカラップ６０Ｃにおいて第一の開口縁部６１は、第三の態様における第一の直線部７５に相当する部分を備えず、第一の円弧部７１の一端７１ａが第一の開口端６０ａとなっている。第一の開口端６０ａとなる第一の円弧部７１の一端７１ａは、第三の態様と同様にフランジ２０の内面２１から離間していて、当該一端７１ａにおける接線はフランジ２０の内面２１に平行となっている。
ここで、第一の円弧部７１の一端７１ａとフランジ２０の内面２１との距離で表わされるスカラップ離間距離Ｓｒｆは、少なくとも連結部３０のウェブ止端部３１からフランジ２０の内面２１までの距離である高さ方向の脚長ｓｗよりも小さい。これにより、第一の直線部７３と接続されている第一の円弧部７１はウェブ止端部３１と交差している。
なお、本態様においてスカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈは、第一の円弧部７１の一端７１ａと第二の直線部７４との離間距離によって定まる。
【００４１】
なお、上記第一〜第四の態様において、第一の開口縁部６１の第一の円弧部７１と第三の開口縁部６３の第二の円弧部７２とは、第一の円弧部７１がなす円弧と第二の円弧部７２がなす円弧とが共通の接線となる部分において接続されているものとした。しかしながら、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが、共通の接線となる部分において接続されない、すなわち境界となる角が形成された状態で接続されていてもよい。また、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２との間に直線部を設けて、これらの第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが間接的に接続される構成であってもよい。
さらに、第二の開口縁部６２については、本実施形態においては直線部であるとしたが、任意の形状とすることができ、例えば円弧状に形成されていてもよい。
【００４２】
上記のようなＨ形断面部材の端部接続構造２００では、第一の開口縁部６１と第二の開口縁部６２とを接続する第三の開口縁部６３における第二の円弧部７２を設けるとともに、フランジ２０側に位置する第一の開口縁部６１における第一の円弧部７１を設けて、第一の円弧部７１を第二の円弧部７２の２．５倍以上大きい曲率半径しても良い。
これにより、スカラップ６０のフランジ２０側における歪みの集中を緩和し、スカラップ６０からのき裂の発生を抑制することができる。そして、このような第一の円弧部７１が連結部３０におけるウェブ止端部３１と交差するようにして形成されていることで、仮に延性き裂が発生したとしても、幅が相対的に狭く断面がウェブ１０から断面変化が生じるウェブ止端部３１近傍でき裂を発生させることができる。また、仮にウェブ１０側の止端部近傍で延性き裂が発生したとしても、発生したき裂を、フランジ２０に比較して引張応力が低いウェブ止端部３１に沿って軸方向に安定的にき裂を進展させることができる。したがって、本実施形態のようなＨ形断面部材の端部接続構造２００では、補強するために別の構成を設けなくても、スカラップから初期き裂が発生することを遅らせつつ、万一初期き裂が発生しても早期破断に至らないようにき裂を進展させることができ、より安全性の高い梁端接合部１００とすることができる。
【００４３】
また、スカラップ６０の高さ寸法を１５ｍｍ以上とすることで、フランジ２０と柱１１０との溶接の施工性を向上させることができる。
また、スカラップ６０の高さ寸法を３５ｍｍ以下とすることで、ウェブ１０でもモーメントをより効率よく伝達することができるため、柱１１０と梁１との接合部としての降伏曲げ耐力を向上させることができる。また、スカラップ６０の高さ寸法を低く抑えることによって、ウェブ１０でモーメントをより効率よく伝達することができるため、スカラップ６０のフランジ２０側の歪みの集中をさらに緩和させることができる。
さらに、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが共通の接線により接続されていることで、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とが凹凸なく滑らかに接続されるため、より一層歪みの集中を緩和することができ、き裂の発生をより安定的に抑制することができる。
また、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２を６ｍｍ以上とすることで、第二の円弧部７２における歪みの集中も緩和することができるとともに、スカラップをカッターによって容易に切削して成形することができる。
【００４４】
さらに、上記Ｈ形断面部材の端部接続構造２００は、上記の第三の態様のように、第一の開口縁部６１は、第一の開口端６０ａを有し前記フランジ２０の内面２１に平行に配された直線部７５を有し、第一の円弧部７１の一端７１ａがこの直線部７５と接続されているものとしてもよく、これにより、フランジ２０の軸端２０ａを溶接するための十分なスペースを確保することができ、フランジ２０と柱１１０との溶接を安定的に行い、溶接欠陥を生じないようにすることができる。
【００４５】
さらに、本実施形態においては、Ｈ形断面梁１の梁端１０ａのウェブ１０と箱形断面柱１１０との接合部である梁ウェブ接合部１２０の応力伝達効率をαｗとすると、下記（１）式を満たしている。
【数５】
2020133218.tif 000007
但し、ｗＭｐはＨ形断面梁１のウェブ（梁ウェブ）１０の全塑性曲げ耐力、ｓＭｕは箱形断面柱１１０（より具体的には、柱梁接合部１１０ａにおいて、Ｈ形断面梁１の梁端１０ａが接合された周壁（スキンプレート））の面外降伏の影響を考慮したＨ形断面梁１の梁ウェブ接合部１２０の最大曲げ耐力である。
【００４６】
ここで、梁ウェブ１０の全塑性曲げ耐力ｗＭｐは下記（２）式で表すことができる。
【数６】
2020133218.tif 000008
但し、ｔｂｗは梁ウェブ１０の厚み、ｄは梁ウェブ１０の高さ、Ｆwは梁ウェブ１０の降伏強さを表す。
なお、（２）式は、梁ウェブ全断面の塑性断面係数に梁ウェブの降伏強さを乗じることから求めることができる。
【００４７】
また、箱形断面柱１１０における柱梁接合部１１０ａのスキンプレートの面外降伏の影響を考慮したＨ形断面梁１の梁ウェブ接合部１２０の最大曲げ耐力ｓＭｕは下記（３）式で表すことができる。
【数７】
2020133218.tif 000009
但し、ｔｃは箱形断面柱１１０（本実施形態では柱梁接合部１１０ａの柱材１１１Ａ）のスキンプレートの厚み、ｂｊは箱形断面柱１１０の降伏領域の幅、ｄｊは箱形断面柱１１０（本実施形態では柱梁接合部１１０ａの柱材１１１Ａ）の塑性領域の高さ、Ｆcは箱形断面柱（本実施形態では柱梁接合部１１０ａの柱材１１１Ａ）の降伏強さ、Ｈwはスカラップなどによる欠損を考慮した梁ウェブ１０の高さを表す。
ここで、箱形断面柱１１０の塑性領域の高さｄｊは、箱形断面柱１１０の水平補剛材（本実施形態では柱梁接合部１１０ａのダイアフラム１１２）の内法間距離である。
なお、（３）式は、「日本建築学会：鋼構造接合部設計指針  第３版  ２０１７年２月」に記載されている式から求めることができる。
【００４８】
前記（１）式で表される梁ウェブ接合部の応力伝達効率αｗは、その値が大きい程、スキンプレートの面外変形が抑制されていることを表す。したがって、梁ウェブ接合部１２０の応力伝達効率αｗが大きい程、梁ウェブ接合部１２０においてスキンプレートの面外変形が生じ難くなり、Ｈ形断面梁１の梁ウェブ１０が負担する曲げモーメントを梁ウェブ１０が安定的に伝達され易くなるため、スカラップ底に歪みが集中し難くなる。すなわち、梁ウェブ接合部１２０の応力伝達効率αｗが大きい程、スカラップ底を起点とした梁端接合部の早期破断の危険性が低下する。
そこで、梁ウェブ接合部１２０の応力伝達効率αｗをどの程度大きくすれば、梁端接合部の早期破断を回避できるかを、後述する実大の梁端破断実験を行なうことで、梁端接合部の早期破断を回避できる梁端接合部の応力伝達効率αｗの下限値を見出した。この下限値が０．４８である。
【００４９】
したがって、前記（２）式において、梁ウェブの厚みｔｂｗ、梁ウェブの高さｄ、梁ウェブの降伏強さＦｗを適宜設定し、前記（３）式において、箱形断面柱のスキンプレートの厚みｔｃ、箱形断面柱の降伏領域の幅ｂｊ、箱形断面柱の塑性領域の高さｄｊ、箱形断面柱の降伏強さＦｃ、スカラップなどによる欠損を考慮した梁ウェブ高さＨｗを適宜設定して、αｗ＝ｓＭｕ／ｗＭｐ≧０．４８とすることによって、梁端接合部の早期破断を回避できる。
【実施例１】
【００５０】
本発明の効果を実証するため、上記実施形態のような梁端接合部１００の具体例について、数値解析を行った。
解析手法としては有限要素法を用い、解析ソフトとしてはＡＮＳＹＳ．Ｖｅｒ１６を用いた。図８は本実施例で解析を行う解析モデルとなる梁端接合部１００のモデルの全体を示している。図８に示すように、解析モデルは、片持ち梁形式とし、対称性を考慮して、梁１の幅方向に１／２モデルとした。解析モデルは、８節点６面体要素を使用した三次元ソリッド要素で作成した。柱１１０及び梁１に用いる鋼材の材料特性は、柱１１０及び梁１ともに同一材で同一の材料特性とし、ＳＮ４９０Ｂの材料試験結果から得られた応力−歪み曲線を複数の直線成分によってモデル化したものを用いた。
梁１として用いるＨ形断面梁の断面としては、図３に示すせいＤｂが７００ｍｍ、幅Ｂが２００ｍｍ、梁ウェブ１０の厚さｔｂｗが１６ｍｍ、フランジ２０の厚さｔｂｆが２２ｍｍのものを用いた。ここで、連結部３０の形状はフランジ２０の内面２１からウェブ止端部３１までの高さ方向の脚長ｓｗと、ウェブ１０のウェブ面１１からフランジ止端部３２までの水平方向の脚長ｓｆとは等しい二等辺三角形であり、ｓｗ＝ｓｆ＝１８ｍｍとした。また、柱１１０の周面から梁１の軸方向の端部までの長さＬｂを３５００ｍｍとした。なお、フランジ２０の軸端２０ａが溶接される柱１１０側のダイアフラム１１２の厚さｔｄ（図２参照）は３２ｍｍとした。また、図示しないが、柱１１０の外径Ｂｃは５００ｍｍ、柱１１０のスキンプレートの板厚ｔｃｆは１６ｍｍとした。
【００５１】
解析は、スカラップ６０の形状に関するパラメータを変化させて５３種類のモデルについて解析を行った。解析モデルとして用いたスカラップ６０の形状は図４〜図７に示すものが含まれる。なお、第二の開口縁部６２は第二の直線部７４のみで構成されており、第一の円弧部７１と第二の円弧部７２とは共通する接線で連続的に接続されている。スカラップ６０の形状に関するパラメータとしては、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）と、第一の直線部７３（７５）の長さＬと、スカラップ離間距離Ｓｒｆ（ｍｍ）と、スカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈとがある。第一の円弧部７１において軸端部１ａから離間する側の他端７１ｂのフランジ２０の内面２１からの高さである円弧部終端高さＨｃは、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）と、スカラップ離間距離Ｓｒｆと、スカラップ６０の高さ寸法Ｓｒｈとにより幾何学的に定まるものである。表１、表２に各解析モデルのパラメータ値を示す。
【００５２】
【表１】
2020133218.tif 000010
【００５３】
【表２】
2020133218.tif 000011
【００５４】
表１、表２に示すように、ＮＯ．１〜２５では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍より大きくするとともに、第一の円弧部７１がウェブ止端部３１と交差、すなわち円弧部終端高さＨｃを高さ方向の脚長ｓｗ以上とした。
一方、ＮＯ．２６〜３９では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍より大きくするとともに、円弧部終端高さＨｃを高さ方向の脚長ｓｗ未満とした。
また、ＮＯ．４０〜４４では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍未満にするとともに、円弧部終端高さＨｃを高さ方向の脚長ｓｗ以上とした。
さらに、ＮＯ．４５〜５３では、上記パラメータを変化させつつ、第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１を第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２の１．０倍未満にするとともに、円弧部終端高さＨｃが高さ方向の脚長ｓｗ未満とした。
【００５５】
これら解析モデルに対して、梁１の軸方向の端部に荷重を加えて、梁１を変形させた。そして、図９に示すように、梁１の載荷点における回転角θ（変形前の梁１の軸線Ｌｂ０と変形後の梁１の軸線Ｌｂ１とがなす角度から梁端接合部における柱１１０の周面１１１ａの回転角成分φ（変形前の柱１１０の周面１１１ａの軸線Ｌｃ０と変形後の柱１１０の周面１１１ａの軸線Ｌｃ１とがなす角度）を減じた回転角）が、梁１の軸端部１ａにおいて全断面塑性化した時の回転角をθｐとし、この３倍の角度３・θｐとなるまで梁１を変形させた。そして、θ＝３・θｐにおける相当塑性歪み分布及び塑性せん断歪み分布を有限要素法により求めた。一例として、図１０にＮＯ．１２の相当塑性歪み分布を、図１１にＮＯ．４５の相当塑性歪み分布を示す。また、一例として、図１２にＮＯ．１２の塑性せん断歪み分布を、図１３にＮＯ．２４の塑性せん断歪み分布を示す。さらに、本有限要素法による解析結果に基づいて、スカラップ６０のスカラップ底における最大相当塑性歪みεｍａｘ（％）を求めた。表１、表２に、各解析モデルにおける最大相当塑性歪みεｍａｘを示す。また、第二の円弧部７２の曲率半径Ｒ２に対する第一の円弧部７１の曲率半径Ｒ１の比Ｒ１／Ｒ２と、対応する最大相当塑性歪みεｍａｘとの関係をプロットしたグラフを図１４に示す。なお、図中の三角のプロットはＮＯ．４５の結果を示し、その他のプロットはＮｏ．４５以外の解析結果を示す。また、横軸に平行な点線Ｐ１は、εｍａｘ＝２０％を示し、縦軸に平行な点線Ｑ１は比Ｒ１／Ｒ２＝１．０を示している。
【００５６】
表１、表２および図１４から、第二の円弧部７２の半径に対する第一の円弧部７１の半径の比Ｒ１／Ｒ２が大きくなることで、最大相当塑性歪みεｍａｘが小さくなる傾向にあることが分かる。とくに、Ｒ１／Ｒ２が１．０を超える解析ケースは、個々の解析パラメータの数値によらずεｍａｘは２０％程度以下の低値に留まっている。すなわち、Ｒ１／Ｒ２が１．０を超える場合には、Ｒ１／Ｒ２が１．０以下である場合に比べてスカラップ底への歪みの集中が緩和されている。なお、さらに安定してスカラップ底への歪みの集中を緩和するにはＲ１／Ｒ２をより大きくすることが望ましく、Ｈ型断面梁の靱性のばらつきなどを考慮すれば、Ｒ１／Ｒ２は２．５以上とすることが望ましい。図１０に示すように、Ｒ１／Ｒ２＞１．０である解析モデルでは、例えば図１０に示す解析モデルＮＯ．１２のように、スカラップ底における最大相当塑性歪みεｍａｘを抑制し、特に第一の円弧部７１において接線がフランジ２０の内面２１と平行となる一端７１ａ近傍における相当塑性歪みを抑制することができていることが認められる。すなわち、Ｒ１／Ｒ２＞１．０とすることで、ウェブ１０とフランジ２０との交差部分近傍でき裂が発生することを抑制することができる。このため、Ｒ１／Ｒ２＞１．０である解析モデルのような構造とすることで、極大地震時において第一の円弧部７１にき裂が発生することを抑制し、き裂がフランジ２０の外面２２（図３参照）に向かって進展することを抑制することができる。一方、比Ｒ１／Ｒ２≦１．０である解析モデルでは、図１１に示す従来型の形状を示す解析モデルＮＯ．４５のように、スカラップ底における最大相当塑性歪みεｍａｘが大きくなるとともに、特に第一の円弧部７１において接線がフランジ２０の内面２１と平行となる一端７１ａ近傍における相当塑性歪みを抑制することができていないことが認められる。
このように、ウェブ１０とフランジ２０との交差部分近傍でき裂が発生することを抑制することができない。このため、Ｒ１／Ｒ２≦１．０である解析モデルのような構造では、極大地震時において第一の円弧部７１にき裂が発生してしまい、き裂がフランジ２０の外面２２に向かって進展してしまうおそれがある。き裂がフランジ２０の外面２２に向かって進展すると、フランジ２０には高い引張応力が作用しているため、フランジの脆性破断を助長することとなる。
【００５７】
また、Ｈｃ≧ｓｗである解析モデルでは、図１２に示す解析モデルＮＯ．１２のように、連結部３０におけるウェブ止端部３１の近傍に沿った塑性せん断歪みの分布が梁１の材軸方向に向かって広く形成されており、その歪みの数値も高いことが分かる。すなわち、Ｈｃ≧ｓｗであることで第一の円弧部７１がウェブ止端部３１と交差するスカラップ６０の形状では、延性き裂はウェブ止端部３１近傍で発生し、発生したき裂は断面Ｈ形形状の幅方向の厚みが相対的に小さい前記連結部３０の前記ウェブ止端部３１に沿って軸方向に安定的に進展させることができる。すなわち、き裂がフランジ２０の外面２２へ向かうことによる破断を抑制することができ、さらに、き裂が発生する箇所を明確にして極大地震後のき裂の視認を容易とし、補修を速やかかつ容易に行うことも可能となる。一方、Ｈｃ＜ｓｗである解析モデルＮＯ．２４では、図１３に示すように第一の円弧部７１が前記連結部３０の前記ウェブ止端部３１と交差せず、第二の円弧部７２も連結部３０に含まれるため、スカラップから梁の軸方向に沿った塑性せん断歪みの分布は形成されない。したがって、き裂は第一の円弧部７１において発生する。このき裂は連結部３０の内部で進展するため、き裂の発生を発見しにくく、また、フランジ２０の外面２２に向かってき裂が進展しフランジの脆性破断を助長することになる。
【実験例】
【００５８】
次に、上述した実大の梁端破断実験について説明する。
実大ト字型部分架構試験体を用いた梁の正負交番による一定振幅の繰返し載荷実験を行い、梁断面やスカラップの形状が梁端接合部における破断までの繰返し回数（破断寿命）に及ぼす影響を確認した。なお、実大ト字型部分架構試験体とは、実大の梁を片持ち梁として、柱に接合した試験体のことを言う。
【００５９】
試験体一覧を表３に示す。試験体は、αｗとスカラップ形状をパラメータとしたト字形の形状の試験体であり、ＬＢ１６Ａ、ＬＢ１６Ｆ，ＴＭ１６Ｎ、ＴＭ０９Ｎ、ＫＢ１２Ｎは梁に溶接組立Ｈ形断面（ＢＨ）梁を、ＮＨ０９ＦおよびＫＨ１４Ｎは圧延Ｈ形鋼を用いた柱梁接合部の試験体である。また、ＬＢ１６Ａ、ＬＢ１６Ｆ、ＴＭ１６Ｎの梁は、断面形状および板厚を等しくしているが、スカラップ形状が異なる。ＮＨ０９Ｆ、ＴＭ０９ＮはそれぞれＬＢ１６Ｆ、ＴＭ１６Ｎに比してウェブの厚みが薄くなっている他は同じ断面形状および板厚である。
【００６０】
【表３】
2020133218.tif 000012
【００６１】
試験体のパラメータは、αｗとスカラップの形状である。スカラップの形状は、図１５に示す通り（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３種類とした。
（ａ）は、従来型のスカラップを有する梁ウェブを備えた柱梁接合部の一部を示す側面図である（表３中の「従来型」に相当）。すなわち、図１５（ａ）に示すように、コラム側に位置する直線部およびフランジ側に位置する円弧１とウェブ側に位置する円弧２の二つの円で構成された複合円型スカラップで、円弧１の曲率半径（ｒ１）は１０ｍｍであり、円弧２の曲率半径（ｒ２）は３５ｍｍである。また、スカラップの高さ寸法（Ｓｒｈ）は３５ｍｍ、開先とスカラップ底との距離（Ｌ）は１０ｍｍである。（ａ）のスカラップはＬＢ１６Ａで採用しており、ＬＢ１６Ａのフランジの内面からウェブ止端部までの距離である高さ方向の脚長（ｓｗ）は２２ｍｍである。
（ｂ）は、従来型のスカラップを有し、且つフィレットが残っている梁ウェブを備えた柱梁接合部の一部を示す側面図である（表３中の「フィレット残し」に相当）。すなわち、コラム側に位置する直線部およびフランジ側に位置する円弧１とウェブ側に位置する円弧２の二つの円で構成された複合円型スカラップで、円弧１の曲率半径（ｒ１）は１０ｍｍであり、円弧２の曲率半径（ｒ２）は３５ｍｍである。また、フィレットを６ｍｍ残している（図中の符号ｆはフィレットの高さ）。つまり、円弧１の止端がフランジの表面より６ｍｍだけウェブ側に食い込んでいる。なお、スカラップの高さ寸法（Ｓｒｈ）、開先とスカラップ底との距離（Ｌ）は前記（ａ）の構成と同じである。（ｂ）のスカラップはＬＢ１６Ｆ、ＮＨ０９Ｆで採用しており、それぞれのフランジの内面からウェブ止端部までの距離である高さ方向の脚長（ｓｗ）は２２ｍｍ、１８ｍｍである。
（ｃ）は、従来型を改良したスカラップ形状（本発明に係るスカラップ形状（ただし（１）式を満たすか否かは問わない）を有する梁ウェブを備えた柱梁接合部の一部を示す面図である（表３中の「改良型」に相当）。すなわち、コラム側に位置する直線部およびフランジ側に位置する円弧１とウェブ側に位置する円弧２の二つの円で構成された複合円型スカラップで、円弧１の曲率半径（ｒ１）は３５ｍｍであり、円弧２の曲率半径（ｒ２）は１０ｍｍである。また、フィレットを６ｍｍ残している。つまり、円弧１の止端がフランジの表面より６ｍｍだけウェブ側に食い込んでいる。なお、スカラップの高さ寸法（Ｓｒｈ）は３０ｍｍである。フランジの内面からウェブ止端部までの距離である高さ方向の脚長（ｓｗ）はＴＭ１６Ｎ、ＴＭ０９Ｎ、ＫＢ１２Ｎ、ＫＨ１４Ｎそれぞれ１９ｍｍ、１２ｍｍ、１７ｍｍ、１８ｍｍである。
【００６２】
図１６に示すように、試験体は、鉛直の柱に水平の梁の端部を結合した状態で、柱の上下端部を反力壁に固定し、梁先端にオイルジャッキを取り付けて載荷を行った。載荷履歴は、全塑性曲げ耐力時の梁端回転角の弾性成分θpを基準として、その約３倍の約３θpの振幅で制御した。
また、梁の横座屈を拘束するために、面外拘束治具を配置した。
【００６３】
実験結果
破断までの繰り返し回数Ｎｆ(破断寿命)を図１７および図１８に示す。
図１７において、横軸は破断寿命Ｎｆを、縦軸は塑性率μ（実験における載荷振幅の大きさ）を示す。
また、図１７において、「スカラップ無実験式」の実線は、下記（４）式の評価式によるもので梁ウェブにスカラップが形成されていない梁端接合部の過去の実験結果に基づいておおよそ下限の性能を示すものとして設定されているもので、この実線を上回る性能の梁端接合部は、スカラップの無い梁端接合部並の性能を有していると言える。
【００６４】
【数８】
2020133218.tif 000013
ここで、Ｃ＝７．０（スカラップ無の梁端接合部の実験式）、β＝１．０／３．０である。
【００６５】
図１７に示すように、試験体ＬＢ１６Ａの従来型のスカラップを有する梁は、応力伝達効率αｗが０．４７であり本発明の最小値の０．４８より小さく、１回の繰返し回数で梁端が破断したのが分かる。
また、試験体ＬＢ１６Ｆの、従来型のスカラップにおいてフィレット残しをしている梁は、応力伝達効率αｗが０．４５であり本発明の最小値の０．４８より小さく、４回の繰返し回数で梁端が破断しており、試験体ＬＢ１６Ａの梁より性能がよいのが分かるが、「スカラップ無実験式」を下回る。
また、試験体ＮＨ０９Ｆの、従来型のスカラップにおいてフィレット残しをしている梁は、応力伝達効率αｗが本発明の最小値の０．４８より十分に大きい０．６２であるが、１２回の繰返し回数で梁端が破断しており、試験体ＬＢ１６Ｆより性能がよいのが分かるが、「スカラップ無実験式」を下回る。
また、試験体ＴＭ１６Ｎの改良型のスカラップを有する梁は、応力伝達効率αｗが０．４６の梁であり、スカラップ底にき裂が発生し１１回の繰返し回数で梁端が破断しており、改良型のスカラップであっても、応力伝達効率αｗが本発明の最小値の０．４８を満たさない場合には「スカラップ無実験式」を下回る場合あることが分かる。
【００６６】
これに対して、試験体ＴＭ０９Ｎ、ＫＢ１２Ｎ、ＫＨ１４Ｎの改良型のスカラップを有する梁で、応力伝達効率αｗが０．４８以上の梁については、き裂がスカラップ底から発生せずにウェブ止端部に発生し、梁材軸方向に進展し、それぞれ３４回、２９回、２３回の繰返し回数で梁端接合部が破断しており、試験体ＬＢ１６Ａ、ＬＢ１６Ｆ、ＮＨ０９ＦおよびＴＭ１６Ｎの梁より性能がよく、「スカラップ無実験式」の実線を上回る性能であるため、スカラップの有る梁端接合部でも改良型のスカラップを採用することでスカラップの無い梁端接合部並の性能を有することが分かる。
【００６７】
また、図１８において、横軸は梁ウェブ接合部の応力伝達効率αｗ、縦軸は破断寿命Ｎｆを示す。ＬＢ１６Ａ、ＬＢ１６Ｆは制御した振幅が３．０４であり意図した３．００を上回り、ＮＨ０９Ｆは制御した振幅が２．９１であり３．００を下回っていたため、式（４）に基づいてμが３．００の振幅で制御した場合の破断寿命に補正している。具体的には試験体毎に実験結果に基づき（４）式より係数Ｃの値を定め、再び（４）式にそのＣの値とμ＝３．００を代入して破断寿命を求めている。
図１８図中の太い横実線は、目標とするスカラップ無の柱梁接合部の破断寿命を示し、例えば１２．７回程度である。目標とする破断寿命は（４）式の評価式にスカラップ無実験式の係数であるＣ＝７．０、および制御変形角の塑性率μ＝３．００を代入することによって算定した。
【００６８】
スカラップ形状が従来型である試験体ＬＢ１６Ａ（αｗ＝０．４７）、スカラップ形状がフィレット残し型である試験体ＬＢ１６Ｆ（αｗ＝０．４５）、試験体ＮＨ０９Ｆ（αｗ＝０．６２）、および、スカラップ形状が新型（本発明）である試験体ＴＭ１６Ｎ（αｗ＝０．４６）は目標性能を満たさないのに対し、スカラップの形状が新型（本発明）である試験体ＴＭ０９Ｎ（αｗ＝０．６２）、ＫＢ１２Ｎ（αｗ＝０．６０）、ＫＨ１４Ｎ（αｗ＝０．５５）は目標性能を満足した。
つまり、従来型のスカラップにおいてフィレット残しをしている試験体ＮＨ０９Ｆは、応力伝達効率αｗが０．６２で０．４８以上であっても、Ｒ１／Ｒ２≦１．０のスカラップ形状であるため目標性能を満たさない。一方で改良型のスカラップを採用し、αｗが０．４８以上である試験体については全て目標性能を満たしている。
また、新型のスカラップの試験体４体については、応力伝達効率αｗと破断寿命Ｎｆとに正の相関関係があることが確認できる。実験結果に基づく回帰直線を図１８図中の点線で示すが、この点線が改良型のスカラップの保有する性能を示す直線であり、この直線上の点が目標性能を上回っている限り、改良型の新型スカラップを採用した梁端接合部は目標性能を上回ることができると言える。そこで、点線と目標性能の実線が交差する点をαｗの下限値として０．４８と設定した。
【００６９】
また、式３から柱の面外降伏の影響を考慮したＨ形断面梁のウェブの最大曲げ耐力ｓＭｕはウェブが全断面有効であるとみなした場合の下記（５）式が上限であることから、応力伝達効率αｗは下記（６）式の関係を必然的に満たすこととなる。
【００７０】
【数９】
2020133218.tif 000014
【００７１】
【数１０】
2020133218.tif 000015
【００７２】
以上、本発明の実施形態、実施例および実験例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態、実施例および実験例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【符号の説明】
【００７３】
１  Ｈ形断面梁（梁）
１ａ  軸端部
１０  ウェブ
２０  フランジ
３０  連結部
６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ  スカラップ
６０ａ  第一の開口端
６０ｂ  第二の開口端
６１  第一の開口縁部
６２  第二の開口縁部
６３  第三の開口縁部
７１  第一の円弧部
７２  第二の円弧部
７３  第一の直線部（直線部）
Ｒ１  第一の円弧部の曲率半径
Ｒ２  第二の円弧部の曲率半径
Ｓｒｈ  スカラップの高さ寸法
１００  梁端接合部
１１０  箱形断面柱（柱）
１２０  梁ウェブ接合部
２００  Ｈ形断面部材の端部接続構造
【図１】
2020133218.tif 000017
【図２】
2020133218.tif 000018
【図３】
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【図４】
2020133218.tif 000020
【図５】
2020133218.tif 000021
【図６】
2020133218.tif 000022
【図７】
2020133218.tif 000023
【図８】
2020133218.tif 000024
【図９】
2020133218.tif 000025
【図１０】
2020133218.tif 000026
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020133218.tif 000029
【図１４】
2020133218.tif 000030
【図１５】
2020133218.tif 000031
【図１６】
2020133218.tif 000032
【図１７】
2020133218.tif 000033
【図１８】
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