(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱に接合されるＨ形鋼梁であって、該Ｈ形鋼梁を構成する該Ｈ形鋼は圧延により一体的に成形されたものであり、前記Ｈ形鋼梁のウェブに貫通孔が形成されると共に、ウェブにおけるフランジとの接続部分に前記ウェブの梁せい方向中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を有し、前記ウェブの梁せい方向中央部の厚みtw1と前記ウェブ厚肉部の最大厚みtw2が1.0＜(tw2/tw1)＜2.0の関係を満たし、前記ウェブ厚肉部の梁せい方向の高さd2と梁せいDが(d2/D)＞0.21を満たすことを特徴とするＨ形鋼梁。
【請求項２】
前記ウェブ厚肉部の梁せい方向の高さd2と前記ウェブの梁せい方向中央部の厚みtw1がd2＞10・tw1を満たすことを特徴とする請求項１記載のＨ形鋼梁。
【請求項３】
貫通孔の内径φが、前記Ｈ形鋼梁の梁せいDの0.6倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＨ形鋼梁。
【請求項４】
前記Ｈ形鋼梁の梁せいDが400mm以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＨ形鋼梁。
【請求項５】
前記ウェブ厚肉部の軸方向に垂直な断面形状が、略四角形状または略台形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＨ形鋼梁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨造または鉄骨鉄筋コンクリート造の柱に接合されるＨ形鋼梁に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な鉄骨造建物は角形鋼管またはＨ形鋼の柱および梁を用いたラーメン架構からなり、これら鉄骨造の柱・梁接合部は、柱または梁のいずれか一方を通して他方のフランジおよびウェブを溶接により接合する。通常、柱梁接合部の設計は、建物全体の崩壊を防ぐ目的で、「梁の端部を、柱より早く塑性化させて、外力のエネルギーを吸収させる設計」いわゆる「梁崩壊メカニズムを形成させる設計」がとられている。
【０００３】
一方、近年は建築構造物の設備機能の複雑化が進んでいるが、同時に天井高さを抑えて空間を確保するために、例えば空調設備の配管などを通す貫通孔が柱梁接合部を構成するＨ形鋼梁のウェブ部分に設けられる場合が増えている。そのとき、貫通孔の断面欠損による断面耐力の低下が生じる。
前記のラーメン架構の設計は、梁の断面欠損を考慮して断面寸法を設計していないので、梁貫通孔を設けた場合には貫通孔周囲を補強をし、梁ウェブ耐力を回復させる必要が生じる。
このような貫通孔を設けた場合の梁ウェブ耐力の回復方法として、実開平５−５７１４９号公報（特許文献１）には、貫通孔の周囲に補強のための平板状の開口プレートを溶接又はボルト接合する技術が開示されている。
また、特開２００３−２３２１０５号公報（特許文献２）には、貫通孔にリング状の補強部材を嵌入し、その周囲を溶接によって固定する技術が開示されている。
【０００４】
他方、Ｈ形鋼のウェブに貫通孔を設けるものではないが、Ｈ形鋼の断面性能を改善するために、Ｈ形鋼のウェブに板厚増厚部を付加する技術が、例えば特開昭５６−１６０８０４号公報（特許文献３）や、特開平５−１９５５９８号公報（特許文献４）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平５−５７１４９号公報（図１、図２参照）
【特許文献２】特開２００３−２３２１０５号公報（請求項１、図１０参照）
【特許文献３】特開昭５６−１６０８０４号公報（第５頁、第６図）
【特許文献４】特開平５−１９５５９８号公報（第８頁、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２共に貫通孔の周囲を補強するために別部材を接合又は嵌入して接合するというものであり、別部材となる部品の製作加工や接合の手間がかかり、コスト増を招くという問題がある。特に溶接接合を行う場合には以下のような問題がある。
(1)溶接工程のための製作図の作成が必要となる。
(2)溶接の熟練技術が必要であり、技術の高低により品質が左右される。溶接欠陥や熱影響による鋼材の劣化といった梁の耐力および変形性能に深刻な影響を与える欠陥を発生させる可能性が高い。
(3)超音波探傷試験等による品質検査が必要となる。
【０００７】
一方、特許文献３に開示されたＨ形鋼は、主にクレーンガーダに用いられるものであり、ウェブ部の局部的な支圧耐力およびフランジ部とウェブ部の共働捩り剛性を高めるために、ウェブ部のフランジ部に接続される部分を所定幅にわたりウェブ中間部分に比して増厚するというものである。
また、特許文献４に開示されたＨ形鋼は建築・土木構造物等用のものであり、ウェブに板厚増厚部を付加することにより、梁材としての曲げ変形時の局部座屈特性を向上させている。
【０００８】
特許文献３、４に開示された発明は、ウェブ部に板厚増厚部を設ける目的が本願発明とは全く異なっており、本願発明が前提としているウェブ部に設備配管貫通用孔を設けることは想定されていない。それ故、増厚部分の仕様や、増厚部分と他の部位との関係等において、貫通孔を設けることは全く考慮されていない。
【０００９】
本発明は上記した特許文献１、２の有している問題点を解決するためになされたものであり、ウェブに貫通孔を有していても貫通孔の内周及び／又は周囲に補強部材を必要としない安価なＨ形鋼梁を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明に係るＨ形鋼梁は、柱に接合されるＨ形鋼梁であって、該Ｈ形鋼梁を構成する該Ｈ形鋼は圧延により一体的に成形されたものであり、前記Ｈ形鋼梁のウェブに貫通孔が形成されると共に、ウェブにおけるフランジとの接続部分に前記ウェブの梁せい方向中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を有し、前記ウェブの梁せい方向中央部の厚みtw1と前記ウェブ厚肉部の最大厚みtw2が1.0＜(tw2/tw1)＜2.0の関係を満たすことを特徴とするものである。
【００１１】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記ウェブ厚肉部の梁せい方向の高さd2と梁せいDが(d2/D)＞0.21を満たすことを特徴とするものである。
【００１２】
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記ウェブ厚肉部の梁せい方向の高さd2と前記ウェブの梁せい方向中央部の厚みtw1がd2＞10・tw1を満たすことを特徴とするものである。
【００１３】
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、貫通孔の内径φが、前記Ｈ形鋼梁の梁せいDの0.6倍以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記Ｈ形鋼梁の梁せいDが400mm以上であることを特徴とするものである。
【００１５】
（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記ウェブ厚肉部の軸方向に垂直な断面形状が、略四角形状または略台形状に形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、ウェブに貫通孔を設けると共に、ウェブにおけるフランジとの接続部分に前記ウェブの梁せい方向中央部の厚みよりも厚いウェブ厚肉部を設けているので、前記貫通孔の内側及び／又は周囲に補強部材を設ける必要がなく、それ故に補強のための加工に要する材料や手間が不要になり、コストを低減できる。また、ウェブの梁せい方向中央部の厚みtw1と前記ウェブ厚肉部の最大厚みtw2が1.0＜(tw2/tw1)＜2.0を満たすようにしているので、前記のように貫通孔の補強を別途必要とせず、かつウェブ厚肉部形成に起因するＨ形鋼梁の重量増を最小限に抑えることが可能となり、この点でも別途補強を必要とする場合に比較してコスト低減の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼梁の断面形状の説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼梁の各部を示す符号を説明するための説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼梁の各部を示す符号を説明するための説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態の数値限定の根拠を説明するための説明図であって、建築構造物の設計時の荷重を説明するものである。
【図５】本発明の一実施の形態の数値限定の根拠を説明するための説明図であって、設計荷重が作用したときに梁に生ずる曲げモーメント分布M(x)とせん断力分布Q(x)を示したものである。
【図６】本発明の一実施の形態の数値限定の根拠を説明するための説明図であって、試算に用いたＨ形鋼梁の形状等の説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態の数値限定の根拠を説明するための説明図であって、試算に用いたＨ形鋼梁の形状等の説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態の数値限定の根拠を説明するための説明図であって、所定条件を満たすtw2とφとの関係を図示したものである。
【図９】本発明の一実施の形態の数値限定の根拠を説明するための説明図であって、所定条件を満たすtw2とφとの関係を図示したものである。
【図１０】本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼梁の具体例の形状の説明図である。
【図１１】本発明に係るＨ形鋼梁の効果を確認するための有限要素法解析モデルの説明図である。
【図１２】本発明に係るＨ形鋼梁の効果を確認するための有限要素法解析結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼梁の断面形状の他の態様の説明図である。
【図１４】本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼の断面形状の他の態様の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一実施の形態に係るＨ形鋼梁１は、図１に示すように、梁部材となるＨ形鋼が圧延により一体的に成形されたものであり、Ｈ形鋼梁１のウェブ３に貫通孔７が形成されると共に、ウェブ３におけるフランジ５との接続部分に梁せい方向ウェブ中央部３ａの厚みよりも厚いウェブ厚肉部３ｂを有し（図１参照）、前記ウェブ３の梁せい方向中央部の厚みtw1と前記ウェブ厚肉部３ｂの最大厚みtw2が1.0＜(tw2/tw1)＜2.0を満たすことを特徴とするものである。
なお、本明細書において、ウェブ中央部３ａとは、ウェブ中央を含むウェブ厚肉部３ｂ以外の部分であってウェブ厚肉部３ｂに対して相対的に肉薄になっている部分を示している。
以下、本実施の形態に係る梁部材用のＨ形鋼梁１の詳細について説明する。
【００１９】
本実施形態では、Ｈ形鋼梁を中高層以上の建築物に用いる場合を想定しているので、梁せいが400mm以上のものが主となる。よって、例えば外法一定Ｈ形鋼について考えると、梁せいDは、400mm≦D≦1000mmとなる。もっとも、中高層よりも小規模な建築物に用いる梁を除外するものではなく、梁せいが400mm未満のものを排除する趣旨ではない。
【００２０】
本実施の形態のＨ形鋼梁１は、ウェブ中央部３ａの厚みtw1とウェブ厚肉部３ｂの最大厚みtw2の関係が、1.0＜(tw2/tw1)＜2.0になるように設定している。
以下、この理由について説明する。
【００２１】
まず、1.0＜(tw2/tw1)としているのは、ウェブ中央部３ａに対してウェブ３におけるフランジ接続部の肉厚を厚く設定するのが本発明の特徴であるから当然である。
【００２２】
次に、(tw2/tw1)＜2.0について説明する。
本実施の形態のＨ形鋼梁１には、ウェブ３に設備配管用の貫通孔７が設けられている。したがって、Ｈ形鋼梁１の断面形状が満たすべき条件は、ウェブ３に貫通孔７が設けられていても設計上想定される作用応力に対して貫通孔部が破壊されないことであり、そのための条件式は次式(1)で与えられる。
oMp≧M(x)  かつ  oQy≧Q(x)  ・・・・・・・          (1)
ここで、左辺のoMp， oQyは貫通孔部での保有耐力で、それぞれ曲げ耐力、せん断耐力である。
【００２３】
ここで、Ｈ形鋼梁１の各部の長さ、厚みを示す記号を図２に示すように、以下のように定義する。
B：フランジ幅
D：梁せい
d1：ウェブにおける薄肉部の高さ
d2：ウェブにおける厚肉部の高さ（片側）
tw1：ウェブ中央部の厚み
tw2：ウェブ厚肉部の厚み
tf：フランジ部の厚み
【００２４】
図３に示すように、貫通孔７は、その直径φとd1との関係において、φ≦d1の場合（図３（a））とφ＞d1の場合（図３（b））とがある。そこで、φ≦d1の場合とφ＞d1の場合のそれぞれの場合について貫通孔部での曲げ耐力oMp、せん断耐力oQyは次式で表される。
ただし、次式でMpは非貫通孔部での全塑性モーメント（後記する曲げ耐力；(5)式、(6)式中のMpと同義）、σyは降伏応力、βはせん断耐力に対する安全率（≦1.0）と定義する。
【００２５】
【数１】
0005558156.tif 000002
【００２６】
なお、貫通孔部以外の部位での全塑性モーメントMpは次式で表される。
【００２７】
【数２】
0005558156.tif 000003
【００２８】
(1)式における右辺のM(x)、Q(x)は設計用応力（必要耐力）で、それぞれ梁に生じる曲げモーメント、せん断力である。
建築構造物の設計においては、図４に示すように、地震力を想定した水平力Hと、建築物の自重や什器、人の重さなどを考慮した積載荷重wが作用した状態を想定し、部材断面を決定する。梁部材の貫通孔部では、作用する応力に対して破壊されないことが求められ、一般的に梁部材の貫通孔部の保有耐力（曲げモーメント、せん断力）の必要値は、水平力Hと積載荷重wが作用し、梁端が全塑性モーメントMpに安全率α（≧1.0）を乗じたαMpに達した状態を想定して求められる設計用応力（曲げモーメント、せん断力）を上回るという条件から求められる（(1)式）。
【００２９】
図５に、このときの梁に生じる曲げモーメント分布M(x)とせん断力分布Q(x)を図示する。ただし、図５中のxは図４に示すように梁端からの距離を表す。M(x)とQ(x)は図５を参照し、それぞれ次式で与えられる。
【００３０】
【数３】
0005558156.tif 000004
【００３１】
貫通孔７が梁材軸方向に複数設けられる場合、貫通孔７の位置ごとに設計用応力M(x)、Q(x)は異なるが、梁の設計ではその最大値に基づいて設計すればよい。
【００３２】
ここで、一例として、図６に示すようにスパンl=5.6m、l=7.2mの梁を対象とし、(1)式を満足するためのtw2とφとの関係を導出する。ただし、最も応力が厳しくなる貫通孔７は梁端よりx=max(D，0.15l)の位置にあるものとする。x=max(D，0.15l)とは、xがDと0.15lのうちの何れか大きい方であることを意味する。
ここでは、図７に示す各部の寸法は以下の寸法に設定した。なお、図７（a）は貫通孔７が設けられていない部位の断面であり、図７（b）は貫通孔７が設けられている部位の貫通孔７の中心断面である。
B＝250mm、tw1＝16mm、tf＝28mm
また、w=90N/mm、σy=325N/mm2、α=1.1、β=0.85と設定した。そして、d1/D=1/3、1/2、2/3のそれぞれについて試算し、その結果を図８（H-900x250）、図９（H-800x250）に示す。ただし、図８、図９でグレーのハッチをかけた領域が(1)式を満足するtw2とφとなる。
【００３３】
図８、図９より、貫通孔径φが梁せいDの半分〜6割程度（即ち、φ/D=0.5〜0.6程度）の場合、tw2はtw1の2倍程度あれば(1)式を満足し、設計用応力に対して貫通孔部で壊れないＨ形断面にすることが可能なことがわかる。
他方、tw2がtw1の2倍を超える場合、通常形状のＨ形断面部材を用いる場合に比べて鋼材重量の増加が大きく、ウェブ３に厚肉部を設けたＨ形鋼梁１を用いることによるコスト低減のメリットが出にくいと考えられる。
以上より、本発明で提案するＨ形鋼梁１ではtw2/tw1＜2.0として、(1)式を満足するよう断面形状、貫通孔位置を設定するのが好適である。
【００３４】
参考として、図１０に示す梁（スパンｌ＝7200mm、d1＝D/2、φ＝d1）を対象として、梁せいD=800mm、900mm、1000mmの各断面について、(1)式を満足するＨ形鋼梁１の形状を表１（D=800mm）、表２（D=900mm）、表３（D=1000mm）に示す。
【００３５】
【表１】
0005558156.tif 000005
【００３６】
【表２】
0005558156.tif 000006
【００３７】
【表３】
0005558156.tif 000007
【００３８】
なお、他のサイズのＨ形鋼梁についても、ウェブ中央部３ａの厚みtw1とウェブ厚肉部３ｂの厚みtw2との関係が、tw2/tw1＜2.0の条件であっても、設計上想定される作用応力に対して貫通孔部が破壊されないＨ形鋼の形状設定が可能であることを確認している。
【００３９】
以上のように、本実施の形態においては、ウェブ中央部３ａの厚みtw1とウェブ厚肉部３ｂの厚みtw2との関係が、tw2/tw1＜2.0の条件を満たすようにしたので、ウェブ３に貫通孔７を設けているにもかかわらず設計上想定される作用応力に対して貫通孔部が破壊されず、かつウェブ厚肉部３ｂを設けているにもかかわらず鋼材重量の増加を抑制して通常のＨ形鋼に貫通孔を設けて補強加工するのに比較してコスト低減のメリットを出すことができる。
【００４０】
また、本発明では、ウェブ厚肉部３ｂの高さ（片側）d2と梁せいDの関係が、(d2/D)＞0.21であることが好ましいとしている。
これは、本発明では、厚肉部の厚みtw2とウェブ中央部の厚みtw1をtw2/tw1＜2.0になるように規定しており、これは厚肉部がウェブ中央部３ａの厚みの2倍を超えないことを意味しており、厚みの差があまり大きくならないようにしている。そのため、設備用貫通孔７を設けた場合の耐力を保証する関係から、厚肉部の高さを所定長さ確保する必要がある。この所定長さについて梁せいDとの関係で検討したところ、ウェブ厚肉部３ｂの高さ（片側）d2は梁せいDの0.21倍超であることが好ましいとの知見が得られ、それを数式によって表現したものが、(d2/D)＞0.21である。
【００４１】
また、本発明では、ウェブ厚肉部３ｂの梁せい方向の高さd2とウェブ３の梁せい方向中央部の厚みtw1がd2＞10・tw1を満たすのが好ましいとしている。
この理由についても、上記と同様に、設備用貫通孔７を設けた場合の耐力を保証する関係から、厚肉部の高さを所定長さ確保する必要があり、この所定長さについてウェブ中央部３ａの厚みtw1との関係で検討したところ、ウェブ厚肉部３ｂの高さ（片側）d2はウェブ中央部３ａの厚みtw1の10倍超であることが好ましいとの知見が得られ、それを数式によって表現したものが、d2＞10・tw1である。
【００４２】
本発明の効果を有限要素法解析によって確認したので、これについて以下の実施例で説明する。
【実施例】
【００４３】
図１１は有限要素法解析の解析モデルの説明図である。梁の一端を固定端とし、梁先端に図１１に示した矢印方向に所定変位を加える。つまり、梁先端の鉛直方向に所定変位しては、次の所定変位を加えていく。
したがって、梁端部には、曲げとせん断力が作用することになる。
【００４４】
本実施例の梁のモデルは、Ｈ-600×200×11×17、長さ1200mm、SN490のＨ形鋼である。実施例１としては、ウェブの一部を増厚したＨ形鋼梁を用いたものであり、ウェブの厚肉部は片側で、長さを133mm（梁せいDに対して、0.22）とし、板厚をウェブ中央部３ａより10.5mmアップ（tw2＝1.95・tw1）した、矩形状である。
また、実施例２は、実施例１で用いたＨ形鋼梁に、φ300mm（梁せいの1/2）の貫通孔７（円孔）を設けたモデルである。円孔の中心は、固定端部から420mmの位置にある。
【００４５】
また、比較のために、比較例１として実施例１のＨ形鋼断面（Ｈ-600×200×11×17）で厚肉部及び貫通孔７の無い場合のモデルである。また、比較例２として比較例１と同じＨ形鋼（Ｈ-600×200×11×17）に実施例２と同径の貫通孔７を同位置に設けたモデルである。
【００４６】
図１２は本実施例の解析結果を示すグラフであり、縦軸は梁に加わる荷重（部材端モーメント（kN・m））、横軸は梁の鉛直変位（部材角(rad)）である。
図１２における比較例１（貫通孔無し）のグラフをみると、載荷により原点から弾性変形を開始し、降伏した後、極僅かに加工硬化しながら塑性変形が進んでいることが分かる。
一方、同じく図１２中に示した実施例１のグラフをみると、比較例１と比較してウェブ厚肉部３ｂの効果により、最大耐力が1割程度大きくなっているものの、断面形状を工夫していることから著しい耐力上昇は抑えられていることがわかる。耐力上昇を抑えているので、前述した「梁崩壊メカニズムを形成させる設計」をとることができる。
【００４７】
また、図１２中に示した実施例２のグラフを、比較例１と比較してみると、部材角で十分な変形能力といえる1/40（＝0.025）まで、比較例１と同様な挙動を示し、貫通孔補強を必要としないことがわかる。さらに、図１２中に示した比較例２と比較すると、実施例２は、貫通孔７の断面欠損による断面耐力の低下を補強し、著しい改善効果が現れていることが分かる。
【００４８】
以上の解析結果により、本実施例によれば、別途補強をせずとも貫通孔７の断面欠損による断面耐力の低下を防止できることが実証された。
以上のように本発明は、設備配管用の貫通孔７を設けているにも拘わらず貫通孔７の内側及び／又は周囲に補強部材を必要としない低廉な製造費用で強度上も無駄の無い経済的な建築用Ｈ形鋼梁を提供できる。
【００４９】
なお、上記の説明では、ウェブ厚肉部３ｂの形状として、ウェブ軸方向に垂直な断面形状が、略四角形状のものを示したが、図１３に示すように、ウェブ中央側からフランジ側に向った厚みが増すように形成され、ウェブ軸方向に垂直な断面が略台形状になるようにしてもよい。この場合には、上記の数式等で用いたウェブ厚肉部３ｂの厚みtw2としては最大厚みを用いるようにすればよい。
また、ウェブ厚肉部３ｂの形状の他の態様として、図１４（ａ）（ｂ）に示すようにウェブ中心軸に対して左右非対称であってもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１  Ｈ形鋼梁
３  ウェブ
３ａ  ウェブ中央部
３ｂ  ウェブ厚肉部
５  フランジ
７  貫通孔
【図１】
0005558156.tif 000008
【図２】
0005558156.tif 000009
【図３】
0005558156.tif 000010
【図６】
0005558156.tif 000011
【図７】
0005558156.tif 000012
【図１０】
0005558156.tif 000013
【図１１】
0005558156.tif 000014
【図１２】
0005558156.tif 000015
【図１３】
0005558156.tif 000016
【図１４】
0005558156.tif 000017
【図４】
0005558156.tif 000018
【図５】
0005558156.tif 000019
【図８】
0005558156.tif 000020
【図９】
0005558156.tif 000021