(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１形材を第２形材に直角に衝合したＴ字型の継ぎ手部を補強する補強部材であって、
第１形材に作用する荷重点を原点として継ぎ手部までの長さＬを、横軸（ｘ軸）にとり、
第１形材に作用する荷重Ｐによるモーメント（Ｍ0 ＝ＰＬ）を縦軸（ｙ軸）にとり、
前記荷重点から前記第１形材に沿って任意の長さをｘとし、
前記第１形材に働くモーメント分布を直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）とし、第１形材の塑性モーメント（Ｍp1＝Ｚp ×σy ）を直線（ｙ2 ＝Ｍp1）とし、
前記直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）と、前記直線（ｙ2 ＝Ｍp1）との交点のｘ軸座標をａとしたとき、補強部材が、
前記荷重点からの長さａの地点から第１形材に設けられるとともに、塑性モーメントＭP1の第１形材と塑性モーメントＭP2の補強部材との全塑性モーメントＭp3の分布ｙ3 が、
ａ≦ｘ≦Ｌの範囲で、ｙ3 ＝Ｐｘを満足する部分を含むように第２形材に渡って形成されたことを特徴とする形材継ぎ手部の補強部材。
【請求項２】
前記第１形材と前記第２形材は、中空のアルミ材であり、前記補強部材が板状のアルミ材であることを特徴とする請求項１記載の形材継手部の補強部材。
【請求項３】
第１形材を第２形材にＴ字型に接合した継ぎ手部を補強する補強部材の形状を決定する方法であって、
第１形材に作用する荷重点を原点として継ぎ手部までの長さＬを、横軸（ｘ軸）にとり、
第１形材に作用する荷重Ｐによるモーメント（Ｍ0 ＝ＰＬ）を縦軸（ｙ軸）にとり、
前記荷重点から前記第１形材に沿って任意の長さをｘとすると、
前記第１形材に働くモーメント分布を直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）とし、第１形材の全塑性モーメント（Ｍp1＝Ｚp ×σy ）を直線（ｙ2 ＝Ｍp1）とし、
前記直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）と、前記直線（ｙ2 ＝Ｍp1）との交点のｘ軸座標をａとし、前記第１形材上に補強部材を設ける基準位置ａを決める第１段階と、
塑性モーメントＭP2の補強部材と第１形材との全塑性モーメントＭp3の分布ｙ3 が、
ａ≦ｘ≦Ｌの範囲で、ｙ3 ＝Ｐｘを満足する曲線部を求める第２段階と、
ａ≦ｘ≦Ｌの範囲で、ｙ3 ≧Ｐｘを満足すると共に、前記曲線部に近接する範囲内で補強部材の形状を決める第３段階からなることを特徴とする補強部材の形状決定方法。
【請求項４】
前記第１形材と前記第２形材は、中空のアルミ材であり、前記補強部材が板状のアルミ材であることを特徴とする請求項３記載の形材継手部の補強部材の形状決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形材同士を溶接接合する際に、その溶接継手部の強度及び剛性を向上させるために使用する形材継ぎ手部の補強部材及びその形状決定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶接接合部の強度や剛性を高める技術としては、溶接接合した形材に補強部材を取り付ける方法や、溶接接合用ノードを用いる方法、或いは、溶接接合する形材の寸法を大きくする方法があるが、溶接接合用ノードを用いる方法は、製作コストに問題があり、溶接接合する形材の寸法を大きくする方法は、重量の増大とともにコストも問題となる。一方、溶接接合した形材に補強部材を取り付ける方法を用いると上述の欠点がなく、簡便で、実用的である。
【０００３】
この接合部に補強部材を取り付ける方法では、従来から補強部材として、三角形状の補強板が多く使用されており、その形状は、トライ・アンド・エラーでテストして最適な三角形状を決定したり、又は、経験的に定めたりしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の補強部材を取り付ける方法は、補強板の形状が三角形状であり、継手部を補強するのに余分な強度を有する部分があるため、補強板の重量が重くなったり、材料コストがかかるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、補強部材の形状を最適化することにより、軽量化及び材料コストダウンを図ることができる補強部材及びその形状決定方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、第１形材を第２形材に直角に衝合したＴ字型の継ぎ手部を補強する補強部材であって、第１形材に作用する荷重点を原点として継ぎ手部までの長さＬを、横軸（ｘ軸）にとり、第１形材に作用する荷重Ｐによるモーメント（Ｍ0 ＝ＰＬ）を縦軸（ｙ軸）にとり、前記荷重点から前記第１形材に沿って任意の長さをｘとし、前記第１形材に働くモーメント分布を直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）とし、第１形材の塑性モーメント（Ｍp1＝Ｚp ×σy ）を直線（ｙ2 ＝Ｍp1）とし、前記直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）と、前記直線（ｙ2 ＝Ｍp1）との交点のｘ軸座標をａとしたとき、補強部材が、前記荷重点からの長さａの地点から第１形材に設けられるとともに、塑性モーメントＭP1の第１形材と塑性モーメントＭP2の補強部材との全塑性モーメントＭp3の分布ｙ3 が、ａ≦ｘ≦Ｌの範囲で、ｙ3 ＝Ｐｘを満足する部分を含むように第２形材に渡って形成されたことを特徴とする。
【０００７】
図２に示すように、ｘ軸は、荷重点から第１形材に沿って任意の長さを表し、ｙ軸は、第１形材の荷重点からの長さ分に作用するモーメントを表す。第１形材に作用する荷重点を原点とし、荷重点から継ぎ手部までの長さをＬとすると、第１形材の荷重点に荷重Ｐをかけた場合、荷重Ｐにより第１形材に作用するモーメントＭ0 は、（Ｍ0 ＝ＰＬ）と表される。第１形材の任意の長さ分に働くモーメント分布ｙ1 は、直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）で表される。また、第１形材の塑性モーメントをＭp1とすると、Ｍp1は、直線（ｙ2 ＝Ｍp1）で表される。
【０００８】
第１形材の任意の長さ分に働くモーメント分布ｙ1 と、第１形材の塑性モーメント分布ｙ2 との交点のｘ座標をａとすると、この交点は、第１形材の任意の長さ分に働くモーメントＰｘが第１形材の塑性モーメントＭp1と等しくなるところを示す。即ち、直線ｙ1 と直線ｙ2 の交点は、第１形材の塑性モーメントＭp1が、第１形材の任意の長さ分に働くモーメントＰｘに耐えられる限界を示す。また、ｙ3 ＝Ｐｘを満足する部分は、図１に示す曲線部を示す。
【０００９】
ｙ3 ＝Ｐｘを満足する部分を含むとは、第１に、補強部材の形状が、図１に示す曲線部に沿って形成されている場合と、第２に、補強部材の形状が、図１に示す曲線部に沿って形成される部分を一部に含むように形成されている場合を意味する。但し、補強部材は、曲線部を下らないように形成されると共に、曲線部に沿って形成される部分以外の部分が、曲線部を大きく外れ過剰な補強部材とならないように形成される。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の第１形材と前記第２形材が、中空のアルミ材であり、前記補強部材が板状のアルミ材であることを特徴とする。
第１形材及び第２形材、補強板をアルミ材で形成することにより、補強構造の軽量化を図ることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、第１形材を第２形材にＴ字型に接合した継ぎ手部を補強する補強部材の形状を決定する方法であって、第１形材に作用する荷重点を原点として継ぎ手部までの長さＬを、横軸（ｘ軸）にとり、第１形材に作用する荷重Ｐによるモーメント（Ｍ0 ＝ＰＬ）を縦軸（ｙ軸）にとり、前記荷重点から前記第１形材に沿って任意の長さをｘとすると、前記第１形材に働くモーメント分布を直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）とし、第１形材の全塑性モーメント（Ｍp1＝Ｚp ×σy ）を直線（ｙ2 ＝Ｍp1）とし、前記直線（ｙ1 ＝Ｐｘ）と、前記直線（ｙ2 ＝Ｍp1）との交点のｘ軸座標をａとし、前記第１形材上に補強部材を設ける基準位置ａを決める第１段階と、塑性モーメントＭP2の補強部材と第１形材との全塑性モーメントＭp3の分布ｙ3 が、ａ≦ｘ≦Ｌの範囲で、ｙ3 ＝Ｐｘを満足する曲線部を求める第２段階と、ａ≦ｘ≦Ｌの範囲で、ｙ3 ≧Ｐｘを満足すると共に、前記曲線部に近接する範囲内で補強部材の形状を決める第３段階からなることを特徴とする。
【００１２】
曲線部に近接する範囲内とは、図１に示す斜線部分の外側から、補強板の高さと底辺で囲まれる四角形の範囲内を意味する。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の第１形材と前記第２形材が、中空のアルミ材であり、前記補強部材が板状のアルミ材であることを特徴とする。
第１形材及び第２形材、補強板をアルミ材で形成することにより、補強構造の軽量化を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、形材１と形材２の継手部に補強板３を設けた場合の概念図を示す。図２は、形材１の任意の長さ分に作用するモーメントや形材１の塑性モーメントを説明するグラフである。図３は、本発明の補強板の面積と、二等辺三角形の補強板の面積を比較する図である。
【００１５】
図１に示すように、長さＬの形材１は、水平方向に配置された形材２に対して直角に衝合されており、形材１と形材２は、Ｔ字型の構造をなしている。形材１及び形材２は、アルミ材で形成された中空状の四角柱である。この形材１に一定以上の荷重Ｐがかかっても、継手部に作用するモーメントに耐えられるように、継手部には、補強板３が設けられている。
【００１６】
この補強板３は、斜線部分に示すような形状で、荷重点からの長さがａになる位置を基準位置として設けられており、その高さはＬ2 である。また、補強部分の寸法は、高さがＬ−ａで、底辺がｂである。補強板は、補強部分の高さ（Ｌ−ａ）に応じて最低限必要な塑性モーメントが分布するように、曲線部を備えた形状に形成されている。即ち、図２に示すように、補強板と形材１の全塑性モーメントＭp3の分布ｙ3 が、形材１の任意の長さ分に働くモーメント分布ｙ1 と同等になるように補強板の外形が形成されている。このように、補強板３は、継手部を補強するのに最低限必要な強度及び剛性を有するように形成されており、過剰な補強部分が完全に取り除かれているため、軽量化が図られている。また、補強板３は、アルミ材で形成されており、さらに軽量化が図られている。
【００１７】
次に、本発明の補強板との比較のために、図１に示すように、二辺の長さがＬ3 の二等辺三角形の補強板を設けた場合を説明する。この二等辺三角形状の補強板を設けた場合の全塑性モーメントＭp4の分布をｙ4 とすると、図２に示すように、ｙ4 ＝Ａｘ2 ＋Ｂ＋Ｃと２次曲線で表され、本発明の補強板を設けた場合の全塑性モーメントＭp3よりも大きくなるため、継手部での強度や剛性は、本発明の補強板よりもこの二等辺三角形状の補強板の方が強い。しかし、この二等辺三角形の補強板の補強部分の面積と、本発明の補強板の補強部分の面積を比較すると、図３に示すように、二等辺三角形の補強部分の面積の方が、斜線部分の面積分だけ本発明の補強板の補強部分の面積よりも大きくなるため、その分だけ二等辺三角形状の補強部分は、本発明の補強板に比べて重量が重く、材料コストがかかる。また、形材１にかかる荷重が荷Ｐより小さい場合には、二等辺三角形状の補強板は、過剰な補強部分を備えることとなり、重量や材料コストの面で本発明の補強板に劣る。
【００１８】
次に、補強板の形状決定方法を説明する。
第１段階
図２に示すように、第１形材の任意の長さ分に働くモーメント分布ｙ1 と、第１形材の塑性モーメント分布ｙ2 との交点の座標を求める。ｙ1 とｙ2 の交点のｙ座標Ｍp1は、第１形材の塑性モーメントＭp1が第１形材の任意の長さ分に働くモーメントＰｘに耐えられる限界を示すため、交点のｘ座標ａを境にして、補強板を必要としない部分（０≦ｘ≦ａ）と、補強板を必要とする部分（ａ≦ｘ≦Ｌ）が明らかになるからである。このように、ｙ1 とｙ2 の交点を求めることにより、補強板を設ける基準位置が決定される。
【００１９】
第２段階
補強板を設ける基準位置が決定すると、補強板を必要とする部分（ａ≦ｘ≦Ｌ）に最低限必要とされる補強板と形材１の全塑性モーメントＭp3を求める。図２に示すように、補強板と形材１に最低限必要とされる全塑性モーメントＭp3は、Ｍp3＝Ｐｘとなる。荷重点からの長さがａ以上になると（ａ≦ｘ≦Ｌ）、第１形材の任意の長さ分に働くモーメント分布ｙ1 が第１形材の塑性モーメントＭp1を越えて直線的に増加するため、第１形材を補強するためには、全塑性モーメントＭp3の分布ｙ3 も第１形材の任意の長さ分に働くモーメント分布ｙ1 の増加に伴って増加させる必要があるからである。
【００２０】
尚、補強板を必要としない部分（０≦ｘ≦ａ）の全塑性モーメントＭp3は、形材１の塑性モーメントＭp1となる。第１形材の任意の長さ分に働くモーメントＰｘが、第１形材の塑性モーメントＭp1よりも小さいため、この範囲では（０≦ｘ≦ａ）、全塑性モーメントＭp3を第１形材の塑性モーメントＭp1より大きくする必要はないからである。
【００２１】
補強板に最低限必要な塑性モーメントＭp2を、全塑性モーメントＰｘから（Ｍp2＝Ｐｘ−Ｍp1）により求める。補強板の高さに応じて最低限必要な塑性モーメントが分布するように、補強板を形成すると、補強板の形状は、図１に示すように、曲線部を備えた形状となる。
【００２２】
次に、曲線部の軌跡を求める。曲線部の軌跡が求まると、図３に示すように、補強板の高さに応じて最低限必要な塑性モーメントの分布（限界曲線）が形状的にわかり、その限界曲線を上回る領域で補強板の形状を自由に決定できるからである。
【００２３】
次に、曲線部の軌跡を求める方法を説明する。曲線部の軌跡は、図１に示すように、基準位置ａから継手部に向かう程、補強板の幅が大きくなるように形成されるため、数１に示すように、補強板の幅ｂ(x) により表される。
【００２４】
【数１】
0003686779.tif 000002
【００２５】
このように、補強板の幅ｂ(x) は、補強板の任意の高さに応じて最低限必要とされる補強板の幅を示しているため、補強板の高さに応じて最低限その幅を備えるようにすれば、後は補強板の形状を簡単に自由に決定できる。
【００２６】
第３段階
図１及び図３に示すように、補強板の曲線部に近接する範囲内で補強板の形状を決定する。ここで、曲線部に近接する範囲（補強板の高さと底辺で囲まれる四角形の範囲）を越えて補強板の形状を決定すると、補強板の面積が大きくなり、その分だけ補強板の重量が増すため、材料コストがかかる。即ち、この補強板の重量を軽量化するには、過剰な補強部分を省くため、補強板の面積が四角形の範囲内に納まるように決定する。また、図１に示すように、補強板の外形を曲線部に沿った形状にすると、補強板から過剰な補強部分が完全に省かれるため、さらに補強板の重量を軽量化することができる。
【００２７】
以上の手順で補強板の最適形状を決定すると、第１形材の補強に最低限必要な塑性モーメントＭp2を備えると共に、重量を軽量化した補強板を容易に製造できる。
【００２８】
尚、補強板の幅ｂ(x) は、塑性断面係数Ｚp2から求められる。この塑性断面係数Ｚp2は、補強板に最低限必要な塑性モーメントＭp2から求められる。塑性モーメントＭp2は、（補強板の塑性断面係数Ｚp2×耐力σy ）と表せ、また、耐力σy は、補強板の材質に固有の定数であるため、塑性断面係数Ｚp2は、数２のようになる。
【００２９】
【数２】
0003686779.tif 000003
【００３０】
また、この塑性断面係数Ｚp2は、補強板の面積により変化する値であるため、数３のように表せる。
【００３１】
【数３】
0003686779.tif 000004
【００３２】
数２、３から、補強板の幅ｂ(x) は、数１のように表される。
【００３３】
実施例
図４に示すように、Ｔ字型の構造は、水平方向に配置された７００mmの形材に対して直角に３２５mmの形材を衝合して構成されている。本発明の補強板は、荷重点から２１０mmの地点を基準位置として設けられており、補強板の高さは、１９０mmである。また、この補強板の曲線部分は、１０Ｎの荷重をかけたときに耐えられる最低限の塑性モーメントが分布するように形成されており、図６に示す軌跡を描くように形成されている。以上の寸法で形成された補強板は、３２５mmの形材の矢印の方向に１０Ｎの荷重がかかっても、継手部に作用するモーメント４０００Ｎ・ｍに耐えられるようになっている。
【００３４】
比較例
本発明の補強板との比較のために、図５に示すように、二辺の長さが１９０mmの二等辺三角形状の補強部分を備えた補強板を設けた場合を説明する。Ｔ字型の構造は、水平方向に配置された７００mmの形材に対して直角に３２５mmの形材を接合して構成されている。この補強板は、荷重点から２１０mmの地点を基準として設けられている。
【００３５】
図６に示すように、二等辺三角形状の補強部分の底辺の長さ（１９０mm）は、本発明の補強部分の底辺の長さ（６５mm）に比べて長いため、荷重点からの長さ４００mmの地点（継手部）での全塑性モーメント１６ｋＮ・ｍは、本発明の補強板を設けた場合の全塑性モーメント４ｋＮ・ｍよりも大きくなる。しかし、全塑性モーメントは、４ｋＮ・ｍあれば、最低限度の強度及び剛性を有するので、二等辺三角形状の補強板の塑性モーメントの内１２ｋＮ・ｍは、過剰な補強となる。また、図６に示すように、本発明の補強部分の面積と、二等辺三角形状の補強部分の面積を比較すると、本発明の補強部分の方が、二等辺三角形状の補強部分の面積よりも小さいため、本発明の補強板は、二等辺三角形状の補強板に比べて重量が軽く、また材料コストがかからない。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、補強に最低限必要な強度を備えると共に、過剰な補強部分を省いて補強部材の軽量化及び材料コストダウンを実現できるという効果を奏する。
【００３７】
請求項３記載の発明は、形材に作用するモーメント分布と形材の塑性モーメントをグラフ化することにより、補強部材に最低限必要な強度を知ることができるため、そのような最低限必要な塑性モーメントを考慮することで、できるだけ過剰な補強部分を省きながら補強板の形状を自由に決定できる。即ち、補強部材の軽量化及び材料コストのダウンを図ると共に、補強板の形状決定に自由度を持たせることができるという効果を奏する。また、補強板が最も軽量になるように補強板の形状を決定できるという効果を奏する。
【００３８】
請求項２又は請求項４記載の発明は、請求項１又は請求項３記載の発明の効果に加えて、補強板をアルミ材で形成することにより、さらに補強板を軽量化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る補強部材を説明する図である。
【図２】本実施形態に係る形材１に作用するモーメントの分布、形材１の塑性モーメント、補強板と形材１の全塑性モーメントの分布を説明するグラフである。
【図３】本実施形態に係る補強板と、二等辺三角形状の補強板との面積を比較するグラフである。
【図４】本実施例に係る補強部材を説明する図である。
【図５】比較例の補強部材を説明する図である。
【図６】本実施例に係る補強部材の面積と、比較例の補強部材の面積を比較するグラフである。
【符号の説明】
１  形材（第１形材）
２  形材（第２形材）
３  補強板
Ｐ  荷重
Ｌ  形材１の長さ
Ｌ2   補強板の高さ
Ｌ3   二等辺三角形の高さ
【図１】
0003686779.tif 000005
【図２】
0003686779.tif 000006
【図３】
0003686779.tif 000007
【図４】
0003686779.tif 000008
【図５】
0003686779.tif 000009
【図６】
0003686779.tif 000010