(57)【要約】【課題】  外部から力を加えられた際に、柱溶接部における破断が先行することを回避し、塑性変形能力及び安全性に優れたノンダイアフラム型の柱梁接合構造体を提供すること。【解決手段】  柱と仕口用鋼管とは柱溶接部により接合され、前記仕口用鋼管は、前記柱の板厚以上となる板厚を備えた増厚部と、前記増厚部よりも小さい板厚を備えた減厚部と、を有し、前記減厚部と前記柱溶接部とは、以下の式（１）を満たすノンダイアフラム型の柱梁接合構造体。  ｐＺｐ×ｐσｙ≦ｃＺｐ×ｗσｙ      ・・・（１）ｐＺｐ：前記減厚部における仕口用鋼管の塑性断面係数（ｍｍ３）ｐσｙ：仕口用鋼管を形成する材料の降伏耐力（Ｎ／ｍｍ２）ｃＺｐ：前記柱の塑性断面係数（ｍｍ３）ｗσｙ：溶接材料の降伏耐力（Ｎ／ｍｍ２）【選択図】図１
2018184742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に分かれた柱と、前記柱の端面に接続される仕口用鋼管と、前記仕口用鋼管の側面に接合される梁と、を有するノンダイアフラム型の柱梁接合構造体であって、
前記柱と前記仕口用鋼管とは柱溶接部により接合され、
前記仕口用鋼管は、前記柱の板厚以上となる板厚を備えた増厚部と、前記増厚部よりも小さい板厚を備えた減厚部と、を有し、
前記減厚部と前記柱溶接部とは、以下の式（１）を満たすノンダイアフラム型の柱梁接合構造体。
ｐＺｐ×ｐσｙ≦ｃＺｐ×ｗσｙ      ・・・（１）
ｐＺｐ：前記減厚部における仕口用鋼管の塑性断面係数（ｍｍ３）
ｐσｙ：仕口用鋼管を形成する材料の降伏耐力（Ｎ／ｍｍ２）
ｃＺｐ：前記柱の塑性断面係数（ｍｍ３）
ｗσｙ：溶接材料の降伏耐力（Ｎ／ｍｍ２）
【請求項２】
前記減厚部は、仕口用鋼管と梁との接続部の上端部及び下端部から、柱軸方向にｂｃ／２以上離れた位置に設けられる請求項１に記載のノンダイアフラム型の柱梁接合構造体。
但し、ｂｃは、前記仕口用鋼管の縦断面における増厚部同士の距離とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外力が加わった場合における柱溶接部の破断を防止することのできるノンダイアフラム型の柱梁接合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイアフラム（例えば、外ダイアフラム、内ダイアフラム、及び通しダイアフラム等）を用いずに柱と梁とが接合された柱梁接合構造体（仕口構造体）として、ノンダイアフラム型の柱梁接合構造体（ノンダイアフラム仕口）が知られている。ノンダイアフラム仕口では、上下に分かれた柱と柱との間に仕口用鋼管を介在させ、仕口用鋼管の側面に梁を取り付ける。柱と仕口用鋼管、及び仕口用鋼管と梁とは、それぞれ溶接により接合される。
【０００３】
ノンダイアフラム仕口は、ダイアフラムを用いた仕口構造体に比べて、溶接線の低減によりコストを削減できたり、梁の取付自由度を拡大できたりするといった利点がある。一方、ノンダイアフラム仕口では、ダイアフラムを用いていないことから、梁のフランジ部が取り付く箇所において仕口用鋼管の管壁の面外変形に起因する局部変形が起こりやすいという問題がある。この局部変形に関しては、従来多くの研究が行われている。
【０００４】
非特許文献１では、降伏線理論から導いた局部変形の耐力式が提案され、実験で求めた耐力と耐力式を用いた計算結果とが良好に整合することが報告されている。本知見をもとに、非特許文献２では、梁が取り付く仕口用鋼管の板厚を柱の板厚よりも増厚することで、所要の耐力、剛性を実現したノンダイアフラム仕口が提案されている。これらの研究成果は、非特許文献３に反映され、現在、ノンダイアフラム仕口は広く利用可能な構造となっている。
【０００５】
上記のように、ノンダイアフラム仕口においては、仕口用鋼管の局部変形を抑えるために、仕口用鋼管の板厚を増厚することが広く行われている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】森田耕次、他：箱形断面柱−Ｈ形断面はり接合部のダイアフラム補強に関する研究、日本建築学会構造系論文報告集,p100-110, 1988
【非特許文献２】村上行夫、他：増厚補強型柱・梁接合部を用いた半剛接架構設計法に関する研究、鋼構造論文集、第１巻４号、１９９４．１２
【非特許文献３】日本建築学会、鋼構造接合部設計指針、２０１２．３
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２４２２９０
【特許文献２】特開２００７−１４６５６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方で、ノンダイアフラム仕口においては、柱と仕口用鋼管との間における柱溶接部における靭性や強度が、柱や仕口用鋼管の母材の靭性や強度と比較して劣る。よって、例えば図５に示すように（詳細については後述する）、ノンダイアフラム仕口において最初に柱が降伏するパターンの場合に、溶接部の降伏及び脆性破壊（破断）が先行し、仕口構造体の崩壊を招きやすいという問題があることが見出された。建築物は、外力を加えられた際に損傷は受けても崩壊しないことが重要であり、ノンダイアフラム仕口においても構造体の崩壊を防止することが求められる。
【０００９】
以下、ノンダイアフラム仕口における溶接部に関わる特許文献を概観する。
【００１０】
特許文献１では、梁フランジの取付に関して、裏当て金の形状を工夫することにより、健全な梁フランジ溶接部を得る方法が提案されている。しかし、特許文献１では、柱と仕口用鋼管との溶接部を健全に得る方法については言及されていない。
【００１１】
特許文献２では、ノンダイアフラム仕口に梁を偏心させて取り付ける場合の耐力計算式が提案されている。特許文献２の図２によれば、柱と仕口用鋼管との間には溶接部が存在せず、製造コストが高い高周波誘導加熱法を用いて柱と仕口用鋼管とを接続しているものと推察される。
【００１２】
以上のように、従来技術では、柱と仕口用鋼管との間における溶接部として通常の溶接方法を適用することが想定されており、いずれも柱溶接部を起点とした構造体の崩壊を招きやすいという問題点を内包している。
【００１３】
本発明は上記の問題点に鑑みて完成されたものであり、外部から力を加えられた際に、柱溶接部における破断が先行することを回避し、塑性変形能力及び安全性に優れたノンダイアフラム型の柱梁接合構造体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の手段は、以下の通りである。
［１］上下に分かれた柱と、前記柱の端面に接続される仕口用鋼管と、前記仕口用鋼管の側面に接合される梁と、を有するノンダイアフラム型の柱梁接合構造体であって、前記柱と前記仕口用鋼管とは柱溶接部により接合され、前記仕口用鋼管は、前記柱の板厚以上となる板厚を備えた増厚部と、前記増厚部よりも小さい板厚を備えた減厚部と、を有し、前記減厚部と前記柱溶接部とは、以下の式（１）を満たすノンダイアフラム型の柱梁接合構造体。
ｐＺｐ×ｐσｙ≦ｃＺｐ×ｗσｙ      ・・・（１）
ｐＺｐ：前記減厚部における仕口用鋼管の塑性断面係数（ｍｍ３）
ｐσｙ：仕口用鋼管を形成する材料の降伏耐力（Ｎ／ｍｍ２）
ｃＺｐ：前記柱の塑性断面係数（ｍｍ３）
ｗσｙ：溶接材料の降伏耐力（Ｎ／ｍｍ２）
［２］前記減厚部は、仕口用鋼管と梁との接続部の上端部及び下端部から、柱軸方向にｂｃ／２以上離れた位置に設けられる［１］に記載のノンダイアフラム型の柱梁接合構造体。但し、ｂｃは、前記仕口用鋼管の縦断面における増厚部同士の距離とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、柱降伏型の降伏パターンとなった際であっても、柱と仕口用鋼管とを接合する柱溶接部の破断を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明に係るノンダイアフラム型の柱梁接合構造体を正面側から見た部分断面図である。
【図２】図２は、本発明に係るノンダイアフラム型の柱梁接合構造体を右側面側から見た部分断面図である。
【図３】図３は、地震発生時に、柱及び梁に発生する力を示す模式図である。
【図４】図４は、地震発生時に、柱及び梁に発生する力を示す模式図であり、図３の破線部において発生する力の方向をより詳細に説明した図である。
【図５】図５は、ノンダイアフラム仕口における柱降伏型の降伏パターンを示す模式図である。
【図６】図６は、ノンダイアフラム仕口における梁降伏型の降伏パターンを示す模式図である。
【図７】図７は、ノンダイアフラム仕口におけるパネル降伏型の降伏パターンを示す模式図である。
【図８】図８は、ノンダイアフラム仕口における局部降伏型の降伏パターンを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、図１及び図２を用いて、本発明に係るノンダイアフラム型の柱梁接合構造体（以下、単に「柱梁接合構造体」と称することもある。）について説明する。
【００１８】
図１には柱梁接合構造体を正面から見た図を示し、図２には柱梁接合構造体を右側面から見た図を示す。図１及び２ともに、柱４及び仕口用鋼管１の板厚方向の断面を示す、部分断面図である。
【００１９】
図１に示すようにノンダイアフラム型の柱梁接合構造体では、上下２つに分かれた柱４の間に仕口用鋼管１が介在する。仕口用鋼管１は、その柱軸方向（上下方向）の両端面において上下の柱４と接合されるとともに、その外側面に梁６が取り付けられる。図２の例で、梁６としてはＨ形鋼が用いられている。
【００２０】
仕口用鋼管１は梁６を通して伝えられる水平力に耐える必要があることから、仕口用鋼管１のうち梁６が取り付けられている範囲の板厚（ｔｐ）は、柱４の板厚（ｔｃ）よりも大きくすることが好ましい。尚、仕口用鋼管１の板厚（ｔｐ）を増厚しなくとも、局部耐力（図８の符号７）≧梁耐力（図６の符号７）、パネル耐力（図７の符号７）≧梁耐力（図６の符号７）となって、所要の耐力が得られる場合もあるので、ｔｐ≧ｔｃとすればよい。
【００２１】
図１における右上の吹き出し拡大図では、上側の柱４と仕口用鋼管１とが、裏当て金５及び柱溶接部３を介して接合される態様を示す。裏当て金５は、柱４の内周面と仕口用鋼管１の端面に接続される。柱溶接部３は、裏当て金５と柱４の端面と仕口用鋼管１の端面とによって形成される空間に溶融、固化されてなる溶接材料によって形成される。
【００２２】
地震発生時において、柱４と梁６とで組み立てられた構造骨組に加えられる力を模式的に示したのが図３及び図４である。図３の破線部において発生する力の向きをより詳細に説明したのが図４である。図４のように、柱４の上部には地震により水平力７が発生し、柱４の下部には当該水平力７とは反対方向に反力８が発生する。また、梁６の左側には地震により下方向への垂直力９が発生し、梁６の右側には当該垂直力９とは反対方向に反力１０が発生する。
【００２３】
このように構造骨組に力が加えられた際に、いずれの部材が最初に降伏するかによって、４つの降伏パターンに分けられる。具体的には、図５に示すように柱４が最初に降伏する柱降伏型、図６に示すように梁６が最初に降伏する梁降伏型、図７に示すように仕口用鋼管１が最初に降伏するパネル降伏型、及び図８に示すように仕口用鋼管１のうち梁６のフランジが取り付いている部分の周囲、すなわち局部が最初に降伏する局部降伏型の４つが挙げられる。
【００２４】
上記の４つの降伏パターンのうち、柱降伏型となるように構造骨組を設計した場合には、強度に劣る柱溶接部３（図５には図示せず）が最初に降伏する可能性が高い。柱溶接部３は、その靱性が低いことから、柱溶接部３が降伏するとまもなく脆性破壊、破断が起きてしまう。柱溶接部３の破断は構造骨組の崩壊に直結してしまう危険性があり、外力が加わった際の崩壊を防ぐことが求められる建築物において大きな問題となる。そこで本発明を適用することにより、柱降伏型の構造骨組であっても柱溶接部３の破断を防止することができ、安全性に優れた柱梁接合構造体が得られる。尚、柱降伏型以外の降伏パターンで設計された構造骨組であっても、本発明を適用することで、柱溶接部３が降伏、破断する可能性を小さくし、より建築物の安全性を向上させることができる。
【００２５】
本発明では、図１に示すように仕口用鋼管１の上端及び下端において、増厚部１ａよりも板厚を減じた減厚部１ｂを設ける。増厚部１ａは、仕口用鋼管１のうち柱４の板厚（ｔｃ）以上の板厚（ｔｐ）を有している部分をいう。減厚部１ｂの板厚は、増厚部１ａの板厚（ｔｐ）よりも薄ければよく、柱４の板厚（ｔｃ）以下であってもよいし、柱４の板厚（ｔｃ）よりも厚くてもよい。
【００２６】
減厚部１ｂを設ける際には、柱溶接部３との関係において以下の式（１）を満たすようにする。
ｐＺｐ×ｐσｙ≦ｃＺｐ×ｗσｙ      ・・・（１）
ｐＺｐ：減厚部１ｂにおける仕口用鋼管１の塑性断面係数［ｍｍ３］
ｐσｙ：仕口用鋼管１を形成する材料の降伏耐力［Ｎ／ｍｍ２］
ｃＺｐ：柱４の塑性断面係数［ｍｍ３］
ｗσｙ：柱溶接部（溶接材料）３の降伏耐力［Ｎ／ｍｍ２］
【００２７】
上記の式（１）によって、（仕口用鋼管の減厚部断面における全塑性モーメント）≦（柱溶接部断面の全塑性モーメント）という関係が満たされる。つまり、図３及び図４で示すように外力が柱梁接合構造体に加わった際に、柱溶接部３よりも先に減厚部１ｂが降伏することになる。柱溶接部３よりも相対的に靭性等の強度が高い仕口用鋼管１の母材の塑性化が先行することにより、柱溶接部３が破断することを防止することができる。
【００２８】
前記式（１）を満たすためには、減厚部１ｂの位置、大きさ、形状、仕口用鋼管１の素材の強度等を調節することができる。例えば、前述した「仕口用鋼管の減厚部断面における全塑性モーメント」を小さくするには、減厚部１ｂの板厚を小さくすること、減厚部１ｂにおいて鋼管の外側を減厚すること等を行うことが有効である。また「仕口用鋼管の減厚部断面における全塑性モーメント」を大きくするには、上記と逆の操作を行えばよい。尚、減厚部１ｂは、仕口用鋼管１の全周に亘って設けられていてもよいし、周方向の一部のみに設けられていてもよい。
【００２９】
また、柱のモーメント分布を考えると、柱の階高中央付近の反曲点位置から梁フランジに近づくにつれてモーメントが大きくなることから、減厚部１ｂの位置を仕口用鋼管１の中で梁６のフランジ部６ａ、６ｃに近づけると、よりいっそう、柱溶接部３よりも減厚部１ｂの塑性化を先行させることができる。
【００３０】
仕口用鋼管１の上端面側及び下端面側にそれぞれ設けられた溶接部３の破断を防止するように、仕口用鋼管１の上側及び下側にそれぞれ１箇所ずつ減厚部１ｂを設けることが好ましい。この場合、上側の減厚部１ｂと上側の柱溶接部３との間で上述の式（１）を満たすようにし、且つ下側の減厚部１ｂと下側の柱溶接部３との間で上述の式（１）を満たすようにする。
【００３１】
本発明の効果を奏する限りにおいて減厚部１ｂの形状は特に制限されないが、減厚部１ｂの成形が容易であること等を鑑みると、減厚部１ｂを曲面状とすることが好ましい。
【００３２】
減厚部１ｂにおいては、仕口用鋼管１の内側面を減肉してもよいし、外側面を減肉してもよい。急激に仕口用鋼管１の断面形状を変化させると、ひずみ集中による早期破壊が引き起こされることがあるので、曲率半径が５０ｍｍ以上となるように緩やかな減肉加工を行うことが望ましい。
【００３３】
次に、減厚部１ｂの柱軸方向における位置について説明する。減厚部１ｂは、仕口用鋼管１と梁６との接続部の上端部及び下端部から、それぞれ「ｂｃ／２」以上離れた場所に設けることが好ましい。図１の例では、梁６の上側のフランジ部６ａが仕口用鋼管１に取り付く高さが前記上端部にあたり、下側のフランジ部６ｂが仕口用鋼管１に取り付く高さが前記下端部にあたる。また、減厚部１ｂの基準となる位置としては、減厚部１ｂのうち最も梁６との接続部に近い側の柱軸方向位置を採用することができる。
【００３４】
より具体的には、図１の右下の吹き出し拡大図を用いて説明する。上側のフランジ部６ａと仕口用鋼管１とは、裏当て金１５を介して梁溶接部１３によって接合される。この場合、梁溶接部１３の余盛高さを考慮して、梁溶接部１３の最上部からｂｃ／２以上離れた（上側の）位置に減厚部１ｂを設けることが好ましい。図示は省略するが、下側の減厚部１ｂについては溶接部１３の最下部からｂｃ／２以上離れた（下側の）位置に減厚部を設けることが好ましい。
【００３５】
ｂｃは、図１に示すように、仕口用鋼管１の縦断面（水平方向とは垂直な方向で切断した断面）における仕口用鋼管の増厚部同士、より具体的には縦断面における柱軸方向とは垂直方向の増厚部同士の距離であり、単位は「ｍｍ」である。増厚部同士の距離は、縦断面図における仕口用鋼管１の板厚方向中央部同士の距離を用いることもできるし、より安全に設計する際には、仕口用鋼管１の外側面同士の距離を用いることもできる。また、とりうる縦断面に応じて増厚部同士の距離が変動する場合には、最も大きい距離をｂｃとして採用すればよい。
【００３６】
仕口用鋼管１に生じる曲げモーメントは、フランジ部６ａの取り付く高さで最大となり、仕口用鋼管１の上端面側又は下端面側へ向かうほど低下する。よって、減厚部１ｂから仕口用鋼管１と梁６との接続部の上端部又は下端部までの距離が大きい場合は、これらの距離が小さい場合に比べて、柱溶接部３及び減厚部１ｂが塑性化しにくくなり、柱梁接合構造体の変形性能が向上する。
【００３７】
上記のように減厚部１ｂを前記上端部及び前記下端部からｂｃ／２以上離して設けることによって、降伏線を仮定する位置で板厚が一定となることから力学モデルが明快となって、非特許文献３に示される耐力式をそのまま用いることができる。非特許文献３で仮定する降伏線の位置は、最も降伏線が梁フランジから離れる場合であっても、その距離は梁フランジから「ｂｃ／２」の位置となる。したがって、上述した耐力式によると、減厚部１ｂを前記上端部及び前記下端部からｂｃ／２以上離すことにより、全ての降伏線を仕口用鋼管１の増厚部１ａ内に収めることができる。よって、減厚部１ｂよりも先に増厚部１ａが塑性化することを促し、柱溶接部３の破断をより確実に防止することができる。
【００３８】
以上を言い換えると、仕口用鋼管１の柱軸方向の両端に減厚部１ｂを設け、両端の減厚部１ｂの間に位置する増厚部１ａの柱軸方向長さを、「梁せい＋（梁溶接部１３の余盛り高さ）×２＋ｂｃ」以上とすることが好ましい。これにより、仕口用鋼管１に生じうる全ての降伏線を増厚部１ｂ内に収めることができ、柱溶接部３の破断をより確実に防止することができる。
【００３９】
尚、軸力比は、仕口用鋼管の減厚部位置の断面で０．４（無次元）程度以下で設計されることが好ましい。軸力比が０．４を超えるレベルでは、減厚部位置の塑性化が早期に生じ、塑性化後の耐力劣化も大きくなるので、軸力比は０．４程度以下に抑えることが望ましい。
【００４０】
本発明は、仕口用鋼管が、高強度鋼、例えば引張強さが７８０ＭＰａ以上の鋼によって形成される場合に特に有効である。柱と仕口用鋼管との溶接部を高強度（特に７８０ＭＰａ以上）に確保することは難しいことから、高強度鋼を仕口用鋼管として用いる場合には柱溶接部における破断の危険性が特に高くなる。本発明を適用すると、高強度鋼を用いた場合であっても、溶接部の破断を確実に防止することができる。
【００４１】
また、構造骨組の強度をより強固にするという観点から、柱４の内側にはコンクリートを充填することもできる。
【００４２】
尚、本発明は、ノンダイアフラム型の接合方法を用いていることから、ダイアフラムを用いる接合方法に比べて以下の（１）〜（４）のような技術的効果を奏する。
（１）施工時の溶接線の長さが少なくて済み、コストを削減することができる。
（２）梁を取り付ける態様の自由度が比較的高く、山形梁のように１つの仕口用鋼管に取り付く複数の梁の角度を変えることや、段違い梁のように複数の梁が取り付く高さを変えることも可能である。
（３）柱の外側面からの仕口用鋼管の張り出しが極めて小さいので、設備配管等の他の部材を柱に近接させる場合に、接合部構造体が邪魔になりにくい。
（４）柱の内側がダイアフラムにより仕切られていないので、柱内へのコンクリート充填が容易であり、ＣＦＴ構造とすることに適している。
【実施例】
【００４３】
本発明例と比較例とについて、柱梁接合構造体の破壊モデルを組み立て、計算を行った。以下の表１及び表２に結果を示す。
【００４４】
表１では、引張強さ４００ＭＰａ級の柱、４００ＭＰａ級の梁、及び４９０ＭＰａ級の仕口用鋼管の組み合わせで、十字骨組の破壊部位を検討した。ここで、十字骨組の梁スパンは４ｍ、柱階高は３ｍとした。これらの組み合わせはいずれも柱降伏型の組み合わせである。表１に示されているように、仕口用鋼管に本願請求項１の条件を満たすように減厚部を設けている場合には、減厚部から破壊されるが（本発明例）、そうでない場合には柱−仕口用鋼管溶接部からの早期破壊となる（比較例）。表１の例は標準的な梁スパン、階高を設定している。梁スパン、階高が大きく変化しない限り、崩壊形は変化しないと考えられる。具体的に本構造を設計する際には、梁スパン、階高、鋼種、などを設定して耐力を計算することで、崩壊形を知ることができる。
【００４５】
表２では、引張強さ７８０ＭＰａ級の柱、５９０ＭＰａ級の梁、７８０ＭＰａ級の仕口用鋼管の組み合わせで、十字骨組の破壊部位を検討したものである。７８０ＭＰａでは、溶接部の強度を確保することが難しいが、本発明に適合する減厚部を設けることで、確実に減厚部での破壊を優先させることができる。
【００４６】
【表１】
2018184742.tif 000003
【００４７】
【表２】
2018184742.tif 000004
【符号の説明】
【００４８】
１              仕口用鋼管
１ａ          増厚部
１ｂ          減厚部
３              柱溶接部
４              柱
５              裏当て金
６              梁
６ａ          フランジ部
６ｂ          ウェブ部
１３            梁溶接部
１５            裏当て金
【図１】
2018184742.tif 000005
【図２】
2018184742.tif 000006
【図３】
2018184742.tif 000007
【図４】
2018184742.tif 000008
【図５】
2018184742.tif 000009
【図６】
2018184742.tif 000010
【図７】
2018184742.tif 000011
【図８】
2018184742.tif 000012