(57)【要約】【課題】柱梁接合部を通しダイアフラム形式とする構造において、大地震時に、柱と通しダイアフラムとの溶接部が破断しにくく、かつ、局部座屈しにくい塑性変形能力の高い柱梁接合部構造およびそれに用いる柱を提供する。【解決手段】  角形鋼管を柱に用いた、柱梁接合部を通しダイアフラム形式とする柱梁接合部構造であって、前記角形鋼管は一般化幅厚比が１．１２以上１．６３以下の断面を有し、かつ、通しダイアフラムからの距離が（０．２〜３．０）×角形鋼管径の範囲の柱内部に、１または複数の補剛材を設置する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
角形鋼管を柱に用いた、柱梁接合部を通しダイアフラム形式とする柱梁接合部構造であって、前記角形鋼管は下記（１）式で表される一般化幅厚比rが１．１２以上１．６３以下の断面を有し、かつ、通しダイアフラムからの距離が（０．２〜３．０）×角形鋼管径の範囲の柱内部に、１または複数の補剛材を設置したことを特徴とする柱梁接合部構造。
ｒ＝（Ｂ／ｔ）・（σｙ／Ｅ）１／２  ・・・・・・    （１）
ここで、ｒ：一般化幅厚比（−）、Ｂ：角形鋼管径（対向する辺の外寸）（ｍｍ）、ｔ：角形鋼管のスキンプレートの板厚（ｍｍ）、σｙ：角形鋼管のスキンプレートの降伏耐力（ＭＰａ）、Ｅ：角形鋼管のスキンプレートのヤング係数（ＭＰａ）、である。
【請求項２】
前記補剛材が内蔵ダイアフラムであることを特徴とする請求項１に記載の柱梁接合部構造。
【請求項３】
前記補剛材が座屈補剛リブであることを特徴とする請求項１に記載の柱梁接合部構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の柱梁接合部構造において、前記柱と前記通しダイアフラムとは脆性破断防止溶接法を用いて溶接されていることを特徴とする柱梁接合部構造。
【請求項５】
前記柱と前記通しダイアフラムとの溶接部溶接金属の引張強さと前記柱の母材部の引張強さとの比が１．０以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の柱梁接合部構造。
【請求項６】
角形鋼管からなる柱であって、通しダイアフラムと接合する予定位置からの距離が（０．２〜３．０）×角形鋼管径の範囲の柱内部に１または複数の補剛材が設置され、請求項１に記載の柱梁接合部構造に用いられることを特徴とする柱。
【請求項７】
前記補剛材が内蔵ダイアフラムであることを特徴とする請求項６に記載の柱。
【請求項８】
前記補剛材が座屈補剛リブであることを特徴とする請求項６に記載の柱。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の柱において、前記柱と前記通しダイアフラムとは脆性破断防止溶接法を用いて溶接されていることを特徴とする柱。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱梁接合部構造およびそれに用いる柱に係り、特に柱に角形鋼管を用いた高い塑性変形能力を有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、中小規模の鉄骨骨組では、冷間成形角形鋼管を柱、Ｈ形鋼を梁とする「コラム−Ｈ構造」が広く採用されている（非特許文献１）。本構造における柱梁接合部は、良好な溶接作業を行うことのできるＣＯ２溶接用ロボットを使用するために、通しダイアフラム形式とすることが多い。
【０００３】
図１に基づいて通しダイアフラム形式の柱梁接合部を以下に説明する。図1は通しダイアフラム形式の柱梁接合部１０を示し、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は斜視図である。１は冷間成形角形鋼管からなる柱、２はＨ形鋼からなる梁、３は鋼板からなる通しダイアフラムである。通しダイアフラム形式の柱梁接合部では、柱１を高さ方向の２箇所で分断し、２枚の通しダイアフラム３、３を柱１の柱スキンプレート４に溶接して柱−通しダイアフラム溶接部６とする。そのうえで、この上下２枚の通しダイアフラム３、３に梁２の上下フランジ５をそれぞれ溶接して梁−通しダイアフラム溶接部７とすることで、柱梁接合部１０が構成される。
【０００４】
上述した接合部１０において、柱である冷間成形角形鋼管の幅厚比Ｂ／ｔ（Ｂは対向する辺の外寸（ｍｍ）で、以下径ともいう。ｔはスキンプレートの厚さ（ｍｍ）である。）が小さい場合、大地震時の大変形で柱の局部座屈が起こりにくく、高い塑性変形能力が得られるという利点がある。一方、大地震時の大変形では柱断面内で応力が大きく上昇するため、柱−通しダイアフラム溶接部６にとっては破断の危険性が高まる。このような柱−通しダイアフラム溶接部の破断現象は、材料の靭性や溶接部形状の影響を受けるため、局部座屈に比べてバラツキが大きく、破断時における柱の変形を予測することが困難になる。そして、早期に破断が柱−通しダイアフラム溶接部に生じた場合、先に溶接部での破断が進展して、結果として柱梁接合部の塑性変形能力は著しく小さくなる。
【０００５】
これまでは、柱−通しダイアフラム溶接部の早期の破断を回避するためには、特許文献１および特許文献２のように溶接部の積層形状を工夫するなどの手段が採用されてきた。
【０００６】
なお、後述する［発明を実施するための形態］の項にて、非特許文献２、非特許文献３を引用するので、ここに併せて記載しておく。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８１７６６９号公報
【特許文献２】特許第３９３７３８９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「２００８年度版  冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル」  ２００８年  ｐｐ１−２、ｐ１６２−１６５
【非特許文献２】「２００７年版  建築物の構造関係技術基準解説書」  ２００７年  ｐ.３２９
【非特許文献３】日本建築学会  「鋼構造限界状態設計指針・同解説」  １９９８年  ｐｐ１２６−１２７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
背景技術に示したように、従来は、溶接部の積層形状を工夫するといった手段が、柱−通しダイアフラム溶接部の早期の破断を回避するために用いられている。
【００１０】
しかしながら、溶接部の形状を工夫したとしても、例えば、引張強さ７８０ＭＰａ級（引張強さ７８０Ｎ／ｍｍ２級）のような高強度の冷間成形角形鋼管を柱材とする場合は、鋼管と同等レベル以上の引張強さが得られる溶接材料を入手しにくいといった溶接材料の制約などにより、溶接部で柱母材以上の引張強さを確保することが難しく、従って、この柱母材と溶接部の強度差のため、大地震時において、柱−通しダイアフラム溶接部の破断を防止することは難しい。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、柱−通しダイアフラム溶接部で、破断しにくく、かつ、局部座屈しにくい塑性変形能力の高い柱梁接合部構造およびそれに用いる柱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】
上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。
［１］  角形鋼管を柱に用いた、柱梁接合部を通しダイアフラム形式とする柱梁接合部構造であって、前記角形鋼管は下記（１）式で表される一般化幅厚比rが１．１２以上１．６３以下の断面を有し、かつ、通しダイアフラムからの距離が（０．２〜３．０）×角形鋼管径の範囲の柱内部に、１または複数の補剛材を設置したことを特徴とする柱梁接合部構造。
【００１３】
ｒ＝（Ｂ／ｔ）・（σｙ／Ｅ）１／２  ・・・・・・    （１）
ここで、ｒ：一般化幅厚比（−）、Ｂ：角形鋼管径（対向する辺の外寸）（ｍｍ）、ｔ：角形鋼管のスキンプレートの板厚（ｍｍ）、σｙ：角形鋼管のスキンプレートの降伏耐力
（ＭＰａ）、Ｅ：角形鋼管のスキンプレートのヤング係数（ＭＰａ）、である。
［２］  前記補剛材が内蔵ダイアフラムであることを特徴とする［１］に記載の柱梁接合部構造。
［３］  前記補剛材が座屈補剛リブであることを特徴とする［１］に記載の柱梁接合部構造。
［４］  ［１］〜［３］のいずれか１項に記載の柱梁接合部構造において、前記柱と前記通しダイアフラムとは脆性破断防止溶接法を用いて溶接されていることを特徴とする柱梁接合部構造。
［５］  前記柱と前記通しダイアフラムとの溶接部溶接金属の引張強さと前記柱の母材部の引張強さとの比が１．０以上であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれか１項に記載の柱梁接合部構造。
［６］  角形鋼管からなる柱であって、通しダイアフラムと接合する予定位置からの距離が（０．２〜３．０）×角形鋼管径の範囲の柱内部に１または複数の補剛材が設置され、［１］に記載の柱梁接合部構造に用いられることを特徴とする柱。
［７］  前記補剛材が内蔵ダイアフラムであることを特徴とする［６］に記載の柱。
［８］  前記補剛材が座屈補剛リブであることを特徴とする［６］に記載の柱。
［９］  ［６］〜［８］のいずれか１項に記載の柱において、前記柱と前記通しダイアフラムとは脆性破断防止溶接法を用いて溶接されていることを特徴とする柱。
【００１４】
なお、前記柱に用いる角形鋼管としては、冷間プレス成形角形鋼管及び冷間ロール成形角形鋼等の冷間成形角形鋼管や、溶接４面ボックスのような角形鋼管が使用できる。
【発明の効果】
【００１５】
上述した構成とすることにより、柱−通しダイアフラム溶接部の破断を生じにくくし、柱材の局部座屈の発生・進展に伴う耐力低下を遅らせ、塑性変形能力の高い柱梁接合部構造とすることができる。
【００１６】
特に、溶接部で柱母材以上の引張強さを確保することが困難な引張強さ７８０ＭＰａ級以上の角形鋼管を柱材とした柱梁接合部構造でも、柱−通しダイアフラム溶接部の破断を防止し、塑性変形能力の高い柱梁接合部構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】通しダイアフラム形式の柱梁接合部を示す図であり、（ａ）は断面図、図（ｂ）は斜視図である。
【図２】柱曲げ実験の概要を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、図（ｂ）は斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、図（ｂ）は斜視図である。
【図５】比較例１の解析モデルを示す図である。
【図６】比較例２の解析モデルを示す図である。
【図７】発明例１の解析モデルを示す図である。
【図８】発明例２の解析モデルを示す図である。
【図９】各解析モデルにおける塑性率μと耐力上昇率τとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明では、一般化幅厚比が１．１２以上１．６３以下の断面を有する角形鋼管を柱材に用いる。一般化幅厚比とは幅厚比Ｂ／ｔを一般化したもので、次式で表される。
【００１９】
ｒ＝（Ｂ／ｔ）・（σｙ／Ｅ）１／２  ・・・・・・    （１）
ここで、ｒ：一般化幅厚比（−）、Ｂ：角形鋼管径（対向する辺の外寸）（ｍｍ）、ｔ：角形鋼管のスキンプレートの板厚（ｍｍ）、σｙ：角形鋼管のスキンプレートの降伏耐力（ＭＰａ）、Ｅ：角形鋼管のスキンプレートのヤング係数（ＭＰａ）、である。
【００２０】
非特許文献３には、一般化幅厚比ｒが１．１２以上１．６３以下の断面を有する角形鋼管柱が曲げによって局部座屈する場合、耐力は、断面の塑性化開始から全塑性までの耐力となることが示されている。なお、一般化幅厚比ｒが１．１２を下まわる断面を有する角形鋼管柱は、歪硬化によって耐力が全塑性耐力よりも上昇するとともに、変形能力が増大する。また、一般化幅厚比ｒが１．６３を上まわる断面を有する角形鋼管柱は、耐力が降伏モーメントを下まわることが示されている。
【００２１】
そこで、本発明では、角形鋼管柱断面の一般化幅厚比ｒを１．１２以上１．６３以下に限定する。このようにすることで、曲げ変形による塑性化時、耐力上昇の上限を断面全塑性までに制御し、柱−通しダイアフラム溶接部に、破断を引き起こす過大な引張応力が発生することを防止する。
【００２２】
以上によって、柱−通しダイアフラム溶接部の破断を防止し、柱または柱梁接合部の破壊モードを選択的に柱の局部座屈とすることが可能となる。
【００２３】
一方、柱断面の一般化幅厚比ｒを１．１２以上とすると、一般化幅厚比ｒが１．１２を下まわる柱断面の場合よりも、小さい曲げ変形で局部座屈が発生し、その進展も早くなるため、一般化幅厚比ｒが１．１２を下まわる断面の柱よりも高い塑性変形能力を得ることが困難になる。
【００２４】
そこで、通しダイアフラムが塑性変形能力に与える影響を調査するために、図２に示すような実験を行った。試験体は、長さが４０００ｍｍで、一般化幅厚比ｒが１．１１、１．１３、１．３９、１．６０、１．７３の５種類の角形鋼管柱１と、厚さ３２ｍｍの鋼製通しダイアフラム３とを用意し、角形鋼管柱１の長手方向１／２位置で柱スキンプレート４に通しダイアフラム３を溶接して作製した。そして、該試験体の中央に載荷して、３点曲げ実験を実施した。なお、載荷荷重は鉛直方向の単調載荷とした。その結果、以下の知見が得られた。
【００２５】
すなわち、角形鋼管柱１の断面を、一般化幅厚比ｒが１．１２以上１．６３以下とすると、通しダイアフラム３近傍の断面が塑性化した後、通しダイアフラム３の位置から距離３．０×柱径（角形鋼管径）までの範囲が大きく塑性化し、さらに、通しダイアフラム３からの距離が（０．２〜３．０）×柱径の範囲で局部座屈が発生、進展して耐力が低下することがわかった。
【００２６】
上記知見に基づいて、本発明では、この塑性化部位の柱内部に１または複数の補剛材を設けることとした。
【００２７】
すなわち、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、通しダイアフラム３、３のそれぞれからの距離が０．２×柱径〜３．０×柱径の範囲に１または複数の内蔵ダイアフラム８を接合する。或いは、図４に示すように、通しダイアフラム３、３のそれぞれからの距離が０．２×柱径〜３．０×柱径の範囲に複数枚の座屈補剛リブ９を等間隔でその長手方向が柱軸方向になるように接合する。
【００２８】
これらの内蔵ダイアフラム８もしくは座屈補剛リブ９によって座屈補剛することにより、一般化幅厚比ｒを１．１２以上１．６３以下の断面を有する柱を用いて、一般化幅厚比ｒが１．１２を下まわる断面を有する柱と同等の塑性変形能力を得ることができる。
【００２９】
なお、補剛材については、上記に示す構成に限る必要はない。例えば、内蔵ダイアフラムと座屈補剛リブの組み合わせとするもの、プレートを十字形状に組み合わせて４つの先端部を柱内面に接合するタイプなどが挙げられる。
【００３０】
柱−通しダイアフラム溶接部には、非特許文献１、特許文献１、特許文献２に示されるガスシールドアーク溶接によるビードの積層位置等を規定する溶接法である脆性破断防止溶接法（溶接の際、部材の開先面に沿った第１の溶接熱影響部と部材表面にほぼ平行な第２の溶接熱影響部を形成させることで、部材表面の溶接部付近に発生した表面亀裂を第２の溶接熱影響部から部材の母材健全部へ伝播させ、この結果、第１の溶接熱影響部に沿った早期の脆性破断を抑制することのできる溶接法。）を適用することが好ましい。この脆性破断防止溶接法には、柱−通しダイアフラム溶接部の破断を防止する効果があるため、より一層、破壊モードを選択的に柱の局部座屈とすることができる。
【００３１】
また、柱−通しダイアフラム溶接部で先に破断が発生することがないように、溶接材料の引張強さを柱母材の引張強さと同等以上とするのが好ましい。すなわち、（柱と通しダイアフラムとの溶接部溶接金属の引張強さ）／（柱母材の引張強さ）を１．０以上とするのが好ましい。
【００３２】
ここで、一般的に、角形鋼管が冷間成形角形鋼管の場合では、冷間加工によるひずみ硬化の影響で、柱断面角部（スキンプレート同士が直角をなすコーナー部）の引張強さが柱断面平板部（スキンプレート部）の引張強さよりも１〜２割上昇する傾向がある。従って、溶接材料の引張強さは柱断面角部の母材の引張強さと同等以上とすることが好ましい。
【００３３】
本発明で用いる角形鋼管の一般化幅厚比ｒを１．１２以上１．６３以下に規定したが、これには、非特許文献２に示される種別ＦＢおよびＦＣの角形鋼管が該当する。また、非特許文献３では、上記種別ＦＢ、ＦＣは、それぞれ、Ｐ−Ｉ−２、Ｐ−ＩＩに対応している。なお、一般化幅厚比ｒが１．１２を下回るものは種別ＦＡおよびＰ−Ｉ−１に対応している。
【００３４】
なお、柱鋼管のスキンプレートの板厚を変えずに高い柱剛性を得るために、鋼管径を大きくする必要がある場合は、幅厚比が大きくなり、塑性変形能力が小さくなるが、本発明による補剛材を通しダイアフラムから（０．２〜３．０）×柱径だけ離れた区間の柱内部に設置することによって、高い塑性変形能力を維持することが可能である。
【実施例】
【００３５】
図５〜８に示すモデルを用いて、ＦＥＭ解析を行った。これらのモデルは図２で示した柱曲げ実験において、試験体の対称性を考慮し、中央の通しダイアフラム位置が固定端であると考え、片持ち梁としてモデル化したものであり、それぞれ比較例１、比較例２、発明例１および発明例２を示す。各モデルでは、固定端から２０００ｍｍの片持ち梁先端で、矢印方向に荷重を加えており、解析条件を表１に示した。図５に示した比較例１は、鋼管径を５００ｍｍ、鋼管のスキンプレートの板厚を２８ｍｍ、鋼管の断面角部の外側曲率半径を９８ｍｍとし、一般化幅厚比ｒが１．１２を下まわる断面を有した柱の曲げ変形挙動を評価するためのモデルである。図６に示した比較例２は、鋼管径を５００ｍｍ、鋼管のスキンプレートの板厚を２２ｍｍ、鋼管の断面角部の外側曲率半径を７７ｍｍとし、一般化幅厚比ｒが１．１２以上１．６３以下となる断面を有した柱の曲げ変形挙動を評価するためのモデルである。図７に示した発明例１は、図６のモデルに、固定端から２５０ｍｍ（＝０．５×柱径）の位置に板厚１２ｍｍの内蔵ダイアフラムを接合したモデルである。図８に示した発明例２は、図６のモデルに、固定端から１００ｍｍ離れた位置から５００ｍｍの位置に至る座屈補剛リブを接合したモデルである。
【００３６】
【表１】
2015166536.tif 000003
【００３７】
図９に各モデルのＦＥＭ解析により得た、固定端における「曲げモーメント−部材角関係」を示す。縦軸には、（モーメントＭ／全塑性モーメントＭｐ）で算出される耐力上昇率τを、横軸には、（部材角θ／全塑性モーメント時の部材角θｐ）で算出される塑性率μを示した。本結果は柱曲げ実験における柱−通しダイアフラム溶接部近傍の「曲げモーメント−部材角関係」を意味している。
【００３８】
比較例１では、一般化幅厚比ｒが小さいため、固定端の断面が全塑性に達した後、すなわち、τ＝１となった後も耐力が上昇しつづけており（τ＞１の領域）、局部座屈に対しては高い塑性変形能力を有していることが分かる。しかしながら、この耐力上昇のために、固定端（柱曲げ実験では通しダイアフラム位置）には高い引張応力が生じ、破断の危険性が高まる。固定端（柱曲げ実験では柱−通しダイアフラム溶接部の溶接材料）の引張強さが鋼管の断面角部の引張強さと同等であるとし、過去の実績から、角部引張強さ／スキンプレートの降伏耐力=１．４０とすると、全塑性モーメントＭｐから４０％耐力が上昇した時点で破断が生じると考えられる。すなわち、比較例１の終局変形は表１および図９の×で示した通り、塑性率μ＝３．６２、耐力上昇率τ＝１．４０となる。
【００３９】
比較例２では、比較例１に比べて一般化幅厚比ｒが大きく、固定端の断面が塑性化を開始した直後に局部座屈が発生し、その進展とともに急速に耐力が低下する。このように、比較例２の断面では、溶接部での破断が生じる危険がないが、比較例１のような高い塑性変形能力を得ることは難しい。比較例２において局部座屈が発生するのは、表１および図９の○で示した通り、塑性率μ＝３．２５、耐力上昇率τ＝１．２６である。
【００４０】
発明例１では、一般化幅厚比ｒを比較例２と同じとし、通しダイアフラムから０．５×柱径の位置に内蔵ダイアフラムを設置している。これにより、柱の局部座屈を補剛し、かつ、塑性化での耐力上昇率を比較例１よりも低く抑えて破断を回避し、比較例１および２よりも高い塑性率μ＝４．５５を実現している（表１および図９の○参照）。
【００４１】
発明例２は、発明例１の内蔵ダイアフラムの代わりに、柱の内部の軸方向に座屈補剛リブを設置しており、これによって、発明例１と同様の効果を生み出しており、高い塑性率を実現している。
【符号の説明】
【００４２】
１  柱（角形鋼管）
２  梁
３  通しダイアフラム
４  柱スキンプレート
５  梁フランジ
６  柱−通しダイアフラム溶接部
７  梁−通しダイアフラム溶接部
８  内蔵ダイアフラム
９  座屈補剛リブ
１０  柱梁接合部
【図１】
2015166536.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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