(57)【要約】【課題】エレクトロスラグ溶接により作製される、耐脆性破壊特性に優れた柱梁接合部およびその製造方法を提供すること。【解決手段】内ダイアフラム２を内蔵する四面ボックス柱と鋼製梁との柱梁接合部およびその製造方法であって、四面ボックス柱のスキンプレート１の内面に対して所定の間隔を空けて、内ダイアフラム２の縁部を配設し、スキンプレート１内面と内ダイアフラム２の板面の延長面が交わる交線に沿ってセラミックス製スペーサー８を配設した状態で、スキンプレート１と内ダイアフラム２とをエレクトロスラグ溶接により接合して柱梁接合部を製造する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内ダイアフラムを内蔵する角形鋼管柱に鋼製梁を接合するための柱梁接合部であって、
前記角形鋼管柱のスキンプレートと前記内ダイアフラムとがエレクトロスラグ溶接により接合されるＴ継手部には、少なくとも溶接時において、前記スキンプレート内面と前記内ダイアフラムの板面の延長面とが交わる交線に沿うとともに、当該スキンプレート内面および内ダイアフラムの板面に近接してセラミックス製スペーサーが配設されることを特徴とする柱梁接合部。
【請求項２】
前記セラミックス製スペーサーが前記Ｔ継手部から脱離可能に構成され、当該セラミックス製スペーサーが脱離された位置に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の柱梁接合部。
【請求項３】
内ダイアフラムを内蔵する角形鋼管柱に鋼製梁を接合するための柱梁接合部を製造する製造方法であって、
前記角形鋼管柱のスキンプレートの内面に対して所定の間隔を介して前記内ダイアフラムの縁部を配置するとともに、セラミックス製スペーサーを介して一対の鋼製裏当て金により前記内ダイアフラムを挟持し、
前記スキンプレート内面と前記内ダイアフラムの板面の延長面が交わる交線に沿って前記セラミックス製スペーサーを配設した状態で、当該スキンプレートと内ダイアフラムとをエレクトロスラグ溶接により接合することを特徴とする柱梁接合部の製造方法。
【請求項４】
前記内ダイアフラムの板面と前記鋼製裏当て金との対向方向における前記セラミックス製スペーサーの厚さ寸法が３mm以上に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の柱梁接合部の製造方法。
【請求項５】
内ダイアフラムを内蔵する角形鋼管柱に鋼製梁を接合するための柱梁接合部を製造する製造方法であって、
前記角形鋼管柱のスキンプレートの内面に対して所定の間隔を介して前記内ダイアフラムの縁部を配置し、
前記スキンプレート内面と前記内ダイアフラムの板面の延長面が交わる交線に沿って一対のセラミックス製スペーサーを配設するとともに、これらのセラミックス製スペーサーを挟んで前記スキンプレートの反対側に一対の鋼製裏当て金を配設し、
前記一対の鋼製裏当て金により前記内ダイアフラムを挟持した状態で、前記スキンプレートと内ダイアフラムとをエレクトロスラグ溶接により接合することを特徴とする柱梁接合部の製造方法。
【請求項６】
前記スキンプレート内面と前記鋼製裏当て金との対向方向における前記セラミックス製スペーサーの厚さ寸法が３mm以上に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の柱梁接合部の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柱梁接合部およびその製造方法に関し、詳しくは角形鋼管柱のスキンプレートと内ダイアフラムとをエレクトロスラグ溶接により接合して製造される柱梁接合部、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
角形鋼管柱（建築鉄骨に用いられる四面ボックスや圧延成形による角形鋼管、熱間または冷間成形による角形鋼管等を用いた柱）のスキンプレートと、内ダイアフラムとをエレクトロスラグ溶接により接合したＴ継手では、大地震時には溶接未溶着（ルート）を起点として脆性き裂が発生し、構造物としての機能が失われる可能性が指摘されている。このようなＴ継手では、溶接時に未溶着（ルート）などの溶接欠陥が生じ易いこと、さらに、溶接熱の影響により鋼組織が変化し、溶接継手部の耐破壊特性が低下し得ること等が理由として挙げられる。
これに対し、エレクトロスラグ溶接によるＴ継手において、き裂の起点となる部位の局部応力を下げる構造として、鋼製裏当て金に開先を加工して鋼製裏当て金とスキンプレートの間をアーク溶接で接合することでルートをつくらないもの（例えば、特許文献１参照）が提案されている。また、内ダイアフラムと鋼製裏当て金の間に直方体の鋼製スペーサーを挿入しエレクトロスラグ溶接の溶接金属の断面を扁平な楕円とすることで、ルートが接する溶接金属および溶接熱影響部の応力を下げるもの（例えば、特許文献２参照）も提案されている。また、溶融金属と接する鋼製裏当て金の内側をセラミックス又は固形フラックスとすることで、内ダイアフラムとスキンプレートに流れる応力がほとんどセラミックス又は固形フラックスに流れず、ルートを無害化するもの（例えば、特許文献３参照）も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１２２７３号公報
【特許文献２】特開２００５−２７３３９４号公報
【特許文献３】特開２００６−１９２４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記特許文献１に記載の発明では、鋼製裏当て金の開先加工や、スキンプレートと鋼製裏当て金の間の溶接工程が必要となり、作業者の負担が大きいという問題があった。
また、前記特許文献２に記載の発明では、鋼製スペーサーの幅の分だけ溶融金属の体積が増加し、溶接入熱が増加するため、溶接金属および溶接熱影響部の靭性が著しく低下するという問題があった。また、鋼製スペーサーを挿入しても依然としてルートが残り、鋼製裏当て金に応力が流れるため、ルートを起点とした脆性破壊は避けられないという問題もあった。
また、前記特許文献３に記載の発明では、エレクトロスラグ溶接継手の耐破壊特性は大幅に改善されるが、セラミックス部とそれを囲む鋼製裏当て金の形状が複雑で加工が容易ではなく、コストが極めて高くなるという問題があった。
以上のように、建築鉄骨の角形鋼管柱のスキンプレートと内ダイアフラムとをエレクトロスラグ溶接で接合した場合に、そのＴ継手部の脆性破壊を経済的に効率よく防止するためには、特許文献１〜３に記載の発明では不十分であり、エレクトロスラグ溶接継手のルートを起点とする脆性破壊を防止することが切望されている。
【０００５】
本発明は、上記問題点を有利に解決して、エレクトロスラグ溶接により接合される継手部の耐脆性破壊特性を優れたものにできる柱梁接合部およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、建築鉄骨の角形鋼管柱と内ダイアフラムとのエレクトロスラグ溶接による接合部において、所定位置にセラミックス製スペーサーを配設することで、ルートを起点とする脆性破壊が起こり難くなることを見出し本発明を成したものであり、その要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
【０００７】
（１）本発明の柱梁接合部は、内ダイアフラムを内蔵する角形鋼管柱に鋼製梁を接合するための柱梁接合部であって、前記角形鋼管柱のスキンプレートと前記内ダイアフラムとがエレクトロスラグ溶接により接合されるＴ継手部には、少なくとも溶接時において、前記スキンプレート内面と前記内ダイアフラムの板面の延長面とが交わる交線に沿うとともに、当該スキンプレート内面および内ダイアフラムの板面に近接してセラミックス製スペーサーが配設されることを特徴とする。
【０００８】
（２）この際、本発明の柱梁接合部では、前記セラミックス製スペーサーが前記Ｔ継手部から脱離可能に構成され、当該セラミックス製スペーサーが脱離された位置に空隙が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
（３）一方、本発明の柱梁接合部の製造方法は、内ダイアフラムを内蔵する角形鋼管柱に鋼製梁を接合するための柱梁接合部を製造する製造方法であって、前記角形鋼管柱のスキンプレートの内面に対して所定の間隔を介して前記内ダイアフラムの縁部を配置するとともに、セラミックス製スペーサーを介して一対の鋼製裏当て金により前記内ダイアフラムを挟持し、前記スキンプレート内面と前記内ダイアフラムの板面の延長面が交わる交線に沿って前記セラミックス製スペーサーを配設した状態で、当該スキンプレートと内ダイアフラムとをエレクトロスラグ溶接により接合することを特徴とする。
【００１０】
（４）この際、本発明の柱梁接合部の製造方法では、前記内ダイアフラムの板面と前記鋼製裏当て金との対向方向における前記セラミックス製スペーサーの厚さ寸法が３mm以上に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
（５）また、本発明の柱梁接合部の製造方法は、内ダイアフラムを内蔵する角形鋼管柱に鋼製梁を接合するための柱梁接合部を製造する製造方法であって、前記角形鋼管柱のスキンプレートの内面に対して所定の間隔を介して前記内ダイアフラムの縁部を配置し、前記スキンプレート内面と前記内ダイアフラムの板面の延長面が交わる交線に沿って一対のセラミックス製スペーサーを配設するとともに、これらのセラミックス製スペーサーを挟んで前記スキンプレートの反対側に一対の鋼製裏当て金を配設し、前記一対の鋼製裏当て金により前記内ダイアフラムを挟持した状態で、前記スキンプレートと内ダイアフラムとをエレクトロスラグ溶接により接合することを特徴とする。
【００１２】
（６）この際、本発明の柱梁接合部の製造方法では、前記スキンプレート内面と前記鋼製裏当て金との対向方向における前記セラミックス製スペーサーの厚さ寸法が３mm以上に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加工が容易な直方体形状のセラミックスをスペーサーとして利用し、スキンプレートと鋼製裏当て金の間、又は内ダイアフラムと鋼製裏当て金の間に適切に配置することで、ルートの応力集中を防止し、Ｔ継手の耐脆性破壊特性を向上できる。従って、エレクトロスラグ溶接により接合される角形鋼管柱と内ダイアフラムとの溶接部の脆性き裂の発生を防止して、建築構造物の破断を阻止することができるため、産業上、著しく有用な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明のエレクトロスラグ溶接継手を詳細に説明する。
図１は、従来のエレクトロスラグ溶接継手における脆性き裂の発生、進展を説明するための図である。
図１に示す四面ボックス柱のスキンプレート１と内ダイアフラム２のエレクトロスラグ溶接部では、仮止め３で固定されたスキンプレート１と鋼製裏当て金４の間にスリット状のルート５が生じ、このルート５は溶接金属６と溶接熱影響部７に接する。また、エレクトロスラグ溶接のような大入熱溶接では、大きな溶接熱の作用により溶接熱影響部７に局所破壊抵抗の低い脆化領域が生じる。そして、大地震により柱梁に大きな外力ａが加わると、このルート５に接する溶接熱影響部７では高い拘束条件下で応力が集中するため、脆性き裂ｂが発生し、構造物としての機能が失われる場合がある。
一方、セラミックスは溶融金属と接しても合金を生成しない。本発明者らは、加工が容易な直方体形状のセラミックスをスペーサーとして利用し、スキンプレートと鋼製裏当て金の間、又は内ダイアフラムと鋼製裏当て金の間に適切に配置することで、ルートの応力集中を防止し、Ｔ継手の耐脆性破壊特性を向上できることを見出した。
【００１５】
［実施の形態１］
図２は、本発明におけるエレクトロスラグ溶接により接合されたＴ継手の第１の実施の形態を示す図である。
エレクトロスラグ溶接により接合された角形鋼管柱としての四面ボックス柱のスキンプレート１と内ダイアフラム２のＴ継手において、スキンプレート１と内ダイアフラム２との間の溶接金属部６が直方体の鋼製裏当て金４とセラミックス製スペーサー８で挟まれており、セラミックス製スペーサー８がスキンプレート１と鋼製裏当て金４との間に配置されている。
ここで、セラミックス製スペーサー８は周囲と合金化されていないので、外力ａの作用下で空隙と同様に機能する。つまり、その厚さ寸法ｃは、図１で示した従来のエレクトロスラグ溶接部におけるルート５のギャップと同様に考えることができ、厚さ寸法ｃが著しく狭くなると高い応力集中を生じる。本発明者らの検討によると、厚さ寸法ｃは３mm以上とすることで十分な応力集中低減効果を示すため、厚さ寸法ｃを３mm以上に設定することが好ましい。
【００１６】
［実施の形態２］
図３は、本発明におけるエレクトロスラグ溶接により接合されたＴ継手の第２の実施の形態を示す図である。
エレクトロスラグ溶接により接合された角形鋼管柱としての四面ボックス柱のスキンプレート１と内ダイアフラム２のＴ継手において、スキンプレート１と内ダイアフラム２との間の溶接金属部６が直方体の鋼製裏当て金４とセラミックス製スペーサー８で挟まれており、セラミックス製スペーサー８が内ダイアフラム２と鋼製裏当て金４との間に配置されている。
ここで、セラミックス製スペーサー８は周囲と合金化されていないので、外力ａの作用下で空隙と同様に機能する。つまり、セラミックス製スペーサー８は、鋼製裏当て金４とスキンプレート１、溶接熱影響部７、溶接熱影響部６、内ダイアフラム２の間の応力伝達を遮断する働きをしており、ルート５が存在してもその応力集中は低い。セラミックス製スペーサー８の厚さ寸法ｃは、薄すぎると溶接前の組み立てが困難なため、厚さ寸法ｃを３mm以上に設定することが好ましい。
【００１７】
なお、図２と図３のいずれの実施形態においても、エレクトロスラグ溶接時は、鋼製裏当て金４が仮止め３で前記内ダイアフラム２もしくは前記スキンプレート１に接続されている。さらに、鋼製裏当て金４とセラミックス製スペーサー８は、ともに溶接線方向に少なくとも４つ以上のマグネットクランプ９でスキンプレート１もしくは内ダイアフラム２に固定しても良い。ここで、溶融金属からの伝熱で鋼製裏当て金４とスキンプレート１もしくは内ダイアフラム２が加熱され磁気変態点を超えると、その部位のマグネットクランプ９は脱落するが、
１）その時点で一部の溶融金属は既に凝固し、スキンプレート１と内ダイアフラム２と鋼製裏当て金４は部分的に溶接金属６で接続されており、さらに凝固時の熱収縮でセラミックス製スペーサー８は挟まれたまま固定されること、
２）また、溶接終端を含む未加熱部では他のマグネットクランプが鋼製裏当て金４とスキンプレート１もしくは内ダイアフラム２を固定していること、
等により、エレクトロスラグ溶接時にセラミックス製スペーサー８が脱落することはほとんどない。
【００１８】
また、溶接後にセラミックス製スペーサー８が脱落しても、そこは空隙として応力伝達を遮断する働きをするため、ルート５での応力集中を低下させることに変わりはない。
ここで、セラミックス製スペーサー８は、周囲の鋼と合金化しなければ良く、セラミックスの素材は公知のものを使用することができる。例えば、ニッテツ表当材ＮＴ−４１Ｈの固形材で用いるセラミックスが該当する。また、周囲の鋼と合金化しなければ、セラミックス製スペーサー８の素材を固形フラックスとしても良い。
【００１９】
以上の実施の形態によれば、加工が容易な直方体形状のセラミックス製スペーサー８を利用し、スキンプレート１と鋼製裏当て金４の間、又は内ダイアフラム２と鋼製裏当て金４の間にセラミックス製スペーサー８を適切に配置することで、ルート５の応力集中を防止することができる
そして、本発明によりルート５の応力集中を低下させれば、それだけでＴ継手の耐脆性破壊特性を向上できるため、スキンプレート１、内ダイアフラム２、鋼製裏当て金４の鋼素材、および仮止め３、溶接金属部６、溶接熱影響部７の溶接条件は公知のもので良い。例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ３１３６に準拠する建築構造用圧延鋼材、日本建築学会編「建築工事標準仕様書  ＪＡＳＳ６  鉄骨工事」や日鐵溶接工業株式会社編「ニッテツ溶接材料・機器ハンドブック」に規定されている溶接条件を使用することができる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例を説明する。
この実施例では、ＪＩＳ  Ｇ  ３１３６  ＳＮ４９０Ｃに準拠する下限引張強さが４９０N/mm2の建築構造用鋼を数種類、あるいは建設大臣認定ＳＡ４４０Ｃに準拠する下限引張強さが５９０N/mm2の建築構造用鋼板を数種類用いて、前記図１に示すような従来のエレクトロスラグ溶接継手に仕口を溶接し図４に示すようなエレクトロスラグ溶接継手試験体を製作した。ここで、鋼製裏当て金４は、厚さ２５mm、スペーサーはセラミックス製で厚さ３mmから１０mm、鋼製で厚さ３mmとした。スキンプレート１のエレクトロスラグ溶接の逆側にはＣＯ2溶接による多層盛り１０で荷重伝達板との仕口１１を設け、スキンプレート１の長手方向と垂直に試験体を引っ張ることが可能な十字継手を形成した。さらに、本発明の試験体としては、前記図２のように、スキンプレート１と鋼製裏当て金４（あて金）との間にスペーサーが配置されたものと、前記図３のように、内ダイアフラム２と鋼製裏当て金４（あて金）との間に配置されたものと、スペーサーが無いものとのそれぞれに図４のような仕口１１を溶接した試験体を製作した。
【００２１】
以上のエレクトロスラグ溶接継手試験体を−２０℃で引っ張り、脆性破壊発生に対応する限界荷重を評価した結果を表１に示す。
表１において、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１１の試験体は、本発明の継手構造を適用した例であって、いずれの試験体でも高い限界荷重を示し、耐脆性き裂発生特性は良好であった。ここで、高い限界荷重としては、例えば、内ダイアフラム材が降伏するまでの荷重、又は仕口材が破断耐力に達するまでの荷重が望ましい。
一方、表１において、Ｎｏ．１２〜Ｎｏ．１９の試験体は、比較例であり、Ｎｏ．１２とＮｏ．１７の試験体は図１と同様、通常のエレクトロスラグ溶接継手で、ルートから容易に脆性き裂が発生したため、低い限界荷重で破断した。Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１６、Ｎｏ．１８及びＮｏ．１９の試験体は、スペーサーの素材としてセラッミックスや固形フラックスではなく鋼を使用したため、スペーサーが溶着しルートで高い応力集中が生じ、低い限界荷重で破断した。
【００２２】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のエレクトロスラグ溶接継手における脆性き裂の発生、進展を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】実施例の比較例に係るエレクトロスラグ溶接継手試験体を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  柱スキンプレート
２  内ダイアフラム
３  仮止め
４  鋼製裏当て金
５  未溶着（ルート）
６  エレクトロスラグ溶接の溶接金属部
７  エレクトロスラグ溶接の溶接熱影響部
８  セラミックス製スペーサー
９  マグネットクランプ
１０  ＣＯ2溶接による多層盛り
１１  仕口
ａ  エレクトロスラグ溶接継手に作用する外力を示す矢印
ｂ  ルートを起点とする脆性き裂の発生・進展を示す矢印
ｃ  セラミックス製スペーサーの厚さを示す矢印
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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