(57)【要約】【課題】エレクトロスラグ溶接により作製されるＴ継手部にルートが存在しても、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、内ダイアフラム２のＴ継手溶接部に隣接するとともに溶接線に交差して延び内ダイアフラム２を板厚方向に貫通する貫通スリット８を形成しておき、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た後に、Ｔ継手部に少なくとも１本以上の貫通スリット８が残留するように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継手部において、当該Ｔ継手溶接部に隣接するとともに溶接線に交差して延び、かつ前記内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通スリットが、当該Ｔ継手毎に少なくとも１本形成されていることを特徴とする柱梁接合部。
【請求項２】
前記Ｔ継手の溶接部と反対側の前記貫通スリット先端には、当該貫通スリットの幅寸法よりも大きい径寸法を有し、かつ当該内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通穴が設けら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】
前記内ダイアフラムは、溶接時において一対の鋼製裏当て金で挟持されて前記スキンプレートの内面に仮止めされ、前記溶接部と反対側の前記貫通スリットの先端は、前記スキンプレートの反対側に位置する前記鋼製裏当て金の端縁よりも、所定距離だけ延びた位置に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の柱梁接合部。
【請求項４】
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と前記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Ｔ継手部を形成する以前に、当該Ｔ継手の溶接部に隣接するとともに溶接線に交差して延びるように、前記内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通スリットを当該Ｔ継手毎に少なくとも１本以上加工しておき、
前記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てから、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し、この溶接後、前記Ｔ継手部に少なくとも１本以上の前記貫通スリットを残留させることを特徴とする柱梁接合部の製造方法。
【請求項５】
前記Ｔ継手の溶接部と反対側の前記貫通スリット先端には、当該貫通スリットの幅寸法よりも大きい径寸法を有し、かつ当該内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通穴が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の柱梁接合部の製造方法。
【請求項６】
前記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際に、当該内ダイアフラムを挟持する一対の鋼製裏当て金を用い、
前記溶接部と反対側の前記貫通スリットの先端は、前記スキンプレートの反対側に位置する前記鋼製裏当て金の端縁よりも、所定距離だけ延びた位置に設けられていることを特徴とする請求項４または請求項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。
一般に、溶接構造体に外力が作用した際の破壊を防止するためには、き裂の起点となるルートの局部応力を下げる必要がある。き裂起点の局部応力を下げる方法としては、次のような方法等が考えられる。
（１）  該当ルート部の形状を変更し、応力の流れを滑らかにする方法。
（２）  該当ルート部の拘束度を低下させる方法。
（３）  該当ルート部の引っ張りの溶接残留応力を低下させる方法。
（４）  （１）〜（３）が重畳する方法。
（１）では、加工が容易ではなくコストが高くなるが、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、ルートの応力集中を緩和するもの（例えば、特許文献１参照）が提案されている。（２）では、内ダイアフラムにその板厚を貫通する穴を設けることで、ルート近傍の拘束度を低下させるもの（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９２４８７号公報
【特許文献２】特開２００４−１６２３４０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（１）のような方法では実施工の工期やコストの制約を受け、前記（２）のような方法では柱梁接合部の剛性低下が起き、これらをそれぞれ勘案すると、いずれの方法も適用できないという問題があった。また、前記（３）の方法に関する改善が期待されていたが、（３）の方法に関しては有効な具体的手段が見つかっていなかった。
以上のように、建築鉄骨に用いられるの角形鋼管柱と内ダイアフラムのエレクトロスラグ溶接部では、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にルートが存在しても、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、エレクトロスラグ溶接で接合される内ダイアフラムにおいて、板厚を貫通するスリットを適切に加工することで引っ張りの溶接残留応力が緩和され、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継手部において、当該Ｔ継手溶接部に隣接するとともに溶接線に交差して延び、かつ前記内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通スリットが、当該Ｔ継手毎に少なくとも１本形成されてい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Ｔ継手の溶接部と反対側の前記貫通スリット先端には、当該貫通スリットの幅寸法よりも大きい径寸法を有し、かつ当該内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通穴が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
（３）さらに、本発明の柱梁接合部では、前記内ダイアフラムは、溶接時において一対の鋼製裏当て金で挟持されて前記スキンプレートの内面に仮止めされ、前記溶接部と反対側の前記貫通スリットの先端は、前記スキンプレートの反対側に位置する前記鋼製裏当て金の端縁よりも、所定距離だけ延びた位置に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
（４）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と前記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Ｔ継手部を形成する以前に、当該Ｔ継手の溶接部に隣接するとともに溶接線に交差して延びるように、前記内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通スリットを当該Ｔ継手毎に少なくとも１本以上加工しておき、前記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てから、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し、この溶接後、前記Ｔ継手部に少なくとも１本以上の前記貫通スリットを残留させることを特徴とする。
【００１１】
（５）この際、本発明の柱梁接合部の製造方法では、前記Ｔ継手の溶接部と反対側の前記貫通スリット先端には、当該貫通スリットの幅寸法よりも大きい径寸法を有し、かつ当該内ダイアフラムを板厚方向に貫通する貫通穴が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
（６）さらに、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際に、当該内ダイアフラムを挟持する一対の鋼製裏当て金を用い、前記溶接部と反対側の前記貫通スリットの先端は、前記スキンプレートの反対側に位置する前記鋼製裏当て金の端縁よりも、所定距離だけ延びた位置に設けら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、スキンプレートにエレクトロスラグ溶接で接合される内ダイアフラムに貫通スリットを形成したことで、溶接時における溶接線周辺の拘束が緩和され、熱膨張、収縮に起因する引っ張りの溶接残留応力が低減され、ルートを起点とする脆性破壊の発生を防止または低減させることができる。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にルートが存在する場合であっても、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り、図１(Ａ)は、平面図で、図１(Ｂ)は、側面図である。
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、前記溶接金属６の周囲は、例えば溶接線の中央近傍で、溶接線方向及びそれと垂直に引っ張りの残留応力が生じ、この残留応力がルート５の周囲の拘束度を上げ、かつ局部応力の増加をもたらす。そして、大地震によりエレクトロスラグ溶接部に大きな外力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。
ところで、溶接残留応力が発生する主な要因は、溶接時の熱膨張、収縮と拘束である。本発明者らは、エレクトロスラグ溶接で接合される内ダイアフラムにおいて、板厚を貫通するスリットを適切に加工することで、溶接線の中央近傍の拘束が緩和され、引っ張りの溶接残留応力が低減され、ルート５を起点とする脆性破壊が起こりにくくなることを見出した。
【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り、図２(Ａ)は、平面図で、図２(Ｂ)は、側面図である。
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、内ダイアフラム２における溶接部に隣接した位置には、溶接線に交差して延び内ダイアフラム２を板厚方向に貫通する貫通スリット８が少なくとも１本形成されている。
ここで、貫通スリット８の幅寸法ｃは特に規定しないが、狭すぎると加工が困難であり、広すぎると溶融金属が凝固する前にスリットの深くまで流れ込む可能性がある。よって、スリットの幅寸法ｃは１mm以上かつ５mm以下に設定することが好ましい。
なお、本実施形態において、貫通スリット８の深さは、特に規定されない。ただし、スリット８は浅すぎると溶融金属が流れ込んで塞がれる可能性があるため、鋼製裏当て金４の端部から内ダイアフラム２の方向に長さ寸法ｄだけ延びる（ｄ＞０）ことが好ましく、すなわち貫通スリット８の先端が鋼製裏当て金４の端縁よりもスキンプレート１から離れる側に所定距離だけ延びて設けられることが好ましい。一方、内ダイアフラム２の本来の機能である接続される梁の応力の伝達機能を確保するためには、四面ボックス柱の一面に投影した長さ寸法ｄの左右の合計長さ寸法が、内ダイアフラム２の幅寸法に対して１／２未満であることが好ましい。
また、本実施形態において、貫通スリット８の数の上限は、特に規定されず、適宜な本数に設定することが可能である。
【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り、図３(Ａ)は、平面図で、図３(Ｂ)は、側面図である。
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、内ダイアフラム２における溶接部に隣接した位置には、溶接線に交差して延び内ダイアフラム２を板厚方向に貫通する貫通スリット８が少なくとも１本形成され、この貫通スリット８における溶接部と反対側の先端には、内ダイアフラム２を板厚方向に貫通する貫通穴９が設けられている
ここで、貫通穴９は、貫通スリット８に連続して略円形断面に形成されている。この貫通穴９の直径ｅは、特に規定されないが、貫通スリット８の幅寸法ｃと同等か、貫通スリット８の幅寸法ｃよりも大きな寸法に設定（ｅ＞ｃ）されることが好ましい。
なお、本実施形態においても、スリット８の深さは、特に規定されないが、前述と同様に、長さ寸法ｄが正（＋）となる（ｄ＞０）ように設定されることが好ましく、さらに、ボックス柱の一面に投影した長さ寸法ｄの左右の合計長さ寸法が、内ダイアフラム２の幅寸法に対して１／２未満であることが好ましい。
また、本実施形態においても、貫通スリット８の数の上限は、特に規定されず、適宜な本数に設定することが可能である。
【００１７】
以上のような実施の形態のＴ継手によれば、スキンプレート１にエレクトロスラグ溶接で接合される内ダイアフラム２において、貫通スリット８によって溶接時の溶接線中央近傍の拘束が緩和され、熱膨張、収縮に起因する引っ張りの溶接残留応力が低減され、ルート５を起点とする脆性破壊の発生を防止または低減させることができる。
また、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】
【００１８】
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、図４に示す前記図１で説明したような従来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のエレクトロスラグ溶接継手試験体を製作した。さらに、本発明の実施例に係る試験体では、前記図２あるいは図３で説明したような貫通スリット８あるいは貫通穴９を有する貫通スリット８を予め内ダイアフラム２に加工してから、エレクトロスラグ溶接を行った。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で荷重伝達板としての仕口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。
【００１９】
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．７の試験体は、本発明の継手構造を適用した例であって、いずれの実施例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．８〜Ｎｏ．１１の試験体は、比較例であり、いずれの試験体でも前記図１に示したように、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。
【００２０】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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】
【００２２】
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  内ダイアフラムの板厚貫通スリット
９  内ダイアフラムの板厚貫通穴
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  内ダイアフラムの板厚貫通スリットの幅を示す矢印
ｄ  内ダイアフラムの板厚貫通スリットの深さに関連する量を示す矢印
ｅ  内ダイアフラムの板厚貫通穴の直径を示す矢印
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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