(57)【要約】【課題】少ない溶接量でフランジに水平リブプレートを固定できる梁構造および梁端拡幅方法を提供すること。【解決手段】水平リブプレート９のフランジ７との溶接面１０に、中央に溶接残し２７を残して、Ｋ型開先加工を施す。溶接残し２７の厚さは以下のようにして算出する。まず、水平リブ先端１３の位置でＨ鋼５が曲げ強度Ｍｕに達した状態、すなわち、フランジ７の直応力度σ２が引張強さσｕとなった状態を設定し、梁３のモーメント図２１の勾配２３に応じて梁端１１での直応力度σ１を算出する。そして、梁端１１での水平リブプレート９の直応力Ｐ１が水平リブプレート９とフランジ７間のせん断力で伝わると仮定して、せん断応力度τが終局せん断強度τｕ以下となるような溶接残し２７の厚さを算出する。開先加工された水平リブプレート９を、溶接１５によってＨ鋼５のフランジ７に固定して梁３を形成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートが溶接された梁構造であって、
前記水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、前記Ｈ鋼梁が曲げ強度に達した時に、前記水平リブプレートの前記フランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断強度以下となるように、前記水平リブプレートが開先加工されたことを特徴とする梁構造。
【請求項２】
前記水平リブプレートの開先形状を均等Ｋ開先とすることを特徴とする請求項１記載の梁構造。
【請求項３】
Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートが溶接された梁構造であって、
溶接残しの厚さが前記水平リブプレートの梁中央側の端部から梁端側の端部に向けて減少するように、前記水平リブプレートが開先加工されたことを特徴とする梁構造。
【請求項４】
前記水平リブプレートの開先形状を均等Ｋ開先とすることを特徴とする請求項３記載の梁構造。
【請求項５】
Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートが溶接された梁構造であって、
前記水平リブプレートの梁中央側の端部に、エンドタブが固定されたことを特徴とする梁構造。
【請求項６】
前記エンドタブが、前記水平リブプレートおよび前記フランジに溶接されたことを特徴とする請求項５記載の梁構造。
【請求項７】
Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートを溶接する梁端拡幅方法であって、
前記水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、前記Ｈ鋼梁が曲げ強度に達した時に、前記水平リブプレートの前記フランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断強度以下となるように、前記水平リブプレートの開先加工を行う工程（ａ）と、
前記水平リブプレートと前記フランジとを溶接する工程（ｂ）と、
を具備することを特徴とする梁端拡幅方法。
【請求項８】
前記水平リブプレートの開先形状を均等Ｋ開先とすることを特徴とする請求項７記載の梁端拡幅方法。
【請求項９】
Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートを溶接する梁端拡幅方法であって、
溶接残しの厚さが前記水平リブプレートの梁中央側の端部から梁端側の端部に向けて減少するように、前記水平リブプレートの開先加工を行う工程（ａ）と、
前記水平リブプレートと前記フランジとを溶接する工程（ｂ）と、
を具備することを特徴とする梁端拡幅方法。
【請求項１０】
前記水平リブプレートの開先形状を均等Ｋ開先とすることを特徴とする請求項９記載の梁端拡幅方法。
【請求項１１】
Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートを溶接する梁端拡幅方法であって、
前記水平リブプレートの梁中央側の端部に、エンドタブを固定する工程を具備することを特徴とする梁端拡幅方法。
【請求項１２】
前記エンドタブが、前記水平リブプレートおよび前記フランジに溶接されることを特徴とする請求項１１記載の梁端拡幅方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、梁構造および梁端拡幅方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼管柱とＨ形鋼梁の接合部の地震時の脆性破断を防止するために、（１）板切断によって梁端部のフランジを拡幅する方法、（２）補強水平リブプレートを溶接して梁端部のフランジを拡幅する方法が用いられている。（１）、（２）の方法は、平板からウェブとフランジをそれぞれ切り出して溶接することによりＨ形に成形されるビルト材タイプのＨ鋼、製鉄所での圧延工程および加工工場でのビルトアップ工程でＨ形に成形されるロール材タイプのＨ鋼のいずれにも使用可能である。
【０００３】
図１０は、（１）の方法、すなわち板切断によって端部を拡幅した梁１０７の平面図である。図１０では、端部が拡幅されたＨ鋼１０３を梁１０７として用いる。ビルド材タイプのＨ鋼を用いる場合には、Ｈ鋼１０３は、ウェブと、端部を拡幅したフランジ１０５とをそれぞれ平板から切出して溶接することにより形成される。ロール材タイプのＨ鋼を用いる場合には、Ｈ鋼１０３は、フランジをフランジ１０５のように切断することにより形成される。梁１０７の端部は、柱１０１に接合される。
【０００４】
図１１は、（２）の方法、すなわち補強水平リブプレートを溶接して端部を拡幅した梁１１７の平面図である。図１２は、図１１のＦ−Ｆによる断面図である。図１１では、フランジ１１５の端部に水平リブプレート１１９が固定されたＨ鋼１１３を、梁１１７として用いる。
【０００５】
水平リブプレート１１９は、図１２に示すように、側面が開先加工される。水平リブプレート１１９は、例えば、フランジ１１５との溶接面のせん断応力度τが弾性範囲内となるようにＫ型、レ型等に開先加工され、溶接１２１によってフランジ１１５の端部の両側面に固定される。このとき、フランジ１１５とリブプレート１１９を完全に溶け込ませて一体化する。梁１１７の端部は、柱１１１に接合される。
【０００６】
梁として多く用いられるロール材タイプのＨ鋼では、（２）の方法が適用されることが多い。ビルト材タイプのＨ鋼の場合でも、製作工程の中で、（２）の方法のほうが経済的かつ簡便な場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（２）の方法では、水平リブプレート１１９とフランジ１１５とが完全に一体となるように溶接するので、フランジ１１５が厚い場合、溶接量が多くなり、コストがかかる。また、溶接時の熱によって、水平リブプレート１１９に反りやねじれが生じやすくなる。さらに、溶接熱の影響で、安定した挙動を示すべきリブ先端付近１２３の梁断面が、早期に脆性的破断を起こす危険がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、少ない溶接量でフランジに水平リブプレートを固定できる梁構造および梁端拡幅方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するための第１の発明は、Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートが溶接された梁構造であって、前記水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、前記Ｈ鋼梁が曲げ強度に達した時に、前記水平リブプレートの前記フランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断強度以下となるように、前記水平リブプレートが開先加工されたことを特徴とする梁構造である。
【００１０】
水平リブプレートの開先形状は、均等Ｋ開先とする。水平リブプレートの溶接残しの厚さは、リブ先端、すなわち水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、Ｈ鋼梁が曲げ強度に達したときに、水平リブプレートのフランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断強度以内になるように算出される。
【００１１】
第１の発明では、水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、Ｈ鋼梁が曲げ強度に達した時に、水平リブプレートのフランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断応力度以下となるように、水平リブプレートの開先加工を行う。
【００１２】
第２の発明は、Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートが溶接された梁構造であって、溶接残しの厚さが前記水平リブプレートの梁中央側の端部から梁端側の端部に向けて減少するように、前記水平リブプレートが開先加工されたことを特徴とする梁構造である。
【００１３】
水平リブプレートの開先形状は、均等Ｋ開先とする。水平リブプレートの溶接残しの面積は、例えば、リブ先端、すなわち水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、Ｈ鋼梁が曲げ強度に達したときに、水平リブプレートのフランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断強度以下になるように算出された溶接残しの面積と同等とする。また、梁中央側の端部から梁端側の端部への溶接残しの勾配は、例えば、梁のモーメント勾配に比例したものとする。
【００１４】
第２の発明では、溶接残しの厚さが、水平リブプレートの梁中央側の端部から梁端側の端部に向けて減少するように、水平リブプレートの開先加工を行う。
【００１５】
第３の発明は、Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートが溶接された梁構造であって、前記水平リブプレートの梁中央側の端部に、エンドタブが固定されたことを特徴とする梁構造である。
【００１６】
エンドタブは、水平リブプレートおよびフランジに、溶接によって固定される。エンドタブは、例えば、スチール製等の、溶接可能な材質とする。
第３の発明では、水平リブプレートの梁中央側の端部に、エンドタブを固定する。
【００１７】
第４の発明は、Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートを溶接する梁端拡幅方法であって、前記水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、前記Ｈ鋼梁が曲げ強度に達した時に、前記水平リブプレートの前記フランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断強度以下となるように、前記水平リブプレートの開先加工を行う工程（ａ）と、前記水平リブプレートと前記フランジとを溶接する工程（ｂ）とを具備することを特徴とする梁端拡幅方法である。
【００１８】
第４の発明は、第１の発明の梁構造を形成するための梁端拡幅方法である。水平リブプレートの開先形状は、均等Ｋ開先とする。
第４の発明では、水平リブプレートの梁中央側の端部位置で、Ｈ鋼梁が曲げ強度に達した時に、水平リブプレートのフランジとの溶接面の平均せん断応力度が終局せん断応力度以下となるように、水平リブプレートの開先加工を行う。そして、水平リブプレートとフランジとを溶接する。
【００１９】
第５の発明は、Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートを溶接する梁端拡幅方法であって、溶接残しの厚さが前記水平リブプレートの梁中央側の端部から梁端側の端部に向けて減少するように、前記水平リブプレートの開先加工を行う工程（ａ）と、前記水平リブプレートと前記フランジとを溶接する工程（ｂ）とを具備することを特徴とする梁端拡幅方法である。
【００２０】
第５の発明は、第２の発明の梁構造を形成するための梁端拡幅方法である。水平リブプレートの開先形状は、均等Ｋ開先とする。
第５の発明では、溶接残しの厚さが、水平リブプレートの梁中央側の端部から梁端側の端部に向けて減少するように、水平リブプレートの開先加工を行う。そして、水平リブプレートとフランジとを溶接する。
【００２１】
第６の発明は、Ｈ鋼梁の端部付近のフランジ側面に水平リブプレートを溶接する梁端拡幅方法であって、前記水平リブプレートの梁中央側の端部に、エンドタブを固定する工程を具備することを特徴とする梁端拡幅方法である。
【００２２】
第６の発明は、第３の発明の梁構造を形成するための梁端拡幅方法である。エンドタブは、水平リブプレートおよびフランジに、溶接によって固定される。エンドタブは、例えば、スチール製等の、溶接可能な材質とする。
第６の発明では、エンドタブを、水平リブプレートおよびフランジに溶接する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図１は、柱１と梁３の接合部の平面図、図２は、梁３の鉛直方向の断面図、図３は水平リブプレート９付近の斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａによる断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂによる斜視図である。
【００２４】
図１、図２に示すように、梁３は、Ｈ鋼５、水平リブプレート９等で構成される。Ｈ鋼５の端部付近のフランジ７の両側面８には、水平リブプレート９が固定される。Ｈ鋼５は、例えば、ロール材タイプのＨ鋼である。水平リブプレート９は、例えば、長方形板状の鋼板である。図２、図３に示すように、水平リブプレート９の溶接面１０には、中央に帯状の溶接残し２７を残して両角を落とすＫ型開先加工が施される。開先角度は、例えば、４５°〜６０°程度とする。
【００２５】
第１の実施の形態では、均等Ｋ開先に開先加工された水平リブプレート９を、溶接１５によってＨ鋼５のフランジ７の側面８に固定して、梁３を形成する。水平リブ先端１３での溶接止めには、例えば、セラミックタブを用いる。そして、梁３の梁端１１を柱１に溶接する。柱１は、例えば、鉄骨造角形鋼管柱等である。
【００２６】
図３に示す溶接残し２７の幅は、以下のように算出する。
梁３には、図１の梁３のモーメント図２１に示すように、勾配２３のあるモーメント（Ｍ）が生じる。まず、水平リブ先端１３の位置でのフランジ７のモーメント２２がＨ鋼５の曲げ強度Ｍｕに達した状態を設定する。このとき、水平リブ先端１３の位置でのフランジ７の直応力度をσ２とすると、σ２＝σｕとなる。
【００２７】
次に、図１に示す梁３のモーメント図２１の勾配２３に応じて、σ２＝σｕを用いて、梁端１１でのフランジ７の直応力度σ１を算出する。そして、梁端１１での水平リブプレート９の直応力Ｐ１を式（１）を用いて算出する。但し、ｂｈは、水平リブプレート９の幅２６（図３）を、ｔｆは、水平リブプレート９の厚さ２５（図３）を表す。
【００２８】
Ｐ１＝σ１×ｂｈ×ｔｆ　　　　　　　　………（１）
【００２９】
そして、直応力Ｐ１が水平リブプレート９とフランジ７間のせん断力で伝わると仮定し、水平リブプレート９のフランジ７との溶接面のせん断応力度τを式（２）を用いて求める。ここで、ｌは、梁端１１からモーメント０点までの長さ１７（図１）を、λｌはハンチ長さ１９（図１）を、αはすみ肉サイズの２倍程度の長さを、ｃは溶接残し２７（図３）の厚さを表す。
【００３０】
τ＝Ｐ１／（λｌ−α）（ｔｆ−ｃ）　　　　　　　　　　　………（２）
【００３１】
最後に、水平リブプレート９のフランジ７との溶接面のせん断応力度τが、終局せん断強度τｕ（＝σｕ／３１／２）以下となるように、溶接残し２７の厚さｃを求める。
【００３２】
このように、水平リブプレート９とフランジ７の間のせん断応力度τが、終局せん断強度τｕ（＝σｕ／３１／２）以下となるように溶接残し２７を設けて溶接１５を行うことで、従来のように水平リブプレート９とフランジ７とをＫ開先、レ開先で完全に溶け込ませて溶接する場合と比較して、溶接量がそれぞれ５０％、２５％に低減できる。また、水平リブプレート９のフランジ７との溶接面のせん断応力度τが弾性範囲内となるようにＫ開先、レ開先に加工を行って溶接する場合と比較すると、溶接量がそれぞれ６０％、３０％に低減できる。
【００３３】
第１の実施の形態では、フランジ７と水平リブプレート９との溶接１５の量を低減させることで、溶接による梁３のフランジ７の熱影響を小さくでき、水平リブ先端１３での梁３の早期脆性破断を防止することができる。
【００３４】
また、水平リブプレート９の反りやねじれが生じにくくなる。さらに、フランジ７、水平リブプレート９の板厚が２５ｍｍ程度以下であれば、多くの場合で１パスでの溶接が可能となり、簡便に溶接できる。
【００３５】
次に、第２の実施の形態について説明する。図４は、水平リブプレート９ａ付近の斜視図である。第２の実施の形態では、第１の実施の形態の水平リブプレート９のかわりに、図４に示す水平リブプレート９ａをＨ鋼５に固定する。図４は、第１の実施の形態の図３、すなわち、図１のＢ−Ｂによる斜視図に相当する。水平リブプレート９ａは、例えば、長方形板状の鋼板である。
【００３６】
図５、図６は、水平リブプレート９ａの鉛直方向の断面図を示す。図５は、図４のＣ−Ｃによる断面図、図６は、図４のＤ−Ｄによる断面図である。図４に示すように、水平リブプレート９ａのフランジ７との溶接面１０ａでは、中央に溶接残し２７ａを残して両角を落とすＫ型開先加工が施される。開先角度は、例えば、４５°〜６０°程度とする。
【００３７】
但し、図４から図６に示すように、水平リブプレート９ａでは、溶接残し２７ａの厚さが水平リブ先端１３ａ側から梁端１１側になるにつれて減少し、溶接１５ａの量が増加する。第２の実施の形態では、開先加工された水平リブプレート９ａを、溶接１５ａによってＨ鋼５のフランジ７に固定して、梁３を形成する。水平リブ先端１３ａでの溶接止めには、例えば、セラミックタブを用いる。そして、梁３の梁端１１を柱１に溶接する。
【００３８】
第１の実施の形態の水平リブプレート９と同じ厚さ、幅、長さの水平リブプレート９ａを用いる場合、溶接残し２７ａの面積は、例えば、水平リブプレート９の溶接残し２７の面積と同等とする。第２の実施の形態では、水平リブ先端１３ａの位置でＨ鋼５が曲げ強度に達した時に水平リブプレート９ａのフランジ７との溶接面のせん断応力度が終局せん断応力度以下となるように算出した溶接残しの厚さｃを用いて、溶接残し２７ａの面積を算出する。
【００３９】
溶接残し２７ａの厚さの勾配２８は、例えば、水平リブ先端１３ａから梁端１１まで間の梁３のモーメントの勾配２３（図１）に比例するように設定する。
【００４０】
第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、フランジ７と水平リブプレート９ａとの溶接１５ａの量を低減させることで、溶接による梁３のフランジ７の熱影響を小さくでき、水平リブ先端１３ａでの梁３の早期脆性破断を防止することができる。
【００４１】
また、水平リブプレート９ａの反りやねじれが生じにくくなる。さらに、フランジ７、水平リブプレート９ａの板厚が２５ｍｍ程度以下であれば、多くの場合に１パスでの溶接が可能となり、簡便に溶接できる。
【００４２】
さらに、全溶接量は第１の実施の形態と等しいが、溶接残し２７ａの厚さを、水平リブ端１３ａから梁端１１に近づくにつれ減少させることにより、梁３の耐力、変形性能に最も重要な水平リブ先端１３ａでの溶接量をより少なくできる。
【００４３】
なお、第２の実施の形態では、従来の溶接量のままで、溶接残し２７ａの厚さを水平リブ端１３ａから梁端１１に近づくにつれ減少させてもよい。この場合にも、従来と比較して水平リブ先端１３ａでの溶接量を少なくできる。
【００４４】
なお、第１、第２の実施の形態では、溶接残し２７（２７ａ）の厚さを算出する際に水平リブ先端１３（１３ａ）でのフランジ７の直応力度をσ２＝σｕと設定したが、明らかにσ２がσｕまで達しないことが確認されている場合には、例えば、σ２をσｕよりさらに小さい値である局部座屈強度（ｓσｙ、但しｓは局部座屈耐力上昇率）に達した場合にフランジ７の水平リブプレート９（９ａ）との溶接面の平均せん断応力度がτｕ以下になるように溶接残し２７（２７ａ）の厚さを算出してもよい。この場合、直応力度をσ２＝σｕと設定するよりさらに溶接量を少なくできる。
【００４５】
また、第１、第２の実施の形態では、水平リブ先端１３（１３ａ）での溶接止めにセラミックタブを用いたが、スチールタブや自然止め、まわし溶接等の方法を用いてもよい。Ｈ鋼５は、ビルト材タイプのＨ鋼でもよい。
【００４６】
次に、第３の実施の形態について説明する。図７は、柱１と梁３の接合部付近の斜視図、図８は柱１と梁３の接合部の平面図、図９はフランジ７と水平リブプレート９（９ａ）の溶接部の鉛直方向の断面図である。図９は、図８のＥ−Ｅによる断面図を示す。
【００４７】
図７から図９に示すように、第３の実施の形態では、水平リブプレート９（９ａ）を固定して端部を拡幅した梁３において、水平リブプレート９（９ａ）の水平リブ端１３（１３ａ）とフランジ７に沿って、長方形板状等のエンドタブ２９が設置される。エンドタブ２９は、溶接３１によってフランジ７に、溶接３３によって水平リブプレート９（９ａ）に固定される。Ｈ鋼５は、例えばロール材タイプのＨ鋼であり、水平リブプレート９（９ａ）は、例えば、長方形板状の鋼板である。エンドタブ２９は溶接可能な材質であり、例えばスチール製である。
【００４８】
第３の実施の形態では、開先加工した水平リブプレート９（９ａ）を梁３の端部のフランジ７の両側面に配置し、溶接３１と溶接３３によって、水平リブ先端１３（１３ａ）とフランジ７にエンドタブ２９を固定する。そして、溶接１５によって水平リブプレート９（９ａ）をフランジ７に固定し、梁３を形成する。さらに、梁３の梁端１１を、柱１に溶接する。
【００４９】
または、エンドタブ２９を水平リブ先端１３（１３ａ）に仮止めし、溶接１５によって水平リブプレート９（９ａ）をフランジ７に固定した後、溶接３１と溶接３３によって、水平リブ先端１３（１３ａ）とフランジ７にエンドタブ２９を固定する。
【００５０】
水平リブプレートは、例えば、第１の実施の形態の水平リブプレート９と同様にして溶接残しの厚さを算出し、図９に示すように、均等Ｋ開先に加工される。または、第２の実施の形態の水平リブプレート９ａと同様に溶接残しの厚さを変化させて、均等Ｋ開先に加工してもよい。あるいは、他の形状、角度で開先加工を行ってもよい。
【００５１】
このように、水平リブプレート９（９ａ）とフランジ７の溶接１５を行うためにエンドタブ２９を用いることで、水平リブ先端１３（１３ａ）での溶接１５の欠陥を防ぐことができ、さらに、溶接３１と溶接３３によって水平リブプレート９（９ａ）とフランジ７に固定することにより、溶接１５を行った後の水平リブプレート９（９ａ）の反りやねじれを防止することができる。
【００５２】
また、第１、第２の実施の形態と同様にして開先加工を行った場合、水平リブプレート９とフランジ７とをＫ開先、レ開先で完全に溶け込ませて溶接する場合と比較して、溶接量を低減できる。
【００５３】
なお、第１から第３の実施の形態では、水平リブプレート９（９ａ）を長方形板状としたが、水平リブプレートの形状はこれに限らない。水平リブプレートの形状や幅、長さ等は、従来より用いられている方法で適宜決定する。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、少ない溶接量でフランジに水平リブプレートを固定できる梁構造および梁端拡幅方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】柱１と梁３の接合部の平面図
【図２】梁３の鉛直方向の断面図
【図３】水平リブプレート９付近の斜視図
【図４】水平リブプレート９ａ付近の斜視図
【図５】水平リブプレート９ａの鉛直方向の断面図
【図６】水平リブプレート９ａの鉛直方向の断面図
【図７】柱１と梁３の接合部付近の斜視図
【図８】柱１と梁３の接合部の平面図
【図９】フランジ７と水平リブプレート９の溶接部の鉛直方向の断面図
【図１０】板切断によって端部を拡幅した梁１０７の平面図
【図１１】補強水平リブプレートを溶接して端部を拡幅した梁１１７の平面図
【図１２】図１１のＦ−Ｆによる断面図
【符号の説明】
１………柱
３………梁
５………Ｈ鋼
７………フランジ
９、９ａ………水平リブプレート
１３………水平リブ先端
１５、１５ａ、３１、３３………溶接
２３、２８………勾配
２７、２７ａ………溶接残し
【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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