(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈ形鋼製の梁をＨ形鋼製の柱のフランジ部にノンダイヤフラムにて剛接合する柱梁接合構造であって、
前記柱に前記梁の曲げにより発生する梁の軸方向力が加わった際に、前記柱より前記梁が先に降伏するように前記柱と前記梁の断面形状バランスを設定し、前記柱と前記梁の断面形状バランスを次式によって特定したことを特徴とする柱梁接合構造。
【数１】
0004719985.tif 000007
【請求項２】
柱のウェブに弱軸方向に向けて梁をボルト接合したことを特徴とする請求項１記載の柱梁接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は柱と梁の接合構造に関し、特にＨ形鋼の柱と梁の接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来のＨ形鋼からなる柱と梁（以下においては単に「柱」「梁」という）の接合構造の説明図であり、柱の水平断面を含む平面図を示している。従来の柱梁接合構造は、図１０に示すように、柱５０の両側の柱フランジ５１に梁５５の梁フランジ５７及び梁ウェブ５９を直接接合している。
そして、対向する柱フランジ５１間に柱ウェブ５３に直角方向に梁フランジ５７と同厚以上のダイアフラム６１を設置している。
ダイアフラム６１を設置するのは、梁５５の応力を柱５０に確実に伝達し、かつ接合部パネル部に図１１（ａ）（ｂ）（図１１（ｂ）はパネル部の側面図）に示すような局部降伏が生ずるのを避けるためである。そして、接合部パネルに局部降伏が生じない結果、柱５０の座屈を防止して建物全体の倒壊を可及的に防止している。
【０００３】
従来の柱梁接合構造に関する他の例として、図１２に示すように、柱フランジ５１に接合したガセットプレート６３に梁ウェブ５９のみをボルト接合したピン接合構造がある。この接合構造では柱５０に対して梁５５のせん断力と軸方向力のみを伝達して曲げを伝えないため、ダイアフラムを設けないのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示した接合構造においては、ダイアフラム６１を取り付けるための裏はつり等の溶接施工が難しく、材料コストおよび施工コストの増加につながるという問題がある。
また、柱の弱軸方向（柱５０のウェブ５３に直交する方向）に梁、壁部材等のその他の部材を接合する場合にダイアフラム６１がじゃまになって施工がやりにくいという問題もある。
また、図１２に示したピン接合構造の場合には、鉛直荷重に対して梁５５の中央部の曲げモーメントが大きくなり、梁５５のたわみも大きくなるため柱スパンが短くなるという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、梁の応力を柱に確実に伝達できると共に、柱の局部降伏が生じにくく施工性にも優れた柱梁接合構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る柱梁接合構造は、Ｈ形鋼製の梁をＨ形鋼製の柱のフランジ部にノンダイヤフラムにて剛接合する柱梁接合構造であって、
前記柱に前記梁の曲げにより発生する梁の軸方向力が加わった際に、前記柱より前記梁が先に降伏するように前記柱と前記梁の断面形状バランスを設定し、前記柱と前記梁の断面形状バランスを次式によって特定したことを特徴とするものである。
【数１】
0004719985.tif 000002
【０００９】
また、柱のウェブに弱軸方向に向けて梁をボルト接合したことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の一実施の形態の説明図であり、梁と柱の接合構造の側面図（図１（ａ））と平面図（図１（ｂ））を示している。図に示すように、本実施の形態における柱と梁の接合構造は、Ｈ形鋼からなる柱１のフランジ部３に、同じくＨ形鋼からなる梁１０を溶接接合し、かつ、柱１にダイヤフラムを設けていない構造である（本明細書においてノンダイヤフラムという）。
【００１１】
このように本実施の形態の柱梁接合構造においては、ダイヤフラムを設けることなく、接合部パネル部に局部降伏が生じないように、柱１と梁１０の断面形状バランスを設定している。
【００１２】
以下、この断面形状バランスについて説明する。
なお、柱と梁の断面形状を構成する各部位、及び応力度については、次のように表記する。
１．柱に関するもの
柱のウェブ厚  ：cｔw
柱のフランジ厚：cｔf
柱のフィレットの半径：ｒ
柱ウェブの降伏引張力：cＰy
柱降伏応力度：cσy
柱フランジに生じる曲げモーメント：bＭy
２．梁に関するもの
梁のウェブ厚  ：bｔw
梁のフランジ厚：bｔf
梁のフランジ幅：bＢ
梁降伏引張力：bＰy
梁降伏応力度：bσy
【００１３】
柱１は柱フランジ３と柱ウェブ５から構成されているので、柱１が局部降伏しないためには柱フランジ３及び柱ウェブ５が梁１０よりも先に降伏しなければよい。逆に言えば、梁１０が柱フランジ３及び柱ウェブ５よりも先に降伏するように設定すればよい。
ところで、柱フランジ３には上下の梁フランジ１３が接合されており、梁１０に下向き荷重が作用した場合には、柱１は梁１０の上フランジ１３からは引張力を受け、下フランジ１３からは圧縮力を受けることになる。ただ、引張力、圧縮力共に柱フランジ３及び柱フランジ３を介しての柱ウェブ５に力を及ぼし、その大きさもほぼ等しいと考えられるので、梁１０の上フランジ１３側における柱１との接合部を検討すれば、それはそのまま下フランジ１３側でも妥当する。
【００１４】
また、柱１は梁１０端部のウェブ１５からも力を受けることになるが、柱１はＨ形鋼であるため、梁ウェブ１５と柱ウェブ５が同軸上に位置しており、梁ウェブ１５の応力は柱ウェブ５に直接伝達され、梁ウェブ１５に発生する応力の柱フランジへ３の影響はない。
また、梁ウェブ１５の応力は、梁ウェブ１５の上下部で最も大きくなり、中央で最小となり、梁フランジ１３の応力よりも小さいので、梁フランジ１３の応力を検討すれば足りる。
このように、梁フランジ１３の応力を検討すれば、梁ウェブ１５の応力を別個に検討する必要はないと言える。
そこで、以下においては、柱１と梁１０の上フランジ１３との接合部に着目し、この部分において柱ウェブ５及び柱フランジ３が梁フランジ１３よりも降伏耐力が大きくなるように設定する方法について説明する。
【００１５】
この設定方法としては、柱ウェブ５及び柱フランジ３における応力負担部分を特定し、この部分における柱ウェブ５の降伏引張力：cＰyが梁降伏引張力：bＰyより大きく、かつ、柱フランジ３の降伏曲げモーメント：cＭyが梁降伏時に柱フランジ３に生じる曲げモーメント：bＭyより大きく設定すればよい。
【００１６】
まず、柱ウェブ５について説明する。
図２は柱ウェブ５の応力負担面積の特定方法の説明図であり、図２（ａ）が側面図、図２（ｂ）が平面図である。図２（ａ）（ｂ）に示すように、柱フランジ３に梁フランジ１３が溶接され、梁フランジ１３から柱フランジ３に対して引張力Ｐが作用すると、この力は柱１の上下方向に一定の広がりをもって伝達される。このとき、柱フランジ３に伝達された力が柱フランジ３の厚み及びフィレット７で一定の角度で上下方向に広がりながら伝達されると考えられる。
【００１７】
そこで、この上下方向への広がりを柱フランジ３の厚み及びフィレット７の半径ｒを用いて表すと、α（応力分布係数），δを定数としてα（cｔf＋δｒ）と表すことができる。ここで、ｒにδを乗じたのは、力の広がりに関しては柱フランジ３よりもフィレット７の影響は小さいと考えられるが、この影響をどの程度と見るかが不明なためである（この点は後に明らかにする）。
上下方向への広がりをα（cｔf＋δｒ）とした場合、柱ウェブ５の応力負担部分の面積Ａwは（柱ウェブ厚）×（柱ウェブ負担高さ）となり、次の式（１）で表現できる。
Ａw＝cｔw（bｔf＋α（cｔf＋δｒ））・・・・・・・（１）
したがって、柱の局部降伏耐力式は
cＰy＝cσy×Ａw
＝cσy×cｔw（bｔf＋α（cｔf＋δｒ））・・・（２）
と表現できる。
【００１８】
ここで、まず、δ値の決定方法について説明する。
ｒ＝２６ｍｍとｒ＝５２ｍｍとした２つのＦＥＭ解析を行った結果得られた解析値（Ａ２６、Ａ５２）と、上記の式において仮にα＝３，δ＝１とした時の、ｒ＝２６ｍｍとｒ＝５２ｍｍの場合における計算値（Ｂ２６、Ｂ５２）をそれぞれ求める。
この結果、Ａ２６＝Ｂ２６となってもＡ５２＝Ｂ５２とはならなかった。このことから、仮にα＝２とした場合には、Ａ５２＝Ｂ５２にはなったとしても、反対にＡ２６＝Ｂ２６とはならないことなる。
これは、δ＝１と仮定したことがｒの影響を大きく評価し過ぎていることを意味する。
【００１９】
そこで、ある一つのαに対する計算値が、ぞれぞれ解析値（Ａ２６，Ａ５２）と等しくなるためのｒの係数を求めることを考える。
αを変数として、その他のパラメータは全て決まっているとすると、上記式（２）について以下のような式が立てられる。
Ａ２６＝Ｘ＋α26×（Ｙ＋２６δ）・・・・・・・・・・・・（３）
Ａ５２＝Ｘ＋α52×（Ｙ＋５２δ）・・・・・・・・・・・・（４）
但し、Ｘ，Ｙは固定値とする。
前述のように、δ＝１として上記２式からそれぞれ得られるα26（＝３）とα52（＝２）は等しくならない。
【００２０】
そこで、ｒの係数δを１／２，１／３、１／４・・・・と変えて同じように式を立て、このときの、α26／α52を縦軸に、ｒの値を横軸にとってグラフに示すと図３のようになる。
【００２１】
図３から判るように、δ＝０．２（１／５）のときにα26／α52＝１となっており、この時のαをα’とし、式（２）による計算値をＢ’とすれば、
Ｂ’＝Ｘ＋α'×（Ｙ＋ｒ／５）・・・・・・・・・・・・・（５）
となり、ｒ＝２６ｍｍとｒ＝５２ｍｍをそれぞれ代入して得られるＢ’２６、Ｂ’５２、はそれぞれ解析値であるＡ２６、Ａ５２と一致し、Ｂ’２６＝Ａ２６かつＢ’５２＝Ａ５２となる。
以上より、フレットの影響を決定する係数δは１／５が適切であることが判明した。
そこで、δ＝１／５を式（２）に代入すると、
cＰy＝cσy×Ａw
＝cσy×cｔw（bｔf＋α（cｔf＋１／５ｒ））・・・・・（６）
となる。
【００２２】
以上のように柱の局部降伏耐力式を特定できたので、次に、実際のＦＥＭ解析結果と上記の式（６）の計算結果からαの値を求める。
図４はＦＥＭ解析結果と式（６）の結果との対比から得られる応力分布係数αと柱ウェブ厚cｔwの関係を示すグラフであり、縦軸が応力分布係数αを、横軸が柱ウェブ厚cｔwをそれぞれ示している。
図４のグラフからα＝２．５が最小値であり、α＝２．５として断面形状バランスを特定すれば柱ウェブ５の強度としては最も安全側になる。
従って、式（６）にα＝２．５を代入し、柱ウェブ５の降伏引張力：cＰyを特定する。
cＰy＝cσy×cｔw（bｔf＋２．５（cｔf＋１／５ｒ））・・・（７）
【００２３】
式（７）は柱ウェブ５の降伏引張力を示しているので、梁フランジ１３が柱ウェブ５に先行して降伏するためには、柱ウェブ５の降伏引張力：cＰyが梁降伏引張力：bＰy＝bＢ×bｔf×bσyよりも大きいこと、すなわちcＰy＞bＰyとなることが必要条件となる。
このcＰy＞bＰyを具体的に示すと次の式（８）になる。
【００２４】
【数３】
0004719985.tif 000003
【００２５】
次に、柱フランジ３について説明する。
図５は柱フランジ３の応力負担部分の特定方法の説明図であり、柱フランジ３と梁フランジ１３の接合部を側方から見た図である。図５に示すように、柱フランジ３に梁フランジ１３が溶接され、梁フランジ１３から柱フランジ３に対して引張力Ｐが作用すると、この力は柱フランジ３の上下方向一定の範囲で応力負担される。そこで、この範囲を、定数β（応力分布係数）を用いてβbｔfと表現する。
ところで、柱フランジ３の降伏モーメントcＭyは断面係数Ｚcを用いて表すとcＭy＝cσyＺcとなる。
そして、このcＭyを上記の柱フランジの応力負担高さβbｔfを用いて表せば、次の式（９）になる。
cＭy＝cσy（β×bｔf×cｔf2）／６・・・・・・・・・・・・（９）
【００２６】
次に、実際のＦＥＭ解析結果と上記の式（９）の算出結果からβの値を求める。
図６はＦＥＭ解析結果と式（９）の計算結果との対比から得られる応力分布係数βと柱ウェブ厚cｔwの関係を示すグラフであり、縦軸が応力分布係数βを、横軸が柱ウェブ厚cｔwをそれぞれ示している。
図６のグラフから判るようにβ＝４．５が最小値であり、β＝４．５として断面形状バランスを特定すれば柱フランジ３の強度としては最も安全側になる。
したがって、柱フランジ３の降伏モーメントcＭyは次式（１０）のように表現できる。
cＭy＝cσy（４．５×bｔf×cｔf2）／６・・・・・・・・・（１０）
【００２７】
一方、梁降伏時に柱フランジ３に生じる曲げモーメントをbＭyとし、このbＭyの値を求める。
図７はbＭyの求め方の説明図であり、柱梁接合部の平面図である。そして、図７（ａ）が各部の寸法関係の説明図であり、図７（ｂ）が梁フランジ１３に生ずる単位長さ当たりの応力を示している。
【００２８】
本実施の形態においては、図７（ａ）に示すように、柱フランジ片側荷重負担幅Ｌを次式（１１）のように特定した。
Ｌ＝（ｂＢ−（cｔw＋２×ｒ）／２）／２・・・・・・・・・（１１）
このように、柱フランジ片側荷重負担幅をＬとして、柱フランジ３は外側端部を自由端、中央側を固定端とする片持梁とみなすことができる。そして、このとき、柱断面より梁フランジ１３に生じる応力分布は直線的に変化し、図７（ｂ）に示すように柱フランジ３の外端側から中央に向けて除々に大きくなり、中央部で最大となることが解析結果から判明した。なお、柱フランジ３の外端部の応力をω1、中央部の応力をω2、柱フランジ３を片持梁と見なしたときの固定端における応力をω3としている。
【００２９】
そして、柱断面位置により梁フランジ１３に生じる応力分布が図７（ｂ）に示すように直線変化することから、この変化率を梁１０の中央部と端部の応力比率を上記負担幅Ｌと柱フランジ厚cｔfの幅厚比cｔf／Ｌを用いて近似し、中央部応力ω2と端部応力ω1をそれぞれ次式（１２），（１３）で表す。
ω1＝（cｔf／Ｌ）ω2      ・・・・・・・・・・・・（１２）
ω2＝２ω／（１＋cｔf／Ｌ） ・・・・・・・・・・・（１３）
ここで、ωは等分布としたときの単位長さ当たりの応力である。
【００３０】
bＢ−２Ｌの幅（図７（ａ）の中央部）では、完全剛で曲げによる影響はないものとすると、固定端での応力ω3はω1、ω2を用いて次式（１４）のように表すことができる。
ω3＝（１−２Ｌ／bＢ）ω1＋（２Ｌ／bＢ）ω2・・・・（１４）
そして、長さＬの片持ち梁の自由端にω1、固定端にω3の荷重を受けたときの固定端部に生じる曲げモーメントＭは、梁の公式から次式（１５）によって求められる。
Ｍ＝（２ω1＋ω3）Ｌ2／６  ・・・・・・・・・・・（１５）
そして、梁降伏応力度をbσyとすれば、梁降伏時においては、ω＝bσy×bｔfとなるので、梁降伏時の固体端部に生じるモーメントbＭyは、式（１５）に式（１２）〜（１４）を代入すると共にω＝bσy×bｔfの関係を代入することによって次式（１６）のようになる。
【００３１】
【数４】
0004719985.tif 000004
【００３２】
以上のようにして、cＭyとbＭyが式により特定できたので、梁が柱フランジより先に降伏するための条件、cＭy＞ｂＭｙは次式（１７）となる。
【００３３】
【数５】
0004719985.tif 000005
【００３４】
以上から、梁が柱より先に降伏するための条件はcＰy＞bＰyかつcＭy＞ｂＭｙであり、具体的には式（８），（１７）を満たすことであり、次式（１８）になる。
【００３５】
【数６】
0004719985.tif 000006
【００３６】
以上のように本実施の形態１においては、ダイヤフラムを設けることなく、接合部パネル部に局部降伏が生じないように、柱１と梁１０の断面形状バランスを設定したので、ダイアフラムを設置することに伴う施工および加工コストを減少させることができる。
【００３７】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２の説明図である。この実施の形態２においては、実施の形態１に示した柱梁接合構造を採用し、弱軸方向にＨ形鋼からなる別の梁を柱のウェブにボルト接合したものである。
【００３８】
図８（ａ）においては、ガセットプレート２１を柱ウェブ５に溶接し、これに梁ウェブ１５をボルト接合したものである。
また、図８（ｂ）は柱弱軸方向に設置する梁の先端部に接合用プレート２３を溶接し、この接合用プレート２３を柱ウェブ５にボルト接合したものである。
【００３９】
以上のように本実施の形態においては、実施の形態１の断面形状バランスを採用することにより柱弱軸側のダイヤフラムを不要とした結果、柱弱軸方向に梁を簡単に設置することができる。
【００４０】
【実施例】
梁をＲＨ−６００×２００×１１×１７とした場合と、ＲＨ−９００×３００×１６×２８とした場合の２通りについて、実施の形態１における（１８）式を用いて求めたノンダイアフラムとすることが可能な柱断面の範囲を具体例に示す。
なお、柱フランジ幅は梁幅と同じとし、柱せいはＨ＝４５２＋２×cｔfとしている。
【００４１】
図９は、この具体例の範囲を示す図であり、図９において縦軸は柱フランジ厚、横軸は柱ウェブ厚をそれぞれ示しており、図中において影を付けた部分が適用可能な範囲を示している。
【００４２】
なお、上記の説明では梁を柱に先行して降伏させるために柱と梁の断面形状バランスを特定することとして説明したが、柱と梁の材料強度の違いによっては、断面形状が同じであっても、梁を柱に先行して降伏させることはできる。
したがって、本発明のこのような場合も含むものである。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、柱に梁の曲げにより発生する梁の軸方向力が加わった際に、柱より梁が先に降伏するように柱と梁の降伏耐力を設定したことにより、柱フランジおよびウェブの局部降伏を生じないための十分な剛性を確保したノンダイアフラム構造が可能となり、施工および加工コストを低減させることができる。
また、柱梁接合部をノンダイアフラム構造とすることにより、柱の弱軸方向に梁を簡易なボルト接合で取り付けることが可能となる。
さらに、柱の強弱軸方向で異なるせいの梁を簡易に取り付けることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態の説明図である。
【図２】  本発明の一実施の形態の柱ウェブの応力負担面積の特定方法の説明図である。
【図３】  本発明の一実施の形態の柱ウェブの応力負担面積の特定方法の説明図である。
【図４】  本発明の一実施の形態の柱ウェブの応力負担面積の特定方法の説明図である。
【図５】  本発明の一実施の形態の柱フランジの応力負担面積の特定方法の説明図である。
【図６】  本発明の一実施の形態の柱フランジの応力負担面積の特定方法の説明図である。
【図７】  本発明の一実施の形態の柱フランジの応力負担面積の特定方法の説明図である。
【図８】  本発明の実施の形態２の説明図である。
【図９】  本発明の実施例の説明図である。
【図１０】  従来のＨ形鋼からなる柱とＨ形鋼からなる梁の接合構造の説明図である。
【図１１】  従来のＨ形鋼からなる柱とＨ形鋼からなる梁の接合構造の問題点の説明図である。
【図１２】  他の従来例の説明図である。
【符号の説明】
１  柱
３  柱フランジ
５  柱ウェブ
１０  梁
１３  梁フランジ
１５  梁ウェブ
【図１】
0004719985.tif 000008
【図２】
0004719985.tif 000009
【図３】
0004719985.tif 000010
【図４】
0004719985.tif 000011
【図５】
0004719985.tif 000012
【図６】
0004719985.tif 000013
【図７】
0004719985.tif 000014
【図８】
0004719985.tif 000015
【図９】
0004719985.tif 000016
【図１０】
0004719985.tif 000017
【図１１】
0004719985.tif 000018
【図１２】
0004719985.tif 000019