(57)【要約】【課題】  梁断面，孔径，孔位置に応じて、必要な補強内容が判り、かつ孔位置に応じた補強不要領域が一目で判り、無駄な補強をできるだけ避ける設計が容易に行える鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具を提供する。【解決手段】  この補強標準表示具１０は、次の表１１を備える。見出しとなる列Ｂ０の各行Ａ１〜Ａｍに、行見出し表示１２として各種断面寸法の鉄骨梁の断面寸法情報を表示する。見出しとなる行Ａ０の各列に列見出し表示１３として、ウェブに明ける貫通孔の各種孔径を順に表示する。所定の行Ａｎの行見出し表示１４として、梁端から無補強領域までの距離Ｌ２であることを示す。この無補強領域までの距離Ｌ２を示す行Ａｎにおける各列部分となる各セルＳｎ１〜…内に、上記距離Ｌ２を順に表示する。梁断面および孔径の表示に対応する各セルＳij内に、見出し表示内容に対応する断面寸法情報、孔径、および上記無補強領域までの距離Ｌの各条件に対応する補強内容の表示１５を施す。補強が不要な場合は、補強不要の表示１５ａを施す。【選択図】        図１
2005105674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄骨梁のウェブに貫通孔を設ける場合に、鉄骨梁の貫通孔の形成部周辺を補強する補強内容を示す鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具であって、
表の見出しとなる列の各行に行見出し表示として各種断面寸法の鉄骨梁の断面寸法情報を表示し、上記表の見出しとなる行の各列に列見出し表示として、上記ウェブに明ける貫通孔の各種孔径を順に表示し、上記表の所定の行の行見出し表示として、梁端から無補強領域までの距離を示す行であることを示し、
この無補強領域までの距離を示行における各列部分となる各セル内に、上記無補強領域までの各種の距離を順に表示し、
上記表の断面寸法情報で行見出しが表示された任意の行と孔径で列見出しが表示された任意の列とが交差する領域となるセル内に、見出し表示内容に対応する断面寸法情報、孔径、およびそのセルの位置する列の上記所定行に表示された無補強領域までの距離、の各条件に対応する補強内容を表示し、
このセル内に表示される補強内容は、梁の貫通孔を設ける箇所が上記の無補強領域までの距離以上である場合に、
（梁に作用する曲げモーメント）＜（補強された梁の曲げ耐力）
であって、かつ
（梁に作用するせん断力）＜（補強された梁のせん断耐力）
となる条件を充足する補強内容であり、
この補強内容として、補強が不要であるセルには補強不要の旨を示す表示を施したことを特徴とする鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具。
【請求項２】
請求項１において、上記セル内に表示される上記補強内容の表示は、
次の(16)式で示されるせん断耐力Ｑh が、(8) 式の作用せん断力を上回る場合に補強不要の表示とし、下回る場合に補強量を表示するものとし、
補強量は、式(21)を充足する内容とする鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具。
【数１】
2005105674.tif 000024
ただし、
ｄ：梁端からの距離、
dＱ：梁端からｄ離れた位置に作用するせん断力、
Ｍp ：梁の全塑性モーメント、
ｗ：梁に作用する等分布荷重、
Ｌ：梁スパン、
ｈ：梁せい、
Ｑh ：有孔部のせん断耐力
Ｑph：有孔部ウェブの降伏せん断力
Ｍph：Ｑ＝０時の有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ：Ｑ＝Ｑph時の有孔部フランジの全塑性モーメント、
Ｑh ’：補強有り孔部のせん断力
Ｑph’：補強有孔部ウェブの降伏せん断耐力
Ｍph’：Ｑ＝０時の補強有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ’：Ｑ＝Ｑph時の補強有孔部フランジの全塑性モーメント、
【請求項３】
請求項１または請求項２において、貫通孔の中心位置が鉄骨梁の梁芯から所定の偏芯量までの範囲に位置する場合であること、および貫通孔が複数設けられる場合には、貫通孔間の距離が所定値以上であることを適用条件とする鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具。
【請求項４】
鉄骨梁のウェブに貫通孔を設ける場合に、鉄骨梁の貫通孔の形成部周辺を補強する補強内容を示す鉄骨梁貫通孔の補強設計支援装置であって、
鉄骨梁の断面寸法情報、梁長さ、貫通孔の孔径、および梁端から貫通孔中心までの距離を少なくとも含む条件データを入力しまたは所定のデータ登録手段から取り込む条件入力手段と、
この条件入力手段で得た条件データから、上記補強の有無判定および補強が必要な場合の補強量の演算を行う補強判定演算手段と、
この補強判定演算手段で演算された結果を表示する演算結果表示手段とを備え、
上記補強判定演算手段は、次の(16)式で示されるせん断耐力Ｑh が、(8) 式の作用せん断力を上回る場合に補強不要と判定し、補強必要と判定した場合に、式(21)を充足する補強量の補強内容を演算するものとした鉄骨梁貫通孔の補強設計支援装置。
【数２】
2005105674.tif 000025
ただし、
ｄ：梁端からの距離、
dＱ：梁端からｄ離れた位置に作用するせん断力、
Ｍp ：梁の全塑性モーメント、
ｗ：梁に作用する等分布荷重、
Ｌ：梁スパン、
ｈ：梁せい、
Ｑh ：有孔部のせん断耐力
Ｑph：有孔部ウェブの降伏せん断力
Ｍph：Ｑ＝０時の有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ：Ｑ＝Ｑph時の有孔部フランジの全塑性モーメント、
Ｑh ’：補強有り孔部のせん断力
Ｑph’：補強有孔部ウェブの降伏せん断耐力
Ｍph’：Ｑ＝０時の補強有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ’：Ｑ＝Ｑph時の補強有孔部フランジの全塑性モーメント、
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄骨梁のウェブに、設備用配管類等を通すための貫通孔を設ける場合に、鉄骨梁の貫通孔の形成部周辺を補強する標準の補強内容を示す鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具、および補強設計支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄骨梁のウェブに貫通孔を設けて、設備用配管類を直接貫通させる有孔梁が多用されている。有孔梁を用いて階高を下げれば、鋼材量の削減や外壁面積の削減に繋がり、経済性に大きく貢献する。特に近年では、快適性の追求やＯＡ化の進展に伴って空調容量等が増加し、梁に必要とされる貫通孔の量が増加している。
鉄骨造の梁に貫通孔を設けた場合の問題点は、梁耐力の低下と塑性変形能力の低下である。しかし、有孔梁については学会規準などの一般的な設計規準は定められておらず、各社、各設計者がそれぞれの考え方で標準を定め、補強しているというのが現状である。一般的には、梁貫通孔に作用する曲げモーメントやせん断力の大小にかかわらず、慣例的に貫通孔について補強を行っている。適宜の設計法の論文、書籍等を参考にして、スリーブ孔補強標準図を作成し、実務に活用することも行われているが、鉄骨梁に設ける貫通孔の位置までは考慮されておらず、鉄骨梁の長さ方向のどの位置に貫通孔を設ける場合も、同様な補強を行う補強標準図とされている。
【非特許文献１】加藤勉，金子洋文：鉄骨貫通孔の梁端からの限界距離について，日本建築学会構造系論文集，第４９６号，ｐｐ，１０５−１１２，１９９７．６
【非特許文献２】土井康夫，福知保長：円形孔を有するはりの耐力と設計法，実用的耐力演算算定の提案，日本建築学会構造系論文報告集，第３５７号，ｐｐ４４−５２，９８５．１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
鉄骨梁に作用する曲げモーメント、せん断力は、材長によって変化し、梁端部での応力は大きく、逆に梁中央部の応力は小さい。このため、上記従来のスリーブ孔補強標準図に従うと、梁の中央部に貫通孔がある場合は、過剰な、つまり無駄な補強となる可能性がある。
【０００４】
この発明の目的は、梁断面，孔径，孔位置に応じて、必要な補強内容が判り、かつ孔位置に応じた補強不要領域が簡単に判り、無駄な補強をできるだけ避ける設計が容易に行える鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具、および補強設計支援装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明の鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具（１０）は、鉄骨梁のウェブに貫通孔を設ける場合に、鉄骨梁の貫通孔の形成部周辺を補強する補強内容を示す鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具であって、次の表（１１）により構成される。
この表（１１）は、見出しとなる列（Ｂ０）の各行（Ａ１〜Ａｍ）に、行見出し表示（１２）として各種断面寸法の鉄骨梁の断面寸法情報を表示する。断面寸法情報は、断面寸法諸元であっても、また梁材の断面を示す区分、型番等の情報であっても良い。見出しとなる行（Ａ０）の各列に列見出し表示（１３）として、上記ウェブに明ける貫通孔の各種孔径を順に表示する。所定の行（Ａｎ）の行見出し表示（１４）として、梁端から無補強領域までの距離（Ｌ２）を示す行であることを示す。
この無補強領域までの距離（Ｌ２）を示す行（Ａｎ）における各列部分となる各セル内に、上記無補強領域までの各種の距離（Ｌ２）を順に表示する。
上記表（１１）の断面寸法情報で行見出し（１２）が表示された任意の行（Ａｉ）と孔径で列見出し（１３）が表示された任意の列（Ｂｊ）とが交差する領域となるセル（Ｓij）内に、見出し表示内容に対応する断面寸法情報、孔径、およびそのセル（Ｓij）の位置する列（Ｂｊ）の上記所定行（Ａｎ）に表示された無補強領域までの距離（Ｌ２）、の各条件に対応する補強内容（１５）を表示する。
このセル（Ｓij）内に表示される補強内容（１５）は、梁の貫通孔を設ける箇所が上記の無補強領域までの距離（Ｌ２）以上である場合に、
（梁に作用する曲げモーメント）＜（補強された梁の曲げ耐力）
であって、かつ
（梁に作用するせん断力）＜（補強された梁のせん断耐力）
となる条件を充足する補強内容である。
この補強内容として、補強が不要であるセル（Ｓij）には補強不要の旨を示す表示（１５ａ）を施す。
【０００６】
なお、鉄骨梁の貫通孔の形成部周辺を補強する補強構造は、各種の構造を採用できるが、例えば梁に重ねて溶接する補強プレートを溶接する補強構造とする。この補強構造とする場合に、上記セル内に表示される補強必要な場合の補強内容は、例えば、補強プレートの幅および板厚寸法とする。
【０００７】
この構成の補強標準表示具（１０）は、次のように使用される。設計しようとする鉄骨梁の断面の寸法情報、貫通孔の孔径、および梁端から孔中心位置までの距離に対応して、次のセル内の補強内容を見る。表（１１）中の断面寸法情報で行見出し（１２）が表示された任意の行（Ａｉ）と、孔径で列見出しが表示された任意の列（Ｂｊ）とが交差する領域となる該当セル（Ｓij）を見る。この該当セル（Ｓij）内に、見出し表示内容に対応する断面寸法情報および孔径の場合に必要な補強内容（１５）が示されている。また、この該当セル（Ｓij）内の補強内容は、その該当セル（Ｓij）の位置する列の所定行（Ａｎ）に表示された無補強領域までの距離（Ｌ２）の各条件を充足する補強内容となっており、貫通孔を設ける位置が該当セルのある列の無補強領域までの距離（Ｌ２）よりも梁中央側の位置であれば、補強内容に示された補強を行えば良い。貫通孔を設ける位置が該当セル（Ｓij）の列の無補強領域までの距離（Ｌ２）よりも梁端側であれば、貫通孔を設けることができない。該当セル（Ｓij）内の補強内容として、補強不要の表示（１５ａ）があれば、貫通孔周辺に補強を行う必要がない。
このように、無補強領域までの距離（Ｌ２）を表（１１）中に示すようにしたため、補強標準として、補強が不要であることを簡明に表示でき、無駄に補強を行うことが回避される。また、各セル（Ｓij）内の補強内容を、貫通孔の梁端からの距離を条件に含めた内容としてあるため、孔位置が梁端に近い場合の余裕を補強内容に考慮する必要がなく、補強内容として示す補強量が削減できる。この補強標準表示具（１０）を用いると、これらにより、無駄な補強をできるだけ避ける設計を容易に行うことができる。
【０００８】
この発明の鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具（１０）において、上記セル（Ｓij）内に表示される上記補強内容の表示（１５）は、次の(16)式で示されるせん断耐力Ｑh が、(8) 式の作用せん断力を上回る場合に補強不要の表示とし、下回る場合に補強量を表示するものとし、補強量は、(21)式を充足する補強内容としても良い。
【数３】
2005105674.tif 000003
【０００９】
ただし、
ｄ：梁端からの距離、
dＱ：梁端からｄ離れた位置に作用するせん断力、
Ｍp ：梁の全塑性モーメント、
ｗ：梁に作用する等分布荷重、
Ｌ：梁スパン、
ｈ：梁せい、
Ｑh ：有孔部のせん断耐力
Ｑph：有孔部ウェブの降伏せん断力
Ｍph：Ｑ＝０時の有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ：Ｑ＝Ｑph時の有孔部フランジの全塑性モーメント、
Ｑh ’：補強有り孔部のせん断力
Ｑph’：補強有孔部ウェブの降伏せん断耐力
Ｍph’：Ｑ＝０時の補強有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ’：Ｑ＝Ｑph時の補強有孔部フランジの全塑性モーメント、
【００１０】
この数式(8) 式、(16)式、(21)式による補強有無判断および補強内容が、効果的であることが、有限要素法を用いた数値解析によって検証できた。
なお、補強不要の表示は、(16)式で示されるせん断耐力Ｑh が、(8) 式の作用せん断力を上回る場合に行うが、この場合において、(16)式のせん断耐力Ｑh から安全量を差し引いた値が(8) 式の作用せん断力を上回る場合に補強不要の表示を行うものとしても良い。
【００１１】
この発明の鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具（１０）は、適用条件として、貫通孔の中心位置が鉄骨梁の梁芯から所定の偏芯量までの範囲に位置すること、および貫通孔が複数設けられる場合には、貫通孔間の距離が所定の離間距離以上であることを含むものとしても良い。これらの適用条件は、表（１１）とは別に、または表（１１）中に表示しておくことが望ましい。
【００１２】
この発明の鉄骨梁貫通孔の補強設計支援装置（３０）は、鉄骨梁のウェブに貫通孔を設ける場合に、鉄骨梁の貫通孔の形成部周辺を補強する補強内容を示す鉄骨梁貫通孔の補強設計支援装置であって、鉄骨梁の断面寸法情報、梁長さ、貫通孔の孔径、および梁端から貫通孔中心までの距離を少なくとも含む条件データを入力しまたは所定のデータ登録手段から取り込む条件入力手段（３１）と、この条件入力手段で得た条件データから、上記補強の有無判定および補強が必要な場合の補強量の演算を行う補強判定演算手段（３２）と、この補強判定演算手段（３２）で演算された結果を表示する演算結果表示手段（３３）とを備える。
上記補強判定演算手段（３２）は、次の(16)式で示されるせん断耐力Ｑh が、(8) 式の作用せん断力を上回る場合に補強不要と判定し、補強必要と判定した場合に、式(21)を充足する補強内容を演算するものとする。
【数４】
2005105674.tif 000004
【００１３】
ただし、式中の各文字の示す意味は、補強標準表示具（１０）について示したとおりである。
【００１４】
この構成の補強設計支援装置（３０）によると、鉄骨梁の断面寸法情報、梁長さ、貫通孔の孔径、および梁端から貫通孔中心までの距離等の条件データを入力することで、補強の有無判定、および補強が必要な場合の補強量の演算が行われ、その結果が表示される。そのため必要な補強内容が簡単にわかる。この場合の補強の有無判定および補強量の演算は、梁端から貫通孔中心までの距離を条件に含み、上記の各式によるため、孔位置に応じた必要な補強となり、無駄に補強を行うことが回避される。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具は、鉄骨梁の断面寸法情報と孔径に対応させて補強内容を表示した表において、所定の行に梁端から無補強領域までの距離を示し、補強不要の条件となる箇所にその不要の表示を行うようにしたため、梁断面，孔径，孔位置に応じて、補強の必要有無が一目で判る。また、上記補強内容として梁端から孔位置までの条件を含んだ計算内容を表示するため、標準として示す補強量を、無駄な余裕を省いた補強量とできる。これらにより、過剰な補強をできるだけ無くし、必要な補強を行う設計が簡単に行える。
この発明の鉄骨梁貫通孔の補強設計支援装置は、梁端から貫通孔中心までの距離を条件に含み、上述の数式に従い、梁に作用する曲げモーメント、せん断力、および梁の曲げ耐力、せん断耐力を演算して補強の必要の有無および補強量を示すものであるため、画一的な補強による過剰補強を回避し、補強の不要を明確に示すと共に、過剰とならない必要補強量を示すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１，図２は、この鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具を示し、図３は対象となる鉄骨梁および貫通孔の関係を、図４は鉄骨梁の形状とその補強構造の例をそれぞれ示す。
図４において、鉄骨梁１のウェブ１ａに貫通孔２を設ける場合に、鉄骨梁１の貫通孔２の形成部周辺を補強プレート３等の補強手段で補強する。鉄骨梁１は、Ｉ形鋼からなり、ウェブ１ａと上下のフランジ１ｂを有するものである。貫通孔２は円孔である。補強手段は、補強プレート３の他に、補強管やリブ状のスチフナー等であっても良いが、以下の例は、補強手段が補強プレート３である場合につき説明する。補強プレート３は、ウェブ１ａに重ねて溶接される鋼板であり、鉄骨梁１に明ける貫通孔２よりも略溶接代分だけ大きな径の孔を形成した正方形状ないし矩形状の板とされる。補強プレート３の溶接は、例えばその外周および内周の全周に渡って行われる。補強プレート３をウェブ１ａの両面に設けるか、片面に設けるかは、必要な補強量によって定められる。
【００１７】
図３において、鉄骨梁１に貫通孔２を設ける場合に、どれだけの補強が必要であるか、補強が不要であるか、また設けることが不可能であるかは、鉄骨梁１の断面寸法諸元、貫通孔２の孔径の他に、貫通孔２の梁端からの距離（すなわち柱フェース４ａからの距離）によって変わる。これは、梁端からの距離によって、鉄骨梁１に作用する曲げモーメントおよびせん断力が変わり、梁スパンの中央ほど、荷重要件が軽減されるためである。
貫通孔２の孔径や鉄骨梁１の断面寸法によっても距離が変わるが、同図に示すように、梁端から所定の距離Ｌ１までは、鉄骨梁１に貫通孔２を設けることができない。この領域Ｅ１を塑性化領域Ｅ１と呼ぶことにする。梁端から所定の距離Ｌ２以上の領域Ｅ２は、補強を要しない。これを無補強領域Ｅ２と呼ぶことにする。この塑性化領域Ｅ１と無補強領域Ｅ２との間では、梁端からの距離等に応じた補強量の補強を行えば、支障なく貫通孔２を設けることができる。
【００１８】
図１，図２に示す鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具１０は、このような、梁断面寸法、孔径、孔位置に応じた補強の有無、補強量を、設計の標準として表に示したものである。図２は、補強標準表示具１０となる表１１の全体の概要を示し、図１は図２の一部を拡大して示す。図２に示すように、この実施形態では、鉄骨梁を細幅系列と中幅系列とに区分して、表の上下部分に分けて示しているが、必ずしもこの区分は必要ではない。この補強標準表示具１０は、表１１のみからなるものであっても良く、またこの表１１と補足説明表示手段とを含むものであっても良い。補足説明表示手段については、後に説明する。上記の表１１は、紙等に表示されたものに限らず、例えば電子データであって、画面または用紙等への出力によって、人間が視覚的に表として認識できるものであれば良い。
【００１９】
図１において、この補強標準表示具１０となる表１１は、見出しとなる列Ｂ０の各行Ａ１〜Ａｍ（ｍは任意の整数）に、行見出し表示１２として各種断面寸法の鉄骨梁の断面寸法情報を表示する。断面寸法情報は、断面寸法諸元であっても、また梁材の断面を示す区分、型番等の情報であっても良いが、この実施形態では断面寸法諸元を用いている。この断面寸法諸元として、梁せいＨ、梁幅Ｂ、ウェブ板厚ｔ１、フランジ板厚ｔ２、およびウェブ・フランジ間の角部断面円弧の曲率半径ｒを示している。
【００２０】
見出しとなる行Ａ０の各列には、列見出し表示１３として、上記ウェブ１ｂ（図４）に明ける貫通孔２の各種孔径を順に表示する。図１の例では、「Ｄ＝５０」，「Ｄ＝７５」等の表示形態で、貫通孔直径を示す文字「Ｄ」とその数値とを表示している。
【００２１】
表１１の所定の行Ａｎには、行見出し表示１４として、梁端から無補強領域Ｅ２（図３）までの距離Ｌ２を示す行である旨を示す。梁端の位置は柱フェースの位置のことであり、この表１１では、行見出し表示１４として、「柱フェースから無補強領域までの距離：Ｌ２」と示している。なお、貫通孔２の梁端からの距離は、鉄骨梁１の一端からの距離と他端からの距離とで異なるが、短い方の距離、つまり曲げモーメントが大きく計算される方の距離を上記の距離Ｌ２とする。表１１を使用する場合も上記と同じく、短い方の距離を用いる。
【００２２】
この無補強領域Ｅ２までの距離Ｌ２を示す所定の行Ａｎにおける各列部分となる各セルＳｎ１…内に、無補強領域までの各種の距離Ｌ２を順に表示する。同図の例では、８００mm、１４００mm、７００mm、２０００mm、…の距離を表示している。この各セルＳｎ１…内に示す距離Ｌ２の値は、設計の便宜等に応じて適宜の値とすれば良い。
【００２３】
表１１において、断面寸法情報で行見出し１２が表示された任意の行Ａｉと、孔径で列見出し１３が表示された任意の列Ｂｊとが交差する領域となるセルＳij内に、各見出し表示１２，１３の内容に対応する断面寸法情報、孔径、およびそのセルＳijの位置する列Ｂｊの上記所定行ＡｎのセルＳｎｉに表示された無補強領域までの距離Ｌ２を条件とする補強内容の表示１５を施す。補強内容は、補強構造に応じかつ補強量を含む適宜の内容とすれば良いが、この例では、補強プレート３（図４）の板厚ｔ、幅Ｉ、および１枚か２枚かの区別表示によって補強内容を示している。また、補強プレート３は正方形であるとし、その１辺の寸法を上記の幅Ｉとして示している。
【００２４】
各セルＳij内の補強内容表示１５の補強内容は、鉄骨梁１の貫通孔２を設ける箇所が上記の無補強領域までの距離Ｌ２以上である場合に、
（梁に作用する曲げモーメント）＜（補強された梁の曲げ耐力）
であって、かつ
（梁に作用するせん断力）＜（補強された梁のせん断耐力）
となる条件を充足する補強内容である。
【００２５】
この補強内容として、補強が不要であるセルＳij内には、補強不要の旨を示す表示１５ａを施す。この例では、「無補強」と表示している。補強が不要である複数のセルＳijが隣接する場合に、それらのセルＳijを統合した範囲に、まとめて上記「無補強」等の補強不要の旨を示す表示１５ａを施しても良い。
【００２６】
貫通孔２の孔径が、鉄骨梁１の断面寸法に対して大きい場合は、強度不足となって孔明けが不可であるが、表１１におけるそのようなセル内には「スリーブ穴明け不可」等のような孔明け不可の表示１７が施される。
【００２７】
補強が必要な場合の補強内容の表示１５（１５ａ）は、具体的には次の(16)式で示されるせん断耐力Ｑh が、(8) 式の作用せん断力を上回る場合に補強不要の表示１５ａとし、下回る場合に補強量を表示するものとする。
補強内容は、次の(21)式を充足する内容とする。これら(8) 式、(16)式、(21)式の理由は、後に説明する。
【数５】
2005105674.tif 000005
【００２８】
ただし、
ｄ：梁端からの距離、
dＱ：梁端からｄ離れた位置に作用するせん断力、
Ｍp ：梁の全塑性モーメント、
ｗ：梁に作用する等分布荷重、
Ｌ：梁スパン、
ｈ：梁せい、
Ｑh ：有孔部のせん断耐力
Ｑph：有孔部ウェブの降伏せん断力
Ｍph：Ｑ＝０時の有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ：Ｑ＝Ｑph時の有孔部フランジの全塑性モーメント、
Ｑh ’：補強有り孔部のせん断力
Ｑph’：補強有孔部ウェブの降伏せん断耐力
Ｍph’：Ｑ＝０時の補強有孔部の全塑性モーメント、
Ｍphf ’：Ｑ＝Ｑph時の補強有孔部フランジの全塑性モーメント、
【００２９】
なお、この補強標準表示具１０は、図４のように貫通孔２の中心位置が鉄骨梁１の梁芯と一致する場合、および図５のように貫通孔２が偏心していても、梁芯から孔中心までの偏心量ｅが所定の偏芯量までの範囲に位置する場合に用いることを適用条件としている。図６または図７に示すように、鉄骨梁１に貫通孔２が複数設けられる場合は、隣合う貫通孔２間の距離が所定の離間距離、例えば梁せいＨ以上であることを適用条件とする。この適用条件化で上記曲げ耐力，せん断耐力の条件が充足する補強内容が補強内容表示１５に示される。このような適用条件、および適用条件を説明する図等は、表１１とは別に設けた補足説明表示手段（図示せず）、または表１１中に表示しておくことが望ましい。
【００３０】
この構成の補強標準表示具１０は、次のように使用される。設計しようとする鉄骨梁１の断面の寸法情報、貫通孔２の孔径、および梁端から孔中心位置までの距離Ｌ２に対応して、次のセル内の補強内容を見る。表１１中の断面寸法情報で行見出し１２が表示された任意の行Ａｉと、孔径で列見出し１３が表示された任意の列Ｂｊとが交差する領域となる該当セルＳijを見る。この該当セルＳij内に、見出し表示１２，１３の内容に対応する断面寸法情報および孔径の場合に必要な補強内容が、補強プレート３の板厚，幅、枚数によって示されている。この該当セルＳij内の補強内容は、その該当セルＳijの位置する列Ｂｊの所定行Ａｎに表示された無補強領域までの距離Ｌ２の各条件を充足する補強内容となっており、貫通孔２を設ける位置が該当セルＳijのある列Ｂｊの無補強領域までの距離Ｌ２よりも梁中央側の位置であれば、補強内容表示１５に示された補強を行えば良い。貫通孔２を設ける位置が無補強領域までの距離Ｌ２よりも梁端側であれば、貫通孔２を設けることができない。
【００３１】
該当セルＳij内の補強内容として、補強不要の表示１５ａがあれば、貫通孔周辺に補強を行う必要がない。
【００３２】
このように、無補強領域までの距離Ｌ２を表１１中に示すようにしたため、補強標準として、補強が不要であることを簡明に表示でき、無駄に補強を行うことが回避される。
また、各セルＳij内の補強内容を、貫通孔２の梁端からの距離Ｌ２を条件に含めた内容としてあるため、孔位置か梁端に近い場合の余裕を補強内容に考慮する必要がなく、補強内容として示す補強量が削減できる。例えば、従来の画一的な補強の場合に比べて、全体的に板厚が１サイズ小さくなるなど、補強量が大幅に削減される。
この補強標準表示具１０は、このように経済的な補強標準となっており、これを用いると、無駄な補強をできるだけ避ける設計を容易に行うことができる。
【００３３】
次に、上記各式(8),(16),(21) 等の根拠を説明する。
（１）  有孔梁の設計
（1-1)  終局時に貫通孔に作用する曲げモーメントとせん断力
加藤、金子の文献（非特許文献１）を参考にして、有孔梁の設計式を導く。図８に示すように、水平荷重と等分布荷重ｗを受ける梁を想定する。梁端部（無欠損部）の全塑性状態における曲げモーメントＭE とせん断力ＱE のＭ−Ｑ相関関係（図９）を次式のように仮定する。
【００３４】
【数６】
2005105674.tif 000006
【００３５】
ここで、Ｍp は梁の全塑性モーメント、Ｍpfはフランジの全塑性モーメント、Ｑy はウェブの降伏せん断力（無欠損部）である。
梁が両端でせん断力を考慮した全塑性状態になっている時の曲げモーメント分布は次式で表される。
【００３６】
【数７】
2005105674.tif 000007
【００３７】
ここで、ＭpLとＭpRはそれぞれ左端と右端の全塑性状態における曲げモーメント、Ｌは梁スパン、ｘは梁端からの距離、Ｗは梁に作用する等分布荷重である。
等分布荷重ｗは、終局時においてスパン内に最大曲げモーメントが生じないことを条件とする。この条件は(4) 式で表される。
【数８】
2005105674.tif 000008
【００３８】
全塑性状態における梁端せん断力は次式(5L)，(5R)で表される。
【数９】
2005105674.tif 000009
【００３９】
ここでＱL とＱR は、それぞれ左端と右端の全塑性状態におけるせん断力である。
梁端の全塑性状態における曲げモーメントＭpLとＭpRは、(1) 式のＱE に(5) 式を代入して連立方程式を解けば、次式が得られる。
【数１０】
2005105674.tif 000010
【００４０】
ここでｈは梁せいである。(6) 式を(5) 式に代入すれば、梁端の全塑性状態におけるせん断力ＱL とＱR は次式で表される。
【数１１】
2005105674.tif 000011
【００４１】
梁端からｄ離れた位置に作用するせん断力 dＱL と dＱR は、(3) 式でｘ＝ｄ，Ｌ−ｄとし、(6) 式を用いれば次式で表される。上記のｄは、図１，図３等に示した距離Ｌ２に対応する。
【００４２】
【数１２】
2005105674.tif 000012
【００４３】
梁端からｄ離れた位置に作用する曲げモーメントｄＭpLとｄＭpRは、(2) 式でｘ＝ｄ，Ｌ−とし、(6) 式を用いれば次式で表される。
【数１３】
2005105674.tif 000013
【００４４】
(1-2) 補強の要否判定
全塑性状態における有孔部の曲げ耐力Ｍh とせん断力Ｑh のＭ−Ｑ相関関係を次式で与える（図１０）。
【数１４】
2005105674.tif 000014
【００４５】
ここで、ＭphはＱ＝０時の有孔部の全塑性モーメント、Ｍphf はＱ＝Ｑph時の有孔部フランジの全塑性モーメント、Ｑphは有孔部ウェブの降伏せん断力で、それぞれ次式で与える。
【数１５】
2005105674.tif 000015
【００４６】
ここで、Ｍpfは梁のフランジのみの全塑性モーメントである。αは有孔梁のせん断耐力を求める時の孔中心断面のウェブのせん断耐力に対する低減係数、βは有孔梁の曲げ耐力Ｍphf のＭpfに対する低減係数で、非特許文献２に示されている式を引用する。
【数１６】
2005105674.tif 000016
【数１７】
2005105674.tif 000017
【００４７】
ここでＲは貫通孔の半径、Ｂは梁幅、ｔf はフランジ板厚、ｔW はウェブ板厚である。  (10)式の有孔部の曲げ耐力Ｍh が(9) 式の作用モーメント dＭL および dＭR に等しくなる時の有孔部のせん断耐力Ｑh は次式で表される。
【数１８】
2005105674.tif 000018
【００４８】
このＱh が(8) 式の作用せん断力を上回る場合は補強不要、下回る場合は補強が必要となる。
【００４９】
(1-3) 必要補強量の算定
補強が必要な場合は、板厚ｔp の補強プレートをウェブに溶接して有孔部を補強する。図１１に補強方法を示す。全塑性状態における補強有孔部の曲げ耐力Ｍh ’と、せん断耐力Ｑh ’のＭ−Ｑ相関関係を次式で与える。
【００５０】
【数１９】
2005105674.tif 000019
【００５１】
ここで、Ｍph’はＱ＝０時の補強有孔部の全塑性モーメント、Ｍphf ’はＱ＝Ｑph時の補強有孔部フランジの全塑性モーメント、Ｑph’は補強有孔部ウェブの降伏せん断耐力であり、それぞれ次式で与える。
【数２０】
2005105674.tif 000020
【００５２】
ここで、ｔp は補強プレートの板厚、Ｌp は補強プレートの幅、ｅは有孔部の溶接しろである。
(17)式の補強有孔部の曲げ耐力Ｍh ’が、(9) 式の作用曲げモーメント dＭL と dＭR に等しくなる時の補強有孔部のせん断力Ｑh ’は次式で表される。
【数２１】
2005105674.tif 000021
【００５３】
このＱh ’が(8) 式の作用せん断力を上回ることを条件として、補強プレートの板厚および幅を算定する。
【００５４】
（２）数値解析による検証
有限要素法を用いた数値解析により、設計式ならびに補強の妥当性について検討する。解析方法は材料非線形と幾何学的非線形を考慮した弾塑性有限要素解析で、汎用構造解析プログラムMSC.Marc2000（商品名）を用いて行った。
図１２に解析対象、図１３に有限要素モデルを示す。要素は４節点厚肉シェル要素を用いている。材端に集中荷重が作用する片持梁を想定し、等分布荷重についてはｗ＝０と仮定する。
【００５５】
表１に解析モデルの一覧を示す。解析パラメータは梁サイズについて５種類、材長さについて３種類で、それぞれ無孔梁、有孔梁、補強有孔梁の３種類を設定し、全部で４５例の数値解析を行った。貫通孔の径は梁せいＨの０．６倍とし、梁端からＨ離れた位置に孔を設けた。補強部分の板厚と幅は、３節で導いた設計式に基づいて設定した。
【表１】
2005105674.tif 000022
【００５６】
図１４は、梁サイズH-500x200x10x16 、材長さ3,000mm の解析例について、無孔梁と有孔梁の荷重- 変形関係を比較して示したものある。また図１５は、部材角θ＝0.15の時の開口部周辺の変形及び応力分布の状態を示したものである。無補強有孔梁は開口部周辺の塑性化が先行し、ウェブの座屈に伴って早期に耐力が低下している。一方、補強した有孔梁は、開口部周辺の歪集中が緩和されて、無孔梁と同等の耐力と塑性変形能力を有している。
【００５７】
図１６は耐力上昇率について、有孔梁と無孔梁を比較して示したものである。ここで、耐力上昇率は最大耐力を無孔梁の全塑性モーメントで除したものである。縦軸に有孔梁、横軸に無孔梁の値をとっており、○印は無補強有孔梁、●印は補強した有孔梁を示している。無補強有孔梁は無孔梁に比べて大幅に耐力が低下している。一方、補強した有孔梁は無孔梁に比べてほぼ同等の耐力を有している。
図１７は塑性変形能力について、有孔梁と無孔梁とを比較して示したものである。ここで、塑性変形能力は最大耐力時の変形を全塑性モーメントに対応する弾性部材角で除したものである。縦軸に有孔梁、横軸に無孔梁の値をとっており、○印は無補強有孔梁、●印は補強した有孔梁を示している。無補強有孔梁は無孔梁に比べて大幅に塑性変形能力が低下している。一方、補強した有孔梁は無孔梁に比べて、同等以上の塑性変形能力を有している。
【００５８】
（３）まとめ
このように、梁端部に貫通孔を有する梁を、プレート補強により補強する例について、既往の研究成果を参考にして設計式を導き、数値解析により設計式の妥当性について検討した。梁端部に貫通孔を有する場合でも、プレート補強により適切な補強を施せば、無孔梁と同等の耐力と塑性変形能力を有することを示した。
【００５９】
以上の研究結果に基づいて、上記の補強標準表示具１０（図１，図２）を作成した。この特徴は、次の各点である。
・梁中央部に無補強領域を設定した。
・補強量を梁端からの孔位置に応じて設定した。
・梁端からの孔位置に応じた補強量とすることで、梁端部に孔を明ける場合も示した。
【００６０】
次に、図１８ないし図２１と共に、鉄骨梁貫通孔の補強設計支援装置３０につき説明する。この補強設計支援装置３０は、コンピュータにより構成される。この補強設計支援装置３０は、上記のように鉄骨梁１（図４）のウェブ１ａに貫通孔２を設ける場合に、鉄骨梁１の貫通孔２の形成部周辺を補強する補強内容を示すものであって、次の条件入力手段３１、補強判定演算手段３２、演算結果表示手段３３、および表示装置３４を備える。表示装置３４は、液晶表示装置やＣＲＴ等の画面表示を行う装置である。
【００６１】
条件入力手段３１は、鉄骨梁の断面寸法情報、梁長さ、貫通孔の孔径、および梁端から貫通孔中心までの距離ｄを少なくとも含む条件データを入力し、または所定のデータ登録手段から取り込む手段である。条件入力手段３１によるデータ入力は、キーボード等からオペレータが入力するようにしても、また適宜の建物設計過程で自動入力されるものとしても良い。条件入力手段３１は、具体的には、例えば図１９に示すように、入力画面Ｇ１を表示装置３４に出力し、この画面に、入力項目に対応した空欄部分を設け、この空欄部分に入力項目となる数値または数字，記号等を入力させるものとする。
【００６２】
図１８の演算結果表示手段３３は、補強判定演算手段３２で演算された結果を表示装置３４またはプリンタ等に出力する手段である。図１９の下部に、その演算結果の出力画面Ｇ２の例を示す。同図の例では、入力画面Ｇ１と演算結果の出力画面Ｇ２とが同じ表示装置３４の同じ画面上に並べて表示されている。
【００６３】
図１８の補強判定演算手段３２は、条件入力手段３１で得た条件データから、上記補強の有無の判定および補強が必要な場合の補強量の演算を行う手段である。
この補強判定演算手段は、次の(16)式で示されるせん断耐力Ｑh が、(8) 式の作用せん断力を上回る場合に補強不要と判定し、補強必要と判定した場合に、(21)式を充足する補強内容を演算するものとされる。式中の各符号の示す意味は、補強標準表示具１０について説明した意味と同じである。
【数２２】
2005105674.tif 000023
【００６４】
補強計算としては、補強手段として図４に示すような補強プレート３を用いる場合の板厚、幅、および枚数が１枚か２枚かの区別について行う。
【００６５】
図２０，図２１は、図１８の補強判定演算手段３２の各演算ステップの流れ図である。この補強判定演算手段３２は、次の各ステップＴ１〜Ｔ９を有する。
・梁端モーメントと等分布荷重を受ける梁の想定過程（Ｔ１）。
・スパン中央に最大曲げモーメントが生じない条件の演算過程（Ｔ２）。
・梁端から距離ｄの位置に作用するせん断力の演算過程（Ｔ３）。
・梁端からｄ位置に作用する曲げモーメントの演算過程（Ｔ４）。
・有孔部曲げ耐力が作用曲げモメントに等しくなるときの有孔部のせん断耐力の演算過程（Ｔ５）。
【００６６】
・有孔部ウェブの降伏せん断耐力の演算過程（Ｔ６）。
・（作用せん断力）＜（終局せん断耐力）の条件より補強有無を判断する過程（Ｔ７）。・補強有孔部曲げ耐力が作用曲げモーメントに等しくなるときの補強有孔部のせん断耐力を演算する過程（Ｔ８）。
・（作用せん断力）＜（終局せん断力）の条件より、補強量を演算する過程（Ｔ９）。
【００６７】
図２０，図２１の各ステップで行う演算は、上記の(8) 式、(16)式、(21)式と、これらの式(8) ，(16)，(21)に代入する値を導く演算であり、上記の式(1) 〜(21)と共に前述したため、各ステップ中に演算式を示し、重複する説明を省略する。
【００６８】
この構成の補強設計支援装置３０によると、鉄骨梁１の断面寸法情報、梁長さ、貫通孔２の孔径、および梁端から貫通孔中心までの距離ｄ等の条件データを入力することで、補強の有無判定、および補強が必要な場合の補強量の演算が行われ、その結果が表示装置３４の画面に表示される。そのため必要な補強内容が簡単にわかる。この場合の補強の有無判定および補強量の演算は、梁端から貫通孔中心までの距離ｄを条件に含み、上記の各式によるため、孔位置に応じた必要な補強となり、無駄に補強を行うことが回避される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】この発明の一実施形態にかかる鉄骨梁貫通孔の補強標準表示具となる表の要部の説明図である。
【図２】同表の全体の説明図である。
【図３】鉄骨梁の各領域の説明図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ鉄骨梁の貫通孔形成部分における補強状態の正面図および断面図である。
【図５】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ鉄骨梁の偏心した貫通孔の形成部分における補強状態の正面図および断面図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ鉄骨梁の２つの貫通孔の形成部分における補強状態の正面図および断面図である。
【図７】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ鉄骨梁の２つの偏心した貫通孔の形成部分における補強状態の正面図および断面図である。
【図８】終局時に梁に作用する外力の説明図である。
【図９】梁端部のＭ−Ｑ相関関係を示すグラフである。
【図１０】有孔部のＭ−Ｑ相関関係を示すグラフである。
【図１１】梁の補強方法を示す打面図および部分正面図である。
【図１２】解析対象となる片持梁の正面図である。
【図１３】有限要素モデルの斜視図である。
【図１４】荷重- 変形関係を示すグラフである。
【図１５】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ無補強および補強有りの場合の終局時の応力状態を示す説明図である。
【図１６】補強有無の耐力上昇率の比較を示すグラフである。
【図１７】補強有無の塑性変形能力の比較を示すグラフである。
【図１８】この発明の一実施形態にかかる補強設計支援装置の概念構成のブロック図である。
【図１９】同補強設計支援装置の入力および出力画面例の説明図である。
【図２０】同補強設計支援装置の演算処理過程の流れ図である。
【図２１】同流れ図に続く演算処理過程の流れ図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…鉄骨梁
２…貫通孔
３…補強プレート
４…柱
１０…補強標準表示具
１１…表
１２…行見出し表示
１３…列見出し表示
１４…無補強領域までの距離を示す行であることを示す表示
１５…補強内容表示
１５ａ…補強不要の旨を示す表示
Ｅ１…塑性化領域
Ｅ２…無補強領域
Ｌ１…塑性化領域までの距離
Ｌ２…無補強領域までの距離
【図１】
2005105674.tif 000026
【図２】
2005105674.tif 000027
【図３】
2005105674.tif 000028
【図４】
2005105674.tif 000029
【図５】
2005105674.tif 000030
【図６】
2005105674.tif 000031
【図７】
2005105674.tif 000032
【図８】
2005105674.tif 000033
【図９】
2005105674.tif 000034
【図１０】
2005105674.tif 000035
【図１１】
2005105674.tif 000036
【図１２】
2005105674.tif 000037
【図１４】
2005105674.tif 000038
【図１５】
2005105674.tif 000039
【図１６】
2005105674.tif 000040
【図１７】
2005105674.tif 000041
【図１８】
2005105674.tif 000042
【図１９】
2005105674.tif 000043
【図２０】
2005105674.tif 000044
【図２１】
2005105674.tif 000045
【図１３】
2005105674.tif 000046