(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁が取り付くリングダイアフラムの加力直交方向の一部に直線切りがなされている円形断面鋼管柱の柱梁接合部分の耐力を求める方法であって、梁が取り付く近傍の鋼管壁面が曲げ変形し鋼管軸方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ１）と、リングとリング近傍の鋼管板の曲げによりリング周方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ２）との和から、円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の耐力（Ｐ）を求める方法。
前記Ｐ1は以下に掲げる式から求められる。
【数５】
0004019545.tif 000044
【数６】
0004019545.tif 000045
【数８】
0004019545.tif 000046
ここで、
ν：鋼管のポアソン比
Ｄ：鋼管の直径
ｔc：鋼管の板厚
σyt：鋼管の降伏耐力
Ｓ：有効周長
前記Ｐ２は、リング体の全塑性耐力MＰ、NＰ、QＰ及び検討箇所における曲げモーメントＭ、軸力Ｎ、せん断力Ｑに塑性条件式：
【数１６】
0004019545.tif 000047
を適用して求める。
ここで、Ｍ，Ｎ，Ｑは、以下の式から求められる。
【数２７】
0004019545.tif 000048
【数２６】
0004019545.tif 000049
【数２５】
0004019545.tif 000050
【数２４】
0004019545.tif 000051
Ｘ1〜Ｘ３：係数
θ：リング上の検討箇所の周方向の位置とＸ軸とのなす角度（ψ≦θ≦φ）
ψ：リングに作用する四点集中荷重の周方向の位置とＸ軸とのなす角度
φ＝π−ψ
Ｒｅ：鋼管の有効半径
Ｋｒ：θ＝±９０°（加力方向と直交方向）の位置における剛性低下率
Ｉ1：θ＝±９０°の位置におけるリングの断面二次モーメント（直線切り前）
Ｉ2：θ＝±９０°の位置におけるリングの断面二次モーメント（直線切り後）
Ｍ90°：θ＝±９０°の位置における曲げモーメント
【請求項２】
梁が取り付くリングダイアフラムの加力直交方向の一部に直線切りがなされている円形断面鋼管柱の柱梁接合部分の耐力を求める方法であって、梁が取り付く近傍の鋼管壁面が曲げ変形し鋼管軸方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ１）と、リングとリング近傍の鋼管板の曲げによりリング周方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ２）とに分解し、該成分（Ｐ２）から、円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の耐力（Ｐ）を求める方法。
前記Ｐ２は、リング体の全塑性耐力MＰ、NＰ、QＰ及び検討箇所における曲げモーメントＭ、軸力Ｎ、せん断力Ｑに塑性条件式：
【数１６】
0004019545.tif 000052
を適用して求める。
ここで、Ｍ，Ｎ，Ｑは、以下の式から求められる。
【数２７】
0004019545.tif 000053
【数２６】
0004019545.tif 000054
【数２５】
0004019545.tif 000055
【数２４】
0004019545.tif 000056
Ｘ1〜Ｘ３：係数
θ：リング上の検討箇所の周方向の位置とＸ軸とのなす角度（ψ≦θ≦φ）
ψ：リングに作用する四点集中荷重の周方向の位置とＸ軸とのなす角度
φ＝π−ψ
Ｒｅ：鋼管の有効半径
Ｋｒ：θ＝±９０°（加力方向と直交方向）の位置における剛性低下率
Ｉ1：θ＝±９０°の位置におけるリングの断面二次モーメント（直線切り前）
Ｉ2：θ＝±９０°の位置におけるリングの断面二次モーメント（直線切り後）
Ｍ90°：θ＝±９０°の位置における曲げモーメント
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の耐力を求める方法を用いた、円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の設計方法。
【請求項４】
請求項３に記載の円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の設計方法により設計された円形断面鋼管柱。
【請求項５】
請求項３に記載の円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の設計方法により築造された構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木建築分野において特に円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の耐力を求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
閉鎖型断面の棒材に梁を接合するためのダイアフラムの設計法としては、（社）日本建築学会編  鋼管構造設計施工指針・同解説  第二版  1990.1.15（以下鋼管指針と記す）等が知られている。
ところで、鋼管指針において対象とされているダイアフラムは、いずれも梁フランジ軸方向に対称な、いわゆる定形のダイアフラムである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の構造物においては、外壁材などとの取り合いの関係から、図９に示すようにダイアフラムの一部が切削加工されるなど必ずしも梁フランジ中心軸について対称ではないケースが存在する。このようなケースでは、しばしばダイアフラムの剛性も外周に沿って無秩序に変化している。鋼管指針では先述の図９に示すような、いわゆる不定形のダイアフラムの設計法は規定されていないので、ダイアフラムの耐力を明確に評価できない。
【０００４】
このため鋼管指針を先述の図９に示すようなダイアフラムの設計に適用する場合には、切削後の残りのダイアフラムの最小半径をダイアフラムの出寸法に当てはめて設計するなどの工夫が必要であった。このような設計においては、ダイアフラムの耐力を過小に評価するので、結果として設計されるダイアフラムの寸法は経済的でない過大な板厚となることが多い。
【０００５】
本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記問題点を解決できる技術を提供する点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決すべく以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、梁が取り付くリングダイアフラムの加力直交方向の一部に直線切りがなされている円形断面鋼管柱の柱梁接合部分の耐力を求める方法であって、梁が取り付く近傍の鋼管壁面が曲げ変形し鋼管軸方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ１）と、リングとリング近傍の鋼管板の曲げによりリング周方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ２）との和から、円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の耐力（Ｐ）を求める方法である。
前記Ｐ1は以下に掲げる式から求められる。
【数５】
0004019545.tif 000002
【数６】
0004019545.tif 000003
【数８】
0004019545.tif 000004
ここで、
ν：鋼管のポアソン比
Ｄ：鋼管の直径
ｔc：鋼管の板厚
σyt：鋼管の降伏耐力
Ｓ：有効周長
前記Ｐ２は、リング体の全塑性耐力MＰ、NＰ、QＰ及び検討箇所における曲げモーメントＭ、軸力Ｎ、せん断力Ｑに塑性条件式：
【数１６】
0004019545.tif 000005
を適用して求める。
ここで、Ｍ，Ｎ，Ｑは、以下の式から求められる。
【数２７】
0004019545.tif 000006
【数２６】
0004019545.tif 000007
【数２５】
0004019545.tif 000008
【数２４】
0004019545.tif 000009
Ｘ1〜Ｘ３：係数
θ：リング上の検討箇所の周方向の位置とＸ軸とのなす角度（ψ≦θ≦φ）
ψ：リングに作用する四点集中荷重の周方向の位置とＸ軸とのなす角度
φ＝π−ψ
Ｒｅ：鋼管の有効半径
Ｋｒ：θ＝±９０°（加力方向と直交方向）の位置における剛性低下率
Ｉ1：θ＝±９０°の位置におけるダイヤフラムの断面二次モーメント（直線切り前）
Ｉ2：θ＝±９０°の位置におけるダイヤフラムの断面二次モーメント（直線切り後）
Ｍ90°：θ＝±９０°の位置における曲げモーメント
請求項２に記載の発明の要旨は、梁が取り付くリングダイアフラムの加力直交方向の一部に直線切りがなされている円形断面鋼管柱の柱梁接合部分の耐力を求める方法であって、梁が取り付く近傍の鋼管壁面が曲げ変形し鋼管軸方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ１）と、リングとリング近傍の鋼管板の曲げによりリング周方向に伝達される力の流れ成分（Ｐ２）とに分解し、該成分（Ｐ２）から、円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の耐力（Ｐ）を求める方法である。
前記Ｐ２は、リング体の全塑性耐力MＰ、NＰ、QＰ及び検討箇所における曲げモーメントＭ、軸力Ｎ、せん断力Ｑに塑性条件式：
【数１６】
0004019545.tif 000010
を適用して求める。
ここで、Ｍ，Ｎ，Ｑは、以下の式から求められる。
【数２７】
0004019545.tif 000011
【数２６】
0004019545.tif 000012
【数２５】
0004019545.tif 000013
【数２４】
0004019545.tif 000014
Ｘ1〜Ｘ３：係数
θ：リング上の検討箇所の周方向の位置とＸ軸とのなす角度（ψ≦θ≦φ）
ψ：リングに作用する四点集中荷重の周方向の位置とＸ軸とのなす角度
φ＝π−ψ
Ｒｅ：鋼管の有効半径
Ｋｒ：θ＝±９０°（加力方向と直交方向）の位置における剛性低下率
Ｉ1：θ＝±９０°の位置におけるダイヤフラムの断面二次モーメント（直線切り前）
Ｉ2：θ＝±９０°の位置におけるダイヤフラムの断面二次モーメント（直線切り後）
Ｍ90°：θ＝±９０°の位置における曲げモーメント
請求項３に記載の発明の要旨は、請求項１又は２のいずれかに記載の耐力を求める方法を用いた、円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の設計方法である。
請求項４に記載の発明の要旨は、請求項３に記載の円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の設計方法により設計された円形断面鋼管柱である。
請求項５に記載の発明の要旨は、請求項３に記載の円形断面鋼管柱における柱梁接合部分の設計方法により築造された構造物である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
梁フランジ軸力の柱への流れを、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すような、二つの流れの成分に分解されるものと想定し、それぞれの成分を解析的手法による耐力評価式により算定して、その和を接合部の耐力として評価する。
【０００８】
図２に示すように、成分１の流れ（以下、「前面剪断力」という）Ｐ１は主として梁が取付いている近傍の鋼管壁面が曲げ変形し鋼管軸方向に伝達される力の流れであり、成分２の流れ（以下、「リング耐力」という）Ｐ２はリングとリング近傍の鋼管板の曲げにより、リング周方向に伝達される力の流れである。
【０００９】
従って、ダイアフラム及び鋼管で構成された接合部の耐力Ｐは両者の和、
【００１０】
【数１】
0004019545.tif 000015
【００１１】
耐力設計法に用いられる長期許容耐力ＰＡ（長期）、短期許容耐力ＰＡ（短期）および最大耐力Ｐuは、それぞれ、
【００１２】
【数２】
0004019545.tif 000016
【００１３】
【数３】
0004019545.tif 000017
【００１４】
【数４】
0004019545.tif 000018
【００１５】
とする。
【００１６】
設計においては、構造解析から得られるフランジ軸力がそれぞれの荷重時に対応する長期許容耐力、短期許容耐力または最大耐力を上回らないようにすればよい。
【００１７】
前面剪断力Ｐ1は、円筒シェル理論より求められる。Ｐ1の算定式は、荷重状態によらず以下のように与えられる。
【００１８】
【数５】
0004019545.tif 000019
【００１９】
ここで、
【００２０】
【数６】
0004019545.tif 000020
【００２１】
【数７】
0004019545.tif 000021
【００２２】
【数８】
0004019545.tif 000022
【００２３】
有効周長Ｓ（図３参照）は、実験および有限要素解析（以下、ＦＥＭという）結果から(9)式のように設定した。
【００２４】
【数９】
0004019545.tif 000023
【００２５】
リング耐力Ｐ２は、図６に示す鋼管部分の有効幅αを含めたＴ型断面（以下、「リング体」という）からなる有効半径Ｒｅのアーチ／リングに、アーチ／リング骨組理論を適用して求められる。ここで、フランジ軸力は、図５に示すように作用位置ψに作用する二点集中荷重と見做す。
【００２６】
有効幅αは、実験およびＦＥＭ結果から(10)式のように設定した。
【数１０】
0004019545.tif 000024
【００２７】
有効半径Ｒｅ は、
【００２８】
【数１２】
0004019545.tif 000025
【００２９】
逆対称加重で水平偏心がない場合、梁フランジ軸力を二点集中荷重と見なしたとき、その作用位置ψは、実験およびＦＥＭ結果から(18)式のように設定した。
【００３０】
【数１４】
0004019545.tif 000026
【００３１】
ただし、Ｂｆ−Ｈｓ≦Ｈｓ／２  の時は、
【００３２】
【数１５】
0004019545.tif 000027
【００３３】
リング耐力Ｐ２は、リング体の全塑性耐力MＰ、NＰ及びQＰに対して、後述の検討箇所における曲げモーメントＭ、軸力Ｎ、せん断力Ｑに塑性条件式：

【００３４】
【数１６】
0004019545.tif 000028

【００３５】
を適用して求める。

【００３６】
リング体の全塑性耐力MＰ、NＰ及びQＰは、以下の算定式による：

【００３７】
【数１７】
0004019545.tif 000029

【００３８】
【数１８】
0004019545.tif 000030

【００３９】
【数１９】
0004019545.tif 000031

【００４０】
さらに、本実施の形態では、ダイアフラムの剛性が途中で変化する場合は、以下に示すような評価方法を考える必要がある。
【００４１】
図４に示すような対称荷重が作用する場合は、図５に示すような円環リングに４点集中荷重が作用する問題として考える。図６において、対称性より、
【００４２】
【数２２】
0004019545.tif 000032

【００４３】
である。
【００４４】
図５において、ｘ軸となす角度をθ（図中A点をゼロとし、反時計回りを正とする）とおくと、円環リング上の角度θの点における曲げモーメントＭ、軸力Ｎおよびせん断力Ｑは、円環リングが全周において一様な剛性を持つとき、Ｐ２を用いて、式（１）〜（３）で表される。ここでは有効半径Reは鋼管外径の1/2と定義した。
【００４５】
【数２３】
0004019545.tif 000033
【００４６】
なお、通常、最も応力集中を引き起こしやすい箇所は梁フランジ入り隅加工部であり、その場合には、（２）式を使用することとなる。
【００４７】
b）切削加工の影響の評価方法
図４に示すような柱梁接合に対称荷重が作用しているとき、加力方向と直交方向における曲げモーメントの大きさは、（２）式のMの式にθ＝±90°を代入することで得られる。対称性よりθ＝９０°の時とθ＝―９０°の時の曲げモメントは同じ大きさとなり、
【００４８】
【数２４】
0004019545.tif 000034
【００４９】
また、θ＝±90°の位置におけるリングダイアフラムの切削加工量をＣ（cm）とすると（図７参照）、この位置におけるリングダイアフラムの断面二次モーメントは、（５）式I1から（６）式I2へと減少する。
【００５０】
【数２５】
0004019545.tif 000035
【００５１】
θ＝±90°においてＣ（cm）加力直交方向に直線切り（切削加工）されたリングダイアフラムに対称荷重が作用する場合においては、切削分の本来負担すべき曲げモーメントをθ＝±90°に作用させた図８の問題と図５の問題との重ね合わせにより、加力直交方向に直線切り（切削加工）されたリングダイアフラムの局部耐力を得る。
【００５２】
図８におけるMrの大きさは、式（４）、（７）より、
【００５３】
【数２６】
0004019545.tif 000036
【００５４】
これより、角度θ（ただし、ψ≦θ≦φ）におけるM、N、Ｑは、式（２）、（８）を用いて、
【００５５】
【数２７】
0004019545.tif 000037
【００５６】
式（９）を用いて、局部耐力Ｐ2はインターラクション式（１０）により求められる。
【００５７】
【数２８】
0004019545.tif 000038
【００５８】
ただし、各全塑性耐力Ｍｐ、Ｎｐ、Ｑｐは以下とする。
【００５９】
【数２９】
0004019545.tif 000039
【００６０】
とする。
【００６１】
全塑性曲げモーメントＭｐの式（13）において、
【００６２】
【数３０】
0004019545.tif 000040
【００６３】
最後に、上記の、耐力を求める方法を用いたリングダイアフラム付鋼管柱の柱梁接合部分の設計方法についてのフローを図１８及び図１９に示す。なお、Ｐ１は、Ｐ２に対して比較的に小さいので、Ｐ１を無視することもできる（両図中における▲１▼）。
【００６４】
【実施例】
リングダイアフラム切削加工が局部耐力におよぼす影響
リングダイアフラムの柱梁接合部においては、梁の取付けや外壁との取り合いといった理由でリングダイアフラムの一部が切削加工される場合がある。ここでは、加力直交方向のリングダイアフラムの直線切り（切削加工）が局部耐力に与える影響を実験により調査し、提案した評価式との比較を行った。
【００６５】
１．実験概要
試験体を図１１乃至１６に示す。比較のために切削加工を施さない試験体（図１１）の実験も併せて行っている。試験体各部の寸法は図１２乃至図１６中に併せて記載した。載荷は一方向単調引張載荷とした。使用した鋼材の材料試験結果を表１に、実験の計測方法を図１３乃至図１６にそれぞれ示す。
【００６６】
２．実験結果
実験の荷重−変形関係を図１７に示す。荷重―変形関係の曲線において、接線剛性が初期剛性の1/3となる点を実験の降伏荷重Pyと定義した。
【００６７】
【表１】
0004019545.tif 000041
【００６８】
３．実験結果の検討
本評価式による計算結果と上記実験結果との比較を表２に示す。本評価式の計算結果は式（１０）により求められたP2とP1との和を1.15で除すことによって得られる短期許容耐力Paの値である。
【００６９】
【数３１】
0004019545.tif 000042
【００７０】
また、切削加工無しの試験体については、鋼管構造設計施工指針・同解説1)による短期許容力の計算値も併せて示す。
【００７１】
【表２】
0004019545.tif 000043
【００７２】
本評価式はリングダイアフラム切削加工の影響を十分な精度で評価していることが分かる。
【００７３】
なお、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。
【００７４】
なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【００７５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、以下に掲げる効果を奏する。
リングダイアフラムが周の途中で切削加工される場合の耐力評価が適切に行われており、従来の設計法に比べて合理的な設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る、梁フランジ軸力の二成分への分解を示す図である。
【図２】図１に示される梁フランジ軸力の二成分への分解詳細を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る、有効周長Ｓの定義を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るリングダイアフラムに対称荷重が作用する場合の平面図である。
【図５】図５に示すリングダイアフラムに吊下加重が作用する場合の仮定を示す平面概念図である。
【図６】図５に示すリングダイアフラムの断面を示す鉛直断面図である。
【図７】図５に示すリングダイアフラムを切削加工した場合の断面変化を示す鉛直断面図である。
【図８】図７に示すリングダイアフラムに曲げモーメントが作用したと仮定した状態を示す平面概念図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るリングダイアフラムを示す平面図である。
【図１０】本発明の実験に係る試験体（切削加工有り）の平面図である。
【図１１】本発明の実験に係る試験体（切削加工無し）の平面図である。
【図１２】図１０又は図１１に示す試験体を用いた実験の概要を示す側面図である。
【図１３】図１０又は図１１に示す試験体に係る変位計の取付位置を示す側面図である。
【図１４】図１０又は図１１に示す試験体に係る変位計の取付位置を示す平面図である。
【図１５】図１０又は図１１に示す試験体に係る歪みゲージの取付位置を示す側面図である。
【図１６】図１０又は図１１に示す試験体に係る歪みゲージの取付位置を示す平面図である。
【図１７】図１０及び図１１に示す試験体の実験の結果を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施の形態に係る、リングダイアフラム付鋼管柱の柱梁接合部設計法のフローを示す流れ図である。
【図１９】図１８に示すフローの続きを示す流れ図である。
【符号の説明】
α：有効幅
Ｓ：有効周長
ψ：荷重の作用位置
Ｄ  ：鋼管の直径
ｔｃ  ：鋼管の板厚
ｔｐ  ：仕口増厚部の板厚
ｌｐ  ：仕口増厚部の余長
Ｈｓ：リングの出
Ｔｓ：リングの厚さ
Ｂｆ：梁フランジ幅
ｔｆ  ：梁フランジ厚さ
σｙｔ：鋼管の降伏耐力
σｙｓ：リングの降伏耐力
【図１】
0004019545.tif 000057
【図２】
0004019545.tif 000058
【図３】
0004019545.tif 000059
【図４】
0004019545.tif 000060
【図５】
0004019545.tif 000061
【図６】
0004019545.tif 000062
【図７】
0004019545.tif 000063
【図８】
0004019545.tif 000064
【図９】
0004019545.tif 000065
【図１０】
0004019545.tif 000066
【図１１】
0004019545.tif 000067
【図１２】
0004019545.tif 000068
【図１３】
0004019545.tif 000069
【図１４】
0004019545.tif 000070
【図１５】
0004019545.tif 000071
【図１６】
0004019545.tif 000072
【図１７】
0004019545.tif 000073
【図１８】
0004019545.tif 000074
【図１９】
0004019545.tif 000075