(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｈ型断面部材で構成された梁のフランジの端面を耐震型柱に溶接接合した耐震型柱・梁接合構造において、
前記梁の梁端仕口部から前記梁の長手方向に前記梁の梁せいの１／２以上離隔させて塑性変形点を設定し、前記梁端仕口部における耐力が、前記塑性変形点における梁断面が降伏した時に前記梁端仕口部に生じる曲げモーメントと同一であって、地震荷重が加えられた場合に少なくとも前記梁端仕口部と前記塑性変形点における梁断面とが降伏するように、前記フランジの厚みを拡大したことを特徴とする耐震型柱・梁接合構造。
【請求項２】
梁端部を増厚形状にしたフランジの母材側に傾斜を設けたことを特徴とする請求項１に記載の耐震型柱・梁接合構造。
【請求項３】
梁端部のフランジは、梁に作用するモーメント分布に対応させて梁材軸方向に拡大させることを特徴とする請求項１に記載の耐震型柱・梁接合構造。
【請求項４】
増厚フランジを補完するように、梁端部のフランジ幅を拡大することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐震型柱・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、耐震型柱・梁接合構造とＨ形断面部材で構成した梁に関し、特に、梁端部を増厚したＨ形断面部材で構成した梁を用いて、塑性変形点を梁母材に設定し梁端仕口部の耐力を塑性変形点における母材耐力と同一にすることで塑性変形性能を大きくさせて耐震性の向上を図り、併せて接合構造の簡素化、溶接の合理化及び鉄骨重量の削減をも達成する耐震型柱・梁接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄骨造建物においては、Ｈ形断面部材から構成される梁と柱との結合によって柱・梁接合部を形成しているが、地震時には、この柱・梁接合部に最も大きな応力を生じる。このため、梁端仕口部のフランジ溶接部とその周辺に変形が集中する結果、フランジ溶接部とその周辺での破壊が多くなっている。
このような破壊を回避するために、補強部材を付加してフランジ幅を拡大したり厚さを増すことなどによって、梁断面を大きくする工法が採用されることもある。
梁断面を拡大して接合部分の強化を図るための加工作業は、専ら溶接によっているために、作業効率や溶接の品質が問題になる。さらに、このように断面積を変えたとしても、地震時の応力は依然としてフランジ溶接部とその周辺に集中することに変わりがなく、補強部材を付加するための溶接作業等の増加によって結果的に梁のコスト高を招いていた。
【０００３】
梁部材の高い塑性変形性能を得るためには、塑性変形領域が梁材軸方向に充分に広がる必要がある。このためには、梁端仕口部の降伏以後の耐力上昇率が大きくなければならないが、以下のような場合には、耐力上昇率を見込めないばかりでなく、早期に脆性破壊を生じてしまう可能性が高い。
（１）歪が著しく集中する箇所が存在する場合。
（２）梁ウエブからの曲げモーメント伝達がほとんど期待できない場合。
（３）梁全体の曲げ性能に占めるフランジの負担割合が小さい場合。
（４）梁フランジ材の降伏比が高い場合や、破壊靭性値が低い場合。
（５）溶接施工が適切でない場合。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
脆性的な破壊を回避して高い塑性変形性能を得るためには、大地震時に塑性化する領域を従来の接合部よりも拡がるように、梁材に強度ギャップを設け、梁フランジ部分だけで柱への応力伝達ができるように、梁フランジのボリュームを増大させることで、各部に生じる歪量を小さくして、破壊発生時期を遅らせるようにし、梁フランジの完全溶込み溶接部の応力を低減させる必要がある。又、課題を解決するための部材の採用や作業においても、最善の選択をするための検討が求められている。
【０００５】
本発明は、上記の要求を達成して、建物の耐震性能の向上を図ることを課題にしており、加えて溶接作業を省略した梁端部の増厚形状を有する梁を採用することによって、接合部の強度の向上と簡素化及び鉄骨重量の削減を図ることが可能な、耐震型柱・梁接合構造を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明による耐震型柱・梁接合構造は、Ｈ型断面部材で構成された梁のフランジの端面を耐震型柱に溶接接合した耐震型柱・梁接合構造において、前記梁の梁端仕口部から前記梁の長手方向に前記梁の梁せいの１／２以上離隔させて塑性変形点を設定し、前記梁端仕口部における耐力が、前記塑性変形点における梁断面が降伏した時に前記梁端仕口部に生じる曲げモーメントと同一であって、地震荷重が加えられた場合に少なくとも前記梁端仕口部と前記塑性変形点における梁断面とが降伏するように、前記フランジの厚みを拡大したことを特徴としており、塑性化する領域を従来の接合部よりも拡がるように、梁材に強度ギャップを設け、梁フランジ部分だけで柱への応力伝達ができるようにしている。
【０００７】
請求項２、３の発明による耐震型柱・梁接合構造は、梁端部を増厚形状にしたフランジの母材側に傾斜を設けたり、梁に作用するモーメント分布に対応させて梁材軸方向に拡大させることを特徴としており、梁端部の増厚を梁材に強度ギャップを設け、梁フランジ部分だけで柱への応力伝達するのに、モーメントを考慮した合理的な形状によって達成している。
【０００８】
請求項４の発明による耐震型柱・梁接合構造は、上記の各発明において梁端部をフランジの増厚と幅の拡大による形状に構成することを特徴としており、構造設計上の要求に応じてフランジの増厚拡幅の兼ね合いを調整した柔軟な形状を選択できる自由度を確保している。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による耐震型柱・梁接合構造は、塑性変形点を梁母材に設定し梁端仕口部の耐力を塑性変形点における母材耐力と同一にするために、梁せいの１／２以上の長さで、塑性変形点の母材耐力と増厚する長さとで設定される値に梁端部のフランジを増厚することを特徴としており、塑性化する領域を従来の接合部よりも広がるように、梁材に強度ギャップを設け、梁フランジ部分だけで柱への応力伝達ができるようにしている。
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１、２は、本発明による耐震型柱・梁接合構造を説明するための斜視図である。
図において、１はＣＦＴの柱であり、２は大梁である。柱１には、ダイヤフラム３とシャープレート４が敷設してある。大梁２はフランジ５を有するロール材のＨ形鋼であり、その母材に設定した塑性変形点６の位置から端部７まで、フランジ５を増厚しており、本実施の形態では増厚フランジ８の塑性変形点６側をフランジの母材側に傾斜させて形成している。
柱１と大梁２との接合は、ダイヤフラム３と大梁２の増厚フランジ８とを溶接接合し、シャープレート４と大梁２のウエブ９とは高力ボルト摩擦接合で一体化を図っている。
【００１２】
母材に設定した塑性変形点６における塑性変形耐力と梁端部の塑性変形耐力を同一に設定するために、梁端部の増厚フランジ８の長さと厚さは以下のように設定される。
▲１▼増厚フランジの長さは梁せいの１／２以上にする。
１／２・ｄ≦Ｌｊ                （１）
Ｌｊ：増厚フランジの形成長さ
ｄ：梁せい
梁ウエブの曲げ歪分布性状を有限要素法で解析すると、柱表面から梁せいの１／２以上離れるとウエブの曲げ歪分布が、平面保持を仮定して定まる分布形状にほぼ一致することから上記の選択をしている。
【００１３】
▲２▼  梁端部の増厚フランジ５の厚さｔｆｒは、柱が閉鎖断面で幅厚比（径厚比）が大きい場合やウエブがボルト接合となるノンブラケットの場合に曲げモーメントの伝達が期待できないことから、梁ウエブを無視して梁フランジ部のみが有効とし、使用材料の各部位の降伏応力度が同一と仮定して、上記式（１）と式（２）とから算定している。
Ｍｃ＝Ｍｅ＊                    （２）
Ｍｃは、梁端仕口部の全塑性モーメント、Ｍｅ＊は、仕口に要求される耐力
Ｍｃ＝Ｂ・ｔｆｒ・ｄ′・σｙ
ｄ′：梁フランジの重心間距離
σｙ：降伏点
Ｍｅ＊＝Ｍｅ・Ｌ／（Ｌ−Ｌｊ）
Ｍｅ：増厚フランジの開始位置における梁の全塑性モーメント
Ｌ：反曲点までの梁長さ
Ｍｅ＝[Ｂ・ｔｆ・ｄ′＋ｄｗ2・ｔｗ／４]・σｙ
そして、梁母材の降伏耐力の設定や増厚フランジ８の長さＬｊと厚さｔｆｒについては、上記した算出式に従って総合的に設定されることになる。
【００１４】
梁端仕口部の耐力は、母材に設定した塑性変形点６における耐力を決定してから、上記のようにこれと同一の値に設定して、梁材に強度ギャップを設けているので、柱・梁仕口部は塑性変形領域の拡大を図っていることになる。
梁端仕口部と塑性変形点を設定した大梁の母材部分とは、同一状態で塑性変形領域を形成することになり、梁端仕口部と増厚フランジの開始位置における梁とがほぼ同時に降伏するようになり、柱への応力伝達が増厚したフランジ部分だけで可能になる。
【００１５】
従って、地震力等が建物に加えられた時には、柱・梁の塑性変形性能を向上させて梁端仕口部近傍での破壊が回避され高い塑性変形性能が期待できるから、耐震対策として有効に作用する。
さらに、梁材は、増厚フランジの開始位置における梁に生じる応力に対して設計できるので、従来の梁断面より小さい断面を用いることができることから、コストダウンに貢献できる。
【００１６】
図１で示した増厚フランジ８は、大梁２の母材に設定した塑性変形点６における耐力と梁端仕口部の耐力とを同一に設定しており、増厚範囲の塑性変形点６側をフランジの母材側に１／５程度に傾斜させて形成している。
この傾斜は、フランジの増厚部分に応力の急激な変化が発生しないようにしているものであるから、その傾斜角は特別に限定されるものでないが、塑性変形点６から梁端部７までの作用モーメントによって生じる応力を均一にするように傾斜角を決定することも可能である。
【００１７】
即ち、塑性変形点６から梁端部７までの全塑性モーメントＭｅは、上述の式に従って算出することが可能であるから、フランジの増厚は、その計算値に対応させて傾斜を梁材軸方向に拡大させるもので、水平荷重によって各部に発生する全塑性モーメントに対応させるようにその形状を決定することができる。
増厚部の各位置におけるモ−メントの値は、梁の端部７に向かって暫時増大して行くことから、これに対応する増厚フランジ８の形状は、塑性変形点６から梁の端部７に向かって暫時拡大するテーパー形状になる。
このテーパー形状は、梁端仕口部のフランジに合わせて要求される耐力の最小値を保証するものに対応しているので、使用する大梁等の部材数量を削減させることが可能になり、コストダウンの点で有利である。
【００１８】
図３、４は、本発明の他の実施形態を説明するための斜視図である。
上記実施の形態では、梁の母材部分に塑性変形点を設定し梁端仕口部の耐力はモーメント勾配に従って母材部分の値より高いものにするために、梁端仕口部のフランジ厚を増大させてフランジの断面積を拡大してきた。しかし、増厚フランジの採用は、増厚した梁端部と溶接接合する柱側のダイヤフラムをも増厚させるものであり、柱側の製造コストを増大させることになる。
【００１９】
本実施の形態は、上記の問題を解決する例である。
図において、１１はＣＦＴの柱であり、１２は大梁である。柱１１には、ダイヤフラム１３とシャープレート１４が敷設してある。大梁１２はフランジ１５を有するロール材のＨ形鋼であり、その母材に設定した塑性変形点１６の位置から端部１７まで、フランジ１５を増厚拡幅しており、本実施の形態では増厚拡幅フランジ１８の塑性変形点１６側をフランジの母材側に傾斜させて形成している。柱１１と大梁１２との接合は、ダイヤフラム１３と大梁１２の増厚拡幅フランジ１８とを溶接接合し、シャープレート１４と大梁１２のウエブ１９とは高力ボルト摩擦接合で一体化を図っている。
【００２０】
母材に設定した塑性変形点１６における耐力と梁端仕口部の耐力とを同一に設定するために、梁端部の増厚拡幅フランジ１５の長さと厚さ及び幅は以下のように設定される。
▲１▼増厚拡幅フランジの長さは梁せいの１／２以上にする。
１／２・ｄ≦Ｌｊ                （１）
Ｌｊ：増厚拡幅フランジの形成長さ
ｄ：梁性
梁ウエブの曲げ歪分布性状を有限要素法で解析すると、柱表面から梁せいの１／２以上離れるとウエブの曲げ歪分布が、平面保持を仮定して定まる分布形状にほぼ一致することから上記の選択をしている。
【００２１】
▲２▼  梁端部の増厚拡幅フランジ１８の厚さと幅は、柱が閉鎖断面で幅厚比（径厚比）が大きい場合やウエブがボルト接合となるノンブラケットの場合に曲げモーメントの伝達が期待できないことから、梁ウエブを無視して梁フランジ部のみが有効とし、使用材料の各部位の降伏応力度が同一と仮定して、上記式（
１）と式（２）とから算定している。
Ｍｃ＝Ｍｅ＊                    （２）
Ｍｃは、梁端仕口部の全塑性モーメント、Ｍｅ＊は、仕口部に要求される耐力
Ｍｃ＝（  Ｂ＋２Ｂｒ）・ｔｆｒ・ｄ′・σｙ
ｄ′：梁フランジの重心間距離
σｙ：降伏点
Ｍｅ＊＝Ｍｅ・Ｌ／（Ｌ−Ｌｊ）
Ｍｅ：増厚拡幅フランジの開始位置における梁の全塑性モーメント
Ｌ：反曲点までの梁長さ
Ｍｅ＝[Ｂ・ｔｆ・ｄ′＋ｄｗ2・ｔｗ／４]・σｙ
そして、梁母材の耐力の設定や増厚拡幅フランジ１８の長さＬｊと厚さｔｆｒ及び幅（Ｂ＋２Ｂｒ）については、上記した算出式に従って総合的に設定されることになる。
【００２２】
本実施の形態においても、梁端仕口部は、梁材に強度ギャップを設けて塑性変形領域の拡大を図っており、同時に大梁の母材部分と同一状態で塑性変形領域を形成して大梁とほぼ同じ状態で降伏するので、柱への応力伝達が増厚拡幅したフランジ部分だけで可能になる。
【００２３】
さらに、梁端部と溶接接合する柱側のダイヤフラムは、厚さを減少させることができ、同時に梁材は、増厚拡幅フランジの開始位置における梁に生じる応力に対して設計でき、従来の梁断面より小さい断面を用いられるので、コストダウンに貢献するものである。
【００２４】
以上、各実施の形態で説明したように、本発明による耐震型柱・梁接合構造は、Ｈ形断面部材で構成した梁を用いて、梁端部を所定の値に増厚もしくは増厚拡幅した形状に形成することで、梁材に強度ギャップを設け、梁フランジ部分だけで柱への応力伝達ができるようにしているから、梁端仕口部と塑性変形点を設定した大梁の母材部分とを同一状態で塑性変形領域に形成して塑性変形領域の拡大を図っており、耐震型柱・梁接合構造の塑性変形性能を向上させている。
【００２５】
上記実施の形態では、Ｈ形断面部材で構成した梁の梁端部の形状について、フランジを厚くしたり、幅を拡大することで所望の機能を発揮させることを説明してきたが、フランジの増厚や拡幅を必要とする場合には、一般的に定型のＨ形断面部材で構成した梁を用いて、梁の定型フランジに対して補完的に所定の補強板を溶接接合することで施工することになる。
しかるに、梁端部における補強板の溶接接合は、応力が比較的大きい部分での溶接であるから、確実な作業によって信頼度を向上させる必要がある。このために、補強板の溶接作業は、本発明による耐震型柱・梁接合構造において生産性の向上、工期短縮及びコストダウンの点で検討が必要になっている。
【００２６】
本発明では、上記の検討点に鑑みて、上記耐震型柱・梁接合構造に適し、かつ、通常の梁材としても有効な梁を提供している。
本発明によるＨ形断面部材で構成した梁は、梁端部を高周波誘導加熱によって加工した増厚形状にすることを特徴としており、接合部の強度を向上できると共に溶接作業を省略して作業の合理化とコストダウンを図っている。
以下に、実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
図５は、本発明によるＨ形断面部材で構成した梁の端部を示しており、図６は図５における（６）−（６）矢視の断面図である。
本発明による梁端部の加工は、誘導加熱による梁端部の軟化を基盤にしている。
高周波誘導加熱は、装置内に内蔵された誘導コイルに高周波電力を供給して、内部に設置された金属製の加工物に誘導電流を発生させることで行われるものであるから、本発明による梁端部の加工は、加熱装置内で誘導加熱によって軟化した梁を別置した型枠内に挿入加圧することで、所定の仕上がり形状に容易に成形している。
従って、梁２１の端部２２は、誘導加熱と型枠による成形によって、増厚したウエブ２３と上下のフランジ２４とを形成しており、中央部のウエブ２５とフランジ２６に対して所定の寸法に厚さを増加させている。
【００２８】
本発明による梁端部の増厚は、補強材の溶接接合による場合と比較して以下のような効果を有しているので、生産性の向上、工期短縮及びコストダウンが図れる。
▲１▼母材と同様の材質に加工できる。
▲２▼加熱による焼鈍効果が生じないので、品質保証ができる。
▲３▼半自動化で、未熟練者でも短期間で加工できる。
▲４▼加工後の形状と寸法は、高精度に成形されている。
従って、建築現場における構築においてもその取り扱いを有利に展開できる。
【００２９】
以下に説明する実施の形態における梁端部の増厚は、上記実施の形態のようにウエブとフランジの両方でなく、ウエブのみを増厚している。
図７、８は、柱・梁接合部に上記梁を適用している例である。
本実施の形態例での大梁３０は、図７を（８）−（８）矢視した図８の断面で明示するように、フランジ３１はそのままで、梁端部のウエブ３２を増厚している。
梁端仕口部は、図示のように柱のシャープレート３４と大梁３０の増厚ウエブ３２とを高力ボルト摩擦接合して、柱側のダイヤフラムと梁３０の増厚していないフランジ３１とを溶接することで一体化している。
大梁３０の採用は、梁端部の増厚ウエブ３２によって、梁端部３５に必要なウエブ厚を確保しながら、中央部のウエブ３３は設計上の必要厚に限定することができるので、コストダウンを図ることができる。
【００３０】
即ち、従来の梁端仕口部は、図示のように柱のシャープレート３４と高力ボルト摩擦接合をしている場合に、梁端部３５のウエブは、ボルト孔によってせん断耐力を減少することから、必要な断面積を確保するためにウエブを厚くしなければならず、このために、梁全体のウエブを厚くしたＨ形断面部材を使用しており、過剰品質と重量の増加を招くと共にコストアップになっていたからである。
【００３１】
以上、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明してきたが、本発明による耐震型柱・梁接合構造は、塑性変形点を梁母材に設定し梁端仕口部の耐力を塑性変形点における母材耐力と同一にするために、梁せいの１／２以上の長さで、塑性変形点の母材耐力と増厚する長さとで設定される値に梁端部のフランジを増厚もしくは増厚拡幅することを発明の趣旨にしているものであるから、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能であることは当然のことである。
【００３２】
又、本発明によるＨ形断面部材で構成した梁は、梁端部を高周波誘導加熱によって加工した増厚形状にすることを発明の趣旨にしているものであるから、上記実施の形態に何ら限定されるものでないことは、同様である。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１の発明による耐震型柱・梁接合構造は、梁の梁端仕口部から梁の長手方向に梁の梁せいの１／２以上離隔させて塑性変形点を設定し、梁端仕口部における耐力が、塑性変形点における梁断面が降伏した時に梁端仕口部に生じる曲げモーメントと同一であって、地震荷重が加えられた場合に少なくとも梁端仕口部と塑性変形点における梁断面とが降伏するように、フランジの厚みを拡大することで、梁材に強度ギャップを設け、梁フランジ部分だけで柱への応力伝達ができるようにしているから、耐震型柱・梁接合構造に加えられる応力の状況に合わせて塑性変形性能を大きくさせて耐震性の向上を図ることができると共に、鉄骨単価の低減を図ることができ、大梁部材の鉄骨数量の低減とシャープレート・ボルト数量の低減が図れ、結果として柱・梁接合部での応力の集中が回避される効果を奏する。
【００３４】
請求項２、３の発明による耐震型柱・梁接合構造は、梁端部を増厚形状にしたフランジの母材側に傾斜を設けたり、梁に作用するモーメント分布に対応させて梁材軸方向に拡大させることを特徴としており、梁端部のフランジの増厚を要求される塑性変形性能を保証する合理的な形状に限定できるので、上記効果に加えて使用する部材の数量を削減させることが可能になり、コストダウンを図れる効果を奏する。
【００３５】
請求項４の発明による耐震型柱・梁接合構造は、上記の各発明において梁端部をフランジの増厚と幅の拡大による形状に構成することを特徴としており、構造設計上の要求に応じてフランジの増厚拡幅の兼ね合いを調整した柔軟な形状を選択できる自由度を確保できる効果を奏している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐震型柱・梁接合構造を基本的に示す斜視図
【図２】図１の梁を（２）−（２）矢視した断面図
【図３】本発明による他の耐震型柱・梁接合構造の斜視図
【図４】図３の梁を（４）−（４）矢視した断面図
【図５】本発明によるＨ形断面部材で構成した梁の立面と側面図
【図６】図５の梁を（６）−（６）矢視した断面図
【図７】本発明による梁を適用した柱・梁接合部の斜視図
【図８】図７の梁を（８）−（８）矢視した断面図
【符号の説明】
１  柱、  ２  大梁、  ３  ダイヤフラム、  ４  シャープレート、
５  フランジ、  ６  塑性変形点、  ７  端部、  ８  増厚フランジ、
９  ウエブ、  １１  柱、  １２  大梁、  １３  ダイヤフラム、
１４  シャープレート、  １５  フランジ、  １６  塑性変形点、
１７  端部、  １８  増厚フランジ、１９  ウエブ、
２１  大梁、  ２２  梁端部、  ２３  増厚ウエブ、  ２４  増厚フランジ、
２５  ウエブ、  ２６  フランジ、  ３０  大梁、  ３１  フランジ、
３２  増厚ウエブ、  ３３  ウエブ、  ３４  シャープレート、
３５  梁端部、
【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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