(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁がＨ形鋼で形成されるラーメン構造において、
上記梁の大部分を、所定の鋼材で形成するとともに、上記梁の両端部から所定距離隔たったＨ形鋼の上下のフランジに、外縁に向かって広がる１対の台形の切欠きを夫々設け、これらの切欠きに上記所定の鋼材よりも低い降伏点をもつ鋼板を嵌め込んで溶接接合したことを特徴とするラーメン構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、柱・梁接合部での脆性破壊を防止し、エネルギ吸収能を高めることができるラーメン構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のラーメン構造として、例えば図７に示すようなものが知られている。このラーメン構造は、図７(Ａ)に示すように、立設したＨ形鋼からなる複数の柱２１を、Ｈ形鋼の梁２２により複数層に溶接で連結した多層矩形ラーメンであり、各梁２２の両端の柱２１との溶接接合部は、図７(Ｂ)に示すように、梁２２のＨ形鋼端のウェブにスカラップ２３を切欠いて、梁,柱Ｈ形鋼の両フランジの当接部を開先をもつ突合せ溶接２４で接合し、スカラップ２３によって露出した梁Ｈ形鋼端のフランジの裏面に、補強板２５を当ててすみ肉溶接２６で接合している。
上記柱・梁の溶接接合部は、このラーメン構造に地震等による過大外力が加わったとき、梁２２側の両端が最初に塑性変形して全塑性モーメント(図８のＭp1,Ｍp2参照)を伝えつつ回転する塑性ヒンジになるように、両Ｈ形鋼の寸法および溶接継手の形状,材質などが決められていて、いわゆる梁降伏先行型の設計が行なわれている。
【０００３】
ところが、神戸大震災やノースリッジ地震における鉄骨構造物の被害調査の結果、塑性ヒンジによる大きな変形能が期待される溶接接合部の突合せ溶接２４に、図７(Ｂ)に示すような割れに起因する脆性破壊２７が多発していることが明かになった。なお、図８は、両端が塑性ヒンジになった上下の梁２２に加わる曲げモーメントの分布を示すモーメント図であり、左右端の塑性ヒンジにおけるモーメントは、夫々Ｍp1,Ｍp2であり、剪断力Ｑは、梁長さをＬとするときＱ＝(Ｍp1＋Ｍp2)／Ｌとなる。
【０００４】
そこで、このような梁両端の柱との溶接接合部における脆性破壊を防止するため、米国ではDog-bone仕口と呼ばれる図９に示すような対策が採られている。この対策は、柱(２１')・梁(２２)接合部から離れた梁２２の中央側において、Ｈ形鋼２８の上下のフランジ２８a,２８bに、図９(Ａ)の平面図に示すような切欠き２９を設けて断面積減少部とし、梁両端の溶接接合部３０で脆性破壊が生じる前に、切欠き２９をもつＨ形鋼を塑性変形させて塑性ヒンジにするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示した従来のDog-bone仕口をもつ梁２２は、地震等の過大外力で生じる曲げモーメントにより圧縮応力が加わる側のフランジが、断面積が減少する切欠き２９の箇所で座屈を起こして面外に膨出し易いため、切欠き２９をもつＨ形鋼２８に補剛材が必要となり、あるいは床スラブを補剛材として機能させるには、切欠き２９をもつＨ形鋼２８に接合材を設ける必要がある。しかるに、Ｈ形鋼２８のフランジ２８a,２８bに切欠き２９があるため、面積的に余裕がなく、補剛材や接合材を設けることが難しいという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、梁の断面積を減少することなく材質を変化させることによって梁端から離れた箇所に塑性ヒンジを形成することによって、柱・梁接合部での脆性破壊を防止しつつ、梁のエネルギ吸収能を高めることができるラーメン構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のラーメン構造は、Ｈ形鋼で形成される梁の大部分を、所定の鋼材で形成するとともに、上記梁の両端部から所定距離隔たったＨ形鋼の上下のフランジに、外縁に向かって広がる１対の台形の切欠きを夫々設け、これらの切欠きに上記所定の鋼材よりも低い降伏点をもつ鋼板を嵌め込んで溶接接合したことを特徴とする。
【０００８】
上記ラーメン構造では、梁の大部分を所定の鋼材のＨ形鋼で形成し、梁の両端部から所定距離隔たったＨ形鋼の上下のフランジに、外縁に向かって広がる１対の台形の切欠きを夫々設け、これらの切欠きに上記所定の鋼材よりも低い降伏点をもつ鋼板を嵌め込んで溶接接合している。
上下のフランジに切欠きを設け、この切欠きに低降伏点の鋼板を嵌め込んで溶接接合したＨ形鋼の部分は、所定の鋼材のＨ形鋼からなる梁の両端部よりも降伏点が低い分だけ小さいモーメントで、その全断面が塑性変形して最初に塑性ヒンジになり、全塑性モーメントを伝えつつ回転するが、塑性ヒンジの回転能は降伏点が低い分だけ逆に大きい。従って、塑性ヒンジは、柱の傾きに対応する変形角と両塑性ヒンジ間の梁の部材角との和に対応して十分回転できて、地震等のエネルギを効果的に吸収し、従来のラーメン構造に比して地震時の水平変位を略３０％抑えることができる。
また、上記梁に生じる最大剪断力は、梁のスパンが短くなるため、低降伏点鋼材を用いた塑性ヒンジにおける全塑性モーメントが小さくても、従来のように梁のスパン全体に上記所定の鋼材を用い,梁端部に塑性ヒンジが生じるラーメン構造の場合と同程度の剪断力を維持することができる。
なお、低降伏部は、従来のように梁のフランジを切り欠いたままのものではないので、座屈の虞もなく、フランジ切欠部に別途補剛材や接合材を設ける必要もないうえ、低降伏点鋼材からなる形鋼を継手板付きの高力ボルト接合で所定の鋼材に連結するものでもないので、嵩ばらず、施工が容易になる。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。図１は、本発明のラーメン構造の一例を示す全体立面図であり、このラーメン構造は、図７と同じＨ形鋼の柱２１を水平方向に複数層で連結する梁１を、梁の大部分を占める比較的高い降伏点(以下、便宜上、高降伏点と称す)をもつＨ形鋼２と、梁両端部から所定距離Ｌ1隔たった箇所に上記高降伏点よりも低い降伏点をもつ鋼板を含むＨ形鋼からなり,塑性ヒンジとなりうる低降伏部３とで構成している。なお、低降伏部３の長さＬ2は、Ｈ形鋼の高さ程度にしている。
上記低降伏部３,３は、図６を参照して後述するように、高降伏点をもつＨ形鋼２,２の梁１の両端部からＬ1隔たったＨ形鋼の上下のフランジに長さＬ2の１対の切欠きを設け、この切欠に上記高降伏点よりも低い降伏点をもつ鋼板を嵌め込んで溶接接合して作られる。一方、梁１の両端部と柱２１,２１は、図７(Ｂ)で述べたと同じ溶接接合で剛接されている。
【００１４】
図２は、ラーメン構造に地震等の過大外力が加わって、柱(２１)・梁(１)接合部に先立って低降伏部３が塑性ヒンジになったときの梁の曲げモーメント分布図である。塑性ヒンジとなった左右の低降伏部３,３が伝達する全塑性モーメントを夫々Ｍp1',Ｍp2'とすると、剪断力Ｑ'は、塑性ヒンジ間長さをＬ'とするときＱ'＝(Ｍp1'＋Ｍp2')／Ｌ'となる。
上記ラーメン構造は、図７で述べた従来例と同等の耐力をもつ必要があるから、曲げモーメントを表わす直線を図２の一点鎖線で示すように両側へ延ばしたときの梁端部での曲げモーメントが、従来の図８で述べた梁両端の全塑性モーメントＭp1,Ｍp2に等しくなければならず、そうすれば、曲げモーメント図の微係数である剪断力も自ずと等しくなるので、最大剪断力Ｑ'も従来例の最大剪断力Ｑと等しくできる。
【００１５】
図３は、ラーメン構造の耐力を上述のように従来と同程度に維持しつつ、従来の柱・梁接合部での脆性破壊を防止し、梁のエネルギ吸収能を高めるために、低降伏部３を設ける所定位置Ｌ1と低,高降伏点鋼材の降伏点比σy'／σｙの関係式を求める手法を示している。但し、以下の計算は、長さＬ2の低降伏部３のＨ形鋼が、上下のフランジのみならず全体が低降伏点鋼材からなると仮定している。
いま、梁断面が一定で、図３(Ａ)の如く梁両端から所定距離Ｌ1だけ隔たった箇所に低降伏部(塑性ヒンジ)３を設けるとし、図８で述べた梁両端の塑性ヒンジの全塑性モーメント,剪断耐力(最大剪断力)を夫々Ｍp(＝Ｍp1,Ｍp2),Ｑu、図３に示す低降伏部３の塑性ヒンジの全塑性モーメント,剪断耐力(最大剪断力)を夫々Ｍp'(＝Ｍp1,Ｍp2),Ｑu'とすれば、
Ｑu＝２Ｍp／Ｌ＝２σyＺp／Ｌ…(1)
Ｑu'＝２Ｍp'／Ｌ'＝２σy'Ｚp／Ｌ'…(2)
但し、Ｚpは梁の塑性断面係数
上記低降伏部３が梁両端に先立って塑性ヒンジになるためには、図３の梁の剪断耐力Ｑu'が図８の梁の剪断耐力Ｑuよりも小さくなければならないから、
Ｑu'≦Ｑuが成立し、図３(Ａ)の梁長さの関係からＬ'＝Ｌ−２Ｌ1…(3)が成立する。そこで、上記不等式に式(1),(2),(3)を代入してこの不等式をＬ1について解くと、
Ｌ1≦Ｌ(１−σy'／σy)／２…(4)  が求まる。
【００１６】
一般に、低降伏部３の低降伏点鋼材の降伏点σy'は、１０〜２５kgf/mm2で、高降伏点鋼材２の降伏点σy＝３０〜５０kgf/mm2である。従って、選択した鋼材の降伏点比σy'／σｙは、１／３程度であり、この降伏点比に応じて式(4)の等号が成り立つような所定距離Ｌ1に設定すれば、剪断耐力Ｑu'が図８の梁の剪断耐力Ｑuと略等しくなり、図２で既述の如く、剪断力の積分値である曲げモーメントＭも、図３(Ａ)に示すように、塑性ヒンジ３における値Ｍp'を梁端まで延長したときの値が、図８の従来例の梁両端の全塑性モーメントＭp(＝Ｍp1,Ｍp2)に略等しくなり、このラーメン構造の耐力を従来例の耐力と略同等に維持できるのである。
【００１７】
図３(Ｃ)は、左右の低降伏部３が塑性ヒンジになった場合の梁１の変形状態を示している。左右の低降伏部３が塑性ヒンジになる直前には、梁１は、図３(Ｂ)に示すように両端に作用する材端モーメントによって変形角θで変形するが、低降伏部３が塑性ヒンジになると、図３(Ｃ)に示すように左右の塑性ヒンジが全塑性モーメントＭp'を伝えつつ節点回転角θ'で回転する。この節点回転角θ'は、図３(Ｂ)に示す変形角θと塑性ヒンジ間の梁の部材角Ｒとの和であり、部材角Ｒは、幾何学的関係よりＲ＝２θＬ1／Ｌ'となるから、
θ'＝θ＋Ｒ＝θ＋２θＬ1／(Ｌ−２Ｌ1)＝θＬ／(Ｌ−２Ｌ1)…(5)  となる。
【００１８】
塑性ヒンジの節点回転角θ'は、純幾何学的には上式(5)で表わされるが、実際には低降伏鋼材が破断までにどれだけ塑性変形するか,つまり低降伏鋼材の伸び能力によって決まり、鋼材の塑性ヒンジの回転角は、一般に鋼材の降伏点の逆数に比例する。従って、低降伏点,高降伏点鋼材の回転角を夫々θ',θとすれば、θ'／θ＝σy／σy'となる。ここで、段落[0015]で述べたようにσy'／σy≧１／３であるので、所定距離Ｌ1を求める式(4)中の−σy'／σyは、−σy'／σy≦−１／３となって、式(4)の右辺は最大でもＬ(１−１／３)／２＝Ｌ／３に限られる。
よって、低降伏部３を設ける所定位置Ｌ1は、
Ｌ1≦min{Ｌ(１−σy'／σy)／２,Ｌ／３}…(6)  で与えられる。
図４は、高降伏点鋼材に対する低降伏点鋼材の降伏点比α＝σy'／σyを横軸に、高降伏点鋼材に対する低降伏点鋼材の塑性ヒンジの回転角倍率を縦軸にとって、両者の関係を表わしている。図４の破線で示すように、降伏点比が0.33〜0.5の低降伏点鋼材を用いれば、２〜３倍の塑性ヒンジ回転能が得られることが判る。
【００１９】
図５は、本発明の実施例ではなく、参考例としてのラーメン構造を示す詳細立面図である。このラーメン構造の低降伏部は、柱２１に溶接接合３０で剛接された梁１の高降伏点σyをもつＨ形鋼２の端部から上記式(6)を満たす所定距離Ｌ1に設けられた同一断面形状の低降伏点σy'をもつＨ形鋼３からなる。Ｈ形鋼３の柱側端は、Ｈ形鋼２の上下フランジとウェブに跨るように当てた継手板５,５,５を介して高力ボルト６でＨ形鋼２に接合される一方、反対側端は、突合せ溶接４でＨ形鋼２に接合されている。
【００２０】
図５のラーメン構造は、地震等の過大外力に対して次のように挙動する。
低降伏部のＨ形鋼３は、過大外力が加わると降伏点σy'が低い分だけ小さいモーメントＭp'で梁端の溶接接合部３０よりも先に塑性変形して塑性ヒンジとなり、この全塑性モーメントＭp'を伝えつつ回転するが、回転能は降伏点の逆数に比例して大きくなる。従って、上記塑性ヒンジは、図３(Ｃ)に示すように、柱の傾きに対応する変形角θと両塑性ヒンジ間の梁の部材角Ｒとの和であるθ'まで十分回転できて、過大外力のエネルギを効果的に吸収し、図７,８で述べた従来のラーメン構造に比して水平変位を略３０％も抑えることができる。
また、低降伏部のＨ形鋼３は、剪断耐力Ｑ'が、図８に示す従来のラーメン構造の剪断耐力Ｑと略等しくなるような材質および所定距離Ｌ1で高降伏点σyをもつＨ形鋼２の間に設けられているので、段落[0015]で述べたように従来のラーメン構造と略同等の耐力を発揮することができる。
なお、低降伏部のＨ形鋼３は、図９で述べた従来の梁２２と異なりフランジ２８a,２８bに切欠き２９を作ったものではないので、座屈の虞もなく、座屈対策として切欠き部に補剛材や接合材を設ける必要もないのは勿論である。
さらに、上記式(6)を満たすので、梁両端の溶接接合部３０に必ず先立ってＨ形鋼３が塑性ヒンジになるから、上述の作用効果が確実に奏される。
【００２１】
なお、上記参考例では、低降伏部のＨ形鋼３の片端のみを溶接接合とし、もう片側を高力ボルト接合としているので、溶接割れに起因するＨ形鋼３の脆性破壊の発生を抑え、塑性ヒンジの作用を助成できるという利点がある。
【００２２】
図６は、本発明のラーメン構造の一例を示す詳細平面図および断面図である。このラーメン構造の低降伏部は、柱２１'に溶接接合３０で剛接された高降伏点σyをもつＨ形鋼２からなる梁１の端部から上記式(6)を満たす所定距離Ｌ1の箇所で、上下のフランジ２a,２bに図６(Ａ)の平面図に示すような外縁に向かって広がる１対の台形の切欠き７を設け、この切欠きに低降伏点σy'をもつ同じ板厚の鋼板８を嵌め込んで溶接接合してなる。
図６の実施の形態では、低降伏部８が、梁１に曲げモーメントが加わったときに最大の圧縮または引張応力が生じるＨ形鋼の外縁部であるフランジに設けられている。従って、この低降伏部８が確実に最初に塑性変形して塑性ヒンジになるうえ、図５の参考例に示した継手板５を介して低降伏点をもつＨ形鋼３を高力ボルト接合する場合に比して、外方突出部がなくて嵩ばらず、現場施工も容易になるという利点がある。
【００２３】
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のラーメン構造は、梁の大部分を所定の鋼材のＨ形鋼で形成し、梁の両端部から所定距離隔たったＨ形鋼の上下のフランジに、外縁に向かって広がる１対の台形の切欠きを夫々設け、これらの切欠きに上記所定の鋼材よりも低い降伏点をもつ鋼板を嵌め込んで溶接接合しているので、低い降伏点をもつ鋼板を溶接接合したＨ形鋼が、低降伏点ゆえ回転能の大きい塑性ヒンジになって、地震等のエネルギを効果的に吸収して水平変位を抑えることができるとともに、両端が塑性ヒンジになる従来の梁と同等の剪断力および曲げモーメントに耐えることができ、梁の耐力を上記従来の梁と同程度に維持することができる。また、上記Ｈ形鋼は、従来のように梁のフランジを切り欠いたままのものではないので、座屈の虞もなく、フランジ切欠部に別途補剛材や接合材を設ける必要もないうえ、低降伏点鋼材からなる形鋼を継手板付きの高力ボルト接合で所定の鋼材に連結するものでもないので、嵩ばらず、施工が容易になる。
【００２５】
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のラーメン構造の一例を示す全体立面図である。
【図２】  図１の梁の低降伏部が塑性ヒンジになったときの曲げモーメント分布図である。
【図３】  低降伏部を設ける位置と低,高降伏点鋼材の降伏点比σy'／σyの関係式を導く手法を示す図である。
【図４】  降伏点比σy'／σyと塑性ヒンジの回転角倍率の関係を示すグラフである。
【図５】  ラーメン構造の参考例を示す詳細立面図である。
【図６】  本発明のラーメン構造の一例を示す詳細平面図および断面図である。
【図７】  従来のラーメン構造を示す全体立面図および部分詳細図である。
【図８】  図７の梁の両端が塑性ヒンジになったときの曲げモーメント分布図である。
【図９】  柱・梁接合部からの脆性破壊を防止する従来のラーメン構造を示す平面図および立面図である。
【符号の説明】
１  梁
２  高降伏点のＨ形鋼
３  低降伏点のＨ形鋼
４  突合せ溶接
５  継手板
６  高力ボルト
７  切欠き
８  低降伏点の鋼板
２１  柱
２２  梁
【図１】
0004007726.tif 000002
【図２】
0004007726.tif 000003
【図３】
0004007726.tif 000004
【図４】
0004007726.tif 000005
【図５】
0004007726.tif 000006
【図６】
0004007726.tif 000007
【図７】
0004007726.tif 000008
【図８】
0004007726.tif 000009
【図９】
0004007726.tif 000010