(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
下部フランジと、上部フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記ビームの上記下部フランジに隣接すると共に上記コラムの上記第１フランジに隣接して配置されている上記ビーム内のスロットを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項２】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記ビームの上記第１フランジに隣接すると共に上記コラムの上記第１フランジに隣接して配置されている上記ビーム内のスロットと、
上記コラムフランジと上記ビームスロットに最も近い上記ビームフランジとに隣接して配置されている上記コラム内のスロットとを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項３】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記第１ビームフランジと上記第１コラムフランジに隣接して配置されている上記ビーム内の第１スロットと、
上記第２ビームフランジと上記第１コラムフランジに隣接して配置されている上記ビーム内の第２スロットとを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項４】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記第１ビームフランジと上記第１コラムフランジに隣接して配置されている上記ビーム内の第１スロットと、
上記第２ビームフランジと上記第１コラムフランジに隣接して配置されている上記ビーム内の第２スロットと、
上記コラムフランジと上記第１ビームスロットに最も近い上記ビームフランジとに隣接して配置されている上記コラム内のスロットとを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項５】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間の第１ウェブとを有する鉄鋼コラムと、
下部フランジと、上部フランジと、それらの間の第２ウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記鉄鋼ビームは上記鉄鋼コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記鉄鋼ビームの上記下部フランジに隣接すると共に上記鉄鋼コラムの上記第１フランジに隣接して配置されている上記鉄鋼ビーム内のスロットと、
上記鉄鋼コラムの第１フランジと上記鉄鋼コラムの第２フランジとの間に伸びていると共に上記鉄鋼ビームの下部フランジと同一平面である連続プレートを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項６】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記ビームの上記第１フランジに隣接すると共に上記コラムの上記第１フランジに隣接して配置されている上記ビーム内のスロットと、
上記コラムフランジと上記ビームスロットに最も近い上記ビームフランジとに隣接して配置されている上記コラム内のスロットと、
上記第１と第２コラムフランジの間に伸びていると共に第１ビームフランジと同一平面である連続プレートを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項７】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
第１フランジと、第２フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記第１ビームフランジと上記第１コラムフランジに隣接して配置されている上記ビーム内の第１スロットと、
上記第２ビームフランジと上記第１コラムフランジに隣接して配置されている上記ビーム内の第２スロットと、
上記第１と第２コラムフランジの間に伸びていると共に第１ビームフランジと同一平面である連続プレートを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項８】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間の第１ウェブとを有する鉄鋼コラムと、下部フランジと、上部フランジと、それらの間の第２ウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記鉄鋼ビームは上記鉄鋼コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記鉄鋼ビームの上記下部フランジに隣接すると共に上記鉄鋼コラムの上記第１フランジに隣接して配置されている上記鉄鋼ビーム内のスロットと、
上記第２ウェブ上に溶接されると共に、上記鉄鋼ビームの下部フランジと上記鉄鋼ビームの上部フランジとの間に伸びる長さと高さと幅とを有するシェアプレートであって、上記幅の寸法は上記第２ウェブに沿う高さの寸法に対して直角に伸びる、シェアプレートと、
を備えることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項９】
請求項１に記載のフレーム構造において、上記スロットは高さと厚みと第１端部と第２端部とを有し、上記ビームは上記ビームウェブの厚みを完全に貫いて切削され、
上記第１端部は溶接された接続部の近傍のビームウェブのエッジにあり、
上記第２端部は上記溶接された接続部から予め決められた距離にあることを特徴とするフレーム構造。
【請求項１０】
請求項９に記載のフレーム構造において、上記第２端部は上記スロットの高さよりも大きな直径を有する円形の穴を備えていることを特徴とするフレーム構造。
【請求項１１】
請求項２に記載のフレーム構造は、
上記ビーム内のスロットは幅と厚みと長さを有し、
上記ビーム内の上記スロットの厚みは上記ビームウェブの厚みに等しく、上記ビーム内の上記スロットは上記ビームスロットの幅よりも大きな直径を有する円形穴に接線として接して一端で終結し、
上記コラム内のスロットは幅と厚みと長さと２つの端部を有し、
上記コラム内のスロットは２つの端部で接線として接して終結し、各端部が幅よりも大きな直径を有する円形穴であること含んでいるを特徴とするフレーム構造。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のフレーム構造において、上記コラムの上記第１フランジにビームウェブが溶接された接続部をさらに含んでいることを特徴とするフレーム構造。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のフレーム構造において、上記ビームとコラムフランジの界面に取付られた三角形状の鉄鋼フィンをさらに含んでいることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のフレーム構造において、上記コラムフランジとビームウェブまたはシェアプレートの界面に取付けられた三角形状の鉄鋼フィンをさらに含んでいることを特徴とするフレーム構造。
【請求項１５】
請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のフレーム構造において、各スロットは上記コラムとビームの界面近くでの比較的狭いスロット幅からスロットの反対側端部近くでの比較的広いスロット幅に、テーパーが付けられていることを特徴とするフレーム構造。
【請求項１６】
第１フランジと、第２フランジと、それらの間の第１ウェブと第２ウェブを有する鉄鋼ボックスコラムと、
下部フランジと、上部フランジと、それらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記ビームの上記下部フランジに隣接すると共に上記コラムの第１フランジに隣接して配置されたビーム内のスロットを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項１７】
一対のフランジとウェブを有するコラムと、
上記コラムのフランジに溶接された鉄鋼ビームと、上記ビームの少なくとも１つのフランジに隣接して配置された上記コラム内の鉛直に方向付けられたスロットとを備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造物。
【請求項１８】
請求項１７に記載の鉄鋼フレーム構造物において、上記ビームフランジの少なくとも１つに隣接して配置された上記コラムフランジの間に接続された鉛直プレートをさらに備えていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造物。
【請求項１９】
請求項１８に記載の鉄鋼フレーム構造物において、上記ビームフランジの少なくとも１つに隣接して配置された上記鉛直プレートと上記ウェブとの間に接続された水平プレートをさらに備え、上記水平プレートは形状が台形の面を有していることを特徴とする鉄鋼フレーム構造物。
【請求項２０】
請求項１，２，５，６，８，９の各々のフレーム構造は、上記ビームの上記下部フランジにおいて上記スロットに隣接して配置された上記ビーム内の第２スロットをさらに含んでいることを特徴とするフレーム構造。
【請求項２１】
請求項３，４，７の各々のフレーム構造は、上記第１スロットに隣接してビーム内に第３のスロットと、第２スロットに隣接してビーム内に第４のスロットとをさらに含んでいることを特徴とするフレーム構造。
【請求項２２】
請求項１乃至１１の各々のフレーム構造において、各スロットは公称ビームフランジ幅の１．５倍の長さを有することを特徴とするフレーム構造。
【請求項２３】
請求項１乃至１０のいずれか１つに記載のフレーム構造において、各スロットは、上記コラムフランジでの約１／８インチ（０．３１７５ｃｍ）の幅から、その反対側の端部での約３／８インチ（０．９５２５ｃｍ）乃至約１／２インチ（１．２７ｃｍ）の幅にテーパーが付けられていることを特徴とするフレーム構造。
【請求項２４】
垂直コラムフランジの外部表面に、上部端のフランジの所で溶接されると共に下部端のフランジの所で溶接された水平ビームを有し、また、コラムフランジの溶接部に対して上部および下部のビームフランジの中心で４．５〜５．０の応力集中係数を有する建造物用の鉄鋼フレームの負荷支持モーメントフレーム構造の接続部において、
上記上部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部の近傍の上記ビームウェブに配置された第１スロットを備え、
上記第１スロットは、上記上部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部の近傍に開口端と、上記上部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部から離れて上記ビームウェブに閉塞端を有し、
上記下部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部の近傍のビームウェブに配置された第２スロットを備え、
上記第２のスロットは、上記下部ビームフランジの上記上部コラムフランジへの上記接続部の近傍に開口端と、上部ビームフランジの上記コラムフランジへの接続部から離れてビームウェブに閉塞端を有し、
上記第１のスロットと上記第２のスロットは、上部および下部フランジの上記コラムフランジへの溶接部において、上記接続部の上記応力集中係数を４．０未満に減少させるに十分な長さを有することを特徴としている建造物用の鉄鋼フレームの負荷支持モーメントフレーム構造の接続部。
【請求項２５】
垂直コラムフランジの外部表面に、上部端のフランジの所で溶接されると共に下部端のフランジの所で溶接された水平ビームを有する建造物用の鉄鋼フレームの負荷支持モーメントフレーム構造の接続部において、
上記上部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部の近傍の上記ビームウェブに配置された第１穴を備え、
上記第１穴は、長さが幅および厚みよりも大きい寸法の長さと幅と厚みを有し、上記上部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部の近傍に開口端と、上記上部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部から離れて上記ビームウェブに閉塞端を有し、
上記下部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部の近傍のビームウェブに配置された第２穴を備え、
上記第２穴は長さが最も大きい寸法の長さと幅と厚みを有し、上記下部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部の近傍に開口端と、上記下部ビームフランジの上記コラムフランジへの上記接続部から離れてビームウェブに閉塞端とを有し、
上記第１穴の長さは垂直または水平の間の角度をなす方向を持ち、上記第２穴の長さは垂直または水平の間の角度した方向を有することを特徴としている建造物用の鉄鋼フレームの負荷支持モーメントフレーム構造の接続部。
【請求項２６】
２つのフランジとそれらの間にウェブを有する鉄鋼ビームを選択するステップと、
２つのフランジとそれらの間にウェブを有する鉄鋼コラムを選択するステップと、
予め決められた長さを有すると共に少なくとも１つのビームの一端の近傍に配置されている第１スロットを上記ビームウェブに形成するステップと、
予め決められた長さを有すると共に上記ビームの上記同一端部の近傍に配置されている第２スロットを上記ビームウェブに形成するステップと、
地震の動的負荷の下で、応力集中を４．０未満に減少させるに十分な上記第１ビームウェブスロットの長さと上記第２ビームウェブスロットの長さを決定するステップと、上記コラムに直角にビームを溶接するステップとを備えていることを特徴とする地震発生地帯に位置する建造物の鉄鋼フレームの実用寿命を延ばす方法。
【請求項２７】
地震多発地帯に位置した鉄鋼フレームの建造物において、ビームがコラムに溶接される接続部であって、動的負荷が掛かっている間、溶接金属に及ぼすてこ作用の減少を示す接続部を形成する方法において、
上記地帯に対する予め決められた地震負荷の下で従来のビームとコラムの接続部に対する応力と歪に対する破壊点の位置を決定するステップと、
第１端部と頭部フランジと底部フランジとそれらの間のウェブとを有する鉄鋼ビームを選択するステップと、
２つのフランジとそれらの間のウェブとを有する鉄鋼コラムを選択するステップと、
上記第１端部の所かつ上記頭部フランジの近傍で上記ビームの上記ウェブから上記ウェブの一部を取り除いて、上記ビームの上記端部に開口端を有すると共に上記ウェブに閉塞端を有するスロットを形成するステップと、
上記第１端部の所かつ上記底部フランジの近傍で上記ビームの上記ウェブから上記ウェブの一部を取り除いて、上記ビームの上記第１端部に開口端を有すると共に上記ウェブに閉塞端を有するスロットを形成するステップと、
上記２つのコラムフランジの１つに上記ビームの上記頭部フランジと上記ビームの上記底部フランジとを溶接して、接続部を形成するステップとを備え、上記接続部では各溶接部を横切って得られる応力と歪の最大値が上記予め決められた地震の動的負荷によって引き起こされる応力と歪に対して破壊点以下に減少されこれによって動的負荷の下では上記溶接部は溶接金属に及ぼすてこ作用が減少されることを特徴とするビームがコラムへ溶接される接続部を形成する方法。
【請求項２８】
鉄鋼ビームを有する鉄鋼フレームの負荷支持モーメントフレームの接続部での上記接続部に印加された地震負荷による応力集中を除去するための方法において、
上記接続部に対する第１の応力集中係数を決定するステップと、
上記第１の応力集中係数の値よりも小さい値を持つ第２の応力集中係数を生じさせるために、上記ビームの上記ウェブから除去される鉄鋼の全量を決定するステップとを備え、上記接続部の上記上部および下部のビームフランジのコラムフランジへの溶接部において、上記第１の応力集中係数と上記第２の応力集中係数とが決定され、
上記上部ビームフランジとコラムフランジの溶接部の近傍の上記ビームウェブから第Ｉの鉄鋼部分を取り除くステップと、
上記下部ビームフランジとコラムフランジの溶接部の近傍の上記ビームウェブから第２の鉄鋼部分を取り除くステップとを備え、
これらによって、上記ビームから取り除かれる第１の鉄鋼部分と第２の鉄鋼部分の全量が上記取り除かれる鉄鋼の全量と等しいことを特徴とする接続部に印加された地震負荷による応力集中を除去するための方法。
【請求項２９】
地震負荷中の接続部での応力集中除去に備えることによって、地震発生地帯に位置した建造物の鉄鋼フレームにおける負荷支持モーメントフレームの接続部の実用寿命を延ばすための方法において、
第１端部と、第２端部と、第１鉄鋼フランジと、第２鉄鋼フランジと、それらのフランジの間にある鉄鋼ウェブとを有する少なくとも１つの鉄鋼ビームを選択するステップと、
２つのフランジとそれらの間にあるウェブを有する鉄鋼コラムを選択するステップと、
鉄鋼ビームウェブに２つの穴を形成するステップとを備え、
上記２つの穴の形成は、
上記ビームの上記第１端部の近傍の上記ビームウェブから鉄鋼の第１部分を取り除いて、上記ビームの上記第１端部の近傍に位置した上記ビームウェブに第１穴を形成し、この第１ビーム穴は予め決められた長さと幅と厚みとを持ち、
上記ビームの上記第２端部の近傍の上記ビームウェブから鉄鋼の第２部分を取り除いて、上記ビームの上記第２端部の近傍に位置した上記ビームウェブに第２穴を形成、この第２ビーム穴は予め決められた長さと幅と厚みとを持ち、
上記コラムに直角に上記ビームを溶接するステップとを備え、
予め決められたビームとコラムの数に対して上記ステップを繰り返して、上記鉄鋼フレームにおける予め決められた数の接続部を形成することを特徴とする負荷支持モーメントフレームの接続部の実用寿命を延ばすための方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、ビームウェブにおける各穴の厚みは上記ビームウェブの厚みに等しく、各穴の幅は約１／４インチであり、各穴の長さは上記ビームウェブの厚みの少なくとも３倍であることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２９に記載の方法において、各穴はこの穴の幅および厚みよりも大きい寸法の長さを有し、第１の鉄鋼部分を取り除くステップと第２の鉄鋼部分を取り除くステップとはさらに、
垂直と水平の間の角度に方向付けられる長さ寸法を提供するために第１の鉄鋼部分を取り除くステップと、
垂直と水平の間の角度に方向付けられる長さ寸法を提供するために第２の鉄鋼部分を取り除くステップとを含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３２】
第１フランジと、第２フランジと、これらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
下部フランジと、上部フランジと、これらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
上記ビーム内にスロットと備え、このスロットは上部エッジと下部エッジと第１端部エッジと第２端部エッジとを有し、上記４つのエッジは全て上記ビームウェブによって形成されていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項３３】
第１フランジと、第２フランジと、それらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
下部フランジと、上部フランジと、これらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームウェブはその中にスロットを有すると共に上記スロットは上記ビームウェブによって４つの側面で囲まれていることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項３４】
第１フランジと、第２フランジと、これらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
下部フランジと、上部フランジと、これらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
第１端部と、第２端部と、上記第１端部と上記第２端部の間に延在する長さ寸法とを有するビームスロットとを備え、
上記ビームスロットは上記ビームウェブに形成されていると共に、上記下部ビームフランジよりも上記上部ビームフランジの近くに配置され、
上記ビームウェブは上記第１ビームスロットと上記第１コラムフランジの間に延在していることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項３５】
第１フランジと、第２フランジと、これらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼コラムと、
下部フランジと、上部フランジと、これらのフランジの間のウェブとを有する鉄鋼ビームとを備え、
上記ビームは上記コラムの上記第１フランジに直角に溶接され、
第１端部と、第２端部と、上記第１端部と上記第２端部の間に延在する長さ寸法とを有するビームスロットとを備え、
上記ビームスロットは上記ビームウェブに形成されていると共に、上記上部ビームフランジよりも上記下部ビームフランジの近くに配置され、
上記ビームウェブは上記第１ビームスロットと上記第１コラムフランジの間に延在していることを特徴とする鉄鋼フレーム構造。
【請求項３６】
請求項３２乃至３３のいずれか１つに記載のフレーム構造において、上記ビームスロットは、上記ビームスロットの厚みが上記ビームウェブの厚みに等しく、上記ビームスロットはビームスロットの幅よりも大きな直径を有する穴の中の各端部で終結している幅と厚みと長さを有していることを特徴とするフレーム構造。
【請求項３７】
請求項３４または３５のいずれかのフレーム構造において、上記ビームスロットは、上記ビームスロットの厚みがビームウェブの厚みと等しく、上記第１端部と上記第２端部は上記ビームスロットの幅よりも大きな直径を有する穴の中で終結している幅と厚みを有していることを特徴とするフレーム構造。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、広く負荷支持とモーメントフレームの接続部に関する。より詳細には、本発明は、既存構造物の改造ばかりでなく新規構築において、建築物の鉄鋼フレームの、特別な用途であって必ずしも排他的な用途でない、ビームおよび／またはコラムとの間に形成された接続部に関する。
背景技術
ビルディングや橋梁のような現代の構造物の建築において、モーメント鉄骨の桁やコラムが配置され構築されている。通常ビームとも呼ばれる桁および／またはコラムの配置は慎重に設計されていて、桁とコラムの骨組が、橋梁やビルディングや他の構造物の使用目的に対し、想定される応力，歪，負荷に耐え得ることを保証している。負荷に関する適切なエンジニアリング評価の実施は、現行の設計方法論の適用を意味する。地震の場合の負荷を考慮し、構造物内でのこれらの負荷によって引き起こされる応力と歪を決めるときには、地震発生地帯ではこれらの負荷が混ざり合うので、上記設計方法論が複雑に混合される。
地震中に、動的な水平と鉛直の慣性負荷と応力がビルディングに印加され、コラムとビームの接続部に最も大きな衝撃を与え、この接続部が地震損傷抵抗フレームとなっていることが周知となっている。大地震あるいは反復地震の高い負荷と応力の条件下で、ビームとコラムの間の接続部は機能が低下し、ことによると、構造物の崩壊に至り、生命が失われる。
本発明で使用される桁またはビームおよびコラムは、従来のＩビームの形材、Ｗ形ビームの形材またはフランジの形材である。典型的には、それらは一体ものであって、ロール加工した均一な鉄鋼形材である。各桁および／またはコラムは、２つの平行に配置され伸ばされた矩形のフランジと、２つのフランジの対向する面の間の中央にフランジの長手に沿って配置されたウェブとを含んでいる。典型的には、構造フレームにおいてコラムは経線方向すなわち鉛直方向に配列される。桁が緯線方向すなわち水平方向に構造物のフレームに配列されると、典型的には、、桁はビームと呼ばれる。桁および／またはコラムは、負荷が１フランジの外表面とウェブに向かって印加されるとき、最も強度がある。桁がビームとして使用されるとき、ウェブが上部と下部のフランジの間で鉛直方向に伸び、上部フランジ面が床またはその上の屋根に面して直接支持する。ビームの端部におけるフランジは、コラムフランジの外表面に溶接および／またはボルト締めされる。鉄鋼フレームは、床毎に建てられる。各々の桁とコラムを含む各構造用鋼は、好ましくは、工場で予め決められたサイズ，形状，強度の仕様に一致するように生産される。次に、各鉄鋼の桁とコラムは、典型的には、ビルディングフレーム内の構造物の中に建てるためにマークされる。鉄鋼の桁と床用のコラムが、然るべき位置に配置されると、それらは締められ、整列状態がチェックされ、次に、従来のリベットや溶接やボルト締めの技術を使用して、接続部で固定される。
通常の負荷と応力の下では使用するのに適しているが、地震中に経験される負荷と応力には耐えることができなかった。たとえ、その接続部が地震に耐え抜いたとしても、すなわち、機能低下しなかったとしても、鉄鋼フレームにおける上記接続部の物理的特性の変化は著しく、ビルディングが引き続いてその役割を果たす前に、構造的な補修が必要である。
発明の開示
本発明の一般的な目的は、改善された新しいコラムとビームの接続部を提供することである。この改善された接続によって、静的負荷と動的負荷の両方の負荷によって引き起こされたコラムとビームの接続部の応力および／または歪が減少する。本発明の改良された接続部は、既存のビルディングの修繕の際の改造に組み入れられると既存のビルディングにおける鉄鋼フレームの実用寿命を伸ばすが、そればかりでなく、新しいビルディングの鉄鋼フレームの実用寿命も伸ばすことができる。
さらなる目的は、接続部沿いの高い応力集中を最小にするために、接続部を横切る静的または動的な負荷と応力を均等に分配する改善されたコラムとビームの接続部を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、鉄鋼フレーム構造のコラムとフランジの接続部に印加された動的な負荷応力を減少させることである。
本発明のさらに別の目的は、コラムとビームの接続部を横切る動的な負荷応力の変化を減少することである。
本発明のさらに別の目的は、ビームフランジとコラムフランジの接続部の近くに少なくとも１つ好ましくは数個のスロットをコラムウェブとビームウェブに組み込むことによって、コラムとビームの接続部を横切る動的な負荷応力の変化を減少することである。
本発明のさらに別の目的は、動的な負荷中に鉄鋼フレーム構造のビームとコラムフランジの間に印加された歪速度を減少することである。
本発明のさらに別の目的は、この特徴が設計技師によって望まれるならば、鉄鋼フレーム構造におけるビームの可塑性ヒンジポイントが、ビームとコラムの接続部から離れビームに沿って変位され得る手段を提供することである。
最後に、本発明の目的は、静的および動的負荷中に、鉄鋼フレーム構造のコラムとビームの接続部を横切る応力と歪を減少させることである。
本発明は、鉄鋼フレーム構造において静的負荷や動的負荷または衝撃負荷が、コラムフランジに対する上部と下部のビームフランジの完全溶込溶接部を横切って形成され、非線形な応力と歪の分布が、これらの負荷によって、コラムフランジの鉛直な中心線でのそのような負荷の応力と歪の影響を倍増しているという発見に基づいている。ビームとコラムの界面での応力分布を決定するために、本発明の関連調査の一部として実施された研究に先立って、代表的な広幅のフランジビームとコラムの接続部に関する詳細な解析研究が行われた。歪速度の考慮、印加された負荷の立上がり時間、応力集中係数、応力勾配、残留応力、接続部の幾何学的な詳細は全て、これらの接続部の挙動と強度に貢献する。実物大の試験片の実験を設計するための高忠実度の有限要素モデルと解析を用いて、破壊が起こるビームとコラムの界面での応力と歪のプロフィールに関して解析結果と試験結果との間に優れた相関関係が確立された。コラム面に向かうビームフランジ上の歪ゲージの配置は、適切な溶接の表面溶込によって行われる。動的な負荷試験は解析的に決定された高歪勾配と応力集中係数を確認した。これらの応力集中は、連続プレートの無い典型的なＷ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）のビームとＷ１４×１７６（Ｗ３６０×１６２）のコラムの接続部についての公称設計推測値よりも、４倍から５倍ほど高いことが分かった。従来型の連続プレートが付加された時、応力集中係数は公称応力レベルの３倍から４倍に減少した。本発明の特徴の接続部への組み込みは、高い非均一な応力を減少させる。この非均一な高応力は、従来の設計理論と共に存在し、解析、試験されている。本発明は、接続部の曲げ剛性と捩り剛性を変化させ、フランジ溶接部の末端域の中心で応力集中係数を約１．２に減少させる。異なったやり方、すなわち、コラムフランジと上下ビームフランジとの従来の接続部における応力条件で説明すると、ビームフランジは非線形の応力歪分布を示す。ビームフランジは非線形応力歪分布を示す。本発明の一部として、これは主として、コラムフランジの鉛直な中心線に沿って延在するコラムウェブが、主にコラムウェブに直接対向するフランジの中心で、ビームフランジに付加的な剛性を与えているという事実に因ることが見いだされている。この結果、ビームとコラムの接続部におけるフランジの中央域近傍の剛性は、コラムフランジの外部エッジと向いあうビームフランジの剛性よりもずっと大きい。この剛性の度合いは、コラムウェブからの距離の関数として変化する。すなわち、コラムフランジはエッジの所で降伏または屈曲または曲がり、ウェブの所でビームフランジがコラムフランジに接続する中央線の所では比較的固いままである。こうして、上部と下部のビームフランジの中央部分は、最高の応力レベルと歪レベルに耐えることができる。応力と歪のレベルがビームとコラムの接続部を横切って非線形であると、この非線形特性の影響によって、接続部で中央点を起点とした損傷につながることがあり、接続部の全損傷を引き起こし得る。加えて、上述の応力状態の影響で、ビームやコラムや溶接材料の脆性破壊が促進すると考えられている。
これらの目的に対して、本発明の一様態は、鉛直方向に方向付けられた補強プレートまたはパネルを使用し、これらのプレートは、上部と下部のビームフランジがコラムフランジに接続している領域内にあって、コラムウェブの対向する側の外側エッジ近傍に、コラムフランジの内部表面の間に配置されている。上記荷重または鉛直パネルは、単独で、接続部の所でビームフランジに沿って付加的な剛性を作り出す。この付加的な剛性は、荷重下にあるとき、コラムフランジと上下部ビームフランジの接続部を横切る応力と歪に、より均一に分布を与えるように機能する。これらの鉛直パネルの剛性は、コラムウェブの各々の側に１個つづの一対の水平パネルを加えて、増大される。上記水平パネルは各々、各鉛直パネルの水平中心線とコラムウェブとの間で接合している。これらのパネルを追加すると、ビームフランジを横切る応力と歪はより均等に分布されるが、ウェブに沿ったコラムの剛性は、たとえ鉛直パネルが適切な位置にあっても、荷重下にあるときは、ビームフランジの中心での応力と歪はビームフランジの外部エッジにおける応力や歪よりも高くなる。
さらに、本発明の別の様態として、一般的に鉛直に方向付けられたスロットが、各ビームフランジがコラムフランジに接続している領域の近傍において、コラムウェブに、好ましくはコラムウェブを完全に貫いて切削され、上記スロットは、ビームフランジがコラムに連結されている領域の近くでは、コラムウェブの剛性を減少させるということが分かっている。上記コラムスロットは、好ましくは、２つの端部すなわち終端穴を含み、上記スロットはコラムを貫く鉛直な切削によって、ビームに接続されたコラムフランジに最近接の上記穴の外周において、上記穴と接線方向に連結されている。コラムウェブを貫くスロットは、コラムフランジの中心部分の剛性を減少させ、したがって、コラムフランジとの接続部でのビームの中心における印加された応力の大きさを減少させる。
本発明のさらに別の様態としては、好ましくは、両ビームフランジがコラムに接続している領域の近傍で、ビームウェブにビームウェブを貫いて切り出されたスロットは、ビームフランジがコラムに連結されている領域で、さらにコラムウェブの剛性を減少させるということが分かっている。好ましくは、上記ビームスロットは、接続点において、ビームの端部からビームウェブ内の端部すなわち終端穴に伸びる。ビームスロットは一般に水平方向に配置される。好ましくは、１つのスロットが上部ビームフランジの直下に隣接して平行に配置され、別のビームスロットが下部ビームフランジの上に水平方向に沿って隣接して平行に配置される。これらのビームスロットはフランジウェブの隅肉溶接域のまさに外側かつビームウェブに配置される。
従来の実施状況からすると、ビームの可塑性ヒンジポイントが、従来のビームとフランジの接続構造において生じる可塑性ヒンジポイントよりもビームとコラムの接続部から更に離れて存在するように、鉄鋼フレーム構造を構築し、改造することが望ましい。この実施によると、好ましくは、上部と下部の２重ビームスロットが上記結果を達成するということが分かっている。この第１の上部と下部のビームスロットは上述のようなものである。第１ビームスロットと第２ビームスロットに対しては各々、一般に水平方向に方向付けられたスロットがビームのウェブを貫いて切削される。各第２ビームスロットは、それに対応し、ビームとコラムの接続部で終わる第１ビームスロットと同じ中心線に沿って配置される。各第２ビームスロットは、それに隣接する第１ビームスロットの長さの約２倍の長さを持ち、第１ビームスロットの長さにほぼ等しい長さの距離だけ分離されることが好ましい。上記スロットは、特別な継ぎ手の形状に対しては解析結果に依って、形状と方向を変化できる。
本発明の更に別の様態として、本発明のコラムスロットおよび／またはビームスロットは、上述したように鉛直方向に方向付けれた補強プレートを含む構造物ばかりでなく、この分野でよく周知の従来型連続プレートまたはコラムウェブスティフナを含む構造物にも組み込まれるということが分かっている。略鉛直な方向のコラムスロットが、従来の連続プレートまたはコラムウェブスティフナと付随して使用されるとき、上記コラムスロットはコラムのウェブに配置される。第１スロットは、連続プレートの上かつ隣接して配置された第１終端穴から鉛直方向に延在し、コラムウェブ内の第２終端穴で終結する。連続プレートは、上部ビームフランジに隣接すると共に同一平面にあり、すなわち、上部ビームフランジに連続性を与える。第２コラムスロットは連続プレートから鉛直方向下方に延在し、連続プレートは下部ビームフランジに隣接すると共に同一平面上にあって、すなわち、下部ビームフランジに連続性を与える。本発明のこの点に関して、水平方向に伸びるビームスロットは、本発明の単一のビームスロットであろうが二重のビームスロットであろうが、従来の連続プレートを用いる鉄鋼フレーム構造で使用され得る。
本発明のさらに別の様態として、本発明の水平方向のビームスロットと共に、従来のシェアプレート（剪断板）は、従来のボルト間隔で３列までのボルトを収容するために、長さが拡張され得るということが分かっている。上部および／または下部の水平ビームスロットと、従来のシェアプレートおよび／または長くされたシェアプレートとの組み合わせが、立向き下降溶接法または立向き上昇溶接法または下向き溶接法と共に用いられる。
本発明のスロット付きまたはスロット無しの鉛直プレート、或いは本発明の鉛直プレート付きまたは鉛直プレート無しのスロットは、概してより均一に分布するビームとコラムの接続部に備え、鉄鋼フレーム構造の接続部を横切ってビームフランジにおいて経験される応力と歪の最大量を、従来のビームとコラムの接続部において経験される値よりも減少させる。
【図面の簡単な説明】
本発明の目的と利点は、次の詳細な説明と添付の書類を見ると、当業者にはより容易に明らかとなるであろう。
図１は、本発明の第１の好ましい実施の形態の斜視図である。
図２は、図１の動的負荷を支持するための接続部の分解図である。
図３は、図１の動的負荷を支持するための接続部の平面図である。
図４は、図１の本発明の動的負荷を支持するための接続部の側面図である。
図５は、従来の接続部における動的負荷によって引き起こされる応力と歪速度のグラフである。
図６は、図１の接続部における動的負荷によって引き起こされる応力と歪速度のグラフである。
図７は、図５に示されたグラフの３次元描写である。
図８は、図６に示されたグラフの３次元描写である。
図９は、コラムとビームの接続部と、従来の連続プレートと、本発明の鉛直コラムスロットと上部と下部のビームスロットを含む本発明の別の好ましい実施の形態の側面図である。
図１０は、図９の実施の形態の平面図である。
図１１は、図９の実施の形態の上部水平ビームスロットの詳細な斜視図である。
図１２は、図９の実施の形態のコラムスロットの詳細図である。
図１３は、１つのコラムへの２つのビームの接続部と、２つのビームの各々に隣接する上部と下部の鉛直コラムスロットと、２つのビームの各々に対して上部と下部の水平に伸びるビームスロットを含む別の好ましい実施の形態の側面図である。
図１４は、上部と下部の２重のビームスロットと、上部と下部の鉛直方向のコラムスロットを持つコラムとビームの接続部を含でいる本発明の別の好ましい実施の形態の側面図である。
図１５は、拡大されたシェアプレートとコラムとビームのスロットを持つビームとコラムの接続部を含んでいる本発明の別の好ましい実施の形態の側面図である。
図１６は、地震中に生じる負荷を代表するような負荷の下にあるときの、従来のビームとコラムの接続部のコラムとビームのフランジエッジに関する有限要素解析に基づいた変位の写実的表示である。
図１７は、図１６の接続部の側方斜視図である。
図１８は、地震中に生じる負荷を代表するような負荷の下にあるときの、ビームとコラムの接続部でのフランジエッジの変位の写実的表示であって、接続部では、従来の連続プレートと本発明の水平方向のビームスロットを使用している。
図１９は、地震中に生じる負荷を代表するような負荷の下にあるときの、ビームとコラムの接続部でのフランジエッジの変位の写実的表示であって、コラムの接続に対しては、従来の連続プレートを持ち本発明のビームとコラムのスロットを組み込んでいる。
図２０は、地震中に生じる負荷を代表するような負荷の下にビームが置れたときの、本発明の２重ビームスロットを持つビームに関する有限要素解析に基づいたビームにおける座屈を示す図面である。
図２１は、地震で起る負荷と同じ様にシミュレートされた負荷の下での、本発明のコラムとビームのスロットを含むビームとコラムの接続部のヒステリシス曲線である。
図２２は、従来の鉄鋼製モーメント抵抗フレームの斜視図である。
図２３は、従来のビームとコラムの接続部の詳細な拡大斜視図である。
図２４は、ビームとコラムの接続部の側面図であって、歪測定器の位置を示す。
図２５は、頭部と底部のビームフランジにおける接続部の応力を示す図面である。
図２６は、頭部ビームフランジの頭部面の応力を示す図面である。
図２７は、コラムとビームの接続部と鉛直フィンとコラムフランジの面へのビームウェブの溶接部を含む本発明の別の好ましい実施の形態の側面図を示す。
図２８は、図２７の実施の形態の平面図である。
図２９は、コラムフランジとビームウェブの界面に配置された水平フィンをもつコラムとビームの接続部および／またはスティフナプレートを含む本発明の別の好ましい実施の形態の側面図を示す。
図３０は、ボックスコラムとビームの接続部を示す本発明の別の好ましい実施の形態の平面図である。
図３１は、テーパーになったスロットを示す本発明の別の好ましい実施の形態の側面図である。
図３２は、本発明のシェアプレート厚さの設計のために注釈が付けられたＡＴＣ-２４モーメントダイヤグラムの図である。
図３３は、本発明のシェアプレート長さの設計のために注釈が付けられたＡＴＣ-２４モーメントダイヤグラムの図である。
本発明を実施するのに最良の実施の形態
特に、図１〜４、図９〜１５、図２２〜２３を参照すると、建築物の建造において耐震構造支持部材に使用される鉄骨フレームは、概してしばしば、接続部で接続された剛性またはモーメントのあるコラムおよびビームの鉄骨構造を備えている。コラムへのビームの接続は、ボルト締めや電気アーク溶接あるいはボルト締めと電気アーク溶接技術との組み合わせといった従来技術によって行われている。
図２２と図２３とを参照すると、従来のＷ１４×１７６（Ｗ３６０×２６２）のコラム２８２と、Ｗ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）のビーム２８４は、在来法でシェアプレート（剪断板）２８６とボルト２８８によって接合され、フランジに溶接されている。コラム２８２はボルトシェアプレート２８６を含み、このボルト付きシェアプレート２８６は、長手方向のエッジで、コラムフランジ２９０の長手方向の面に沿って溶接されている。シェアプレート２８６は、上下フランジ２９６と２９８の間のビームウェブ２９２の対向する面に立て掛けて配置されるように作られている。上記シェアプレート２８６とウェブ２９２には、予めドリル加工された複数の穴がある。これら予めドリル加工された穴にボルト２８８を挿入し、これらのボルト２８８によって、ビームウェブをシェアプレートの間に固定させる。一旦、上記ビームウェブがボルト締めによって固定され、ビームフランジ２９６と２９８の端部は、コラムフランジ２９０の面に溶接される。しばしば、水平方向のステッフナーすなわち連続プレート３００と３０２が必要であり、コラムウェブ３０４とコラムフランジ２９０と３０５とに溶接される。地震の衝撃負荷の下では、応力集中は、経験的に、コラムに溶接された接続部のビーム領域３０６で公称応力の４．５〜５倍であることが見いだされている。加えて、主として従来の接続部の形状で地震または衝撃の負荷を受けたとき、不均一な歪と歪速度が存在することも見いだされている。
本発明のコラム負荷プレート、支持プレートおよびスロットの特徴
第１の好ましい実施の形態では、地震中に起こるような静的な負荷と衝撃的または動的な負荷の条件の下で、接続部の構造的な支持を維持しようとするために、一対の負荷プレート１６と１８が、コラムフランジ２６と２８の内面２２と２４の間に、コラム１０のコラムウェブ２０の向い側に、長手方向に配置され設けられ、そして、ビーム１２のビームフランジ２９と３０が、コラムフランジ２８に接触している区域内では、部分的な溶込み溶接によって、それらに溶接されている。それぞれの水平なプレート３２と３４は、付加された構造的な支持として、鉛直プレート１６と１８の長手方向の中心線に沿ってそれぞれ配置され、そして、それぞれ鉛直プレート１６と１８とウェブ２０に接続されている。この支持プレートの面３６と３８は、好ましくは、形状が台形をしている。プレート３６は、負荷プレート１６の長手方向の中心線に沿って伸びる基本エッジ４０を有する。比較的に狭い頭部は、ウェブ２０に沿ってウェブ２０に溶接される。鉛直プレート１６と１８は、好ましくは、ウェブ２０に平行な平面に沿って、ウェブ２０からコラムフランジ４０と４２のそれぞれのエッジへの距離よりも短い距離に配置される。好ましい距離は、ビームフランジ２９と３０とがコラム１０に接続される区域において、コラムフランジの剛性がその幅を横切って消失している距離である。好ましくは、水平と鉛直の支持プレートは、接続されるコラムと同一の材料から作られる。
実験は、負荷プレート１６と１８が、剛性を増すことによって、接続部でビームフランジ２９と３０とを横切る応力と歪速度を平均化するように機能し、ビームフランジ２９と３０とを横切って測定される応力の大きさを増加させるように機能することを示している。しかし、ビームフランジの中央の領域で実験された応力レベル値を大幅には減らさない。負荷プレートまたはコラムフランジステッフナープレート１６と１８は、接続部で略均一な応力を作ることによって、接続部の破壊を低減させるのにそれらのみで十分に機能する。しかしながら、ビームフランジ２９と３０の中央で測定される応力値を減少させることも望まれ、スロット４４によってさらに減少される。長手方向に切削されたコラムウェブスロット４４は、ビーム深さの５％〜２５％の長さの範囲において有用である。上記コラムウェブスロット４４はコラム隅肉溶接４７の先端４５または近傍に切り出される。上記コラム隅肉溶接４７はビームフランジ２９と３０が接続部の近傍に取付られる区域内に中心があるコラムウェブ２０の中にある。上記スロット４４は、コラムウェブ２０の剛性を減少させるのに役立ち、コラムフランジ２８の中心を僅かにたわませる。これによって、ビームフランジの中心で応力値を減少させる。ウェブスロット４４があろうが無かろうが、鉛直プレート１６と１８は、ビーム接続部１４を横切って測定される応力値の平均を示すように機能する。ビームフランジ２９と３０に沿った応力と歪の集中をできるだけ均等化することによって、ビーム１２内の応力の変化は、接続部で最小化される。さらに、このようにして構築された接続部１４は、溶接部を横切る応力の大きさを均等に配分して、静的な荷重や衝撃荷重あるいは動的荷重の条件の間、接続部１４はコラムフランジ２８を横切って支持されることを保証する。図８に示すように、荷重プレート１６と１８とスロット４４とが、接続部１４の近傍のコラム１０の構造物に組み入れられるとき、ビームフランジ２９と３０を横切って測定された歪速度は、図７に示される変化に比較して、より均一に配分されているように見え、また、ビームフランジのエッジ４６を横切る応力値は、ビームを横切って実質的に減少して変化している。
好ましい実施の形態では、従来のＷ１４×１７６（Ｗ３６０×２６２）のコラム１０と、Ｗ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）のビーム１２とは、従来の方法で取付けプレート４８とボルト５０とによって連結され、フランジの所で溶接される。コラム１０はシェアコネクタプレート４８を含み、このシェアコネクタプレート４８は長手方向のエッジの所でコラムフランジ２８の長手方向の面に沿って溶接される。取付けプレート４８は、上部フランジ２９と下部フランジ３０の間のビームウェブ５２の対向する面に配置されるように作られている。取付けプレート４８とウェブ５２には、複数の予め明けられたドリル穴がある。ボルト５０が予め明けられたドリル穴を通して挿入され、これらのボルト５０がビームウェブを取付けプレートの間に固定する。一度、ビームウェブ５２がボルト締めによって固定され、ビームフランジ２９と３０の端部はコラムフランジ２８の面に溶接される。溶接部でのボルト締めと溶接の組み合わせは、ビーム１２とコラム１０をしっかり固定し、応力と歪の通常の負荷条件下で構造的な支持になる。
この形状のみでは、接続部１４についての静的、衝撃的または動的な負荷の下で、このような条件下で実験される応力と歪に対して十分な支持とはならない。本発明の目的に対して、図５と図６とに示されるように、応力は単位面積当たりの力の強さとして定義され、歪は単位長さ当たりの伸びとして定義される。地震に関する負荷のシミュレーションでは、ビームフランジを幅方向に横切る７つの等距離の点７０〜７８において、地震中の時間に渡ってポンド／インチ（ｐｓｉ）の単位で測定され、非常に大きな応力値がビームフランジの中央７３で測定された。加えて、グラフに示す増加応力レベルの勾配は、ビームフランジに沿った異なる点７０〜７６での歪の不均一取得を示す。図２４は、コラムの中央線に対して歪測定装置の正確な位置を示す。測定がコラムフランジの中央７３からさらに離れてビームフランジのエッジに沿って行われるので、応力のレベルは、各対の測定点７２と７４、７１と７５、７０と７６で、すなわち、その距離がビームフランジ上で中心から外側に伸びる上記各対の測定点で、著しく減少する。結果が示すところによると、接続部１４のビームフランジ２９は、コラムウェブの中心上でコラムフランジに接続しているビームウェブの中心で、応力の最大レベルと歪の最大レベルの双方を示している。接続部１４の形態は、上部２９と下部３０の何れか一方または両方のビームフランジの区域を代表する。コラムウェブスロット４４は、下部ビームフランジ接続部３０の上記区域内に中心が有るコラムウェブ２０内の長手方向に切り出されており、ビームフランジ接続部の近傍のコラムフランジの内面から概して約３／４インチ（１．９０５cm）の所に存在する。好ましい実施の形態では、スロットの幅は４〜８インチ長さ（１０．１６cm〜２０．３２cm）の範囲にあるものが好ましい。最良の結果は、４．５インチ（１１．４３cm）長さ０．２５インチ（０．６３５cm）幅のスロットを使用して、フランジから３／４インチ（１．９０５cm）の所で得られている。８インチ（２０．３２cm）よりも長いスロットが実用的である。好ましい実施の形態の特定の形状と寸法は、試験結果に従って使用されるコラムとビームのサイズに依存するが、特別な用途に適合するために変化され得るものであることを当業者は分かっている。
負荷プレート１６と１８および夫々の支持プレート３２と３４は、好ましくは、従来の梁（ガーダ）部品を切り取った部分から作られる。負荷プレートはフランジ表面を備え、支持プレートは上記切り取り部分のウェブを備えている。これに代わって、部分溶込溶接によって支持プレートに溶接された個々の負荷プレートは、ここに記載されているように機能するのに十分な厚さがあれば、同様に十分に機能する。水平のプレート３２と３４は、好ましくは、コラムフランジ２８とは接触しない。何故なら、そのような接触は、地震中に生じるような動的な負荷が生じる間、コラムフランジの剛性が増加し、その結果、その位置で応力が増加する。各支持プレートの基礎部４０は、好ましくは、夫々の負荷プレート１６と１８の中心線に沿って長手方向に伸びて、負荷プレートの剛性を増加させると共に、より狭くなった頂部エッジに向けて先細りになっている。上記頂部エッジは、コラムウェブ２０の幅方向に横切るようにして溶接される。好ましくも、支持プレート面の台形の形状は、夫々のコラムフランジと支持プレートのエッジの間にギャップ（空隙）を与える。スロット４４がギャップ内のウェブに形成された結果、このようなギャップはフランジがたわむのに充分な開放領域となる。
従来のコラム連続プレートの特徴と持つ本発明のコラムスロット
図９を参照すると、上述したように、コラム１００は接続部１０４でビーム１０２に接続されて示されている。上部の従来型連続プレート１０６は、一般にスティフナーまたはコラムスティフナーと呼ばれ、コラム１００のウェブ１０８を横切って左コラムフランジ１１０から右コラムフランジ１１２へ水平方向に伸びている。プレート１０６は、上部ビームフランジ１１４と同一平面上にあり、コラムと同一材料で作られている。また、ビームフランジと略同じ厚さである。図１０の平面図を参照すると、コラム１００、ビーム１０２、コラムウェブ１０８、頭部ビームフランジ１１４が示されている。連続プレート１０６と左右のコラムフランジ１１０と１１２も示されている。
再び図９を参照すると、下部連続プレート１１６は、下部ビームフランジ１１８と同一平面上にあることが示されている。上部コラムスロット１２０は、コラムウェブ１０８の厚みを貫いて延在するものとして示され、好ましくは、右コラムフランジ１１２の内側に沿って鉛直に方向付けられている。スロット１２０の下端部すなわち下部終端部１２２と、上部終端部１２４とは穴であり、好ましくは、ドリル加工されている。コラムがＷ１４×１７６インチ（Ｗ３６０×２６２）である場合、穴１２０，１２４は、好ましくは３／４インチ（１．９０５cm）のドリル加工穴、スロットは高さが１／４インチ（０．６３５cm）でウェブを貫いて完全に切って作られている。Ｗ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）の鉄鋼ビームに接続されるとき、スロット１２０の好ましい長さは穴１２２と１２４の中心の間で６インチ（１５．２４cm）となり、スロット１２０はフランジに最も近い穴の周辺部で穴１２２と１２４に接している。また、好ましくは、穴１２０と１２４の中心は、右コラムフランジ１１２の内面１２６から３／４インチ（１．９０５cm）である。穴１２２の中心は、好ましくは、上部連続プレート１０６から１インチにある。下部コラムスロット１３０は、上部と下部の終端部に夫々穴１３２と１３４を設けて、下部連続プレート１１６の下に配置されている。下部コラムスロット１３０は、好ましくは、上部コラムスロット１２０と同じ寸法である。下部スロット１３０はウェブ１０８に配置され、下部連続プレート１１６の下部面１３６と、右コラムフランジ１１２と、ビームフランジ１１８とは、上部スロット１２０が連続プレート１０６と上部ビームフランジ１１４に対して配置されたのと同じ相対的な位置にある。特別設計の適用に依っては、穴の直径は変化し得る。
本発明のビームスロットの特徴
同様に、図９を参照して、発明を説明する。上部ビームスロット１３６は、図１１に詳細が示されるように、ビームウェブを貫いて切り取られ、水平かつ上部ビームフランジ１１４に平行な方向に伸びて示されている。ビームスロットの第１端部１３８は、左端部として示されるが、コラムフランジ１１２の所で終結している。スロットは、典型的なＷ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）の鉄鋼ビームに対して、好ましくは、１／４インチ（０．６３５cm）幅であり、ビームウェブ１０３の全厚を貫いて切り出だされている。好ましい実施の形態では、上部水平ビームスロットの第２端部１４０は、好ましくは、直径が１インチ（２．５４cm）の穴である。図１１により明確に示されているように、この穴の中心は、スロット１３６の上部エッジ１４２が上記穴と接して配置されている。また、Ｗ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）の鉄鋼ビームに対しては、スロット１３６の中心線１４４は、上部ビームフランジ１１４の下部面１４６から３／８インチ（０．９５２５cm）の所にあり、穴の中心１４８はビームフランジ面から１ 7/8インチ（４．７６２５cm）の所にある。この実施の形態の好ましいスロットの長さは、６インチ（１５．２４cm）である。図９を参照すると、水平に伸びる下部ビームスロット１５０が示されている。この下部ビームスロット１５０は、対応する終端穴１５２の底部に接している。このスロットと穴の寸法は、上記上部ビームスロットの寸法と同じである。下部ビームスロット１５０は、上部ビームスロット１３６が上部ビームフランジ１１４の下部面１４６から離れて配置されているのと同じ寸法で、下部ビームフランジ１１８の上部面１５４に対して配置されている。
図１３を参照すると、２つの接続ビーム１５８と１６０を持つ１つのコラム１５６が示されている。コラム１５６は、上に詳細に述べたように、２つのビーム１５８，１６０の各々に接続されているコラムフランジ１７０，１７２の各々に隣接して、上部コラムスロット１６２，１６４と下部コラムスロット１６６，１６８を含んでいる。また、２つのビームの各々は、上に詳述したように、上部ビームスロット１７４，１７６と下部ビームスロット１７８，１８０と共に示されている。コラム１５６へのビーム１５８の接続に付随するコラムとビームのスロットは、コラム１５６へのビーム１５８の接続に付随するスロットに対して鏡像となっており、図９〜１２に関して述べられた寸法を持っている。
スロットは、鉛直から水平の方向に変えてもよく、それらの間の如何なる角度に変えてもよい。方向は、所定の用途においては、スロット毎に変えてもよい。さらに、スロットの形状は、ここに説明された直線から、特別な用途に依っては曲線形状に変えてもよい。
本発明の２重ビームスロットの特徴
従来のやり方によると、多くの統制および／または設計承認当局は、ビームの可塑性ヒンジポイントが従来の接続部において在る位置よりも更にビームに沿ってコラムとビームの接続部から離れるように移動するように、従来のビームとコラムの接続部の修正を要求している。典型的には、この分野において多くの場合、可塑性ヒンジポイントの接続部からの許容距離と考えられる最小距離は、Ｄ／２である。ここで、Ｄはビームの高さである。接続部から可塑性のヒンジポイントの許容距離と考えられている。本発明によると、図１４に示すように、コラム１８２が、上述のビーム１８４と連続プレート１８６，１８８と共に示されている。ビーム１８４は、上部ビームスロット１９０と１９２と、下部ビームスロット１９４と１９６とを有する。コラム１８２のすぐ近くのビームスロットは、詳細に記載されている。第２ビームスロット１９２，１９６の中心線は、第１ビームスロット１９０，１９４の中心線と同一線上に配置されている。第２ビームスロット１９２と１９６とは、可塑性ヒンジポイントをビームとコラムの接続部から離すように機能する。第２ビームスロット１９２，１９６は各々に２つの終端穴を、それぞれ２０２，２０４，２０６，２０８で示すように、持ち、第１ビームスロットと同じように方向付けられている。Ｗ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）の鉄鋼ビームにおいて、第２ビームスロットの好ましい長さは、終端穴２０２の中心から穴２０４の中心まで１２インチ（３０．４８cm）であり、図１４に示すように、１インチ（２５．４cm）の直径の終端穴が付いている。また、好ましくは、第２上部ビームスロット１１２の第１終端穴２０２の中心は、第１上部ビームスロット１９０の終端穴２１０の中心から６インチ（１５．２４cm）の距離にある。終端穴の中心線は、隅肉溶接域の外側の互いに同一直線上にある。第２ビームスロットは、フランジの隅肉溶接域のまさに外側かつウェブ内に切削されている。終端穴は上記スロットに接し、穴の側で最も近いビームフランジに対してクロセット（小室）になっている。第２ビームスロットの幅は、好ましくは、１／４インチ（０．６３５cm）であり、ビームの全体の厚みを貫いて延在している。再び図１４を参照すると、第２下部ビームスロット１９６は、第１下部ビームスロット１９４に対して同一直線上に切り出されている。第２下部ビームスロット１９６は、好ましくは、第２上部ビームスロット１９２の寸法と同一の寸法を持つ。下部ビームフランジの上部面２１１に対する位置は、上部ビームフランジの下部面２１２に対する第２上部ビームスロット１９２の配置と一致している。
図１４には示していないが、上述のコラムスロット、負荷プレートおよび／または支持プレートは、２重ビームスロットと一緒に使用されてもよい。
本発明の拡大されたシェア（剪断）プレートの特徴
図１５を参照すると、コラム２１４、ビーム２１６、連続プレート２１８と２２０、上部ビームスロット２２２、下部ビームスロット２２４、上部コラムスロット２２６、下部コラムスロット２２８が、拡大されたシェアプレート２３０と一緒に示されている。典型的には、従来のシェアプレートには一列になったボルト２３２を収容する幅がある。本発明によって、シェアプレート２３０の幅は、３縦列までのボルト２３２が納まるように拡大されてもよい。本発明のシェアプレート２３０は建造物の初期設計および／または改造工事に組み込まれる。Ｗ２７×９４インチ（Ｗ６９０×１４０）の鉄鋼ビームを使用する典型的な鉄鋼フレーム構造物では、幅が約９インチ（２２．８６cm）のシェアプレートは２列のボルトを収容する。典型的には、ボルト穴の中心は３インチ（７．６２cm）だけ間隔が明けられている。拡大されたシェアプレートは、座屈損傷のモード（様式）において、ビームが荷重下で損傷し始めるとき、のビームウェブの破損を抑制する。
産業上の適用
本発明は、新建造物の鉄鋼フレームに用いられるばかりでなく、現存の構造物の鉄鋼フレームの改造あるいは改装工事に使用される。コラムスロットやビームスロットというような本発明の固有の特徴およびそれらの位置は、構造物毎に異なる。一般に、本発明は、ビームフランジとコラムフランジの界面に効用がある。この界面では、地震のような高負荷条件の間、応力集中と、この応力集中による歪速度の影響で、損傷に至るかそれ以上のものになることが予想される。所定の構造物でのこのような特定の接続部の検証は、典型的には、本発明の分野の当業者が知る従来の解析技術によって為される。接続部の設計基準および設計原理は、忠実性の高い有限要素法を使用した解析と、溶接された鉄鋼モーメントフレームにおける典型的な接続部の原寸大原型試験を基礎にしている。好ましくは、それらは、事前事後処理プロエンジニアプログラムと一致したＡＮＳＹＳのプログラム５．１版以上を採用している。一般的に、これらのモデルは４個のノードプレート曲げ要素および／または１０個のノード線形歪４面体中実要素を備えている。今までの経験では、接続部における複雑な応力と歪の分布を解析するのに、４０，０００要素を持つモデルが必要であり、４０，０００の自由度が必要とされる。中実の要素が使用されるとき、一般にサブモデル（モデル内モデル）が必要とされる。入手可能な市販のコンピュータハードウェアでは、必要な解析を実施できる解析プログラムを動かすことができる。
本発明の利点は、幾つかあって、ロール加工された型鋼製の典型的な鉄鋼構造物において、ビームフランジとコラムフランジの接続部に存在する不均一な応力分布に対処している。設計や建造目的に対して、以前には、ビームの溶接金属とコラムとの界面における応力は、継ぎ手の全幅に対して公称のレベルまたは均一なレベルにあると想定されていたが、本発明の特徴は下記に関する利点を考慮すると共に提供している。
１．溶接された接続部のコラムフランジの中心で起こる応力集中。
２．溶接された継ぎ手を横切って鉛直方向と水平方向の歪レベル。
３．従来の継ぎ手に関して、継ぎ手のエッジでの非常に低い歪速度と比較した場合、継ぎ手の中心での非常に高い歪速度。
４．コラムの鉛直方向の曲がりと、溶接部の鉛直面を横切って圧縮と引っ張りを生じるというような、従来の継ぎ手に及ぼすその影響。
５．コラムフランジの水平方向の曲がりと、溶接物の不均一負荷に及ぼすその影響。
６．個々の接続部の剛性を変えることなく、個々の接続部に適用され得る本発明の特徴。
７．本発明の適用は従来の設計方法と比較して、構造の基本的な期間を変化させることがない故に、本発明を用いて適用可能な地震フレーム解析用の従来の解析プログラム。
コラム内に連続プレートがない従来設計での応力は、設計で使用される計算公称応力よりも４〜５倍大きく測定されている。改善が接続部になされて、「曲げにおいて超繊維質である」公称設計応力値の約１．２〜１．５倍のレベルにまで、応力集中係数の減少を示した。接続部の性能の付加的向上は、引っ張りに負荷されているフランジのウェブ側で圧縮力を消して生み出されている。溶接部の鉛直面を横切る圧縮から引っ張りへのこの応力勾配の排除は、溶接金属上への挺子作用を除く。
数学モデルにおける本発明の使用例
上述の有限要素解析を使用して、従来の接合部の外、本発明の様々な特徴を組み込んだコラムとビームの接続部について幾つかの変位の解析がなされた。コラムフランジとビームフランジのエッジの変位は、ＡＮＳＹＳ５．１の数学モデルテクニックを使用して決定された。
図１６を参照すると、コラムとビームの接続部でのビームフランジとコラムフランジの基準線の変位の表示が、所定の負荷条件下で、すなわち、地震中に生じるであろうものに近い条件下で、従来のコラムとビームの接続部に対して表示されている。ライン２３４は、コラムフランジの中心線を表し、２３６の領域はビームフランジへの接続部である。領域２３８は、コラムフランジの中心線の近傍であって、コラムに対するビームの接続点から或る鉛直距離だけ離れている。例えば、領域２３６が上部ビームフランジでの接続部を表しているならば、領域２３８はコラムフランジ接続部の上のコラムフランジの鉛直センタラインの近傍領域である。ライン２４０はコラムフランジの外部エッジを表している。ライン２４２は接続されたビームフランジの中心線を表し、ライン２４４はビームフランジの外部エッジを表している。図１７を参照して、従来のコラム２４８とビーム２４６の接続部の側方斜視図であり、コラムの中心線２３４が、２３６の接続点の中心から鉛直な領域２３８とともに示されている。同様にして、ビームフランジの中心線２４２が、重要な接続部にあるビームフランジ、この場合は上部フランジに沿って伸びている。外部コラムフランジエッジ２４８と外部ビームフランジエッジ２４４も示されている。左の鉛直線２４０と右の鉛直線２３４との間の距離「ａ」は、一般に、負荷が印加されている間のフランジエッジの変位を示している。このようにして、上記２線の間の重要な距離は、所定の負荷を与えている間、鉛直な中心線２３４に沿ったコラムフランジに比較すると、コラムフランジのエッジ２４０に重要な変位が存在するということを示している。同様にして、ビーム中心線２４２とフランジエッジ２４４との間の距離「ｂ」は、上記コラムの長手方向に沿ったビームフランジの中心線２４２からのビームフランジのエッジ２４４の変位の量である。図１６は、従来のコラム２４８とビーム２４６の接続部に対する変位を示し、本発明の特徴を何ら含んでいない。
図１８を参照すると、連続プレートにビームスロットを有するビームとコラムの接続部に対する変位の図が示されている。図１８では、領域２５０はビームスロットを表している。ライン２５２は、コラムフランジエッジを表し、ライン２５４はコラム中心線を表し、ライン２５６はビームフランジエッジを表し、ライン２５８はビーム中心線を表している。負荷条件下で、距離「ｃ」はコラムフランジエッジの中心線からの変位を表し、距離「ｄ」はビームフランジの中心線からのビームフランジエッジの変位を表している。距離「ｃ」と「ｄ」とは、アングルのコラムとビームフランジとのエッジの重要な変位を、コラムとビームの中心線のそれと個々に比較して表している。図１６の距離「ａ」と図１８の距離「ｃ」とを比較し、距離「ｂ」と距離「ｄ」とを比較するとすぐに分かるように、鉄鋼構造物にビームスロットを用いている場合には、変位の量が非常に少ない。従来の接続部とビームスロット付きの接続部との間のフランジエッジにおける変位の減少は、負荷中に課せられる力がより均等にビームスロット付きの接続部に吸収されることを示している。
図１９は、接続部におけるコラムとビームフランジのエッジの変位の図であり、接続部には、Ｗ２７×９４インチ（Ｗ６９０×１４０）のビームに接続されたＷ１４×１７６インチ（Ｗ３６０×１６２）のコラムのための連続プレートの外に、ビームとコラムのスロットがある。領域２６０は、図９，１０，１２を参照して詳述したように、コラムスロットを表し、領域２６２は、図９，１１を参照してより詳しく述べたように、ビームスロットを表している。ライン２６４はコラムフランジのエッジを表し、ライン２６６はコラムの中心線を表し、ライン２６８はビームフランジのエッジを表し、ライン２７０はビームフランジの中心線を表している。また、容易に理解できるように、２つの鉛直ライン２６４と２６６の間の距離と、２つの概して下方に傾斜している水平ライン２６８，２７０の間の距離とは、コラムスロットとビームスロットと連続プレートを持つ接続部のフランジのエッジとフランジの中心線との間の変位が、従来の接続におけるフランジエッジの変位に比較して、非常に小さいことを示している。この減少された変位は、上述したように、連続プレートとともにビームとコラムのスロットを持つ接続部が、従来の接続部よりもより均一に、負荷中に加えられた力を吸収することができるということを示している。
図２０は、本発明の２重ビームスロットをもつビームの座屈を示している。標準のＷ２７×９４（Ｗ６９０×１４０）のビーム２７２は、下部第１ビームスロット２７４と、図示のように、第２の、すなわち、２重のビームスロット２７６とを含んでいる。対応する上部第１と第２ビームスロットとが解析に含まれているが、それらは上部ビームフランジに重なって隠れるので、図示２０に示されていない。これらの２重ビームスロットは、図１４に関して、上述されているようなものである。ビームの座屈は、上部ビームフランジにおける可塑性のヒンジの領域２７８に示され、フランジが下方に略Ｕ形またはＶ形に変形されている。ビームのウェブでは、図２０に示すように、変形はウェブの領域２８０の形状を取って、元の平面からうね状になり、ページ（ｐａｇｅ）から広がる。図示されているように、可塑性のヒンジポイントは、コラムとビームの接続部自体よりも、むしろ第２の上部と下部のビームスロットの上下のウェブの領域内にある。
図２１は、図９に示すように、本発明の上下コラムスロットと上下ビームスロットを組み入れているコラムとビームの接続部のヒステレシスのグラフである。「ヒステレシスのループ」は、コラムに溶接された片持ちビームのたわみと付加荷重のプロットである。
図２５と２６を参照すると、地震のシミュレート負荷によって、コラム３０８が鉛直方向と水平方向の湾曲するということが見いだされた。コラムフランジ３１６の鉛直方向の湾曲によって、ビーム３１０は、ビームフランジ３１２と３１４において高い２次応力を受ける。加えて、コラムフランジ３１２の水平方向の湾曲は、ビームフランジ３１２と３１４における引っ張り力と圧縮力のためにコラムフランジ３１２の水平方向の湾曲が生じていることが見いだされた。鋭い湾曲がビームフランジ３１２と３１４で生じ、この鋭い湾曲がコラムフランジ３１６に対するビームフランジ３１２と３１４でのテコの作用となる。応力はコラムウェブ３１８に向かって収斂し、領域３２０で最も高い。ビームスロットの目的は、コラムフランジの鉛直方向と水平方向の湾曲の影響を最小化することである。
ビームウェブのコラムフランジへの溶接の特徴
コラムフランジにビームウェブを溶接することは、本発明の接続部に、付加的な強度と延性とを与えることが見いだされている。好ましい実施の形態は、完全溶込溶接または矩形グルーブ溶接を使用する。シェアプレートの長手に渡ってビームウェブの強度を増大させる溶接は如何なるものも、この特徴に対して同等の溶接である。図２７と２８を参照すると、接続部４００はビーム４０２がコラム４０４に直角に接続された状態で示されている。ビームウェブは、４０１で示される界面に沿ってコラムフランジに溶接されるばかりでなく、ボルト締めそして／またはシェアプレート４０６に溶接されている。スロットされた（細長穴の加工がなされた）ビームの接続部のこの特徴は、コラムフランジの肉厚を貫く潜在的な損傷を緩和したり、及び／又は回避するのに使用される。また、上部と下部ビームスロット４１０と４１２は、上述したように、図２７に示されている。
鉛直フィンの特徴
スロットされたビームの接続部は、ビームとコラムフランジの界面に取り付けられた鉛直鉄鋼フィンを首尾よく使用し得るということが分かっている。図２７を参照すると、鉛直フィン４１４が下部ビームとコラムフランジの接点４１８の下に配置されている。この鉛直フィンは、好ましくは、三角形の鋼板であって、典型的には３／４インチ（１．９０５cm）の厚さをもつ。
水平フィンの特徴
水平の鉄鋼フィンは、また、好ましくは三角形をして、本発明のスロットされたビーム接続部と共に好都合に使用され得るということが分かっている。図２９を参照すると、接続部４２０が示され、ビーム４２２がコラム４２４に接続されている。上部の水平の三角形フィン４２６と下部の水平のフィン４２８は、コラム４２４のフランジとシェアプレート４３０に溶接されて示されている。シェアプレート４３０は、ビーム４２２のウェブに溶接および／またはボルト締めされる。水平フィンは典型的には１″（２．５４cm）厚さの鋼板である。シェアプレートと水平フィンはビームウェブの表側および／または裏側で使用される。
本発明のボックスコラムへの適用
本発明のスロットされた接続部は、ＩビームあるいはＷ形コラムと共に使用するように図示され記載されていた。しかしながら、本発明は、ボックスコラムと共に使用されると有用であり、ある適用では好まれる。図３０を参照すると、接続部４３２がビーム４３６と４３８がボックスコラム４４０に接続されて示されている。好ましくは、本発明のスロットされたビームの特徴は、例えばビーム４３６のようなビームの中に組み込まれ、接続部はボックスコラム４４０の面フランジ４４２に形成されている。同様に、ビーム４３８が、反対側で、本発明のスロットの特徴を組み入れて、ボックスコラム４４０のフランジ４３４に接続されている。
先細りスロットの特徴
また、先細りになった２重幅のビームスロットが本発明の接続部に使用されることが見い出されている。図３１を参照すると、例えば、ビームスロット４４０はビームフランジ４４２に隣接して示されている。好ましくは、スロットは、コラムフランジの近傍の４４４で示される領域で比較的狭くなっており、また、隣接するコラムフランジから離れ、終端部に向かう方向において長手に沿って広がっている。このテーパーになったスロットの特徴は、コラムフランジの近傍の座屈の大きさを制御するのに役立っていて、平面外へのビームフランジの座屈が、シェアプレートの上のビームフランジの長手に沿った座屈よりも、コラムとビームフランジの界面では目立たなくっている。典型的かつ好適なテーパースロットは、コラムフランジの所で約１／８″から１／４″（０．３１７５cm×０．６３５cm）の幅に変化する。シェアプレートの幅に略等しい長さ、例えば７″（１７．７５cm）スロットの終端部まで約３／８″（０．９５２５cm）の幅に広がる。典型的には、スロットの終端部はビームフランジ幅の約１．５倍である。
本発明の鉄鋼モーメントフレームにおけるコラムとビームの接続部の設計方法
本発明の一部として、鉄鋼モーメントフレームにおけるスロットされたビームとコラムの接続部の設計方法が開発された。この設計方法は、シェアプレートの設計とビームスロットの設計のための方法を含んでいる。
シェアプレートの設計
シェアプレートの設計は、シェアプレートの高さ、シェアプレートの厚さと長さの設計を含んでいる。その設計基準を以下に述べる。
まず、シェアプレートの高さの設計に関しては、プレートの溶接とビームウェブのスロットとを考慮したプレートの最大高さを使用する。典型的には、高さｈp＝Ｔ−３″（７．６２cm）、ここでＴはＡＩＳＣ設計マニュアルから取られている。例えば、Ｗ３６×２８０（Ｗ９２０×４１７）のビームに対して、Ｔ＝３１ １／８″（７９．０５７５cm）。したがって、ｈp＝３１ １／８−３（７９．０５７５cm−７．６２cm）＝２８″（７１．１２cm）
シェアプレートの厚さの設計に関しては、プレートの弾性断面率が使用され、コラム面で要求されるビーム／プレートの弾性強度を展開している。シェアプレートの厚さの設計に対して注釈付きで、図３２に示されるＡＴＣ-２４モーメントダイヤグラムを使用している。この計算に対して、
Ｍy(ビーム)＝Ｓbσy
Ｍpl＝Ｍy(ｌs／(ｌb−ｌs))＝Ｓpσy(ｌs／(ｌb−ｌs))
Ｍpl＝Ｓplσy    ここで、Ｓpl＝ｔpｈ2p／６
ｔpを解くと、
ｔp＝(６Ｓbｌs)／(ｈ2p(ｌb−ｌs))
ｔp min＝１．２５×（ビームウェブ厚み）
例えば、
Ｉb＝１６８″（４２６．７２cm）、ｌs＝２４″（６０．９６cm）のＷ３６×２８０（Ｗ９２０×４１７）のビームに対して、
Ｓb＝１０３０ ｉｎ3（１６，８７８．６１cm3）、
ｈp＝２８″（７１．１２cm）
ｔp＝１．３１″（３．３２７４cm）。
したがって、１．５０″（３．８１cm）のシェアプレート厚さが使用されるべきである。
シェアプレート長さの決定は、ＡＴＣ-２４モーメントダイヤグラムを使用して、図３３に示すように、プレート／ビームの強度を展開している。
図３３を参照すると、Ｍmax＝（Ｓb＋Ｓpl）σy
Ｓ．Ｆ．＝Ｚb／Ｓb＝（ｌb−ｌp）／（ｌb−ｌs）  または
ｌp＝ｌb−Ｓ．Ｆ．×（ｌb−ｌs）
ｌb＝１６８″（４２６．７２cm）、  ｌs＝２４″（６０．９６cm）、Ｓ．Ｆ．＝１．１３
したがって、  ｌp＝５．２８″（１３．４１１２cm）
使用８″（２０．３２cm）−推奨ｌp min＝ｌs／３またはｌp min＝４″（１０．１６cm）
要するに、シェアプレートの寸法に関する設計法は以下である。
プレート高さ：ｈp＝Ｔ−３″（７．６２cm）
プレート厚さ：ｔp＝(６Ｓbｌs)／(ｈ2p(ｌb−ｌs))
または  ｔp min＝１．２５×（ビームウェブ）
プレート長さ：ｌp＝ｌb−Ｓ．Ｆ．×（ｌb−ｌs）
推奨されるｌp min＝ｌs／３またはｌp min＝４″（１０．１６cm）
注：  ＴはＡＩＳＣ鉄鋼設計マニュアルから。
Ｓb＝ビーム断面率、      Ｓ．Ｆ．＝ビーム形状係数
ｌb＝（ビームクリアスパン）／２
ビームスロット寸法の決定方法
本発明の原理によると、最も好ましいビームスロットの長さは１．５×（公称ビームフランジ幅）。この基準は以下に基づいている。
（１）１０″（２５．４cm）〜１６″（４０．６４cm）のビームフランジ幅を含む実物大のＡＴＣ−２４試験
（２）可塑性のビームウェブと可塑性のビームフランジの座屈を含んだ有限要素解析
ビームスロットの長さは、幾つかの目的と機能を果たすように設計されている。第１に、ビームスロットの長さは、可塑性のビームフランジとビームウェブの座屈がスロット領域で独立して起こるように設計されている。第２に、スロットの長さは、可塑性ヒンジの中心を移動してコラム面から離すように、例えば、シェアプレート端部を通り越して約１／２のビーム深さ（depth）だけ離すように設計されている。第３は、スロットの長さは、コラム面の近傍からビームスロットの端部まで略均一な応力歪分布を与えるように設計されている。第４に、スロット長さが可塑性ビームフランジの座屈を保証するように設計されていて、ビームの十分な可塑性モーメント容量が増加される。これは、次のように表される。
ｌs／（３×ｔf）＝ｂf／（２×ｔf）≦６５／（Ｆy）1/2
ビームスロット幅は、最も好ましくは、コラムの面からシェアプレートの端部まで約１／８″（０．３１７５cm）から１／４″（０．６３５cm）の幅であるということが分かっている。シェアプレートの端部からスロットの端部まで、最も好ましいスロットの幅は３／８″（０．９５２５cm）から１／２″（１．２７cm）である。コラム面で比較的細いスロットは、（ａ）５から８の間の係数だけ延性の要求を減少させ、（ｂ）コラムの面に近い大きなビームフランジの湾曲を減少させるということは分かっている。コラムから離れたより深いスロットの外板は、スロットのビームフランジの座屈を生じさせるが、フランジの中央部分で座屈の大きさを限定する。
接続部の剛性に関するビームスロットの影響
本発明によると、高忠実モデルのＡＴＣ-２４試験アセンブリを使用する有限要素解析は、本発明のビームスロットが、アセンブリの弾性力たわみ挙動を変化させないということを示している。したがって、スロットされたビームを使用するとき、静的負荷および地震負荷を受ける鉄鋼フレームを設計するのに標準有限要素プログラムを使用することができる。
地震の応力集中と延性需要率
本発明の鉄鋼モーメントフレーム用のスロットされたビームコラム接続部の延性および強度の設計属性は、当該技術分野における重要な進歩を表す。スロットされたビームウェブの設計は、近傍の均一なフランジ/溶接の応力歪分布を与えることによって、ビームとコラムフランジの接続部の応力集中係数（ＳＣＦ）を４．６の代表値から１．４の代表値に減少させる。この４．６ＳＣＦは有限要素解析によって計算され、実験的に観察された。上記４．６ＳＣＦは、プレノースリッジ（Pre-Northridge）や、減少したビーム断面（ドッグボーンdogbone）や、カバープレート接続部の設計に存在する。典型的な４．６ＳＣＦは、コラム面でのビームフランジの溶接部を横切り貫く大きな応力と歪の勾配によって、生じる。塑性材料に対しては、スロットされたビームのＳＣＦ減少は、コラムフランジとビームフランジの溶接部で、およそマグニチュードのオーダ（位数）で材料の塑性需要を減少させる。ＳＣＦと塑性需要係数（ＤＤＦ）との間の関係は、次のように表現される。ＳＣＦ＝計算された弾性応力／降伏応力。ＤＤＦは、ＤＤＦ＝歪／降伏歪−１＝ＳＣＦ−１として表される。
本発明の接続部と従来のＳＣＦおよびＤＤＦを比較すると、基準線または従来の接続部は、ＣＪＰのビームとコラムの溶接部を含み、連続プレートは含まない。本発明の接続部は、上述の解析と方法によって決定されるＣＪＰのビームとコラムの溶接部とビームスロットと連続プレートとを含む。
本スロットされたビームの発明は、（１）ビームの可塑性モーメント容量を増加させ、（２）コラムの面から離れるようにビーム内の可塑性ヒンジを移動させ、（３）ビームフランジにおいて、コラムの面からスロットの端部までほぼ均一な引っ張り応力と圧縮応力になると考えられている。さらに、本発明のスロットされたビーム設計は、ビームフランジがビームウェブとは関係なく座屈し、スロットされない接続部において生じる横方向の捩れの可塑性座屈モードの大きさを非常に減少させる。この後者の属性は、ビームフランジにおける捩れモーメントと捩れ応力と、コラムフランジにおける溶接とを減少させる。
本発明は、現在最も実際的であると考えられるものおよび好ましい実施の形態に関して記載されているが、本発明が開示されている実施の形態に限定されるのではなく、むしろ、本発明の精神内に含まれる様々な変形例および同等の装置を包含することを意図していることを理解されねばならない。上記本発明の精神内に含まれる様々な変形例および同等の装置は、添付のクレームに記載され、かつ、鉄鋼フレームに印加される横方向の負荷から生じる不均等な応力と歪および不均一な歪速度を正すように適用あるいは使用されるこのような全ての変形例および同等な構造を包含するように、クレームの範囲は最も広範な解釈とすべきである。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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