JP2010216115A

JP2010216115A - 鉄骨構造物

Info

Publication number: JP2010216115A
Application number: JP2009062298A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Suzuki; 悠介鈴木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】地震時において、柱脚部に発生するモーメントを低下させることにより柱脚部を弾性変形域に抑え、ひいては鉄骨構造物全体を弾性変形域に収まるように作用させる。
【解決手段】鋼管柱２と、鋼管柱２における柱梁接合部２２に剛接合される梁材３とを備える鉄骨構造物１において、柱梁接合部２２は、柱梁耐力比が１．５以上であり、鋼管柱２の最下層における強度_ｃσ_ｙは、下記の（１）式を満たすことを特徴とする鉄骨構造物。（１）式

【選択図】図３

Description

本発明は、鋼管柱における柱梁接合部に梁材を剛接合して構成した鉄骨構造物に関し、特に地震等による荷重が負荷された場合に鋼管柱が容易に塑性変形してしまうのを防止する上で好適な鉄骨構造物に関する。

従来より、鋼管柱並びにその鋼管柱における柱梁接合部に剛接合される梁材を備える鉄骨ラーメン骨組を含む鉄骨構造物が構築されている。一般的にこの鉄骨ラーメン骨組は、鋼管柱と梁材との柱梁接合部では、大地震等の大応力作用時において鋼管柱より先に梁材を降伏させる設計とすることが本来的な手法である。これは、大応力作用時に柱が損傷した場合には、建物倒壊の危険性が高まり、建物の修復が困難なことから全面的な建て直しをせざるを得なくなるためである。また、中小地震による応力が加わった場合においても、その鋼管柱や梁材の変形が極力弾性変形の範囲に抑えられるように設計されるのを基本としている。

図８は、この鉄骨ラーメン骨組の構成とそのモーメントを模式的に示している。鋼管柱７１における柱梁接合部７３に梁材７２を剛接合して構成した鉄骨構造物７では、鋼管柱７１と梁材７２が互いに剛接合されていることから、仮に地震による応力がこの鉄骨構造物７に加わった場合、部材接点に相当する柱梁接合部７３近傍においてモーメント応力が発生する。また、この柱梁接合部７３においてモーメントが発生すると、これに伴って、最下層の鋼管柱７１の下端に位置する柱脚部７１ａにもモーメント応力が発生する。

また、最下層の鋼管柱７１には、上端から柱脚部７１ａに至るまでの間で、このモーメントが０となる反曲点Ｐが現れる。一般に、最下層柱はコンクリート基礎に剛接固定され、柱頭部と柱脚部の固定度の違いから、この鋼管柱７１において反曲点Ｐが現れる高さは、図８に示すように階高中心Ｋよりも上側にある。その結果、最下層の鋼管柱７１の柱脚部７１ａに発生するモーメントは、より大きくなってしまう。そして、この鋼管柱７１の柱脚部７１ａに発生するモーメントが構造各部に生じる応力よりも地震による荷重により大きくなれば、当該柱脚部７１ａが塑性変形してしまうことになる。

このため、従来においては、鋼管柱７１の厚みに関しては今までと同様の厚みで維持しつつ、単に鋼管柱７１を構成する鋼材を高強度鋼とすることにより、これを弾性変形域に抑える方法が採用されていた。

しかしながら、単に鋼管柱７１の板厚を厚く維持したまま、材料のみを高強度化する方法では、結局のところ材料コストが高価になってしまい、実用化の面において大きな障壁が発生してしまう。このため、単に鋼管柱７１を高強度鋼とすることにくわえ、これを構成する鋼管の軽量化、薄肉化を図ることによる低コスト化を促進させる必要があった。

因みに、従来においては、鉄骨ラーメン骨組を含む鉄骨構造物の耐震性能を向上させることを目的として、例えば特許文献１、２に示すような技術が開示されている。特許文献１の開示技術は、鋼管柱と梁材が接合される柱梁接合部に接合パネルを設け、その接合パネルの曲げ耐力を、その上下にある柱の曲げ耐力の和未満としたものである。

しかしながら、この特許文献１の開示技術では、鋼管柱の柱脚部について特段の言及並びに検討がなされておらず、鋼管柱シャフト全体について降伏比の設定自由度を向上させることができない。

また特許文献２の開示技術は、柱梁耐力比が１．０を超える骨組構造からなる多層鉄骨構造物において、柱脚が破損しないように第１層の柱の曲げモーメント分布の中立点（反曲点）を階高方向の所定の位置とした技術が開示されている。具体的には、第１層の柱部材に高降伏点鋼を用い、柱梁剛性比を低下させることにより、第１層の柱部材の曲げモーメント分布の中立点（反曲点）をより階高方向へシフトさせている。

しかしながら、この特許文献２の開示技術では、具体的に柱脚部を弾性変形域に保つ具体的な条件設定について特に言及されていない。また柱脚部を弾性域に維持しつつ低コスト化を図る点についても開示されていない。

特開２００６−２９１６９８号公報特開２００４−４５８２０号公報

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、地震時において、柱脚部に発生するモーメントを低下させることにより柱脚部を弾性変形域に抑え、ひいては鉄骨構造物全体における鋼管柱を弾性変形域に収まるように作用させることにより、耐震性を向上させることができ、さらにはこれらをよい低コストで実現することにより実用性の面においても優れた鉄骨構造物を提供することにある。

本願請求項１記載の鉄骨構造物は、上述した課題を解決するために、鋼管柱と、上記鋼管柱における柱梁接合部に剛接合される梁材とを備える鉄骨構造物において、上記柱梁接合部は、柱梁耐力比が１．５以上であり、上記鋼管柱の最下層における強度_ｃσ_ｙは、下記（１）式を満たすことを特徴とする。

・・・・・（１）

ここで、_ｃＺ_ｐ：鋼管柱の塑性断面係数、ｈ：最下層の階高に対する鋼管柱におけるモーメントの反曲点の高さ比、ｎ：鋼管柱の軸力比、τ：梁材の最大耐力までの耐力上昇率（＝１．３）、_ｂＭ_ＰＬ、_ｂＭ_ＰＲ：梁材の塑性断面係数

また、請求項２記載の鉄骨構造物は、請求項１記載の発明において、上記鋼管柱は、その降伏比が９９％以下とされていることを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、鋼管柱と、梁材との柱梁耐力比を１．５以上とすることにより、少なくとも最下層の鋼管柱における柱脚部を除く、柱梁接合部においてモーメント応力が発生する箇所において、これを弾性変形域に保つとともに、鋼管柱の最
下層において、式（１）の関係が成り立つように、鋼管柱の材料の選定を行い、或いは断面係数等を初めとした各種パラメータの最適化を図る。その結果、大きな地震による荷重が加わった場合においても、鉄骨構造物全体を弾性域に抑え込むことが可能となり、ひいては鉄骨構造物全体につき耐震性能を向上させることが可能となる。従来においては、鋼管柱の板厚を同一としつつ、単に鋼材のみを高強度鋼としていたが、本発明では、式（１）の範囲が成り立つ範囲でしかも耐力比を一定にしていることから、鋼材を高強度鋼としつつ、鋼管柱の板厚を薄肉化できる。その結果、軽量化を図ることができ、材料コスト、施工コストを低減させることが可能となる。

本発明を適用した鉄骨構造物の斜視図である。本発明を適用した鉄骨構造物の側断面図である。本発明を適用した鉄骨構造物に負荷されるモーメントを模式的に示した図である。鋼管柱の板厚と、鋼管柱の降伏強度の関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。部分架構の取り出し位置について説明するための図である。鋼管柱の板厚と、鋼管柱の降伏強度の関係をシミュレーションにより求めた結果を示す他の図である。鋼管柱の板厚と、鋼管柱の降伏強度の関係をシミュレーションにより求めた結果を示す更なる他の図である。鉄骨ラーメン骨組の構成とそのモーメントを模式的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態として、耐震性能に優れた鉄骨構造物について詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した鉄骨構造物１の斜視図であり、図２は、その側面図を示している。鉄骨構造物１は、鋼管柱２と、この鋼管柱２に接合される梁材３とを備えている。

鋼管柱２は、断面四角形状の所定の板厚からなる鋼管２１と、柱梁接合部２２により構成されている。柱梁接合部２２は、下板５１並びに上板５２と、下端に下板５１が接合板５３を介して取り付けられ、上端に上板５２が接合板５３に対する溶接を介して取り付けられている鋼管５３とを備えている。この鋼管５３と鋼管２１はほぼ同一の板厚とされている。

ちなみに、この鋼管柱２を構成する鋼管２１と、柱梁接合部２２は、何れも冷間成形により成形されてなる。

この鋼管柱２は、大地震による大きな揺れにおいても鉄骨構造物１自体の自重を支えつつ、その倒壊や崩落を防ぐ役割を担う。大地震等の大応力作用時においても最初にこの鋼管柱２が降伏してしまうのを防止する観点から、後述するように、特にこの鋼管柱２において弾性変形域に収まるように設計されている。

梁材３は、ウェブ部３１と、当該ウェブ部３１の両端に設けられた一対のフランジ部３２ａ、３２ｂとを備える、いわゆるＨ形鋼により構成されている。この梁材３は、例えば、圧延加工により製作される。なお、この梁材３は、いわゆるＨ形鋼として構成される場合に限定されるものではなく、これ以外の形状で構成されていてもよい。

このような構成からなる梁材３は、そのウェブ３１の端面３ａを鋼管５３の表面に当接
させた状態で溶接するとともに、フランジ３２ａ、３２ｂは、通しダイアフラム５６を介して上板５２、下板５１へ溶接されてなることにより、この柱梁接合部２２に一体化される。その結果、この梁材３は、柱梁接合部２２との間で剛接合され、鉄骨ラーメン構造が構成されることになる。

更に鋼管柱２における鋼管２１は、図２における仮想線に示すように柱梁接合部２２の上に積み上げ状に配置されたのち、その上下間が溶接により固着される。このようにして、鋼管柱２は、鋼管２１と柱梁接合部２２を交互に積み重ねて上下に接合されていくことにより最上層から最下層に向けて連続して構成され、鉄骨構造物１が構築されていくことになる。ちなみに、鉄骨構造物１における最下層においては、鋼管柱２が地上に固定されている。

次に、本発明を適用した鉄骨構造物１における鋼管柱２並びに梁材３の具体的な構造力学的特性について説明をする。

図３は、本発明を適用した鉄骨構造物１に負荷されるモーメントを模式的に示したものである。鋼管柱２における柱梁接合部２２に梁材３を剛接合して構成した鉄骨構造物１であることから、仮に地震による応力がこの鉄骨構造物１に加わった場合、部材接点に相当する柱梁接合部２２近傍においてモーメント応力が発生する。また、この柱梁接合部２２においてモーメントが発生すると、これに伴って、最下層の鋼管柱２の下端に位置する柱脚部２ａにもモーメント応力が発生する。下層に向かうほど当該鉄骨構造物１の自重と地震荷重が増大するため、この柱脚部２ａにおけるモーメントの大きさもこれに伴って大きくなる。また、最下層の鋼管柱２には、上端から柱脚部２ａに至るまでの間で、このモーメントが０となる反曲点Ｓが現れる。この反曲点Ｓの高さをｈとする。

本発明では、柱梁接合部２２の構造力学的特性について、以下のように規定する。即ち、柱梁接合部２２において、鋼管柱２の耐力を、梁材３の耐力よりも十分大きく設定し、鋼管柱２（より具体的には柱梁接合部２２を除く鋼管２１）と、梁材３との柱梁耐力比（＝鋼管柱２の耐力／梁材３の耐力）が１．５以上であることを特徴としている。

例えば、冷間成形角形鋼管設計施工マニュアル（日本建築センター、2003年）のＰ４６に記載されているとおり、柱が先行して崩壊してしまう柱崩壊を防止し、あくまで梁が先行して崩壊する梁崩壊を優先的に起こさせるためには、柱梁耐力比を１．５以上とする点が言及されている。本発明は、これに基づいて、鋼管柱２と、梁材３との柱梁耐力比を１．５以上とすることにより、少なくとも最下層の鋼管柱２における柱脚部２ａを除く、柱梁接合部２２においてモーメント応力が発生する箇所において、これを弾性変形域に保つことが可能となる。

また本発明では、鋼管柱２の最下層における強度_ｃσ_ｙは、下記（１）式を満たすこととしている。

・・・・・（１）

ここで、_ｃＺ_ｐ：鋼管柱２の塑性断面係数、ｈ：最下層の階高に対する鋼管柱２におけるモーメントの反曲点Ｓの高さ比、ｎ：鋼管柱２の軸力比、τ：梁材３の最大耐力までの耐力上昇率（＝１．３）、_ｂＭ_ＰＬ、_ｂＭ_ＰＲ：梁材３の塑性断面係数を示す。ちなみに、ここでいう耐力上昇率１．３の値は、”日本建築学会、構造工学論文集vol.51B、(2005)、p381”に基づくものである。

これらのパラメータのうち、ｈと_ｂＭ_ＰＬ、_ｂＭ_ＰＲは、あくまで鉄骨構造物１における鋼管柱２、梁材３の断面特性や反曲点Ｓの高さ等といった、鉄骨構造物１自体の構成に依拠するパラメータを代入することにより得られる（１）式右辺よりも、鋼管柱２における最下層の強度_ｃσ_ｙが大きくなるように材料を選定することを意味している。実際にこの鋼管柱２における最下層の強度_ｃσ_ｙは、最もモーメントが大きくなる柱脚部２ａに着目した強度を意味する。

以下、この（１）式の導出過程について説明をする。

図３に示す部分架構モデルにおいて、柱梁接合部２２における釣合式は、下記（２）式で表される。

・・・・・（２）

この（２）式において、_ｂＭ_Ｌ、_ｂＭ_Ｒは、柱梁接合部２２を挟んで左右にある梁材３におけるモーメントを表している。また、_ｃＭ_１Ｕ、_ｃＭ_２Ｄは、柱梁接合部２２を挟んで上下にある鋼管柱２におけるモーメントを表している。また、Qは、最下層鋼管柱に生じるせん断力を表している。

また、図３において、第２層柱の反曲点高さを1/2Ｈとしているが、望ましくは、第２、第３層柱・梁の断面に応じて、適宜修正してもよい。

一方、柱脚部２ａに発生する曲げモーメントは、下記（３）式で表される。

・・・・・（３）
（２）、（３）式より、下記の（４）式を導くことができる。

・・・・・（４）

梁材３に塑性変形が発生し、耐力上昇する中で、柱脚部２ａが全塑性状態にならないためには、下記の（５）式を満たす必要がある。

・・・・・（５）

ここで、_ｂＭ_Ｌ＝τ×_ｂＭ_ＰＬ、_ｂＭ_Ｒ＝τ×_ｂＭ_ＰＲ、また_ｃＭ_Ｐは、柱脚部２ａにおける全塑性応力を示す。

そして、上記（５）式を柱強度の条件として表すと（１）のように整理することが可能となる。

・・・・・（１）

なお、この（１）式に規定する変数のうち、反曲点Ｓの高さｈのみは下記の計算により求めることができる。

図３に示す部分架構モデルにおいて、柱梁接合部２２における釣合式は、下記（６）式で示すことが可能となる。

・・・・・（６）

そして、左右の梁材３に生じる部材変形角が等しいものと仮定した場合、下記（７）式により定義することが可能となる。

・・・・・（７）

（６）、（７）式より、下記の（８）、（９）式を導出することができる。

・・・・・（８）

・・・・・（９）

反曲点Ｓにおける鋼管柱２の撓み角が等しいことを、変形の適合条件とした場合に、上記（８）、（９）式より、下記の（１０）式を導くことが可能となる。

・・・・・（１０）

上記（１０）式を解くことにより、反曲点高さｈを求めることが可能となる。

ここで、_ｈＱ_Ｌ、_ｈＱ_Ｒは柱梁接合部２２を挟んで左右にある梁材３におけるせん断応力を、Ｌ_Ｒ、Ｌ_Lは柱梁接合部２２を挟んで左右にある梁材３における部材長を、Ｅ_ｂは柱梁接合部２２を挟んで左右にある梁材３におけるヤング率を、_ｂＩ_Ｌ、_ｂＩ_Ｒは柱梁接合部２２を挟んで左右にある梁材３における断面二次モーメントを表している。

そして、具体的に鋼管柱２の最下層における強度_ｃσ_ｙを決定する上で、上記（１）式の右辺を求める際に、ｈに関しては、（１０）式を解くことにより求め、残りのパラメータに関しては、実際の鉄骨構造物１における鋼管柱２、梁材３の断面特性等の設計に基づく各種パラメータを代入することになる。

このように、本発明によれば、鋼管柱２と、梁材３との柱梁耐力比を１．５以上とすることにより、少なくとも最下層の鋼管柱２における柱脚部２ａを除く、柱梁接合部２２においてモーメント応力が発生する箇所において、これを弾性変形域に保つとともに、鋼管柱２の最下層において、式（１）の関係が成り立つように、鋼管柱１の材料の選定を行い、或いは断面係数等を初めとした各種パラメータの最適化を図る。その結果、大きな地震による荷重が加わった場合においても、鉄骨構造物１全体を弾性域に抑え込むことが可能となり、ひいては鉄骨構造物１全体につき耐震性能を向上させることが可能となる。

なお、上述した構成を採用する本発明では、更に鋼管柱２は、その降伏比が８０％超とされていてもよい。或いは、鋼管柱２を構成する鋼材の降伏比が９９％以下であればいかなるものを適用してもよい。建築鉄骨部材では、変形性能を確保するため、降伏比を８０％以下とする規定があるが、本発明によって鋼管柱２を弾性範囲内に留めることで、これ
を構成する鋼材降伏比の設定自由度を向上させることができる。また、降伏比は降伏強度と引張強さの比であるため、鋼材の降伏比を緩和することで降伏強度を相対的に上げることになり、より鋼管柱を弾性範囲内に留める（式（１）を満足する）ことが容易になるという相乗効果を期待できる。

以下、本発明を適用した鉄骨構造物１の実施例１について説明をする。

鉄骨構造物１における表１に示すような鋼管柱２並びに梁材３の柱梁諸元において、実際に鋼管柱２の板厚と、鋼管柱２の降伏強度の関係をシミュレーションにより求めた結果を図４(a),(b)に示す。

ちなみに、この表１では、図５(a)に示すように、部分架構の取り出し位置は、鋼管柱２を中心とし、左右対称に梁材３を抽出した、斜線で示す領域としており、架構における“梁長左”は、図５(a)に示す鋼管柱２の左側にある梁材３を、“梁長右”は、図５(a)に示す鋼管柱２の右側にある梁材３を示している。

上記（１）式に相当する曲線を図４(a)中に示す。この（１）式よりも上側において、鋼管柱２の最下層における強度_ｃσ_ｙについて弾性変形域とすることができることを意味している。柱降伏比と柱降伏強度との関係においては、この（１）式を満たす領域は、図４(b)の実線で示すことが可能となる。

即ち、柱板厚と、柱降伏強度は、この式（１）の曲線よりも上側の領域になければならないことを意味している。また図中に、さらに幅が６００ｍｍの鋼管柱２の耐力一定曲線を示す。従来の構造では、柱板厚を３６ｍｍとしていたが、この耐力一定曲線に沿って柱板厚を下げるとともに、柱降伏強度を向上させる。その結果、耐力一定曲線において柱降伏強度が４００Ｎ／ｍｍ^２であるときに概ね弾性域に、更に柱降伏強度が５００Ｎ／ｍｍ^２であるときにこの鋼管柱２を完全に弾性域にすることが可能となる。従来においては、
鋼管柱２の板厚を同一としつつ、単に鋼材のみを高強度鋼としていたが、本発明では、鋼材の降伏比を緩和することで、引張強さは同一のまま降伏強度のみを上昇させ、鋼管柱２の板厚を薄肉化している点において相違する。本実施例では、従来鋼に対し、降伏比を85%以上とすることで、(1)式を満足する柱降伏強度を得ることが出来る。さらに望ましくは、降伏比を90%以上とすることで、本発明の意図を確実に実現することができる。その結果、軽量化を図ることができ、材料コスト、施工コストを低減させることが可能となる。

以下、本発明を適用した鉄骨構造物１の実施例２について説明をする。

鉄骨構造物１における表２に示すような鋼管柱２並びに梁材３の柱梁諸元において、実際に鋼管柱２の板厚と、鋼管柱２の降伏強度の関係をシミュレーションにより求めた結果を図６(a),(b)に示す。

ちなみに、この表１では、図５(b)に示すように、部分架構の取り出し位置は、鋼管柱２を中心とし、左側の梁材３がより長くなるように抽出した、斜線で示す領域としており、架構における“梁長左”は、図５(a)に示す鋼管柱２の左側にある梁材３を、“梁長右”は、図５(a)に示す鋼管柱２の右側にある梁材３を示している。

上記（１）式に相当する曲線を図６(a)中に示す。また図中に、さらに幅が７００ｍｍの鋼管柱２の耐力一定曲線を示す。従来の構造では、柱板厚を３６ｍｍとしていたが、この耐力一定曲線に沿って柱板厚を下げるとともに、柱降伏強度を向上させる。その結果、耐力一定曲線において柱降伏強度が４００Ｎ／ｍｍ^２であるときに概ね弾性域に、更に柱降伏強度が５００Ｎ／ｍｍ^２であるときにこの鋼管柱２を完全に弾性域にすることが可能となる。柱降伏比と柱降伏強度との関係においては、この（１）式を満たす領域は、図６(b)の実線で示すことが可能となる。従来においては、鋼管柱２の板厚を同一としつつ、単に鋼材のみを高強度鋼としていたが、本発明では、鋼材の降伏比を緩和することで、引
張強さは同一のまま降伏強度のみを上昇させ、鋼管柱２の板厚を薄肉化している点において相違する。その結果、軽量化を図ることができ、材料コスト、施工コストを低減させることが可能となる。本実施例では、従来鋼に対し、降伏比を80%以上とすることで、(1)式を満足する柱降伏強度を得ることが出来る。さらに望ましくは、降伏比を90%以上とすることで、本発明の意図を確実に実現することができる。

以下、本発明を適用した鉄骨構造物１の実施例３について説明をする。

鉄骨構造物１における表３に示すような鋼管柱２並びに梁材３の柱梁諸元において、実際に鋼管柱２の板厚と、鋼管柱２の降伏強度の関係シミュレーションにより求めた結果を図７(a),(b)に示す。

上記（１）式に相当する曲線を図７(a)中に示す。柱降伏比と柱降伏強度との関係においては、この（１）式を満たす領域は、図７(b)の実線で示すことが可能となる。また図中に、さらに幅が９５０ｍｍの鋼管柱２の耐力一定曲線を示す。従来の構造では、柱板厚を４０ｍｍとしていたが、この耐力一定曲線に沿って柱板厚を下げるとともに、柱降伏強度を向上させる。その結果、耐力一定曲線において柱降伏強度が５００Ｎ／ｍｍ^２であるときに概ね弾性域にすることが可能となる。本実施例では、従来鋼に対し、降伏比を95%以上とすることで、または、引張強度クラス590N/mm²級鋼にて降伏比を80%以上とすることで、 (1)式を満足する柱降伏強度を得ることが出来る。さらに望ましくは、降伏比を90%以上とすることで、本発明の意図を確実に実現することができる。

１鉄骨構造物
２鋼管柱
３梁材
２１鋼管
２２柱梁接合部
３１ウェブ部
３２フランジ部

Claims

鋼管柱と、上記鋼管柱における柱梁接合部に剛接合される梁材とを備える鉄骨構造物において、
上記柱梁接合部は、柱梁耐力比が１．５以上であり、
上記鋼管柱の最下層における強度_ｃσ_ｙは、下記（１）式を満たすこと
を特徴とする鉄骨構造物。

・・・・・（１）
ここで、_ｃＺ_ｐ：鋼管柱の塑性断面係数、ｈ：最下層の階高に対する鋼管柱におけるモーメントの反曲点の高さ比、ｎ：鋼管柱の軸力比、τ：梁材の最大耐力までの耐力上昇率（＝１．３）、_ｂＭ_ＰＬ、_ｂＭ_ＰＲ：梁材の塑性断面係数
上記鋼管柱は、その降伏比が９９％以下とされていること
を特徴とする請求項１記載の鉄骨構造物。