JP2013007194A - 柱梁接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】梁端耐力に優れる、角形鋼管の鉄骨柱と、Ｈ形鋼の鉄骨梁とを溶接する柱梁接合構造を提供する。
【解決手段】鉄骨柱1と梁３の接合部は、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部と鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部を有し、前記鉄骨柱梁フランジ溶接接合部は、前記梁のフランジ２ａとそれらの外側に接合した板状部材１０と鉄骨柱１の通しダイヤフラム３からなる開先部４を完全溶け込み溶接した接合部で、前記鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部は、鉄骨柱１の通しダイヤフラム３と前記梁のウェブ２ｂの突き当て部を溶接した接合部で、板状部材１０は肉厚部から肉薄部にかけて直線的に減厚するテーパプレートで、前記鉄骨柱梁フランジ溶接接合部側の端部を通しダイヤフラム３の板厚から梁のフランジ２ａの板厚を減じた板厚の肉厚部として梁側に適宜の長さを有して梁フランジ２ａにすみ肉溶接されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角形鋼管柱や溶接ボックス柱などの鉄骨柱の通しダイアフラムと、上下に平行フランジを有するＨ形鋼やＩ形鋼などの鉄骨梁とを溶接する柱梁接合構造に関するものである。

鋼管柱や溶接ボックス柱など閉鎖形断面柱からなる鉄骨柱にＨ形鋼からなる鉄骨梁を溶接する柱梁溶接接合部は、曲げモーメント（曲げという場合がある）が作用した際に、梁部が損傷しやすい。

図９は梁端溶接部と当該梁端溶接部近傍のモーメント分布Mを示し、（ａ）に示す構造の梁端溶接部近傍のモーメント分布Mを（ｂ）に示す。梁端溶接部近傍（ダイアフラム（通しダイヤフラムとも呼ぶ）３とブラケット（鉄骨梁とも呼ぶ）２の溶接部４０）で、モーメントが最大となり、溶接部４０近傍の応力が最大となる。梁端溶接部の梁側は、ガセット１２で鉄骨梁２にボルト９で結合されている。

また、該モーメントに対応した梁フランジの軸方向力は、ブラケット２の梁フランジ２ｃおよびダイアフラム３を介して角形鋼管柱に伝達される。柱が角形鋼管などの中空断面の場合は、梁ウェブが有効に働かないことが多く、梁フランジに力がより大きく作用する。

このとき、力の流れとして溶接部４０の幅端部（ブラケット２のフランジ幅端部）に応力が集中し易く、また、この部分には溶接欠陥が発生し易いため、梁が変形した際には、溶接部での破壊現象が生じ易くなる。

そのため、特許文献１では、梁端部に拡幅したフランジを用いた柱梁溶接接合部を提案している。図８は溶接組立てタイプのH形鋼の場合を示すが、広い面積の鋼板を必要とし、歩留まりが悪い。また、その加工が上下に平行フランジを有するH形鋼に対してやや煩雑となる。圧延H形鋼で梁端を拡幅するためには、幅の広い圧延H形鋼を準備し、所定の形状になるようにフランジを切断する必要があり、効率が悪いという問題点がある。

図７は、梁フランジ２ａのフランジ側面に三角形状の水平リブプレート１１を溶接して梁端部を拡幅した場合を示すが、溶接熱によって、水平リブプレート１１に反りやねじれが生じやすくなる。さらに、水平リブプレートの梁中央側の端部（リブ先端）において、溶接熱の影響でフランジ材質が劣化したり、溶接欠陥が発生したりする。このため、リブ先端付近で梁２が早期に脆性的破断を起こす危険がある。

また、特許文献２には、鉄骨造の柱梁架構の柱梁の接合構造として経済的な観点から梁に小さな断面の鉄骨を用いた場合でも、最大の応力が生じる梁端部で破断しないように、梁フランジの上部にカバープレートを接合することが記載されている。

上述したように種々の接合構造が提案されているものの、実際の工事には図６、図５に示す溶接接合構造が採用される場合が多い。図６は、工場溶接の場合で、梁フランジ２ａに開先加工した鉄骨梁（梁ブラケット）２を鉄骨柱１に溶接した場合を示し（図６（ａ）、（ｃ））、鉄骨梁（梁ブラケット）２で鋼管柱１側となる端部は、梁フランジ２ａと鉄骨柱１を補強する通しダイアフラム３とを完全溶け込み溶接で接合するように加工されている。

そのため、鉄骨柱１に梁ウェブ２ｂが突き当たった状態で、梁フランジ２ａと通しダイアフラム３の開先部に、ルートギャップが得られるように梁フランジ２ａの開先４は加工されている（図６（ｂ））。

梁フランジ２ａに裏当て金５０をすみ肉溶接で仮付け溶接した状態で、鉄骨梁（梁ブラケット）２と鋼管柱１を溶接するが、鋼管柱１と梁ウェブ２ｂの溶接部で廻し溶接が可能なように、梁ウェブ２ｂの上下に、スカラップ５が形成されている。なお、裏当て金５０の梁幅方向の両端部にはエンドタブ５１を設け、このエンドタブまで溶接を行うことにより、梁幅端部における溶接欠陥を防止している。

図５は現場溶接の場合で、鉄骨柱１、１間に鉄骨梁２を吊り込んで柱梁構造を形成できるように、予め鉄骨柱１に鉄骨梁２を挟持するガセットプレート８を溶接で取付けておく（図５（ａ））。

ガセットプレート８に挟み込んだ梁ウェブ２ｂをボルト９で仮止めした後、突合せ溶接７を行い、溶接終了後、ボルト９を本締めして鉄骨柱１と鉄骨梁２を接合している。現場溶接の場合も、鉄骨梁（ブラケット）２で鋼管柱１側となる端部は、梁フランジ２ａと鉄骨柱１を補強する通しダイアフラム３とを完全溶け込み溶接で接合するように加工されているが、梁フランジ２ａの開先４は下向き溶接作業が可能なように加工されている（図５（ｂ））。

特開平１１−２１０１５８号公報 特開２０１０−９０５９５号公報

しかし、図５、６に示した従来型の溶接接合部は、１９９５年の兵庫県南部地震で強い曲げモーメント（曲げという場合がある）が作用した際に、多くの損傷が発生した。その損傷は、梁端溶接部、スカラップ近傍、エンドタブ近傍などにおける多様なき裂の発生と破断で、材料の靭性低下によるもの以外に、溶接部の欠陥、スカラップ形状、エンドタブ及び通しダイアフラム３と梁フランジ２ａの板厚の相違による形状不連続など溶接構造自体に起因していた。

特に柱が角形鋼管などの中空断面の場合は、梁端耐力に梁ウェブ２ｂが有効に寄与しないことが多く、梁フランジ２ａに応力が集中することにより、スカラップ底やエンドタブから発生したき裂が進展し、梁フランジ２ａが破断した例が多数見られた。

本発明は柱梁接合部における上記損傷状態に鑑みてなされたものであって、柱の側面や通しダイアフラムと梁フランジとの溶接接合部における溶接欠陥の発生を防止し、梁端部が補強され、地震などによる曲げが作用しても梁フランジの破断を防止することのできる柱梁接合構造を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
（１）鉄骨柱に上下のフランジを有する形鋼からなる梁を溶接接合した柱梁接合構造であって、前記鉄骨柱と前記梁の接合部は、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部と鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部を有し、
前記鉄骨柱梁フランジ溶接接合部は、前記梁のフランジとそれらの外側に接合した板状部材と前記鉄骨柱の通しダイヤフラムからなる開先部を完全溶け込み溶接した接合部で、
前記鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部は、前記鉄骨柱と前記梁のウェブの突き当て部を溶接した接合部で、
前記梁のウェブには、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部および鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部の溶接のためのスカラップが設けられ、
前記板状部材は肉厚部から肉薄部にかけて直線的に減厚するテーパプレートで、前記梁のフランジ幅と略同じ板幅を有し、前記鉄骨柱梁フランジ溶接接合部側の端部を前記通しダイヤフラムの板厚から前記梁のフランジの板厚を減じた板厚の肉厚部として梁側に適宜の長さを有して前記梁フランジにすみ肉溶接されていることを特徴とする柱梁接合構造。
（2） 前記板状部材は板長さ方向の両端部を除いた断面において板厚が減少する部分を有し、前記梁のフランジ幅と略同じ板幅を有し、前記鋼管柱梁フランジ溶接接合部側の端部を前記通しダイヤフラムの板厚から前記梁のフランジの板厚を減じた板厚として梁側に適宜の長さを有して前記梁フランジにすみ肉溶接されていることを特徴とする（１）記載の柱梁接合構造。

本発明によれば、柱梁接合構造に大震災などによる強い曲げモーメントが作用しても梁フランジの破断を防止することが可能で、産業上極めて有益である。

本発明の一実施例に係る柱梁接合構造で工場溶接の場合を説明する図で（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図、（ｄ）は（ａ）のｃ−ｃ矢視図。 図１に示した柱梁接合構造における他の開先形状を示す図。 図１に示した柱梁接合構造における他の板状部材を示す図。 本発明の他の実施例に係る柱梁接合構造で現場溶接の場合を説明する図で（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図、（ｄ）は（ａ）のｃ−ｃ矢視図。 従来の柱と梁の溶接接合部構造で現場溶接の場合を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。 従来の柱と梁の溶接接合部構造の工場溶接の場合を示す図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部詳細図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図。 従来例（梁端部にブラケットのフランジ側面に三角形状の水平リブプレートを溶接したフランジを用いた柱梁溶接接合部） 従来例（梁端部に拡幅したフランジを用いた柱梁溶接接合部） （a)は梁端溶接部例、（ｂ）は当該梁端溶接部近傍のモーメント分布Mを説明する図。

本発明に係る柱梁接合構造は、鉄骨柱の側面または通しダイアフラムに、テーパ状の板状部材で補強した鉄骨梁の梁フランジを完全溶け込み溶接で溶接した接合構造であることを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例に係る柱梁接合構造を工場溶接で製作した場合を示し、図１（ａ）は柱梁接合部の側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部詳細図で溶接接合部を説明する図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ矢視図で梁フランジへの板状部材の取り付け状況を説明する図、図１（ｄ）は図１（ａ）のｃ−ｃ矢視図で鉄骨柱への梁ウェブの取り付け状況を説明する図を示す。

これらの図において、１は鉄骨柱、１ａはスキンプレート、２は鉄骨梁、２ａは梁フランジ、２ｂは梁ウェブ、３は通しダイアフラム、４は開先、５はスカラップ、６はすみ肉溶接部、７は突合せ溶接部、１０は板状部材、５０は裏当て金を示す。

図示した鉄骨柱１と鉄骨梁２の接合部は、（ａ）鉄骨柱１の通しダイアフラム３と梁フランジ２ａを溶接接合した鉄骨柱梁フランジ溶接接合部と（ｂ）鉄骨柱１と梁ウェブ２ｂを溶接接合した鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部を有する。

鉄骨柱梁フランジ溶接接合部は、梁フランジ２ａの外側（梁ウェブ２ｂの反対側）に接合された板状部材１０と梁フランジ２ａが通しダイアフラム３に溶接された接合部で、通しダイアフラム３側を直に、梁フランジ２ａと板状部材１０側を斜めに直線状に開先加工されたレ形の開先４が溶接されている。梁フランジ２ａと板状部材１０は、溶接されている。

梁フランジ２ａの外側（梁ウェブ２ｂの反対側の表面）に溶接されている板状部材１０は肉厚部から肉薄部にかけて直線的に減厚するテーパプレートで、梁フランジ幅と略同じ板幅を有する。

板状部材１０は鋼管柱梁フランジ溶接接合部側の端部が肉厚部で、その板厚を通しダイヤフラム３の板厚から梁フランジ２aの板厚を減じたものとする。板状部材１０の長さは適宜の長さとする。

開先４は裏当て金５０が当てられたルートギャップを有し、且つ通しダイアフラム３の板厚と梁フランジ２ａに板状部材１０を接合した全板厚が略溶接長に亘って等しいので、溶接欠陥のない完全溶け込み溶接の突合せ溶接部７が得られる。板状部材１０の肉厚部の板厚が薄い場合は、溶接欠陥が発生しがたいので端部１０aに施す梁フランジ２ａの開先面の延長となる開先加工は省略する（図２）。

なお、板状部材１０の梁長さ方向の長さは、所望する梁の剛性に応じて適宜決定すれば良く本発明では特に規定しないが裏当て金５０の梁長さ方向の幅の数倍とすることが望ましい。

図３に梁端部を補強するとともに、梁端部から梁の中央に寄った部分を降伏が先行するクリティカル断面とする場合に用いる板状部材１０の一例を示す。板長さ方向に略逆三角形断面を有する板状部材１０においてクリティカル断面となる部分は、前記略逆三角形断面で平坦な頂部となる部分で、板長さ方向の断面において最小板厚となる部分である。その場合も梁のフランジ幅と略同じ板幅で、鋼管柱梁フランジ溶接接合部側の端部の板厚を通しダイヤフラムの板厚から梁のフランジの板厚を減じた板厚とする。板状部材１０は梁側に適宜の長さを有して前記梁フランジにすみ肉溶接されている。

本発明に係る柱梁溶接接合部の鉄骨柱梁フランジ溶接接合部は、完全溶け込み溶接部で、通しダイアフラム３と梁フランジ２ａの溶接部近傍において板厚の不連続部がないため、梁端耐力に優れる。

鋼管柱梁ウェブ溶接接合部は、鋼管柱１のスキンプレート１ａに梁ウェブ２ｂをすみ肉溶接６で溶接した接合部で、梁ウェブ２ｂの板厚に応じて、適宜の形状の開先加工を施す。板厚が薄い場合は、開先加工は不要で、厚い場合は、完全溶け込み溶接となるようにスキンプレート１ａを直とするレ形開先とする。開先加工は梁ウェブ２ｂの両側、片側のいずれでも良い。

梁ウェブ２ｂには、すみ肉溶接部６の廻し溶接と鋼管柱梁フランジ溶接接合部の裏当て金５０との干渉を避けるためのスカラップ５を設ける。なお、曲げは上下の梁フランジ２ａを介して鉄骨柱１に伝達され、せん断力は梁ウェブ２ｂを介して鉄骨柱１に伝達されるため、梁ウェブ２ｂはすみ肉溶接で鉄骨柱１のスキンプレート１ａに固定する。

図示した工場溶接の場合、施工は板状部材１０を梁フランジ２ａにすみ肉溶接で溶接後、鉄骨柱１と鉄骨梁２の突合せ溶接部７を板状部材１０も含めて形成することにより、鉄骨梁２の梁フランジ２ａおよび鉄骨柱の通しダイアフラム３に板状部材１０を連結する。

また、工場溶接の場合は、下向き溶接、横向き溶接など最適な溶接姿勢として溶接を行うことができるため、下部の梁フランジ２ａでは、板状部材１０が下に位置し、上部の梁フランジ２ａと上下対称の構造とすることができる。

図４は、本発明の他の実施例に係る柱梁接合構造で現場溶接で製作した場合を示し、図４（ａ）は柱梁接合部の側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部詳細図で溶接接合部を説明する図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ矢視図で梁フランジへの板状部材の取り付け状況を説明する図、図４（ｄ）は図４（ａ）のｃ−ｃ矢視図で鉄骨柱への梁ウェブの取り付け状況を説明する図を示す。これらの図において８はガセットプレートを示し、図１と同符号のものは同じものを示す。

現場溶接で製作した場合は、鉄骨柱１にガセットプレート８を予め溶接で取付けておき、鉄骨柱１、１間に鉄骨梁２を吊り込み、ガセットプレート８に梁ウェブ２ｂを高力ボルト９で仮止めした後、板状部材１０も含めて突合せ溶接７し、その終了後、高力ボルト９を本締めして鉄骨柱１と鉄骨梁２を接合する。

一般に溶接は上向き溶接は好ましくないので、現場溶接においては、下部の梁フランジ２ａでは板状部材１０が上に位置し、上部の梁フランジ２ａと同じ位置関係とする。これにより下部の梁フランジ２ａ側においても突合せ溶接７を下向きで行うことが可能である。

以上の説明では鋼管柱などの閉鎖断面柱に限定して説明したが、Ｈ形鋼柱などの開放断面柱にも本発明を適用可能である。また、鉄骨柱に鉄骨梁が片側からのみ取付く場合を示しているが、外柱、中柱、内柱に応じて複数の鉄骨梁が取付くことはいうまでもない。

また、本発明に係る柱梁接合部は鋼管柱のスキンプレートに直接梁フランジを溶接する場合にも有効である。この場合、開先４はスキンプレートを直とし、梁フランジ側を斜めに加工したレ開先とする。板状部材の寸法のうち、板厚および梁長さ方向の長さは、所望する梁端耐力に応じて適宜決定する。

１ 鉄骨柱
１ａ スキンプレート
２ 鉄骨梁
２ａ、２ｃ 梁フランジ
２ｂ 梁ウェブ
３ 通しダイアフラム
４ 開先
５ スカラップ
６ すみ肉溶接部
７ 突合せ溶接部
８、１２ ガセットプレート
９ 高力ボルト
１０ 板状部材
１０ａ 端部
４０ 溶接部
５０ 裏当て金
５１ エンドタブ

Claims (2)

1. 鉄骨柱に上下のフランジを有する形鋼からなる梁を溶接接合した柱梁接合構造であって、前記鉄骨柱と前記梁の接合部は、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部と鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部を有し、
   前記鉄骨柱梁フランジ溶接接合部は、前記梁のフランジとそれらの外側に接合した板状部材と前記鉄骨柱の通しダイヤフラムからなる開先部を完全溶け込み溶接した接合部で、
   前記鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部は、前記鉄骨柱と前記梁のウェブの突き当て部を溶接した接合部で、
   前記梁のウェブには、鉄骨柱梁フランジ溶接接合部および鉄骨柱梁ウェブ溶接接合部の溶接のためのスカラップが設けられ、
   前記板状部材は肉厚部から肉薄部にかけて直線的に減厚するテーパプレートで、前記梁のフランジ幅と略同じ板幅を有し、前記鉄骨柱梁フランジ溶接接合部側の端部を前記通しダイヤフラムの板厚から前記梁のフランジの板厚を減じた板厚の肉厚部として梁側に適宜の長さを有して前記梁フランジにすみ肉溶接されていることを特徴とする柱梁接合構造。
2. 前記板状部材は板長さ方向の両端部を除いた断面において板厚が減少する部分を有し、前記梁のフランジ幅と略同じ板幅を有し、前記鋼管柱梁フランジ溶接接合部側の端部を前記通しダイヤフラムの板厚から前記梁のフランジの板厚を減じた板厚として梁側に適宜の長さを有して前記梁フランジにすみ肉溶接されていることを特徴とする請求項１記載の柱梁接合構造。

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