JP4355936B2 - Beam structure with steel flange and web - Google Patents
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Description
本発明は、鉄骨造の柱梁架構における大梁等のフランジとウェブからなる梁構造に関するものである。 The present invention relates to a beam structure including a flange such as a large beam and a web in a steel column beam structure.
従来、鉄骨造の柱梁架構の構造物のうち大梁の板材構成においては、通常用いられるH形断面の場合、一般に、ウェブ材のせん断降伏よりもフランジ材の曲げ降伏が先行するように設計されている(例えば、非特許文献1、2参照) 。これは、ウェブ材のせん断降伏が先行すると、柱梁架構の地震時の繰り返し変形に対して安定した耐力保持が難しいとされていたからである。
Conventionally, in the structure of a steel beam-structured column beam structure, the structure of a large beam plate is generally designed so that the bending yield of the flange material precedes the shear yield of the web material in the case of the commonly used H-shaped cross section. (For example, see Non-Patent
さらに詳述すると、建築基準法施行令で一定の高さ以上の建物では大地震時に建物が倒壊しないよう耐力確保するための設計法として保有耐力を計算して構造種別毎に期待される変形性能(エネルギー吸収能力)に対応した必要保有水平耐力以上にすることが定められている(保有水平耐力の計算とそのための鉄骨部材の終局耐力についての記述が非特許文献1に示されている。)。なお、非特許文献1のp309 〜311 「付−1 保有水平耐力の計算方法」に清算的な方法である増分解析法においては部材の降伏によるヒンジ発生による保有水平耐力の評価方法が紹介されており、その際、鉄骨部材の終局耐力の計算は「鋼構造塑性設計指針」等の諸基準を参照することを薦めている。但し、座屈を伴う部材の終局耐力は座屈現象を考慮に入れて算定するものとしている。
More specifically, in the Building Standard Law Enforcement Ordinance, for buildings of a certain height or higher, the deformation capacity expected for each type of structure is calculated by calculating the retained strength as a design method to ensure the strength of the building so that it does not collapse in the event of a large earthquake. It is stipulated that the required retained horizontal proof stress corresponding to (energy absorption capacity) should be exceeded (Non-Patent
その時、計算の簡単化のために鉄骨造の場合は、せん断力の影響が小さい範囲では梁端部の曲げ耐力のみで評価できる(詳細は非特許文献2に記述されている。)ので、設計が効率化できると考え、せん断降伏を先行させない、十分せん断耐力をとった断面に設計することによって「簡便な計算方法」を通常実施するようになり現行設計法になったと推察される。このような状況が、構造設計者に習慣化されたために梁端部の曲げ降伏する前にせん断降伏しないように設計するように慣例として行われるようになったと推察される。なお、非特許文献2のp60〜67によれば、「部材断面が、曲げモーメントとせん断力を同時に受けて塑性化するときの全塑性モーメントの値は曲げモーメントのみが作用するときの全塑性モーメントの値より低下する。しかし、条件を満たせば、せん断力の全塑性モーメントに対する影響は無視できる旨の記述がある。
しかし、短いスパンの梁では、ウェブのせん断降伏が先行しないように設計しようとすると、極端にウェブ厚を大きくする必要があり、不経済な梁構造となっていた。 However, in the case of a short span beam, if it is attempted to design so that the shear yield of the web does not precede, it is necessary to extremely increase the web thickness, resulting in an uneconomic beam structure.
また、従来の「梁フランジの曲げ降伏を先行させる」梁構造では、柱と梁フランジとの溶接部で破断が生じないよう補強を行うなどの対策が必要であった。この対策は、フランジ幅を大きくする、フランジの厚さを大きくするなどの方法で実施されているが、製作に手間がかかるため、コストアップとなっていた。 Further, in the conventional beam structure “preceding the bending yield of the beam flange”, it is necessary to take measures such as reinforcing the welded portion between the column and the beam flange so as not to break. This measure is implemented by increasing the flange width or increasing the thickness of the flange. However, it takes a lot of time and effort to increase the cost.
本発明は、上述のような課題を解決することを目的としており、鉄骨造の柱梁架構におけるH形断面の梁構造において、特に短いスパンの梁でウェブ厚を大きくするなどの必要がなく、また従来の梁端部のフランジ補強等が不要となり、コストの低減、設計の自由度の向上等が図れる梁構造を提供することにある。 The present invention aims to solve the above-described problems, and in the beam structure of the H-shaped section in the steel column beam structure, it is not necessary to increase the web thickness with a particularly short span beam, Another object of the present invention is to provide a beam structure that eliminates the need for conventional flange reinforcement at the beam end, and that can reduce costs and improve design flexibility.
本発明の請求項1の発明は、フランジの曲げ降伏に先行してウェブがせん断降伏するようにフランジとウェブが組み合わされてなる鉄骨造の柱梁架構におけるにフランジとウェブからなる梁構造において、梁端部におけるフランジの曲げ降伏時のせん断力よりも梁端部におけるウェブのせん断降伏が小さくなるように、梁端部におけるフランジとウェブの断面形状と梁の長さが設定されていることを特徴とする梁構造である。
The invention of
即ち、本発明は、H形断面の梁構造において、梁端部のフランジのみが塑性化するのではなく、梁ウェブが塑性化するように梁のフランジとウェブの形状(断面形状や長さ)を設定し、塑性化領域を主に梁のウェブに置き、大地震時の震動による疲労蓄積によって柱梁接合部および梁が破断しないようにし、地震時の塑性吸収エネルギーを増加させるものである。 That is, according to the present invention, in the beam structure having an H-shaped cross section, not only the flange at the beam end is plasticized but also the shape of the beam flange and the web (cross-sectional shape and length) so that the beam web is plasticized. The plasticization region is mainly placed on the web of the beam so that the column beam joint and the beam do not break due to fatigue accumulation due to vibration during a large earthquake, and the plastic absorption energy at the time of the earthquake is increased.
本発明の請求項2の発明は、請求項1に記載の梁構造において、tw /tf ・L/B<2√3 の式を満たす、tf (梁端部フランジの板厚)、tw (梁端部ウェブの板厚)、B(梁端部フランジの幅)、L(梁の長さ)を有していることを特徴とする梁構造である。 According to a second aspect of the present invention, in the beam structure according to the first aspect, tw (plate end flange thickness), tw (beam end flange thickness) satisfying the formula tw / tf · L / B <2√3 It is a beam structure characterized by having a plate thickness of an end web, B (width of a beam end flange), and L (length of a beam).
本発明の梁構造によれば、地震時にフランジの曲げ降伏に先行してウェブがせん断降伏し、地震時の震動による疲労蓄積によって柱梁接合部および梁が破断するのが防止され、地震時の塑性吸収エネルギーが増加する。 According to the beam structure of the present invention, the web is shear yielded prior to the bending yielding of the flange during an earthquake, and the column beam joint and the beam are prevented from breaking due to fatigue accumulation due to vibration during the earthquake. Plastic absorption energy increases.
特に梁の長さが小さい短スパンの梁の場合、従来の梁構造では、せん断降伏が先行しないようにすると極端にウェブ厚を大きくする必要があり、不経済な設計となっていたが、本発明では、これまで不経済に補強していたウェブを合理的な厚さにすることができ、コストの低減が可能となる。 In particular, in the case of a short span beam with a small beam length, the conventional beam structure requires an extremely large web thickness if shear shear yield is not preceded. In the invention, the web that has been reinforced economically can be made to a reasonable thickness, and the cost can be reduced.
また、従来の梁構造では、フランジ曲げ応力(引張側フランジの引張力)による破断を防止するために梁幅を広げる等によって破断防止策を講じてきたが、これは製作の労力・コストが余分にかかるものであった。これに対して、本発明のウェブせん断降伏を先行させる梁構造であれば、梁端部のフランジ補強が不要となる。さらに、特に短スパンの梁では、フランジの引張力による梁端部の破断防止補強のために梁成を小さくするなどの方法しかなかったが、本発明によれば、このような対策も不要となり、設計上の自由度が大きくなるとともに、鉄骨製作も容易となり、コスト低減に繋がる。 In the conventional beam structure, measures to prevent breakage have been taken by increasing the beam width in order to prevent breakage due to flange bending stress (tensile force of the tension side flange), but this requires extra manufacturing effort and cost. It was something that took. On the other hand, if the beam structure is preceded by the web shear yield according to the present invention, it is not necessary to reinforce the flange at the beam end. Furthermore, in particular, in the case of a short span beam, there was only a method of reducing the beam formation in order to prevent breakage of the beam end due to the tensile force of the flange. However, according to the present invention, such a measure is not necessary. In addition, the degree of freedom in design is increased, and the steel frame can be easily manufactured, leading to cost reduction.
本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。 Since this invention consists of the above structures, the following effects are acquired.
(1) 鉄骨造の柱梁架構におけるH形断面の梁構造において、地震時にフランジの曲げ降伏に先行してウェブがせん断降伏するように構成しているため、特に短いスパンの梁でウェブ厚を大きくするなどの必要がなく、また従来の梁端部のフランジ補強等が不要となり、コストの低減、設計の自由度の向上等が図れる。 (1) In the beam structure of the H-shaped section in the steel column beam frame, the web is sheared and yielded prior to the flange bending yield at the time of earthquake, so the web thickness is reduced especially with a short span beam. There is no need to increase the size, and conventional flange reinforcement at the end of the beam is not required, thereby reducing costs and improving design flexibility.
(2) フランジとウェブの組み合わせだけで、柱梁接合部・梁の破断を防止でき、地震時の塑性吸収エネルギーを増加させることができる。 (2) The combination of the flange and web alone can prevent the beam-column joint and beam from breaking and increase the plastic absorption energy during an earthquake.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。図1は本発明の梁構造を有する鉄骨造の柱梁架構の一例を示す、(a) 立面図、(b) 梁端部の断面図、(c) 平面図である。図1において、鉄骨柱1と鉄骨梁2により柱梁架構が形成されており、鉄骨柱1に溶接等で端部が接合されるH形断面の鉄骨梁(大梁) 2において、地震時にフランジ2Fの曲げ降伏に先行してウェブ2Wがせん断降伏するように、鉄骨梁2の寸法を設定する。鉄骨梁2は、フランジ材とウェブ材とを組み合わせて製作され、あるいはロール圧延により一体成形される。
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments. FIG. 1 is an (a) elevation view, (b) a cross-sectional view of a beam end, and (c) a plan view showing an example of a steel column beam frame having a beam structure of the present invention. In FIG. 1, a
フランジ2Fの曲げ降伏以前にウェブ2Wがせん断降伏するための条件は、梁端部でウェブ部材が全塑性モーメントに寄与しないと仮定すると、以下の通りである。
Assuming that the web member does not contribute to the total plastic moment at the beam end, the condition for the
即ち、梁フランジの降伏時の全塑性モーメントは、
Mp =Zp ×σy …(1)
Zp =Af ×H=B・tf ×H …(2)
よって、
Mp =B・tf ×H×σy …(3)
Mp :梁が曲げ降伏する全塑性モーメント
Zp :梁が曲げ降伏する断面係数
Af :梁端部の引張側フランジの断面積
H :梁端部の梁成
B :梁端部フランジの幅
tf :梁端部フランジの板厚
σy :梁端部フランジの鋼材の許容引張降伏応力度
That is, the total plastic moment at the yield of the beam flange is
Mp = Zp × σy (1)
Zp = Af.times.H = B.tf.times.H (2)
Therefore,
Mp = B · tf × H × σy (3)
Mp: Total plastic moment at which the beam bends and yields Zp: Section modulus at which the beam bends and yields Af: Cross-sectional area of the tension side flange at the beam end H: Beam formation at the beam end B: Width of the beam end flange tf: Beam End flange thickness σy: Allowable tensile yield stress of steel at beam end flange
このとき梁に生じているせん断力Qmpは、
Qmp=2Mp /L=2B・tf ×H×σy /L …(4)
B :梁の長さ
At this time, the shearing force Qmp generated in the beam is
Qmp = 2Mp / L = 2B.tf.times.H.times..sigma.y / L (4)
B: Length of beam
また、ウェブのせん断強度Qs は、
Qs =Aw ×τy =tw ×H×τy =tw ×H×σy /√3 …(5)
Aw :梁端部ウェブの断面積
τy :梁端部ウェブの鋼材の許容せん断降伏応力度=σy /√3
tw :梁端部ウェブの板厚
The web shear strength Qs is
Qs = Aw × τy = tw × H × τy = tw × H × σy / √3 (5)
Aw: Cross-sectional area of beam end web τy: Allowable shear yield stress of steel of beam end web = σy / √3
tw: thickness of the beam end web
梁端部ウェブのせん断降伏が先行するためには、フランジの曲げ降伏時のせん断力よりも梁端部ウェブのせん断降伏が小さいことが条件となる。つまり、
Qs <Qmp
tw ×H×σy /√3<2B・tf ×H×σy /L
よって
tw /√3<2B・tf /L …(6)
In order for the shear yield of the beam end web to precede, it is a condition that the shear yield of the beam end web is smaller than the shear force during bending yielding of the flange. In other words,
Qs <Qmp
tw × H × σy / √3 <2B · tf × H × σy / L
Therefore, tw / √3 <2B · tf / L (6)
従って、鉄骨梁の端部断面の形状と梁の長さの関係が以下の条件を満たす場合、フランジ2Fの曲げ降伏に先行してウェブ2Wがせん断降伏する。
tw /tf ・L/B<2√3 …(7)
この(7) 式を満たすように、鉄骨梁2の寸法を設定すれば、塑性化領域が主に梁のウェブとなり、大地震時の震動による疲労蓄積によって柱梁接合部および梁が破断することがなく、地震時の塑性吸収エネルギーが増加することになる。
Therefore, when the relationship between the shape of the end cross section of the steel beam and the length of the beam satisfies the following conditions, the
tw / tf · L / B <2√3 (7)
If the dimensions of the
1……鉄骨柱
2……鉄骨梁
2F…フランジ
2W…ウェブ
1 ……
Claims (2)
tw /tf ・L/B<2√3
tf :梁端部フランジの板厚
tw :梁端部ウェブの板厚
B:梁端部フランジの幅
L:梁の長さ
の式を満たす、tf 、tw 、B、Lを有していることを特徴とする梁構造。 The beam structure according to claim 1 ,
tw / tf · L / B <2√3
tf: Plate end flange thickness
tw: thickness of the beam end web
B: Beam end flange width
L: A beam structure characterized by having tf, tw, B, and L that satisfy the equation of the length of the beam.
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