JP4363140B2

JP4363140B2 - 梁構造

Info

Publication number: JP4363140B2
Application number: JP2003328865A
Authority: JP
Inventors: 勝尚西村; 和正大住; 吉秀中村
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: JP2004143921A

Description

本発明は、梁構造に係り、特に、梁端部接合部の形式に特徴を持つ梁構造に関する。

従来より、鉄骨梁の端部接合部の構造として、水平ハンチ型やドッグボーン型の構造が知られている（なお、水平ハンチ型の構造に関して、非特許文献１を参照）。

図１４は水平ハンチ型の構造を示す平面図である。同図に示すように、水平ハンチ型の構造では、ストレート鉄骨梁２００の端部のフランジに、梁端ほど幅が広くなるような形状の水平リブ２０２が溶接される。そして、水平リブ２０２および鉄骨梁２００の梁端が柱鉄骨２０４に溶接される。かかる構成によれば、鉄骨梁に外力が作用した場合に、水平リブ２０２の梁中央側の端部２０２ａ（つまり、水平リブの幅が最小となる位置）が梁端の溶接部分に先行して降伏することで、梁の変形性能が向上する。

図１５はドッグボーン型の構造を示す平面図である。同図に示すように、ドッグボーン型の構造では、ストレート鉄骨梁３００の梁端から梁中央側へ寄った位置に、鉄骨フランジが曲線状に切り取られてなる縮幅部３０２が設けられる。そして、鉄骨梁３００の梁端が柱鉄骨３０４に溶接される。かかる構成によれば、梁端の溶接部分に先行して縮幅部が降伏することで、梁の変形性能が向上する。
杉本，高橋「角型鋼管柱−水平ハンチ付きＨ型梁接合部に関する実験的研究」鋼構造年次論文報告集，２０００年１１月，第８巻，ｐ．２０１−２０８

上述した水平ハンチ型の構造では、降伏面となる水平リブ２０２の端部２０２ａが、水平リブの鉄骨梁への溶接端と一致するため、この溶接端から亀裂が発生して、鉄骨梁の剛性低下の原因となるおそれがある。

また、ドッグボーン型の構造では、ストレート鉄骨梁３００のフランジ部を切り取って縮幅部３０２を設ける構成であるため、梁中央部においても、梁端部と同じフランジ幅が必要となる。すなわち、梁中央部では梁端部に比べて要求される強度が小さく、したがって、フランジ幅も小さくて済むにもかかわらず、梁端部と同じフランジ幅が必要になるのである。このため、ドッグボーン型の構造では、鉄骨重量が必要以上に増大してしまうことになる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、鉄骨量の増大を招くことなく梁端接合部における十分な変形性能を確保することが可能な梁構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載された発明は、梁を構成する鉄骨の端部に、水平のリブ板を接合してなる拡幅部が設けられ、該拡幅部には、前記リブ板の側部が凹状に切り取られることにより幅が減少された縮幅部が形成された梁構造であって、前記縮幅部は、梁端から梁中央に向かうほど幅が小さくなるような曲線状に形成された第１の縮幅部と、この第１の縮幅部の梁中央側の端部から連続して梁中央側へ延び、一定の幅を有する第２の縮幅部とからなることを特徴とする。

本発明によれば、梁への荷重入力時には、梁端部の拡幅部に形成された縮幅部が、梁端に先行して降伏することで、梁端接合部における変形性能が向上する。また、縮幅部は、リブ板の側部が凹状に切り取られることにより構成されているので、縮幅部での降伏は、リブ板の鉄骨への接合端とは異なる位置で生ずることになる。このため、リブ板の鉄骨への接合端に亀裂が生ずるのを防止でき、これにより、梁端接合部における変形性能を確保することができる。さらに、本発明の梁構造は、梁を構成する鉄骨とは別体の水平リブ板を鉄骨の端部に接合して拡幅部を設ける構成であるため、梁中央部の幅を梁端部とは独立に設定できる。このため、梁中央部における鉄骨の幅を必要最小限の大きさとすることができ、これにより、鉄骨量を低減することが可能となる。
また、請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の梁構造において、前記鉄骨はウェブとその上下両側に設けられた一対のフランジとから構成され、コンクリートが前記鉄骨を覆うことなく、前記一対のフランジの間に充填されていることを特徴とする。

本発明によればコンクリートの上下面がフランジによって拘束されるので、梁への荷重入力時にコンクリート表面にひび割れが生ずるのを防止できる。また、コンクリートは上下フランジの間にしか存在しないので、鉄骨梁をコンクリートで被覆する場合に比べてコンクリートの高さが小さくなり、これにより、梁自重によって生ずる曲げモーメントに起因するコンクリート下面への亀裂も発生し難くなる。さらに、コンクリートが鉄骨梁を覆わない構成であるため、梁中央部において、拡幅された梁端部と同じ幅のコンクリートを設けることが不要となり、これにより、コンクリート量を低減することができる。

鉄骨を用いた梁構造において、鉄骨量の増大を招くことなく梁端接合部における十分な変形性能を確保することができる。

図１〜図３は本発明の鉄骨梁の参考例を示す図であり、図１は梁端部の平面図、図２は梁端部の正面図、図３は、図１に示す直線III-IIIに沿った断面図である。これらの図面に示すように、鉄骨梁１０は、ウェブ１２とその上下両端に設けられたフランジ１４とからなるストレート型の鉄骨１６により構成されている。フランジ１４の梁端部両側には溶接線１９により水平リブ板１８が溶接されており、これにより、鉄骨梁１０の梁端部が拡幅されている。そして、水平リブ板１８および鉄骨１６の端面が柱鉄骨２０の側面に溶接されることで、鉄骨梁１０が柱鉄骨２０に接合されている。

水平リブ板１８は、長方形の板材１８ａに縮幅部１８ｂを設けた構成を有している。縮幅部１８ｂは、板材１８ａの側部が曲線状に凹状に切り取られることでその幅が滑らかに減少するように形成されており、梁端から距離Ｌの位置において最も幅が狭くなっている。

上記の構成によれば、鉄骨梁１０への荷重入力時に、水平リブ板１８に設けられた縮幅部１８ｂが梁端に先行して降伏することで、鉄骨梁１０の変形能力が向上する。また、先行して降伏が生ずる縮幅部１８ｂは、水平リブ板１８の側部が凹状に切り取られて構成されるので、水平リブ板１８の中間部に位置することになる。このため、水平リブ板１８と鉄骨１６との溶接線１９の端部（溶接端）は、降伏位置には一致しない。したがって、従前の水平ハンチ型の構造のように水平リブの溶接端において亀裂が発生するおそれもなくなり、梁端接合部における十分な変形性能を確保することができる。

以上のことを説明するため、図４に、鉄骨梁１０の降伏曲げモーメントの分布と、鉄骨梁１０に生ずる曲げモーメントの分布とを示し、また、図５に、上記した従来の水平ハンチ型の鉄骨梁２００について図４と同様の分布を示す。図５に示すように、従来の鉄骨梁２００では、梁に生ずる曲げモーメントがＩ→II→IIIと増加していった場合、最初に、水平リブ２０２の溶接端Ａにおいて曲げモーメントが降伏曲げモーメントに達して降伏を開始する。これに対して、図４に示すように、本参考例の鉄骨梁１０では、梁に生ずる曲げモーメントがＩ→II→IIIと増加していった場合、最初に、縮幅部１８ｂにおいて曲げモーメントが降伏曲げモーメントに達して降伏を開始することになる。このように、本参考例では、水平リブ板１８に凹状の縮幅部１８ｂを設けてこの位置での降伏曲げモーメントが小さくなるように構成することで、梁端および溶接端に先行して縮幅部１８を降伏させ、これにより、梁端部での変形性能を向上させつつ溶接端における亀裂発生を防止することが可能となっている。

また、従前のドッグボーン型の構造とは異なり、鉄骨１６とは別体の水平リブ板１８に縮幅部１８ｂを設け、その水平リブ板１８を鉄骨１６に溶接する構成であるため、鉄骨梁１０の中央部のフランジ幅を、梁端部の拡幅部における幅とは独立に設定できる。このため、鉄骨梁１０の中央部では、梁強度を確保するうえで必要最小限のフランジ幅とすることができ、これにより、鉄骨量を抑えることができる。

このように、本参考例によれば、鉄骨梁１０の鉄骨量の増大を招くことなく、梁端接合部における十分な変形性能を確保することができる。

次に、本発明の一実施形態について説明する。
図６は、本発明の一実施形態である鉄骨梁３０の梁端部を示す平面図である。なお、本実施形態において、上記参考例と同様の構成部分は同一の符号で表すものとする。

本実施形態の鉄骨梁３０も、上記参考例の鉄骨梁１０と同様に、ウェブ１２とその上下両端に設けられたフランジ１４とからなるストレート型の鉄骨１６により構成されている。フランジ１４の梁端部両側には、溶接線３２により水平リブ板３４が溶接されることで、鉄骨梁３０の梁端部が拡幅されている。そして、水平リブ板３４および鉄骨１６の端面が柱鉄骨２０の側面に溶接されることで、鉄骨梁３０が柱鉄骨２０に接合されている。

本実施形態では、水平リブ板３４は、長方形の板材３４ａに、梁端から所定長さの位置より梁中央側を切り取って縮幅部３４ｂを形成した構成を有している。この水平リブ板３４の縮幅部３４ｂは、鉄骨梁３０の降伏位置が、水平リブ板３４の鉄骨１６への溶接線３２の端部（溶接端Ａ）よりも梁端側となるように形成されている。

図７は、本実施形態の鉄骨梁３０の降伏曲げモーメントの分布と、鉄骨梁３０に生ずる曲げモーメントの分布とを示す。同図に示す如く、鉄骨梁３０に生ずる曲げモーメントがＩ→II→IIIと増加していった場合、最初に、縮幅部３４の梁端側端部近傍のＢ点において曲げモーメントが降伏曲げモーメントに達して降伏を開始する。さらに、曲げモーメントが増加すると、図中にハッチングを付して示すように、曲げモーメントが降伏曲げモーメントを上回る領域（すなわち、降伏変形領域）が次第に梁中央側に拡大していく。

このように、鉄骨梁３０では、降伏位置が水平リブ板３４の溶接端Ａ'よりも梁端側となるため、溶接端Ａ'において亀裂が発生するおそれもなくなり、梁端接合部における十分な変形性能を確保することができる。また、曲げモーメントの増加に応じて、降伏変形領域が梁中央側に向けて次第に拡大する構成となっているため、高い変形性能を確保することができる。

なお、縮幅部３４ｂの形状は図６に示すものに限らず、曲げモーメントによる降伏開始位置が、水平リブ板３４の溶接端よりも梁端側の位置となっており、開始梁中央側に向けて連続的又は不連続的に幅が減少していく形状であればよい。そのような形状であれば、曲げモーメントによる降伏領域が次第に梁中央側に拡大することで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

ところで、上記参考例及び上記実施形態では、鉄骨梁に適用された場合について説明したが、これに限らず、鉄骨コンクリート梁への適用も可能である。以下の説明では、上記参考例の鉄骨梁１０を用いて鉄骨コンクリート梁を構成した場合について述べるが、鉄骨梁１０に代えて上記実施形態の鉄骨梁３０を用いることもできる。

図８〜図１０は上記参考例の構成が適用された鉄骨コンクリート梁５０を示す図であり、図８は梁端部の平面図、図９は梁端部の正面図、図１０は、図８に示す直線Ｘ-Ｘに沿った断面図である。これらの図面に示すように、鉄骨コンクリート梁５０は、上記参考例の鉄骨梁１０にコンクリート５２が被覆充填されて構成されている。このように鉄骨梁１０にコンクリート５２を被覆充填することにより梁剛性が増強される。このため、鉄骨コンクリート梁５０を鉄骨系の大スパン建物等へ適用することにより、振動性状の改善による居住性の向上や、地震や風等の水平荷重時の剛性確保を図ることが可能となる。

上記した鉄骨コンクリート梁５０のように鉄骨梁にコンクリートを被覆充填する構成は、従前の鉄骨コンクリート梁で一般に用いられている構成である。このような従前の鉄骨コンクリート梁では、鉄骨の上下フランジの外側のコンクリートにひび割れが生じ易いため、地震や風による荷重載荷の初期段階で剛性低下を招く可能性がある。また、大スパン梁として適用した場合には、自重に伴う曲げモーメントにより、梁下側のコンクリート表面にひび割れが生じて、剛性低下や耐震性能の低下を招き易くなってしまう。

さらに、鉄骨梁１０においては、梁端部が水平リブ板１８により拡幅されている。このため、鉄骨コンクリート梁５０のように鉄骨梁１０の梁端部をコンクリート５２で被覆する構成では、梁端の拡幅部に合わせて梁全長にわたってコンクリート５２の幅を大きくすることが必要となる。その結果、コンクリート量が増大して、コスト増を招くと共に、重量も増大して上記のような曲げモーメントに起因するひび割れも一層生じ易くなってしまう。

図１１〜図１３は、上記のような鉄骨コンクリート梁５０の問題点を軽減することが可能な鉄骨コンクリート梁１００の構成を示す図であり、図１１は梁端部の平面図、図１２は梁端部の正面図、図１３は、図１２に示す直線XIII-XIIIに沿った断面図である。これらの図面に示すように、鉄骨コンクリート梁１００では、コンクリート１０２を鉄骨梁１０のフランジ１４の間および水平リブ板１８の間に充填するのみとし、鉄骨梁１０全体を被覆しないようにしている。

かかる構成によれば、梁中央部（水平リブ板１８の取り付け部以外の部位）でのコンクリートの幅を水平リブ板１８（つまり梁端の拡幅部）の幅より小さくできる。このため、コンクリート量が低減されることとなって低コスト化を図ることができると共に、重量減少による耐震性能の向上を図ることもできる。

また、鉄骨コンクリート梁１００においては、コンクリート１０２の上下面がフランジ１４によって拘束されるので、地震や風による荷重入力時にもコンクリートにひび割れが生ずる可能性は小さい。また、鉄骨コンクリート梁１００を大スパン梁として適用する場合にも、コンクリート１０２が下側のフランジ１４の内側にしか存在しないため自重による曲げモーメントに伴って発生するコンクリートの応力が小さくなり、コンクリート１０２表面のひび割れを生じ難くすることができる。

本発明の参考例である鉄骨梁の梁端部の平面図である。図１に示す鉄骨梁の梁端部の正面図である。図１に示す直線III-IIIに沿った断面図である。本参考例の鉄骨梁の降伏曲げモーメントの分布と、鉄骨梁に生ずる曲げモーメントの分布とを示す図である。従来の水平ハンチ型の鉄骨梁について図４と同様のモーメント分布を示す図である。本発明の一実施形態である鉄骨梁の梁端部を示す平面図である。本実施形態の鉄骨梁の降伏曲げモーメントの分布と、鉄骨梁に生ずる曲げモーメントの分布とを示す図である。参考例の構成が適用された鉄骨コンクリート梁の梁端部の平面図である。図８に示す鉄骨コンクリート梁の梁端部の正面図である。図８に示す直線Ｘ−Ｘに沿った断面図である。別の鉄骨コンクリート梁の梁端部の平面図である。図１１に示す鉄骨コンクリート梁の梁端部の正面図である。図１１に示す直線XIII-XIIIに沿った断面図である。従来の水平ハンチ型の構造を示す平面図である。従来のドッグボーン型の構造を示す平面図である。

符号の説明

１０，３０鉄骨梁
１２ウェブ
１４フランジ
１６鉄骨
１８，３４水平リブ板
１８ａ，３４ａ板材
１８ｂ，３４ｂ縮幅部
５０，１００鉄骨コンクリート梁
５２，１０２コンクリート

Claims

梁を構成する鉄骨の端部に、水平のリブ板を接合してなる拡幅部が設けられ、該拡幅部には、前記リブ板の側部が凹状に切り取られることにより幅が減少された縮幅部が形成された梁構造であって、
前記縮幅部は、梁端から梁中央に向かうほど幅が小さくなるような曲線状に形成された第１の縮幅部と、この第１の縮幅部の梁中央側の端部から連続して梁中央側へ延び、一定の幅を有する第２の縮幅部とからなることを特徴とする梁構造。
請求項１に記載の梁構造において、前記鉄骨はウェブとその上下両側に設けられた一対のフランジとから構成され、コンクリートが前記鉄骨を覆うことなく、前記一対のフランジの間に充填されていることを特徴とする梁構造。