JP4355936B2 - 鉄骨造のフランジとウェブからなる梁構造 - Google Patents

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。

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。

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。

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。
「構造計算指針・同解説」，1991年版，日本建築センター，平成３年７月１日，ｐ195 〜197 ，ｐ309 〜311 「鋼構造塑性設計指針」，日本建築学会，昭和５０年１１月１日，ｐ60〜67

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

(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。

(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。

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。

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。

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

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

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

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)

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。

本発明の梁構造を有する鉄骨造の柱梁架構の一例を示したものであり、(a) は立面図、(b) は梁端部の断面図、(c) は平面図である。

符号の説明

１……鉄骨柱
２……鉄骨梁
２Ｆ…フランジ
２Ｗ…ウェブ

Claims (2)

1. 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。
2. 請求項１に記載の梁構造において、
   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。

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