JP7702913B2 - 補強板、及び、補強板接合構造体 - Google Patents

Description

本開示は、補強板及び補強板接合構造体に関する。

鉄骨造建築物における柱梁接合部は、梁から受ける曲げモーメントを柱に伝達させるために、梁フランジの板厚よりも１～２ランク厚い、内ダイアフラムと呼ばれる補強板を柱梁接合構造体に設けることが多い。特に、鋼管柱１に接合される複数の梁４、５の梁せいが異なるような場合には、図１に示すように、梁せいが大きい梁４の梁フランジ４ａの配置高さには通しダイアフラム６と呼ばれる補強板が接合され、梁せいが小さい梁５の片方の梁フランジ５ａの配置高さの鋼管柱１の内側に内ダイアフラム２が接合されることがある。このとき、２つの通しダイアフラム６は短尺の鋼管（「サイコロ」と呼ばれることがある。）３の両端のそれぞれに接合され、内ダイアフラム２はサイコロ３の内側に配置されている。

特許文献１には、通しダイアフラムと内ダイアフラムを有する段違い形式の柱梁接合構造体において、鋼管内に溶接する内ダイアフラムを、柱梁接合構造体に接合されている梁せいの低い梁フランジの位置からずらして設けることを特徴とした段違い形式の柱梁接合構造体が開示されている。これによれば、通しダイアフラムの溶接部の裏当て金と、内ダイアフラムの溶接部の裏当て金との距離を広く確保でき、裏当て金同士の干渉を防ぐことができるとしている。

特開２０１７－６６５９９号公報

このような内ダイアフラム２を具備する構造体では、図２に示したようにサイコロ３の内側に内ダイアフラム２を配置した後に、内ダイアフラム２の外周部とサイコロ３の内面とが溶接接合される。
内ダイアフラム２をサイコロ３の内側に配置するためには、内ダイアフラム２の外周形状をサイコロ３の内周形状に対して小さく加工する必要がある。サイコロ３と内ダイアフラム２の溶接をレ形開先の完全溶込み溶接によって行う場合は、一般的に内ダイアフラム３の端面とサイコロの内面との間に７ｍｍ～９ｍｍ程度の隙間（＝ルートギャップ）を設けるため、図３に示したようにサイコロ３の開口部の内径をｄ（ｍｍ）とすると、内ダイアフラム２の幅はｄ－１８（ｍｍ）以上ｄ－１４（ｍｍ）以下程度となるように加工される。

ここで、サイコロ３には冷間成形角形鋼管が多く用いられるが、冷間成形に限らず角形鋼管は鋼管軸方向に対して完全に真っ直ぐではなく、図４に示すように鋼管断面の内側への凹みが生じている場合がある。文献（日本建築センター、冷間成形角形鋼管設計・施工マニュアル 第１版、２０１８．２）によれば、角形鋼管の平板部の凹みは、鋼管径（ｍｍ）の０．５％以下かつ３．０ｍｍ以下となるように管理されている。すなわち、内ダイアフラム２の取り付け高さ位置におけるサイコロ３の内径ｄ（ｍｍ）が、サイコロ３の開口部の内径よりも最大で６ｍｍ小さい場合がある。この場合であっても上記したように、内ダイアフラム２の幅はサイコロ３の開口部の内径に比べて１４ｍｍ～１８ｍｍ程度小さくなるよう加工されているため、たとえサイコロ３の内側が規定範囲内で最も凹んでいたとしても、内ダイアフラム２はサイコロ３の内側に水平に配置することができる。従って、内ダイアフラム２をサイコロ３の内側に完全溶込み溶接によって接合する場合には、内ダイアフラム２をサイコロ３の内側に配置することは比較的容易である。

一方で、完全溶け込み溶接は裏当て金を要するため施工に手間がかかることもあり、内ダイアフラムを角形鋼管の内側に溶接するときに、部分溶込み溶接又はＫ形開先の完全溶込み溶接によって内ダイアフラムを接合したいことがある。この場合、上記したレ形開先の完全溶込み溶接とは異なり裏当て金を要しない利点があるが、内ダイアフラムとサイコロの内面との隙間（＝ルートギャップ）を３ｍｍ以下になるよう管理する必要がある（日本建築学会：建築工事標準仕様書 ＪＡＳＳ６ 鉄骨工事 第１１版、２０１８．１）。

そうすると、サイコロ３の開口部の内径をｄ（ｍｍ）とすると、内ダイアフラム２の幅は、ｄ－６（ｍｍ）以上ｄ（ｍｍ）以下程度となるように加工される必要がある。ここで、上述したように、サイコロ３の内面は鋼管軸方向に対して完全に真っ直ぐではなく、内ダイアフラム２の取り付け高さ位置におけるサイコロ３の内径が開口部の内径に比べ最大で６ｍｍ小さい場合がある。これはサイコロ３の内径が内ダイアフラム２の幅よりも小さくなる場合もあることを意味する。そのような場合には、内ダイアフラム２がサイコロ３の内部で引っかかりを生じて大きく傾いてしまう。このときには一度内ダイアフラム２をサイコロ３から取り出し、内ダイアフラム２の幅を調整して再度サイコロ３の内側に入れる手間が生じる。従って、内ダイアフラム２を部分溶込み溶接、Ｋ形開先の完全溶込み溶接によって接合する場合には、内ダイアフラムをサイコロ内へ配置することが非常に困難であるという問題があった。

そこで本開示は、補強板を配置する部位において鋼管内径が補強板の幅よりも小さい場合であっても適切に溶接することができる補強板を提供することを目的とする。また、この補強板を用いた構造体を提供する。

本願は、四角形の断面形状を有する角形鋼管の内部に挿入され、その外周端部が角形鋼管の内面に溶接される四辺を有する板状の補強板であって、補強板の四辺のうち互いに反対側となる少なくとも一対の二辺には、いずれか一方の板面側に開口部を有するレ形開先が設けられており、一対の二辺における反対側に配置されるレ形開先では、開口部が互いに反対側の板面側に設けられている、補強板を開示する。

また、本願は、四角形の断面形状を有する角形鋼管、角形鋼管の内部に配置された上記補強板、及び、角形鋼管の内面と補強板とを接合するようにレ形開先に設けられた溶接部と、を備える、補強板接合構造体を開示する。

また、本願は、四角形の断面形状を有する角形鋼管の内部に挿入され、その外周端部が角形鋼管の内面に溶接される四辺を有する板状の補強板であって、補強板の四辺のうち互いに反対側となる少なくとも一対の二辺には、両方の板面側のそれぞれに開口部を有するとともに、一方の開口部の幅の方が、他方の開口部の幅よりも大きいＫ形開先が設けられており、一対の二辺における反対側に配置されるＫ形開先では、幅が大きい開口部が互いに反対側の板面側に設けられている、補強板を開示する。

また、本願は、四角形の断面形状を有する角形鋼管、角形鋼管の内部に配置された上記補強板、及び、角形鋼管の内面と補強板とを接合するようにＫ形開先に設けられた溶接部と、を備える、補強板接合構造体を開示する。

本開示によれば、補強板を配置する部位において鋼管内径が補強板の幅よりも小さい場合であっても適切に溶接することができる。

図１は、内ダイアフラムを具備する柱梁接合構造体の構造を説明する図である。 図２は、サイコロに内ダイアフラムが配置された場面を説明する図である。 図３は、レ形開先の完全溶込み溶接による溶接をする場合のサイコロの開口と内ダイアフラムの幅との関係を説明する図である。 図４は、サイコロの内面の凹みを説明する図である。 図５は補強板接合構造体１０の外観斜視図である。 図６は補強板接合構造体１０の断面図である。 図７は内ダイアフラム１２の平面図である。 図８は内ダイアフラム１２の断面図である。 図９は内ダイアフラム１２の断面図である。 図１０は内ダイアフラム２０の断面図である。 図１１は従来における内ダイアフラムの傾斜について説明する断面図である。 図１２は本開示における内ダイアフラムの傾斜について説明する断面図である。 図１３は比較例１の形態を説明する図である。 図１４は比較例２の形態を説明する図である。 図１５は実施例１の形態を説明する図である。 図１６はケース１の結果を示す図である。 図１７はケース２の結果を示す図である。 図１８はケース３の結果を示す図である。 図１９はケース４の結果を示す図である。

１．補強板構造体
１．１．部分溶込み溶接
図５、図６は１つの形態例にかかる補強板接合構造体１０の外観を模式的に表した斜視図である。図６は補強板接合構造体１０のサイコロ１１の管軸に沿った方向の断面図である。

図５、図６よりわかるように、補強板接合構造体１０は、角形鋼管であるサイコロ１１、及び、補強板である内ダイアフラム１２を有して構成されている。本形態で補強板接合構造体１０は部分溶込み溶接部１３を有している。すなわち、補強板接合構造体１０では、サイコロ１１の内側に補強板である内ダイアフラム１２が配置されるとともに、サイコロ１１の内面と内ダイアフラム１２との外周端部とは部分溶込み溶接により接合されている。部分溶込み溶接であることは裏当て金が具備されていないことにより認識することができる。

１．１．１．サイコロ
サイコロ１１は四角形の断面形状を有する角形鋼管の１つの態様であり公知の通りである。サイコロ１１を含め、本形態の角形鋼管は上記図４を示して説明したように、その内径が小さくなるように内側への凹みが生じることが許容されている。ただし、許容される範囲は、上記の通り鋼管径（ｍｍ）の０．５％以下かつ３．０ｍｍ以下とされる。

１．１．２．内ダイアフラム
内ダイアフラム１２はサイコロ１１の内側に配置される補強板として機能する四辺を有する板状の部材であり、表裏を構成する２つの板面（板厚方向に直交する面）１２ａを具備する。図７、図８に説明のための図を示した。図７は内ダイアフラム１２の平面図、図８は図７のＡ－Ａ断面図である。図７からわかるように、平面視でその四隅に切り欠き１２ｂが設けられている。これによりサイコロ１１の内面における入隅部と干渉による内ダイアフラム１２の配置の不具合を解消している。

また、内ダイアフラム１２は上記のようにサイコロ１１の内側に部分溶込み溶接により接合されているため、その四辺に部分溶込み溶接のための開先１２ｃを具備している。図９には開先１２ｃの部位に注目して拡大した図を表した。
図９からわかるように本形態ではレ形開先を具備している。すなわち、開先１２ｃが内ダイアフラム１２の一方の板面１２ａ側のみに設けられ、一方の板面１２ａ側に開口部１２ｄを具備している。
開先の形態は特に限定されることはなく開先角度も公知の通りである。ルート面の長さｆも時に限定されることはなくルート面の長さｆが０（ｍｍ）であってよい。

本形態の内ダイアフラム１２では、四辺のうち反対側となる辺に設けられる開先１２ｃ同士で、開口部１２ｄが配置される板面１２ａが反対となるように構成されている。これにより、内ダイアフラム１２を配置する部位においてサイコロ１１の内径が内ダイアフラム１２の幅よりも小さい場合であっても適切に溶接することができる。理由については後で説明する。

１．２．完全溶込み溶接
完全溶込み溶接のうち裏当て金を要しない開先に対しても本開示の内ダイアフラムを用いることができる。図１０に説明のための図を示した。図１０は図９と同じ視点による図であり、補強板として機能する内ダイアフラム２０の形態を説明する図である。内ダイアフラム２０は開先の形状以外は内ダイアフラム１２と同様に考えることができるので、ここでは開先の形状について説明する。

図１０からわかるように本形態はＫ形開先を具備している。すなわち、一方の板面１２ａ側に開先２０ａ、他方の板面１２ａ側に開先２０ｂを有している。本形態では、開先２０ａは板面１２ａ側に開口部２０ａｂ、開先２０ｂは板面１２ａ側に開口部ｂｂを具備しており、開口部２０ａｂの幅Ｌ１が開口部２０ｂｂの幅Ｌ２より大きくなるように構成されている。
開先角度及びルート面の長さは特に限定されることはなく適宜必要な大きさとすることができる。ルート面の長さｆは０（ｍｍ）であってよい。

本形態の内ダイアフラム２０では、四辺のうち反対側となる辺に設けられる開先同士で、開口部２０ａｂが配置される板面１２ａが反対となるとともに、開口２０ｂｂが配置される板面１２ａが反対となるように構成されている。これにより、内ダイアフラム２０を配置する部位においてサイコロ１１の内径が内ダイアフラム２０の幅よりも小さい場合であっても適切に溶接することができる。理由については後で説明する。

２．効果等
図１１に示したように、内ダイアフラムを配置する位置の内径が小さくなったサイコロに対して、従来の開先形状を有するとともに、狭くなったサイコロの内径よりも大きい幅の内ダイアフラムを配置しようすれば、θの角度を有して傾いた姿勢となる。このような傾いた姿勢であっても傾きθが非常に小さければ、施工上は問題ないとされる。例えば文献（日本建築学会、建築工事標準仕様書 ＪＡＳＳ６ 鉄骨工事 第１１版、２０１８．１）では、レ形開先の溶接継手の場合、その管理許容角度は２．５°（限界許容角度は５°）とされている。すなわち、内ダイアフラムが配置される位置において、サイコロの内径が内ダイアフラムの幅よりも小さく、図１１のように傾いた場合であっても、その傾きが施工管理上許容される角度に収まっていれば、そのまま内ダイアフラムを溶接接合することができる。ただし、この角度は可能な限り小さいことが好ましい。

図１１に示したように、両側の開先とも内ダイアフラムの一方の面側に設けられている場合、どうしてもθが大きくなってしまう。
一方、図１２に示したように上記した内ダイアフラム１２によれば、反対側に配置される２つの開先１２ｃで、開口部１２ｄが反対側の板面１２ａに設けられていることから、同じ幅を有する内ダイアフラムであっても、サイコロ１１の内側で内ダイアフラム１２がサイコロ１１の内面に接触した場合における内ダイアフラム１２の傾きθを従来よりも小さくすることができる。

従って、内ダイアフラム１２（補強板）を配置する部位において、サイコロ１１（角形鋼管）の内径が内ダイアフラム１２の幅よりも小さい場合であっても適切に溶接することができる場面を増やすことが可能となる。このことは、内ダイアフラム２０についても同様である。
また、内ダイアフラム１２のサイコロ１１の内側への配置が容易となることにより、部分溶込み溶接やＫ形開先の完全溶込み溶接等のように裏当て金を必要としない溶接方法を、内ダイアフラムの接合に適用しやすくなる。

３．実施例
本開示の内ダイアフラム（補強板）の有益性を示すために、図１３～図１５に示す３種類の断面形状を有する内ダイアフラムを対象に、数値計算による比較検討を行った。図１３に示した比較例１は開先がない内ダイアフラムの例、図１４に示した比較例２は従来のレ形開先であり同じ板面側に開口部を有する内ダイアフラムとした。そして、図１５に示した実施例は図８に示したレ形開先を有する場合の内ダイアフラム１２の例に倣った内ダイアフラムである。ここで、図１３～図１５に示すように、内ダイアフラムの幅をＢ_ｄ（ｍｍ）、内ダイアフラムの板厚をｔ_ｄ（ｍｍ）、サイコロの内径をＤ（ｍｍ）、内ダイアフラムの開先角度をα（°）、内ダイアフラムの開先のルート面の大きさをｆ(mm)、内ダイアフラムの傾きをθ(°)（ただしθ≦αとする。）、サイコロの内面と内ダイアフラムとの隙間をｘ（ｍｍ）とすると、各例における隙間ｘは幾何学的に求めることができ、比較例１は式（１）、比較例２は式（２）、実施例１は式（３）から得られる。
ｘ＝Ｄ－Ｂ_ｄ・ｃｏｓθ－ｔ_ｄ・ｓｉｎθ …（１）
ｘ＝Ｄ－Ｂ_ｄ・ｃｏｓθ－ｆ・ｓｉｎθ …（２）
ｘ＝Ｄ－Ｂ_ｄ・ｃｏｓθ＋（ｔ_ｄ－２・ｆ）・ｓｉｎθ …（３）

サイコロの内径Ｄが内ダイアフラムの幅Ｂ_ｄよりも小さい場合を想定し、Ｄ＝Ｂ_ｄ－１（ｍｍ）とおくと、式（１）～式（３）より、各例における隙間ｘはそれぞれ式（４）～式（６）で表される。
ｘ＝Ｂ_ｄ・（１－ｃｏｓθ）－ｔ_ｄ・ｓｉｎθ－１ …（４）
ｘ＝Ｂ_ｄ・（１－ｃｏｓθ）－ｆ・ｓｉｎθ－１ …（５）
ｘ＝Ｂ_ｄ・（１－ｃｏｓθ）＋（ｔ_ｄ－２・ｆ）・ｓｉｎθ－１ …（６）

以上で示した式（４）～式（６）を用いて、表１に示す４つのケースについて数値計算を行った。

ｘとθの関係を表した結果を図１６～図１９に示した。図１６はケース１、図１７はケース２、図１８はケース３、及び、図１９はケース４である。なお、各ケースにおけるルート面の大きさｆは２ｍｍとした。図１６～図１９では、横軸に内ダイアフラムの傾きθ、縦軸に内ダイアフラムとサイコロとの隙間ｘを表している。隙間ｘが０以下である場合には接触していることになる。また、各図に示した〇印は各例における隙間ｘが０となる時の内ダイアフラムの傾きθを表しており、黒の破線は上記文献で示されている管理許容角度（２．５°）を表している。すなわち、各グラフにおいて、〇印がこの破線よりも左側に位置していれば、内ダイアフラムの施工条件は満たされることを意味する。図１６～図１９からわかるように、全てのケースにおいて実施例１のみが条件を満足していることがわかる。

１０ 補強板接合構造体
１１ 角形鋼管柱（サイコロ）
１２、２０ 補強板（内ダイアフラム）
１３ 溶接部

Claims (4)

1. 四角形の断面形状を有する角形鋼管の内部に挿入され、その外周端部が前記角形鋼管の内面に溶接される四辺を有する板状の補強板であって、
   前記補強板の前記四辺のうち互いに反対側となる少なくとも一対の二辺には、いずれか一方の板面側に開口部を有するレ形開先が設けられており、
   前記一対の二辺における反対側に配置される前記レ形開先では、前記開口部が互いに反対側の前記板面側に設けられている、
   補強板。
2. 四角形の断面形状を有する角形鋼管、
   前記角形鋼管の内部に配置された請求項１に記載の補強板、及び、
   前記角形鋼管の内面と前記補強板とを接合するように前記レ形開先に設けられた溶接部と、を備える、
   補強板接合構造体。
3. 四角形の断面形状を有する角形鋼管の内部に挿入され、その外周端部が前記角形鋼管の内面に溶接される四辺を有する板状の補強板であって、
   前記補強板の前記四辺のうち互いに反対側となる少なくとも一対の二辺には、両方の板面側のそれぞれに開口部を有するとともに、一方の前記開口部の幅の方が、他方の前記開口部の幅よりも大きいＫ形開先が設けられており、
   前記一対の二辺における反対側に配置される前記Ｋ形開先では、前記幅が大きい前記開口部が互いに反対側の前記板面側に設けられている、
   補強板。
4. 四角形の断面形状を有する角形鋼管、
   前記角形鋼管の内部に配置された請求項３に記載の補強板、及び、
   前記角形鋼管の内面と前記補強板とを接合するように前記Ｋ形開先に設けられた溶接部と、を備える、
   補強板接合構造体。

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