JPH11147146A - 中空柱材の増厚補強構造及び熱処理方法 - Google Patents

中空柱材の増厚補強構造及び熱処理方法

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JPH11147146A
JPH11147146A JP9310184A JP31018497A JPH11147146A JP H11147146 A JPH11147146 A JP H11147146A JP 9310184 A JP9310184 A JP 9310184A JP 31018497 A JP31018497 A JP 31018497A JP H11147146 A JPH11147146 A JP H11147146A
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Yoichi Matsubara
洋一 松原
Akira Fukuda
章 福田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 中空柱材本体の必要な部位に部分的な補強部
が容易に形成でき、かつ異常な外力が加わっても柱材側
に損傷が入らない中空柱材の増厚補強構造及び熱処理方
法を提供する。 【解決手段】 本発明に係る中空柱材21は、構造材で
ある複数の金属板23、形鋼24又はそれらの組み合わ
せにより、断面ほぼ四角形の中空柱材本体21aを形成
させ、この中空柱材本体21aの所定の位置を塑性変形
容易な温度に加熱して加熱部28aを形成させ、この加
熱部28aを前記中空柱材本体21aの長手方向に移動
させながら圧縮し増厚させ冷却させて、所定の位置に適
宜な厚さの増厚補強部28を設けた中空柱材21を形成
させた。また、前記増厚補強部28を調整冷却させて、
フェライトパーライト組織へ調質させた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、構造材である複数
の金属板、形鋼又はそれらの組み合わせにより、断面ほ
ぼ四角形の中空柱材本体を形成させ、所定の位置を加熱
・圧縮・冷却させて増厚させた中空柱材の増厚補強構造
及びこの増厚補強部の熱処理方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来この種のものとしては、例えば特公
昭50−35487号公報に記載のに図10(a)、
(b)に示すようなものがある。
【0003】これは図10(a)、(b)において、密
閉された中空柱材本体1Aの内部に挿入する内ダイヤフ
ラム2の四周と中空柱材本体1Aの構成材1aとを溶接
するために、内ダイヤフラム2の四辺にあらかじめ開先
部2Aを設けるとともに、この各開先部2Aへ連通する
溶接孔1bを各構成材1aから設けておき、これらの内
ダイヤフラム2と各中空柱材本体1Aの構成材1aとを
組み立て、開先部2Aを溶接する。
【0004】この開先部2Aの溶接は、中空柱材本体1
Aに設けた溶接孔1bから溶接トーチ(図示せず)を侵
入させながら、各内ダイヤフラム2と中空柱材1の内面
とをエレクトロスラグ溶接あるいは消耗ノズルを併用し
たエレクトロスラグ溶接を行うものである。
【0005】そして、溶接作業が終了すると不要となっ
た溶接孔1bを塞いで、内部に各内ダイヤフラム2a,
2b,2cを設け部分的に補強された中空柱材1が形成
される。
【0006】このようにして部分的に補強された中空柱
材1には、水平ハンチ4(大小の水平ハンチ4a,4
b)のそれぞれの端末部3bが、中空柱材1の内ダイヤ
フラム2で補強されている位置に合わせて、溶接されて
おり継ぎ手部4を介して梁5と組み付けられる構成とし
ている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
う従来のものにあっては、溶接孔1bを介しての作業で
あり、しかも狭い間隔で接合される上・中・下の内ダイ
ヤフラム2a,2b,2cを溶接する作業であるので、
溶接欠陥が発見し難い。また、作業性が悪く作業工数を
要するという課題を有していた。
【0008】また、特に梁側から異常な外力がしかも衝
撃的に加わると、中空柱材1と水平ハンチ3との接合位
置で破損し、中空柱材1に損傷が入るという虞があっ
た。
【0009】そこで、本発明は、中空柱材本体の必要な
部位に部分的な補強部が容易に形成でき、かつ異常な外
力が加わっても柱材側に損傷が入らない中空柱材の増厚
補強構造及び熱処理方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項1に記載された発明は、構造材である複数
の金属板、形鋼又はそれらの組み合わせにより、断面ほ
ぼ四角形の中空柱材本体を形成させ、該中空柱材本体の
所定の位置を塑性変形容易な温度に加熱して加熱部を形
成させ、該加熱部を前記中空柱材本体の長手方向に移動
させながら圧縮し増厚させ冷却させて、所定の位置に適
宜な厚さの増厚補強部を設けた中空柱材を形成させたこ
とを特徴としている。
【0011】このようなものにあっては、中空柱材本体
の所定の位置に増厚補強部を加熱・圧縮・冷却だけで設
けることができ、従来の内ダイヤフラムの接合補強のよ
うに、溶接作業工数が掛からずコストの低減が図れる。
【0012】請求項2に記載された発明は、請求項1に
記載の中空柱材の増厚補強構造において、前記中空柱材
の各面を形成する構造材は、それぞれの面の設計要求値
に合わせて異なる特性を持たせたことを特徴としてい
る。
【0013】このようなものにあっては、限界状態設計
に容易に対応ができるようになり贅肉が無くなり、軽量
となると同時にコストの低減が図れる。
【0014】請求項3に記載された発明は、請求項1又
は2に記載の中空柱材の増厚補強構造において、前記中
空柱材本体を形成する前記複数の金属板端部の当接する
長手方向内側の角部をすみ肉溶接して、内面が滑らかに
繋がるように形成させたことを特徴としている。
【0015】このようなものにあっては、均等な加熱が
でき、同時に押圧し圧縮させて増厚するときも均等化が
図れていびつにならず、品質の高い増厚補強部の形成が
できる。
【0016】請求項4に記載された発明は、請求項1,
2又は3に記載の中空柱材の増厚補強構造において、梁
の端部に連結される水平ハンチにおいて、該水平ハンチ
の連結部近傍から端末部に向けて平面視拡幅する水平ハ
ンチを形成させるとともに、該水平ハンチの端末部を前
記中空柱材の増厚補強部に接合させたことを特徴として
いる。
【0017】このようなものにあっては、水平ハンチが
塑性ヒンジとなり、異常な外力が加わっても水平ハンチ
で塑性し破壊エネルギを吸収するので、破損が柱材に入
るのを防止することができる。
【0018】請求項5に記載された発明は、請求項4に
記載の中空柱材の増厚補強構造において、前記中空柱材
の前記増厚補強部に接合させる前記水平ハンチの端末部
近傍を増厚させたことを特徴としている。
【0019】このようなものにあっては、請求項4と同
様に水平ハンチの増厚補強部から断面が変化する位置が
塑性ヒンジとなり、異常な外力を吸収して破損が中空柱
材に入るのが防止できる。
【0020】請求項6に記載された発明は、中空柱材の
熱処理方法において、複数の金属板、形鋼又はそれらの
組み合わせにより形成させた断面ほぼ四角形の中空柱材
本体において、該中空柱材本体の所定の位置を加熱・圧
縮・冷却して適宜な厚さに増厚させた増厚補強部を再加
熱した後、この増厚補強部を調整冷却させてフェライト
パーライト組織へ調質させたことを特徴としている。
【0021】このようなものにあっては、脆性的な金属
組織が延性化されて、特に衝撃的な外力の吸収性が非常
に大きくなる。また、降伏比が80%以下に下がり歪み
エネルギの吸収量を考慮した構造設計ができるようにな
った。
【0022】
【発明の実施の形態】
【0023】
【発明の実施の形態1】本発明の実施の形態1を図1乃
至図7に基づいて説明する。
【0024】図1は、実施の形態1に係る中空柱材の増
厚補強部に梁を組み付けた状態を示す斜視図である。図
2は、図1のA矢視図である。図3乃至5は、それぞれ
図2の変形例1,2,3を示す図1のA矢視図である。
図6は、図1の要部縦断面図である。図7は、中空柱材
の増厚方法を示す説明図である。
【0025】図1において、21は中空柱材、28は増
厚補強部、29A,29aは大小の水平ハンチであり、
この水平ハンチ29A,29aから継ぎ手部31を介し
て梁30に連結されている。
【0026】また、水平ハンチ29A,29aと梁30
とは、継ぎ手部31を介することなく直接接合される場
合も考えられる。
【0027】また、中空柱材本体21aの構造材である
金属板23は、図2(a)、(b)に示すように、長手
方向に当接する角部27を、外面側26a及び内面側2
6bから接合して、特に内面側26bの角部27をすみ
肉溶接して、角部27が滑らかに繋がるように形成させ
ている。
【0028】したがって、この角部27をすみ肉溶接の
ものは、従来から行われている角部27に角張った裏当
て金を入れ溶接する方法(図示せず)と違って、中空柱
材本体21aの内面角部27の凹凸がなくなるので、増
厚加工時に増厚補強部28の形状がいびつになることが
避けられる。
【0029】また、設計要求値が高く強度を必要とする
場合には、図2(b)に示すように、設計要求値に合わ
せて金属板23の強度を上げるようにしている。この図
2(b)中では、対向する二面23Aの板厚を厚くして
対応させた状態を示している。
【0030】なお、板厚を変化させることなく物性値の
高い材質の金属板23を用いて、設計要求値に対応させ
ることも考えられる。
【0031】さらに、図2(c)、(d)に示すもの
は、双方とも図2(a)と同様の中空柱材本体21aで
あるが、この中空柱材本体21aの四つの外角部27A
に面取りを行ったものである。そして、この面取りによ
って各外角部27Aの厚さを金属板23に近い厚さとし
たものである。
【0032】この図2(c)と図2(d)の中空柱材本
体21aの差異は、各金属板23の接合の位置にあり、
図2(c)に示すものは、金属板23の平端面に隣接す
る金属板23の端面を当接させて接合させたものであ
る。また、図2(d)に示すものは、隣接する金属板2
3の端面同志を当接させて接合させたものである。この
図2(d)のものは、使用する金属板23が四面とも同
一形状のものから構成されている特徴がある。
【0033】(変形例1)図3(a),(b)は、図2
(a)に示す中空柱材本体の断面形状の変形例1を示す
ものである。
【0034】すなわち、図3(a)は、等辺山形鋼24
aを対角線上で対称となる位置に配設し接合させて、断
面四角形の中空柱材本体21aを形成させたものであ
る。
【0035】図3(b)は、不等辺山形鋼24Aを用い
異なる辺を互いに当接させて、図3(a)と同様にして
中空柱材本体21aを形成させたものである。
【0036】(変形例2)図4は、図2(a)に示す中
空柱材本体の断面形状の変形例2を示すものである。
【0037】すなわち、図4は、溝形鋼24bの溝面2
4Bが対向するように側辺同志を当接させ接合させて、
断面ほぼ四角形の中空柱材本体21aを形成させたもの
である。
【0038】(変形例3)図5(a)、(b)は、図2
(a)に示す中空柱材本体の断面形状の変形例3を示す
ものである。
【0039】すなわち、図5(a)は、等辺山形鋼24
aを対角線上で対称となる位置に配設し、各山形鋼24
aの各辺の間を中間板23aで連結接合させて、断面四
角形の中空柱材本体21aを形成させたものである。
【0040】図5(b)は、溝面24Bが対向する位置
に配設し、この溝形鋼24bの各側辺の間を中間板23
aで連結接合させて、断面ほぼ四角形の中空柱材本体2
1aを形成させたものである。
【0041】なお、図5(a)、(b)において、各形
鋼24a,24bの間を連結接合させる中間板23aの
幅を種々変えることにより、中空柱材本体21aの断面
形状の大きさを、設計要求値に合わせて自在に変化させ
ることができる。
【0042】また、一方の対向する中間板23aの幅
と、他方の対向する中間板23aの幅とを違えることに
より、断面長方形の中空柱材本体21aに形成させるこ
とも考えられる。
【0043】さらに、中空柱材21の縦断面形状は、図
6に示すように、外面・内面の双方側26a,26bに
向けて所定の厚さに増厚されている。この形成された増
厚補強部28に水平ハンチ29の端末部29Eが接合さ
る。
【0044】中空柱材本体21aの増厚補強部28は、
図7に示す公知の方法(特開平9ー125600号)で
ある圧縮装置50Aにより形成される。
【0045】すなわち、図7中、中空柱材本体21a
は、圧縮装置50Aの油圧装置50に連結され油圧シリ
ンダ51のクランプ52とストッパ53との間に装着さ
れて、油圧装置50からの油圧を受けて矢印V方向の圧
縮を行う構成としている。
【0046】この時、高周波誘導の加熱コイル56がモ
ータMに連結されている駆動軸58により、矢印W方向
に所定位置まで移動され、この移動中に中空柱材本体2
1aは塑性変形容易な温度に加熱され、この加熱部28
aが押圧力を受けるので圧縮されて増厚されることにな
る。
【0047】また同時に、加熱コイル56からは冷却媒
体28bが放出され所定の厚さに増厚された状態で冷却
固化される。
【0048】このように、所定の間を所定の厚さに中空
柱材本体21aに増厚補強部28を形成させる際の、加
熱部28aの制御は移動量検出器57により、また増厚
の制御は圧縮量検出器54により各検出され制御され
る。
【0049】さらに、各検出器54,57と連結されて
いるモータMの制御装置55と、油圧シリンダ51の油
圧装置50とを互いに連携させて、所定の形状の増厚補
強部28を形成させることができる構成としている。
【0050】次に、中空柱材本体21aの増厚補強部2
8の熱処理方法では、前述した図7に示す圧縮装置50
Aを続けて使用する。
【0051】すなわち、圧縮装置50Aに増厚補強部2
8を形成させた中空柱材本体21aを装着した状態のま
まで熱処理を行う。
【0052】この中空柱材本体21aが貫通している高
周波誘導の加熱コイル56は、制御装置55を介して、
モータMに連結されている駆動軸58により矢印W方向
に所定の速度で増厚補強部28の間を移動させながら適
正な温度になるように加熱する。
【0053】同時に、加熱コイル56からは適正量の冷
却媒体28bを放出させ、適正な温度勾配で冷却が行わ
れるように制御する機構としている。
【0054】以上のように構成された中空柱材21の増
厚補強構造の作用に付いて説明する。
【0055】中空柱材本体21aの増厚補強部28は、
図7に示すように、加熱・圧縮・冷却させるだけで制御
しながら増厚させることができ、この増厚量によって中
空柱材本体21aの強度が所定の設計要求値に対応させ
ることができる。
【0056】そして、この形成された増厚補強部28に
は、図1に示すように、塑性ヒンジを有する水平ハンチ
29a,29Aを接合させ、この水平ハンチ29a,2
9Aは継ぎ手部31を介して梁30に連結されているの
で、梁30側から外力が衝撃的に加わっても増厚補強部
28は損傷を受けることなく、水平ヒンジ29a,2
【0057】9Aが塑性変形して外力を吸収することに
なる(
【実施例】(2)参照)。
【0058】さらに、中空柱材本体21aの増厚補強部
28は、増厚加工時の加熱・冷却で脆性の高い金属組織
となったものが、調質を行うことによりフェライトパー
ライ
【0059】ト組織になり延性化されてシャルピ衝撃値
が上がり降伏比は下がる(
【実施例】(1)参照)。
【0060】したがって、前述の中空柱材補強構造とそ
の熱処理の双方から、中空柱材21に水平ヒンジ29
a,29Aの端末部29Eを接合した部分では破壊に至
らず、中空柱材21に損傷を与えることが防止できるよ
うになる。
【0061】
【発明の実施の形態2】図8は、本発明の実施の形態2
に係わる中空柱材の増厚補強部に水平ハンチを組み付け
た状態を示す部分側面図である。
【0062】図8において、21aは中空柱材本体、2
8は中空柱材本体21aの増厚補強部、29Bは水平ハ
ンチであり、この水平ハンチ29Bの端末部29Eの近
傍を増厚させ水平ハンチ29Bに増厚補強部29Dを形
成させたものである。したがって、この水平ハンチ29
Bの増厚補強部29Dが終わった部位が塑性ヒンジを形
成することになる。
【0063】そして、この水平ハンチ29Bの端末部2
9Eは、中空柱材本体21aの増厚補強部28に接合さ
せ、他端部は実施の形態1と同様に、継ぎ手部31を介
して梁30に連結せる構成としている(図1参照)。
【0064】したがって、梁30側から異常な外力が衝
撃的に加わっても増厚補強部28は損傷を受けることな
く、水平ハンチ29Bの塑性ヒンジから変形して外力を
吸収する。
【0065】なお、水平ハンチ29Bの増厚補強部29
Dの成形は、前述した加熱・圧縮・冷却して形成させて
も、また他の金属板を水平ハンチ29Bに重ね合わせて
増厚させてもよい。
【0066】その他の構成及び作用は実施の形態1と同
様であるので、その説明を省略する。
【0067】
【実施例】以下に、(1)中空柱材増厚補強部の熱処理
後の物性試験 (2)柱梁接合部載荷実験 を行った結
果を以下に示す。
【0068】この試験・実験の結果から、熱処理により
物性が改善されるだけでなく、増厚補強部を設けたこと
により変形性能の向上も確認できた。
【0069】(1)中空柱材増厚補強部の熱処理後の物
性試験結果 ●試験体 ・金属板材質;JIS G9106 SM490A ・寸法;300mm×300mm×19mmt ・増厚率;100% ・増厚加熱温度;1300±20℃ ・後熱処理温度;1000±20℃ ・後熱処理方法;調整水冷却 ●試験結果 測定値(n=2の平均値); <原 材 料> <熱 処 理 後> ・引っ張り強さ(N/mm2) 570 594 ・伸び率 (%) 28 29 ・降伏点 (N/mm2) 535 459 ・降伏比 (%) 94 77 ・シャルピ衝撃(J) 27 280 <結 論>上記熱処理により増厚補強部が調質され、 ・延性に改質されてシャルピ衝撃値が向上した。
【0070】・降伏比が設計値として要求される80%
を下回るようになり、歪みエネルギの吸収を勘案した構
造設計ができるようになった。
【0071】(2)柱梁接合部載荷実験の結果 梁部のモーメントと層間変形の関係を図9に示す。
【0072】●実験体 ・A−1;従来技術による内ダイヤフラム補強部に梁を
連結したもの(柱材断面;300mm×300mm×19mmt、梁
幅;150mm ) ・A−3;本発明に係る増厚補強部(100%増厚)に
水平ハンチを介して梁を連結したもの(柱材断面;321m
m×321mm×40mmt、梁幅;150〜250mm ) ・A−4;本発明に係る増厚補強部(50%増厚)に水
平ハンチを介して梁を連結したもの(柱材断面;309mm
×309mm×28mmt 、梁幅;150〜250mm) ●実験結果 図9に示すように、梁の所定の位置に載荷した時の梁の
層間変形θ(rad)から、中空柱材の補強部の持つ変形
性能の実験結果は、従来技術の実験体A−1に比し、A
−3,A−4はともに層間変形が少なく、新耐震設計法
で想定されている層間変形±0.02(rad)の位置
で、梁のモーメントが約10(ton・m)向上している。
【0073】<結 論> ・このように、従来の内ダイヤフラム補強部を有する中
空柱材と比し、変形性能が著しく向上し、しかも増厚補
強部の増厚率が大きくなる程その効果も大きくなる。
【0074】
【発明の効果】以上説明してきたように、中空柱材本体
の所定の位置に設計要求値に対応させた厚さに、加熱・
圧縮するだけで増厚補強部が容易に形成でき、従来技術
による内ダイヤフラム構造に比し、成形工数の低減が図
れる。その上、内面側の角部をすみ肉溶接することによ
り、いびつに成ることなく均等に増厚できる。
【0075】また、設計要求値に合わせて特性の異なる
四面の構造材を組み付け、要求値の低いところは低位の
材料が採用できるのでコストの低減も図れる。
【0076】さらに、中空柱材の増厚補強部と水平ハン
チの接合部近傍には塑性ヒンジを設けているので、中空
柱材に破損が入ることが防止でき、地震等による衝撃的
な外力を受けても柱材の損傷に至らず梁側の被害だけに
納めることができる。
【0077】さらに又、増厚補強部を熱処理すること
で、耐衝撃性が向上すると同時に、降伏比も下がるの
で、歪み吸収を算定した状態で構造設計が行えるように
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る中空柱材の増厚補
強部と梁部との組み付け状態を示す斜視図である。
【図2】(a)は、図1のA矢視図である。(b)は、
図2(a)の別例である。(c)は、図2(a)の外角
部を面取りした状態を示す説明図である。(d)は、図
2(c)の別例である。
【図3】(a)、(b)は、それぞれ図2(a)の変形
例1である。
【図4】図2(a)の変形例2である。
【図5】(a)、(b)は、それぞれ図2(a)の変形
例3である。
【図6】図1の増厚補強部に係る要部縦断面図である。
【図7】中空柱材本体の増厚方法を示す説明図である。
【図8】同実施の形態2に係る図1のC矢視図である。
【図9】同実施の形態1及び従来例に係る荷重と変形と
の関係を示す実験図である。
【図10】(a)は、従来例に係る中空柱材と梁部との
組み付け状態を示す斜視図である。(b)は、図10
(a)のD矢視部を示す説明図である。
【符号の説明】
21…中空柱材 21a…中空柱材本体 23…金属板 24…形鋼 28…増厚補強部 28a…加熱部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古沢 恵三 東京都港区芝浦4ー4ー44 株式会社横河 ブリッジ内 (72)発明者 藤田 謙一 東京都港区芝浦4−4−44 株式会社横河 ブリッジ内 (72)発明者 松原 洋一 神奈川県川崎市川崎区殿町2丁目17番8号 第一高周波工業株式会社内 (72)発明者 福田 章 大阪府大阪市西区阿波座1丁目5番16号 大和ハウス工業株式会社内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 構造材である複数の金属板、形鋼又はそ
    れらの組み合わせにより、断面ほぼ四角形の中空柱材本
    体を形成させ、該中空柱材本体の所定の位置を塑性変形
    容易な温度に加熱して加熱部を形成させ、該加熱部を前
    記中空柱材本体の長手方向に移動させながら圧縮し増厚
    させ冷却させて、所定の位置に適宜な厚さの増厚補強部
    を設けた中空柱材を形成させたことを特徴とする中空柱
    材の増厚補強構造。
  2. 【請求項2】 前記中空柱材本体の各面を形成する構造
    材は、それぞれの面の設計要求値に合わせて異なる特性
    を持たせたことを特徴とする請求項1に記載の中空柱材
    の増厚補強構造。
  3. 【請求項3】 前記中空柱材本体を形成する前記複数の
    金属板端部の当接する長手方向内側の角部をすみ肉溶接
    して、内面が滑らかに繋がるように形成させたことを特
    徴とする請求項1又は2に記載の中空柱材の増厚補強構
    造。
  4. 【請求項4】 梁の端部に連結される水平ハンチにおい
    て、該水平ハンチの連結部近傍から端末部に向けて平面
    視拡幅する水平ハンチを形成させるとともに、該水平ハ
    ンチの端末部を前記中空柱材の前記増厚補強部に接合さ
    せたことを特徴とする請求項1,2又は3に記載の中空
    柱材の増厚補強構造。
  5. 【請求項5】 前記中空柱材の前記増厚補強部に接合さ
    せる前記水平ハンチの端末部近傍を増厚させたことを特
    徴とする請求項4に記載の中空材の増厚補強構造。
  6. 【請求項6】 複数の金属板、形鋼又はそれらの組み合
    わせにより形成させた断面ほぼ四角形の中空柱材本体に
    おいて、該中空柱材本体の所定の位置を加熱・圧縮・冷
    却して適宜な厚さに増厚させた増厚補強部を再加熱した
    後、該増厚補強部を調整冷却させフェライトパーライト
    組織へ調質させたことを特徴とする中空柱材の熱処理方
    法。
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