ノンダイアフラム形式の鋼管柱
【課題】柱梁仕口部において十分な安全強度を確保しつつ、軽量且つ低コストな鋼管柱を提供する。
【解決手段】本発明のノンダイアフラム形式の鋼管柱１は、柱梁仕口部３と非柱梁仕口部４との外径寸法が同一であり、非柱梁仕口部４の肉厚をtoとした場合に、柱梁仕口部３の肉厚tが1.2to〜3.0toとされていて、この柱梁仕口部３に梁材２が直接接合されるものとなっている。さらに、非柱梁仕口部の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部を有する鋼管柱の肉厚to’に比して薄肉（to≦to’）となっている。
【解決手段】本発明のノンダイアフラム形式の鋼管柱１は、柱梁仕口部３と非柱梁仕口部４との外径寸法が同一であり、非柱梁仕口部４の肉厚をtoとした場合に、柱梁仕口部３の肉厚tが1.2to〜3.0toとされていて、この柱梁仕口部３に梁材２が直接接合されるものとなっている。さらに、非柱梁仕口部の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部を有する鋼管柱の肉厚to’に比して薄肉（to≦to’）となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼構造物などに使用されるノンダイアフラム形式の鋼管柱に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ビルや立体駐車場などの鉄骨構造物（鋼構造物）を建造する場合には、鋼管柱（円形鋼管柱や角形鋼管柱）を立てて、この鋼管柱に梁材を取り付ける構造が採用されている。鋼管柱に梁材を接続するにあたっては、その柱梁仕口部の構造としてダイアフラム形式（通しダイアフラム、内ダイアフラム、リングダイアフラム）が採用されることが多い。
一例として、外ダイアフラム形式の柱梁仕口部は、図４に示すように、鋼管柱の外壁面にリングダイアフラムを嵌め込んだ上で鋼管とリングダイアフラムを溶接し、リングダイアフラムにブラケットを溶接した上で、梁材を接続するものとなっている。
【０００３】
一方で、柱梁仕口部として、ダイヤフラム形式を用いないもの（ノンダイアフラム形式）を採用することもある。以下に、ノンダイアフラム形式の柱梁仕口部の構造やこの構造を採用可能な鋼管柱に関する先行技術文献を示す。
特許文献１は、梁と梁を支持する柱とを備えて構成され、柱が管体の内部にコンクリートを充填したコンクリート充填柱であるとともに、梁荷重に基づき柱に作用する軸方向力をコンクリートに伝達する内側突出部を、管体の内面に備えた柱梁接合部の構造であって、軸方向力の作用方向にあって、内側突出部の配設位置よりも下側の管体部位に、標準肉厚の標準管体部に対して管体外径側に増厚された外側厚肉部を備えた柱梁接合部の構造を開示する。
【０００４】
特許文献２は、上下の鋼管柱の間に介装された接合筒体と、鋼管柱の外面と一致された接合筒体の外面と、鋼管柱の内面より内方に位置する接合筒体の内面と、鋼管柱乃至接合筒体に充填されたコンクリートとからなる鋼管コンクリート柱と梁の接続構造を開示する。
特許文献３は、構造体の取付部分に厚肉部を設けてなる円形鋼管柱において、全長に亘って内径が一定で前記厚肉部が外方に膨出して設けられている厚肉部を有する円形鋼管柱を開示する。
【０００５】
特許文献４は、厚肉継目無鋼管を熱間圧延成形してなる仕口部角鋼管柱と、この仕口部角鋼管柱に取付けた梁とからなることを特徴とする角形鋼管柱の柱梁仕口部を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１３５０３号公報
【特許文献２】特開平４−１０６２４０号公報
【特許文献３】特開２００５−２６４５３５号公報
【特許文献４】特開平８−３０２８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような鋼管柱や鋼管柱の柱梁仕口部における強度設計は、従来工法であるダイアフラム形式を採用するのであれば、日本建築学会の鋼管構造設計施工指針に基づいて設計を行うことができる。
この設計指針に準拠する場合、ノンダイアフラム形式の柱梁仕口部に関する耐力評価としては、外ダイアフラムのサイズを０として耐力評価式を流用することが行われている。このやり方で、構造上の安全性を確保するようにした場合、耐力アップのために鋼管柱の肉厚を増厚させる必要がある。ところが、前述の設計指針は、増厚させる範囲を明確には規定していないため、現状、安全性を確保すべく鋼管柱全長に亘って肉厚の増厚を実施しているものが多い。かかる増厚は、鋼管柱の重量アップやコストアップにつながる。
【０００８】
このような鋼管柱の増厚などに着目して、先行技術文献を考察してみると、特許文献１が開示する柱梁接合部の構造は、その増厚部分のサイズに関し明確に寸法を開示していないため、特許技術文献１に則り鋼管柱を製作しようとしても、安全性を確保しつつ経済的な鋼管柱とすることはできないのが現状である。加えて、増厚部は、外側に突出するものであるため、意匠性等に問題がある。
同様に、特許文献２〜特許文献４に開示された柱梁接合部の構造に関しても、増厚部分のサイズに関し明確に寸法を開示していないため、実際に鋼管柱を製作することが困難である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保しつつ、軽量且つ低コストな鋼管柱を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明のノンダイアフラム形式の鋼管柱は、柱梁仕口部と非柱梁仕口部との外径寸法が同一であり、非柱梁仕口部の肉厚をtoとした場合に柱梁仕口部の肉厚tが1.2to〜3.0toとされていて、前記柱梁仕口部に梁材が直接接合されることを特徴とする。
好ましくは、前記柱梁仕口部及び非柱梁仕口部が円筒状であるとよい。
さらに好ましくは、前記非柱梁仕口部の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部を有する鋼管柱の肉厚to’に比して薄肉（to≦to’）となっているとよい。
【００１１】
特に、前記柱梁仕口部に１又は複数の断面Ｈ形の梁材を接合して柱梁構造を形成するにあっては、式（１）〜式（３）を満たすように柱梁仕口部の長さＬが設定されているとよい。
Ｌ＝ｈ＋２Ｌｚ (1)
Ｌｚ＝０．２Ｄ〜１．０Ｄ (2)
Ｌｚ／ｔ≧２ (3)
Ｌｚ：柱梁仕口部の上部端〜梁材の上部端の距離
（＝柱梁仕口部の下部端〜梁材の下部端の距離）
ｈ：梁材の上下方向厚み（梁せい）
Ｄ：鋼管柱の外径
ｔ：柱梁仕口部の肉厚
このような鋼管柱であれば、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保できると共に、柱梁仕口部の増厚を鋼管全体に及ばせる必要がなくなり、軽量で且つ低コストな鋼管柱とすることが可能となる。また、本手段による鋼管柱であれば、柱梁仕口部以外の部分（非柱梁仕口部）における板厚を、従来のものより薄くすることが可能であり、軽量鋼管柱を実現できる。さらに、柱梁仕口部の外形が非柱梁仕口部の外形と同一であるため、意匠性と居住性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保しつつ、軽量且つ低コストなノンダイアフラム形式の鋼管柱を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の鋼管柱を用いて構築した柱梁構造を示した図である。
【図２】本発明の鋼管柱の製造方法を示した図である。
【図３】本発明の鋼管柱及び柱梁仕口部の耐力を評価するために実施したＦＥＭ解析を示しており、（ａ）は解析モデルを示したもの、（ｂ）は解析結果（変形状態）の一例を示したもの、（ｃ）は解析結果（応力分布状態）の一例を示したものである。
【図４】従来例であるダイアフラム形式の柱梁仕口部を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
図１を参照して、本発明に係るノンダイアフラム形式の鋼管柱１及びこの鋼管柱１に梁材２が直接接続されてなる柱梁仕口部３の構成について説明する。
本発明の鋼管柱１は、鉄骨構造物などの柱となる鋼管であって断面円筒状である。鋼管柱１は、梁材２が直接溶接される柱梁仕口部３（単に仕口部と呼ぶこともある）と、梁材２が接続されない非柱梁仕口部４（一般柱部と呼ぶことがある）からなる。仕口部３の外径と一般柱部４の外径とは同径Ｄとされており、仕口部３の肉厚ｔは一般柱部４の肉厚toより厚いものとなっている。
【００１５】
詳しくは、仕口部３には、梁材２と略同じ上下高さ（梁せい）を有するブラケット部材５が溶接により直接取り付けられる。取り付けられるブラケット部材５の数、鋼管柱１の周方向位置は、接続される梁材２すなわち作りたい構造物に応じて異なる。図１に示すように、ブラケット部材５には、梁材２が複数のボルトにより接続される。
鋼管柱１の仕口部３の肉厚ｔは、一般柱部４の肉厚をtoとした場合に、ｔ＝１．２to〜３．０toとされいる。また、一般柱部４の肉厚toは、従来から用いられているダイアフラム形式の柱梁仕口部３を有する鋼管柱１の肉厚to’に比して同厚もしくは薄肉（to≦to’）となっている。
【００１６】
また、この仕口部３に１又は複数の断面Ｈ形の梁材２を接合して柱梁構造を形成する場合を鑑み、式（１）〜式（３）を満たすように仕口部３の長さＬが設定されている。
Ｌ＝ｈ＋２Ｌｚ (1)
Ｌｚ＝０．２Ｄ〜１．０Ｄ (2)
Ｌｚ／ｔ≧２ (3)
Ｌｚ：柱梁仕口部３の上部端〜梁材２の上部端の距離
ｈ：梁材２の上下方向厚み（梁せい）
Ｄ：鋼管柱１の外径
ｔ：柱梁仕口部３の肉厚
なお、鋼管柱１の仕口部３の長さＬは、図１に示す如く、「柱梁仕口部３の上部端〜梁材２の上部端の距離」＝「柱梁仕口部３の下部端〜梁材２の下部端の距離」＝Ｌｚであること、つまり式（１）を満たすことを前提としている。
【００１７】
図２に示すように、この鋼管柱１は、圧延工程で圧延された厚板を環状に丸めて製造した鋼管をその長手方向に連ね、溶接することで製造される。
詳しくは、肉厚ｔで長さＬ（仕口部長さ）の厚肉鋼管１０と、肉厚toで所定長さの薄肉鋼管１１とを用意し、厚肉鋼管１０の上部端と下部端とにそれぞれ薄肉鋼管１１を突き当て、突き当て部を溶接することで製造される。突き当て部の溶接は完全溶け込み溶接とし、薄肉鋼管１１の突き当て部には開先を形成すると共に、 薄肉鋼管１１の突き当て部の内側（裏側）には当て金部材１２を当て、アーク溶接などで溶融接合する。
【００１８】
次に、本発明に係る鋼管柱１の寸法（仕口部３の寸法Ｌや肉厚ｔ、一般柱部４の肉厚to）の根拠について述べる。
本願発明者らは、ＦＥＭ解析を行うと共に、様々な実験を重ね鋭意研究を行うことで、寸法関係を明らかとした。特に、仕口部３の長さＬに関しては、この長さＬを最適化することが重要なポイントであり、長ければ仕口部３の補強強度がアップし安全側となるが、重量面、経済性の面からは適正ではない。
そこで、仕口部３の適正な長さＬを調査するため、従来の通しダイアフラム形式と本発明の柱梁仕口部３についてのＦＥＭ解析を実施した。図３（ａ），表１には、本発明の鋼管柱１及び柱梁仕口部３の耐力を評価するために実施したＦＥＭ解析のモデルを示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
ＦＥＭ解析のモデルは、円形鋼管柱１とＨ形梁材２を十字に組み合わせた解析モデルであり、鋼管柱１の上下端を固定端とし、右側に連結された梁材２の先端部も固定端としている。その状態で、左側に接続された梁材２の先端部に下向きの力を加え、変形させる状況をシミュレーションし、梁材２の先端部の変形量δを算出した（図３（ｂ）参照）。この変形量δを比較することで、柱梁仕口部３の補強の妥当性を確認することとした。ここで本発明の柱梁仕口部３についてＬｚ＝０．５Ｄとしている。
ＦＥＭ解析の結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
表２から明らかなように、Ｌｚ＝０．５Ｄであれば、本発明の仕口部３の方が、梁材２の先端部での変形量δが小さくなることから、通しダイアフラム形式以上に補強できていることが確認できる。
このようなＦＥＭ解析を多数実施した結果、円形鋼管柱１とＨ形梁材２との溶接接合部から、円形鋼管柱１の中心に向かって４５°の範囲において、高い応力が分布することを本願発明者らは確認している（図３（ｃ）参照）。ゆえに、Ｌｚ＝１．０Ｄを上限としている。
【００２３】
また、Ｌｚ＝０．２Ｄ以下の部分では、仕口部３周辺に引っ張り応力が集中的に存在（図３（ｃ）においてハッチで示した部分、σ≧３．０×１０5ＭＰａ）しているため、Ｌｚの下限値としては０．２Ｄ以上とする必要がある。
加えて、仕口部３の肉厚ｔと仕口部３の長さＬｚのバランスにおいて、仕口部３の厚みを増大しすぎると鋼管柱１自体が大きく加工硬化し変形能力が低下するため、肉厚の過度な増大は抑える必要がある。よってＬｚおよび肉厚ｔは、式（３）を満足するようにする。なお、式（３）の左辺が２より小さい場合は、Ｌｚひいては仕口部３の増厚範囲Ｌが短いため、接続される梁材２を強固に保持することができないことを本願発明者らは確認している。
【００２４】
さらに、仕口部３の肉厚ｔは、ｔ＝１．２to〜３．０toとする。本願発明者らは、前述のようなＦＥＭ解析の結果より、仕口部３の肉厚ｔが一般柱部４の肉厚toの１．２倍よりも小さいと、柱梁仕口部３を十分に補強することが出来ないことを確認している。これは、厚肉鋼管１０の肉厚ｔを薄肉鋼管１１の板厚toの２サイズアップとした場合に対応する。
一方で、通常使用される円鋼管の最大板厚は１００ｍｍ程度であり、この板厚の鋼管と組み合わせ可能な（例えば、溶接で接合可能な）薄肉鋼管の板厚は３６ｍｍ程度である。このことを鑑みた上で、仕口部３の肉厚ｔは一般柱部４の肉厚toの３．０倍としている。
【００２５】
なお、３倍よりも大きいと柱梁接合部耐力上は問題ないが、安全率を過剰に見込むこととなり、結果、鋼管柱１全体の重量が大きくなり、製造コストや輸送負荷が大きくなることを知見している。かかる状況のため、仕口部３の肉厚ｔを一般柱部４の肉厚toの１．２倍〜３．０倍の範囲とする。
加えて、一般柱部４の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部３を有する鋼管柱１の肉厚to’に比して薄肉することが可能である。なぜならば、例えば地震時の強度を考えるに、鋼管柱１に発生する曲げモーメントは、柱梁接合部交点で最大となる。本願発明の鋼管柱１では、柱梁接合部交点は厚肉の仕口部３であり、薄肉の一般柱部４は、柱梁接合部交点より離れた部分に位置しているため、作用する曲げモーメントは、従来からの鋼柱管のものに比べて低減されたものとなる。よって、一般柱部４の肉厚toが、従来のダイヤフラム形式のものto'より薄くなる。
【００２６】
なお、安全側に考え、鋼管柱１の肉厚to’を一般柱部４の肉厚toと同厚にしても何ら問題はない。
以上まとめるならば、鋼管柱１の仕口部３や一般柱部４の各寸法を決定するにあたっては、仕口部３の許容耐力Ｐａを算出し、その値が所定値以内となるようにするとよい。許容耐力Ｐａの算出では、Ｈ形梁材２の形状・降伏応力度に応じて、仕口部３の増厚範囲Ｌ、肉厚ｔを加味した式（４）を用いることが好ましい。
Ｐａ＝ｆ（Ｄ，ｔ，Ｌ，σ，Ｂf，ｔf，σf） (4)
Ｐａ：仕口部３の許容耐力
Ｄ：仕口部３の外径
ｔ：仕口部３の管厚
Ｌ：仕口部３の増厚範囲(Ｌｚ+梁せい+Ｌｚ)
σ：仕口部３の降伏応力
Ｂf：Ｈ形梁材２のフランジの幅
ｔf：Ｈ形梁材２のフランジの板厚
σf：Ｈ形梁材２のフランジの降伏応力
以上述べた、本発明にかかる鋼管柱１（円形鋼管柱１）の実施例について、表３を基に述べる。
【００２７】
実施例１においては、階高４０００ｍｍオフィスビルを想定し、柱梁仕口部３を中心に柱長さ２０００ｍｍ（全長４０００ｍｍ）、鋼管柱１の外径Ｄを５００ｍｍとしている。接続するＨ形梁材２は、Ｈ６００×２００×１１×１７（高さ６００ｍｍ、幅２００ｍｍ、垂直部の厚み１１ｍｍ、フランジの厚み１７ｍｍ）である。
従来技術は、ダイアフラム形式（厚さ２２ｍｍの通しダイアフラム）で梁材２を鋼管柱に連結するものである。構造計算を行った結果、ダイアフラム形式で安全な梁構造とするためには、鋼管柱の肉厚は２５ｍｍとする必要があり、その結果、鋼管柱全体の重量は１２８３ｋｇとなった。
【００２８】
一方、本発明にかかる鋼管柱１では、仕口部３の肉厚を従来鋼管柱の厚みの１．２８倍である３２ｍｍした場合、一般柱部４の肉厚を２５ｍｍから２２ｍｍへと薄肉化することができる。その結果、鋼管重量を１１５８ｋｇと従来技術の９０％に軽減することができた。なお、Ｌｚ／ｔ＝９．３８であり、２以上となっている。Ｌｚ＝０．６Ｄであって、０．２Ｄ〜１．０Ｄの範囲内となっている。
【００２９】
【表３】
【００３０】
実施例２においては、鋼管柱１の外径Ｄを１１００ｍｍとしている。接続する梁材２は、Ｈ１１００×４００×１６×３６である。
従来技術はダイアフラム形式（厚さ５５ｍｍのリングダイアフラム）で梁材２を鋼管柱に連結するものである。構造計算を行った結果、ダイアフラム形式で安全な梁構造とするためには、鋼管柱の肉厚は４０ｍｍとする必要があり、その結果、鋼管柱全体の重量は５１９０ｋｇとなった。
一方、本発明にかかる鋼管柱１では、仕口部３の肉厚を従来鋼管柱の厚みの１．２５倍である５０ｍｍした場合、一般柱部４の肉厚を４０ｍｍから３６ｍｍへと薄肉化することができる。その結果、鋼管重量を４８９７ｋｇと従来技術の９４％に軽減することができた。なお、Ｌｚ／ｔ＝１３．２であり、２以上となっている。Ｌｚ＝０．６Ｄであって、０．２Ｄ〜１．０Ｄの範囲内となっている。
【００３１】
実施例３においては、鋼管柱１の外径Ｄを２２００ｍｍとしている。接続する梁材２は、Ｈ１１００×４５０×２５×４５である。
従来技術はダイアフラム形式（厚さ５０ｍｍの内ダイアフラム）で梁材２を鋼管柱に連結するものである。構造計算を行った結果、ダイアフラム形式で安全な梁構造とするためには、鋼管柱の肉厚は６０ｍｍとする必要があり、その結果、鋼管柱全体の重量は１７４７１ｋｇとなった。
一方、本発明にかかる鋼管柱１では、仕口部３の肉厚を従来鋼管柱の厚みの１．３３倍である８０ｍｍした場合、一般柱部４の肉厚を６０ｍｍのままとすることができる。その結果、鋼管重量を１６８１５ｋｇと従来技術の９６％に軽減することができた。なお、Ｌｚ／ｔ＝５．５であり、２以上となっている。Ｌｚ＝０．２Ｄであって、０．２Ｄ〜１．０Ｄの範囲内となっている。
【００３２】
このように、本発明によれば、ノンダイアフラム形式であっても適正な板厚を採用することで、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保できる。特に、従来の鋼管柱の肉厚に比して、柱梁仕口部の板厚を一般柱部よりも厚くし、その長さを適正化することにより、一般部鋼管厚を、従来の公的な設計基準、設計指針等に基づき建築物の重量、風荷重、地震荷重等から決定された鋼管柱の肉厚に比して、薄肉化できる。これにより、合理的且つ経済的に鋼管柱を設計でき、鋼管柱全体の重量の軽減が可能となり、鋼管製造および輸送時の負荷を軽減できるものとなっている。
【００３３】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、本実施形態では、仕口部３にブラケット部材５が溶接により取り付けられ、このブラケット部材５に梁材２がボルト接合されてなる柱梁仕口部を例示して説明を行った。しかしながら、仕口部３に直接、梁材２が溶接接合された柱梁仕口部であっても、本発明の鋼管柱１は略同様の作用効果を奏するものとなっている。
【符号の説明】
【００３４】
１ 鋼管柱
２ 梁材
３ 仕口部（柱梁仕口部）
４ 一般柱部（非柱梁仕口部）
５ ブラケット部材
１０ 厚肉鋼管
１１ 薄肉鋼管
１２ 当て金部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼構造物などに使用されるノンダイアフラム形式の鋼管柱に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ビルや立体駐車場などの鉄骨構造物（鋼構造物）を建造する場合には、鋼管柱（円形鋼管柱や角形鋼管柱）を立てて、この鋼管柱に梁材を取り付ける構造が採用されている。鋼管柱に梁材を接続するにあたっては、その柱梁仕口部の構造としてダイアフラム形式（通しダイアフラム、内ダイアフラム、リングダイアフラム）が採用されることが多い。
一例として、外ダイアフラム形式の柱梁仕口部は、図４に示すように、鋼管柱の外壁面にリングダイアフラムを嵌め込んだ上で鋼管とリングダイアフラムを溶接し、リングダイアフラムにブラケットを溶接した上で、梁材を接続するものとなっている。
【０００３】
一方で、柱梁仕口部として、ダイヤフラム形式を用いないもの（ノンダイアフラム形式）を採用することもある。以下に、ノンダイアフラム形式の柱梁仕口部の構造やこの構造を採用可能な鋼管柱に関する先行技術文献を示す。
特許文献１は、梁と梁を支持する柱とを備えて構成され、柱が管体の内部にコンクリートを充填したコンクリート充填柱であるとともに、梁荷重に基づき柱に作用する軸方向力をコンクリートに伝達する内側突出部を、管体の内面に備えた柱梁接合部の構造であって、軸方向力の作用方向にあって、内側突出部の配設位置よりも下側の管体部位に、標準肉厚の標準管体部に対して管体外径側に増厚された外側厚肉部を備えた柱梁接合部の構造を開示する。
【０００４】
特許文献２は、上下の鋼管柱の間に介装された接合筒体と、鋼管柱の外面と一致された接合筒体の外面と、鋼管柱の内面より内方に位置する接合筒体の内面と、鋼管柱乃至接合筒体に充填されたコンクリートとからなる鋼管コンクリート柱と梁の接続構造を開示する。
特許文献３は、構造体の取付部分に厚肉部を設けてなる円形鋼管柱において、全長に亘って内径が一定で前記厚肉部が外方に膨出して設けられている厚肉部を有する円形鋼管柱を開示する。
【０００５】
特許文献４は、厚肉継目無鋼管を熱間圧延成形してなる仕口部角鋼管柱と、この仕口部角鋼管柱に取付けた梁とからなることを特徴とする角形鋼管柱の柱梁仕口部を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１３５０３号公報
【特許文献２】特開平４−１０６２４０号公報
【特許文献３】特開２００５−２６４５３５号公報
【特許文献４】特開平８−３０２８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような鋼管柱や鋼管柱の柱梁仕口部における強度設計は、従来工法であるダイアフラム形式を採用するのであれば、日本建築学会の鋼管構造設計施工指針に基づいて設計を行うことができる。
この設計指針に準拠する場合、ノンダイアフラム形式の柱梁仕口部に関する耐力評価としては、外ダイアフラムのサイズを０として耐力評価式を流用することが行われている。このやり方で、構造上の安全性を確保するようにした場合、耐力アップのために鋼管柱の肉厚を増厚させる必要がある。ところが、前述の設計指針は、増厚させる範囲を明確には規定していないため、現状、安全性を確保すべく鋼管柱全長に亘って肉厚の増厚を実施しているものが多い。かかる増厚は、鋼管柱の重量アップやコストアップにつながる。
【０００８】
このような鋼管柱の増厚などに着目して、先行技術文献を考察してみると、特許文献１が開示する柱梁接合部の構造は、その増厚部分のサイズに関し明確に寸法を開示していないため、特許技術文献１に則り鋼管柱を製作しようとしても、安全性を確保しつつ経済的な鋼管柱とすることはできないのが現状である。加えて、増厚部は、外側に突出するものであるため、意匠性等に問題がある。
同様に、特許文献２〜特許文献４に開示された柱梁接合部の構造に関しても、増厚部分のサイズに関し明確に寸法を開示していないため、実際に鋼管柱を製作することが困難である。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保しつつ、軽量且つ低コストな鋼管柱を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明のノンダイアフラム形式の鋼管柱は、柱梁仕口部と非柱梁仕口部との外径寸法が同一であり、非柱梁仕口部の肉厚をtoとした場合に柱梁仕口部の肉厚tが1.2to〜3.0toとされていて、前記柱梁仕口部に梁材が直接接合されることを特徴とする。
好ましくは、前記柱梁仕口部及び非柱梁仕口部が円筒状であるとよい。
さらに好ましくは、前記非柱梁仕口部の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部を有する鋼管柱の肉厚to’に比して薄肉（to≦to’）となっているとよい。
【００１１】
特に、前記柱梁仕口部に１又は複数の断面Ｈ形の梁材を接合して柱梁構造を形成するにあっては、式（１）〜式（３）を満たすように柱梁仕口部の長さＬが設定されているとよい。
Ｌ＝ｈ＋２Ｌｚ (1)
Ｌｚ＝０．２Ｄ〜１．０Ｄ (2)
Ｌｚ／ｔ≧２ (3)
Ｌｚ：柱梁仕口部の上部端〜梁材の上部端の距離
（＝柱梁仕口部の下部端〜梁材の下部端の距離）
ｈ：梁材の上下方向厚み（梁せい）
Ｄ：鋼管柱の外径
ｔ：柱梁仕口部の肉厚
このような鋼管柱であれば、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保できると共に、柱梁仕口部の増厚を鋼管全体に及ばせる必要がなくなり、軽量で且つ低コストな鋼管柱とすることが可能となる。また、本手段による鋼管柱であれば、柱梁仕口部以外の部分（非柱梁仕口部）における板厚を、従来のものより薄くすることが可能であり、軽量鋼管柱を実現できる。さらに、柱梁仕口部の外形が非柱梁仕口部の外形と同一であるため、意匠性と居住性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保しつつ、軽量且つ低コストなノンダイアフラム形式の鋼管柱を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の鋼管柱を用いて構築した柱梁構造を示した図である。
【図２】本発明の鋼管柱の製造方法を示した図である。
【図３】本発明の鋼管柱及び柱梁仕口部の耐力を評価するために実施したＦＥＭ解析を示しており、（ａ）は解析モデルを示したもの、（ｂ）は解析結果（変形状態）の一例を示したもの、（ｃ）は解析結果（応力分布状態）の一例を示したものである。
【図４】従来例であるダイアフラム形式の柱梁仕口部を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図を基に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
図１を参照して、本発明に係るノンダイアフラム形式の鋼管柱１及びこの鋼管柱１に梁材２が直接接続されてなる柱梁仕口部３の構成について説明する。
本発明の鋼管柱１は、鉄骨構造物などの柱となる鋼管であって断面円筒状である。鋼管柱１は、梁材２が直接溶接される柱梁仕口部３（単に仕口部と呼ぶこともある）と、梁材２が接続されない非柱梁仕口部４（一般柱部と呼ぶことがある）からなる。仕口部３の外径と一般柱部４の外径とは同径Ｄとされており、仕口部３の肉厚ｔは一般柱部４の肉厚toより厚いものとなっている。
【００１５】
詳しくは、仕口部３には、梁材２と略同じ上下高さ（梁せい）を有するブラケット部材５が溶接により直接取り付けられる。取り付けられるブラケット部材５の数、鋼管柱１の周方向位置は、接続される梁材２すなわち作りたい構造物に応じて異なる。図１に示すように、ブラケット部材５には、梁材２が複数のボルトにより接続される。
鋼管柱１の仕口部３の肉厚ｔは、一般柱部４の肉厚をtoとした場合に、ｔ＝１．２to〜３．０toとされいる。また、一般柱部４の肉厚toは、従来から用いられているダイアフラム形式の柱梁仕口部３を有する鋼管柱１の肉厚to’に比して同厚もしくは薄肉（to≦to’）となっている。
【００１６】
また、この仕口部３に１又は複数の断面Ｈ形の梁材２を接合して柱梁構造を形成する場合を鑑み、式（１）〜式（３）を満たすように仕口部３の長さＬが設定されている。
Ｌ＝ｈ＋２Ｌｚ (1)
Ｌｚ＝０．２Ｄ〜１．０Ｄ (2)
Ｌｚ／ｔ≧２ (3)
Ｌｚ：柱梁仕口部３の上部端〜梁材２の上部端の距離
ｈ：梁材２の上下方向厚み（梁せい）
Ｄ：鋼管柱１の外径
ｔ：柱梁仕口部３の肉厚
なお、鋼管柱１の仕口部３の長さＬは、図１に示す如く、「柱梁仕口部３の上部端〜梁材２の上部端の距離」＝「柱梁仕口部３の下部端〜梁材２の下部端の距離」＝Ｌｚであること、つまり式（１）を満たすことを前提としている。
【００１７】
図２に示すように、この鋼管柱１は、圧延工程で圧延された厚板を環状に丸めて製造した鋼管をその長手方向に連ね、溶接することで製造される。
詳しくは、肉厚ｔで長さＬ（仕口部長さ）の厚肉鋼管１０と、肉厚toで所定長さの薄肉鋼管１１とを用意し、厚肉鋼管１０の上部端と下部端とにそれぞれ薄肉鋼管１１を突き当て、突き当て部を溶接することで製造される。突き当て部の溶接は完全溶け込み溶接とし、薄肉鋼管１１の突き当て部には開先を形成すると共に、 薄肉鋼管１１の突き当て部の内側（裏側）には当て金部材１２を当て、アーク溶接などで溶融接合する。
【００１８】
次に、本発明に係る鋼管柱１の寸法（仕口部３の寸法Ｌや肉厚ｔ、一般柱部４の肉厚to）の根拠について述べる。
本願発明者らは、ＦＥＭ解析を行うと共に、様々な実験を重ね鋭意研究を行うことで、寸法関係を明らかとした。特に、仕口部３の長さＬに関しては、この長さＬを最適化することが重要なポイントであり、長ければ仕口部３の補強強度がアップし安全側となるが、重量面、経済性の面からは適正ではない。
そこで、仕口部３の適正な長さＬを調査するため、従来の通しダイアフラム形式と本発明の柱梁仕口部３についてのＦＥＭ解析を実施した。図３（ａ），表１には、本発明の鋼管柱１及び柱梁仕口部３の耐力を評価するために実施したＦＥＭ解析のモデルを示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
ＦＥＭ解析のモデルは、円形鋼管柱１とＨ形梁材２を十字に組み合わせた解析モデルであり、鋼管柱１の上下端を固定端とし、右側に連結された梁材２の先端部も固定端としている。その状態で、左側に接続された梁材２の先端部に下向きの力を加え、変形させる状況をシミュレーションし、梁材２の先端部の変形量δを算出した（図３（ｂ）参照）。この変形量δを比較することで、柱梁仕口部３の補強の妥当性を確認することとした。ここで本発明の柱梁仕口部３についてＬｚ＝０．５Ｄとしている。
ＦＥＭ解析の結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
表２から明らかなように、Ｌｚ＝０．５Ｄであれば、本発明の仕口部３の方が、梁材２の先端部での変形量δが小さくなることから、通しダイアフラム形式以上に補強できていることが確認できる。
このようなＦＥＭ解析を多数実施した結果、円形鋼管柱１とＨ形梁材２との溶接接合部から、円形鋼管柱１の中心に向かって４５°の範囲において、高い応力が分布することを本願発明者らは確認している（図３（ｃ）参照）。ゆえに、Ｌｚ＝１．０Ｄを上限としている。
【００２３】
また、Ｌｚ＝０．２Ｄ以下の部分では、仕口部３周辺に引っ張り応力が集中的に存在（図３（ｃ）においてハッチで示した部分、σ≧３．０×１０5ＭＰａ）しているため、Ｌｚの下限値としては０．２Ｄ以上とする必要がある。
加えて、仕口部３の肉厚ｔと仕口部３の長さＬｚのバランスにおいて、仕口部３の厚みを増大しすぎると鋼管柱１自体が大きく加工硬化し変形能力が低下するため、肉厚の過度な増大は抑える必要がある。よってＬｚおよび肉厚ｔは、式（３）を満足するようにする。なお、式（３）の左辺が２より小さい場合は、Ｌｚひいては仕口部３の増厚範囲Ｌが短いため、接続される梁材２を強固に保持することができないことを本願発明者らは確認している。
【００２４】
さらに、仕口部３の肉厚ｔは、ｔ＝１．２to〜３．０toとする。本願発明者らは、前述のようなＦＥＭ解析の結果より、仕口部３の肉厚ｔが一般柱部４の肉厚toの１．２倍よりも小さいと、柱梁仕口部３を十分に補強することが出来ないことを確認している。これは、厚肉鋼管１０の肉厚ｔを薄肉鋼管１１の板厚toの２サイズアップとした場合に対応する。
一方で、通常使用される円鋼管の最大板厚は１００ｍｍ程度であり、この板厚の鋼管と組み合わせ可能な（例えば、溶接で接合可能な）薄肉鋼管の板厚は３６ｍｍ程度である。このことを鑑みた上で、仕口部３の肉厚ｔは一般柱部４の肉厚toの３．０倍としている。
【００２５】
なお、３倍よりも大きいと柱梁接合部耐力上は問題ないが、安全率を過剰に見込むこととなり、結果、鋼管柱１全体の重量が大きくなり、製造コストや輸送負荷が大きくなることを知見している。かかる状況のため、仕口部３の肉厚ｔを一般柱部４の肉厚toの１．２倍〜３．０倍の範囲とする。
加えて、一般柱部４の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部３を有する鋼管柱１の肉厚to’に比して薄肉することが可能である。なぜならば、例えば地震時の強度を考えるに、鋼管柱１に発生する曲げモーメントは、柱梁接合部交点で最大となる。本願発明の鋼管柱１では、柱梁接合部交点は厚肉の仕口部３であり、薄肉の一般柱部４は、柱梁接合部交点より離れた部分に位置しているため、作用する曲げモーメントは、従来からの鋼柱管のものに比べて低減されたものとなる。よって、一般柱部４の肉厚toが、従来のダイヤフラム形式のものto'より薄くなる。
【００２６】
なお、安全側に考え、鋼管柱１の肉厚to’を一般柱部４の肉厚toと同厚にしても何ら問題はない。
以上まとめるならば、鋼管柱１の仕口部３や一般柱部４の各寸法を決定するにあたっては、仕口部３の許容耐力Ｐａを算出し、その値が所定値以内となるようにするとよい。許容耐力Ｐａの算出では、Ｈ形梁材２の形状・降伏応力度に応じて、仕口部３の増厚範囲Ｌ、肉厚ｔを加味した式（４）を用いることが好ましい。
Ｐａ＝ｆ（Ｄ，ｔ，Ｌ，σ，Ｂf，ｔf，σf） (4)
Ｐａ：仕口部３の許容耐力
Ｄ：仕口部３の外径
ｔ：仕口部３の管厚
Ｌ：仕口部３の増厚範囲(Ｌｚ+梁せい+Ｌｚ)
σ：仕口部３の降伏応力
Ｂf：Ｈ形梁材２のフランジの幅
ｔf：Ｈ形梁材２のフランジの板厚
σf：Ｈ形梁材２のフランジの降伏応力
以上述べた、本発明にかかる鋼管柱１（円形鋼管柱１）の実施例について、表３を基に述べる。
【００２７】
実施例１においては、階高４０００ｍｍオフィスビルを想定し、柱梁仕口部３を中心に柱長さ２０００ｍｍ（全長４０００ｍｍ）、鋼管柱１の外径Ｄを５００ｍｍとしている。接続するＨ形梁材２は、Ｈ６００×２００×１１×１７（高さ６００ｍｍ、幅２００ｍｍ、垂直部の厚み１１ｍｍ、フランジの厚み１７ｍｍ）である。
従来技術は、ダイアフラム形式（厚さ２２ｍｍの通しダイアフラム）で梁材２を鋼管柱に連結するものである。構造計算を行った結果、ダイアフラム形式で安全な梁構造とするためには、鋼管柱の肉厚は２５ｍｍとする必要があり、その結果、鋼管柱全体の重量は１２８３ｋｇとなった。
【００２８】
一方、本発明にかかる鋼管柱１では、仕口部３の肉厚を従来鋼管柱の厚みの１．２８倍である３２ｍｍした場合、一般柱部４の肉厚を２５ｍｍから２２ｍｍへと薄肉化することができる。その結果、鋼管重量を１１５８ｋｇと従来技術の９０％に軽減することができた。なお、Ｌｚ／ｔ＝９．３８であり、２以上となっている。Ｌｚ＝０．６Ｄであって、０．２Ｄ〜１．０Ｄの範囲内となっている。
【００２９】
【表３】
【００３０】
実施例２においては、鋼管柱１の外径Ｄを１１００ｍｍとしている。接続する梁材２は、Ｈ１１００×４００×１６×３６である。
従来技術はダイアフラム形式（厚さ５５ｍｍのリングダイアフラム）で梁材２を鋼管柱に連結するものである。構造計算を行った結果、ダイアフラム形式で安全な梁構造とするためには、鋼管柱の肉厚は４０ｍｍとする必要があり、その結果、鋼管柱全体の重量は５１９０ｋｇとなった。
一方、本発明にかかる鋼管柱１では、仕口部３の肉厚を従来鋼管柱の厚みの１．２５倍である５０ｍｍした場合、一般柱部４の肉厚を４０ｍｍから３６ｍｍへと薄肉化することができる。その結果、鋼管重量を４８９７ｋｇと従来技術の９４％に軽減することができた。なお、Ｌｚ／ｔ＝１３．２であり、２以上となっている。Ｌｚ＝０．６Ｄであって、０．２Ｄ〜１．０Ｄの範囲内となっている。
【００３１】
実施例３においては、鋼管柱１の外径Ｄを２２００ｍｍとしている。接続する梁材２は、Ｈ１１００×４５０×２５×４５である。
従来技術はダイアフラム形式（厚さ５０ｍｍの内ダイアフラム）で梁材２を鋼管柱に連結するものである。構造計算を行った結果、ダイアフラム形式で安全な梁構造とするためには、鋼管柱の肉厚は６０ｍｍとする必要があり、その結果、鋼管柱全体の重量は１７４７１ｋｇとなった。
一方、本発明にかかる鋼管柱１では、仕口部３の肉厚を従来鋼管柱の厚みの１．３３倍である８０ｍｍした場合、一般柱部４の肉厚を６０ｍｍのままとすることができる。その結果、鋼管重量を１６８１５ｋｇと従来技術の９６％に軽減することができた。なお、Ｌｚ／ｔ＝５．５であり、２以上となっている。Ｌｚ＝０．２Ｄであって、０．２Ｄ〜１．０Ｄの範囲内となっている。
【００３２】
このように、本発明によれば、ノンダイアフラム形式であっても適正な板厚を採用することで、柱梁仕口部において十分な安全強度を確保できる。特に、従来の鋼管柱の肉厚に比して、柱梁仕口部の板厚を一般柱部よりも厚くし、その長さを適正化することにより、一般部鋼管厚を、従来の公的な設計基準、設計指針等に基づき建築物の重量、風荷重、地震荷重等から決定された鋼管柱の肉厚に比して、薄肉化できる。これにより、合理的且つ経済的に鋼管柱を設計でき、鋼管柱全体の重量の軽減が可能となり、鋼管製造および輸送時の負荷を軽減できるものとなっている。
【００３３】
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、本実施形態では、仕口部３にブラケット部材５が溶接により取り付けられ、このブラケット部材５に梁材２がボルト接合されてなる柱梁仕口部を例示して説明を行った。しかしながら、仕口部３に直接、梁材２が溶接接合された柱梁仕口部であっても、本発明の鋼管柱１は略同様の作用効果を奏するものとなっている。
【符号の説明】
【００３４】
１ 鋼管柱
２ 梁材
３ 仕口部（柱梁仕口部）
４ 一般柱部（非柱梁仕口部）
５ ブラケット部材
１０ 厚肉鋼管
１１ 薄肉鋼管
１２ 当て金部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱梁仕口部と非柱梁仕口部との外径寸法が同一であり、非柱梁仕口部の肉厚をtoとした場合に柱梁仕口部の肉厚tが1.2to〜3.0toとされていて、前記柱梁仕口部に梁材が直接接合されることを特徴とするノンダイアフラム形式の鋼管柱。
【請求項２】
前記柱梁仕口部及び非柱梁仕口部が円筒状であることを特徴とする請求項１に記載のノンダイアフラム形式の鋼管柱。
【請求項３】
前記非柱梁仕口部の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部を有する鋼管柱の肉厚to’に比して薄肉（to≦to’）となっていることを特徴とする請求項２に記載のノンダイアフラム形式の鋼管柱。
【請求項４】
前記柱梁仕口部に１又は複数の断面Ｈ形の梁材を接合して柱梁構造を形成するにあっては、式（１）〜式（３）を満たすように柱梁仕口部の長さＬが設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のノンダイアフラム形式の鋼管柱。
Ｌ＝ｈ＋２Ｌｚ (1)
Ｌｚ＝０．２Ｄ〜１．０Ｄ (2)
Ｌｚ／ｔ≧２ (3)
Ｌｚ：柱梁仕口部の上部端〜梁材の上部端の距離
（＝柱梁仕口部の下部端〜梁材の下部端の距離）
ｈ：梁材の上下方向厚み（梁せい）
Ｄ：鋼管柱の外径
ｔ：柱梁仕口部の肉厚
【請求項１】
柱梁仕口部と非柱梁仕口部との外径寸法が同一であり、非柱梁仕口部の肉厚をtoとした場合に柱梁仕口部の肉厚tが1.2to〜3.0toとされていて、前記柱梁仕口部に梁材が直接接合されることを特徴とするノンダイアフラム形式の鋼管柱。
【請求項２】
前記柱梁仕口部及び非柱梁仕口部が円筒状であることを特徴とする請求項１に記載のノンダイアフラム形式の鋼管柱。
【請求項３】
前記非柱梁仕口部の肉厚toが、ダイアフラム形式の柱梁仕口部を有する鋼管柱の肉厚to’に比して薄肉（to≦to’）となっていることを特徴とする請求項２に記載のノンダイアフラム形式の鋼管柱。
【請求項４】
前記柱梁仕口部に１又は複数の断面Ｈ形の梁材を接合して柱梁構造を形成するにあっては、式（１）〜式（３）を満たすように柱梁仕口部の長さＬが設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のノンダイアフラム形式の鋼管柱。
Ｌ＝ｈ＋２Ｌｚ (1)
Ｌｚ＝０．２Ｄ〜１．０Ｄ (2)
Ｌｚ／ｔ≧２ (3)
Ｌｚ：柱梁仕口部の上部端〜梁材の上部端の距離
（＝柱梁仕口部の下部端〜梁材の下部端の距離）
ｈ：梁材の上下方向厚み（梁せい）
Ｄ：鋼管柱の外径
ｔ：柱梁仕口部の肉厚
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２２９６６０（Ｐ２０１０−２２９６６０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７６４５４（Ｐ２００９−７６４５４）
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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