柱梁接合部コア、及びこれを用いた柱梁接合部構造
【課題】溝形鋼の二丁合わせ溶接に際して、要求剛性を満たしつつ、突き合わせ溶接のための溶接量を少なくすることと鋼材使用量を少なくすることとをバランスよく実現できる、経済性に優れた柱梁接合部コアを得る。
【解決手段】厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジ２は均一な板厚tpfを持つ平行フランジ、他方の対向する１対のフランジ３は最薄部の板厚ttf(min)なるテーパーフランジであり、当該厚肉角形鋼管の断面形状が、テーパーフランジのテーパー角度をθtf（rad）としたときに、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ の式を概ね満たす断面形状であり、かつ、前記ttf(min)が上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いノンダイアフラム形式柱梁接合部コア。
【解決手段】厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジ２は均一な板厚tpfを持つ平行フランジ、他方の対向する１対のフランジ３は最薄部の板厚ttf(min)なるテーパーフランジであり、当該厚肉角形鋼管の断面形状が、テーパーフランジのテーパー角度をθtf（rad）としたときに、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ の式を概ね満たす断面形状であり、かつ、前記ttf(min)が上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いノンダイアフラム形式柱梁接合部コア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合部として用いられる厚肉角形鋼管であるノンダイアフラム形式の柱梁接合部コア、及びこの柱梁接合部コアを用いた柱梁接合部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
柱に角形鋼管を用い梁にＨ形鋼を用いる建築構造物における柱梁接合部構造として、上下階の角形鋼管柱を別部材の柱梁接合部コアを介して溶接接合し、この柱梁接合部コアにＨ形鋼梁を溶接接合する構造がある。
この種の柱梁接合部コアは、梁に作用する曲げモーメント等の応力を柱に十分に伝達できる剛接合とするために、短尺の角形鋼管に補強としてダイアフラムを溶接固定した構造のものが一般に用いられるが、ダイアフラムを持たない短尺の角形鋼管からなるいわゆるノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアを用いる場合もある。
ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアとして角形鋼管を使用する場合、板厚が厚肉である厚肉角形鋼管としなければ、柱梁接合部に要求される剛性（要求剛性）を確保できない。
【０００３】
ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアに用いる厚肉角形鋼管として、溝形鋼の２丁合わせ溶接により製造することが知られている。
すなわち、図９（イ）に示すように、板厚の厚い溝形鋼２１を対向させフランジ部２１ａどうしを突き合わせ溶接して厚肉角形鋼管２２とする。この厚肉角形鋼管２２の四辺は均等であり、かつ、いずれも均一な板厚である。この厚肉角形鋼管２２を短尺に切断すれば、柱梁接合部コアとして使用できる。
また、特許文献１は、柱梁接合部コアではなくそれ自体を柱とするものであるが、図９（ロ）に示すように、特に角部の肉厚を大にした特殊断面の２つの溝形鋼３１の二丁合わせ溶接をして、肉厚の大なる膨出隅部３２ａを持つ厚肉角形鋼管３２としている。梁からの応力が集中し易い角部の肉厚を大とすることで、梁からの応力を柱に伝達可能な剛性を持つものとなる。
【０００４】
また、図９（ハ）に示すように、多角特殊形状の溝形鋼４１を二丁合わせ溶接して、４つの角部が特に肉厚で４辺がいずれも中央部が薄くなるテーパー形状である八角形内面の断面形状とした厚肉角形鋼管４２もある（特許文献２）。
この厚肉角形鋼管４２も同じく、柱梁接合部コアではなくそれ自体を柱とするものであるが、角部の肉厚を大にすることで、要求剛性を満たすようにしている。
なお、この厚肉角形鋼管４２の各辺のように、内面側に辺の両端から中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つ辺をテーパーフランジと呼ぶ。また、図９（イ）の各辺のように内外面が互いに平行で均一な板厚を持つ辺を平行フランジと呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭５４−１１６９１０
【特許文献２】特開平４−２３１５４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図９（イ）の厚肉角形鋼管２２は、板厚を大にすることで柱梁接合部としての要求剛性を満たすことはできる。しかし、単に各辺の板厚を厚くして要求剛性を満たす方法では、突き合わせ部の板厚が大であり、突き合わせ溶接のために多量の溶接量が必要となる。
溶接量が多い場合には、（１）溶接の精度、品質を安定させるのが難しい、（２）溶接周辺部（母材）への影響増加、（３）溶接作業時間の増加、（４）溶接について高い熟練度が必要、（５）溶接に掛かる材料費や人件費などのコスト増加、などの問題がある。
【０００７】
図９（ロ）の厚肉角形鋼管３２のように、特に角部の肉厚を大にして要求剛性を満たす方法では、角部の肉厚の薄いものよりは辺の板厚を若干は薄くできるが、それほど薄くもできず、やはり突き合わせ溶接のために多量の溶接量が必要となる。したがって、図９（ロ）の厚肉角形鋼管３２よりさらに板厚が薄く、かつ突き合わせ溶接のための溶接量が少ない断面形状を検討する必要がある。
【０００８】
図９（ハ）の厚肉角形鋼管４２のように、４つの角部を特に厚くし４辺をいずれも中央部が薄くなるテーパーフランジとして要求剛性を満たす方法では、四辺の板厚が均等であるものと比べて、突き合わせ部の板厚が薄くすることができるので、溶接量を減らすことができる。
しかし、角部の厚みを大にして中央部の板厚を薄くするこの構成は、四辺が均等厚の厚肉角形鋼管に比べて、必要剛性を得るために要求される断面積が増加してしまう。したがって、せっかく溶接量が減っても鋼材使用量が増えてしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は上記事情によってなされたもので、溝形鋼の二丁合わせ溶接で柱梁接合部コアを製造する場合に、突き合わせ溶接のための溶接量を極力少なくすることと、鋼材使用量を極力少なくすることとをバランスよく実現しつつ、柱梁接合部コアとしての要求剛性を満たすことができる、経済性に優れた柱梁接合部コア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】
本発明者らは、溝形鋼の二丁合わせ溶接で厚肉角形鋼管を製造する場合に、柱梁接合部コアとしての要求剛性を確保しつつ、突き合わせ溶接のための溶接量を極力少なくすることと、鋼材使用量を極力少なくすることとをバランスよく実現できる条件を種々検討した。すなわち、要求剛性を確保しつつ、突き合わせ溶接部の板厚を極力薄くすることと、全体の断面積を極力小さくすることとをバランスよく実現できる最適断面形状を見出すべく、鋭意検討を重ねた。
その検討のなかで、辺の断面形状として、辺の中央部に向かって薄くなるテーパーフランジに着目したが、上述の通り、テーパーフランジは、平行フランジと比べて、突き合わせ部の板厚が薄くすることができ溶接量を減らすことができるが、一方で、必要剛性を得るために要求される断面積が増加してしまう傾向がある。
そこで、必ずしも全ての辺をテーパーフランジにするのでなく、４辺のうちの一方の対向する２つのフランジをテーパーフランジとし、他方の対向する２つのフランジを平行フランジとする断面形状（この断面を片平行片テーパーフランジ断面と呼ぶ）に着目した。
さらに、最適断面形状を得るためのアプローチの方向として、テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と平行フランジの板厚tpfとの比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）に着目し、かつ、その比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパーフランジのテーパー角度θtf（rad）との関係に着目した。
そのような検討のなかで、理論式により、柱梁接合部コアとして同等の性能になる、テーパーフランジ最薄部板厚ttf(min)と平行フランジ板厚tpfとの比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係を、片平行片テーパーフランジ断面の辺寸法Ｂに対する角部内アールrの比（＝ｒ／Ｂ）毎に求めたところ、Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係がｒ／Ｂの値によらず概ね一定であることが分った（図６参照）。
その知見に基づき、Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係を示す曲線の近傍に的を絞って有限要素法による剛性解析を行い、テーパー角度θtf(rad)を変えたそれぞれの場合に剛性が合格となる最小のＹ（＝ttf(min)／tpf）を調べた。
その結果、テーパー角度θtf(rad)と剛性が合格となる最小のＹ（＝ttf(min)／tpf）との関係を定めることができ（図７、図８参照）、実験式（数式５参照）を得た。すなわち、要求剛性を満たしつつ、突き合わせ溶接部の板厚が極力薄く溶接量が極力少なく済む条件を示す実験式を得た。これによって、本発明を完成させたものである。
【００１１】
すなわち、上記課題を解決する請求項１の発明は、ダイアフラムを設けずにＨ形鋼による梁を直接、角形鋼管柱に接合するノンダイアフラム形式の柱梁接合部に用いる短尺の厚肉角形鋼管からなる柱梁接合部コアであって、
厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジは内外面が互いに平行で均一な板厚を持つ平行フランジ、他方の対向する１対のフランジは内面側にフランジ両端からフランジ中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つテーパーフランジであり、
当該厚肉角形鋼管の断面形状が、前記テーパーフランジの外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）としたときに、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２は、請求項１の柱梁接合部コアにおいて、その材質がＪＩＳ規格の建築構造用圧延鋼材(ＳＮ材)に相当するものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３は、請求項１又は２に記載の柱梁接合部コアにおいて、
テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
6mm≦ttf(min) mm＜16mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+0.9mm
であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４は、請求項１又は２に記載の柱梁接合部コアにおいて、
テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
16mm≦ttf(min) mm＜40mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+1.3mm
であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアにおいて、テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)が、上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いことを特徴とする。
【００１６】
請求項６は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアが、２つの溝形鋼を対向させフランジ部どうしを突き合わせ溶接して構成されたものであることを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、建築物における梁と柱とを接合する柱梁接合部構造であって、
上下階の角形鋼管柱が、請求項１〜６のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアを介して溶接接合されるとともに、この柱梁接合部コアにＨ形鋼からなる梁が溶接接合されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、厚肉角形鋼管の断面形状を、テーパーフランジの外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）としたときに、テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状としたことにより、
溝形鋼の二丁合わせ溶接で柱梁接合部コアを製造する際に、突き合わせ溶接のための溶接量を極力少なすることと、断面積を極力小さくして鋼材使用量を極力減らすこととをバランスよく実現しつつ、柱梁接合部コアとしての要求剛性を満たすことが可能になり、経済性に優れた柱梁接合部コアを得ることが可能になった。
なお、片平行片テーパフランジ断面の平行フランジの板厚tpfを、後述するように両平行フランジ断面（基準断面）のフランジの板厚tfよりも薄くできるので、前記のように断面積を極力小さくできる。
また、テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いので、上下階の角形鋼管柱と溶接接合する際に、良好な溶接接合をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の柱梁接合部コアの断面形状を説明する図である。
【図２】柱梁接合部コアのテーパーフランジに荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、（イ）はテーパーフランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδtで示す）、（ロ）はテーパーフランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδtで示す）を示す。
【図３】柱梁接合部コアの平行フランジに荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、（イ）は平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδpで示す）、（ロ）は平行フランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδpで示す）を示す。
【図４】（イ）は本発明の柱梁接合部コアの断面である片平行片テーパーフランジ断面、（ロ）は柱梁接合部コアとして最適の片平行片テーパーフランジ断面形状を求める際に基準とする両平行フランジ断面（基準断面））をそれぞれ示す。
【図５】（イ）は本発明の柱梁接合部コアである片平行片テーパーフランジ断面について、その平行フランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δpf、及びテーパーフランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δtfなどを説明する図、（ロ）は基準断面である両平行フランジ断面について、平行フランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δfなどを説明する図である。
【図６】本発明の柱梁接合部コアである片平行片テーパーフランジ断面が、基準断面である両平行フランジ断面と同等の性能（面外変形剛性）となる条件を理論式で求めた結果を示すもので、片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジの板厚tpfとテーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)との比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係を示すグラフである。
【図７】有限要素法で得られた表１の数値（δpf／δtf）を図６の曲線と合わせて記入したものが図７である。
【図８】図７における合格最小値及び実験式（数式５）のみを記載したグラフである。
【図９】（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ従来の柱梁接合部コアの断面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の柱梁接合部コア、及び柱梁接合部構造の実施例を、図１〜図８を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の柱梁接合部コアは、ダイアフラムを設けずにＨ形鋼による梁を直接、角形鋼管柱に接合するノンダイアフラム形式の柱梁接合部に用いる短尺の厚肉角形鋼管からなる柱梁接合部コアである。
図１に本発明の一実施例の柱梁接合部コア１の断面図を示す。辺寸法をＢ、角部内アールをｒで示す。４辺の辺寸法及び４つの角部内アールはそれぞれ等しい。
図示の通り、この柱梁接合部コア１は、厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジ２は内外面が互いに平行で均一な板厚tpfを持つ平行フランジ２、他方の対向する１対のフランジ３は内面側にフランジ両端からフランジ中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つテーパーフランジ３である。
この片方の１対のフランジが平行フランジで他の片方の１対のフランジがテーパーフランジである断面を片平行片テーパーフランジ断面と呼ぶ。
前記テーパーフランジ３の外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）、テーパーフランジ３の中央の最薄部の板厚をttf(min)で示す。
この厚肉角形鋼管（片平行片テーパーフランジ断面）の断面形状は、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状である。また、前記ttf(min)は上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚い。
また、この柱梁接合部コアの材質はJIS G 3136で規定される建築構造用圧延鋼材(ＳＮ材)に相当するものである。
【００２２】
上記の断面形状は、下記の手順で決定したものである。
（１）柱梁接合部コアのフランジ中央部に面外方向の集中荷重を加えた状態について検討し、要求性能に対して安全側の仮定式を求める。
（２）有限要素法による解析結果と仮定式とを比較し実験式を求める。
【００２３】
上記（１）のように、柱梁接合部コアのフランジ中央部に面外方向の集中荷重を加えた状態について検討した理由を説明する。
図２は、柱梁接合部コアのテーパーフランジに面外方向の荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、同図（イ）はテーパーフランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδtで示す）、同図（ロ）はテーパーフランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδtで示す）を示す。
図３は、平行フランジに面外方向の荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、同図（イ）は平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδpで示す）、同図（ロ）は平行フランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδpで示す）を示す。
図２、図３の荷重態様において、テーパーフランジの中央部に面外方向の集中荷重を加えた場合の面外変形量pδt（図２（イ））と、テーパーフランジの中央部に梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合の面外変形量bδt（図２（ロ））との比pδt／bδtは、
平行フランジの中央部に面外方向の集中荷重を加えた場合の面外変形量pδp（図３（イ））と、平行フランジの中央部に梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合の面外変形量bδp（図３（ロ））との比pδp／bδpよりも大きくなる。
すなわち、下記の数式１が成り立ち、また、数式２が成り立つ。
なお、このことは、通常の材料力学の計算により知られることであり、詳細説明は省略する。
【００２４】
pδt／bδt＞pδp／bδp ・・・（数式１）
【００２５】
pδt／pδp＞bδt／bδp ・・・（数式２）
【００２６】
上記の通りであり、梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（図２（ロ）、図３（ロ））の変形量より、集中荷重を加えた場合（図２（イ）、図３（イ））の変形量が大であるから、集中荷重で検討することは、梁による分布荷重に対しては安全側の評価となる。
よって、柱梁接合部コアのフランジ中央部に面外方向の集中荷重を加えた状態の関係式は、実際の使用状態である梁を介して分布荷重を加えた状態に対して安全側の評価となる。
【００２７】
図４に本発明の柱梁接合部コアの断面である片平行片テーパーフランジ断面（同図（イ）：図１と同じもの）、及び、最適の片平行片テーパーフランジ断面形状を求める際に基準とする両平行フランジ断面（基準断面：同図（ロ））を示す。それぞれの辺寸法Ｂ及び角部内アールｒは同じとする。基準断面は、その剛性が要求剛性に等しい断面形状である。
【００２８】
図５は片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジ及びテーパーフランジ、並びに、両平行フランジ断面における平行フランジにそれぞれ集中荷重Ｐを加えた時の変形量が等価となる断面形状を求める際に、を比較するための説明図である。
図５（イ）は片平行片テーパーフランジ断面についてのもので、その平行フランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δpf、及びテーパーフランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δtfなどを示している。
図５（ロ）は両平行フランジ断面についてのもので、そのフランジ（平行フランジ）に集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δfなどを示している。
片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジ及びテーパーフランジの変形部長さは同じであり、Ltで示している。また、両平行フランジ断面の平行フランジの変形部長さをLoで示している。なお、角部の荷重Ｐによる変形は、角部を挟む両辺側とも同じと考えられるから、前記変形部長さ（Lt、Lo）は角部を除いた長さである。
単位変形量は、各フランジにおける中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該フランジ中央部における変形量δを変形部長さＬの３乗（L３）で割ったものである（無次元化するために３乗で割る）。
すなわち、片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジの単位変形量は、平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該平行フランジ中央部（板厚tpf）における変形量δpfを変形部長さLtの３乗（Lt3）で割ったもの（δpf/Lt3）である。
片平行片テーパーフランジ断面におけるテーパーフランジの単位変形量は、テーパーフランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該テーパーフランジ中央部（板厚ttf）における変形量δtfを変形部長さLtの３乗（Lt3）で割ったもの（δtf/Lt3）である。
両平行フランジ断面における平行フランジの単位変形量は、平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該平行フランジ中央部（板厚tf）における変形量δfを変形部長さLoの３乗（Lo3）で割ったもの（δf/Lo3）である。
そして、片平行片テーパーフランジ断面におけるテーパーフランジ、片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジ、両平行フランジ断面におけるフランジ（平行フランジ）の各単位変形量が等しいとすることで、すなわち、数式３を満たす板厚を求めることで、それぞれに同じ集中荷重Ｐが加わった時に生じる応力が等しくなる板厚が得られる。すなわち、数式３を満たす時、最も効率のよい断面となる（要求剛性を満たしつつ断面積が最も小さい断面形状となる）。具体的には、図５において、テーパーフランジのテーパ角度θtfが大きくなると角部が大きくなることで、片平行片テーパフランジ断面のフランジの変形部長さ（Lt）が短くなり、これにより、平行フランジの板厚tpfは、両平行フランジ断面（基準断面）のフランジの板厚tfよりも薄くできる。
【００２９】
δf/Lo3
= δtf/Lt3 = δpf/Lt3 ・・・（数式３）
【００３０】
次に、数式３を満たす板厚を求めるのであるが、本発明の片平行片テーパーフランジ断面において、柱梁接合部コアのフランジの面外変形剛性を基準断面（図４（ロ）、図５（ロ））に対して無次元化して、基準断面と同等の面外変形剛性を理論式により求めた。前述の通り基準断面の剛性は要求剛性に等しい。
この場合、角部内アールｒと辺寸法Ｂとの比（＝ｒ／Ｂ）をパラメータとして種々変えて求めた（すなわち、図６中に記載したｒ／Ｂ＝0.04、0.08、0.12、0.16、0.2）。
その結果、平行フランジの板厚tpfとテーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)との比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係として、図６の関係が得られた。
図６のグラフから、剛性が要求剛性に等しい片平行片テーパーフランジ断面におけるttf(min)／tpfとテーパー角度θtf(rad)との関係がｒ／Ｂの値によらず概ね一定であることが分る。この結果より、フランジに対する要求剛性を満足するttf(min)／tpfとθtfの関係を近似式として求めると、仮定式として数式４が得られた。この数式４は、図２（イ）の荷重状態における関係式である。なお、仮定式におけるｅは自然対数の底を示す。
【００３１】
ttf(min)／tpf＝ｅ−0.8456θtｆ ・・・（数式４）
【００３２】
次いで、理論式の場合と同様に、本発明の片平行片テーパーフランジ断面において、柱梁接合部コアのフランジの面外変形剛性を基準断面（図４（ロ）、図５（ロ））に対して無次元化し、種々の断面形状に対する面外変形剛性を有限要素法により求めた。
すなわち、テーパー角度θtf(rad)を変えて、各テーパー角度がθtf(rad)で比Ｙがttf(min)／tpfである時の面外変形剛性を求めた。この場合、理論式で求めた図６のグラフの結果を参考にした。すなわち、テーパー角度として図６の算出箇所のテーパー角度θtf(rad)を採用し、ttf(min)／tpfは仮定式（数式４）が示す曲線（ほぼ直線）の近傍に的を絞って、有限要素法により解析した。
有限要素法による解析をした結果を表１に示す。
【表１】
【００３３】
次いで、前記仮定式（数式４）と有限要素法による解析結果とを比較する。
有限要素法で得られた表１の数値（δpf／δtf）を図６の曲線と合わせて記入したものが図７である。
表１における有限要素法による解析結果（δpf／δtf）が δpf／δtf≦１ であれば、テーパーフランジが要求剛性を満たすことになり、柱梁接合部コアとして要求剛性を満たす合格の断面形状である。図７において、要求剛性を満足する箇所を○、要求剛性を満足しない箇所を×で示している。
数式４の曲線に対して下方側において○となる箇所が存在し、したがって、数式４は安全側の評価であることがわかる。
この有限要素法による解析により、各テーパー角度θtf(rad)に対して剛性が合格となる最小のＹ（＝ttf(min)／tpf）を取り上げて、各テーパー角度θtf(rad)とＹ（ttf(min)／tpf）の下限値との関係を近似式として求めて、数式５の実験式を得た。この数式５は、図２（ロ）の荷重状態における関係式である。
【００３４】
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ・・・（数式５）
【００３５】
すなわち、要求剛性を満たしつつ、断面積を極力小さくしかつ突き合わせ溶接部の板厚が薄く溶接量が少なく済む条件を示す実験式を得た。
図８は図７における合格最小値及び実験式（数式５）のみを記載したグラフである。
この数式５で表されるテーパーフランジの形状（テーパー角度θtf(rad)、最薄部板厚ttf(min)）を、片平行片テーパーフランジ断面の1対のテーパーフランジにおける、フランジの中央部からフランジ端部までの形状とし、他方の１対のフランジについては、ttf(min)／tpfで定まる均等板厚tpfの平行フランジとする断面形状が本発明の柱梁接合部コアの断面形状となる。
したがって、本発明において２丁合わせ溶接をしようとする溝形鋼は、そのフランジ部が数式５で表されるテーパーフランジの形状（テーパー角度θtf(rad)、最薄部板厚ttf(min)）で、そのウエブ部が均等板厚tpfである断面形状である。
【００３６】
なお、本発明の柱梁接合部コアの溝形鋼２丁合わせ溶接部の溶接量を減らすためには、テーパーフランジのテーパー角度がついていなければならないから、テーパー角度は、０度を含まない。
【００３７】
また、テーパーフランジのテーパー角度が極端に大きすぎると、２丁合わせ溶接を行うテーパーフランジの最薄部の板厚が極端に薄くなる。
本発明の柱梁接合部コアにおけるテーパーフランジの最薄部の板厚が、一般的な柱梁接合部コアに接続する上下の角形鋼管柱の板厚で常識的に最薄と考えられる板厚よりも薄いことは、構造上問題となる可能性を持つことになる。
よって、本発明の柱梁接合部コアにおけるテーパーフランジの最薄部の板厚は、その上下に取り付ける角形鋼管柱の板厚よりも薄くならないものとする。
【００３８】
本発明の柱梁接合部コアが適用される角形鋼管柱のサイズ（Ｂ（辺寸法）×Ｂ×t（板厚））の例を下記に示すと、
□Ｂ ×Ｂ ×t(mm)
□150×150×6〜12 (t/B＝0.04 〜 0.08)
□200×200×6〜12 (t/B＝0.03 〜 0.06)
□250×250×6〜16 (t/B＝0.024 〜 0.064)
□300×300×6〜19 (t/B＝0.02 〜 0.063)
□350×350×9〜22 (t/B＝0.026 〜 0.063)
となり、
これらの角形鋼管柱の板厚より柱梁接合部コアの板厚が大きくなる例を示すと、tpf≒B/10とした場合、角形鋼管柱が上記□150×150×12のときであれば、テーパー角度θtf(rad)の上限は、図８より、ttf(min)/tpf>0.8となる約0.2rad付近となる。
【００３９】
また、建築材として使用されるＳＮ材で熱間圧延形鋼の板厚についてJISで定める許容差は、
6mm≦ttf(min)＜16mmのとき許容差は、ttf(min)+0.9mm、ttf(min)-0.3mmであり、
16mm≦ttf(min)＜40mmのとき許容差は、ttf(min)+1.3mm、ttf(min)-0.7mmである。
したがって、本発明の柱梁接合部コアにおいても板厚の許容差を
6mm≦ttf(min)＜16mmのとき許容差は、ttf(min)+0.9mmであり、
16mm≦ttf(min)＜40mmのとき許容差は、ttf(min)+1.3mm
とする。
【００４０】
例えば、４辺が平行フランジからなるノンダイアフラム形式の柱梁接合部コア（両平行フランジ断面）が下記寸法（Ｂ(辺寸法) ×Ｂ ×tf(mm)）のとき、外寸法が同じ本発明の柱梁接合部コア（片平行片テーパーフランジ断面）におけるtpfを下記の値とすると、ttfは実験式より次の通りとなる
□Ｂ ×Ｂ ×tf(mm)
□150×150×15 θtf(rad)=0.09 tpf=14.0 ttf=12.8
□200×200×20 θtf(rad)=0.09 tpf=19.0 ttf=17.4
□250×250×25 θtf(rad)=0.09 tpf=24.0 ttf=21.9
□300×300×30 θtf(rad)=0.09 tpf=28.0 ttf=25.6
□350×350×35 θtf(rad)=0.09 tpf=33.0 ttf=30.2
【符号の説明】
【００４１】
１ 柱梁接合部コア（厚肉角形鋼管）
２ 平行フランジ
３ テーパーフランジ
Ｂ 柱梁接合部コアの辺寸法
ｒ 柱梁接合部コアの角部内アール
tf (基準断面(両平行フランジ断面)の)平行フランジの板厚
tpf (本発明(片平行片テーパーフランジ断面)の)平行フランジの板厚
ttf(min) (本発明(片平行片テーパーフランジ断面)の)テーパーフランジの最薄部板厚
θtf（rad） （テーパーフランジの）テーパー角度
δf （基準断面の）平行フランジの面外変形量
δpf （片平行片テーパーフランジ断面の）平行フランジの面外変形量
δtf （片平行片テーパーフランジ断面の）テーパーフランジの面外変形量
【技術分野】
【０００１】
この発明は、角形鋼管柱とＨ形鋼梁との柱梁接合部として用いられる厚肉角形鋼管であるノンダイアフラム形式の柱梁接合部コア、及びこの柱梁接合部コアを用いた柱梁接合部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
柱に角形鋼管を用い梁にＨ形鋼を用いる建築構造物における柱梁接合部構造として、上下階の角形鋼管柱を別部材の柱梁接合部コアを介して溶接接合し、この柱梁接合部コアにＨ形鋼梁を溶接接合する構造がある。
この種の柱梁接合部コアは、梁に作用する曲げモーメント等の応力を柱に十分に伝達できる剛接合とするために、短尺の角形鋼管に補強としてダイアフラムを溶接固定した構造のものが一般に用いられるが、ダイアフラムを持たない短尺の角形鋼管からなるいわゆるノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアを用いる場合もある。
ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアとして角形鋼管を使用する場合、板厚が厚肉である厚肉角形鋼管としなければ、柱梁接合部に要求される剛性（要求剛性）を確保できない。
【０００３】
ノンダイアフラム形式の柱梁接合部コアに用いる厚肉角形鋼管として、溝形鋼の２丁合わせ溶接により製造することが知られている。
すなわち、図９（イ）に示すように、板厚の厚い溝形鋼２１を対向させフランジ部２１ａどうしを突き合わせ溶接して厚肉角形鋼管２２とする。この厚肉角形鋼管２２の四辺は均等であり、かつ、いずれも均一な板厚である。この厚肉角形鋼管２２を短尺に切断すれば、柱梁接合部コアとして使用できる。
また、特許文献１は、柱梁接合部コアではなくそれ自体を柱とするものであるが、図９（ロ）に示すように、特に角部の肉厚を大にした特殊断面の２つの溝形鋼３１の二丁合わせ溶接をして、肉厚の大なる膨出隅部３２ａを持つ厚肉角形鋼管３２としている。梁からの応力が集中し易い角部の肉厚を大とすることで、梁からの応力を柱に伝達可能な剛性を持つものとなる。
【０００４】
また、図９（ハ）に示すように、多角特殊形状の溝形鋼４１を二丁合わせ溶接して、４つの角部が特に肉厚で４辺がいずれも中央部が薄くなるテーパー形状である八角形内面の断面形状とした厚肉角形鋼管４２もある（特許文献２）。
この厚肉角形鋼管４２も同じく、柱梁接合部コアではなくそれ自体を柱とするものであるが、角部の肉厚を大にすることで、要求剛性を満たすようにしている。
なお、この厚肉角形鋼管４２の各辺のように、内面側に辺の両端から中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つ辺をテーパーフランジと呼ぶ。また、図９（イ）の各辺のように内外面が互いに平行で均一な板厚を持つ辺を平行フランジと呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭５４−１１６９１０
【特許文献２】特開平４−２３１５４１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図９（イ）の厚肉角形鋼管２２は、板厚を大にすることで柱梁接合部としての要求剛性を満たすことはできる。しかし、単に各辺の板厚を厚くして要求剛性を満たす方法では、突き合わせ部の板厚が大であり、突き合わせ溶接のために多量の溶接量が必要となる。
溶接量が多い場合には、（１）溶接の精度、品質を安定させるのが難しい、（２）溶接周辺部（母材）への影響増加、（３）溶接作業時間の増加、（４）溶接について高い熟練度が必要、（５）溶接に掛かる材料費や人件費などのコスト増加、などの問題がある。
【０００７】
図９（ロ）の厚肉角形鋼管３２のように、特に角部の肉厚を大にして要求剛性を満たす方法では、角部の肉厚の薄いものよりは辺の板厚を若干は薄くできるが、それほど薄くもできず、やはり突き合わせ溶接のために多量の溶接量が必要となる。したがって、図９（ロ）の厚肉角形鋼管３２よりさらに板厚が薄く、かつ突き合わせ溶接のための溶接量が少ない断面形状を検討する必要がある。
【０００８】
図９（ハ）の厚肉角形鋼管４２のように、４つの角部を特に厚くし４辺をいずれも中央部が薄くなるテーパーフランジとして要求剛性を満たす方法では、四辺の板厚が均等であるものと比べて、突き合わせ部の板厚が薄くすることができるので、溶接量を減らすことができる。
しかし、角部の厚みを大にして中央部の板厚を薄くするこの構成は、四辺が均等厚の厚肉角形鋼管に比べて、必要剛性を得るために要求される断面積が増加してしまう。したがって、せっかく溶接量が減っても鋼材使用量が増えてしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は上記事情によってなされたもので、溝形鋼の二丁合わせ溶接で柱梁接合部コアを製造する場合に、突き合わせ溶接のための溶接量を極力少なくすることと、鋼材使用量を極力少なくすることとをバランスよく実現しつつ、柱梁接合部コアとしての要求剛性を満たすことができる、経済性に優れた柱梁接合部コア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】
本発明者らは、溝形鋼の二丁合わせ溶接で厚肉角形鋼管を製造する場合に、柱梁接合部コアとしての要求剛性を確保しつつ、突き合わせ溶接のための溶接量を極力少なくすることと、鋼材使用量を極力少なくすることとをバランスよく実現できる条件を種々検討した。すなわち、要求剛性を確保しつつ、突き合わせ溶接部の板厚を極力薄くすることと、全体の断面積を極力小さくすることとをバランスよく実現できる最適断面形状を見出すべく、鋭意検討を重ねた。
その検討のなかで、辺の断面形状として、辺の中央部に向かって薄くなるテーパーフランジに着目したが、上述の通り、テーパーフランジは、平行フランジと比べて、突き合わせ部の板厚が薄くすることができ溶接量を減らすことができるが、一方で、必要剛性を得るために要求される断面積が増加してしまう傾向がある。
そこで、必ずしも全ての辺をテーパーフランジにするのでなく、４辺のうちの一方の対向する２つのフランジをテーパーフランジとし、他方の対向する２つのフランジを平行フランジとする断面形状（この断面を片平行片テーパーフランジ断面と呼ぶ）に着目した。
さらに、最適断面形状を得るためのアプローチの方向として、テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と平行フランジの板厚tpfとの比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）に着目し、かつ、その比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパーフランジのテーパー角度θtf（rad）との関係に着目した。
そのような検討のなかで、理論式により、柱梁接合部コアとして同等の性能になる、テーパーフランジ最薄部板厚ttf(min)と平行フランジ板厚tpfとの比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係を、片平行片テーパーフランジ断面の辺寸法Ｂに対する角部内アールrの比（＝ｒ／Ｂ）毎に求めたところ、Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係がｒ／Ｂの値によらず概ね一定であることが分った（図６参照）。
その知見に基づき、Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係を示す曲線の近傍に的を絞って有限要素法による剛性解析を行い、テーパー角度θtf(rad)を変えたそれぞれの場合に剛性が合格となる最小のＹ（＝ttf(min)／tpf）を調べた。
その結果、テーパー角度θtf(rad)と剛性が合格となる最小のＹ（＝ttf(min)／tpf）との関係を定めることができ（図７、図８参照）、実験式（数式５参照）を得た。すなわち、要求剛性を満たしつつ、突き合わせ溶接部の板厚が極力薄く溶接量が極力少なく済む条件を示す実験式を得た。これによって、本発明を完成させたものである。
【００１１】
すなわち、上記課題を解決する請求項１の発明は、ダイアフラムを設けずにＨ形鋼による梁を直接、角形鋼管柱に接合するノンダイアフラム形式の柱梁接合部に用いる短尺の厚肉角形鋼管からなる柱梁接合部コアであって、
厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジは内外面が互いに平行で均一な板厚を持つ平行フランジ、他方の対向する１対のフランジは内面側にフランジ両端からフランジ中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つテーパーフランジであり、
当該厚肉角形鋼管の断面形状が、前記テーパーフランジの外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）としたときに、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２は、請求項１の柱梁接合部コアにおいて、その材質がＪＩＳ規格の建築構造用圧延鋼材(ＳＮ材)に相当するものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３は、請求項１又は２に記載の柱梁接合部コアにおいて、
テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
6mm≦ttf(min) mm＜16mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+0.9mm
であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４は、請求項１又は２に記載の柱梁接合部コアにおいて、
テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
16mm≦ttf(min) mm＜40mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+1.3mm
であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアにおいて、テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)が、上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いことを特徴とする。
【００１６】
請求項６は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアが、２つの溝形鋼を対向させフランジ部どうしを突き合わせ溶接して構成されたものであることを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、建築物における梁と柱とを接合する柱梁接合部構造であって、
上下階の角形鋼管柱が、請求項１〜６のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアを介して溶接接合されるとともに、この柱梁接合部コアにＨ形鋼からなる梁が溶接接合されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、厚肉角形鋼管の断面形状を、テーパーフランジの外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）としたときに、テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状としたことにより、
溝形鋼の二丁合わせ溶接で柱梁接合部コアを製造する際に、突き合わせ溶接のための溶接量を極力少なすることと、断面積を極力小さくして鋼材使用量を極力減らすこととをバランスよく実現しつつ、柱梁接合部コアとしての要求剛性を満たすことが可能になり、経済性に優れた柱梁接合部コアを得ることが可能になった。
なお、片平行片テーパフランジ断面の平行フランジの板厚tpfを、後述するように両平行フランジ断面（基準断面）のフランジの板厚tfよりも薄くできるので、前記のように断面積を極力小さくできる。
また、テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いので、上下階の角形鋼管柱と溶接接合する際に、良好な溶接接合をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の柱梁接合部コアの断面形状を説明する図である。
【図２】柱梁接合部コアのテーパーフランジに荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、（イ）はテーパーフランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδtで示す）、（ロ）はテーパーフランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδtで示す）を示す。
【図３】柱梁接合部コアの平行フランジに荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、（イ）は平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδpで示す）、（ロ）は平行フランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδpで示す）を示す。
【図４】（イ）は本発明の柱梁接合部コアの断面である片平行片テーパーフランジ断面、（ロ）は柱梁接合部コアとして最適の片平行片テーパーフランジ断面形状を求める際に基準とする両平行フランジ断面（基準断面））をそれぞれ示す。
【図５】（イ）は本発明の柱梁接合部コアである片平行片テーパーフランジ断面について、その平行フランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δpf、及びテーパーフランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δtfなどを説明する図、（ロ）は基準断面である両平行フランジ断面について、平行フランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δfなどを説明する図である。
【図６】本発明の柱梁接合部コアである片平行片テーパーフランジ断面が、基準断面である両平行フランジ断面と同等の性能（面外変形剛性）となる条件を理論式で求めた結果を示すもので、片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジの板厚tpfとテーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)との比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係を示すグラフである。
【図７】有限要素法で得られた表１の数値（δpf／δtf）を図６の曲線と合わせて記入したものが図７である。
【図８】図７における合格最小値及び実験式（数式５）のみを記載したグラフである。
【図９】（イ）、（ロ）、（ハ）はそれぞれ従来の柱梁接合部コアの断面形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の柱梁接合部コア、及び柱梁接合部構造の実施例を、図１〜図８を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の柱梁接合部コアは、ダイアフラムを設けずにＨ形鋼による梁を直接、角形鋼管柱に接合するノンダイアフラム形式の柱梁接合部に用いる短尺の厚肉角形鋼管からなる柱梁接合部コアである。
図１に本発明の一実施例の柱梁接合部コア１の断面図を示す。辺寸法をＢ、角部内アールをｒで示す。４辺の辺寸法及び４つの角部内アールはそれぞれ等しい。
図示の通り、この柱梁接合部コア１は、厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジ２は内外面が互いに平行で均一な板厚tpfを持つ平行フランジ２、他方の対向する１対のフランジ３は内面側にフランジ両端からフランジ中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つテーパーフランジ３である。
この片方の１対のフランジが平行フランジで他の片方の１対のフランジがテーパーフランジである断面を片平行片テーパーフランジ断面と呼ぶ。
前記テーパーフランジ３の外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）、テーパーフランジ３の中央の最薄部の板厚をttf(min)で示す。
この厚肉角形鋼管（片平行片テーパーフランジ断面）の断面形状は、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状である。また、前記ttf(min)は上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚い。
また、この柱梁接合部コアの材質はJIS G 3136で規定される建築構造用圧延鋼材(ＳＮ材)に相当するものである。
【００２２】
上記の断面形状は、下記の手順で決定したものである。
（１）柱梁接合部コアのフランジ中央部に面外方向の集中荷重を加えた状態について検討し、要求性能に対して安全側の仮定式を求める。
（２）有限要素法による解析結果と仮定式とを比較し実験式を求める。
【００２３】
上記（１）のように、柱梁接合部コアのフランジ中央部に面外方向の集中荷重を加えた状態について検討した理由を説明する。
図２は、柱梁接合部コアのテーパーフランジに面外方向の荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、同図（イ）はテーパーフランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδtで示す）、同図（ロ）はテーパーフランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδtで示す）を示す。
図３は、平行フランジに面外方向の荷重をかけた場合の面外変形量を説明する図であり、同図（イ）は平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた場合（その時の面外変形量をpδpで示す）、同図（ロ）は平行フランジに梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（その時の面外変形量をbδpで示す）を示す。
図２、図３の荷重態様において、テーパーフランジの中央部に面外方向の集中荷重を加えた場合の面外変形量pδt（図２（イ））と、テーパーフランジの中央部に梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合の面外変形量bδt（図２（ロ））との比pδt／bδtは、
平行フランジの中央部に面外方向の集中荷重を加えた場合の面外変形量pδp（図３（イ））と、平行フランジの中央部に梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合の面外変形量bδp（図３（ロ））との比pδp／bδpよりも大きくなる。
すなわち、下記の数式１が成り立ち、また、数式２が成り立つ。
なお、このことは、通常の材料力学の計算により知られることであり、詳細説明は省略する。
【００２４】
pδt／bδt＞pδp／bδp ・・・（数式１）
【００２５】
pδt／pδp＞bδt／bδp ・・・（数式２）
【００２６】
上記の通りであり、梁フランジ部分を介して分布荷重を加えた場合（図２（ロ）、図３（ロ））の変形量より、集中荷重を加えた場合（図２（イ）、図３（イ））の変形量が大であるから、集中荷重で検討することは、梁による分布荷重に対しては安全側の評価となる。
よって、柱梁接合部コアのフランジ中央部に面外方向の集中荷重を加えた状態の関係式は、実際の使用状態である梁を介して分布荷重を加えた状態に対して安全側の評価となる。
【００２７】
図４に本発明の柱梁接合部コアの断面である片平行片テーパーフランジ断面（同図（イ）：図１と同じもの）、及び、最適の片平行片テーパーフランジ断面形状を求める際に基準とする両平行フランジ断面（基準断面：同図（ロ））を示す。それぞれの辺寸法Ｂ及び角部内アールｒは同じとする。基準断面は、その剛性が要求剛性に等しい断面形状である。
【００２８】
図５は片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジ及びテーパーフランジ、並びに、両平行フランジ断面における平行フランジにそれぞれ集中荷重Ｐを加えた時の変形量が等価となる断面形状を求める際に、を比較するための説明図である。
図５（イ）は片平行片テーパーフランジ断面についてのもので、その平行フランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δpf、及びテーパーフランジに集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δtfなどを示している。
図５（ロ）は両平行フランジ断面についてのもので、そのフランジ（平行フランジ）に集中荷重Ｐが加わった時の面外変形量δfなどを示している。
片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジ及びテーパーフランジの変形部長さは同じであり、Ltで示している。また、両平行フランジ断面の平行フランジの変形部長さをLoで示している。なお、角部の荷重Ｐによる変形は、角部を挟む両辺側とも同じと考えられるから、前記変形部長さ（Lt、Lo）は角部を除いた長さである。
単位変形量は、各フランジにおける中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該フランジ中央部における変形量δを変形部長さＬの３乗（L３）で割ったものである（無次元化するために３乗で割る）。
すなわち、片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジの単位変形量は、平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該平行フランジ中央部（板厚tpf）における変形量δpfを変形部長さLtの３乗（Lt3）で割ったもの（δpf/Lt3）である。
片平行片テーパーフランジ断面におけるテーパーフランジの単位変形量は、テーパーフランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該テーパーフランジ中央部（板厚ttf）における変形量δtfを変形部長さLtの３乗（Lt3）で割ったもの（δtf/Lt3）である。
両平行フランジ断面における平行フランジの単位変形量は、平行フランジの中央部に集中荷重Ｐを加えた時の当該平行フランジ中央部（板厚tf）における変形量δfを変形部長さLoの３乗（Lo3）で割ったもの（δf/Lo3）である。
そして、片平行片テーパーフランジ断面におけるテーパーフランジ、片平行片テーパーフランジ断面における平行フランジ、両平行フランジ断面におけるフランジ（平行フランジ）の各単位変形量が等しいとすることで、すなわち、数式３を満たす板厚を求めることで、それぞれに同じ集中荷重Ｐが加わった時に生じる応力が等しくなる板厚が得られる。すなわち、数式３を満たす時、最も効率のよい断面となる（要求剛性を満たしつつ断面積が最も小さい断面形状となる）。具体的には、図５において、テーパーフランジのテーパ角度θtfが大きくなると角部が大きくなることで、片平行片テーパフランジ断面のフランジの変形部長さ（Lt）が短くなり、これにより、平行フランジの板厚tpfは、両平行フランジ断面（基準断面）のフランジの板厚tfよりも薄くできる。
【００２９】
δf/Lo3
= δtf/Lt3 = δpf/Lt3 ・・・（数式３）
【００３０】
次に、数式３を満たす板厚を求めるのであるが、本発明の片平行片テーパーフランジ断面において、柱梁接合部コアのフランジの面外変形剛性を基準断面（図４（ロ）、図５（ロ））に対して無次元化して、基準断面と同等の面外変形剛性を理論式により求めた。前述の通り基準断面の剛性は要求剛性に等しい。
この場合、角部内アールｒと辺寸法Ｂとの比（＝ｒ／Ｂ）をパラメータとして種々変えて求めた（すなわち、図６中に記載したｒ／Ｂ＝0.04、0.08、0.12、0.16、0.2）。
その結果、平行フランジの板厚tpfとテーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)との比Ｙ（＝ttf(min)／tpf）とテーパー角度θtf(rad)との関係として、図６の関係が得られた。
図６のグラフから、剛性が要求剛性に等しい片平行片テーパーフランジ断面におけるttf(min)／tpfとテーパー角度θtf(rad)との関係がｒ／Ｂの値によらず概ね一定であることが分る。この結果より、フランジに対する要求剛性を満足するttf(min)／tpfとθtfの関係を近似式として求めると、仮定式として数式４が得られた。この数式４は、図２（イ）の荷重状態における関係式である。なお、仮定式におけるｅは自然対数の底を示す。
【００３１】
ttf(min)／tpf＝ｅ−0.8456θtｆ ・・・（数式４）
【００３２】
次いで、理論式の場合と同様に、本発明の片平行片テーパーフランジ断面において、柱梁接合部コアのフランジの面外変形剛性を基準断面（図４（ロ）、図５（ロ））に対して無次元化し、種々の断面形状に対する面外変形剛性を有限要素法により求めた。
すなわち、テーパー角度θtf(rad)を変えて、各テーパー角度がθtf(rad)で比Ｙがttf(min)／tpfである時の面外変形剛性を求めた。この場合、理論式で求めた図６のグラフの結果を参考にした。すなわち、テーパー角度として図６の算出箇所のテーパー角度θtf(rad)を採用し、ttf(min)／tpfは仮定式（数式４）が示す曲線（ほぼ直線）の近傍に的を絞って、有限要素法により解析した。
有限要素法による解析をした結果を表１に示す。
【表１】
【００３３】
次いで、前記仮定式（数式４）と有限要素法による解析結果とを比較する。
有限要素法で得られた表１の数値（δpf／δtf）を図６の曲線と合わせて記入したものが図７である。
表１における有限要素法による解析結果（δpf／δtf）が δpf／δtf≦１ であれば、テーパーフランジが要求剛性を満たすことになり、柱梁接合部コアとして要求剛性を満たす合格の断面形状である。図７において、要求剛性を満足する箇所を○、要求剛性を満足しない箇所を×で示している。
数式４の曲線に対して下方側において○となる箇所が存在し、したがって、数式４は安全側の評価であることがわかる。
この有限要素法による解析により、各テーパー角度θtf(rad)に対して剛性が合格となる最小のＹ（＝ttf(min)／tpf）を取り上げて、各テーパー角度θtf(rad)とＹ（ttf(min)／tpf）の下限値との関係を近似式として求めて、数式５の実験式を得た。この数式５は、図２（ロ）の荷重状態における関係式である。
【００３４】
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ・・・（数式５）
【００３５】
すなわち、要求剛性を満たしつつ、断面積を極力小さくしかつ突き合わせ溶接部の板厚が薄く溶接量が少なく済む条件を示す実験式を得た。
図８は図７における合格最小値及び実験式（数式５）のみを記載したグラフである。
この数式５で表されるテーパーフランジの形状（テーパー角度θtf(rad)、最薄部板厚ttf(min)）を、片平行片テーパーフランジ断面の1対のテーパーフランジにおける、フランジの中央部からフランジ端部までの形状とし、他方の１対のフランジについては、ttf(min)／tpfで定まる均等板厚tpfの平行フランジとする断面形状が本発明の柱梁接合部コアの断面形状となる。
したがって、本発明において２丁合わせ溶接をしようとする溝形鋼は、そのフランジ部が数式５で表されるテーパーフランジの形状（テーパー角度θtf(rad)、最薄部板厚ttf(min)）で、そのウエブ部が均等板厚tpfである断面形状である。
【００３６】
なお、本発明の柱梁接合部コアの溝形鋼２丁合わせ溶接部の溶接量を減らすためには、テーパーフランジのテーパー角度がついていなければならないから、テーパー角度は、０度を含まない。
【００３７】
また、テーパーフランジのテーパー角度が極端に大きすぎると、２丁合わせ溶接を行うテーパーフランジの最薄部の板厚が極端に薄くなる。
本発明の柱梁接合部コアにおけるテーパーフランジの最薄部の板厚が、一般的な柱梁接合部コアに接続する上下の角形鋼管柱の板厚で常識的に最薄と考えられる板厚よりも薄いことは、構造上問題となる可能性を持つことになる。
よって、本発明の柱梁接合部コアにおけるテーパーフランジの最薄部の板厚は、その上下に取り付ける角形鋼管柱の板厚よりも薄くならないものとする。
【００３８】
本発明の柱梁接合部コアが適用される角形鋼管柱のサイズ（Ｂ（辺寸法）×Ｂ×t（板厚））の例を下記に示すと、
□Ｂ ×Ｂ ×t(mm)
□150×150×6〜12 (t/B＝0.04 〜 0.08)
□200×200×6〜12 (t/B＝0.03 〜 0.06)
□250×250×6〜16 (t/B＝0.024 〜 0.064)
□300×300×6〜19 (t/B＝0.02 〜 0.063)
□350×350×9〜22 (t/B＝0.026 〜 0.063)
となり、
これらの角形鋼管柱の板厚より柱梁接合部コアの板厚が大きくなる例を示すと、tpf≒B/10とした場合、角形鋼管柱が上記□150×150×12のときであれば、テーパー角度θtf(rad)の上限は、図８より、ttf(min)/tpf>0.8となる約0.2rad付近となる。
【００３９】
また、建築材として使用されるＳＮ材で熱間圧延形鋼の板厚についてJISで定める許容差は、
6mm≦ttf(min)＜16mmのとき許容差は、ttf(min)+0.9mm、ttf(min)-0.3mmであり、
16mm≦ttf(min)＜40mmのとき許容差は、ttf(min)+1.3mm、ttf(min)-0.7mmである。
したがって、本発明の柱梁接合部コアにおいても板厚の許容差を
6mm≦ttf(min)＜16mmのとき許容差は、ttf(min)+0.9mmであり、
16mm≦ttf(min)＜40mmのとき許容差は、ttf(min)+1.3mm
とする。
【００４０】
例えば、４辺が平行フランジからなるノンダイアフラム形式の柱梁接合部コア（両平行フランジ断面）が下記寸法（Ｂ(辺寸法) ×Ｂ ×tf(mm)）のとき、外寸法が同じ本発明の柱梁接合部コア（片平行片テーパーフランジ断面）におけるtpfを下記の値とすると、ttfは実験式より次の通りとなる
□Ｂ ×Ｂ ×tf(mm)
□150×150×15 θtf(rad)=0.09 tpf=14.0 ttf=12.8
□200×200×20 θtf(rad)=0.09 tpf=19.0 ttf=17.4
□250×250×25 θtf(rad)=0.09 tpf=24.0 ttf=21.9
□300×300×30 θtf(rad)=0.09 tpf=28.0 ttf=25.6
□350×350×35 θtf(rad)=0.09 tpf=33.0 ttf=30.2
【符号の説明】
【００４１】
１ 柱梁接合部コア（厚肉角形鋼管）
２ 平行フランジ
３ テーパーフランジ
Ｂ 柱梁接合部コアの辺寸法
ｒ 柱梁接合部コアの角部内アール
tf (基準断面(両平行フランジ断面)の)平行フランジの板厚
tpf (本発明(片平行片テーパーフランジ断面)の)平行フランジの板厚
ttf(min) (本発明(片平行片テーパーフランジ断面)の)テーパーフランジの最薄部板厚
θtf（rad） （テーパーフランジの）テーパー角度
δf （基準断面の）平行フランジの面外変形量
δpf （片平行片テーパーフランジ断面の）平行フランジの面外変形量
δtf （片平行片テーパーフランジ断面の）テーパーフランジの面外変形量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムを設けずにＨ形鋼による梁を直接、角形鋼管柱に接合するノンダイアフラム形式の柱梁接合部に用いる短尺の厚肉角形鋼管からなる柱梁接合部コアであって、
厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジは内外面が互いに平行で均一な板厚を持つ平行フランジ、他方の対向する１対のフランジは内面側にフランジ両端からフランジ中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つテーパーフランジであり、
当該厚肉角形鋼管の断面形状が、前記テーパーフランジの外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）としたときに、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状であることを特徴とする柱梁接合部コア。
【請求項２】
材質がＪＩＳ規格の建築構造用圧延鋼材(ＳＮ材)に相当するものであることを特徴とする請求項１記載の柱梁接合部コア。
【請求項３】
前記テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
6mm≦ttf(min) mm＜16mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+0.9mm
であることを特徴とする請求項１又は２記載の柱梁接合部コア。
【請求項４】
前記テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
16mm≦ttf(min) mm＜40mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+1.3mm
であることを特徴とする請求項１又は２記載の柱梁接合部コア。
【請求項５】
前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)が、上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の柱梁接合部コア。
【請求項６】
２つの溝形鋼を対向させフランジ部どうしを突き合わせ溶接して構成されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の柱梁接合部コア。
【請求項７】
建築物における上下階の角形鋼管柱が、請求項１〜６のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアを介して溶接接合されるとともに、この柱梁接合部コアにＨ形鋼からなる梁が溶接接合されたことを特徴とする柱梁接合部構造。
【請求項１】
ダイアフラムを設けずにＨ形鋼による梁を直接、角形鋼管柱に接合するノンダイアフラム形式の柱梁接合部に用いる短尺の厚肉角形鋼管からなる柱梁接合部コアであって、
厚肉角形鋼管の４つのフランジ（辺）のうちの一方の対向する１対のフランジは内外面が互いに平行で均一な板厚を持つ平行フランジ、他方の対向する１対のフランジは内面側にフランジ両端からフランジ中央に向かって板厚が薄くなるようなテーパーを持つテーパーフランジであり、
当該厚肉角形鋼管の断面形状が、前記テーパーフランジの外面に対する内面のテーパー角度をθtf（rad）としたときに、前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)と前記平行フランジの板厚tpfとの関係が、
ttf(min)／tpf＝ｅ−1.0θtｆ
の式を概ね満たす断面形状であることを特徴とする柱梁接合部コア。
【請求項２】
材質がＪＩＳ規格の建築構造用圧延鋼材(ＳＮ材)に相当するものであることを特徴とする請求項１記載の柱梁接合部コア。
【請求項３】
前記テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
6mm≦ttf(min) mm＜16mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+0.9mm
であることを特徴とする請求項１又は２記載の柱梁接合部コア。
【請求項４】
前記テーパーフランジの最薄部板厚ttf(min)が
16mm≦ttf(min) mm＜40mm
であるときに、その寸法許容が、
ttf(min) mmからttf(min) mm+1.3mm
であることを特徴とする請求項１又は２記載の柱梁接合部コア。
【請求項５】
前記テーパーフランジの最薄部の板厚ttf(min)が、上下に取り付く角形鋼管柱の板厚より厚いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の柱梁接合部コア。
【請求項６】
２つの溝形鋼を対向させフランジ部どうしを突き合わせ溶接して構成されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の柱梁接合部コア。
【請求項７】
建築物における上下階の角形鋼管柱が、請求項１〜６のいずれか１項に記載の柱梁接合部コアを介して溶接接合されるとともに、この柱梁接合部コアにＨ形鋼からなる梁が溶接接合されたことを特徴とする柱梁接合部構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２３６２０６（Ｐ２０１０−２３６２０６Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８３２４５（Ｐ２００９−８３２４５）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００６８３９）日鐵住金建材株式会社 (371)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（０００００６８３９）日鐵住金建材株式会社 (371)
【Ｆターム（参考）】
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