鉄骨有孔梁の補強構造
【課題】補強効果が向上された鉄骨有孔梁の補強構造を得ることを目的とする。
【解決手段】補強プレート１６の上下端部（長辺側の端部）としての上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂは、溶接によって梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に溶接されている。具体的には、補強プレート１６は、上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがその全長に渡ってウェブ部１２Ｂに隅肉溶接で連続溶接されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６が全断面積で抵抗可能になっている。
【解決手段】補強プレート１６の上下端部（長辺側の端部）としての上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂは、溶接によって梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に溶接されている。具体的には、補強プレート１６は、上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがその全長に渡ってウェブ部１２Ｂに隅肉溶接で連続溶接されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６が全断面積で抵抗可能になっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨有孔梁の補強構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鉄骨梁において、開口が形成された梁端部を補強する補強構造が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された補強構造では、梁ブラケットと梁本体とを連結する梁継手部に、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがって貫通孔（開口）が形成されている。この貫通孔の上下には梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがるアングルが設けられている。これらのアングルによって、貫通孔により断面欠損された梁継手部が補強されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１７９７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された補強構造では、梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に、アングルの中央部を高力ボルトで摩擦接合するため、アングルの上下端部が梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に一体化されず、自由端部となる。従って、梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に作用するせん断力に対し、アングルの上下端部が抵抗できず、十分な補強効果を得ることが困難な場合がある。
【０００５】
本発明は、上記の事実を考慮し、補強効果が向上された鉄骨有孔梁の補強構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、梁継手部を避けてウェブ部に貫通孔が形成されたＨ形鋼梁と、前記ウェブ部の両面に設けられ、長手方向を前記Ｈ形鋼梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、を備えている。
【０００７】
請求項１に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、補強プレートの上下端部をウェブ部に接合したことにより、Ｈ形鋼梁のウェブ部に作用するせん断力に対し、補強プレートが全断面積で抵抗可能になる。従って、補強プレートの補強効果が向上する。
【０００８】
なお、本発明におけるＨ形鋼梁は、梁継手部を有するブラケットタイプのＨ形鋼梁だけでなく、梁継手部を有しないノンブラケットタイプのＨ形鋼梁も含む概念である。
【０００９】
請求項２に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造において、前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、前記切断面から前記補強プレートの長手方向両端までの長さをそれぞれＳ１，Ｓ２、前記貫通孔の半径をＲとしたときに、Ｓ１≧２Ｒ、かつＳ２≧２Ｒとされている。
【００１０】
請求項２に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、ウェブ部に貫通孔がない無孔（無開口）のＨ形鋼梁と同等の力学的性状を得ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造において、前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、前記Ｈ形鋼梁が接合される鉄骨柱によって拘束される前記ウェブ部の拘束端から前記貫通孔の中心までの距離をＤ、前記貫通孔の半径をＲ、前記切断面から前記鉄骨柱側の前記補強プレートの長手方向一端までの長さをＳ１、前記切断面から前記補強プレートの長手方向他端までの長さをＳ２としたときに、１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ１≦Ｄ、かつＳ２≧２Ｒとされている。
【００１２】
請求項３に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、ウェブ部に貫通孔がない無孔（無開口）のＨ形鋼梁と同等の力学的性状を得ることができる。また、補強プレートの長さＳ２と比較して、鉄骨柱側の補強プレートの長さＳ１を短くすることができる。従って、補強プレートの材料コストを削減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、補強効果を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ｂ）の一部拡大断面図であり、（Ｂ）は比較例を示す図２（Ａ）に相当する断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。
【図６】（Ａ）は載荷実験及び解析に用いた実験モデル及び解析モデルの基本モデルを示す斜視図であり、（Ｂ）は図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線断面であり、（Ｃ）は他の解析モデルを示す図６（Ｂ）に相当する断面図である。
【図７】載荷実験及び解析に用いた実験モデル及び解析モデルの詳細を示す表である。
【図８】（Ａ）は載荷実験結果及び解析結果を評価項目である全塑性耐力を説明するための模式グラフであり、（Ｂ）は同評価項目である塑性変形倍率を説明するための模式グラフである。
【図９】載荷実験結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１０】載荷実験及び解析の結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１１】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１２】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１３】（Ａ）は解析結果から得られた全塑性耐力と補強プレートの長さＳ１との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は解析結果から得られた全塑性耐力と補強プレートの長さＳ２との関係を示すグラフである。
【図１４】（Ａ）は解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフであり、（Ｂ）は解析結果から得られた全塑性耐力と距離Ｄとの関係を示すグラフである。
【図１５】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１６】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１７】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造について説明する。
【００１６】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）には、本実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造が適用されたＨ形鋼梁１０が示されている。なお、矢印Ｘは、Ｈ形鋼梁１０の梁軸方向を示しており、梁軸方向のうちＨ形鋼梁１０の端部（鉄骨柱３０）に向う方向を梁軸方向外側とし、Ｈ形鋼梁１０の中央部に向う方向を梁軸方向内側として以下説明する。
【００１７】
Ｈ形鋼梁１０は、鉄骨柱３０と図示しない鉄骨柱の間に架設されている。このＨ形鋼梁１０は、図示しない梁本体と、梁本体の長手方向両端部にそれぞれ連結された梁ブラケット１２とを備えている。梁ブラケット１２はＦＡランク相当のＨ形鋼で構成され、梁ブラケット１２の端部が鉄骨柱３０に外側面に突き当てられて溶接等により接合されている。なお、梁ブラケット１２は工場等で予め鉄骨柱３０に接合されており、現場において梁ブラケット１２に梁本体を溶接や高力ボルト等で連結することにより、Ｈ形鋼梁１０が構成されている。また、本実施形態では、鉄骨柱３０が角形鋼管で構成されているが、Ｈ形鋼等で構成しても良い。
【００１８】
Ｈ形鋼梁としての梁ブラケット１２は、上下一対のフランジ部１２Ａと、これらのフランジ部１２Ａを繋ぐウェブ部１２Ｂとを備えている。梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの一端は、鉄骨柱３０の外側面に突き当てられて溶接されており、鉄骨柱３０によってその変形が拘束された拘束端１２ＢＫとされている。また、ウェブ部１２Ｂには、設備等に用いられる貫通孔１４が形成されている。貫通孔１４は中心Ｃを中心とした半径Ｒの円形の孔で、梁ブラケット１２と梁本体（図示省略）との梁継手部（連結部）を避けて鉄骨柱３０側の塑性化領域に形成されている。この貫通孔１４によって、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂが部分的に欠損されている。なお、ここでいう塑性化領域とは、地震力を受けたときに、最初に塑性化し易いＨ形鋼梁１０の端部側の領域を意味し、例えば、Ｈ形鋼梁１０の梁端から梁成の１〜２倍の領域である。
【００１９】
梁ブラケット１２のフランジ部１２Ａの両面には、一対の補強プレート１６がそれぞれ設けられている。一対の補強プレート１６は、その断面積が全長に渡って略一定とされたフラットバー（平鋼板）で構成され、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔１４の上下（上下方向両側）に重ねられている。また、一対の補強プレート１６は、長手方向を梁軸方向（矢印Ｘ方向）にして略平行に配置されており、正面視にて長手方向一端（梁軸方向外側の一端）Ｌｏが貫通孔１４よりも梁軸方向外側に位置すると共に、長手方向他端（梁軸方向内側の他端）Ｌｉが貫通孔１４よりも梁軸方向内側に位置している。
【００２０】
また、図２（Ａ）に示されるように、補強プレート１６の上下端部（長辺側の端部）としての上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂは、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合されている。具体的には、補強プレート１６は、上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがその全長に渡ってウェブ部１２Ｂに隅肉溶接で連続溶接されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６が全断面積で抵抗可能になっている。
【００２１】
なお、本実施形態では、補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏ及び長手方向他端１６Ｌｉが梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合されていないが、溶接等で接合しても良い。また、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂをエポキシ樹脂等の接着剤で梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合しても良い。また、補強プレート１６は、溶接代を残して上端部１６Ａ又は下端部１６Ｂを貫通孔１４の縁に近づけることが望ましい。
【００２２】
次に、補強プレート１６の各種設定値について詳説する。なお、以下で説明する設定値は、後述する載荷実験及び解析の結果に基づくものである。
【００２３】
先ず、補強プレート１６の断面積について説明する。
【００２４】
各補強プレート１６の断面積は、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの欠損を補うように設定されている。具体的には、図１（Ｂ）に示されるように、梁軸方向（矢印Ｘ方向）と直交し、貫通孔１４の中心Ｃを通る切断面ＣＰ（１Ｂ−１Ｂ線）で切断した梁ブラケット１２及び各補強プレート１６の断面において、４本の補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍが、貫通孔１４による梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの最大断面欠損面積Ｇｍａｘ以上（Ｆｓｕｍ≧Ｇｍａｘ）になるように設定されている。この図１（Ｂ）に示される断面では、切断面ＣＰが貫通孔１４の中心Ｃを通るため、貫通孔１４による梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの断面欠損面積が最大となっている。
【００２５】
なお、図１（Ａ）及び図２（Ａ）にそれぞれ示されるように、各補強プレート１６の幅（上下方向の長さ）ＷはＲ／２以上（Ｗ≧Ｒ／２）、各補強プレート１６の板厚ｔは梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの板厚ｕ以上（ｔ≧ｕ）に設定することが好ましい。また、溶接の施工性の観点から、補強プレート１６の板厚ｔは、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの板厚ｕのワンサイズアップ以下に設定することが好ましい。
【００２６】
また、本実施形態では、各補強プレート１６の断面積Ｆを略同一に設定したがこれに限らない。各補強プレート１６の断面積Ｆは、前述した条件を満たせば良く、例えば、各補強プレート１６の幅Ｗ、板厚ｔ等を異なる値に設定しても良い。
【００２７】
次に、補強プレート１６の長手方向の長さについて説明する。
【００２８】
図１（Ａ）に示されるように、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１６の長手方向他端１６Ｌｉまでの長さ（必要長さ）Ｓ２は、下記式（１）を満たすように設定されている。
Ｓ２≧２Ｒ ・・・（１）
【００２９】
一方、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏまでの長さ（必要長さ）Ｓ１は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの拘束端１２ＢＫから梁軸方向に沿った貫通孔１４の中心Ｃまでの距離をＤとしたときに、下記式（２）及び式（３）を満たすように設定されている。
１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒの場合、
Ｄ−０．２５Ｒ≦Ｓ１≦Ｄ ・・・（２）
２．２５Ｒ＜Ｄの場合、
Ｓ１≧２Ｒ ・・・（３）
【００３０】
ここで、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂにおける拘束端１２ＢＫは、その変形が鉄骨柱３０によって拘束される。従って、ウェブ部１２Ｂにおける拘束端１２ＢＫ付近の領域（以下、「拘束端側領域Ｅ」という）では、鉄骨柱３０による補強効果が得られるため、局部座屈が発生し難くなっている。そのため、拘束端側領域Ｅは、補強プレート１６によって補強する必要がない。従って、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域と拘束端側領域Ｅとが重複する場合は、その重複量に応じて補強プレート１６の必要長さＳ１が前述した必要長さＳ２よりも短くなる。
【００３１】
本実施形態では、梁ブラケット１２の拘束端１２ＢＫから貫通孔１４側（梁軸方向内側）へ０．２５Ｒまでの領域（Ｖ＝０．２５Ｒ）が拘束端側領域Ｅとされており、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域が拘束端側領域Ｅと重複するように、即ち、１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒの範囲内に貫通孔１４が形成されている。従って、補強プレート１６の長さＳ１は、上記式（２）を満たすように設定されている。なお、補強プレート１６の長さＳ１の最小値は１．５Ｒである。
【００３２】
一方、図３に示されるように、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域と拘束端側領域Ｅとが重複しないように、即ち、２．２５Ｒ＜Ｄの範囲内に貫通孔１４が形成されている場合は、上記式（３）を満たすように補強プレート１６の長さＳ１が設定される。この場合、鉄骨柱による補強効果が得られないため、補強プレート１６の必要長さＳ１は、前述した補強プレート１６の長さＳ２（式（１）参照）と同じになる。
【００３３】
次に、本実施形態に係る作用について説明する。
【００３４】
図２（Ａ）に示されるように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの両面には、一対の補強プレート１６がそれぞれ設けられている。これらの補強プレート１６は、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔１４の上下にそれぞれ配置されており、その上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがウェブ部１２Ｂの表面に接合されている。即ち、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに一体化されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６がその全断面積で抵抗可能となり、補強プレート１６の所定断面におけるせん断応力分布Ｑが矩形となる。従って、補強プレート１６の補強効果が向上する。
【００３５】
一方、図２（Ｂ）に示される比較例のように、高力ボルト４０及びナット４２によって補強プレート１６の中央部を梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに接合する構成では、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに一体化されず、自由端部となる。従って、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが抵抗できず、所定断面におけるせん断応力分布Ｑがパラボラ形状（半円形状）となる。従って、補強プレート１６の補強効果が低下する。
【００３６】
このように本実施形態では、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂを梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合することにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対して補強プレート１６がその全断面積で抵抗するため、補強プレート１６の補強効果が向上する。
【００３７】
また、従来技術（例えば、特許文献１）のように、梁ブラケットと梁本体とを連結する梁継手部に形成された貫通孔の上下に、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがるようにアングルを設けた構成では、梁継手部において梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とが連続しておらず、これらのウェブ部がせん断力に対して抵抗しない。従って、梁継手部に作用するせん断力には主としてアングルが抵抗するため、アングルの耐力負担が大きくなる。また、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とが連続しないため、アングルにはせん断力だけでなく、局所的な曲げモーメント（局所曲げモーメント）が作用する。従って、アングルの耐力負担が更に大きくなるため、アングルの必要板厚等が厚くなる。
【００３８】
これに対して本実施形態では、梁継手部を避けて梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに貫通孔１４を形成し、この貫通孔１４の上下に補強プレート１６を設ける構成であるため、補強プレート１６、及び貫通孔１４の周辺に残存するウェブ部１２Ｂがせん断力に対して抵抗する。従って、従来技術と比較して、補強プレート１６の耐力負担が小さくなるため、補強プレート１６の板厚等を薄くすることができる。
【００３９】
また、他の従来技術として、貫通孔の外周に沿ってリングプレート（リング状の当て板）等を梁ブラケット等のウェブ部に接合する補強方法がある。この補強方法では、リングプレートの形状が円形であることから、鋼材からリングプレートを切りだすときに鋼材の無駄が生じる。さらに、溶接代を確保するためにウェブ部の貫通孔よりも大きな貫通孔を有するリングプレートを形成する必要があるため、鋼材の無駄が大きい。
【００４０】
これに対して本実施形態では、補強プレート１６の形状が矩形であることから、鋼板から補強プレート１６を効率よく切り出すことができるため、鋼材の無駄が少ない。更に、後述する載荷実験及び解析の結果に基づいて、各補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍ、及び長さＳ１，Ｓ２が設定されている。従って、過剰な補強を抑制することができるため、補強プレート１６の鋼材の無駄を省くことができる。また、後述する載荷実験及び解析の結果に基づいて、各補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍ、及び長さＳ１，Ｓ２を設定することにより、貫通孔１４がない梁ブラケット１２と同等の力学的性状を得ることができる。
【００４１】
また、前述したように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂには、貫通孔１４周辺部の耐力低下領域が拘束端１２ＢＫ側の拘束端側領域Ｅと重複するように貫通孔１４が形成されている。従って、鉄骨柱３０によって貫通孔１４周辺部の耐力低下領域が補強されるため、切断面ＣＰから梁軸方向内側へ延びる補強プレート１６の長手方向他端１６Ｌｉまでの長さＳ２と比較して、切断面ＣＰから梁軸方向外側（鉄骨柱３０側）へ延びる補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏまでの長さＳ１を短くすることができる。従って、補強プレート１６の材料コストを削減することができる。更に、鉄骨柱３０と補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏとの間に拘束端側領域Ｅ分の隙間を空けることができるため、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに対する補強プレート１６の接合作業が容易となる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、貫通孔１４が形成された梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに対する補強プレート１６の補強効果を向上することができる。
【００４３】
次に、上記実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例について説明する。
【００４４】
上記実施形態では、梁継手部（図示省略）を有するブラケットタイプのＨ形鋼梁１０を例に説明したが、上記実施形態は、梁継手部を有しないＨ形鋼梁についても適用可能である。例えば、図４には、ダイアフラム工法によって鉄骨柱３０に接合されたノンブラケットタイプのＨ形鋼梁２０が示されている。Ｈ形鋼梁２０は、上下一対のＦＡランク相当のフランジ部２０Ａと、貫通孔１４が形成されたＦＡランク相当のウェブ部２０Ｂを備えている。このＨ形鋼梁２０は、そのフランジ部２０Ａが鉄骨柱３０の外周面に設けられた一対の外ダイアフラム３２に溶接等で接合されると共に、そのウェブ部２０Ｂが鉄骨柱３０の外側面に設けられたガセットプレート３４に重ねられて高力ボルト３６によって接合されている。
【００４５】
このようにダイアフラム工法によって鉄骨柱３０に接合されたＨ形鋼梁２０には、一般に梁継手部が存在しないが、このようなＨ形鋼梁２０についても上記実施形態は適用可能である。即ち、上記実施形態における梁継手部を避けてウェブ部に形成された貫通孔とは、梁継手部が必須であることを意味するものではなく、本変形例におけるＨ形鋼梁２０のように梁継手部が存在しないウェブ部２０Ｂに形成された貫通孔１４も含む概念である。なお、ダイアフラムは、外ダイアフラム３２に限らず、内ダイアフラム、通しダイアフラムでも良い。
【００４６】
また、ガセットプレート３４によって鉄骨柱３０とＨ形鋼梁２０のウェブ部２０Ｂとを接合する構成では、ウェブ部２０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａに沿った部位が、ウェブ部２０Ｂの拘束端２０ＢＫとなる。従って、上記式（１）〜式（３）を用いる場合は、拘束端２０ＢＫを基準として貫通孔１４の中心Ｃまでの距離Ｄを求めることになる。なお、ガセットプレート３４に限らず、ガセットプレート３４に相当する部材によって鉄骨柱３０とＨ形鋼梁２０のウェブ部２０Ｂとが接合される場合についても同様である。
【００４７】
次に、図５（Ａ）に示される変形例のように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに２つの貫通孔２２，２４が隣接して形成されている場合は、一対の補強プレート２６によってウェブ部１２Ｂにおける２つの貫通孔２２，２４の周辺部を補強しても良い。
【００４８】
具体的には、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂには、半径が異なる２つの貫通孔２２，２４が隣接して形成されている。貫通孔２２は中心Ｃ１を中心とする半径Ｒ１の円形の孔とされ、貫通孔２４は中心Ｃ２を中心とする半径Ｒ２（Ｒ１＞Ｒ２）の円形の孔とされている。これらの貫通孔２２，２４の上下には、２つの貫通孔２２，２４にまたがるように一対の補強プレート２６がそれぞれ設けられている。なお、一対の補強プレート２６は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの両面に設けられている。
【００４９】
また、一対の補強プレート２６に関し、貫通孔２４の中心Ｃ２を通る切断面ＣＰ２から梁軸方向に沿った補強プレート２６の長手方向他端２６Ｌｉまでの長さＳ２は、上記式（１）を満たすように設定されており、貫通孔２２の中心Ｃ１を通る切断面ＣＰ１から梁軸方向に沿った補強プレート２６の長手方向一端２６Ｌｏまでの長さＳ１は上記式（２）及び式（３）を満たすように設定されている。更に、補強プレート２６の幅Ｗや断面積等の条件も上記実施形態と同様である。
【００５０】
なお、本変形例では、補強プレート２６の長さＳ１は貫通孔２２の半径Ｒ１を基準として設定され、補強プレート２６の長さＳ２は貫通孔２４の半径Ｒ２を基準として設定される。例えば、補強プレート２６の長さＳ１を算出する際は、式（２）及び式（３）における半径Ｒとして貫通孔２２の半径Ｒ１が用いられる。また、半径Ｒ１及び半径Ｒ２の大きい方をＲｍａｘとすると、補強プレート２６の幅Ｗは、Ｗ≧Ｒｍａｘ／２に設定されている。なお、貫通孔２２の半径Ｒ１と貫通孔２４の半径Ｒ２とは、同じでも良いし、Ｒ１＜Ｒ２でも良い。
【００５１】
このように２つの貫通孔２２，２４にまたがる一対の補強プレート２６によってウェブ部１２Ｂにおける貫通孔２２，２４の周辺部を補強することにより、２つの貫通孔２２，２４を別々の補強プレート２６で補強する構成と比較して、補強プレート２６の数を低減することができる。従って、施工性が向上する。また、２つの貫通孔２２，２４の周辺部に対する補強を別々に検討し、貫通孔２２の周辺部にのみ補強が必要な場合であっても、貫通孔２２に貫通孔２４が接近していると、貫通孔２４の影響によって貫通孔２２の周辺部に対する補強のみでは性能を確保できない場合がある。この場合に、一対の補強プレート２６によって貫通孔２２，２４の周辺部を連続補強とすることにより性能を確保することができる。
【００５２】
なお、貫通孔２２の半径Ｒ１と貫通孔２４の半径Ｒ２の平均値をＲａｖｅ（＝（Ｒ１＋Ｒ２）／２）とし、貫通孔２２，２４の中心Ｃ１，Ｃ２間の距離をＰとしたときに、４Ｒａｖｅ＜Ｐとなる場合は、図５（Ｂ）に示されるように、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔２２，２４の周辺部を別々の補強プレート４６，４８で補強しても良い。また、梁ブラケット１２に作用する曲げモーメントは、鉄骨柱３０から離れるに従って小さくなる。従って、４Ｒａｖｅ＜Ｐであって、補強の必要がない程度に貫通孔２４が鉄骨柱３０から離れている場合は、貫通孔２４を補強しなくても良い。
【００５３】
また、図５（Ｂ）に示される変形例において、切断面ＣＰ１から補強プレート４６の長手方向一端４６Ｌｏまでの長さＳ１、及び切断面ＣＰ１から補強プレート４６の長手方向他端４６Ｌｉまでの長さＳ２を求める際は、上記式（１）〜式（３）における半径Ｒとして、貫通孔２２の半径Ｒ１を用いれば良い。これと同様に、切断面ＣＰ２から補強プレート４８の長手方向一端４８Ｌｏまでの長さＳ１、及び切断面ＣＰ２から補強プレート４８の長手方向他端４８Ｌｉまでの長さＳ２を求める際は、上記式（１）〜式（３）における半径Ｒとして、貫通孔２４の半径Ｒ２を用いれば良い。
【００５４】
次に、上記実施形態では、補強プレート１６としてフラットバー（平鋼板）を用いたが、補強プレートとしては、Ｌ形鋼、Ｔ形鋼、Ｃ形鋼等のアングルを用いても良い。このようにアングルを用いることにより、フラットバーを用いた構成と比較して、Ｈ形鋼梁１０の変形性能を向上することができる。
【００５５】
また、貫通孔１４の周辺に小梁が取り付く場合は、補強プレート１６を回し溶接すれば良い。更に、補強プレート１６は一部材（一枚板）に限定されず、分割された複数部材を一部材と同等の性能になるように接合して用いることも可能である。小梁用ガセットプレート等により分割される場合も同様である。
【００５６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、一実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００５７】
次に、載荷実験及び解析について説明する。
【００５８】
＜概要＞
本載荷実験及び解析では、補強プレートの断面積、長さ、幅、形状等をパラメータとし、実験モデルを用いた載荷実験、及び解析モデルを用いた有限要素法による解析を行った。
【００５９】
＜実験モデル及び解析モデル＞
図６（Ａ）には、各種の実験モデル及び解析モデルの基本モデルが示されている。基本モデルにおけるＨ形鋼梁６０は、曲げモーメントが卓越するロングスパン梁を模擬したものであり、長手方向一端部が図示しない鉄骨柱に接合（解析モデルでは、固定）された片持ち梁とされている。Ｈ形鋼梁６０は、上下一対のフランジ部６０Ａとウェブ部６０Ｂを備えたＦＡランク相当のＨ形鋼（強度４９０Ｎ／ｍｍ２級）で構成され、梁スパンが１２５０ｍｍ、梁成が３００ｍｍとされている。また、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂには中心Ｃを中心とした半径Ｒ（＝７６ｍｍ）の円形の貫通孔６４が形成されており、ウェブ部６０Ｂの最大断面欠損面積Ｇｍａｘが９１２ｍｍ２（＝半径７６ｍｍ×２×板厚６ｍｍ）とされている。また、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの板厚は６ｍｍとされている。
【００６０】
Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに対する補強としては、図６（Ｂ）に示されるようにウェブ部６０Ｂの両面に補強プレートとしての一対のフラットバー（平鋼板）６６を設けた構成（以下、「補強タイプ１」という）と、図６（Ｃ）に示されるようにウェブ部６０Ｂの一方の面に一対の補強プレートとしてのフラットバー６６を設けると共に、ウェブ部６０Ｂの他方の面に補強プレートとしての一対のアングル（Ｌ形鋼）６８を設けた構成（以下、「補強タイプ２」という）を用いた。
【００６１】
補強タイプ１及び補強タイプ２における一対のフラットバー６６は、貫通孔６４の上下に設けられており、上下端部がＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの表面に隅肉溶接（解析モデルでは、固定）されている。また、補強タイプ２における一対のアングル６８は、フランジ部６８Ａとウェブ部６８Ｂとを備え、ウェブ部６８ＢをＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに重ねると共に、フランジ部６８Ａを貫通孔６４側に向けて配置されている。また、アングル６８では、ウェブ部６８Ｂの上下端部がＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに隅肉溶接（解析モデルでは、固定）されている。
【００６２】
図７には、各モデル１〜１９の詳細が示されている。これらのモデル１〜１９について、Ｈ形鋼梁６０の長手方向一端部を図示しない鉄骨柱に接合（解析モデルでは、固定支持）した状態で、Ｈ形鋼梁６０の長手方向他端部の加力点Ｐ（フランジ部６０Ａ間の中間点）に鉛直荷重を上方へ載荷しながら同加力点（変位測定点）Ｐの変位を計測した。
【００６３】
なお、モデル１は、基本モデルに貫通孔６４が形成されていない無孔の構成であり、モデル２は、基本モデルに貫通孔６４が形成されているが、補強プレート（フラットバー６６及びアングル６８）がない構成である。また、モデル４は、図６（Ｂ）に示される補強タイプ１の構成において、あえて断面積が設定した条件に満たない場合を見るためにＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの片面にのみ２本とし、かつ板厚の小さいフラットバー６６を設けた構成である。更に、図７に示される補強プレートの各種寸法は、補強タイプ１ではフラットバー６６の寸法を示し、補強タイプ２ではフラットバー６６及びアングル６８のウェブ部６０Ｂの寸法を示している。
【００６４】
＜評価基準＞
性能評価では、全塑性耐力及び塑性変形倍率の２つの項目について評価した。なお、全塑性耐力及び塑性変形倍率の２つの項目が以下の基準値を満たすことが必須条件である。全塑性耐力とは、図８（Ａ）に示されるように、載荷実験等の結果から得られた荷重変形関係において、初期剛性の延長線８０と二次勾配の延長線８２が交差する交点８４の荷重（耐力）を意味し、無孔のモデル１の全塑性耐力を基準にモデル３〜１９の全塑性耐力を評価した。また、塑性変形倍率は変形性能を表す指標であり、図８（Ｂ）に示されるように、前述した全塑性耐力の変位をδＰとし、最大耐力の変位をδＵとしたときに、塑性変形倍率＝（δＵ／δＰ）−１で表されるものであり、鋼構造限界状態設計指針・同解説（日本建築学会）に規定されたＦＡランクに相当するＰ−１―１区分（塑性変形倍率≧４）を基準に、モデル３〜１９の塑性変形倍率を評価した。
【００６５】
＜載荷実験結果及び解析結果＞
図９〜図１７には、載荷実験又は解析の結果が示されている。
【００６６】
先ず、図９及び下記表１には、モデル１〜４の載荷実験結果が示されている。なお、モデル３とモデル４では、フラットバー６６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍが異なっており、合計値Ｆｓｕｍを貫通孔６４による最大断面欠損面積Ｇｍａｘ（＝９１２ｍｍ２）で除した値がモデル３では１．０５（＝９６０ｍｍ２／９１２ｍｍ２）となり、モデル４では０．５３（＝４８０ｍｍ２／９１２ｍｍ２）となっている。
【００６７】
【表１】
【００６８】
図９から分かるように、モデル３では、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られた。また、表１から分かるように、モデル１の全塑性耐力は２１２．０６ｋＮであるのに対し、モデル３の全塑性耐力は２２１．２４ｋＮとなり、モデル３の全塑性耐力が基準値であるモデル１の全塑性耐力よりも大きくなった。更に、モデル３の塑性変形倍率は６．８２ｋＮとなり、基準値以上（塑性変形倍率≧４）となった。一方、モデル４では、全塑性耐力が１９４．７６ｋＮとなり、基準値よりも小さくなった。このことから、フラットバー６６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍが貫通孔６４による最大断面欠損面積Ｇｍａｘ以上のときに、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状を得られることが確認できる。
【００６９】
次に、図１０には、モデル１〜３の載荷実験結果及び解析結果が示されている。図１０から分かるように、各モデル１〜３の解析結果が各々の載荷実験結果に類似していることから、本解析が妥当であることが確認できる。
【００７０】
次に、図１１には、モデル１，及びモデル５〜７の解析結果が示されている。なお、モデル５〜７では、フラットバー６６の幅Ｗが異なっている（図７参照）。また、モデル６の幅Ｗ（３８ｍｍ）は、貫通孔６４の半径Ｒ（７６ｍｍ）の１／２とされている。
【００７１】
図１１から分かるように、モデル５では、全塑性耐力が基準値を下回った。一方、モデル６，７では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。このことから、フラットバー６６の幅Ｗは、貫通孔６４の半径Ｒの１／２以上（Ｗ≧Ｒ／２）であることが好ましいことが分かる。なお、本条件は必須条件ではなく、例えば、フラットバー６６の幅板厚比等によりＷ＜Ｒ／２でも良い場合がある。
【００７２】
次に、図１２にはモデル１、及びモデル８〜１１の解析結果が示されており、図１３（Ａ）には解析結果から得られたモデル１、及びモデル８〜１１の全塑性耐力が示されている。なお、モデル８〜１１では、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が異なっている（図７参照）。また、図１３（Ｂ）には、解析結果から得られたモデル１、及びモデル９，１０，１２〜１４の全塑性耐力が示されている。なお、モデル１０とモデル９，１２〜１４とは、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が異なっている（図７参照）。また、モデル９，１２〜１４では、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２が異なっている（図７参照）。
【００７３】
図１２及び図１３（Ａ）から分かるように、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心までの距離Ｄが一定の場合、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が大きくなるにつれて全塑性耐力が大きくなる傾向があり、モデル８，９では全塑性耐力が基準値を下回った。一方、モデル１０，１１では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。このことから、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が１．７５Ｒ以上のときに無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られることが確認できる。更に、図１３（Ｂ）から分かるように、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２が大きくなるにつれて全塑性耐力が大きくなる傾向があり、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１を図１２及び図１３（Ａ）から確認された下限値の１．７５Ｒにし、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２を２Ｒとしたモデル１０では全塑性耐力が基準値以上となり、塑性変形倍率も基準値以上となった。このことから、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２が２Ｒ以上のときに、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られることが確認できる。
【００７４】
ここで、フラットバー６６及びアングル６８では、必要長さＳ１が必要長さＳ２よりも短くなっている。これは、図６（Ａ）に示されるように、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫの支持条件が固定とされているため、拘束端６０ＢＫ周辺部の変形が小さくなったためと考えられる。本解析では、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄが２Ｒとされている。従って、距離Ｄからフラットバー６６及びアングル６８の必要長さＳ１を差し引いた領域、即ち、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４側へ０．２５Ｒ（＝２Ｒ−１．７５Ｒ）までの領域（図１（Ａ）における拘束端側領域Ｅに相当）では、フラットバー６６及びアングル６８による補強が不要であることが確認できる。
【００７５】
図１４（Ａ）には、モデル1，及びモデル６，１５〜１７の解析結果が示されている。また、図１４（Ｂ）には、解析結果から得られたモデル６，１５〜１７の全塑性耐力が示されている。なお、モデル６，１５〜１７では、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄ、及びフラットバー６６の長さＳ１（＝Ｄ−０．２５Ｒ）が異なっている。
【００７６】
図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）から分かるように、モデル１６，１７では、全塑性耐力が基準値を下回った。一方、モデル１５では、全塑性耐力が基準値を僅かに上回り、塑性変形倍率が基準値以上となった。また、モデル６では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。このことから、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄが１．７５Ｒ以上、且つフラットバー６６の長さＳ１が１．５Ｒ以上（Ｓ１≦Ｄ）のときに、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られることが確認できる。
【００７７】
次に、図１５には、モデル１，及びモデル３’，１８の解析結果が示されている。なお、モデル３’とモデル１８とでは補強タイプが異なっている（図７参照）。
【００７８】
図１５から分かるように、モデル３’，１８では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。また、モデル１８は、モデル３’と比較して大変位量領域において耐力の低下が小さくなった。このことから、フラットバー６６とアングル６８とを組み合わせたモデル１８は、フラットバー６６のみを用いたモデル３’と比較して変形性能（塑性変形倍率）が向上したことが確認できる。
【００７９】
次に、図１６には、モデル１，１５，１９の解析結果が示されている。ここで、モデル１９は、ダイアフラム工法による鉄骨柱との接合を模擬したモデルであり、モデル１５においてＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの片面にガセットプレート３４（図４参照）を設けたものである。なお、モデル１９では、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａ（図４参照）から貫通孔６４の中心までの距離Ｄが１．７５Ｒとされている。また、ガセットプレート３４が重ねられたウェブ部６０Ｂの領域は、その支持条件が固定とされている。
【００８０】
図１６から分かるように、モデル１５，１９では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。また、モデル１９の解析結果が、モデル１５の解析結果に近似した。このことから、モデル１９では、ウェブ部６０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａ（図４参照）に沿った部位が、モデル１５における拘束端６０ＢＫに相当することが確認できる。
【００８１】
次に、図１７には、モデル１８、及びモデル１８においてフラットバー６６にＳＳ４００（強度４００Ｎ／ｍｍ２級）を用いたモデル１８’の解析結果が示されている。なお、モデル１８では、フラットバー６６にＳＮ４９０（強度４９０Ｎ／ｍｍ２級）が用いられている。
【００８２】
図１７から分かるように、モデル１８’の解析結果がモデル１８の解析結果に近似した。このことから、フラットバー６６の鋼材強度は、Ｈ形鋼梁６０の鋼材強度と同等、若しくはＨ形鋼梁６０の鋼材強度のワンランク下程度でも良いことが確認できる。
【００８３】
以上の載荷実験結果及び解析結果から上記実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の有効性が確認できた。
【符号の説明】
【００８４】
１２ 梁ブラケット（Ｈ形鋼梁）
１２Ｂ ウェブ部
１２ＢＫ 拘束端
１４ 貫通孔
１６ 補強プレート
１６Ａ 上端部
１６Ｂ 下端部
１６Ｌｏ 長手方向一端
１６Ｌｉ 長手方向他端
２０ Ｈ形鋼梁
２０Ｂ ウェブ部
２０ＢＫ 拘束端
２２ 貫通孔
２４ 貫通孔
２６ 補強プレート
２６Ｌｏ 長手方向一端
２６Ｌｉ 長手方向他端
３０ 鉄骨柱
３４Ａ 端部（拘束端）
４６ 補強プレート
４６Ｌｏ 長手方向一端
４６Ｌｉ 長手方向他端
４８ 補強プレート
４８Ｌｏ 長手方向一端
４８Ｌｉ 長手方向他端
６０ Ｈ形鋼梁
６０Ｂ ウェブ部
６０ＢＫ 拘束端
６４ 貫通孔
６６ フラットバー（補強プレート）
６８ アングル（補強プレート）
ＣＰ 切断面
ＣＰ１ 切断面
ＣＰ２ 切断面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄骨有孔梁の補強構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鉄骨梁において、開口が形成された梁端部を補強する補強構造が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された補強構造では、梁ブラケットと梁本体とを連結する梁継手部に、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがって貫通孔（開口）が形成されている。この貫通孔の上下には梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがるアングルが設けられている。これらのアングルによって、貫通孔により断面欠損された梁継手部が補強されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１７９７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された補強構造では、梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に、アングルの中央部を高力ボルトで摩擦接合するため、アングルの上下端部が梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に一体化されず、自由端部となる。従って、梁ブラケットのウェブ部及び梁本体のウェブ部に作用するせん断力に対し、アングルの上下端部が抵抗できず、十分な補強効果を得ることが困難な場合がある。
【０００５】
本発明は、上記の事実を考慮し、補強効果が向上された鉄骨有孔梁の補強構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、梁継手部を避けてウェブ部に貫通孔が形成されたＨ形鋼梁と、前記ウェブ部の両面に設けられ、長手方向を前記Ｈ形鋼梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、を備えている。
【０００７】
請求項１に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、補強プレートの上下端部をウェブ部に接合したことにより、Ｈ形鋼梁のウェブ部に作用するせん断力に対し、補強プレートが全断面積で抵抗可能になる。従って、補強プレートの補強効果が向上する。
【０００８】
なお、本発明におけるＨ形鋼梁は、梁継手部を有するブラケットタイプのＨ形鋼梁だけでなく、梁継手部を有しないノンブラケットタイプのＨ形鋼梁も含む概念である。
【０００９】
請求項２に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造において、前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、前記切断面から前記補強プレートの長手方向両端までの長さをそれぞれＳ１，Ｓ２、前記貫通孔の半径をＲとしたときに、Ｓ１≧２Ｒ、かつＳ２≧２Ｒとされている。
【００１０】
請求項２に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、ウェブ部に貫通孔がない無孔（無開口）のＨ形鋼梁と同等の力学的性状を得ることができる。
【００１１】
請求項３に記載の鉄骨有孔梁の補強構造は、請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造において、前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、前記Ｈ形鋼梁が接合される鉄骨柱によって拘束される前記ウェブ部の拘束端から前記貫通孔の中心までの距離をＤ、前記貫通孔の半径をＲ、前記切断面から前記鉄骨柱側の前記補強プレートの長手方向一端までの長さをＳ１、前記切断面から前記補強プレートの長手方向他端までの長さをＳ２としたときに、１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ１≦Ｄ、かつＳ２≧２Ｒとされている。
【００１２】
請求項３に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、ウェブ部に貫通孔がない無孔（無開口）のＨ形鋼梁と同等の力学的性状を得ることができる。また、補強プレートの長さＳ２と比較して、鉄骨柱側の補強プレートの長さＳ１を短くすることができる。従って、補強プレートの材料コストを削減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、補強効果を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）は本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図である。
【図２】（Ａ）は図１（Ｂ）の一部拡大断面図であり、（Ｂ）は比較例を示す図２（Ａ）に相当する断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例が適用されたＨ形鋼梁を示す正面図である。
【図６】（Ａ）は載荷実験及び解析に用いた実験モデル及び解析モデルの基本モデルを示す斜視図であり、（Ｂ）は図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線断面であり、（Ｃ）は他の解析モデルを示す図６（Ｂ）に相当する断面図である。
【図７】載荷実験及び解析に用いた実験モデル及び解析モデルの詳細を示す表である。
【図８】（Ａ）は載荷実験結果及び解析結果を評価項目である全塑性耐力を説明するための模式グラフであり、（Ｂ）は同評価項目である塑性変形倍率を説明するための模式グラフである。
【図９】載荷実験結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１０】載荷実験及び解析の結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１１】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１２】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１３】（Ａ）は解析結果から得られた全塑性耐力と補強プレートの長さＳ１との関係を示すグラフであり、（Ｂ）は解析結果から得られた全塑性耐力と補強プレートの長さＳ２との関係を示すグラフである。
【図１４】（Ａ）は解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフであり、（Ｂ）は解析結果から得られた全塑性耐力と距離Ｄとの関係を示すグラフである。
【図１５】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１６】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【図１７】解析結果から得られた荷重変位関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造について説明する。
【００１６】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）には、本実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造が適用されたＨ形鋼梁１０が示されている。なお、矢印Ｘは、Ｈ形鋼梁１０の梁軸方向を示しており、梁軸方向のうちＨ形鋼梁１０の端部（鉄骨柱３０）に向う方向を梁軸方向外側とし、Ｈ形鋼梁１０の中央部に向う方向を梁軸方向内側として以下説明する。
【００１７】
Ｈ形鋼梁１０は、鉄骨柱３０と図示しない鉄骨柱の間に架設されている。このＨ形鋼梁１０は、図示しない梁本体と、梁本体の長手方向両端部にそれぞれ連結された梁ブラケット１２とを備えている。梁ブラケット１２はＦＡランク相当のＨ形鋼で構成され、梁ブラケット１２の端部が鉄骨柱３０に外側面に突き当てられて溶接等により接合されている。なお、梁ブラケット１２は工場等で予め鉄骨柱３０に接合されており、現場において梁ブラケット１２に梁本体を溶接や高力ボルト等で連結することにより、Ｈ形鋼梁１０が構成されている。また、本実施形態では、鉄骨柱３０が角形鋼管で構成されているが、Ｈ形鋼等で構成しても良い。
【００１８】
Ｈ形鋼梁としての梁ブラケット１２は、上下一対のフランジ部１２Ａと、これらのフランジ部１２Ａを繋ぐウェブ部１２Ｂとを備えている。梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの一端は、鉄骨柱３０の外側面に突き当てられて溶接されており、鉄骨柱３０によってその変形が拘束された拘束端１２ＢＫとされている。また、ウェブ部１２Ｂには、設備等に用いられる貫通孔１４が形成されている。貫通孔１４は中心Ｃを中心とした半径Ｒの円形の孔で、梁ブラケット１２と梁本体（図示省略）との梁継手部（連結部）を避けて鉄骨柱３０側の塑性化領域に形成されている。この貫通孔１４によって、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂが部分的に欠損されている。なお、ここでいう塑性化領域とは、地震力を受けたときに、最初に塑性化し易いＨ形鋼梁１０の端部側の領域を意味し、例えば、Ｈ形鋼梁１０の梁端から梁成の１〜２倍の領域である。
【００１９】
梁ブラケット１２のフランジ部１２Ａの両面には、一対の補強プレート１６がそれぞれ設けられている。一対の補強プレート１６は、その断面積が全長に渡って略一定とされたフラットバー（平鋼板）で構成され、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔１４の上下（上下方向両側）に重ねられている。また、一対の補強プレート１６は、長手方向を梁軸方向（矢印Ｘ方向）にして略平行に配置されており、正面視にて長手方向一端（梁軸方向外側の一端）Ｌｏが貫通孔１４よりも梁軸方向外側に位置すると共に、長手方向他端（梁軸方向内側の他端）Ｌｉが貫通孔１４よりも梁軸方向内側に位置している。
【００２０】
また、図２（Ａ）に示されるように、補強プレート１６の上下端部（長辺側の端部）としての上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂは、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合されている。具体的には、補強プレート１６は、上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがその全長に渡ってウェブ部１２Ｂに隅肉溶接で連続溶接されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６が全断面積で抵抗可能になっている。
【００２１】
なお、本実施形態では、補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏ及び長手方向他端１６Ｌｉが梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合されていないが、溶接等で接合しても良い。また、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂをエポキシ樹脂等の接着剤で梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合しても良い。また、補強プレート１６は、溶接代を残して上端部１６Ａ又は下端部１６Ｂを貫通孔１４の縁に近づけることが望ましい。
【００２２】
次に、補強プレート１６の各種設定値について詳説する。なお、以下で説明する設定値は、後述する載荷実験及び解析の結果に基づくものである。
【００２３】
先ず、補強プレート１６の断面積について説明する。
【００２４】
各補強プレート１６の断面積は、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの欠損を補うように設定されている。具体的には、図１（Ｂ）に示されるように、梁軸方向（矢印Ｘ方向）と直交し、貫通孔１４の中心Ｃを通る切断面ＣＰ（１Ｂ−１Ｂ線）で切断した梁ブラケット１２及び各補強プレート１６の断面において、４本の補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍが、貫通孔１４による梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの最大断面欠損面積Ｇｍａｘ以上（Ｆｓｕｍ≧Ｇｍａｘ）になるように設定されている。この図１（Ｂ）に示される断面では、切断面ＣＰが貫通孔１４の中心Ｃを通るため、貫通孔１４による梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの断面欠損面積が最大となっている。
【００２５】
なお、図１（Ａ）及び図２（Ａ）にそれぞれ示されるように、各補強プレート１６の幅（上下方向の長さ）ＷはＲ／２以上（Ｗ≧Ｒ／２）、各補強プレート１６の板厚ｔは梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの板厚ｕ以上（ｔ≧ｕ）に設定することが好ましい。また、溶接の施工性の観点から、補強プレート１６の板厚ｔは、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの板厚ｕのワンサイズアップ以下に設定することが好ましい。
【００２６】
また、本実施形態では、各補強プレート１６の断面積Ｆを略同一に設定したがこれに限らない。各補強プレート１６の断面積Ｆは、前述した条件を満たせば良く、例えば、各補強プレート１６の幅Ｗ、板厚ｔ等を異なる値に設定しても良い。
【００２７】
次に、補強プレート１６の長手方向の長さについて説明する。
【００２８】
図１（Ａ）に示されるように、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１６の長手方向他端１６Ｌｉまでの長さ（必要長さ）Ｓ２は、下記式（１）を満たすように設定されている。
Ｓ２≧２Ｒ ・・・（１）
【００２９】
一方、切断面ＣＰから梁軸方向に沿った補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏまでの長さ（必要長さ）Ｓ１は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの拘束端１２ＢＫから梁軸方向に沿った貫通孔１４の中心Ｃまでの距離をＤとしたときに、下記式（２）及び式（３）を満たすように設定されている。
１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒの場合、
Ｄ−０．２５Ｒ≦Ｓ１≦Ｄ ・・・（２）
２．２５Ｒ＜Ｄの場合、
Ｓ１≧２Ｒ ・・・（３）
【００３０】
ここで、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂにおける拘束端１２ＢＫは、その変形が鉄骨柱３０によって拘束される。従って、ウェブ部１２Ｂにおける拘束端１２ＢＫ付近の領域（以下、「拘束端側領域Ｅ」という）では、鉄骨柱３０による補強効果が得られるため、局部座屈が発生し難くなっている。そのため、拘束端側領域Ｅは、補強プレート１６によって補強する必要がない。従って、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域と拘束端側領域Ｅとが重複する場合は、その重複量に応じて補強プレート１６の必要長さＳ１が前述した必要長さＳ２よりも短くなる。
【００３１】
本実施形態では、梁ブラケット１２の拘束端１２ＢＫから貫通孔１４側（梁軸方向内側）へ０．２５Ｒまでの領域（Ｖ＝０．２５Ｒ）が拘束端側領域Ｅとされており、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域が拘束端側領域Ｅと重複するように、即ち、１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒの範囲内に貫通孔１４が形成されている。従って、補強プレート１６の長さＳ１は、上記式（２）を満たすように設定されている。なお、補強プレート１６の長さＳ１の最小値は１．５Ｒである。
【００３２】
一方、図３に示されるように、貫通孔１４によるウェブ部１２Ｂの耐力低下領域と拘束端側領域Ｅとが重複しないように、即ち、２．２５Ｒ＜Ｄの範囲内に貫通孔１４が形成されている場合は、上記式（３）を満たすように補強プレート１６の長さＳ１が設定される。この場合、鉄骨柱による補強効果が得られないため、補強プレート１６の必要長さＳ１は、前述した補強プレート１６の長さＳ２（式（１）参照）と同じになる。
【００３３】
次に、本実施形態に係る作用について説明する。
【００３４】
図２（Ａ）に示されるように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの両面には、一対の補強プレート１６がそれぞれ設けられている。これらの補強プレート１６は、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔１４の上下にそれぞれ配置されており、その上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂがウェブ部１２Ｂの表面に接合されている。即ち、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに一体化されている。これにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６がその全断面積で抵抗可能となり、補強プレート１６の所定断面におけるせん断応力分布Ｑが矩形となる。従って、補強プレート１６の補強効果が向上する。
【００３５】
一方、図２（Ｂ）に示される比較例のように、高力ボルト４０及びナット４２によって補強プレート１６の中央部を梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに接合する構成では、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに一体化されず、自由端部となる。従って、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対し、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂが抵抗できず、所定断面におけるせん断応力分布Ｑがパラボラ形状（半円形状）となる。従って、補強プレート１６の補強効果が低下する。
【００３６】
このように本実施形態では、補強プレート１６の上端部１６Ａ及び下端部１６Ｂを梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの表面に接合することにより、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに作用するせん断力に対して補強プレート１６がその全断面積で抵抗するため、補強プレート１６の補強効果が向上する。
【００３７】
また、従来技術（例えば、特許文献１）のように、梁ブラケットと梁本体とを連結する梁継手部に形成された貫通孔の上下に、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とにまたがるようにアングルを設けた構成では、梁継手部において梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とが連続しておらず、これらのウェブ部がせん断力に対して抵抗しない。従って、梁継手部に作用するせん断力には主としてアングルが抵抗するため、アングルの耐力負担が大きくなる。また、梁ブラケットのウェブ部と梁本体のウェブ部とが連続しないため、アングルにはせん断力だけでなく、局所的な曲げモーメント（局所曲げモーメント）が作用する。従って、アングルの耐力負担が更に大きくなるため、アングルの必要板厚等が厚くなる。
【００３８】
これに対して本実施形態では、梁継手部を避けて梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに貫通孔１４を形成し、この貫通孔１４の上下に補強プレート１６を設ける構成であるため、補強プレート１６、及び貫通孔１４の周辺に残存するウェブ部１２Ｂがせん断力に対して抵抗する。従って、従来技術と比較して、補強プレート１６の耐力負担が小さくなるため、補強プレート１６の板厚等を薄くすることができる。
【００３９】
また、他の従来技術として、貫通孔の外周に沿ってリングプレート（リング状の当て板）等を梁ブラケット等のウェブ部に接合する補強方法がある。この補強方法では、リングプレートの形状が円形であることから、鋼材からリングプレートを切りだすときに鋼材の無駄が生じる。さらに、溶接代を確保するためにウェブ部の貫通孔よりも大きな貫通孔を有するリングプレートを形成する必要があるため、鋼材の無駄が大きい。
【００４０】
これに対して本実施形態では、補強プレート１６の形状が矩形であることから、鋼板から補強プレート１６を効率よく切り出すことができるため、鋼材の無駄が少ない。更に、後述する載荷実験及び解析の結果に基づいて、各補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍ、及び長さＳ１，Ｓ２が設定されている。従って、過剰な補強を抑制することができるため、補強プレート１６の鋼材の無駄を省くことができる。また、後述する載荷実験及び解析の結果に基づいて、各補強プレート１６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍ、及び長さＳ１，Ｓ２を設定することにより、貫通孔１４がない梁ブラケット１２と同等の力学的性状を得ることができる。
【００４１】
また、前述したように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂには、貫通孔１４周辺部の耐力低下領域が拘束端１２ＢＫ側の拘束端側領域Ｅと重複するように貫通孔１４が形成されている。従って、鉄骨柱３０によって貫通孔１４周辺部の耐力低下領域が補強されるため、切断面ＣＰから梁軸方向内側へ延びる補強プレート１６の長手方向他端１６Ｌｉまでの長さＳ２と比較して、切断面ＣＰから梁軸方向外側（鉄骨柱３０側）へ延びる補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏまでの長さＳ１を短くすることができる。従って、補強プレート１６の材料コストを削減することができる。更に、鉄骨柱３０と補強プレート１６の長手方向一端１６Ｌｏとの間に拘束端側領域Ｅ分の隙間を空けることができるため、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに対する補強プレート１６の接合作業が容易となる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造によれば、貫通孔１４が形成された梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに対する補強プレート１６の補強効果を向上することができる。
【００４３】
次に、上記実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の変形例について説明する。
【００４４】
上記実施形態では、梁継手部（図示省略）を有するブラケットタイプのＨ形鋼梁１０を例に説明したが、上記実施形態は、梁継手部を有しないＨ形鋼梁についても適用可能である。例えば、図４には、ダイアフラム工法によって鉄骨柱３０に接合されたノンブラケットタイプのＨ形鋼梁２０が示されている。Ｈ形鋼梁２０は、上下一対のＦＡランク相当のフランジ部２０Ａと、貫通孔１４が形成されたＦＡランク相当のウェブ部２０Ｂを備えている。このＨ形鋼梁２０は、そのフランジ部２０Ａが鉄骨柱３０の外周面に設けられた一対の外ダイアフラム３２に溶接等で接合されると共に、そのウェブ部２０Ｂが鉄骨柱３０の外側面に設けられたガセットプレート３４に重ねられて高力ボルト３６によって接合されている。
【００４５】
このようにダイアフラム工法によって鉄骨柱３０に接合されたＨ形鋼梁２０には、一般に梁継手部が存在しないが、このようなＨ形鋼梁２０についても上記実施形態は適用可能である。即ち、上記実施形態における梁継手部を避けてウェブ部に形成された貫通孔とは、梁継手部が必須であることを意味するものではなく、本変形例におけるＨ形鋼梁２０のように梁継手部が存在しないウェブ部２０Ｂに形成された貫通孔１４も含む概念である。なお、ダイアフラムは、外ダイアフラム３２に限らず、内ダイアフラム、通しダイアフラムでも良い。
【００４６】
また、ガセットプレート３４によって鉄骨柱３０とＨ形鋼梁２０のウェブ部２０Ｂとを接合する構成では、ウェブ部２０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａに沿った部位が、ウェブ部２０Ｂの拘束端２０ＢＫとなる。従って、上記式（１）〜式（３）を用いる場合は、拘束端２０ＢＫを基準として貫通孔１４の中心Ｃまでの距離Ｄを求めることになる。なお、ガセットプレート３４に限らず、ガセットプレート３４に相当する部材によって鉄骨柱３０とＨ形鋼梁２０のウェブ部２０Ｂとが接合される場合についても同様である。
【００４７】
次に、図５（Ａ）に示される変形例のように、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂに２つの貫通孔２２，２４が隣接して形成されている場合は、一対の補強プレート２６によってウェブ部１２Ｂにおける２つの貫通孔２２，２４の周辺部を補強しても良い。
【００４８】
具体的には、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂには、半径が異なる２つの貫通孔２２，２４が隣接して形成されている。貫通孔２２は中心Ｃ１を中心とする半径Ｒ１の円形の孔とされ、貫通孔２４は中心Ｃ２を中心とする半径Ｒ２（Ｒ１＞Ｒ２）の円形の孔とされている。これらの貫通孔２２，２４の上下には、２つの貫通孔２２，２４にまたがるように一対の補強プレート２６がそれぞれ設けられている。なお、一対の補強プレート２６は、梁ブラケット１２のウェブ部１２Ｂの両面に設けられている。
【００４９】
また、一対の補強プレート２６に関し、貫通孔２４の中心Ｃ２を通る切断面ＣＰ２から梁軸方向に沿った補強プレート２６の長手方向他端２６Ｌｉまでの長さＳ２は、上記式（１）を満たすように設定されており、貫通孔２２の中心Ｃ１を通る切断面ＣＰ１から梁軸方向に沿った補強プレート２６の長手方向一端２６Ｌｏまでの長さＳ１は上記式（２）及び式（３）を満たすように設定されている。更に、補強プレート２６の幅Ｗや断面積等の条件も上記実施形態と同様である。
【００５０】
なお、本変形例では、補強プレート２６の長さＳ１は貫通孔２２の半径Ｒ１を基準として設定され、補強プレート２６の長さＳ２は貫通孔２４の半径Ｒ２を基準として設定される。例えば、補強プレート２６の長さＳ１を算出する際は、式（２）及び式（３）における半径Ｒとして貫通孔２２の半径Ｒ１が用いられる。また、半径Ｒ１及び半径Ｒ２の大きい方をＲｍａｘとすると、補強プレート２６の幅Ｗは、Ｗ≧Ｒｍａｘ／２に設定されている。なお、貫通孔２２の半径Ｒ１と貫通孔２４の半径Ｒ２とは、同じでも良いし、Ｒ１＜Ｒ２でも良い。
【００５１】
このように２つの貫通孔２２，２４にまたがる一対の補強プレート２６によってウェブ部１２Ｂにおける貫通孔２２，２４の周辺部を補強することにより、２つの貫通孔２２，２４を別々の補強プレート２６で補強する構成と比較して、補強プレート２６の数を低減することができる。従って、施工性が向上する。また、２つの貫通孔２２，２４の周辺部に対する補強を別々に検討し、貫通孔２２の周辺部にのみ補強が必要な場合であっても、貫通孔２２に貫通孔２４が接近していると、貫通孔２４の影響によって貫通孔２２の周辺部に対する補強のみでは性能を確保できない場合がある。この場合に、一対の補強プレート２６によって貫通孔２２，２４の周辺部を連続補強とすることにより性能を確保することができる。
【００５２】
なお、貫通孔２２の半径Ｒ１と貫通孔２４の半径Ｒ２の平均値をＲａｖｅ（＝（Ｒ１＋Ｒ２）／２）とし、貫通孔２２，２４の中心Ｃ１，Ｃ２間の距離をＰとしたときに、４Ｒａｖｅ＜Ｐとなる場合は、図５（Ｂ）に示されるように、ウェブ部１２Ｂにおける貫通孔２２，２４の周辺部を別々の補強プレート４６，４８で補強しても良い。また、梁ブラケット１２に作用する曲げモーメントは、鉄骨柱３０から離れるに従って小さくなる。従って、４Ｒａｖｅ＜Ｐであって、補強の必要がない程度に貫通孔２４が鉄骨柱３０から離れている場合は、貫通孔２４を補強しなくても良い。
【００５３】
また、図５（Ｂ）に示される変形例において、切断面ＣＰ１から補強プレート４６の長手方向一端４６Ｌｏまでの長さＳ１、及び切断面ＣＰ１から補強プレート４６の長手方向他端４６Ｌｉまでの長さＳ２を求める際は、上記式（１）〜式（３）における半径Ｒとして、貫通孔２２の半径Ｒ１を用いれば良い。これと同様に、切断面ＣＰ２から補強プレート４８の長手方向一端４８Ｌｏまでの長さＳ１、及び切断面ＣＰ２から補強プレート４８の長手方向他端４８Ｌｉまでの長さＳ２を求める際は、上記式（１）〜式（３）における半径Ｒとして、貫通孔２４の半径Ｒ２を用いれば良い。
【００５４】
次に、上記実施形態では、補強プレート１６としてフラットバー（平鋼板）を用いたが、補強プレートとしては、Ｌ形鋼、Ｔ形鋼、Ｃ形鋼等のアングルを用いても良い。このようにアングルを用いることにより、フラットバーを用いた構成と比較して、Ｈ形鋼梁１０の変形性能を向上することができる。
【００５５】
また、貫通孔１４の周辺に小梁が取り付く場合は、補強プレート１６を回し溶接すれば良い。更に、補強プレート１６は一部材（一枚板）に限定されず、分割された複数部材を一部材と同等の性能になるように接合して用いることも可能である。小梁用ガセットプレート等により分割される場合も同様である。
【００５６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものでなく、一実施形態及び各種の変形例を適宜組み合わせて用いても良いし、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００５７】
次に、載荷実験及び解析について説明する。
【００５８】
＜概要＞
本載荷実験及び解析では、補強プレートの断面積、長さ、幅、形状等をパラメータとし、実験モデルを用いた載荷実験、及び解析モデルを用いた有限要素法による解析を行った。
【００５９】
＜実験モデル及び解析モデル＞
図６（Ａ）には、各種の実験モデル及び解析モデルの基本モデルが示されている。基本モデルにおけるＨ形鋼梁６０は、曲げモーメントが卓越するロングスパン梁を模擬したものであり、長手方向一端部が図示しない鉄骨柱に接合（解析モデルでは、固定）された片持ち梁とされている。Ｈ形鋼梁６０は、上下一対のフランジ部６０Ａとウェブ部６０Ｂを備えたＦＡランク相当のＨ形鋼（強度４９０Ｎ／ｍｍ２級）で構成され、梁スパンが１２５０ｍｍ、梁成が３００ｍｍとされている。また、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂには中心Ｃを中心とした半径Ｒ（＝７６ｍｍ）の円形の貫通孔６４が形成されており、ウェブ部６０Ｂの最大断面欠損面積Ｇｍａｘが９１２ｍｍ２（＝半径７６ｍｍ×２×板厚６ｍｍ）とされている。また、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの板厚は６ｍｍとされている。
【００６０】
Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに対する補強としては、図６（Ｂ）に示されるようにウェブ部６０Ｂの両面に補強プレートとしての一対のフラットバー（平鋼板）６６を設けた構成（以下、「補強タイプ１」という）と、図６（Ｃ）に示されるようにウェブ部６０Ｂの一方の面に一対の補強プレートとしてのフラットバー６６を設けると共に、ウェブ部６０Ｂの他方の面に補強プレートとしての一対のアングル（Ｌ形鋼）６８を設けた構成（以下、「補強タイプ２」という）を用いた。
【００６１】
補強タイプ１及び補強タイプ２における一対のフラットバー６６は、貫通孔６４の上下に設けられており、上下端部がＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの表面に隅肉溶接（解析モデルでは、固定）されている。また、補強タイプ２における一対のアングル６８は、フランジ部６８Ａとウェブ部６８Ｂとを備え、ウェブ部６８ＢをＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに重ねると共に、フランジ部６８Ａを貫通孔６４側に向けて配置されている。また、アングル６８では、ウェブ部６８Ｂの上下端部がＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂに隅肉溶接（解析モデルでは、固定）されている。
【００６２】
図７には、各モデル１〜１９の詳細が示されている。これらのモデル１〜１９について、Ｈ形鋼梁６０の長手方向一端部を図示しない鉄骨柱に接合（解析モデルでは、固定支持）した状態で、Ｈ形鋼梁６０の長手方向他端部の加力点Ｐ（フランジ部６０Ａ間の中間点）に鉛直荷重を上方へ載荷しながら同加力点（変位測定点）Ｐの変位を計測した。
【００６３】
なお、モデル１は、基本モデルに貫通孔６４が形成されていない無孔の構成であり、モデル２は、基本モデルに貫通孔６４が形成されているが、補強プレート（フラットバー６６及びアングル６８）がない構成である。また、モデル４は、図６（Ｂ）に示される補強タイプ１の構成において、あえて断面積が設定した条件に満たない場合を見るためにＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの片面にのみ２本とし、かつ板厚の小さいフラットバー６６を設けた構成である。更に、図７に示される補強プレートの各種寸法は、補強タイプ１ではフラットバー６６の寸法を示し、補強タイプ２ではフラットバー６６及びアングル６８のウェブ部６０Ｂの寸法を示している。
【００６４】
＜評価基準＞
性能評価では、全塑性耐力及び塑性変形倍率の２つの項目について評価した。なお、全塑性耐力及び塑性変形倍率の２つの項目が以下の基準値を満たすことが必須条件である。全塑性耐力とは、図８（Ａ）に示されるように、載荷実験等の結果から得られた荷重変形関係において、初期剛性の延長線８０と二次勾配の延長線８２が交差する交点８４の荷重（耐力）を意味し、無孔のモデル１の全塑性耐力を基準にモデル３〜１９の全塑性耐力を評価した。また、塑性変形倍率は変形性能を表す指標であり、図８（Ｂ）に示されるように、前述した全塑性耐力の変位をδＰとし、最大耐力の変位をδＵとしたときに、塑性変形倍率＝（δＵ／δＰ）−１で表されるものであり、鋼構造限界状態設計指針・同解説（日本建築学会）に規定されたＦＡランクに相当するＰ−１―１区分（塑性変形倍率≧４）を基準に、モデル３〜１９の塑性変形倍率を評価した。
【００６５】
＜載荷実験結果及び解析結果＞
図９〜図１７には、載荷実験又は解析の結果が示されている。
【００６６】
先ず、図９及び下記表１には、モデル１〜４の載荷実験結果が示されている。なお、モデル３とモデル４では、フラットバー６６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍが異なっており、合計値Ｆｓｕｍを貫通孔６４による最大断面欠損面積Ｇｍａｘ（＝９１２ｍｍ２）で除した値がモデル３では１．０５（＝９６０ｍｍ２／９１２ｍｍ２）となり、モデル４では０．５３（＝４８０ｍｍ２／９１２ｍｍ２）となっている。
【００６７】
【表１】
【００６８】
図９から分かるように、モデル３では、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られた。また、表１から分かるように、モデル１の全塑性耐力は２１２．０６ｋＮであるのに対し、モデル３の全塑性耐力は２２１．２４ｋＮとなり、モデル３の全塑性耐力が基準値であるモデル１の全塑性耐力よりも大きくなった。更に、モデル３の塑性変形倍率は６．８２ｋＮとなり、基準値以上（塑性変形倍率≧４）となった。一方、モデル４では、全塑性耐力が１９４．７６ｋＮとなり、基準値よりも小さくなった。このことから、フラットバー６６の断面積Ｆの合計値Ｆｓｕｍが貫通孔６４による最大断面欠損面積Ｇｍａｘ以上のときに、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状を得られることが確認できる。
【００６９】
次に、図１０には、モデル１〜３の載荷実験結果及び解析結果が示されている。図１０から分かるように、各モデル１〜３の解析結果が各々の載荷実験結果に類似していることから、本解析が妥当であることが確認できる。
【００７０】
次に、図１１には、モデル１，及びモデル５〜７の解析結果が示されている。なお、モデル５〜７では、フラットバー６６の幅Ｗが異なっている（図７参照）。また、モデル６の幅Ｗ（３８ｍｍ）は、貫通孔６４の半径Ｒ（７６ｍｍ）の１／２とされている。
【００７１】
図１１から分かるように、モデル５では、全塑性耐力が基準値を下回った。一方、モデル６，７では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。このことから、フラットバー６６の幅Ｗは、貫通孔６４の半径Ｒの１／２以上（Ｗ≧Ｒ／２）であることが好ましいことが分かる。なお、本条件は必須条件ではなく、例えば、フラットバー６６の幅板厚比等によりＷ＜Ｒ／２でも良い場合がある。
【００７２】
次に、図１２にはモデル１、及びモデル８〜１１の解析結果が示されており、図１３（Ａ）には解析結果から得られたモデル１、及びモデル８〜１１の全塑性耐力が示されている。なお、モデル８〜１１では、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が異なっている（図７参照）。また、図１３（Ｂ）には、解析結果から得られたモデル１、及びモデル９，１０，１２〜１４の全塑性耐力が示されている。なお、モデル１０とモデル９，１２〜１４とは、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が異なっている（図７参照）。また、モデル９，１２〜１４では、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２が異なっている（図７参照）。
【００７３】
図１２及び図１３（Ａ）から分かるように、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心までの距離Ｄが一定の場合、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が大きくなるにつれて全塑性耐力が大きくなる傾向があり、モデル８，９では全塑性耐力が基準値を下回った。一方、モデル１０，１１では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。このことから、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１が１．７５Ｒ以上のときに無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られることが確認できる。更に、図１３（Ｂ）から分かるように、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２が大きくなるにつれて全塑性耐力が大きくなる傾向があり、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ１を図１２及び図１３（Ａ）から確認された下限値の１．７５Ｒにし、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２を２Ｒとしたモデル１０では全塑性耐力が基準値以上となり、塑性変形倍率も基準値以上となった。このことから、フラットバー６６及びアングル６８の長さＳ２が２Ｒ以上のときに、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られることが確認できる。
【００７４】
ここで、フラットバー６６及びアングル６８では、必要長さＳ１が必要長さＳ２よりも短くなっている。これは、図６（Ａ）に示されるように、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫの支持条件が固定とされているため、拘束端６０ＢＫ周辺部の変形が小さくなったためと考えられる。本解析では、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄが２Ｒとされている。従って、距離Ｄからフラットバー６６及びアングル６８の必要長さＳ１を差し引いた領域、即ち、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４側へ０．２５Ｒ（＝２Ｒ−１．７５Ｒ）までの領域（図１（Ａ）における拘束端側領域Ｅに相当）では、フラットバー６６及びアングル６８による補強が不要であることが確認できる。
【００７５】
図１４（Ａ）には、モデル1，及びモデル６，１５〜１７の解析結果が示されている。また、図１４（Ｂ）には、解析結果から得られたモデル６，１５〜１７の全塑性耐力が示されている。なお、モデル６，１５〜１７では、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄ、及びフラットバー６６の長さＳ１（＝Ｄ−０．２５Ｒ）が異なっている。
【００７６】
図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）から分かるように、モデル１６，１７では、全塑性耐力が基準値を下回った。一方、モデル１５では、全塑性耐力が基準値を僅かに上回り、塑性変形倍率が基準値以上となった。また、モデル６では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。このことから、拘束端６０ＢＫから貫通孔６４の中心Ｃまでの距離Ｄが１．７５Ｒ以上、且つフラットバー６６の長さＳ１が１．５Ｒ以上（Ｓ１≦Ｄ）のときに、無孔のモデル１と同等以上の力学的性状が得られることが確認できる。
【００７７】
次に、図１５には、モデル１，及びモデル３’，１８の解析結果が示されている。なお、モデル３’とモデル１８とでは補強タイプが異なっている（図７参照）。
【００７８】
図１５から分かるように、モデル３’，１８では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。また、モデル１８は、モデル３’と比較して大変位量領域において耐力の低下が小さくなった。このことから、フラットバー６６とアングル６８とを組み合わせたモデル１８は、フラットバー６６のみを用いたモデル３’と比較して変形性能（塑性変形倍率）が向上したことが確認できる。
【００７９】
次に、図１６には、モデル１，１５，１９の解析結果が示されている。ここで、モデル１９は、ダイアフラム工法による鉄骨柱との接合を模擬したモデルであり、モデル１５においてＨ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂの片面にガセットプレート３４（図４参照）を設けたものである。なお、モデル１９では、Ｈ形鋼梁６０のウェブ部６０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａ（図４参照）から貫通孔６４の中心までの距離Ｄが１．７５Ｒとされている。また、ガセットプレート３４が重ねられたウェブ部６０Ｂの領域は、その支持条件が固定とされている。
【００８０】
図１６から分かるように、モデル１５，１９では、全塑性耐力及び塑性変形倍率が基準値以上となった。また、モデル１９の解析結果が、モデル１５の解析結果に近似した。このことから、モデル１９では、ウェブ部６０Ｂにおけるガセットプレート３４の梁軸方向内側の端部３４Ａ（図４参照）に沿った部位が、モデル１５における拘束端６０ＢＫに相当することが確認できる。
【００８１】
次に、図１７には、モデル１８、及びモデル１８においてフラットバー６６にＳＳ４００（強度４００Ｎ／ｍｍ２級）を用いたモデル１８’の解析結果が示されている。なお、モデル１８では、フラットバー６６にＳＮ４９０（強度４９０Ｎ／ｍｍ２級）が用いられている。
【００８２】
図１７から分かるように、モデル１８’の解析結果がモデル１８の解析結果に近似した。このことから、フラットバー６６の鋼材強度は、Ｈ形鋼梁６０の鋼材強度と同等、若しくはＨ形鋼梁６０の鋼材強度のワンランク下程度でも良いことが確認できる。
【００８３】
以上の載荷実験結果及び解析結果から上記実施形態に係る鉄骨有孔梁の補強構造の有効性が確認できた。
【符号の説明】
【００８４】
１２ 梁ブラケット（Ｈ形鋼梁）
１２Ｂ ウェブ部
１２ＢＫ 拘束端
１４ 貫通孔
１６ 補強プレート
１６Ａ 上端部
１６Ｂ 下端部
１６Ｌｏ 長手方向一端
１６Ｌｉ 長手方向他端
２０ Ｈ形鋼梁
２０Ｂ ウェブ部
２０ＢＫ 拘束端
２２ 貫通孔
２４ 貫通孔
２６ 補強プレート
２６Ｌｏ 長手方向一端
２６Ｌｉ 長手方向他端
３０ 鉄骨柱
３４Ａ 端部（拘束端）
４６ 補強プレート
４６Ｌｏ 長手方向一端
４６Ｌｉ 長手方向他端
４８ 補強プレート
４８Ｌｏ 長手方向一端
４８Ｌｉ 長手方向他端
６０ Ｈ形鋼梁
６０Ｂ ウェブ部
６０ＢＫ 拘束端
６４ 貫通孔
６６ フラットバー（補強プレート）
６８ アングル（補強プレート）
ＣＰ 切断面
ＣＰ１ 切断面
ＣＰ２ 切断面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁継手部を避けてウェブ部に貫通孔が形成されたＨ形鋼梁と、
前記ウェブ部の両面に設けられ、長手方向を前記Ｈ形鋼梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、
を備える鉄骨有孔梁の補強構造。
【請求項２】
前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、
前記切断面から前記補強プレートの長手方向両端までの長さをそれぞれＳ１，Ｓ２、前記貫通孔の半径をＲとしたときに、
Ｓ１≧２Ｒ、かつＳ２≧２Ｒとされている請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造。
【請求項３】
前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、
前記Ｈ形鋼梁が接合される鉄骨柱によって拘束される前記ウェブ部の拘束端から前記貫通孔の中心までの距離をＤ、前記貫通孔の半径をＲ、前記切断面から前記鉄骨柱側の前記補強プレートの長手方向一端までの長さをＳ１、前記切断面から前記補強プレートの長手方向他端までの長さをＳ２としたときに、
１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ１≦Ｄ、かつＳ２≧２Ｒとされている請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造。
【請求項１】
梁継手部を避けてウェブ部に貫通孔が形成されたＨ形鋼梁と、
前記ウェブ部の両面に設けられ、長手方向を前記Ｈ形鋼梁の梁軸方向にして前記貫通孔の上下にそれぞれ配置されると共に、上下端部が前記ウェブ部に接合された補強プレートと、
を備える鉄骨有孔梁の補強構造。
【請求項２】
前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、
前記切断面から前記補強プレートの長手方向両端までの長さをそれぞれＳ１，Ｓ２、前記貫通孔の半径をＲとしたときに、
Ｓ１≧２Ｒ、かつＳ２≧２Ｒとされている請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造。
【請求項３】
前記梁軸方向と直交しかつ前記貫通孔の中心を通る切断面で前記補強プレート及び前記ウェブ部を切断したときに、前記補強プレートの断面積の合計値が、前記貫通孔により欠損された前記ウェブ部の最大欠損断面積以上とされ、
前記Ｈ形鋼梁が接合される鉄骨柱によって拘束される前記ウェブ部の拘束端から前記貫通孔の中心までの距離をＤ、前記貫通孔の半径をＲ、前記切断面から前記鉄骨柱側の前記補強プレートの長手方向一端までの長さをＳ１、前記切断面から前記補強プレートの長手方向他端までの長さをＳ２としたときに、
１．７５Ｒ≦Ｄ≦２．２５Ｒ、かつＤ−０．２５Ｒ≦Ｓ１≦Ｄ、かつＳ２≧２Ｒとされている請求項１に記載の鉄骨有孔梁の補強構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−１４９５７（Ｐ２０１３−１４９５７Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８９７４（Ｐ２０１１−１４８９７４）
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月５日（２０１１．７．５）
【出願人】（０００００３６２１）株式会社竹中工務店 (1,669)
【Ｆターム（参考）】
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