説明

高強度鋼材付き鋼材及びその製作方法並びに連結構造

【課題】現場溶接が不可能な高強度鋼材を鋼管その他の母材に用いた場合に、母材同士の現場での接合を可能にする。
【解決手段】係止部2aを有する高強度鋼材2と、係止部2aが高強度鋼材2への引張力の作用方向に係止し得る被係止部3aを有する鋼材3を、係止部2aを被係止部3aに引張力の作用方向に係止させた状態で組み合わせ、高強度鋼材付き鋼材1を構成する。
2本の高強度鋼材付き鋼材1、1の両鋼材1、1を、双方の鋼材3、3を互いに対向させた状態で溶接することにより、高強度鋼材2、2を接合する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は主として土木・建築構造物の柱や梁等、主要な架構に使用される構造用鋼材として特に高強度の鋼材(高強度鋼材)を用いる場合に、その高強度鋼材同士の現場での接合を可能にする高強度鋼材付き鋼材、及びその製作方法と連結構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
例えば鋼管からなる柱部材同士の接合等のように鋼材(構造用鋼材)同士の接合には溶接接合、もしくは高力ボルト接合が用いられる。但し、鋼材を溶接する場合には溶接性能の低下を回避するために、予熱や後熱、入熱量の制限等、一定の溶接条件が与えられる。溶接条件は鋼材の強度が高くなる程、厳しくなるが、鋼材の強度は溶接性能にも影響し、強度が高くなる程、伸び変形能力が低下する関係で、溶接性能が低下することが知られている。
【0003】
このように鋼材の溶接性能が強度の増大に反して低下する傾向がある中で、鋼材の弾性強度を高める目的で、これまでの鋼材の2〜3倍の強度を有する高強度鋼材が開発されつつある(特許文献1〜3参照)。
【0004】
【特許文献1】特開2002−88440号公報(段落0001、0051)
【特許文献2】特開2004−285369号公報(段落0016)
【特許文献3】特開2006−118007号公報(段落0001、0006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前記のように鋼材強度の増大に伴い、溶接性能が低下することから、高強度鋼材同士を直接、溶接することが難しくなることが想定される。通常の鋼材を溶接する場合には、溶接姿勢の向き(下向き、横向き、立ち向き、上向き)の制約はないが、高強度鋼材の場合には下向きのみに限定される可能性があるため、実質的に溶接することができないと考えられる。
【0006】
鋼材の高強度化は溶接性能のみならず、鋼材の曲げ加工性にも影響する。高強度鋼材の場合、例えば冷間で曲げられる角度が制限され、通常の鋼材の場合に可能であった90度の曲げ加工をすること、すなわち角形鋼管を製作することが困難である。従って、高強度鋼材で製作される鋼管は円形断面(円形鋼管)が多くを占めることになる。
【0007】
鋼管を高強度鋼材で製作した場合を考えたときに、例えば柱部材としての鋼管同士の接合に高力ボルトを用いる場合、接合すべき板要素は曲面の柱部材と同じく曲面のスプライスプレート同士になり、平坦な板同士の場合に限って用いられる摩擦接合をすることができなくなる。ボルトの軸力が板の全面に亘って板厚方向に作用せず、摩擦力を期待できないことによる。
【0008】
鋼管の端部にフランジを溶接し、フランジ同士をボルトにより引張接合することも考えられるが、その場合、フランジに形成されるボルト孔の関係で、建て方時の誤差の調整が利かない可能性がある。
【0009】
仮に調整が可能であるとしても、高力ボルトに高強度鋼材からなる鋼管の強度に見合う強度を持たせることが現状ではできない、とされている。高力ボルトに高強度鋼材に見合う強度を持たせようとすれば、これまでのF10T級(1kN/mm)から2倍のF20T級(2kN/mm)の引張強度が必要になるが、開発まで4〜5年掛かることが見込まれている。
【0010】
以上のように、構造部材の母材として高強度鋼材を使用する場合、現状では母材同士を現場で直接溶接することができず、高強度鋼材の引張強度が発揮されるようにスプライスプレートを用いた摩擦接合も、高力ボルトを用いた引張接合もすることができない。すなわち、高強度鋼材を母材に用いた場合の、特に鋼管に用いた場合の、母材同士の現場での接合方法は未だ確立されていない。
【0011】
本発明は上記背景より、現場での溶接が不能な高強度鋼材を母材に用いた場合に、母材同士の現場での接合を可能にする高強度鋼材付き鋼材、及びその製作方法と連結構造を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
請求項1に記載の発明の高強度鋼材付き鋼材は、係止部を有する高強度鋼材と、前記係止部が前記高強度鋼材への引張力の作用方向に係止し得る被係止部を有する鋼材とを備え、前記係止部が前記被係止部に前記引張力の作用方向に係止した状態で前記高強度鋼材と前記鋼材が組み合わせられていることを構成要件とする。
【0013】
高強度鋼材は現行の構造用鋼材(普通強度鋼材)の引張強度400N/mmの約2倍程度の800N/mm前後程度以上の引張強度を有する鋼材であり、1500N/mm前後程度までの引張強度を有する超高強度鋼材を含む。
【0014】
前記の通り、溶接性能の観点から高強度鋼材を直接、現場で溶接することができないため、高強度鋼材を用いて現場で溶接をするとすれば、図5に示すように工場で高強度鋼材と普通強度鋼材を予め溶接しておき、現場において普通強度鋼材を対向する側の普通強度鋼材に溶接することが考えられる。
【0015】
この場合、工場での溶接部分を含め、強度の急変箇所がないようにするために、高強度鋼材が普通強度鋼材の例えば3倍の強度を有するとしたとき、普通強度鋼材には高強度鋼材の3倍(図5中、α倍)の断面を与えることが必要になる等、高強度鋼材と普通強度鋼材の強度比の逆数になるように高強度鋼材と普通強度鋼材の断面が決められる。
【0016】
しかしながら、相対的に断面の小さい高強度鋼材から普通強度鋼材へはコーン状に応力が伝達され、応力伝達領域が30度の角度の範囲に限られるため、普通強度鋼材の全断面が有効になるとは限らず、応力伝達領域の範囲外の部分の強度が相対的に弱くなる。この結果、工場で溶接した異種鋼材同士の溶接部分が早期に破断する可能性が高く、高強度鋼材の有する強度を十分に伝達することができないことが想定される。
【0017】
そこで、図1に示すように高強度鋼材2に係止部2aを形成する一方、鋼材(普通強度鋼材)3に係止部2aに係止し得る被係止部3aを形成し、係止部2aと被係止部3aが互いに高強度鋼材2への引張力の作用方向に係止した状態で、高強度鋼材2と鋼材3を組み合わせることで、異種鋼材同士の高強度鋼材2と鋼材3の溶接箇所をなくすことができる。結果として現場での溶接箇所を同種の鋼材同士にすることができるため、溶接される鋼材の断面を揃えることで、溶接箇所における破断の可能性をなくすか、低下させることが可能となる。
【0018】
図1の場合、断面上、鋼材(普通強度鋼材)3が高強度鋼材2をくわえ込む形になり、鋼材3の被係止部3aと高強度鋼材2の係止部2aのいずれかが高強度鋼材2に作用する引張力によって破断しない限り、鋼材3と高強度鋼材3との接合状態が維持される。高強度鋼材2の係止部2aはその本体部に工場で溶接され、鋼材3の被係止部3aは高強度鋼材2の係止部2aの側面に接触する中間部に工場で溶接される。
【0019】
高強度鋼材2に作用する、図1に矢印で示す引張力は鋼材(普通強度鋼材)3の被係止部3aに高強度鋼材2の係止部2aからせん断力として作用する。このせん断力は被係止部3aからの反力により高強度鋼材2の係止部2aにも作用する。よって係止部2aと被係止部3aが想定されるせん断力によって降伏しない程度の厚さ(せん断長さ)を有していれば、係止部2aと被係止部3aのいずれかがせん断力によって降伏する事態が回避され、破断も回避されることになる。
【0020】
上記引張力に伴うせん断力、または高強度鋼材2に作用する圧縮力によるせん断力は鋼材3の、係止部2aを挟んで被係止部3aの反対側の部分(後述の保持部3cに相当する部分)にも作用するため、この保持部3cに相当する部分もせん断力によって降伏しない程度のせん断長さ(L0)を有する。なお、ここでのせん断長さとは、せん断力によって破断する(打ち抜かれる)ことが想定される断面の、せん断力作用方向の長さを言う。
【0021】
例えば鋼管同士等、母材同士の接合部分においては母材間に材軸に直交する方向のせん断力も作用するため、母材(鋼管等)に高強度鋼材を使用した場合には、図1に示すように鋼材はこの方向のせん断力に対しても降伏しない程度の厚さ(せん断長さ)を有することが適切である。図1で言えば、想定されるせん断力に対し、L1+L2の範囲の断面積A1が、鋼材3に現場溶接される母材の断面積A2以上であることが適切である。ここで、高強度鋼材2の本体部2bの断面積をA3としたとき、A2≧強度比×A3であることも必要である。
【0022】
請求項1に記載の高強度鋼材付き鋼材は例えば請求項2に記載の方法等によって製作される。請求項2に記載の高強度鋼材付き鋼材の製作方法は、本体部と係止部を有する高強度鋼材と、前記係止部が前記高強度鋼材への引張力の作用方向に係止し得る被係止部と、この被係止部に連続し、前記係止部が接触し得る中間部と、この中間部に連続し、前記被係止部と共に前記係止部を挟み込む保持部を有する鋼材とを用い、前記高強度鋼材の係止部を前記鋼材の中間部に接触させながら、被係止部に係止させた状態で、前記中間部に前記保持部を溶接する工程と、前記係止部に前記本体部を溶接する工程とを備えることを構成要件とする。
【0023】
鋼材3の中間部3bに保持部3cを溶接すると共に、高強度鋼材2の係止部2aに本体部2bを溶接することで、図4−(d)に示すように請求項1に記載の高強度鋼材付き鋼材1の一例が製作される。この図4−(d)に示す高強度鋼材付き鋼材1は図3に示すように鋼材3の保持部3cにおいて対向させられ、保持部3cにおいて互いに溶接される。保持部3c、3c同士の溶接によって2本の高強度鋼材2、2が接合される。図4に示す高強度鋼材付き鋼材1は鋼材3が、鋼管である高強度鋼材2の内周側に配置される場合に対応する関係で、鋼材3の被係止部3aと保持部3cが高強度鋼材2の係止部2aを前記引張力作用方向の対向する向きに挟み込む形になる。
【0024】
図2−(c)に示すように高強度鋼材2が鋼管である場合において、鋼材3が高強度鋼材2の外周側に配置される場合には図2−(a)に示すように係止部2aを有する高強度鋼材2の回りに被係止部3aを有する鋼材3を配置するだけで、請求項1に記載の高強度鋼材付き鋼材1が構成される。この場合、鋼材3は被係止部3aとそれに連続する中間部3bの2部分からなる。図2は高強度鋼材が柱部材である場合を示しているが、高強度鋼材は柱部材とは限らず、主として引張力を負担する構造部材全般を含む。
【0025】
これに対し、図3に示すように高強度鋼材2の内周側に係止部2aを配置し、それに伴い、鋼材3を高強度鋼材2の内周側に配置した場合、中間部3bと保持部3cが係止部2aを回り込む関係で、2本の高強度鋼材付き鋼材1、1を突き合わせる際に、各高強度鋼材2の係止部2aを対向(対面)させると、鋼材3を母材の外側から溶接することができなくなる。このことから、鋼材3が高強度鋼材2の内周側に配置される場合には、鋼材3の保持部3c、3c同士を溶接することになる。よって請求項2に記載の方法は主として高強度鋼材が鋼管である場合において、鋼材が高強度鋼材の内周側に配置される場合に実施される。
【0026】
図1に示す請求項1に記載の高強度鋼材付き鋼材、または図4に示す請求項2に記載の方法により製作された高強度鋼材付き鋼材は請求項3に記載のように2本組み合わせられ、鋼材において互いに溶接されることにより図2−(c)、図3に示すように高強度鋼材同士が接合される結果を得る。
【0027】
2本の高強度鋼材付き鋼材は図2−(c)、図3に示すように高強度鋼材の係止部に鋼材の被係止部が高強度鋼材の材軸方向に係止した状態で、高強度鋼材の係止部において、または鋼材の保持部において互いに突き合わせられる。
【0028】
鋼材が高強度鋼材の外周に配置される(係止部が外周に位置する)図2の場合、各高強度鋼材付き鋼材は鋼材の中間部において互いに対向した状態で、溶接される。この場合、高強度鋼材同士は溶接されないものの、互いに密着した状態になる。鋼材が高強度鋼材の内周に配置される(係止部が内周に位置する)図3の場合には、前記のように鋼材の保持部において互いに対向した状態で、溶接される。係止部が高強度鋼材の外周に位置するか、内周に位置するかに関係なく、高強度鋼材と鋼材は係止部が鋼材に密着し、ずれのないように組み合わせられ、高強度鋼材付き鋼材が製作される。
【0029】
請求項3によれば、互いに分離している2本の高強度鋼材がその引張耐力が発揮される状態で互いに接合されることで、現場での溶接が不能な高強度鋼材を母材に用いた場合に、母材同士の現場での接合が可能になる。
【0030】
また母材同士の接合が高強度鋼材同士でも、高強度鋼材と普通強度鋼材同士でもなく、普通強度鋼材同士の溶接になるため、現場での作業性は普通強度鋼材同士を溶接する場合と変わりがなく、母材が鋼管(円形鋼管)である場合に、母材間の建て方調整をした上で、溶接することが可能である。現場での建て方調整と溶接は母材が角形鋼管その他の場合も同様に行える。
【0031】
請求項3の利点は請求項3に使用される請求項1に記載の高強度鋼材付き鋼材と、請求項2に記載の方法により製作された高強度鋼材付き鋼材にも妥当する。
【発明の効果】
【0032】
係止部を有する高強度鋼材と、被係止部を有する鋼材を、係止部が被係止部に引張力の作用方向に係止した状態で高強度鋼材と鋼材を組み合わせた2本の高強度鋼材付き鋼材を用い、双方の鋼材を対向させた状態で、その両鋼材を溶接するため、高強度鋼材を直接溶接しなくても、高強度鋼材同士を現場で接合することが可能である。
【0033】
特に母材同士の接合は普通強度鋼材同士の溶接になるため、母材が鋼管である場合にも、母材間の建て方調整をした上で、溶接することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0034】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【0035】
図1は係止部2aを有する高強度鋼材2と、係止部2aが高強度鋼材2への引張力の作用方向に係止し得る被係止部3aを有する鋼材(普通強度鋼材)3とを備え、係止部2aが被係止部3aに引張力の作用方向に係止した状態で高強度鋼材2と鋼材3が組み合わせられている高強度鋼材付き鋼材1の構成例を示す。
【0036】
図1は高強度鋼材付き鋼材1の材軸に直交する方向の断面を示している。高強度鋼材2は柱、梁、ブレース等の構造部材の母材として用いられる。図面では高強度鋼材(母材)2が円形鋼管の場合の、母材同士の接合の様子を示しているが、母材は構造部材であるため、角形鋼管の他、H形鋼等の開放断面形の鋼材(形鋼)にも使用される。
【0037】
図1に矢印で示す、高強度鋼材2に作用する引張力と圧縮力によって高強度鋼材2の係止部2aと鋼材3の被係止部3a、及び保持部3cにはせん断力が作用する。このせん断力によって係止部2aと被係止部3a及び保持部3cのいずれもが降伏しないよう、係止部2aと被係止部3a及び保持部3cは高強度鋼材2のせん断力による降伏耐力を下回らないせん断耐力を有する。このせん断耐力はせん断長さとして具体化される。
【0038】
また高強度鋼材2に材軸に直交する方向のせん断力が作用したときに、鋼材3がそのせん断力によって破断しないよう、そのせん断力の作用方向にも高強度鋼材2の降伏耐力を下回らないせん断耐力を有する。前述したようにせん断力に対しては、L1+L2の範囲の断面積A1が、鋼材3に現場溶接される母材の断面積A2以上となる。高強度鋼材2の本体部2bの断面積をA3とすれば、A2≧強度比×A3である。図面では互いに面で接触する係止部2aと被係止部3aの表面が引張力の作用方向に直交する方向を向いているが、この表面はいずれかの向きに傾斜することもある。
【0039】
図1では高強度鋼材2に作用する引張力に直交する方向の正負の向きにせん断力が作用した場合にも、そのせん断力に鋼材3が抵抗できるよう、鋼材3が高強度鋼材2を完全に包囲する形状をしているが、鋼材3は高強度鋼材2の全体として材軸方向に直交する方向の正負の向きに係止し得る形状をしていればよい。例えば高強度鋼材2が鋼管である場合には、高強度鋼材付き鋼材1の断面を見たときには、図1の引張力作用方向の中心線に関して片側にのみ鋼材2が位置すればよいことになる。
【0040】
図2−(a)、(b)は円形鋼管である母材(高強度鋼材2)の外側に、これに外接する形状の鋼材3が配置される場合の母材と鋼材3の組み合わせ(高強度鋼材付き鋼材1の構成)例を示す。高強度鋼材2は本体部2bとその少なくとも一端に工場で溶接される係止部2aからなり、鋼材3は係止部2aに係止する被係止部3aと被係止部3aに連続し、係止部2aに外接、もしくは内接する中間部3bからなる。母材(高強度鋼材2)が材軸方向に3本以上、連結される場合には少なくとも中間の母材の両側に鋼材3が配置され、その中間の母材(高強度鋼材2)の材軸方向両側に係止部2a、2aが形成される。この場合、本体部2bはその係止部2a、2a間で連続する。
【0041】
鋼材3が母材(高強度鋼材2)に外接する場合、高強度鋼材2の係止部2aは本体部2bの外周側へ突出する状態で本体部2bに一体化し、鋼材3の中間部3bは係止部2aに外接する。鋼材3が母材に内接する場合には、図3に示すように本体部2bの内周側へ突出する状態で係止部2aが本体部2bに一体化し、鋼材3の中間部3bは係止部2aに内接する。
【0042】
図2−(a)に示すように高強度鋼材2の係止部2aと鋼材3の被係止部3aは材軸方向には、係止部2aと被係止部3aに作用するせん断力による降伏耐力を下回らない長さ(せん断長さ)を有する。鋼材2の中間部2bは高強度鋼材2の本体部2bが材軸方向に直交する方向のせん断力を受けたときのせん断耐力を下回らない厚さ(せん断長さ)を有する。
【0043】
図2−(c)は(a)に示す2本の高強度鋼材付き鋼材1を突き合わせて互いに接合したときの様子を示す。2本の高強度鋼材付き鋼材1、1は双方の高強度鋼材2、2の係止部2a、2aが互いに密着した状態で突き合わせられ、双方の鋼材3、3が現場で溶接されることにより接合される。双方の鋼材3、3は突き合わせ溶接されることから、高強度鋼材2、2の係止部2a、2aが密着したときには、鋼材3、3の中間部3b、3b間に適切な開先が施されるようにする。
【0044】
高強度鋼材2が鋼管の場合、2本の高強度鋼材付き鋼材1の接合後には、高強度鋼材2(母材)の内部にコンクリートやモルタル等を充填することもある。高強度鋼材2が開放形断面の場合には、2本の高強度鋼材付き鋼材1の接合後にその周囲にコンクリート等を打設することもある。
【0045】
高強度鋼材付き鋼材1の建て方時の吊り込みと位置調整のために、必要により鋼材3の外周には建て方用リブ4が突設される。この建て方用リブ4は建て方用以外の用途がない場合、鋼材3、3同士の溶接後に除去される。
【0046】
図3は円形鋼管である母材(高強度鋼材2)の内側に、これに内接する形状の鋼材3が配置される場合の母材と鋼材3の組み合わせ(高強度鋼材付き鋼材1の構成)例と接合例を示す。この場合、鋼材3の被係止部3aと中間部3bが母材の内側に位置する関係から、鋼材3、3同士を現場で溶接できるようにするために、中間部3bを挟んで被係止部3aの反対側に中間部3bに連続する保持部3cが溶接により一体化させられる。
【0047】
図3に示す高強度鋼材付き鋼材1は図4−(a)〜(d)に示す要領で工場において製作される。鋼材2は(a)に示すように予め別体で製作された被係止部3aと中間部3bを溶接し、(b)に示すように中間部3bの外周に高強度鋼材2の係止部2aを挿入した後、(c)に示すように中間部3bに保持部3cを溶接することにより製作される。このとき、高強度鋼材2の係止部2aは材軸方向に被係止部3aと保持部3cに挟まれた状態にある。
【0048】
図4−(c)に示す状態から、鋼材3の被係止部3aに外接する高強度鋼材2の本体部2bを配置し、その先端を係止部2aに溶接することにより高強度鋼材2が製作され、同時に高強度鋼材付き鋼材1が製作される。
【0049】
図4−(d)に示す高強度鋼材付き鋼材1、1同士を接合する場合は、図3に示すように双方の鋼材3、3の保持部3c、3cが互いに密着するように突き合わせられ、双方の保持部3c、3cが現場で溶接されることにより接合される。保持部3c、3cは突き合わせ溶接されるが、必ずしも厚さ方向の全長に亘って溶接される必要はなく、高強度鋼材2の引張力による降伏耐力を伝達できるだけの溶接長さが確保されればよい。この場合も、対向する鋼材3、3の保持部3c、3c間には適切な開先が施される。
【0050】
図3においても、高強度鋼材2が鋼管の場合、2本の高強度鋼材付き鋼材1の接合後に高強度鋼材2の内部にコンクリートやモルタル等を充填することもあり、高強度鋼材2が開放形断面の場合に、2本の高強度鋼材付き鋼材1の接合後にその周囲にコンクリート等を打設することもある。ここでも高強度鋼材付き鋼材1の建て方時の吊り込みと位置調整のために、鋼材3の外周に建て方用リブ4を突設しているが、他の用途がなければ建て方用リブ4は鋼材3、3同士の溶接後に除去される。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】高強度鋼材付き鋼材の構成例を示した縦断面図である。
【図2】(a)は鋼材が高強度鋼材の外周側に配置される場合の高強度鋼材と鋼材の組み合わせ例を示した縦断面図、(b)は(a)の平面図、(c)は(a)に示す高強度鋼材付き鋼材の接合例を示した縦断面図である。
【図3】鋼材が高強度鋼材の内周側に配置される場合の高強度鋼材と鋼材の組み合わせ、及び接合例を示した縦断面図である。
【図4】(a)〜(d)は鋼材が高強度鋼材の内周側に配置される場合の高強度鋼材付き鋼材の製作手順を示した縦断面図である。
【図5】高強度鋼材と普通強度鋼材を工場溶接したときの引張応力の伝達と破断の様子を示した縦断面図である。
【符号の説明】
【0052】
1………高強度鋼材付き鋼材
2………高強度鋼材
2a……係止部
2b……本体部
3………鋼材
3a……被係止部
3b……中間部
3c……保持部
4………建て方用リブ


【特許請求の範囲】
【請求項1】
係止部を有する高強度鋼材と、前記係止部が前記高強度鋼材への引張力の作用方向に係止し得る被係止部を有する鋼材とを備え、前記係止部が前記被係止部に前記引張力の作用方向に係止した状態で前記高強度鋼材と前記鋼材が組み合わせられていることを特徴とする高強度鋼材付き鋼材。
【請求項2】
本体部と係止部を有する高強度鋼材と、前記係止部が前記高強度鋼材への引張力の作用方向に係止し得る被係止部と、この被係止部に連続し、前記係止部が接触し得る中間部と、この中間部に連続し、前記被係止部と共に前記係止部を挟み込む保持部を有する鋼材とを用い、前記高強度鋼材の係止部を前記鋼材の中間部に接触させながら、被係止部に係止させた状態で、前記中間部に前記保持部を溶接する工程と、前記係止部に前記本体部を溶接する工程とを備えることを特徴とする高強度鋼材付き鋼材の製作方法。
【請求項3】
請求項1に記載の、もしくは請求項2に記載の方法で製作された2本の高強度鋼材付き鋼材からなり、前記各高強度鋼材付き鋼材の鋼材が互いに対向した状態で、その両鋼材が溶接されていることを特徴とする高強度鋼材付き鋼材の連結構造。



【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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