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On 12月 27, 2021 by admin連続フレームの平屋及び多層建築物の設計で使用されるモーメント抵抗接合部について考察する。
この記事では、最も一般的に使用されるモーメント抵抗接続の種類について説明しています。 梁と柱、梁と梁の接合に標準的な接合部の使用を検討し、ユーロコード3に基づいて、設計手順の概要を示す。 ボルト接合と溶接接合の両方が考慮されています。
Types of moment resisting connections
Moment resisting connections are used in multi-storey un-braced buildings and in single-storey portal frame buildings.All Rights Reserved.モーメント抵抗接合部の種類は、複数階建てのブレースなし建物と平屋の門型フレーム建物に使用されています。 多層階のフレームにおける接続は、ボルト締め、フルデプスエンドプレート接続、または拡張エンドプレート接続が最も一般的である。 ボルトのレバーアームを大きくするために、より深い接続が必要な場合は、ハンチング接続を使用することができます。 7899>
門型フレーム構造では、フレームの軒先と頂点のハンチ付きモーメント抵抗接続は、ほとんど常に使用されます。
-
Full depth end plate
-
拡張 endplate
を使用する。
補強された延長端板
ハンチングビーム
ビームをボルテット固定にする代わりに柱と柱の接続。 溶接による接続を使用することができます。 これらの接続は、完全なモーメントの連続性を提供することができますが、特に現場での製造に費用がかかります。 溶接された梁と柱の接合部は、梁のスパムの中で、曲げモーメントが小さい位置にボルト接続することで、製作工場で準備することができます。
他のタイプのモーメント抵抗接合部には次のものがあります：
- 門型フレームの頂点接合部を含む柱と梁の接合部、および
- 柱ベース。
この記事で扱っていない点の1つとして、中空セクション間の溶接ジョイントがあげられます。
Joint classification
Design of joints in steel structures in UK is covered by BS EN 1993-1-8 and its National Annex.
BS EN 1993-1-8 requires that joint is classified by stiffness (as rigid, semi-igid or nominally pinned) or by strength (as full strength, partial strength or nominally pinned). 剛性の分類はフレームの弾性解析に関連し、強度の分類は塑性解析されるフレームに関連します。 規格では、剛性と強度に応じて、接合モデルを単純、半連続、連続のいずれかに定義しています。 モーメント抵抗ジョイントは通常、剛性が高く、完全強度または部分強度であるため、ジョイントは連続または半連続のいずれかになります。
ほとんどの状況で、設計意図はモーメント抵抗ジョイントが剛性であり、フレーム解析でそのようにモデル化されることでしょう。 もしジョイントが実際には半剛性であった場合、ジョイントの挙動をフレーム解析で考慮する必要がありますが、UK NAは回転剛性の数値計算方法の経験が得られるまでこの方法を推奨していません。1(2) of BS EN 1993-1-8 notes that a joint may be classified on the experimental evidence, experience of previous satisfactory performance in similar cases or calculations based on test evidence.
The UK National Annex offers further clarification, and in NA.2.6 では、SCI P207 に従って設計された接続部をコメントしている。 (the Green Book on moment connections の BS 5950 version) may be classified in the recommendations in that publication.
SCI P207 has been updated to take account of BS EN 1993-1-8 and has been reissued as SCI P398 .
Rigid joint classification
SCI P398 で与えられた標準化の勧告に従い、強度だけを目的にした均質性の良い接続部分は通常、1階建て門形フレームのジョイントは硬いと仮定することができる。 多層階の非ブレースフレームでは、回転剛性はフレームの安定性を決定する上で基本的なものです。 したがって、設計者は（BS EN 1993-1-8に従って）接合部の剛性を評価し、フレーム設計とフレームの安定性評価でこれを考慮するか、フレーム解析で剛接合部を仮定した場合は、接合部の設計がこの仮定に合っていることを確認する必要があります。
- 比較的厚いエンドプレートを採用し、潜在的に柱フランジを硬くする
- 柱ウェブパネルせん断力が設計せん断抵抗の80%を超えない。
堅い接合部を仮定できない場合、接合部は「半堅牢」と仮定し、フレームの安定性の評価において接合部の柔軟性を考慮する必要があります。 接合部の部品(プレート、ボルトなど)の材料費はそれほど高くないかもしれませんが、一般にモーメント抵抗接合は、他の接合よりも溶接が多くなります。
局部強化はさらなる出費となります。主要部材の抵抗力を高めることは、常に費用対効果の高い代替案として検討されるべきです。
Haunch は大量の溶接を伴うため、高価になります。 7899>
標準的な接続
標準的なモーメント抵抗接続はありませんが、標準化の原則は、構造効率、コスト効率の良い建設と安全性のために重要であり続けています。 少なくとも初期設計においては、以下のガイダンスが一般的に推奨されます：
- M20 または M24 プロパティクラス 8.8本のボルト、全ネジ付き
- 90または100mmの交差中心（「ゲージ」）のボルト
- 90mmの垂直中心（「ピッチ」）のボルト
- S275 または S355継手（エンドプレート、スプライスパート、補強材）
- 20mmのエンドプレートにM20ボルト；25mmのエンドプレートにM24ボルトを使用する。
Bolted beam-to-column connections
I-セクションまたはH-セクション梁と柱の間の下図に示すボルト端板接合は、 BS EN 1993-1-8 に記載されているアプローチで設計されています。 同様の設計方法を用いるボルト端板接合部および頂部接合部については、接合部のセクションで説明しています。
典型的なボルト端板梁柱接合部設計基準
端板の力について。ボルト端板接合部の抵抗は、一方のフランジに隣接するボルトの引張力と他方のフランジのベアリングの圧縮力の組み合わせによってもたらされる。 梁に軸力がない限り、引張力と圧縮力の合計は等しく、かつ逆である。 垂直せん断は、ベアリングとせん断のボルトで抵抗されます。通常、この力は主に圧縮フランジに隣接するボルトで抵抗されると仮定されます。 これらの力を図式化すると右図のようになる。
究極の限界状態では、回転の中心は圧縮フランジかその近くにあり、設計を簡単にするために、圧縮抵抗はフランジの中心のレベルに集中すると仮定することができる。
圧縮フランジから最も遠いボルト列は最大の引張力を受ける傾向があり、過去の設計では、底部フランジからの距離に比例して、力の「三角形」分布を仮定してきました。 しかし、柱フランジまたはエンドプレートのいずれかが十分に柔軟で（英国NAのNA.2.7で定義）延性挙動が得られる場合は、下段の抵抗力をすべて使用することができる（これは「ボルト列力のプラスチック分布」と呼ばれることがある）。
- ボルトの力の分布
-
三角分布
-
「プラスチック」分布
設計方法
端板接合部の完全設計方法は必然的に反復手順となる。 ボルトと必要に応じて補強材の構成を選択し、その構成の抵抗を評価し、必要に応じてより大きな抵抗またはより大きな経済性のために構成を修正し、満足のいく解決策が得られるまで、修正した構成を再度評価する。
溶接エンドプレート接続の抵抗を7つのステップで検証 STEP 1 ボルト列の有効引張抵抗を計算する。 これは、ボルト、エンドプレート、柱フランジ、梁ウェブ、柱ウェブの抵抗を計算することである。 この段階の結論は、一連の引張抵抗、各ボルト列の1つの値、および引張領域の総抵抗を与えるためにすべてのボルト列の合計である。
STEP 2 柱ウェブのせん断力、梁フランジを考慮し、柱ウェブの圧縮部の抵抗力を計算します。 STEP3 柱ウェブのせん断抵抗を計算する。 STEP 4 総引張抵抗が圧縮抵抗（ステップ2）または柱ウェブせん断抵抗（ステップ3）を超える場合、平衡を保つために必要に応じてボルト列の減少有効引張抵抗を計算します。 STEP5 ボルト列のせん断抵抗を算出する。 この抵抗は、最下段のボルト列（1列）の全せん断抵抗（引張に抵抗しないと仮定）と、引張領域のボルトのせん断抵抗の28％（保守的に、引張に完全に利用されると仮定）の合計としてとられる。 STEP 6 構成中の補強材の適切さを確認する。 STEP 7 接続部の溶接の適切さを確認する。 (溶接部のサイズは、前のステップでは重要ではないことに注意してください) 直接ベアリングで圧縮されているコンポーネントは、モーメントの反転を考慮しなければ、公称溶接部のみが必要です。
設計手順で評価する部品溶接端板接続部の耐性を、接続部を構成する部品ごとに考慮して検証することを右図と下表で説明します。
設計手順で評価する構成要素 Zone Ref Component Procedure Tension a ボルトテンション ステップ1a b エンドプレート曲げ ステップ1a c コラム・フランジ 曲げ ステップ1a d 梁ウェブ張力 ステップ1b e 柱ウェブ張力 ステップ1b の場合。
f フランジと端板の溶接 ステップ7 g ウェブと端板の溶接 ステップ7 Horizontal せん断 h 柱ウェブパネルせん断 ステップ3 圧縮 j ビームフランジ圧縮 ステップ2 k ビームフランジ溶接 ステップ7 I 列ウェブ
ステップ2 縦断せん断m ウェブと端板の溶接 ステップ7 n ボルトせん断
ステップ5 p ボルト軸受け
Step 5 上記に示した設計ステップに対応する計算は、SCI P398 Section 2で包括的に説明されています。5.
強化方法
設計時に部材を慎重に選択すれば、接合部の強化は必要ない場合が多く、費用対効果の高い構造になる。 しかし、接続部の1つ以上を強化する以外に方法がない場合もあります。 採用可能な補強材の種類を下の図に示します。
メソッド・オブ・ザ・イヤー 強化強化の種類は、接続部の他の部品と衝突しないように選択しなければならない。 これは、二次梁が柱のウェブに接続する場合、従来のスティフナーではしばしば問題となる。
各ゾーンを強化する方法は通常いくつかあり、下表に示すように、その多くは複数のエリアの欠陥の克服に貢献することができます。
柱の強化方法 柱補強材の種類 欠損 ウェブインチング 欠陥 欠陥 欠陥 軸受フランジ 圧縮ウェブ せん断ウェブ 水平スティフナ。 Full depth Partial depth – – — – 補助ウェブプレート – – -Diagonal stiffen (N & K) – – Morris stiffener – – – フランジ裏板 – 溶接ビーム・・・・・・・・・・・・・・・。柱と梁の接合部
ショップ溶接構造の意図は、主な梁と柱の接合部が工場環境で行われ、完全な強度の剛接合にできるようにすることである。 これを実現するために、輸送のために十分な大きさを保ちつつ、梁の部分の短いスタブを柱に溶接するのである。 スタブと残りの梁の接続は、通常ボルト留めのカバープレート・スプライスで行われます。 7899>
多層建築の典型的な配置を下図に示す。
工場溶接による梁と柱の接合部工場溶接接合部
工場溶接による梁スタブの接合部工場溶接の典型例です。 右図に示すように、短い断面のビームスタブを柱のフランジに工場溶接し、もう一方の軸でテーパー状のスタブを柱の内側に溶接します。 スタブ部は、通常、曲げモーメントが減少した位置にカバープレートを用いてボルト締めまたは溶接するために準備される。
この方法の利点は、以下の通りです。
- 効率的で全強度のモーメント接続 – 柱への溶接はすべて制御された条件下で行われる
- 位置溶接を回避または最小化するためにワークピースを回転できる
不利な点は、以下のとおりです。
- 接続部分が増えるため、製作コストが高くなる
- 「コラムツリー」スタブにより、部品の取り扱いと輸送が困難になる
- ビームスプライスは、柱から少し離れた空中でボルトまたは溶接する必要がある
- フランジのスプライスプレートをボルトで取り付けると、プレコンや金属デッキなどの床材の種類によって干渉することがある
。
実務上の考察
梁のスタブを柱に溶接するための柱マニピュレータフランジの厚さが17 mmまでのほとんどの中小梁には連続すみ肉溶接が通常の選択肢です。 しかし、多くの鉄骨工事業者は、12mm以上の隅肉溶接を使用するよりも、隅肉を重ねた部分溶込み突合せ溶接、または完全溶込み突合せ溶接に切り替えることを好みます。
製作中に溶接のために良好なアクセスを提供するために、柱シャフトを特殊なマニピュレーターに取り付け、各スタブにダウンハンド姿勢で溶接しやすいように回転させることが可能です。
設計方法
静的に確定したフレームでは、設計モーメントに抵抗するのに十分な部分強度の接続部があれば十分です。 これを達成するために、接続部の溶接は完全な強度にする必要があります。
溶接された梁と柱の接続部の抵抗の検証は5つのステップで概説します STEP 1 梁の引張と圧縮フランジの設計力を計算します。 STEP 2 引張領域の抵抗を計算し、その妥当性を検証します。 非補強柱で抵抗が不十分な場合、補強柱の抵抗を求め、その妥当性を確認する。 STEP 3 圧縮領域の抵抗力を計算し、その適切性を確認します。 STEP 4 せん断における柱ウェブパネルの妥当性を確認する。 STEP 5 フランジとウェブの溶接の妥当性を確認する。 設計手順で評価する部材接合部を構成する各構成要素を考慮して溶接はりと柱接合部の耐力を検証すると、右図に示すように、下付属表に記載されているようになります。
設計手順で評価する部材 Zone Ref Component Procurure テンション a ビームフランジ
ステップ2 b コラムウェブ
ステップ2 圧縮 c ビームフランジ ステップ3 d コラムウエブ ステップ 3 水平せん断 e 柱ウェブパネルせん断 Step 4 溶接 fを参照ください。 g フランジ溶接 ステップ5 h ウェブ溶接 ステップ5 以上の設計手順に対応した計算はSCI P398 Section 3で総合的に説明されています。4.
スプライス
曲げモーメント、軸力および横せん断力を受けるHまたはIセクション間のビームおよびコラムスプライスの設計には、次のタイプのジョイントがあります：
- ボルトカバースプライス
- ボルトエンドプレートスプライス
- 溶接スプライス.
主な圧縮力を受けるボルト接合柱の設計は、単純接合部の記事とSCI P358でより詳細に説明されています。
ボルトカバースプライス
接続の詳細
Typical bolted cover plate splice典型的なボルトカバースプライスの配置は図に示すとおりです。 小さな梁の断面では、フランジとウェブは単一のカバープレートで十分な場合があります。 対称的な断面では、フランジの設計力の相対的な大きさにかかわらず、通常、カバープレートの対称的な配置が使用されます。
柱スプライスはベアリングタイプとノンベアリングタイプがあります。 ベアリングタイプの柱スプライスの設計指針は、SCI P358に記載されています。
設計基準
ビームスプライス（または非ベアリング柱スプライス）は、フランジカバープレートの張力と圧縮力、ウェブカバープレートのせん断、曲げ、軸力の組み合わせにより、ビームに共存する設計モーメント、軸力、せん断に抵抗します。 通常、SLSにのみ滑り止めを設ける必要がありますが（BS EN 1993-1-8, 3.4.1に基づくカテゴリーB）、ULSに剛性接続が必要な場合、ULSに滑り止めを設けなければなりません（カテゴリーC接続）。
弾性解析された構造では、ボルトカバースプライスは梁の全強度を提供する必要はなく、スプライス位置で設計モーメントと力に対して十分な抵抗力を提供するだけでよいです。 しかし、スプライスが横方向の拘束位置から離れた部材にある場合、2次効果を表す、セクションの短軸に関する設計曲げモーメントを考慮しなければならないことに注意してください。
剛性と連続性
スプライスは両軸に関して十分な連続性を持っていなければなりません。 したがって、フランジプレートは少なくとも梁のフランジと同様の幅と厚さでなければならず、スプライスの両側にフランジ幅と同じか225mmの最小距離だけ延びる必要がある。 強度の最小要件は、BS EN 1993-1-8 6.2.7.1 (13) および (14) 項に記載されています。 設計者は、SCI Advisory Desk note AD393も参照してください。
設計方法
ビームスプライスの設計プロセスには、接合部に十分な設計抵抗をもたらすカバープレートのサイズとボルトの配置を選択することが含まれます。
ビームスプライスの設計プロセスの概要は、5つのステップ STEP 1 スプライス位置での曲げモーメントと軸力（ある場合）による、2つのフランジの設計テンションと圧縮力を計算する。 これらの力は、梁断面の弾性応力分布に基づいて決定するか、保守的にウェブの寄与を無視します。 ウェブカバープレートのせん断力、軸力および曲げモーメントを計算します。 カバープレートの曲げモーメントは、断面全体のモーメントのうちウェブが担う部分（フランジへの保守的な再配分は関係なく、BS EN 1993-1-8, 6.2.7.1(16) 参照）に、スプライスの中心線からのせん断に耐えるボルトグループの偏心によるモーメントを加えたものです。
個々のボルトにかかる力を計算するSTEP 2 フランジとウェブのボルト抵抗を求め、その妥当性を検証する STEP 3 スプライスとカバープレートのテンションフランジが妥当かどうか検証する STEP 2 スプライスとカバープレートにあるボルト抵抗を求め、その妥当性を検証する。 STEP 4 スプライスとカバープレートで圧縮フランジの妥当性を確認します。 STEP 5 ビームを継続するために最低限の抵抗があることを確認する。 検証するスプライス部品上記のステップは、右図と下表に示すようにボルト接続の異なる11部品の抵抗値を決定することを含みます。
検証されるスプライスの構成要素 Zone Ref Component step Tension a Flange cover plate(s) 3 b Bolt（ボルト） Flange cover plate（f）572 シェア 2 c ボルト・ベアリング 2 d フランジ3 コンプレッション e フランジ 4 f フランジカバープレート 4 g ボルトシヤー 2 h Bolt Bearing 2 Shear j Webカバープレート（複数可） 1 k Bolt shear 1 l Bolt Bearing 以上の設計段階に対応する計算はSCI P398 Section 4で詳細に説明しています。2.
ボルト端板接合部
接続の詳細
典型的なボルト端板接合部ボルト端板接合は、接合部または門形フレームの頂点接合部として、実質的に梁-柱接合部の梁側の鏡面となり、一対を形成することになります。 この形式の接続は、プレロードボルト（およびその結果必要となる接触面の準備）が不要であるという点で、カバープレートタイプより優れています。
「門柱頂部ハンチ」スプライスは、1階建て門柱フレームで通常使用され、弾性グローバル解析の目的のために一般的に「リジッド」と仮定されます。
設計方法
設計方法は、基本的に柱抵抗の評価を省略したビームと柱の接続について説明した方法となります。
Beam-through-beam moment connections
Connection details
Beam-through-beam joints are usually using end plate connections with non-preloaded bolts; typical details are shown in the figure below.Section 4.3.1. エンドプレートのみの場合は無負荷ボルトでもよいが、カバープレートを使用する場合は、ULSでの滑りを防止するため、予圧ボルトを使用する。
- 典型的な梁通し継手
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設計方法
カバープレートがない場合。 は、エンドプレート接続の設計方法を使用することができます。 カバープレートを使用する場合は、カバープレートスプライスと同様に設計し、エンドプレートボルトは鉛直せん断のみを伝えると控えめに仮定してもよい。
カバープレートと支持梁の間の接続は、通常、支持梁にねじれで伝達されるモーメントは非常に小さいので、通常は名目上だけです。
関連ステップと対応する計算は、SCI P398 Section 4.4 で説明されています。
溶接スプライス
接続の詳細
典型的な溶接ビームスプライス溶接ショップスプライスはしばしば工場または仕入れ業者からの短い長さに接合するために採用されることがあります。 このような場合、溶接部は必ずフランジとウェブを突き合わせ溶接して「全強度」作られます。
Typical welded column splices接合する部分が同じ「圧延」でなく、圧延公差によりサイズがわずかに異なる場合、2つの部分の間に分割プレートが通常提供されます。 この方法で異なるシリアルサイズの部品を接合する場合、大きい方のセクションにウェブ補強材が必要であり（小さい方のセクションのフランジに合わせられる）、または大きい方のサイズの深さに一致するようにハンチが提供されるかもしれません。 架設中の仮接続のために、ウェブカバープレートにボルトを設けてもよい。
設計基準
溶接スプライスの一般的な設計基準は次のとおりです。
- 静的に不確定なフレームでは、塑性設計か弾力的設計かにかかわらず、全強度の溶接をフランジとウェブに提供すべきである
- 静的に確定したフレームでは、スプライスを部材モーメントの抵抗よりも小さい設計モーメントに抵抗できるよう設計してもよい、その場合。
- フランジ溶接部は、設計モーメントをフランジ中心間の距離で割った力に抵抗するよう設計する。
- ウェブ溶接部は、設計せん断に抵抗するように設計します。
- 軸力がある場合は、設計モーメントによるものに加えて、この力に対して設計されたフランジと溶接部の間で共有されるべきである。
不定形に対する全強度の要件は、例えば、フレームの不完全性、モデリングの近似、支持体の沈下から生じる設計モーメントの不正確さに対応するために、スプライスが十分に強いことを確実にするために必要である。
柱基部
典型的な非補強柱基部プレート柱基部の鋼部材とコンクリート下部構造間でモーメントと軸力を伝達できる柱基部の例を左の図に示します。 この例では、ベースプレートに非補剛材を用いた柱基部を示している。 このほか、補強ベースプレート接合部や、ポケットに鋳込まれた柱基部も利用できる。
設計基準
設計上、柱基部接合は基本的にボルト端板接合であり、ある特殊な特徴があります。
- 軸力は、エンドプレート接続の一般的なケースよりも重要です。
- 圧縮では、設計力は、コンクリートと充填モルタルまたはグラウトの強度によって決まる、鋼とコンクリートの接触面積に分配されます。
- 引張では、力はコンクリート下部構造に固定された押さえボルトによって伝達される。
結果として、非固定ベースプレートは、梁と柱の接続部のエンドプレートと比較して、非常に厚くなる傾向がある。
接続部は通常、摩擦またはボルトを介して、水平せん断を伝達することが必要です。 最終位置でボルトの上に座金板を溶接しない限り、ベースプレートのクリアランスホールを通過するすべてのボルトに水平せん断が均等に分配されるのは合理的ではありません。 水平せん断が大きい場合は、ベースプレートの下面にせん断スタブを溶接するのが適当である。
設計方法
設計は、ベースプレートのサイズとボルトの配置を試行し、軸力とモーメントの組み合わせに対する抵抗力を評価する反復アプローチが必要である。
Classification of column base connections
ベースコネクションの剛性は、構造物の他のコネクションよりもフレームの性能に大きな影響を与えるのが一般的である。 ほとんどの非固定ベースプレートは、典型的なエンドプレートの詳細よりも実質的に剛性的である。 ベースプレートの厚みと柱による予備圧縮がこれに寄与します。しかし、どのベース接続部も、基礎と、そのモーメントが伝達される土壌よりも硬くはありません。持続的荷重に対するクリープ傾向など、これらの他のコンポーネントの特性に大きく依存します。ベース接続部が結合するコンクリートベース自体が比較的硬くない限り、「硬い」とは見なせません。 多くの場合、これは検査によって明らかになります。
参考文献
- Steel Designers’ Manual 7th Edition. 編集者 B Davison & G W Owens. The Steel Construction Institute 2012, Chapter 28
- Architectural Design in Steel – Trebilcock P and Lawson R M published by Spon, 2004
Resources
- SCI P358 Joints in Steel Construction – Simple Joints to Eurocode 3.に掲載された資料です。 2014
- SCI P398 鋼構造におけるジョイント-ユーロコード3に対するモーメント抵抗ジョイント、2013
- National Structural Steelwork Specification (6th Edition), Publication No. 57/17、BCSA 2017
- 欧州の鉄骨建築物。 平屋建ての鉄骨建築物；第11部：モーメント接続。
- Design of welded joints – Celsius®355 and Hybox®355, 2013, タタ・スチール
参照
- Multi-Multiオフィスビル
- 連続フレーム
- モデリングと解析
- 単純接続
- ポータルフレーム
- 製作
- 溶接
- 建設
- プリロードボルト
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