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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023142944
(43)【公開日】2023-10-06
(54)【発明の名称】溶接継手
(51)【国際特許分類】
B23K 9/00 20060101AFI20230928BHJP
B23K 9/23 20060101ALI20230928BHJP
E04B 1/58 20060101ALI20230928BHJP
【ＦＩ】
B23K9/00 501B
B23K9/23 A
E04B1/58 503H
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022050087
(22)【出願日】2022-03-25
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000002299
【氏名又は名称】清水建設株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000637
【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】中嶋 洋介
(72)【発明者】
【氏名】二階堂 真人
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 圭一
(72)【発明者】
【氏名】清水 信孝
(72)【発明者】
【氏名】平山 博巳
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 浩資
(72)【発明者】
【氏名】吉本 隼
(72)【発明者】
【氏名】鶴 勇治
(72)【発明者】
【氏名】石井 大吾
(72)【発明者】
【氏名】仁田脇 雅史
【テーマコード（参考）】
2E125
4E001
4E081
【Ｆターム（参考）】
2E125AA04
2E125AB16
2E125AC15
2E125AG03
2E125AG57
2E125CA90
4E001CA02
4E001EA09
4E081DA14
4E081YB03
(57)【要約】
【課題】柱継手のような閉鎖断面部材に形成される溶接継手へのアンダーマッチ溶接継手の適用。
【解決手段】閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、上記溶接継手は上記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、上記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの５２％以上９３％未満である溶接継手が提供される。また、閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、上記溶接継手は上記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、上記閉鎖断面部材の内部にコンクリートが充填され、上記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの４２％以上９３％未満である溶接継手が提供される。
【選択図】図１
【解決手段】閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、上記溶接継手は上記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、上記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの５２％以上９３％未満である溶接継手が提供される。また、閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、上記溶接継手は上記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、上記閉鎖断面部材の内部にコンクリートが充填され、上記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの４２％以上９３％未満である溶接継手が提供される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、
前記溶接継手は前記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、
前記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの５２％以上９３％未満である溶接継手。
前記溶接継手は前記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、
前記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの５２％以上９３％未満である溶接継手。
【請求項2】
閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、
前記溶接継手は前記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、
前記閉鎖断面部材の内部にコンクリートが充填され、
前記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの４２％以上９３％未満である溶接継手。
前記溶接継手は前記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、
前記閉鎖断面部材の内部にコンクリートが充填され、
前記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの４２％以上９３％未満である溶接継手。
【請求項3】
開先角度θが、前記母材の引張強さの規格値Ｆｕおよび前記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙとの間で式（ｉ）の関係を満たす、請求項１または請求項２に記載の溶接継手。
【請求項4】
前記溶接金属部で破壊が生じることを防止できる軟質度ａＳｒが、開先角度α（°）、ルートギャップｇ（ｍｍ）、余盛り高さｅ（ｍｍ）、０以上であって式（iii）の関係を満たすβ’及びαの値のうち小さい方の値βとの間で式（ii）の関係を満たし、
前記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙが、前記母材の引張強さの実勢値ｂσｕ、前記軟質度ａＳｒおよび溶接材料の降伏比Ｙ．Ｒとの間で式（iv）の関係を満たす、請求項３に記載の溶接継手。
前記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙが、前記母材の引張強さの実勢値ｂσｕ、前記軟質度ａＳｒおよび溶接材料の降伏比Ｙ．Ｒとの間で式（iv）の関係を満たす、請求項３に記載の溶接継手。
【請求項5】
溶接組立箱形断面柱または鋼管柱を軸方向に接合する柱継手である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接継手。
【請求項6】
開先面の開先角度が異なる２つ以上の部分によって構成され、
前記２つ以上の部分では開先ルート部に最も近い部分の開先角度が最も大きく、前記開先ルート部から離れた部分になるにつれて開先角度が小さくなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶接継手。
前記２つ以上の部分では開先ルート部に最も近い部分の開先角度が最も大きく、前記開先ルート部から離れた部分になるにつれて開先角度が小さくなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶接継手。
【請求項7】
溶接金属の表層および止端部が母材の面に対して凹状になるように滑らかに削り込まれている、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の溶接継手。
【請求項8】
開先面から突出するノッチが形成される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の溶接継手。
【請求項9】
開先面にバタリング溶接が形成される、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶接継手に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の建築構造物の超高層化、大スパン化に伴い、超高層建築物の主要柱で超高強度鋼が採用される事例が増えている。しかしながら、超高強度鋼の場合、溶接部で母材と同等以上の強度（オーバーマッチ）を確保するため、高価な溶接材料を用いることが必須である。また、溶接割れ防止のために高い予熱温度の管理が求められるため、普及が進んでいない。そこで、予熱作業の緩和を目的に、母材に対して低強度の溶接（アンダーマッチ溶接）材料を適用する検討が進められている。例えば、特許文献１には、鋼材同士の溶接継手をアンダーマッチ溶接にした場合に、開先角度、ルートギャップおよび余盛り高さが所定の条件を満たすことによって、溶接金属部で破壊が生じることを防止できる溶接継手が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１５－０９１５９９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、上記のようなアンダーマッチ溶接継手の検討は、まだ限られた部位を対象にして行われているのみであり、さまざまな部位の中でどの部位にアンダーマッチ溶接継手が適用できるか、また適用にあたってどのような条件を設定すればよいかは、必ずしも十分に検討されていない。例えば、工事現場で溶接される柱継手は最も予熱作業の緩和が期待される部位であるが、柱継手へのアンダーマッチ溶接継手の適用については、これまで十分に検討されていない。
【0005】
そこで、本発明は、柱継手のような閉鎖断面部材に形成される溶接継手へのアンダーマッチ溶接継手の適用を可能にする、新規かつ改良された溶接継手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】
【0006】
［１］閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、上記溶接継手は上記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、上記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの５２％以上９３％未満である溶接継手。
［２］閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、上記溶接継手は上記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、上記閉鎖断面部材の内部にコンクリートが充填され、上記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの４２％以上９３％未満である溶接継手。
［３］開先角度θが、上記母材の引張強さの規格値Ｆｕおよび上記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙとの間で式（ｉ）の関係を満たす、［１］または［２］に記載の溶接継手。
［４］前記溶接金属部で破壊が生じることを防止できる軟質度ａＳｒが、開先角度α（°）、ルートギャップｇ（ｍｍ）、余盛り高さｅ（ｍｍ）、０以上であって式（iii）の関係を満たすβ’及びαの値のうち小さい方の値βとの間で式（ii）の関係を満たし、
前記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙが、前記母材の引張強さの実勢値bσu、前記軟質度ａＳｒおよび溶接材料の降伏比Ｙ．Ｒとの間で式（iv）の関係を満たす、請求項３に記載の溶接継手。
［５］溶接組立箱形断面柱または鋼管柱を軸方向に接合する柱継手である、［１］から［４］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［６］開先面の開先角度が異なる２つ以上の部分によって構成され、上記２つ以上の部分では開先ルート部に最も近い部分の開先角度が最も大きく、上記開先ルート部から離れた部分になるにつれて開先角度が小さくなる、［１］から［５］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［７］溶接金属の表層および止端部が母材の面に対して凹状になるように滑らかに削り込まれている、［１］から［６］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［８］開先面から突出するノッチが形成される、［１］から［７］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［９］開先面にバタリング溶接が形成される、［１］から［８］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［２］閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手であって、上記溶接継手は上記閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成され、上記閉鎖断面部材の内部にコンクリートが充填され、上記溶接継手を構成する溶接金属の引張強さが、母材の引張強さの４２％以上９３％未満である溶接継手。
［３］開先角度θが、上記母材の引張強さの規格値Ｆｕおよび上記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙとの間で式（ｉ）の関係を満たす、［１］または［２］に記載の溶接継手。
［４］前記溶接金属部で破壊が生じることを防止できる軟質度ａＳｒが、開先角度α（°）、ルートギャップｇ（ｍｍ）、余盛り高さｅ（ｍｍ）、０以上であって式（iii）の関係を満たすβ’及びαの値のうち小さい方の値βとの間で式（ii）の関係を満たし、
前記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙが、前記母材の引張強さの実勢値bσu、前記軟質度ａＳｒおよび溶接材料の降伏比Ｙ．Ｒとの間で式（iv）の関係を満たす、請求項３に記載の溶接継手。
［５］溶接組立箱形断面柱または鋼管柱を軸方向に接合する柱継手である、［１］から［４］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［６］開先面の開先角度が異なる２つ以上の部分によって構成され、上記２つ以上の部分では開先ルート部に最も近い部分の開先角度が最も大きく、上記開先ルート部から離れた部分になるにつれて開先角度が小さくなる、［１］から［５］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［７］溶接金属の表層および止端部が母材の面に対して凹状になるように滑らかに削り込まれている、［１］から［６］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［８］開先面から突出するノッチが形成される、［１］から［７］のいずれか１項に記載の溶接継手。
［９］開先面にバタリング溶接が形成される、［１］から［８］のいずれか１項に記載の溶接継手。
【発明の効果】
【0007】
上記の構成によれば、溶接継手を閉鎖断面部材の断面全周にわたって形成することによって、板材軸方向と平行の板縁が、異なる面の板によって拘束されて幅方向に収縮されないため、平継手よりも大きな母材の塑性拘束効果を受けることが考えられるため、溶接継手を軟質度（母材の引張強さに対する溶接金属の引張強さの割合）が９３％未満のアンダーマッチ溶接継手を用いても部材耐力を確保することができる。例えば柱継手のような閉鎖断面部材の溶接継手をアンダーマッチ溶接継手にすることによって、オーバーマッチ継手に比べて溶接材料の費用を抑えることができるのに加えて、高い予熱温度の管理が必要なくなり、施工性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態に係る溶接継手の適用部位を示す図である。
【図2】溶接部の面内せん断応力について説明するための図である。
【図3】本発明の実施形態に係る溶接継手の効果を検証する実験における試験体の形状を示す図である。
【図4】実験におけるＮｏ．１試験体のモーメント－部材角の関係を示すグラフである。
【図5】実験におけるＮｏ．２試験体のモーメント－部材角の関係を示すグラフである。
【図6】実験におけるＮｏ．３試験体のモーメント－部材角の関係を示すグラフである。
【図7】閉鎖断面による塑性拘束効果について実施した有限要素法（ＦＥＭ）解析のモデルを示す図である。
【図8】溶接組立箱形断面柱の解析結果における軟質度と曲げモーメントとの関係を示すグラフである。
【図9】ＣＦＴ柱の解析結果における軟質度と曲げモーメントの関係を示すグラフである。
【図10】解析例３における相当塑性ひずみを示すコンター図である。
【図11】解析例８における相当塑性ひずみを示すコンター図である。
【図12】溶接部の第１の構成例を示す図である。
【図13】溶接部の第２の構成例を示す図である。
【図14】溶接部の第３の構成例を示す図である。
【図15】溶接部の第４の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する。
【0010】
図１は、本発明の一実施形態に係る溶接継手の適用部位を示す図である。図示された例において、溶接組立箱形断面柱１およびＨ形鋼梁２を含む柱梁架構には、溶接組立箱形断面柱１の角継手３、Ｈ形鋼梁２のフランジを溶接組立箱形断面柱１に接合する柱梁継手４、および溶接組立箱形断面柱１の柱継手５の３種類の溶接継手が含まれる。柱継手５は、溶接組立箱形断面柱１が軸方向に接合される継手であり、例えばＨ形鋼梁２が接合される部分とそれ以外の部分との間に形成される。拡大図に示されるように、柱継手５は、溶接組立箱形断面柱１を構成する鋼板５１，５２の間に開先を形成し、裏当て金５４を配置して溶接金属５３を充填することによって形成される。柱継手５は、一般的には工事現場で溶接される。以下では、この柱継手５にアンダーマッチ溶接継手を適用した例について説明する。ここで、アンダーマッチ溶接継手は、溶接金属５３の引張強さが母材（鋼板５１，５２）の引張強さよりも小さい溶接継手を意味する。
【0011】
なお、柱継手５の他に、角継手３および柱梁継手４のいずれか、または両方をアンダーマッチ溶接継手にすることも可能である。角継手３および柱梁継手４については柱継手５とは条件が異なるため、アンダーマッチ溶接継手を適用する場合の条件は柱継手とは異なりうる。一般的に、角継手３は工場で溶接され、柱梁継手４は工場もしくは工事現場で溶接される。
【0012】
柱継手５にアンダーマッチ溶接継手を適用する場合、以下の課題がある。まず、柱継手５は溶接組立箱形断面柱１の周方向全周にわたって形成されるため、直応力を受ける部位である。そこにアンダーマッチ溶接継手を適用すると、地震時に材料強度の低い溶接金属５３が先に塑性化し破断するため、部材耐力が必要耐力を満たさない可能性がある。次に、柱継手５にアンダーマッチ溶接継手を適用すると、母材である鋼板５１、５２と溶接金属５３との溶接接合線ＦＬをはさんで材質が不連続になるため、図２に示すように地震時の応力方向に対して角度をもって形成される溶接融合線ＦＬに沿って過大な面内せん断力τが作用する可能性がある。この面内せん断力τによって不連続面に沿ってひずみが集中し、早期に脆性破断が発生する可能性がある。
【0013】
上記の課題のうち、部材耐力については、溶接組立箱形断面柱１が閉鎖断面部材であることから、柱継手５を断面全周にわたって連続して形成することによって、板材軸方向と平行の板縁が、異なる面の板によって拘束されて幅方向に収縮されないため、平継手よりも大きな母材の塑性拘束効果が期待できる。また、図１の例に示されるように溶接組立箱形断面柱１の内部にコンクリート１１を充填してＣＦＴ（Concrete-Filled Tube）柱とすることによって、断面内側に向かって収縮しようとする柱継手５の溶接金属５３を拘束し、部材耐力をさらに向上させることができる。
【0014】
また、面内せん断力τによる早期の脆性破断については、図２に示すように適切な開先角度θを設定することによって、溶接金属５３の応力が母材（鋼板５１，５２）の引張強さの規格値に達する前に早期の脆性破断が生じないようにすることができる。具体的には、溶接融合線ＦＬに沿う面内せん断力τと溶接融合線ＦＬに対して垂直な方向の応力σｎとの合応力Ｔは母材（鋼板５１，５２）に作用する引張力Ｐに等しいため、母材の断面積Ａと開先角度θとを用いて面内せん断力τおよび応力σｎは以下の式（１），（２）のように表せる。
【0015】
【数1】
【0016】
ここで、母材（鋼板５１，５２）に作用する引張力Ｐが引張強さの規格値Ｆｕに到達したとき、式（２）においてＰ／Ａ＝Ｆｕになる。このときの面内せん断力τが、溶接金属５３の降伏せん断力ｗτｙ以下であれば、面内せん断力τによる早期の脆性破断を防止することができる。この条件は、以下の式（３）で表される。より具体的には、特開２０１５－０９１５９９号公報で提案されている式（４）は、開先角度α（°）、ルートギャップｇ（ｍｍ）、余盛り高さｅ（ｍｍ）、０以上であって式（５）を満たすβ’及びαの値のうち小さい方の値βが所定の条件を満たすことによって、溶接金属部で破壊が生じることを防止できる軟質度ａＳｒを算定することができる。軟質度は４２％以上ａＳｒ以下、溶接材料の降伏比はＹ．Ｒの場合に、母材の引張強さの実勢値ｂσｕおよび前記溶接金属の降伏せん断力ｗτｙとの間で式（６）の関係を満たす開先角度θを算出してもよい。また、例えば７８０Ｎ／ｍｍ２鋼材に対して５９０Ｎ／ｍｍ２鋼材用の溶接材料を用いる場合には、ｗτｙ／Ｆｕが０．３５～０．４５程度となるため、開先角度θは２５°～３５°程度が望ましい。
【0017】
【数2】
【0018】
上記のように柱継手５を構成することによって、柱継手５にアンダーマッチ溶接継手を適用しても柱の部材耐力を確保することができる。ここで、「低強度溶接金属をもつ溶接継手の静的引張強度に関する研究」豊田政男，大阪大学博士論文，1973年や、「軟質溶接継手の力学的挙動と強度に関する研究」日本溶接学会鉄鋼部会ＳＪ委員会総合報告書，1975年では、板状の母材間の溶接部について、板厚に対する板幅が５倍以上であり、溶接材料の引張強さの母材の引張強さに対する割合（以下、軟質度Ｓｒともいう）が９３％以上であれば、継手の耐力が母材の引張強さ以上になることが記載されている。これに対して、本実施形態では、柱継手５における母材（鋼板５１，５２）と溶接金属５３との間で軟質度Ｓｒが９３％未満であっても、柱の部材耐力を確保することができる。具体的には、柱継手５における軟質度Ｓｒは、溶接組立箱形断面柱１の内部にコンクリート１１が充填されない場合は５２％以上、溶接組立箱形断面柱１の内部にコンクリート１１が充填される場合は４２％以上の範囲で設定することが可能である。
【0019】
（実験結果）
次に、上記のような本発明の実施形態に係る溶接継手の効果を検証する実験の結果について説明する。柱スキンプレートに７８０Ｎ／ｍｍ２級鋼を用いた超高強度ＣＦＴ柱の柱継手にアンダーマッチ溶接継手を適用した実験を実施した。実験の条件について、図３および表１を参照して説明する。図３には、試験体の形状が示されている。Ｎｏ．１～Ｎｏ．３試験体では試験体中央から２００ｍｍずつ離れた２つの位置Ｐ１，Ｐ２で柱の全周にわたって柱継手を形成した。柱継手の開先形状は、開先角度３５°、ルートギャップ７ｍｍである。Ｎｏ．１～Ｎｏ．３試験体の間では、柱継手の溶接材料が異なる。柱継手について、Ｎｏ．１試験体では軟質度Ｓｒ＝１０１．４％、Ｎｏ．２試験体では軟質度Ｓｒ＝８１．１％、Ｎｏ．３試験体では軟質度Ｓｒ＝７１．８％である。従って、Ｎｏ．２試験体およびＮｏ．３試験体が本発明の実施形態に係る溶接継手、すなわち柱継手に軟質溶接継手を適用した例である。
次に、上記のような本発明の実施形態に係る溶接継手の効果を検証する実験の結果について説明する。柱スキンプレートに７８０Ｎ／ｍｍ２級鋼を用いた超高強度ＣＦＴ柱の柱継手にアンダーマッチ溶接継手を適用した実験を実施した。実験の条件について、図３および表１を参照して説明する。図３には、試験体の形状が示されている。Ｎｏ．１～Ｎｏ．３試験体では試験体中央から２００ｍｍずつ離れた２つの位置Ｐ１，Ｐ２で柱の全周にわたって柱継手を形成した。柱継手の開先形状は、開先角度３５°、ルートギャップ７ｍｍである。Ｎｏ．１～Ｎｏ．３試験体の間では、柱継手の溶接材料が異なる。柱継手について、Ｎｏ．１試験体では軟質度Ｓｒ＝１０１．４％、Ｎｏ．２試験体では軟質度Ｓｒ＝８１．１％、Ｎｏ．３試験体では軟質度Ｓｒ＝７１．８％である。従って、Ｎｏ．２試験体およびＮｏ．３試験体が本発明の実施形態に係る溶接継手、すなわち柱継手に軟質溶接継手を適用した例である。
【0020】
【表1】
【0021】
実験は、３点曲げ試験法によって実施した。図３において矢印Ｑ１，Ｑ２として示されるように、試験体中央部の載荷点を載荷板で挟み込み、材軸直交方向の繰り返し載荷を加えた。端部の支点は水平移動が自由なピンローラー支承とした。載荷は柱部材変位角Ｒにより制御した。すべての試験体について、載荷は漸増正負交番繰返し載荷として、弾性範囲での予備載荷（Ｒ＝１／８００で２サイクル）後、Ｒ＝１／４００を基準として０．２５％ずつ漸増（各２サイクル）、Ｒ＝１／１００以降は０．５％ずつ漸増し、Ｒ＝１／２５まで載荷を行った。その後、試験体が破断するまでＲ＝１／１２．５での一定振幅載荷とした。
【0022】
図４は、Ｎｏ．１試験体のモーメントＭ－部材角Ｒの関係を示すグラフである。部材角Ｒは、左右の柱部材角の平均値である。Ｎｏ．１試験体では、Ｒ＝１／１２．５での載荷の１７サイクル目負側の載荷途中で柱継手に脆性破断が発生して実験を終了したが、最大耐力は「建築構造用高強度７８０Ｎ／ｍｍ２鋼材（Ｈ－ＳＡ７００）利用技術指針」日本鉄鋼連盟、第二版、2021年3月で規定されるＣＦＴ部材の終局曲げ耐力を上回った。なお、ＣＦＴ部材の終局曲げ耐力は、実勢値を用いて算定している。
【0023】
図５は、Ｎｏ．２試験体のモーメントＭ－部材角Ｒの関係を示すグラフである。部材角Ｒは、左右の柱部材角の平均値である。Ｎｏ．２試験体では、Ｒ＝１／１２．５での載荷の６サイクル目正側の載荷途中で柱継手に脆性破断が発生して実験を終了したが、最大耐力は「建築構造用高強度７８０Ｎ／ｍｍ２鋼材（Ｈ－ＳＡ７００）利用技術指針」日本鉄鋼連盟，第二版，2021年3月で規定されるＣＦＴ部材の終局曲げ耐力を上回り、またＮｏ．１試験体と同等であった。なお、ＣＦＴ部材の終局曲げ耐力は、実勢値を用いて算定している。
【0024】
図６は、Ｎｏ．３試験体のモーメントＭ－部材角Ｒの関係を示すグラフである。部材角Ｒは、左右の柱部材角の平均値である。Ｎｏ．３試験体では、Ｒ＝１／１２．５での載荷の１サイクル目正側の載荷途中で脆性破断が発生して実験を終了したが、こちらも最大耐力は「建築構造用高強度７８０Ｎ／ｍｍ２鋼材（Ｈ－ＳＡ７００）利用技術指針」日本鉄鋼連盟，第二版，2021年3月で規定されるＣＦＴ部材の終局曲げ耐力を上回り、またＮｏ．１試験体と同等であった。なお、ＣＦＴ部材の終局曲げ耐力は、実勢値を用いて算定している。
【0025】
以上の実験の結果によって、ＣＦＴ柱の柱継手が例えば軟質度Ｓｒ＝８１．１％や軟質度Ｓｒ＝７１．８％のアンダーマッチ溶接継手であっても、継手を全周に形成することによって柱の部材耐力を確保できることが示された。また、アンダーマッチ溶接継手であっても、オーバーマッチ溶接継手と同等のモーメントＭ－部材角Ｒを確保できることが示された。
【0026】
（ＦＥＭ解析結果）
図７は、閉鎖断面による塑性拘束効果について実施した有限要素法（ＦＥＭ）解析のモデルを示す図である。本発明の実施形態の効果を検証するために、図７に示されるような柱継手のモデルで構造解析を実施した。柱断面寸法は、柱せい２５０ｍｍ、板厚が２２ｍｍ、幅厚比≒１１であり、７８０Ｎ／ｍｍ２級鋼材（引張強さ９０１Ｎ／ｍｍ２）、設計基準強度１５０Ｎ／ｍｍ２級（圧縮応力度１６６Ｎ／ｍｍ２以上）で形成される。柱継手の溶接材料については、軟質度が０．３３～１．０１の真応力－真ひずみ関係を用いており、表２に示す解析例１～１１でそれぞれ異なる。充填コンクリートの圧縮応力度は、表２に示す値を用いており、解析例１～５は、充填コンクリートなしの溶接組立箱形断面柱とし、解析例６～１１は、ＣＦＴ柱とした。開先形状は、開先角度３５°の傾斜面で、ルートギャップの大きさは７ｍｍである。
図７は、閉鎖断面による塑性拘束効果について実施した有限要素法（ＦＥＭ）解析のモデルを示す図である。本発明の実施形態の効果を検証するために、図７に示されるような柱継手のモデルで構造解析を実施した。柱断面寸法は、柱せい２５０ｍｍ、板厚が２２ｍｍ、幅厚比≒１１であり、７８０Ｎ／ｍｍ２級鋼材（引張強さ９０１Ｎ／ｍｍ２）、設計基準強度１５０Ｎ／ｍｍ２級（圧縮応力度１６６Ｎ／ｍｍ２以上）で形成される。柱継手の溶接材料については、軟質度が０．３３～１．０１の真応力－真ひずみ関係を用いており、表２に示す解析例１～１１でそれぞれ異なる。充填コンクリートの圧縮応力度は、表２に示す値を用いており、解析例１～５は、充填コンクリートなしの溶接組立箱形断面柱とし、解析例６～１１は、ＣＦＴ柱とした。開先形状は、開先角度３５°の傾斜面で、ルートギャップの大きさは７ｍｍである。
【0027】
【表2】
【0028】
解析モデルは図７に示すようにＸ方向（部材の板幅方向）について対称性を考慮した１／２モデルとし、モデル化の要素には６面体１次要素を用いた。解析変数は柱継手溶接材料、充填コンリートの有無である。載荷方法は、部材端部（自由端）にＹ方向（負）の強制変位ｄを与える単調載荷とした。載荷点位置は、Ｘ、Ｚ方向については変位を拘束されており、載荷点位置反対側の端部（固定端）は、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向について変位を拘束されている。また、対称面の変位はＸ方向について拘束されている。柱スキンプレートおよび溶接材料の降伏条件としてはフォンミーゼスの降伏条件を採用し、コンクリートの降伏曲面としては、ドラッガープラガー則を採用している。解析には汎用非線形構造解析プログラム「ＭＡＲＣ２０２１」を用いた。
【0029】
図８は、溶接組立箱形断面柱の解析結果における軟質度と曲げモーメントとの関係を示すグラフである。なお、縦軸に、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｙｉｅｌｄ法を用いて算定される初期剛性を１/２倍した線とモーメント―部材角関係が交わる点の接線剛性と初期剛性が交わる点の曲げモーメント（Ｍp＿ｇ）を全塑性モーメント（Ｍｐ）で除した値を示し、横軸に軟質度Ｓｒを示す。グラフに示されるように、溶接組立箱形断面柱の材端で生じる曲げモーメントは、軟質度Ｓｒが０.５２程度で全塑性モーメントと同等になることがわかる（Ｍp＿ｇ／Ｍｐ＝１）。
【0030】
図９は、ＣＦＴ柱の解析結果における軟質度と曲げモーメントの関係を示すグラフである。なお、縦軸に、最大耐力時の曲げモーメントもしくは解析最終ステップの曲げモーメント（Ｍｍａｘ）を「建築構造用高強度７８０Ｎ／ｍｍ２鋼材（Ｈ－ＳＡ７００）利用技術指針」日本鉄鋼連盟、第二版、2021年3月で規定されるＣＦＴ部材の終局曲げ耐力（Ｍｕ）で無次元化した値を示し、横軸に軟質度Ｓｒを示す。グラフに示されるように、ＣＦＴ柱の材端で生じる曲げモーメントは、軟質度Ｓｒが０.４２程度で終局曲げモーメントと同等になることがわかる（Ｍｍａｘ／Ｍｕ＝１）。
【0031】
図１０は、解析例３における部材角１／２０ｒａｄ時の相当塑性ひずみを示すコンター図である。図１１は、解析例８における部材角１／２０ｒａｄ時の相当塑性ひずみを示すコンター図である。部材角１/２０ｒａｄ時は、解析例３において「建築構造用高強度７８０Ｎ／ｍｍ２鋼材（Ｈ－ＳＡ７００）利用技術指針」日本鉄鋼連盟、第二版、２０２１年３月で規定されるＣＦＴ部材の終局曲げ耐力（Ｍｕ）を満たし、解析例８において全塑性モーメントを満たしている。図１０、図１１に示されるように、溶接組立箱形断面柱の解析例３に比べて、溶接組立箱形断面柱の内部にコンクリートを充填してＣＦＴ（Concrete-Filled Tube）柱とした解析例８では、断面内側に向かって収縮しようとする柱継手の変形を拘束し、柱スキンプレートが塑性化することにより部材耐力をさらに向上させることができる。
【0032】
以上で説明したように、本発明の一実施形態によれば、アンダーマッチ溶接継手である柱継手を柱の断面全周にわたって連続して形成することによって、塑性拘束効果によって部材耐力を確保することができる。また、適切な開先角度を設定することによって、溶接部の面内せん断力による早期の脆性破断を防止できる。
【0033】
なお、本発明の実施形態は、上記で説明したような溶接組立箱形断面柱に限らず、冷間成型角形鋼管柱や鋼管杭などの任意の閉鎖断面部材同士の間に形成される溶接継手に適用することができる。
【0034】
（溶接部の構成例）
ここからは、上述した本発明の実施形態で適用可能な溶接部の構成について説明する。なお、これらの構成は、本発明の実施形態、つまり閉鎖断面部材の全周に軟質溶接継手を形成する場合に限らず適用可能である。また、上記で説明した実験や解析では以下の溶接部の構成は採用されておらず、本発明の実施形態は以下の溶接部の構成がなくても実施可能である。
ここからは、上述した本発明の実施形態で適用可能な溶接部の構成について説明する。なお、これらの構成は、本発明の実施形態、つまり閉鎖断面部材の全周に軟質溶接継手を形成する場合に限らず適用可能である。また、上記で説明した実験や解析では以下の溶接部の構成は採用されておらず、本発明の実施形態は以下の溶接部の構成がなくても実施可能である。
【0035】
図１２は、溶接部の第１の構成例を示す図である。この例では、開先面５５が開先角度θが異なる２つの部分５５Ａ，５５Ｂによって構成される。開先面５５は、角度が異なる３つ以上の部分によって構成されてもよい。この場合、開先ルート部に最も近い部分（図示された例では部分５５Ａ）の開先角度θＡが最も大きく、ルート部から離れた部分（図示された例では部分５５Ｂ）になるにつれて開先角度θＢが小さくなる。これによって、開先幅を確保しつつ一部で開先角度を小さくし、溶接後に開先面５５に沿って現れる溶接融合線に沿って発生する面内せん断力を低減することができる。
【0036】
図１３は、溶接部の第２の構成例を示す図である。この例では、溶接後の溶接金属５３の表層および止端部が母材（鋼板５１，５２）の面に対して凹状になるように滑らかに削り込まれている。これによって、溶接金属５３の表層および止端部に形成される可能性があるノッチを除去することができる。ノッチは、き裂の発生の起点になるため、上記のような加工によってき裂が発生しにくくなり、早期の脆性破断を防止することができる。
【0037】
図１４は、溶接部の第３の構成例を示す図である。この例では、開先面５５から突出するノッチ５６が形成される。これによって、母材と溶接金属との境界の滑りを抑制することができるため、溶接後に開先面５５に沿って現れる溶接融合線に沿って発生する面内せん断力を低減することができる。
【0038】
図１５は、溶接部の第４の構成例を示す図である。この例では、開先面にバタリング溶接５７が形成される。これによって、開先面に凹凸形状が形成され、母材と溶接金属との境界の滑りを抑制することができるため、溶接後に開先面に沿って現れる溶接融合線に沿って発生する面内せん断力を低減することができる。
【0039】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。本発明の属する技術の分野の当業者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【0040】
１…溶接組立箱形断面柱、２…Ｈ形鋼梁、３…角継手、４…柱梁継手、５…柱継手、１１…コンクリート、５１，５２…鋼板、５３…溶接金属、５４…裏当て金、５５…開先面、５６…ノッチ、５７…バタリング溶接。
【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】