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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】P2024122520
(43)【公開日】2024-09-09
(54)【発明の名称】Ｈ形断面部材及びＨ形断面部材の設計方法
(51)【国際特許分類】
E04C 3/08 20060101AFI20240902BHJP
【ＦＩ】
E04C3/08
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023030098
(22)【出願日】2023-02-28
(71)【出願人】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100187702
【弁理士】
【氏名又は名称】福地 律生
(74)【代理人】
【識別番号】100162204
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 学
(74)【代理人】
【識別番号】100195213
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 健治
(74)【代理人】
【識別番号】100120499
【弁理士】
【氏名又は名称】平山 淳
(72)【発明者】
【氏名】濱地 南美
(72)【発明者】
【氏名】廣嶋 哲
(72)【発明者】
【氏名】宍戸 唯一
【テーマコード（参考）】
2E163
【Ｆターム（参考）】
2E163FA12
2E163FB02
2E163FB23
(57)【要約】
【課題】煩雑な工程を経ることなく、また製造コストを上昇させることなく、ウェブに貫通孔を有する強度が高められたＨ形断面部材及びＨ形断面部材の設計方法を提供する。
【解決手段】Ｈ形鋼１００は、ウェブ１００ａに沿ってフランジ１００ｂが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であるＨ形断面部材であって、ウェブ１００ａがウェブ貫通孔１０２を有し、ウェブ１００ａを構成する材料とフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点は、長手方向の全域に渡り、ウェブ１００ａを構成する材料の降伏点の方がフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点よりも大きい。
【選択図】図２
【解決手段】Ｈ形鋼１００は、ウェブ１００ａに沿ってフランジ１００ｂが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であるＨ形断面部材であって、ウェブ１００ａがウェブ貫通孔１０２を有し、ウェブ１００ａを構成する材料とフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点は、長手方向の全域に渡り、ウェブ１００ａを構成する材料の降伏点の方がフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点よりも大きい。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ウェブの長手方向に沿ってフランジが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であるＨ形断面部材であって、
前記ウェブが貫通孔を有し、
前記ウェブを構成する材料と前記フランジを構成する材料の降伏点は、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点の方が前記フランジを構成する材料の降伏点よりも大きい、Ｈ形断面部材。
前記ウェブが貫通孔を有し、
前記ウェブを構成する材料と前記フランジを構成する材料の降伏点は、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点の方が前記フランジを構成する材料の降伏点よりも大きい、Ｈ形断面部材。
【請求項2】
前記ウェブを構成する材料と前記フランジを構成する材料の降伏点は、それぞれが材料の規格で定められた規格上限値と規格下限値の間の範囲であり、
前記ウェブが貫通孔を有し、前記ウェブを構成する材料の降伏点の規格下限値が前記フランジを構成する材料の降伏点の規格下限値よりも大きい、請求項１に記載のＨ形断面部材。
前記ウェブが貫通孔を有し、前記ウェブを構成する材料の降伏点の規格下限値が前記フランジを構成する材料の降伏点の規格下限値よりも大きい、請求項１に記載のＨ形断面部材。
【請求項3】
外力が作用した場合に、せん断降伏よりも先に曲げ降伏が発生する、請求項１又は２に記載のＨ形断面部材。
【請求項4】
前記フランジを構成する材料の降伏点に対する前記ウェブを構成する材料の降伏点の比が下記式を満足する、請求項１に記載のＨ形断面部材。
但し、上式において、Ｈは前記両端部に沿って設けられた２つの前記フランジの外面間の距離、Ｂは前記フランジの長手方向と直交する方向の幅、Ｒは前記貫通孔の開口率であって前記貫通孔の直径または前記フランジの長手方向と直交する方向の前記貫通孔の長さを２つの前記フランジの外面間の距離で除算した値、ｗσｙは前記ウェブを構成する材料の降伏点、ｆσｙは前記フランジを構成する材料の降伏点、係数βは４以上８以下の値である。
【数1】
【請求項5】
係数βが８であり、大梁として用いられる、請求項４に記載のＨ形断面部材。
【請求項6】
係数βが４以上５以下であり、小梁として用いられる、請求項４に記載のＨ形断面部材。
【請求項7】
ウェブの長手方向に沿ってフランジが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であり、前記ウェブに貫通孔を有するＨ形断面部材の設計方法であって、
外力が作用した場合に、せん断降伏よりも先に曲げ降伏が発生するように、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点を前記フランジを構成する材料の降伏点よりも高くする、
Ｈ形断面部材の設計方法。
外力が作用した場合に、せん断降伏よりも先に曲げ降伏が発生するように、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点を前記フランジを構成する材料の降伏点よりも高くする、
Ｈ形断面部材の設計方法。
【請求項8】
前記フランジを構成する材料の降伏点に対する前記ウェブを構成する材料の降伏点の比が下記式を満足する、請求項７に記載のＨ形断面部材の設計方法。
但し、上式において、Ｈは前記両端部に沿って設けられた２つの前記フランジの外面間の距離、Ｂは前記フランジの長手方向と直交する方向の幅、Ｒは前記貫通孔の開口率であって前記貫通孔の直径または前記フランジの長手方向と直交する方向の前記貫通孔の長さを２つの前記フランジの外面間の距離で除算した値、ｗσｙは前記ウェブを構成する材料の降伏点、ｆσｙは前記フランジを構成する材料の降伏点、係数βは４以上８以下の値である。
【数2】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、Ｈ形断面部材及びＨ形断面部材の設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
柱や梁等の構造部材に鋼板や各種形鋼を用いた建築物は鋼構造建築物と称される。国内の鋼構造建築物では、主に柱に角形鋼管（断面形状が矩形の鋼管）が用いられ、梁にＨ形鋼（Ｈ形断面を有する鋼材）が用いられる。多くの建築物では、柱や梁等の構造部材は内外装材に覆われ、梁や柱梁接合部は天井裏に存在する。また、天井裏には環境設備等に付随する配管や配線が多数存在している。このため、経済性を考慮して建物の高さが制限される等の要因により、梁と設備配管などが干渉する場合がある。そこで、梁と設備配管などを共存させる手段の一つとして、Ｈ形鋼梁の鉛直部材であるウェブに円形や矩形の貫通孔を設け、設備配管などをウェブ開口部に通すことで梁との干渉を避ける方法が一般的に用いられている。このようなウェブ部分に貫通孔を有する梁は有孔梁と称される。
【0003】
有孔梁はウェブ部分に貫通孔を設けたことにより、耐力や変形性能など梁の構造性能が低下する。このため、一般に貫通孔周辺を補強し、ウェブの断面欠損による耐力低下を補うように設計された後、鉄骨加工場にてＨ形鋼の切断や貫通孔の切削、Ｈ形鋼と貫通孔周りの補強部材の接合が行われる。補強部材の形状や仕様は建材メーカーやゼネコンにより様々であることから、補強部材の接合は自動化が難しく、溶接工による手溶接が必須となるため、補強部材の加工やＨ形鋼に補強部材を溶接するには煩雑な工程と製造コストの上昇を招来する。そのため、Ｈ形鋼のウェブに貫通孔が設けられる部材において、補強を前提とした現状の設計および施工は時間とコストが掛かることが課題となっており、貫通孔周辺の補強を合理化することが求められている。
【0004】
有孔梁を補強レスとし耐力を確保するため、下記の特許文献１には、ウェブ貫通孔の周辺を焼き入れして高強度化することで貫通孔周辺の補強をなくすことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１８―４４４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記特許文献に記載された技術では、ウェブの一部のみに焼き入れをするため、貫通孔が多数設けられる場合や、貫通孔の数や位置の変更が生じる場合に、焼き入れによる手間とコストがかかる問題がある。
【0007】
上記課題に鑑みて、本開示の目的は、煩雑な工程を経ることなく、また製造コストを上昇させることなく、ウェブに貫通孔を有する強度が高められたＨ形断面部材及びＨ形断面部材の設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示の要旨は以下のとおりである。
【0009】
（１） ウェブの長手方向に沿ってフランジが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であるＨ形断面部材であって、
前記ウェブが貫通孔を有し、
前記ウェブを構成する材料と前記フランジを構成する材料の降伏点は、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点の方が前記フランジを構成する材料の降伏点よりも大きい、Ｈ形断面部材。
前記ウェブが貫通孔を有し、
前記ウェブを構成する材料と前記フランジを構成する材料の降伏点は、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点の方が前記フランジを構成する材料の降伏点よりも大きい、Ｈ形断面部材。
【0010】
（２） 前記ウェブを構成する材料と前記フランジを構成する材料の降伏点は、それぞれが材料の規格で定められた規格上限値と規格下限値の間の範囲であり、
前記ウェブが貫通孔を有し、前記ウェブを構成する材料の降伏点の規格下限値が前記フランジを構成する材料の降伏点の規格下限値よりも大きい、上記（１）に記載のＨ形断面部材。
前記ウェブが貫通孔を有し、前記ウェブを構成する材料の降伏点の規格下限値が前記フランジを構成する材料の降伏点の規格下限値よりも大きい、上記（１）に記載のＨ形断面部材。
【0011】
（３） 外力が作用した場合に、せん断降伏よりも先に曲げ降伏が発生する、上記（１）又は（２）に記載のＨ形断面部材。
【0012】
（４） 前記フランジを構成する材料の降伏点に対する前記ウェブを構成する材料の降伏点の比が下記式を満足する、上記（１）に記載のＨ形断面部材。
但し、上式において、Ｈは前記両端部に沿って設けられた２つの前記フランジの外面間の距離、Ｂは前記フランジの長手方向と直交する方向の幅、Ｒは前記貫通孔の開口率であって前記貫通孔の直径または前記フランジの長手方向と直交する方向の前記貫通孔の長さを２つの前記フランジの外面間の距離で除算した値、ｗσｙは前記ウェブを構成する材料の降伏点、ｆσｙは前記フランジを構成する材料の降伏点、係数βは４以上８以下の値である。
【数1】
【0013】
（５） 係数βが８であり、大梁として用いられる、上記（４）に記載のＨ形断面部材。
【0014】
（６） 係数βが４以上５以下であり、小梁として用いられる、上記（４）に記載のＨ形断面部材。
【0015】
（７） ウェブの長手方向に沿ってフランジが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であり、前記ウェブに貫通孔を有するＨ形断面部材の設計方法であって、
外力が作用した場合に、せん断降伏よりも先に曲げ降伏が発生するように、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点を前記フランジを構成する材料の降伏点よりも高くする、
Ｈ形断面部材の設計方法。
外力が作用した場合に、せん断降伏よりも先に曲げ降伏が発生するように、長手方向の全域に渡り、前記ウェブを構成する材料の降伏点を前記フランジを構成する材料の降伏点よりも高くする、
Ｈ形断面部材の設計方法。
【0016】
（８） 前記フランジを構成する材料の降伏点に対する前記ウェブを構成する材料の降伏点の比が下記式を満足する、上記（７）に記載のＨ形断面部材の設計方法。
但し、上式において、Ｈは前記両端部に沿って設けられた２つの前記フランジの外面間の距離、Ｂは前記フランジの長手方向と直交する方向の幅、Ｒは前記貫通孔の開口率であって前記貫通孔の直径または前記フランジの長手方向と直交する方向の前記貫通孔の長さを２つの前記フランジの外面間の距離で除算した値、ｗσｙは前記ウェブの降伏点の規格下限値、ｆσｙは前記フランジの降伏点の規格下限値、係数βは４以上８以下の値である。
【数2】
【発明の効果】
【0017】
本開示によれば、煩雑な工程を経ることなく、また製造コストを上昇させることなく、強度が高められたウェブに貫通孔を有するＨ形断面部材及びＨ形断面部材の設計方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1A】本開示に係るＨ形断面部材の長手方向と直交する方向に沿った断面図である。
【図1B】本開示に係るＨ形断面部材の斜視図である。
【図2】本開示に係るＨ形断面部材の解析モデルを示す図である。
【図3】表２の降伏耐力および全塑性耐力の定義を説明するための特性図である。
【図4】大梁の荷重条件および支持条件と、大梁にかかる曲げモーメントとせん断力を示す模式図である。
【図5】小梁の荷重条件および支持条件と、小梁にかかる曲げモーメントとせん断力を示す模式図である。
【図6】小梁の荷重条件および支持条件と、小梁にかかる曲げモーメントとせん断力を示す模式図である。
【図7】梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるＨ形鋼のせん断スパン比（横軸）とアスペクト比（縦軸）との関係を示す特性図である。
【図8】梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるＨ形鋼のせん断スパン比（横軸）とアスペクト比（縦軸）との関係を示す特性図である。
【図9】梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるＨ形鋼のせん断スパン比（横軸）とアスペクト比（縦軸）との関係を示す特性図である。
【図10】実際の建物に用いられている大梁および小梁について、建物の図面調査から得られた、梁の部材寸法から求まるせん断スパン比の構成比率の分布を示す特性図（ヒストグラム）である。
【図11】有孔梁において、フランジの降伏点ｆσｙに対してウェブの降伏点ｗσｙを大きくすることで、部材耐力が曲げ耐力で決定されるようにした場合に、Ｈ形鋼のアスペクト比（横軸）と、フランジの降伏点ｆσｙに対するウェブの降伏点ｗσｙの比（＝ｗσｙ／ｆσｙ、縦軸）との関係を示す特性図である。
【図12】有孔梁において、フランジの降伏点ｆσｙに対してウェブの降伏点ｗσｙを大きくすることで、部材耐力が曲げ耐力で決定されるようにした場合に、Ｈ形鋼のアスペクト比（横軸）と、フランジの降伏点ｆσｙに対するウェブの降伏点ｗσｙの比（＝ｗσｙ／ｆσｙ、縦軸）との関係を示す特性図である。
【図13】有孔梁において、フランジの降伏点ｆσｙに対してウェブの降伏点ｗσｙを大きくすることで、部材耐力が曲げ耐力で決定されるようにした場合に、Ｈ形鋼のアスペクト比（横軸）と、フランジの降伏点ｆσｙに対するウェブの降伏点ｗσｙの比（＝ｗσｙ／ｆσｙ、縦軸）との関係を示す特性図である。
【図14】有孔梁において、フランジの降伏点ｆσｙに対してウェブの降伏点ｗσｙを大きくすることで、部材耐力が曲げ耐力で決定されるようにした場合に、Ｈ形鋼のアスペクト比（横軸）と、フランジの降伏点ｆσｙに対するウェブの降伏点ｗσｙの比（＝ｗσｙ／ｆσｙ、縦軸）との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明に係る幾つかの実施形態について図を参照しながら説明する。しかしながら、これらの説明は、本発明の好ましい実施形態の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施形態に限定することを意図するものではない。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。また、説明は以下の順序で行う。
１．本開示の概要
２．有孔梁の耐力に与えるウェブ降伏点の影響
３．梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるせん断スパン比について
４．有孔梁の部材耐力を向上させるウェブの降伏点ｗσｙの範囲について
１．本開示の概要
２．有孔梁の耐力に与えるウェブ降伏点の影響
３．梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるせん断スパン比について
４．有孔梁の部材耐力を向上させるウェブの降伏点ｗσｙの範囲について
【0020】
１．本開示の概要
本開示は、ウェブに矩形や円形等の貫通孔を有する有孔梁であって、ウェブの強度がフランジの強度に比べて高いＨ形断面部材を対象とする。有孔梁ではウェブ貫通孔による断面欠損等の影響により耐力が低下することが知られており、前述の通り、一般的には貫通孔周辺に鋼板や鋼管等の補強部材を取り付けることで欠損した断面を補う方法が採られているが、補強部材の加工やＨ形鋼への補強部材の接合には手間とコストを要することが課題となっている。そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、補強部材等を接合せずに有孔梁の耐力を上げる方法として、部材のウェブのみ強度を意図的に上げ、Ｈ形鋼のウェブ降伏点をフランジ降伏点より高いＨ形断面部材とすることの知見を得た。
本開示は、ウェブに矩形や円形等の貫通孔を有する有孔梁であって、ウェブの強度がフランジの強度に比べて高いＨ形断面部材を対象とする。有孔梁ではウェブ貫通孔による断面欠損等の影響により耐力が低下することが知られており、前述の通り、一般的には貫通孔周辺に鋼板や鋼管等の補強部材を取り付けることで欠損した断面を補う方法が採られているが、補強部材の加工やＨ形鋼への補強部材の接合には手間とコストを要することが課題となっている。そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、補強部材等を接合せずに有孔梁の耐力を上げる方法として、部材のウェブのみ強度を意図的に上げ、Ｈ形鋼のウェブ降伏点をフランジ降伏点より高いＨ形断面部材とすることの知見を得た。
【0021】
Ｈ形断面部材に外力が作用すると、Ｈ形断面部材には曲げモーメントとせん断力が生じる。貫通孔による有孔部の曲げ耐力の低下は小さいため、貫通孔を極端に梁端に近い位置に設けるような設計をしない限りは有孔部の曲げ耐力が問題となることがない。つまり、貫通孔を設けられたＨ形断面部材の貫通孔補強を省略するには、有孔部のせん断耐力を向上させれば良いと言える。
【0022】
なお、一般的なＨ形断面部材においては部材に作用する曲げモーメントにより部材耐力が決定し、せん断による部材耐力が問題となることがない。これは実用的な梁長さにおいては、貫通孔のないＨ形断面部材であればせん断による耐力が曲げモーメントによる耐力に比べて十分に大きいためである。そのため、貫通孔のないＨ形断面部材においてはウェブを高強度化するメリットは小さい。
【0023】
しかしながら、ウェブに貫通孔が設けられたＨ形断面部材の場合は、せん断による耐力が問題となる場合がある。これはウェブ貫通孔によるせん断耐力の低下の程度が曲げ耐力の低下の程度に比べて大きいためである。そのため、貫通孔が設けられたＨ形断面部材についてはせん断耐力を向上させる必要性が高く、その場合はウェブを高強度化することが効果的である。
【0024】
なお、部材耐力がせん断耐力で決まる場合は、部材耐力が曲げ耐力で決まる場合に比べて早期に耐力低下しやすく変形性能に欠けることが知られている。そのため、梁部材の設計においては脆性的な破壊性状となるせん断耐力で部材耐力が決定するのを避け、曲げ耐力で部材耐力を決定するようにするのが一般的である。
【0025】
また、本開示では梁の全長に渡りウェブの強度をフランジの強度に比べて高くすることを特徴としている。これにより先行技術に比べて有孔梁の設計や製作の手間をさらに省くことができ、有孔梁を補強レスとする発明としてより好ましいものであると言える。
【0026】
２．有孔梁の耐力に与えるウェブ降伏点の影響
図１Ａ及び図１Ｂは本開示に係るＨ形断面部材（Ｈ形鋼１００）を示しており、図１ＡはＨ形鋼１００の長手方向と直交する方向に沿った断面図であり、図１ＢはＨ形鋼１００の斜視図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本開示に係るＨ形鋼１００は、ウェブ１００ａの長手方向に沿ってフランジ１００ｂが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であるＨ形断面部材であり、フランジ１００ｂがウェブ貫通孔１０２を有する。なお、図１Ａはウェブ貫通孔１０２の中心位置の断面を示している。また、図１Ａ及び図１ＢはＨ形鋼１００が外法一定Ｈ形鋼である場合を示している。図１Ａ及び図１Ｂでは、ウェブ貫通孔１０２が円形の場合を例示しているが、ウェブ貫通孔１０２は矩形（例えば、正方形または長方形）であってもよい。
図１Ａ及び図１Ｂは本開示に係るＨ形断面部材（Ｈ形鋼１００）を示しており、図１ＡはＨ形鋼１００の長手方向と直交する方向に沿った断面図であり、図１ＢはＨ形鋼１００の斜視図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、本開示に係るＨ形鋼１００は、ウェブ１００ａの長手方向に沿ってフランジ１００ｂが設けられ、長手方向と直交する方向に沿った断面がＨ形形状であるＨ形断面部材であり、フランジ１００ｂがウェブ貫通孔１０２を有する。なお、図１Ａはウェブ貫通孔１０２の中心位置の断面を示している。また、図１Ａ及び図１ＢはＨ形鋼１００が外法一定Ｈ形鋼である場合を示している。図１Ａ及び図１Ｂでは、ウェブ貫通孔１０２が円形の場合を例示しているが、ウェブ貫通孔１０２は矩形（例えば、正方形または長方形）であってもよい。
【0027】
本発明者らは、図１Ａ及び図１Ｂに示すＨ形断面部材において、先ず、有孔梁の耐力に与えるウェブ降伏点の影響について有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）を用いて検討を行った。図２は、本開示に係るＨ形断面部材の解析モデルとその境界条件を示す図である。図２に示す解析モデルは、片持ち梁形式とし、Ｈ形断面の断面寸法は公称値を用い、フィレットを考慮しソリッドを用いてモデル化している。解析モデル両端のＨ形断面の節点を各断面内の代表点に集約し、長手方向の２つの端部のうち一方の片端１０１ａの全自由度を拘束、他方の片端１０１ｂに強制変位を与え載荷する。なお、強制変位を与えることで解析モデルの片端１０１ｂに負荷される荷重が上記の本開示の要旨（３）中のＨ形断面部材に作用する「外力」（図２中に矢印Ｐで示す）に相当する。また、解析モデル中間部において横座屈補剛としてフランジ－ウェブ交差部のＸ軸方向の移動を拘束している。また、解析は弾性座屈解析（固有値解析）を行った後に、弾性座屈解析より得られる解析モデルの各接点の変位を初期不整として与え、弾塑性解析を行った。なお、初期不整の大きさは、弾性座屈解析より得られる節点変位の最大値が１となるようにしている。
【0028】
Ｈ形断面部材の解析モデルにおいて、断面寸法で高さＨ＝６００ｍｍ、幅Ｂ＝２００ｍｍ、ウェブ１００ａの板厚は９ｍｍ、フランジ１００ｂの板厚は１９ｍｍである。梁長さＬ、せん断スパン比、ウェブ貫通孔１０２の有無、ウェブ貫通孔１０２を設ける場合の梁固定端からウェブ貫通孔１０２の中心までの距離ｄ、およびウェブ１００ａの強度、を変数とした複数種類のＨ形鋼１００の解析モデルを解析対象として用意した。ウェブ貫通孔１０２を設ける場合、ウェブ貫通孔１０２の開口径は３００ｍｍとした。なお、せん断スパン比は、梁高さＨに対する梁長さＬの比（＝梁長さＬ／梁高さＨ）である。
【0029】
表１は解析対象の一覧を示している。Ｃａｓｅ１（３種類）およびＣａｓｅ２（３種類）はウェブ貫通孔１０２を有する有孔梁のＨ形鋼１００であり、Ｃａｓｅ３（３種類）およびＣａｓｅ４（３種類）はウェブ貫通孔１０２を有しない無孔梁のＨ形鋼１００である。ウェブ貫通孔１０２を有する有孔梁の耐力に与えるウェブ降伏点の影響を調べるため、有孔梁の鋼種として、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ１－１，Ｃａｓｅ１－２，Ｃａｓｅ１－３と、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ２－１，Ｃａｓｅ２－２，Ｃａｓｅ２－３を用意した。同様に、無孔梁の鋼種として、フランジ１００ｂとウェブ１００ａの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ３－１，Ｃａｓｅ３－２，Ｃａｓｅ３－３と、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ４－１，Ｃａｓｅ４－２，Ｃａｓｅ４－３を用意した。
【0030】
【表1】
【0031】
上述のように梁長さＬ、せん断スパン比、および梁固定端からウェブ貫通孔１０２の中心までの距離ｄは変数とし、梁長さＬは、１２００ｍｍ、３６００ｍｍ、６０００ｍｍの３種類を用意した。また、せん断スパン比は２、６，１０の３種類、有孔梁の距離ｄは５００ｍｍ、３００ｍｍの２種類を用意した。
【0032】
表１に示す崩壊形式は、梁の部材耐力が降伏曲げ耐力（曲げモーメントにより降伏する時の耐力、単に曲げ耐力とも称する）で決定される場合は「曲げ」と表記し、梁の部材耐力が降伏せん断耐力（以下、単にせん断耐力とも称する）で決定される場合は「せん断」と表記している。外力が作用することで梁に生じる曲げモーメントが曲げ耐力を超えると曲げ降伏が生じ、梁に生じるせん断力がせん断耐力を超えるとせん断降伏が生じる。無孔梁の場合、通常、梁のせん断耐力は曲げ降伏時のせん断力よりも十分に大きく、上述した強制変位（外力）を梁に与えるとせん断降伏よりも先に曲げ降伏が生じる。したがって、無孔梁の部材耐力は曲げ耐力で決定される。このため、表１に示すように、ウェブ貫通孔１０２を有していない無孔梁（Ｃａｓｅ３，Ｃａｓｅ４）における崩壊形式は「曲げ」である。
【0033】
一方、有孔梁の場合、ウェブ貫通孔１０２により有孔部のせん断耐力が低下するため、ウェブ貫通孔１０２の近辺でせん断降伏が生じ易く、崩壊形式は、梁固定端からウェブ貫通孔１０２の中心までの距離ｄに応じて定まる。片持ち梁の先端（解析モデルの片端１０１ｂ）に外力が作用する場合、ウェブ貫通孔１０２の中心の断面位置に曲げモーメントとせん断力が作用し、ウェブ貫通孔１０２の位置が変化すると貫通孔中心断面の曲げモーメントとせん断力の比率も変化する。基本的には梁長さＬに対して距離ｄが長いほど、ウェブ貫通孔１０２の位置に作用する曲げモーメントよりもせん断力が支配的となり、せん断降伏が生じ易くなるため、上述した強制変位（外力）を梁に与えると曲げ降伏よりも先にせん断降伏が生じる。したがって、この場合、梁の部材耐力はせん断耐力で決定される。このため、表１に示すように、ウェブ貫通孔１０２を有する有孔梁（Ｃａｓｅ１，Ｃａｓｅ２）において、梁長さＬに対して距離ｄの値が比較的大きいＣａｓｅ１－１，Ｃａｓｅ２－１（ｄ＝５００ｍｍ）の崩壊形式は「せん断」である。一方、梁長さＬに対して距離ｄの値が比較的小さいＣａｓｅ１－２，Ｃａｓｅ２－２（ｄ＝３００ｍｍ）の崩壊形式は「曲げ」である。
【0034】
表２に、表１の解析対象を解析した結果、解析モデルの片端１０１ｂに付加される荷重、つまり解析モデルに作用する外力Ｐより得られる、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐと、ウェブ１００ａをフランジ１００ｂに比べて高強度化したことによる耐力上昇率を示す。なお、外力の単位はせん断力としている。ここで降伏耐力Ｐｙとは、梁の崩壊形式がせん断の場合は梁がせん断降伏する時の外力であり、梁の崩壊形式が曲げの場合は曲げ降伏する時の曲げモーメントをせん断力に換算した外力である。全塑性耐力Ｐｐは、梁の崩壊形式がせん断の場合はせん断破壊する時の外力であり、崩壊形式が曲げの場合は梁が曲げ破壊する時の曲げモーメントをせん断力に換算した外力である。耐力上昇率は、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐのそれぞれについて、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ１－１，Ｃａｓｅ１－２，Ｃａｓｅ１－３の耐力に対する、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ２－１，Ｃａｓｅ２－２，Ｃａｓｅ２－３の耐力の比率（％）を示している。
【0035】
また、ウェブ貫通孔を有しないＣａｓｅ３およびＣａｓｅ４についても前述のＣａｓｅ１およびＣａｓｅ２と同様に降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐを示している。そして、耐力上昇率は、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐのそれぞれについて、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ３－１，Ｃａｓｅ３－２，Ｃａｓｅ３－３の耐力に対する、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ４－１，Ｃａｓｅ４－２，Ｃａｓｅ４－３の耐力の比率（％）を示している。
【0036】
【表2】
【0037】
図３は、表２の降伏耐力および全塑性耐力の定義を説明するための特性図であって、縦軸はＨ形鋼１００に上述した強制変位を与える際に片端１０１ｂに負荷される荷重（外力Ｐ）を、横軸は片端１０１ｂの変形量を示している。解析結果から降伏耐力および全塑性耐力を求める場合、図３に示すように、剛性が初期剛性Ｋの１/６となる時の荷重を全塑性耐力Ｐｐとする。上述したように、全塑性耐力Ｐｐは、梁がせん断破壊する時の外力（崩壊形式がせん断の場合）、または梁が曲げ破壊する時の曲げモーメントをせん断力に換算した外力（崩壊形式が曲げの場合）であるが、解析結果より、外力Ｐと片端１０１ｂの変形量の関係から全塑性耐力を求める場合、剛性が初期剛性Ｋの１/６となる時の荷重とすることができる。同様に、剛性が初期剛性Ｋの１/３となる時の荷重を降伏耐力Ｐｙとすることができる。初期剛性は、荷重－変形の関係が弾性範囲にある時の任意の２点間の傾きとし、例えば梁端の曲げモーメントをせん断力に換算した荷重が５０ｋＮおよび最大荷重の１/４となる時の２点間の傾きとして算出している。
【0038】
表２に示したように、梁の部材耐力がせん断耐力で決定される有孔梁（Ｃａｓｅ１－１およびＣａｓｅ２－１）の場合は、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ１－１の耐力に対する、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ２－１の降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐの耐力上昇率はいずれも１１０％を超えている。
【0039】
一方、梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される有孔梁（Ｃａｓｅ１－２およびＣａｓｅ２－２）の場合は、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ１－２の耐力に対する、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ２－２の耐力の上昇率は、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐのいずれも１１０％以下である。梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される有孔梁（Ｃａｓｅ１－３およびＣａｓｅ２－３）においても、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ１－３の耐力に対する、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ２－３の耐力の上昇率は、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐのいずれも１１０％以下である。
【0040】
また、梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される無孔梁（Ｃａｓｅ３－１およびＣａｓｅ４－１）の場合、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いたＣａｓｅ３－１の耐力に対する、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くしたＣａｓｅ４－１の耐力の上昇率は、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐのいずれも１１０％以下である。同様に、梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される無孔梁（Ｃａｓｅ３－２およびＣａｓｅ４－２、Ｃａｓｅ３－３およびＣａｓｅ４－３）においても、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの双方で同じ鋼種（４９０Ｎ級）を用いた場合の耐力に対する、フランジ１００ｂの鋼種（４９０Ｎ級）よりもウェブ１００ａの鋼種（５５０Ｎ級）の強度を高くした場合の耐力の上昇率は、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐのいずれも１１０％以下である。
【0041】
以上より、フランジ１００ｂよりもウェブ１００ａの強度を高くすると、梁の部材耐力がせん断耐力で決定される有孔梁の場合、部材耐力が曲げ耐力で決定される有孔梁の場合に比べて、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐの耐力上昇率が大きくなることが分かる。一方、曲げ耐力で部材耐力が決定される場合、フランジ１００ｂよりもウェブ１００ａの強度を高くしたとしても、部材耐力がせん断耐力で決定される場合に比べて、降伏耐力Ｐｙおよび全塑性耐力Ｐｐの耐力上昇率は小さく、また耐力上昇率は有孔梁と無孔梁でほぼ変わらない。つまり、ウェブ１００ａの強度をフランジ１００ｂの強度に比べて高くすることで、梁の部材耐力がせん断耐力で決定される有孔梁の場合に、せん断耐力をより効果的に増加させることができる。また、この傾向は、断面寸法が高さＨ＝６００ｍｍ、幅Ｂ＝２００ｍｍ、ウェブ１００ａの板厚９ｍｍ、フランジ１００ｂの板厚１９ｍｍであるＨ形鋼１００以外のＨ形鋼１００についても同様であると考えられる。
【0042】
３．梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるせん断スパン比について
次に、一般的に鋼構造建築物に用いられるＨ形鋼（ＪＩＳ－Ｈおよび外法一定Ｈ形鋼）を対象とし、大梁または小梁を想定した荷重条件および支持条件において、梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるせん断スパン比について説明する。
次に、一般的に鋼構造建築物に用いられるＨ形鋼（ＪＩＳ－Ｈおよび外法一定Ｈ形鋼）を対象とし、大梁または小梁を想定した荷重条件および支持条件において、梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるせん断スパン比について説明する。
【0043】
図４は、大梁１０の荷重条件および支持条件と、大梁１０にかかる曲げモーメントとせん断力を示す模式図である。大梁１０は、建物の構造躯体である梁のうち、２本の柱１２と柱１４に架ける水平部材であり、柱１２および柱１４と剛接合され、建物の自重および積載荷重の他に地震等による水平力を柱に伝達する役割を持つものである。本開示では、地震等による水平荷重が作用することで梁に逆対称曲げが作用する梁を大梁１０として定義している。大梁１０に水平荷重が加わると、図４に示すような曲げモーメント（逆対称曲げモーメント）とせん断力が発生するものとしている。
【0044】
図５および図６は、小梁２０の荷重条件および支持条件と、小梁２０にかかる曲げモーメントとせん断力を示す模式図である。小梁２０は、建物の構造躯体である梁のうち、大梁１０の間に設けられる梁であり、建物の自重および積載荷重を大梁１０に伝達する役割を有する。本開示では、建物の自重や積載荷重が等分布荷重として作用する梁を小梁２０として定義している。小梁２０の両端は曲げモーメントを伝達しないピン接合、または曲げモーメントを伝達する剛接合とされる。
【0045】
図５は、両端がピン接合された小梁２０の荷重条件および支持条件と、小梁２０にかかる曲げモーメントとせん断力を示す模式図である。両端がピン接合された小梁２０に分布荷重ｗが加わると、図５に示すような曲げモーメントとせん断力が発生する。
【0046】
図６は、両端が剛接合された小梁２０の荷重条件および支持条件と、小梁２０にかかる曲げモーメントとせん断力を示す模式図である。両端が剛接合された小梁２０に分布荷重ｗが加わると、図６に示すような曲げモーメントとせん断力が発生する。
【0047】
梁の部材耐力がせん断耐力で決定される時のせん断スパン比は、無孔梁および有孔梁の曲げ耐力およびせん断耐力と、図４～図６に示した大梁１０、小梁２０に作用する曲げモーメントとせん断力の最大値を比較し、曲げ耐力＞作用曲げモーメントの最大値、且つ、せん断耐力＝作用せん断力の最大値、の条件（条件１）を満たす梁長さＬを求め、得られた梁長さＬを梁高さＨで除算して算出される。ここで、無孔梁および有孔梁の曲げ耐力およびせん断耐力は、２つのフランジ１００ｂが梁に作用する曲げモーメントを負担し、ウェブ１００ａが梁に作用するせん断耐力を負担すると仮定して、以下の（１）式～（５）式から算出される。なお、（１）式～（５）式において、Ｍｙは梁の降伏曲げ耐力、Ｑｙは無孔梁の降伏せん断耐力、Ｑｈｙは有孔梁の降伏せん断耐力、Ｚは梁の２つのフランジ１００ｂのみの断面係数、Ｈは梁高さ（２つのフランジ１００ｂの外面間の距離）、Ｂは梁幅（フランジ１００ｂの長手方向と直交する方向の幅）、ｔｗはウェブの板厚、ｔｆはフランジの板厚、ｈはウェブの高さ（ｈ＝Ｈ－２ｔｆ）、φはウェブ貫通孔１０２の直径、σｙは降伏点である。なお、ウェブ貫通孔１０２は梁中央に位置するものとする。
【0048】
【数3】
【0049】
また、大梁１０に作用する曲げモーメントの最大値Ｍｍａｘ、小梁２０に作用する曲げモーメントの最大値Ｍｍａｘ、大梁１０に作用するせん断力の最大値Ｑｍａｘ、および小梁２０に作用するせん断力の最大値Ｑｍａｘは、基本的には図４～図６に示した数式より算出可能である。
【0050】
図７～図９は、梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるＨ形鋼１００のせん断スパン比、すなわち、上記の条件１を満たす複数のＨ形鋼１００のそれぞれの梁長さＬを梁高さＨで除算して得られるせん断スパン比（横軸）と、梁高さＨを梁幅Ｂで除算して得られるアスペクト比（縦軸）との関係を示す特性図である。
【0051】
なお、図７～図９に示す特性の算出において、Ｈ形鋼１００の降伏点σｙはウェブ１００ａ、フランジ１００ｂともに同じ材料強度としている。また、黒丸のプロットはＨ形鋼１００が外法一定Ｈ形鋼を示しており、白丸のプロットはＪＩＳ－Ｈ中幅のＨ形鋼１００を示しており、灰色のプロットはＪＩＳ－Ｈ細幅のＨ形鋼１００を示している。
【0052】
図７は、無孔梁の場合を示している。図７（ａ）は、大梁１０の場合を示しており、大梁１０に逆対称曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。また、図７（ｂ）は、両端部がピン接合の小梁２０の場合を示しており、小梁２０に分布荷重による曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。また、図７（ｃ）は、両端部が剛接合の小梁２０の場合を示しており、小梁２０に分布荷重による曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。
【0053】
図７に示すように、想定した曲げモーメントが無孔梁である大梁１０または小梁２０に作用すると、梁の部材耐力がせん断耐力で決定される時のせん断スパン比は、大梁１０では大きいもので“５”前後、ピン接合の小梁２０では大きくて“１０”程度、剛接合の小梁２０では大きくて“１４”程度である。
【0054】
図７（ａ）のせん断スパン比＝８の縦線、図７（ｂ）のせん断スパン比＝１０の縦線、図７（ｃ）のせん断スパン比＝１２の縦線は、一般的な建物に用いられる梁部材のせん断スパン比の最小値を示している。ここで、図１０を参照して、これらの一般的な建物に用いられる梁部材のせん断スパン比の最小値の算出方法について説明する。
【0055】
図１０は、実際の建物に用いられている大梁１０および小梁２０について、建物の図面調査から得られた、梁の部材寸法から求まるせん断スパン比の構成比率の分布を示す特性図（ヒストグラム）である。図１０（ａ）は大梁１０のせん断スパン比（横軸）と構成比率（縦軸）との関係を示しており、図１０（ｂ）は両端部がピン接合の小梁２０のせん断スパン比（横軸）と構成比率（縦軸）との関係を示しており、図１０（ｃ）は両端部が剛接合の小梁２０のせん断スパン比（横軸）と構成比率（縦軸）との関係を示している。
【0056】
図１０（ａ）に示すように、大梁１０のせん断スパン比の構成比率は１０以上１２未満の範囲が最も多く、特にせん断スパン比が８未満の構成比率は１％程度と非常に小さい。同様に、両端部がピン接合の小梁２０のせん断スパン比は１０未満の構成比率が小さく、両端部が剛接合の小梁２０のせん断スパン比は１２未満の構成比率が小さい。したがって、一般的な建物に用いられる梁のせん断スパン比の最小値は、大梁１０では“８”、両端部がピン接合の小梁２０では“１０”、両端部が剛接合の小梁２０では“１２”と考えることができる。
【0057】
したがって、図７に示した無孔梁の場合、梁の部材耐力がせん断耐力で決定される時のせん断スパン比は、大きいものでも一般的な建物に用いられる梁のせん断スパン比の最小値程度であることが判る。このため、通常の建築物において、無孔梁の部材耐力がせん断耐力で決定されることは殆どないことが判る。
【0058】
図８は、有孔梁の場合を示しており、ウェブ貫通孔１０２の開口率が０．６の場合を示している。図８（ａ）は、大梁１０の場合を示しており、大梁１０に逆対称曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。また、図８（ｂ）は、両端部がピン接合の小梁２０の場合を示しており、小梁２０に分布荷重による曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。また、図８（ｃ）は、両端部が剛接合の小梁２０の場合を示しており、小梁２０に分布荷重による曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。
【0059】
同様に、図９は、有孔梁の場合を示しており、ウェブ貫通孔１０２の開口率が０．４の場合を示している。図９（ａ）は、大梁１０の場合を示しており、大梁１０に逆対称曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。また、図９（ｂ）は、両端部がピン接合の小梁２０の場合を示しており、小梁２０に分布荷重による曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。また、図９（ｃ）は、両端部が剛接合の小梁２０の場合を示しており、小梁２０に分布荷重による曲げモーメントが作用する時のせん断スパン比を示している。
【0060】
図８（ｂ）および図８（ｃ）に示したように、有孔梁に小梁２０を想定した分布荷重による曲げモーメントが作用する場合、ウェブ１００ａに設けたウェブ貫通孔１０２の影響により有孔梁のせん断耐力が低下する。このため、小梁２０の場合、有孔梁の部材耐力がせん断耐力で決定される時のせん断スパン比は、図８に示した開口率が０．６の場合、大きいもので４０を超えており、ほぼすべてのＨ形鋼１００がせん断スパン比の最小値（１０または１２）を上回っている。同様に、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示した開口率が０．４の場合、開口率が０．６の場合に比べてウェブ貫通孔１０２の径が小さくなるため、有孔梁のせん断耐力低下の影響は小さくなるものの、有孔梁の部材耐力がせん断耐力で決定される時のせん断スパン比は大きいもので２０を超えており、せん断スパン比の最小値（１０または１２）を上回るものが多数見受けられる。
【0061】
有孔梁に大梁１０を想定した逆対称曲げモーメントが作用する場合、有孔梁の部材耐力がせん断耐力で決定される時のせん断スパン比は、小梁２０を想定した場合に比べて小さくなるものの、図８（ａ）に示した開口率が０．６の場合は図７（ａ）に示した無孔梁に比べて３～４倍程度のせん断スパン比となっており、せん断スパン比の最小値（＝８）を超えるものがある。図９（ａ）に示した開口率が０．４の場合にも、一部のＨ形鋼１００では、せん断スパン比の最小値８を上回るものが存在する。
【0062】
以上のように、有孔梁はウェブ貫通孔１０２による耐力低下の影響を受け、一般的な建物の梁長さを有する場合においても、せん断耐力により梁の部材耐力が決定される場合がある。なお、この傾向は開口率が０．６および０．４以外の場合についても同様の傾向を示すと考えられる。
【0063】
このため、ウェブ貫通孔１０２を設けた場合はせん断耐力が大きく低下し、無孔梁の場合には問題とならなかったせん断耐力が設計上のネックとなり得る。一方で、上記「１．」で説明した解析検討の結果より、部材耐力がせん断耐力で決定する有孔梁の場合は、ウェブ１００ａの降伏点をフランジ１００ｂの降伏点より大きくすることでせん断耐力を効果的に向上させることが可能である。したがって、有孔梁のウェブ１００ａの降伏点ｗσｙがフランジ１００ｂの降伏点ｆσｙよりも大きくなるようにウェブ１００ａとフランジ１００ｂの材料強度を適切に調整することで、有孔梁についてもせん断耐力が設計上のネックとならないように扱うことが可能となる。
【0064】
４．有孔梁の部材耐力を向上させるウェブの降伏点ｗσｙの範囲について
以上のように、ウェブ降伏点をフランジ降伏点より高くすることで、有孔梁の部材耐力が、せん断耐力で決定されるのではなく、無孔梁と同様に曲げ耐力で決定されるようにできる。このため、本開示に係るＨ形断面部材は、ウェブ１００ａを構成する材料の降伏点がフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点のよりも大きいものとされる。この構成により、ウェブ貫通孔１０２の周辺を補強することなく有孔梁の耐力を向上させることができる。また、梁全長に渡りウェブ１００ｂを高強度化できるため、ウェブ貫通孔１０２が多数設けられる場合やウェブ貫通孔１０２位置が変更される場合にも手間をかけずに有孔梁を補強レスとすることができる。また、降伏点とは、上降伏点または下降伏点や０．２％オフセット耐力等を意味している。
以上のように、ウェブ降伏点をフランジ降伏点より高くすることで、有孔梁の部材耐力が、せん断耐力で決定されるのではなく、無孔梁と同様に曲げ耐力で決定されるようにできる。このため、本開示に係るＨ形断面部材は、ウェブ１００ａを構成する材料の降伏点がフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点のよりも大きいものとされる。この構成により、ウェブ貫通孔１０２の周辺を補強することなく有孔梁の耐力を向上させることができる。また、梁全長に渡りウェブ１００ｂを高強度化できるため、ウェブ貫通孔１０２が多数設けられる場合やウェブ貫通孔１０２位置が変更される場合にも手間をかけずに有孔梁を補強レスとすることができる。また、降伏点とは、上降伏点または下降伏点や０．２％オフセット耐力等を意味している。
【0065】
一方、上記「１．」で説明したように、梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される場合、ウェブ１００ａの強度をフランジ１００ｂの強度より高くしても、有孔梁の曲げ耐力はそれほど向上しない。
【0066】
したがって、ウェブ１００ａの強度をフランジ１００ｂの強度よりも必要以上に高くする必要はなく、ウェブ１００ａの降伏点ｗσｙは、有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される時の降伏点より大きければ、必要以上に高くする必要はない。そして、ウェブ１００ａの材料として、有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される時の降伏点より大きな降伏点を有する材料を選択すればよい。これにより、ウェブ１００ａの強度が高められ、有孔梁の部材耐力を効果的に向上させることができる。
【0067】
そこで、次に、ウェブ１００ａの降伏点ｗσｙを変数とし、有孔梁の部材耐力を効果的に向上させることができるウェブ１００ａの降伏点ｗσｙの範囲について検討した結果を説明する。なお、以下では、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの降伏点の組み合わせを、フランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対するウェブ１００ａの降伏点ｗσｙの比（＝ｗσｙ／ｆσｙ）を用いて整理している。
【0068】
図１１～図１４は、有孔梁において、フランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対してウェブ１００ａの降伏点ｗσｙを大きくすることで、部材耐力が曲げ耐力で決定されるようにした場合に、Ｈ形鋼１００のアスペクト比（横軸）と、フランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対するウェブ１００ａの降伏点ｗσｙの比（＝ｗσｙ／ｆσｙ、縦軸）との関係を示す特性図である。
【0069】
図１１は開口率が０．７の場合、図１２は開口率が０．６の場合、図１３は開口率が０．５の場合、図１４は開口率が０．４の場合、をそれぞれ示している。また、図１１～図１４では、ｗσｙ／ｆσｙ＝１の場合、すなわち、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの強度が同一の場合を太い実線で示している。図１１において、図１１（ａ）は大梁１０の場合、図１１（ｂ）は両端部がピン接合の小梁２０の場合、図１１（ｃ）は、両端部が剛接合の小梁２０の場合、をそれぞれ示している。図１２、図１３、および図１４においても同様である。
【0070】
上述したように、図８および図９は、有孔梁において、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂが同じ材料強度の場合を示しており、ｗσｙ／ｆσｙ＝１である。この場合、図８および図９に示したように、有孔梁のせん断スパン比が一般的な建物における梁部材の最小値以上である場合に、有孔梁の部材耐力がせん断耐力で決定されるＨ形鋼１００が多く見受けられる。これに対し、フランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対してウェブ１００ａの降伏点ｗσｙを相対的に大きくすると、せん断耐力が向上し、有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定されるようになる。
【0071】
有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される時のフランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対するウェブ１００ａの降伏点ｗσｙの比（＝ｗσｙ／ｆσｙ）と、アスペクト比は、有孔梁の部材耐力がせん断耐力で決定される時のせん断スパン比を算出する場合と同様の考え方で、曲げ耐力＝作用曲げモーメントの最大値、且つ、せん断耐力＞作用せん断力の最大値、の条件（条件２）を満たす複数のＨ形鋼１００のそれぞれについて、ｗσｙ／ｆσｙとアスペクト比を算出することで求まる。但し、ここでは、Ｈ形鋼１００の降伏点σｙがウェブ１００ａとフランジ１００ｂとで異なるため、例えばＦＥＭの解析モデルにおいて、フランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対してウェブ１００ａの降伏点ｗσｙが大きくなるようにウェブ１００ａの降伏点ｗσｙを変化させて上記条件を満たす各Ｈ形鋼１００のｗσｙ／ｆσｙとアスペクト比を算出する。図１１～図１４では、図７～図９と同様、黒丸のプロットはＨ形鋼１００が外法一定Ｈ形鋼を示しており、白丸のプロットはＪＩＳ－Ｈ中幅のＨ形鋼を示しており、灰色のプロットはＪＩＳ－Ｈ細幅のＨ形鋼を示している。なお、有孔梁のせん断スパン比は、図１０で説明した一般的な建物における梁部材のせん断スパン比の最小値（大梁１０は“８”、ピン接合の小梁２０は“１０”、剛接合の小梁２０は１２”）として算出している。
【0072】
図１１～図１４に示したように、大梁１０および小梁２０を想定したいずれの場合についても、有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される場合のｗσｙ／ｆσｙはアスペクト比と概ね負の相関関係があり、ｗσｙ／ｆσｙが大きくなるほどアスペクト比は小さくなる。
【0073】
部材耐力が曲げ耐力で決定される有孔梁を設計する際には、梁の寸法に基づいて上記条件２を満たすようなｗσｙ／ｆσｙを算出し、ウェブ１００ａとフランジ１００ｂの材料を決定すればよいが、その計算は非常に手間がかかり煩雑である。そこで、図１１～図１４中に一点鎖線で示すように、有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される場合のｗσｙ／ｆσｙを、アスペクト比および開口率を用いて、以下の簡易な（６）式で表す。なお、（６）式において、Ｈは梁高さ、Ｂは梁幅、Ｒはウェブ貫通孔１０２の開口率（＝ウェブ貫通孔１０２の直径／フランジ１００ｂの外面間の距離（梁高さＨ））、ｗσｙはウェブ１００ａの降伏点、ｆσｙはフランジ１００ｂの降伏点、βは梁の形式に応じた係数である。なお、（６）式の適用範囲は、０＜アスペクト比＜５および０＜開口率＜０．７とすることが好ましい。また、ウェブ貫通孔１０２が矩形の場合、ウェブ貫通孔１０２の直径の代わりに、フランジ１００ｂの長手方向と直交する方向（梁高さ方向）のウェブ貫通孔１０２の長さを用いることができる。
【0074】
【数4】
【0075】
一方、ウェブ１００ａの降伏点ｗσｙをフランジ１００ｂの降伏点ｆσｙより大きくするために以下の（７）式を満たす必要がある。
ｗσｙ／ｗσｙ＞１ （７）
ｗσｙ／ｗσｙ＞１ （７）
【0076】
したがって、有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定されるようにするためには、フランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対するウェブ１００ａの降伏点ｗσｙの比（ｗσｙ／ｆσｙ）を、（６）式の右辺より求まる値以下とし、且つ（７）式を満たすようにすればよい。換言すれば、有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される場合のｗσｙ／ｆσｙの範囲は、図１１～図１４中のｗσｙ／ｆσｙ＝１を示す実線と（６）式を表す一点鎖線とで囲まれる範囲である。
【0077】
（６）式、（７）式によれば、有孔梁のアスペクト比とウェブ貫通孔１０２の開口径が分かれば、フランジ１００ｂの降伏点ｆσｙに対するウェブ１００ａの降伏点ｗσｙの比（ｗσｙ／ｆσｙ）を簡易に求めることができ、ウェブ１００ａをフランジ１００ｂに対して高強度化する際のウェブ１００ａの好ましい強度範囲が簡単に求められる。したがって、有孔梁の部材耐力を効果的に向上させることができるウェブ１００ａの降伏点ｗσｙの適切な強度範囲を簡易に求めることができるため、その都度、有孔梁の耐力計算を行う手間が省け、効率的に無補強有孔梁を設計することができる。また、従来の有孔梁の貫通孔補強方法に比べてウェブ貫通孔１０２の周辺の補強部材の調達や接合の工程を省略することができるので、有孔梁の製作工程の省略を通じて建物の施工効率化およびコスト削減に繋がる。
【0078】
より詳細には、（６）式で表される一点鎖線は、図１１～図１４の計算結果から求まり、アスペクト比とｗσｙ／ｆσｙとの関係を表しているが、開口率と梁の形式（大梁１０、両端ピン接合の小梁２０、両端剛接合の小梁２０）に応じて異なる。このため、（６）式では、図１１～図１４の結果に基づいて、右辺のパラメータに開口率Ｒを含めることで、開口率Ｒに応じてｗσｙ／ｆσｙの値を最適化している。また、（６）式では、図１１～図１４の結果に基づいて、梁の形式による相違を係数βで表しており、梁の形式に応じてｗσｙ／ｆσｙの値を最適化している。
【0079】
係数βは、Ｈ形鋼１００が大梁１０として用いられる場合はβ＝８である。これにより、大梁１０として用いられる時の有孔梁のウェブ１００ａの降伏点ｗσｙを安全側に精度よく求めることができる。
【0080】
また、係数βは、Ｈ形鋼１００が小梁２０として用いられる場合は、両端部の接合形式によらずβ＝４～５である。これにより、Ｈ形鋼１００が小梁２０として用いられる時の有孔梁のウェブ１００ａの降伏点ｗσｙを安全側に精度よく求めることができる。
【0081】
図１１～図１４に示すように、開口率が０．４から０．７のいずれの場合も、（６）式はそれぞれ有孔梁の部材耐力が曲げ耐力で決定される場合のｗσｙ／ｆσｙの範囲を精度よく且つ安全側に評価していることが分かる。なお、開口率が０．４より小さい場合についても、開口率０．４～０．７の場合と同様に（６）式の適用が可能であり、同様の評価精度が得られると考えられる。また、図１１～図１４ではせん断スパン比を一般的な建物における梁部材のせん断スパン比の最小値としたが、せん断スパン比がこの最小値以上の場合も（６）式は適用可能であり、同様の評価精度が得られるものと考えられる。
【0082】
表３に、有孔梁の大梁１０および小梁２０のそれぞれについて、ウェブ貫通孔１０２の開口率とＨ形鋼１００のアスペクト比を変化させた場合に、（６）式より求まるウェブ降伏点とフランジ降伏点の比ｗσｙ／ｆσｙの例を示す。なお、表３では、現存するＨ形鋼の断面寸法や有孔梁の貫通孔径を考慮して、開口率は０．１～０．７の範囲、アスペクト比は１～４の範囲として計算している。また、係数βは、大梁１０の場合は８，小梁２０の場合は４としている。
【0083】
【表3】
【0084】
一般に、梁に用いられるＨ形鋼１００は断面効率の観点からアスペクト比が大きいものが好まれる。表３において、アスペクト比３～４の範囲に着目すると、大梁１０の場合、開口率が０．６であればｗσｙ／ｆσｙは０．７～１．４の範囲となる。また、小梁２０の場合、アスペクト比が３～４の範囲に着目すると、開口率が０．５であればｗσｙ／ｆσｙは１．１～２．２の範囲となっている。
【0085】
ここで、Ｈ形鋼等の鋼材製品は製造過程で同様の工程を経ても出来上がる製品の品質に若干のばらつきが生じるため、製品の品質を保つために耐力や伸び性能、化学成分等に関する細かな規格範囲が製品ごとに定められている。例えば建築構造用圧延鋼材については、板厚が１６ｍｍ以上４０ｍｍ以下のＳＮ４９０では降伏点が３２５Ｎ／ｍｍ２～４４５Ｎ／ｍｍ２の間に収まることとＪＩＳで定められており、この場合の降伏点の規格下限値とは３２５Ｎ／ｍｍ２を意味している。なお、規格範囲はＪＩＳの他に鋼材メーカー等が独自に定めている場合もある。
【0086】
このため、本開示に係るＨ形断面部材は、ウェブ１００ａを構成する材料の降伏点がフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点のよりも大きいものとされるが、より具体的には、ウェブ１００ａを構成する材料とフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点は、それぞれが材料の規格で定められた規格上限値と規格下限値の間の範囲であり、ウェブ１００ａを構成する材料の降伏点の規格下限値がフランジ１００ｂを構成する材料の降伏点の規格下限値よりも大きいものとされる。なお、降伏点の規格下限値に限定されるものではなく、使用する鋼材の材料強度の基準強度などを用いてもよい。なお、実際のＨ形鋼１００のウェブ１００ａとフランジ１００ｂの降伏点の規格下限値は、鋼材の外観、ミルシート、設計図書から判断できる。鋼材の外観から判断する場合、刻印（印字）、ステンシルから判断可能である。
【0087】
建築に用いられる鋼材種別として、降伏点の規格下限値が２３５Ｎ／ｍｍ２である ４００Ｎ級鋼、降伏点の規格下限値が３２５Ｎ／ｍｍ２である４９０Ｎ級鋼、および降伏点の規格下限値が３８５Ｎ／ｍｍ２である５５０Ｎ級鋼等が挙げられる。４００Ｎ級鋼の降伏点の規格下限値に対して、４９０Ｎ級鋼の降伏点の規格下限値は約１．４倍、５５０Ｎ級鋼の降伏点の規格下限値は約１．６倍となる。
【0088】
したがって、（６）式より求まるｗσｙ／ｆσｙは、実現可能なウェブ１００ａの降伏点とフランジ１００ｂの降伏点の組み合わせであり、前述のようにｗσｙ／ｆσｙ＝１．４となるようなＨ形鋼が求められる場合には、ウェブ１００ａとして４９０Ｎ級鋼板を用い、フランジ１００ｂとして４００Ｎ級鋼板を用い、両者を溶接してビルドＨ形鋼等を作製することで、有孔梁の部材耐力は曲げ耐力で決定される。したがって、このようにして作製されたビルドＨ形鋼は、曲げモーメントが作用した場合に、せん断降伏よりも先に曲げ降伏が発生する
【0089】
なお、ウェブ１００ａの降伏点をフランジ１００ｂの降伏点より大きくする方法はビルドＨ形鋼に限定されるものではない。長手方向の全域に渡って、ウェブを構成する材料の降伏点の規格下限値がフランジを構成する材料の降伏点の規格下限値よりも大きいものであれば圧延Ｈ形鋼でもよい。
【0090】
また、ウェブ貫通孔１０２を有するＨ形断面部材が柱として用いられる場合において、ｗσｙ／ｆσｙを算出する際は、柱に作用する荷重は大梁１０を想定した場合と同様に逆対称曲げが作用するため、大梁１０と同様に（６）式を用いてｗσｙ／ｆσｙを計算すればよい。
【0091】
以上説明したように、ウェブ貫通孔１０２を有する有孔梁は、一般的な建物の設計条件においても梁の部材耐力がせん断力で決定される場合がある。そこで、有孔梁のウェブ降伏点をフランジ降伏点に比べて大きくすることで、有孔梁の部材耐力を無補強で向上させることができるため、ウェブ貫通孔１０２の周辺の補強が不要となる。したがって、従来工法に比べてより効率的に有孔梁を製作することが可能となり、建物の施工効率化およびコスト削減につながる。また、梁の全長に渡りウェブを高強度化するため、貫通孔が多数設けられる場合や貫通孔位置の変更に対して手間やコストをかけずに対応することが可能となる。
【符号の説明】
【0092】
１０ 大梁
１２，１４ 柱
２０ 小梁
１００ Ｈ形鋼
１００ａ ウェブ
１００ｂ フランジ
１００ｂ ウェブ
１０１ａ 片端
１０１ｂ 片端
１０２ 貫通孔
１０２ ウェブ貫通孔
１２，１４ 柱
２０ 小梁
１００ Ｈ形鋼
１００ａ ウェブ
１００ｂ フランジ
１００ｂ ウェブ
１０１ａ 片端
１０１ｂ 片端
１０２ 貫通孔
１０２ ウェブ貫通孔
【図1A】
【図1B】
【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】
