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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】P2024025319
(43)【公開日】2024-02-26
(54)【発明の名称】鉄骨梁の設計方法
(51)【国際特許分類】
E04C 3/06 20060101AFI20240216BHJP
E04B 1/58 20060101ALI20240216BHJP
E04B 1/24 20060101ALI20240216BHJP
【ＦＩ】
E04C3/06
E04B1/58 505S
E04B1/24 L
【審査請求】未請求
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022128685
(22)【出願日】2022-08-12
(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】100149548
【弁理士】
【氏名又は名称】松沼 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100161506
【弁理士】
【氏名又は名称】川渕 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(72)【発明者】
【氏名】仁田脇 雅史
(72)【発明者】
【氏名】石井 大吾
(72)【発明者】
【氏名】久保山 寛之
(72)【発明者】
【氏名】牛坂 伸也
(72)【発明者】
【氏名】佐野 達彦
【テーマコード（参考）】
2E125
2E163
【Ｆターム（参考）】
2E125AA03
2E125AA13
2E125AB01
2E125AB16
2E125AG03
2E125AG04
2E125AG32
2E125BB02
2E125BD01
2E163FA12
2E163FB02
(57)【要約】 （修正有）
【課題】水平スチフナの補剛による鉄骨梁の耐力上昇を考慮したスチフナ補剛長さと、合理的な水平スチフナの断面を設計可能な鉄骨梁の設計方法を提供する。
【解決手段】スチフナ補剛長さ設計工程では、スチフナ補剛部におけるウェブの長さ方向の中央側の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ２よりもウェブに水平スチフナが設けられていない無補剛部の耐力Ｍａ０が大きくなるようにスチフナ補剛部の長さ寸法を設計し、水平スチフナ断面設計工程では、水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈが水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈの二乗と水平スチフナの断面積Ａｓｈとの積に０．７を乗じた値以上となる式を満たし、水平スチフナの断面積Ａｓｈとウェブの断面積Ａｗとの比δｓｈが０．１以上となる式を満たすように水平スチフナの断面形状を設計する。
【選択図】なし
【解決手段】スチフナ補剛長さ設計工程では、スチフナ補剛部におけるウェブの長さ方向の中央側の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ２よりもウェブに水平スチフナが設けられていない無補剛部の耐力Ｍａ０が大きくなるようにスチフナ補剛部の長さ寸法を設計し、水平スチフナ断面設計工程では、水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈが水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈの二乗と水平スチフナの断面積Ａｓｈとの積に０．７を乗じた値以上となる式を満たし、水平スチフナの断面積Ａｓｈとウェブの断面積Ａｗとの比δｓｈが０．１以上となる式を満たすように水平スチフナの断面形状を設計する。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ウェブの長さ方向の端部から中央に向かった所定の長さ範囲に水平方向に延びる水平スチフナを接合したスチフナ補剛部が設けられた鉄骨梁における前記スチフナ補剛部の長さ寸法を算定するスチフナ補剛長さ設計工程と、
前記水平スチフナの断面形状を算定する水平スチフナ断面設計工程と、を有し、
前記スチフナ補剛長さ設計工程では、
前記スチフナ補剛部における前記ウェブの前記長さ方向の中央側の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ２よりも前記ウェブに前記水平スチフナが設けられていない無補剛部の耐力Ｍａ０が大きくなるように前記スチフナ補剛部の長さ寸法を設計し、
前記無補剛部の耐力Ｍａ０は、下式（１．１）および（１．２）により算定し、
前記曲げモーメントＭ２は、前記ウェブの前記長さ方向の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ１を前記無補剛部の長さと鉄骨梁の内法長さの比率で減少させて算出し、前記曲げモーメントＭ１は、下式（１．３）により算定し、
前記水平スチフナ断面設計工程では、
前記スチフナ補剛部における、前記水平スチフナが接合されている位置から前記ウェブの上端部までの領域、前記水平スチフナが接合されている位置から前記ウェブの下端部までの領域、前記水平スチフナが上下方向に間隔をあけて複数設けられる場合には上下に配置された前記水平スチフナの間の領域をそれぞれサブパネルと称し、
前記水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈが前記水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈの二乗と前記水平スチフナの断面積Ａｓｈとの積に０．７を乗じた値以上となる下式（２．１）を満たし、
前記水平スチフナの断面積Ａｓｈと前記ウェブの断面積Ａｗとの比δｓｈが０．１以上となる下式（２．２）を満たすように前記水平スチフナの断面形状を設計し、
前記水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈは、下式（２．１ａ）より算定し、
前記水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈは、下式（２．１ｂ）および下式（２．１ｃ）より算定する鉄骨梁の設計方法。
前記水平スチフナの断面形状を算定する水平スチフナ断面設計工程と、を有し、
前記スチフナ補剛長さ設計工程では、
前記スチフナ補剛部における前記ウェブの前記長さ方向の中央側の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ２よりも前記ウェブに前記水平スチフナが設けられていない無補剛部の耐力Ｍａ０が大きくなるように前記スチフナ補剛部の長さ寸法を設計し、
前記無補剛部の耐力Ｍａ０は、下式（１．１）および（１．２）により算定し、
前記曲げモーメントＭ２は、前記ウェブの前記長さ方向の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ１を前記無補剛部の長さと鉄骨梁の内法長さの比率で減少させて算出し、前記曲げモーメントＭ１は、下式（１．３）により算定し、
前記水平スチフナ断面設計工程では、
前記スチフナ補剛部における、前記水平スチフナが接合されている位置から前記ウェブの上端部までの領域、前記水平スチフナが接合されている位置から前記ウェブの下端部までの領域、前記水平スチフナが上下方向に間隔をあけて複数設けられる場合には上下に配置された前記水平スチフナの間の領域をそれぞれサブパネルと称し、
前記水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈが前記水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈの二乗と前記水平スチフナの断面積Ａｓｈとの積に０．７を乗じた値以上となる下式（２．１）を満たし、
前記水平スチフナの断面積Ａｓｈと前記ウェブの断面積Ａｗとの比δｓｈが０．１以上となる下式（２．２）を満たすように前記水平スチフナの断面形状を設計し、
前記水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈは、下式（２．１ａ）より算定し、
前記水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈは、下式（２．１ｂ）および下式（２．１ｃ）より算定する鉄骨梁の設計方法。
【数1】
【請求項2】
前記水平スチフナを前記ウェブの一方の面のみに設ける請求項１に記載の鉄骨梁の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鉄骨梁の設計方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ウェブ幅厚比の大きな鉄骨梁を対象に、梁端部のヒンジ形成位置近傍のウェブのみをスチフナで補剛することによって使用する鋼材量を低減しつつ、必要な塑性変形性能を確保する薄肉ウェブスチフナ補剛工法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２０－０９４３３９号公報
【特許文献2】特開２０２１－１８３７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このような薄肉ウェブスチフナ補剛工法における鉄骨梁の設計では、スチフナによりウェブを補剛する長さ（スチフナ補剛長さ）およびウェブを補剛する水平スチフナの断面を設計する必要がある。
スチフナ補剛長さの設計については、スチフナにより補剛された鉄骨梁の耐力上昇を適切に評価した設計が必要であるが、現状確立されていない。
また、水平スチフナの断面の設計については、必要剛性に対して水平スチフナの断面を設計する手法は提案されているが、このような手法では安全側の設計式であるため水平スチフナが過剰な断面形状になるケースがある。
スチフナ補剛長さの設計については、スチフナにより補剛された鉄骨梁の耐力上昇を適切に評価した設計が必要であるが、現状確立されていない。
また、水平スチフナの断面の設計については、必要剛性に対して水平スチフナの断面を設計する手法は提案されているが、このような手法では安全側の設計式であるため水平スチフナが過剰な断面形状になるケースがある。
【0005】
そこで、本発明は、水平スチフナの補剛による鉄骨梁の耐力上昇を考慮したスチフナ補剛長さと、合理的な水平スチフナの断面を設計可能な鉄骨梁の設計方法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】
上記目的を達成するため、本発明に係る鉄骨梁の設計方法は、ウェブの長さ方向の端部から中央に向かった所定の長さ範囲に水平方向に延びる水平スチフナを接合したスチフナ補剛部が設けられた鉄骨梁における前記スチフナ補剛部の長さ寸法を算定するスチフナ補剛長さ設計工程と、前記水平スチフナの断面形状を算定する水平スチフナ断面設計工程と、を有し、前記スチフナ補剛長さ設計工程では、前記スチフナ補剛部における前記ウェブの前記長さ方向の中央側の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ２よりも前記ウェブに前記水平スチフナが設けられていない無補剛部の耐力Ｍａ０が大きくなるように前記スチフナ補剛部の長さ寸法を設計し、前記無補剛部の耐力Ｍａ０は、下式（１．１）および（１．２）により算定し、前記曲げモーメントＭ２は、前記ウェブの前記長さ方向の端部の位置に生じる曲げモーメントＭ１を前記無補剛部の長さと鉄骨梁の内法長さの比率で減少させて算出し、前記曲げモーメントＭ１は、下式（１．３）により算定し、前記水平スチフナ断面設計工程では、前記スチフナ補剛部における、前記水平スチフナが接合されている位置から前記ウェブの上端部までの領域、前記水平スチフナが接合されている位置から前記ウェブの下端部までの領域、前記水平スチフナが上下方向に間隔をあけて複数設けられる場合には上下に配置された前記水平スチフナの間の領域をそれぞれサブパネルと称し、前記水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈが前記水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈの二乗と前記水平スチフナの断面積Ａｓｈとの積に０．７を乗じた値以上となる下式（２．１）を満たし、前記水平スチフナの断面積Ａｓｈと前記ウェブの断面積Ａｗとの比δｓｈが０．１以上となる下式（２．２）を満たすように前記水平スチフナの断面形状を設計し、前記水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈは、下式（２．１ａ）より算定し、前記水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈは、下式（２．１ｂ）および下式（２．１ｃ）より算定する。
【0007】
【数1】
【0008】
本発明では、スチフナ補剛部における長さ方向の中央側の端部、すなわち無補剛部との境界に生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部の耐力Ｍａ０が小さい場合、スチフナ補剛部と無補剛部との境界に生じる曲げモーメントＭ２が無補剛部の耐力Ｍａ０に達するとスチフナ補剛部と無補剛部との境界に塑性ヒンジが形成され、２ヒンジ状態となり塑性変形能力が急激に低下する変形状態になる虞がある。これに対し、本発明では、スチフナ補剛部と無補剛部との境界に生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部の耐力Ｍａ０が大きくなるようにスチフナ補剛部の長さ寸法を設計しているため、上記のような変形状態になる虞が無く、水平スチフナの補剛による耐力上昇を考慮したスチフナ補剛長さの設計が可能である。
また、本発明では、従来の水平スチフナの断面の設計手法と比較して，補剛効果を確保しつつより合理的な断面設計が可能である。
また、本発明では、従来の水平スチフナの断面の設計手法と比較して，補剛効果を確保しつつより合理的な断面設計が可能である。
【0009】
本発明に係る鉄骨梁の設計方法では、前記水平スチフナを前記ウェブの一方の面のみに設けるようにしてもよい。
【0010】
このようにすることにより、鉄骨梁の設計及び製作が容易となるとともに鋼材料削減を図ることができる。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、水平スチフナの補剛による鉄骨梁の耐力上昇を考慮したスチフナ補剛長さと、合理的な水平スチフナの断面を設計可能である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施形態による鉄骨梁の斜視図である。
【図2】本発明の実施形態による鉄骨梁を幅方向から見た側面図である。
【図3】文献１による最大耐力近似式と本実施形態の鉄骨梁の設計方法における無補剛部梁耐力を示すグラフである。
【図4】スチフナ補剛部が設けられた鉄骨梁の設計用曲げ応力を示す図である。
【図5】文献１による最大耐力近似式と本実施形態の鉄骨梁の設計方法における梁端部想定耐力の近似式を示すグラフである。
【図6】ＦＥＭ解析によるスチフナ補剛長さの設計式の検証に用いた解析ケースの諸元を示す表である。
【図7】Ｃａｓｅ１の解析結果のグラフである。
【図8】Ｃａｓｅ１の解析結果の画像である。
【図9】Ｃａｓｅ２の解析結果のグラフである。
【図10】Ｃａｓｅ２の解析結果の画像である。
【図11】スチフナの配置と各寸法の定義を示す図である。
【図12】サブパネルを示す図である。
【図13】水平スチフナの断面二次モーメントの算定位置である。
【図14】水平スチフナの断面設計式の検証に用いた解析ケースの諸元を示す表である。
【図15】Ｃａｓｅ１の解析モデルを示す図である。
【図16】解析結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態による鉄骨梁の設計方法について、図１－図１６に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、本実施形態による鉄骨梁１は、Ｈ形鋼である。鉄骨梁１は、上フランジ２と下フランジ３と、ウェブ４と、を有している。鉄骨梁１は、水平方向に延び、両端部が柱１２に接合されている。以下では、鉄骨梁１が延びる水平方向を長さ方向と表記する。長さ方向に直交する水平方向を幅方向と表記する。鉄骨梁１の説明において鉛直方向を高さ方向と表記する。図１、図２では、鉄骨梁１の長さ方向の一方の端部１ａの近傍を示している。
図１、図２に示すように、本実施形態による鉄骨梁１は、Ｈ形鋼である。鉄骨梁１は、上フランジ２と下フランジ３と、ウェブ４と、を有している。鉄骨梁１は、水平方向に延び、両端部が柱１２に接合されている。以下では、鉄骨梁１が延びる水平方向を長さ方向と表記する。長さ方向に直交する水平方向を幅方向と表記する。鉄骨梁１の説明において鉛直方向を高さ方向と表記する。図１、図２では、鉄骨梁１の長さ方向の一方の端部１ａの近傍を示している。
【0014】
鉄骨梁１のウェブ４の長さ方向の端部４ａから長さ方向の中央に向かう所定の領域には、スチフナ５が接合されている。鉄骨梁１のウェブ４は、スチフナ５によって補剛されている。スチフナ５は、ウェブ４の一方の面のみに接合されている。本実施形態では、スチフナ５は、２つの水平スチフナ５１，５２および１つの縦スチフナ５３である。
【0015】
ウェブ４におけるスチフナ５が接合されて補剛されている領域を「スチフナ補剛部６」と表記し、スチフナ補剛部６の長さ方向の長さ寸法を「スチフナ補剛長さＬｓｔ」と表記する。「スチフナ補剛長さＬｓｔ」は、本発明の「スチフナ補剛部の長さ寸法」に相当する。
スチフナ補剛部６は、ウェブ４の長さ方向の両方の端部近傍に設けられている。ウェブ４におけるスチフナ補剛部６以外の領域を「無補剛部７」と表記する。無補剛部７は、ウェブ４の長さ方向の中間部に設けられている。
スチフナ補剛部６の長さ方向の端部のうち、柱１２に近接する側の端部を第１端部６ａと表記する。スチフナ補剛部６の長さ方向の端部のうち、柱１２と離間する側、すなわち、無補剛部７側の端部を第２端部６ｂと表記する。第１端部６ａは、ウェブ４の長さ方向の端部４ａに位置している。
スチフナ補剛部６は、ウェブ４の長さ方向の両方の端部近傍に設けられている。ウェブ４におけるスチフナ補剛部６以外の領域を「無補剛部７」と表記する。無補剛部７は、ウェブ４の長さ方向の中間部に設けられている。
スチフナ補剛部６の長さ方向の端部のうち、柱１２に近接する側の端部を第１端部６ａと表記する。スチフナ補剛部６の長さ方向の端部のうち、柱１２と離間する側、すなわち、無補剛部７側の端部を第２端部６ｂと表記する。第１端部６ａは、ウェブ４の長さ方向の端部４ａに位置している。
【0016】
２つの水平スチフナ５１，５２は、それぞれ長尺の平板状の鋼材で、板面が水平面となり、長さ方向に延びる向きでウェブ４に接合されている。２つの水平スチフナ５１，５２の形状および強度は同一である。２つの水平スチフナ５１，５２は、高さ方向に間隔をあけて配置されている。上側の水平スチフナ５１と上フランジ２との間隔と、下側の水平スチフナ５２と下フランジ３との間隔は、同じ寸法である。
【0017】
スチフナ補剛部６における、上側の水平スチフナ５１が接合されている位置からウェブ４の上端部までの領域および下側の水平スチフナ５２が接合されている位置からウェブ４の下端部までの領域をそれぞれ外側パネル４１，４１と表記し、上側の水平スチフナ５１が接合されている位置から下側の水平スチフナ５２が接合されている位置までの領域を内側パネル４２と表記する。外側パネル４１，４１および内側パネル４２は、それぞれサブパネル４３と表記する。
【0018】
２つの水平スチフナ５１，５２の長さ方向の端部のうち、柱１２に近接する側の端部を第１端部５１ａ，５２ａと表記し、柱１２と離間する側の端部を第２端部５１ｂ，５２ｂと表記する。２つの水平スチフナ５１，５２の第１端部５１ａ，５２ａは、ウェブ４の長さ方向の端部４ａの位置すなわち、スチフナ補剛部６の第１端部６ａの位置に配置されている。２つの水平スチフナ５１，５２の第２端部５１ｂ，５２ｂは、スチフナ補剛部６の第２端部６ｂの位置に配置されている。
【0019】
縦スチフナ５３は、平板状の鋼材で、板面が長さ方向を向き高さ方向に延びる向きでウェブ４に接合されている。縦スチフナ５３は、スチフナ補剛部６の第２端部６ｂの位置に配置されている。
【0020】
本実施形態による鉄骨梁の設計方法では、スチフナ補剛長さＬｓｔを算定するスチフナ補剛長さ設計工程と、水平スチフナ５１，５２の断面形状を算定する水平スチフナ断面設計工程と、を有する。
【0021】
（スチフナ補剛長さ設計工程）
スチフナ補剛長さ設計工程では、必要となるスチフナ補剛長さＬｓｔを以下のように設計する。
スチフナ補剛長さＬｓｔは、スチフナ補剛部６の第２端部６ｂに生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部７の耐力Ｍａ０が大きくなるように設計する。無補剛部７の耐力Ｍａ０は、下式（１．１）および（１．２）により算定する。
ウェブ４の幅厚比が大きくなり、鉄骨梁１の最大耐力（ＷＦ０による無補剛部耐力Ｍｍａｘ）が無補剛部断面の全塑性モーメントＭｐを下回る場合についても適切な耐力評価が可能である。
スチフナ補剛長さ設計工程では、必要となるスチフナ補剛長さＬｓｔを以下のように設計する。
スチフナ補剛長さＬｓｔは、スチフナ補剛部６の第２端部６ｂに生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部７の耐力Ｍａ０が大きくなるように設計する。無補剛部７の耐力Ｍａ０は、下式（１．１）および（１．２）により算定する。
ウェブ４の幅厚比が大きくなり、鉄骨梁１の最大耐力（ＷＦ０による無補剛部耐力Ｍｍａｘ）が無補剛部断面の全塑性モーメントＭｐを下回る場合についても適切な耐力評価が可能である。
【0022】
【数2】
【0023】
スチフナ補剛部６の第２端部６ｂに生じる曲げモーメントＭ２は、鉄骨梁１の端部１ａの曲げモーメントＭ１を鉄骨梁１の無補剛部７の長さ（鉄骨梁１の内法長さＬ０－スチフナ補剛長さＬｓｔ×２）と鉄骨梁１の内法長さＬ０の比率で減少させたものとして算出する。
ここで、スチフナ補剛長さＬｓｔの設計用の鉄骨梁１の端部１ａの曲げモーメントＭ１は、下記の文献１による幅厚比指標ＷＦを用いた最大耐力の評価式を用いて算定する。
文献１ 五十嵐規矩夫、末國良太、篠原卓馬、王韜：鋼構造Ｈ形断面梁の耐力及び塑性変形能力評価のための新規幅厚比指標と幅厚比区分、日本建築学会構造系論文集（６６８）、ｐｐ．１８６５－１８７２、２０１１．１０）
スチフナ補剛長さＬｓｔの算定においては、端部応力を大きく評価し安全側の設計をするため、最大耐力の下限値を取る形で導出された文献１の最大耐力の評価式を、最大耐力の上限値を取るように修正した下式（１．３)を用いて算出する。
ここで、スチフナ補剛長さＬｓｔの設計用の鉄骨梁１の端部１ａの曲げモーメントＭ１は、下記の文献１による幅厚比指標ＷＦを用いた最大耐力の評価式を用いて算定する。
文献１ 五十嵐規矩夫、末國良太、篠原卓馬、王韜：鋼構造Ｈ形断面梁の耐力及び塑性変形能力評価のための新規幅厚比指標と幅厚比区分、日本建築学会構造系論文集（６６８）、ｐｐ．１８６５－１８７２、２０１１．１０）
スチフナ補剛長さＬｓｔの算定においては、端部応力を大きく評価し安全側の設計をするため、最大耐力の下限値を取る形で導出された文献１の最大耐力の評価式を、最大耐力の上限値を取るように修正した下式（１．３)を用いて算出する。
【0024】
【数3】
【0025】
図３に、文献１による最大耐力近似式と本実施形態の鉄骨梁の設計方法における無補剛部梁耐力との比較したグラフを示す。
図４に、スチフナ補剛部６が設けられた鉄骨梁１の設計用曲げ応力を示す。なお、上記の文献１においては最大耐力近似式をせん断耐力として表現しているが、本実施形態の鉄骨梁の設計方法においては、両辺にせん断スパンを乗じることで曲げモーメントに変換して表現している。
図５に、文献１による最大耐力近似式と本実施形態の鉄骨梁の設計方法における梁端部想定耐力の近似式を示す。
図４に、スチフナ補剛部６が設けられた鉄骨梁１の設計用曲げ応力を示す。なお、上記の文献１においては最大耐力近似式をせん断耐力として表現しているが、本実施形態の鉄骨梁の設計方法においては、両辺にせん断スパンを乗じることで曲げモーメントに変換して表現している。
図５に、文献１による最大耐力近似式と本実施形態の鉄骨梁の設計方法における梁端部想定耐力の近似式を示す。
【0026】
（ＦＥＭ解析によるスチフナ補剛長さＬｓｔの設計式の検証）
上記の鉄骨梁の設計方法によるスチフナ補剛長さＬｓｔの設計式の妥当性を検証するために大変形非線形解析（ＦＥＭ解析）を実施し、スチフナ補剛長さＬｓｔと塑性変形能力との関係を確認した。
図６に解析ケースを示す。いずれのケースにおいても鉄骨梁はＨ形鋼である。梁断面は、Ｈ－６５０×２００×６×１３、せん断スパンは、４０００ｍｍと設定した。本解析ではスチフナ補剛長さＬｓｔをパラメータにした解析検討を実施した。
上記の鉄骨梁の設計方法によるスチフナ補剛長さＬｓｔの設計式の妥当性を検証するために大変形非線形解析（ＦＥＭ解析）を実施し、スチフナ補剛長さＬｓｔと塑性変形能力との関係を確認した。
図６に解析ケースを示す。いずれのケースにおいても鉄骨梁はＨ形鋼である。梁断面は、Ｈ－６５０×２００×６×１３、せん断スパンは、４０００ｍｍと設定した。本解析ではスチフナ補剛長さＬｓｔをパラメータにした解析検討を実施した。
【0027】
解析ケースＣａｓｅ１は、実際に水平スチフナ５１，５２による補剛を行う領域の長さ方向の寸法（以下、スチフナ補剛長さｌｓｔと表記する）が上記の鉄骨梁の設計方法によって算出される必要となるスチフナ補剛長さＬｓｔ（以下、必要スチフナ補剛長さＬｓｔと表記する）より短い場合を想定した解析ケースである。必要スチフナ補剛長さＬｓｔに対するスチフナ補剛長さｌｓｔの比率（スチフナ補剛長さｌｓｔ／必要スチフナ補剛長さＬｓｔ）は、０．６９である。
解析ケースＣａｓｅ２は、スチフナ補剛長さｌｓｔが必要スチフナ補剛長さＬｓｔを超える場合を想定した解析ケースである。必要スチフナ補剛長さＬｓｔに対するスチフナ補剛長さｌｓｔの比率は、１．００である。
解析ケースＣａｓｅ２は、スチフナ補剛長さｌｓｔが必要スチフナ補剛長さＬｓｔを超える場合を想定した解析ケースである。必要スチフナ補剛長さＬｓｔに対するスチフナ補剛長さｌｓｔの比率は、１．００である。
【0028】
図７－図１０に、解析結果の荷重変形関係と変形性状を示す。図７、図８に示すように、スチフナ補剛長さｌｓｔが必要スチフナ補剛長さＬｓｔより短いＣａｓｅ１は、スチフナ補剛部と無補剛部との境界におけるフランジとウェブの連成座屈が発生していることが確認できる。一方で、図９、図１０に示すように、スチフナ補剛長さｌｓｔが必要スチフナ補剛長さＬｓｔを超えるＣａｓｅ２は、梁端部での破壊が支配的であることが確認できる。
梁端部の耐力上昇に伴い、スチフナ補剛部６と無補剛部７の境界に作用する曲げモーメントが全塑性耐力に達すると、スチフナ補剛部６と無補剛部７の境界に塑性ヒンジが形成され、２ヒンジ状態となるため、塑性変形能力が急激に低下するＣａｓｅ１のような変形状態になる可能性がある。このような破壊状況を防ぐために端部の応力上昇を考慮して存在応力が全塑性耐力を下回る位置まで水平スチフナ５１，５２を確保する上記のスチフナ補剛長さＬｓｔの設計（本実施形態の鉄骨梁の設計方法）は有効であることが確認できる。
梁端部の耐力上昇に伴い、スチフナ補剛部６と無補剛部７の境界に作用する曲げモーメントが全塑性耐力に達すると、スチフナ補剛部６と無補剛部７の境界に塑性ヒンジが形成され、２ヒンジ状態となるため、塑性変形能力が急激に低下するＣａｓｅ１のような変形状態になる可能性がある。このような破壊状況を防ぐために端部の応力上昇を考慮して存在応力が全塑性耐力を下回る位置まで水平スチフナ５１，５２を確保する上記のスチフナ補剛長さＬｓｔの設計（本実施形態の鉄骨梁の設計方法）は有効であることが確認できる。
【0029】
（水平スチフナ断面設計工程）
水平スチフナ断面設計工程では、水平スチフナ５１，５２の断面を以下のように設計する。図１１に、スチフナ５の配置と各種寸法の定義を示す。図１２、図１３に、水平スチフナの断面二次モーメントの算定位置を示す。
水平スチフナ断面設計工程では、水平スチフナ５１，５２の断面を以下のように設計する。図１１に、スチフナ５の配置と各種寸法の定義を示す。図１２、図１３に、水平スチフナの断面二次モーメントの算定位置を示す。
【0030】
水平スチフナ５１，５２の断面二次モーメントＩｓｈが水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈの二乗と水平スチフナの断面積Ａｓｈとの積に０．７を乗じた値以上となる下式（２．１）を満たし、水平スチフナ５１，５２の断面積Ａｓｈとウェブの断面積Ａｗとの比δｓｈが０．１以上となる下式（２．２）を満たすように設計する。
水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈは、下式（２．１ａ）より算定し、水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈは、下式（２．１ｂ）および下式（２．１ｃ）より算定する。
水平スチフナの断面二次モーメントＩｓｈは、下式（２．１ａ）より算定し、水平スチフナの必要断面二次半径ｒｅｑｉｓｈは、下式（２．１ｂ）および下式（２．１ｃ）より算定する。
【0031】
下式（２．２）にあるサブパネルとは、上述しているように、スチフナ補剛部における、上側の水平スチフナが接合されている位置からウェブの上端部までの領域、下側の水平スチフナが接合されている位置からウェブの下端部までの領域、上下の水平スチフナの間の領域それぞれを示す。
【0032】
断面二次モーメントの算定は、「鋼構造許容応力度設計規準（Ｓ基準）」（下記の文献２）に準拠する。水平スチフナ５１，５２の断面積とウェブ４の断面積との比は、下記文献３、文献４に準拠する。
文献２ 日本建築学会：鋼構造許容応力度設計基準 第１版 ２０１９年１０月
文献３ 五十嵐規矩夫、柳下義博：曲げせん断力を受ける補剛平板の弾性座屈性状と最適補剛剛性、日本建築学会構造系論文集、第８０巻 第７０８号、ｐｐ.３２１－３３１、２０１５．２
文献４ 五十嵐規矩夫、井川直大、柳下義博、三井和也：水平スチフナにより補剛されたウェブの座屈性状および水平スチフナの設計法、日本建築学会構造系論文集、第８５巻 第７７３号、ｐｐ.９５７－９６７、２０２０．１
文献２ 日本建築学会：鋼構造許容応力度設計基準 第１版 ２０１９年１０月
文献３ 五十嵐規矩夫、柳下義博：曲げせん断力を受ける補剛平板の弾性座屈性状と最適補剛剛性、日本建築学会構造系論文集、第８０巻 第７０８号、ｐｐ.３２１－３３１、２０１５．２
文献４ 五十嵐規矩夫、井川直大、柳下義博、三井和也：水平スチフナにより補剛されたウェブの座屈性状および水平スチフナの設計法、日本建築学会構造系論文集、第８５巻 第７７３号、ｐｐ.９５７－９６７、２０２０．１
【0033】
なお、水平スチフナ５１，５２を片側に配置する断面２次半径ｉの回転中心は、ウェブ４の面４４を主軸として算定する（図１３参照）。
【0034】
【数4】
【0035】
（ＦＥＭ解析による水平スチフナの断面の設計式の検証）
上記の鉄骨梁の設計方法による水平スチフナ５１，５２の断面の設計式の妥当性を検証するために大変形非線形解析（ＦＥＭ解析）を実施した。
図１４に解析ケースを示す。いずれのケースにおいても鉄骨梁はＨ形鋼である。梁断面は、Ｈ－６５０×２００×８×１１、せん断スパンは、１５５０ｍｍと設定した。
上記の鉄骨梁の設計方法による水平スチフナ５１，５２の断面の設計式の妥当性を検証するために大変形非線形解析（ＦＥＭ解析）を実施した。
図１４に解析ケースを示す。いずれのケースにおいても鉄骨梁はＨ形鋼である。梁断面は、Ｈ－６５０×２００×８×１１、せん断スパンは、１５５０ｍｍと設定した。
【0036】
解析ケースＣａｓｅ１の水平スチフナ断面は、上記の鉄骨梁の設計方法によって算出される水平スチフナの断面の概ね下限値となる形状である。図１５にＣａｓｅ１の解析モデルを示す。
解析ケースＣａｓｅ２の水平スチフナの断面は、上記の鉄骨梁の設計方法によって算出される水平スチフナの断面よりも安全側となる断面形状である。
解析ケースＣａｓｅ２の水平スチフナの断面は、上記の鉄骨梁の設計方法によって算出される水平スチフナの断面よりも安全側となる断面形状である。
【0037】
図１６に、解析結果における梁の変形性能を表す評価指標である塑性変形倍率の表を示す。図１６の表から、設計条件の下限値となるＣａｓｅ１においてもＣａｓｅ２と同等以上の変形能力を有することが確認できる。よって、上記の鉄骨梁の設計方法によって算出される水平スチフナの断面を満たす水平スチフナで補剛することによって、鉄骨梁の変形性能を確保しつつより合理的な水平スチフナの断面設計が可能であることが確認できる。
【0038】
図１、図２に示す縦スチフナ５３は、スチフナ補剛部６の第２端部６ｂの位置に配置されることにより、スチフナ補剛部６のウェブ４に生じるせん断座屈波形をスチフナ補剛部６内に留め、無補剛部７へ影響を及ぼさないようにしている。
縦スチフナ５３の必要剛性は、日本建築学会「鋼構造許容応力度設計規準」において、サブパネルの辺長比βが１より小さい場合と１以上の場合とで算定式が場合分けされている。本実施形態では、水平スチフナの長さを、梁せいの１．２倍以上（３．３適用範囲）と規定することにより、サブパネルの辺長比βは１より大きくなることが明らかであるため、β≧１の必要剛性の算定式（日本建築学会「鋼構造許容応力度設計規準」本文４．１８式、下式参照）を準用している。
縦スチフナについては、必要剛性を満足している小梁のガセットプレートと併用することも可能である。
縦スチフナ５３の必要剛性は、日本建築学会「鋼構造許容応力度設計規準」において、サブパネルの辺長比βが１より小さい場合と１以上の場合とで算定式が場合分けされている。本実施形態では、水平スチフナの長さを、梁せいの１．２倍以上（３．３適用範囲）と規定することにより、サブパネルの辺長比βは１より大きくなることが明らかであるため、β≧１の必要剛性の算定式（日本建築学会「鋼構造許容応力度設計規準」本文４．１８式、下式参照）を準用している。
縦スチフナについては、必要剛性を満足している小梁のガセットプレートと併用することも可能である。
【0039】
縦スチフナ５３は、下式に示す断面二次モーメント以上となるように設計し、スチフナ断面の幅厚比が１６以下となるようにスチフナ板厚とスチフナ幅を決定する。
【0040】
【数5】
【0041】
次に、本実施形態による鉄骨梁の設計方法の作用・効果について説明する。
スチフナ補剛部６における第２端部６ｂ、すなわち無補剛部との境界に生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部の耐力Ｍａ０が小さい場合、スチフナ補剛部６と無補剛部７との境界に生じる曲げモーメントＭ２が無補剛部７の耐力Ｍａ０に達するとスチフナ補剛部６と無補剛部７との境界に塑性ヒンジが形成され、２ヒンジ状態となり塑性変形能力が急激に低下する変形状態になる虞がある。これに対し、本実施形態では、スチフナ補剛部６と無補剛部７との境界に生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部７の耐力Ｍａ０が大きくなるようにスチフナ補剛長さＬｓｔを設計しているため、上記のような変形状態になる虞が無く、スチフナ補剛による耐力上昇を考慮したスチフナ補剛長さＬｓｔの設計が可能である。
また、本実施形態では、従来の水平スチフナの断面の設計手法と比較して、補剛効果を確保しつつより合理的な断面設計が可能である。これにより、水平スチフナ５１，５２の鋼材量を２割程度削減できる。
スチフナ補剛部６における第２端部６ｂ、すなわち無補剛部との境界に生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部の耐力Ｍａ０が小さい場合、スチフナ補剛部６と無補剛部７との境界に生じる曲げモーメントＭ２が無補剛部７の耐力Ｍａ０に達するとスチフナ補剛部６と無補剛部７との境界に塑性ヒンジが形成され、２ヒンジ状態となり塑性変形能力が急激に低下する変形状態になる虞がある。これに対し、本実施形態では、スチフナ補剛部６と無補剛部７との境界に生じる曲げモーメントＭ２よりも無補剛部７の耐力Ｍａ０が大きくなるようにスチフナ補剛長さＬｓｔを設計しているため、上記のような変形状態になる虞が無く、スチフナ補剛による耐力上昇を考慮したスチフナ補剛長さＬｓｔの設計が可能である。
また、本実施形態では、従来の水平スチフナの断面の設計手法と比較して、補剛効果を確保しつつより合理的な断面設計が可能である。これにより、水平スチフナ５１，５２の鋼材量を２割程度削減できる。
【0042】
本実施形態では、水平スチフナ５１，５２は、ウェブ４の一方の面のみに接合されている。これにより、鉄骨梁１の設計及び製作が容易となるとともに鋼材料削減を図ることができる。
【0043】
以上、本発明による鉄骨梁の設計方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記の実施形態では、スチフナ補剛部６と無補剛部７との境界部分に縦スチフナ５３が設けられているが、縦スチフナ５３は設けられていなくてもよい。
上記の実施形態では、１つのスチフナ補剛部６に２つの水平スチフナ５１，５２が設けられているが、１つのスチフナ補剛部６に設けられる水平スチフナの数は適宜設定されてよい。
例えば、上記の実施形態では、スチフナ補剛部６と無補剛部７との境界部分に縦スチフナ５３が設けられているが、縦スチフナ５３は設けられていなくてもよい。
上記の実施形態では、１つのスチフナ補剛部６に２つの水平スチフナ５１，５２が設けられているが、１つのスチフナ補剛部６に設けられる水平スチフナの数は適宜設定されてよい。
【0044】
上記の実施形態では、スチフナ５（水平スチフナ５１，５２、縦スチフナ５３）は、ウェブ４の一方の面のみに接合されているが、剛性を考慮してウェブ４の両面それぞれに接合されていてもよい。
【符号の説明】
【0045】
１ 鉄骨梁
４ ウェブ
５ スチフナ
６ スチフナ補剛部
７ 無補剛部
４３ サブパネル
５１ 水平スチフナ
５２ 水平スチフナ
４ ウェブ
５ スチフナ
６ スチフナ補剛部
７ 無補剛部
４３ サブパネル
５１ 水平スチフナ
５２ 水平スチフナ
【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】