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剛接合とピン接合の意味と、納まりと構造性能の違い

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剛接合とピン接合、一体どういう意味でしょうか。また、両者の納まりや構造性能は、どう違うのでしょう。


建築設計(意匠、構造、設備設計など)の実務をしていると、毎日のように「剛」とか「ピン」という言葉を聞きます。それほど基本的な知識です。今回は剛接合とピン接合について説明します。


剛とピンの中間的な接合方法を「半剛接合」といいます。半剛接合の意味は、下記が参考になります。

半剛接合とは？1分でわかる意味、計算、鉄骨造、杭頭との関係

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記事を書いた人

ハナダユキヒロ／建築学生が学ぶ「構造力学」

難解な構造力学、建築構造の用語を分かりやすく解説する専門家。高等専門学校在学中から建築学生が学ぶ「構造力学」を運営。その後、国立大学大学院⇒組織設計事務所⇒弊サイト運営に従事している。

著書：「わかる構造力学/工学社」、「わかる構造力学 改訂版/工学社」

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剛接合とは？

剛接合とは、簡単に言えば「部材同士を一体化する接合方法」です。そもそも「接合」という用語には「つなぎ合わせること。くっつくけること」という意味があります。


そこに「剛」という言葉が加わったのは、「一体化する」という意味があるからです。例えば柱と梁。この異なる部材同士を一体化させること。これが剛接合です。


柱と梁を剛接合する構造形式が、ラーメン構造です。ラーメン構造の詳細は、下記が参考になります。

ラーメン構造とは？1分でわかる意味、特徴、由来、メリットとデメリット

剛接合はなぜ必要？剛接合の構造性能

では、なぜ剛接合が必要でしょうか。


さて建物を構成する構造部材には、とても対照的な２つの構造形式があります。それが

です。


ブレース構造は、後述するピン接合で成立する構造形式です。軸力のみ発生するので合理的な設計が可能です。詳細は下記の記事を参考にしてください。


一方ラーメン構造は、柱と梁を一体化（すなわち剛接合）することで、抵抗する構造形式です。柱と梁には曲げモーメント、せん断力、軸力が発生します。ブレース構造に比べ、合理性の面では劣りますが、ブレースを入れる必要が無い分、空間を最大限利用できるメリットがあります。


この広々とした空間にできるメリットが支持され、現代建築の種類は「ラーメン構造」です。そしてラーメン構造にするためには柱と梁を一体化します。一体化するためには「剛接合」が必要なのです。


あるいは片持ち梁、片持ち柱にする場合も剛接合にします。


下記の記事が、ラーメン構造について参考になります。気になる方は合わせて読んでみてください。

柱と梁を剛接合するときの納まり

では具体的に、部材同士を一体化するにはどうすればよいのか。キーワードは「溶接」です。下図を見てください。これは一般的な柱と梁の剛接合の納まりを描いています。

柱に対して梁が取り付いています。これは通しダイアフラムという形式で、梁フランジとダイアフラムを突き合わせ溶接で一体化し、梁ウェブと鋼管板を隅肉溶接で接合しています。ダイアフラムの意味は、下記が参考になります。

ダイアフラムはなぜ必要か？覚えるべきたったの3つの種類と特徴


突き合わせ溶接は、鉄骨同士を一体化する溶接方法で、剛接合にする最も一般的な方法です。隅肉溶接、突合せ溶接の意味は、下記が参考になります。

溶接の種類と、隅肉溶接、突き合わせ溶接の特徴


さて、上図の右側をみると「梁継手」と書いてあります。実はこれも、剛接合の１つです。同じ梁同士を一体化させる場合、プレートの上から高力ボルトでウェブやフランジを留めます。


溶接すれば良いじゃないか、と思うかもしれませんが、これには理由があります。鉄骨部材は比較的スパンが長いものが多く、あまり部材の長さが大きいとトラックに載せられないからです。そのため柱に剛接合する梁は、継手をつくって現場でボルトを留めます。


鉄骨の梁継手の詳細は、下記の記事が参考になります。

鉄骨の継手とは？1分でわかる意味、保有耐力接合、計算、scss-h97との関係

梁と梁を剛接合する納まり

梁と梁を剛接合する場合もあります。但し、剛接合の基本は変わりません。「突合せ溶接」です。


下図をみてください。３つの「梁と梁の剛接合」を示しました。まずは剛接合する梁同市に段差がない場合です。

このように梁同士のフランジを突合せ溶接します。ウェブは隅肉溶接です。


次に梁の段差が100ｍｍ以上の場合です。フランジを突合せ溶接するのは変わりませんが、下端に段差があるため、プレートを取り付けて溶接します。

梁の段差が100ｍｍ以下なら、梁にハンチをつけて大きい梁の下フランジに溶接します。ハンチをつくると弱くなるので、図のようにプレートをあてて補強してください。

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記事を書いた人

ハナダユキヒロ／建築学生が学ぶ「構造力学」

難解な構造力学、建築構造の用語を分かりやすく解説する専門家。高等専門学校在学中から建築学生が学ぶ「構造力学」を運営。その後、国立大学大学院⇒組織設計事務所⇒弊サイト運営に従事している。

著書：「わかる構造力学/工学社」、「わかる構造力学 改訂版/工学社」

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ピン接合とは？

ピン接合とは、「一体化はしないが、部材同士を留める」接合方法です。構造的にいえば、接合部が回転し、曲げモーメントを伝えません。


小梁や間柱などの二次部材、ブレース構造やトラス構造の接合部は、ピン接合とします。小梁、トラス構造の意味など下記が参考になります。

1分で分かる小梁の特徴と目的

トラス構造とは？1分でわかるメリット、デメリット、計算法

ピン接合はなぜ必要？ピン接合の構造性能

ピン接合がなぜ必要かといえば、まさに前述したことです。ピン接合となる部分は蝶番ように回転するので、曲げモーメントが発生しません（しかし回転するので変形は大きくなります）。


接合部に曲げモーメントが発生しないことは、簡単で明快な構造設計が可能です。例えば地震力を負担しなくて良い小梁（二次部材など）は、ピン接合にします。他にも間柱や耐風梁など「あえて曲げモーメントを伝えたくない箇所」にはピン接合を採用します。


柱と梁のピン接合の納まり

ピン接合は曲げモーメントを伝達しない接合方法です。つまり部材同士を一体化する突き合わせ溶接ではなく、「隅肉溶接」と「高力ボルト接合」が基本です。下図を見てください。

まず柱に対してがセットプレートを隅肉溶接して取り付けます。図面ではGPLと描きます。実務ではブラケットとも言います。このガセットプレートと梁のウェブを高力ボルトで留めます。


このようにピン接合は、剛接合に比べると簡単な接合方法です。また曲げモーメントを伝達しないので、構造設計が簡単かつ明快になります。


高力ボルト接合、溶接接合の意味は、下記が参考になります。

高力ボルトってなに？よくわかる高力ボルトの種類と規格、特徴

溶接の種類と、隅肉溶接、突き合わせ溶接の特徴


ただ問題もあります。ピン接合部は曲げモーメントが発生しない分、変形します。例えば、柱と梁をピン接合で繋いだ建物は、地震や風が吹いた途端に倒れてしまいます。ですから前述したブレースを配置して、剛性（構造物の固さ）を高める工夫をします。

梁と梁のピン接合の納まり

下図は梁同士をピン接合で留める納まりです。柱と梁を留める場合と基本は同じです。ただガセットプレートを取り付けた反対側の面には、リブプレートを付けるのが一般的です。

リブプレートの意味は、下記が参考になります。

スチフナーってなに？1分でわかる意味と、目的

まとめ

今回は剛接合とピン接合について説明しました。両者の違いがハッキリしたでしょうか。どちらが良い、というわけでなく一長一短です。


剛接合にしたからといって、構造的・納まり的に有利になるとは言い切れないのです。両者の特徴をよく理解して使いたいですね。


半剛接合の意味、剛接合を用いるラーメン構造、ピン接合とするトラス構造の特徴を覚えましょう。下記の記事が参考になります。

半剛接合とは？1分でわかる意味、計算、鉄骨造、杭頭との関係

ラーメン構造とは？1分でわかる意味、特徴、由来、メリットとデメリット

トラス構造とは？1分でわかるメリット、デメリット、計算法

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