JP2001262776A - 高耐力薄板鋼部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高軸力や曲げモーメントに対する座屈強度を
高め、経済性に優れた薄板鋼部材を提供する。 【解決手段】 薄板鋼部材１０を形成する角形の閉断面
形態からなる薄板鋼材薄板鋼材１１の内側１１ａにプラ
スチックフォーム１３を充填硬化する。この薄板鋼材１
１をプラスチックフォーム１３との複合構造にすること
により、薄板鋼材１１の座屈変形を拘束する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に、スチールハ
ウス等の住宅用構造物に用いられる高耐力薄板鋼部材に
関し、特に、角形の閉断面形状を有する薄板鋼材の補強
構造に工夫を施した高耐力薄板鋼部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、住宅用構造物として、耐力耐震構
造を有するスチールハウスが注目されている。そして、
スチールハウスを構築する骨組み構造体には、通常、木
材よりも軽量で、反りや捩じれ等に対して耐久性に優れ
た板厚が１ｍｍ前後の薄板角形鋼が好適に用いられてい
る。ところが、特に、スチールハウスの窓開口部周辺等
のように、大きな高軸力や曲げモーメントが作用する部
位に用いられる薄板角形鋼には、強度的な補強が必要で
ある。

【０００３】従来、この種の薄板角形鋼においては、図
１１（ａ）に示すように、一対のリップ付溝形鋼ａ，ａ
の各ウェブｂ１同士を背中合わせに組合せてドリルネジ
ｃにて互いに接合したり、その一方のリップ付溝形鋼ａ
の開口面側に、図１１（ｂ）に示すように、リップ無し
溝形鋼ａ１を組合せ嵌合し、各フランジｂ２同士をドリ
ルネジｃにて互いに接合して、一部をボックス型の閉断
面形態にしたり、または、図１１（ｃ）に示すように、
リップ付溝形鋼ａとリップ無し溝形鋼ａ１とを対として
単に組合せて、各フランジｂ２同士をドリルネジｃにて
互いに接合するか、あるいは、図１１（ｄ）に示すよう
に、各フランジｂ２同士を溶接にて互いに接合してボッ
クス型の閉断面形態にすることにより補強してなる構成
を有するものがある。

【０００４】しかしながら、上記した薄板角形鋼にあっ
ては、リップ付溝形鋼ａ，ａ同士、あるいは、リップ無
し溝形鋼ａ１との組合せによる補強形態を有し、しか
も、部材断面形状の一体性を保つという観点から、互い
の溝形鋼同士を相当密なピッチで部材軸方向に接合して
組付け精度を高める必要があるため、その組立作業が複
雑化し、多大な手間を要するばかりでなく、施工性にも
劣る。

【０００５】そこで、このような薄板角形鋼の補強構造
を簡略化するために、図１２（ａ）に示すように、薄板
鋼材ｄを正方形、あるいは、図１２（ｂ）に示すよう
に、矩形のボックス型の閉断面にロール成型し、それら
の両リップ部ｅ間の接合部位をハゼ継ぎ等によるカシメ
にて接合してなる形態を有する薄板鋼部材が提案されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た図１２（ａ）及び（ｂ）に示すようなボックス型閉断
面形態を有する薄板鋼部材では、高軸力や曲げモーメン
トが作用すると、薄板鋼材ｄの隣合う板要素が、図１２
（ａ）及び（ｂ）に点線で示すように、内面及び外面に
交互に変形するような座屈波形モードを呈し、その座屈
長さλが大きいため、局部座屈が発生し易い。しかも、
このような局部座屈の発生により、薄板鋼材ｄの両リッ
プ部ｅ間のカシメ接合部位が開いて破解し易いために、
鋼材自体の剛性及び耐力を低下させ、鋼材の持つ強度を
充分に活用することができない。

【０００７】また、上述したメカニズムによる薄板鋼部
材の座屈耐力を向上させるために、図１３（ａ）及び
（ｂ）に示すように、薄板鋼材ｄの各辺、あるいは、一
方の各対向辺の略中央部などに単独または複数の座屈補
剛リブｆを設けることが考えられる。これにより、薄板
鋼材ｄの座屈に対する抵抗力を高め、座屈強度の向上を
図ることが可能になるが、ロール成型による設備投資が
嵩むばかりでなく、成型時のロールフォーミングの際の
段数が増加し、ロール成型スピードを低下させなければ
ならない制約を受ける。このため、薄板鋼部材の単価が
上昇し、コスト高になり、経済性を低下させる。

【０００８】ところで、従来、薄板鋼材の片面にプラス
チックフォームを添設した屋根パネル部材や、鋼殻の内
部にプラスチックフォームを充填してなる壁部材が周知
である。このような部材に使用されるプラスチックフォ
ームは、主として断熱性を確保するためのもので、上述
した角形鋼のような骨組み構造体としての高軸力や曲げ
モーメントに対する座屈耐力を向上させることを目的す
るものではない。

【０００９】本発明は、上記した事情に鑑みてなされた
もので、高軸力や曲げモーメントに対する座屈強度を高
めるとともに、経済性に優れた高耐力薄板鋼部材を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、本発明は、角形の閉断面形態からなる薄板鋼材の
内側にプラスチックフォームを充填硬化してなることを
特徴とする高耐力薄板鋼部材を提供する。

【００１１】ここで、本発明において、上記薄板鋼材の
一部をカシメ接合してなる一方、その板厚が０．４ｍｍ
〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましく、また、プ
ラスチックフォームの芯部に中空部を形成しても良い。

【００１２】すなわち、本発明は、上記の構成とするこ
とにより、角形の閉断面形態からなる薄板鋼材の内側が
プラスチックフォームの充填硬化にて複合構造とされて
いるため、簡単な手段にて薄板鋼の剛性および座屈強度
を高めることができるとともに、断熱性能の向上も図れ
る。

【００１３】しかも、薄板鋼材の内面に対するプラスチ
ックフォームの接着力が高いため、鋼材に高軸力や曲げ
モーメントが作用しても、鋼材の座屈応力に対するプラ
スチックフォームの抗張力に伴う拘束力により、鋼材の
抵抗力を高め、これにより、従前のような薄板鋼材の局
部座屈の発生が抑止可能になる。

【００１４】また、薄板鋼材のカシメ接合部位の内面
も、プラスチックフォームが接着されるため、そのプラ
スチックフォームの接着に伴う拘束力により、従前のよ
うなカシメ接合部位の破解が抑止される。

【００１５】さらに、薄板鋼材の補強がプラスチックフ
ォームの充填硬化によるため、従前のような座屈補剛リ
ブの形成によるロール成型と比較し、設備投資が削減化
されるとともに、成型時におけるロールフォーミングの
際の段数の増加、ロール成型スピードを低下させる必要
がない。これにより、高耐力薄板鋼部材のコストが低減
化され、経済性を高める。

【００１６】さらにまた、薄板鋼材に他の鋼板をドリル
ネジの打込みにて接合した場合、それらの接合部間に剪
断力が作用しても、プラスチックフォームの抵抗力にて
ドリルネジの回転が抑止される。これにより、ネジ保持
力の向上が図れるとともに、互いの接合部位における剛
性及び耐力を高めることが可能になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図１か
ら図１０に示す図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１８】図１は、例えば、住宅用構造物として構築
されるスチールハウスの全体構成を示す。このスチール
ハウスの骨組み構造体１は、窓開口部２を有する。そし
て、この窓開口部２の周辺部位の隅柱等、すなわち、大
きな高軸力や曲げモーメントが作用する部位は、本発明
に係る高耐力薄板鋼部材１０にて骨組みされている。

【００１９】図２は、上記高耐力薄板鋼部材１０の一実
施形態を示す。この高耐力薄板鋼部材１０は、図１２
（ａ）に示す従来構造と同様に、薄板鋼材１１をロール
成型にて正方形からなるボックス型の閉断面に成型して
なる形態を有する。この鋼材１１の両リップ部１１Ａ，
１１Ｂは、図３（ａ），（ｂ）に示すようなハゼ継ぎ等
によるカシメ形状にて互いに接合されている。また、こ
のようなボックス型閉断面形態を有する柱等の長尺の鋼
材１１の内部空間１２には、プラスチックフォーム１３
が全域に亘って充填硬化されて複合構造とされ、このプ
ラスチックフォーム１３の充填硬化にて鋼材１１の内側
１１ａをバックアップしてなる構成を有する。

【００２０】この場合に、高耐力薄板鋼部材１０を形成
する薄板鋼材１１の板厚は、０．４ｍｍ〜２．０ｍｍ、
好ましくは、１．６ｍｍの範囲内であり、その板厚が
０．４ｍｍ以下では、剛性不足により、座屈に対するプ
ラスチックフォーム１３の拘束力による補強効果が得ら
れない。一方、薄板鋼材１１の板厚が２．０ｍｍを越え
ると、プラスチックフォーム１３の拘束力程度では、鋼
材１１自体の座屈を抑える効果が少なくなる。これによ
り、薄板鋼材１１の板厚は、０．４ｍｍ〜２．０ｍｍの
範囲内で薄ければ薄いほど、プラスチックフォーム１３
による座屈拘束効果が高くなるため、従前よりも薄板鋼
材１１の薄肉化及び軽量化が可能になり、高耐力薄板鋼
部材１０のコストのみならず、住宅建設上の施工コスト
全体の低減化にも寄与する。

【００２１】すなわち、上記の構成によれば、ボックス
型の閉断面に成型してなる薄板鋼材１１の内部空間１２
にプラスチックフォーム１３を発泡させて充填硬化して
なるため、鋼材１１の内面１１ａとプラスチックフォー
ム１３との接着力を高める。しかも、鋼材１１の内面１
１ａに対するプラスチックフォーム１３の接着面側の最
外層に、発泡成型時の発泡圧による高密度で剛性の高い
スキン層１３ａが形成され、これにより、プレーンな補
強構造にて部材断面形状の一体性を確実に保つことがで
き、また鋼材１１の内面１１ａがプラスチックフォーム
１３にて堅固にバックアップされる。

【００２２】したがって、高耐力薄板鋼部材１０を形成
する薄板鋼材１１に高軸力や曲げモーメントが作用して
も、プラスチックフォーム１３にて内面への座屈変形が
拘束され、図４に点線で示すように、鋼材１１の隣合う
板要素の外側への座屈波形モードの変形量が、図１２に
示す従前の座屈波形モードよりも小さく、その座屈長さ
λを小さくすることが可能になる。しかも、鋼材１１の
隣合う板要素の座屈応力に抗して、鋼材１１とプラスチ
ックフォーム１３との高接着性に伴う抗張力が、図５に
示す矢印方向に弾性的に働いて、座屈変形が拘束され、
その拘束力により、鋼材１１の座屈に対する抵抗力を高
めるため、従前のような局部座屈の発生を抑止すること
が可能になり、座屈耐力を向上させる。

【００２３】一方、薄板鋼材１１の両リップ部１１Ａ，
１１Ｂ間のカシメ接合部位もまた同様に、プラスチック
フォーム１３の充填硬化による接着力にて拘束されるた
め、従前のような薄板鋼材１１のカシメ接合部位におけ
る開き等の破解が抑止される。

【００２４】ところで、プラスチックフォーム１３とし
ては、上述したようなメカニズムによる薄板鋼材１１の
座屈拘束を効果的に発揮させるために、剛性が極力高く
（固く）、しかも、薄板鋼材１１との接着力の高い熱可
塑性発泡樹脂、あるいは、熱硬化性発泡樹脂等が好適に
用いられる。そして、熱可塑性発泡樹脂としては、ポリ
スチレン樹脂等が代表的なものであり、熱硬化性発泡樹
脂としては、ポリウレタン樹脂等が代表的なものであ
る。この場合、ポリウレタン樹脂には、軟質性と硬質性
の２種類が存在するが、薄板鋼材１１の座屈耐力の向上
を図るためには、硬質性のポリウレタン樹脂を採用する
ことが好ましい。

【００２５】また、高耐力薄板鋼部材１０の成型時に、
薄板鋼材１１の内部空間１０にプラスチックフォーム１
３を充填する際、図６に示すように、薄板鋼材１１がボ
ックス型閉断面の形態を有するため、薄板鋼材１１を立
設状態で保持し、その内部空間１０にフォーム供給容器
２０に連結されたフォーム充填パイプ２１を挿入して、
フォーム供給容器２０内に収容されたフォーム素材２２
を注入し充填発泡させることにより行われる。これによ
り、フォーム充填のための特別な設備を必要とせず、施
工現場においても容易にフォーム充填作業が行える。

【００２６】［比較例］実験によれば、高耐力薄板鋼部
材１０に充填されるプラスチックフォーム１３として硬
質ウレタンフォームを用い、従前のようなプラスチック
フォーム充填無しの薄板鋼部材と比較すると、本発明の
高耐力薄板鋼部材１０では、最大圧縮耐力が１．５〜
２．０倍程度に向上することが確認された。また、この
ように薄板鋼材１１の座屈変形がプラスチックフォーム
１３にて拘束されると、従来では使用することができな
かった高張力鋼、例えば、引張強さが５００ＭＰａ以上
の強度を有する高張力鋼からなる薄板鋼材の持つ強度を
充分に活用することが可能になった。

【００２７】さらに、図７に示すように、高耐力薄板鋼
部材１０に他の鋼板３０をドリルネジ３１を打込んで接
合した場合、ドリルネジ３１の螺子軸３１ａが薄板鋼材
１１の内面１１ａに充填硬化されたプラスチックフォー
ム１３にも打込まれる。このため、薄板鋼材１１と鋼板
３０との接合部に互いに引き合う剪断力が作用しても、
図７に矢印で示すように、プラスチックフォーム１３の
抵抗力にてドリルネジ３１の回転が拘束されて防止さ
れ、ネジ保持力の向上が図れる。これにより、高耐力薄
板鋼部材１０に対する鋼板３０の接合部位における剛性
及び耐力を高めるという副次的な効果も発揮させること
が可能になる。

【００２８】図８は、本発明に係る高耐力薄板鋼部材の
第１の変形例を示すもので、この第１の変形例では、図
１２（ｂ）に示す従来構造と同様に、高耐力薄板鋼部材
１０を鋼材１１のロール成型にて縦長矩形からなるボッ
クス型の閉断面形態に成型してなる構成を有する。

【００２９】なお、上記した実施形態において、高耐力
薄板鋼部材１０を形成する薄板鋼材１１の内部空間１２
の全域にプラスチックフォーム１３を充填硬化させた
が、これに限定されることはない。

【００３０】例えば、図９に本発明に係る高耐力薄板鋼
部材の第２の変形例として示すように、プラスチックフ
ォーム１３の芯部に中空部１４を有する中空構造にして
も良い。このような中空部１４を形成する場合には、図
１０（ａ）に示すように、薄板鋼材１１の内部空間１０
に、例えば、加熱溶出可能な中子２３を予め位置決め配
置する。そして、図１０（ｂ）に示すように、図６に示
すフォーム充填作業と同様にして、薄板鋼材１１の内面
１１ａと中子２３の外面２３ａとの間の内部空間１０に
フォーム素材２２を注入し充填発泡させる。フォーム硬
化後、中子２３を加熱し溶出することにより、プラスチ
ックフォーム１３の芯部への中空部１４の形成が行われ
る。

【００３１】このように、高耐力薄板鋼部材１０を中空
構造にすることにより、部材の軽量化及び薄板鋼材１１
の座屈耐力の向上のみならず、プラスチックフォーム１
３の使用量の削減化に伴うコストの低減化を図ることが
可能になる。

【００３２】その他、本発明は、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で種々変更実施可能なことは云うまでもない。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る高耐
力薄板鋼部材によれば、角形の閉断面形態からなる薄板
鋼材の内側がプラスチックフォームの充填硬化にて複合
構造とされているため、簡単な手段にて薄板鋼の剛性お
よび座屈強度を高めることができるとともに、断熱性能
の向上も図ることができる。

【００３４】しかも、薄板鋼材の内面に対するプラスチ
ックフォームの接着力が高いため、角形鋼に高軸力や曲
げモーメントが作用しても、薄板鋼材の座屈応力に対す
るプラスチックフォームの抗張力に伴う拘束力により、
薄板鋼材の抵抗力を高めることができる。これにより、
従前のような薄板鋼材の局部座屈の発生を抑止すること
ができる。

【００３５】また、薄板鋼材をロール成型によるボック
ス型の閉断面形態に成型して、その一部の接合部位をカ
シメ接合しても、プラスチックフォーム接着性に伴う拘
束力により、従前のようなカシメ接合部位の破解を抑止
することができる。

【００３６】さらに、薄板鋼材の補強がプラスチックフ
ォームの充填硬化によるため、従前のような座屈補剛リ
ブの形成によるロール成型と比較して、設備投資が削減
化されるとともに、成型時のロールコーキングの際の段
数の増加、ロール成型スピードの低下等の制約がない。
これにより、部材のコストの低減化を図ることができ、
経済性を高めることができる。

【００３７】さらにまた、高耐力薄板鋼部材に他の鋼板
をドリルネジの打込みにて接合部した場合に、それらの
接合部間に剪断力が作用しても、プラスチックフォーム
の抵抗力にてドリルネジの回転を防止することができ、
ネジ保持力の向上を図ることができる。これにより、高
耐力薄板鋼部材に対する鋼板の互いの接合部位における
剛性及び耐力を高めることができる。

【００３８】したがって、本発明の高耐力薄板鋼部材
を、例えば、住宅用構造物として構築されるスチールハ
ウスの骨組み構造体として用いることにより、軽量化と
共に施工コストの低減化、耐震性能及び居住性の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】例えば住宅用構造物として構築されるスチール
ハウスにおける骨組み構造の体全体構成を示す説明図で
ある。

【図２】本発明に係る高耐力薄板鋼部材の一実施形態を
示す要部拡大断面図である。

【図３】図３（ａ），（ｂ）は図２のＡ部におけるボッ
クス型閉断面を形成する鋼材の接合端部のカシメ形状を
それぞれを示す要部拡大断面図である。

【図４】同じく高耐力薄板鋼部材の座屈に対する座屈波
形モードのメカニズムを概略的に示す説明図である。

【図５】同じくプラスチックフォームによる拘束モード
のメカニズムを概略的に示す説明図である。

【図６】薄板鋼材の内部空間へのプラスチックフォーム
の充填状態を概略的に示す説明図である。

【図７】高耐力薄板鋼部材と他の鋼板とのドリルネジ打
込みによる接合部位における剪断力に対するプラスチッ
クフォームのネジ保持状態を概略的に示す説明図であ
る。

【図８】本発明に係る高耐力薄板鋼部材の第１の変形例
を示す要部拡大断面図である。

【図９】本発明に係る高耐力薄板鋼部材の第２の変形例
を示す要部拡大断面図である。

【図１０】図１０（ａ）は薄板鋼材の内部空間への中子
の配置状態を示す説明図、図１０（ｂ）はプラスチック
フォームの充填状態を示す説明図である。

【図１１】図１１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は従
来の薄板鋼部材の補強構造をそれぞれ示す説明図であ
る。

【図１２】図１２（ａ），（ｂ）は従来の薄板鋼部材の
補強構造の他の例をそれぞれ示す説明図である。

【図１３】図１３（ａ），（ｂ）は従来の薄板鋼部材の
補強構造の他の例をそれぞれ示す説明図である。

【符号の説明】

１ スチールハウスの骨組み構造体 ２ 窓開口部 １０ 高耐力薄板鋼部材 １１ 薄板鋼材 １１ａ 内面 １１Ａ リップ部（接合端部） １１Ｂ リップ部（接合端部） １２ 内部空間 １３ プラスチックフォーム １３ａ スキン層 １４ 中空部 ２０ フォーム供給容器 ２１ フォーム充填パイプ ２２ フォーム素材 ２３ 中子 ２３ａ 外面 ３０ 鋼板 ３１ ドリルネジ ３１ａ 螺子軸 λ 座屈長さ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】角形の閉断面形態からなる薄板鋼材の内側
   にプラスチックフォームを充填硬化してなることを特徴
   とする高耐力薄板鋼部材。
2. 【請求項２】前記薄板鋼材の一部をカシメ接合してなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の高耐力薄板鋼部材。
3. 【請求項３】前記薄板鋼材の板厚が０．４ｍｍ〜２．０
   ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１または２
   に記載の高耐力薄板鋼部材。
4. 【請求項４】前記プラスチックフォームの芯部に中空部
   を形成してなることを特徴とする請求項１，２または３
   に記載の高耐力薄板鋼部材。