JP2005264535A - 厚肉部を有する円形鋼管柱およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽量化と梁等との接合強度の確保を実現した上で、さらに上記問題点を解決した円形鋼管柱およびその製造方法を提案する。
【解決手段】 圧延方向に板厚を変化させた差厚鋼板またはテーパープレートを、プレスベンド法で円筒または半円筒に成形し、溶接して造管することにより、全長に亘って内径が一定で、構造体の取付部分に外方に膨出した厚肉部を設けてなる円形鋼管柱を製造する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、建築構造物や海洋構造物等の鋼構造物に使用される円形鋼管柱に関し、特に、軽量化と梁等との接合強度の確保を実現した円形鋼管柱およびその製造方法に関するものである。

建築構造物や海洋構造物等の鋼構造物に使用される円形鋼管柱は、要求される強度や肉厚、管径に応じて、ＵＯＥ法やベンディングロール法等の方法で製造されるのが一般的である。そのため、従来の円形鋼管柱は、肉厚が軸方向で均一であるのが普通である。また、円形鋼管柱は、鉛直方向の巨大な荷重を負担する必要があるため、その素材として、厚鋼板を使用するのが普通である。しかし、巨大構造物が多くなってきている近年では、鋼構造物に対する軽量化への要求が強く、そのため、厚肉の鋼管柱と薄肉の鋼管柱とを突き合わせて溶接し、軽量化を図ることが行われている。

一方、鋼構造物を構成する鋼管柱は、剛性や耐震強度を確保する等の観点から、二次構造体である梁等との接合強度を十分に確保する必要がある。そこで、例えば、鋼管柱の梁接合部に、他の部分より厚肉の異径管を溶接接合したり、あるいは、板材(ダイヤフラム)を溶接接合したりすることが行われている。しかし、このような従来の方法では、溶接接合部において、板厚が大きく変化して段差が生ずるため、使用状態において、この部分に応力が集中したり、あるいは、局部変形により耐力低下が生じたりするという欠点がある。また、この応力集中部分に溶接線があることは好ましいことではない。

上記の問題点を解決する技術として、例えば、特許文献１には、遠心鋳造法によって管端部に外方に膨出する厚肉大径部を形成した素管を製造し、その厚肉大径部を絞り加工することによって、管端部に内方へ膨出する厚肉部を形成した外径が全長一定の真直管とし、このような２本の真直管をそれらの厚肉部を突き合わせて溶接することにより厚肉部を有する円形鋼管柱を得る技術が開示されている。また、特許文献２には、上下に貫通した型孔を有する冷却鋳型の下部を溶湯に浸けて、該型孔の下部開口から溶湯を侵入させ、該溶湯を冷却凝固させつつ凝固層を引き上げる際、引き上げ速度を変化させあるいは型孔に対する溶湯凝固層の浸漬深さをコントロールし、または、それらを同時に実施することにより、溶湯凝固層が型孔に接する時間を制御して、型孔に接している時間の長い部分は厚肉に、型孔に接している時間の短い部分は薄肉にして、梁接合予定部の肉厚を内径側に大きくした鋼管柱材が開示されている。さらに、特許文献３には、一方の面に厚肉部が形成された段付鋼板を、前記厚肉部を上に向けてＵＯＥ法により造管することによって、梁等の二次構造体の取付部分に形成された厚肉部とそれ以外の薄肉部とからなり、外径が軸方向に亘って一定となるように製造した円形鋼管柱が開示されている。
特開昭６０−２０６５４６号公報 特開平０７−１７８５１４号公報 特開平０８−３０２９００号公報

しかしながら、特許文献１に開示された円形鋼管柱は、鋳造した素管の端部を絞り加工するための熱処理設備や加工設備が必要で、製造工程が複雑になる他、大口径の鋼管柱には適用が難しいという問題がある。また、特許文献２に開示された円形鋼管柱は、鋳造速度を変えることにより軸方向の任意の位置で、任意の板厚を得ることが出来るが、大口径の鋼管柱に適用するには大きな設備が必要となり、経済的でない。さらに、上記の鋳造で製造される鋼管は、鋳造組織や偏析が残存することから、必要強度を得るためには肉厚を厚くせざるを得ないため、必ずしも軽量化に寄与しないという問題がある。また、特許文献３に開示された円形鋼管柱は、予め素材の製造段階で、梁等の二次構造体の取付部分に厚肉部を形成した段付鋼板を用いてＵＯＥ法により製造するものであるが、造管に際し、肉厚や外径、そして素材の強度によって製造寸法に限界があり、高強度で厚肉の鋼管が製造できないという問題がある。しかも、これら特許文献１〜３に記載された円形鋼管柱はいずれも外径が一定であるため、外部から見てどの位置が厚肉部か判別が難しい、鋼管内部に凹凸があると鋼管柱の内部にコンクリート等を充填する際の障害となるという問題がある。さらに、居住空間や大スペースを必要とする建築物においては、設計自由度や意匠性が制約されるという問題もある。

本発明の目的は、軽量化と梁等との接合強度の確保を実現した上で、さらに鋼管の製造性や施工性、設計の自由度等を改善した円形鋼管柱およびその製造方法を提案することにある。

発明者らは、上記問題点を解決する技術について検討を行った。その結果、従来の外径一定の鋼管柱とは逆に、内径を一定として梁等の接合部に形成する厚肉部を外方に膨出させた鋼管柱とすれば、施工管理や設計の自由度等の点からは好ましいこと、また、その製造方法は、鋼板長手方向に板厚を変化させた差厚鋼板またはテーパープレートを素材とし、それらをプレスベンド法で造管すれば、製造できる鋼管径、肉厚に影響されず、かつ、より高強度の素材を用いることができるので、鋼管製造上からも好ましいことを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、構造体の取付部分に厚肉部を設けてなる円形鋼管柱において、全長に亘って内径が一定で前記厚肉部が外方に膨出して設けられていることを特徴とする厚肉部を有する円形鋼管柱である。

本発明の上記円形鋼管柱は、その素材として圧延方向に板厚を変化させた差厚鋼板またはテーパープレートを用いたものであることが好ましい。

また、本発明は、差厚鋼板またはテーパープレートをプレスベンド法で内径が全長に亘って一定となるように円筒または半円筒に成形し、溶接して造管することを特徴とする厚肉部を有する円形鋼管柱の製造方法を提案する。

本発明によれば、設計応力に応じた肉厚で、接合強度に優れる内径一定の円形鋼管柱を提供することができるので、鋼構造物の軽量化のほか、梁等の接合部の溶接施工性や鋼管内部へのコンクリート充填施工性等が大きく向上する。また、本発明の製造方法によれば、鋼管柱軸方向の任意の位置に厚肉部を形成できるので、経済的に厚肉部を有する円形鋼管柱を製造できるほか、意匠性や設計の自由度を増すことが可能となる。

本発明の円形鋼管柱は、梁等の二次構造体の取付部分に厚肉部を形成した以外は薄肉部からなる円形鋼管柱や、軸方向に肉厚が徐々に変化する円形鋼管柱である。このような円形鋼管柱の素材としては、要求される鋼管柱の軸方向の厚さ変動に合わせて、圧延方法に板厚を変化して圧延した差厚鋼板またはテーパープレートを用いることが好ましい。上記差厚鋼板やテーパープレートは、厚板圧延機を用いて、長手方向の圧下量を要求される鋼管柱の軸方向の厚さ変化に合わせて精密に制御することにより製造することができる。ここで前記差厚鋼板とは、複数の板厚部があり、板厚変更部の長さを長手方向(圧延方向)に極力短くした厚鋼板を、また、前記テーパープレートとは、板厚変更部の長手方向変動を制御した厚鋼板を意味している。

なお、厚肉部と薄肉部の板厚の差は、(厚肉部板厚−薄肉部板厚)で定義される板厚差で２〜40mmの範囲であることが好ましい。２mm未満では、このような鋼管柱を用いる効果が無く、一方、40mmを超えると、鋼板の製造が困難となるという問題があるからである。また、厚板圧延時の急激な板厚の変化は、圧下制御が難しく製造が困難であることから、その圧延方向の板厚変動率は１〜８mm/ｍとすることが好ましい。８mm/ｍを超えると、一般的に、圧延機の能力の問題で製造できないからである。

次に、本発明の円形鋼管柱の製造方法について説明する。
本発明の円形鋼管柱は、上記のようにして得た差厚鋼板またはテーパープレートを素材とし、図１に示したようなプレスベンド法で製造する。というのは、本発明の円形鋼管柱は、厚肉部が外方に膨出しているため、円形に成形加工する際に特殊な金型が必要となる。そのため、従来公知のＵＯＥ法では、金型製作に膨大な費用が必要となる。一方、プレスベンド法であれば、大きな金型を必要とせずに造管できるからである。もちろん、製造数が多く、金型費用を償却できる場合には、ＵＯＥ法を用いても構わない。

なお、プレスベンド法で造管する方法としては、１枚の厚鋼板を円筒に曲げ加工して合わせ部を溶接する１シーム法、または、半円筒に曲げ加工した厚鋼板を２枚合わせて溶接する２シーム法のいずれを用いてもよい。この際の厚鋼板の合わせ部(シーム部)を溶接する方法は、一般的にはＳＡＷ法が用いられるが、他の溶接法を用いてもよい。

また、本発明の円形鋼管柱の素材となる差厚鋼板の成分組成は、特に限定されるものではなく、従来公知のものでよい。また、鋼管柱製造後、加工歪および溶接歪を除去し所定の機械的性質を得るために熱処理を施してもよい。

従来の円筒鋼管柱の場合、板厚が均一な厚鋼板を素材として使用していたため、鋼管柱の重量を軽減しようとする場合には、図２(b)に示すように、肉厚の異なる鋼管柱を溶接していた。しかしこの方法では、溶接接合部の急激な板厚変化により、この部分に応力が集中し、破壊の原因となる。この問題を避けるため、図２(c)のように、厚さの変動量を少なくすると、溶接箇所が増加するため、鋼管強度への信頼性の低下や製造コストの上昇、施工性の悪化等を引き起こす。これに対し、本発明の円筒鋼管柱を用いた場合には、図２(a)に示すように、急激な板厚の変化もないので応力集中を起こすことがなく、しかも、溶接箇所も少なくて済むので、施工性が改善され、鋼管柱への信頼性も高めることができる。

また、従来技術においては、鋼管を建築構造物の柱として使用する場合には、梁等の接合部を設ける必要から、各階分の長さの鋼管柱を製造していたため、溶接工数や組み立て等に要する作業工数が多かった。しかし、本発明の円形鋼管柱は、その素材として長尺の差厚鋼板を用いることができ、かつ、厚肉部を任意の位置に形成できるので、複数階に亘る鋼管柱を１つの鋼管柱で製造することが可能であり、作業工数の大幅な削減を実現できる。

Ｃ：0.15mass％、Si：0.35mass％、Mn：1.40mass％、Ｐ：0.012mass％、Ｓ：0.001mass％、その他元素としてCu，Niを含有し、Ｃ当量(＝Ｃ＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/4＋Ｖ/14)が0.42mass％である成分組成を有する鋼素材を、厚板圧延機を用いて圧延し、図３および図４に示した断面形状および厚さ分布を有する板幅3700mmの差厚鋼板ＡおよびＢを製造した。これらの差厚鋼板ＡおよびＢを素材とし、図１に示したようなプレスベンド法により円筒状に成形した後、接合部をシーム溶接して内径1000mm(一定)の円形鋼管柱とした。上記のようにして得た差厚鋼板Ａを用いて製造した円形鋼管柱を図５に、また、この円形鋼管柱に梁を接合した状態を図６に示した。同様に、差厚鋼板Ｂを用いて製造した円形鋼管柱を図７に、また、この円形鋼管柱に梁を接合した状態を図８に示した。

本発明の円形鋼管柱の製造に用いるプレスベンド法を説明する図である。 本発明の円形鋼管柱(a)と、従来の円筒鋼管柱(b)および(c)を比較して説明する図である。 本発明の円形鋼管柱の素材例である差厚鋼板Ａを示す模式図である。 本発明の円形鋼管柱の素材例である差厚鋼板Ｂを示す模式図である。 差厚鋼板Ａを用いた本発明の円形鋼管柱を示す図である。 差厚鋼板Ａを用いた本発明の円形鋼管柱に梁を接合した状態を示す図である。 差厚鋼板Ｂを用いた本発明の円形鋼管柱を示す図である。 差厚鋼板Ｂを用いた本発明の円形鋼管柱に梁を接合した状態を示す図である。

符号の説明

１．円形鋼管柱
２．厚肉部
３．薄肉部
４．テーパ部
５．梁(Ｈ形鋼)
６．鋼管柱素材(差厚鋼板)
７ａ．プレス金型(上金型)
７ｂ．プレス金型(下金型)
Ｗ．溶接部

Claims (3)

1. 構造体の取付部分に厚肉部を設けてなる円形鋼管柱において、全長に亘って内径が一定で前記厚肉部が外方に膨出して設けられていることを特徴とする厚肉部を有する円形鋼管柱。
2. 上記円形鋼管柱は、その素材として圧延方向に板厚を変化させた差厚鋼板またはテーパープレートを用いたものであることを特徴とする請求項１に記載の円形鋼管柱。
3. 差厚鋼板またはテーパープレートをプレスベンド法で内径が全長に亘って一定となるように円筒または半円筒に成形し、溶接して造管することを特徴とする厚肉部を有する円形鋼管柱の製造方法。
   
   

Images