JP2007186939A - 組立てｈ形鋼及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ応力許容度を任意に調節でき、材料費，質量が低減された組立てＨ形鋼を得る。
【解決手段】一対のＣ型溝形鋼10a，10bを背中合せに配置し、ウエブ12をカシメ接合J_w1，J_w2する。次いで、上側フランジ11_a1，11_b1及び下側フランジ11_a2，11_b2それぞれに補強フランジ13をカシメ接合J_u1，J_u2及びJ_d1，J_d2で固着する。補強フランジ13は、H形鋼の長手方向全長又は長手方向一部何れに固着しても良い。
【効果】補強フランジ13の板厚で必要とする曲げ応力許容度が得られるので、H形鋼全体を厚肉化する必要がない。
【選択図】図２

Description

本発明は，溶接法に依らずカシメ接合で組み立てられ、軽量ながらも大きな曲げ応力許容度を有するＨ形鋼及びその製造方法に関する。

建築物の躯体を構成する梁等に用いられているＨ形鋼は、熱間圧延で所定の断面形状に成形した後、必要に応じ後めっき，後塗装等を施すことにより製造されてきた。しかし、近年の住宅の高耐久化，低コスト化に対応し、Ｈ形鋼のウェブ材やフランジ材に表面処理鋼板を用い、連続的に高周波溶接で接合する方法で製造した溶接Ｈ形鋼が用いられるようになっている。
溶接Ｈ形鋼は、連続的に送り込まれるめっき鋼帯等の素板を上下左右のロールで位置決めし、加圧しながら高周波溶接することにより製造されている。Ｈ形鋼には、JIS G3353, JIS G3192にみられるように様々な板厚や寸法があるが、溶接法によるとき、目標Ｈ形鋼の寸法に応じて位置決めロールや加圧ロールを用意し、寸法変更ごとに交換の必要がある。そのため、多種類の寸法のＨ形鋼を製造するには多大なロール費用とロール交換時間がかかり、設備費用の増大，生産効率の低下を招いていた。

溶接法とは別に、一対のＣ型溝形鋼のウェブを背中合せにしリベット接合する方法も知られているが、接合にリベットを使用しているのでリベット費用が嵩み、製造コストが高くなりやすい。
リベット等の副資材を用いない機械的接合を利用してＨ形鋼を製造する方法として、ウェブを背中合せにしたＣ型溝形鋼の合せ部をカシメ接合する方法も知られている(非特許文献1)。カシメ接合法は、リベット等の副資材を必要とせず、溶接法と比較しても素材の表面に与えるダメージが少ないことが長所である。たとえば、めっき鋼板製のＣ型溝形鋼を素材としてＨ形鋼を組み立てると、溶接法では溶接部近傍のめっき層が損傷するため溶射等による補修が必要になるが、カシメ接合ではめっき層の損傷が局部に収まるので補修の軽減，省略が可能になる。
日本建築学会大会学術講演梗概集 (2000)，pp.495-496

カシメ接合法は、リベット等の副資材に起因するコストの上昇はないが、必要強度を得るため肉厚のＣ型溝形鋼を使用せざるを得ない場合がある。肉厚素材の使用は、材料費の高騰，Ｈ形鋼の質量増加による施工性の悪化を引き起こしかねない。
具体的には、Ｈ形鋼を梁とする住宅では、住宅内部の家具，居住者等の荷重がＨ形鋼(梁)にかかり、Ｈ形鋼が曲げ応力を受ける。Ｈ形鋼(梁)の曲げ応力許容度は、Ｈ形鋼を構成する材料の機械的特性が変らない限りＨ形鋼のフランジの断面積でほぼ決まる。したがって、必要な曲げ応力許容度を得るためフランジの板厚を調整することになるが、フランジとウエブとがほぼ等厚であるため、無駄な材料費，質量を含んだＨ形鋼になる虞がある。

本発明者等は、カシメ接合法の長所を活かしながら無駄な材料費，質量のない組立てＨ形鋼について種々検討した。そして、フランジの断面積に応じてＨ形鋼の曲げ応力許容度が定まることを前提とし、曲げ応力の大小に対応する板厚の補助板をフランジに固着して断面積を増加させることにより、軽量化，強度向上の両立を可能にした。
本発明は、フランジの厚肉化が耐曲げ変形性の向上に有効なことに着目し、フランジの全体又は部分に補助フランジを固着することにより、無駄な材料費，質量を含ませることなく曲げ応力許容度を大きくした組立てＨ形鋼を提供することを目的とする。

本発明の組立てＨ形鋼は、その目的を達成するため、一対のＣ型溝形鋼を背中合せでカシメ接合して形成されたウエブ及びウエブの両端から反対方向に延びるフランジを有し、長手方向に沿ったフランジの全体又は一部に補強フランジがカシメ接合されていることを特徴とする。Ｃ型溝形鋼及び補強フランジには、めっき鋼板を使用できる。
本発明の組立てＨ形鋼は、一対のＣ型溝形鋼を背中合せでカシメ接合することにより、ウエブの両端から反対方向にフランジが延びた断面形状をもつ接合体とし、接合体の長手方向に関してフランジの全体又は一部に補強フランジをカシメ接合することにより製造される。

実施の形態

Ｈ形鋼10の二点に加圧力Ｆ₁，Ｆ₂を加えると、Ｈ形鋼10の高さ方向中心を境として上側に圧縮応力，下側に引張り応力が加わる(図１)。圧縮応力，引張り応力の作用により加圧力点の中心Ｐでフランジ11が上側に座屈変形し、座屈開始後に荷重が低下し始める。応力付加と座屈変形との関係から、加圧力点間距離が同じであればフランジ11の断面積でＨ形鋼10の曲げ応力許容度が決定されるといえる。フランジ11の断面積とＨ形鋼10の曲げ応力許容度との関係は、一対のＣ型溝形鋼のウエブ12を背中合せして溶接接合，リベット接合又はカシメ接合した組立てＨ形鋼でも成立する。

本発明の組立てＨ形鋼は、一対のＣ型溝形鋼のウエブ12を背中合せにしてカシメ接合し、ウエブ12の両端から反対方向に延びる上側フランジ11_a1，11_b1及び下側フランジ11_a2，11_b2に補強フランジ13がカシメ接合されている(図２)。荷重が加わるフランジ部の断面積を補強フランジ13で増加しているので、ウエブ12までもが厚肉化した組立てＨ形鋼にする必要がなく、材料費の低減や軽量・高強度が可能になる。

カシメ接合では、背中合せに配置したＣ型溝形鋼10a，10bのウエブの高さ方向に沿った複数箇所に接合部Ｊ_W1，Ｊ_W2が設定され、接合部Ｊ_W1，Ｊ_W2でＣ型溝形鋼10a，10bがカシメ接合される。接合部Ｊ_W1，Ｊ_W2の個数や間隔はＨ形鋼のサイズに応じ適宜定められ、接合部Ｊ_W1，Ｊ_W2の配置も図示の等間隔配置から千鳥配置と種々変更できる。
張出しカシメ接合では、ダイス15へのポンチ16の圧入で生じる突起17がウエブ12方向に向くようにダイス15，ポンチ16をセットすることが好ましい。剪断接合でも、突起がウェブ方向に向くように接合することが好ましい。ウェブの接合部Ｊ_W1，Ｊ_W2では，Ｃ型溝形鋼10a，10bのどちらの方向に突起を向けても良い。

組み立てられたＨ形鋼では、ウエブ12の上端，下端それぞれから上側フランジ11_a1，11_b1及び下側フランジ11_a2，11_b2が反対方向に延びている。上側フランジ11_a1，11_b1及び下側フランジ11_a2，11_b2に補強フランジ13を差し渡し、それぞれ二個所の接合個所Ｊ_u1，Ｊ_u2及びＪ_d1，Ｊ_d2で補強フランジ13を上側フランジ11_a1，11_b1及び下側フランジ11_a2，11_b2にカシメ接合する(図３)。フランジ11_a1，11_b1及び11_a2，11_b2と補強フランジ13が一体となってフランジ11が構成されるので、目標曲げ応力許容度に対応する板厚の補強フランジ13を使用することにより必要断面積をフランジ11に付与できる。

補強フランジ13がカシメ接合された組立てＨ形鋼10に加圧力Ｆ₁，Ｆ₂が加えられると、図１のＨ形鋼と同様に上側に圧縮応力，下側に引張り応力が作用するが、加圧力点の中心Ｐで補強フランジ13が上側に座屈変形し始め、座屈変形の開始に伴い荷重が低下する(図４)。
変形挙動及び荷重の低下から、Ｈ形鋼10の曲げ応力許容度が補強フランジ13の断面積で決まることが理解できる。換言すれば、補強フランジ13の板厚調整によって任意の曲げ応力許容度を有するＨ形鋼10を製造でき、ウエブ12を無駄に肉厚化することないので材料費の節減や軽量化が図られる。しかも、ウエブ12から反対方向に延びるフランジ11_a1と11_b1及び11_a2と11_b2が補強フランジ13で拘束されるため、組立てＨ形鋼を構成するＣ型溝形鋼10ａ，10ｂのフランジ11_a1と11_b1及び11_a2と11_b2が互いに開方向に変形することに対する抵抗も大きくなる。

このように補強フランジ13の固着により長手方向に関する曲げ応力許容度が大きく、幅方向に関しても変形抵抗の大きなＨ形鋼10となる。また、局部的な変形で素材を相互に噛み合わせるカシメ接合であるので、素材表面層の損傷が軽減される。そのため、めっき層や塗膜で耐食性を向上させた鋼板を素材とする場合でも、接合後のめっき層，塗膜の補修を軽減又は省略できる。
建築物の構造やＨ形鋼10の使用形態に応じ、Ｈ形鋼10の長手方向に沿った特定領域だけに曲げ応力が加わる場合もある。曲げ応力の印加個所が特定される場合、その特定領域にあるフランジ11_a1，11_b1及び11_a2，11_b2に補強フランジ13をカシメ接合し曲げ応力許容度を部分的に増加させるだけでよい。長手方向全長に補強フランジ13を固着する必要がないため、必要強度を確保及び更なる軽量化の両立が可能になる。

引張強さ：４００Ｎ／ｍｍ²の鋼板にＺｎ-６％Ａｌ-３％Ｍｇ合金めっき層を片面当り付着量：９０ｇ／ｍ²で設けた溶融めっき鋼板を素材とし、Ｃ型溝形鋼10a，10b及び補強フランジ13を作製した。Ｃ型溝形鋼10a，10bは、板厚：２.３ｍｍの溶融めっき鋼板をフランジ幅：５０ｍｍ，高さ：１５０ｍｍのＣ断面形状にロール成形し、長さ：３０００ｍｍで定寸切断することにより用意した。補強フランジ13は、板厚：４.５ｍｍの溶融めっき鋼板を幅：１００ｍｍ，長さ：３０００ｍｍのサイズに裁断することにより用意した。

Ｃ型溝形鋼10a，10bのウエブを背中合せで対向させ、長手方向に関して１００ｍｍの間隔で、高さ方向に関してウエブの上端，下端からそれぞれ３６ｍｍ内側に接合部Ｊ_W1，Ｊ_W2を設定し、張出しカシメ接合によりＣ型溝形鋼10a，10bを一体化した。
次いで、ウエブ12の上下両端から反対方向に延びる上側フランジ11_a1，11_b1及び下側フランジ11_a2，11_b2に補強フランジ13を当接し、幅方向中心から左右に２５ｍｍ離れた個所に接合部Ｊ_u1，Ｊ_u2及びＪ_d1，Ｊ_d2を設定し、同じく張出しカシメ接合により補強フランジ13を上側フランジ11_a1，11_b1及び下側フランジ11_a2，11_b2に一体化した。

作製された組立てＨ形鋼10の長手方向両端を固定し、中心Ｐから長手方向に４００ｍｍ離れた二箇所に加圧力Ｆ₁，Ｆ₂を加えて曲げ試験した。そして、加圧力点の中心Ｐの変形量を測定し、荷重の推移との関係を調査した。比較のため、フランジ，ウエブ共に板厚：４.５ｍｍである以外は同様なＣ型溝形鋼のカシメ接合で作製された組立てＨ形鋼についても、同じ条件下で曲げ試験した
本発明例のＨ形鋼，比較例のＨ形鋼共に、曲げ応力許容度の指標となる最大荷重が同じ値を示した。座屈変形の形態も、引用例のＨ形鋼ではフランジ面が上側に座屈変形したのに対し、本発明例のＨ形鋼では補強フランジ13が上側に座屈変形したが上側フランジ11_a1，11_b1には大きな変形が生じなかった。すなわち、補強フランジ13を接合した組立てＨ形鋼は、全体を補強フランジ13と同じ板厚のＣ型溝形鋼から作製されたＨ形鋼と同じ耐曲げ変形性を有し、質量も７％程度軽減されていた。

実施例１と同じ条件下で一対のＣ型溝形鋼をカシメ接合してＨ形鋼を作製し、該Ｈ形鋼の長手方向中央部に板厚：４.５ｍｍ，幅：１００ｍｍ，長さ：１０００ｍの補強板をカシメ接合した。
作製された組立てＨ形鋼を実施例１と同じ曲げ試験に供し、曲げ応力許容度，変形挙動を調査した。その結果、曲げ応力が作用する領域(長手方向中央部)近傍を補強フランジ13で部分的に補強した組立てＨ形鋼であっても、全長に補強フランジ13を固着した組立てＨ形鋼に匹敵する曲げ応力許容度を示した。また、短尺の補強フランジ13で済むため、板厚：４.５ｍｍのＣ型溝形鋼二本をカシメ接合して作製された比較例のＨ形鋼に比べ、質量が３４％程度軽減されていた。

一対のＣ型溝形鋼をカシメ接合して作製されたＨ形鋼の曲げ変形を説明する図 一対のＣ型溝形鋼をカシメ接合し、更に補強フランジをカシメ接合して作製された組立てＨ形鋼の曲げ変形を説明する図 組立てＨ形鋼の製造工程を説明するフロー 組立てＨ形鋼に曲げ応力作用させたときの荷重と変形量の推移を示す図表

符号の説明

10：組立てＨ形鋼 10a，10b：Ｃ型溝形鋼 11：フランジ 11_a1，11_b1：Ｃ型溝形鋼10a，10bの上側フランジ 11_a2，11_b2：Ｃ型溝形鋼10a，10bの下側フランジ 13：補強フランジ 15：ダイス 16：ポンチ 17：突起
Ｊ_w1，Ｊ_w2：Ｃ型溝形鋼10a，10b間のカシメ接合部
Ｊ_u1，Ｊ_u2：上側フランジ11_a1，11_b1と補強フランジ13間のカシメ接合部
Ｊ_d1，Ｊ_d2：下側フランジ11_a2，11_b2と補強フランジ13間のカシメ接合部
Ｆ₁，Ｆ₂：加圧力 Ｐ：加圧力点の中心

Claims (3)

1. 一対のＣ型溝形鋼を背中合せでカシメ接合して形成されたウエブと該ウエブの両端から反対方向に延びるフランジとを有し、長手方向に沿ったフランジの全体又は一部に補強フランジがカシメ接合されていることを特徴とする組立てＨ形鋼。
2. Ｃ型溝形鋼及び補強フランジがめっき鋼板製である請求項１記載の組立てＨ形鋼。
3. 一対のＣ型溝形鋼を背中合せでカシメ接合することにより、ウエブの両端から反対方向にフランジが延びた断面形状をもつ接合体とし、接合体の長手方向に関してフランジの全体又は一部に補強フランジをカシメ接合することを特徴とする組立てＨ形鋼の製造方法。

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