JP5442301B2 - 建築構造用リング鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、建築構造に用いられるリング状鋼材の製造方法に関するものである。

建築構造用リング鋼材を製造する場合には、所定の厚みを有する圧延鋼板から、外周と内周の部分をガス切断やレーザー切断により型抜き加工する方法が一般に行われている。

また、鍛造等で上下からのプレスにより鋼材の塊を所定の径と厚みを有するリング鋼材にする方法もある。

一方、リング鋼材を製造する方法において、素材として所定の断面形状を有する長尺の棒材を用い、この棒材をＣ形のリング状に曲げて、その両端面を突き合わせ、例えばフラッシュバット溶接などの方法で溶接した後、必要に応じてリングローリングミルにかけて整形するという方法が提案されている（特開平４−２００９２６号公報参照）。

特開平４−２００９２６号公報

しかし、型抜き加工する方法では、外周部が円形のため部留りが悪く、さらに内周部の切断により発生した円板状の切断片は不要であるため、材料のロスが多いなどの欠点があった。また、プレスによる方法だと所定のプレス型が必要で、型の製造や維持にコスト高を生じさせる。さらに高価なプレス機も必要であり、製品コストを引き上げていた。
ところで、上記した長尺の棒材をリング状に曲げてその両端面を溶接して製造されるリング鋼材は、製造過程において曲げ加工が施されることとなる。

平成１２年建設省建告第２４６４号には、厚さが６ｍｍ以上の鋼材等の曲げ加工にあって、外側曲げ半径が当該鋼材等の厚さの１０倍未満となる場合には、加工後の当該鋼材等の機械的性質、化学成分その他の品質が加工前の当該鋼材等の機械的性質、化学成分その他の品質と同等以上であることを確かめなければならない旨が規定されている。当規定を超えて曲げ加工を行ったリング状の鋼材は冷間成形の過程において塑性変形が生じるため、結果として降伏点が上昇し、伸び性能が低下し、シャルピー吸収エネルギーが低下するなど、建築構造用のリング鋼材として不適切なものになる。よって、曲げ加工により成形されて、建築構造用に適したリング鋼材が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑み、その目的とするところは、曲げ加工を利用して、材料の歩留まりが非常によく、材料費が大幅に節減できて、製品のコストダウンが図れ、安価で、しかも建築構造に用いるのに十分な品質特性を有するリング鋼材の製造方法を提供するものである。

本発明に係る建築構造用リング状鋼材の製造方法は、断面形状が、高さ＞下辺長さ＞上底長さの関係を満たす略台形であり、上底長さ／下底長さの値が８０％〜９５％である帯状の鋼材（Ｃ≦０．２０％、Ｓｉ≦０．５５％、Ｍｎ≦１．６０％、Ｐ≦０．０３５％、Ｓ≦０．０３５％以下の化学成分である炭素鋼で、機械的性質が降伏点≧３２０Ｍｐａ、４９０Ｍｐａ≦引張強さ≦６１０Ｍｐａ、降伏比≦８０％、破断伸び≧１７％）を、上底側を鋼材の内周側とし、下底側を鋼材の外周側として冷間曲げ加工してＣ形で円弧状の鋼材となし、この両端面を突き合わせて溶接することで、（外径−内径）／（外径＋内径）の値が６％以上２５％以下であり、外周の伸び率及び内周の縮み率が６％以上２５％以下である閉鎖断面をなす円環状の鋼材とした後、７４０℃〜９００℃の熱処理を行って、もしくはＣ形で円弧状の鋼材となし、７４０℃〜９００℃の熱処理を行った後、両端面を突き合わせて溶接することで、（外径−内径）／（外径＋内径）の値が６％以上２５％以下であり、外周の伸び率及び内周の縮み率が６％以上２５％以下である閉鎖断面をなす円環状の鋼材とし、成形品の機械的性質を降伏点≧３２０Ｍｐａ、４９０Ｍｐａ≦引張強さ≦６１０Ｍｐａ、降伏比≦８０％、伸び≧１７％にしたことを特徴とする。

この製造方法によれば、曲げ加工を利用しているので、従来のように所定の厚みを有する圧延鋼板から、外径と内径の部分をガス切断やレーザー切断により型抜き加工してリング素材とする必要がなく、あるいは鍛造等で上下からのプレスにより鋼材の塊を所定の径と厚みを有するリング材に製造する必要もなく、予め目的とするリングの断面形状にすることができるため、材料の歩留りを大幅に高めることができると共にコストの低減が得られる。そして、曲げ加工を行った後に、７４０℃〜９００℃の熱処理を行っているため、建築構造用のリング鋼材として適した品質を得ることができる。

また、円環状の鋼材において、（外径−内径）／（外径＋内径）の値は、６％以上２５％以下である。
このような鋼材にあっては、建築構造用のリング鋼材として活用することができる品質・形状とすることができる。また、曲げ加工により塑性変形領域が発生していても熱処理により機械的性質を改善することができる。

また、円環状の鋼材において、外周の伸び率及び内周の縮み率は、６％以上２５％以下である。
このような鋼材にあっては、建築構造用のリング鋼材として活用することができる品質・形状とすることができる。また、曲げ加工により塑性変形領域が発生していても熱処理により機械的性質を改善することができる。

また、帯状の鋼材の断面形状は、高さ＞下底長さ＞上底長さの関係を満たす略台形であり、上底長さ／下底長さの値が８０〜９５％であり、上底側を鋼材の内周側とし、下底側を鋼材の外周側とする。
この製造方法によれば、厚みが略均一な断面長方形状のＣ形の円弧状鋼材を成形することができる。

また、曲げ加工を行った後の熱処理は、７４０℃〜７８０℃であると好適である。
このような熱処理温度を採用すると、熱処理に要する費用を低減できる。

また、帯状の鋼材は、螺旋状に巻かれた後、外周と内周との間を切断させて、複数の円弧状の鋼材に成形されると好適である。
このような製造方法を採用すると、一度に複数枚のＣ形の円弧状鋼材を成形することができる。

また、突き合わせ溶接は、フラッシュバット溶接であると好適である。
この製造方法によれば、Ｃ形の円弧状鋼材の両端面を突き合わせのために滑らかに仕上げておくことを要しないので、溶接工程を簡素化することができる。

本発明に係る建築構造用リング鋼材の製造方法によれば、曲げ加工を利用して、材料の歩留まりが非常によく、材料費が大幅に節減できて、製品のコストダウンが図れ、安価で、しかも建築構造に用いるに十分な品質特性を有するリング鋼材を製造することができる。

（ａ）は、建築構造用リング鋼材を梁に溶接する前の状態を示す斜視図、（ｂ）は、建築構造用リング鋼材を梁に溶接した後の状態を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明に係る建築構造用リング鋼材の製造方法に適用される帯状鋼材を示す斜視図、（ｂ）は、ドラムに鋼材が巻かれた状態を示す図である。 （ｃ）は、螺旋状の鋼材を示す斜視図、（ｄ）は、円弧状鋼材を示す平面図、（ｅ）は、円環状鋼材を示す平面図である。 円弧状鋼材の要部拡大断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る建築構造用リング鋼材の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１に示すように、建築構造用リング鋼材１は、鉄骨Ｈ形鋼梁Ａのウエブ貫通孔２を補強するためのものであり、ウエブ貫通孔２と略同径の内周部１ａと、所定の外径を有する外周部１ｂと、内周部１ａと外周部１ｂとの間で等間隔に複数個（例えば、４〜１２個）配置された溶接孔１ｃとからなる。

梁Ａにリング鋼材１を固定する手順としては、梁Ａのウエブ貫通孔２とリング鋼材１の内周部１ａとを位置合わせした後、溶接孔１ｃにプラグ溶接３を施工して、ウエブの一面側でリング鋼材１と梁Ａとを接合する。さらに、梁Ａのウエブの反対側でも他のリング鋼材１をプラグ溶接する。このようなリング鋼材１を利用すると、リング鋼材１の外周部１ｂに溶接を施工する必要がなく、溶接量が少ないので、梁Ａが熱の影響（歪み、縮み）をほとんど受けることがない。

リング鋼材１の一例は、外径が５００〜１０００ｍｍ、内径が３４０〜７００ｍｍ、厚みが１６〜２５ｍｍの形状である。また、溶接孔１ｃの直径は、２３〜３９ｍｍである。

次に、リング鋼材１の製造方法について詳述する。

図２に示すように、Ｃ≦０．２０％、Ｓｉ≦０．５５％、Ｍｎ≦１．６０％、Ｐ≦０．０３５％、Ｓ≦０．０３５％以下の化学成分である炭素鋼で、機械的性質が降伏点≧３２０Ｍｐａ、４９０Ｍｐａ≦引張強さ≦６１０Ｍｐａ、降伏比≦８０％、破断伸び≧１７％からなる長尺状の帯状鋼材１０を準備する。

その後、細長い帯状の鋼材１０は、円筒状のドラム１１に１周ごとに厚み分をずらしながら巻き付けられ、螺旋状に冷間曲げ加工がなされる。図３に示すように、巻き加工が終了した螺旋状の鋼材１２は、ドラム１１から取り外された後に、外周と内周との間を、径方向に外周から内周に向かって一点鎖線に沿って切断され、Ｃ形の円弧状鋼材１３となる。このような成形によれば、Ｃ形の円弧状鋼材１３を効率よく成形することができる。

この場合、Ｃ形の円弧状鋼材１３において、（外径−内径）／（外径＋内径）の値は、６％（下限値）以上２５％（上限値）以下が好適であるが、建築用リング鋼材としての断面性能を確保する観点から、下限値として、１０％がより好適であり、１５％が更に好適であり、熱処理後の機械的性質を確保する観点から、上限値として、２０％がより好適であり、１８％が更に好適である。

巻き成形前の帯状の鋼材１０の断面形状は、高さｈ＞下底ｂの長さ＞上底ａの長さの関係を満たす略台形であり、上底ａの長さ／下底ｂの長さの値が８０〜９５％である（図２（ａ）参照）。巻き成形時は、上底ａ側を鋼材１２の内周側とし、下底ｂ側を鋼材１２の外周側になるように、鋼材１０がドラム１１に巻き付けられ、これによって、厚みが略均一な断面長方形状のＣ形の円弧状鋼材１３が形成される（図４参照）。

なお、上記例は、曲げ加工後の厚みを一定にする例であるが、必ずしも厚みを一定にする必要はなく、Ｃ形の円弧状鋼材１３の断面を偏断面形状やあるいは凸凹形状にしたい場合、帯状の鋼材１０の断面形状は、成形後の形状に合わせて適宜選択される。例えば、外周部と内周部の厚みが幅中央部よりも大きいＣ形の円弧状鋼材１３とする場合には、帯状の鋼材１０の断面形状を、幅方向の両端部の厚みが幅方向中央部の厚みよりも大きいものとすればよい。

その後、Ｃ形の円弧状鋼材１３の切断部分Ｓの両端面１３ａを突き合わせて溶接し、閉鎖断面をなす円環状の鋼材１４が成形される。突き合わせ溶接の方法は、両端面１３ａを強固に接合できる方法であればいかなる方法でも良いが、フラッシュバット溶接が適切である。この溶接によれば、Ｃ形の円弧状鋼材１３の両端面１３ａを突き合わせのために滑らかに仕上げておくことを要しないので、溶接工程を簡素化することができる。なお、符号Ｐは、溶接部である。

さらに、この円環状に成形された鋼材１４は、７４０℃〜９００℃の熱処理を行い、建築構造用の材料として使用可能な所定の品質特性を有するリング鋼材２０となる。そして、このリング鋼材２０にドリル加工を行って、溶接孔１ｃ（図１参照）を成形したものが、製品としてのリング鋼材２０になる。

円環状の鋼材１４において、（外径−内径）／（外径＋内径）の値は６％以上２５％以下の範囲とするが、この値は、帯状鋼材１０の外周の伸び率及び内周の縮み率とほぼ一致し、値がこれを越えて大きい場合は、帯状鋼材１０の塑性加工の程度が著しく、金属の冶金的なダメージも大きくなるため望ましくはない。また、値がこれを越えて小さい場合は、現行の基準法において加工前の機械的性質・化学成分その他の品質と同等以上であることを確かめる必要がない程度の変形であり熱処理の必要がないが、建築用リング鋼材としての断面性能を確保しにくい。

この製造方法によれば、曲げ加工を利用しているので、従来のように所定の厚みを有する圧延鋼板から、外径と内径の部分をガス切断やレーザー切断により型抜き加工してリング素材とする必要がなく、あるいは鍛造等で上下からのプレスにより鋼材の塊を所定の径と厚みを有するリング材に製造する必要もなく、予め目的とするリングの断面形状にすることができるため、材料の歩留りを大幅に高めることができると共にコストの低減が得られる。そして、曲げ加工を行った後に、７４０℃〜９００℃の熱処理を行っているため、建築構造用のリング鋼材１４として適した品質を得ることができた。熱処理の時間は、短かすぎると機械的性質の改善の効果が十分に得られず、長すぎると不経済となるため、リング鋼材の大きさや厚さ、熱処理槽への格納の仕方などによって適宜調整すればよい。

そして、曲げ加工を利用して、材料の歩留まりが非常によく、材料費が大幅に節減できて、製品のコストダウンが図れ、安価で、しかも建築構造に用いるのに十分な品質特性を有するリング鋼材１４を製造することができる。

図２（ａ）に示すように、公知の熱間圧延方法によって、上底ａの幅が１８．１ｍｍ、下底ｂの幅が２１．３ｍｍ、高さｈが９１ｍｍの断面台形状の帯状の鋼材１０が素材として提供される。この鋼材１０の材質はＳＭ４９０Ａ材に適合しているものであり、降伏点が３７０Ｐａ、引張強さが５４３Ｐａ、降伏比６８％、破断伸びが２７％である。なお、この鋼材１０の上底ａの長さ／下底ｂの長さは、１８．１／２１．３＝８５％である。

次に、図２（ｂ）に示すように、外径が略４２０ｍｍの円筒状のドラム１１に、鋼材１０の下底ｂが外周面側となるよう冷間加工を施しながら螺旋状に巻きつける。螺旋加工後、図３（ｃ）に示すように、螺旋状の鋼材１２をドラム１１から取り外し、外周から内周に向かって１箇所切断（符号Ｃ参照）する。

この切断によって、図３（ｄ）に示されたＣ形の鋼材１３が、同時に複数枚得られる。このＣ形の鋼材１３は、その厚み分だけ両端面１３ａの位置がずれた状態になっているので、両端面１３ａが同じ高さになるようにチャッキングしながら、両端面１３ａ同士をフラッシュバット溶接する（図３（ｅ）参照）。その結果、外径が６００ｍｍで厚みがほぼ一定となる円環状鋼材１４が成形された。なお、この円環状鋼材１４において、（外径−内径）／（外径＋内径）の値は１８２／１０１８＝１８％である。

その後必要に応じて、この円環状鋼材１４をローリングミルにかけて所望の断面形状に圧延加工しても良い。また反りを矯正するために転圧しても良い。

[参考例１]
本参考例１では、円環状鋼材１４の熱処理を行っていない。

[実験例１]
本実験例１では、円環状鋼材１４を熱処理槽に入れ、７４０℃に昇温したのち恒温状態で１時間保持し、その後空冷した。

[実験例２]
本実験例２では、円環状鋼材１４を熱処理槽にいれ、７８０℃に昇温したのち恒温状態で１時間保持し、その後空冷した。

[実験例３]
本実験例３では、円環状鋼材１４を熱処理槽にいれ、９００℃に昇温したのち恒温状態で１時間保持し、その後空冷したものを、さらに５５０℃に昇温したのち恒温状態で５時間保持し、その後空冷した。

[実験例４]
本実験例４は、円環状鋼材１４を熱処理槽にいれ、９００℃に昇温したのち恒温状態で１時間保持し、その後空冷した。

[参考例２]
本参考例２は比較のために実験した例である。円環状鋼材１４を熱処理槽にいれ、６４０℃に昇温したのち恒温状態で３時間保持し、その後空冷した。

上記実験例及び参考例にあっては、円環状鋼材１４の外周部、幅中央部、内周部から引張試験片およびシャルピー衝撃試験片をそれぞれ切り出し、試験を実施した。

参考例１の熱処理を行っていない円環状鋼材１４は外周部と内周部の塑性化が著しいため、試験結果にバラツキも大きく、特に降伏比が大きい、シャルピー吸収エネルギーが小さいなど、建築構造用鋼材として使用するには不適当な品質特性である。

参考例２は、熱処理を行っていない参考例１より幾分かは機械的性質の改善は認められ、内部応力除去はできてはいるが、衝撃性能が低く、降伏比が８０％を超えており、建築構造用鋼材として使用するためには参考例１の熱処理を行っていないものと同様に不適当な品質特性である。

実験例１〜４の試験結果では、実験例１において、試験体毎に降伏点に若干のバラツキはあったが、それ以外の実験例において、試験体毎に降伏点のバラツキはなく、シャルピー吸収エネルギーも大きいため、建築構造用鋼材として用いるに適した品質特性を有していることを確認することができた。

実験例３，４の試験結果では、円環状鋼材１４が９００℃で熱処理されており、この温度より低い温度で熱処理したときと比較して、断面性能がやや劣る結果となっているが、使用状況によって実用に耐えうる。

本発明は、前述した実施形態に限定されないことは言うまでもない。本発明は、一本の帯状鋼材を曲げ加工して、図３（ｄ）に示す円弧状鋼材１３を一個ずつ成形するような場合にも適用可能である。

また、本発明に適用されるリング状鋼材１の外形寸法は、前述した実施形態に限定されない。

Ｃ形の円弧状鋼材１３に、前述した実験例の熱処理を行って、その後溶接して円環状鋼材１４を成形しても、所期の目的を達成することができる。

１,２０…リング鋼材、１０…帯状鋼材、１１…ドラム、１２…螺旋状鋼材、１３…円弧状鋼材、１３ａ…円弧状鋼材の両端面、１４…円環状鋼材。

Claims (5)

1. 断面形状が、高さ＞下辺長さ＞上底長さの関係を満たす略台形であり、上底長さ／下底長さの値が８０％〜９５％である帯状の鋼材（Ｃ≦０．２０％、Ｓｉ≦０．５５％、Ｍｎ≦１．６０％、Ｐ≦０．０３５％、Ｓ≦０．０３５％以下の化学成分である炭素鋼で、機械的性質が降伏点≧３２０Ｍｐａ、４９０Ｍｐａ≦引張強さ≦６１０Ｍｐａ、降伏比≦８０％、破断伸び≧１７％）を、前記上底側を前記鋼材の内周側とし、前記下底側を前記鋼材の外周側として冷間曲げ加工してＣ形で円弧状の鋼材となし、この両端面を突き合わせて溶接することで、（外径−内径）／（外径＋内径）の値が６％以上２５％以下であり、外周の伸び率及び内周の縮み率が６％以上２５％以下である閉鎖断面をなす円環状の鋼材とした後、７４０℃〜９００℃の熱処理を行って、成形品の機械的性質を降伏点≧３２０Ｍｐａ、４９０Ｍｐａ≦引張強さ≦６１０Ｍｐａ、降伏比≦８０％、伸び≧１７％にしたことを特徴とする、鉄骨梁の貫通孔を補強するための建築構造用リング鋼材の製造方法。
2. 断面形状が、高さ＞下辺長さ＞上底長さの関係を満たす略台形であり、上底長さ／下底長さの値が８０％〜９５％である帯状の鋼材（Ｃ≦０．２０％、Ｓｉ≦０．５５％、Ｍｎ≦１．６０％、Ｐ≦０．０３５％、Ｓ≦０．０３５％以下の化学成分である炭素鋼で、機械的性質が降伏点≧３２０Ｍｐａ、４９０Ｍｐａ≦引張強さ≦６１０Ｍｐａ、降伏比≦８０％、破断伸び≧１７％）を、前記上底側を前記鋼材の内周側とし、前記下底側を前記鋼材の外周側として冷間曲げ加工してＣ形で円弧状の鋼材となし、７４０℃〜９００℃の熱処理を行った後、両端面を突き合わせて溶接することで、（外径−内径）／（外径＋内径）の値が６％以上２５％以下であり、外周の伸び率及び内周の縮み率が６％以上２５％以下である閉鎖断面をなす円環状の鋼材とし、成形品の機械的性質を降伏点≧３２０Ｍｐａ、４９０Ｍｐａ≦引張強さ≦６１０Ｍｐａ、降伏比≦８０％、伸び≧１７％にしたことを特徴とする、鉄骨梁の貫通孔を補強するための建築構造用リング鋼材の製造方法。
3. 前記熱処理が、７４０℃〜７８０℃であることを特徴とする請求項１又は２記載の建築構造用リング鋼材の製造方法。
4. 前記帯状の鋼材は、螺旋状に巻かれた後、外周と内周との間を切断させて、複数の前記円弧状の鋼材に成形されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の建築構造用リング鋼材の製造方法。
5. 前記突き合わせ溶接は、フラッシュバット溶接であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の建築構造用リング鋼材の製造方法。

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