JP6696135B2

JP6696135B2 - 鋼管軸力部材

Info

Publication number: JP6696135B2
Application number: JP2015185678A
Authority: JP
Inventors: 綾那伊藤; 清水　信孝; 信孝清水; 佐藤　圭一; 圭一佐藤; 妙中　真治; 真治妙中
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2035-09-18
Also published as: JP2017057692A

Description

本発明は、鋼管軸力部材に関する。

トラス等に用いられる鋼管軸力部材として、冷間ロール成形によって製造されたものが知られている。
この冷間ロール成形によって製造された鋼管は、製造時のロール間張力に起因するバウシンガー効果によって、管軸方向の圧縮載荷時の降伏応力が、引張載荷時の降伏応力よりも低下してしまうこと、残留応力を有することによって、全体座屈耐力が低下するという問題がある。

このため、従来、ひずみ除去焼鈍を行うことで残留応力を取り除き、座屈特性を回復するという方法が実施されている。
しかし、ひずみ除去焼鈍を行うと、同時に加工硬化の影響も除去されてしまうため、鋼管軸力部材の降伏応力が小さくなってしまうという課題がある。

このため、特許文献１は、管を絞り率１．０％以上でサイジングし、造管後に１００〜２５０℃に加熱して３０秒〜３０分間保持することにより、圧壊強度を高めるという方法を開示している。
非特許文献１は、冷間成形された鋼管部材に溶融亜鉛めっき処理が施される場合、溶融亜鉛めっき処理によって、製管のままの鋼管と比べ、降伏応力が上昇することを開示している。また、非特許文献１は、降伏応力の上昇だけでなく、細長比の中程度又は大きい領域において、座屈耐力上昇効果があるということも開示している。そして、非特許文献１では、短柱圧縮試験の降伏応力の上昇効果は、残留応力の除去と、ひずみ時効促進によるものと推定している。

特開昭５９−１５３５２１号公報

鋼管の溶融亜鉛めっきによる降伏応力度上昇に関する研究（その１）引張性状および短柱圧縮性状について（1999年，C-1分冊，p.357）。

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、圧壊強度は管の周方向の機械的特性に支配されるものであり、管の軸方向の機械的特性には、着目していない。
また、非特許文献１に開示された技術では、管の軸方向の引張載荷時の材料特性のみに着目するだけであり、残留応力の影響を除去した圧縮載荷時の材料特性については、着目されていない。

本発明の目的は、冷間ロール成形によって製造された鋼管を用いた鋼管軸力部材において、降伏応力が小さくなることがなく、効率的に座屈耐力を向上させた鋼管軸力部材を提供することにある。

本発明に係る鋼管軸力部材は、低温熱処理された構造用鋼管を用いた細長比４５以下の鋼管軸力部材であって、構造用鋼管に６５０℃でひずみ除去焼鈍を行った際の圧縮載荷時の降伏応力に対して、同じ構造用鋼管に低温熱処理を行ってひずみ時効が生じた際の圧縮載荷時の降伏応力の比の値が１．１７以上であることを特徴とする。
本発明では、断面が円形又は角形の鋼管であるのが好ましい。
このような本発明によれば、座屈耐力を向上させ、トラス等に用いられる鋼管軸力部材とすることができる。
また、断面が円形又は角形の鋼管とすることにより、屋根トラス、小規模橋梁等に好適に使用することができる。

本発明の実施形態に係るトラス構造を表す側面図。熱処理温度と圧縮載荷時の降伏応力の関係を表すグラフ。熱処理温度と、ひずみ除去焼鈍した際の圧縮載荷時の降伏応力に対する熱処理した際の圧縮載荷時の降伏応力の比との関係を表すグラフ。ＦＥＭ解析で用いた解析モデルを説明するための模式図。細長比と座屈耐力の関係を表すグラフ。細長比と座屈耐力の関係を表すグラフ。

［１］トラス構造１の構成
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１には、本発明の実施形態に係るトラス構造１が示されている。
トラス構造１は、体育館や工場等の比較的大空間の屋根を構成するものであり、図示を略したが、トラス構造１の上部には、屋根材が敷設される。
このトラス構造１は、水平方向に延びる一対の主管２と、一対の主管２の間に斜めに架設される支管３とを備える。

主管２は、断面円形の鋼管から構成され、建物隔壁上に設けられた柱間に複数架設される。
鋼管軸力部材としての支管３は、主管２よりも小径の断面円形の鋼管から構成され、端部は、プレス加工等により平板状につぶされている。
主管２及び支管３は、主管２に溶接固定されたガセットプレート４に、支管３の端部平板状の部分を溶接により接合され、又は、ボルトナットを用いて接合される。
主管２及び支管３は、隣り合う支管３のなす角が所定の角度となるように接合され、構造設計上、支管３には、圧縮方向の軸力が作用するように設計されている。但し、実際には、接合時の誤差等もあるため、支管３には、曲げ荷重が作用することもある。
なお、主管２は、断面円形の鋼管によらず、角形鋼管、Ｈ形鋼であってもよい。また、支管３の端部は平板状とする場合に限らず、支管３の部材断面のままボルトにて接合してもよい。接合部は、ピン接合、剛接合等であってもよい。さらに、支管３が同一平面内にない立体トラスに鋼管軸力部材を適用してもよい。

［２］支管３を構成する鋼管軸力部材の特性
このようなトラス構造１を構成する支管３の材質としては、ＪＩＳＧ３４４４で規定される一般構造用炭素鋼鋼管ＳＴＫ４００、ＳＴＫ４９０、ＳＴＫ５００、ＳＴＫ５４０を採用することができる。
また、本実施形態では支管３として円形鋼管を用いているが、これに限られず、ＪＩＳＧ３４６６で規定される一般構造用角形鋼管ＳＴＫＲ４００、ＳＴＫＲ４９０、建築構造用冷間ロール成形角形鋼管ＢＣＲ２９５、ＵＢＣＲ３６５等も採用することができる。

本実施形態における支管３としての鋼管軸力部材は、ひずみ除去焼鈍を行った際の圧縮載荷時の降伏応力に対する低温熱処理を行った際の圧縮載荷時の降伏応力の比の値が１．１７以上である構造用低温熱処理鋼管を用いた、細長比が４５以下の鋼管軸力部材である。
支管３として用いられた構造用低温熱処理鋼管は、冷間ロール成形によって製造された後、２００℃以上、４５０℃以下の低温熱処理を行い、少なくとも低温熱処理を１０分から６０分保持することにより、ひずみ時効が生じた鋼管である。

本実施形態において、前述した特性を有する低温熱処理鋼管を採用したのは、以下の知見に基づくものである。
まず、本発明者らは、座屈耐力の支配因子となる初期不整を調査し、細長比に応じて初期不整の影響度が異なることを明らかにした。
特に、細長比が小さい範囲（細長比４５以下）では、機械的特性が座屈耐力に与える影響が大きいことから、その範囲において従来の座屈耐力強化方法であるひずみ除去焼鈍では座屈耐力の向上はみられない。
そこで、影響度の大きい機械的特性を変化させる手段として、ひずみ時効を活用し、圧縮時の降伏応力を上昇させることにより、座屈耐力を上昇させた。
以下、具体的なプロセスについて詳述する。

［2-1］ひずみ除去焼鈍を行った際の圧縮載荷時の降伏応力に対する低温熱処理を行った際の圧縮載荷時の降伏応力の比の値
まず、低温熱処理鋼管としてＳＴＫ４００円形鋼管を用い、１１段階の温度で熱処理を行い、圧縮試験を実施して、ひずみ除去焼鈍（at 650℃）を行ったＳＴＫ４００円形鋼管の円柱圧縮試験の結果と比較した。
試験体の円柱径は、板厚×０．７（ｍｍ）とし、試験体の高さは、円柱径×２（ｍｍ）とした。具体的には、板厚６（ｍｍ）のものを使用し、円柱径４．２ｍｍ、高さ８．４ｍｍのものを試験体とした。

円柱圧縮試験条件は、負荷速度をひずみ速度５．０×１０^−５（１／sec）、測定範囲は、試験体の外周面３点に貼付したひずみゲージで測定し、公称ひずみ５％となるまで行った。
試験体と試験機との接触面は焼き付き防止のため、グリースを塗布して潤滑させた。
試験結果の応力―ひずみ関係における降伏応力の定義は、降伏棚を有する試験体は下降伏点とし、明瞭な降伏棚を有さない試験体は、０．２％の塑性ひずみを生じた点とした。
ＳＴＫ４００円形鋼管の成分は表１に示される通りである。また、１１段階で行った熱処理及びその際の圧縮載荷時の降伏応力を、ひずみ除去焼鈍を行った結果とともに表２に示す。なお、表２中、焼き戻しパラメータ（ラーソンミラーパラメータ）は、下記式（１）によって計算した。Ｔは熱処理温度（Ｋ）、ｔは熱処理時間（ｈ）、Ｃは材料固有の係数であり、鋼材の場合２０とした。

次に、熱処理温度を２段階とり、保持時間を６０分として他の条件は変更せずに同様の試験を行った。結果を表３に示す。

さらに、ＳＴＫ４００円形鋼管に替えて、ＳＴＫＲ４００角形鋼管についても、同一の成分ロットで同様の試験を行った。結果を表４に示す。なお、ＳＴＫＲ４００角形鋼管の成分は、ＪＩＳ規定上、ＳＴＫ４００円形鋼管と同様である。

これらの結果に基づいて、熱処理温度を横軸にとり、圧縮載荷時の降伏応力を縦軸にとり、熱処理温度と圧縮載荷時の降伏応力の関係をプロットしたところ、図２のようになった。保持時間を１０分、６０分、ＳＴＫ４００円形鋼管、ＳＴＫＲ４００角形鋼管いずれの場合でも、特に２００℃以上、４５０℃以下の範囲で圧縮載荷時の降伏応力の上昇が顕著に見られ、最大で１５％、降伏応力が上昇することがわかった。
以上のことから、ＪＩＳＧ３４４４で規定される一般構造用炭素鋼鋼管、ＪＩＳＧ３４６６で規定される一般構造用角形鋼管のいずれも、２００℃以上、４５０℃以下の低温熱処理を行い、少なくとも１０分以上、６０分以下保持することにより、圧縮載荷時の降伏応力の向上が認められることがわかった。

本実施形態に係る低温熱処理鋼管を表すパラメータとして、ひずみ除去焼鈍における熱処理温度である６５０℃の際の圧縮載荷時の降伏応力に対する熱処理後の鋼管の圧縮載荷時の降伏応力の比の値をとることとした。各熱処理温度と、６５０℃における降伏応力の比をとると、図３のグラフのようになり、その比が１．１７以上であればよいことがわかった。
また、ひずみ除去焼鈍における熱処理温度である６５０℃の際の圧縮載荷時の降伏応力に対する低温熱処理の際の圧縮載荷時の降伏応力の比の値が１．１７以上となる焼き戻しパラメータ（ラーソンミラ―パラメータ）は９．１〜１３．９である。

［2-2］細長比
次に、本実施形態に係る低温熱処理鋼管を用いた鋼管軸力部材が、どの程度の細長比まで座屈耐力を向上させる効果を奏するのか、ＦＥＭ解析によって求めた。
解析モデルは、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示されるように、座屈長さＬの円形鋼管ＳＴＫ４００又は角形鋼管ＳＴＫＲ４００とした。円形鋼管、角形鋼管の鋼管径及び板厚を表５に示す。なお、ＦＥＭ解析は、図４（Ｂ）に示されるように、下端をピン支持とし、上端をローラー支持として解析を行った。
また、初期不整として、残留応力については、鋼管外表面及び内表面は実測値、板厚内の分布については線形補間したものを導入し、初期たわみについては、形状がｓｉｎ半波形を、最大たわみが座屈長さＬ／１０００を導入した。

細長比λは、座屈長さをＬ（ｍｍ）、断面二次半径をｉ（ｍｍ）、断面二次モーメントをＩ（ｍｍ^４）、断面積をＡ（ｍｍ^２）とすると式（２）によって求めることができる。なお、座屈長さＬは部材端部の支持条件に応じて適宜設定する。

鋼管径を変えずに、座屈長さＬを変化させて細長比の異なるものについて、前述した円柱圧縮試験の試験結果を用いて、異なる熱処理温度で熱処理した鋼管の曲げ座屈耐力と、６５０℃でひずみ除去焼鈍を行った鋼管の曲げ座屈耐力とを演算して比較した。
円形鋼管ＳＴＫ４００の場合は、３段階の熱処理温度での解析を行い、ひずみ除去焼鈍の解析結果とともに、その解析結果を表６に示す。角形鋼管ＳＴＫＲ４００の場合は、２水準の熱処理温度での解析を行い、その解析結果を表７に示す。

［３］まとめ
表６の結果において、細長比と座屈耐力との関係を、図５に示されるグラフで示した。また、表７の結果において、細長比と座屈耐力との関係を図６に示されるグラフで示した。
６５０℃でひずみ除去焼鈍を行った鋼管に対して、２００℃以上、４５０℃以下で低温熱処理を行った鋼管は、図５及び図６における黒塗りのプロットの部分で大幅に向上しており、細長比４５以下で顕著に座屈耐力が向上することが確認された。
このように２００℃以上、４５０℃以下の低温熱処理を、１０分〜６０分保持することにより、ひずみ時効による降伏応力の上昇が見られ、特に細長比４５以下の範囲で合理的に座屈耐力を向上させることができることがわかった。
また、低温熱処理の熱処理温度を４００℃前後とすることにより、圧縮載荷時の降伏応力及び座屈耐力を向上させることができることを確認することができた。

１…トラス構造、２…主管、３…支管、４…ガセットプレート

Claims

低温熱処理を行った構造用鋼管を用いた細長比４５以下の鋼管軸力部材であって、
前記構造用鋼管に６５０℃でひずみ除去焼鈍を行った際の圧縮載荷時の降伏応力に対して、前記構造用鋼管に前記低温熱処理を行ってひずみ時効が生じた際の圧縮載荷時の降伏応力の比の値が１．１７以上であることを特徴とする鋼管軸力部材。
請求項１に記載の鋼管軸力部材において、
断面が円形であることを特徴とする鋼管軸力部材。
請求項１に記載の鋼管軸力部材において、
断面が角形であることを特徴とする鋼管軸力部材。