JPH05331968A - 角形鋼コラムとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極厚大口径で高負荷構造材としての信頼性に
優れた角形鋼コラムを、容易に、高い寸法精度、低コス
トで製造する方法を提供する。 【構成】 厚さ１６ｍｍ以上の鋼板４を温度５００℃以
上の温度において雄型２と雌型１の間で挟圧して、曲が
り部の外側半径が鋼板厚さの４倍以下となる断面コ字状
に熱間成形し、この成形鋼材４０の一対を対向する両側
縁で溶接して角筒状とする角型鋼コラム６の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高層ビル用鉄骨柱等の
高負荷構造材として有用な角形鋼コラムとその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】近年、超高層ビル等の背が高く
且つ大型の建造物が増加しており、これに伴って鉄骨柱
等の構造材に使用される角形鋼コラムとして、高負荷に
耐える極厚大口径のものが必要になっている。従来、ビ
ル用鉄骨柱等に使用される角形鋼コラムとしては、図１
１の如き板張り工法により４枚の鋼板１１ａ，１１ａ、
１１ｂ，１１ｂを溶接した四面ボックスコラム１１、図
１２の如き冷間成形加工で得られる一対の断面コ字状の
鋼材１２ａ，１２ａを対向する両側縁で溶接したツーシ
ーム型冷間コラム１２、図１３の如き一枚の鋼板を複数
次の冷間成形加工で角形に曲成して突き合わせ側縁で溶
接したワンシーム型冷間コラム１３が知られる。

【０００３】しかるに、上記のツーシーム型やワンシー
ム型の冷間コラム１２，１３は、加工時の残留応力によ
り曲げ部位の靱性が低下すること等から極厚大口径に設
定できず、一般に肉厚３２ｍｍ以下で７００ｍｍ角以下
のものに限られ、しかも肉厚になるほど曲がり部の曲率
半径を小さく設定できないという問題があり、高層ビル
用構造材として利用できなかった。従って、高層及び超
高層ビルの鉄骨柱等の高負荷構造材には、専ら厚み及び
口径の制約が少なく極厚大口径に設定できる四面ボック
スコラム１１が使用されている。しかしながら、この四
面ボックスコラム１１は、４枚の鋼板１１ａ…を溶接す
ることから溶接線長が非常に長くなり、それだけ製造に
手間がかかり高コストに付き、また溶接部が多いために
強度面で信頼性に劣ると共に高い寸法精度に設定しにく
いという難点があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の状況に
鑑み、高負荷構造材としての信頼性に優れ、特に極厚大
口径で曲がり部の曲率半径が小さくとも充分な実用的強
度特性を保持し得る角形鋼コラムと、これを容易に高い
寸法精度で且つ低コストで製造する方法を提供すること
を目的としている。

【０００５】上記目的を達成するために、請求項１に係
る発明は、１６ｍｍ以上の肉厚を有する断面コ字状の一
対の熱間成形鋼材が対向する両側縁で溶接されてなる角
形鋼コラムを要旨としている。

【０００６】同様目的において、請求項２に係る発明
は、上記請求項１の熱間成形鋼材の断面コ字状を構成す
る２ヵ所の曲がり部の外面側が、肉厚の４倍以下のアー
ル半径である角形鋼コラムを要旨としている。

【０００７】また請求項３に係る発明は、厚さ１６ｍｍ
以上の鋼板を５００℃以上の温度において雄型と雌型の
間で挟圧して、曲がり部の外側アール半径が鋼板厚さの
４倍以下となる断面コ字状に熱間成形し、この成形鋼材
の一対を対向する両側縁で溶接して角筒状とする角型鋼
コラムの製造方法を要旨としている。

【０００８】請求項４に係る発明は、上記請求項３の角
型鋼コラムの製造方法において、溝形をなす雌型の開口
両側縁部に、成形用鋼板の表面に転接するガイドロール
が配置されてなる構成を採用したものである。

【０００９】請求項５に係る発明は、上記請求項３又は
４の角型鋼コラムの製造方法において、成形鋼材の曲げ
部に対応する雌型のコーナー部が、成形の最終段階で該
成形鋼材の表面との間に余剰空間を生じる形状である構
成を採用したものである。

【００１０】

【発明の細部構成と作用】本発明の角形鋼コラムは、断
面コ字状の一対の熱間成形鋼材が対向両側縁で溶接され
てなる肉厚１６ｍｍ以上のものであり、熱間成形品であ
るために残留応力が極めて少なく、曲げ部位の靱性が高
く機械的特性に優れ、高層及び超高層ビルの鉄骨柱等の
高負荷構造材として非常に高い信頼性を具備する。

【００１１】ここで、上記の肉厚が１６ｍｍ未満（規格
上は１４ｍｍ以下となる）の場合は、冷間成形鋼材を用
いた鋼コラムでも実用的に支障がないため、本発明のよ
うに熱間成形鋼材を用いる利点に乏しく熱間成形に要す
るエネルギーコスト面より却って不経済である。しかる
に、上記の肉厚が１６ｍｍである場合は、熱間成形鋼材
を用いることにより、シャルピー吸収エネルギーで表さ
れる耐衝撃性等の機械的特性が冷間成形鋼材を用いたも
のに比較して飛躍的に向上することが判明している。従
って、従来の冷間成形鋼材を用いた角形鋼コラムの使用
可能な肉厚範囲つまり３２ｍｍ以下の肉厚範囲でも、本
発明品は、強度面で格段に高い信頼性を具備することか
ら充分な有用性がある。

【００１２】なお、本発明の角形鋼コラムは、通常、口
径が３００〜１８００ｍｍ程度、長さが４〜１２ｍ程度
に設定されるが、特に肉厚３０ｍｍ以上で口径６００ｍ
ｍ角以上の極厚大口径のものとして非常に有用である。

【００１３】一方、角形鋼コラムは、高層ビルや超高層
ビル等を始めとする大型建造物の柱や梁等に利用する上
で、角部の曲率半径ができるだけ小さいことが望まし
い。しかるに、従来の冷間成形鋼材を用いた肉厚１６ｍ
ｍ以上（ただし、実用上は既述のように３２ｍｍ以下）
の角形鋼コラムでは、曲がり部の曲率が大きいほど加工
時の残留応力により曲げ部位の靱性が低下することか
ら、比較的良好な耐衝撃性を備えた実用製品として採用
できるのは曲がり部の外側アール半径が一般に肉厚の５
倍（５ｔＲ）以上のものに限られ、このために使用部位
等に大きな制約を受け、構築物の設計上から使用できな
い場合がある。この点、本発明の角形鋼コラムでは、肉
厚３２ｍｍを遙かに越える超厚のものでも、曲がり部の
外側アール半径が肉厚の４倍（４ｔＲ）以下といった小
さな曲率半径に設定して、充分な耐衝撃性が得られるか
ら、従来の四面ボックスコラムとほぼ同等の汎用性を確
保できる。

【００１４】このような角形鋼コラムに用いる断面コ字
状の熱間成形鋼材を製作するには、厚さ１６ｍｍ以上の
鋼板を、５００℃以上の温度において雄型と雌型の間で
挟圧して断面コ字状に熱間成形すればよい。このとき、
鋼板の温度が５００℃より低い場合は曲げ部位の残留応
力が大きくなり高負荷構造材としての信頼性が低下す
る。なお、この信頼性より最適な加工時の鋼板温度は７
００〜９００℃程度である。また構造材としての有用性
の面から、この熱間成形による曲げ部の外側アール半径
は肉厚の４倍以下に設定するのがよい。

【００１５】しかして、鋼板の温度を上記のように設定
するには、成形型自体に加熱機構を付設してもよいが、
その場合には成形装置構成が複雑となり、設備コストが
非常に高くつくため、好適には、予め加熱炉中で該鋼板
を加熱し、この加熱後の鋼板が５００℃以上の温度を保
持する状態で成形する手段を採用するのがよい。この加
熱炉中での加熱温度は、炉中からの取出しより成形開始
までの経過時間と母材鋼板の厚みによって異なるが、一
般的には８５０〜９００℃程度である。

【００１６】熱間成形に用いる成形型としては、特に限
定されないが、雌型を溝形、雄型を該溝形に遊嵌する筒
枠状とし、下位に配置する一方の型上に鋼板を配置し、
その上方から他方の型を圧接して徐々に鋼板を湾曲さ
せ、最終的に雌型と雄型の間で該鋼板を挟圧して内面側
が雄型の外形に沿う断面コ字状に曲成する方式のものが
好適である。しかして、この場合に雌型の開口両側縁部
に鋼板の表面に転接するロールを配置すれば、鋼板の外
面側が雌型の開口縁に擦過させることなく上記湾曲が進
行するため、鋼板外面側の損傷が回避される。

【００１７】また、この成形過程では、雄型が雌型内に
ある程度まで嵌入すると、鋼板はＵ字状の断面形状とな
って両側部が雄型の側面にほぼ密接する状態になるが、
幅方向中間部は略円弧状をなして雄型に接しておらず、
次いで該中間部の外面側が雌型の底面に接した段階から
上記の円弧状が偏平化されてゆき、最終的に該中間部が
内外両面で雄型と雌型の対向面に密着して平板状とな
る。従って、上記の中間部は円弧状から平板状に変化す
る過程で幅方向長さが短縮することになるから、雌型が
雄型の外面形状に対応した内面形状である場合、成形品
の底部つまり上記中間部が厚肉になる一方、曲げ部が引
き伸ばされて薄肉になり、この加工により曲げ部の靱性
低下ひいては角形鋼コラムとしての強度低下をきたす。

【００１８】しかるに、鋼材の曲げ部に対応する雌型の
コーナー部を、成形の最終段階で該鋼材表面との間に余
剰空間を生じる形状に設定すれば、上記の中間部が円弧
状から平板状に変化する過程で、その長さ短縮に伴う両
側の余り部分が該コーナー部側へ移動し、もって成形品
の曲げ部の薄肉化が回避される。

【００１９】

【実施例】次に、本発明に係る角型鋼コラムの製造方法
の一実施例に付き、図１〜図４を参照して説明する。図
１において、１は雌形であり、底板１ａ上に左右一対の
側板１ｂ、１ｂが垂直状態に溶接固着されて上向きに開
放した溝形をなし、両側板１ｂ、１ｂの外側に多数枚の
幅方向に沿う縦形補強板１ｃが型長手方向の所定間隔置
きに溶接固着されている。２は雌型１の上方に配置して
昇降駆動する雄型であり、下板部２ａ及び上板部２ｂと
左右側板部２ｃ，２ｃとで略角筒状に構成され、内側に
は複数枚の幅方向に沿う補強板２ｄが所定間隔置きに配
置され、下部両側のコーナー部２０がアール状をなして
いる。３はガイドロールであり、雌型１の両側板１ｂ、
１ｂの頂部に構成された各段部１０に、その周面上側が
雌型１よりも高く、且つ周面内側が側板１ｂの表面と略
同位置となる状態で遊転自在に配置されている。

【００２０】成形を行うには、厚さ１６ｍｍ以上の鋼板
４を予め加熱炉（図示省略）中で加熱し、この加熱後の
鋼板４を図１の如く雌型１上に位置決めして載置する。
このとき、鋼板４は両側のガイドロール３，３にて支承
されている。しかして、鋼板４が５００℃以上の温度を
保持する状態で雄型２を下降させて圧接し、更に雄型２
の下降を続行する。これにより、鋼板４は、両ガイドロ
ール３，３に転接しつつ、図１の仮想線に示すように次
第に湾曲度を深めるように変形してゆき、更に図２に示
すように、幅方向の中間部４ａが円弧状をなして両側部
４ｂ，４ｂを雄型２の側面にほぼ密接させた断面Ｕ字状
の形態で、雄型２と共に雌型１内に持ち込まれる。そし
て、中間部４ａの外面側が雌型１の内底面に接した段階
から、雄型２の下降に伴って該中間部４ａが円弧状から
偏平に変化してゆき、最終的に該中間部４ａの両面が両
型１，２の表面に密接して成形が終了し、鋼板４は断面
コ字状の成形鋼材４０（図４参照）となる。

【００２１】なお、上記の中間部４ａが円弧状から偏平
に変化する過程ではその幅方向長さが短縮するが、雄型
２の下部両側のコーナー部２０がアール状であるのに対
し、これに対向する雌型２のコーナー部が直角であるた
め、図３の如く余剰空間５ができ、上記形状変化に伴っ
て中間部４ａの両側が図３の矢印ｙの如くコーナー側へ
移動し、もって曲げ部４ｃの引き伸ばしによる薄肉化が
回避される。

【００２２】かくして成形した断面コ字状の成形鋼材４
０は、雄型２を上方へ離脱させた上で雌型１から取り外
す。なお、言うまでもなく雌型１の両内側面と雄型２の
両外側面は共に型抜きのために僅かに上拡がりに傾斜し
ており、従って成形直後の成形鋼材４０の両側部４ｂ，
４ｂも上拡がりに若干傾斜しているが、冷却によって両
側部４ｂ，４ｂは垂直になる。また、成形鋼材４０が非
常に大重量であるため、雌型１から離脱を容易にする目
的で、予め鋼板４の端面に鉤形や把手形等の係止片を溶
接しておき、成形後に該係止片にワイヤー掛けして吊り
上げるようにしてもよい。

【００２３】かくして、雌型１から取り出した成形鋼材
４０は、図４に示すように、その２本を突き合わせた状
態で対向する両縁部を内外から溶接７することにより、
極厚大口径の角形鋼コラム６となる。

【００２４】次に、母材の鋼板４として共に汎用性の高
いＪＩＳ Ｇ ３１０６ ＳＭ４９０Ｂ鋼種である住友
金属工業（株）鹿島製鉄所製の５０ｍｍ鋼板（幅１４３
０ｍｍ，長さ４．２００ｍｍ）及び８０ｍｍ鋼板（幅１
３８０ｍｍ，長さ４２００ｍｍ ）を使用し、上記方法
において雄型２の下部両側のコーナー部２０を半径１０
０ｍｍのアールに設定し、鋼板温度７００℃にて熱間成
形し、得られた成形鋼板４０の２本を前記同様に溶接す
ることにより、肉厚５０ｍｍ，８００ｍｍ角の角形鋼コ
ラムと、肉厚８０ｍｍ，８００ｍｍ角の角形鋼コラムを
製造した。

【００２５】これらの角形鋼コラムについて、各種の寸
法精度を測定すると共に、成形鋼材４０の状態における
底部（中間部４ａ…図４のＢ位置），Ｒ中心部（曲げ部
４ｃ…図４のＲＯ位置），Ｒ止まり部（曲げ部４ｃと中
間部４ａとの境界部…図４のＲＳ位置）の板厚を測定し
た。その結果を、寸法精度については寸法許容値（ボッ
クスコラム規格の値）と共に表１に示し、板厚について
は母材の対応位置の板厚とこれに対比した板厚減少と共
に表２に示す。なお、表１中の「辺の長さ」項のＡ辺は
非溶接側（図４の中間部４ａ）、Ｂ辺は溶接側である。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】上記の表１及び表２より、本発明の方法に
よって製造される極厚大口径の角形鋼コラムは、寸法精
度が高く、且つ成形による各部の板厚減少（変動）が極
めて少ないことが判る。

【００２９】次に、前記の肉厚５０ｍｍ及び８０ｍｍの
角形鋼コラムについて、成形鋼材４０の底部、Ｒ中心
部、Ｒ止まり部の各部位より、Ｌ方向（長手方向）及び
Ｃ方向（横断方向）に沿う試験片（ＪＩＳ ６号及びＪ
ＩＳ １Ｂ号の規定形状）を表面部と１／２ｔ（厚み）
位置と全厚の各３点ずつ採取し、降伏点、引張強さ、伸
び、絞り（幅絞り）の性能試験を行った。その結果を母
材の測定値及び材料規格値（ＪＩＳ Ｇ ３１０６ Ｓ
Ｍ４９０Ｂ値）と共に図５〜図８に示す。

【００３０】また、上記の両角形鋼コラムについて、同
じく前記成形鋼材４０の底部、Ｒ中心部、Ｒ止まり部の
各部位より、Ｌ方向，Ｃ方向，Ｚ方向（厚み方向）に沿
う試験片（ＪＩＳ ４号…２Ｖ，１０×１０×５５）を
表面部と１／２ｔ位置と裏面部の各３点ずつ採取し、シ
ャルピー吸収エネルギー（０℃…衝撃試験）を測定し
た。その結果を母材の測定値と共に図９及び図１０に示
す。

【００３１】図５〜図８より、本発明の方法によって製
造される極厚大口径の角形鋼コラムは、底部、Ｒ中心
部、Ｒ止まり部の全ての部位において各方向及び各厚み
方向位置共に各種機械的特性が材料規格値を充分に上回
り、極めて高性能であることが明らかである。また図９
及び図１０より、耐衝撃性に関しても各部位の各方向及
び各厚み方向位置の殆どで母材時の性能を充分に維持し
ていることが判る。

【００３２】一方、前記の５０ｍｍ鋼板を母材とし、図
１及び図２に示す成形装置における雄型２の下部両側の
コーナー部２０のアール半径が異なるものを使用し、室
温での冷間成形により、それぞれ曲がり部の外側アール
半径Ｒを１５０ｍｍ（肉厚ｔの３倍…３ｔＲ）、２００
ｍｍ（同４倍…４ｔＲ）、２５０ｍｍ（同５倍…５ｔ
Ｒ）に設定した断面コ字状の成形鋼材を製作し、その各
２本を用いて前記同様に溶接して角形鋼コラムを製造し
た。そして、これら鋼コラムのＲ中心部より、Ｌ方向に
沿う試験片（前記同様）を表面部と１／２ｔ位置と裏面
部の各３点ずつ採取し、シャルピー吸収エネルギー（０
℃…衝撃試験）を測定した。その結果を図９の左欄（Ｌ
方向の特性）に、各外側アール半径Ｒの符号（３ｔＲ〜
４ｔＲ）を付けて示す。

【００３３】この図より、冷間成形による成形鋼材を用
いた角形鋼コラムは、曲がり部の外側アール半径Ｒを肉
厚ｔの３倍としたものでは該曲がり部の耐衝撃性が材料
規格値を大きく下回るために全く実用に供し得ず、同４
倍としたものでも材料規格値の限界に近く実用性がある
とは言えず、同５倍としたものでは漸く材料規格値を越
えるが、母材の特性を遙かに下回っており、実用製品と
しては信頼性が不充分であることが判る。これに対し、
熱間成形による成形鋼材を用いた角形鋼コラムでは、曲
がり部の外側アール半径Ｒが肉厚ｔの３倍と小さいもの
でも、該曲がり部の耐衝撃性は母材の特性を維持してお
り、極めて高い実用性を具備することが判る。

【００３４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、高層及び超高
層ビルの鉄骨柱等の高負荷構造材としての信頼性に優れ
た製造容易な角形鋼コラム、特に極厚大口径の角形鋼コ
ラムを提供できる。

【００３５】請求項２の発明によれば、特に曲げコーナ
ー部の曲率が小さく汎用性の高い極厚の角形鋼コラムと
して、該曲げコーナー部の耐衝撃性が大きく充分な機械
的強度を備えるものを提供できる。

【００３６】請求項３の発明によれば、高負荷構造材に
適する極厚大口径の角形鋼コラムとして、成形後の残留
応力が小さく曲げ部位の靱性に優れ、高い機械的特性及
び寸法精度を具備するものを容易に且つ確実に製造でき
る。

【００３７】請求項４の発明によれば、特に熱間成形時
に鋼材外面側に傷を生じにくく、且つ成形性が著しく向
上するという利点がある。

【００３８】請求項５の発明によれば、特に熱間成形時
の曲げ部位の薄肉化を防止でき、機械的特性が極めて高
く、より信頼性に優れる極厚大口径の角形鋼コラムを製
造できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る角形鋼コラムの製造
方法の熱間成形工程の初期段階を示す縦断側面図。

【図２】 同熱間成形工程の後期段階を示す縦断側面
図。

【図３】 同熱間成形工程の最終段階を拡大して示す縦
断側面図。

【図４】 同実施例により製造した角形鋼コラムの横断
面図。

【図５】 同実施例により製造した肉厚５０ｍｍの角形
鋼コラムの降伏点及び引張強さの特性図。

【図６】 同実施例により製造した肉厚５０ｍｍの角形
鋼コラムの伸び及び絞りの特性図。

【図７】 同実施例により製造した肉厚８０ｍｍの角形
鋼コラムの降伏点及び引張強さの特性図。

【図８】 同実施例により製造した肉厚８０ｍｍの角形
鋼コラムの伸び及び絞りの特性図。

【図９】 同実施例により製造した肉厚５０ｍｍの角形
鋼コラムのシャルピー吸収エネルギー特性図。

【図１０】 同実施例により製造した肉厚８０ｍｍの角
形鋼コラムのシャルピー吸収エネルギー特性図。

【図１１】 従来の四面ボックスコラムの横断面図。

【図１２】 従来のワンシーム型冷間コラムの横断面
図。

【図１３】 従来のツーシーム型冷間コラムの横断面
図。

【符号の説明】

１ 雌型 ２ 雄型 ３ ガイドロール ４ 鋼板 ４ａ 中間部 ４ｂ 側部（側片） ４ｃ 曲げ部 ５ 余剰空間 ６ 角形成形コラム ７ 溶接 ４０ 成形鋼材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １６ｍｍ以上の肉厚を有する断面コ字状
   の一対の熱間成形鋼材が対向する両側縁で溶接されてな
   る角形鋼コラム。
2. 【請求項２】 熱間成形鋼材の断面コ字状を構成する２
   ヵ所の曲がり部の外面側が、肉厚の４倍以下のアール半
   径である請求項１記載の角形鋼コラム。
3. 【請求項３】 厚さ１６ｍｍ以上の鋼板を５００℃以上
   の温度において雄型と雌型の間で挟圧して、曲がり部の
   外側アール半径が鋼板厚さの４倍以下となる断面コ字状
   に熱間成形し、この成形鋼材の一対を対向する両側縁で
   溶接して角筒状とする角型鋼コラムの製造方法。
4. 【請求項４】 溝形をなす雌型の開口両側縁部に、成形
   用鋼板の表面に転接するガイドロールが配置されてなる
   請求項３記載の角型鋼コラムの製造方法。
5. 【請求項５】 成形鋼材の曲がり部に対応する雌型のコ
   ーナー部が、成形の最終段階で該成形鋼材の表面との間
   に余剰空間を生じる形状である請求項３又は４に記載の
   角型鋼コラムの製造方法。