JPH10331324A - 耐座屈特性に優れた鋼部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】大地震の際に作用する大きな圧縮または曲げ荷
重に対して、幅厚比が大きい場合や補剛材がなくとも局
部座屈を起こしにくく、鉄骨建築物の柱や梁、または橋
脚等への使用に適した、耐震性能に優れた鋼部材を提供
する。 【解決手段】引張試験により得られる公称応力−公称歪
曲線において、加工硬化開始点の歪量が１．５％以下
で、かつ加工硬化指数が０．１５以上であることを特徴
とする、耐座屈特性に優れた鋼部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は土木建築分野におけ
る各種鋼構造物（建造物，橋など）に利用される鋼部材
（柱，梁，橋脚など）に係り、特に地震時の耐座屈特性
に優れた鋼部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄骨建築物の柱、梁や橋脚等では箱型断
面やＨ型断面の鋼部材が多く用いられているが、これら
の部材は熱間圧延鋼材を素材として、溶接または冷間成
形によって製造されているものが多い。これらの鋼部材
に使用される鋼材には、地震時のエネルギー吸収の観点
から優れた塑性変形能を有することが要求されており、
特開昭５５−１１９１５２号公報、特開昭６３−２２３
１２３号公報、特開平１−１１５６４２２号公報、特開
平３−１１５５２４号公報等では、降伏比を低下させる
ことにより一様延び特性を向上させた鋼材が提案されて
いる。またＪＩＳ・Ｇ３１３６の建築構造用圧延鋼材に
おいても降伏比を８０％以下とすることが規定されてい
るように、耐震性向上に関する鋼材面からの対応として
は、低降伏比による塑性変形能の向上が中心となってい
る。

【０００３】また、大規模な地震ではこれらの部材に大
きな引張圧縮または曲げの繰返し荷重が加わり局部座屈
を起こす場合があり、また座屈した場所から亀裂が発生
し座屈後の引張変形により脆性破壊を生じ建築物の崩壊
など大きな被害がもたらされることもある。このような
局部座屈に対しても、鋼材の低降伏比化が有効であるこ
とは、豊田、他著「鉄骨溶接構造体の変形能に及ぼす鋼
材変形特性の影響」溶接学会論文集，ｖｏｌ．８，Ｎ
ｏ．１，ｐ１１２（１９９０）に示されている。

【０００４】ところで近年、建築物や橋梁等の鋼構造物
が大型化するにつれ、大規模な地震においても十分な耐
震性能を有することが要求されているが、低降伏比鋼材
の使用だけでは十分な耐震性能を確保することは難しく
なっている。そのため、鉄骨建築物の柱や橋梁、または
橋脚等に使用される鋼部材は、より厚肉の鋼材を使用し
その断面の幅圧比を小さくしたり、また補剛板によって
補強する等の方法によって座屈を生じにくくし、保有耐
力を高めている。

【０００５】しかしながら、幅厚比の低下や補剛板の使
用はコスト上昇をまねくだけでなく、設計の自由度を阻
害する原因となっており、幅厚比が大きな場合でも優れ
た座屈性能を有する鋼部材が望まれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情に
鑑みてなされたものであって、大地震の際に作用する大
きな圧縮または曲げ荷重に対して、幅厚比が大きい場合
や補剛材がなくとも局部座屈を起こしにくく、鉄骨建築
物の柱や梁、または橋脚等への使用に適した、耐震性能
に優れた鋼部材を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは箱型断面ま
たはＨ型断面の鋼部材の座屈特性について鋭意研究を重
ねた結果、鋼部材の座屈特性はそれに使用される鋼材の
引張試験で得られる応力−歪曲線と密接な関係があり、
鋼材が降伏した場合、加工硬化を開始する歪みを小さく
し、かつ加工硬化指数を一定値以上に高めることによ
り、耐座屈性能が大きく向上することを見いだした。

【０００８】すなわち、本発明は上記知見をもとになさ
れたものであってその要旨は、引張試験により得られる
公称応力−公称歪曲線において、加工硬化開始点の歪量
が１．５％以下で、かつ加工硬化指数が０．１５以上で
あることを特徴とする鋼を用いた耐座屈特性に優れた鋼
部材である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明における各構成要件
の限定理由を説明する。まず、本発明においては引張試
験において公称応力−公称歪曲線を得る。その試験方法
は特に限定されないが、ＪＩＳ・Ｚ２２４１に規定され
た金属材料引張試験方法にもどづいて試験を行い、その
ときの試験片の採取方向は、使用される部材に作用する
圧縮または引張応力の方向と等しくなる方向から採取す
ることが望ましい。

【００１０】次ぎに、上記引張試験で得られた公称応力
−公称歪曲線において、加工硬化開始歪を１．５％以下
とするが、これは、加工硬化開始歪が１．５％を超える
と、降伏棚領域が長くなるために鋼部材の変形が不均一
となり、変形が局在化し、局部座屈を生じやすくなるた
めである。そして、加工硬化指数を０．１５以上とする
が、加工硬化指数が０．１５未満では、変形が局在化し
てしまい、局部座屈を生じやすくなるためである。

【００１１】なお、加工硬化開始歪は図１の公称応力−
公称歪曲線の模式図のε０に相当する歪とし、また、加
工硬化指数（ｎ値）は公称応力が最大となる公称歪εｕ
から、ｎ＝ｌｎ（１＋εｕ）で計算される値とする。

【００１２】また、本発明の鋼部材に使用する鋼材は化
学成分や製造方法については特に限定されないが、化学
成分としては、重量比％で、Ｃ：０．０３〜０．２５
％、Ｍｎ：０．５〜２．０％を含有し、さらに必要に応
じて、Ｓｉ：０．０１〜１．０％、Ｃｕ：０．０５〜
０．５０％、Ｎｉ：０．０５〜０．５％、Ｃｒ：０．０
５〜０．５％、Ｍｏ：０．０５〜０．５０％、Ｎｂ：
０．００５〜０．１０％、Ｖ：０．００５〜０．１％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１０％、の１種または２種以上
を含有することが望ましい。このような成分範囲の鋼が
望ましいのは以下の理由による。

【００１３】Ｃ：０．０３〜０．２５％ Ｃは鋼部材の強度を確保するために必要な元素である
が、０．０３％未満では強度が不足し、０．２５％を越
えて添加すると溶接性を損ねるので、その含有量は０．
０３〜０．２５％とする。

【００１４】Ｍｎ：０．５〜２．０％ Ｍｎは鋼部材の強度を高めるために添加されるが、０．
５％未満では強度が不足し、２．０％を越えて添加する
と母材と溶接部の靭性の劣化および溶接製の劣化を招く
ので、その含有量は０．５〜２．０％とする。

【００１５】Ｓｉ：０．０１〜１．０％ Ｓｉは鋼部材の強度を高めるとともに製鋼過程における
脱酸剤として必要であるが、０．０１％未満ではその効
果が不十分であり、１．０％を越えて添加すると溶接部
の靭性を劣化させるので、その含有量を０．０１〜１．
０％とする。

【００１６】Ｃｕ：０．０５〜０．５０％ Ｎｉ：０．０５〜０．５％ Ｃｒ：０．０５〜０．５％ Ｍｏ：０．０５〜０．５％ Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは強度の上昇に有効であるが、
それぞれ０．０５％未満ではその効果が発揮されず、
０．５％を超えると溶接性の劣化を招くため、その含有
量は０．０５〜０．５％とする。

【００１７】Ｎｂ：０．００５〜０．１％ Ｖ：０．００５〜０．１％ Ｔｉ：０．００５〜０．１％ Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉは靭性及び強度の向上に有効な元素であ
るが、その含有量が０．００５％未満ではその効果を有
効に発揮することができず、０．１％を超えると溶接部
の靭性を劣化させるので、その含有量は０．００５〜
０．１％とする。

【００１８】また、その他に不純物元素として含有させ
る、Ｐ、Ｓ、また、脱酸剤として添加されるＡｌ等を含
有してもよく、これらの元素により本発明鋼の耐座屈性
能が損なわれるものではない。

【００１９】また、このような組成の鋼に対して、熱間
圧延時の圧延条件を制御したり、または圧延後熱処理を
加えることにより、本発明で規定する性能を付与するこ
とができるが、熱間圧延後、Ａｒ₃ 変態温度以下、Ａｒ
₁ 変態温度以上のフェライト＋オ−ステライト二相温度
域から加速冷却したり、圧延後再加熱して、二相温度域
から急冷する方法等がある。なお、本発明の鋼部材は、
形状、構造、あるいはその製造方法により限定されるも
のではない。

【００２０】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
表１に示した成分の鋼を熱間圧延により板厚１２ｍｍの
鋼板とした。そして、これらの鋼板の圧延方向と平行な
方向から引張試験片を採取し、引張試験により公称応力
−公称歪曲線を測定し、加工硬化開始歪及び加工硬化指
数を求めた。鋼板の製造条件及び引張試験の結果を表２
に示す。

【００２１】次いで、溶接により種々のサイズのＨ型断
面及び角形断面の短柱圧縮試験体（図２）を製作した。
ここで、Ｈ型断面ではフランジ部（図２（ａ）の厚さｔ
の部分）に表２に示した板厚１２ｍｍの鋼板を使用し、
ウェブ（図２（ａ）の厚さｗの部分）は同一成分で同一
強度の板厚９ｍｍの鋼板を使用した。また、短柱圧縮試
験体の長手方向は鋼板の圧延方向と一致するようにし
た。そして、図３に示した方法で圧縮試験を実施し、座
屈発生により荷重低下が開始する歪を座屈歪として評価
した。圧縮試験の結果を表３に示した。

【００２２】本発明例は全て加工硬化開始歪が１．５％
以下、加工硬化指数が０．１５以上であり、座屈歪が高
く、優れた耐座屈特性を有している。これに対して、比
較例は加工硬化開始歪及び加工硬化指数のいずれか、ま
たは両方が本発明範囲を外れているため、座屈歪が小さ
く、耐座屈性が劣っている。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】以上に示したように、本発明によれば大
地震時の際に受ける大きな圧縮または曲げ荷重に対し
て、耐座屈特性に優れた鋼部材を提供することが可能で
あり、耐震性の要求される鉄骨建築物や橋梁などの鋼構
造物への利用に適しているといえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】公称応力−公称歪曲線を模式的に示した図。

【図２】圧縮試験に用いた短柱圧縮試験体の形状を示す
図で、（ａ）はＨ型断面の短柱圧縮試験体、（ｂ）は角
形断面の短柱圧縮試験体である。

【図３】圧縮試験での試験機及び試験体の設置状況を示
す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 引張試験により得られる公称応力−公称
   歪曲線において、加工硬化開始点の歪量が１．５％以下
   で、かつ加工硬化指数が０．１５以上であることを特徴
   とする鋼を用いた耐座屈特性に優れた鋼部材。