JPWO2021039484A1 - 角形鋼管およびその製造方法並びに建築構造物 - Google Patents
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Abstract
Description
また、ロール成形角形鋼管を柱材として使用した建築構造物の耐震性能をより向上させるためにも、ロール成形角形鋼管の延性や靭性が部分的に低くなることを抑制することで、柱材としての変形性能や耐衝撃性能をより向上させることが希求されていた。
特に、角形鋼管は、地震等の外力で変形する際に角部外面に大きなひずみが生じるため、角部外面の延性および靭性を向上させることが必要であった。
具体的に、特許文献5では、鋼管を、3段または4段の角成形ロールで、かつ最終段ロールの圧下率を一定で角管成形する際、鋼管の肉厚/外径比が大きくなるにつれて、最終段のロールカリバーを小さくして(凸型から凹型にして)成形する角鋼管の成形方法の技術が開示されている。
また、特許文献6では、円筒状の素管を角管にロール成形する際、素管の外径をD、素管の肉厚をt、最大カリバー高さをHとするとき、Q=(D−H)/(D−t)×100で定義される設定押込み率Qを12〜23%の範囲に維持して素管を矩形断面形状に成形する第1段の成形工程と、矩形断面形状に成形された素管を目標形状に成形する第2段以降の成形工程を経る構造用角管の製造方法の技術が開示されている。
なお、本発明において、周断面内の硬さのばらつきが小さいとは、鋼管内でビッカース硬さの最大値と最小値の差が80HV以下であることを指す。
また、本発明において、角部外面の延性に優れるとは、角部外面からt/4の位置における均一伸びが、平板部外面からt/4の位置における均一伸びの0.80倍以上であることを指す。
また、本発明において、角部外面の靭性に優れるとは、0℃における角部のシャルピー吸収エネルギーが、70J以上であることを指す。
また、本発明において、平板部が平坦であるとは、周断面において、平板部外面の同一辺上において周方向両端の2点を通る直線に対する最大膨らみ量及び最大凹み量で表される平坦度が、2.5mm以下であることを指す(図10参照)。
また、平板部を十分に平坦にするためには、ロール成形角形鋼管の角部外側の曲率半径を平均板厚の4.0倍以下とすればよいことも見出した。
そして、角成形スタンド出側における角形鋼管の周長に対して角成形スタンド入側における電縫鋼管の周長を適切な範囲に管理することで、角部外側の曲率半径が板厚の3.0倍超4.0倍以下となる角形鋼管を製造でき、周断面内の硬さのばらつきを所望のレベルにまで小さくすると共に、角部外面の延性および靭性を良好にし、平板部を十分に平坦にすることができることを見出した。
[1]管周方向に平板部と角部とが交互に夫々複数形成されており、
管軸方向に延びる溶接部が更に形成されており、
前記溶接部における溶融凝固部の管周方向の幅が1.0μm以上1000μm以下であり、
前記角部外側の曲率半径が平均板厚tの3.0倍超4.0倍以下である角形鋼管。
[2]前記平均板厚tが平均辺長Hの0.030倍超である前記[1]に記載の角形鋼管。
[3]鋼管内でビッカース硬さの最大値と最小値の差が80HV以下である前記[1]又は[2]に記載の角形鋼管。
[4]前記平均板厚tが20mm以上40mm以下であり、
前記平板部の降伏強度が295MPa以上であり、
前記平板部の引張強度が400MPa以上であり、
前記角部の降伏比が90%以下であり、
前記角部の0℃におけるシャルピー吸収エネルギーが70J以上である前記[1]〜[3]のいずれかに記載の角形鋼管。
[5]前記角部外面からt/4の位置における均一伸びが、平板部外面からt/4の位置における均一伸びの0.80倍以上である前記[1]〜[4]のいずれかに記載の角形鋼管。
[6]鋼板をロール成形し、次いでロール成形した前記鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とした後、前記電縫鋼管をサイジングスタンドによって成形し、次いで角成形スタンドによって角成形して角形鋼管を製造する方法であって、
以下の式(1)を満たすように、前記角成形スタンドのギャップに基づいて角成形直前の前記サイジングスタンドのギャップを制御する角形鋼管の製造方法。
0.30×t/H+0.99≦CIN/COUT<0.50×t/H+0.99・・・式(1)
なお、式(1)において、
CIN:第一段目の角成形スタンド入側における電縫鋼管の周長(mm)、
COUT:最終段の角成形スタンド出側における角形鋼管の周長(mm)、
t:角成形後の平均板厚(mm)、
H:角成形後の平均辺長(mm)、
である。
(但し、1段の角成形スタンドにより前記角成形を行う場合には、前記第一段目の角成形スタンドと前記最終段の角成形スタンドとは、同一の角成形スタンドとする。)
[7]前記平均板厚tが20mm以上40mm以下である前記[6]に記載の角形鋼管の製造方法。
[8]前記[1]〜[5]のいずれかに記載の角形鋼管が、柱材として使用されている建築構造物。
t=(t1+t2+t3)/3・・・式(2)
式(2)において、t1、t2:溶接部(電縫溶接部)を含む平板部に対して角部を挟んで隣接する2つの平板部夫々の管周方向中央における板厚(mm)、t3:溶接部(電縫溶接部)を含む平板部に対向する平板部の管周方向中央における板厚(mm)である。
H=(H1+H2)/2・・・式(3)
式(3)において、H1:管軸方向垂直断面において、任意の平板部と両側の角部を含めて1辺とした略長方形の辺長(図1中の縦の辺長であり、向かい合う1対の平板部において、一方の平板部外面から他方の平板部外面までの距離とも言える。)(mm)、H2:辺長がH1である平板部に対して角部を挟んで隣接する平板部と両側の角部を含む辺の辺長(図1中の横の辺長)(mm)である。すなわち、Hは、角部を挟んで隣接する2つの平板部の管軸方向垂直断面における辺長H1、H2夫々を足して2で割ったものである。
これにより、周断面内の強度差が小さく、延性および靱性に優れた冷間ロール成形角形鋼管を製造することが可能となる。また、本発明の角形鋼管を柱材として使用した建築構造物は、従来の冷間成形角形鋼管を使用した建築構造物と比べて、より優れた耐震性能を発揮する。
図1は、本発明の角形鋼管10の管軸方向に対して垂直な断面を示す模式図である。本発明の角形鋼管10は、管周方向に平板部11と角部12とが交互に夫々複数形成されている。角形鋼管10は、図1に示すように、管周方向に角部12、平板部11、角部12、平板部11、角部12、平板部11、角部12及び平板部11が順に4つずつ形成され、管軸方向垂直断面視で長方形(略長方形)又は正方形(略正方形)となる角形鋼管とすることができる。また、本発明の角形鋼管10は、電縫鋼管から得られるロール成形角形鋼管とすることができ、平板部11に形成され、管軸方向に延びた溶接部(電縫溶接部)13も有する。
また、本発明でいう曲率半径は、平均曲率半径としてもよいし、任意の箇所での曲率半径としてもよい。但し、より優れた効果を確保するという点からは、任意の箇所での曲率半径とすることが好ましい。
上記曲率半径の測定は、平板部11と角部12の接続点(A、A’)および角部外面からなり、中心が上記L上に存在する中心角90°の扇形において、上記Lと角部外面の交点を中心とした中心角65°の範囲で行う。なお、曲率半径の測定方法は、例えば、上記の中心角65°の範囲において角部外面とよく一致するラジアルゲージから曲率半径を計測する方法などがあるが、これらの限りではない。
一方、角部外側の曲率半径が平均板厚tの4.0倍超えであると、平板部の平坦度が十分でなくなり、所望の角形鋼管ではなくなる。また、周断面積が小さくなり、十分な部材強度が得られない。
よって、本発明では、上記角部外側の曲率半径を平均板厚tの3.0倍超4.0倍以下とする。
好ましくは、上記角部外側の曲率半径は平均板厚tの3.1倍以上3.9倍以下であり、より好ましくは、3.2倍以上3.8倍以下である。
角形鋼管では、平均板厚tと平均辺長Hとの比(t/H)が大きいほど角部の加工硬化量が大きくなる。そのため、上記比(t/H)が大きな角形鋼管において、周断面内における強度差、延性および靱性の差は大きくなる傾向にある。
本発明では、上記角部外側の曲率半径を平均板厚の3.0倍超4.0倍以下とするため、t/Hが0.030超となっても、周断面内の強度差を小さくし、優れた延性および靱性が得られる。
t=(t1+t2+t3)/3・・・式(2)
式(2)において、t1、t2:溶接部(電縫溶接部)13を含む平板部11に対して角部12を挟んで隣接する2つの平板部11夫々の管周方向中央における板厚(mm)、t3:溶接部(電縫溶接部)13を含む平板部11に対向する平板部11の管周方向中央における板厚(mm)である。
H=(H1+H2)/2・・・式(3)
式(3)において、H1:図1中の縦の辺長(mm)、H2:図1中の横の辺長(mm)であり、すなわち、Hは、管軸方向垂直断面において、角部12を挟んで隣接する2つの平板部11夫々における両側の角部12を含めた辺長H1、H2を足して2で割ったものである。
上記のビッカース硬さ試験は、JIS Z 2244の規定に準拠し、試験力を98N(10kgf)として実施することができる。
上記の降伏強度、引張強度、降伏比、均一伸び(平板部:E1、角部:E2)は、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施することで得られる。シャルピー吸収エネルギーは、JIS Z 2242の規定に準拠して、Vノッチ標準試験片を用い、試験温度:0℃でシャルピー衝撃試験を実施することで得られる。
ここで、式(4)中、C、Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Vは、各元素の含有量(質量%)である。(但し、含有しない元素は0(零)%とする。)
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B・・・式(5)
ここで、式(5)中、C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Bは、各元素の含有量(質量%)である。(但し、含有しない元素は0(零)%とする。)
式(4)中のCeqは炭素当量であり、溶接部(電縫溶接部)13および熱影響部の硬さの指標となる。Ceqが0.15%未満であると建築構造物の柱材として必要な強度が得られない場合がある。また、Ceqが0.50%を超えると溶接部13および熱影響部が過度に硬化し、周断面強度のばらつきが大きくなる場合がある。よって、本発明では、Ceqが0.15%以上0.50%以下であることが好ましい。また、より好ましくは、Ceqは0.20%以上であり、さらに好ましくは、0.25%以上である。また、より好ましくは、Ceqは0.45%以下であり、さらに好ましくは、0.40%以下である。
次に、本発明の角形鋼管10の製造方法を述べる。
0.30×t/H+0.99≦CIN/COUT<0.50×t/H+0.99・・・式(1)
なお、式(1)において、
CIN:第一段目の角成形スタンド入側における電縫鋼管の周長(mm)、
COUT:最終段の角成形スタンド出側における角形鋼管の周長(mm)、
t:角成形後の平均板厚(mm)、
H:角成形後の平均辺長(mm)、である。
t=(t1+t2+t3)/3・・・式(2)
式(2)において、t1、t2:溶接部(電縫溶接部)13を含む平板部11に対して角部12を挟んで隣接する2つの平板部11夫々の管周方向中央における板厚(mm)、t3:溶接部(電縫溶接部)13を含む平板部11に対向する平板部11の管周方向中央における板厚(mm)である。
H=(H1+H2)/2・・・式(3)
式(3)において、H1:図1中の縦の辺長(mm)、H2:図1中の横の辺長(mm)であり、すなわち、Hは、管軸方向垂直断面において、角部12を挟んで隣接する2つの平板部11夫々における両側の角部12を含めた辺長H1、H2を足して2で割ったものである。
ただし、鋼管周長が合計で2.0%超の割合で減少するように縮径した場合、ロール通過時の管軸方向の曲げ量が大きくなり、縮径後の管軸方向の残留応力がかえって上昇してしまう。このため、鋼管周長が0.30%以上2.0%以下の割合で減少するように縮径することが好ましい。
円筒状の素管である電縫鋼管7を角形鋼管10に成形する場合、上述したように、角成形ロール群9に鋼管を通すことで、徐々に円筒形から角形に成形を施す。このような角成形においては、辺の直線部(平板部11(図1も再参照))の曲げ戻し、角部12の曲げおよび周方向の絞り変形が発生する。
また、COUTは、最終段の角成形スタンド出側における角形鋼管10の周長(管周方向の外周の長さ)(mm)である。COUTは、ロール群の最終段の角成形スタンドのいずれか1つの回転軸のX座標をXc(m)とし、X軸に垂直な平面X=Xc+1(m)における管の周断面の外周を巻尺で測定することで得られる(図4参照)。
なお、サイジングスタンドが複数段存在する場合には、上記の角成形直前のサイジングスタンドのギャップとその他のサイジングスタンドのギャップとは同じとしてもよい。
また、角成形スタンドが複数段存在する場合には、上記の角成形スタンドのギャップは、第一段目の角成形スタンドのギャップとすることが好ましい。また、第一段目とその他の角成形スタンドのギャップは全て同じとしてもよい。
本発明の建築構造物は、前述した本発明の角形鋼管10を柱材として使用される。
図5は、本発明の建築構造物100の一例を示す模式図である。
本発明の建築構造物100は、ダイアフラム17と角形鋼管10とが溶接され、角形鋼管10は柱材として用いられる。その他に、図5に示すように、建築構造物100は、大梁18、小梁19、間柱20により形成され、その他に公知の部材によって形成されてもよい。
角形鋼管10は、前述したように、周断面内の硬さのばらつきが小さく、且つ平坦な平板部11を有する。そのため、この角形鋼管10を柱材として使用した本発明の建築構造物100は、優れた耐震性能を発揮する。
t=(t1+t2+t3)/3・・・式(2)
式(2)において、t1、t2:溶接部(電縫溶接部)を含む平板部に対して角部を挟んで隣接する2つの平板部夫々の管周方向中央における板厚(mm)、t3:電縫溶接部を含む平板部に対向する平板部の管周方向中央における板厚(mm)である。
H=(H1+H2)/2・・・式(3)
式(3)において、H2:管軸方向垂直断面において、電縫溶接部が形成された平板部と両側の角部を含む辺の辺長、H1:辺長がH2である平板部に対して角部を挟んで隣接する平板部と両側の角部を含む辺の辺長(mm)である。
角部外側の曲率半径測定にはラジアルゲージを使用した。曲率半径の測定方法については、角部に隣接する両側の平板部外面をそれぞれ含む2本の直線L1およびL2の交点Pを通り、L1またはL2と45°をなす直線Lと角部外側の交点における曲率半径を角部外側の曲率半径として測定した(図1再参照)。具体的に、曲率半径の測定は、平板部と角部の接続点(A、A’)および角部外面からなり、中心が上記L上に存在する中心角90°の扇形において、上記Lと角部外面の交点を中心とした中心角65°の範囲で行い、上記の中心角65°の範囲において角部外面とよく一致するラジアルゲージから曲率半径を計測した。
上記のビッカース硬さ試験は、JIS Z 2244の規定に準拠し、試験力を98N(10kgf)として実施した。平板部の硬さ測定は、電縫溶接部を含む平板部の隣の平板部において行い、角部の硬さ測定は、電縫溶接部を含む平板部に隣接する角部において行った。
これらを用いてJIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、降伏強度YS、引張強度TS、均一伸び(平板部:E1、角部:E2)を測定し、(降伏強度)/(引張強度)で定義される降伏比を算出した。均一伸びは、最大荷重時の全伸びの値とした。なお、平板部の引張試験片は、角形鋼管の電縫溶接部を含む平板部の隣の平板部における幅中央部の位置から採取した。角部の引張試験片は、電縫溶接部を含む平板部に隣接する角部から採取した。
試験片本数は各2本とし、それらの平均値を算出して降伏強度YS、引張強度TS、降伏比、均一伸びを求めた。
平坦度の測定は、角形鋼管の管軸方向の任意の位置10箇所において、平板部4箇所をそれぞれ測定対象として、計40箇所において行った。図10に示すように、各平板部外面の周方向両端の2点を通る直線に対する最大膨らみ量及び最大凹み量をそれぞれ測定し、各測定箇所における最大膨らみ量及び最大凹み量の絶対値の最大値を平坦度とした。ただし、膨らみ量は正の値、凹み量は負の値とし、膨らみまたは凹みが存在しなかった場合は、膨らみ量または凹み量の値を0とした。
また、本発明例の角形鋼管は、平坦度が2.5mm以下であった。
また、比較例のNo.2、10、12、15は、いずれも周長比(CIN/COUT)が式(1)の範囲を上回っており、角部外側の曲率半径が板厚の3.0倍以下であり、シャルピー吸収エネルギーが所望の値に達しなかった。
2 レベラー
3 ケージロール群
4 フィンパスロール群
5 スクイズロール
6 溶接機
7 電縫鋼管
8 サイジングロール群
9 角成形ロール群
10 角形鋼管
11 平板部
12 角部
13 溶接部(電縫溶接部)
14 母材部
15 溶接熱影響部
16 溶融凝固部
17 ダイアフラム
18 大梁
19 小梁
20 間柱
100 建築構造物
Claims (8)
- 管周方向に平板部と角部とが交互に夫々複数形成されており、
管軸方向に延びた溶接部が更に形成されており、
前記溶接部における溶融凝固部の管周方向の幅が1.0μm以上1000μm以下であり、前記角部外側の曲率半径が平均板厚tの3.0倍超4.0倍以下である角形鋼管。 - 前記平均板厚tが平均辺長Hの0.030倍超である請求項1に記載の角形鋼管。
- 鋼管内でビッカース硬さの最大値と最小値の差が80HV以下である請求項1又は2に記載の角形鋼管。
- 前記平均板厚tが20mm以上40mm以下であり、
前記平板部の降伏強度が295MPa以上であり、
前記平板部の引張強度が400MPa以上であり、
前記角部の降伏比が90%以下であり、
前記角部の0℃におけるシャルピー吸収エネルギーが70J以上である請求項1〜3のいずれかに記載の角形鋼管。 - 前記角部外面からt/4の位置における均一伸びが、平板部外面からt/4の位置における均一伸びの0.80倍以上である請求項1〜4のいずれかに記載の角形鋼管。
- 鋼板をロール成形し、次いでロール成形した前記鋼板を電縫溶接して電縫鋼管とした後、前記電縫鋼管をサイジングスタンドによって成形し、次いで角成形スタンドによって角成形して角形鋼管を製造する方法であって、
以下の式(1)を満たすように、前記角成形スタンドのギャップに基づいて角成形直前の前記サイジングスタンドのギャップを制御する角形鋼管の製造方法。
0.30×t/H+0.99≦CIN/COUT<0.50×t/H+0.99・・・式(1)
なお、式(1)において、
CIN:第一段目の角成形スタンド入側における電縫鋼管の周長(mm)、
COUT:最終段の角成形スタンド出側における角形鋼管の周長(mm)、
t:角成形後の平均板厚(mm)、
H:角成形後の平均辺長(mm)、
である。
(但し、1段の角成形スタンドにより前記角成形を行う場合には、前記第一段目の角成形スタンドと前記最終段の角成形スタンドとは、同一の角成形スタンドとする。) - 前記平均板厚tが20mm以上40mm以下である請求項6に記載の角形鋼管の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の角形鋼管が、柱材として使用されている建築構造物。
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