(57)【要約】      （修正有）【課題】曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を確保しつつ、重量を低減できる圧延Ｈ形鋼、又は、従来と同等以下の断面積で曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を向上させることができる圧延Ｈ形鋼を提供すること。【解決手段】圧延Ｈ形鋼１０の外法高さをH、上フランジ１２及び下フランジ１４の幅をB、ウェブ１６の厚さをt1、上フランジ１２及び下フランジ１４の厚さをt2、内法高さをd（=H-2×t2）、鋼材の設計基準強度をF（N/mm2）、ヤング係数をE（N/mm2）とした場合に、以下の1）〜3）に示す断面形状寸法及び強度を満たし、かつ引張強さが400〜670N/mm2であることを特徴とする。1)1.4×1100/F1/2＜d/t1≦4.1×(E/F)1/2、2)11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2、3)235≦F≦440【選択図】図２
2020153127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上フランジ、下フランジ、及び、ウェブを有する二軸対称断面の圧延Ｈ形鋼であって、
前記圧延Ｈ形鋼の外法高さをH、前記上フランジ及び前記下フランジの幅をB、前記ウェブの厚さをt1、前記上フランジ及び前記下フランジの厚さをt2、前記圧延Ｈ形鋼の内法高さをd（=H-2×t2）、鋼材の設計基準強度をF（N/mm2）、鋼材のヤング係数をE（N/mm2）とした場合に、以下の1）〜3）に示す断面形状寸法及び強度を満たし、かつ引張強さが400〜670N/mm2であることを特徴とする圧延Ｈ形鋼。
1)  1.4×1100/F1/2＜d/t1≦4.1×(E/F)1/2
2)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2 
3)  235≦F≦440
【請求項２】
材長方向の端部が支持された小梁又は孫梁である請求項１に記載の圧延Ｈ形鋼と、
前記上フランジに設置された接続部材を介して前記圧延Ｈ形鋼と一体化されたコンクリートスラブ又はデッキ合成スラブである床スラブと、
を備え、
前記上フランジは、全長に亘って前記床スラブと一体化されることにより、水平移動が拘束されていることを特徴とする合成梁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延Ｈ形鋼及び合成梁に関する。
【背景技術】
【０００２】
上フランジ、下フランジ、及び、ウェブを有する二軸対称断面の圧延Ｈ形鋼としては、例えば、特許文献１の圧延Ｈ形鋼がある。
すなわち、特許文献１の圧延Ｈ形鋼は、圧延Ｈ形鋼の外法高さをH、上フランジ及び下フランジの幅をB、ウェブの厚さをt1、上フランジ及び下フランジの厚さをt2、圧延Ｈ形鋼の内法高さをd(＝H−2×t2)、鋼材の設計基準強度をF(N/mm2)とした場合に、以下の1)〜4)に示す断面形状寸法及び強度を満たし、かつ引張強さが400〜740N/mm2であることを特徴とする。
1)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2
2)  1100/F1/2＜d/t1≦1.4×1100/F1/2
3)  235≦F≦440
4)  B/H＜0.76
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６００３５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、構造物の小梁又は孫梁に使用される圧延Ｈ形鋼は、シアコネクタ等の接続部材によりコンクリートスラブ又はデッキ合成スラブである床スラブと一体化される。この床スラブと一体化された圧延Ｈ形鋼は、上フランジの水平移動が拘束された状態にある。
【０００５】
上述の特許文献１に記載の圧延Ｈ形鋼は、小梁等の梁に適用されるものであるとされているが、上フランジの水平移動が拘束されたことによる合成梁としての性能向上効果が十分に考慮されておらず、過剰な性能により重量の増加に繋がっている。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、一例として、曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を確保しつつ、重量を低減できる圧延Ｈ形鋼及び合成梁、又は、従来と同等以下の断面積で曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を向上させることができる圧延Ｈ形鋼及び合成梁を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一態様に係る圧延Ｈ形鋼は、上フランジ、下フランジ、及び、ウェブを有する二軸対称断面の圧延Ｈ形鋼であって、前記圧延Ｈ形鋼の外法高さをH、前記上フランジ及び前記下フランジの幅をB、前記ウェブの厚さをt1、前記上フランジ及び前記下フランジの厚さをt2、前記圧延Ｈ形鋼の内法高さをd（=H-2×t2）、鋼材の設計基準強度をF（N/mm2）、鋼材のヤング係数をE（N/mm2）とした場合に、以下の1）〜3）に示す断面形状寸法及び強度を満たし、かつ引張強さが400〜670N/mm2であることを特徴とする。
1)  1.4×1100/F1/2＜d/t1≦4.1×(E/F)1/2
2)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2 
3)  235≦F≦440
【０００８】
本発明の第二態様に係る合成梁は、材長方向の端部が支持された小梁又は孫梁である本発明の第一態様に係る圧延Ｈ形鋼と、前記上フランジに設置された接続部材を介して前記圧延Ｈ形鋼と一体化されたコンクリートスラブ又はデッキ合成スラブである床スラブと、を備え、前記上フランジは、全長に亘って前記床スラブと一体化されることにより、水平移動が拘束されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、一例として、曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を確保しつつ、重量を低減できる圧延Ｈ形鋼及び合成梁、又は、従来と同等以下の断面積で曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を向上させることができる圧延Ｈ形鋼及び合成梁を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る合成梁が適用された床構造の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る合成梁の縦断面図である。
【図３】図２の圧延Ｈ形鋼の縦断面図である。
【図４】本発明の圧延Ｈ形鋼と特許文献１の圧延Ｈ形鋼について、ウェブの幅厚比d/t1、及び、上フランジ及び下フランジの幅厚比B/(2×t2)を比較する図である。
【図５】小梁のFEM解析モデルの一例を示す斜視図である。
【図６】図５のFEM解析モデルを用いたFEM解析結果を示すグラフである。
【図７】図６のグラフにおける横軸の部材角φを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（床構造の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る合成梁が適用された床構造４０の斜視図である。
図１に示されるように、床構造４０は、大梁４１と、小梁４２と、床スラブ３０とを備える。大梁４１及び小梁４２は、水平方向の互いに直交する方向に延びている。小梁４２は、シアプレート４３を介して大梁４１に接合されている。床スラブ３０は、水平方向に延在しており、大梁４１及び小梁４２によって下側から支持されている。小梁４２には、図示しない孫梁が接合される場合がある。
【００１２】
（合成梁の構成）
図２は、本発明の一実施形態に係る合成梁１の縦断面図である。
図２に示されるように、合成梁１は、材長方向の端部が支持された圧延Ｈ形鋼１０と、この圧延Ｈ形鋼１０の上フランジ１２に設置されたシアコネクタ等の接続部材２０を介して圧延Ｈ形鋼１０と一体化されたコンクリートスラブ又はデッキ合成スラブである床スラブ３０とを備える。圧延Ｈ形鋼１０は、例えば、図１の小梁４２又は孫梁に相当する。上フランジ１２は、全長（略全長）に亘って床スラブ３０と一体化されることにより、水平移動が拘束されている。また、圧延Ｈ形鋼１０は、床スラブ３０の荷重を受けることにより、おおよそ全断面（略全断面）が引張となる。
【００１３】
（圧延Ｈ形鋼の構成）
図３は、図２の圧延Ｈ形鋼１０の縦断面図である。
圧延Ｈ形鋼１０は、厚さが異なる上フランジ１２及び下フランジ１４と、ウェブ１６とを有している。この圧延Ｈ形鋼１０は、鉛直方向軸線及び水平方向軸線に対してそれぞれ線対称な断面である二軸対称断面を有する。図３において、Hは圧延Ｈ形鋼１０の外法高さ、Bは上フランジ１２及び下フランジ１４の幅、t1はウェブ１６の厚さ、t2は上フランジ１２及び下フランジ１４の厚さ、dは圧延Ｈ形鋼１０の内法高さ（=H-2×t2）、ｒは上フランジ１２及び下フランジ１４とウェブ１６との接続部に形成されたフィレット１８の半径をそれぞれ示している。
【００１４】
発明者らは、特許文献１の圧延Ｈ形鋼が過剰な性能となっている点に着目し、鋭意検討を行った。そして、床スラブによって上フランジの水平移動が拘束されている点や、床スラブの荷重を受けることにより、圧延Ｈ形鋼のおおよそ全断面（略全断面）が引張となる点を考慮し、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に対して、曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を確保しつつ、重量を低減できる圧延Ｈ形鋼、又は、特許文献１と同等以下の断面積で曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を向上させることができる圧延Ｈ形鋼を得るに至った。以下、本発明の圧延Ｈ形鋼を具体的に説明する。
【００１５】
本発明の圧延Ｈ形鋼は、圧延Ｈ形鋼の外法高さをH、上フランジ及び下フランジの幅をB、ウェブの厚さをt1、上フランジ及び下フランジの厚さをt2、圧延Ｈ形鋼の内法高さをd（=H-2×t2）、鋼材の設計基準強度をF（N/mm2）、鋼材のヤング係数をE（N/mm2）とした場合に、以下の1）〜3）に示す断面形状寸法及び強度を満たし、かつ引張強さが400〜670N/mm2であることを特徴とする。
1)  1.4×1100/F1/2＜d/t1≦4.1×(E/F)1/2
2)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2 
3)  235≦F≦440
【００１６】
（圧延Ｈ形鋼の断面形状寸法及び強度の範囲を規定した理由）
ここで、1）〜3）に示す断面形状寸法及び強度の範囲を規定した理由について説明する。
【００１７】
まず、「1)  1.4×1100/F1/2＜d/t1≦4.1×(E/F)1/2」について説明する。
図４は、本発明の圧延Ｈ形鋼と特許文献１の圧延Ｈ形鋼について、ウェブの幅厚比d/t1、及び、上フランジ及び下フランジの幅厚比B/(2×t2)を比較する図である。
下限値については、特許文献１において上限が1.4×1100/F1/2であるため、その範囲を含まないようにした。
上限値については、本発明の圧延Ｈ形鋼を小梁又は孫梁として使用した際に、性能上問題とならない範囲を解析的に検討し設定した。
具体的には、図５に示すようなヤング係数205000N/mm2、鋼材強度295N/mm2、引張強さ400N/mm2、材長を一般的な7200mmとした小梁の梁端境界条件を模擬するために、この小梁の梁端部に単純支持相当のボルト接合部を設けたものをFEM解析モデルとし、この解析モデルに対して、漸増の等分布荷重を与える弾塑性解析を実施した。
なお、前記解析モデルについては、対称性を考慮して梁中央から梁端までの２分の１モデルとし、梁中央断面には対称条件を与えた。また、床スラブによる拘束を模擬するために、上フランジ中心線は横移動を生じさせないよう拘束した。
この解析結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、縦軸はモデルの梁中央の曲げモーメント、横軸は図７に示す部材角φである。また、図６中には、あわせて設計上の弾性剛性計算値および長期許容モーメントを示す。
前記解析モデルは、本発明のウェブ幅厚比d/t1の上限値よりも大きな領域に位置するが、設計値を超える範囲まで安定して耐力上昇していることから、小梁の構造性能上問題ないと考えられる。解析的にはさらにウェブの厚さt1を薄くすることも考えられるが、製造面を踏まえると、より幅厚比の大きな範囲では製造が難しくなるため、本発明においては、ウェブ幅厚比d/t1の上限値を、前記解析モデルの幅厚比よりも小さな値となる4.1×(E/F)1/2とした。
【００１８】
次に、「2)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2」について説明する。
ウェブの幅厚比d/t1を2)の範囲とした場合に、上フランジ及び下フランジの幅厚比B/(2×t2)を1)にすることで、特許文献１よりも圧延Ｈ形鋼の断面積ひいては重量を低減することができる。一方で、ウェブの幅厚比d/t1を1)により、また、上フランジ及び下フランジの幅厚比B/(2×t2)を2)によりそれぞれ規定することにより、合成梁とした場合には、特許文献１よりも圧延Ｈ形鋼の断面積を低減して断面二次モーメント及び断面係数を有利にできる。
【００１９】
次に、「3)  235≦F≦440」について説明する。
上限値については、440N/mm2より大きな高強度材を用いた場合、耐力の向上は見込めるが、剛性の向上にはつながらないため、たわみ制限による制約が支配的となり、これ以上の高強度材を用いたとしても、メリットが得られにくい。よって実用上は440N/mm2程度に抑えておく方がよい
下限値については、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に対して同等以上の曲げ耐力を確保するため、特許文献１と同じ値に設定した。
【００２０】
本発明の圧延Ｈ形鋼によれば、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に対して、曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を確保しつつ、重量を低減できる。また、換言すれば、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に対して、同等以下の断面積で曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を向上させることができる。
【００２１】
（実施例）
表１は、ＪＩＳ例１〜８及び従来例１〜３２について、圧延Ｈ形鋼の断面形状寸法、断面積、及び、強度を示す表である。ＪＩＳ例１〜８は、ＪＩＳ規格の圧延Ｈ形鋼に係る実施例であり、従来例１〜３２は、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に係る実施例である。
【表１】
2020153127.tif 000003
【００２２】
表２は、ＪＩＳ例１〜８及び従来例１〜３２について、強軸断面二次モーメント、強軸有効断面二次モーメント、及び、断面係数を示す表である。
なお、有効断面とは、「日本建築学会  鋼構造設計規準  −許容応力度設計法−」において規定されている断面であり、Ｈ形鋼フランジ及びウェブの幅厚比を超える部分の断面を無効断面とみなして算定したものである。強軸有効断面二次モーメントは、ウェブおよびフランジの無効断面を考慮した場合の強軸断面二次モーメントである。断面係数Zxcとは、上フランジ側の断面係数であり、断面係数Zxtとは、下フランジ側の断面係数である。また、断面係数Zxceとは、ウェブおよびフランジの無効断面を考慮した上フランジ側の断面係数（有効断面係数）であり、断面係数Zxteとは、ウェブおよびフランジの無効断面を考慮した下フランジ側の断面係数（有効断面係数）である。表２の値は、指数表示を含んでおり、「Ｅ＋０５」は「×１０５」、「Ｅ＋０６」は「×１０６」、「Ｅ＋０７」は「×１０７」、「Ｅ＋０８」は「×１０８」をそれぞれ示している。
【表２】
2020153127.tif 000004
【００２３】
表３は、発明例１〜３２について、圧延Ｈ形鋼の断面形状寸法、断面積、及び、強度を示す表である。発明例１〜３２は、本発明の圧延Ｈ形鋼に係る実施例である。
【表３】
2020153127.tif 000005
【００２４】
表４は、発明例１〜３２について、強軸断面二次モーメント、強軸有効断面二次モーメント、断面係数、対従来例重量比、及び、対従来例断面係数比を示す表である。
従来例の圧延Ｈ形鋼の重量に対する発明例の圧延Ｈ形鋼の重量の比率を表す対従来例重量比は、下記4)で求められ、１未満であると重量的には従来例より軽くなる。
一方、従来例の圧延Ｈ形鋼の強軸有効断面二次モーメントに対する発明例の圧延Ｈ形鋼の強軸有効断面二次モーメントの比率を表す対従来例強軸有効断面二次モーメント比は、下記5)で求められ、１超となると曲げ剛性の性能が従来例より優れていることを示している。また、従来例の圧延Ｈ形鋼の有効断面係数に対する発明例の圧延Ｈ形鋼の有効断面係数の比率を表す対従来例有効断面係数比は、下記6)で求められ、１超となると曲げ耐力の性能が従来例より優れていることを示している。
対従来例有効断面係数比は、従来例と発明例との各断面係数Zxce（ウェブおよびフランジの無効断面を考慮した上フランジ側の断面係数（有効断面係数））を比較している。
4)  対従来例重量比＝（発明例の圧延Ｈ形鋼の重量）／（従来例の圧延Ｈ形鋼の重量）
5)  対従来例強軸有効断面二次モーメント比＝（発明例の圧延Ｈ形鋼の強軸有効断面二次モーメント）／（従来例の圧延Ｈ形鋼の強軸有効断面二次モーメント）
6)  対従来例有効断面係数比＝（発明例の圧延Ｈ形鋼の有効断面係数）／（従来例の圧延Ｈ形鋼の有効断面係数）
なお、表４中の「対従来例重量比」及び「対従来例断面係数比」は、発明例１〜３２と従来例１〜３２とについて、発明例１と従来例１、発明例２と従来例２・・・発明例３１と従来例３１、発明例３２と従来例３２という具合に、それぞれ対応する発明例と従来例とをそれぞれ比較した結果を示している。表４の値は、指数表示を含んでおり、「Ｅ＋０５」は「×１０５」、「Ｅ＋０６」は「×１０６」、「Ｅ＋０７」は「×１０７」、「Ｅ＋０８」は「×１０８」をそれぞれ示している。
【表４】
2020153127.tif 000006
【００２５】
表４に示されるように、発明例１〜１６によれば、いずれも対従来例重量比が１未満であり、対従来例強軸有効断面二次モーメント比および対従来例有効断面係数比が１を超えているので、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に係る従来例１〜１６に対して、重量を低減しつつ、曲げ剛性や曲げ耐力といった性能を向上させることができる。
また、発明例１７〜３２によれば、後述する設計条件を満足しながら、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に係る従来例１７〜３２に対して、対従来例重量比を大幅に低減、すなわち、重量を大幅に低減することができる。
【００２６】
発明例１７〜３２について、より具体的に説明する。
表５−１、表５−２は、発明例１７〜３２、従来例１７〜３２について、たわみ比（施工時）、たわみ比（常用時）、曲げ応力比（施工時）、曲げ応力比（常用時）、せん断応力比（施工時）、及び、せん断応力比（常用時）を比較する表である。なお、表中のδmaxは、後述する設計条件に対して生じる施工時および常用時の梁の材長方向中央のたわみ量であり、δaは後述する設計条件から算出される許容たわみ量である。また表中のσおよびτは、後述する設計条件に対して生じる施工時および常用時の曲げ応力およびせん断応力であり、fbおよびfsは長期許容曲げ応力度および長期許容せん断応力度である。  施工時では、床コンクリートが硬化していないため、鉄骨単体の性能が要求される。常用時は、施工完了後、指定の用途として建物が使用されている段階であり、このときには床コンクリートが硬化後であるため、合成梁としての性能が要求される。
【表５−１】
2020153127.tif 000007
【表５−２】
2020153127.tif 000008
【００２７】
表５−１、表５−２に示されるように、圧延Ｈ形鋼を小梁として用いるに際して、発明例１７〜３２は、従来例１７〜３２のようにたわみ比（施工時・常用時）、曲げ応力比（施工時・常用時）、せん断応力比（施工時・常用時）といった設計条件を満足しながらも（それぞれの比の値が１．００以下）、重量については、比較の対象となっている従来例１７〜３２に比べて大幅に低減されていることが分かる（対従来例重量比が１．００未満）。
したがって、本発明例の圧延Ｈ形鋼は、設計上要求されている性能を確保しながらも、従来の圧延Ｈ形鋼に比べて重量を低減することができる。
なお、前述の設計条件は、圧延Ｈ形鋼を小梁として用いる場合についての検討を行うものであって、前提条件として、材長7.2m、ピッチ3.0m、コンクリートスラブ150mm厚（コンクリート強度21N/mm2）とし、また荷重条件として、小梁および床の自重、施工時荷重4.5kN/m、仕上げ・設備荷重2.4kN/m、積載荷重15kN/m、許容たわみ量として施工時L/300、常用時L/500（ここで、Lは材長）とした場合の一例である。設計方法は各種合成構造設計指針・同解説（日本建築学会）に準拠して実施した。
【００２８】
表６は、ＪＩＳ例１〜８及び従来例１〜３２の圧延Ｈ形鋼に床スラブを取り付けて合成梁とした場合について、有効等価断面二次モーメント及び有効等価断面係数を示す表である。有効等価断面二次モーメントeIとは、床スラブを考慮した合成梁の断面二次モーメントである。有効等価断面係数eZtとは、床スラブを考慮した合成梁の断面係数である。なお、考慮した床スラブは一般的なコンクリートスラブ（スラブ厚150mm、強度21N/mm2）である。
【表６】
2020153127.tif 000009
【００２９】
表７は、表３〜表５−２で示した発明例１〜３２の圧延Ｈ形鋼に床スラブを取り付けて合成梁とした場合について、有効等価断面二次モーメント、有効等価断面係数、対従来例有効等価断面二次モーメント比、及び、対従来例有効等価断面係数比を示す表である。
従来例の圧延Ｈ形鋼を用いた合成梁の有効等価断面二次モーメントに対する発明例の圧延Ｈ形鋼を用いた合成梁の有効等価断面二次モーメントの比率を表す対従来例有効等価断面二次モーメント比は、下記6)で求められ、１を超えると曲げ剛性や曲げ耐力等の性能が従来例の圧延Ｈ形鋼を用いた場合よりも優れていることを示している。
また、従来例の圧延Ｈ形鋼を用いた合成梁の有効等価断面二次モーメントに対する発明例の圧延Ｈ形鋼を用いた合成梁の有効等価断面係数の比率を表す対従来例有効等価断面係数比は、下記7)で求められ、１を超えると曲げ剛性や曲げ耐力等の性能が従来例の圧延Ｈ形鋼を用いた場合よりも優れていることを示している。
6)  対従来例有効等価断面二次モーメント比＝（発明例の圧延Ｈ形鋼を用いた場合の有効等価断面二次モーメント）／（従来例の圧延Ｈ形鋼を用いた場合の有効等価断面二次モーメント）
7)  対従来例有効等価断面係数比＝（発明例の圧延Ｈ形鋼を用いた場合の有効等価断面係数）／（従来例の圧延Ｈ形鋼を用いた場合の有効等価断面係数）
なお、表７中の「対従来例有効等価断面二次モーメント比」、「対従来例有効等価断面係数比」は、発明例１〜３２と従来例１〜３２とについて、発明例１と従来例１、発明例２と従来例２・・・発明例３１と従来例３１、発明例３２と従来例３２という具合に、それぞれ対応する発明例と従来例とをそれぞれ比較した結果を示している。また、本発明例の圧延Ｈ形鋼に取り付けた合成梁において、考慮した床スラブは従来例の場合と同様、一般的なコンクリートスラブ（スラブ厚150mm、強度21N/mm2）である。
【表７】
2020153127.tif 000010
【００３０】
表７に示されるように、発明例１〜１６によれば、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に係る従来例１〜１６に対して、重量を同等以下にしながら、曲げ剛性や曲げ耐力を向上させることができる。また、発明例１７〜３２によれば、特許文献１の圧延Ｈ形鋼に係る従来例１７〜３２に対して、設計の余裕度を削減することで、設計条件を満足させながら重量を大幅に低減することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  合成梁
１０  圧延Ｈ形鋼
１２  上フランジ
１４  下フランジ
１６  ウェブ
１８  フィレット
２０  接続部材
３０  床スラブ
【図１】
2020153127.tif 000011
【図２】
2020153127.tif 000012
【図３】
2020153127.tif 000013
【図４】
2020153127.tif 000014
【図５】
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【図６】
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【図７】
2020153127.tif 000017