(57)【要約】【課題】構造物の性能を損なうことなく重量をより一層軽量化して構造物のコスト低減が可能な圧延Ｈ形鋼を提供する。【解決手段】本発明に係る圧延Ｈ形鋼１は、上フランジ３、下フランジ５、ウェブ７を有する二軸対称断面の圧延Ｈ形鋼１であり、Ｈ形鋼の高さをH、フランジ幅をB、ウェブ厚さをt1、フランジ厚さをt2、内法高さをd(＝H−2×t2)、設計基準強度をF(N/mm2)とした場合、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ものである。      1)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2      2)  56.6＜d/t1≦1.4×1100/F1/2      3)  275＜F≦440      4)  B/H＜0.76【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下フランジとウェブを有する二軸対称断面の圧延Ｈ形鋼であり、Ｈ形鋼の高さをH、フランジ幅をB、ウェブ厚さをt1、フランジ厚さをt2、内法高さをd(＝H−2×t2)、設計基準強度をF(N/mm2)とした場合、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圧延Ｈ形鋼。
1)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2
2)  56.6＜d/t1≦1.4×1100/F1/2
3)  275＜F≦440
4)  B/H＜0.76
【請求項２】
一方向曲げを受けるピン接合の梁材であって、圧縮側のフランジが拘束されている小梁に適用されることを特徴とする請求項１記載の圧延Ｈ形鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に構造物の床や屋根などの床版を支持する小梁のように鋼材の弾性範囲内で設計する梁に用いる圧延Ｈ形鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の小梁や弾性範囲内で設計する梁に使用する圧延Ｈ形鋼に関し、断面性能を低下させることなく、断面積を低減して、軽量化したものとして、以下のような要件を満たす圧延Ｈ形鋼が提案されている（特許文献１参照）。
・引張強さが400〜510N/mm2で、フランジ幅Bと梁高さHの比が0.77以下、フランジ幅厚比B/(2×t2)が11.1を超えて215/F1/2以下、Fの値が235以上で275以下を満足すことを特徴とする圧延Ｈ形鋼（特許文献１の請求項１参照）。
なお、t2はフランジ厚さ、Fは通常は設計基準強度(N/mm2)と同等の設計用降伏応力度である。
また、上記圧延Ｈ形鋼において、ウェブ幅厚比(H−2×t2)/t1が63.5を超えて1100/F1/2以下であることを特徴とする圧延Ｈ形鋼（特許文献１の請求項２参照）。
なお、t1はウェブ厚さである。
さらに、上記圧延Ｈ形鋼において、t1/t2の比が0.75を超えて1.0未満であることを特徴とする圧延Ｈ形鋼（特許文献１の請求項３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第4677059号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
小梁や弾性範囲で使用する梁などの設計では、主に曲げ耐力と梁のたわみ制限により、必要な鋼材の設計基準強度Fや断面性能（断面二次モーメントI及び断面係数Z）が決定される。両端支持条件がピン支持で等分布荷重を受ける小梁のスパン（設計梁長さ）Lと許容設計荷重W(N/m)の関係を図４のグラフに示す。
なお、図４のグラフは、横軸がスパンLをＨ形鋼の高さHで除して無次元化したL/Hであり、縦軸が許容設計荷重WにH3/Iを乗じて次元を変えた相当許容荷重を示している。
図４には、許容設計荷重として変形制限による許容荷重Wdと曲げ耐力で決まる許容荷重Wb（設計基準強度F＝235,295,325,385,440N/mm2の場合）を併せて示している。
【０００５】
許容設計荷重は、変形制限の場合は、日本建築学会の「鋼構造設計規準−許容応力度設計法−」に示されるたわみがスパンLの1/300以下の条件で求めたものであり、曲げ耐力の場合は、長期荷重に対する許容応力度を、前述の学会規準や建築基準法（建築基準法施行令90条）に示されるF/1.5として求めたものである。具体的なWd及びWbの算定式は以下のとおりである。
【０００６】
《変形制限による許容等分布荷重》
両端ピン支持で等分布荷重を受ける梁の最大たわみδmaxがL/300以下であることから下式（１）となる。
【数１】
2014084604.tif 000003
【０００７】
《曲げ耐力による許容等分布荷重》
最大曲げ応力度σmaxがF/1.5以下であることから下式（２）となる。
【０００８】
【数２】
2014084604.tif 000004
【０００９】
図４のグラフより、L/Hが大きい範囲では変形制限によって許容荷重が決定され、L/Hが小さい範囲では曲げ耐力によって許容荷重が決定されることが分かる。
ところで、鋼構造の小梁の設計では、一般に梁せいHとスパンLの比、H/Lを1/18〜1/15又は1/20〜1/10程度として部材断面を選定する（例えば、「JSCA版S造構造の設計，p52，株式会社オーム社，2010.12.20」、「新構造設計の実務 知っておきたい根拠と常識，p46，株式会社建築技術，2006.7.1」）。すなわち、L/Hの下限値は一般に10〜15程度であるといえる。
このL/Hの下限値においては、図４のグラフで示されるように、曲げ耐力によって許容設計荷重Wが決まるので、許容設計荷重を大きくするために設計基準強度Fを、F＝325〜440(N/mm2)程度まで大きくすることが有効であることがわかる。
【００１０】
しかしながら、特許文献１に示された圧延Ｈ形鋼では、設計基準強度Fの範囲が235以上、275以下とされていることから、曲げ耐力で許容荷重が決まり、強度が不足してしまう場合がある。
すなわち、特許文献１に開示された圧延Ｈ形鋼では、断面積を低減して、軽量化できたとしても、設計基準強度Ｆの上限が小さいため、本来であれば更に小梁等の軽量化が図れるところが、制限されてしまうとういう問題がある。
【００１１】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、構造物の性能を損なうことなく重量をより一層軽量化して構造物のコスト低減が可能な圧延Ｈ形鋼を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明に係る圧延Ｈ形鋼は、上下フランジとウェブを有する二軸対称断面の圧延Ｈ形鋼であり、Ｈ形鋼の高さをH、フランジ幅をB、ウェブ厚さをt1、フランジ厚さをt2、内法高さをd(＝H−2×t2)、設計基準強度をF(N/mm2)とした場合、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ものである。
1)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2
2)  56.6＜d/t1≦1.4×1100/F1/2
3)  275＜F≦440
4)  B/H＜0.76
【００１３】
以下、上記の1)〜4)に示す断面形状寸法、強度範囲を規定した理由について説明する。
【００１４】
《1)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2》
まず、B/(2×t2)の上限値を240/F1/2とした理由を説明する。
B/(2×t2)の上限値を240/F1/2とした理由は、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、梁の圧縮部分から突出している板の幅厚比は、b/t＝B/(2×t2)≦0.53(E/F)1/2を満足すれば局部座屈の影響を考慮しなくても良いとされている。
そこで、局部座屈の影響を考慮しないようにするため、B/(2×t2)≦0.53(E/F)1/2を満足させることとし、鋼材のヤング率としてE=205,000(N/mm2)を0.53(E/F)1/2に代入することにより、B/(2×t2)の上限値として240/F1/2を規定した。
【００１５】
B/(2×t2)の下限値を11.2とした理由は以下の通りである。
圧延Ｈ形鋼には、特許文献１で示されたものの他に、以前より外法一定Ｈ形鋼が製造されている。この以前より製造されている外法一定Ｈ形鋼のフランジ及びウェブ幅厚比の関係を示したものが図５である。
既往の外法一定Ｈ形鋼は、フランジ幅厚比の最大値は、H=400,B=200,t1=6,t2=9の断面形状の場合であって、その値は11.11である。
また、B/Hは0.5であり、後述するH/Bの範囲内において、従来技術［特許文献１］以前の既往の圧延Ｈ形鋼を含まない範囲として、B/(2×t2)の下限値を11.2とした。
【００１６】
《2)  56.6＜d/t1≦1.4×1100/F1/2》
まず、d/t1の上限値を1.4×1100/F1/2とした理由を説明する。
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、梁のウェブプレートの幅厚比は、d/t＝d/t1≦2.4(E/F)1/2を満足すれば局部座屈の影響を考慮しなくても良いとされている。
そこで、d/t1の上限値として局部座屈の影響を考慮しなくともよい範囲とするため、d/t1≦2.4(E/F)1/2を満足させるとするならば、鋼材のヤング率としてE=205,000(N/mm2)を2.4(E/F)1/2に代入して、d/t1の上限値はほぼ1100/F1/2となる。
【００１７】
ただし、「鋼構造設計規準−許容応力度設計法−」では、幅厚比が規定値を超える場合には、局部座屈の影響を考慮して、規定値を超える部分を無効とみなして存在応力を求め、応力度の検定を行うことができると規定している。
また、幅厚比の制限は、構造上塑性化する恐れのある大梁について、建築基準法やそれに関する告示で制限やランク付けなどされているが、弾性範囲で使用される小梁等については、法令上特に制限は定められておらず、日本建築学会などの規準があるだけである。
したがって、幅厚比が規定値を超える場合であっても、当該部分を無効とみなす場合の影響が小さい場合には、幅厚比の上限値を上げることが断面二次モーメント及び断面係数としては有利になる。そこで、規定値を超える部分を無効と見なす場合の影響について検討した。
【００１８】
図６は、Ｈ形鋼における幅厚比が規定値を超える場合におけるウェブの無効部分のとり方の説明図である。図６において、ｄはウェブ内法寸法、diはウェブ無効長さ、Ｂはフランジ幅、ＨはＨ形鋼の高さ、t1はウェブ厚さ、t2はフランジ厚さをそれぞれ示している。
ウェブの無効部分のとり方は、図６の斜線で示すようにウェブの中心部分から上下対称にとる。このため、ウェブ幅厚比を超える無効部分がＨ形鋼の断面性能に与える影響は一般に小さくなると考えられるが、より具体的な検討を以下のように行った。
【００１９】
ウェブ幅厚比d/t1を、α×1100/F1/2（ここでα≧1）、ウェブの無効部分長さをdiとし、全断面有効の断面係数をZ、ウェブの無効部分を考慮した有効断面係数をZeとすると、Z及びZeは下式（３）、（４）により求められる。
【００２０】
【数３】
2014084604.tif 000005
【００２１】
設計基準強度Fを280及び325(N/mm2)、ウェブ厚さt1＝tとしてフランジ厚さt2をt及び2×t、フランジ幅Bを下限値の2×11.2×t2＝22.4×t2、上限値の2×240×t2/F1/2＝480t2/F1/2として、それらを組合せた以下の８つの例について、Ze/Zとαの関係を図７のグラフに示す。
例１：F=280、t1=t、t2=t、B=22.4×t2
例２：F=280、t1=t、t2=t、B=480t2/2801/2
例３：F=325、t1=t、t2=t、B=22.4×t2
例４：F=325、t1=t、t2=t、B=480t2/3251/2
例５：F=280、t1=t、t2=2t、B=22.4×t2
例６：F=280、t1=t、t2=2t、B=480t2/2801/2
例７：F=325、t1=t、t2=2t、B=22.4×t2
例８：F=325、t1=t、t2=2t、B=480t2/3251/2
【００２２】
図７からわかるように、フランジ厚さt2がウェブ厚さt1と等しく、フランジ幅が下限値（22.4×t2）でかつF値が小さい（F=280）とき（例１）、Ze/Zの低下率が最も大きくなる。
しかしながら、このZe/Zの低下率が最も大きくなる例１の場合においても、α≦1.4であれば、有効断面係数Zeの低下率は1%以下である。なお、梁の剛性については、全断面有効の断面二次モーメントIを利用できる。
そこで、断面効率がほとんど低下しないように、断面係数の低下率が1％以下に抑えられる範囲として、ウェブ幅厚比d/t1を1.4×1100/F1/2以下と設定した。
【００２３】
ウェブ幅厚比の下限値を56.6とした理由は以下の通りである。
従来技術［特許文献１］では、従来技術以前の圧延H形鋼で主に梁に用いられるB/Hが0.77以下のものについては、［特許文献１］の図１に示されるようにウェブ幅厚比の上限値は56.6となっている。そこで、Ｈ形鋼の断面性能（断面二次モーメント及び断面係数）が一定以上確保でき、Ｈ形鋼の軽量化に効果的なウェブ幅厚比d/t1として、56.6超えと設定した。
【００２４】
《3)  275＜F≦440》
まず、の上限値を440とした理由を説明する。
前述したように、L/H≧10（すなわちH/L≦1/10）の範囲を考慮した場合、曲げ耐力による許容荷重WbはF＝440(N/mm2)程度まで変形制限の許容荷重Wdを下回る場合がある（図４参照）。そのため、曲げ耐力による許容荷重Wbを大きくすることで意味がある範囲として設計基準強度Fの上限値をF＝440(N/mm2)とした。
また、本発明においてフランジ幅厚比（B/(2×t2)）の下限値は11.2と固定値にしているが、フランジ幅厚比の上限値は240/F1/2としているため、設計基準強度Fの値が大きくなるとフランジ幅厚比が小さくなり、下限値を下回る場合も想定される。この点、F＝440(N/mm2)の場合のフランジ幅厚比の上限値は240/4401/2＝11.4となり、下限値を下回ることはない。
以上の理由から、設計基準強度Fの上限値を440とした。
【００２５】
次に、設計基準強度Fの下限値を275超とした理由を説明する。
図８はB/t2=2×11.2、t1=t2、d/t1=α×1100/F1/2としたときの曲げ耐力Ma（α≦1.0ではZ×F/1.5、α＞1.0ではZe×F/1.5。ここで、Zは全断面有効の断面係数、Zeは無効断面を考慮した有効断面の断面係数）をα=1,F=275N/mm2の曲げ耐力Mα=1,F=275で無次元化した値とαの関係を、F=275,280,325,385,440の場合について表したものであり、縦軸がMa/Mα=1,F=275を示し、横軸がαを示している。
また、図８には、参考までにウェブ幅厚比d/t1=50,60,75,85の場合のMa/ Mα=1,F=275とαの関係も併せて示している。
【００２６】
図８からわかるように、フランジの断面積（=B×t2=2×11.2×t22）が等しい時、αの値やウェブの幅厚比が同等以上であれば、F値が275N/mm2を超えていれば曲げ耐力Maは従来技術のF=275の曲げ耐力より大きくなる。
そこで、本発明のF値の下限は、従来技術の範囲の上限である275N/mm2を超える値とした。
【００２７】
《4)  B/H＜0.76》
従来技術［特許文献１］では、B/H≦0.77となっているが、［特許文献１］に提示されていない圧延Ｈ形鋼には、前述の外法一定Ｈ形鋼（［００１５］参照）や、JIS G3129の標準断面寸法以外のものがある。外法一定Ｈ形鋼のB/Hは0.75であるものの、フランジ幅厚比の最大値は前述のとおり11.11（11.2未満）である。
一方、JIS G3129の標準断面寸法以外の圧延Ｈ形鋼では、H=330,B=251,t1=10,t2=10の断面寸法のものが従来技術以前に製造されている（例えば「JISハンドブック(2)鉄鋼，日本規格協会，2007.1.19」の「参考2.普通鋼鋼材受注寸法表 2.形鋼 (1)Ｈ形鋼」）。このＨ形鋼のウェブ幅厚比は12.6（≧11.2）、B/Hは0.76（≦0.77）である。
したがって、本発明のフランジ幅厚比11.2以上の時、従来技術以前の圧延Ｈ形鋼の範囲外となるよう、B/Hは0.76未満とした。
【００２８】
（２）本発明に係る圧延Ｈ形鋼は、一方向曲げを受けるピン接合の梁材であって、圧縮側のフランジが拘束されている小梁に適用されるのが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明においては、主に小梁や弾性範囲内で設計する梁に供する圧延Ｈ形鋼であって、高さH、幅B、ウェブ厚さt1、フランジ厚さt2、梁の内法高さd(=H−2t2)、設計基準強度F(N/mm2)としたとき、フランジ幅厚比を11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2、ウェブ幅厚比を56.6＜d/t1≦1.4×1100/F1/2、設計基準強度を275＜F≦440及びB/H＜0.76となるようにしたので、従来の圧延Ｈ形鋼よりも重量が同等以下で、断面二次モーメントすなわち断面剛性が大きく、かつ曲げ耐力(有効断面係数Ze×F/1.5)も大きな圧延Ｈ形鋼を提供できるようになった。この圧延Ｈ形鋼を小梁等に利用する場合、従来の圧延Ｈ形鋼を用いるより部材の重量を一層軽くすることができるため、部材の軽量化による構造物のコスト低減が可能となる。
さらに、ウェブ幅厚比d/t1の上限値を大きくしたことにより、断面形状を変化させることなく設計基準強度Fを大きくして、曲げ耐力を大きくできる。このため、強度が異なるＨ形鋼を製造する場合でも、断面形状に関する圧延設備を変更する必要がなく、従来技術より製造設備コスの低減及び製造効率が向上する利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る圧延Ｈ形鋼の断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る圧延Ｈ形鋼の使用態様を説明する説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る圧延Ｈ形鋼のウェブ幅厚比とフランジ幅厚比について従来例との比較を示す図である。
【図４】本発明の解決しようとする課題を説明する図であって、両端支持条件がピン支持で等分布荷重を受ける小梁のスパン（設計梁長さ）Lと許容設計荷重W(N/m)の関係を示すグラフである。
【図５】既往の外法一定Ｈ形鋼のフランジ及びウェブ幅厚比の関係を示す図である。
【図６】本発明に係る圧延Ｈ形鋼におけるウェブ断面の無効部分のとり方の説明図である。
【図７】課題を解決する手段における数値限定の根拠を説明する説明であって、Ze/Zとαの関係を示すグラフである。
【図８】課題を解決する手段における数値限定の根拠を説明する説明であって、Ma/Mα=1,F=275とαの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施の形態に係る圧延Ｈ形鋼１は、図１に示すように、上フランジ３、下フランジ５、ウェブ７を有する二軸対称断面の圧延Ｈ形鋼であり、圧延Ｈ形鋼１の高さをH、フランジ幅をB、ウェブ厚さをt1、フランジ厚さをt2、内法高さをd(＝H−2×t2)、設計基準強度をF(N/mm2)とした場合、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ものである。
1)  11.2≦B/(2×t2)≦240/F1/2
2)  56.6＜d/t1≦1.4×1100/F1/2
3)  275＜F≦440
4)  B/H＜0.76
【００３２】
圧延Ｈ形鋼１においては、ウェブ幅厚比d/t1の上限値を1.4×1100/F1/2としているので、「鋼構造設計規準−許容応力度設計法−」に規定する規定値（1100/F1/2）を超える場合があり、前述したように規定値を超える場合のウェブ断面は無効として扱われるので、図１においては、その無効部分９を示している。なお、無効部分９の長さはdiである。
【００３３】
表１に、本発明の範囲内の設計基準強度Fごとのフランジ幅厚比及びウェブ幅厚比の上下限値を示す。
【００３４】
【表１】
2014084604.tif 000006
【００３５】
本発明の圧延Ｈ形鋼によれば、従来の圧延Ｈ形鋼と比べて断面積が同等以下で曲げ剛性（断面二次モーメント）や曲げ耐力を大きくすることができ、このＨ形鋼を小梁や弾性範囲で使用する梁に使用することで小梁等の部材重量が低減され、構造物のコストを削減することができる。
【００３６】
なお、本発明の形状の圧延Ｈ形鋼では横座屈耐力が低下する恐れがあるため、基本的には一方向曲げを受けるピン接合の梁材で、図２に示すように圧縮側の上フランジ３が床スラブ１１などで拘束されている小梁１２に適用するのが好ましい。
【実施例】
【００３７】
表２は、設計基準強度F=280〜385(N/mm2)の場合の、本発明の実施例の断面寸法を示したものである。
【００３８】
【表２】
2014084604.tif 000007
【００３９】
表２の実施例の断面積及び断面性能を、JIS  G  3192の標準断面ならびにF=275の従来技術の断面寸法例と比較したものを表３に示す。
【００４０】
【表３】
2014084604.tif 000008
【００４１】
表３において、A(cm2)は断面積、Ix(cm4)は強軸回りの断面二次モーメント、Zx(cm3)は強軸回りの断面係数、Zxe(cm3)はウェブ無効部分（di：無効長さ）を考慮した強軸回りの有効断面係数、Ma(kN・m)は部材の曲げ耐力（Ma=F/1.5×Zxe）である。
なお、表３には、A及びIxについて本発明の実施例とJIS 断面並びに従来技術例の比を、断面係数は実施例のZxeとJIS 断面のZxe(=Zx)の比を、曲げ耐力は実施例の各F値のMaとF=275の従来技術例のMaとの比を示した。
【００４２】
本発明の実施例に係る断面寸法を採用することにより、JIS断面と比べて断面積が10%前後小さくなる一方、断面二次モーメントは概ね20〜50%程度大きくなり、断面係数はF値が大きくなりウェブの無効部分が増えても同等以上の値を確保できている。
また、本発明の実施例を従来技術例と比較した場合、断面積は5%前後小さくなり、断面二次モーメントは同等以上（最大10%程度）である。また、曲げ耐力は、従来技術例と比べてF=280では数%程度の増加に止まるものの、F値が325,385と大きくなると曲げ耐力はそれぞれ20%,40%程度大きくなる。
【００４３】
なお、図３は、F値の範囲が280〜385(N/mm2)である表３の本発明の実施例の断面のフランジ幅厚比及びウェブ幅厚比の関係を示したものである。
図３に示されるように、本発明例によれば既往の外法一定Ｈ形鋼を含まないことが分かる。
【符号の説明】
【００４４】
１  圧延Ｈ形鋼
３  上フランジ
５  下フランジ
７  ウェブ
９  無効部分
１１  床スラブ
１２  小梁
【図１】
2014084604.tif 000009
【図２】
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【図６】
2014084604.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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