(57)【要約】【課題】複合材料や複合部材でなく鋼製の単一部材として小断面で高い剛性を確保できる鋼製梁部材及びその使用方法を提供する。【解決手段】本発明による鋼製梁部材１は、ウェブ１０と、ウェブ１０の両端に接合された第１及び第２フランジ１１，１２とを備えている。第２フランジ１２は、閉鎖断面を有する管状体によって構成されている。鋼製梁部材１が曲げモーメントを受けた際に管状体によって構成された第２フランジ１２が圧縮側に位置するように鋼製梁部材１を配置する。【選択図】図１
2019135359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェブと、
ウェブの両端に接合された一対のフランジと
を備え、
前記一対のフランジの少なくとも一方が管状体である、
鋼製梁部材。
【請求項２】
ウェブと、ウェブの両端に接合された一対のフランジとを備え、前記一対のフランジの少なくとも一方が管状体とされている鋼製梁部材の使用方法であって、曲げモーメントを受けた際に前記管状体が圧縮側に位置するように前記鋼製梁部材を配置することを含む、鋼製梁部材の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば住宅等の建築物の梁として使用する鋼製梁部材及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
消費税の増税や建築資材の高騰等、建築業界における建築価格は上昇している。これにより、都心の狭小地だけでなく、建蔽率に余裕がある郊外の土地でも、建物価格を抑えるために建物の小型化が進んでいる。そこで求められるのは、例えば住宅の場合、小さな家でも快適に過ごせる広い空間を確保することである。
【０００３】
在宅時の大部分を過ごす居間は、隣接する食堂及び台所と合わせてリビングダイニングキッチン（ＬＤＫ）とした１ルームの大空間として設計する。また、子供部屋等の個室も、まずは１ルームの大空間として設計し、可動式の間仕切り壁で区切ることで形作ることも増えてきている。これは夫婦＋子供の世帯から、子供が独立した後に夫婦世帯に戻ることを考えて、ライフスタイルの変化に対応できるようにするためでもある。こうしたことから、小型の建築物でさえ、大空間の確保が可能な大スパンの梁が必要であり、小断面でより剛性が高い梁部材が求められている。
【０００４】
剛性が高い梁として、例えば特許文献１等に記載されている鉄骨鉄筋コンクリート造（ＳＲＣ造）の技術がある。ＳＲＣ造は、引張応力に強い鉄と圧縮応力に強いコンクリートとを組み合わせる技術である。
【０００５】
また、下記の特許文献２では、主に断熱性能を向上させるためのものであるが、Ｈ形鋼に木材を組み合わせた木質複合Ｈ形鋼も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２９５２３６６号公報
【特許文献２】特許第５０９８８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されているＳＲＣ造では、鉄骨部材にさらに鉄筋コンクリートを施工する工数や材料を合わせるとコストがかなり高くなる。また、ＳＲＣ造は、鉄骨部材をコンクリートで被覆する形態となり断面寸法も大きくなる。このため、ＳＲＣ造は、体育館や公共施設等の大規模建築物には適するかもしれないが、小規模建築物である住宅等の限られた天井裏空間又は床下空間に使用することは難しい。
【０００８】
特許文献２に記載されている木質複合Ｈ形鋼では、木材に集積材を使用すれば剛性の向上も期待できるかもしれない。しかしながら、木質材料は含水率等の問題から、経年劣化による木材の痩せを原因とした性能低下が発生する。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複合材料や複合部材でなく鋼製の単一部材として小断面で高い剛性を確保できる鋼製梁部材及びその使用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る鋼製梁部材は、ウェブと、ウェブの両端に接合された一対のフランジとを備え、前記一対のフランジの少なくとも一方が管状体である。
【００１１】
本発明に係る鋼製梁部材の使用方法は、ウェブと、ウェブの両端に接合された一対のフランジとを備え、前記一対のフランジの少なくとも一方が管状体とされている鋼製梁部材の使用方法であって、曲げモーメントを受けた際に前記管状体が圧縮側に位置するように前記鋼製梁部材を配置することを含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鋼製梁部材及びその使用方法によれば、一対のフランジの少なくとも一方が管状体であるので、複合材料や複合部材でなく鋼製の単一部材として小断面で高い剛性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による鋼製梁部材を示す斜視図である。
【図２】図１の鋼製梁部材を示す正面図である。
【図３】単純梁に作用する曲げモーメントを説明するための説明図である。
【図４】図３の単純梁が一般的なＨ形鋼である場合にそのＨ形鋼への曲げモーメントの作用を示す説明図である。
【図５】図１の鋼製梁部材を単純梁として使用する際の鋼製梁部材の使用方法を示す説明図である。
【図６】片持ばりに作用する曲げモーメントを説明するための説明図である。
【図７】図１の鋼製梁部材を片持ばりとして使用する際の鋼製梁部材の使用方法を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態２による鋼製梁部材を示す斜視図である。
【図９】図８の鋼製梁部材を示す正面図である。
【図１０】連続支持ばりに作用する曲げモーメントを説明するための説明図である。
【図１１】本発明の構成梁部材の変形例を示す説明図である。
【図１２】本発明の構成梁部材の別の変形例を示す説明図である。
【図１３】曲げ剛性試験に用いた試験体を示す説明図である。
【図１４】図１３を試験体に適用した曲げ剛性試験を示す説明図である。
【図１５】図１３の試験体を用いた曲げ剛性試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による鋼製梁部材１を示す斜視図であり、図２は図１の鋼製梁部材１を示す正面図である。図１及び図２に示す鋼製梁部材１は、ウェブ１０、第１フランジ１１及び第２フランジ１２を有する鋼製部材である。鋼製梁部材１の素材としては、普通鋼及びステンレス鋼並びにこれらに表面処理を施したもの等を使用することができる。表面処理には、塗装及びめっきが含まれる。
【００１５】
ウェブ１０及び第１フランジ１１は、長手状の鋼板材によって構成されている。第２フランジ１２は、閉鎖断面を有する長手状の管状体によって構成されている。本実施の形態の第２フランジ１２は、四隅に角部を有する角形鋼管によって構成されている。管状体からなる第２フランジ１２は管状フランジと呼ぶこともできる。
【００１６】
これらウェブ１０、第１フランジ１１及び第２フランジ１２は、鋼製梁部材１の全体としての断面が略Ｈ形となるように互いに接合されている。すなわち、ウェブ１０の幅方向ＷWの一端に第１フランジ１１が接合され、ウェブ１０の幅方向ＷWの他端に第２フランジ１２が接合されている。第１フランジ１１及び第２フランジ１２の幅方向ＷFに関する略中央位置にウェブ１０が配置されている。本実施の形態の鋼製梁部材１では第１フランジ１１及び第２フランジ１２の幅が実質的に等しくされている。しかしながら、第１フランジ１１及び第２フランジ１２の幅が互いに異なっていてもよい。ウェブ１０、第１フランジ１１及び第２フランジ１２の各部の寸法は図２に示すような比率をとることができる。例えば、第２フランジ１２の高さを５０ｍｍとし、ウェブ１０及び第１フランジ１１の合計高さを１００ｍｍとすることができる。また、ウェブ１０、第１フランジ１１及び第２フランジ１２の幅を１００ｍｍとすることができる。
【００１７】
以下、図１及び図２の鋼製梁部材１の使用方法について説明する。
【００１８】
まず、単純梁に作用する曲げモーメントについて説明する。図３は、単純梁２に作用する曲げモーメントＭを説明するための説明図である。単純梁２は、支持部２ａによって両端部が支持された梁である。図３の（ａ）に示すように、両端部が支持された単純梁２に等分布荷重ｗをかけると、単純梁２には図３の（ｂ）に示す曲げモーメントＭが作用する（曲げモーメントＭは引張側に描写されている）。曲げモーメントＭは、単純梁２の支持部２ａから中央部２ｂに向けて徐々に大きくなり中央部２ｂで最大値となる。
【００１９】
次に、図４は、図３の単純梁２が一般的なＨ形鋼である場合にそのＨ形鋼への曲げモーメントＭの作用を示す説明図である。図３に示す曲げモーメントＭがＨ形鋼に作用すると、図４に示すように、上フランジ２１に圧縮応力ＦCが作用し、下フランジ２２に引張応力ＦTが作用する。これら圧縮応力ＦC及び引張応力ＦTは、ウェブ２０の中央にて釣り合う。圧縮応力ＦC及び引張応力ＦTが釣り合うウェブ２０の中央は中立軸Ｎと呼ばれる。圧縮応力ＦC及び引張応力ＦTは、中立軸Ｎから離れるほど大きくなる。すなわち、上フランジ２１及び下フランジ２２には大きな圧縮応力ＦC及び引張応力ＦTが作用する。鋼板は、引張応力ＦTに対しては高い耐力を有するが圧縮応力ＦCに対しては耐力が低いという特性を有している。
【００２０】
次に、図５は、図１の鋼製梁部材１を単純梁２として使用する際の鋼製梁部材１の使用方法を示す説明図である。図１の鋼製梁部材１を単純梁２として使用する場合、管状体からなる第２フランジ１２を上フランジ２１として扱う。すなわち、本実施の形態の鋼製梁部材の使用方法は、曲げモーメントＭを受けた際に管状体からなる第２フランジ１２が圧縮側に位置するように鋼製梁部材１を配置することを含む。上述のように、通常のＨ形鋼を構成する鋼板は圧縮応力ＦCに対して弱いとの特性を有しているが、本実施の形態の第２フランジ１２を構成する管状体は圧縮応力ＦCに対して高い耐力を有する。これにより、従来構成のようにＳＲＣ造又は木質複合Ｈ形鋼としなくても、高い剛性を確保できる。
【００２１】
次に、片持ばりに作用する曲げモーメントについて説明する。図６は、片持ばり３に作用する曲げモーメントＭを説明するための説明図である。片持ばり３は、長手方向の一端が支持部３ａによって支持された梁である。図６の（ａ）に示すように、一端が支持された片持ばり３に等分布荷重ｗをかけると、片持ばり３には図６の（ｂ）に示す曲げモーメントＭが作用する（曲げモーメントＭは引張側に描写されている）。曲げモーメントＭは、片持ばり３の支持部３ａ側で最大値となり、支持部３ａから離れるにつれて小さくなる。図６の片持ばり３が一般的なＨ形鋼である場合、上述の単純梁２の場合とは逆に下フランジに圧縮応力ＦCが作用する。
【００２２】
次に、図７は、図１の鋼製梁部材１を片持ばり３として使用する際の鋼製梁部材１の使用方法を示す説明図である。図１の鋼製梁部材１を片持ばり３として使用する場合、管状体からなる第２フランジ１２を下フランジ２２として扱う。すなわち、本実施の形態の鋼製梁部材の使用方法は、曲げモーメントＭを受けた際に管状体からなる第２フランジ１２が圧縮側に位置するように鋼製梁部材１を配置することを含む。この態様においても、管状体からなる第２フランジ１２が圧縮側に位置されることで、高い剛性を確保できる。
【００２３】
このような鋼製梁部材及びその使用方法によれば、第２フランジ１２が管状体であるので、複合材料や複合部材でなく鋼製の単一部材として小断面で高い剛性を得ることができる。実施の形態１の態様は、単純梁２及び片持ばり３に特に有用である。このような構成は、例えば住宅等の小規模建築物に特に有用である。しかしながら、例えば体育館、公共施設又はビル等の大規模建築物にも適用してよい。
【００２４】
実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２による鋼製梁部材１を示す斜視図であり、図９は図８の鋼製梁部材１を示す正面図である。実施の形態１では第２フランジ１２のみが管状体であるように説明したが、この実施の形態２の鋼製梁部材１では第１及び第２フランジ１１，１２の両方が管状体によって構成されている。ウェブ１０、第１フランジ１１及び第２フランジ１２の各部の寸法は図９に示すような比率をとることができる。例えば、ウェブ１０、第１フランジ１１及び第２フランジ１２の各高さを５０ｍｍとし、これらウェブ１０、第１フランジ１１及び第２フランジ１２の幅を１００ｍｍとすることができる。
その他の構成は、実施の形態１と同じである。
【００２５】
次に、図８及び図９の鋼製梁部材１の使用方法について説明する。
【００２６】
まず、連続支持ばりに作用する曲げモーメントについて説明する。図１０は、連続支持ばり４に作用する曲げモーメントＭを説明するための説明図である。連続支持ばり４は、両端部のみならず中間部も支持部４ａによって支持された梁である。図１０の（ａ）に示すように、両端部及び中間部が支持された連続支持ばり４に等分布荷重ｗをかけると、連続支持ばり４には図１０の（ｂ）に示す曲げモーメントＭが作用する（曲げモーメントＭは引張側に描写されている）。曲げモーメントＭは、連続支持ばり４の上側及び下側の両方に作用する。
【００２７】
図１０の連続支持ばり４が一般的なＨ形鋼である場合、上フランジ及び下フランジの両方に圧縮応力ＦCが作用する。このため、本実施の形態２の鋼製梁部材１のように第１及び第２フランジ１１，１２の両方を管状体によって構成することで、連続支持ばり４においても鋼製の単一部材として小断面で高い剛性を得ることができる。
【００２８】
なお、実施の形態１，２では、第１及び第２フランジ１１、１２の少なくとも一方を構成する管状体が角形鋼管であるように説明しているが、これら第１及び第２フランジの少なくとも一方を構成する管状体の断面形状は任意である。例えば、図１１に示すように、管状体が丸形鋼管によって構成されていてもよい。各部の寸法は図１１に示すような比率をとることができる。例えば、図１１の（ａ）の態様の場合、全体の幅を５０ｍｍとするとともに全体の高さを１５０ｍｍとし、上部の管状体の外径を５０ｍｍとすることができる。また、図１１の（ｂ）の態様の場合、全体の幅を５０ｍｍとするとともに全体の高さを１５０ｍｍとし、上部及び下部の管状体の外径を５０ｍｍとすることができる。さらに、図１１の（ｃ）の態様の場合、全体の幅を１００ｍｍとするとともに全体の高さを１５０ｍｍとし、上部の管状体を高さ５０ｍｍかつ幅１００ｍｍの楕円管とすることができる。さらにまた、図１１の（ｄ）の態様の場合、全体の幅を１００ｍｍとするとともに全体の高さを１５０ｍｍとし、上部及び下部の管状体を高さ５０ｍｍかつ幅１００ｍｍの楕円管とすることができる。
【００２９】
また、実施の形態１，２では、鋼製梁部材１の全体としての断面が略Ｈ形であるように説明している。これは、一般的なＨ形鋼の代替として鋼製梁部材１を使用することを意図しているためである。しかしながら、本発明の鋼製梁部材の全体としての断面形状は、略Ｈ形に限定されず、他の形状とされていてもよい。例えば、図１２に示すように、溝形鋼のフランジの一方及び両方を管状体によって構成することもできる。各部の寸法は図１２に示すような比率をとることができる。例えば、図１２の（ａ）の態様の場合、全体の幅を１００ｍｍとするとともに全体の高さを１５０ｍｍとし、上部の角形鋼管の高さを５０ｍｍとすることができる。また、図１２の（ｂ）の態様の場合、全体の幅を１００ｍｍとするとともに全体の高さを１５０ｍｍとし、上部及び下部の角形鋼管の高さを５０ｍｍとすることができる。
【００３０】
次に、実施例を挙げる。図１３は曲げ剛性試験に用いた試験体を示す説明図であり、図１４は図１３を試験体に適用した曲げ剛性試験を示す説明図である。本発明者は、図１３に示す３種類の梁部材を用意して、それらを剛性梁として用いた場合の曲げ剛性をＪＩＳ  Ａ  ６５１４「金属製折板屋根構成材」の曲げ耐力試験に準じた３等分２点載荷試験（図１４参照）により評価した。
【００３１】
図１３の（ａ）に示す梁部材は、図１に示す鋼製梁部材１と同様に、片側のフランジのみが管状体とされている部材である。以下、図１３の（ａ）の部材をｔｙｐｅＵＴ（上側が管状体のタイプ）と呼ぶ。ｔｙｐｅＵＴの各部の寸法は図１３の（ａ）に示すとおりである。寸法の単位はｍｍである。「３．２ｔ」等は板厚が３．２ｍｍ等であることを示す。
図１３の（ｂ）に示す梁部材は、図８に示す鋼製梁部材１と同様に、両側のフランジが管状体とされている部材である。以下、図１３の（ｂ）の部材をｔｙｐｅＵＬＴ（上側及び下側が管状体のタイプ）と呼ぶ。ｔｙｐｅＵＬＴの各部の寸法は図１３の（ｂ）に示すとおりである。
図１３の（ｃ）に示す梁部材は、一般的なＨ形鋼である。以下、図１３の（ｃ）の部材をｔｙｐｅＨと呼ぶ。ｔｙｐｅＨの各部の寸法は図１３の（ｃ）に示すとおりである。
【００３２】
これら３種類の梁部材の外形寸法は、いずれも高さ１５０ｍｍかつ幅１００ｍｍに統一されている。梁部材の長さは２０００ｍｍとした。梁部材の素材には、引張強さ４００Ｎ／ｍｍ2級の鋼板を用いた。
【００３３】
図１４に示すように、試験体１４０の両端から１００ｍｍずつ内側の位置を下方から支持して、これを支点１４１とした。すなわち、支点間距離は１８００ｍｍである。また、試験体１４０の各支点１４１からさらに６００ｍｍずつ内側にあたる位置の上フランジの２箇所に節点１４２を設けて、その節点１４２から試験体１４０に荷重Ｐを載荷した。載荷する際の載荷速度は４ｍｍ／分とした。この試験方法では、試験体１４０の上フランジに対して上方から載荷しているため、上フランジが圧縮側、下フランジが引張側となる。
【００３４】
荷重Ｐを載荷及び除荷する際に、試験体１４０の長さ方向の中央部と、両方の支点の位置に設置した計３台の変位計により変位量δを測定した。変位量δは、３台の変位計のそれぞれより得られた変位量から次の式によって求めた。
変位量δ  ＝  δ中央  −  （δ支点1＋δ支点2）／２
【００３５】
図１５は、図１３の試験体を用いた曲げ剛性試験の結果を示すグラフである。図１５では、荷重の載荷及び除荷における変位量δの履歴は省略し、繰返しの最後において、除荷状態から徐々に搭荷荷重を増加させ、最大荷重に達したのちに上フランジの載荷位置において座屈に至る部分のみを示している。
【００３６】
フランジに管状体を有しないｔｙｐｅＨの梁部材の最大荷重は５７ｋＮであった。これに対し、上フランジのみに管状体を配したｔｙｐｅＵＴの剛性梁部材の最大荷重は７５ｋＮであり、上フランジだけでなく下フランジにも管状体を配したｔｙｐｅＵＬＴの剛性梁部材の最大荷重は８６ｋＮであった。すなわち、梁部材の一対のフランジのうち少なくとも一方が管状体とされており、曲げモーメントを受けた際に管状体が圧縮側に位置するように梁部材を配置することによって、曲げ剛性が向上することが確認できた。
【符号の説明】
【００３７】
１          鋼製梁部材
１０        ウェブ
１１，１２  第１及び第２フランジ（一対のフランジ）
【図１】
2019135359.tif 000003
【図２】
2019135359.tif 000004
【図３】
2019135359.tif 000005
【図４】
2019135359.tif 000006
【図５】
2019135359.tif 000007
【図６】
2019135359.tif 000008
【図７】
2019135359.tif 000009
【図８】
2019135359.tif 000010
【図９】
2019135359.tif 000011
【図１０】
2019135359.tif 000012
【図１１】
2019135359.tif 000013
【図１２】
2019135359.tif 000014
【図１３】
2019135359.tif 000015
【図１４】
2019135359.tif 000016
【図１５】
2019135359.tif 000017