(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建築構造物の柱材として使用されるロール成形角形鋼管であって、縦辺長さＤ≧横辺長さＢで板厚ｔの角形鋼管におけるコーナー部がコーナー直線部ＬＭとその両側の曲げ部とからなり、前記コーナー直線部ＬＭ及び縦辺側平板部ｄが式（１）を満し、かつ、  縦辺側及び横辺側の曲げ部曲げ半径の係数ＲＤ、ＲＢと幅厚比D/tとの関係が式（２）を満たすことを特徴とするロール成形角形鋼管。
ｔ／２＜ＬＭ＜ｄ  ・・・（１）
２．０＜ＲＤ、ＲＢ≦0．3231（D/t）−0．3273  ・・・（２）
但し、式（２）はＲＤ、ＲＢがいずれも式（２）を満たすことを意味する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、建築構造物の柱・梁材等に使用されるロール成形角形鋼管（冷間ロール成形角形鋼管）に関し、特にコーナー部の伸び性能の低下を極力少なくすることが可能なロール成形角形鋼管に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築構造物の柱・梁材等に使用される従来のロール成形角形鋼管は、４つのコーナー部が単なる円弧状をなしており、一般に板厚ｔの２倍の曲げ半径で直角（９０度）に折り曲げられている。
なお、コーナー部に直線部を有する角形鋼管として、特許文献１や特許文献２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭63−220922
【特許文献２】特開2006−328942
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に角形鋼管等の閉鎖断面では、荷重が作用したとき特に角部に応力集中が生じる。前記の通り、従来のロール成形角形鋼管は、４つのコーナー部が板厚ｔの２倍の曲げ半径で直角（９０度）に折り曲げられているが、冷間でのロール成形によるこのコーナー部の９０度折り曲げ成形は塑性加工度がかなり高い。塑性加工度が高いことは伸び性能が低いことであり、この塑性加工度の高い９０度折り曲げコーナー部に応力集中が生じると、部材の耐力が低下することになる。
建築構造物の柱・梁材などの部材に使用される角形鋼管の伸び性能が低下すると、部材の耐力が低下し構造物全体の耐震性能の低下に繋がる。特に、柱材に使用される角形鋼管では、コーナー部が最も応力を負担するので、耐震性能の観点からコーナー部の伸び性能の低下の少ない角形鋼管が望まれる。
【０００５】
本発明は上記背景のもとになされたもので、角形鋼管が例えば建築構造物の柱・梁材などに使用される場合の耐震性能の問題等を考慮し、最も応力を負担するコーナー部の伸び性能の低下を極力少なくすることが可能なロール成形角形鋼管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明のロール成形角形鋼管は、建築構造物の柱材として使用されるロール成形角形鋼管であって、縦辺長さＤ≧横辺長さＢで板厚ｔの角形鋼管におけるコーナー部がコーナー直線部ＬＭとその両側の曲げ部とからなり、前記コーナー直線部ＬＭ及び縦辺側平板部ｄが式（１）を満し、かつ、  縦辺側及び横辺側の曲げ部曲げ半径の係数ＲＤ、ＲＢと幅厚比D/tとの関係が式（２）を満たすことを特徴とする。
ｔ／２＜ＬＭ＜ｄ  ・・・（１）
２．０＜ＲＤ、ＲＢ≦0．3231（D/t）−0．3273  ・・・（２）
但し、式（２）はＲＤ、ＲＢがいずれも式（２）を満たすことを意味する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のロール成形角形鋼管によれば、その４カ所の各コーナー部が、コーナー直線部ＬＭの両側に曲げ部を有する形状、すなわち２つの曲げ部を有する形状にて全体として直角に曲げ加工されているので、コーナー部を単一の曲げ部にて直角に曲げ成形する場合と比較して、コーナー部の塑性加工度が２つの曲げ部の存在とコーナー直線部の存在により緩和されて、コーナー部における塑性加工度の最高値が低く抑えられ、伸び性能の低下を小さくすることができる。
したがって、本発明のロール成形角形鋼管が例えば建築構造物の柱材に使用される場合、柱材ではコーナー部が最も応力を負担するので、伸び性能の向上により耐震性能の向上が図られる。
上記の通り、本発明のロール成形角形鋼管は、基本的には四角形の角形鋼管でありながら、コーナー部の応力集中が２か所の曲げ部に分散され、かつその間に存在するコーナー直線部ＬＭが前記２つの曲げ部の塑性加工度を緩和する作用をすることにより、コーナー部の応力集中が軽減され、角形鋼管としての耐力が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（イ）は本発明のロール成形角形鋼管の形状を定義するための図、（ロ）は対応する従来形ロール成形角形鋼管の図である
【図２】コーナー部の曲げ部曲げ半径の係数Ｒ（ＲＤ、ＲＢ）の上限値が長辺側平板部ｄと長辺Ｄとの比（d/D）によって変化することを説明する上で、一例として示した□−１．６×６０×６０角形鋼管の断面図である。
【図３】Ｒ上限値と幅厚比D/tとの関係を説明する「D/t−Ｒ関係図」（表１のデータに基づくグラフ）である。
【図４】コーナー直線部ＬＭを算出するコーナー直線部算出式を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明のロール成形角形鋼管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。
【実施例１】
【００１０】
本発明の角形鋼管の断面形状を図１（イ）に示し、コーナー部が単なる円弧状をなす従来形の角形鋼管の断面形状を図１（ロ）に示す。
同図は正方形及び矩形の両者を含むものとして表示しており、正方形の場合は縦辺Ｄと横辺Ｂが同じ長さ、矩形の場合は縦辺Ｄが横辺Ｂより長い。
なお、以下では、縦辺が横辺より長いか等しい（縦辺Ｄ≧横辺Ｂ）という前提で、単に「縦辺」、「横辺」と記載するが、場合により「横辺より長いか等しい縦辺」または「縦辺（横辺より長いか等しい縦辺）」と記載する。また、縦辺が横辺より長いことを想定している場合は、縦辺を長辺と呼び横辺を短辺と呼ぶ場合がある。
図中における各部の名称と符号は次の通りである。各部を示す符号は、場合によりその部分の長さあるいは角度を示す。なお、下記の「コーナー曲げ部曲げ半径の係数」とは、コーナー曲げ部の曲げ半径と板厚との比（曲げ半径が板厚の何倍であるか）を指す。
なお、下記における縦辺側コーナー部ＳＤ、横辺側コーナー部ＳＢは、図１（イ）に示す通りの部分であるが、縦辺の場合で言えば、縦辺平板部ｄの延長線とコーナー直線部ＬＭの延長線との交点から、横辺平板部ｂの延長線までに距離を指す。
Ｄ：縦辺（縦辺の長さを指す場合がある）
Ｂ：横辺（横辺の長さを指す場合がある）
ＳＤ：縦辺側コーナー部（縦辺側コーナー部の長さを指す場合がある）
ＳＢ：横辺側コーナー部（横辺側コーナー部の長さを指す場合がある）
ｄ：縦辺側平板部（縦辺側平板部の長さを指す場合がある）
ｂ：横辺側平板部（横辺側平板部の長さを指す場合がある）
ｔ：板厚
ＲＤ：本発明のコーナー部縦辺側の曲げ部曲げ半径の係数
ＲＢ：本発明のコーナー部横辺側の曲げ部曲げ半径の係数
θＤ：本発明のコーナー部縦辺側の曲げ部曲げ角度（＜90°）
θＢ：本発明のコーナー部横辺側の曲げ部曲げ角度（＜90°）
ＬＭ：コーナー直線部（コーナー直線部の長さを指す場合がある）
上記の通りであり、一般的な角形鋼管は、コーナー部が曲げ半径２ｔの単なる円弧状をなして直角（９０度）に折り曲げられている。
【００１１】
以下に説明するロール成形角形鋼管は、以下に述べる通り、コーナー直線部ＬＭの長さ（その長さもＬＭと記載する）、及び、縦辺（横辺より長いか等しい縦辺）側平板部ｄの長さ（その長さもｄと記載する）に着目して、かつ、コーナー曲げ部の曲げ半径の係数ＲＤ、ＲＢに着目し、それらの関係を基に、塑性加工度を小さくできるコーナー部の形状を得ている。
【００１２】
コーナー直線部ＬＭの上限値、及び下限値について。
ロール成形による角形鋼管の製造可能範囲は、縦辺（横辺より長いか等しい縦辺）Ｄと板厚ｔとの比D/tの大きさによって決定される。但し、縦辺側平板部ｄよりもコーナー直線部ＬＭが長くなると、製造可能範囲がコーナー直線部ＬＭで決定されることになってしまうので、下記の式（３）が条件となる。
ＬＭ＜ｄ  ・・・・・（３）
また、本発明ではコーナー直線部 ＬＭが存在することが前提であるから、 ＬＭは０より大であるが、コーナー直線部ＬＭは板厚ｔの少なくとも半分以上長くないと、コーナー部の塑性加工度を低くする作用を果たさない。
したがって、下記の（４）が条件となる。
ｔ／２＜ＬＭ  ・・・・・（４）
よって、コーナー直線部ＬＭの範囲は、式（１）の通りとなる。
ｔ／２＜ＬＭ＜ｄ  ・・・・・（１）
【００１３】
曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢの下限値について。
コーナー曲げ部の曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢが１未満になるということは、平板部に対して曲げ部が減厚になる（平板部の板厚より曲げ部の板厚が薄くなる）ので、少なくとも１未満は除外するが、コーナー部の塑性加工度を低くするためにコーナー曲げ部の曲げ半径を２．０より大とする。
したがって、ＲＤ、ＲＢの下限値は、下記の式（５）の通りとなる。
２．０＜ＲＤ、ＲＢ・・・・・・（５）
なお、本願明細書、特許請求の範囲において、例えば式（５）のような表記（左辺又は右辺に２つの項が併記されている表記）は、ＲＤ、ＲＢのいずれも２．０より大であることを示す。
【００１４】
曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢの上限値について。
角形鋼管では、長辺長さＤ、板厚ｔが部材強度に関係するが、長辺側平板部ｄと長辺側コーナー部 ＳＤ も部材強度に関係する。
例えば、幅厚比D/tは、部材の塑性変形能力を表す指標であり、幅厚比が小さいほど局部座屈 は発生しにくく（局部座屈応力度が高い）、塑性変形能力が高くなる。
しかし、幅厚比が小さいことは、長辺側平板部が同じであれば板厚 t が厚いことであるから、断面積が増し（単位重量が増し）、単位断面積当たり（単位重量当たり）の部材強度が低下、すなわち断面効率が低下し経済性が低下する方向にある。
長辺側平板部ｄと長辺長さＤとの比（d/D）は、局部座屈や断面性能に関係する。
例えば、縦辺側平板部ｄと長辺長さＤとの比（d/D）が 1/3より小さくならない範囲内で小さいことは、長辺長さが同じであれば縦辺側平板部の長さが短いことであるから、 局部座屈は発生しにくく（局部座屈応力度が高い）、塑性変形能力が高くなる。また、縦辺側平板部の長さが同じであれば断面積は小さくなる。
図２は□-1．6×60×60 の例で、コーナー曲げ部曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢ＝12、コーナー部 ＳＤ、ＳＢ＝12．0（12．0/60＝0．20）。
この時、後述の図４で説明するコーナー直線部ＬＭ算出式より、長辺側平板部ｄが管径Ｄの１／３（２０ｍｍ）以上となるＲＤ、ＲＢの最大値（整数）を求めると、１２である。
したがって、□-1．6×60×60 の場合の ＲＤ、ＲＢ の上限値は１２である。
【００１５】
各サイズの角形鋼管の場合のコーナー曲げ部曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢの上限値は、図２の説明と同様にして求めることができる。
表１（イ）、表１（ロ）、表２（イ）、表２（ロ）に角形鋼管の各サイズ（Ｄ、Ｂ、ｔ）についての、幅厚比 D/t、 B/t、及び、コーナー曲げ部曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢ上限値（最右側の欄）を示す。表１（イ）、表１（ロ）は正方形角形鋼管、表２（イ）、表２（ロ）は矩形角形鋼管についてのものである。なお、各表は ＲＤ＝ＲＢの場合についてのものである。
【００１６】
各サイズの角形鋼管の場合のコーナー曲げ部曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢの上限値は、図２の説明と同様にして求めることができる。
表１（イ）、表１（ロ）、表２（イ）、表２（ロ）に角形鋼管の各サイズ（Ｄ、Ｂ、ｔ）についての、幅厚比 D/t、 B/t、及び、コーナー曲げ部曲げ半径の係数 ＲＤ、ＲＢ上限値（最右側の欄）を示す。表１（イ）、表１（ロ）は正方形角形鋼管、表２（イ）、表２（ロ）は矩形角形鋼管についてのものである。なお、各表は ＲＤ＝ＲＢの場合についてのものである。
また、表１（イ）、表２（イ）に記載した角形鋼管の辺長と板厚の組み合わせはＪＩＳで規定されている一般構造用角形鋼管STKR400、表１（ロ）、表２（ロ）に記載した角形鋼管の辺長と板厚の組み合わせは日本鉄鋼連盟により規格化されている建築構造用冷間ロ−ル成形角形鋼管BCR295を採用する。
【００１７】
幅厚比 D/t とＲ 上限値の相関関係について。
前述の表１（イ）、表１（ロ）、表２（イ）、表２（ロ）における幅厚比 D/t とコーナー曲げ部曲げ半径の係数ＲＤ、ＲＢの上限値との関係をグラフで示すと図３ の通りとなる。
この関係を最小二乗法により両者の関係式を求めると、
ｙ＝０．３２３１Ｘ−０．３２７３(決定係数Ｒ２＝０．９９５８)
が得られる。
したがって、
ＲＤ、ＲＢ≦0．3231（D/t）-0．3273    ・・・（２）  
すなわち、ＲＤ、ＲＢの上限値は幅厚比D/tの時、「0．3231（D/t）-0．3273」である。
【００１８】
コーナー直線部ＬＭは、次のコーナー直線部算出式（式（６））により算出される。
[式６]
0006541393.tif 000002
【００１９】
図４において、ＬＭ＝√（ＰＱ２−ＰＫ２）
であり、図４における、ＱＪ、ＰＪ、ＥＷ、ＱＦ、ＰＥ、ＦＺ、ＰＡ、ＫＡ、ＱＨからＰＱ、ＰＫを得て、ＬＭを算出できる。
ここで、ＰＥ＝ＰＡ＝ＲＤ・ｔ、
ＱＦ＝ＱＨ＝ＫＡ＝ＲＢ・ｔ
ＥＷ＝tan θＤ／２、
ＦＺ＝tan θＢ／２、
ＰＫ＝ＰＡ−ＫＡ＝ＰＥ−ＱＨ＝ＰＥ−ＱＦ＝ＲＤ・ｔ−ＲＢ・ｔ
である。
そして、ＰＱ＝√（ＱＪ２＋ＰＪ２）
ＱＪ＝ＳＤ＋ＥＷ−ＱＦ
ＰＪ＝│ＳＢ＋ＦＺ−ＰＥ│
上記により
ＬＭ＝√（ＰＱ２−ＰＫ２）
が算出される。
但し、図４中の符号は下記の通り。
ＳＤ：縦辺側コーナー部
ＳＢ：横辺側コーナー部
ｔ：板厚
ＬＭ：コーナー直線部
ＲＤ：コーナー部縦辺側の曲げ部曲げ半径の係数
ＲＢ：コーナー部横辺側の曲げ部曲げ半径の係数
θＤ：コーナー部縦辺側の曲げ部曲げ角度（＜90°）
θＢ：コーナー部横辺側の曲げ部曲げ角度（＜90°）
【００２０】
前述したようにロール成形角形鋼管は、平板部に比べコーナー部の塑性加工度高く、コーナー部の伸び性能の低下が生じるが、コーナー直線部ＬＭの両側に曲げ部のあるコーナー部を持つ本発明の角形鋼管によれば、コーナー部が単なる円弧状である従来の角形鋼管と比べ、コーナー部の塑性加工度が低く抑えられることで、伸び性能の低下を小さくすることができる。
具体的には、引張試験での一様伸びについて、従来の角形鋼管のコーナー部と比較して、本発明の角形鋼管は、コーナー直線部の一様伸びは勿論、その両側の曲げ部の一様伸びも増大している。また、破断伸びについても本発明の角形鋼管は従来の角形鋼管と比較して増大している。このように、本発明によりコーナー部の伸び性能が顕著に向上している。
上記の通りであり、本発明により構造部材としての性能が向上することが明らかである。本発明のロール成形角形鋼管を例えば建築構造物の柱材に使用される場合、柱材ではコーナー部が最も応力を負担するので、伸び性能の向上により耐震性能の向上が図られる。
【００２１】
なお、コーナー直線部ＬＭの両側のコーナー曲げ部の塑性加工度は、その曲げ半径が大きいほど小さくなるので、コーナー曲げ部曲げ半径の係数ＲＤ、ＲＢの下限を２．５あるいは３．０としてもよい。
また、コーナー直線部ＬＭは、「ＬＭ＜ｄ」の範囲内で長い方が、局部座屈応力度が高く塑性変形能力が高くなるので、コーナー直線部ＬＭの下限を、板厚ｔ／２より大きい例えば板厚ｔとしてもよい。
【表１】
0006541393.tif 000003
【表２】
0006541393.tif 000004
【表３】
0006541393.tif 000005
【表４】
0006541393.tif 000006
【図１】
0006541393.tif 000007
【図２】
0006541393.tif 000008
【図３】
0006541393.tif 000009
【図４】
0006541393.tif 000010