(57)【要約】【課題】  板厚が２．３ｍｍ未満のリップ付き溝形鋼又はリップ付きＺ形鋼のリップ長Ｃを、従来強度が低下すると考えられていた範囲まで延長し、ゆがみ座屈強度に対する抵抗性能を最大化できるようにしたリップ付き溝形鋼又はリップ付きＺ形鋼を提供することを目的とする。【解決手段】  板厚ｔが２．３ｍｍ未満であり、リップ長Ｃｄが、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−７．５の式で最適とされることを特徴とし、（但し、Ａはフランジ幅である。）リップ長Ｃｄが、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ＋１を上限とし、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−１６を下限とする範囲で区画されることを特徴とし、リップ長Ｃｄが２５ｍｍ以上であることを特徴とするリップ溝形鋼又はリップ付きＺ形鋼。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚ｔが２．３ｍｍ未満であり、リップ長Ｃｄが、
Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−７．５の式で最適とされることを特徴とするリップ付き形鋼。（但し、Ａはフランジ幅である。）
【請求項２】
リップ長Ｃｄが、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ＋１を上限とし、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−１６を下限とする範囲で区画されることを特徴とする請求項１に記載のリップ付き形鋼。
【請求項３】
リップ長Ｃｄが２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のリップ付き形鋼。
【請求項４】
前記リップ付き形鋼が溝形鋼であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリップ付き形鋼。
【請求項５】
前記リップ付き形鋼がＺ形鋼であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリップ付き形鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板厚０．４ｍｍ〜２．３ｍｍの薄板軽量形鋼により構成される鋼構造建築物（以下、「スチールハウス」という。）等に用いられる、主にゆがみ座屈により部材強度が支配されるリップ付き形鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、リップ付き形鋼を溝形鋼とした実施例を示すものである。リップ付き溝形鋼１は、ウェブ２と、ウェブ２の両端からウェブ２と直交する方向に延びるフランジ３と、フランジ３の先端からウェブ２と平行に内側に延びるリップ４とを有するように成形される。
図１１は、リップ付き形鋼をＺ形鋼とした実施例を示すものである。リップ付きＺ形鋼５は、フランジ３が、ウェブ２の両端からウェブ２を挟んでそれぞれ対向する向きに延びている点が、前記リップ付き溝形鋼１と異なるが、本願発明で扱うフランジ３に生じる座屈の力学的性状はほぼ同一となる。そのため、以下の設明では、リップ付き溝形鋼１を用いて行う。
【０００３】
従来のリップ付き溝形鋼のリップ長Ｃの長さを設定する根拠として、アメリカ鉄鋼協会が編集した「冷間成形形鋼部材の設計マニュアル」（非特許文献１）等があり、必要リップ長Ｃｏを定める式として下記（１）式が与えられている。
Ｃｏ＝ｍａｘ〔２．８ｔ［（Ａ／ｔ）２−２８０００／σｙ］１／６，４．８ｔ〕・（１）
（但し、Ａは、フランジの幅（ｍｍ）、ｔは、形鋼の板厚（ｍｍ）、σｙは、鋼材の降伏点（Ｎ／ｍｍ２）  
【非特許文献１】「Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｃｏｌｄ−Ｆｏｒｍｅｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ  Ｍｅｍｂｅｒ，  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｒｏｎ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９８０」
【非特許文献２】「薄板軽量形鋼造建築物の設計の手引き」  国土交通省国土技術政策総合研究所および独立行政法人建築研究所監修、社団法人日本鉄鋼連盟編集、技報堂出版２００２年６月２５日発行。
【０００４】
図２（a）は、式（１）により、横軸にフランジ幅Ａ（ｍｍ）、縦軸にリップ長Ｃ（ｍｍ）の関係を表したものであり、素材降伏点σｙをＳＮ４００材あるいはＳＳ４００材等のＦ値である２３５Ｎ／ｍｍ２とした場合の必要リップ長Ｃｏの計算結果を破線で示している。計算は、板厚ｔを１．６ｍｍから４．５ｍｍまで変化させて行った。
【０００５】
図２（a）に示される計算結果にＪＩＳ規格に示される形鋼寸法を●印で重ねたものが図２（ｂ）であり、●印で示したＪＩＳに規定された形鋼寸法が概ね必要リップ長Ｃｏの計算結果と合致していることが確認できる。
【０００６】
板厚が０．８ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である薄板軽量リップ溝形鋼の典型的な寸法は、前記「薄板軽量形鋼造建築物の設計の手引き」  国土交通省国土技術政策総合研究所および独立行政法人建築研究所監修、社団法人日本鉄鋼連盟編集、技報堂出版２００２年６月２５日発行（非特許文献２）等に示されているが、その中では、リップ長Ｃは、１２ｍｍから２０ｍｍの範囲となっている。
【０００７】
図３は、図２と同様な必要リップ長Ｃｏの計算結果を破線で示すものであり、鉄鋼連盟規格が、概ね必要リップ長Ｃｏの計算結果と合致していることが確認できる。なお、素材降伏点σｙは、ＳＧＣ４００材のＦ値である２８０Ｎ／ｍｍ２とした。
【０００８】
以上のように、リップ溝形鋼のリップ長Ｃは、前記式（１）により求められる必要リップ長Ｃｏに概ね基づいて定められていることを説明してきた。これは、リップ長Ｃを概ね必要リップ長Ｃｏに相当する長さにすれば、形鋼のフランジを四辺単純支持（四辺ともピン支持）された板要素、すなわち弾性板座屈係数ｋ＝４．０となる板座屈が生起する板要素として取扱うことができ、設計上有利である上、設計が簡単になることによるものである。リップ長Ｃが必要リップ長Ｃｏに満たない場合には、四辺単純支持板として扱うことができなくなるため、リップ長に応じた座屈係数を適宜低減して定めならければならない等の設計手間が生じる上、部材強度は必要リップ長Ｃｏの場合よりも小さくなる。逆に、リップ長Ｃを必要リップ長Ｃｏよりも長くしても、リップによるフランジの補剛効果は大きくなることがなく（弾性板座屈係数ｋは４．０を越えて大きくならない）、リップ自身にも局部座屈が発生するため構造的にメリットがないとされてきた。すなわち、必要リップ長Ｃｏに相当する長さが構造上、経済上最適な形態とされてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図４（ａ）（ｂ）は、スチールハウス等に利用される薄板軽量形鋼部材の中でも代表的なＣ＿８９×４４．５×１２（以下、単に形鋼という。）を用いた場合、板厚ｔ＝１．０ｍｍの形鋼の弾性座屈曲線を局部座屈（ここではウェブの板座屈）と全体座屈に分けて示したものである。それぞれの縦軸は弾性座屈応力度σｅ（Ｎ／ｍｍ２）であり、横軸は座屈半波長Ｌｂ（ｍｍ）（設計では部材長さとみなすことができる。）である。図４（ｂ）に示すように全体座屈として、「ゆがみ座屈」と「曲げねじれ座屈」の２つの座屈が生じることになるが、Ｌｂが比較的短い領域（図中ゆがみ座屈領域としめす領域）では、ゆがみ座屈の強度が曲げねじれ座屈の強度を大きく下回ることになり、本来のリップ付き溝形鋼の性能が十分に発揮されていないことが分かる。これは、従来のリップ付き溝形鋼のリップ長Ｃが短いために生じる問題であることが新たに判明した。図１０に、リップ付き溝形鋼の局部座屈、ゆがみ座屈、曲げねじれ座屈、曲げ座屈の座屈性状、断面状態を示す。
【００１０】
一方、図５（ａ）（ｂ）では、図４と同じ外径寸法を持ち板厚３．２ｍｍとした形鋼の弾性座屈曲線を局部座屈（ここではウェブの板座屈）と全体座屈に分けて示したものである。それぞれの縦軸は弾性座屈応力度σｅ（Ｎ／ｍｍ２）であり、横軸は座屈半波長Ｌｂ（ｍｍ）（設計では部材長さとみなすことができる。）である。板厚が変化しても、ゆがみ座屈と曲げねじれ座屈が生じるといった全体性状は同じである。しかし、部材強度を支配するゆがみ座屈強度極小値の値に注目すると大きな違いがあり、板厚ｔ＝１．０ｍｍの場合のゆがみ座屈強度極小値が２４０Ｎ／ｍｍ２であるのに対して、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合のゆがみ座屈強度極小値が１０５０Ｎ／ｍｍ２となっている。
鋼材の降伏点がＦ値として、２３５Ｎ／ｍｍ２から３２５Ｎ／ｍｍ２の間で与えられていることを考えると、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合では、弾性計算の結果としてゆがみ座屈の発生が示されるが、実際の部材においては、素材の降伏が先行するため、ゆがみ座屈による強度低下はほとんど生じないことが判明した。すなわち、前述のリップ付き溝形鋼のリップ長が短いために生じる問題は、板厚が薄い場合に限定される問題であることが判明した。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の持つ問題点を解消した、板厚が２．３ｍｍ未満のリップ付き形鋼のリップ長Ｃを、従来強度が低下すると考えられていた範囲まで延長し、ゆがみ座屈強度に対する抵抗性能を最大化できるようにしたリップ付き形鋼としてのリップ付き溝形鋼又はリップ付きＺ形鋼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】
【００１２】
本第１発明は、前記課題を解決するために、リップ付き形鋼において、板厚ｔが２．３ｍｍ未満であり、リップ長Ｃｄが、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−７．５の式で最適とされることを特徴とする。（但し、Ａは、フランジ幅）
【００１３】
本第２発明は、本第１発明のリップ付き形鋼において、リップ長Ｃｄが、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ＋１を上限とし、Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−１６を下限とする範囲で区画されることを特徴とする。
【００１４】
本第３発明は、本第１又は第２発明のリップ付き形鋼において、リップ長Ｃｄが２５ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１５】
本第４発明は、本第１〜第３のいずれか１つの発明のリップ付き形鋼において、前記リップ付き形鋼が溝形鋼であることを特徴とする。
【００１６】
本第５発明は、本第１〜第３のいずれか１つの発明のリップ付き形鋼において、前記リップ付き形鋼がＺ形鋼であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本第１発明の構成により、板厚２．３ｍｍ未満のリップ付き溝形鋼又はリップ付きＺ形鋼において、部材強度を支配するゆがみ座屈強度を最大化することができるリップ長さを設計することが可能となる。
本第２発明の構成により、板厚２．３ｍｍ未満のリップ付き溝形鋼又はリップ付きＺ形鋼において、部材強度を支配するゆがみ座屈強度を、最大化した場合の９５％以上の強度になるようにリップ長さを設計することが可能となる。
本第３発明の構成により、板厚２．３ｍｍ未満のリップ付き溝形鋼又はリップ付きＺ形鋼において、従来の鉄鋼連盟の規格及びＪＩＳの規格を除く、部材強度を支配するゆがみ強度を有するリップ長さを設計可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図６は、形鋼Ｃ＿８９×４４．５×１２におけるリップ長Ｃと弾性ゆがみ座屈強度の関係を示すもので、縦軸は弾性座屈強度σｅを、横軸はリップ長Ｃを示している。図中には板厚の異なる３つの計算結果を示しており、強度の高い方から、ｔ＝２．３ｍｍ、ｔ＝１．６ｍｍ、ｔ＝１．０ｍｍの場合の結果である。それぞれの曲線の極大値を与える時の横軸の値が、ゆがみ座屈強度を最大化できるリップ長となる。形鋼Ｃ＿８９×４４．５×１２の場合は、板厚には関係なく、概ねリップ長Ｃ＝２２ｍｍの時、ゆがみ座屈強度が最大値になることが分かる。
【００１９】
また、リップ長が２２ｍｍを越えると強度は減少傾向に移るが、リップ長が３０ｍｍ前後の長さになるまでは、最大強度の約９５％に相当する強度を保っていることが分かる。これらの検討結果をリップ溝付き形鋼の形状に反映させると、例えば、ウェブせいＨ＝８９ｍｍ、フランジ幅Ａ＝４５ｍｍ、リップ長Ｃ＝２２ｍｍというように、従来技術にない薄板軽量リップ付き溝形鋼を構成することができ、ｔ＝１．０ｍｍの時の弾性ゆがみ座屈強度は、リップ長Ｃを１２ｍｍとした従来のリップ付き溝形鋼の約１．３倍の強度まで向上させることができる。
【００２０】
図７は、図６に示すようなリップ長とゆがみ座屈強度の関係曲線から、幾つかの代表的なリップ付き溝形鋼のゆがみ座屈強度を最大化できるようなリップ長を抽出し、フランジ幅Ａとの関係を示したものである。図中横軸は、フランジ幅Ａ（ｍｍ）を、縦軸はゆがみ座屈強度を最大化できるリップ長Ｃｄ（ｍｍ）を示している。図中には３種類の形鋼の計算結果を示しているが、実線（○）は形鋼のウェブせいＨ＝８９ｍｍの結果を、点線（◇）は形鋼のウェブせいＨ＝１１０ｍｍの結果を、破線（△）は形鋼のウェブせいＨ＝１３３．５ｍｍの結果をそれぞれ示している。ウェブせいＨの影響により僅かな変化はあるものの、概ねフランジ幅Ａの値によりリップ長Ｃｄの値を定めることができる。  
【００２１】
上記結果から、ゆがみ座屈強度を最大化するためのリップ長Ｃｄとウェブ幅Ａとの関係は、下記の式（２）で評価することができる。
Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−７．５・・・・（２）
図８には、上記（２）式により求められるリップ長Ｃｄの最適値の曲線を点線の丸２で示す。最大強度のほぼ９５％以上の強度があれば、使用上問題がないので、上下限にその範囲を設定する。図中最適値の曲線の最大強度の９５％程度に保たれる上限の曲線を実線丸１で示し、最適値の曲線の最大強度の９５％程度に保たれる下限の曲線を実線丸３で示す。
実線丸１で示される上限の曲線は、下記の式（３）で示される。
Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ＋１・・・・（３）
実線丸３で示される下限の曲線は、下記の式（４）で示される。
Ｃｄ＝−０．００３２Ａ２＋０．８Ａ−１６・・・（４）
【００２２】
図９は、図８で示される丸１〜丸３の曲線に加え、式（１）により与えられ板厚の上限値であるｔ＝２．３ｍｍとして計算した結果を破線丸４で示し、ＪＩＳで規格される範囲を丸５で示し、鉄鋼連盟の薄板軽量形鋼の規格の範囲を丸６で示す。板厚が２．３ｍｍより薄くなる場合では、破線丸４は本願発明の下側に推移し、即ち、式（１）で与えられる範囲は、本願発明の範囲外である。
【００２３】
ＪＩＳ規格の範囲は、リップ長Ａが２５ｍｍを越える範囲ではないから、本発明の範囲外である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】リップ付き溝形鋼の断面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）従来のリップ付き溝形鋼のフランジ幅とリップ長の関係を示す図である。
【図３】従来のリップ付き溝形鋼のフランジ幅とリップ長の関係を示す図である。
【図４】（ａ）（ｂ）薄板軽量形鋼の弾性座屈曲線を局部座屈と全体座屈に分けて示す図である。
【図５】（ａ）（ｂ）薄板軽量形鋼の弾性座屈曲線を局部座屈と全体座屈に分けて示す図である。
【図６】リップ付き溝形鋼のリップ長Ｃと弾性ゆがみ座屈強度の関係を示す図である。
【図７】フランジ幅とゆがみ座屈強度を最大化できるリップ長の関係を示す図である。
【図８】フランジ幅とゆがみ座屈強度を最大化できるリップ長の関係を示す図である。
【図９】フランジ幅とゆがみ座屈強度を最大化できるリップ長の関係を示す図である。
【図１０】リップ付き溝形鋼の局部座屈、ゆがみ座屈、曲げねじれ座屈、曲げ座屈の座屈性状、断面状態を示す図である。
【図１１】リップ付きＺ形鋼の断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    リップ付き溝形鋼
２    ウェブ
３    フランジ
４    リップ
５    リップ付きＺ形鋼
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005105557.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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