(57)【要約】【課題】  柱用に使用されるＨ形鋼において断面積を増減せず、弱軸回りの断面係数の値Ｚｙを強軸回りのそれＺｘと同様水準に強化する。Ｈ形鋼と同等コストで製造する。【解決手段】  通常のＨ形鋼に対して、同一断面積のままフランジ厚を小さくし、その分でフランジ尖端に突起を設けてリップＨ形鋼とする。Ｚｙ／Ｚｘの値を約１／３から１／２以上に上げる。同様に通常の角形鋼管柱に対して、同一断面積を持つＨ形鋼のフランジ厚を小さくし、その分でフランジ尖端に突起を設けてリップＨ形鋼とし、各部寸法を適切に設定してＺｙとＺｘの値を角形鋼管の断面係数Ｚと同等とする。該リップＨ形鋼は既存の熱延ラインに新規の固定挫屈拘束ブロックと一対の圧下ロールとから成る曲げ加工機を後設し、従来と同一能率でフランジ外縁部を曲げ加工してリップを形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽量リップＨ形鋼と同様の断面形状のＨ形鋼であって、通常のＨ形鋼と同一断面積を持ち、リップ厚をフランジ厚以上とし、フランジ幅とリップ幅とウェブ幅を適宜選定することにより、強軸回りの断面係数Ｚｘを前記通常Ｈ形鋼と同水準とし、且つ弱軸回りの断面係数Ｚｙを強軸回りの断面係数Ｚｘの０．５以上１．０以下とすることを特徴とするリップＨ形鋼。
【請求項２】
軽量リップＨ形鋼と同様の断面形状のＨ形鋼であって、一様肉厚の角鋼管柱と同一断面積を持ち、リップ厚をフランジ厚以上とし、フランジ幅とリップ幅とウェブ幅を適宜選定することにより、強軸回りの断面係数Ｚｘを該角鋼管柱と同水準とし、且つ弱軸回りの断面係数Ｚｙを前記Ｚｘの０．８以上１．０以下とすることを特徴とするリップＨ形鋼。
【請求項３】
対向した１対の溝形鋼をフランジとし、１枚の広幅平鋼をウェブとしてＨ形に溶接組立てすることにより該溝形鋼の側壁部をリップとすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したリップＨ形鋼。
【請求項４】
Ｈ形鋼の熱間圧延において圧延終了後、フランジの中央部内外面に平行接近して固定配置した挫屈拘束ガイドにより該フランジの中央部は間隙をもって挟むが外縁部ははみ出させ、該はみ出し分をロールにより圧下し、内側に連続的に曲げてリップを形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したリップＨ形鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼構造建築物の柱材・梁材などに使用されるＨ形鋼において、断面曲げ性能の優れたリップＨ形鋼に関している。
【背景技術】
【０００２】
鋼構造の大きな建築物には重量のＨ形鋼がよく使用される。通常のＨ形鋼では曲げ耐力（断面係数Ｚに関わる）及び曲げ剛性（断面２次モーメントＩに関わる）は強軸（両フランジと平行な中立軸（図１中ＸＸ））回りと弱軸（ウェブと平行な中立軸（図１中ＹＹ））回りとでは大きく異なり、等辺の場合ではＺｙはＺｘの約１／３である。
【０００３】
柱材として使用する場合、しばしば耐力の大きい強軸方向（フランジ面）をラーメン構造、弱軸方向を筋交いで補強するブレース構造とされる。ブレース構造では窓の取付が大きく制限される。窓を優先する場合、柱材にはＨ形鋼ではなく角形鋼管や円形鋼管を使用して全面ラーメン構造とされる。柱材としてＨ形鋼の適用を上げるには弱軸強度を大幅に改善しなければならない。
Ｈ形鋼を梁材として使用する場合にはフランジ面が水平になるように組み立てられ大きな荷重に耐えられる。
【０００４】
柱材用の角形又は円形の鋼管にも問題がある。
１）  鋼管は熱延厚板を管状に冷間曲げ加工し、溶接によって閉じるやり方で製造されるので熱延大量生産のＨ形鋼よりもコストがかなり割高になる。
２）  Ｈ形鋼では『当て板ボルト接合』により軸延長や組立が容易であるが鋼管では手が入らず何らかの細工が必要になる。
３）  Ｈ形鋼では両フランジ間の空間は配管・配線などへの利用価値があるが鋼管では別にスペースを設けなければならない。
【０００５】
他方住宅や軽量倉庫などには鋼材量が節減される軽量Ｈ形鋼が使用される。該形鋼は数ｍｍ厚の熱延又は冷延の薄鋼帯を溶接によってＨ形に組み立てられる。
なかでも非特許文献１にあるように、フランジ部を事前に冷間圧延などによって溝形に成形したリップ軽量Ｈ形鋼（文献中図３，本願図面中の図４）は他のＨ形鋼規格では見られない特徴を持つ。この場合寸法を適切に設定することよにより角鋼管と同様両軸同等の曲げ性能にすることは可能と推測される。さらに難解な挫屈問題に対して、Ｈ形よりもリップ付きＨ形は明らかに有利になり、実際かなり多用されている。
【０００６】
軽量リップＨ形鋼の上記特徴を通常のＨ形鋼に展開できれば適用範囲の拡大とコスト有利により好都合だが製造上の問題が多いので未だ見られない。
１）  既存の熱間圧延Ｈ形鋼の圧延ラインにおいてリップを形成することは孔型の増加やロールとロール駆動軸の配置の関係で極めて困難である。性能向上のためリップ厚をフランジ厚よりも大きくすることはなおさら困難になる。熱延直後のフランジ部を曲げ加工するような加工機や曲げ工程を附加した熱延ラインは見あたらない。
２）  溶接組立方式ではリップ形成は容易になる。溶接Ｈ形鋼の溶接点は通常２点であるが、Ｈ形鋼にリップを取り付けるやり方では４点、７枚の板を組み立てる場合は６点になりコスト問題が大きくなる。
３）  溶接組立において軽量リップＨ形鋼のようにフランジを形成する素材厚板を事前に溝形成形すれば溶接点は２点に維持されコスト負担は軽減されるが、フランジとリップのそれぞれの厚さの最適化ができない（同一になる）。
【０００７】
特許文献１（先行例）にはＨ形鋼の問題である弱軸回りの耐力不足を補う方法が開示されている。それによるとフランジ中央部の肉厚を減らしその分だけフランジ両外縁部を厚くし、強軸回り断面係数Ｚｘの大きさはほぼ維持しながら、弱軸回りの断面係数Ｚｙを大きくする。
原型のＨ形鋼と同一断面積（圧縮耐力は同等になる）を持ち、Ｚｙ／Ｚｘの値は０．３４から最大０．４６に向上と例示されている。
【０００８】
上記Ｈ形鋼の問題を挙げる。
１）  Ｚｙ値は向上したがブレースを無くするにはまだ不十分である。
２）  Ｈ形鋼の特徴の一つである『当て板ボルト接合』による柱・梁の延長や組立が容易に対して、当該改良はフランジ外面に段差が生ずるので特別の異厚板厚の当て板を必要とする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ふぇらむVol.20(2015)No.11,p19『Ｈ形鋼の日本工業規格およびその構造性能』
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開2002-180597
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
通常のＨ形鋼において曲げ耐力・曲げ剛性はフランジとウェブの方向で大きく異なり、そのため柱材として使用する場合、一方はラーメン構造に対応容易だが他方は強度不足によりしばしばブレース構造（窓が組込にくい）を余儀なくされる。多用されている角形鋼管・円形鋼管と競争するには弱軸回り断面性能の向上が不可欠である。
フランジ厚を２段にして断面係数比Ｚｙ／Ｚｘを向上させる先行例では該比は０．５未満でありブレース除去には不十分である。またボルト接合に異厚の当て板を必要とする問題がある。
鋼管柱は強度の異方問題は無いがコスト高、ボルト接合の困難及び柱内空間の利用困難と言う問題がある。他にコストがＨ形鋼に比較して相当高い。
【００１２】
本発明のＨ形鋼は、鋼管柱と代替容易となるよう、鋼管柱と同一単重（ｋｇ／ｍ）において強軸断面係数Ｚｘが同等であり弱軸断面係数ＺｙがＺｘの０．５以上ないし同等に向上させるとともに、製造コストは鋼管柱よりも小さくすることを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１発明は、軽量リップＨ形鋼と同様の断面形状のＨ形鋼であって、通常のＨ形鋼と同一断面積を持ち、リップ厚をフランジ厚以上とし、フランジ幅とリップ幅とウェブ幅を適宜選定することにより、強軸回りの断面係数Ｚｘを前記通常Ｈ形鋼と同水準とし、且つ弱軸回りの断面係数Ｚｙを強軸回りの断面係数Ｚｘの０．５以上１．０以下とすることを特徴とするリップＨ形鋼である。
【００１４】
第２発明は、軽量リップＨ形鋼と同様の断面形状のＨ形鋼であって、一様肉厚の角形鋼管柱と同一断面積を持ち、リップ厚をフランジ厚以上とし、フランジ幅とリップ幅とウェブ幅を適宜選定することにより、強軸回りの断面係数Ｚｘを該角形鋼管柱と同水準とし、且つ弱軸回りの断面係数Ｚｙを前記Ｚｘの０．８以上１．０以下とすることを特徴とするリップＨ形鋼である。
【００１５】
第３発明は、対向した１対の溝形鋼をフランジとし、１枚の広幅平鋼をウェブとしてＨ形に溶接組立てすることにより該溝形鋼の側壁部をリップとすることを特徴とする第１発明又は第２発明に記載したリップＨ形鋼である。
【００１６】
第４発明は、Ｈ形鋼の熱間圧延において圧延終了後、フランジの中央部内外面に平行接近して固定配置した挫屈拘束ガイドにより該フランジの中央部は間隙をもって挟むが外縁部ははみ出させ、該はみ出し分をロールにより圧下し、内側に連続的に曲げてリップを形成することを特徴とする第１発明又は第２発明に記載したリップＨ形鋼である。
【００１７】
述語の定義として、『同水準』とは本来同一が望ましいが、小差であれば実用上問題が無いこと、溶接部面積や角部の面積の差異に起因する計算上の差異が生ずることから±５％の差異を許容することとする。
【発明の効果】
【００１８】
１）  鉄骨柱に使用される通常のＨ形鋼に対して、本発明のリップＨ形鋼は同一断面積により同等圧縮強度を持ち、同等の強軸曲げ強度を持ち、弱軸強度はリップの効果により大きく向上するので、先行の異厚Ｈ形鋼よりもブレースが不要となる条件が緩和され窓の組込が容易になる。
２）  通常の角形鋼管柱に対して、本発明のリップＨ形鋼は同一断面積により同等圧縮強度を持ち、適切な寸法設計により両軸同等の曲げ強度を持つので鋼管柱に代替可能になる。
その上、鋼管柱に無いＨ形鋼の利便性が維持される。ａ）ボルト接合が容易である。ｂ）フランジ間の空間を配管や配線のスペースに利用することができる。
３）  本発明のリップＨ形鋼は熱延溝形鋼を素材とし溶接組立によって製造することができ、鋼管柱よりもコスト優位になり得る。
４）  本発明のリップＨ形鋼は既存のＨ形鋼熱延ラインに後続・直結した比較的簡単な曲げ加工機によりリップを形成することができるので通常の熱延Ｈ形鋼とほぼ同等のコストで製造することができ、角形鋼管柱、円形鋼管柱よりも一層コスト有利になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のリップＨ形鋼の断面形状を従来のＨ形鋼と比較して示す。
【図２】本発明のリップＨ形鋼の断面形状を従来の角形鋼管柱と比較して示す。
【図３】本発明のリップＨ形鋼のフランジとなる部材の溝形鋼を例示する。
【図４】軽量リップＨ形鋼の断面形状を示す。
【図５】リップを形成する曲げ加工機の概略正面図Ａ、側面図Ｂである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１ａは柱に使用される通常のＨ形鋼の、図１ｂは先行例の異厚フランジを持つＨ形鋼の、図１ｃは本発明のリップＨ形鋼のそれぞれの断面を示す。１はウェブ、２はフランジ５はリップである。通常のＨ形鋼に対して異厚フランジＨ形鋼、リップＨ形鋼はそれぞれ同一断面積を持ち、従って鋼材量は同一、圧縮強度も同一となる。
【００２１】
通常のＨ形鋼は熱延により又は３枚の鋼板を溶接組立によって製造されている。図１ａのＨ形鋼では一般的なウェブとフランジが同一長さの例を示す。弱軸ＹＹ回りの断面係数Ｚｙは強軸ＸＸ回りの断面係数Ｚｘの約１／３である。
異厚フランジＨ形鋼では、フランジ幅中央部４を薄肉としその分フランジ幅外縁部３を厚肉とするので曲げ歪みの大きい部分が増加して、Ｚｘは維持しつつＺｙを強化している。柱材として適用可能範囲が広がることが期待される。異厚フランジＨ形鋼は既存の熱延ラインで容易に製造されると記されている。
【００２２】
図１ｃの本発明のＨ形鋼ではフランジ全体を薄肉化し、その分でフランジ端部に新たに厚肉の突起（リップ５）をウェブ１と平行に設けリップＨ形鋼としている。『適切な寸法設定』によりＺｘは通常Ｈ形鋼と同等でＺｙは一層強化することができる。Ｚｙ／Ｚｘ比が０．５以上になればラーメン構造の採用が前者よりも一層容易になる。
【００２３】
図２ａは多用されている角形鋼管柱６の断面を、図２ｂは本発明のリップＨ形鋼の断面を示す。それぞれ同一断面積を持ち、従って鋼材量は同一、圧縮強度も同一である。
前者では正方形であるからＸ，Ｙ方向同一の断面性能を持つ。後者では『適切な寸法設定』によりＺｘ＝Ｚｙとし、且つ前者のＺと同等とすることができる。従って強度上は角鋼管と代替可能となる。
【００２４】
弱軸断面係数Ｚｙの値を大きくするには、中立軸からより遠くでより厚肉にすることが有効であることが原理式から解る。従ってリップ厚はフランジ厚よりも大きくする方が望ましい。同一以下だとその分リップ幅を大きくしなければならず、Ｚｘ値が小さくなってくる。但しＺｙ値は不変である。またリップ幅が大きくなるとＨ形の開口幅が小さくなり開口内に配管・配線を行う工事がやりにくくなる。
【００２５】
本発明のリップＨ形鋼は溶接組立により容易に製造することができ鋼管柱よりもコスト有利である。
図３は溶接組立に際して、フランジ部を構成する部材の断面形状を示す。適切な肉厚の溝形鋼が使用されるので通常の溶接Ｈ形鋼よりも低いコストで製造することができる。
【００２６】
最もコスト優位なリップＨ形鋼の製造方法を説明する。まず既存の熱間圧延ラインにより先行例で示された方法によってフランジ幅の大き目の異厚フランジのＨ形鋼を形成する。該ラインに後続してリップを形成する曲げ加工機を設け、該曲げ加工機により該フランジの外縁部を厚肉部の根っこの部位で折り曲げてリップを形成する。
図５は新規曲げ加工機の例を示し、図５Ａは正面図、図５Ｂは側面図である。曲げ加工機は該ラインにまたがって固定されている挫屈拘束ブロック１１と該ラインを走行しつつ該ブロックを貫通するＨ形鋼１２のフランジ１３、１３’を圧下してフランジ外縁部（厚肉部１９，１９’）を曲げるロール１４、１４’とから成る。
該挫屈拘束ブロック１１はフランジ外面に平行接近して配置された左右２個の外面拘束ガイド１５，１５’とフランジ内面に平行接近して配置された上下２個の内面拘束ガイド１６，１６’と該４個のガイドを連結する連結体１７，１７’とから成る。
【００２７】
外面拘束ガイド１５，１５’の幅はフランジ中央部の薄肉部１８，１８’と同一幅とする。内面拘束ガイド１６，１６’のウェブからの高さは外面拘束ガイド１５，１５’よりも多少低くすると曲げやすい。フランジ薄肉部１８，１８’は前記内外拘束ガイドにより間隙を持って挟まれ、フランジの厚肉部１９，１９’は該ガイドから外にはみ出すことになる。フランジの厚肉部１９，１９’は前記ロール１４，１４’により圧下され内側に曲がってリップ２０，２０’となる。
【００２８】
大量生産のＨ形鋼と同一能率、ほぼ同一工程で生産されるのでコストはほぼ同等になり厚板の冷間成形＋溶接による鋼管柱よりも明らかにコスト有利になる。
【実施例】
【００２９】
表１に、『適切な寸法設定』の例として、図１の形状と、図２の形状に対してそれぞれ具体的寸法によって算出した数値を示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
４００ｍｍ角のＨ形鋼（図１ａ）に対して同形先行例（図１ｂ）ではＺｙ／Ｚｘ値は０．３４から０．４０へ、本発明（図１ｃ、外径４００ｍｍ×５００ｍｍ）では０．７４まで向上する。該Ｚｙ／Ｚｘの値を０．５以上と特定した理由は、先行例がいずれも０．５未満であり、先行例よりも優れｍブレース省略に有利となることを明確にするためである。
１．０以下と特定した理由は同等以上の向上を必要としないからである。
【００３２】
４００ｍｍ角の角柱（図２ｄ）に対して本発明のリップＨ形鋼（図２ｅ、３６０×５２０）のＺｙ，Ｚｘは角柱と同一になっている。
前記Ｚｙ／Ｚｘの値を０．８以上と特定した理由は、実質的にはＺｙとＺｘ同等であり使用上に問題ないが、製造を容易にするため多少の方位性の許容範囲を考慮したことにある。
【００３３】
リップ厚をフランジ厚の２倍とした本発明３においてもリップ高さＣを適切に設定することにより角柱と同一性能が得られることが表１から解る。
【符号の説明】
【００３４】
１；ウェブ    ２；フランジ    ３；フランジ幅中央部    ４；フランジ幅外縁部    ５；リップ    ６；角形鋼管柱    ＸＸ；強軸    ＹＹ；弱軸
１１；挫屈拘束ブロック    １２；Ｈ形鋼    １３，１３’；フランジ    １４，１４’ロール    １５，１５’；外面拘束ガイド    １６，１６’；内面拘束ガイド    １７，１７’；連結体    １８，１８’；薄肉部    １９，１９’；厚肉部    ２０，２０’；リップ
【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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