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日本建築学会大会学術講演梗概集（北海道） 2013 年 8 月

電炉 鋼 材 を 用い た 冷 間 ロ ール 成 形 角 形 鋼管 の 構 造 性能
その 1
電炉 鋼 材
引張特性

材料特性
正会員
板谷
冷 間 ロ ー ル 成形 角 形 鋼 管 材 料 特 性
衝撃特性
溶接部

俊臣 * 1服部

和徳 * 2見波進＊ 3 中込忠男 * 43

表 1 試験片一覧( 母材性能試験)
サイズ
化学成分分析
引張試験
衝撃試験
1 ．はじめに
平板部
平板部
角部□-150×6
電炉材は主原料が鉄スクラップであり、製鋼時の5号
14B号
角部
平板部
平板部
角部
消費エネルギーや C O 2 排出量が少ない鋼材である。こ□-250×12
平板部
角部
1A号
14B号
角部
れ ま で 電 炉 平 幅 平 鋼 例えば 1 ） や 圧 延 H 形 鋼 例えば 2 ） に つ
平板部
平板部
角部
□-400×22
平板部
角部
1A号
14B号
角部
いての研究がなされてきているが、冷間ロール成形角形鋼管についての研究はなされていない。そこで
5 .53.5
本研究では、電炉鋼材を用いた冷間ロール成形角形
5裏面
表面
裏面
表面
鋼管の構造性能について検討した。その１では、材料特性について報告する。
角部
平板部
角部
2 ．母材性能試験
平板部
表 1 に試験片一覧を示す。試験は化学成分分析、引□ -250 × 12
□ -400 × 22
張試験およびシャルピー衝撃試験を実施した。試験片
図 1 シャルピー試験片採取位置
S Cu Ni Cr Mo Ti
N Free N Ceq JIS Pcm ｆHAZ
採 取 位 置 は 、 平 板 部 お よ び 角 部 と し た 。 引 張 試 験 片 は サイズ 採取位置 C Si表 Mn2 P化学成分分析結果(母材)
平板部 0.16 0.02 0.40 0.015 0.001 0.34 0.18 0.13 0.02 0.005 0.0043 0.0027 0.26 0.21 0.34
平板部、角部とも全厚の試験片とし、試験片形状は表□-1500.16 0.02 0.40 0.014 0.001 0.34 0.18 0.13 0.02 0.005 0.0048 0.0027 0.26 0.21 0.34
角部
1 に示す通り、J I S Z 2 2 4 1 : 2 0 1 1 ( 金属材料引張試験方
平板部 0.16 0.02 0.40 0.014 0.001 0.34 0.18 0.13 0.02 0.005 0.0043 0.0027 0.26 0.21 0.33□-250
0.16 0.02 0.40 0.014 0.001 0.34 0.18 0.13 0.02 0.005 0.0044 0.0021 0.26 0.21 0.33
角部法) に示される形状とした。衝撃試験片は、J I S Z 2 2 4 2 :平板部 0.16 0.02 0.52 0.018 0.003 0.28 0.16 0.17 0.02 0.014 0.0044 0.0008 0.29 0.21 0.35□-400
2 0 0 5 ( 金属材料のシャルピー衝撃試験方法) に示される
0.16 0.02 0.52 0.017 0.003 0.28 0.16 0.17 0.02 0.014 0.0045 0.001 0.29 0.21 0.34
角部
V ノ ッ チ 試 験 片 と し た 。 ノ ッ チ 位 置 は 表 面 ノ ッ チ と し Ceq JIS=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5Bた。図 1 にシャルピー試験片採取位置を示す。
ｆHAZ=C+Mn/8+6(P+S)+12N-4Ti (Nはトータル窒素を表し、Ti≦0.005％の時は、Ti=0とする。)
2 . 1 母材性能試験結果
表 3 引張試験結果一覧( 母材)
表 2 に化学成分分析結果を示す。フリー窒素は
σyσu
Y.R.
εu
EL.
角部/平角部/平試験体サイズ 採取位置％％％N/mm 板部(σy) N/mm 板部(σu)
3 0 p p m 以下であった。これは T i 添加と脱ガス処理によ40149980
1434平板部□-150×61.181.04るものだと考えられる。
47251891317角部
402486831328平板部□-250×121.191.08
表 3 に引張試験結果一覧( 母材) を示す。図 2 に応47752591318角部
395480821428
平板部
力 ー ひ ず み 関 係 を 示 す 。、 既 往 の 研 究 結 果 と 同 様 、 角 部□-400×22
1.10
1.02433489
89526角部*σy：0.2％オフセット耐力、σu：引張強さ、Y.R.：降伏比、εu：一様伸び、EL.：破断伸びは平板部に比べて、0 . 2 ％オフセット耐力および引張700
700
強 さ 共 に 上 昇 し て い る 事 を 確 認 し た 。 ま た 、 一 様 伸 び 700□‐400□‐250600□‐150600 角部
600 角部
角部
平板部
平板部
平板部は低下している。
500
角部500500
角部
平板部
400400平板部
表 4 に 衝 撃 試 験 結 果 一 覧 ( 母 材 ) を 示 す 。 図 3 に 遷 400300300300
移カーブを示す。角部と平板部の 0 ℃シャルピー吸収角部
200200200平板部
エ ネ ル ギ ー を 比 較 す る と 、 角 部 の 方 が 若 干 小 さ い 値 を 100
100100000示し、図 3 より遷移温度も平板部より若干ではあるが010203040500102030405001020304050ε(%)
高温側へシフトしているが比較的高い値であった。加ε(%)ε(%)
図 2 応力ーひずみ関係
工硬化している角部の吸収エネルギーが比較的高い結果だったのは、フリー窒素が低減されている為だと考
表 4 衝撃試験結果一覧( 母材)
E (J)B (%)
E (J)
T (℃)
T (℃)
試験体サイズ
採取位置えられる。
10231244-34-23平板部□-250×123 ．溶接部性能試験
10190247-11-11角部
6平板部
222222-30-22
表 5 に試験体一覧を示す。試験体のサイズは、□ □-400×2216角部
216218-25-16
4 0 0 × 2 2 とした。溶接試験体は、角形鋼管とダイアフ
E ：0℃吸収ｴﾈﾙｷﾞｰ 、vB ：脆性破面率、 E ：上部棚吸収ｴﾈﾙｷﾞｰ、 T ：ｴﾈﾙｷﾞｰ遷移温度、 T ：破面遷移温度
100300ラムを溶接した通しダイアフラム試験体と、角形鋼管
100300□‐250□‐400 9090を接合した柱ー柱試験体を準備した。試験体形状を図250250808070704 に試験片形状および採取位置を図 5 に示す。
2002006060
通しダイアフラム試験体からは継手引張試験体およ角部
角部
5015015050角部
平板部
平板部
40平板部 40
び D E P O 引 張 試 験 片 を 採 取 し 、 柱 ー 柱 試 験 体 か ら は 、 100
100
平板部
3030角部
2020
シャルピー衝撃試験片を採取した。試験体一覧( 溶接50501010部) を表 6 に示す。
0000-120-100-80-60-40-20020406080
100-120-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
溶接は、開先角度 3 5 度、ルート間 隔 7 ｍｍ、裏当て温度(℃)
温度(℃)
金付きとし、溶接ロボット( 下向き) を用いて施工を実図 3 シャルピー試験結果( 遷移カーブ)
σ(N/mm 2 )V shelf

V EV shelf

吸収エネルギー(J)0

脆性破面率(%)

吸収エネルギー(J)V 0ｖ 0V E

V S

V S

脆性破面率(%)

V 0

Structural Performance of Cold Roll-Formed Reactangular Column
Part.1 Material Propety

2σ(N/mm 2 )σ(N/mm 2 )2

ITATANI Toshiomi, HATTORI Kazunori, MINAMI Susumu, NAKAGOMI Tadao― 1191 ―表 5 試験体一覧( 溶接部)□-400*22
平板部
角部
33266

試験項目
通しダイア試験

引張試験

柱-柱継手試験

衝撃試験

十字継手
DEPO
WM
HAZ

表 6 溶接条件一覧
電圧(V)

入熱(kJ/cm)

パス間温度(℃)

積層図

平板部

277 ～ 350

29 ～ 37

18 ～ 41

14 ～ 322

6角部

263 ～ 311

28 ～ 3519 ～ 42

14 ～ 29722

部位電流(A)

754321

表 7 ( a ) 引張試験結果一覧( 十字継手)
2

試験体サイズ

採取位置 σmax(N/mm )496495497557553572

平板部□-400×22
角部

破断位置
母材(角形鋼管)
母材(角形鋼管)
母材(角形鋼管)
母材(角形鋼管)
母材(角形鋼管)
母材(角形鋼管)*σmax：最大応力表 7 ( b ) 引張試験結果一覧( D E P O )試験体サイズ 採取位置□-400×22

σyN/mm2σu
N/mm2

Y.R.
％

εu％

EL.
％

434

544

80

1730DEPO

432
550
791933*σy：降伏点、σu：引張強さ、Y.R：降伏比、εu：一様伸び、EL.：破断伸び
700

700

600

600500500
σ(N/mm2 )σ(N/mm2 )施した。使用溶接ワイヤは J I S Z 3 3 1 2 : Y G W 1 8 を使用した。溶接条件は、入熱 4 0 k J / c m 以下、パス間温度 3 5 0 ℃以下を目標値とし、6 層 7 パスとした。溶接施工条件結果一覧を表 6 に示す。2 パス目、3 パス目で目標入熱量 4 0 k J /c m を若干超 えている 。
3 . 2 溶接部性能試験結果
表 6 に引張試験結果一覧を示す。図 6 に応力ーひずみ関係を示す。十字継手引張試験の破壊性状を写真 1 に示す。十字継手試験について伸びの計測は歪みゲージを用いて、D E P O 引張試験 は伸び計 を用いて 実施した 。十字継手引張試験において、破壊は全て母材での破断であった。
また、角部と平板部を比較すると、降伏応力ならびに最大応力は角部の方が高い値となった。
表 8 にシャルピー試験結果一覧を示す。図 7 に遷移カーブを示す。溶着金属の 0 ℃シャルピー吸収エネルギーは、8 3 J であり母材および H A Z に比べ低い値である。H A Zの 0 ℃シャルピー吸収エネルギーは 2 2 2 J であり高い値であった。これは T i 添加効果によるものだと考えられる。
4 . まとめ
電炉鋼材を用いた引張試験および衝撃試験を実施した
結果以下の知見が得られた。
１）冷間加工の影響により、平板部に比べ角部の 0 . 2 ％オ
フセット耐力は、1 . 1 0 ～ 1 . 1 9 倍に、引張強さは 1 . 0 2 倍～ 1 . 0 8 倍に上昇した。
２）角部の 0 ℃シャルピー吸収エネルギーは、平板部に比べ若干低下し、遷移温度は高温側へシフトするが、□ 2 5 0 試験体で v E o = 1 9 0 J 、□ - 4 0 0 試験体で v E o = 2 1 6 J 、□ 4 0 0 試験体（H A Z 部）で 2 2 2 J であり、比較的高い値であった。これは、T i 添加と脱ガス処理によるものだと考えられる。
3 ）溶接部十字継手引張を実施した結果、溶接部からの破断はなく、母材破断であった。

400角部

300

平板部

200400300200

DEPO1DEPO21001000001234567890101020304050ε(%)ε(%)

十字引張試験
図 6 応力ーひずみ関係

DEPO【参考文献】
1 ）藤本盛久、青木博文、中込忠男、寺田真一、脇山広三：電炉広幅平鋼( S M 5 0 A )の素材および溶接部の力学的性質、日本建築学会構造系論文報告集、1 9 9 0 年 9 月
pp.89-103
2 ) 嶋徹、中込忠男: 圧延 H 形鋼の溶接性を含む機械的性質－電炉材と高炉材の性能比較－、溶接学会論文集 第 2 3 巻 第 3 号 平成 1 7 年 8 月 p p . 4 4 2 - 4 5 1通しダイアフラム

角形鋼管

角形鋼管

写真 1 破壊性状( 十字引張試験)

28326 1166300

溶接金属引張十字継手引張シャルピー衝撃試験結果( 溶接部)

VE0 (J)VT E (℃)
VT S (℃)
採取位置ｖ B0 (%)
82
83019WM(角部)□-400×220222-48-40HAZ(角部）
VE0：0℃吸収ｴﾈﾙｷﾞｰ 、vB0 ：脆性破面率、 VT E ：ｴﾈﾙｷﾞｰ遷移温度、 VT S：破面遷移温度

6φR611 6

表8
試験体サイズ

φ12 ﾋﾟｯﾁ1.5300

300

10010090250

十字継手引張(平板部)

十字継手引張(平板部)

W.M.引張(平板部)

8070200605015040100302050

脆性破面率(%)

吸収エネルギー(J)

十字継手引張(角部)吸収エネルギー(J)

十字継手引張(角部)90250

80702006050150

40100302050

1111100-120 -100 -80 -60 -40 -20

WM

2040

温度(℃)

7

図5006080 100100-120 -100 -80

0-60 -40 -20

020406080

100

温度(℃)

溶着金属

HAZ

試験件形状および採取位置

脆性破面率(%)

300

25 2540

通しダイアフラム試験体 柱ー柱試験体
図 4 試験体形状

HAZ
図 7 遷移カーブ* 1 東京製鐵( 株)・博士( 工学)* 2 一般財団法人ベターリビングつくば建築試験究センター・博士( 工学)* 3 東京電機大学理工学部 准教授・博士( 工学)* 4 信州大学工学部 教授・工博― 1192 ―*1 Tokyo Steel Co.,Ltd, Dr.Eng.
*2 Tsukuba Building Test Laboratory of Center for Better Living, Dr.Eng.
*3 Associate Prof., School of Science and Eng.,Tokyo Denki Univ., Dr.Eng.
*4 Prof., Faculty of Eng., Shinshu Univ., Dr.Eng.