中空鋼形材は、北米では中空構造セクション (HSS)、ヨーロッパでは中空セクションと呼ばれることが多く、正方形、長方形、円形で製造される閉断面鋼部材です。これらは、橋のトラス、建物の柱、クレーン構造、送電鉄塔、仮設工事、およびモジュール式鋼橋に見られます。その利点を理解する最も簡単な方法は、熱間圧延された HEA または IPE 柱と同じ高さ、同じ鋼質量の正方形の中空セクションは、通常、約 20 ~ 30 パーセント大きい回転半径を提供し、これにより座屈のリスクが直接減少し、鋼を追加することなく使用可能な軸方向荷重容量が増加します。これらの数値は、ユーロコード 3 の設計例や標準的な工場カタログで使用されているものなど、公開されているセクション特性テーブルから取得されています。この記事では、正方形、長方形、円形の中空形材の実際の違い、製造ルートによって機械的挙動がどのように変化するか、どの材料規格が適用されるか、断面特性の読み方、モジュール式鋼橋製品で中空断面がどのように使用されるか、防食の指定方法、および発注前の調達チェックリストに記載する必要があるものについて説明します。
最も一般的な質問に対する直接の答えは次のとおりです。予測可能な曲げ剛性ときれいな接続が必要な場合は正方形の中空セクションを選択し、一方向の荷重が支配的な場合は長方形の中空セクションを選択し、どの方向からでも荷重がかかる可能性がある場合は円形の中空セクションを選択し、価格を比較する前に必ず製造ルートと材料グレードを確認してください。製造ルートは残留応力、靭性、設計に使用される座屈曲線に影響を与えるため、単なる製造の詳細ではありません。
中空鋼プロファイルは、平鋼ストリップまたは加熱された丸ビレットから自由端のない閉じた断面に形成されます。 3 つの標準ファミリーは、正方形中空セクション (SHS)、長方形中空セクション (右軸)、および円形中空セクション (CHS) です。各ファミリーには異なる耐荷重特性があるため、選択プロセスの最初のステップは、断面形状を主な荷重タイプに一致させることです。
| 家族 | 形状 | 一般的なサイズ範囲 | 主な構造用途 |
|---|---|---|---|
| SHS | 正方形 | 40×40×3mm~400×400×20mm | コラム、モーメントフレーム、コード、ブレーシング |
| RHS | 長方形 | 50×30×3mm~500×300×16mm | 梁、柱、トラス部材、橋桁 |
| CHS | 円形 | 外径21.3×3.2mm~610×16mm | トラス、マリンパイル、スペースフレーム、テンションメンバー |
中空プロファイルは、そのファミリー、外形寸法、および壁の厚さによって指定されます (例: SHS 150 x 150 x 8 または RHS 200 x 100 x 6.3)。欧州の実務では、製造および公差の要件は、熱間仕上げ部分については EN 10210、冷間成形溶接部分については EN 10219 で規定されています。北米の実務では、依然として ASTM A500 が溶接炭素鋼中空構造セクションの最も一般的な仕様ですが、より厳しい公差と一貫した靭性が必要な場合は ASTM A1085 の仕様が増えています。中国では、GB/T 6728 は多くの冷間成形溶接中空セクションをカバーしています。プロジェクトがどの基準に照らしてチェックされるかを知ることは、鋼材のグレードを知ることと同じくらい重要です。
製造ルートにより、内部応力状態、溶接シームの位置、コーナーの形状、圧縮および疲労下での材料の挙動が変化します。外形寸法が同一の 2 つのプロファイルは、一方が熱間仕上げされ、他方が冷間成形された場合に異なる動作をする可能性があるため、これは純粋に学術的な区別ではありません。
繰り返しの活荷重に耐える橋梁コンポーネントの場合、疲労性能は溶接シームとコーナーの応力集中に大きく依存するため、多くの場合、熱間仕上げまたは正規化されたセクションがより安全な出発点となります。仮設工事、仮設工事、ステージ、および非疲労構造の場合は、通常、冷間成形セクションが適切であり、より経済的です。同じサイズの冷間成形セクションと熱間仕上げセクションの価格差は、市場と肉厚に応じて通常 5 ~ 10% の範囲ですが、疲労負荷がかかった継手の性能差はその数値よりはるかに大きくなる場合があります。
以下の表は、中空鋼プロファイルに一般的に使用される規格とそれに付随する材料グレード ファミリをまとめたものです。最も頻繁に行われるエンジニアリング上の決定は、ヨーロッパでは S235、S275、および S355 の間で行われ、北米では ASTM A500 グレード B とグレード C の間で行われます。
| 標準 | 製造ルート | グレード例 | 典型的なプロジェクトの背景 |
|---|---|---|---|
| EN 10210-1 | 熱間仕上げ | S235JRH、S275J0H、S355J2H | 橋梁部材、疲労負荷構造物 |
| EN 10219-1 | 冷間成形溶接 | S235JRH、S275J0H、S355J2H | 建築フレーム、ラック、二次部材 |
| ASTM A500 | 冷間成形溶接 | グレードA、B、C | 一般建築構造物、ラック、柱 |
| ASTM A1085 | 冷間成形溶接 | A1085 | 耐震フレーム、厳しい公差が必要な構造物 |
| GB/T 6728 | 冷間成形溶接 | Q235B、Q355B | 中国における一般鋼構造物及び輸出案件 |
異なる工場からの見積もりを比較する場合は、規格、グレード、衝撃要件が同じ行に書かれていることを確認してください。よくある間違いは、冷間成形 S275 プロファイルと熱間仕上げ S355 プロファイルを価格だけで比較することです。冷間成形セクションはトン当たりのコストが安くなる可能性がありますが、熱間仕上げセクションでは柱の設計で壁を薄くし、部材を軽くすることができるため、原材料のトン当たりのコストではなく、設置された構造のメートル当たりのコストを比較すると、最終的に製造された構造が安くなることがよくあります。
中空断面カタログを開くときに重要なのは、外形寸法だけの数値ではありません。以下の特性は、構造エンジニアが強度、剛性、安定性をチェックするために使用する特性です。これらは、同じ製造ルートおよび材料グレードのセクション間でのみ比較する必要があります。
| プロパティ | シンボル | 影響を受けるデザインをチェックする |
|---|---|---|
| 断面積 | A | 軸方向の引張抵抗と圧縮抵抗 |
| 面積の二次モーメント | I | 曲げ剛性とたわみ |
| 弾性・塑性断面係数 | W エル /W お願いします | 弾性または塑性領域での曲げ耐性 |
| 回転半径 | i | 細さと耐座屈性 |
| ねじり定数 | I t | ねじり剛性とねじれ制御 |
回転半径には特に注意が必要です。断面積が固定されている場合、正方形または円形の中空断面は、同じ領域の開いた I 断面よりも材料を重心から遠くに広げます。これにより、回転半径が増加し、所定の部材長さの細長比が低下します。わかりやすく言えば、座屈が設計に影響を与える前に、中空柱は開断面柱よりも長くなったり、薄くなったりする可能性があります。これが、高層のブレースフレーム、格子塔、およびモジュール式橋梁システムで中空鋼の形材が主流となっている理由であり、これらの橋梁システムは、大きなプレハブ部品として輸送し、最小限の現場作業で組み立てる必要があります。
ねじれは 2 番目の実用的な利点です。開いた I 断面はねじり応力を非効率的に分散するため、多くの場合、追加のブレースや、プレートを溶接して製造された閉じたボックスが必要になります。正方形または長方形の中空セクションは、閉じた壁を直接通るねじれに抵抗します。橋梁建設プラットフォーム、カンチレバー支持フレーム、または方向の変化による風を受けるあらゆる構造物の場合、この閉断面の動作により、必要な追加の筋交い鋼の量が削減されます。
モジュール式鋼橋は、中空鋼形材が実際にどのように使用されているかを示す好例です。典型的なベイリー橋またはパネル型モジュラー橋は、主桁に高強度のピン接続トラス パネルを使用していますが、周囲の構造システムでは、横梁、横筋交い、風弦、パラペット、手すり、および接続要素に大量の中空セクションが使用されています。主要なトラス部材は、迅速に組み立てるためにピンで留めて標準化する必要があるため、多くの場合中空セクションではありません。ただし、モジュラー橋の二次部材と支持フレーム全体は、大型車両が橋を通過するときに発生する横方向の力やねじりモーメントに抵抗するため、SHS および RHS プロファイルで作られることがよくあります。
CB-100 シリーズの場合、システムは標準化されたモジュラー パネルを使用しており、シングル レーン、ダブル レーン、強化された構成に組み立てることができます。貫通桁の設計は古典的なトラスのプロファイルを作成し、クロスブレースと垂直柱は閉じたセクションを使用して風の抵抗を低く保ち、薄い開いた水路が繰り返しの重い荷重によって被る局所的な座屈を回避します。閉断面二次ブレースで建設されたモジュラー橋を、開放水路で建設された古い設計と比較すると、閉断面バージョンでは、通常、面外振動が少なく、時間の経過に伴うメンテナンスの必要性が少なくなります。これは主に、水や道路塩が蓄積する開放端がないためです。
CB 100 (321) ベイリーブリッジモジュラーシステムサプライヤー CB 100 (321) ベイリー橋は、標準化されたパネルと閉断面クロスブレースを組み合わせて風抵抗と面外振動を低減し、単車線、複車線、補強された仮設橋のレイアウトに耐久性のあるオプションとなります。 製品を見る→ 中空セクションとモジュラーブリッジの関係は両方向に作用します。一方では、橋システム自体がその支持構造と重荷重部材に閉じたプロファイルを使用しているため、高容量モジュール式橋はトラスの深さだけでなく、閉じた断面のクロスブレーシングと荷重分散要素によっても測定されます。一方、中空鋼形材は、歩道橋、パイプライン支持橋、仮設ランプ、鋼製アプローチ橋など、多くのプレハブ橋梁コンポーネントの原材料です。橋が耐食性があり、輸送が容易である必要がある場合、閉じた断面により単位強度あたりの外表面積が減少するため、同じ性能を得るために消費される塗料や亜鉛メッキの量が少なくなります。標準モジュラーブリッジで仕様と負荷データがどのように処理されるかを確認するには、セクションサイズを決定する前の出発点として、負荷容量ガイドとシステム比較メモが役立ちます。より大きな交差点の場合、CB-200 シリーズはパネルの強度を高め、より長いスパンを可能にします。また、4 列の強化バージョンは、モジュラー システムが同じ中空セクションのブレース原理とより高いトラス容量をどのように組み合わせているかを示しています。
ベイリーブリッジの仕様と耐荷重の目安より大きな橋の構造では、中空の形材が下部デッキと上部の横システムの風よけを支えます。長方形の中空断面は、平らな側面のプロファイルにより溶接接続が簡素化されるため、格子桁の弦材によく使用されます。格子ブリッジの設計ルールでは、部材が圧縮と 2 方向の曲げにさらされる場合、開いた角度や溝よりも閉じたセクションが有利に扱われます。一部の重い橋のフレームでは、コンクリートで満たされた円形の中空部分が柱として使用され、コンクリートの高い圧縮耐性と鋼管の拘束効果が組み合わされており、これにより軸方向荷重下でのコンクリートの圧縮強度が、非補強の柱の同じコンクリートと比較して約 10 ~ 20 パーセント増加します。この改善は、国際複合柱設計規定に文書化されています。
中空断面を正しく使用するということは、断面クラス、座屈曲線の選択、接合部の動作、局所荷重の導入という 4 つの設計領域を理解することを意味します。これらのいずれかを間違えると、効率的な中空セクションが安全でないものになってしまう可能性があります。
中空セクションの壁の厚さによって、その断面クラスが決まります。クラス 1 断面では塑性ヒンジが発生する可能性があり、クラス 2 断面では塑性モーメントに達する可能性があり、クラス 3 断面では降伏には達するが塑性モーメントには至らず、クラス 4 断面では降伏応力に達する前に局所的な座屈が発生するため、有効断面積または有効断面係数を使用する必要があります。境界は通常、平らな壁の幅と厚さの比率の制限として表されます。実際上、外形寸法の約 5% の壁厚を持つ正方形の中空セクションは、S355 鋼のコンパクトな範囲に快適に収まります。薄壁の長方形セクションの場合、制限平坦幅比は、2 つの方向の平均ではなく、長い方の平坦壁の長さによって決まります。
製造ルートは、設計で使用される座屈曲線に影響を与えます。熱間仕上げされた中空セクションは、成形プロセスにより残留応力分布とコーナー降伏強度の形状が変化するため、一般に同じ公称強度の冷間成形セクションよりも良好な座屈曲線が得られます。この違いは中程度の細さの柱の場合に最も重要であり、座屈抵抗は熱間仕上げされた部材の方が 5 ~ 15 パーセント高くなります。長いモジュールスパンでは、熱間仕上げセクションを使用すると、材料コストと輸送重量の両方を低減するのに十分なだけ必要な肉厚を減らすことができます。
正方形または長方形の中空セクションで作られたトラスでは、接合容量は通常、溶接ではなく弦壁の打ち抜きせん断によって決まります。適度な角度で到達するブレース部材は、弦面上に楕円形の応力ゾーンを作成します。設計チェックでは、弦面が局所的な力を支えることができることを確認する必要があります。円形の中空セクションでは、応力の流れがより均一になると同じ問題が発生します。そのため、たとえ円形チューブの切断と取り付けに製造コストがかかるとしても、CHS 接続のほうが高い軸方向荷重に合わせて設計することが容易になることがあります。中空セクションから作られたモジュラー橋ブレースの場合、最新の接続設計方法を使用すると、ガセット プレートの数が減り、製造が簡素化されます。
中空部にはベアリングやピンなどの部材から大きな集中荷重がかかる場合があります。荷重が小さすぎる領域にかかると、閉じた壁が局所的に変形します。支持力が高い場合は、部分の局所的な降伏をチェックし、必要に応じて内部ダイヤフラムや接続ゾーンの壁を厚くして補強する必要があります。これはまさに CB-450 と重荷重システムが利点を発揮する場所です。より重い閉断面部材と強化パネルは、積載されたトラックの車軸やクレーンの活荷重からの集中力を受け入れるように設計されています。
中空部をコンクリートで充填すると、耐火性と耐局部耐力が大幅に向上します。コンクリートコアは鋼壁が内側に座屈するのを防ぎ、鋼管がコンクリートを閉じ込めることで、複合柱の軸方向の耐力が部品の合計よりもはるかに高くなります。充填 CHS 柱は高層建築では標準であり、重い橋脚や仮設支持塔でより一般的になりつつあります。仮橋の下部構造では、コンクリートを排水した後、コンクリートが充填された中空部分を再利用できますが、コンクリートを除去するために鋼材を切断するのは経済的ではないため、実際には充填された柱は通常所定の位置に残されます。
柔軟なスパンの組み合わせのための CB 200 ベイリー ブリッジ CB 200 ベイリー ブリッジは、モジュール式の組み合わせにより 21 ~ 60 メートルのスパンに適応し、GB、ANSI、および EN 規格に準拠し、再利用のために繰り返し分解できるため、緊急および半永久的な橋の用途に適しています。 製品を見る→ 中空の鋼製プロファイルは外側から腐食し、端が密閉されていない場合は内側からも腐食します。屋外の橋や重量構造物に対する最も一般的な保護システムは溶融亜鉛めっきです。このめっきでは、加工された部材を洗浄し、フラックスを塗布し、溶融亜鉛に浸漬します。亜鉛コーティングは冶金的に結合した層を形成し、傷や切断端にバリア保護と陰極保護の両方を提供します。広く使用されている ISO 1461 亜鉛めっき仕様によると、6 mm より厚い鋼の最小平均コーティング厚さは約 85 マイクロメートルであり、壁厚 8 ~ 10 mm の一般的な橋梁部材には 85 ~ 115 マイクロメートルの亜鉛コーティングが施されます。海洋環境では、亜鉛めっきとペイントトップコートの二重システムにより、メンテナンス間隔がペイントのみの場合の約 2 ~ 3 倍に延長されます。
亜鉛メッキを製造前に行うか、製造後に行うかについては、根強い議論があります。多くの中空断面構造では、溶接と穴あけ後に亜鉛メッキするのが正解です。これは、すべての切断端、穴あけ穴、溶接継ぎ目が亜鉛でコーティングされるためです。製造前にその部分が亜鉛めっきされている場合、溶接部分の亜鉛が失われるため、亜鉛を豊富に含む厚い塗料での修理が必要になります。中空部分を亜鉛メッキする場合は、通気孔も必要です。内部の高温ガスが亜鉛を押し出したり、爆発の危険を引き起こしたりしないように、内外の圧力を等しくする必要があります。共通の詳細は、閉じたセクションの端近くにある 2 つの小さな穴で、雨がチューブ内に侵入して溜まらないように配置されています。
サイズ、温度、またはコストの理由で亜鉛めっきが現実的でない用途の場合は、ジンクリッチプライマーを使用した 2 液型塗装システムが代替手段となります。表面は、清浄度 Sa2.5 までのブラスト処理や表面粗さ約 40 ~ 80 マイクロメートルなど、高水準に処理する必要があります。 C3 または C4 大気環境の塗料システムの総厚は、塗料供給業者と予想される耐用年数によって異なりますが、一般に 160 ~ 240 マイクロメートルの範囲になります。海岸の橋やトンネルなどの腐食性の高い環境では、耐候性鋼も選択肢の 1 つですが、耐候性鋼で作られた閉じた溶接部分の溶接では、溶接フィラー金属と水トラップの詳細に細心の注意を払う必要があります。これは、閉じ込められた水が閉じた形材の内側に最悪の種類の腐食を引き起こすためです。
プレハブ橋梁製品の場合、多くの場合、亜鉛メッキされた中空セクションがデフォルトです。亜鉛メッキ仕上げは、輸送中、現場保管中、組み立て中に部材を保護します。このとき、裸の鋼材は取り扱いによる損傷や錆による汚れが最も多く発生します。工場で亜鉛コーティングが施されているため、現場ではボルト接続部のタッチアップペイントのみが必要になります。モジュラー橋の亜鉛めっきバージョンとカスタマイズされた亜鉛めっき橋ソリューションは、閉じたステンレス鋼の形材または亜鉛めっき中空セクションを、50 年以上の耐用年数目標を備えた完全な橋パッケージにどのように組み合わせることができるかを示しています。実際的なポイントの 1 つは、亜鉛めっきされた中空部分を現場で溶接する必要がある場合、溶接部の亜鉛保護が失われるため、溶接直後にその領域を清掃し、亜鉛を豊富に含む塗料で再塗装する必要があるということです。
現場ですぐに組み立てられる亜鉛メッキのカスタマイズされたベイリーブリッジ この溶融亜鉛メッキのベイリー橋は、現場での組み立てを簡素化するためにカスタム設計され工場で事前に組み立てられており、厳しい自然環境に適した耐食性コーティングと信頼性の高い性能を実現する標準化されたコンポーネントが施されています。 製品を見る→ 中空鋼形材で最も一般的な調達エラーは、構造性能を制御する詳細を修正せずに標準のミル製品を注文することです。以下のチェックリストは、中空鋼形材の購入仕様書に記載する必要がある点を示しています。
ブリッジの場合は、プロファイルの寸法が使用しているモジュラー システムに適合していることも確認してください。幅が 5 mm すぎる外部コードは、パネル ライン全体の接続ジオメトリを乱す可能性があります。最も安全なアプローチは、接続間隔とピンの直径がすでに固定されているブリッジ システムのドキュメントから中空セクションのサイズを選択することです。
SHS は幅と高さが等しい正方形のプロファイル、RHS は 2 つの異なる外寸を持つ長方形のプロファイル、CHS は円形のプロファイルです。 SHS は柱とモーメント接続に適しており、RHS は梁や強い軸を持つ部材に適しており、CHS はあらゆる方向から荷重がかかる柱、海上杭、建築露出構造物に適しています。選択は、接続コスト、曲げ効率、およびねじり抵抗に影響します。
中空セクションは、成形プロセスで追加のエネルギーを消費するため、一般に熱間圧延 I セクションよりもトン当たりのコストが高くなります。ただし、2 方向に荷重がかかる柱や部材の場合、同じ容積の中空部分の重量は 10 ~ 30 パーセント軽くなり、総製造コストは低くなります。コストの比較は、製造、輸送、表面処理、接続を含む、設置された部材のコストで常に行われなければなりません。
はい。長方形の中空セクションは、荷重が主に一方向にかかる場合に非常に優れたビームです。これは、深いセクションの形状により高いモーメント抵抗が得られ、閉じた壁によりねじり安定性が得られるためです。格子桁やフレームの梁には四角形や円形の断面も使用されますが、材料が曲げ方向の中立軸からそれほど離れていないため、曲げ効率は同等の幅のRHSよりも低くなります。
断面クラスは、壁に局所的な座屈が現れる前に部材がどこまで進むことができるかを定義する分類システムです。クラス 1 では塑性解析とプラスチック ヒンジが許可され、クラス 2 では塑性モーメント抵抗が許可され、クラス 3 では弾性モーメント抵抗のみが許可され、クラス 4 では有効面積の計算が必要になります。クラスは主に平らな壁の幅と厚さの比と鋼の降伏強さによって決定されます。簡単に言うと、幅に比例して肉厚が厚いほどクラスが高く、より多くの曲げ能力を使用できます。
建物内の一般的な角柱の場合、壁の厚さは外寸の 4 ~ 8% であることがよくあります。長方形の梁の場合、壁の厚さは通常、大きい方の寸法の 3 ~ 6 パーセントになります。セクションがクラス 3 またはクラス 4 の場合、より薄い壁が許可されますが、有効幅が減少するため設計の効率が低下します。 3 mm 未満の壁厚は、溶接中に局所的な損傷や幾何学的欠陥が発生しやすいため、橋の一次構造ではほとんど使用されません。
はい、セクションが風雨にさらされている場合は可能です。密封された中空セクションは、壊れた継ぎ目や不適切に密封された溶接部から侵入する結露や水を閉じ込めます。内部の水により内部から腐食が起こり、凍結するとチューブが割れる可能性があります。低い部分にある直径約 10 ~ 15 mm の排水穴により、断面積の損失を最小限に抑えながら水を逃がします。亜鉛メッキを施した外部露出部材として中空部を使用する場合、亜鉛メッキ工程自体にも通気孔が必要となります。
はい。モジュール式パネル橋は、二次部材、ブレース、欄干、支持フレームに閉じたプロファイルを広範囲に使用します。閉じたプロファイルの高いねじり抵抗は、横方向の風荷重や荷重の偏心に耐えるのに役立ちます。さらに、閉じたセクションにより表面積が減少し、したがってコーティングコストが削減されますが、これは大型のプレハブブリッジパッケージでは重要です。標準的なベイリー橋の主トラス弦は、ピン接続設計がプレス鋼パネルに基づいているため、中空セクションではありませんが、支持要素とより重い耐荷重バリエーションは、より高い容量を達成するために閉じたプロファイルを使用しています。の ベイリーブリッジの耐荷重ガイド では、システムがスパンおよび負荷の要件にどのように適合するかを説明します。
中空鋼プロファイルは単一の製品ではなく、他の加工コンポーネントと同じ注意を払って選択、指定、保護される必要がある一連の構造ソリューションです。製造ルート、材料グレード、肉厚、表面処理はそれぞれ、最終的な容量、耐久性、設置コストに影響します。柱の場合、長方形または正方形の中空セクションは、同じ質量の開いたセクションよりも座屈耐性が優れています。トラスの場合、中空セクションにより風の領域が減少し、接続が簡素化されます。風雨や繰り返しの荷重にさらされる橋の場合、亜鉛メッキされた閉じたセクションは、ほとんどの開いたセクションよりも腐食や疲労に強くなります。中空形鋼を指定する場合は、設計シナリオから開始し、製造ルートとグレードを確認し、機能単位あたりの設置コストで比較します。このシーケンスにより、建物、仮設工事、重い支持構造物、モジュール式橋梁に対して一貫した結果が得られます。