門型鉄骨造とは
門型鉄骨造とは、逆「コ」の字型または門型のような形をした剛鉄骨を中心に建てられた平屋または低層の構造物です。各フレームは 2 本の垂直の柱と水平または傾斜した垂木で構成され、膝接続と呼ばれるモーメント抵抗ジョイントによってコーナーで接続されています。 軒と頂点でのこの強固な接続により、フレームは内部の耐力壁に依存することなく、垂直荷重と横方向の風荷重または地震荷重の両方に耐えることができます。 フレーム自体が構造の仕事をするため、門型フレームの建物は無柱で 20 ~ 100 メートルに及ぶことができ、そのため倉庫、作業場、航空機の格納庫、農業用の小屋、スポーツ アリーナで大部分を占めています。
門型フレームを単純な柱と梁の鋼構造から分離する決定的な特徴は、剛体ハンチ接続です。標準的な梁と柱のシステムでは、ジョイントはヒンジのように動作し、曲げモーメントは梁と柱の間で共有されません。門型フレームでは、ハンチ ブラケットがコーナーを通して曲げモーメントを連続的に伝達するため、柱と垂木は 1 つの連続した構造要素として機能します。これが、門型フレームの建物に長い明確なスパンと 1 平方メートルあたりの比較的軽い鉄鋼トン数を与えている理由です。
ポータル フレームのコア コンポーネント 鋼構造
すべての門型鉄骨造建物は、サイズや用途に関係なく、一貫した一連の部品から組み立てられます。各コンポーネントを理解することは、購入者が構造図を読み、異なる製造業者からの見積もりを同等の条件で比較するのに役立ちます。
メインフレーム
熱間圧延された H 形鋼または溶接された I 形材から製造された柱と垂木。垂木は通常、鋼の重量を節約するために、軒の深いハンチから中間の浅いセクションまで先細になっており、深さが変化します。
母屋とガート
冷間成形された C または Z セクションは 1.2 ~ 1.8 メートルの間隔で配置され、屋根シートと壁被覆材をサポートし、荷重をメインフレームに戻します。
ブレーシングシステム
屋根面と端壁のクロスブレースまたはポータルブレースは、縦方向の風荷重に抵抗し、フレームの長さに沿って安定した状態を保ちます。
ベースプレートとアンカーボルト
鋼板を柱ベースに溶接し、アンカーボルトでコンクリート基礎に固定し、柱の反力をフーチングに伝達します。
屋根と壁の被覆材
建物の外壁を囲むように母屋やガートに固定された異形鋼板、サンドイッチ パネル、または断熱複合パネル。
クレーンビーム
工業用および製造用の建物で天井クレーンをサポートするための柱上のオプションのコーベルまたはブラケット。
他の構造物ではなくポータル鉄骨造が選ばれる理由
鉄筋コンクリートフレームや伝統的な石積み構造と比較して、門型鉄骨フレームは、大型の平屋のエンクロージャに匹敵するのが難しい速度、スパン、コスト効率の組み合わせを提供します。
- 内部柱のない長いクリアスパン これは、ラック、機械、または車両の移動のために障害物のない床スペースを必要とする倉庫、体育館、生産ラインにとって非常に重要です。
- 部材を工場で製造して穴あけし、現場でボルトで固定するだけなので、建設時間が短縮され、現場打ちコンクリートと比較してスケジュールが数週間短縮されます。
- 適切に設計された門型フレームは同等のコンクリートフレームよりも大幅に軽量であるため、基礎荷重が低くなり、基礎のサイズと掘削コストが削減されます。
- 既存の鉄骨構造を妨げることなく、エンドベイを開いたままにしてボルトオンで拡張できるため、将来の拡張に備えた設計の柔軟性が得られます。
- 構造用鋼部材は元の価値の高い割合で解体、移設、またはリサイクルできるため、材料回収価値が高くなります。
- 予測可能で工場で管理された製造公差により、現場で注入されるコンクリートと比較して、現場での手戻りや品質のばらつきが軽減されます。
一般的なスパン、ベイの間隔、および軒の高さの範囲
スパン、ベイの間隔、軒の高さは鋼材のトン数を決定する 3 つの要素であり、したがってプロジェクトのコストも決まります。以下の表は、倉庫、作業場、農業用ポータル フレーム プロジェクトで一般的に使用される範囲をまとめたものです。
門型鉄骨造建物の建物タイプ別の代表的な寸法範囲 | 建物の種類 | クリアスパン | ベイの間隔 | 軒の高さ |
| 保管倉庫 | 20~40m | 6~9m | 6~9m |
| 製造工場 | 24~36m | 6~8m | 7~12m |
| 航空機格納庫 | 40~100m | 7.5~9m | 9~18m |
| 農業小屋 | 12~24m | 5~6m | 4~6m |
| 屋内スポーツアリーナ | 30~60m | 6~9m | 8~15m |
構造エンジニアが使用する一般的な経験則として、たわみを制御するために垂木と柱のセクションを深くする必要があるため、門型フレームが約 36 メートルを通過すると、鋼材の消費量はおおよそスパンの 2 乗で増加します。非常に広いスパンの建物を計画している購入者は、中間の柱を備えたマルチスパン フレームの方が、単一の巨大なクリア スパンよりも経済的かどうかを評価することがよくあります。
鋼種と材質の仕様
門型鉄骨造建物の性能は、メインフレーム、二次部材、接続部に使用される鋼材のグレードに大きく依存します。製造業者は通常、確立された構造用鋼グレードの狭い範囲内で作業します。これは、強度、溶接性、コストのバランスが信頼でき、十分に文書化されているためです。
門型フレームの製造に使用される一般的な構造用鋼グレード | 鋼種 | 降伏強さ | 一般的な使用方法 |
| Q235B | 235MPa | 母屋、ガート、二次ブレース |
| Q345B | 345MPa | メインフレームの柱と垂木 |
| ASTM A572 GR50 | 345MPa | 重量フレーム部材、クレーンコラム |
| S355JR | 355MPa | 欧州仕様輸出プロジェクト |
Q345B や S355JR などの高強度グレードは、より軽いセクションで同じ曲げモーメントを支えることができるため、一般にメイン剛性フレームに指定され、全体のトン数と輸送重量が軽減されます。 母屋とガートは、フレームの大きなモーメントよりも局所的な曲げに主に抵抗するため、アップグレードによる重量削減がコストの増加に比べて最小限であるため、通常は低グレードに保たれます。
屋根と壁のクラッディングのオプション
門型フレームの建物に選択される被覆システムは、熱性能、音響的快適性、防火挙動、長期メンテナンスコストに影響します。現在、3 つのクラッド ファミリが市場を支配しています。
シングルスキンプロファイルシート
波形または台形の亜鉛メッキまたはガルバリウム鋼板を母屋に直接固定したもの。これは最も低コストのオプションであり、農場小屋、オープンサイド倉庫、厳密な温度管理が必要ない建物に一般的です。
断熱サンドイッチパネル
ポリウレタン、ポリスチレン、またはロックウールのコアに接着された 2 つのスチールスキン。通常は厚さが 50 ~ 150 ミリメートルです。サンドイッチ パネルは、構造被覆材と断熱材を 1 つのコンポーネントにまとめて 1 回のパスで設置できるため、冷蔵倉庫、食品加工、および温度管理された作業場での標準的な選択肢です。
ビルトアップダブルスキンルーフシステム
内側のライナーシート、ブランケット断熱材の層、スペーサーバー、および外側の耐候性シートは現場で組み立てられます。このシステムは、より滑らかな内部天井仕上げと適度な断熱性の両方が必要な、大規模な商業および小売ビルに適しています。
設計から引き渡しまでの建設の流れ
典型的な門型鉄骨建築プロジェクトは、予測可能な一連の段階を経て進みます。この順序を知ることは、購入者が現実的な納品スケジュールを計画し、土木工事と鋼材の納品を調整するのに役立ちます。
- プロジェクトサイトの管轄の現地設計基準に従って、死荷重、活荷重、風荷重、積雪荷重、地震荷重をカバーする構造設計と荷重計算。
- 図面の作成と材料の調達を行います。製造を開始する前に、各部材の正確なボルト穴の位置と切断長さが詳細に示されます。
- 組立部品の切断、穴あけ、溶接、ショットブラストや塗装、溶融亜鉛メッキなどの表面処理などの工場製作。
- 基礎工事と土木工事は製作と並行して行われるため、承認された基礎レイアウト図に対してアンカー ボルトの位置が正確に打設されます。
- 製造された部材を現場まで輸送します。通常、標準的なフラットベッド トレーラーまたは輸出プロジェクト用の輸送コンテナに適合するサイズの束で輸送します。
- 現場での組み立てでは、最初の 2 つのエンド フレームを一時的に固定することから始めて、各フレームが上がるにつれて母屋、ガート、ブレースを取り付けてベイごとに進めます。
- 被覆材の設置、続いて水切り、雨樋、縦樋、およびドア、窓、または換気ルーバーの設置。
- 建物が使用に引き渡される前に、ボルトのトルク、溶接品質、寸法公差などの最終検査を行います。
メインフレームは現場で溶接ではなくボルトで固定されるため、約 3,000 平方メートルの中規模の門型フレーム倉庫は、基礎が完成してから通常 4 ~ 8 週間で建設できます。これは、同等のコンクリートフレームの建物に必要な時間のほんの一部です。
腐食保護と耐用年数
鋼は強いですが反応しやすいため、すべての門型フレーム鋼構造には、その環境に適合した保護コーティング システムが必要です。実際には 3 つの保護方法が使用されており、それぞれが異なる暴露条件に適しています。
アルキドまたはエポキシプライマーペイント
レッドオキサイドまたはジンクリッチのプライマーに続いて中塗りおよび仕上げ塗装を行い、乾燥膜の総厚さはおよそ 120 ~ 200 ミクロンになります。乾燥した内陸環境に適しており、8 ~ 12 年ごとの定期的な再塗装が必要です。
溶融亜鉛めっき
部材は溶融亜鉛に浸漬され、通常は厚さ 65 ~ 100 ミクロンの冶金的に結合されたコーティングを形成します。これにより、湿気の多い条件や沿岸条件でも 25 年以上メンテナンスフリーの保護が得られます。
両面コーティング
亜鉛めっきと塗料の上塗りの組み合わせは、攻撃的な海洋または工業雰囲気で使用され、亜鉛層が注意を必要とするまでの間隔を塗料層が延長するため、組み合わせた保護の期間が 30 年を超える場合がよくあります。
門型鉄骨造建物のコストを左右するもの
見積書を比較する購入者は、紙の上では似たような建物でも価格に大きな違いがあることに気づくことがよくあります。ギャップはほとんどの場合、いくつかの変数によって決まります。
- 平方メートルあたりの鋼材のトン数。スパン、ベイの間隔、屋根の傾斜、積雪荷重、風荷重ゾーンによって増加します。
- クレーンによる積載。5 トンの天井クレーン 1 台でも、クレーンのない構造に比べて柱と支柱の重量が大幅に増加する可能性があります。
- クラッディング仕様では、断熱サンドイッチパネルの平方メートルあたりのコストはシングルスキンシートよりもかなり高くなりますが、継続的なエネルギー支出は削減されます。
- 溶融亜鉛メッキを使用した塗装システムは、塗装よりも初期費用がかかりますが、生涯にわたるメンテナンス費用は低くなります。
- 製造工場が現場からどのくらい離れているか、クレーンやアクセス道路がすぐに建設できるかどうかなど、現場のロジスティクス。
- 地震ゾーンや強風ゾーンでは、リスクの低い内陸サイトよりも重いブレースと接続の詳細が必要となるため、現地の設計コードの要件が必要です。
実際のベンチマークとして、雪や風の荷重が適度な単純な単一スパンの倉庫では、屋根付き床面積 1 平方メートルあたり構造用鋼材の量が 25 ~ 45 キログラムの範囲に収まるのが一般的ですが、ワイドスパンの建物やクレーンを備えた建物では 1 平方メートルあたり 60 キログラムを超える場合があります。
門型鉄骨造とトラス屋根鉄骨造
購入者は時々、門型フレームとトラスと柱の建物を混同することがありますが、この 2 つは荷重下でまったく異なる動作をします。
ラーメン門柱フレームとピン接合トラス屋根構造の比較 | 特徴 | ポータルフレーム | トラスと柱 |
| コーナー接続 | 剛性がありモーメントに強い | ピン留め、瞬間フリー |
| 中間スパンでの部材の深さ | 浅い先細垂木 | 深いオープンウェブトラス |
| 最適なスパン範囲 | 最大約60~100m | 60mを超える非常に長いスパン |
| 製造の複雑さ | メンバーが少ないほど少ない | 上位、Web会員多数 |
| インテリアのヘッドルーム感 | よりクリーンで中断のない | ウェブブレーシングで視覚的に忙しい |
ポータル フレームに依存する業界と建物の種類
ポータル フレーム鋼構造は幅広いスパンにわたって効率的であるため、ニッチなソリューションではなく、多くの分野でデフォルトの選択肢となっています。
- ラックやフォークリフトの通路に長時間の空きスペースを必要とする物流および流通倉庫。
- 生産ラインや天井クレーンを収容する自動車、エレクトロニクス、および一般的な製造工場。
- 温度制御に断熱パネル被覆を使用するコールド チェーンおよび食品加工施設。
- 畜舎、穀物倉庫、農機具小屋などの農業用建物。
- 航空格納庫には、航空機の翼幅を収容するために非常に広い空きスパンが必要です。
- 屋内コート、乗馬アリーナ、展示ホールなどのレクリエーションおよびスポーツ施設。
- 柔軟なレイアウトを可能にする、オープンで柱のないフロアプランの恩恵を受ける小売店およびショールームの建物。
よくある質問
門型鉄骨造建物の耐用年数は通常どれくらいですか?
適切に設計されたコーティングシステムと定期検査により、メインの鉄骨構造フレームは通常、30 年から 50 年以上にわたって良好に機能します。外装シートとシーラントは通常、気候に応じて 15 ~ 25 年以内に、より早く交換または改修が必要になります。
門型フレームの建物は建設後に拡張できますか?
はい。荷重は通常のベイに間隔を置いて配置された個別のフレームを通って移動するため、元の基礎とフレームの設計が将来の拡張を可能にしていれば、通常、新しいベイを既存の構造を乱すことなく開いた端の壁にボルトで固定できます。
門型鉄骨造建築物の屋根勾配はどれくらいですか?
ほとんどの門型フレームでは、5 ~ 10 度の屋根勾配が使用されます。傾斜を浅くするとフレームの高さと鋼材の重量が軽減され、傾斜がやや急になると降雪地域での雨水の排水と雪の排出が向上します。
門型フレームの建物には、広いスパンの内部柱が必要ですか?
必ずしもそうとは限りません。単一のクリアスパンポータルフレームは、内部柱なしで最大約 60 ~ 100 メートルの開口部をカバーできますが、非常に広いスパンではより深いハンチとより重いセクションが必要となり、鋼材のトン数とコストが増加します。
風荷重はポータルフレームの設計にどのような影響を及ぼしますか?
ほとんどの低層門型フレーム建物では、風荷重がブレース システムと接続のサイズを決定し、多くの場合、重力荷重よりも大きくなります。強風の沿岸地域やサイクロンが発生しやすい地域の建物には、屋根の隆起に耐えるために追加の支柱ベイとより強力な外装材の固定が必要です。
門型鉄骨造は寒冷地に適していますか?
はい、フレームが局所的な積雪荷重に合わせて設計されており、被覆システムに適切な断熱材が含まれている場合に限ります。断熱サンドイッチパネルまたはビルドアップダブルスキン屋根システムは、熱損失を制御し、結露を防ぐために、寒冷気候の門型フレーム建物に一般的に指定されています。