JP4563384B2 - 改良型ビーム - Google Patents

Description

この発明は、構造ビームの改良に関する。本発明は、特に、排他的ではないが、ウェブの向い合う側面同士に沿った向い合う中空フランジ同士がウェブから遠ざかるように同じ方向へ延びる中空フランジ付溝形材に関する。

これまで、建築物、橋、船舶構造物、トラック本体および車台、航空機などを含むあらゆる様式の構造物用のビームまたはガーダ（girder）のような、より安価および／またはより強力な構造部材を開発することが、工学技術者により追及されている進行中の懸案であった。

数千年の間、材木は建築物および橋における構造ビームの主要な材料源であり、特にこの数世紀は、材木から鋳鉄、鍛鉄、軟鋼へと、更には洗練された鋼鉄合金へ劇的に発展してきた。組立て技術において改良が得られた構造ビーム材の進歩と共に、これによって、次には、構造工学においても有意に前進することができた。構造工学におけるこの変化および発達期間を通して、歴史は、これらの変化と発達の性質および方向に絶大な影響を及ぼしたユニークな駆動力の出現を目の当たりにした。これらの駆動体には、労働コスト、材料費、さらに、より最近では環境問題が含まれていた。

それぞれＩ形ビームとＣ形溝形材の初期の形態が例示され（例えば、特許文献１と２参照）、おそらく鋳造工程により製造された中空フランジ付ビームの初期の形態が例示された（例えば、特許文献３参照）。

その後、組立て方法の改良により、構造性能を維持したままで、構造部材の質量を減らせた。中空フランジ付トラフ溝形材の冷間圧延形成方法が示され（例えば、特許文献４参照）、一方、個別の金属細長片を一緒に溶接することによりＩ形ビームを組み立て、補強する方法が示された（例えば、特許文献５参照）。一枚の金属薄板を曲げることによりラムダ形断面をもつビームを組立てる方法が示され（例えば、特許文献６参照）、さらに、様々な断面形をもつ金属部材の冷または熱成形による製造が示された（例えば、特許文献７参照）。双方とも、一緒に融合された個別のウェブとフランジ細長片からのＩ形ビームの自動組立てが示された（例えば、特許文献８と９参照）。ウェブの向い合う側面に沿って延びる固体フランジよりも狭い固体中央ウェブ部分を有する加工材木ビームが示された（例えば、特許文献１０参照）。

複数の要素から組立てられた複合体ビームまたはトラス構造物は、横方向に波形のウェブに連結された平板状フランジを有するＩ形ビーム様構造物のように、優れた強度対重量比を提供することが公知である（例えば、特許文献１１参照）。他の横方向に波形のウェブビームは、長方形断面の中空フランジ部材を考慮に入れている（例えば、特許文献１２、１３参照）。中空長方形断面フランジを有する他の横方向に波形のウェブビームが示された（例えば、特許文献１４，１５参照）。波形ウェブを備えた中空フランジ付ビームの組立て方法が示された（例えば、特許文献１６参照）。

先行技術は、広範囲に変化する構成の構造部材とビームが豊富であるが、このような構造部材またはビームの大多数は、例えば、従来の熱間圧延Ｉ形ビームにとって代わる汎用ビームとして設計されているものもあるが、特殊な最終用途を念頭において設計されていた。薄いオーステナイト系ステンレス鋼の中空組立てビームは、高い強度対重量比を提供し、橋建造用途における熱間圧延Ｉ形ビームよりも低い維持費を提供する（例えば、特許文献１７参照）。“デルタ（Ｄｅｌｔａ）”ガーダとして公知の別の種類の組立て橋ガーダが示された（例えば、非特許文献１参照）。この設計において、一つか両方のフランジ板は、フランジ板とウェブ間の両側面上にビームの全長を伸ばす筋交い板により補強される（例えば、非特許文献１参照）。

プレハブ屋根と床トラスとして使用する間隔を置いた木ブロックにより分離された冷間圧延三角形中空断面フランジを含む複合体ビームが示された（例えば、特許文献１８参照）。冷間圧延屋根母屋は全般的にＪ形断面を有するが（例えば、特許文献１９参照）、Ｉ形かＨ形断面ビームは一つの金属細長片から圧延された（例えば、特許文献２０参照）。屋根支持建築において使用するＣ形断面母屋が示され（例えば、特許文献２１参照）、中空フランジを備えたウェブの厚さが二重の金属薄板ジョイストは、そのウェブとフランジに、ジョイストを鋳造コンクリート床構造物内に組込ませるように穴が開けられている（例えば、特許文献２２参照）。

ウェブ部材により分離される中空フランジを有する冷間圧延形成された金属薄板の構造部材は、屋根トラスか床ジョイストの弦材として機能するようにしようとするものである（例えば、特許文献２３参照）。

構造部材かビームの前述の例は、多数の用途のビームで改良を提供する現在進行中の努力のうち僅かな部分しか示さない。しかし、本発明は、具体的には、初期の例を本明細書において先に述べた中空フランジ付ビームに関する（例えば、特許文献３参照）。質量が付加されずに、フランジ断面を増加させる中空フランジの用途は、当該分野において周知である。他の初期例の中空フランジ付ビームは、三角形断面フランジの自由縁が、ウェブに溶接されずにウェブに戻される（例えば、特許文献２４参照）。類似の非溶接中空フランジ付ビームが示された（例えば、特許文献２５，２６参照）。

フランジとウェブ間がすみ肉溶接で連結された中空フランジ付Ｉ形ビーム様構造物が示された（例えば、特許文献２７，２８参照）。押出し成形アルミニウムビームは、一つのウェブ面から突出する中空長方形フランジを備えた畝（うね）型平板状ウェブで形成され、中空フランジは、ウェブの一つの面上に形成された間隔を置いた受容畝内にクリップで留められるＵ形押出し成形により形成される（例えば、特許文献２９参照）。

間隔を置いた中空フランジ間に厚さが二重のウェブを形成するため、溶接シーム鋼配管を変形させることにより中空フランジを備えたＨ形とＩ形ビームおよび溝形材を形成する（例えば、特許文献３０参照）。

スポット溶接、リベットまたはクリンチによりウェブ面に対して固定される各フランジから延びるリップを備えた中空フランジを有する、冷間圧延形成された薄い鋼鉄製の構造部材が示された（例えば、特許文献３１，３２，３３参照）。ビームは、ネジか釘により中空フランジに外装材を固定できるウォールスタッドとして用いられる（例えば、特許文献３１，３２参照）。

押出し成形か冷間圧延形成により形成された中空フランジ付捻り抵抗性はしごかまちが示された（例えば、特許文献３４参照）。
自動車用の縦方向に弓形のバンバ・バー補強部材を製造するため、プレス形成により成形された断面的に湾曲したウェブを備えた中空フランジ付溝形構造部材が開示された（例えば、特許文献３５参照）。

上記に記載の中空フランジ付構造部材の大部分は、非固定の自由縁を有する閉鎖フランジで組立てられたか、そうでなければ、個別の工程で溶接などにより固定された自由縁を示したが、最初に記載された冷間圧延工程において、その中空フランジの自由縁は、直列形二重溶接工程でウェブの縁に固定された（例えば、特許文献３６参照）。このビームは、“ドッグボーン（Dogbone）”（登録商標）ビームとして公知で、全般的に断面が三角形の中空フランジを有した。特許文献３６の方法により製造された二重溶接中空フランジ“ドッグボーン（Dogbone）”ビームが示された（例えば、特許文献３７参照）。これらのビームにより提供される価格性能比は、低質量のより細い断面の熱間圧延万能ビームが市場に導入され、Ｉ形かＨ形断面の在来型万能ビームに対して認められた脅威を押しとどめたようなものであった。

特許文献３６に記載の二重溶接“ドッグボーン（Dogbone）”工程のさらに別の開発が、中空フランジビームの製造において示された（例えば、特許文献３８参照）。そのフランジとウェブは、特許文献３６の一つの金属細長片とは異なり、個別の金属細長片から形成された。さらに、中空フランジビームを形成する複数の細長片工程が開発され、杭材、壁用材、構造防壁その他として構造的用途に使用する中空フランジビームは、隣接ビームの中空フランジ内に一つの中空フランジビームのフランジを入れ子式で係合できるようにする少なくとも一つのフランジを縦方向に伸ばす穴を空けた開口を備える（例えば、特許文献３９参照）。

さらに別の二重溶接“ドッグボーン（Dogbone）”工程が開発され、中空フランジビームは、弦材部材に溝を付けた凹部内に組立てウェブ構造体が固定されるトラスビームの上部および下部弦材として働く溝形材として形成される（例えば、特許文献４０，４１参照）。

類似質量の他の中空フランジビームより全般的に優れているが、中空フランジ“ドッグボーン（Dogbone）”ビームは、製造および性能の双方において、いくらかの制限を受けた。製造的意味において、在来の造管機から入手できる“ドッグボーン（Dogbone）”ビームのサイズ範囲は、造管機内部ロールの接近性により下端で制限され、さもなければ、ロール台のサイズにより上端で制限された。“ドッグボーン（Dogbone）”ビームは、在来の“開放”（非溶接）中空フランジビームまたは在来の山形材、Ｉ形ビーム、Ｈ形ビームおよび溝形材と比較したとき、全般的に、単位質量当りか単位コスト当り高い耐力を示したが、これらは、また、驚くべき高い捻り剛性を示したので、長手方向にかけての屈曲（側面）捻り座屈に対して抵抗性を示した。これらの中空フランジビームは、他の類似製品では認められないユニークな側面ゆがみ座屈破損様態により失敗した。同様に、傾斜内部フランジ面は、構造的用途によっては、鳥類およびサル類の有害生物の優れた障害物を提供したが、局所支承破壊に耐えるフランジ耐力は、フランジ破砕のため、Ｉ形ビームのような他のビームよりも低かった。さらに、その断面形のため、特殊な付属装置取付けが要求された。

慣習的に、構造物に使用する構造ビームの選択は、通常、積層材木、熱間圧延Ｈ形−、Ｌ形−かＩ形ビームと溝形材、Ｃ形−、Ｚ形−、Ｊ形母屋などのような冷間圧延ビームのような範囲の容易に入手できる“規格”ビームの断面効率と荷重支持力を確認するため、規格工学表を参照後、技術者により行なわれた。単位質量当りの曲げ耐力値が高いほど、断面の効率が高くなる。この値は、単位費用当りの性能を評価するので、各製品について単位質量当りの費用を考慮することにより種々のビームの費用効率の比較をできるようにする。

ビームに特殊な性能要件が要求される場合、費用か費用効率は、他の因子により決定してもよく、これは、特殊な用途の専用ビームを設計する刺激になることが多い。その他に、先行技術が明確に示すように、広範に用いられる在来の汎用材木積層ビーム、熱間圧延Ｉ形−、Ｌ形−とＨ形−ビーム、熱間圧延溝形材および種々の断面形をもつ冷間圧延母屋ビームよりも高い断面効率をもつ、より費用効率の高い汎用ビームを製造する問題があり、引き続き現在進行中の問題である。多くの先行技術の“改良”はまず、ほとんど広範囲の用途に採用されていないという事実は、おそらく総合的費用効率と総合的断面効率の双方を組み合わせる能力がないためである。

本発明の譲受人は、“ドッグボーン（Dogbone）”二重溶接中空フランジビーム発明の要求権における相続人であり、先行技術のどの在来型汎用ビームよりも製造、取扱いと輸送および構造物への終局的組込み間で、全体論的意味において費用効果が高かった中空フランジ二重溶接冷間圧延汎用ビームを設計するため、“ドッグボーン（Dogbone）”−型ビームを構造物内に組込む実際の費用の徹底的な調査を実施した。前記在来型汎用ビームは、他の点では、“ドッグボーン（Dogbone）”ビームの幾つかの認知された欠点、つまり、連結性と局部的荷重で破砕するフランジ耐力を克服した。

施工者、技術者および建築技師が種々のビームプロフィールに対する個々の製品属性有用性を評価する協同研究方法が開発された。これらの主要属性は、その場合、有用性を評価するために割付けられた値であった。これらの値は、様々な種類のビームについての消費者の価値分析を単なる費用／単位質量と断面効率以外の多くの製品属性に基づいて直接比較し得る値であった。この消費者価値有用性分析から、軟鋼と高強度極薄鋼双方の一連の二重溶接中空フランジビーム構成が、Ｉ形−とＨ形ビームのような熱間圧延鋼ビームおよび熱間圧延溝形材並びに積層材木ビームの潜在的な補充品として考案された。

熱間圧延鋼ビームに関連して考慮される多くの属性の中で、連結性とクレーンによる取扱い費用が重要な問題であった。熱間圧延構造ビームのフランジに付属装置を挟むことができるクリップが示され、このようなビームの連結性問題を示す（例えば、特許文献４２参照）。材木に関わる限り、低下していく有用性、長さの有用性、シロアリ、直線性および天候悪化は、消費者価値分析に逆に影響を及ぼした有意な因子であった。
米国意匠特許第２７３９４号 米国意匠特許第２８８６４号 米国特許第４２６５５８号明細書 米国特許第１，３７７，２５１号明細書 米国特許第３，１９９，１７４号明細書 米国特許第４，４６８，９４６号明細書 米国特許第４，４３３，５６５号明細書 米国特許第３，８６０，７８１号明細書 ロシア連邦発明者証第２４５９３５号 米国特許第５，０２２，２１０号明細書 米国特許第５，０１２，６２６号明細書 米国特許第３，３６２，０５６号明細書 米国特許第６，４１５，５７７号明細書 豪州特許第７１６２７２号明細書 豪州特許出願ＡＵ１９８６−５２９０６号明細書 米国特許第４，７５０，６６３号明細書 米国特許第３，２４１，２８５号明細書 米国特許第５，６９２，３５３号明細書 英国特許出願ＧＢ２０９３８８６号明細書 英国特許出願ＧＢ２１０２４６５号明細書 国際公開ＷＯ９６／２３９３９号明細書 米国特許第３，２５６，６７０号明細書 米国特許第６，４３６，５５２号明細書 米国特許第９９１６０３号明細書 米国特許第３，３４２，００７号明細書 国際公開ＷＯ９１／１７３２８号明細書 米国特許第３，５１７，４７４号明細書 ロシア連邦発明者証８２７７２３ スウェーデン公開第４４４４６４号明細書 米国特許第３，６９８，２２４号明細書 米国特許第６，１１５，９８６号明細書 米国特許第６，３９７，５５０号明細書 韓国特許出願ＫＲ２００１０７７０１７Ａ号明細書 英国特許第ＧＢ２２６１２４８号明細書 米国特許第６，５９１，５７６号明細書 米国特許第５，１６３，２２５号明細書 米国特許第５，３７３，６７９号明細書 米国特許第５，４０３，９８６号明細書 米国特許第５，５０１，０５３号明細書 豪州特許第７２４５５５号明細書 米国意匠特許第４１７２９０号 米国特許第６，６３７，１７２号明細書 「ＡＩＳＣエンジニアリングジャーナル」（AISC Engineering Journal）、１９６４年１０月、ｐ．１３２−１３６

従って、先行技術の汎用構造ビームの欠点の少なくとも幾つかを克服するか、多少とも解決すること、およびこのような先行技術の汎用構造ビームよりも大きな総合的消費者有用性のある構造ビームを提供することが本発明の目的である。

本発明の一局面に従って、平板状細長ウェブと、向い合う側面同士に沿った前記ウェブの面から垂直に、互いに平行に延びる中空平行側面付フランジ同士とからなる溝形構造ビームが提供される。前記中空フランジ同士は、双方が前記ウェブの前記面から遠ざかるように同じ方向へ延び、前記ビームは、前記ウェブの前記面と垂直方向に向い合う端面同士間の各前記フランジの幅と、前記フランジの向い合う外面同士間の前記ビームの深さとの割合が０．２〜０．４であることを特徴とする。

好ましくは、各前記フランジの幅と各前記フランジの深さの割合は、１．５〜４．００の範囲内にある。
適切には、フランジの幅とウェブの厚さの割合は、１５〜５０の範囲内にある。

必要であれば、各前記フランジの前記幅と前記フランジの深さの割合は、２．５〜３．５の範囲内にある。
好ましくは、各前記フランジの前記幅と各前記フランジの前記深さの割合は、２．８〜３．２の範囲内にある。

各前記フランジの幅と前記ビームの深さの割合は、０．２５〜０．３５の割合にしてもよい。
好ましくは、各前記フランジの幅と前記ビームの深さの割合は、０．２８〜０．３２の範囲内にある。

必要であれば、フランジの幅とウェブの厚さの割合は、２５〜３５の範囲内にあってもよい。
好ましくは、フランジの幅とウェブの厚さの割合は、２８〜３２の範囲内にある。

適切には、前記ビームは鋼鉄から組み立てられる。
好ましくは、前記ビームは、３００ＭＰａよりも大きな高強度鋼から組立てられる。

必要であれば、前記ビームは、ステンレス鋼から組立てられてもよい。
ビームは、平板状ウェブ部材と、該ウェブ部材の向い合う側面に沿って連続的に溶接されて中空フランジを形成する中空管状部材とから組立ててもよい。各前記中空フランジは、前記ウェブ部材の外面と事実上同じ平面上にある端面を有する。

好ましくは、前記ビームは、一つの薄板鋼から組立てられる。
必要であれば、前記ビームは、折畳み工程により組立ててもよい。

また、前記ビームは、ロール形成工程により組立ててもよい。
適切には、中空フランジの自由縁は、隣接ウェブ部分に連続的にシーム溶接され、閉鎖中空フランジを形成する。

前記中空フランジの前記自由縁は、前記ウェブの向い合う側面同士の中間の前記ウェブの前記面の一つに連続的にシーム溶接してもよい。
また、前記中空フランジの前記自由縁は、前記ウェブのそれぞれの側面境界に沿って連続的にシーム溶接してもよい。

最も好ましくは、前記構造ビームは、連続冷間圧延工程で組立てられる。
適切には、前記中空フランジの前記自由縁は、非消耗性電極溶接工程により連続的にシーム溶接される。

また、前記中空フランジの前記自由縁は、消耗性電極工程により連続的にシーム溶接される。
好ましくは、前記中空フランジの前記自由縁は、高周波電気抵抗溶接か誘導溶接工程により連続的にシーム溶接される。

必要であれば、前記構造ビームは、腐食抵抗性被膜を有する薄板鋼から組立ててもよい。
また、前記構造ビームは、前記フランジの前記自由縁の溶接の後に、腐食抵抗性被膜で被覆してもよい。

必要であれば、前記フランジは、一つ以上の補鋼リブを含んでも良い。
適切には、前記ウェブは、補鋼リブを含むかもしれない。

補鋼リブは、前記ウェブの長手方向に延びても良い。
また、補鋼リブは、前記ウェブと横向きに延びてもよい。

本発明をより完全に理解できるように、および実際に実行に移せるように、次に、添付図面に例示される本発明の好適実施形態を参照する。
図面を通して、適当な、同じ参照番号は、明白性のため、類似の特性に用いられる。

図１において、ビーム１は、長方形断面をもつ一対の中空フランジ３間に広がる中央ウェブ２を含む。各フランジ３の向い合う側面４，５は、互いに平行で、ウェブ２の平面と垂直であり、同じ方向にウェブ２から遠ざかるように延びる。フランジ３の端面６，７は互いに平行であり、端面６はウェブ２と同じ平面にある。

図２は、図１のビームの断面図を示し、フランジ３の幅Ｗｆ、フランジの深さＤｆ、ビームの深さＤｂおよびビームが組立てられる鋼鉄の厚さｔ間の相関関係を表す。

本発明に従う中空フランジ溝形材の形状の案出において、現行の熱間圧延ビームで通常用いられる２５０〜３００ＭＰａ等級よりも高い強度（３５０〜５００ＭＰａ）の鋼鉄を用いる耐力が利用された。最初から、これにより、より軽い軽量形鋼を用いて低質量ビームを作り出すことができた。そのとき直面する難点は、様々な形態の座屈破損を受ける傾向が軽量形冷間圧延ビームでより大きいことであり、この範囲の座屈破損形態により、次に一構造案は、ある破損形態を低下させる一方で別の破損形態が生じることがよくあったという矛盾する解決策を選択することとなった。例えば、ビームの中立軸から遠ざかるようにフランジの質量を移行させることにより、異なる座屈形態の破損が生じた。これらの矛盾を考慮して、図１と２に示すような中空フランジ溝形材が、選択折衷案として考案され、Ｗｆ＝（０．３）Ｄｂ，Ｗｆ＝（３）ＤｆおよびＷｆ＝（３０）ｔのとき、最適断面効率が得られることが測定された。

最適断面効率が望ましいけれども、圧延機の制限、最終使用者に特異的な寸法要件その他の結果として、ある程度の変動が必要になる場合があり得ることが認められている。これに関連して、Ｗｆ＝（０．１５−０．４）Ｄｂ、Ｗｆ＝（１．５−４．０）ＤｆおよびＷｆ＝（１５−５０）ｔの範囲内のフランジ幅比でかなり良好な断面効率を保持することができる。

図３は、本発明に従う構造ビームを図式的に示す。ビーム１は、それぞれ個別のウェブ要素２とフランジ要素３から組立てられる。ウェブ２は、側面５と端面６間の接合点の丸隅３ａにその向い合う縁に沿って連続的にシーム溶接されている。

溶接シーム８は、高周波電気抵抗か誘導溶接により連続操作で形成してもよい。また、半連続的動作において、ＭＩＧ、ＴＩＧ、ＳＭＡＷ、ＳＡＷ ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ溶接処理レーザーかプラズマ溶接などの消耗性溶接電極を用いて溶接シーム８を形成してもよい。半連続式消耗性溶接電極工程を用いる場合、ポスト溶接圧延か直線化工程が熱誘発性変形を除去するのに必要になり得ると考えられる。連続性溶接シーム８は、完全浸透溶接であり、フランジ３の外面４同士の間に広がる一体形成された平板状ウェブ部材を作り出す。

半連続式組立ては、連続冷間圧延工程と比較して、かなり非効率的であるが、特殊な寸法の非規格ビームの短期運転には費用に対し最も効率が高くなるかもしれない。さらに、個別の予備形成ウェブとフランジ要素からのビームの組立ては、異なる厚さおよび／または強度の要素を使用できるようになる。例えば、このようなビームは、厚い高強度鋼のフランジとより薄い下等級鋼のウェブからなるかもしれない。

図４は、プレスブレーキなど（表示なし）で折り畳むことによって、一つの金属細長片から中空フランジ付ビームを成形することにより、個別の長さのビームを組立てる他の工程を示す。

通常、閉鎖フランジは、順次、側面５を端面７に対して折畳み、次に、端面７を側面４に対して折畳んだ後、最後に、自由端５ａがそのように形成された溝様ビームの内面２ａと接触するまで、側面４をウェブ２に対して折畳むことにより形成してもよい。次に、完全浸透溶接シーム８が、自由縁５ａとウェブ２間で形成され、単一構造体を形成し、再び、フランジ３の外面４同士の間に広がる連続平板状ウェブ部材２を備える。

図５は、連続式冷間圧延工程による製造時の本発明に従うビームの一構成を示す。前記工程は、一貫した品質のビームを製造するのに、その高い費用効率と小さな寸法許容差を維持する能力のため、好まれる。

この実施形態において、中空フランジ３の端面７は、丸隅曲線として形成される。この断面構成の用途があるかもしれないが、この構成の断面効率は、長方形断面フランジより劣っている。

また、さらに、丸隅曲線を備えた平らな端面を形成するため、成形してもよい。
完全浸透溶接シーム８は、全般的に特許文献３６に記載されたような高周波電気抵抗か誘導溶接工程により、側面５の自由縁５ａとウェブ２の内面２ａ間に形成される。得られたビームは一体形成された部材であり、フランジ外側面４同士間の荷重を、その間に広がる連続ウェブ要素２を介して伝達する能力に依存する。

図６は、本発明に従う冷間圧延ビームを形成する他の技術を例示する。
この実施形態において、中空フランジ３の端面６の自由縁６ａは、高周波電気抵抗か誘導溶接により、ウェブ２と側面５間の丸隅接合点１０に溶接され、端面６とウェブ２からなる耐荷重要素の事実上、連続する平板状外面２ｂを効果的に作り出し、それによって、耐荷重要素がフランジ側面４同士の間を延びる完全浸透溶接シーム８を形成する。

図７と８は、それぞれ、Ｌ＝６．０ｍの断面耐力と曲げモーメント耐力を示す。熱間圧延溝形材以外の全てで曲線に滑らかさが欠けるのは、様々なウェブ深とフランジ幅の選択から生じるからで、質量増加軸上の各断面の重なり値で明らかになる。

単一耐力対基準質量に基づくと、熱間圧延万能ビーム（ＵＢ）、低質量万能ビーム（ＬＵＢ）および熱間圧延溝形材（ＰＦＣ）は、冷間圧延Ｃ形母屋材（ＣＦＣ）と三角形フランジを備えた“ドッグボーン（Dogbone）”ビームのような中空フランジ付（ＨＦＢ）ビームおよび本発明に従う中空フランジ溝形材（ＨＦＣ）にまったく劣る。
比較のため選択されたサイズ範囲を表１に示す。

グラフは、他の全匹敵ビームより優れた断面耐力と、長手方向にかけてより優れたモーメント耐力とを示すＨＦＣ中空フランジ溝形材を明白に例示する。

次に、結合分析評価を評価材に適用すると、比較用規格材を超える中空フランジ溝形材の属性は、ＵＢとＬＵＢ熱間圧延Ｉ形ビームとＨＦＢ三角形中空フランジ“ドッグボーン（Dogbone）”ビームより驚くほど優れた有用性評価を生成する。

例えば、ＵＢ熱間圧延Ｉ形ビームと本発明に従うＨＦＣ冷間圧延溝形材に対する表２の属性値の比較において、ＨＦＣビームの総計有用性スコアは、ＵＢ熱間圧延Ｉ形ビームの約２．５倍で、ＵＢ熱間圧延ビームより６０％の価格プレミア付きであった。

表３は、積層材木ビームと比較した有用性値比較を示す。本発明に従うＨＦＣ中空フランジ溝形材の総計有用性スコアは、積層材木ビームの約２．５倍であった。

図９は、本発明に従う中空フランジビームの製造に用いてもよく、図５と図６に例証されるようなロール形成機の典型的な構成を図式的に示す。簡略化すると、形成機は、形成局１１、溶接局１２および成形局１３からなる。

形成局１１は、他の駆動台１４と形成ロール台１５を備える。駆動台１４は在来型の形成機駆動系（表示なし）に結合されるが、形成工程で補助するためには、輪郭形成ロールを用いる代わりに単純な円筒形ロールを用い、得られるビームのウェブ部分に相当する中央領域の鋼鉄細長片１６を掴む。形成ロール台１５は個々の対１５ａ、１５ｂとして形成され、形成局を通過するときに、金属細長片１６の向い合う側面同士上に中空フランジ部分を形成するようにした輪郭ローラの一式を装備する。形成ロール台１５ａ、１５ｂは、在来型冷間圧延形成機におけるように駆動系に結合する必要がないので、形成ロール台１５ａ、１５ｂは形成機の縦軸を横方向に調整し、様々な幅の中空フランジビームに容易に合わせることができる。

所望の断面構成に形成される場合、形成される細長片１６は溶接局１２に入り、そこでそれぞれのフランジの自由縁は、高周波電気抵抗または誘導溶接（ＥＲＷ）装置の存在下、所定の角度でウェブと接触するように誘導される。所望の溶接ラインに対するフランジ縁の位置決定で補助するため、形成される細長片は、シーム誘導ロール台１７により１７ａに図式的に示されるＥＲＷ装置の領域内に向けられる。フランジ縁とウェブ上の溶接シームラインが融合温度に加熱後、細長片は圧搾ロール台１８を通過し、加熱部分を合わせて閉鎖フランジを融合させるようにする。次に、溶接中空フランジ材は、駆動ロール台１９と成形ロール台２０を連続して通過し、所望の断面形のビームを形成し、最後に最終列の在来型タークスヘッド・ロール台２１を通過し、そこから本発明に従う二重溶接中空フランジビーム２２として出てくる。高周波ＥＲＷ工程は、自由縁とウェブの最も近い部分間の近接効果により、細長片の自由縁およびウェブのそれぞれ隣接領域内に電流を誘導する。ウェブ部分内の熱エネルギーは、フランジの自由縁と比較して二方向へ分散させることができるので、自由縁と融合を可能にするのに十分な熱をウェブ領域内に誘導するのに、さらに別のエネルギーが必要となる。

これまで、在来型ロール形成技術とＥＲＷ工程を用いることにより、ウェブ部分を融合温度に加熱するのに必要なエネルギー量は、フランジの自由端を融解させて所望の溶接シームラインを外側へ伸ばせるような量であることが認められていた。この細長片縁が損失した結果として、フランジの断面積は有意に減少し、溶接点へ細長片縁を制御することがより難しくなった。

加熱時にフランジの自由縁を予定の溶接ラインと整列させ、次に、溶接シーム付近のウェブ部分とフランジ縁領域間を所望の入射角に相当する方向に真っ直ぐな経路に沿った加熱ウェブ領域に細長片の自由縁を接触させることにより、前述の難点を克服できることがここで初めてわかった。この技術はまた、次の成形工程において、ウェブ部分とそれに隣接するフランジ縁領域間の入射角とが最終断面ウェブ形に相当して選択されるように成形することにより、溶接シームに圧力が加わらないという更に別の利点を与える。この所定の軌跡に沿ってフランジ縁の自由縁を誘導することにより、溶接局の圧搾ロールにおけるフランジの回転に起因する“スイーピング”効果は、自由縁が所望の溶接ラインにさっと整列したので、所望の溶接ラインから遠ざかるように延びる不必要に広い経路内に熱を誘導する問題の発生を防止した。

高周波ＥＲＷ工程のはるかに大きな制御により、本発明の二重溶接中空フランジビームに関する製造効率が改善され、製造許容誤差が有意に改善されるようになった。

図１０と１１は、それぞれ図５と６に例示されるような中空フランジビームの形成、溶接および成形の典型的な花式形態を示す。図６に示す構成に至る花式形態は、溶接局領域の中空フランジ断面間の溝に形成機冷却液を蓄積する傾向がないような実践において好まれる。しかも、図６の構成において、形成機操縦者にとっての溶接の視認度が改善される。フランジシーム溶接領域内に形成機冷却剤が蓄積することにより起こる問題は、吸引ノズルおよび／または機械的かエアカーテン式ワイパーブレードを提供して、溶接局の誘導領域内で溶接シームが冷却剤に触れないようにすることにより、克服されるかもしれない。

別の選択肢は、断面輪郭を逆にし、ウェブ外面下に溶接シームを形成することである。
さらに別の選択肢は、垂直または直立位置に向けられたビームウェブで圧延機を動作することである。

図１０は、平形鋼細長片３０が圧延機に入る入場点から、縁溶接が生じる最終段階１０の直接形成工程として公知の工程による冷間圧延形成動作における中空フランジの進展を図式的に示す。連続冷間圧延形成工程で溶接することは不可能ではないが、溶接安定性と断面形を維持することは非常に難しい。この種類の直接形成中空フランジビームは、ロール形成工程中か、続いて自動化または半自動化工程および／または低コスト労働を用いるかのいずれかで消耗性電極工程により溶接してもよい。消耗性電極溶接工程では、より大きな熱が投入されるため、捩れおよび局部変形を除去するためにポスト溶接直線化工程が必要になりそうである。用いられる溶接工程が自動化、半自動化、または手動式であっても、そのように形成されたビームの最大構造完全性を維持するため、中空フランジ形成物を閉鎖するのに連続溶接シームを用いることが重要である。

例示の実施形態において、溶接は例示の最終段階でもたらされ、圧延機の次の成形区間による処理は、任意の捩れまたは変形の直線化をもたらすに過ぎない。

図１１ａは、入場点から、フランジの自由縁をウェブ２の各側面境界に沿って接触させる圧延機の圧搾ロールに入る直前の溶接局での縁シーム整列までの冷間圧延形成機の形成区間による平形鋼細長片３０の進行を表す花式図を示す。

図１１ｂは、溶接局の圧搾ロール台から成形局を通過してタークス・ヘッド最終直線化までの花式進行図を示す。その輪郭が成形局により向上するような、最初に閉鎖されたフランジ３の成形中、ビームの構造完全性に欠陥を生じさせるような溶接シーム自体に及ぶ押し付け圧力を防止するため、溶接シーム８直近のプラスチック製蝶番が変形しないよう注意する。

図１２は、支持枠３５、それぞれが整列回転軸３７，３７ａを中心とした回転のため支承 された一対の独立取付型輪郭支持ロール３６，３６ａおよびそれぞれ傾斜軸３９，３９ａ上に回転式で支承されたシーム誘導ロール３８，３８ａからなるシームロール台１７を図式的に示す。シーム誘導ロール３８，３８ａは、成形される細長片１６が溶接局の圧搾ロール領域に接近すると、細長片１６の自由縁１６ａ，１６ｂを所望の溶接シームラインと縦方向に整列するよう誘導するのに役立つ。

図１３は、円筒形上部ロール４０と、輪郭縁４１ａを備えた円筒形下部ロール４１とからなる圧搾ロール台１８を図式的に示す。各ロール４０、４１は、それぞれの回転軸４２，４３を中心とする回転式で支承される。各傾斜軸４５ａ、４５ｂを中心に回転できる圧搾ロール４４ａ、４４ｂは、中空フランジ３の加熱自由縁１６ａ、１６ｂをウェブ２の向い合う境界に沿った各加熱溶接ライン領域内に押しやり、その間に融合をもたらし、連続溶接シームを生じるようにされている。

自由縁１６ａ、１６ｂは、横方向の“スイーピング”動作なしに、圧搾ロール４４ａ、４４ｂの各回転軸４５ａ、４５ｂと垂直な線形様式の各溶接ラインに押しやられ、それによって、各自由縁１６ａ、１６ｂとウェブ２の向い合う境界間の溶接シームの所望位置上か、所望位置に対して安定な誘導“シャドウ”または経路を維持する。

図１３ａは、細長片１６の自由縁１６ａ、１６ｂがウェブ２の境界と融合するように誘導される際の圧搾ロール４４ａ、４４ｂと上部支持ロール４０および下部支持ロール４１の相関関係の拡大透視図を模型で図式的に示す。図示した実施形態において、下部支持ロール４１は、それぞれ輪郭外縁４１ａを備えた、個別に支承されるロール要素として例示される。

図１４は、形成機床５２上にスライド式に取付けられた独立型成形ロール台５１を含む成形ロール台５０を図式的に示す。ロール台５１はそれぞれ、全般式に図１１ａに例示の形成花式様式により例示されるような鋼鉄細長片１６の外縁領域に形を連続的に付けるための成形ロールの相補性対５３，５４を支える。

図示のように、成形ロール５３，５４は、非駆動性アイドリングロールである。
図１５は、図９に示すような形成局１１か成形局１３のいずれかで用い得る駆動ロール台６０を図式的に示す。

駆動ロール台は、形成機床６１ａ上に取付けられた間隔を置いた側面枠６１を含み、側面枠は上部駆動軸６２と下部駆動軸６３を回転式で支え、その軸上に取付けられた円筒形駆動ロール６４，６５は、全般的に図９に示される冷間圧延機の形成および成形領域を通って誘導されるとき、それぞれが中空フランジ付部材のウェブ部分２の上部面及び下部面と係合する。万能継手６６，６７は、駆動軸６２，６３を在来型の形成機駆動系（表示なし）の出力軸６８，６９に結合する。

必要であれば、ロール台６０には、細長片縁ロール７０、７１を装着させ、形成機を通じて細長片１６の整列を維持してもよい。縁ロールは、単純な円筒形ロールでもよいし、あるいは図示のような輪郭にしてもよい。ロール７０，７１は、ロール台６１上に調節式で取付け、様々な幅の中空フランジビームに適合させる。

図１６は、成形機台の成形ロールの構成を図式的に示す。
フランジ３の成形は、ウェブ２の各側面上に設置された各成形ロールの一式７５によりもたらされる。図示のように、フランジ３には、水平軸８１を支点として回転するため取付けられたローラ７６、垂直軸８２を支点として回転するため取付けられたローラ７７および傾斜軸８３を支点として回転するために取付けられたローラ７８からの成形圧が掛かっている。

図１７は、本発明に従うビームの一適用を例示する。
より大きな幅のビームを収容できない位置で、より大きな荷重積載量が必要な場合、一対のビーム９０を、間隔を置いたナットとボルトの組み合わせ９１、ピアス留め金具など９２かウェブ９０ａを通るドリリングタッピンネジ９３のような任意の適当な留め具により背中合わせに固定することができる。取付け時、多目的コンジット９５の支持ブラケット９４をネジ９７でフランジ９６に固定してもよい。同じように、ネジ１００などにより金属溝形材９８をフランジ９９に固定し、電気又は通信ケーブル１０２を囲い込む中空腔１０１を形成することによりケーブル用送管を形成してもよい。

図１８は、床梁として機能する中空フランジ溝形材１０３を示す。床梁１０３は、受金物として機能する別の中空フランジ溝形材１０４上で支えられる。材木床材１０５は、釘１０７などにより、上部フランジ１０６に固定される。同様に、中空フランジ溝形材の各フランジ１０６，１０８の交差点は、ネジ１１０で各隣接フランジ１０６，１０８に固着された隅持送り１０９により固定される。

図１９は、中空フランジ溝形材１１１とそこにネジ１１３などにより固定された山形材１１２の形態の複合体構造物１１５を示す。従って、複合体構造物１１５は、■様構造物として働き、中空壁用煉瓦構造物のドアか窓開口部を支えることができる。それによって、煉瓦１２０は、山形材１１２上に取付けることができるが、それ以外は、モルタル層１１７に固着された波形部分１１６ａとネジ１１８によりウェブ１１４に固着された取付けつまみ１１６ｂを有する煉瓦固定具１１６により溝形材１１１のウェブ１１４に固定することができる。

図２０は、本発明に従う中空フランジ溝形材間の十字型接合の構成を示す。
一実施形態において、中空フランジ溝形材１２０は、鋲、ネジ、または任意の他の適当な留め具１２６により各ウェブ１２４，１２５に固定された隅持送り１２３により同じ大きさの溝形材１２２の外面１２１と垂直に固定してもよい。

別の実施形態において、より小さな中空フランジ溝形材１２７は、溝形材１２２のフランジ１２８同士の間に嵌め込み式で設置され、そこに、ネジか他の適当な留め具１３１により溝形材１２２，１２７のウェブ１２５，１３０にそれぞれ装着された隅持送り１２９により固定される。

また、溝形材１２２，１２７の隣接フランジ１２８，１３２はそれぞれ、ネジ１３４により固定された隅持送り１３３により付着させてもよい。
さらに別の実施形態において、隣接フランジ１２８，１３２は、フランジ１２８と１３２間を延びるネジ山きり留め具１３５により固定し得る。

必要であれば、フランジの中空内部１２８ａは、電気ケーブル１３８などの送管として用いてもよい。
図２１は、材木ビーム１４１がきのこ頭型ボルト１４３とナット１４４によりウェブ１４２の外面に固定され、断面耐力を増加させ、および／または装飾仕上げを提供する、さらに別の複合体ビーム１４０を示す。

本発明に従う中空フランジ溝形ビームは、他の構造ビームと比較して、メートル当りの優れたモーメント耐力／質量を提供するだけでなく、容易な連結性、容易な取扱いおよび“有用性”を大きく高める適用での弾力性を提供することは当業者にとって容易に明らかになるだろう。現場での取付価値か費用に寄与する因子全てを考慮して、中空フランジ溝形ビームは、在来型熱間圧延ビームの最大２．５倍までの有意な有用性を提供し、長手方向にかけて、類似サイズの冷間圧延開放フランジ母屋を超える優れた性能を可能にするモーメント耐力を有する。

図２２は、本発明に従う中空フランジビームの他の実施形態を示す。
例示のように、ビームは、縦に交互に延びるリブ１５０とトラフ１５１で形成され、ウェブ２の縦方向の曲げに対してより大きな抵抗性を提供する。

必要であれば、フランジ３は、また、縦方向に延びる補鋼リブ１５２をそこに形成しておいてもよい。
図２３は、本発明に従う補強ウェブ中空フランジビームのさらに別の実施形態を示す。
この実施形態において、横方向に延びる間隔を置いたリブ１５３はウェブ２の横方向の曲げに対してより大きな抵抗性を提供する。

本発明に従う構造ビームの典型的な構成を示す。 図１の中空フランジビームの断面図を図式的に示す。 組立てビームの他の実施形態を図式的に示す。 組立てビームのさらに別の実施形態を示す。 本発明に従う冷間圧延形成ビームの一構成を示す。 本発明に従うロール形成ビームの他の実施形態を示す。 本発明に従うＨＦＣ（中空フランジ溝形材）；ＵＢ（Ｉ形断面の熱間圧延万能ビーム）、ＬＵＢ（Ｉ形断面の低質量熱間圧延万能ビーム）；ＰＦＣ（熱間圧延溝形材）；ＣＦＣ（冷間圧延Ｃ形断面）およびＨＦＢ（“ドッグボーン（Dogbone）”構成、つまり、有効ビーム長＝０である三角形断面フランジの中空フランジビーム）の断面耐力の比較をグラフ式に示す。 長さ＝６．０ｍの同じ部分のモーメント耐力をグラフ式に示す。 ロール形成機の構成を図式的に示す。 本発明の一局面に従うビームを直接形成する花式順序を図式的に示す。 本発明の別の局面に従うビームを形成および成形する花式順序を図式的に示す。 本発明の別の局面に従うビームを形成および成形する花式順序を図式的に示す。 溶接局１２をシームロール領域１７を通して切断した断面図を図式的に示す。 フランジの閉鎖点の溶接局１２を圧搾ロール領域１８を通して切断した断面図を図式的に示す。 フランジの閉鎖点の溶接局１２を圧搾ロール領域１８を通して切断した断面図を図式的に示す。 形成局を図式的に示す。 駆動局を図式的に示す。 成形局における成形ロールの構成を図式で示す。 本発明に従うビームの適応性を例示する。 本発明に従うビームの適応性を例示する。 本発明に従うビームの適応性を例示する。 本発明に従うビームの適応性を例示する。 本発明に従うビームの適応性を例示する。 補強フランジと補強ウェブを有する中空フランジ付ビームを示す。 図２２の他の実施形態を示す。

Claims (16)

1. 細長の平板ウェブ（２）と、前記平板ウェブ（２）から垂直に延びる一対の中空フランジ（３）とを有する溝形構造のビーム（１）であって、
   一対の前記中空フランジ（３）は、前記平板ウェブ（２）の同じ面から延び、互いに平行に延び、
   それぞれ前記中空フランジ（３）は、前記平板ウェブ（２）に連続的に溶接され、
   それぞれ前記中空フランジ（３）は、前記平板ウェブ（２）から延びる互いに平行な外方側面（４）と内方側面（５）を有するとともに、前記平板ウェブ（２）と同じ平面にある第１端面（６）と、前記第１端面（６）に向い合う第２端面（７）とを有し、
   前記第１端面（６）と前記第２端面（７）の間の寸法を、前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと称し、
   一対の前記外方側面（４）の間の寸法を、前記ビーム（１）の深さＤｂと称し、
   それぞれの前記中空フランジ（３）における前記外方側面（４）と前記内方側面（５）の間の寸法を、前記中空フランジ（３）の深さＤｆと称すると、
   前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記ビーム（１）の深さＤｂとの割合Ｗｆ／Ｄｂは、０．２〜０．４の範囲内にあり、
   前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記中空フランジ（３）の深さＤｆとの割合Ｗｆ／Ｄｆは、１．５〜４．０の範囲内にあり、
   前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記平板ウェブ（２）の厚さｔとの割合Ｗｆ／ｔは、１５〜５０の範囲内にある
   ことを特徴とする、溝形構造のビーム。
2. 前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記中空フランジ（３）の深さＤｆとの割合Ｗｆ／Ｄｆは、２．５〜３．５の範囲内にある、
   請求項１記載のビーム。
3. 前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記中空フランジ（３）の深さＤｆとの割合Ｗｆ／Ｄｆは、２．８〜３．２の範囲内にある、
   請求項２記載のビーム。
4. 前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記ビーム（１）の深さＤｂとの割合Ｗｆ／Ｄｂは、０．２５〜０．３５の範囲内である、
   請求項１記載のビーム。
5. 前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記ビーム（１）の深さＤｂとの割合Ｗｆ／Ｄｂは、０．２８〜０．３２の範囲内にある、
   請求項４記載のビーム。
6. 前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記平板ウェブ（２）の厚さｔとの割合Ｗｆ／ｔは、２５〜３５の範囲内である、
   請求項１記載のビーム。
7. 前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記平板ウェブ（２）の厚さｔとの割合Ｗｆ／ｔは、２８〜３２の範囲内にある、
   請求項６記載のビーム。
8. 前記ビーム（１）は、鋼鉄によって組立てられる、
   請求項１記載のビーム。
9. 前記ビーム（１）は、３００ＭＰａよりも大きな高強度鋼によって組立てられる、
   請求項２記載のビーム。
10. 前記ビーム（１）は、ステンレス鋼によって組立てられる、
    請求項８記載のビーム。
11. 前記ビーム（１）は、一つの鋼鉄薄板によって組立てられる、
    請求項１記載のビーム。
12. 前記ビーム（１）は、折畳み工程によって組立てられる、
    請求項１記載のビーム。
13. 前記ビーム（１）は、ロール形成工程によって組立てられる、
    請求項１記載のビーム。
14. 前記構造ビームは、連続冷間圧延工程で組立てられる、
    請求項１記載のビーム。
15. 前記構造ビームは、腐食抵抗性被膜を有する鋼鉄薄板によって組立てられる、
    請求項１記載のビーム。
16. 前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記ビーム（１）の深さＤｂとの割合Ｗｆ／Ｄｂは、０．３であり、
    前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記中空フランジ（３）の深さＤｆとの割合Ｗｆ／Ｄｆは、３．０であり、
    前記中空フランジ（３）の幅Ｗｆと、前記平板ウェブ（２）の厚さｔとの割合Ｗｆ／ｔは、３０である、
    請求項１〜１５何れか一項記載のビーム。

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