Iビーム

家の1階を支えるために使用されるIビーム

I型梁とは、Ɪ-（セリフ体の大文字「I」）またはH型の断面を持つ様々な構造部材を指します。類似の部材の専門用語には、H型梁、I型プロファイル、ユニバーサルコラム（UC）、W型梁（ワイドフランジ）、ユニバーサルビーム（UB）、ロールドスチールジョイスト（RSJ）、ダブルT（特にポーランド語、ブルガリア語、スペイン語、イタリア語、ドイツ語）などがあります。I型梁は通常、構造用鋼で作られ、様々な建設用途に使用されます。

Ɪの水平要素はフランジと呼ばれ、垂直要素はウェブと呼ばれます。ウェブはせん断力に抵抗し、フランジは梁が受ける曲げモーメントの大部分に抵抗します。オイラー・ベルヌーイの梁の式は、 Ɪ形状の断面がウェブ面内の曲げ荷重とせん断荷重の両方を効率的に支持する形状であることを示しています。一方、この断面は横方向の容量が低下し、ねじりも効率的に支持できません。ねじりに対しては、中空構造が好まれることが多いです。

歴史

ペンシルベニア州アレンタウンのミューレンバーグ大学のキャンパスにあるマーク・ディ・スーヴェロの「勝利者の嘆き」 （前景が赤）は、ペンシルベニア州東部のリーハイ・バレー地域の鉄鋼製造の豊かな歴史に敬意を表した I ビーム彫刻です。

1849年、錬鉄の一枚板から圧延してI型鋼を製造する方法[ 1 ]が、ベルギーのマルシエンヌ・オー・ポンにあるForges de la Providenceのアルフォンス・ハルボーによって特許取得されました[ 2 ]。

ペンシルベニア州ベツレヘムに本社を置くベツレヘム・スチールは、20世紀半ばのアメリカの橋梁や超高層ビルの建設において、様々な断面の圧延構造用鋼を供給する大手サプライヤーでした。[ 3 ]現在では、圧延断面は加工断面に部分的に置き換えられています。

概要

Iビームの典型的な断面

標準的な I ビーム形式には次の 2 つがあります。

I型梁は一般的に構造用鋼で作られていますが、アルミニウムやその他の材料で作られることもあります。一般的なI型梁の種類は、圧延鋼ジョイスト（RSJ）で、誤って鉄筋ジョイストと表記されることもあります。英国および欧州の規格では、ユニバーサルビーム（UB）とユニバーサルコラム（UC）も規定されています。これらの断面は、図に「W断面」と示されている平行フランジを有しており、厚さが変化するRSJフランジ（「S断面」と示されている）とは対照的です。RSJフランジは現在、英国ではほとんど圧延されていません。平行フランジは接続が容易で、テーパーワッシャーが不要です。UCは幅と奥行きが等しいかほぼ等しいため、多階建て建築の柱など、軸方向荷重を支えるために垂直に配置するのに適しています。一方、UBは幅よりも奥行きがはるかに大きいため、床の梁要素など、曲げ荷重を支えるのに適しています。

I形梁（ Iビーム）は、木材とファイバーボード、またはラミネートベニア材、あるいはその両方を組み合わせて作られたもので、無垢材の梁に比べて軽量で反りにくいことから、特に住宅建築においてますます人気が高まっています。しかし、保護対策を講じないと、火災時に強度が急速に低下する懸念があります。

デザイン

ねじりモードで振動するIビーム

I形鋼は建設業界で広く使用されており、様々な標準サイズが用意されています。荷重に応じた適切なI形鋼のサイズを簡単に選定できるよう、表をご用意しています。I形鋼は梁としても柱としても使用できます。

I型梁は単独で使用することも、他の材料（典型的にはコンクリート）と複合して使用することもできます。設計は、以下のいずれかの基準に基づいて決定されます。

  • たわみ：Iビームの剛性は変形を最小限に抑えるように選択される。
  • 振動：剛性と質量は、特にオフィスや図書館などの振動に敏感な環境では、許容できない振動を防ぐために選択されます。
  • 降伏による曲げ破壊：断面の応力が降伏応力を超える場合
  • 横ねじり座屈による曲げ破壊：圧縮されたフランジが横方向に座屈する傾向があるか、または断面全体がねじり座屈する。
  • 局部座屈による曲げ破壊：フランジまたはウェブが細すぎて局部的に座屈する
  • 局所降伏：梁の支持点などの集中荷重によって発生する
  • せん断破壊：ウェブが破損する箇所。細いウェブは、張力場作用と呼ばれる現象によって座屈し、波打つことで破損するが、せん断破壊はフランジの剛性によっても阻止される。
  • 部品の座屈または降伏: たとえば、I 型梁のウェブに安定性を与えるために使用される補強材の座屈または降伏。

曲げを考慮した設計

対称梁の二軸曲げにおける曲げトルクとその結果生じる応力。複合曲げは、y軸とz軸を中心とした2つの単純曲げの重ね合わせです（変形が小さく、線形挙動）。曲げを受ける梁の最大応力（𝜎xx ）は、中立軸から最も遠い位置にあります。

曲げを受ける梁は、中立軸から最も遠い軸方向繊維に沿って高い応力を受けます。破損を防ぐには、梁の材料の大部分をこれらの領域に配置する必要があります。中立軸に近い領域では、比較的少ない材料で済みます。この観察結果がI型梁の断面構造の基礎となります。中立軸はウェブの中心に沿っており、ウェブは比較的薄くても構いません。そのため、材料の大部分はフランジに集中させることができます。

理想的な梁とは、所定の断面係数を達成するために必要な断面積が最も小さい（したがって、必要な材料が最も少ない）梁です。断面係数は慣性モーメントの値に依存するため、効率的な梁は、材料の大部分を中立軸から可能な限り遠くに配置する必要があります。材料の量が中立軸から遠いほど、断面係数は大きくなり、より大きな曲げモーメントに耐えることができます。

曲げ応力に耐える対称I型梁を設計する場合、通常は必要な断面係数を出発点とします。許容応力をσ max、最大予想曲げモーメントをM maxとすると、必要な断面係数は次式で与えられます。[ 4 ]

S＝Mメートル1つの×σメートル1つの×＝私c{\displaystyle S={\cfrac {M_{\mathrm {max} }}{\sigma _{\mathrm {max} }}}={\frac {I}{c}}}、

ここで、Iは梁の断面のモーメント、cは梁の上部から中立軸までの距離です (詳細については 梁理論を参照してください)。

断面積がaで高さがhの梁の場合、理想的な断面積は、距離が半分の断面積を持つことになります。h/2⁠断面の上半分と、離れたところにあるもう半分⁠h/2⁠断面の下。 [ 4 ]この断面では、

私＝1つのh24;S＝121つのh{\displaystyle I={\frac {ah^{2}}{4}}\,;\quad S={\frac {1}{2}}ah}。

しかし、座屈抵抗などの物理的な理由からウェブに材料が必要となるため、これらの理想的な条件は決して達成できません。広幅フランジ梁の場合、断面係数はおよそ

S≈0.351つのh{\displaystyle S\approx 0.35ah}

これは長方形梁や円形梁で達成されるものよりも優れています。

問題

I形梁はウェブに平行な面内での一方向曲げには優れていますが、双方向曲げにはそれほど優れた性能を発揮しません。また、ねじりに対する抵抗力は小さく、ねじり荷重を受けると断面が反り返ります。ねじりが支配的な問題では、 I形梁よりも箱形梁などの剛性の高い断面が好まれます。

補強材

横方向ウェブ補強材を用いて面外剛性を付加することで、梁ウェブのせん断耐力を高めることができます。ウェブ補強材はウェブの両側、または片側のみに取り付けることができます。通常は鋼板を溶接して固定しますが、ボルト締めも可能です。[ 5 ] [ 6 ]

標準

アメリカにおける形状と材質

錆びたリベット鋼のIビーム

アメリカ合衆国では、最も一般的に言及されるI型梁はワイドフランジ（W）形状です。これらの梁は、フランジの内面がほとんどの面積にわたって平行です。その他のI型梁には、フランジの内面が平行ではないアメリカ規格（Sと表記）形状や、杭基礎として一般的に使用されるH型杭（HPと表記）があります。ワイドフランジ形状はASTM A992規格で提供されており、[ 7 ]これは、従来のASTM規格A572およびA36に取って代わるものです。降伏強度の範囲：

  • A36: 36,000  psi (250  MPa )
  • A572: 42,000～60,000 psi (290～410 MPa)、最も一般的なのは50,000 psi (340 MPa)
  • A588: A572と同様
  • A992: 50,000 ～ 65,000 psi (340 ～ 450 MPa)

ほとんどの鉄鋼製品と同様に、I ビームにもリサイクル素材が含まれていることがよくあります。

次の規格は、I ビーム鋼断面の形状と許容差を定義しています。

欧州規格

IPE鋼梁の断面

ヨーロッパでは、I形鋼とH形鋼の主なプロファイルはIPE、IPN、HEプロファイルで、さらにHEA、HEB、HEMに分類されます。これらのプロファイルの主な違いは、フランジ（「I」または「H」の水平部分）の形状と寸法であり、これらは強度と重量に影響します。

IPE
Iプロファイル・ヨーロピアン（IPE）の略称です。IPEプロファイルは、I字型の断面と平行フランジを備えています。ウェブ（垂直部分）は通常、フランジ幅よりも高く、細長く高い外観を呈します。これらの梁は、EN 10365規格に準拠して標準化されています。
IPN
I Profile Normalの略。IPEと同様にI字型の断面を持ちますが、主な違いはテーパーフランジです。フランジの内面は平行ではなく、14%の勾配で傾斜しています。
彼
HEプロファイルは、特徴的なH字型断面を持つワイドフランジ梁の一種です。IPEやIPNとは異なり、フランジ幅は大幅に広く、多くの場合、一定サイズまでは梁の高さと等しくなります。フランジとウェブの厚さに基づいて、HEA（軽量）、HEA（標準）、HEAM（重量）の3つの主要なタイプに分類されます。

プロファイルは次の標準に従って管理されます。

  • EN 10024、熱間圧延テーパーフランジIセクション–形状および寸法の許容差。
  • EN 10034、構造用鋼 I 型および H 型断面 – 形状および寸法の許容差。
  • EN 10162、冷間圧延鋼形鋼 – 技術的納入条件 – 寸法および断面公差

AISCマニュアル

アメリカ鉄骨構造協会（AISC）は、様々な形状の構造物を設計するための「鉄骨構造マニュアル」を発行しています。このマニュアルでは、許容強度設計（ASD）と荷重抵抗係数設計（LRFD）という、設計を行うための一般的な手法（第13版以降）が解説されています。

他の

名称と用語

ワイドフランジIビームの寸法

アメリカ合衆国では、鋼製I型梁は一般的に梁の深さと重量で指定されます。例えば、「W10×22」の梁は、深さが約10インチ（254mm）で、I型梁の公称高さは一方のフランジの外面からもう一方のフランジの外面までで、重量は22ポンド/フィート（33kg/m）です。ワイドフランジ断面梁は、公称深さと異なる場合が多く、W14シリーズの場合、深さは最大22.84インチ（580mm）になることがあります。 [ 9 ]

欧州では、鋼製プロファイルは、種類と公称高さ（ミリメートル単位）の組み合わせで命名されます。命名は文字の直後に梁のウェブ高さを記すというシンプルなものです。IPE 200 ビームは、欧州規格（EN 10365）に基づき、以下の主要寸法と重量を有します。

  • 高さ（h）：200 mm
  • フランジ幅（b）：100 mm
  • ウェブ厚さ（t w）：5.6 mm
  • フランジ厚さ（t f）：8.5 mm
  • 重量: 1メートルあたり22.4 kg (kg/m)

カナダでは、現在、鋼製I型梁は、梁の深さと重量をメートル法で表記することが一般的です。例えば、「W250×33」という梁は、深さ（I型梁の一方のフランジの外面からもう一方のフランジの外面までの高さ）が約250ミリメートル（9.8インチ）で、重量は約33kg/m（22ポンド/フィート、67ポンド/ヤード）です。[ 10 ]多くのカナダのメーカーは、現在でも米国サイズのI型梁を販売しています。

メキシコでは、鋼製I型梁はIRと呼ばれ、通常、梁の深さと重量をメートル法で表します。例えば、「IR250×33」という梁は、深さ（I型梁の一方のフランジの外面からもう一方のフランジの外面までの高さ）が約250mm（9.8インチ）で、重量は約33kg/m（22ポンド/フィート）です。[ 11 ]

インドでは、I形梁はISMB、ISJB、ISLB、ISWBと表記されます。ISMB：インド規格中量梁、ISJB：インド規格ジュニア梁、ISLB：インド規格軽量梁、ISWB：インド規格ワイドフランジ梁。梁は、それぞれの略称に断面の深さを付して表記されます。例えば、ISMB 450の場合、450は断面の深さ（ミリメートル）です。これらの梁の寸法は、IS:808（ BIS準拠）に基づいて分類されます。

英国では、これらの鋼材は、主寸法（通常は深さ）×副寸法×メートル当たりの質量、そして最後に断面の種類からなるコードで指定されるのが一般的です。すべての測定値はミリメートル単位で表されます。したがって、152×152×23UCは、深さ約152mm（6.0インチ）、幅152mm、長さ1m当たりの質量23kg（46ポンド/ヤード）の柱断面（UC = ユニバーサルコラム）となります。[ 12 ]

オーストラリアでは、これらの鋼材は一般的にユニバーサルビーム（UB）またはコラム（UC）と呼ばれています。それぞれの名称は、梁のおおよその高さ、種類（梁またはコラム）、そして単位メートルレートで表されます（例：460UB67.1は、約460 mm（18.1インチ）の深さのユニバーサルビームで、重量は67.1 kg/m（135ポンド/ヤード）です）。[ 8 ]

細胞ビーム

セルラー梁は、伝統的なキャスタレーション梁の現代版であり、母材よりも約40～60%深い梁となります。仕上げ深さ、セル径、セル間隔は柔軟に調整可能です。セルラー梁は母材の最大1.5倍の強度を持つため、効率的な大スパン構造の構築に利用されます。[ 13 ]

参照

参考文献

  1. ^フォーサイス、M. 歴史的建造物の保存における構造と建設。p.179。
  2. ^ Thomas Derdak, Jay P. Pederson (1999).国際企業史ディレクトリ. 第26巻. St. James Press. p. 82. ISBN 978-1-55862-385-9。
  3. ^ 「Forging America: The History of Bethlehem Steel」モーニング・コール補足版 モーニング・コール2003年12月14日オリジナルより2011年4月27日時点のアーカイブ。 2010年9月24日閲覧。
  4. ^ a b GereとTimoshenko、1997年、「材料力学」、PWS出版社。
  5. ^ Quimby, T. Bartlett (2011年7月30日). 「せん断に対する横方向補強材」 . T. Bartlett Quimby . 2025年5月8日閲覧。
  6. ^ Beg, D. (2013年4月16日). 「補強プレートガーダーにおける中間横補強材」(PDF) . 構造安定性研究評議会, ミズーリ州セントルイス. 2025年5月8日閲覧.
  7. ^ ASTM A992?A992M 構造用鋼形状品の標準仕様.米国材料試験協会. 2006. doi : 10.1520/A0992_A0992M-06A .
  8. ^ a b熱間圧延鋼および構造用鋼製品 - 第5版OneSteel 2010年2月
  9. ^ AISC鉄骨構造マニュアル第14版
  10. ^鉄骨構造ハンドブック（第9版）カナダ鉄骨構造協会. 2006年. ISBN 978-0-88811-124-1。
  11. ^ IMCA 鉄骨構造マニュアル、第 5 版。
  12. ^ 「構造セクション」(PDF) . Corus Construction & Industrial. 2010年2月15日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。
  13. ^ 「Cellular Beams - Kloeckner Metals UK」kloecknermetalsuk.com . 2017年5月13日閲覧。

さらに読む

  • アシュビー, MF (2005). 『機械設計における材料選定』（第3版）. オックスフォード; ボストン: エルゼビア・バターワース・ハイネマン. ISBN 9780750661683。第 8 章、セクション 8.4 (「床根太: 木材か鋼材か?」) と 8.5 (「鋼板の剛性の向上」) を参照してください。
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