鋼製ボックス柱は、溶接ボックスセクションまたは密閉ビルドアップセクションとも呼ばれ、4 枚の板を溶接して中空の正方形または長方形のプリズムにすることによって製造されます。{0}閉じた形状により、両軸に関して対称的な剛性、高いねじり抵抗、大きな軸方向荷重下での優れた性能が得られるため、高層コア、長大橋、産業用フレームの標準的な選択肢となっています。-すべてのプロジェクト チームが初期段階で直面する問題は、カラムのサイズはどれくらいであるべきかということです。答えはカタログではなく構造設計から得られます。このガイドでは、それを決定する要素とチェック事項について説明します。
鋼製ボックス柱とは何ですか?
鋼製箱柱は閉じた中空の構造部材で、通常は 4 枚の鋼板を溶接して正方形または長方形の断面を形成することで製造されます。-。 I- や H- ビームなどのオープンセクションと比較して、ボックスセクションには次のような特徴があります。
対称二軸剛性:強い軸も弱い軸もないので、柱はあらゆる方向に均等に曲がるのに耐えます。
高いねじれ耐性:クローズドセルはオープンセクションよりもはるかに効果的にトルクに抵抗します。
高い圧縮効率:材料は重心から離れて分散され、断面領域に大きな回転半径が与えられます。
優れた局所座屈制御:4 つのプレート壁は、規定のコンパクトさの制限を満たすように比例させることができます。
ボックス柱は、高層フレームの建物の柱、橋脚や鉄塔、産業用建物や公共建物の主要部材として広く使用されています。{0}
ボックスの列のサイズを決定する要因
設計荷重
断面は、規定に従って組み合わされた、係数化された軸方向荷重、重力および横方向荷重による曲げモーメント、およびせん断に耐える必要があります。-強度と保守性の両方の限界状態が満たされる必要があります。
ブレースなしの高さと有効長
ブレースのない長さが長くなると、コラムの細さが増し、圧縮能力が低下します。有効長は、実際の長さと、端部拘束 (部材の上部と下部での固定、ピン留め、または部分的に拘束された接続) を反映する K- 係数の積です。
終端拘束と境界条件
固定ベースとモーメント接続されたトップでは有効長係数が減少しますが、ピン固定ベースと単純な接続では有効長係数が増加します。サポート条件は座屈チェックに直接影響するため、サポート条件を正確にモデル化する必要があります。
鋼種
S355 (EN 10025-2)、ASTM A572 Grade 50、または Q355B (GB/T 1591) などの高強度グレードでは、同じ荷重に対してよりコンパクトなセクションが可能になりますが、その代わりに単価が高くなり、溶接と製造の要件が厳しくなります。グレードは設計強度と製造能力を考慮して選択する必要があります。
幅-と-の厚さの比率（局所座屈）
ボックス柱の板壁は、セクションが最大強度に達する前に局所的な座屈を防ぐように調整する必要があります。コードは、幅-対厚さの比率-に関してコンパクトさの限界を定義します。たとえば、AISC 360 は均一圧縮下での細長い要素の幅-対厚さの比率-の制限を設定しており、GB 50017 および EN 1993-1-1 は同等の局所座屈要件を規定しています。設計では、選択したプレートの厚さが該当する制限を満たしていることを確認する必要があります。
ボックス柱のデザインチェック
ボックス列のサイズ設定は、セクションを想定し、確認し、調整するという反復的なプロセスです。管理コード (AISC 360、EN 1993-1-1、GB 50017 など) を使用して実行される主なチェックは次のとおりです。
軸方向の強度:設計圧縮強度は、公称強度を適切な抵抗係数で減じたものであり、公称強度は臨界軸の周りの曲げ座屈を考慮しており、有効細さ KL/r に基づいています。
軸方向と曲げの組み合わせ:軸荷重とモーメントが加わった部材は、軸力とモーメントの利用率を組み合わせたコードの相互作用方程式を使用して検証されます。
細さの限界:圧縮部材は通常、最大細さ比に制限されます（たとえば、AISC 360 に基づく主要圧縮部材の KL/r は 200 以下。GB 50017 の同等の制限が主要圧縮部材に適用されます）。
局所的な座屈:プレートの幅-と-の厚さの比率がコードのコンパクトさの限界に照らしてチェックされるため、セクションは設計で想定されているとおりの塑性または弾性の能力を発揮できます。
保守性:横方向のドリフト、軸方向の短縮、振動がプロジェクトの制限に対してチェックされます。
形状は強度チェックと相互作用するため、最終的なサイズは、認定された設計ソフトウェアを使用し、承認された計算に基づいて作成された製造図面を使用して、資格のある構造エンジニアによって最もよく確認されます。
用途別の実際的なサイジングのガイダンス
| 応用 | 相対セクションクラス | 推奨グレード例 | 主要な選択要因 |
|---|---|---|---|
| 住宅用および軽商業用フレーム | コンパクトなセクション、適度な肉厚 | Q235B (GB/T 1591) または S235JR (EN 10025-2) | スペース効率、経済性、簡単な接続 |
| 産業プラントおよび倉庫 | 適度な剛性を備えたミディアムセクション | Q355B (GB/T 1591) または S355JR (EN 10025-2) | クレーン荷重、衝撃・振動、ドリフト制御 |
| 高層ビルと商業タワー | 大きなセクション、厚い壁 | Q355B、Q420 (GB/T 1591) または ASTM A572 グレード 50/60 | 高い軸方向容量、厳密なコンパクト性管理、耐震性の詳細 |
| 橋とインフラ | 深部、厚板、疲労の詳細 | S355K2 (EN 10025-2) または ASTM A572 グレード 50 | 動的荷重、疲労、腐食代 |
| 一時的な支持構造 | 中程度のセクション、ボルト接続 | Q355B (GB/T 1591) または S355 | 再利用性、可搬性、素早い組み立てと解体 |
この表は単なる参考値です。支配的な荷重ケース、有効長、およびコード要件が常に優先され、正確な寸法は構造計算から得られる必要があります。
製造と品質管理
溶接ボックス柱は、閉じたセクションにより組み立て後に内部の溶接部にアクセスできなくなるため、規律ある製造が要求されます。
溶接：四隅の継ぎ目は通常、制御された順序でサブマージ アーク溶接 (SAW) によって溶接されます。溶接手順は、AWS D1.1、EN 1090、または該当するコードに準拠する必要があります。
内部硬化:荷重導入点の横ダイヤフラムと、必要に応じて縦補強材が局所的な座屈を制御し、集中力を分散します。
非破壊検査:-重要な溶接部は、仕様で要求されている場合、磁粒子検査 (MT) または放射線検査 (RT) を使用した超音波検査 (UT) によって検査されます。
材料のトレーサビリティ:EN 10204 (タイプ 3.1) に準拠したミルテスト証明書は、プレートの化学的性質と機械的特性を文書化します。
腐食防止:表面は Sa 2.5 までブラスト洗浄され、暴露カテゴリの ISO 12944 に従ってコーティングされるか、指定されている場合には溶融亜鉛メッキされます。-
試作組立：複雑な柱や公差の高い柱は、出荷前に工場で試用的に組み立てられ、穴の位置と形状が確認されます。{0}
よくある質問
Q: ボックスコラムにはどのような形状がありますか?
正方形および長方形の中空セクションが最も一般的です。先細りの段付きボックス柱は、建築要件または荷重要件で高さに沿って変化するセクションが必要な場合に製造されます。
Q: ボックス柱にはどの鋼種を選択すればよいですか?
中程度の負荷の場合は、Q235B (GB/T 1591) または S235JR (EN 10025-2) が経済的です。高層ビル、橋梁および重工業用途では、Q355B/Q420 (GB/T 1591)、S355 (EN 10025-2) または ASTM A572 グレード 50/60 が一般的です。グレードは設計強度と製造要件に合わせて選択されます。
Q: 壁の厚さはどのように決定されますか?
壁の厚さは、軸方向および曲げ強度のチェック、コードの局所的な座屈（幅-から厚さ-）の制限、および環境に必要な腐食許容量によって設定されます。細さまたは局所的な座屈チェックが重要な場合には、より厚い壁が使用されます。
Q: ボックス柱の幅と厚さの適切な比率はどれくらいですか?{0}}-
単一の固定値はありません。幅-対-の厚さの比率の制限は、管理規定（AISC 360、GB 50017、EN 1993-1-1 の緻密性制限など）によって定義され、鋼の降伏強さと壁の応力レベルによって異なります。設計では、該当する制限に対してセクションを検証する必要があります。
Q: ボックス柱を現場で接合できますか?
はい。フィールド スプライスは、ボルト締めされたスプライス プレートまたは完全溶け込み溝溶接で作成され、コードに従って詳細に確認されます。-ショップ-で製造された端部の準備と試用アセンブリは、スプライスでの位置合わせを保証するのに役立ちます。
Q: 製造されたボックス柱にはどのような文書が付属しますか?
一般的な文書には、圧延試験証明書 (EN 10204 タイプ 3.1)、溶接手順の資格および溶接者の記録、NDT レポート、寸法検査レポート、および承認された製造図面が含まれます。