高層ビル用の鋼製ボックス柱-: 設計上のメリットと製造上の重要事項

鋼製ボックス柱とは何ですか?

鋼製ボックス柱は、正方形または長方形の中空プロファイルを備えた閉断面の垂直部材であり、通常、長手方向の端に沿って 4 枚の鋼板を溶接することによって製造されます。{0}閉じた二重対称の形状により、柱は両方の主軸周りでほぼ等しい曲げ剛性が得られます。これは、高層フレームで複数の方向から荷重を受ける部材にとって決定的な利点となります。-

ボックス柱は、軸方向の重力荷重、横方向の風力や地震力、梁やブレースから伝わる曲げモーメントに耐えます。これらは、建物のコア、周囲モーメント フレーム、トランスファー構造、長いスパンの屋根サポートなどに発生します。-中空コアは空のままにすることも、構造用コンクリートで充填して、鋼の引張強さとコンクリートの圧縮質量および剛性を組み合わせたコンクリート充填鋼管 (CFST) 柱を作成することもできます。{3}

ボックス列が高層フレームで優れたパフォーマンスを発揮する理由-

H-柱などの開いたセクションと比較して、閉じたボックスセクションは、高層ビルに直接関係する方法で部材の構造挙動を変更します。

閉断面ねじり剛性-

4 つのプレートが閉じた管を形成しているため、ボックス柱は同じ重量の開いた I{0}} セクションや H- セクションよりもはるかに効果的にねじれに抵抗します。これは、非対称のファサード荷重、クレーンの動作、または地震によるねじりモーメントがフレームに作用する場合に重要です。この利点は閉じた形状自体から得られ、鋼のグレードに関係なく当てはまります。

バランスの取れた二軸剛性と座屈挙動

両方の主軸周りの慣性モーメントがほぼ等しいため、ボックス コラムには顕著な弱い軸がありません。したがって、曲げ耐性と座屈耐性はあらゆる方向からの荷重に対して安定しているため、接続設計が簡素化され、地震発生時に弱軸が破損するリスクが軽減されます。-閉鎖セクションの設計規則は、GB 50017、AISC 360、EN 1993-1-1 など、他の鋼部材と同じ国内規定に従います。

コンクリート-充填オプション（CFST）

コアを構造用コンクリートで充填すると、軸方向の耐力と曲げ剛性が向上し、コンクリート塊が熱を吸収し、鋼製シェルがコアを閉じ込めるため、耐火性能が向上します。 CFST メンバーの複合動作は GB 50017、EN 1994-1-1、および AISC 360 Chapter I でカバーされており、このオプションは負荷の高い下層階の列でよく選択されます。

箱柱 vs H-断面柱 vs 鉄筋コンクリート柱

設計と製造に関する考慮事項

材料の選択

プレートの材質は、管理される設計コードとプロジェクトの仕様に一致するように選択されます。一般的な溶接-構造グレードには、ASTM A572 グレード 50 またはグレード 60、EN 10025-2 S355JR/J0/J2、および GB/T 1591 Q355B/C/D/E が含まれます。より低い強度が許容される場合は、ASTM A36 または EN 10025-2 S235JR を使用できます。接合部に大きな拘束がある部材の場合、層状の裂け目を防ぐために厚さ方向の特性を指定できます。

溶接と製作

ボックス柱は通常、自動サブマージ アーク溶接（SAW）による完全溶け込み縦方向溶接を備えた 4 枚のプレートから構築されます。{0}}内部ダイヤフラムと補強材は、パネル ゾーン、スプライス、負荷導入点に取り付けられます。-、多くの場合、エレクトロスラグ溶接 (ESW) またはフラックス入りプロセスによって溶接されます。-施工は AWS D1.1 または EN 1090-2 に従い、資格のある溶接工と承認された溶接手順仕様に従って行われます。

品質管理

重要な溶接部は、超音波検査 (UT) および磁粉検査 (MT) によって検査されます。表面処理は ISO 8501-1 に従い、通常は Sa 2.5 まで行われます。その後、ISO 12944 で指定されたコーティング システムが適用されるか、腐食防止が必要な場合は ISO 1461 で溶融亜鉛めっきが行われます。-。寸法検査には、断面サイズ、真直度、直角度、接続端の準備が含まれます。-

利用可能な柱タイプの概要については、柱と梁の構造用鋼柱シリーズをご覧ください。

高層建築における一般的な用途-

鋼鉄および複合モーメントフレームのコア柱と外周柱

大規模なオープン プランの下層階と演台構造をサポートするトランスファー コラム-

局所的な高い座屈抵抗が必要なコア壁境界のコーナー柱-

清潔で面一な表面が設計意図の一部である露出した建築柱

長いスパンの屋根と表彰台のサポート-により、自重の軽減が基礎設計にメリットをもたらします-

よくある質問

Q: ボックス柱は、追加のプレートを備えた単純な H- 柱ですか?
いいえ。H-柱は顕著な弱い軸を持つ開いたセクションですが、ボックス柱はバランスのとれた二軸剛性とはるかに高いねじり抵抗を備えた閉じたセクションです。この 2 つは、ダイヤフラムの配置や溶接へのアクセスなど、設計や詳細が異なります。

Q: ボックス柱は防火必要ですか?
はい。すべての構造用鋼と同様に、ボックス柱には、規制法が要求する場合、通常は膨張性コーティング、ケース、またはコンクリート充填による防火が必要です。 CFST オプションでは、火災戦略の一部としてコンクリートコア自体を使用します。

Q: どのような厚さの板でもボックス柱に溶接できますか?
実際の限界は、コンセプトそのものではなく、溶接アクセス、接合部の設計、歪み制御、NDT 機能によって設定されます。厚板の場合は、面取りの準備、入熱の制御、適切な溶接手順が必要となるため、通常は資格のある構造用鋼工場で製造が行われます。

Q: ボックス列は常に H{0}} 列より高価ですか?
必ずしもそうとは限りません。プレートの準備と 4 つの縦方向の溶接のため、単位製造コストは高くなりますが、材料効率と構造重量の軽減により、負荷の大きい部材や細い部材ではこれを相殺できます。比較は、基礎、接続、防火を含む総設置コストで行う必要があります。

Q：ボックス柱は耐震設計に適していますか？
はい。両軸のバランスの取れた剛性を備えたボックス柱は耐震フレームに広く使用されており、他の鋼部材と同じ規定、たとえば GB 50017 と AISC 341 または EN 1998-1 の耐震詳細規定に基づいて設計されています。

Q: ボックス柱を現場で接合できますか?
はい。スプライスは、設計に応じて、カバー プレートでボルト締めするか、溶接することができます。 NDT によってチェックされた完全貫通工場溶接と慎重に準備されたスプライス端は、高層建築の標準的な手法です。-