鋼材の重量計算ソフトでは、鉄骨の部材別集計、鉄板やベニヤ板・パイプの板取り計算、鋼材の重量長尺材から切断リストの作成、鉄筋の定尺長・定尺重量・使用本数の算出、設計総重量・定尺総重量・ロス率の算出などができます。
鉄骨積算、鉄筋拾い出し、ボルト長さ、代価表、単価表、鉄筋重量、鉄筋積算、鉄骨工事積算、エクセル計算式など、鋼材数量計算ツール・鋼材取り合い・鋼材重量集計のフリーソフトやテンプレートなどをダウンロードを試してみてください。
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鋼材の重量表がなくても、重量は計算で求めることができる
鋼材の比重は、銅の比重＝8.9、黄銅の比重＝8.6、アルミの比重＝2.6～2.8、リン青銅の比重＝9.0、ステンレスの比重＝7.9、と決まっています。鋼材の重量計算で端数が出た場合は、丸め処理をして、鉄鋼業界特有の端数処理をします。この端数処理は、JISの四捨五入といわれます。 3桁まるめとは、有効数字4桁目を整理して、有効数字3桁に確定するになります。
鋼材の重量表がなくても、重量は計算で求めることができます。 一本当たりの鋼材重量＝鋼材の断面積×鋼材の長さ×鋼材の比重鉄の比重は、7.85です。 丸鋼の断面積は、半径×半径×3.14 で計算します。 板鋼の断面積は、厚み×幅 で計算します。 コイルなどは、ロールごとに重量が異なるため、トラックごとに重量計に乗り、実貫重量を計測します。
鉄筋工の数量計算規定、鉄筋の質量について
鉄筋工の数量計算規定は、河川、海岸、道路、水路、コンクリート橋梁、鋼橋床版の鉄筋構造物の 加工・組立、および、差筋、場所打杭の鉄筋かごの加工・組立に適用されます。鉄筋径は、D10(φ9)以上、D51(φ51)以下とします。鉄筋工の区分は、規格・仕様、材料規格、鉄筋径、 施工条件、構造物種別、施工規模、太径鉄筋の割合します。
鉄筋の質量は、その区分ごとに算出します。 規格・仕様区分において、場所打杭用かご筋に区分される場合は、施工条件区分、構造物種別は 算出する必要はありません。 鉄筋工の規格・仕様区分については、一般構造物は、構造物の鉄筋の加工・組立の基準を適用します。 また、場所打杭用かご筋は、場所打杭用鉄筋かごの加工・組立の基準に準じるものとします。 施工条件区分については、トンネル内の鉄筋組立作業がある場合は、その数量を区分して算出します。 なお、トンネル内に区分した場合は、構造物種別は算出する必要はありません。
鉄筋の質量算出
鉄筋の質量は、種別ごとに算出し、規格・仕様種別は、場所打杭用かご筋に分けられるケースでは、施工条件、構造物区分は算出しません。平均断面法の土量計算書、平均距離法による数量計算書、鉄板やベニヤ板・パイプの板取りソフト、鋼材の重量長尺材から切断リストを作成などの土量計算、鋼材の数量計算のソフトやエクセルテンプレートです。鉄筋工の数量計算について検討するケースです。
橋梁用床版は、PC床版を除き、鋼橋用床版の加工・組立作業の基準が該当します。トンネル内に区別するケースでは、構造物の区分は算出しません。鉄筋工の種別は、規格・仕様、材料規格、鉄筋径、施工条件、構造物種別、施工規模、太径鉄筋の割合で示します。
鉄筋の数量計算は、河川、海岸、道路、水路、コンクリート橋梁、鋼橋床版の鉄筋構造物の加工・組立、差筋、場所打杭の鉄筋かごの加工・組立に当てはめます。鉄筋工の規格・仕様種別は、一般構造物は、構造物の鉄筋の加工・組立の基準を当てはめます。
鋼材の応力度とひずみ度の関係についてと材料の変形に関して
H鋼強度計算、H鋼重量計算、鋼管柱強度計算、パイプ重量計算で用いられる鋼材の応力度とひずみ度の関係は、引張荷重の小さい弾性範囲内では、応力度とひずみ度は比例関係です。弾性限界を超えると、上降伏点に達し、その後若干荷重が下がり、下降伏点となります。JIS規格の降伏点は、上降伏点の値を示しています。
材料の変形は、荷重を除荷するともとに戻る変形を弾性変形、除荷してももとに戻らない変形を塑性変形といいます。高張力鋼のように明確な降伏点を持たない材料のヤング係数は、通常0.2%ひずみ時の応力度を耐力とし、応力度ーひずみ度曲線の比例部分の傾きとします。
ヤング係数Eは応力度をσ、ひずみ度をεとすると、E=σ/εとなり、通常環境下では205000N/mm2となります。許容応力度設計では部材に生じる応力度をある降伏点以下とします。一方、保有水平耐力計算などでは終局耐力まで考慮します。
金属材料の降伏条件には以下の3つの考え方があります。
- 最大主応力説・最大せん断応力説：応力度が材料の固有値に達したときに降伏する。
- 最大ひずみ説：ひずみ度が材料の固有値に達したときに降伏する。
- せん断ひずみエネルギー説：材料に蓄積された弾性ひずみエネルギーが、材料の固有値に達したとき降伏する。
建築構造設計では、一般的に③せん断ひずみエネルギー説が用いられます。
また、鋼材のせん断許容応力度は引張許容応力度の1/√3とします。
金属材料の破壊形式はいくつかあり、延性破壊は鋼材が十分塑性化した後に破壊する形式で、靭性の高い理想的な破壊形式です。脆性破壊は塑性変形をほとんどしない破壊形式で、急激に破壊するため危険な破壊形式です。
高炭素鋼などの硬く伸び能力が低い材料は脆性破壊しやすいため注意が必要です。クレーンガーターのボルトや溶接部など繰り返し荷重を受ける箇所は疲労破壊に注意が必要です。
鋼材強度計算、鉄骨強度計算、鋼材たわみ計算等に使用する鋼材の機械的性質
H鋼強度計算、H鋼重量計算、鋼管柱強度計算、パイプ重量計算で用いられるJIS規格の鋼材は引張強さ、降伏点または耐力、伸び、硬さ、衝撃強さ、などが機械的性質として規定されています。許容応力度計算においては降伏点や耐力が重要となります。
一方、保有水平耐力計算では引張強さや伸び能力も重要となります。鉄骨構造の事故や破壊では、硬さ、衝撃強さ、疲労強度が問題となることが多いです。構造設計の際には許容応力度を気にする場合が多いですが、繰り返し荷重を受ける場合など使用状況等に応じて他の機械的性質にも配慮する必要があります。降伏値または耐力と引張強度の比を降伏比といいます。降伏比はSS400では0.6～0.7程度です。
降伏比が小さい材料は、鋼材が降伏してから破断するまでの余裕が大きいことを示し、靭性に優れた材料であることになります。鋼材の機械的性質は温度によっても異なります。低温になるにつれて、鋼材は硬く、強度は高くなります。一方で衝撃強さや疲労強度は減少し、脆性破壊しやすくなります。
各種計算に必要な鋼材の検査・識別についてと計算ソフトのすすめ
H鋼強度計算、H鋼重量計算、鋼管柱強度計算、パイプ重量計算で用いられる鋼材のミルシートとは、鋼材の化学成分分析試験結果と機械的性質試験結果が記載されたもので、JIS規格材には添付されます。とりべ分析値という、ミルシートに記された化学分析値より、鋼材の溶接性を推定することが可能となります。
溶接性は、鋼材に含まれる元素のうち、炭素が最も影響を及ぼします。そのため、他の元素についても等価な炭素量に換算した炭素当量という値により評価します。溶接性に優れた材料は、この炭素当量の上限値が定められています。
引張強度の試験法等もJISにより定められています。鉄骨製作時の欠陥は、溶接部に発生する事が多く、開先面や柱梁接合部の梁の取り付く柱フランジ部に発生することが多いです。
これらの欠陥を見逃さないために、目視による確認だけでなく、超音波探傷試験、浸透探傷試験、磁粉探傷試験などを行います。また、鋼材は材質等の種別が、見た目から区別することができません。したがって、色や記号等により種別を見分けられるようにします。
一定の力がかかるとひずみが増大する「鋼材のクリープ」とは
鋼材に一定の力がかかると、ひずみが増大していく現象を、鋼材のクリープといいます。水分と空気中の酸素により鋼材の外面には錆びが発生するため、防錆対策が大切になります。
施工現場の気象状況や工程に配慮して、最適な工法を選択する必要があります。鋼材の利点は、材料の強度が大きく、粘り強くて、材料に信頼性があることです。
金属に触れると電気化学反応が発生し、腐食するケースがあります。弾性限度を超えてから、塑性変形により破壊してしまう事象を、鋼材の延性破断といいます。
異種金属が触れ合うことで腐食電池を組成
溶着金属と母材では質が違うため、異種金属が触れ合うことで、腐食電池を組成してしまいます。アルカリ現象により、油性塗料は塗膜ができて、鋼管にアルカリふくれが発生します。
鋼管の溶接部が、母材一般部より錆びやすいのは、理由があります。イオン化傾向の大きい鋼管母材の方が、溶着金属より早く破損しやすくなります。
鋼管を溶接する時は、局部的に高温状態になり、温度が高くなった箇所には残留応力が発生して、応力腐食を生じやすくなるからです。
せん断力と偏心を考慮した高力ボルト接合部の注意事項
せん断型の接合部で接合する鋼材の軸がずれてしまうと、偏心する量に応じた曲げの力がはたらいてボルトに引張力が加わります。この応力は接合部の剛力を低下させてボルトの降伏や破断を早める原因になります。
山形鋼・みぞ形鋼などをガゼットプレートの片側だけに設ける場合には偏心の影響が大きいことと、偏心の軸が2方向になる可能性があることに注意してください。引張型の接合部ではほとんどが偏心接合になるので、テコ反力の影響を考慮して接合しなければいけません。
高力ボルトはクリアランス（隙間）ですべりを抑える
高力ボルト接合では締め付けた母材のすべりを防ぐために、ボルトを取り付ける穴径が定められています。ボルトの太さに関係なくクリアランス（隙間）は0.5mmが理想とされていますが、施工上の都合もあり通常の精度では1.0mm程度を必要としています。
高力ボルトはクリアランスが2倍になっても締め付けに影響が無く、締め付けた母材間にはたらく圧縮力は分散して伝わるのですべり荷重に差が出ることはありません。ただし、クリアランスを0.5mmで施工した時と比べてすべり量が大きくなることや鋼材の余力の低下など、建方精度が低下する恐れがあることは理解しておきましょう。
組み立てを容易にしようとむやみに穴を大きくしたり、別の個所に穴をあけ直したりすることは設計条件をないがしろにする無謀な行為とされるので絶対にやらないでください。
鋼材の機械的性能の低下を防ぐために必要な縁端距離
へりあき寸法（ボルト穴中心から部材軸直交方向までの距離）や、はしあき寸法（ボルト穴中心から被接合材軸方向の端までの距離）が不足すると荷重がかかった時に部材が破断するなど鋼材の機械的性能を大幅に低下させるので、これを防止するために最小縁端距離が決められています。
接合部のスペースが小さいと縁端距離が確保できない場合があるので、各部材の寸法はあらかじめ余裕をみておくことが重要です。
ボルト接合におけるボルト間隔「ピッチ」と「ゲージ」について
ボルト接合において力方向のボルト間隔を「ピッチ」と呼び、ゲージライン間隔を「ゲージ」と呼びます。たくさんのボルトを用いることでボルト1本ごとに加わる負担を均等化して、母材にかかる応力の集中を軽減する効果が見込めます。
ただし、ボルトを1列に多く並べて使用すると逆に不均等になり、外側のボルトほど負担が大きくなる傾向があります。1ピッチに使用する本数が多くなる場合はボルトサイズを1サイズあげるか、ゲージライン（列）を増やすなどの余裕を持った設計が必要です。
フィラー・勾配付き板（テーパー付き座金）の使用に関する注意点
母材を突き合わせ形式で接合するときに双方の板厚に差がある場合は、フィラー（板厚差をなくすための板材）を挿入して接合します。
高力ボルト接合では板厚差が1mm以内であれば締め付けに影響はありませんが、ボルト接合でフィラーを設けるときは、すべりに伴うボルトの変形を考慮して、ボルトの本数を増やす必要があります。
また、ボルト座面に対して勾配を持つ母材の接合には勾配付き板（テーパー付き座金）を使ってボルトや母材の変形を防止しなければなりません。
間違えやすい設計ボルト張力と標準ボルト張力の違いについて
設計ボルト張力は、高力ボルト接合によるせん断耐力や引張耐力を計算する基準になる数値で設計時に仮定する初期張力のことを言い、標準ボルト張力は設計ボルト張力を実際に確保するために必要な施工をする上での目標値を指し、設計ボルト張力を1.1倍した値になります。
締めすぎによるボルトの破断を防止するために、降伏後に余力のあるF8Tボルトではねじ部有効断面での降伏力の約85％、それ以外のボルトでは75％としています。高力ボルトの降伏点に関する資料や設計に関する資料はフリーサイトで公開されているので確認しておくことをおすすめします。
高力ボルトの機械的強度を維持するための許容応力度
摩擦接合に対する許容応力度は、短期応力時にすべり荷重を超えないことを原則としていて、長期応力時の安全率を1.5としています。許容せん断応力度はボルト接合と同様の計算式で求められ、設計用すべり荷重に比例し公称軸断面積に反比例します。
引張接合に対する許容応力度は、短期応力時に母材が離間しないことを原則として、長期応力時の安全率を1.5としています。許容引張応力度も同様にボルト接合と同じ計算式で求めることができ、設計ボルト張力に比例して公称軸断面積に反比例します。引張せん断型接合の場合には、ボルトに作用する引張力によるすべり荷重の低下を考慮して、許容せん断応力を低減します。
金属を鋼鉄の表面に薄く接着する方法
金属に電気分解を作用させて、鋼鉄の表面に薄く接着する方法には、電気メッキ、プラスチックコーティングなどが用いられます。鋼材の性質が粘り強くて、衝撃破壊が発生するかの問題です。
繰返し応力が静的強さより小さくても、繰返し荷重の作用回数が増大すると、鋼材が破壊するケースがあります。
靱性が大きければ、衝撃力による破壊に対して強く、脆弱になりません。鋼材の引張試験での試験片の最大耐力荷重から、試験片の平行部の断面積で割った値を、公称最大引張力といいます。
錆びの発生を防止する方法
錆びの発生を防止する方法として、鋼材に塗る防錆塗料、溶融メッキによる方法があげられます。ロックウールやケイ酸力ルシウム板などは価格が安く、一般的でよく使われています。
高熱に耐えられるようにするには、火災や熱に強い素材で鋼材を被覆して、熱が入ってこないようにする耐火被覆の対策が講じられます。発泡性の断熱塗料、耐熱性のある特殊な鋼材も近年では多く製造されています。
鋼材の疲労強度
一定の繰返し数に対して、それ以下では疲労破壊が起こらない応力の範囲を、鋼材の疲労強度といいます。
降伏点応力の代替値は、残留ひずみがO.2%となる耐力、O.2%耐力になります。応力範囲は、溶接継手の種類、縦方向の溶接継手、横突合わせの溶接継手、十字溶接の継手、鋼材料によって違ってきます。
高張力鋼は、軟鋼と比較して、引張試験での降伏点応力は明確な数値ではありません。低サイクルでは、疲労寿命が1万回以下で、亀裂が起こる箇所で繰返される塑性ひずみに影響されるため生じるものです。