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I形鋼とは、断面がꞮ - (セリフ体大文字「I」) または H 形をした様々な構造部材の総称です。類似の部材の専門用語には、H形鋼、I形鋼、ユニバーサル柱( UC )、W形鋼(ワイドフランジ)、ユニバーサル梁( UB )、圧延鋼梁( RSJ )、ダブルT形鋼(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形鋼は通常、構造用鋼で作られており、様々な建築用途に用いられています。
Ɪの水平要素はフランジと呼ばれ、垂直要素はウェブとして知られています。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・ベルヌーイ梁方程式は、 Ɪ形状の断面がウェブの平面内で曲げ荷重とせん断荷重の両方を担うのに非常に効率的な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耐力が低下しており、ねじり荷重を担うのにも非効率的であるため、中空構造断面が好まれることがよくあります。
1849年、ベルギーのマルシエンヌ・オー・ポンにあるフォルジュ・ド・ラ・プロヴィデンスのアルフォンス・アルブーによって、一枚の錬鉄から圧延してI形鋼を製造する方法が特許を取得した。 [ 1 ] [ 2 ]
ペンシルベニア州ベスレヘムに本社を置くベスレヘム・スチールは、20世紀半ばのアメリカの橋梁や超高層ビル建設において、さまざまな断面形状の圧延構造用鋼の主要サプライヤーでした。[ 3 ]現在では、このような建設工事において、圧延断面は部分的に加工断面に置き換えられています。
I形鋼には2つの標準的な形状があります。
I形鋼は一般的に構造用鋼で作られますが、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形鋼は圧延鋼梁（RSJ）で、鉄筋鋼梁と誤って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、付属の図で「W断面」として示されているように、平行なフランジを持ちます。一方、RSJフランジは「S断面」として示されており、厚みが一定ではありません。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。平行なフランジは接続が容易で、テーパーワッシャーが不要になります。UCは幅と深さが等しいか、ほぼ等しく、多層建築の柱のように、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は幅よりもかなり深く、床の梁要素のように、曲げ荷重を支えるのに適しています。
I型梁（木材に繊維板や積層単板材、あるいはその両方を組み合わせたもの）は、無垢材の梁よりも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る。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可能性があるという懸念もある。
I形鋼は建設業界で広く使用されており、さまざまな標準サイズが用意されています。荷重に応じて適切なI形鋼のサイズを簡単に選択できるよう、サイズ表も用意されています。I形鋼は梁としても柱としても使用できます。
I形鋼は単独で使用することも、他の材料（一般的にはコンクリート）と組み合わせ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行うことができます。
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。破壊を防ぐためには、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。中立軸に近い領域には、比較的少ない材料で済みます。この観察結果がI形梁の断面形状の基礎となっています。中立軸はウェブの中心に沿って走るため、ウェブは比較的薄くすることができ、材料の大部分を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小（したがって必要な材料が最小）な梁のことです。断面係数は断面二次モーメントの値に依存するため、効率的な梁は、材料の大部分が中立軸からできるだけ遠い位置にある必要があります。一定量の材料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。
曲げによる応力に耐える対称I形梁を設計する場合、通常は必要な断面係数から始めます。許容応力がσmax、最大予想曲げモーメントがMmaxの場合、必要な断面係数は次のように与えられます。[ 4 ]Iは梁の断面二次モーメント、cは梁の上端から中立軸までの距離です（詳細は梁理論を参照してください）。
断面積a、高さhの梁の場合、理想的な断面は、断面から h / 2 の距離上に面積の半分、断面から h / 2 の距離下に面積の半分を持つ。[ 4 ]この断面の場合、
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実現できません。広フランジ梁の場合、断面係数はおよそ次のようになります。
これは、長方形梁や円形梁で得られるものよりも優れている。
I形鋼は、ウェブに平行な平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適していません。また、ねじりに対する抵抗力も弱く、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形鋼よりも箱形鋼やその他の剛性の高い断面形状の鋼材が好んで使用されます。
横方向のウェブ補強材を使用して面外剛性を追加することで、梁ウェブのせん断耐力を向上させることができます。これらはウェブの両側に追加することも、片側だけに追加することもできます。通常は溶接された鋼板ですが、ボルトを使用することもできます。[ 5 ] [ 6 ]
米国では、最も一般的に言及されるI形鋼は、広フランジ（W）形です。これらの梁は、フランジの内面が大部分で平行です。その他のI形鋼には、フランジの内面が平行でない米国規格（S）形や、杭基礎として一般的に使用されるH形杭（HP）などがあります。広フランジ形は、ASTM A992グレード[ 7 ]で入手可能で、これは一般的に古いASTMグレードA572およびA36に取って代わっています。降伏強度の範囲：
ほとんどの鉄鋼製品と同様に、I形鋼にもリサイクル材が含まれていることが多い。
以下の規格は、I形鋼の形状および許容誤差を規定するものです。
ヨーロッパでは、主にIPE、IPN、HEの3種類のI形鋼とH形鋼が利用されており、これらはさらにHEA、HEB、HEMに分類されます。これらの形鋼の主な違いは、フランジ（「I」または「H」の水平部分）の形状と寸法であり、これが強度と重量に影響を与えます。
プロファイルは以下の基準に基づいて管理されます。
米国鉄骨構造協会（AISC）は、様々な形状の構造物の設計に関する「鉄骨構造設計マニュアル」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）（第13版以降）という、こうした設計を行うための一般的な手法について解説しています。
米国では、鋼製I形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」梁は、深さが約10インチ（254 mm）、I形梁の公称高さが一方のフランジの外側面からもう一方のフランジの外側面までで、重量は22 lb/ft（33 kg/m）です。幅広フランジ断面の梁は、公称深さから変動することがよくあります。W14シリーズの場合、深さは22.84インチ（580 mm）にもなることがあります。[ 9 ]
ヨーロッパでは、鋼材プロファイルは、型式指定と公称高さ（ミリメートル単位）の組み合わせで命名されます。命名方法は簡単で、文字の後に梁のウェブの高さが続きます。IPE 200梁の主要寸法と重量は、欧州規格（EN 10365）に基づき、以下のとおりです。
カナダでは、鋼製I形梁は現在、梁の深さと重量をメートル単位で指定するのが一般的です。たとえば、「W250×33」梁は、深さが約250ミリメートル（9.8インチ）（I形梁の一方のフランジの外側面からもう一方のフランジの外側面までの高さ）で、重量は約33 kg/m（22 lb/ft、67 lb/yd）です。[ 10 ]多くのカナダのメーカーから、米国サイズのI形梁も引き続き入手可能です。
メキシコでは、鋼製I形梁はIRと呼ばれ、一般的に梁の深さと重量をメートル単位で指定します。たとえば、「IR250×33」梁は、深さが約250 mm（9.8インチ）（I形梁の一方のフランジの外側面からもう一方のフランジの外側面までの高さ）で、重量は約33 kg/m（22 lb/ft）です。[ 11 ]
インドでは、I形鋼はISMB、ISJB、ISLB、ISWBと表記されます。ISMB：インド規格中量形鋼、ISJB：インド規格ジュニア形鋼、ISLB：インド規格軽量形鋼、ISWB：インド規格広フランジ形鋼。形鋼は、それぞれの略称に断面の深さを付けて表記されます。例えば、 ISMB 450のように表記され、450は断面の深さをミリメートル（mm）で表したものです。これらの形鋼の寸法は、IS:808（ BISによる）に従って分類されます。
英国では、これらの鋼材は一般的に、主寸法（通常は深さ）×副寸法×メートル当たりの質量、最後に断面タイプからなるコードで指定され、すべての寸法はミリメートル単位です。したがって、152×152×23UC は、深さ約152 mm (6.0インチ)、幅 152 mm、長さ 1 m (46 lb/yd)当たりの重量が23 kg の柱断面 (UC = ユニバーサル コラム) になります。[ 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）または柱（UC）と呼ばれています。それぞれの名称は、ビームのおおよその高さ、種類（ビームまたは柱）、そして単位メートル当たりの単価で表されます（例：460UB67.1は、深さ約460 mm（18.1インチ）のユニバーサルビームで、重量は67.1 kg/m（135 lb/yd）です）。[ 8 ]
セルラービームは、伝統的なキャステレーテッドビームの現代版であり、元の断面よりも約40～60%深いビームになります。正確な仕上がり深さ、セルの直径、セルの間隔は柔軟に調整できます。セルラービームは元の断面よりも最大1.5倍の強度があり、そのため効率的な大スパン構造物の作成に利用されます。[ 13 ]
