Iビーム

I 形梁は、Ɪ- (セリフ大文字の「I」) または H 形の断面を持つさまざまな構造部材です。同様のアイテムの技術用語には、H ビーム、I プロファイル、ユニバーサル コラム( UC )、W ビーム(「ワイド フランジ」の略)、ユニバーサル ビーム( UB )、ロールド スチール ジョイスト( RSJ )、またはダブル 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 形梁は通常、構造用鋼で作られ、さまざま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・ベルヌーイの梁方程式は、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支える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、断面は横方向の容量が減少し、ねじれを支えるのにも非効率的であるため、中空構造セクションが好まれることがよくあります。

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・ポンにあるフォージ・ド・ラ・プロヴィデンスのアルフォンス・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の建設において、さまざまな断面の圧延構造用鋼材を供給する大手サプライヤーでした。^[3]現在では、圧延断面材は加工断面材に部分的に置き換えられています。

標準的な I ビーム形式には 2 つあります。

• 材料に応じて、熱間圧延、冷間圧延、または押し出しによって形成された圧延 I 型梁。
• プレートガーダーは、プレートを溶接（場合によってはボルト締めまたはリベット締め）して形成されます。

I 形梁は一般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 形梁のタイプは、圧延鋼梁(RSJ) で、誤って強化鋼梁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。これらのセクションには、添付の図で「W セクション」として示されている平行フランジがあり、これに対して「S セクション」として示されているさまざまな厚さの 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簡単で、テーパー ワッシャーが不要です。UC は幅と深さが等しいかほぼ等しく、多階建ての柱などの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 は幅よりも深さがかなり大きいため、床の梁要素などの曲げ荷重を支えるのに適しています。

I 形梁、つまり木材にファイバーボードや積層ベニア板、またはその両方を組み合わせて作られた I 形梁も、無垢の木製梁よりも軽量で歪みにくいため、特に住宅建築でますます人気が高まっています。ただし、保護されていない場合、火災時に強度が急速に低下するのではないかとの懸念もあります。

I ビーム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。特定の適用荷重に適した鋼製 I ビームのサイズを簡単に選択できるように、表が用意されています。I ビームは、梁としても柱としても使用できます。

I ビームは、単独で使用することも、他の材料（通常はコンクリート）と複合して使用することもできます。設計は、次のいずれかの基準によって決まります。

• 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
• 横方向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：ウェブが破損する場所。細いウェブは座屈して破損し、張力場作用と呼ばれる現象で波打つが、せん断破壊はフランジの剛性によっても阻止される。
• コンポーネントの座屈または降伏: たとえば、I ビーム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。破損を防ぐためには、梁の材料のほとんど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必要な材料は比較的わずかです。この観察が I ビーム断面の基礎です。中立軸は比較的薄いウェブの中心に沿って走り、材料のほとんど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、与えられた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）梁のことです。断面係数は慣性モーメントの値に依存するため、効率的な梁では、材料の大部分を中立軸からできるだけ遠くに配置する必要があります。与えられた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ビームを設計する場合、通常は必要な断面係数が出発点となります。許容応力がσmax_で、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表されます。^[4]

${\displaystyle S={\cfrac {M_{\mathrm {max} }}{\sigma _{\mathrm {max} }}}={\frac {I}{c}}}$、

ここで、Iは梁の断面の慣性モーメント、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 ⁠ で断面積の半分になります。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、

${\displaystyle I={\frac {ah^{2}}{4}}\,;\quad S={\frac {1}{2}}ah}$。

しかし、座屈に抵抗するなどの物理的な理由からウェブに材料が必要なため、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

${\displaystyle S\approx 0.35ah}$

これは長方形の梁や円形の梁で達成されるものよりも優れています。

I ビーム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、これらのビームはねじれに対する抵抗がほとんどなく、ねじれ荷重を受けると断面がゆがみます。ねじれが支配的な問題の場合、 I ビームよりもボックス ビームやその他の剛性断面が優先して使用されます。

米国では、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。これらの梁のフランジは、そのほとんどの領域で内面が平行です。その他の I 型梁には、内側のフランジ面が平行ではないアメリカ標準 (S と表記) 形状や、杭基礎として一般的に使用される H 杭 (HP と表記) があります。ワイドフランジ形状は、ASTM A992 グレードで利用可能であり、^[5]これは、一般に、古い ASTM グレード A572 および A36 に取って代わりました。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に類似
• 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 ビーム鋼材の形状と許容差を定義しています。

• 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 型セクション - 形状および寸法の許容差。
• EN 10162、冷間圧延鋼材 – 技術納入条件 – 寸法および断面公差

アメリカ鉄鋼構造協会(AISC) は、さまざま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。このマニュアルには、このような設計を作成するための一般的なアプローチである許容強度設計(ASD) と荷重および抵抗係数設計(LRFD) (第 13 版以降) が記載されています。

• 1025-5 規格
• ASTM A6、アメリカ標準梁
• BS4-1 ...
• IS 808 – 熱間圧延鋼梁、柱、チャンネル、アングルセクションの寸法
• AS/NZS 3679.1 – オーストラリアおよびニュージーランド規格^[6]

米国では、鋼鉄製 I 型梁は、一般的に梁の深さと重量で指定されます。たとえば、「W10x22」梁は、深さが約 10 インチ (254 mm) 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 (33 kg/m) です。ワイドフランジセクションの梁は、公称深さと異な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) になることがあります。^[7] '

カナダでは、現在、鋼鉄I型梁は、メートル法による梁の深さと重量を使用して指定されるのが一般的です。たとえば、「W250x33」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33 kg/m（22ポンド/フィート、67ポンド/ヤード）です。^[8] I型梁は、多くのカナダのメーカーから米国サイズのものがまだ入手可能です。

メキシコでは、鋼鉄I型梁はIRと呼ばれ、メートル法で梁の深さと重量を使用して指定されるのが一般的です。たとえば、「IR250x33」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 mm（9.8インチ）で、重量は約33 kg/m（22 lb/ft）です。^[9]

インドでは、I 型梁は ISMB、ISJB、ISLB、ISWB と指定されています。ISMB: インド標準中量梁、ISJB: インド標準ジュニア梁、ISLB: インド標準軽量梁、ISWB: インド標準ワイドフランジ梁。梁は、それぞれの略号に続いて断面の深さが指定されます。たとえば、ISMB 450の場合、450 はミリメートル (mm) 単位の断面の深さです。これらの梁の寸法は、IS:808 ( BISによる)に従って分類されます。 ^{[引用が必要]}

英国では、これらの鋼材は、一般的に主寸法（通常は深さ）、-x-副寸法、-x-メートル当たりの質量、最後に断面の種類で構成されるコードで指定され、すべての測定値はメートル法です。したがって、152x152x23UCは、深さ約152 mm（6.0インチ）、幅152 mm、長さ1mあたりの重量が23 kg（46ポンド/ヤード）の柱断面（UC = ユニバーサルコラム）になります。^[10]

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。それぞれの呼び方は、ビームのおおよその高さ、タイプ（ビームまたはコラム）、そして単位メートルレートで表されます（例：460UB67.1は、およそ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）。^[6]

セルラービームは伝統的な城郭梁の現代版で、親セクションよりも約40～60％深い梁になります。正確な仕上げ深さ、セル直径、セル間隔は柔軟です。セルラービームは親セクションよりも最大1.5倍の強度があり、効率的な大スパン構造を作成するために使用されます。^[11]

• Cビーム、構造チャネルまたは平行フランジチャネル（PFC）とも呼ばれます
• DIN 1025 – Iビームセットの寸法、質量、断面特性を定義するDIN規格
• オープンウェブ鋼梁
• 鉄筋コンクリート
• スチールデザイン
• 構造角度
• Tビーム
• 溶接アクセス穴

• Ashby, MF (2005)。機械設計における材料選択（第3版）。オックスフォード、ボストン：Elsevier Butterworth- Heinemann。ISBN 9780750661683。第 8 章、セクション 8.4 (「床根太: 木製かスチール製か?」) および 8.5 (「スチール シートの剛性の向上」) を参照してください。

• カナダ鉄鋼構造協会のウェブサイト
• アメリカ鉄鋼構造協会のウェブサイト
• メキシコ鉄鋼構造協会のウェブサイト
• 木製I形ジョイスト
• 英国建設鋼材協会のウェブサイト