JP7698199B2 - Welded H-beam - Google Patents
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Description
本発明は、溶接組立H形鋼に関する。 The present invention relates to a welded H-section steel .
従来、鉄骨造の建築物における小梁には、耐震性が要求されない。このため、小梁には、大梁と比較して、フランジやウェブの幅厚比が大きな圧延H形鋼が使われる。これは、ウェブの幅厚比を大きく設定すれば、軽量かつ高剛性で、断面効率の良いH形鋼を比較的容易に実現できることによる。
近年、小梁スパン(長さ)の増大に伴い、圧延H形鋼の製造限界であるウェブの幅厚比を70程度まで大きくしたH形鋼が、小梁に使用されている。このH形鋼では、質量比剛性が大きく、断面効率が良い。
さらにH形鋼の断面効率を高める方法として、寸法に関する製造制約の少ない溶接組立H形鋼を用いて、ウェブの幅厚比を大きくする方法が考えられる。
Traditionally, minor beams in steel-framed buildings are not required to be earthquake-resistant. For this reason, rolled H-shaped steel, which has a larger width-thickness ratio of the flanges and webs compared to the major beams, is used for minor beams. This is because it is relatively easy to realize H-shaped steel that is lightweight, highly rigid, and has good cross-sectional efficiency by setting a large width-thickness ratio for the webs.
In recent years, with the increase in the span (length) of the sub-beam, H-shaped steel with a web width-thickness ratio of about 70, which is the manufacturing limit of rolled H-shaped steel, is being used for the sub-beam. This H-shaped steel has a high mass-to-weight ratio and good cross-sectional efficiency.
Furthermore, as a method for increasing the cross-sectional efficiency of H-shaped steel, a method can be considered in which a welded H-shaped steel, which has fewer manufacturing constraints regarding dimensions, is used to increase the width-thickness ratio of the web.
一方、ウェブの幅厚比が大きい溶接組立H形鋼では、フランジとウェブの交線の溶接時、H形鋼が冷却された後に、ウェブに、ウェブの厚さ方向に曲がるような変形が生じることがある。このウェブの変形の発生原因は、以下のような機構として説明される。
まず、溶接による入熱に伴ってH形鋼全体が昇温されて、H形鋼全体が部材の長さ方向(材軸方向)に伸びる。次に、入熱部からの距離が遠いウェブにおける幅方向の中央部分が他の部分より先に冷却され始める。続いて、入熱部からの距離が近いフランジや、ウェブのフランジ近傍部分が冷却され始める。後から冷却されるウェブのフランジ近傍部分等が部材の長さ方向に縮み始める際、先に冷却されていたウェブにおける幅方向の中央部分はすでに縮み終わっていることから、後から冷却されるウェブのフランジ近傍部分等が部材の長さ方向に縮もうとする力は、先に冷却されていたウェブにおける幅方向の中央部分に圧縮力として作用する。この圧縮力を受けて、幅厚比が大きいために元々座屈しやすいこともあり、ウェブが曲がるような座屈波形が残留変形として生じることとなる。
On the other hand, in a welded H-shaped steel with a large width-thickness ratio of the web, when the flange and the web are welded at the intersection, the web may be deformed in the thickness direction after the H-shaped steel is cooled. The cause of this deformation of the web can be explained as the following mechanism.
First, the entire H-shaped steel is heated by the heat input from welding, and the entire H-shaped steel stretches in the length direction (material axis direction) of the member. Next, the central part of the web in the width direction, which is far from the heat input part, starts to cool before other parts. Then, the flanges and the parts of the web near the flanges, which are close to the heat input part, start to cool. When the parts of the web near the flanges, which are cooled later, start to shrink in the length direction of the member, the central part of the web in the width direction that was cooled earlier has already finished shrinking, so the force of the parts of the web near the flanges, which are cooled later, shrinking in the length direction of the member acts as a compressive force on the central part of the web in the width direction that was cooled earlier. This compressive force, which is originally prone to buckling due to the large width-thickness ratio, results in a buckling waveform that bends the web as a residual deformation.
これらの残留変形は、H形鋼の構造性や、H形鋼を工場で加工する際の製造性、及び建設現場で他の部材と接合する際の施工性を低下させる。このため、これらの残留変形の発生を回避したり、その発生の程度を一定程度以下に抑えるべきである。
また、フランジとウェブの隅肉溶接に関する先行文献として、例えば非特許文献1には、「隅肉溶接のサイズは薄い方の母材の厚さ以下」、または幅厚比が大きくなる傾向にある板厚6mm以下の場合、「隅肉溶接のサイズを薄い方の材の板厚の1.5倍、かつ6mm以下」にする必要がある旨の記述がある。
These residual deformations reduce the structural integrity of H-beams, the manufacturability when processing them in factories, and the workability when joining them to other components at construction sites. For this reason, it is necessary to avoid the occurrence of these residual deformations or to limit their occurrence to a certain level or less.
Furthermore, as a prior art document regarding fillet welding of a flange and a web, for example, Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に開示されたこれらの値は、鋼板の材質が受ける熱影響の低減の観点やH形鋼の残留変形抑制の観点から設定されているものであるが、ウェブの幅厚比が大きなH形鋼の残留変形の抑制等を十分に考慮して設定された値ではない。
また、隅肉溶接により形成された隅肉溶接部のサイズが小さすぎると、ウェブに作用するせん断力をフランジに伝達できない。
However, these values disclosed in
Furthermore, if the size of the fillet weld portion formed by the fillet welding is too small, the shear force acting on the web cannot be transmitted to the flange.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、隅肉溶接により形成された隅肉溶接部がウェブに作用するせん断力を確実に伝達するとともに、ウェブの残留変形を許容値以下に抑える溶接組立H形鋼を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and has an object to provide a welded and assembled H-shaped steel beam in which a fillet weld formed by fillet welding reliably transmits the shear force acting on the web and suppresses the residual deformation of the web to within an allowable value.
前記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の溶接組立H形鋼は、一対のフランジと、前記一対のフランジのそれぞれに、隅肉溶接部により接合されたウェブと、を備える溶接組立H形鋼であって、前記隅肉溶接部のサイズs(mm)が、前記ウェブの厚さ未満であって、前記サイズsが(1)式及び(2)式を満たすことを特徴としている。
ただし、τy,depoは前記隅肉溶接部のせん断降伏強度(N/mm2)であり、Iは前記溶接組立H形鋼の強軸回り断面二次モーメント(mm4)であり、Hは前記溶接組立H形鋼のせい(mm)であり、tfは前記フランジの厚さ(mm)であり、Wは前記溶接組立H形鋼の幅(mm)であり、τcrは前記溶接組立H形鋼の弾性せん断座屈強度(N/mm2)であり、Awは前記ウェブにおける前記溶接組立H形鋼の材軸方向に直交する断面積(mm2)である。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The welded and assembled H-shaped steel of the present invention is a welded and assembled H-shaped steel comprising a pair of flanges and a web joined to each of the pair of flanges by a fillet weld, characterized in that a size s (mm) of the fillet weld is less than a thickness of the web, and the size s satisfies formulas (1) and (2).
where τ y,depo is the shear yield strength (N/mm 2 ) of the fillet weld, I is the second moment of area about the strong axis of the welded assembled H-shaped steel (mm 4 ), H is the depth of the welded assembled H-shaped steel (mm), t f is the thickness of the flange (mm), W is the width (mm) of the welded assembled H-shaped steel, τ cr is the elastic shear buckling strength (N/mm 2 ) of the welded assembled H-shaped steel, and A w is the cross-sectional area (mm 2 ) of the web perpendicular to the material axis direction of the welded assembled H-shaped steel.
この発明では、隅肉溶接部のサイズsは、ウェブの厚さ未満である比較的小さい値になり、溶接により隅肉溶接部を形成するときの入熱量が抑制され、ウェブの残留変形が許容値以下となる所定の範囲に抑えられる。
また、弾性せん断座屈強度τcrは、溶接組立H形鋼におけるウェブ及び一対のフランジの連成変形を考慮して、溶接組立H形鋼にせん断力が作用して座屈するときの強度を精緻に求めた値である。従って、(1)式及び(2)式を満たすことにより、例えば、溶接組立H形鋼が梁として用いられたときに、ウェブが弾性せん断座屈しない範囲でウェブに作用するせん断力を確実に伝達できる、精緻に求められた隅肉溶接部のサイズsとなる。
以上のように、隅肉溶接部がウェブに作用するせん断力を確実に伝達するとともに、溶接組立H形鋼のウェブの残留変形を許容値以下に抑えることができる。
In this invention, the size s of the fillet weld is a relatively small value that is less than the thickness of the web, so that the amount of heat input when forming the fillet weld by welding is suppressed and the residual deformation of the web is kept within a predetermined range below an allowable value.
In addition, the elastic shear buckling strength τ cr is a value that precisely determines the strength when a shear force acts on a welded assembled H-shaped steel and buckles, taking into account the coupled deformation of the web and a pair of flanges in the welded assembled H-shaped steel. Therefore, by satisfying formulas (1) and (2), for example, when the welded assembled H-shaped steel is used as a beam, the size s of the fillet weld is precisely determined so that the shear force acting on the web can be reliably transmitted within a range in which the web does not elastically buckle.
As described above, the fillet welds can reliably transmit the shear force acting on the web, and the residual deformation of the web of the welded H-section steel can be suppressed to within the allowable value.
また、前記溶接組立H形鋼において、前記ウェブの幅厚比が109以上であってもよい。
この発明では、ウェブの幅厚比が109以上である、比較的断面効率が高い溶接組立H形鋼とすることができる。
In the welded H-section steel, the width-to-thickness ratio of the web may be 109 or more.
In the present invention, a welded assembled H-section steel having a width-thickness ratio of the web of 109 or more and a relatively high cross-sectional efficiency can be obtained.
また、前記溶接組立H形鋼において、前記隅肉溶接部は、前記一対のフランジのそれぞれに対して、前記ウェブの厚さ方向の片側のみに形成されていてもよい。
この発明では、隅肉溶接部を形成するための隅肉溶接を容易に行って、溶接組立H形鋼を製造することができる。
In the welded H-section steel, the fillet weld may be formed on only one side of the web in a thickness direction for each of the pair of flanges.
In the present invention, fillet welding for forming a fillet welded portion can be easily performed to manufacture a welded H-section steel.
本発明の溶接組立H形鋼では、隅肉溶接により形成された隅肉溶接部がウェブに作用するせん断力を確実に伝達するとともに、ウェブの残留変形を許容値以下に抑えることができる。 In the welded H-section steel of the present invention, the fillet welds formed by fillet welding reliably transmit the shear force acting on the web and can suppress the residual deformation of the web to an allowable value or less.
以下、本発明に係る溶接組立H形鋼の一実施形態が用いられる建築物を、図1から図9を参照しながら説明する。 Below, a building in which one embodiment of the welded H-beam according to the present invention is used will be described with reference to Figures 1 to 9.
〔1.溶接組立H形鋼が用いられた建築物の構成〕
図1に示すように、建築物1は、複数の柱10と、複数の大梁15と、小梁である溶接組立H形鋼25等と、床スラブ35と、を備えている。
なお、図1では、床スラブ35を二点鎖線で示している。溶接組立H形鋼25は、圧延H形鋼でもよい。
[1. Structure of buildings using welded H-shaped steel beams]
As shown in FIG. 1 , a
1, the
柱10は、上下方向に沿って延びている。複数の柱10は、互いに間隔を開けて配置されている。柱10は、鉄骨製、RC(Reinforced Concrete)製、SRC(Steel Reinforced Concrete)製、CFT(Concrete Filled steel Tube)製等である。
例えば、大梁15は、H形鋼製である。大梁15は、第1フランジ16及び第2フランジ17と、フランジ16,17を連結するウェブ18と、を備えている。第2フランジ17は、第1フランジ16よりも上方に配置されている。大梁15のウェブ18等には、図示しないガセットプレートが溶接等により接合されている。
大梁15は、隣り合う柱10の間にかけ渡され、水平面に沿う方向に延びている。大梁15の両端部は、柱10に溶接等でそれぞれ接合されている。
なお、大梁15は、RC製やSRC製でもよい。
The
For example, the
The
The
図1及び図2に示すように、小梁が溶接組立H形鋼25である場合は、一対のフランジ26,27と、一対のフランジ26,27のそれぞれに、隅肉溶接部29,30により接合されたウェブ28と、を備えている。以下では、一対のフランジ26,27の一方を、第1フランジ26と言い、一対のフランジ26,27の他方を、第2フランジ27と言う場合がある。
第2フランジ27は、第1フランジ26よりも上方に配置されている。
図2に示すように、隅肉溶接部29は、第1フランジ26とウェブ28とを隅肉溶接により接合することで形成された溶接部である。同様に、隅肉溶接部30は、第2フランジ27とウェブ28とを隅肉溶接により接合することで形成された溶接部である。
1 and 2 , when the sub-beam is a welded H-
The
2, the
隅肉溶接部29,30は、フランジ26,27のそれぞれに対して、ウェブ28の厚さ方向の片側のみに形成されている。すなわち、隅肉溶接部29は、第1フランジ26とウェブ28とを、ウェブ28の厚さ方向の第1側で隅肉溶接することにより形成されている。隅肉溶接部30は、第2フランジ27とウェブ28とを、ウェブ28の厚さ方向の第1側で隅肉溶接することにより形成されている。なお、隅肉溶接部30は、第2フランジ27とウェブ28とを、ウェブ28の厚さ方向における第1側とは反対側の第2側で隅肉溶接することにより形成されていてもよい。
ウェブ28の幅厚比は、109以上であることが好ましい。
The
The width-to-thickness ratio of the
図1に示すように、溶接組立H形鋼25は、対向する大梁15の間にかけ渡され、水平面に沿う方向に延びている。溶接組立H形鋼25における材軸方向の両端部は、大梁15のガセットプレートに、図示しない高力ボルト等により接続されている。
図示はしないが、床スラブ35は、例えば、デッキプレートと、コンクリートと、補強鉄筋と、シアコネクタと、を備えている。
デッキプレートは、鋼板を折り曲げること等により形成されている。デッキプレートは、溶接組立H形鋼25の第2フランジ27上に配置されている。デッキプレートと第2フランジ27とは、焼き抜き栓溶接等による接合部により互いに接合されている。
コンクリートは、厚さ方向が上下方向に沿う平板状に形成されている。コンクリートは、デッキプレート上に配置されている。
1, the welded H-shaped
Although not shown, the
The deck plate is formed by bending a steel plate, etc. The deck plate is disposed on the
The concrete is formed into a flat plate shape with its thickness direction aligned in the vertical direction. The concrete is placed on a deck plate.
床スラブ35は、補強鉄筋を複数備えている。複数の補強鉄筋の一部である第1鉄筋は、溶接組立H形鋼25の材軸方向に延びている。複数の補強鉄筋の残部である第2鉄筋は、水平面に沿うとともに第1鉄筋に直交する方向に延びている。第1鉄筋及び第2鉄筋は、コンクリート内に埋設されている。
シアコネクタは、例えば、頭付きスタッドである。床スラブ35は、シアコネクタを複数備えている。複数のシアコネクタの下端部は、溶接組立H形鋼25の第2フランジ27の上面に、互いに材軸方向に間隔を空けて固定されている。シアコネクタは、コンクリート内に埋設されている。
The
The shear connectors are, for example, headed studs. The
図3に、溶接組立H形鋼25における隅肉溶接部29周辺の断面の写真を示す。
隅肉溶接部29のサイズs(mm)は、一般社団法人日本建築学会編、「建築工事標準仕様書 JASS6 鉄骨工事」第11版、2018年改定(以下では、JASS6と略して言う)に規定されている。
具体的には、図4に示すように、第1フランジ26の表面、ウェブ28の表面、及び隅肉溶接部29の表面にそれぞれ接する直角二等辺三角形29aを規定する。このとき、サイズsは、直角二等辺三角形29aの直角を挟む辺の長さである。
隅肉溶接部30等の溶接部についても、同様である。
なお、図4中には、隅肉溶接部29ののど厚c、脚長bを示している。
FIG. 3 shows a photograph of a cross section of the
The size s (mm) of the
4, a right-angled
The same applies to welds such as the
In addition, in FIG. 4, the throat thickness c and leg length b of the
以下では、溶接組立H形鋼において、隅肉溶接部がウェブに作用するせん断力を確実に伝達するとともに、ウェブの残留変形を許容値以下に抑えるための検討を行った。その検討にあたり、本実施形態では、特開2021-6787号公報(以下、関連する先願と言う)に開示された、H形鋼にせん断力が作用してH形鋼が座屈するときの、H形鋼の弾性せん断座屈強度(座屈応力度)τcr(N/mm2)を用いている。
以下では、弾性せん断座屈強度τcrの概要について説明する。
In the following, a study was conducted on how to reliably transmit the shear force acting on the web at the fillet weld in a welded H-shaped steel and suppress the residual deformation of the web to an allowable value or less in a welded H-shaped steel. In the study, the present embodiment uses the elastic shear buckling strength (buckling stress) τ cr (N/mm 2 ) of the H-shaped steel when a shear force acts on the H-shaped steel and the H-shaped steel buckles, as disclosed in JP 2021-6787 A (hereinafter referred to as the related prior application).
Below, an overview of the elastic shear buckling strength τ cr will be given.
〔2.H形鋼の弾性せん断座屈強度〕
図5に示すように、溶接組立H形鋼25の材軸方向に沿って、x軸を規定する。ウェブ28は、このx軸、及びウェブ28の板幅方向であるy軸に沿って広がるとする。すなわち、フランジ26,27は、ウェブ28をy軸方向に挟むように配置されている。ウェブ28の板厚方向に延びる軸を、z軸と規定する。
ウェブ28におけるy軸に沿う方向の中心の位置を、y軸の原点とする。第1フランジ26から第2フランジ27に向かう向きを、y軸の正の向きとする。
[2. Elastic shear buckling strength of H-shaped steel]
As shown in Fig. 5, the x-axis is defined along the material axis direction of the welded H-
The position of the center of the
ここで、図2に示すように、溶接組立H形鋼25の各寸法等を規定する。
第1フランジ26及び第2フランジ27それぞれの厚さを、tf(mm)とする。溶接組立H形鋼の幅を、W(mm)とする。第1フランジ26及び第2フランジ27それぞれの幅の半分の値を、bf(mm)とする。このとき、幅Wは、2bfに等しい。
ウェブ28の厚さを、tw(mm)とする。溶接組立H形鋼25のせいを、H(mm)とする。y軸に沿う方向における第1フランジ26の中心と第2フランジ27の中心との距離をbw(mm)とする。ウェブ28における溶接組立H形鋼25の材軸方向に直交する断面積を、Aw(mm2)とする。
Here, as shown in FIG. 2, the dimensions of the welded H-
The thickness of each of the
The thickness of the
溶接組立H形鋼25のヤング係数を、E(N/mm2)とする。溶接組立H形鋼25のポアソン比を、ν(-)とする。隅肉溶接部29,30のせん断降伏強度を、τy,depo(N/mm2)とする。溶接組立H形鋼25の強軸(z軸)回り断面二次モーメントを、I(mm4)とする。溶接組立H形鋼のせん断降伏強度を、τy(N/mm2)とする。せん断降伏強度τyは、後述する一対のフランジ及びウェブそれぞれの母材の設計基準強度をFとしたときに、例えば(F/√3)の値に等しい。
図5に示すように、溶接組立H形鋼25のx軸方向の端面25aにそれぞれy軸方向にせん断力F1が作用して、溶接組立H形鋼25が座屈すると仮定する。
ウェブ28のx軸に沿う方向の第1端に向かうに従い、z軸の正の向き及びz軸の負の向きに交互に波状に変位するウェブ28の、x軸に沿う方向における半波長をa(mm)とする。
The Young's modulus of the welded assembled H-shaped
As shown in FIG. 5, it is assumed that a shear force F1 acts in the y-axis direction on each of end faces 25a of a welded H-shaped
The half wavelength in the direction along the x-axis of the
このとき、弾性せん断座屈強度τcrは、(6)式から(11)式を用いて、(12)式による弾性せん断座屈強度τcrに最小の正の値を与える実数であるan,bn,λ及び半波長aに基づいて求められる。 In this case, the elastic shear buckling strength τ cr is obtained using equations (6) to (11) based on a n , b n , λ, and half wavelength a, which are real numbers that give the elastic shear buckling strength τ cr given by equation (12) a minimum positive value.
ただし、Nは2以上の自然数であり、a0,an,bn,λは未定係数である。
(11)式の右辺は、関連する先願の(53)式の右辺において、微小要素dx,dzに対応して[]内の分母を変更している。
弾性せん断座屈強度τcrは、溶接組立H形鋼25におけるウェブ28及び一対のフランジ26,27の連成変形を考慮して、溶接組立H形鋼25にせん断力が作用して座屈するときの強度を精緻に求めた値である。
Here, N is a natural number equal to or greater than 2, and a 0 , a n , b n , and λ are undetermined coefficients.
In the right-hand side of equation (11), the denominator in [ ] in the right-hand side of equation (53) of the related prior application is changed to correspond to the infinitesimal elements dx and dz.
The elastic shear buckling strength τ cr is a value that is precisely determined as the strength when a shear force acts on the welded H-shaped
〔3.ウェブに作用するせん断力を確実に伝達できる隅肉溶接部のサイズの検討〕
発明者等は鋭意検討の結果、隅肉溶接部29,30のサイズsが(15)式から(17)式をそれぞれ満たす場合に、隅肉溶接部29,30が、ウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達できることを見出した。
[3. Consideration of the size of the fillet weld that can reliably transmit the shear force acting on the web]
As a result of careful study, the inventors have found that when the size s of the fillet welds 29, 30 satisfies each of the formulas (15) to (17), the fillet welds 29, 30 can reliably transmit the shear force acting on the
ここで、(17)式において、Aweは、ウェブ28の材軸方向に直交する有効断面積(mm2)である。(16)式において、QMaxは、溶接組立H形鋼25がせん断座屈する際に作用するせん断力(N)である。(15)式の右辺の値は、ウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達するの(ウェブ28のせん断耐力確保)に必要なウェブ28のサイズsreq(mm)である。
(16)式において、ウェブ28の断面積Awでなく、断面積Awに(τcr/τy)を乗じたウェブ28の有効断面積Aweを用いることにより、ウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達できる隅肉溶接部29,30のサイズsの範囲を、(15)式により正確に算出することができる。
Here, in formula (17), A we is the effective cross-sectional area (mm 2 ) perpendicular to the material axis direction of the
In equation (16), by using the effective cross-sectional area Awe of the
(16)式及び(17)式は、(18)式のようにまとめることができる。 Equations (16) and (17) can be summarized as equation (18).
なお、フランジ26,27とウェブ28との交線に生じるせん断応力度τw(N/mm2)は、(20)式で得られる。
The shear stress intensity τ w (N/mm 2 ) generated at the intersection line between the
〔4.実験結果〕
一対のフランジのそれぞれにウェブを隅肉溶接により接合して、溶接組立H形鋼を製造する実験を行った。
溶接には、サブマージアーク溶接(Submerged Arc Welding)を用いた。
溶接条件としては、JIS Z 3183:2012 炭素鋼及び低合金鋼用サブマージアーク溶着金属の品質区分の、品質区分S501-Hの規定に基づいて行った。
4. Experimental Results
An experiment was conducted to manufacture welded H-section steel by joining a web to each of a pair of flanges by fillet welding.
The welding was performed by submerged arc welding.
The welding conditions were based on the provisions of quality class S501-H of JIS Z 3183:2012, quality class of submerged arc weld metal for carbon steel and low alloy steel.
表1に示すケースNo.1~4の条件で、溶接組立H形鋼を製造した。 Welded assembled H-section steel was manufactured under the conditions of Case No. 1 to 4 shown in Table 1.
ケースNo.1~4において、一対のフランジ及びウェブそれぞれの母材の設計基準強度Fは、295N/mm2である。隅肉溶接部の設計基準強度は、295N/mm2である。
例えば、ケースNo.1では、溶接組立H形鋼の断面形状は、700×175×4.5×9.0である。すなわち、ケースNo.1の溶接組立H形鋼のウェブの厚さtwは、4.5mmである。
ウェブの幅厚比は、151.6である。溶接組立H形鋼の長さLは、7,000mmである。隅肉溶接する際の入熱量は、4.4kJ/cmである。
入熱量が4.4kJ/cmの場合、電流が330A、電圧が29V、溶接速度が130cm/minであった。入熱量が2.7kJ/cmの場合、電流が280A、電圧が24V、溶接速度が150cm/minであった。
In Cases No. 1 to 4, the design standard strength F of the base metal of each of the pair of flanges and the web is 295 N/mm 2. The design standard strength of the fillet weld is 295 N/mm 2 .
For example, in Case No. 1, the cross-sectional shape of the welded H-shaped steel is 700×175×4.5×9.0. That is, the thickness tw of the web of the welded H-shaped steel in Case No. 1 is 4.5 mm.
The width-thickness ratio of the web is 151.6. The length L of the welded H-beam is 7,000 mm. The heat input during fillet welding is 4.4 kJ/cm.
When the heat input was 4.4 kJ/cm, the current was 330 A, the voltage was 29 V, and the welding speed was 130 cm/min. When the heat input was 2.7 kJ/cm, the current was 280 A, the voltage was 24 V, and the welding speed was 150 cm/min.
ここで、ウェブの変形e1の、3断面平均による測定方法について説明する。
図6に示すように、溶接組立H形鋼25のある断面において、ウェブ28における、ウェブ28の厚さ方向の撓みである、変形e1を測定する。
変形e1を測定する溶接組立H形鋼の断面は、以下のようである。溶接組立H形鋼を、材軸方向に4等分して、第1部分から第4部分に分ける。第1部分と第2部分との境界の断面、第2部分と第3部分との境界の断面、及び第3部分と第4部分との境界の断面の3断面において、変形e1をそれぞれ測定する。測定した3つの変形e1の平均値を求め、3断面平均とする。
Here, a method for measuring the deformation e1 of the web by averaging the deformation over three cross sections will be described.
As shown in FIG. 6, in a certain cross section of the welded H-
The cross section of the welded H-section steel for measuring the deformation e1 is as follows: The welded H-section steel is divided into four equal parts in the axial direction, dividing it into a first part, a second part, a third part, and a fourth part. The deformation e1 is measured at each of three cross sections: the cross section at the boundary between the first part and the second part, the cross section at the boundary between the second part and the third part, and the cross section at the boundary between the third part and the fourth part. The three measured deformations e1 are averaged to obtain the average of the three cross sections.
ケースNo.1の溶接組立H形鋼の写真を、図7に示す。溶接組立H形鋼において、ウェブに、ウェブの厚さ方向に曲がるような変形が生じていることが分かる。
ケースNo.4の溶接組立H形鋼の写真を、図8に示す。溶接組立H形鋼において、ウェブの前記変形が抑えられていることが分かる。
A photograph of the welded H-shaped steel of Case No. 1 is shown in Figure 7. It can be seen that the web of the welded H-shaped steel is deformed in such a way that it is bent in the thickness direction of the web.
A photograph of the welded H-shaped steel of Case No. 4 is shown in Figure 8. It can be seen that the deformation of the web is suppressed in the welded H-shaped steel.
実験結果の一部を、表1中に示す。
ケースNo.1の溶接組立H形鋼では、3断面平均の変形e1は、6.7mmであった。
JASS6には、ウェブの変形の限界許容差△e1は、溶接組立H形鋼のせいHを100で除した値、及び6mmのうちの小さい方と規定されている。このため、ケースNo.1における限界許容差△e1は、6.0mmとなる。比率(e1/△e1)は、(6.7/6.0)の式から、1.11となる。
なお、ケースNo.1,2,4の溶接組立H形鋼では、溶接ビードが形成されて隅肉溶接部が構成され、一対のフランジのそれぞれにウェブが隅肉溶接部により接合された。
一方で、ケースNo.3の溶接組立H形鋼では、溶接ビードが形成されず、一対のフランジのそれぞれにウェブが接合されなかった。
Some of the experimental results are shown in Table 1.
In the welded H-section steel of Case No. 1, the average deformation e1 of the three cross sections was 6.7 mm.
JASS6 specifies that the limit tolerance Δe1 of web deformation is the smaller of the value obtained by dividing the depth H of the welded assembled H-section steel by 100 or 6 mm. Therefore, the limit tolerance Δe1 in Case No. 1 is 6.0 mm. The ratio (e1/Δe1) is 1.11 from the formula (6.7/6.0).
In the welded H-section steels of
On the other hand, in the welded H-section steel of Case No. 3, a weld bead was not formed, and the web was not joined to each of the pair of flanges.
実験結果の残部を、表2に示す。 The remainder of the experimental results are shown in Table 2.
ケースNo.1の溶接組立H形鋼では、各隅肉溶接部において、サイズsは、4.6mmであった。のど厚cは、3.3mmであった。サイズsreqは、1.9mmであった。
ケースNo.3ではサイズsの値が得られず、s≧sreqの関係を満たさないが、ケースNo.1,2,4ではs≧sreqの関係を満たすことが分かった。s≧sreqの関係を満たす、すなわち(15)式を満たす場合、隅肉溶接部が、ウェブに作用するせん断力を確実に伝達できる。
In the welded H-beam of Case No. 1, the size s was 4.6 mm in each fillet weld. The throat thickness c was 3.3 mm. The size s req was 1.9 mm.
In case No. 3, the value of size s could not be obtained and the relationship s ≧ s req was not satisfied, but it was found that the relationship s ≧ s req was satisfied in cases No. 1, 2, and 4. When the relationship s ≧ s req is satisfied, that is, when formula (15) is satisfied, the fillet weld can reliably transmit the shear force acting on the web.
また、隅肉溶接部のサイズsが、ウェブの厚さtw未満である(tw>s)ケースNo.4の場合に、溶接により隅肉溶接部を形成するときの入熱量が抑制され、ウェブの残留変形を、例えばJASS6の限界許容差である許容値以下に抑えられることが分かった。 In addition, in the case of Case No. 4 where the size s of the fillet weld is less than the thickness t of the web ( t > s), it was found that the amount of heat input when forming the fillet weld by welding is suppressed, and the residual deformation of the web can be suppressed to an allowable value or less, for example, the limit tolerance of JASS6.
本実施形態の課題は、隅肉溶接により形成された隅肉溶接部がウェブに作用するせん断力を確実に伝達するとともに、ウェブの残留変形を許容値以下に抑える溶接組立H形鋼を提供することである。
サイズsが(tw>s≧sreq)の式を満たすケースNo.4が実施例となり、サイズsが(tw>s≧sreq)の式を満たさないケースNo.1~3が比較例となることが分かった。
The objective of this embodiment is to provide a welded and assembled H-shaped steel beam in which a fillet weld portion formed by fillet welding reliably transmits the shear force acting on the web and suppresses the residual deformation of the web to within an allowable value.
It was found that case No. 4, in which the size s satisfies the formula (t w >s ≧s req ), is an embodiment, and case Nos. 1 to 3, in which the size s does not satisfy the formula (t w >s ≧s req ), are comparative examples.
ここで、表1及び表2に示したケースNo.1~4の結果について、入熱量と、ウェブの限界許容差に対する溶接時のウェブの変形量の比率(e1/△e1)との関係を、図9に示す。図9において、横軸(x軸)は入熱量(kJ/cm)を表し、縦軸(y軸)は比率(e1/△e1)(-)を表す。
断面形状が700×175×4.5×9.0であるケースNo.1,4を、実線の丸印で示す。断面形状が500×150×4.5×4.5であるケースNo.2を、実線の四角印で示す。
ケースNo.1,4(入熱量2.7,4.4kJ/cm)に対して、原点を通る累乗関数(べき関数)で近似した。近似した結果、曲線L1で示される(20)式が得られた。
y=0.012x3.0545 ・・(20)
Here, for the results of Case Nos. 1 to 4 shown in Tables 1 and 2, the relationship between the heat input and the ratio (e1/Δe1) of the deformation amount of the web during welding to the limit tolerance of the web is shown in Fig. 9. In Fig. 9, the horizontal axis (x-axis) represents the heat input (kJ/cm), and the vertical axis (y-axis) represents the ratio (e1/Δe1) (-).
Case No. 1 and Case No. 4, whose cross-sectional shape is 700×175×4.5×9.0, are indicated by solid circle marks. Case No. 2, whose cross-sectional shape is 500×150×4.5×4.5, is indicated by solid square marks.
For Case Nos. 1 and 4 (heat inputs of 2.7 and 4.4 kJ/cm), approximation was performed using a power function passing through the origin. As a result of the approximation, equation (20) shown by curve L1 was obtained.
y=0.012x 3.0545 ...(20)
ケースNo.2に対して、(20)式と同一の指数であって、原点を通る累乗関数で近似した。近似した結果、曲線L2で示される(21)式が得られた。
y=0.0274x3.0545 ・・(21)
(20)式において、yの値が1.0になるとき(ウェブの変形e1が限界許容差△e1に等しくなるとき)のxの値(入熱量)は、4.3kJ/cmであった。
(21)式において、yの値が1.0になるときのxの値は、3.2kJ/cmであった。
For case No. 2, approximation was performed using a power function that has the same exponent as that of equation (20) and passes through the origin. As a result of the approximation, equation (21) shown by curve L2 was obtained.
y=0.0274x 3.0545 ...(21)
In formula (20), when the value of y becomes 1.0 (when the deformation e1 of the web becomes equal to the limit tolerance Δe1), the value of x (heat input) is 4.3 kJ/cm.
In formula (21), the value of x when the value of y was 1.0 was 3.2 kJ/cm.
すなわち、前記2種類の断面形状の場合には、入熱量が3.2kJ/cm以下であれば、ウェブの変形e1が限界許容差△e1以下になる。
ここで、本実施形態の溶接組立H形鋼の製造方法について説明する。
溶接組立H形鋼の製造方法では、一対のフランジ26,27のそれぞれにウェブ28を隅肉溶接により接合して、溶接組立H形鋼25を製造する。溶接組立H形鋼の製造方法では、それぞれの隅肉溶接における入熱量が、2.3kJ/cm以上3.2kJ/cm以下であることが好ましい。
溶接組立H形鋼の製造方法では、例えば、第1フランジ26に対して、ウェブ28の厚さ方向の両側に隅肉溶接部29を形成する場合には、両隅肉溶接部29を同時に形成する場合がある。この場合、両隅肉溶接部29全体における入熱量が、2.3kJ/cm以上3.2kJ/cm以下であることが好ましい。
隅肉溶接部30についても同様である。
That is, in the case of the two types of cross-sectional shapes described above, if the heat input is 3.2 kJ/cm or less, the deformation e1 of the web is equal to or less than the limit tolerance Δe1.
Here, a manufacturing method of the welded H-beam of this embodiment will be described.
In the manufacturing method of welded H-shaped steel, the
In the manufacturing method of welded assembled H-shaped steel, for example, when fillet welds 29 are formed on both sides in the thickness direction of the
The same applies to the
以上説明したように、本実施形態の溶接組立H形鋼25では、隅肉溶接部29,30のサイズsは、ウェブ28の厚さtw未満である比較的小さい値になり、溶接により隅肉溶接部29,30を形成するときの入熱量が抑制され、ウェブ28の残留変形が許容値以下となる所定の範囲に抑えられる。
また、弾性せん断座屈強度τcrは、溶接組立H形鋼25におけるウェブ28及び一対のフランジ26,27の連成変形を考慮して、溶接組立H形鋼25にせん断力が作用して座屈するときの強度を精緻に求めた値である。従って、(15)式から(17)式を満たすことにより、溶接組立H形鋼25が小梁として用いられたときに、ウェブ28における幅方向の中央部分に前記圧縮力として作用するせん断力を確実に伝達できる、精緻に求められた隅肉溶接部29,30のサイズsとなる。
以上のように、隅肉溶接部29,30がウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達するとともに、溶接組立H形鋼25のウェブ28の残留変形を許容値以下に抑えることができる。
As described above, in the welded-assembled H-shaped
Moreover, the elastic shear buckling strength τ cr is a precisely determined value of the strength when a shear force acts on the welded H-shaped
As described above, the fillet welds 29, 30 reliably transmit the shear force acting on the
ウェブ28の幅厚比が109以上である場合には、ウェブ28の幅厚比が109以上である、比較的断面効率が高い溶接組立H形鋼25とすることができる。
隅肉溶接部29,30は、フランジ26,27のそれぞれに対して、ウェブ28の厚さ方向の片側のみに形成されている。このため、隅肉溶接部29,30を形成するための隅肉溶接を容易に行って、溶接組立H形鋼25を製造することができる。
When the width-thickness ratio of the
The fillet welds 29, 30 are formed on only one side in the thickness direction of the
また、本実施形態の溶接組立H形鋼の製造方法では、発明者等は鋭意検討の結果、それぞれの隅肉溶接における入熱量が2.3kJ/cm以上であることで、隅肉溶接により隅肉溶接部29,30のビードが確実に形成されて、隅肉溶接部29,30がウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達することを見出した。また、それぞれの隅肉溶接における入熱量が3.2kJ/cm以下であることで、隅肉溶接するときの入熱量が抑制され、ウェブ28の残留変形が、例えばJASS6の限界許容差である許容値以下となる所定の範囲に抑えられることを見出した。
従って、隅肉溶接により形成された隅肉溶接部29,30がウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達するとともに、ウェブ28の残留変形を許容値以下に抑えることができる。
一対のフランジ26,27のそれぞれにウェブ28を隅肉溶接により接合する際の、隅肉溶接部29,30のサイズs及び入熱量を適切に調節することができる。
Furthermore, in the manufacturing method of the welded H-beam of this embodiment, the inventors have found, as a result of intensive study, that when the heat input in each fillet weld is 2.3 kJ/cm or more, beads of the fillet welds 29, 30 are reliably formed by the fillet welds, and the fillet welds 29, 30 reliably transmit the shear force acting on the
Therefore, the fillet welds 29, 30 formed by fillet welding reliably transmit the shear force acting on the
When joining the
〔5.ウェブに作用するせん断力を確実に伝達するのに必要な隅肉溶接部のサイズ〕
ウェブに作用するせん断力を確実に伝達するのに必要な隅肉溶接部のサイズを試算した。試算した結果を、表3及び表4に示す。
[5. Size of fillet weld required to reliably transmit shear force acting on the web]
The size of the fillet weld required to reliably transmit the shear force acting on the web was calculated. The results of the calculations are shown in Tables 3 and 4.
例えば、断面形状が500×150×4.5×4.5の場合について説明する。この場合、溶接組立H形鋼25の断面二次モーメントIは、1.27E+08(1.27×108)mm4である。ウェブ28の断面積Awは、2,210mm2である。溶接組立H形鋼25のせん断降伏強度τyは、170N/mm2である。(6)式から(12)式により、溶接組立H形鋼25の弾性せん断座屈強度τcrは、94N/mm2である。
(17)式により、ウェブ28の有効断面積Aweは、1,219mm2である。
一対のフランジ及びウェブそれぞれの母材の設計基準強度Fは、295N/mm2である。隅肉溶接部の設計基準強度Fは、295N/mm2である。隅肉溶接部29,30のせん断降伏強度τy,depoは、170N/mm2である。
For example, a case where the cross-sectional shape is 500 x 150 x 4.5 x 4.5 will be described. In this case, the moment of inertia I of the welded H-shaped
According to equation (17), the effective cross-sectional area A we of the
The design standard strength F of the base metal of each of the pair of flanges and the web is 295 N/mm 2. The design standard strength F of the fillet weld is 295 N/mm 2. The shear yield strength τ y,depo of the fillet welds 29, 30 is 170 N/mm 2 .
(16)式により、溶接組立H形鋼25のせん断力QMaxは、376.3kNである。(20)式により、隅肉溶接部29の(最大)せん断応力度τwは、110N/mm2である。隅肉溶接部29の単位せん断力QMax当りのせん断応力度(τw/QMax)は、2.92E-04(1/mm2)である。
隅肉溶接部29において、溶接組立H形鋼(H形鋼部材)25の材軸方向の単位長さ当りに作用するせん断力Qw,reqは、495N/mm2である。なお、せん断力Qw,reqは、(最大)せん断応力度τwにウェブ28の厚さtwを乗じて求められる。
According to formula (16), the shear force Q Max of the welded H-shaped
In the
この500×150×4.5×4.5の断面形状の溶接組立H形鋼に対して、隅肉溶接部のサイズsを、2.2mm、2.3mm、2.4mmに変化させて試算を行った。
例えば、サイズsが2.2mmの場合、のど厚cは、1.5mmであった。隅肉溶接部29において、溶接組立H形鋼25の材軸方向の単位長さ当りのせん断耐力Qwは、262.3N/mmである。なお、せん断耐力Qwは、隅肉溶接部29のせん断降伏強度τy,depoに隅肉溶接部29ののど厚cを乗じて求められる。
(Qw,req/Qw)の値が1以下(せん断力Qw,reqがせん断耐力Qw以下)であれば、ウェブに作用するせん断力を確実に伝達できる。従って、ウェブに作用するせん断力を確実に伝達できることを、検定値(Qw,req/Qw)の値が1以下であることにより判断できる。この場合の検定値(Qw,req/Qw)は、1.041であり、ウェブに作用するせん断力を、確実には伝達できないことが分かった。
For this welded H-section steel with a cross-sectional shape of 500 x 150 x 4.5 x 4.5, trial calculations were performed by changing the size s of the fillet weld to 2.2 mm, 2.3 mm, and 2.4 mm.
For example, when the size s is 2.2 mm, the throat thickness c is 1.5 mm. In the
If the value of (Qw ,req / Qw ) is 1 or less (shear force Qw ,req is equal to or less than shear strength Qw ), the shear force acting on the web can be reliably transmitted. Therefore, the ability to reliably transmit the shear force acting on the web can be determined by the test value (Qw ,req / Qw ) being 1 or less. In this case, the test value (Qw ,req / Qw ) was 1.041, which showed that the shear force acting on the web could not be reliably transmitted.
500×150×4.5×4.5の断面形状の溶接組立H形鋼では、検定値が1以下になる最小のサイズsが、2.3mmであることが分かった。一方で、700×175×4.5×9.0の断面形状の溶接組立H形鋼では、検定値が1以下になる最小のサイズsが、1.9mmであることが分かった。 For welded H-shaped steel with a cross-sectional shape of 500 x 150 x 4.5 x 4.5, the minimum size s at which the test value is less than 1 was found to be 2.3 mm. On the other hand, for welded H-shaped steel with a cross-sectional shape of 700 x 175 x 4.5 x 9.0, the minimum size s at which the test value is less than 1 was found to be 1.9 mm.
〔6.隅肉溶接部のサイズの必要値とウェブの厚さとの比率〕
前記比率を、ウェブ28の厚さtwに対する隅肉溶接部29,30のサイズsの比率(s/tw。以下、サイズ厚比と言う)を用いて検討する。
ウェブ28の残留変形を許容値以下に抑える(変形抑制)に必要な隅肉溶接部29,30のサイズsの上限値は、前記のように隅肉溶接部29,30のサイズsが、ウェブの厚さtw未満であることから、サイズ厚比に関して、(24)式のように求められる。
・s/tw=4.5/4.5=1.0 ・・(24)
[6. Ratio of fillet weld size requirements to web thickness]
The above ratio will be considered using the ratio of the size s of the fillet welds 29, 30 to the thickness t w of the web 28 (s/t w , hereinafter referred to as the size-thickness ratio).
The upper limit of the size s of the fillet welds 29, 30 necessary to suppress the residual deformation of the
・s/t w =4.5/4.5=1.0 (24)
隅肉溶接部29,30がウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達するため(ウェブのせん断力確保)に必要な隅肉溶接部29,30のサイズs(サイズ厚比)の下限値は、〔5.〕の結果に基づいて、溶接組立H形鋼25の断面形状に応じて(25)式及び(26)式のように求められる。
・断面形状が700×175×4.5×9.0の場合、
s/tw=1.9/4.5=0.42 ・・(25)
・断面形状が500×150×4.5×4.5の場合、
s/tw=2.3/4.5=0.51 ・・(26)
The lower limit of the size s (size-thickness ratio) of the fillet welds 29, 30 required for the fillet welds 29, 30 to reliably transmit the shear force acting on the web 28 (ensuring the shear force of the web) can be obtained based on the results of [5. ] and on the cross-sectional shape of the welded H-shaped
・If the cross-sectional shape is 700 x 175 x 4.5 x 9.0,
s/t w =1.9/4.5=0.42...(25)
・If the cross-sectional shape is 500 x 150 x 4.5 x 4.5,
s/t w =2.3/4.5=0.51...(26)
すなわち、前記複数の断面形状に対して、サイズ厚比が、0.51以上1.0未満であれば、前記残留変形及びせん断力について望まれている要件を満たすことが分かった。 In other words, it was found that if the size-thickness ratio for the multiple cross-sectional shapes is greater than or equal to 0.51 and less than 1.0, the desired requirements for the residual deformation and shear force are met.
本実施形態の溶接組立H形鋼25では、発明者等は鋭意検討の結果、サイズ厚比が0.51以上の場合に、隅肉溶接部29,30のビードが確実に形成されて、隅肉溶接部29,30がウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達することを見出した。また、サイズ厚比が1.0未満の場合に、溶接により隅肉溶接部29,30を形成するときの入熱量が、ウェブ28の残留変形が許容値以下となる所定の範囲に抑えられることを見出した。
従って、溶接組立H形鋼において、サイズ厚比を0.51以上1.0未満とすることにより、隅肉溶接部29,30がウェブ28に作用するせん断力を確実に伝達するとともに、溶接組立H形鋼のウェブ28の残留変形を許容値以下に抑えることができる。
As a result of intensive studies, the inventors of the present embodiment have found that when the size-thickness ratio is 0.51 or more, beads of the fillet welds 29, 30 are reliably formed, and the fillet welds 29, 30 reliably transmit the shear force acting on the
Therefore, in a welded and assembled H-shaped steel beam, by setting the size-thickness ratio to be 0.51 or more and less than 1.0, the fillet welds 29, 30 can reliably transmit the shear force acting on the
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、隅肉溶接部29は、第1フランジ26に対してウェブ28の厚さ方向の両側に形成されていてもよい。また、隅肉溶接部30は、第2フランジ27に対してウェブ28の厚さ方向の両側に形成されていてもよい。
溶接組立H形鋼25において、ウェブ28の幅厚比は109未満であってもよい。
溶接組立H形鋼は、大梁として用いられてもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and changes, combinations, deletions, etc. of the configuration are also included within the scope that does not deviate from the gist of the present invention.
For example, in the above embodiment, the fillet welds 29 may be formed on both sides of the
In the welded assembled H-
Welded H-sections may be used as girders.
25 溶接組立H形鋼
26 フランジ(第1フランジ)
27 フランジ(第2フランジ)
28 ウェブ
29,30 隅肉溶接部
25 Welded H-
27 Flange (second flange)
28
Claims (3)
前記一対のフランジのそれぞれに、隅肉溶接部により接合されたウェブと、
を備える溶接組立H形鋼であって、
前記隅肉溶接部のサイズs(mm)が、前記ウェブの厚さ未満であって、
前記サイズsが(1)式及び(2)式を満たす、溶接組立H形鋼。
ただし、τy,depoは前記隅肉溶接部のせん断降伏強度(N/mm2)であり、Iは前記溶接組立H形鋼の強軸回り断面二次モーメント(mm4)であり、Hは前記溶接組立H形鋼のせい(mm)であり、tfは前記フランジの厚さ(mm)であり、Wは前記溶接組立H形鋼の幅(mm)であり、τcrは前記溶接組立H形鋼の弾性せん断座屈強度(N/mm2)であり、Awは前記ウェブにおける前記溶接組立H形鋼の材軸方向に直交する断面積(mm2)である。
a web joined to each of the pair of flanges by a fillet weld;
A welded assembled H-shaped steel comprising:
The size s (mm) of the fillet weld is less than the thickness of the web,
A welded assembled H-shaped steel beam, the size s of which satisfies the formulas (1) and (2).
where τ y,depo is the shear yield strength (N/mm 2 ) of the fillet weld, I is the second moment of area about the strong axis of the welded assembled H-shaped steel (mm 4 ), H is the depth of the welded assembled H-shaped steel (mm), t f is the thickness of the flange (mm), W is the width (mm) of the welded assembled H-shaped steel, τ cr is the elastic shear buckling strength (N/mm 2 ) of the welded assembled H-shaped steel, and A w is the cross-sectional area (mm 2 ) of the web perpendicular to the material axis direction of the welded assembled H-shaped steel.
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Non-Patent Citations (1)
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