隠れたコスト要因と見落とされている構造用鋼の製造の詳細

図 1. この複雑なカバーメッキのワイドフランジ柱には、耐爆風性を考慮して設計された広範なブレースが付いています。このすべての作業により、工場と現場の両方で人件費が大幅に増加します。このような複雑さは避けられない場合もありますが、その複雑さによるコストを仕事に織り込む必要があります。

Tim Bradshaw は、特に構造エンジニア向けにショップツアーを提供することに熱心に取り組んでいます。ブラッドショーは、サウスカロライナ州コロンビアのオーウェンスチール社のプロジェクト実施担当副社長として、そのキャリア全体を通じて構造用鋼の設計と製造に取り組んできました。 25 年以上にわたり、彼は業界でプロのエンジニアおよびマネージャーとして働いてきました。彼は、金属がどのような場合にうまく適合するのか、またどのような場合に適合しないのかを知っています。

「構造用鋼のコストに影響を与える要因は 3 つあります。1 つ目は材料のコスト、2 つ目は工場の人件費、3 つ目は組み立てコストです。長年の経験則では、それぞれが全体コストの約 3 分の 1 を占めると考えられています。つまり、仕事のコストは材料の 3 分の 1、工場労働の 3 分の 1、そして組立の 3 分の 1 です。」

ブラッドショー氏は2022年3月、デンバーで米国鉄鋼構造協会（AISC）が主催するNASCC：鉄鋼会議で行ったプレゼンテーションでこの声明を発表した。同氏は、この規則は材料費や人件費の変化に応じて時間の経過とともに変動すると付け加えた。ただし、記録担当エンジニア (EOR) が行った特定の設計上の選択や、EOR が単純に見落としていた要因により、ルールのバランスが崩れることもあります。

金属製造のすべての分野の中で、構造用鋼の製造は際立っています。建設サプライチェーンは、チェーンというよりは、相互に接続された関係者の複雑な網のようなものです。構造用鋼の製造業者は、与えられたものを製造する単なる歯車であることもあれば、ファブ現場のコストと効率を真に推進する要因を EOR (および他の人) に示す積極的な伝達者であることもあります (図 1 および図 1 を参照)。 2)。 AISC の 3 つの委員会の委員を務めるブラッドショー氏が、ショップツアーを行う機会を常に歓迎しているのはこのためです。実際、NASCC での彼のプレゼンテーションは、ある種の仮想店舗ツアーと見なすことができ、その中で彼は原価計算の経験則を狂わせるさまざまな要因を指摘しました。

ブラッドショー氏は、接続が簡単なシンプルな梁を指摘しました。「この場合、軽量化は実質的にコストの削減につながります。これは単純な梁であり、工場での労働力はそれほど多くなく、現場での設置も高価ではありません。」

次に彼は、長い片持ち梁のエッジを持つスパンドレルビーム (各階の外壁に沿って構築されたエッジビーム) を指さしました。その軽量構造は単独で見れば素晴らしく見えますが、軽量であるためには鋼鉄による補強も必要です。「片持ち梁の端を扱うために梁に鉄筋を追加する必要があるため、梁の重量が 4 倍になっただけです。梁をもう少し重くするか、スパンドレルに管状セクションを使用する方が良かったかもしれません。あるいは、あんなに長い片持ち梁状のエッジを持たないように。」

それから彼は、補強材とダブラーを含むいくつかの製造図を指摘しました。設計によっては、柱を軽量化するには、より堅牢な補強材やダブラーが必要になる場合があり、それらの溶接は無料ではありません。プレゼンテーションの中で、彼は 6 インチのダブラーを備えた軽量の W14 × 159 コラムと 1/2 インチの W14 × 342 のコラムを指摘しました。ダブラー。純粋な材料コストの観点からは、ダブラーに必要な溶接をすべて考慮するまでは、W14 × 159 が最適なようです。 6インチ。 W14 × 159 のダブラープレートにより、溶接全体の体積が 72 倍に増加しました。その多くはジオメトリに関係しています。完全溶け込み溶接は本質的に三角形であり、その体積はサイズとともに指数関数的に増加します。溶接量が増加すると、溶接パスが複数回必要になり、コストが増加します。

「この場合、W14 × 159 の柱の代わりに W14 × 342 を使用した方がコストが安くなる可能性があります。特に、複数の方向から来る複数のレベルでモーメント接続を作成する場合はそうです。」と彼は言いました。

詳細設計、接続エンジニアリング、製造、これら 3 つすべてが 1 つの屋根の下で行われる場合もあります。別の会社によって行われる場合もあります。いずれにしても、オープンなコミュニケーションが鍵となります (図 3 を参照)。

図 2. 軽量の梁には、このようなウェブの補強が必要になる場合があります。これは、重量とコストの考慮事項に影響を与えるもう 1 つの要素です。

一部の製造業者、特にパンチングや穴あけの設備を豊富に備えている製造業者は、ボルト締め作業を非常に効率的に行うように設定されています。他のものは効率的に溶接します。両方で優れている人もいます。もちろん、エンジニアはどの製造業者が作業を行うのかを知らずに図面を作成することがよくあります。「製造業者が溶接作業、ボルト締め作業、またはその両方を行うように設定されているのかわからない場合は、ボルト締めまたは溶接接続のいずれかを考慮するようにしてください。」

エレクターには片面接続が最適です。「もちろん、常に片側接続を使用することはできませんが、できる限り多くの接続を使用してください」と彼は言いました。「[AISC 発行の最新の鉄骨構造マニュアル] には、標準のせん断タブだけでなく拡張せん断タブについても多くの研究が記載されています。[これらを使用することは]、特に Web サイトに接続している場合には、大いに役立ちます。柱の場合、または非常に幅の広いフランジを持つ桁のウェブに対処している場合です。拡張せん断タブ接続を使用できれば、梁の対処についてそれほど心配する必要はありません。」

彼は、設計負荷に関しては、詳細が重要であると付け加えました。特定の負荷要件が与えられた場合、この W12 の最小接続負荷は 20 kips です。 W14 の場合、それは 24 kips です。接続エンジニアは、すべての接続をその負荷に対してチェックします。

ただし、場合によっては、接続エンジニアには、特定の種類とサイズのボルトの最小数を示す表形式のリストだけが与えられることもあります。「接続という観点からは、それはあまりわかりません」と彼は言う。「4 本のボルトが入った W16 を提供できますが、それはブロックのせん断に何を意味しますか? それはボルトのベアリングに何を意味しますか? ネットセクションの曲げに何を意味しますか? 何らかの形式での具体的な荷重情報が本当に必要です。。」

「溶接のサイズを検討するときは、溶接の種類を考慮してください」とブラッドショー氏は言います。「実際の負荷需要に基づいて溶接のサイズを決めるか、規格の要件を満たすようにお願いします。『完全溶け込み溶接』という一連の計画に従うのは簡単です。「しかし、それは本当に必要なのでしょうか？もしそうなら、それは素晴らしいことです。私たちは喜んでそれを行います。しかし、それは必ずしも必要というわけではありません。」

完全溶け込み溶接には、少なくともほとんどの場合、溶接アクセス穴が必要です。「それらがどのようなものになるか、また、建築家がそれらを開いたままにすることを許可するかどうかを考えてください。また、接合部が完成した後は、溶接アクセス穴を溶接金属で決して埋めないでください。溶接アクセス穴があり、埋める必要がある場合は、それなら、ボディフィラーパテを試してみてください。塗装を外注する場合は、塗装屋に任せてください。」

溶接位置も重要です。製造業者は、工場内では簡単にアクセスできるように溶接位置を配置できますが、現場ではそうはいきません。ブラッドショー氏は次のように説明しました。「図面に基づいて、ダウンハンド溶接技術を使用していますか? 垂直溶接ですか? それともオーバーヘッド溶接ですか? どれを作るのが最も難しいですか?」

繰り返しますが、溶接の体積が重要であり、特に隅肉溶接は多くの体積を占める可能性があります (図 4 を参照)。「場合によっては、製造業者は、非常に大きなフィレットを要求する図面を見て、その溶接を部分溶け込み溶接または完全溶け込み溶接にできるかどうかを尋ねることがあります。プレートの両側にある 2 つの非常に大きなすみ肉溶接では、実際にはさらに多くの溶接が行われる可能性があります。」全溶け込み溶接よりも溶接量が多くなります。」

また、工場の溶接工がワイヤ溶接で 1 回のパスで実行できる溶接のサイズも考慮してください。最近では、（機器とワイヤの直径に応じて）最大 5/16 インチまでのシングルパス溶接を実行できるショップもあります。溶接サイズ。他の製造業者は一度に 1/4 インチずつ配置します。「いずれにせよ、5/16 インチを超えるものは 2 パス溶接になります」とブラッドショー氏は述べ、溶接のサイズに応じてパス数が指数関数的に増加すると付け加えました。「5/8 インチの溶接は 6 パス、3/4 インチの溶接は 10 パス、7/8 インチの溶接は 15 パス、1 インチのすみ肉溶接は 21 パスになります。そのため、場合によっては、完全または部分溶け込み溶接を行う方がよいでしょう。」

同氏は、ロボット溶接セルは非常に大きな溶接を行うことができるが、それでもワイヤのサイズによって制限があると付け加えた。確かに、サブマージアーク溶接 (SAW) は非常に大きな接合部を 1 回のパスで溶接できますが、すべての溶接部が SAW の機械化されたセットアップに合わせて設計できるわけではありません。

図 4. このようなマルチパスすみ肉溶接では、大量の溶接金属が必要となり、プロジェクトのコストが増加します。

多くの場合、建物のファサード請負業者はプロジェクトに最後に関与します。ブラッドショー氏が説明したように、ファサードを端の梁やスラブにどのように接続するかを決定するには早期の調整が不可欠であるため、これは課題になる可能性があります。

作業の順序が複雑になると、追加コストが発生する可能性もあります。たとえば、ブラッドショー氏は、ファサードのアングルブレースをスラブの下側に拡張固定する必要があるプロジェクトについて説明しました。このブレースは、スラブが注がれるまで設置できませんでした。「つまり、この場合、鋼材が建てられ、スラブが流し込まれ、誰かが戻ってアングルを入れる必要がありました。」

場合によっては、最初からファサードの接続を調整することによって、おそらく梁を移動したり、スラブの位置を数分の 1 インチ変更したりすることで、設計段階でシンプルで洗練されたソリューションを開発できる場合があります。このソリューションは、建設段階で製造と建設のスケジュールを調整するよりも、ほぼ確実にコストが安くなります。

ブラッドショー氏は、W40 ビームが W30 ビームで支えられているモーメント接続を含む図面を指摘しました。「この場合、W30の底面にWTを溶接してW40と同じ深さにしてフランジプレートを取り付ける必要がありました。

「これは極端な例です」とブラッドショーは続けた。「しかし、フレーム構成について考えてみましょう。W24 が W12 にフレーム構成されているのを見てきました。その対処されたセクションはどのように見えるでしょうか? W12 に構成するには、W24 の半分を削除する必要があります。多くの場合、W24 に対処する必要がありすぎて、補強したり、底に何らかの延長プレートを設置したりする必要があります。重要なのは、深いセクションを実質的に浅いセクションに組み入れないように注意することです。キャッチするのは簡単です。。」

モーメントフレームのように、複数のモーメント接続が柱に組み込まれる領域では、「モーメントビームに同じ公称深さを使用するのが常に良いことです。そうすれば、複数の補強層が必要になることはありません」とブラッドショー氏は言います。「柱の両側でモーメントビームの公称深さを同じに保つことができれば、複数層の補強材を取り付ける手間が軽減されます。」

スティフナーのすみ肉溶接は通常、簡単でコスト効果が高くなりますが、スティフナーが近すぎる場合には常に可能であるとは限りません。場合によっては、溶接工が反対側で完全溶け込み溶接を行うことになることがあります。ブラッドショー氏は、「作業は複雑になり、作品を製作するのに必要な時間も長くなる」と語った。

構造物の製造は、単に工場が一定時間内に何トンの鋼材を生産できるかということだけではありません。労働は大きな役割を果たします。「私たちは、1トン当たり何人時間という観点からコストを測定したいと考えています」とブラッドショー氏は語った。

もちろん、自動化により 1 トン当たりの工数は削減できますが、明瞭さと継続的なコミュニケーションも同様に削減できます。ドキュメントにはコードの正確なバージョンが指定されていますか? 組織ごとに異なるコードのリリーススケジュールが異なるため、「最新バージョン」を指定すると混乱が生じる場合があります。

プロジェクト固有の公差要件は指定されていますか? 一般的な製造公差は ANSI/AISC 303-16、鋼製建物および橋梁の標準実務規定で指定されていますが、ファサードの設置やその他の建築工事など、他の業界の作業に対応するために、追加の公差を設計文書で指定する必要がある場合があります。終わります。

NASCC、FABTECH、またはその他の場所で構造製造業者が集まる場所では、多くのセッションで技術の進歩が取り上げられますが、そのかなりの部分は通常、建設プロジェクトに関わるすべての関係者間のコミュニケーションと縦割り構造の打破に焦点を当てています。だからこそ、ブラッドショー氏は、EOR、ディテール業者、建設業者、接続エンジニア (オーウェンスチールが雇用している)、機械請負業者、ファサード請負業者、その他建築建設に関わるあらゆる人々の訪問を常に歓迎しているのだと語った。効率的な構造製作には知識の普及が必要であり、20 年以上にわたり、ブラッドショーと彼の同僚 (オーウェンスチール社内および AISC メンバーの両方) はまさにそのために取り組んでいます。

図 3. Owen Steel の接続エンジニアは、このブレース端の接続を社内で設計しました。接続エンジニアリングが社内で行われるか外部委託されるかにかかわらず、オープンなコミュニケーションが鍵となります。