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局部座屈を伴う箱形断面鋼部材の劣化域を含む終局挙動

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(1)

【論   文】     日本建築学会構遣 系論文 報告集 第444号

1993年2月 亅ournal  of Struct

 Constr

 Engng

 AIJ

 No

444

 Feb

1993

局 部座 屈

伴 う箱 形 断 面 鋼 部 材

劣化 域

終 局 挙 動

         

POST

BUCKLING

 

AND

 

DETERIORATING

 

BE

AVIOR

            

OF

 

BOX

SECTION

 

STEEL

 

MEMBERS

     

 

* ,

秋 山

 

* * ,

桑 村

 

* 榊

Satoshi

}「

AMADA

 

Hiroshi

 

AKJYAIL41A

 a 加

d

 

Hitoshi

 

KUWAMURA

 An

 analytical method  to predict load

deformation curves of box

sect 三〇n steel beams and  beam

columns  governed 

by

 

local

buckling

 

is

 proposed

 

The

 

box・

section  

includes

 three types of manu

facturing i

 e

corller  weldi 皿g

 roll

forming

 and  p【ess

−forming.

 The predicted 

load−deformation

relations  can cever  the

post

−b

填ckling  and  

deteriorating

 ranges

 In

 thls

 

analyis

 

stress

strain  rela

tions of stub

columns  are applied  to the

cempressive  part of the section  under  compression  and

bellding

 

The

 stub

colu 皿 n 

behaviors

 employed  in this analysis are statistically  investigated on

the basis of 112 specimens  in the previous research

.・

This

 analytical  method  

is

 verified  

by

 compar

ing the analyticti 正solutions with experimental  results

      

 KeyweizlS :

local

 

bt

‘ckling

 

bOX−

section

  manufacturing  

Processes

α πψ距‘認 method

 

deteriorating

      range         局 部座屈

箱 形断面

製造 方 法

解析方法

劣化域

1,

序  局 部座屈を伴う鋼 部 材の挙 動 解 析につ い て は現 在 まで 数 多くの研 究が な され てお り,

定 軸 力下に お い て

向せ ん断 曲げ を受げるよ うな場 合につ い て 数 値 積 分に よ る面内解析 法1)

2〕 よ リ, 最 大 耐 力まで の荷 重

変 形 関係 が か な り精 度 良く解 析で き る こと が知 ら れて い る3)

また短 柱の圧 縮 挙 動に基づ い た 略 算 法に よ り 曲 げ また は曲 げ圧 縮を受ける鋼 部 材の局 部座 屈発 生に よ り決 ま る変 形 能 力が予 測でき るこ と4}

さ らには曲 げ圧 縮 を 受ける部 材の最 大 耐力 以 降の劣 化 挙 動につ い て も

短 柱 の劣 化 挙 動に基づ く略 算に よ り予 測で き ること5 }が明ら か に さ れ てい る。  局 部 座 屈を伴う鋼 部材の う ち

箱 形 断 面 部 材に関する 研 究 として は

最 大耐力 以降の劣化 域ま で扱っ たもの と して 部 材 実 験 結 果か ら荷重

変 形 関係 をモ デル化した 加 藤らの研 究6LT]

山田ら に よ る複曲 率曲げ を受け る部 材の 崩 壊 性 状に関す る

連の 研 究S,

9} , 松 井らに よ る 1 軸 曲 げお び 2軸曲げに対す る弾塑 性 挙 動の研 究1°) あ る。 山田 ら は質 点モ デル を 用い た略 算に よ る荷 重

形 関 係の解析を行っ て お り, 松 井らも1軸 曲 げを受け る 部 材につ い て は

最 大 耐 力まで を数 値 積 分による面 内 解 析

最 大 耐 力 以 降 をヒ ンジ線 理 論に基づく略 算に より荷 重

変 形 関 係の解 析 を行っ て い る

 箱 形 断 面 部 材は溶 接 組 立

ル成 形, プレ ス成 形と いっ た方 法で製 造さ れ る もの であり

終 局 挙 動 もその影 響を受け た ものと なる。 現在まで に

製 造 方 法の影 響ま で慮し た形 断 面 部 材の終 局 挙 動の解 析は行わ れてい な い。  本 論文で は建築構造 物の柱 部材と して多く用いる箱 形 断面

材につ い て

まず局部座 屈 を伴う部 材の終 局 挙 動 に関 する基 礎 資料で あ る 短柱圧縮試験の結果を統計 的に 処理し

各種製造 方 法で製 作さ れ た箱 形 断 面 部 材の圧 縮 力下にお け る終 局 挙 動をモデル化し た。 次に

最大 耐 力 まで の荷 重

変 形 関 係の解析法で あ る, 数値積分に よ る 面 内 解 析

lk1

Z)つ い て

その漸 化 式を利用し

部材の 劣 化 挙 動につい て も解 析で きるよ うに発 展さ せ た

そ し て

,一

定 軸 力 下に おい て

方向せ ん断 曲げ を受け る部 材 の

局 部座屈 発 生によりま る最 大耐力

お よびそれ以 降の 化域も 含 む荷重

変形関係の解 析 方法と して提 案 し た

この方 法は, 短 柱の終 局 挙 動に基づ き部 材の * 東 京 大 学 工 学 部 建 築 学 科   助 手

工 修 糎 東 京 大 学工学 部 建 築 学 科   教 授

工博 事 * * 東 京 大 学部建築科  助

Ph

 D

Research Assoc

 Dept

 of Architecture

 Faculty of Engineerin

Univ

 of Tokyo

 M

Eng

Prof

 Dept

 of  Architecture

 Faculty of  Eng弖neeling

 Univ

 of Tokyo

 Dr

 EIlg

Assoc

 Prof

 Dept

 of Architecture

 Faculty of Engineering

 Univ

of Tokyo

 Ph

 D

(2)

終 局 挙 動を予 測する もの で あり

製造 方法の響 を 反映 するもの であ る。 さ らに部 材 実 験結果によ り解析方 法の 妥当性を検証 し た。

2.

短 柱の終局挙動

2.

1

短柱圧縮試 験デ

ス  圧縮下にお け る箱形断面部 材の局挙動をモデル化す る に あ た り, 筆者らの研 究 室で現在ま でに行われ てきた 箱 形断面短柱圧縮 試験の結果6)

11,

13} を整理 し た

実験 の概 要を以下に記す。 1> 試 験 体  試 験 体は溶 接 組 立 部材

57

ル成 形 部材

35

プ レ ス成 形 部 材 20体の計 112体である

これ らの試 験 体は いずれも焼鈍 さ れ てい ない

試 験 体の概 形を図

1 に示す。

2

) 実験 方法

 

実 験セッ トア ップを 図

2に示す。 載 荷は弾 性 範囲内 で あ る程 度 加 力し た後に試 験 体 上 部の球座を固定し, 平 押しの条 件で行っ た

また試 験 体 両 側の対称な位 置に設 置し た 1対の変 位 計によ り

試 験体の均 軸 方向 縮み 量

A

を計 測し た

3

)実 験結果   実験結 果は応 力 度

ひずみ度 関 係と して整 理 し た

応 力度は荷重 を原断 面 積で 除した値とし

ひずみ度は

A

を 加 力 前の試験体長 さ Ls で除し た値と し た

た だし

最 大耐 力以降の劣 化 域につ い て は

局 部 座 屈の発 生し た 領域での み変 形が進 行し

他の部 分は弾 性 除 荷す るの で

△の増 分 を 座 屈の発 生 して いる領 域の長さ

Lse

で除し, こ れ をひずみ度の増 分と し た。 2

2 終 局 挙 動の モデル化 2

2

1 応 力 度

ひずみ度 関係の モ デ ル化  短 柱の応 力 度

ひずみ度関係は

引張 試 験か ら得ら れ る材料の応 力 度

ひずみ度 関係に溶接組立, ロ

ル成形, プレ ス成 形といっ た製 造工程の影 響が加わっ た も の と考 え ら れる

素材を用い同

方法で製 造さ れ た短柱の 挙動は

4に示 する ように 幅 厚比の さ な 短柱 の応 力 度

ひずみ度 関 係か ら最 大 耐 力 点 以 降そ れ ぞ れの 劣化域に分岐し て い く と み な せ る。 また劣化域につ い て は 製 造 方 法

素 材 特 性にか か わ らず図

5に示 す よ う に お おむね

2

本の直線で代 表さ れ る挙動 を示す12)

13) a  本 論 文で は

最大耐力 点まで の動は幅 厚 比の小さ な 短柱の挙動で代 表 さ れ る もの と して 最 大 耐 力 点か ら劣 化 第

1

勾配 を経て劣化第 2勾 配へ と移 行る箱 形 断 面 短 柱の終 局挙動の モデル化 を行っ た

終 局 挙 動の モ デル化 に あ た り, 短柱の終局挙 動 を支 配するパ ラ メ

平板の座 屈荷重の理 論 解 を も とに基 準 化 幅 厚 比 α(

evB /t)2を採 用し た

こ こ で Ev は短 柱の降 伏ひずみ で あり

短柱の

0,

2% オフセ ッ ト耐力 ay を弾 性 係 数 E で除し た値で あ る。 ま た

0,

2

% の永久ひずみを生 じ る 前に耐 力が劣化した もの につ い て は

平 板 部の素 材 引張

ー B

1

t8

 

試 験 撮

  

B

−−

9

10

t 図

1 試 験 体 概 形

u

球 座 1    

1

/ 変 位計 ヨ 試

1 験 1 …

I    I 旨 〆 図

2 実 験セッ トアップ

T

 

  面外 変 形の開 始 点 図

3 短柱の座 屈領域の長 さ 1

501

25   1

00

\ o

15b   O

500

25       o        O510152025303540        ε/ey 図

4 同

素材

製造方 法で製 作さ れ た短柱の応 力度

ひ      ずみ度関係 (SM 490接 組 立材の場 合) Sσy  σyT σy tarriEditan

tEd2

itarr

!E      εy

σy       eu     k

− 一

μh

εy → 図

5 短 柱の代 表 的な応 力 度

ひずみ度 関 係とそ の モデル化

(3)

試 験に よる降 伏点 を弾 性 係 数で除し た値とし た

2

2

2 ひずみ塑 性 率  局 部 座 屈 発生に よりまる最 大耐 力点の ひずみ度 εu を降伏ひずみ εy で除し た値をひず み塑 性 率 μ。 と定 義す る。 ひずみ塑 性 率と 1ん との間に は, 最 大 耐 力まで の 応 力度

ひずみ度関 係に大きな影響を与える製造工程に は依 存す る もの の

強度 グレ

降伏比 とい っ た素 材 の特性に は よ ら ない

定の関係が見ら れ るIS〕 。 本論 文で は素材の特 性の異な る短 柱の験 結果 を

括して整理 す るにあ た り

最 大 耐力点を表す 量 と し て ひずみ塑

率 を 採用す る。  な おひずみ塑 性率につ いては文献 調 査を行い

試 験 体 長 さ が 3B で後 熱処 理 を行っ てい ない 試験 体に つ い て, 既往の実験結果14)

19}調 。 た だ し

文献

18

)に は 溶接組立部材につ い て の験結果が記 載されて いる が

板 厚が 6mm と薄く冷 間加工的な挙 動を示す と考え ら れ るの で統 計処 理 か ら は除 外し た。 ま た

文 献

19

)の実 験につ い ては

加 力に際しピン形 式の加 力板を固 定し て お らず

実 験 結果に何らか の影 響 を与えてい るおそれが あ るので, こ れ も統計 処理 か ら は除 外し た

1)

溶 接 組 立 部 材

 

溶 接 組 立 部 材の ひずみ塑 性 率 μ。と1/a の 関 係をプ ロ し たのが図

6 (1 )である。 μ。と1/a の関 係 は鋼 種に依 存し ない こと

および 2本の直線で表さ れ る こと がわ か る。 実験 結 果を回 帰 分 析し

溶 接 組立部材の ぴずみ塑 性 率の実 験 式 (1), (2) を得た

相 関 係 数は (1>式につ いて 0

95 (2 >式につ いて 0

90で ある。

   

μ。

16

0/α

12

7

……

 …・

…・

……

 …・

……・

(1 )         (3

Ol≧1/a ≧1

09)     μo

4

8/α

52

………・

…・

…・

…………・

(2 )         (1

09>1/α≧O

23)   (1) 式と (2)式の交 点 (1/a= 1

09 あ る が , これ は お お む ね降伏棚を 過 ぎて ひずみ硬 化 域に 入 る 限界 点に対 応して いる

し た がっ て (1 )式 はひずみ硬 化 域 に お け るひずみ塑 性験 式 (2 )性域か ら

降 伏 棚にか けて のひずみ塑 性 率実 験 式とい え る

2) ロ

ル 成 形 部 材

 

ル成 形 部 材の ひずみ塑性率 μ。と 1/α の 関係をプ

ロ ッ トし たものが図「6(

2 )である。 μ。と1/a の関 係 は鋼 種に は依 存しない が溶 接 組 立 部 材の場 合と異な り

1 本の直線で表さ れる

こ れ は

ル成 形 部 材の応 力 度二 度 関係 , 溶接組立 部材 と異な り,

ROUND

HOUSE

形の挙 動 を 示す た めである と考え られ る

実 験 結果 を 回帰分析 し, ロ

ル成 形 部 材の ひずみ塑 性 率の 実 験 式 (3)を得た。 (3)式の相 関 係 数は 0

98である。

   

μ。

8

7/α

1

20

…・

…・

…・

……・

…・

…・

…・

(3 )         (2

62≧1/α≧o

19)

40

35

3025o

20

o

51

015

0

 

0

 

0.5

25

20

5

, 10

5

6〔1)

1.0

 

1.5

 2

0 

2.5

 3

0 3

5

   

1

/α 溶 接 組 立 部 材のμ。

1/α 関 係

G

 

O

   O

5 1

0

 1

5

 

2.

0 

2.

5  3

0            

1

/α  図

6(2) ロ

ル成 形 部 材の μ

1/a 関 係

40

35

03

25oR20

15

0

ー 5

0

 0   

0,5

  1

0

 

1.5

 

2・0

 

2、5

 

3■0

           1 /α 図

6(3) プレス 成形部材の μ

1〆a 関係

一 137一

(4)

3

) プレス成 形 部 材  プレ ス成形部材の ひずみ塑 性 率μD と1/α の 関 係をプ ロ ッ ト し た もの が 図

6(3)で ある。 μ。と1/α の関 係 は溶 接 組 立部材同様, 鋼種にか か わ らず 2本の直 線で表 さ れ

1/α の小さ な範囲で は溶 接組立 部 材の ひずみ 塑性 率の実 験 式 (2)と良い対 応を 示 して い る

そこで 1ん の き な範 囲で の み回 帰 分 析 を行い , プレス成 形部材の ひずみ塑 性 率の実 験 式 (4) を得た。 (4 )式の相 関 係 数は 0

99で ある。 また

1/a の小さ な範囲につ い て は (2 )式を用い るものとし

適 用 範 囲 を 変えて (5) 式 と し た。 μo=

17.

4

/α

一9,6………・

…・

…・

 

…………・

(4 )   (2

51≧1/αo

72 ) μ〇

三4.8

/α

52・

…・

……・

…・

………

(5 )   (

0.

72≧1/α≧

0,

23 )   (4 )式と (5 >式の 点 (1/a= O

72 )あ る が

溶 接 組 立 部 材 同 様, お お むね ひずみ硬 化 域に入 る限 界 点 に対 応して いる

こ の 限 界 点は

溶 接 組 立 部 材の 場 合 (

1

/a= 1

09比べ さ なと な て い る , こ れ はプレ ス形 部 材応 力 度

ひず み度 関 係におい て

降 伏 棚が現れず

降 伏 後 直ち に ひずみ硬 化 域に 入 る た めで あると考え られる

2

2

3 劣 化 第1 勾配   劣 化 第 1勾 配 と ♂ の 関 係 を プロ ッ ト し たの が 図

一7

で ある

図中 ●は溶 接 組 立 部 材

△ はロ

ル成 形 部 材

口はプレ ス成 形部材である 劣化第 1 勾に関しては製 造 方 法によ らず

,Ed1

E

とα2との 間に線形 関 係が成り 立っ て い る ことが わかる

こ の係に つ い て回 帰 分 析を 行い 劣 化第 1勾配の験 式 (6 )を得た。 式 (6}の 相 関 係 数は 0

97である

    Ed,/E 

O

014α LO

 OO5

…・

…・

…・

…・

(6         (3

14≧ a ≧0

33) 2

2

4 劣 化第

2

勾配  劣 化 第 2勾 配と α の関係をプロ ッ ト した の が図

8で ある

図 中 ●は溶 接 組 立 部 材, △ はロ

ル成 形 部 材

口 はプレ ス成 形 部 材である

劣 化 第

2

勾配 に関しては製 造 方法 やα の値に か か わ らずほ ぼ

定 値で あ り

   

E

. /E =

0

005

 

一・

 

一・

 (7 )       (

3.

70

≧α≧

O,

62 ) である

2

2

5 劣化第 1勾配 と 劣 化 第 2勾配の遷移 点  劣 化 第 1勾配 と劣 化第

2

勾配の 遷移 点を T/

S

の形で 整 理 し

αとの 関 係 を プロ ッ ト し たの が図

9である

こ こ に は

S

応 力 上 昇で あ り

,T

は遷 移 点の応 力 度 を 降 伏 応 力度で除し た値で あ り図

5に示 す もの で あ る

図 中 ●は溶接 組立部材

△ はロ

ル成 形 部 材

口は プレ ス成形部 材で あ る

。T

S

と α の 間に は製 造 方 法に かか わ らずお お む ね線形 関係が成り立っ て いる。 こ の関 係につ い て回 帰 分 析 を 行い, 遷 移 点の 実 験 式 (8>を得

0

oo

OIOO

  

O.5

 

1.0

  

1,5

 

2.0

 

2.5

 

3.D

 

3.5

 

4.0

      α 図

8E ./E

α関係

o

O.02

D.04

D.06

6

08

10

12

140

  

1,0

 

2,0

 

3.0

 

4.0

 

5.0

 

6.

0 7

0 

8マ0

 

9,010,0

       α 2 図

一7Eqi

/E

α2関 係 の

0,8

o

7

0

O.50

 

0■5

 

1●0

 

1,5

 

2・0

 

2,5

 3

D 3

5 

4.0

α 図

9 TIS

α関係

138

(5)

    TIS

=−

0

079α十 〇

81

一・

 

  

 (

8

)         (3

70≧α≧

O,

62) 式 (8)の椙 関 係 数は 0

92で ある。

3.

劣 化 域 を含 む部 材の解 析 3

1

解 析 仮 定 1) 解 析は

定 軸 力の もとで

せん断と曲げ を受け る片 持 梁 形 式の部 材 (図

10 )を対象と す る。 2 ) せん断につ い ては常に弾性域にあ る もの と す る

し た がっ てせ ん断 力に よ る塑 性 化やせ ん断 座 屈が問 題とな ら ない範 囲の寸 法の部 材を対 象と する

また

せ ん断 変 形と曲 げ変 形は互い に影 響しあわ ない もの とする

3 ) 平面保持を仮 定する

4) 断 面 内 各 点に おける素 材の応 力 度

ひずみ度 関 係, 引張 側は素 材 引張 試 験 結 果

圧 縮 側は短 柱 圧 縮試験結果 よ り与えられ る

5

) 最大 耐 力は局 部 座 屈 発 生により決 まり

短 柱の応 力 上 昇 率 を も とに予 測され る

6 ) 低軸力下で曲 げを受け る場 合

ウェ ブ が全 領域で圧 縮 力 を受け ることに はな らず

全 面に圧縮 を受け る場合 に比べ

局 部 座 屈 発 生な ら びにその後の劣 化 挙 動に対し 有 利で あると考えられる

しか し応 力 状 態の違い が与え る影 響につ いての研 究が な さ れていない こ とか ら, こ こ で は便 宜的に基準化等価 幅厚比 を

 

 

 

・e

!lt

h2

:) ・y(・川 ・

一 ・

…一 ・

……・

…・

…・

(・) と仮 定する。

k

は全 塑 性 状 態におい て

ウェ ブの中で圧 縮 力 を受ける部 分の面 積の割 合であ る。

 

1 )

6 )の条 件の も とで外 力に対す る曲率 分布 を 材 長 方 向に積 分 する ことにより

局 部 座 屈 発生に よ り決 まる 最 大 耐 力まで の荷 重

変 形 関係が解 析でき る。 し か し な が ら, 最大耐力 以 降の劣 化 域にお け る荷 重

形 関 係 を 解 析す るに は こ れだ けの条 件で は不 十 分であ るの で, 以 下に示す条 件を加え

劣 化域まで含む荷重

変 形 関 係 を 解 析する。 7) 最 大 耐 力 以 降で は, 局 部 座屈の発生して い る領 域に おいてのみ塑 性 変 形が進 行し, 他の部 分は耐 力の劣化に 伴ない弾 性 除 荷され る と考え ら れ る

そ こ で 図

11に 示す よ う に, 局 部 座 屈の発 生 する領 域 を最 大 耐 力 以降も 変 形の進 行する局 部 座 屈 領 域

他の部 分を弾性除荷する 弾 性 除 荷 領 域と する

8

)劣 化域に お ける断 面 内 各 点の剛 性 (応力度

ひずみ 度 関 係)は以 下のよ うに与え る。   局部 座屈領 域 圧 縮 側

 

みが進 展す る場 合の剛 性は

短 柱の応 力 度

ひずみ度 関 係の劣 化 域に お け る剛 性を与え る。 こ の剛性は局 部 座 屈 領 域 内 (圧 縮 側)で

定 と する

半 波 長 図

10  片 持 梁モデル ・部座 屈領 域   P ← 弾 性除 荷領 域

LB

11 最 大 耐 力以 降の領 域 分け \ L

IQ

δ ← 図

12 最 大 耐 力 規定 点   局部 座 屈 領 域 引 張 側  ひずみが進 展す る場 合は, 最大 耐 力まで用 いた素 材の引 張 応 力 度

ひずみ関係の 延 長で与え る

除 荷する場 合に は弾 性 剛 性を 与 え る

  弾 性 除 荷 領 域  弾 性 剛 性を与え る。 3

2 解 析 方 法 3

2

1 最 大 耐力の解 析  曲げ ま た は曲げ 圧縮を受け る部材に おいて, 最 大 耐 力 発揮時に は

大 耐 力が決まる点 (以 後

最 大 耐 力 規 定 点 と 呼ぶ)にお け る 圧縮 縁の応 力 度が

局 部 座 屈 発生に よっ て決ま る最大 圧 縮 応 力 度 σu に達 する もの とする。 最 大 耐 力 時に おける最 大 耐 力 規 定 点の圧縮 縁の応 力 度 σu は

短 柱の応 力上昇 率

S

を適 用し

式 (10 )に より 予測す る

    σ。

=s ・

σジ

…一 …・

…一 …・

……・

………

(lo)  モ

メ ン ト勾配がある場 合

曲げ応 力は材 長に沿っ て 変 化する

材 長に沿っ て面 内 応 力が線 形 変化す る場 合の 薄 板の弾 性 座 屈 耐 力は

最 大 応 力点よ り半 波長の位置に お け る応 力が

,一

様圧縮を受け る 場合の座屈耐 力に達し たと きに決ま る [付 録ユ。 弾塑性 域に お ける箱形 断 面部 材フ ランジ に おいて も, こ の関 係 を 援 用する。 すなわ ち

最大 耐 力規 定 点 を材 端よ り半 波 長の位 置とする

曲 げの み を受ける場合, モ

メ ン ト は材 長に わ たっ て線 形 変 化 す る が

曲 げ圧 縮 を受 ける場 合に は

軸 力に よ る付 加 曲 げによっ て モ

メ ン トは線 形 変 化し ない。 し か し

固 定 端 近 傍で は付 加 曲げ はほ ぼ

定で あ る と考え ら れ るの で, モ

メ ン

線 形 変 化 す と し も差え は ない と考え ら れる

した がっ て

曲げ圧 縮を受け る場 合 も, 材 端よ り半 波 長の位 置を最 大 耐 力 規 定 点とずる。  以 上よ り,最大 耐 力 規 定 点の圧 縮 縁の応 力 度が

式 (10) に よっ て予 測される最 大 圧 縮 応 力 度 σu に達し た と きの

139

(6)

固 定 端の モ

メ ン ト を最大耐力 Mu の予 測 値と する

ま た

劣化 域の鰯’ こ つ い て

最 大 耐 力規 定 点お け る 圧縮 縁の応 力 度に対 応 する短 柱の劣 化 剛性 を, 局 部 座 屈 領 域を代 表する剛性とし て領 域 内 全 域に適用 する

3.

2.

2

  荷 重

変 形 関係の解 析  部材を図

13に示 す よ うに

材 長 方 向に微 小 区 間に 分割し

各 区 間 [

i,i

+1]におい て曲 率 φi は

と す る。

i

+1 点の 回 転 角

変位

曲 げモ

メ ン トは (11 )

13

)式で与え ら れ る1)

     e,

t=

ei

iPt

Ax …・

…………・

…・

……・

……

11      y‘+1= yt十e,

ムコじ→

1/2

φ‘

lx2・

 (12)     M‘

lzMl

− P ・

e

Ax

十1/2

φt

Ax

!}

Q

Ax

       

− ……・

………・

…・

………・

(13)  また 部 材 断 面 を図

14に示す よ うに げ軸と直 交 方 向に微 小 要 素に分 割し, 各 要 素 内でのひずみ度は各 要 素の重 心 点で代 表させ る もの と する

曲率の

d

φ を仮 定 し, 断 面 内で の力の釣合いを解けば

,d

φに対 す る各 微 小要素の ひずみ度

応 力度の増分が決ま り

メ ン トの増分 も 決 ま る2 }

こ の モ

メ ン トの増 分が

i +1点に おける モ

メ ン トの分に

す る ような

d

φ を 求め れ ば

φE.1 は     φ‘

1

φt+ 、十dφ

…・

………・

…・

………・

……

14

) で与 えられる。  ま た, せ ん断変形につ い ては

式 (11)におい て固 定 端にお け る境界条件

P

 

 

 ↓

Q

 

 

yN X yi+1 工 △x yi y     刊   X     節

p

13  解 析モデル

d

φ φ

P

一 140一

一14

  断 面の分 割      θ卩

Q

/(〔穿

Aw

 

一・

 

t・

tt・

 

一・

 (15)     

G

:せん断 剛 性   

Aw

:ウェ ブの断 面 積 とし て与え れば よい

  上記の関 係を用い

固 定 端の 曲 率 φD に対 する せん 断 力

Q

を仮定し, 先 端にお け る境 界 条 件 (

ilN

O) を満 足 す る まで収 斂計算を行い

φ。に対する

Q

を求める

φ。 を漸増さ せ

逐 次 計 算 する事により載 荷 初 期 より終 局 挙 動に至る荷重

変形 関 係が得ら れ る。 3

3 局 部座 屈 領 域の長さ な ら びに最 大 耐 力 規 定点の置  本 解 析で は 局 部 座 屈発 生す る領 域を最 大 耐 力以 降 も変 形の進 行 する局部座屈領 域と し, 固定端よ り半 波長 の位 置 を最 大 耐 力 規 定 点 とし ている

局部座 屈領域の長 さLe は

劣 化 域に お い て材 端 塑性ヒ ン ジ領域の長 さに 対 応 し

変 形 挙 動に影 響 を与え るもの で あ り, 最大 耐 力 規 定 点の位 置は最 大 耐 力の決 定に寄 与し

い ずれ も本解 析におけ る主 要なパ ラ メ

で あ る。 これ らの値は, 曲 げ圧 縮 を受ける部 材の座屈波 形と対応し た も ので な く て はな らない

 曲 げ圧縮を受け る部材のに関しては

短 柱の 座 屈 波よ り2割ほど 短い座 屈が発 生す ること が報告さ れて い る9,

本 解 析で は 短 柱の 座屈波長 Ls の 8 割の 長 さ を局 部 座 屈 領 域の長さ

L

。 と し, 固定端よ り

L8

/2 の位 置を最 大 耐 力 規 定 点 とする。      

Ln

O.

8

 

Ls ……・

…・

…・

………・

……

16  短 柱の座屈 波長

Ls

で あ る が

2章で用い た短 柱 圧 縮

試 験結 果G}

11)

13) う ち

座屈 波が 1波の み生 じ た試 験 体につ い て

座 屈波長を幅厚 比との 関 係で図

15に示 す

座屈波が 1波のみ 生 じ た 試験 体に限っ た の は 曲げ 圧 縮 を受け る 場合

応力勾配の影 響により座 屈 波は1波 の み生 ずる と考え ら れ る か らであ る

1) 溶 接 組立部 材

 

溶接組 立 部 材につ い て

Ls

は断 面の全幅

B

とほ ぼ

致して いる

     

Ls

B ・

 

一・

 

9鹽

−7・

 (17       (14

3≦

B

t

≦50) 2) ロ

ル成 形 部 材  ロ

ル成 形 部 材の場 合

幅厚 比の き な領 域で は

Ls

は断 面の全 幅 B とほ ぼ

致する が 厚 比さ な領 域で は

座 屈 波の発 生 状 況が円形 鋼 管と似た もの と な り

B

より短くなっ て い る

Ls と幅 厚 比の関係を2本の直 線で表す と

以 下の ように な る

    

Ls=B ・

 

一・

 

18

)       (26〈B/t≦54

7)      Ls

O

17十 〇

032 

B

t・

 

t−・

t・

 

t・

 (

19

        (14

4≦

B

t

≦26> 3) プレ ス成 形 部 材

 

プレ ス成 形 部 材につ い て は 接 組 立 部 材 同

tt

 

Ls

は 断 面の全 幅 B とほ ぼ

致して い る

(7)

5   』 αコ \ 雪 O,5   0 1

5 』 ロ \

日 O

5   0 2

D   1

5   \ LD

 

O.5

10    20    30    40    50    60       B/t       〔1)溶接 組 立 部材 O  o 10 

  20    30    4e    50    60       B/t      (2〕 ロ

丿レ局〜テ

E

彡{ヨ乙木オ 10    20    30    40    50    60       B/t      (

3

)プレ ス成形部材 図

15 短柱の座屈 波長

   Ls

; B

……一 ……・

…・

………・

(20)         (16

o≦B/t≦50)

 

(17)

20

)式よ り短柱の座 屈 波 長が与えられ

16

> 式 によ り局 部座屈 領域の長さ お よび最 大 耐 力 規 定 点の位

置が決まる

3.

4 部 材 実 験 結 果との比 較に よる解 析 精 度の検 証  解 析 精 度の検 証に用い た の は

溶 接 組 立 部材の曲げ 圧 縮試 験結果6〕 , ロ

成 形 部 材げ 試験 結 果T)あ る

ま たプレ ス成 形 部 材につ い て は

1方 向載 荷 試 験の結 果 が得ら れ てい ない の で 繰 返し曲

げ試 験 結 果mo)骨 格 曲 線を用いた

 解 析では 断 面 を 曲 げ軸と垂 直方 向に

フ ラ ンジ 4

ウェ ブ 10の 14の微 小 要 素に分 割し た

ま た材長方 向に つ い ては

固 定 端近傍は局 部座屈 領 域の 1/10の長 さで 20分 割

残り の領 域を

10

分割し た

こ れ は片 持 梁 形 式 の部材におい て,

固定 端 近 傍の変 形 挙 動が全 体の変 形 挙 動を支配 す るの で, こ の領 域の解 析 精 度を 上げる た め で あ る。   解析によ り求め た荷 重

変 形 関 係を実 験 結 果と比 較し Lso1

25 鼠

1・

OO

o

i・   0

5D0

25   o    o 図

一16

1

1

501

25 鼠 1

00

o

了5 Σ   0

500

25 5    10    15    20    25    30          δδpc 実験 と 解 析の比 較 (溶 接 組 立 部 材

軸 力 比0

3の合 ) O   D    5    10    15    20    25    30       δ/δpe 図

16〔2) 実 験と解 析の比 較          (溶 接 組 立 部 材

軸 力 比0

6の場合) 1

501

25   1

ao

\ o

了5O

50O

25o   O     5    10    15    20    25    30       δ/δP 図

16(3) 実 験と解 析の比 較       (ロ

ル成形部材

軸 力 比0の場 合 ) 1

41

21

0

§

o

6 \ 芝 0

6   0

4o

20  0    2   

4    5    S   10   12   14       δ/δP 図

16(4) 実 験と解 析の比 較          (プレス成形 部材

軸力比 0の場合 〉

(8)

1 部 材 実験に お い て面 外 変 形が最 大に な る点の位 置 製 造 方 法 力比 幅 厚比 L 阻 溶 接 組立 0

  32  03040 0

  5 BO

  3 BO

  4 B 0

  620300

  7BO

  4B ロ

成 形 0

  0253  34  2 0

  4BO

  3 BO

  3 B プ レ ス   彡 0

  02  80

  4 B 図

16に示す。 図中破 線が解 析結果

実 線が実 験 結 果 である。 解 析 結 果は

溶 接 組 立 部 材の軸 力 比0

6幅 厚 比 20の 1体を除き

製 造 方 法

幅 厚 比

軸 力 比に よらず

局 部 座 屈 発 生に より決まる最大耐力点以 降の劣 化 域に至 る まで

実 験 結 果と良 好な対 応 関 係を示してい る。  実 験 観察記 録に よ る, 固定端よ り フ ランジ の面 外 変 形 が最 大に な る点 (最 大 耐 力 規 定 点に 対 応)までの距 離 Lm を表

1に示す

解 析 結果と実 験 結果が良 好な対 応 を 示し た試 験 体では 短 柱の座 屈 波 長か ら予 測 し た値 0

4B と ほ ぼ

致 して い る が

解 析 結 果と実 験 結 果が合 わ な い試 験 体 (溶 接 組 立 部 材

軸 力 比0

6

幅 厚 比20) で は

約0

7B と

固 定 端 よ りか な り離れて い る。 こ れ は高 軸 力下で変 形 能 力を発 揮し たため

固 定 端 近 傍で の応 力の変 化が少なく, 固定 端よ り離れ た位 置で座 屈 波 が発 生 した ため と考え ら れる。 したがっ て最 大 耐 力規 定 点 を固定 端 近 傍に とっ た場 合に比べ

最 大 耐 力

変 形 能 力が大きく なっ て る。 し か し部 材に お け る局 部 座 屈の発 生 状 況は

現 在ほ と ん ど わ かっ て お らず

詳 細な検 討は 今後の課題であ ろ う

 本解 析 方 法 は

高 軸 力 下で大 き な変形 能 力 を発 揮す る 場合に 安 全側の評 価 をする もの の ほ と ん ど の試験体 につ い て は 劣 化 域に至るまで良 好な対 応 関 係 を示して お り

劣 化 域まで含む荷 重

変 形 関 係の解 析 方 法と して は 適 切なもの であると考えられる

4

結   論 1) 短 柱 圧 縮 試 験の結 果を整 理し

短 柱の終 局 挙 動 をモ デル化し た

モデル化に際し, 以 下の こと が わかっ た

  最 大 耐 力 点 をひずみ塑 性 率で見た場合, 基 準 化 幅厚 比 a (

εy

B

t

) ’ )との間に 製 造 方 法 別に

定の関 係 がある ことがわ かっ た。 こ の 関係 を回 帰 分 析し

実 験 式 (1 )

(5)を得たe   最 大 耐 力 以 降の劣 化 挙 動に つ いて は 製 造方 法に か か わ らず, 基 準 化 幅 厚 比 a との 間に

関 係 が あこ とが わ か っ た。 実 験 結 果 を回 帰 分 析し

劣 化 第1勾 配を 与え る実 験 式 (6 )

劣化 第1 勾配と劣 化 第2 勾配の 遷 移 点 を与え る実 験 式 (81 を得た。 ま た劣 化 第

2

勾配に つ い ては基 準 化 幅 厚 比 α に も よ らず

ほ ぼ

定 値で あ る こと がわ か っ た

142

2) 数 値 積 分に よ る 面 内 解 析 法 を 発 展 さ せ

局 部座屈 発 生によ り決ま る鋼 部 材の大 耐 力お よびそ れ以 降の劣 化 域 も 含む荷 重

変 形 関 係の解 析 方 法 を提 案 し た。 こ の解 析 方 法の主な特 徴は次の点で あ る

  片 持 梁 形 式の部 材の劣 化 域 を含む終 局 挙 動 を

,一

様 圧 縮を受 ける短 柱の終 局 挙 動と

,一

様 引 張 を 受 ける素材 試験 片の挙 動か ら予 測す ること。   載 荷 初 期か ら最 大 耐 力

そ して劣 化 域に至る まで,

値積に よ るに よ り解 析す る

  最 大耐 力は

メ ン トが最大とな る固定端より 波 長 先 端 側にある最 大 耐 力 規 定 点の 圧 縮 縁の応 力 度に より予 測 する こと。   最大耐力以 降の劣化 域につ い て は

部材を局部座 屈 領 域と弾 性 除 荷 領 域に分 割して解析 すること。   劣化 域に おいて, 局 部座屈 領 域の 圧縮 力を受け る部 分の剛 性は, 最 大 耐 力規 定 点の 剛 性で代 表さ せ ること

3) 本 解 析 法による解 析 結果 を実 験結果 と 比較する と 高 軸 力 下で大 き な変 形 能 力 を発 揮す る場 合に 安 全 側の 評 価をする が

ほと ん どの試 験 体につ い て は

劣 化 域に 至るまで良 好な対 応 関係を示し て お り 劣 化 域まで含む 荷 重

変 形 関 係の解 析 方 法 と して は

適 切なもの であ る と考えられ る

4 )部 材に おける局 部 座 屈の発 生 状 況 を 明らか にする こ とは

今 後の課 題である

謝   辞  本論文に用い た デ

部は 社 団法 人 鋼 材 倶 楽 部 (ボック スカラ ム小 委 員 会

主 査 岡 本 晴 仁 )による受 託 研 究お よ び新 日本 製 鉄によ る受 託 研 究によ る も のであ る

付  録  材長方 向に直応 力が線形変化する薄 板の弾 性 座 屈荷 重  座 屈 変 形 ω は境 界 条件を満 足して お れ ば 波 形が精 密でな く て も得ら れ る座 屈 解は精 解に近い の で

こ こ で は以 下のよ うに 仮定す る

  

・・

・in 

iy

………・

…………・

……・

(・

1) 外 力による仕 事2Dは

  

ムT

T

N

∂ω ∂x

2

d・dy

    

σ

1

β

9

………・

…………・

……・

(A

・)

2n は σ a (

b        四 縁 単 純支持 y x (1

βa )σ Nx

(1

βx)σ Ny

NXS

0       フランジ内のせん断       力は微小であるの で       鰯 る

A  直 応 力が線 形 変 化す る板 要 素

(9)

 

 

 

AU

9f

, ’

xa

∂:ω  ∂1ω ∂エ2 十 ∂yi

t

・・1

・)

 

 

 

 

 

∂1ω ∂x ∂y

2

d・dy

 

 

 

 

1   1 十

a2  bt

z

………・

……・

一 一

3・ こ こ で

D=

Et3/12(1

の エ ネル ギ

の 釣 合い よ りAT

AU で あ るので

弾 性 座屈耐 力 は

 

 

 

 

t

t

,β。

………・

……

これ は 最大 応力点 (x

O)よ り半 波 長の位置 (x

O

5a )に お ける応 力が

応 力勾 配の な い場 合の板 要 素の弾 性座屈 耐 力

 

 

 

1

tb

t に達し た と き

座屈 す ることを表して い る

参考 文 献 1> 加藤 勉

秋山 宏

内田直樹 :鋼構造部材の耐 力 (そ   の 1)

日本建 築学会 論 文報告 集, 第119号, pp

22

30,     昭 和41年1月

2) 山 田  稔

坂恵

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白 川 潔 :軸 圧 を受け    るH形 鋼柱の弾 塑 性 曲 げ変 形 性 状に関する研 究 (1:

方   向 載 荷 時に おける曲 げモ

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日本建築学会 論 文 報 告 集

第127号

pp

8

14

    昭 和41年9月

3) 桑 村   仁

志村 保 美 二降 伏比 の異な る 高 張 力 鋼梁の曲 げ   実験

日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集

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873

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4) 加 藤 勉 :閉断 面部材の局部座 屈と変形能力

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日 本 建   築 学 会 大会学 術講演 梗概集

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6) 加 藤   勉

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日 本 建 築 学 会 論 文 報告簗

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  pp

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昭和53 年6月

7) 加 藤   勉

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桂 井 史朗 :形 断 面 部   材の塑性 変形能 力に関す る実 験 的 研 究 (その3 冷 間 成     形 箱 形 断 面 部 材の場 合 )

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1309

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昭和53年9月

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:複 曲 率 交 番   繰り返し曲げを受け る角 形鋼 管 柱の弾塑 性変形 挙 動 お よ   び崩 壊性状に関す る研究

(1)日本 建 築 学 会 近 畿 支 部 研   究 報 告 集, pp

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昭 和59年6月 / (

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昭和59年   10月 /(皿〉日本 建 築学会 近 畿 支 部 研 究 報 告 集

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昭和60年5月/ (

1V

>日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演   梗 概 集

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679

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昭 和60年10月 /(V)日本建築   学 会 近 畿 支部 研 究 報告集

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昭和61年/(Vl〕   日本建築 学会 大会 学術 講演 梗概 集

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口10, 昭    和618月

9) 山 田 稔

辻 文三

河村 廣ほ か :複 曲 率 曲げ を受け    る 角 形 鋼 管柱の弾 塑 性 変 形 挙 動お よ び崩 壊 性 状に関する 10) 11 12) 13) 14) 15> 16) 17) 18) 19) 20) 21) 研究

1

)日本建 築学会近 畿 支 部 研 究 報 告 集

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217

220

昭和576月/(ll)目本建 築 学 会近畿 支 部 研 究 報告集

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213

2]6

昭和58年6月/ (皿)日本 建築 学会 大 会 学 術 講 演梗 概 集

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1363

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昭 和58年9 月 / (

IV

)日本 建 築 学 会 近 畿 支 部 研 究 報 告 集

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373

376

昭和59年6月 /(V)日本建築学会 大 会学 術 講 演 梗 概 集, pp

1345

1348, 昭 和59年10月 / (

VD

日本 建 築 学 会 近 畿 支 部 研 究 報 告 集

pp

413

416

昭 和61年/ (〜

m

日 本 建 築 学会大会学 術 講演 梗 概 集

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1111

1112

昭 和 61年8月

松 井 千 秋

森 野 捷 輔

津 田 恵 吾ほ か ;角 形 鋼 管 柱の局 部 座 屈 後 挙 動につ いて, 日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集

pp

1155

1156/ (その 2)日本建築 学会中国

九州 支 部 研究 報 告 集

pp

273

276

昭和56年 / (その 3}(その 4) 日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集

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2093

2096

昭 和56年9月 / (そ の 5)日本 建 築 学 会九州支部研究報告 集

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244

昭 和57年/(そ の 6)日本建 築 学 会 大会学術講演梗概集

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1366,昭 和58年9月

加藤 勉

西 山 功 :冷 間 成 形 角 形 鋼 管の局 部座屈 強さ および変 形 能 力

日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集

第294号

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45

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昭 和 55年8月

邱 榮 政

,.

山 田 哲

桑 村 仁

秋 山 宏 :冷 間成形 角 形 鋼 管の保 有 性 能の研 究

そ の 1短 柱圧縮 試験

日本建 築学会大会学術講演梗概集

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1275

1276 1992年

城 戸 雄 太

山 田 哲

桑 村 仁

秋 山 宏

上 遠 野 明夫 :鋼 素 材の性 質をパ ラメ

と し た 短柱圧縮 試 験 (そ の 1

素 材 引 張 試 験¢ らびに箱 形 断 面短 柱 圧 縮 試 験)

日 本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演梗 概 集

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ユ245

1246

1992年

桑 村 ⊂

鈴木 孝彦 ;短柱の圧縮挙動に及 ぼ す鋼 材の応 カ

歪 特 性の影 響

日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集

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1101

1102

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鈴木 孝彦

桑村  仁 ;H形 断面短柱圧縮挙 動にお けるフ ランジ とウェ ブの相軍拘 束 効 果

日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集

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1041

1042

1989年10月

高 田 信 宏

鈴 木 健二

山田 大彦 :ブレス成形角 形 鋼 管 柱 の性能 評価 そ の 2 短 柱圧縮 試験 並 びに圧 縮

繰 返し 3点 曲 げ 試 験

日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集

PP

1483

1484

1990年10月

青 木 博 文

成 沢 弘 之

中 村 克 彦, 黒 沢 隆 志 :冷 間 成 形 角 形 鋼 管め短 柱 圧 縮 試験

日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集

,pp.

669

670

昭 和60 年10月

井 上 哲 郎

桑 村 仁 :箱 形 断 面 短 柱の応 カ

ひずみ特性 (軟 鋼

高張 力 鋼お よ び低YR 高張力 鋼}

構 造工学論 文 集

V。1

35B pp

337

350 , 1989年3月

井上哲 郎

桑 村 仁 :降伏 棚のあ る低 降 伏比6qキロ高 張 力 鋼短柱の応 カ

ひず み特 性 (十字形お よ び箱 形 断 面 )

構 造 工 学 論文集

Vol

37B

 pp

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19913

秋 山 宏

桑 村 仁

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邱 榮 政

菊 川春三 : 角 形 鋼 管の終 局 挙 動に及ぼす 製 造工程の影 響

構造 工 学 論文集

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410

19923

Timoshenko & Gere

 

THEORY  OF  ELASTIC

STABILITY

  Second Edition

  McGRAW

HILL

1963

(1992年7月10日原 稿 受 理

1992年11月11日採用決定)

表 一 1 部 材 実験 に お い て 面 外 変 形 が 最 大 に な る 点 の 位 置 製 造 方 法 力 比 幅 厚 比 L 阻 溶 接 組 立 0 .  32   03040 0 .  5   BO. 3 BO. 4 B 0 ,  620300 .  7BO .  4B ロ ー ル 成 形 0 .  0253   34   2 0 .  4BO. 3  BO .  3   B プ レ ス    彡 0 .  02   80 .  4   B 図 一 16 に 示 す 。 図 中 破 線 が 解

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