【論 文】 UDC ：624
．
014．
2：620．
171．
3 日本建築学会構造系論 文 報 告 集 第399 号・
1989 年 5 月高 速 載 荷 時
の
鋼 構 造 接
合部
の
力
学的
挙 動
に
関
す る
実験 的 研 究
その3
．載 荷速 度
の影 響
を考
慮
し た接 合部
の力 学的 特性
正 会 員 正 会 員 正 会 員 正 会 員 正 会 員金
甲
藤
篠
木
多
津
村
原
上
功
和
貴
潔
＊夫
＊＊男
＊＊ ＊祥
＊＊ ＊ ＊夫
＊ ＊ ＊＊ ＊ 1．
序 前 報その 2” で は， 塔状鋼構造物に お け る最 危 険 断 面 の 1つ と考え られ る接 合 部に注 目し た静 的，
お よ び高速 引張 載 荷 実 験 結 果につ いて報告し た。
本研究ではこ の と きに得ら れ た実験結 果と， 今 回新た に計画し た山形鋼お よびガセ ッ トプレー
トか ら な る試験体を使っ た静 的，
お よび 高 速引張 載荷実 験結果と を合わ せ， 応 力ひずみ関 係 に関す る定 量 的な考察を加え た の で そ の概要を述べ る 。2．
実 験 概要 山 形鋼か ら なる塔 状鋼 構 造 物に使わ れて い る接 合 部 を モデル化 し た試験体に よ る静 的，
お よ び高 速 載 荷 実 験を 行っ た。
試 験 体は大 別して黒 皮 付きの山形鋼母材 試験 体 と， 溶融亜鉛めっ き が施さ れ た山 形 鋼 接 合 部 試 験 体の 2 種 類で構 成さ れ て お り， 各 載荷段 階ご とに 3体ずつ 用 意 し た。
鋼 材はすべ てJIS
−G
3101一
般 構造 用圧延 鋼 材 （SS41
）を使用し， 表一1
に示す よ う な高力ボル ト接 合 設 計 施 工 指 針！）に 準じ た設計を行っ た。
な お溶融亜鉛めっ き は前報その2
と同じ条 件で行っ た。1
）山形 鋼母材試 験体 （AK
） こ の試 験体は 図一1
に示す形状お よ び寸 法で，
各 試 験 体の比較を行う際の規 準と な る。 2） 山形 鋼 ボル ト接 合 試 験体 （WM
，BM ，
GM
） 試 験 体に は塔 状 鋼 構 造 物に使わ れ てい る接合部を選 び， 実 状に近づ ける ため， 前報その 2で述べ た試験体と 同 様の製 作 方 法， お よ び精 度で加工を行っ た。
図一2〜
図一
3に形 状および寸 法 を 示した 1面せん 断 型 山 形 鋼 試 験 体 （WM ）と，
2面せ ん断 型 山 形 鋼 試 験 体 （BM
）は 塔 状 鋼 構 造 物の主柱材継 手部に用い られて いる接 合 部で あり，WM
はボル トのせん断 耐力が，
BM
はス プライ ス プレー
トの せん 断端の引張 耐 力 が 最 小 と な る よ う な設 計 を行っ た。
図一4
に形 状お よび 寸 法 を 示し たガセッ トプレー
ト型 試 験 体 （GM
）は，
塔状鋼 構 造 物の斜 材ある い は座 屈 補 剛材に使わ れ ている接合 部で，
接 合 部ま た は母 材の耐 力 が最小と な る場合が考えられるが，
今 回は継 手 部の破 断 が 母材の降伏よ り も先 行し ない よ うにする ため， 山 形 鋼 の引張耐 力が最小と な る断 面 形 状に し た。 な お静的お よ び高速載荷 実 験は，
前 報その 2．
と同 様 の方 法で行っ た た め，
本 報で は そ の 内容の記 述 を省 略す る。
今回の 試験で は前 回と同 様，
2〜
4回に分けて載 荷し た が， 特に室 温で10
時 間 以上放 置する と生 じ る ひずみ 時 効と呼 ばれ る冷 間 加工後の時 効が起こらな いよ う， 数 分 以 内で次の載荷がで きる よ う注 意し た。
ま た こ の と き の 載荷速 度は 応力 度速度 （ひずみ 速 度）で， 15〜
150ton／cml ／sec （
5− 170
％ ／sec ）程 度であっ た。
3．
高速 引張載荷実 験 結 果の概 要3−1
山形 鋼 母 材 試 験 体 （AK ） 破 断性状は前 報その 13♪で 述べ た平 板 試 験 体 （IK
） と 表一
1 各 試 験体の許 容 耐 力の想 定 1） 弾 性 域の許 容 耐 力 （短 期 ） 試 験 体 許 容 支 圧 耐 力 〔しon ） 許 容 せ ん 断 爵 力 〔to の WM−
Lype 2，
88 2．
了1 BM一
しyp巳
2 88 5．
43 GM一
ヒype 2．
88 2．
71 孛 京 都 大 学 教 授・
工博 脚 京 都 大 学 助 教授・
工博 ＊ ＊ ＊ 日本電炉 （株）鉄 塔 事業 部・
工博 ＊ ＃ ＊ 大 阪 瓦 斯 （株 ｝ 孛＊ ＊1＊ 川 崎 製 鉄 （株） 〔1988 年 3 月 9日原 稿 受理，
1989年2月 20日採 用 決 定 ） 2） 終 局耐力 試 験 体 母材の 引 張 耐 力 （【On ， せ ん 断 端 の引張 耐力 〔to の ボル トの せん 断耐 力 〔こon ） WM一
しype13．
49 13．
匸2 9．
27 BM−
Lype13 49 13．
L2 聖8．
55 GM一
しype13 go 1 32．
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且9一 27 一
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」 Ω一＿．
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一 「一
一
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一
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一
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一
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一
一
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一
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1
（UNIT： 1 図一
1 山 形 鋼 母 材 試 験 体 （AK ）の形 状・
寸 法 四 「一一
一 ΩQ− 一一
一，
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，
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一『 一
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＝ ＝丁
一’
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… ’
… … 一
一
一
一
一
一
一
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荘
塔
〔UNIT： ） 図一
2 1面せ ん断型 山 形 鋼 試験体 〔WM ）の形状・
寸法 ！ o 眥 o’
．
ρ
5， ζ隣
”
一’
一 一
一、
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一
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一
一
一
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開
｝一
3o
呵
（UNITm ）ぐ
図一
3 2面せん 断 型 山 形 鋼 試 験 体 〔BM ＞の形状・
寸法 同 様の性 状であっ た。AK
の荷 重変位 関係もIK
と同様， 弾 性 域 内の載 荷 時の変 位は乱れ て いた た め，
弾 性 係 数は 載 荷 速 度の影 響 を 受けな いもの と して， 弾性域 内の荷重 変 形 関 係を直 線で表し た。
図一
5に各 載 荷 速 度 別の包 絡 線で示さ れ る荷重変 位 関 係を示し た。
同 図か らIK
と同 様，
載 荷速度の増 大に伴っ て降 伏 荷 重お よ び最 大 荷重は 上昇す る傾 向にあ るこ と が観 察さ れ る。．
3−
2 山形 鋼 ボル ト接合試 験体 （WM ，
BM，
GM ） WM で は母材の，
BM
で はス プラ イス プレー
トの ， GM で は ガセ ッ トプレー
トの最 外 縁の ボル ト孔 位 置で せ ん断 縁 方 向に引張 破 断が生じ たe 荷重変位 関 係を図一
6〜
図一
8に示す。
た だ し応 力 度 速 度 （ひずみ速 度）がWM
で 112 ton／cm2 ／sec （167％／sec ）， BM で 72 ton／cm2 ／sec （136％ ／sec ）
，
GM で 132 ten／cm2／sec （122％ ／sec） 以上に なっ た場 合，
初載 荷 時の変 形 量が圧 縮 側に変 化し た た め
，
WM，
BM，
GM
の すべ ての試験体の弾性 係 数は載 荷 速 度の影 響 を 受 けない という仮 定に基づい た荷 重 変 位 関 係の 修正 を行 わ なか っ た。
載 荷 端 部，
反 対 側の支 持 端 部，
お よび ボル ト接 合部は 自由端に近い た め，
載 荷 速 度 v で加え られ た 入射 波が 各 端 部に到 達 し た 後，
圧縮波 が伝 幡速度 c で反 射 波と し て戻っ て行ぐ 1。
こ の ため時間 と位 置に より引 張 力か ら圧縮力 までが分 布して おり，
ある時 間の平 均 応 力 度は 4−
2−
2項の （5 ）〜
（6 ） 式で示し た よ うに，
載 荷速度と 伝 幡速度との比 v／c で決まる。
特にボル ト接 合 部の よ一 α沮
＿＿
一
1
−一
一
齟
， 旨．
Q＿＿
Q＿＿
0＿
＿
C一…
1
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4 3冒
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一
175dia
．
1esfor 16嘸
．
5teel bQlts1
図 斗 一
一
國
単
囲
単
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4
〔UNiTl ） 図一
4 ガセッ トプレー
ト型 試 験 体 （GM ）の形状・
寸 法書
酉
担一
25 0 25 5、
Q 75 100 変 位 （cm ） 図一
5 山形 鋼母材試 験体 （AK ）の荷 重 変位 図一
〇．
50
0，
5 1．
0 1．
5 20 図一
6 1面せ ん断 型 山形 鋼 試 験体 〔WM ）の荷 重 変 位 図 うに載 荷 端と反 射 波が生じるボル ト部までの距 離が短か く，
載 荷 速 度が大きい場 合は載 荷 初 期に比較的 大き な 圧 縮力が生 じ たと考えら れ る。
同 図 よ りい ずれの試 験体も明 瞭な降 伏 点を示さず， 載 200 15
．
O IO．
0 50 o−
05 0 0．
5 1．
0 1、
5 20 25 30 図一
7 2面せ ん断型 山 形鋼 試 験 体 （BM ｝の荷 重変位図 図一
8 ガ セッ トプレー
ト型 試 験体 （GM ）の荷 重 変 位図 荷速度の増 大に伴っ て最 大 荷 重が上 昇 する傾 向にある が， そ の上 昇率はIK
やAK
に比べ顕 著で は な か っ た。
3−
3 各 試 験 体の力学的特性 荷 重 変 位 関 係か ら求めた各試 験 体の 力学 的 特 性を表一
2に示す。 同 表に は高 速 荷 重の大き さ を表す た め に，
応 力 度 速 度と ひ ず み速 度を，
ま た前 報その 2と同 様の方 法 で求め た 力学 的 特 性を示 し た。 た だし， WM ，BM
， お よ びGM
の荷 重 変位関係か ら は明 瞭な降 伏 点が観 察さ一
29
一
表
一
2 各 試 験体の測定結果 試 験 匿 呂 応 力 埴 度 1匸onピc ゴ！5：
cl 歪 逮 度 〔％ノ50‘
〕 上 降 伏 応 力 1ヒ1凶 下 降 伏 応 力 lVdレ 罎 大 応 力 （げ 凶 乱瓱 凵 肱017．
704293．
94iL 口 AK1221．
胛 8．
23427385502 AK 聾32 亅．
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52 屯32 コ、
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45u55 鳳273go182AK2232
．
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13AK23 鉱9且 16
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4＆ 4145．
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．
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125．
05 AX425 ＆223L3 曁 4514．
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6745141 〜 51n AK549412 魄1745 巳 毛．
3L5．
1a A κ55 互qo、
凶 矼 784504．
075．
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〆c ゴ〆6e【
〕 盈 運 屋 〔％ ！s巳
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78 3、
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18 3、
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40 WM32 51．
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75 4．
42 WM41 72．
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77 4．
咽o WM42 71．
57 71，
53 387 4．
咽9 WM43 73．
砠 胃．
35 3、
6濫 岨．
3B WM5L ユ12、
2ε Lδ7．
25 395 4．
WM52 140』5L57．
33 直B5 5．
59 WM53 96．
70LO7．
23 3、
9呂 4，
咽9 試 験 体 名 応 力 遮 反 （L。n〆d〆s醪d 歪 遮 【％ 〆鵠c 〕 度 降 伏 応 〔t／d， 力 鹸 犬 【t 〆 簿 凶 カ BMO 聾 9．
Ol 13．
5日 2．
93 3，
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57 冂．
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57 lo、
15 2．
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42 BMlI 15．
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75 BM 且2 L緬．
18 33．
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52 BMl3 14．
57 24．
28 2．
62 3．
44 BM21 22コ2 37．
03 3．
03 3，
99 BM22 23．
06 ll．
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59 BM23 21．
75 39，
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53 3，
54 BM3L 3咽，
15 5τ．
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凹 εM32 335＆ 68．
＆5 2．
63 3．
54 BM33 34．
03 7L．
58 2．
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60 BM41 17，
0τ go93 2
，
臼9 3．
65 BM42 46．
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54 BM43 46．
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95 3，
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98 BM52 55，
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m 3．
67 BM53 72、
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23 3．
12 3，
72 翼 験 偉 名 隔 力 爵 虞 （Loo ！団 ！s巳c ， 歪 週 1％ノ3巴じ1 度 降 伏 【t〆 塔 図 ） カ 最 大 志 〔げCゆ カ GMO1 毫5．
69 6．
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20 GMD2 13、
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35 GMIE 25．
36 L5．
肘 1、
17 ‘ 己6 GMI2 28、
40 L3、
3L 1．
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7弓 GMI3 25．
7L 且了37 4．
27 ‘．
59 GM2L 10，
82 且9．
03 4．
3L 1．
83 GM22 38』7 19．
28 ‘．
M 4、
59 OM23 34，
27 22．
15 4．
3a 4．
了6 GM3 置 61，
15 46．
76 4．
25 噛．
呂2 GM32 65．
29 5‘．
35 449 瘤．
92 OM41 了3』0 76．
3z 4．
1‘ 1．
30 GM42 87』5 61、
78 4、
38 ‘77 GM43 7‘，
93 7L愚6 帽．
L6 1．
8L GM5L 132．
3じ L22．
54 4．
70 1．
94 GM52 】1L．
27 91．
40 ‘、
19 1．
2了 図一
9 降 伏 荷重の想 定 方 法 れ な かっ た た めD ．Peterson
ら5｝に従い，
図9
に示す よ うにボル ト孔 部で のギャ ッ プによ る すべ りを除き， 最 小 2乗 法に よる直 線 近 似か ら弾 性 剛 性 を 求 め0．
2％ off setの点で の荷 重を降 伏 荷重と し た。
な お降 伏 応 力と最 大 応 力は，
降 伏 荷 重と最 大 荷 重を孔 径が控 除さ れ た試 験 体の有 効 断 面 積で除して求 めて いる。 実 験 結 果よ り降 伏 応 力と最 大 応 力は載 荷 速 度の増 大に 伴い上昇するが，
上昇 率は IK に比べ 明 瞭で は な か っ た。
また，
母 材 試 験 体の方が ボル ト接 合 試 験 体 よりも載 荷 速 度の増 大に伴い降 伏 応 力と最 大 応 力が向上する ため，
ボ ル ト接 合か ら な る塔 状 鋼 構 造 物に高速荷重 が加わ るとき には注 意が必 要であ る。4
．
考 察 4−
1 載荷速度が力学的特性に及ぼす影 響につ い て 実 験 結 果よ り接 合 部の力学 的 特 性は載 荷 速 度の影 響 を 受けるこ と が分か っ た。
高 速 載 荷 時に は弾 塑 性 波が伝 幡 するまで の時 間 差によ り， 物 体 内の ひずみ や ひずみ速 度 は不 均 等に分 布 し， 材 料 中の各 位 置で種々異な る応 力ひ ずみ関 係が得ら れ る た め，
その力 学 的特 性は材 料の定 数 で は な く，
材 料の構 成 関係 則や載 荷 速 度の大き さに依 存 する過 渡 現 象 を 考 慮 して求 める必 要がある と考えられ る。
この よ う な高速載 荷 時の力学 的 特 性とひずみ速度の 関 係は Ludwik61 やPrandtF
〕らに よっ て，
対数 則の形で 種々の 構成 方程 式が提 示 さ れ てい る。
ま た，Praviz
Soroushia
らs〕は，
過去に行わ れ た数 種 類の材 料に関 す る高 速 引 張 載 荷 実 験 結 果 を 降伏 荷 重の大き さで分 類し直 し，
ひずみ速 度と力 学 的 特 性に関 する対 数 則 を報 告して い る。
こ の よ うに鋼 素 材の構 成 則が ひずみ速 度の影 響を受け て変 化 する現 象に対す る考 察は行わ れて い る が，
接 合部 の力学 的 特 性の ひずみ速 度 依 存 性に関する研 究はまっ た（
縦 購 馳 識）
1
。
5
● ● ： 1K の上 降 伏 荷 重 ● ・ ● ● OllK の下 降伏 荷 璽 ● o ● ● O o o o o o oo ●・ o ox ： 1K の 最 大荷 重 φ o
影
；
Φ奉
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．． メ
汽
φ
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・GM の 降 伏 荷 重φ
・GM の鰍 荷 重lP
olo
25
、
50
亅00
150200
（応力 度 速 度 （ton／ed／sec ）｝ 図一
10 影 響係数 と 応力 度 速 度との関係 表一
3 対 数 則で表し た影 響係 数 影 響 係 致 槽 別 試 験 俳 名 降 伏 荷 虚 直 大 荷 重 dba
b
上 1［9o．
036 lK−
lype 下．
1．
且50．
030LG4D．
006 上 且、
U0．
02了 o．
oo5 母 材 型 試 験 体 LM一
亡y卩。
下 且05DOI9LOi 上 1．
L20．
028」
0．
008 AK−
U卩ヒ 下 Lo7o．
o凪9 ｝．
03 上 1L1o．
025 AM−
t7P巳 下 【．
05o．
o且6 ユ．
02o．
DO6 溶接 笹 合 試 験 体 上 i120．
03D 2M−
typε 下 Lo9 ロ、
023LO20、
009 5M−
【yp2LO60．
0且5L 白20006 平 康 夐 ボル ト接 合 試 験 体 6M−
Ly卩8 ［03GOn1、
13o．
D2 7M−
Lypじ
［．
19O．
047LO2ooo58M
−
L ！P2LO6G、
030LO20．
005WM
−
UpoLO3oo 【9LOO0、
OH山 形 躙 型 ボル ト褸 合 試 験 体
BM
−
upeL、
D3o．
014L．
03o，
o且o GM−
Lype1．
05o．
G凵 1．
020．
OO5くな さ れ て お らず， 接合部の力 学 的 特 性に及ぼす載 荷 速 度の 影 響 を 定 量 的に表 現す るこ とは
，
動 的な荷 重が加 わ っ たと きの塔 状鋼構造物の 安全性を検 討 する ために必 要で あると考え られ る。
本研 究では前 報その 2で述べ た よ うに
，
高速載荷 時の 接合部に生 じる ひずみ速 度は各 載 荷 段 階ごと に ば らつ き が あ る た め，一
方の パ ラ メー
タとし て載 荷 速度を定め る 試 験 装 置の フ ライホ イー
ル の回転 数とほ ぼ完 全な比 例 関 係にある応 力 度 速 度 を選ん だ。
ま た接 合 部の構 造により 力学 的特性が異な る ため，
静 的 引張 力 と高 速引張力に よ る力 学的特性の比を影 響 係 数 と定 義して，
も う一
方の パ ラメー
タに選 ん だ。 こ れ ら のパ ラ メー
タの間にあ る関係 を最 小2乗 近似 法 を用い て次 式で求め た。
P
，／Ps＝
α十bi
η
∂………・
・
…・
・
…………
（1 ） P。 ，Ps ：高 速お よ び静的 引張 載 荷時の 力 学 的特 性 （ton）b
：応 力度 速 度 （ton／cm2 ／sec ） a，
b
：定数 図一
10 に影 響 係 数と応 力 度 速度との関 係を示す例を，
表一3
に最 小2乗 法で求 めた （1 ）式の各定数を示す。 同表よ り影 響 係 数が 1となる静 的 載 荷 試 験時の応 力度速 度は10−
2−
10−
3ton ／cm2／sec 程 度以 下に す る必 要が あ り，
JIS
Z2241 金 属 材 料 引 張 試 験 方 法の5
章で定めて いる載 荷 速 度の制 限 と 同程 度であ ること が わ か る。 4−
2 高 速 引 張 力の載荷速度を考慮し た推 定 式 丸 棒 中の弾 塑 性 応 力 波の伝幡に関す る一
次 元 理 論にはKarman
ら9｝に よ って提案さ れ た構 成関係がひずみ速度 に依 存し な い一
次元 理論と，Malvernl
ω によ っ て提 案 さ れた動 的 応 力 と静 的 応 力の差で表さ れ る過 剰 応 力が，
塑 性ひずみ速 度に比 例すると仮 定して求められた ひずみ速 度 依 存 性 理 論に大 別で きる。
ボル ト接合 部で は避 けら れ ない応 力 集 中 やひずみ集中 が， 応力ひずみ関係に影 響を 与え る と考え ら れ る が その影 響 度 を定 量的にと ら え るこ と は難しく，
静 的な荷 重に対す る ボル ト接 合 部の応 力 変 形 挙 動に対 して も十 分 な研 究 がな さ れ ない ま ま実際の設 計が行わ れて いる。
本 研 究で も複 雑な局 部の応 力ひずみ 挙 動を 扱 わず，
高 速載 荷 時のボル ト接 合 部 全体の荷重変 形 挙 動 を母材の場合と直接 比 較 することに よ り その概 要 を とらえる。
こ の よ う な観点か ら，
軸 方 向 力の挙 動 を簡 明に表す こ と が で き る一
次元 理 論 に 基づ き，
応 力ひず み 関係 をバ イリニ ア型に置 換し て高 速 引張載荷時の軸方 向一 31 一
表
一4
各試 験 体の応 力 度 速 度と応 力ひ ず み関 係．
種 別 試 験体名 載 荷 速 度 を 考 慮 し た 応 カー
ひ ず み 関 係 溶 σ≦3．
02
＋8．
104π∂×10一
蓼’
接 接 σ＝2
ユ00
ε 合2
M
Lr
3．
02
十8．
102
πケ×ユ0曹
3〈σ』
試 験 体．
1．
28− 4 ．
302
π6x10−
2 （ε十1．
44×1013十3，
868
ηδ ×10−
5）十3．
02
→−8．
IO27Lδ 〉く10｝
2 σ一
〇．
118十 LO227i ∂X10−
3．
σ≦3．
19
十4．
13
επδ×10一
掣 σ≡315
ε5
M3．
19十4．
132π δx10『
3〈σ 平・
板 0．
867−
1．
742π∂XlO−
： （ε十1．
02
×IO
−
2十1．
324
π∂〉（10疊
引
）十3．
19十4．
132πδX10一
2 σ一
3．
14×10−
2十1．
1327Lδ×10−
4 型．
尸
「
σ≦2．
16十2．
312
π∂×10
−
2 σ＝
105ε ボ6
M2
．
16 十2．
3127L
δx10−：
ル1．
40−
←4．
0027L
み×10
−
2 （ε一
←2．
07×10一
匿十2．
21召7εδX1｛〕｝
4）十2．
16十2．
3127L
∂〉（10F2 σ一
6，
77×10層
匿十1．
344
冗∂×10甼
31
ト σ≦4、
87十 〇、
1942π∂ 接 σ＝ 231ε 合 7 M，
4．
87十 〇．
1942ησ＜σ 試丶
2．
79−
0．
162πδ ・−
8．
46
×10−
・− 6．
932
。∂。1
。一
・ （・＋2・
1°×1°二 z ÷8・
372η8
×1『4）＋4・
17
＋°・
19師 験．
σ≦4．
72十〇．
134¢ηどト1’
体．
σ＝ 105ε．
．
呂M4
．
72＋0．
134伽 δ＜σ．
．
2．
89− 8．
872
πδx10−
： （ε十5．
00＞＜102十1
．
27ゑηδ×10−
3＞十4．
72十〇．
132π ∂ σ一
1．
82
×10−
；− 9 ．
982
π∂×10麿
4厂
．
σ≦2．
45十4．
5167L∂× 10−
2 σ＝
252ε 山W
M2
．
45
十4 ．
51
召πδ×10
−
2＜σ 形 鋼．
1．
20− 4．
992
π∂×10睥
1 （ε一
←9．
77
×10一
コ十1．
80217Lδ×10−°
）十2．
45一
ト4．
5127Lみ×10−
2 σ一
7．
52
×10嚠
2十7 ．
552
π5
×10
−
‘ 型．
σ≦1．
85
十2，
52石7L6 × lO『
3 ボ σ＝84
‘ ル ト 接 合B
M
．
「
1．
85
十2 ．
52
ε7τδX10一
匪くσ 1、
19十4．
322π δ〉＜10■
3 （ε十2．
22×10「 2 十3、
01‘π∂×10−
・）十1．
85十2．
522 ηδx 10『
「 σ一
〇．
146十1．
332π∂〉く10−
3 試 σ≦2．
81一
ト3．
714几εr×’
IOざ2 験 σ＝210
ε 体 G．
M．
2．
81十3．
712 ηδx lO旧
2＜σ 1．
04−
1，
8287Lδ〉（10−
7 （ε→−
1．
34× 10−
2 →−
1．
77乏π6xID 冒
4 〕＋2，
81一
ト3．
7127τ∂xIO−
2 σ＝
2．
30× 10■
2十 1．
242 η δX 10−
6．
力の挙 動を調べ る。 4−2−1
応 力ひずみ関 係．
．
1
．
上の仮定よ り母材の場合の軸 応 力と軸ひずみ の関 係は 次式で表される。
σ≦σyl σ＝E
ε…・
……・
…・
．
・
（2 ） σ〉σyl σ＝
Ep（ε一
εy1）＋σ。 、 ayl＝
αycry，
εyl；
・Vl／E，
Eρ；
（σ。
1一
σyl）／（ε Ul一
ε。1）．
σ』1＝
α u σUt ε川＝
α u εu σy，
σu，
’
Eul 静 的な引 張 載 荷 実 験 結果 より求 め た 降 伏 応 力 （tnn／cm2 ），
最 大 応 力 〔ton／cinz ），
．
お よび最大荷重時の ひずみd
。，
．
α。
：．
降 伏 荷 重お よ び最 大 荷 重にっ い て表一
3に示し た影 響係数 E ：縦 弾 性 係 数 （ton／cmZ ）
次にボル ト接 合 部の応力ひずみ関 係を求める
。
母材と 各 接 合 部の 力学 的特 性の比 を と る と，
（2＞式．
と同様の 形でボル ト接 合 部の応 力ひずみ関係を次式で表すこと が で き る。
σ≦（7
、・aPt）α y σ＝ （7 ，E
）ε（r・ aUt ）αv〈σ
σ
＝E
尸1［ε一
（7、 e、，）a。
］＋（7
、 a．、）a．E
・ ，・
＝ec
／
’ ， a ． ” ， ’ ） ）：
． u≡
i
農
畿
…・
…・
・
…・
…・
…・
…・
・
……・
…
（3 ）εy。
，
ε。。 ：母材の降 伏ひずみと最 大 荷 重 時の ひずみ aUt，
σu。：母 材の降 伏 応 力 と最大 応力 （ton／cm2 ） 7，， rt：降伏ひずみ あるいは最 大 荷 重時の ひずみ に 関する母 材と接 合 部の比 7，，
7，：降 伏 応 力 ある い は最 大 応 力に関す る母 材と 接 合 部の比7s：母材の縦 弾 性 係 数と接 合部の剛性との比
（
3
）式 よ り求 めたJIS
−G
3101一
般構造 用圧延 鋼 材 （SS
41
）に対する応 力ひずみ関 係の例 を表一
4に示す。
こ の よ うに （2） 式 ある い は 〔3
）式 よ り，
10−
2〜
10
−
3ton／cm1 ／sec か ら150 ton／cm2／sec 程 度の 範 囲で応
力速度が分か れ ば
，
母 材およ び2 本程度のボル トで接 合 さ れ た接 合 部に生じ る応 力 を予測す ること が可 能であ る。4−2−2
応 力と載 荷 速 度の関係試 験体の 側面上で軸 方 向に直 角な 応 力 成分 σy
，
σzが一
定に保た れて いる場 合 ， 単 純な平面縦 波が存 在し，
試 験 体の各 片は軸 方 向の ひずみ ∂u／∂x に対 応する単 純 引 張と考えら れ る。
図一
11に示 す よ うに記 号をつ けると 軸応 力 Ux は次 式で表さ れ る。
ax＝E
∂u ／∂コρ・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
t
t・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
（4）∂2〃 ∂t「
＝
Cl ∂u2／∂xzC
。＝ （E
／ρ）置〆2（
4
）式より母 材の軸 応 力σ は次式で表さ れ る。 v≦Co
εy σ；Ev
／Co ・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
（5）v＞
Co
εyσ
＝
VEEF
（v／Co一
εy）十σyv ：載 荷 速 度 P ：密 度
次にボル ト接 合部の場 合の応 力と 載荷速度との関 係を 卜
一 一一
x ＋d ・ → ｛・
トー一一噛
x−一
一
一
一
ト 1 星・
，
H
．
HL
∂u （最 初 ）・
（時 刻t） u 十一
dx u う 。 ， −uaZl
−
→ 。． ＋ … dX ax 図一
11 軸 方 向の応 力 成分 求 める。
静 的 引張載荷実験 結 果からボル ト部で摩擦 力が働く領 域は微 小な た め
，
半 剛 係 数 κ酬 を考 慮す ること により，
接 合部と同一
の剛性を持つ単一
材に接合部全体を置き換 え，
（5）式 と 同様の方法で載 荷 速 度が接合 部の 力 学 的 特性に及ぼ す影響を求 めると次 式 が得ら れ る。
v≦
CI
εyσ
＝kEv
／C
、Ci
＝価
・
…
r
（6 ）v＞
C 、
Ey σ＝価
（v／C ，一
・。）＋σy（5 ＞式お よ び （
6
）式 より求め た各試験体の応 力と 載 荷 速度と の関係の例を表一
5に示す。
これ らの式より 載 荷 速 度が 分 か れ ば母 材および接合部に生じ る応力 を予 測す ること が可 能で あ る。4−2−3
臨 界 衝撃 速度の推 定塑 性 波の伝 幡速度より早い速 度で高 速引張 力を加え る と， 塑性ひずみ は衝 撃 端の動 き と同じ速度で伝播するこ とがで きず
，
ほ か の部 分で塑 性 降 伏 が 進展し部材全体が 変 形す る前に，
直接衝 撃 端に近い点で破断し応 力を架 構 全体に伝え ること がで き な くな る可 能性が あ る。 この よ う な速度は臨 界 衝 撃 速 度と呼ば れ てい る11） 。 これ は塔状 鋼 構造物に動 的 荷 重が加わ っ た場 合， 応力 を伝 播 するこ と がで き る限 界 載 荷 速 度 が存 在す ること を示し，
構 成 材 の強 度と無関係にある一
定の載 荷 速度を超えると架 構に 損傷が 生 ず る。 各 試 験体につ いてこ のような臨 界 衝 撃 速 度を求め る。衝撃端の変形 量を弾 性 伸びと塑 性 伸 びの和で表す と
，
臨界衝 撃速度 v。 ．は次 式で求め ら れ る。隔 一
∫
・＋
∬
審
・・……・
一 ・
…・
（・）d
ε t：時 間 （母 材 試 験 体の場 合 ）レ』7
＝
EyCe 十Cp
（ε翼一
εy）Cp＝
（Ep／ρ）毒…・
…
（8 ） （ボル ト接 合 試 験 体の場合）V
・ ・−
t
［（・・y−
・・）・・＋（・・一
・・｝・P］・
∵
・
…・
…・
・
（・）C
多＝
（Pu − Y
）／P（δza一
δr＞Ce，
C， ：弾 性 波お よび 塑性波の伝 播 速 度 y，
δr ：静 的 引 張 載 荷 実験結 果より求め た降 伏 荷 重 と その ときの変形量Pa，
δ。 ：静 的 引 張 載 荷 実 験 結 果より求め た最 大 荷 重 とそ の と きの変 形量1
。 ：標 点 間 距 離 δ。 ：ボル ト孔の ギャ ップ部の すべ り が限界に達 した と きの変 形 量 注 1） 複 雑な応 力 伝 達 機構 を 持つ ボル ト接 合 部の拘 束状 態 を一
律に表す た め，
接 合 部と 同じ長さ を持つ 母 材 と 接合部の剛性 と の比で求め ら れ た係 数 を 半 剛 係 数 と呼ぶ こと に す る。各 試 験 体の半剛係数を表一
5に示 す。
な お，
同 表に示した半 剛 係数 は，
静的な引 張 試 験 結 果か ら求 め た値で，
ボル ト接 合 部の弾性剛性だ けに考慮 した。
一
33
一
表
一
5 各 試 験 体の応 力と載 荷速 度 との関 係F
種別
試験体名
応 力
と載 荷 速 度
．
の関 係
．
Lg
v ≦8
．
07
（
m／
sec）
σ 冨
0
．
41
v（
ton
／
c ）1K
−
type
母．
8
．
07
＜ v（
m／
sec）
6 写
9
．
15
（
0
．
19v
−
L57
）
×10
−
2＋3
．
30
（
ton
／
c直）
．
材
型
v ≦9
．
5
（
m／
sec ）σ 諞
0
．
41
v（
ton
／
cI置）
試
1
断一
type
験
9
．
05
〈 v（
m／
sec ）σ ＝
10
．
03
（
O
．
19
v r1
．
76
）
×10
−
2＋3
．
69
（
ton
／
c）
体
v ≦8
．
85
（
m／
sec）
σ
＝
0
．
41
v（
ton
／
c）
．
AK
−
type8
．
85
＜ v（
m／
sec）
σ＝
10
．
20
（
0
．
19v
−
1
，72
）
×10
呻
2 ＋3
，62
（
ton
／
c）
溶試
v ≦8
．
69
（
旧／
sec ）σ＝
0
．
41
v（
ton
／
c）
接験
2N
−type
接体
合
：1
8
．
69
＜ v（
m／
sec）
σ ＝
10
．
47
（
O
．
19v
：
1
．
69
）
×10
−
z＋3
．
55
（
ton
／
clめ
9
v≦
23
．
11
（
孺亅）
／
secσ
瞿
0
．
16v
（
ton
／
c）
平15M −
type
k
・O
コ
5
）
23
．
11
＜寸
（
m／
sec）
．
σ＝
0
。
59
（
0
．
05
v−
L16
）
＋3
．
64
（
ton
／
c ）板
型
v ≦30
．
48
（
凶
ノ
sec）
σ
三〇．
10
v（
ton
／
c）
ボ6M
−
typeL
ル（
k
・qo
530
き48
＜ v（
m／
sec ）σ＝
0
．
25
（
0
．
09
v−
2
．
65
）
＋2
．
78
（
ton／
c）
ト接
v ≦40
．
08
（
m ／sec）
び
＝
O
．
14v
（
ton
／（ ） 合7
矧一
type
試 ．
（
k
鵠01040
．
08
＜ v（
m／
sec）
σ
＝
1
．
68
（
0
．
06
v−
2
．
35
）
＋5
．
44
（
ton
／
c）
験
体
v ≦64
．
40
（旧／
sec）
σ＝
0
．
10v
（ton
／（面
）8M
−
tyPe
．
幽
（
k
＝ao
564
．
40
＜v（
m／
sec）
σ
冨
1
．
22
（
0
，
09
v−
5
．
60
）
＋5
．
88
（ton
／
c）
「
「
’
．
．
v ≦24
．
41
（
旧／
sec）
び冨
0
．
14v
（ton／
c）
山
刪一
type
、
1 形
30」
224
．
41
＜ v（
m／
号ec）
σ
＝
0
．
44
（
q
．
06
v−
1
．
37
）
＋3
．
45
（ton
／
c）
．
鋼
型接
v ≦31
．
99
（
m ／sec）
σ ＝
0
．
08
v （ton
／c ）．
．
ボ合
B
鬥一
type
ノレ試
（
k
・0
．
O
φ
3L99
＜v（
面／
sec）
σ
；
0
．
19
（0
．
10v
−
3
．
11
）
＋2
．
61
（
ton／
c）
．
卜験
体 v ≦29
．
76
（m／sec ）σ ＝
0
．
13
v （ton
／c ）．
Oh
−
type
・ojo29
．
76
く v（
m／
sec）
σ ＝
0
．
62
（0
．
06
v−
1
．
83
）＋3
．
84
（
ton
／c ）表
一
6 各試験体の臨界 衝撃速度 種 類 試 験 体 名 臨 界 衝 撃 速 度 （皿／seの 1K−
type65．98
母 材 型 試 験 体1M −
type57．
76 AK一
ヒype68．36
溶 接 接 合 試 験 体2M −
type54．
405M −
type 18．
39 平 板 型 ボ ル ト 接 合 試 験 体 6M−
type66．
62
？M−
typ6 24．
54 8M−
tyρe 66．
25
WM−
type 23．
63 山形 鋼 型ボ ル ト 接 合 試 験 体．
BM−
type62．
20
GM−
type 12．
74（
8
）式および （9 ＞式よ り求め た各 試 験体の臨 界 衝 撃 速度を表一
6に示す。
同 表よ り2面せん断型 ボル ト接 合，
溶 接 接 合および1面せ ん断ボル ト接 合の順で，
よ り 速い載荷速度をもつ 高 速 荷 重を伝達で き る こと が わ か る。 ま た，
母 材 と接 合 部の臨 界 衝 撃 速 度 を比 較す る と母 材の方が速い傾 向 を示す た め，
架構全 体が伝 達でき る載 荷 速度の 限 界 値は接 合 方式に よっ て定まると考え ら れ る。
5．
ま と め高速荷 重に対する溶 融亜 鉛 めっ き が施さ れた塔状鋼 構 造物の 接 合 部に お け る力学 的挙 動を明 らかにす る た め に 行っ た， 鋼板あ るい は山 形 鋼か ら なる
，
平 板型 接 合部 試 験体を用いた実 験 結 果か ら次の結 論が得ら れ た。
1） 載 荷 速 度が増 大す る につ れ ボル ト接 合 部の降伏応 力と最大 応 力より母 材の方が向上す る傾 向が顕 著であっ た
。
2 ） 高速荷重 載 荷 時の母 材や接合部の力学 的 特性を表 す た め
，
実 験 結 果か ら降伏応 力と最 大 応 力に関す る影 響 係 数と応 力 度 速 度と の関 係 を対数則で表 し た。
3） 対 数 則で表さ れ た応 力度速 度と影 響 係 数との関 係 を使い， 母材および接 合 部の応 力ひずみ関 係をバ イ リニ ア型で表し た。
4 ）母材あ るい は接 合 部に生 じ る応 力と載 荷 速度と の 関 係 を
Karman
によっ て提 案さ れた，
構 成 関係が ひずみ 速 度に依 存し ない一
次 元 理 論に基づ く関 係 式で表し た。
5） 接 合 部の臨 界 衝 撃 速 度か ら2面せ ん断型ボル ト接 合
，
溶 接 接 合お よび1 面せ ん断 型ボル ト接 合の順でより 速い載荷 速 度を持つ 高 速 荷 重 を伝達で き る こ と が 分 かっ た。6 ）母材と接合部の臨 界 衝 撃 速度を比較す る と母 材の 方が大き く
，
特に 1面せ ん断型 ボル ト接 合の場 合は母材 の1
／3
程 度になる ため， 架構 全体が伝 達で きる載 荷 速 度 の限界 値は接合 方 法に よって定ま ること を示 し た。
重量 が軽く施 工性に優れ て いる普通ボル ト接 合 を使っ た立体 トラス構 造か ら なる塔 状鋼構造 物は
．
近 年 ま す ま す大 型 化す る と ともに多 方 面で使わ れて い る。 し か し建 築 基 準 法同施 行 令で は大 型 構 造物に普通ボル トを使 用す る こ と は認め ら れて い ない こと も あり そ の研 究は数 少な い。
こ の た め巨 視 的な立 場で現 象 を把 握 し，
簡 便で取り 扱いの容易 な 表 現 法 や近 似 化も 必要かつ急 務である と考 え られ る。 今回の試 験 結 果か ら， 高 速引張 力が構 造 物に 加わっ た場 合の応 力 変 形 挙 動，
お よび安全性の評 価 方 法 を 明 ら かにする た め の第 1段 階と して，
限ら れ た モ デル によ る試験 結 果か らで はある が， ボル ト接 合 部の応 力挙 動の傾 向をつ か むことがで き た。
今後は接 合 部で の応力 集 中や ひずみ集 中がそ の応 力ひずみ関係に与える影 響 を っか む と と もに，
高 速 載 荷 時の応 力ひずみ関 係の定 式 化 を中心 に した研 究を進 めてい く予 定である。 参 考 文 献 1）金多 潔，
甲 津 功 夫，
藤 村 和男，
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木上貴 夫 ： 高速載 荷 時の鋼 構 造 接 合 部の力学 的挙 動に関 する実 験 的 研 究一
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甲 津 功 夫，
藤 村和男．
篠 原 祥，
木 上 貴 夫 ： 高 速載荷 時の鋼 構 造 接 合部の力学的挙動に関 する実 験 的 研 究一
その L 鋼素材，
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高力ボル ト摩 擦 接 合 部の載 荷 実 験，
日本建築 学 会 構 造 系 論 文 報 告 集，
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1980SYNOPSIS
UDC:624.014.2:620.171.3
STRAIN
RATE
EFFECTS
ON
STEEL
STRUCTURAL
JOINTS
DUE
TO
HIGH
SPEED
TENSILE
LOADING
Part
3-Mechanical
properties of thejoint
affectedby
theloading
speedby Dr. KIYbSH{ KANETA, Prof, of Kyoto Univ., Dr.
ISAO KOHZU, AsseciateProf. of Kyoto Univ., Dr.
KAZUO FUJIMURA, Nippon Denro Mfg. Co., Ltd.,
YASUSHI SHINOHARA and TAKAO KIGAM[, Members
of A.I.
J.
We
have
mentionedin
our previeuspaperthe experimental results of the static and thehigh
speed tensileload-ing on the tower-shaped steel structure paying attention tothe
