1
論 文】 UDC ：624．
e78．
014．
5 日本建築 学会構造系論文 報 告集 第 359 号・
昭 和 6】年 1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1
．鋼 素材 ， 突合
せ溶 接接 合部
，高力 ボ
ル ト摩 擦接 合 部
の載荷 実験
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
＊ ＊ ＊＊＊ §L
序 鋼 構 造 物が塑 性 域に至る大変形を受 ける場 合に，
その 構造安全性を評 価する こと を目的と して，
実験 並びに解 析 的 手 法によ る材 料 構 成 則に関す る研 究や， 部 材や接 合 部 さらに骨 組の構 成 単 位における履 歴 挙 動に関 する研 究 が数 多く な さ れ て き た。
しか し，
こ れ らの研 究の ほと ん ど は静 的な載 荷 過 程に お け る素材や骨 組の力 学 的特性を把握し た も の で あっ て， 激 震 時に構 造 物に加え ら れ る瞬発的な外 力や，
突風 時に塔 状 鋼 構 造 物の支 線 式 鉄 塔な どの支線不平 均張力に よっ て支線 取 付 部 分に加え られ る衝 撃 力に対し ても， 静 的 実 験か、
ら得ら れ た部 材や接 合 部の力 学 的 特 性 を 直接 的 に適 用 し得る かど うか は明ら か で はない。
Hanson
’）は ， 実大の約 1／3−
1／4 程度のせ ん断 型 鋼 模 型 骨 組の静 的お よ び動 的載荷実験 を行い， そ の復元力 特 性の違いにつ いて調べ て いる。
実 験結果か ら，
初期降伏 変位の2
倍 程度の設定変位内あ るいは約 3cps 程 度の繰 返し速度範囲内で は， 動的載荷 時の復元 力特 性は静 的 載 荷時の そ れにほ ぼ等しい と結論づ けて い る。
さ らにHanson
ら2）は ， は り降 伏 先 行 型の 単 純な1層 1ス パ ン骨 組 を用いて， 静 的 載 荷 時の骨 組の復元 力特性 と動 的 載 荷 時の それと を比 較してい る。
実 験 結果 か ら，
は り の鉛 直 荷重の有 無に関らず，300sec／cycle
〜
0，
5sec／cycle の載 荷速度 範 囲 内で
，
架 構の復 元 力 特 性が載 荷 速 度の影 響を受け ないとい う極めて興 味 ある結 論 を得て い る。
H
跚 son らに よ る研 究成果を根拠と して，
通 常の鋼 構 拿 京 都大 学 教授・
工博 ＃ 京 都 大 学 助 教 授・
工 博 ＃ t 日本電 炉（株） 紳 舞 大 阪 瓦 斯 （株 ） 斡 綿 8 京都 大 学 大学 院生 （昭和60年3月 6 日 原 橘 受 理 ｝ 造物の 地 震時にお け る復元 力特 性は，
その静的載 荷 時に お け る復 元 力 特 性を直接 的に採 用し得る と考えられて き た3，。
これに対し渡辺4）は，
強 地 震 を 受 ける鋼 構 造 物の 復 元 力 特 性は， 本 来，
材 料の 動 的 力 学 的 特 性 を明ら か に して求 めるべ きで あり，
静 的 状 態 とは異なる もの である と い う立 場か ら，
軟 鋼 （SM
41級 ）を対 象と し た荷 重 制 御，
脈 動 油 圧に よ る繰返 し載 荷 実 験 結 果につ い て報 告 し てい る。
結 論と し て， 周 波 数O．
4〜
約12c．
p．
s，
範 囲 内で は，
軟 鋼の動 的 弾 塑 性 変形 は振 動 初 期の数 十 回の繰 返し数に対して大 幅に軟 化す る と と もに， 定 常時の復元 力 特 性は載 荷 速 度の影 響 を 大き く受け ること を指 摘し て いる。 若林，
中村ら5〕は，
地震 時に搆 造 物に加え られ ると考 えられ る程 度の ひずみ速 度 （0．
005−
O．
11 ／sec）で動 的な加 力がな され た時の鉄 筋の材 料 特 性 を実 験 的に調 べ，
鉄 筋の上 およ び下 降 伏 点は ひずみ速 度の対 数 値に比 例 して上 昇し， その上 昇 率は 7〜
18％ とな るこ と， ひ ずみ硬 化 開始 時の ひずみ はひずみ速 度の影 響に よ る降 伏 点の増 大に伴っ て大き く な るこ と，
弾 性 係数，
引張強度，
破 断 時の ひずみ は ひずみ速 度にほ と ん ど影 響さ れ ない こ と，
を明らか に してい る。 ま た桝本らG〕は，
高圧配 管 用 炭 素 鋼 鋼 管 材の 高 速 引 張 試 験を行い ， 実 験 結 果か ら降 伏 点および引張 強 さはひず み速 度 依 存 性が顕 著で あ ること を示している。
す な わ ち，
降 伏 点は ひずみ速 度 が0．
l l／sec 以 上で，
引張強さ は 10 1／sec 以 上で そ の速 度 依存 性が顕著で あっ て， 特に ひずみ速 度が1001 ／sec に な る と，
降 伏 点および引 張強さ は ひずみ速度が
O．
OOI
1
／sec の場 合の そ れ ぞ れ2
倍，
1．
5倍と な ること を指 摘し て い る。 青 木， 加藤らηは，SS
41
鋼からHW 70鋼に至 る変 断 面材の，
ひずみ速 度 （定変位 速 度 が0．
013 rnin／sec〜100
mrn ／sec の 3種 類）の違いが材料の力 学的特性に及ぼ す 影 響につ い て実 験 的に調べ てい る。
さ ら に鋼構造 骨 組の一
84
一
地震応答解 析結 果か ら
，
通常の ラー
メン骨組で は その応 答挙動 が ひずみ速 度の影 響を受け ることは ほと んどない と考え ら れ る が， 引 張 筋 違 構 造で接 合 部局所の塑 性 化の み が許さ れ る場 合に は そのひずみ速 度は ラー
メン骨 組の 場合の数 十倍と なるもの と推 定している （た だ しこ の場 合 で あっ て も， 実 験 結果に基づい て そのひずみ速 度の影 響は少ないと述べ て い るが，
解 析 用 入 力地 震 波の最 大 加 速 度，
最 大 速 度が比較 的 低く押えられて い る こと や応答 解 析 手 法上の問題 もあっ て， 将 来にわ たっ て予 想 され る 激 震 時の鋼 構 造 物の挙 動 を必らずしも反 映したもの では ないと考え られ る）。
筆 者 らS）VS，
鋼ば り降 伏 型 架構を振 動 台 上に設 置し 正 弦 波 外 乱 並び に実 地 震 波を増幅し た外乱を与え た場合の 架 構の応答挙動と はり局所の ひずみ履 歴挙動につ い て実 験 的に研 究 し た。 実 験 結 果か ら，
正弦 波 外乱 （周 波 数3，3− 3．
8Hz
）を与え た場合の は．
り端部の 曲 げモー
メン トは りフ ラン ジ縁ひずみスケル トン曲 線は， 静 的 加 力 時 のス ケル トン曲線を大 幅に上回り， ひずみ速 度の影 響が か な らずしも無 視で き ない こと を指 摘し た。
以 上の既 往の研 究か ら，
鋼 素 材の力 学 的 性 質 （特に降 伏 点 ）は， ひずみ速度の増大に
伴いその影 響を受けるも の と理 解さ れ，
激 震を受け る鋼構造 骨組や支線式 鉄 塔 等 の塔状鋼構造 物の支線の急激な張力の増大に伴う支 線 取 付 部 局 所の挙動に対して は，
この影 響 を 無 視 で き ないも の と推 察さ れ る。 特に既往の研究は すべ て鋼 素材を対 象 と して お り，・
応 力 集中の起り や すい接合部分 の ひずみ速 度に よる影 響はいま だ解 明さ れてい ない と考え ら れ る。
こ の よ うな観 点か ら，
本 研究で は以下に示す各 種 接 合 部が高速 の引張力を受け る場 合の力 学 的 性 質の変 化 を調 べ ること を 目 的 と して い る。
§2．
実 験概 要SS
41鋼 素 材と その各 種の接 合 部に対す る高速引張載 荷 実 験に は，
試 験体に引張 力を高 速 度で加え る た めの特 殊な載 荷 装 置を 用いた。
この た め，
本 実 験に入る前に今 回の実 験と同一
形状の試 験体を 用いた実 験 （以 後予備 実 験と称す る）を あ ら か じ め行っ て， 載 荷 装 置の能 力 （可 能 載 荷速度 範囲）や計測 方 法の妥当 性につ い て検 討した。
さ らに静的載 荷実験を行っ て， 同一
形状の試 験体に よ る 静 的な力 学的性 質を把握し た。
2−
1 使 用 鋼 材お よ び 試 験 体概要 試 験 体は大 別して素材と接 合 部の2
種 類で あ り， 素 材 試 験 体とし て黒皮のま まの 鋼 板 を，
接 合 部 試 験 体 として 突合 せ 溶 接 試 験 体 と高 力ボ ル ト摩 擦 接 合 試 験 体を採 用し た。
鋼 材はすべ てSS
41鋼 板の板 厚 4，
5mm （高 力ボル ト 摩 擦 接 合2面せ ん断 型 試 験 体の ス プラ イス プレー
トは 2．
3mm ）の もの を使 用し，
試 験 体の材 軸 方向が鋼板の 圧 延 方 向に一
致す る よ う に し た。
使用鋼 材の化 学 成 分 並 表・
−
1 使 用 鋼 材の化 学 成 分 並びに力 学的性 質 鋼板 c α） ＄1 （害）齟
鬥n （器〉 P （影） ＄ α ） 降 伏 点 （ ／ ） 引張強度 （k呂／岡
疏） 伸 び 4．
5 厚 0．
且50．
L9O．
40．
0且4．
OL630．
O46．
040．
o2
．
3mm厚一一 一一 一 一 一一
29．
3’
37，
529，
2 表一
2 高 力ボル トの力学 的性質．
ボ ル ト 耐 力 （ ／ ） 引 張 強 度 （k8！ ） 伸 び （罵） 絞り α ） 引張荷重 （ ） 硬さ （HrC ） JISBH8690 以 上 loo〜
廴2014 以 上 40以 上 15700 以上 27〜
38 囎 10511E 冊 ！700033 ナツ ト 硬さ （HrC＞ 保証荷 重 （kg） 座金 硬 さ （”rC） JIS田 186目rB95〜
HrC3515700 以上 JISB1且8635弾
45 飆 4且 蹶 乃 GOOD トルク 係数値 平 均 値 標 準 鳫 差 JISEL1860〜
，
【50 0．
19D0 以 下，
0B 成績 0．
且5q0．
0αめ びに力学 的 性質を表一
1に示す。
高 力 ボル ト摩 擦 接 合 試 験 体に用い た 高 力 ボル トはF
10T ，M16
と し， その化学成分お よ び力 学 的 性 質 を 表一2
に示す。
突合 せ 溶 接 試 験 体に用い た 溶 接方法 はCO
，アー
ク溶 接で， ワイヤ ：YM −26
， 1．
2φ， 電 流 ：290A
， 電 圧 ：350V
の溶 接 条 件で行っ た。
試 験 体の組み合わ せ ば合 計4種 類であ り， 使 用する記 号を以下に示す
。
母 材 試 験 体 （黒 皮 ）：IK 溶 接 接 合 試 験 体 （黒 皮 ）：2K 高 力ボル ト摩擦接 合 1面せ ん断型試 験 体 ：3K 高 力ボル ト摩擦接 合2
面せ ん断型 試験 体 ：4K 試 験体種 類，
載 荷 速 度等を区 別す る た めに次の要 領で 4桁の試 験 体 記号 を付け た。
第1番目は試験 体 種 類 を表 し， 第 2番目 は表 面 状 態でK
が 黒皮 を示す。
第3番目は 載 荷 速 度 を示し， 0が静 的 載 荷，
1〜
5が5段 階の高 速 載 荷で，
数 字の大きい もの程 速い 載 荷を意 味す るej 第4番 目は同一
載荷の も のを区 別す る た め の試験体 番号であ る。
載 荷 速 度は静 的載 荷 をsp，
O，
高 速 載 荷 をs．
p．
1 （最 低速 ）−
sp．
5
（最高 速 ）で表し， これ ら を ま と め る と次 の よ う に な る。
試 験 体 記 号 例 2 K 3 2一 一
」
1L
−
「
［試 験 体 種類 ］ 1：
母 材 2 ：突 合せ溶 接 接 合 3 ：高カ ポル ト摩 擦 接 合1面 せ ん断 型 4 ；高 カボル ト摩 瞭接 合 2 面せ ん断 型 〔表面状 態 コ 匚載 荷 速 度 ］ ［番 号〕 K ；黒皮 D ：静 的sp．
O l ：動 的 sp．
1 〜 〜 5 ；動 的 sp，
5一
85
一
母 材 試 験 体 （1K ）
JIS
Z 2201に基づ く鋼 材の標 準 試 験 体で あり，
各 種 接 合 部 試 験 体の高 速 載 荷 試 験 結 果との比 較 を 行 う上で の 基 準と な る。 図一
1は予 備 実 験，
本 実 験 （高 速 載 荷 実 験） に用いた試験体形状と寸 法を示し た もの であ る が，
静 的 載荷実験 用 試験体は試 験機取付部分の みが異なる だけで 他は形 状， 寸 法 と も 同じである。
試 験 体 肩 部 分の曲 率の 決 定に は，
あら か じ め その半径 （R
） を20，25，30mm
と し た試 験体を 3種類用意して予備 実験を行い， 曲率の 違い が実 験 結 果に影 響 を及 ぼ さ ない ことを 確 認し た後， 静 的 実 験，
高 速 載 荷 実 験 と もにR
を25mm 一
定 とし た。
一≒
ε゜131】7110．
一 TE三甲
S？E匚〔藷E湘：
1K 図一
1 母材試 験体 1器
［
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ロー
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図一
2 溶 接 試験 体轟
］ 」
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．
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strength
詞
蓁
TEST SPEC【MEN
、
3K （UNI丁・mm ） 暗 図一
3 高 力 ボル ト摩 擦 接 合1面せん断型 試 験 体TEST
・
SPECIHEN・
4K （UNIT・m ｝lat
図
一
4 高力 ボル ト摩 擦 接 合 2面せん断 型 試 験 体一
86
一
突 合せ溶 接 接 合 試 験 体 （ZK ） 突 合せ溶 接 接 合 部の試 験 体は，
母材試 験 体の 中央 部を，
切 断し た状 態の鋼 片を，
1型 開 先 裏 当て金付きで突 合せ 溶 接して製 作し た。 試 験体は裏 当て金を除去し， 溶接 余 盛の あ る状態と し た。
試 験 体の形 状， 寸 法 を図一
2に示 す。 高 力 ボル ト摩 擦 接 合 試 験 体 （3K，
4K ） 日本建築学 会 「鋼 構 造 設 計 規 準 」15．
8項の高 力ボル トの最 小ピッチ， 15．
4 項の最小縁端 距 離 並びに 15．
5項 の応 力 方 向の縁 端 距 離の規 定 を満 足するよ うに製 作，
加 工 し た 母材 を，FlOT ，
M16
の高 力 ボル トで摩 擦 接 合 し た試 験 体 （図一
3， 4参 照）であり， 1 面せ ん断型 試 験 体 （3K ）は母 材の引 張 破 断で，
2面せん断 型 試 験 体 （4K ） は摩 擦 接 合 限界 荷重以 下で スプライス プレー
トが引 張 破 断す る よ うに設 計し た。 な お，3K ，
4K 試 験 体の 許 容 引 張 力は 日本 建 築 学 会 「鋼 構 造設計 規準」を参考に し，
最 大 耐力の 予 測 値は，
日本 建築 学会 「高 力 ボル ト接 合 設 計 施 工 指 針」を 参 考 に して，
次の よ うに求める こ と が で き る （ただし， 鋼 材の力 学 的 性 質は表一
1の値 を用い てい る）。
［3K 試 験 体］ ［4K 試験体］ 許 容 引 張 力 （短 期 ）4．
46t 最 大 耐 力 6，
83 t （被 接 合 材の有 効 断 面にお け る引 張 破 断 に基づ く最大 耐力 P。iが最 小とな る〉 許 容 引 張力 （短期 ）4．
45t 最 大 耐 力 5．
69t （ス プラ イス プレー
トの有効 断 面にお け る引 張 破 断に基づ く 最 大 耐 力 Pui が最 小と な る） §3．
実 験 方 法 3−
1 高 速 載 荷 実 験 方 法 a） 載 荷 装 置 高速載荷実 験に用い ら れ た載 荷 装 置は，
図一
5に示 す よ う にフライホイー
ル，
ク ランク，
載荷アー
ム，
試 験 体 取付け部か ら な る。 試 験 体は，
図一
6に示 す よ うに治 具，
ロー
ドセル を介して反カフ レー
ム に取り付 けら れ る。 載 荷機構の概 略 図を図一
7に示し，
そ の機 構につ いて 図一
5 高 速 載 荷 実 験 用 載 荷 装 置 （UNIT ：皿 m ） 00 掣可
O 可ρ
っ
一
−
O σ 臼以 下に簡 単に記す
。
フ ライホイー
ル の回 転 数を所 定の値 （今 回の 実 験の場 合は 3SO〜
1500 r．
p．
皿．
）にあ ら か じ め 設 定 する．
載 荷 装 置が図の （a）の載 荷 前 状 態に あ る時 に フ ラ イホli
一
ル の回転 数を設 定 値まで上昇さ せ，
定常 回 転に な っ た後 クラッ チ を 入 れ るこ とに よ り ク ランク が 上 昇し，
“
載 荷 開 始”
（図の （b
））に な る。
そ し て“
載 荷 途 中”
状態の図 （図の （c））に示 す よ うに，
フラ イ ホイー
ル の もつ エ ネルギー
は ク ラン ク→
載 荷アー
ム → 試 験体 へ と伝達さ れ て試 験体に高 速 引 張 力が加え ら れ る。一
定 時 間 載 荷し た後，
載 荷アー
ム先端 に か み合っ た カムが は ずれ て“
載 荷 終 了”
状態 （図の （d
））と な り， 除荷さ れ る。 1回の 載 荷に必 要 な変形 量 や 最 大 荷重は，
載 荷アー
ム の支点を適 当に移動させ るこ とによっ て， 所定の大き さ に設定す ること が で き る。
高速 引張 力が試験 体に直 接伝達され る部 分 （図一
6参 照）で は， 載 荷アー
ム の回転による載 荷 軸 直角 方 向の分 力 が 試 験 体に作 用し ない よ うに， 反 力フ レー
ムとロー
ド セ ル取 付け部は球 座と し，
載 荷 点 部の治 具は，
反 力フ レー
ム に取り付けられたガイドとの間に十 分なク リア ラ ン ス が得 られ るよ うに し た。 試 験 体と治 具の取 付 け部は固 定 とせず，
引張 力の みが試 験 体に伝 達さ れる機 構と し た。 b） 計 測 方 法 本 実 験では高 速 引 張 力を受け る鋼 構 造 接 合 部の巨視 的伽
1明
卩
网
ト
1し
σ
鋤
匸
ELJ【
o弄
引
rE剄 5PE口駈 噛 u匚
れ
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F槭」
IG 自 里工
o 呂iiIIilIIIL
‘ 図一
6 試験体取付け部 詳 細 図 〆一
〔己
lLst：
銭同 阿 ‘ol 2団：覗 蔔 閤 貽 Cc）3nd：鰻R漣中 【d）41h：
載問路 了 図一
7 載 荷 機 構 概 略 図 な挙 動を明ら か にする こ とを目的と し て い る の で， 測 定 項 目 として荷 重 並 びに試 験 体 標 点 間 距 離 （200mm ） 間 の伸びを主 と して いる が，
さ らに， 母 材，
突 合せ溶 接 接 合 試 験 体で は試 験体
中 央 部の ひずみ も計 測し た。 標 点 間 距 離の伸びは，
2本の インダクタン ス式 変 位 計を用い て 測定す る が，
図一8
に示す よ う に変位計取付け治具が試 験 体の標点間距離 部 分のみで支 持さ れ，
治 具が 試験 体を 拘 束す るこ との ない形 式で取り付け ら れ る ように くふ う を し た。 ロー
ドセ ル，
変 位 計，
ひずみ の出 力は動ひずみ計を介 して デー
タレコー
ダー
に直 接 記 録でき るよ うに し，
実 験 デー
タの 整 理は，
AD 変 換 器→
マ イクロ コ ン ピュー
タ に よる処 理 を行っ た。 c）載 荷 方 法 載 荷 装 置の部 分で述べ た よ うに，
本実 験で は試 験 体の ひずみ速 度を弾 塑 性 域に わ たっ て一
定に制 御する方 式は 採 用で き な い か ら，
フ ライホli
一
ル の回転 数 を制 御する ことにより決 め られ た断 面 積 を有 する試 験 体の載 荷 速 度 を所定の値に制 御できる こと が必 要に な る。 高速載 荷実 験に先立っ て行わ れ た予 備 実 験ではこ の点を明確にす る た め に，
本実験で用いた の と同形状の試験体を用いて フ ラ イ ホイー
ルの回転 数を制御し，
載荷速度との対応 関係 を調べた。
図一
9は高 速 載 荷 実 験 結果 を示したもの で あ り，図の横 軸が フ ライホイー
ル設 定回転 数 を，縦 軸がロー
ドセルの出 力か ら計 算さ れ た試 験体の弾性限 内応 力 度 速 度 似 下，
単に応 力 度 速 度とい う）を表してい る。
図中 の点 線は1K の実 験 結果 を 直線で近 似し た もの を表 して いる。
同 図か ら，
フ ライホイー
ルの回 転 数 と応 力 度 速 度 とは，
ほ ぼ比 例 関 係にある こと がわ か る か ら，
本 実 験 （高 速 載 荷 実験 ）で は載 荷 速 度の制 御 をフ ライホイー
ル の回 転 数で制 御し，
対 応す る応 力 度速度をロー
ドセルの出力 結果に基づ いて計算す る手法を採用 し た。
高 速 載 荷 実 験 では フラ イ ホイー
ルの 回転 数を sp l・＝350 r．
p．
m．
， sp 2＝500r．
p．
m．
， sp3＝
750 r．
p．
m．
， sp 4＝
1000 r．
p．
m．
， sp 5！ 1500 r．
p．
m．
，
の 5段階に設 定し，
同一
の 試 験 体｛
D【
SPLACE鬨
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N50ucs日
｛
…→
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… … ノ「
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厂
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圏、
1噛
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＿
＿
」L2L 」 図一
8 変位計取 付 け治具詳細 図 01SPIXUHEMTPtHSUtEA一 87 一
に対し， 破 断に至 る まで
一
定の設 定回転数で実 験を行う こと に し た。
な お，
図一9
の縦 軸の応 力 度速度を弾 性 係 数E
（た だ し，
載 荷 速度の影 響 を受け ない もの と する）で割ると 弾 性域 内の ひずみ速度に対応す る。
今回の実 験 範囲内の応 力 度 速 度 （50t
／cm2 ／sec− 250
t／cmz ／sec ＞に対応す る ひずみ速 度は，
2．
4
％ノsec− 12．O
％／sec と な るt「1 ）。
3
−
2 静的実 験方法 高 速 引 張 力を受け る鋼構造各種 接合部の力 学 的 挙 動の 2SO 200 箪 蓍 δ 弼 廻 150 駈 目 1◎0 50 1Ko2K ● ！〆 3Kム
！ 〆 4K ▲ ノ 1’
！ ！！
’
’
’
1 ノ ！ 〆 〆 ！ ！ 1 ！．
！ ！ ！ ノ ノ ！ ノ ノ！
ノ ！ ’’
0 350 500 750 1000 1soe フつt．
t・
t一
ルBfi1！ （r・
P・
．
・
） 図一9
フライホィー
ル の回転 数 と 応 力度 速 度 との関 係 it 1） 試験体に 対 す る加 力 速 度が非 常に大きい場合に はロー
ドセルの挙動 につ い て 検 討 す る 必 要 が あ る が，
本 実 験 で は特に考 慮して いない。
し か し，
次に示 す荷 重 時 刻 歴の 特 徴か ら，
実 験 結 果の整 理に特に大き な影 響 を 及ぽ さ な いも の と考え ら れ る。
図一
9の応 力 度 速 度の計 算の 基 と な る荷重 お よ び変位 の時 刻歴の一
例 を，1K につ い て付 図一
1（a）一
（d）に示 す。
各 図は，
上段が荷 重 時 刻歴，
中，
下段が 2本の変 位 計か ら計 測され た変 位 時 刻 歴を示して いる。
ま た，
（a）は第 1載荷の結果で あ り，
（d｝は最 終 回の載荷の結果 を示し て い る。
同 図 は，
AD 変 換 後 の 状 態 で あ り，
ノ イ ズ を除去 し て いないが，
変 位 時 刻 歴の図で試 験 体が弾 性 的に挙 動し て い る部分の応 答は相 当に乱れ，
同 図か ら直接，
変 位 速 度 を計算す るこ と は 困 難であっ た。
こ れに対して，
ロー
ド セルの出 力から求 め られ る荷重 時 刻 歴では．
試 験 体の弾 性 域 内で の荷 重 速 度は，
フ ライホイー
ル回転 数 を一
定 と し た場 合，
各 載 荷 時と もほぼ同一
の値を示す か ら，
実 験 結果 を 整 理 す る一
つ の手段 と し て，
応力 度 速 度 を 基 準 に することが考えられ る．
ま た，
鋼 材の降 伏 点 以 降の領 域で は，
変位 時 刻 歴は最 終 載 荷 時 を 除い て，
いずれもほ ぼ類 似し た曲 線 を描く か ら， 塑 性域 内の変位速度 （図の曲線を一
次式で近似し た 場 合の こ う配）か ら，
試験体標 点距離内の平 均 的なひず み速 度 を 求める ことが できる。
付 図一
2は，
以 上の よう に し丁求め た ひずみ速 度 （塑性域 内）と前 者の応 力度速 度との関 係 を プロ ッ トしたもの である。
一
一
特 徴を， そ の静 的 単 調 載 荷を受け る場合を 基準と して比 較し論 ずる必 要から，
高 速載荷実 験に用い ら れ た もの と 同形 状，
寸 法によ る静 的 引張試 験を実施 し た。
載荷 装 置は 容 量 30t の油 圧 式 万 能 試 験機を 用い，
高 速載荷実験の場合と 同様に，荷 重，変位，ひずみ を検 出し，
，
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▲ 付 図一
2 50 100 150 盃 辺 度 （知輯）．
ひずみ速度と応 力度速度との関係荷 重
一
変 位 関 係 をX−
Y レコー
ダー
に，
ひずみ は多 点 式 デ ジ タル静ひずみ計 測 器に出 力した。 変 位 計および取付 け治具は高 速 載 荷実 験に使 用 し たもの と同一
である。 載 荷 速 度はJIS
Z
2241 （金 属材 料 引張 試 験 方 法）に 従っ て行っ た が，IKO4
試 験 体の み は人 為 的に載 荷 速 度 を大きくし て実験 を行っ た。
§4．
実 験 結 果の概 要 4−
1 母 材 試 験 体 （黒 皮 ） （1K ） 母材 試験 体 （黒 皮）は合計12
体を用 意し，
高 速 載 荷 実 験8体，
静 的 載 荷 実 験4体と し た。 高 速 載 荷 実 験で は各 試 験 体と も2〜
4 回の載 荷で破 断 に至る が，
その破 断性状は静 的 載 荷実験の場合と大 幅に 異 な るこ と が 観察さ れ た。
図一10
は その特 徴を 模 式 的’
に 示し た もので あ る が，い ずれ も板 幅方向を表し てい る。 静的載荷を受け た試 験体の破 断部は 図の （2
）の よ う に 典 型 的 な 断 面 収 縮 破 壊 を 呈 す るの に対 して，
高 速 載 荷 を 受け た試験体の破断部はい ずれ も 図の （1 ）の よ うに板 幅方向の くびれ は小さ く，
試験体材軸に関し て斜め に破 断 す る 傾向を 示 し た。
た だ し， 断 面 収 縮 率は，
表一
3に 示す よ うに， 静 的 載 荷 時と比 較して特に大き く変 化する ことはない （表一
3は，
本 研 究の追 加 実 験 結 果 を示し た もの である’
）。
高 速 載 荷 実 験 結 果の試 験 体 破 断 状 況を 写 真一
1に示す。 実 験 結 果の荷重お よ び変 位 時 刻歴 か ら，
母 材 試 験 体で匚
〕
〔
］
（1）高速 載荷実験 （2） 静 的 載 荷実験 図一
10 破 断 部の形状 表一
3 1Kの断 面 収 縮 率 試 験 体 名 収 縮 率 （％） 破 断 麗 （％） No，
1 57，
9228．
00 静 的 載 荷 No．
2 60．
6926．
00 N6．
3 62，
9618，
5D 平均憤 60，
5224．
00 200回 転No．
152．
7430．
75 350回 転No．
15 了．
8424．
oo 500回転 No．
158．
9829．
00 高 速 載 荷 750 回転 No．
160，
4528．
oo 1000回転 No．
160．
5527，
00 且500 回転 No．
16 】．
3933，
50 1500回 転No．
260．
8129．
50 1鼠〕0回 転No．
361，
033 且．
50 写 真亠
1 高 速 載 荷実 験 結 果の試 験 体 破 断 状 況 （lK ） は明 瞭な上，
下 降 伏 点が表れ て い る こ と， ま た， 第2
回 以 降の載 荷 時における初 期の載 荷 速 度は いずれ も一
定 と な ること が わ かっ た （注 1） 参 照 ）。
各 試 験 体の破 断に 至 る まで に収録 さ れ た荷 重一
変 位 関 係の一
例を図T11 に 示す。 い ずれの載 荷 図におい ても，
弾 性 域 内の載 荷，
除 荷 時の変 位は乱れ，
特に載荷 時が著しい。
こ の理由は，
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一
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竃．
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0 12．
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2 ｛cm ］ 図一
11 荷 重一
変 位 関 係 （IKI1 ）1KO11K11
−一
…
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O 変 位 （en） 図一
12 荷 重一
変 位 関係 （母材 試験 体，
1K ）一
一
表
一
4 母材試験体実験結果 肌 験1享z 哉 爾 煙度．
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一
一
13．
51髷 L7．
ド 試 験 体 下 部に衝 撃 的に加え ら れ た荷重が，
試 験体上 方に 応 力波と なっ て伝播す る過程で，
試験 体各部の伸びが一
様 と な らない こと を示して いるもの と考えられ る。 しか し，
胃 載 荷 時の塑 性 域 部 分にお け る荷 重一
変 位 曲 線は，
前 載 荷の除荷直 前の荷重一
変位点に戻っ て，
載 荷 履歴の 影 響 をほ と ん ど受 けない こ と が わ か る。 各載荷 時の包絡 線で示さ れ る荷 重一
変位図 を， 図一12
に示す。
ただし， 初 載 荷 時の弾 性 域 内の荷 重一
変 位 関 係は，
弾 性 係 数が載 荷 速 度の影 響を受け ない もの と して5脚，
修正 してあ る。 同 図か ら，
載 荷 速 度の増 大に伴っ て， 降伏 荷 重， 最 大 荷 重 （静引張試験時に お け る引張 荷 重〉は上 昇す る傾 向 にあ ること が わ か る。
実験結果の上， 下降応 力 度，
最大 応 力度，
ひずみ硬 化 開始時の ひずみ， 破断時の伸びを， 表一
4に示す。 4−
2 突 合せ溶接 接 合試験体 （黒皮 ）（2K ） 突 合せ溶接接 合 試 験体は，
高速載荷実験 5 体， 静的載 荷実験2
体の合計7
体につ いて実 験を行っ た。 ただし，
2K21 は，
デー
タ収録 ミスが あっ たの で省 略 す る。
高 速 載 荷 実 験では，
いずれの設定回転数におい て も3回の載 荷で破 断に至っ た。
母材 試 験 体と同 様に し て求め た荷 重一
変 位 関 係を図一
14、
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0 図一
13 荷重一
変 位 関係 （突 合せ 溶 接接 合試験 体，
2K＞13
に示す。
高 速 載 荷 実 験におい て，
載 荷 速 度の増 大に 伴う降 伏 荷 重，
最 大 荷 重の上昇につ い ては，
母材試 験体 と同 様の傾 向を示す が，
降 伏 荷 重に達 した 以降の荷重一
変 位 曲線は静 的 載 荷 時のそれ と異なっ て い て，
溶 接余盛 の存 在による試 験 体 平 行 部 間の断 面 形状の変化や溶接 熱 に よる母 材 材 質の 変 化な どの 要因で，
特に載荷 速 度の大 きい場 合の荷重一
変位 関 係が影 響を受け る も の と 思 わ れ て興味深い。 表一5
に，
各試 験体の実験 結 果 を ま と めて 示 す。
4−3
高 力ボル ト摩 擦 接 合 1面せ ん断型試 験 体 （3K ） 高 力 ボル ト摩擦接合ユ面せ ん断型試験体は合計10
体 であり，
高 速 載 荷 実 験に8
体，
静 的 載 荷実験に2
体と し た。
高速載 荷実験で は各試 験体と も1回の載荷で破断しo た
。
破 断は， 載 荷 速 度に関わ らず母材の ボル ト穴 欠 損 部 付 近で起っ た。
荷重一
変位関係は図一
14に示すと お りで あ る が，
試 験（
己
3 表一
5 突合せ溶接 接 合 試 験 体 実 験 結 果 試験 休名 載翫i菫鷹 降 伏旃力 （1」
・
吮 ） 最大応力 （LI旧ノcの 融 断 鋭rび α） 21（OI3P．
o3．
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0 酌 的 紐 荷 2Ko25P．
o3，
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噌 21qlSP．
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7 2K21SP．
2一
尸
26．
5 高 連 載 襾 2K3 象 3P．
34．
窃35．
山 23．
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44．
705．
2125．
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54．
795．
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6 1．
2 1β 2．
4 変 位 （cm） 図一
14 荷 重一
変位 関 係 （高 力ボル ト摩 擦 接 合1面せん断型 試験 体，
3K ） 注2） 荷 重一
変 位 関 係の模 式 図 （図一
15）か ら，
1面せん断型 試 験体の耐荷機構は， 以 下の よ う に考察さ れ る。
す な わ ち，
高 力ボル トの締 付けにより発 生す る接 合 部の摩 擦 抵 抗力が限界に達す る ま で，
荷重一
変位 関係は ほ ぼ線形 を 維 持して推 移し た後，
接 合 面にすべ り が生 じて急 激に荷 重が低 下する。
その後，
摩 擦 抵 抗 型か ら支圧抵 抗 型に移 行し，
ボル ト穴 欠 損によ る応 力集 中のた め に，
ボル ト穴 側 面の母材の引 張 破 断に至るe こ の よ う な 現象か ら考えて，
本 論で は，
A点を摩 擦 限 界 荷重，
B点を すべり荷重，
C点 を 最 大 支 圧 荷 重 と 呼ぷ こ と にする。（
＝
3 臼 建 変 位 （on） 図一
15 荷 重一
変 位 関 係 模 式 図 （3K） 体が高速 載 荷を受ける場 合で も，
摩 擦 接 合限 界 荷重お よ び接 合 部の すべ りtz21が顕 著に観 察さ れ る。
ま た， 高 速 載 荷 時に摩擦 面が すべ り始め る時 点の変 位は，
静 的 載 荷 時に比べ て載荷の ご く初期，
すな わ ち小 変 形 時に生 ずる ことが わかる。 さ らに，
載 荷 速 度の増 大に伴い， 摩 擦 接 合限界荷重の上 昇が観察さ れ る。 実 験 結 果の一
覧 を，
表一6
に小 す。
4
−
4高力ボル ト摩擦接 合2面せん 断 型 試 験 体 （
4K
）4K
試 験体の静的載荷，
高 速 載 荷 実 験に供し た試 験 体 表一
6 高 力ボル ト摩 擦 接 合1面せ ん断 型 試 験 体 実 験結 果 当・
し験 伺唱 1躰 鍵 麗 瞭 瞭 限 界 荷・
匠 （k，n） すぺり 荷 匝 αOlし） 凝 大 支 圧 荷i匡 （ n） 破1旧 重 α 》 3KOl 即．
o635T
．
81 弔，
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8の 5，
857．
1皿 5．
臼 平 均 範 SP．
Dn．
冊 5．
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505．
D 3KIISP、
17．
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9 3K21SF．
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6 3K22SP、
27．
055．
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2 3K31SP、
37．
宕25．
957．
557，
0 高 速 載 荷 31‘323P、
37，
505．
7B7．
5D5．
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49，
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4 3K 姐2 ＄P．
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455，
0 3K 行1 即．
5a．
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6 1．
2 1．
8 竃 位 （Cm） 2，
4 図一
16 荷 重一
変 位関係 〔高 力 ボル ト摩 擦 接 合 2面 せ ん断型 試 験 体，
4K ） 注3＞ 荷重一
変 位関係の模 式 図 （図一
17）で，
A 点 を最 大 荷重，
B点を最 大 支 圧 荷 重と呼ぶことにする。
（
匚
2）
置 変 位 ⊂cm） 図一
17 荷 重一
変 位 関 係 模 式 図 （4K ） 表一
7 高 力 ボル ト摩 擦 接 合2面せ ん断型 試 験体実験結果 試 欧体唱 載碕 漣搓鱈 提 大荷霞 （ 1ゆ 支圧 荷皿 （L制 顧） 破断彊 α） aKOLs 『 』 7」n5．
ID 了 潟 帥 的 載 荷 qKO2S 『．
06 」0 弓．
9卩 7，
1 平 均 匝 S「．
06，
9D5．
DO7．
1 4KllSP．
16，
985．
438．
4 αK213P、
27．
2D5．
287．
6 4K22 即27，
315．
338．
7 4K31SP．
37．
iO5．
697．
8 高 迎 載 碕 dK329P．
37．
205．
209、
5 dl（頚 塵 ＄［ 17、
鼠15．
307．
7 4K 堪2 ＄P」 7，
円 5．
507．
8 dK515P．
57．
555，
73一
数は3K と同様であ り，
高 速 載 荷実
験に おい て も1回の 載荷で破 断に至っ た。荷 重一
変 位 関 係 を図一
16に示す 注3｝。
2
面せ ん断 型 試 験体は，
本 来 摩 擦 接 合 限 界 以 下の荷 重 で ス プライス プレー
トの 降 伏が先 行す る よ うに設 計し て あ り， 高 速 載荷を受け る場 合で も，
図で観 察 される最 初 の 山がスプライス プレー
トの 降伏を示すもの と考え ら れ，
ス プライスプレー
トの全 断 面 塑性化に伴っ て摩擦 力 が減少し， 摩 擦 接合型か ら支圧接合型に移 行 するもの と 考え ら れ る。
1
面せ ん断型試 験 体に よ る実 験 結 果 と 比 較して 2 面せ ん断型試験体の 挙動 は，
ス プラ イス プレー
トの降 伏，
塑 性化に伴う摩擦力の減 少と荷 重の低 下はゆる や か で あっ て，
破 断 伸び も比 較 的 大き く な ること がわ か る。
実 験 結 果の一
覧 を表一
7に示す。
．
§5．
ま と め 鋼 構 造 接 合 部が高 速 引張 力 を受け る 場合の力学 的 挙 動 を調べ るこ と を 目的とし て，SS
41鋼 素 材， 突 合 せ 溶 接 接 合 部， 高 力ボル ト摩擦接 合 部の高 速 載 荷 実 験 を行い ， 静 的 実 験 結 果との簡単な比 較 を 行っ た。 本 実 験の載 荷 速度範囲内に お い て は，
母材，
溶 接接合 部の降 伏 荷 重，
最 大荷重の上昇が顕 著で あるのに対し て，
高 力 ボル ト1
面せ ん断 型 摩 擦 接 合 部では摩 擦 限 界 荷 重の 上 昇は顕 著に観察され るもの の，
継 手 機 構が支圧接 合型 に移 行し た後は その最 大 荷 重の上昇 は 顕著では ない こと が 明ら かとなっ た。
高 力 ボル ト2
面 せ ん 断 型摩擦接合 部で は
，
ス プライスプレー
トの早 期 降伏に伴う摩 擦限 界 荷 重の上 昇は母 材 試 験 体と同 様の傾 向を示す が，
支圧接 合 型に移 行した後の最 大 荷 重の 上昇は，
1面せ ん断 型 摩 擦 接 合 試 験 体の 挙 動と同様に顕著で は ない こ と が わ かっ た。
参 考 文 献1） R
．
D．
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650 3） た と えば 谷資信編 著，
骨 組 構 造の解 析，
建 築 物の構 造 解 析 シ リー
ズ 皿，
技 報 堂 出 版 （株 ｝，
昭 和5ユ年12月，
pp．
121 4）渡 辺 啓 行 ：軟鋼の動的弾 塑 性 復 元 力 特 性，
第3回 日本 地 震工学シンポジ ウ ム，
1970，
pp．
651−
658 5） 若林 實，
中村 武，
吉田 望，
岩井 哲 ：構造部 材の 挙 動に及ぼす載 荷 速 度の影 響 〔その 1．
コ ン クリー
トと鋼 材の応 カー
ひず み関 係に及ぼ す歪速度の影響），
日本建築 学 会 論文報 告 集，
第314号，
昭和57年4月，
pp．
10Z−
1116 ） 桝 本 勉，
竹 内 守，
加 藤 艮一，
土 本 凱 士，
宮 下 克 彦 ； 高 圧 配 管 用 炭素鋼管材の高速 引張変形 挙 動，
第1回材料 の衝 撃 問 題シ ンポジウム，
1983年12月，
pp．
37〜
40，
同 ；高圧配 管用炭 素鋼管 材の高速引 張試験，
同，
pp．
41−
44 7） 青 木 博 文，
加 藤 勉，
難 波 恒 夫，
佐 藤 亘 宏 ：変 断 面 鋼 板 引 張 材の変 形 能 力に及ぼす試 験 温 度，
ひずみ速 度の影 響，
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第322 号，
昭和57年12月，
PP．
11〜
19 8） 金 多 潔，
甲 津 功 夫，
浜 根 潤 也，
篠 原 祥 ：振動台を用 い た鋼 構 造梁降 伏 型 模 型 骨 組の破 壊 実 験，
第6回日本 地 震 工 学シンポ ジ ウム （1982），
pp．
7e5〜
712 9｝N．
Cristescu：衝 撃 塑 性 学 （黒 崎 永 治 訳 ）コ ロナ 社SYNOPSIS
UDC ；624．
078．
014．
5STRAIN
RATE
EFFECTS
IN
STEEL
STRUCTURAL
JOINTS
DUE
TO
HIGH
SPEED
TENSILE
LOADINGS
Part
1−
Tests
ofbase
metal of mild steel，
the
butt
−
weldedjoints
an’
d
high
strengthbolted
connectionsby DT
．
KIYOSHI KANETA，
Prof．
of Kyo しo Univ．
，
Dr．
1SAO KOHZ 旺J，
Associate Prof．
of KyotQ Univ．
，
KAZUOFUJ量MURA
、
Nippo口Denro Mlg，
Co．
，
Ltd．
，
Tower Div．
，
YASUSH 匚SHINOHAllA
，
Osaka Gas Co．
，
Ltd．
andTAKAO KiGAMl
，
Graduate Student of KyotoUniv．
，
Members of A，
1．
J．
Strain
rate effectsin
steel structuraljoints
canbe
o皿e of most significantfactors
to assess the safety in the structures againsthigh
speedloadings
like
as earthquake shocks．
This
pape【deals
wi ヒh
an experiment and the re・
sults i皿 the case when typica）structuraljoints
are subjected tohigh
speed tensileloadings
．
Specimens
consisted ofbase
metal of mild steel ， thebutt−
weldedjoints
andhigh
strengthbolted
connections．
Aspecial
testing machine was manufactured and used so that the tensileloads
were applied to thebottQms
of the specimens suspendedfrom
the reaction frame，
with the leverby
engaging the cam while using the clutch， after
the rotating speeds of the flywheel were controlled at the selected constant values between
350
tol
500 r，
p，
m，
，
The
loads and thedeflections
betweell
the marked poi皿ts of the specimens weredetected
and the values were recorded to a data recorder throughout the experiments．
Then，
the mechanical properties of the specimens were compared with those obtainedfrom
the results of the static tensileioading
tests．
From
出e test results，
it canbe
seen that the ul亡imate strengths of 出 ebo1
亡ed connections are not significantlyinfluenced
by
theloading
speeds， in
