アルミ合金柱の耐荷力に関する実験的研究-香川大学学術情報リポジトリ

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アルミ合金柱の耐荷力に関する実験的研究

三宮和彦 Ⅰまえがき桁が曲げを受ける場合，その終局強度はフランジの座屈強度に支配される．かかるフランジの座屈問題は，柱や板と同様の問題として取り扱われる場合が多い．著者は既報「アルミ合金桁の横倒れ座屈に関する研究．（1）で，アルミ合金材A5083及びA7NOlの桁につきその非弾性横倒れ座屈強庶を，ウ．＝ブ面積の1／6が圧縮フランジに協力するものとして両端固定の等価な柱に換算し，tangentmOdulustheory（2）に準じて求めたことがある．本研究はこの横倒れ座屈の研究に関連して計画され，上記理論に準じた座屈強度が，アルミ合金柱の耐荷カを実際上どの程度近似し得るものかを検討するために試みられたものであり，用いた供試体断面は上記桁断面を1／2に縮小したものである． ⅠⅠ理論強度柱の座屈強度 a）弾性領域理想的を柱が中心圧縮荷重を受ける場合の座屈強皮は，EuleIの次式で与えられる．＝が且面汀平（1）〃8γ ここで，忍7；有効座屈長 γ；最小断面2次半径座屈係数疋は固定支持のときg＝05，なおCいR．C．（a）では材端固定度の低下を考慮してg＝0．65を推奨している． b）非弾性領域

座屈値の下限を与えるtangentmOdulustheory（2），上限を与える double modulustheory（4），その中間を与える Shanley’stheory（5）等がある．ここでは始めに述べた理由により，tangentmOdulustheoryに準ずる Tablel‘・♂。γVSり〃γ ∬＝015 1 ∬＝0．65 144．．2 133．．0 〉 121．1（ATC−1） 99い9（ATC−3） 95．8 〉〉 60り6（ATC−2） 50．0（ATC一生） 221．2 21−．4 16‖4 110，9 102。3 99・9（ATC−3） 73い7 60．6（ATC−2） 50。0（ATC−1） 17い0 16小4 12い6

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香川大学農学部学術報告（2） 176 がTg げ即＝て研こ．こで，丁＝ i）A5083柱（Table3参照） Fig．7から導いたOr。一丁Curve（Fig．9）を用い，材端固定支持として（2）式から静出した座屈強度をTablelに示す．Table7（t＝6．5mm）を用いて（1）式から算出した弾性座屈強度並びにTablelの非弾性座屈強度から，次の強度曲線を得る． 5 0 5＜U O 22191 ︵等量餌豊ゝUb13 ニ ♪ α

ー

；〟ニ05 ーーーー；∬＝065 H 【 0；♂忘】ど l− 【

、−−←−−・− 亡1￣→ ゝ一＼一

n ○ ■−￣−▲‘r 20 40 60 80 100 120140160 ＼J狛 Fig．1… Bucklingstrengthcurves（A5083） ii）A7NOl柱対応する♂e−でCuI・Veに基づき算・出した座屈強皮を次表に示す Table2小〃。γVSいJ／γ 尺＝0−5 1 ∬＝0一65 132．4 〉 121い1（ATC−5） 117．1 112い4 110．1 99＝9（ATC−7） 92。．3 〉〉 60．6（ATC−6） 50‖0（ATC−8） 34，8 17．3 12．9 12い2 101い9 99−9（ATC−7） 90．1 86り4 84．．7 71。．0 60．6（ATC−6） 50い0（ATC−8） 8 3 9 4 6 3 9 9 2 1 Table7，（1）式，及びTable2から次の座屈強皮曲線を得る．

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30 ∵≡25 ■ 上違20 αβ＝1針60

115

10 0 20 40 60 80 100 120 140160 ＼ゼ／γ Fig12lBucklingstrengthcurves（A7NOl）これら強度計算に用いた座屈長は，端拘束装置（Fig4）の前面間距離である ⅠII試験柱及び試験方法 l‖ 試験柱 a）分類試験柱は計8体である．便宜上次表の如く分類したりその載荷型式を合せ示す Table3，ClassificationofTestColumns b）材質構造用アルミ合金A5083とA7NOlである．前者はAトMg系2元合金（非熱処理）．後者はAILZn，Mg系3元合金（熱処理）である。その化学成分を次表に，機械的性質をTable7に示す Table4ChemicalCompositions Cu Si Fe Mn Mg Cr Zn Ti Al Material A−5083 008 0‖10 02，5 0，73 4．20 A7NOl O，04 0．09 0．21 0“42 1．10 0．1‘7 0．02 003 Re

O22 4・53 ／ Re

C）寸法 2軸対称Ⅰ形断面である．．その寸法をFig．3に示す．寸法比は次表の如くである．

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香川大学農学部学術報告 178 、ヨ．二−二︰声トNl 【 ≡rLl摩し」雷￣困 ATC−1，2，5，6 ATC−3，4，7，8 Fig3“Crosssections Table5．SlendernessRatiosofTest Columns

Test Column l／Y ATC−1，5 ATC−2，6 ATC−3，7 ATC−4，8 一1 6 9 0 L O 9 ∩、 2 6 9 5 d）断面性質次表に示す如ぐである． Tablc6・CrossSectionalProperticsofTestColumns ′J・ rざ′（′Ⅰ．‖n）（cm）（cm）（。2）

（（（8）（3）

Test Column ATC−1，2，5，6 13510 372 ATC−3，4，7，8 7．825 206 2989 5854 381 32．42 9。20 2344 5．2456 1．4874 5．1293 0。6978 Wherc，A ：areaOfcrosssection I”Zy：mOmentOfinertiaabout％−aXisand．y−aXisrespectively S”Sy：SeCtionmodulusabout冗−aXisand．y−aXisrespectively r方，Yy ‥ radiusofgyrationofareaaboutx−aXisand．y−aXisrespcctively 2．試験方法 a）載荷方法 Section A−A

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200ton圧縮試験機を使用した．試験柱の両端は拘束装置（SS41）で拘束されている．我荷の様子をFig，．4，Fig．5 に示す． b）試験柱の端条件充分なる剛性をもつ拘束装置は試験機ベッドに固定されている．従って試験柱の材端は回載が拘束され，概ね固定支持条件に近いものと考えられる C）測点及び測定方法荷重の段階ごとに断面の盃と，フランジの水平変位盈を測定した．測定位置をFig．6に示す．図中一印は単軸塑性歪ゲージの貼布位置を，・印はダイヤルゲー・ジによる測定位置を表わす・．望 1 芦

35 雪「

Ⅶ＿＿ ≡三￣≡−こ Fig6‖ McasuredpolntS” ⅠⅤ 試験結果 1．引張試験試験柱のフランジ及びウェブを構成する板から，切り取って作成したJIS5号試験片の引張試験結果並びに応力ー Table71，ResultsofCouponTest A5083 A7NOl

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香川大学農学部学術報告 180 歪曲線を，Table7，Fig．7，Fig．8に示す．， 2000 1750 1500 1250 ，↓【4伽扉Co叩n刊03）；l〒3伽†m（Co岬INol） 0 0 0 5 0 7 1 ︵㌔U＼茸︶、リ︼ l rl U＼溜︶ss巴㌫1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 5 52

SSU上Sl

1000 2000 3000 4000 5000 6000

−−・・一・・■・一Strain（×10￣6） 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 − Strain（×10】6） Fig．7．Stress−Straincurves（A5083）またこれらの応力ー歪曲線より算出したげ￠一丁曲線をFigけ9に示す Fig」8”Stress−Straincurves（A7NOl）． 2．座屈試験 a）荷重−たわみ試験柱の中央断面につき，たわみ発達の様子をFig・10，Fig巾11に示すul図中∂は中央断面の水平変位から，柱両端における変位の相加平均を差し引いた値である． b）応力ー歪試験柱の中央断面フランジ縁につき，その測定歪から面内平均圧縮応力皮による計許歪を差し引き，座屈変形に基づく歪のみを取り出したものをA5083につきFig．12に，A7NOlにつきFigい13に示す小なお面内平均圧縮応力度による歪の算出に当って，弾性域ではtabユe7に基づき対応する弾性係数を用いたが，非弾性域におけるかかる歪の算出は極めて煩雑であるので，粕確な歪の取り出しに拘らず弾性係数をそのまま用いた． C）座屈強度と終局強度 Fig・10，Fig．11から判断される如く，柱の挙動は−・様とをることなく極めて低荷重の時点から座屈現象を呈する

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ノく；．Al→C−8

0 0 0 0 0 0 0 5 0 5 0 5 0 5 7 5 2 0 7 5 2 1111 U＼茸︶亘＼h．謡・l句霊u⊃・l茎て窒Jl 0 1 2 3 0 1 2 3 4 ・J］〕eflection∂（mm） Fig‖11．LoadqdeflectioncuIVeS（A7NOl）． 0806（1こIiluleJ

¶0．9 ▼∩ 史ノ＿＿一・’

0．7 0．6

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旦」墜廷至ど111e）0．6 −0．．占 0月

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〔机0サム一EXlO‘1亡くxrlO‘L 一ぐメ廿‘∼XlO￣‘【」 −ゝ針×10￣‘〉 eXlO㌧L 一∈lXlO‘J

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香川大学農学部学術報告 182 0．867（1こIiltllC〕

0．7

01．6

0．6

：二・二

￣0 5‘70＝∴山1し11しJ さ二0．5

0・4音＼ 0．3ざ 0・2l

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ATC・5 ▼■一■■【一一−一一 5001000潮01500−1000ち000500100015001500−1000う0005001800150015001000う00050010001500 ∈×10‘いL 一∈√×10‘ E）〈106ん・・一ヾ〉10▲8」e｛×10】6｝L 一∈：Xl州亡｛机0㌧ム・＋ニ＝IXl川 Fig…13q。／qyvs”E（A7NOl）L ものもあり，精確な座屈強度の把握は困難である然しながら変位が急増する時点に注目すると次表が得られ，Fig・ 12，Fig“13を参照すると表中のげ。の近傍から変位に基づくフランジ歪の分岐が顕著になる小 Table8，AverageStresscs restColumn （7。（kg／cm3） 2 8 7 8 8 4 8 3 6 5 6 7 5 8 7 尺J 9 2 7 2 2 1 2 8 1 1 1 2 1 1 ATC−1 ATC−2 ATC−3 ATC−4 ATC−5 ATC−6 ATC−7 ATC−8

Fig. 14. Buckled testcolumns.

この時点に至っても柱の平衡状態は存在し更に幾らかの荷重の増加をみたが，遂には変位の急速な発達を伴って荷重の低下をきたす．この平衡状態を保ち得をくなる時点をもって，フランジ面内の座屈による柱の終局強度（♂笠芋官）と判断したい柱が終局強度に到達した後更に載荷を続けて，座屈変形を目立たたせたものをFig14に示すい d）実験強度と理論強度の比較実験座屈強皮の判定が困難であるので，測定された終局強度と理論座屈強皮を対比させ一・括次表に示す．表中（）印は弾性座屈領域を意味する．また実験終局強度をFigい1，Fi邑2にそれぞれプロソトしてあるけ

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Table9… Ratiooforミ昔Ftoorきタ Ⅴ 考察本研究では供試体の数も少く早急な判断はばばかられるが，Table9に示す如く柱の最終耐荷カはtangentmodu− lustheoIyに準ずる座屈備に比べ，A5083，A7NOl共に，細長比l／γ≒121∼100の領域で60∼70％程度，l／7≒61∼50 の領域で80％程度の強度しか示さない．．これはi）供試体断面が溶接組立でありそのための残留応力の存在．．ii）僅かではあるが複雑な形態をもつ初期変形の存在．iii）材端拘束装置の固定度の不足．等の要因が重なってかかる強度の低下をもたらしたものと推測されるい然しながら−・般の構造物を構築する場合に，この程度の要因の重なりは事実上おこり得る可儲性も考えられ，アルミ合金材を柱作用の部材に使用する場合，安全率の導入には充分留意すべきであろうル本研究に当って，神戸製鋼所建設工事開儲本部，梶本政良民に多大の御協力を戴いたことを記し，ここに謝意を表する．引用文献（1）YりMAEDA＆K．SANNOMエYA：LateralBuck＿

1ingStrength of Aluminum Alloy Beamsand

TheirSaf6ty，Proc．．of18th National勒mposi−

um on Bridge and StructuralEngineering，

229−244，Japan Societyfor・the Promotion of Science，Tokyo（1972）．

（2）ENGESSER，F．：tlberdieKnickfestigkeitgera・・

der St益be，Zeitschrift f仏rArchitektur undIn−

genieurwesen，35，455（1889）．

（3）Column Research Council：Guide to Design Criteria forMetalCompression Members，41，．JohnWiley＆Sons，NewYoIk（1966）．．

（4）ENGESSER，Fい：Knickfragen，Schweizerische Bauzeitung，25，No．13，88（1895）u

（5）SHANLEY，F．：Inelastic Column Theory，J

Aero．，Sci．，14，No．5，261（1947）．

EXPERIMENTAL STUDY ON BUCKLING STRENGTH

OF ALUMINUM ALLOY COLUMNS

Kazuhiko SANNOMIYA

SⅦmmary

Thepapercontainstheresultsofthcexper・imentalstudyoftheinelasticbucklingStrengthof

theIcolumns，materialsofwhichareA5083（binaryalloyofAトMg・SyStemwithnon−heattreat− ment）andA7NOl（ternaryalloyofAl−Zn−MgSyStemWithheattreatment），andthe number

Ofthetestcolumnsare4respectively，andtheirendrestraintconditionsonthesetestsar・ethe

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香川大学盛挙部学術報告 184

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