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崩壊問題の動的解析と静的解との比較 : 材料および幾何学的非線形を考慮した鋼構造骨組の動的崩壊解析 その2

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全文

(1)

【論   文】

UDC  :624

.

Ol4

.

2 :624

.

072  :624

.

042

.

7

    日 本 窪築学 会 構 造系論 文報 告 集 第 4ZO 号

・

1991 年 2 月

Journal of Struct

.

 Constr

.

 Engng

、

 AIJ

、

 No

.

420

,

 Feb

.

,

19

.

 

91

崩 壊 問題

の

動 的解 析

と

静 的 解

と

の

比 較

材料

お よ び

幾何学的非線形

を

考

慮

し た

鋼構造

骨

組

の

動的崩壊解析 

その

2

DYNAMIC

 

ANALYSIS

 

FOR

 

THE

 

COLLAPSE

 

PROBLEMS

 

AND

  

THE

 

COMPARISON

 

OF

 

ITS

 

RESULTS

 

WITH

 

STATIC

 

Amaterial

 and  

geometrical

 nonlinear  

dynamic

 collapse  analysis

      

for

 

the

 space  steel  

frame

 

Part

 

2

   

久

保

田

英

之

* ,

和

田

 章

* * ,

林  賢

一

* * *

Hideyuki

 

.

KUBOTA

, 

Akira

 

WAI

)

A

 and  

Kenichi

且

4

 

YA

盟

1

 

There

 are many  

difficulties

 in the nQnhnear  statical  analysis  

for

 the collapse  of structures

,

 In the case  of considering しhe discontinuity of the mechanical  

behavior

 of a materials

,

 

further

hardships

 will obstruct  to obtain  a gQQd solution  

because

 of the abrupt  

dropping

 of the strength

.

AII structural  problems which  many  researchers  had treated as sta 巨cally should  have a 

dynamic

effect  tacitly such  as the 

inertia

 

force

 of the own  weight  of 

deforming

 structural  element

.

 

At

 the

critical  or 

llmit

 pomt

,

 the inertia term will  

help

 to solve  the equlibrium  eqations

.

 

In

 this paper

,

 a comparison  

between

 statical  analysis  method  and  

dynamic

 is 

done,

 and three

numerical  examples  show  the eHectiveness  of the 

dynamlc

 method

.

 1

.

  yielding and  

breaking

 analysis  of straight  

bar

 2

.

 snap through  problem of ret 重culated  space  truss

 

3.

 material  and  geometrical nonlinear  analysis  of 

double−layered

 space  frame

 

Keywortts

;

dyiamic

 analysis

,

 collaPse

,

 nonlinear

,

 sPa‘eframe

,

 

buckling

                

’

1.

序   論  すべ て の力 学 現 象は

,

た と え そ の変 化が緩い と し ても

,

広 義の動

11

勺問題 と考え るこ と がで き る

。

力 学 現 象 を

,

釣 合い状 態の変 化と して静的に扱うこ とよりも, 運動 状態 の変化 と し て と らえ た方が実 現 象に忠 実であ る。   我々はこの考えに基づ き実 現 象に忠 実な解 析モ デルを 設定し, そ の モ デル を用い て数 値 解析によ り 構 造 物の崩 壊 挙 動 を 追 跡する こと を目標と して い る。  その 1凵で は 材 料お よ び幾 何 学的非線形 を考慮し た動 的 構 造 解 析 法の提 案と

,

不 安 定 現 象を 生 じ る 簡単な例題 に よ る解析 法の確 認につ い て論 じ た。  その中ではま ず

,

節 点に存 在 する回転自由度を消去し 並進 自由度だ けの運 動 方 程 式 を導く手 法

,

解 析 手法の基 礎と し た静 的 解 析 法か らの改 良 点につ いて述べ た 。  つ い で

,

非 線 形 問 題

,

不 安 定 問題の 解の 存 在 条 件と動 的 解 析 法をそ こに適 用 す る 是 非に つ い て 論 じ

,

エ ネル ギ

ー

的 立 場か ら 動的解析 法による解の解 釈を行っ た

。

 例題 と し て

,

直線部 材の引 張 破 断 問 題と圧 縮 座 屈 問題 を解析し, 静 的 解 析 法の適 用し に くい不 安 定 問題で あっ ても動 的 解 析 法 を用い るこ とに よ り解を得られ ること を 明らか に し た

。

 本 論 文では

,

直 線 部 材の引 張 破 断 問 題

,

網状ス ペ

ー

ス ト ラスの非線形解析, 実 験の行わ れ て い る実 規 模 構 造の 複層立 体 トラス の非 線 形 解 析につ い て

,

載 荷 速 度 を変 化 させ た考 察 等を行い

,

従 来 静 的に解か れ ていた問題 を動 的に扱うことの意 義と有 効 性につ い て述べ る。

2.

動的解 析 と静 的 解 析   静 的 解 析は動 的 解 析の特 殊な もの である と考え られ る

。

 こ こ で は単純 化のた め

,

減 衰がない理 想 的な状 態を仮 定する

。

構 造 物の 剛 性K は時 刻 tの状態の ま まで t+ At まで変 化し な い と す る と

,

時 刻 t+

At

に お け る 運 動 方 程 式は式 〔1)の よ うに書け る

。

    

Mat

,At+KtAx +ft

=

Ft,

.

。t

………・

…’

・

……・

・

(1> こ こに

M

は質量マ ト リッ クス, a は加 速 度

,

  Ax は増  1 日本 電 信 電 話 株 式 会社 # 東 京工 業 大 学 教授

・

工博 # * 東 京工業 大学   大 学 院生

NipPon Telegraph and Telep卜Qne 

Corporahon

Prof

.

,

Tokyo Institute of Technobgy

,

 Dr

.

 Eng

.

Grad

.

uate  Student of Tokyo Institute of Tec卜nology

(2)

分変 位ベ ク トル

,

’ は構 造 物が発 揮 し て い る内 力

,

F は外 力ベ ク トル である。 ま た添字 t

,

t+

At

は そ れ ぞ れ 時 刻t

,

t+At にお け る値であ る

。

 式 (1)で慣 性 力

Ma

が恒等的に

0

で あると する立場 が 静的解析で あ り,

0

で な く て も構わ ない とす る立 場 が 動 的解析である

。

 慣 性 力Ma が無 視で き る の は次の 2つの場合である

。

1) M が無 視で きる, す なわ ち大 変 軽い

。

し かも積

Ma

が無 視できる程 度の a である

。

2> a が無 視できる,すな わち変形が大変緩やか であ る。 しか も積 〃 ご が無 視で き る程 度の

M

で あ る

。

 

M

は あ る程度大き く な るの が 通例で あり

,

仮 定 1は 考え に くい の で

,

仮定 2 に帰 着す る。

一

般に静 的 解 析が 行わ れ るの は

2

の仮 定に基づいてい る と考え ら れ る

。

 静 的 解 析 を行う た めに は, 式 (1)か ら慣 性 力の項 を 除い た式 (2)が常に成り立つ こ と が必 要で あ る

。

     KtAx 十

ft=

F,+at

・

…………・

………・

……・

…

〔2)   外力変化が非 常に緩や かであっ た と して も そ の応 答が 緩 や かであ る とは限 ら ない

。

た と え ば 系に材料非線形

,

あ るい は幾何 学的非線形を示す部分が存在し

,

部 材の座 屈や破断に伴う急 激な変化が生じ る と

,

部分的に大き な 加速度 が 発 生 し

,

式 (

2

)の前 提 が 必 ず し も 成 り 立 た な く な る。  材料 非線形を例に と る と

,

部材の破断 現象は内力 の 急 激な減 少をもた ら す。 式 (2)が成り立つ と する な らば

,

内 力の急 激な減 少は

,

外 力が ほ と ん ど変わ ら ない こと を 仮 定す れば

、KtAx

が 急 激 に増加す るこ と を意 味す る

。

.

部材の破 断に よ っ て剛性が 増 加 す ることはないか ら

,

結 局 Ax が急 激に増 加する, すな わ ち変 形が急 激に進 行 す ることに な る

。

そ の ため

,

式 (2) を 満たす よ うな Ax を静 的に求め る ことは通 常 大 変 難し い ことに な る

。

  ところ が 式 (1)の下では

,

部 材の破 断 現 象が発生 し た と き は

,

’ の減 少 分ci〃

Mat

.rlt+

KtAx

で吸 収さ れ る。 加 速度は変位

,

時 間と独立で はない か ら

,

式 (11 を満 た す よ うに

Ax ,

 at.dt を定め ること は可 能であ る。  シェ ル など幾何学 的非線形性が強い場合は

,

静的な釣 合い経路が非常に複雑にな ること が あ る。 こ の ような時 間の経 過 を 無 視 し た釣合い経路 を求め る ことは力 学 的お よ び数 学 的 研 究と して の意 味は大きいが

,

実 現 象の解 析 を 目 的 と す る 場合に は

,

そ の結 果の意 味 付け は難し い と 考え る

。

釣 合い 経 路 を 求 め た だ けで は

,

外 力に対 す る構 造 物の応 答 を 求め たことにな ら ないか ら で あ る

。

3.

解析方法 3

.

1 概   要  解析手法の基本的な考え方は そ の ユ1) で述べ た 。 こ こ では要点だ け を ま と め る

。

1 )動 的 数 値 解 析に は運 動 方 程 式を短い時 間 間 隔で逐 次 積 分し てゆ く直 接 積 分 法の

一

種である Newmark

一

β法 (β

=1

/4:定加 速 度 法 )を用いる。 2) 解 析で用いる自 由度は1節 点につ い て

,

並 進 3成分

,

各軸回りの回 転3成 分で ある。 本論文で は部材と して鋼 管 を用いてい るのでこ の

6

成分の 自 由度に よっ て解 析い るいる

,

H型 鋼の よ うな開 断 面 部 材の解析の ために断 面 の そ りを考 慮し た解 析 も行え る よ うに理 論 展 開し てあ る

。

3

) 回転 自 由度の項に は慣 性 力 お よ び外 力は作 用せず 骨 組の各節点に おける並 進 運 動の項だけに慣性が作用す る と す る

。

4) 構 造 物の 剛 性は時 刻 tの 状 態の ま まで t+

At

まで 変化し ないと する

。

3

.

2  収 束 計 算  本 研 究で は各 積 分ステップで外 力と (ひずみ に よる内 部 節点 力+慣 性力〉との釣合い を チェ ッ ク し

,

釣 合い の 精 度が 悪 け れば収 束計算を行うことに よ り精 度を確 保し てい る

。

し か し

,

以下の例題で は

At

を 十分に小さ く取っ て い る の で収束 計 算の必 要は な か っ た

。

4.

数値解 析 例

1一

単純引張 問 題  こ の問 題 は, その lnで も 取 り上げ た

,

図

一

1の よ う な直線 部材を材軸方 向に引 張り, 破 断さ せ る とい う簡単 な もの で あ る

。

本 解 析 例は

,

破 断 を伴う急 激な状 態の変 化に よ りa=

O

とい う 静 的解 析が可 能で あ る た めの前 提 が崩れ る た め, 動的 解 析によ ら な くて は厳 密な解は得ら れ ない

。

 こ こ で は

,

3種 類の載 荷 速 度に対 して解 析を行い , そ の結 果を 比較 検 討する。 4

.

1 解 析モ デル  表

一

1に諸元 を示す

。

な お部 材の途中に は質量 を置か な い。 表

一

1 材 料 定数等 R 名称 記号     数値     単 位

9

:

]

ddL 1 内部 筋点 M δ F 図

一

1 単純 引張 問 題 部材長 ’ 2

.

om 軅 ぱ 0

.

1m 内 径 dL0

.

09m 囀 41

.

49xlO

−

3m3 弾 性 剛 性 E2

.

06× 101, Pa 塑性剛性 EP5

.

15xlO8Pa 降伏 応 力度 σ, 235xlO6P & 降伏ひず み ‘ ” 1

.

14xlO

−

3 破 断ひずみ ε61

.

14

・

×10

嘗

1 質量 M1

.

00xlO2Kg 弾性固有周期 T5

.

07xlO

−

38 降伏後 固 有周期 r5

.

07x10

’

33 稠 分間隔 △ε LO ×10

−

4s

(3)

 外力

F

[

N

]は時間

t

[sec ]の関 数と して式 (3)

に従っ て作 用 さ せ る

。

    

F

(t)

=

=

ξ

ttt・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

 

tt・

…

 

tt・

…

 (3} ξは載 荷速 度 を表すパ ラメ

ー

タ である

。

文 献1) と同 じ

ξ= IOT [

N

/sec ] (以下 case  F と呼ぶ )の ほ か に

,

速 度

の小さ な IOG [

N

/sec](以 下case  M と呼ぶ )

,

ユ05[N/sec コ

(以 下case  

S

と呼ぶ )の全3ケ

ー

ス の解 析を行い

,

結 果 を比 較する

。

4

.

2 解 析 結 果  今 回の解 析では材料の力 学的牲 質に速度の影 響を無 視 し

,

中 間の質量を考慮し て いない た め

,

反 力

R

と変形 δとの 関 係は図

一

2に示 す よ うに ξに よ らず同 じで あ る。  反 力 R と時 刻を ξで基 準 化し た もの との関 係は 図

一

3 の よ うに な る。 また加速度 α と時刻 を ξで基準化 し た もの との関 係は図

一

4の ように な る。 系に減 衰を考 慮 し て い な い た め

,

図

一

3

,

図

一

4ど ち らの関係に も 固有 振 動の影 響が見ら れ る

。

 固有周期は降伏前

5.

07

×

10

−

3 [sec ], 降 伏 後1

.

02× 10

−

L [sec]で あ る

。

固有 周 期は ξに よ らず

一

定で ある

0

一

1  

一

2R [105N]  

−

3

一

4

一

5  

一曾

3 

一冒

25 

− .

2 

− .

15  

− .

1 

−

O

.

05  0        6回       図

一

2  変 位

一

反 力 関 係 0

一

1  

一

2R [105NI  

− 3

一

4 01     2    3    4       t!ξ[10

−

5sec2 /N]   図

一

3 反力時刻 歴 56 ]

一

0

一

1

一

2    

一

3 α[103m!s21    

−

4

一

5

一

6

一

7   012     3    4 t1ξ[lo

’

5sec2!N] 図

一

4 載 荷 点 加速度時 刻 歴 56 の で

,

ξ が小さ く現 象に 時 間 を長く要する もの ほ ど

,

固 有 振 動 数の影 響が相 対的に目立た な く な る

。

具 体 的に は case 

F

で は降 伏まで約

7

回 ,  case  M で は約70回

,

case  

S

では約 700回の振 動が起こっ て いる

。

  こ の振 幅は 1/4固有周期の間の変 位量で決 定 さ れ るの で,載 荷 速 度の小さい もの ほど振 幅も小さ く なっ ている

。

加 速 度の変 動 も同 様の理由で載荷速度の小さい もの ほど 小さくなっ て い る、 こ の 関係 は 降 伏 後 も変わ らない

。

こ れら の こと が

,

ξが小さい もの ほ ど時刻 歴が直線 的に な る理 由であ り

,

外 力 の変化につ いて考えると

,

問 題 を静

一

的に扱っ て いることに近 く な る

。

          e  図 中a 点で降 伏し た後は降 伏に よる剛性低 下の た め に 固 有 周 期が約

20

倍に伸び る

。

case  

F

で は固 有 周 期の 1/4程 度の時 間で破 断ひ ず み

b

点に 達 し破 断する が

,

case  S で は破 断まで固有周期の 90 倍程 度の時 間を要す る

。

 

b

点で破 断 し た 後 は Mα

=

F(t)の 直線に乗る こと が 分か る

。

 こ の解 析 例で分か るよ うに

,

部 材の状態の変化によっ て系に大き な加速度が 急 激に発生す るこ と がある

。

慣 性 力を無 視 し た静 的解析 法で は この よ うな現象 を扱うこ と は難しい。

5.

数値解 析 例

2一

網 状 スペ

ー

ス トラス  図

一

5に示す解析 例題は多くの研 究 者 (たとえば半 谷 ら31

,

Tachibana“

,

 

WilliamssJ

,

 

Zienkiewicz

らa )

,

 D

.

Karamanlidis らη

,

 K

,

 Kondoh らs 〕な ど)が解 析を行っ て き た有 名な網 状スペ

ー

ス トラス の snap  through問 題 である

。

かつ て筆 者ら も文 献

g

)で静 的 解 析 を行っ た。  こ の例は釣 合い経路

一

ヒに特 異 点を持つ 構 造 物 で

,

通 常 の手 法では解 析する ことは難し い。 5

、

1 解 析モ デル  部 材はすべて同

一

の材料

・

断 面と す る

。

こ こ で は鋼 材 を想 定 し ヤン グ係 数

E

; 2

.

06×1011 [

Pa

] , 断 面 &

’

A

・

=

一 45 一

(4)

0

一

50 F[10

−

4EA ]  

− 100

一

150

        ↑

Pt9 z

,

E

..‘ 9’ u〈:

i

  .         L

_

星 」 単 位:m

一

200      0 図

一

5 網 状スペ

ー

ス トラス問題 12      3     4     tlsec】 図

一

6  外 力 時 刻 歴

5

6

4

.

77×ユ0

−

z [m2 ]と する

。

部 材 は常に弾 性 を 保 ち 個材座 屈は 生 じ ないものと し

,

また部 材 接 合 部ばすべ て ピン接 合と す る。  載荷点であ る中 央の節 点に 2

.

82×IO4 [kg]

,

それ以 外の節点に

2,

59×IO2 [kg]の質 量を付 加し て質 点と す る。  こ の状態で総 自由度 数21

,

固 有 周 期は 1次が0

.

354 [sec ]

,

2次 が O

.

0513 [sec]

,

21次が0

.

00256 [sec]

であ る。   滅 衰マ ト リッ ク ス は

,

初 期 剛 性か ら求め た1次固有円 振 動 数 ω,と そ れに対する減 衰 定 数 h,よ り2hi /ωtを求 め

,

現 時 点の剛性マ ト リッ ク ス に乗じ る瞬 間 剛 性 比 例 型 とし

,

並 進 自 由 度の項に作 用 するものとす る

。

 節 点 ユ の 2 方 向に外 力

F

を 作 用 さ せ る

。

外力 は 図

一

6に示すように最 大 値は 150 [10

−

4EA ]と し, 外 力 を

0

に戻す まで の秒 数の違いで 2ケ

ー

スの解 析す る

。

す な わ ち

,

2 [sec ]後に 0 に戻る場 合 (case 

F

)と

,

 case

F の 3倍の時 間 をか け る case  

S

の 2ケ

ー

スである

。

0

一

5

一

10dfm 】

−

15

−

16

.

432

一

20

一

25     0

0

一5

一

10d [m】

−

15

−

16

.

432

一

20

一25

    0

.

5 1t 【sec】 1

.

5 図

一

7 変 位 時 刻 歴 [case F] 2 100 0  

一

100 P[10

−

4EA ]  

−

200

一

300

一

400

一

500 1    2     3     4     5       t[sec】 図

一

8 変 位 時 刻 歴 [case  S亅

6

0       

.

5        1       1

.

5             t[sec] 図

一

9  中央 点 内 力 時 刻 歴 [case F] 2  積 分 間 隔は O

.

 OOI 【sec]

,

減 衰 定 数

h

,は 3% と す る。 5

.

2 解 析 結 果  図

一

7

,

8は中央の 節点 1の z 方 向 変 位の時 刻 歴で あ る

。

a 点において構 造物は 反転 位 置に達して い る。 質 量 は節 点1に大き く偏っ て い る た め

,

こ の 節点の 挙 動が全 体に支配的であ る

。

この例は減衰が あ り

,

最 終 的に荷 重 が 0にな る た め, 反 転 位置で振 動が収まっ て いる。

(5)

100 0  

一

1dO P[lo

−

4EA 】  

−

200

一300

一

400

一

500 100

0

    1    2    3    4    5       ¢圜 図

一

10 中 央点反 力 時 刻 歴 [case 

S

] 6 0  

一

100 P[10

−

4EA ]  

−

200

一300

一

400

一

500 ← d

冶 認

論

ノ

    

7

丶        b

一

25  

−

20  

−

15  

−

10   

−

5       d[m ]    図

一

11 中央 点変位

一

内 力 関係 0   加 力 点の z 方 向 内 力の時 刻歴 を表 し た もの が 図

一

9

,

lGで

あ

る

’

1

構 造 物が反 転 位 置に達 し た後

,

内力の 変動 が激 し く な り

,

急激な運 動 が生じ て い る こと が 分 か る

。

 図

一

ユ1は節 点1の 2 方 向の 内 力 と変位の関係で ある

。

b

点までは 静 的 解 析結果 とほぼ

一

致 して い る

。b

点 を過 ぎ る と自ら変 位 を 進め ようと す る力が発 生 し

,

snap through 現 象が 起 こっ て い る の が分か る。 こ の snap through現 象は載 荷の 遅い case  S の 方が載 荷の 速い case  

F

に比べ相 対 的に急 激で あ ること が 分牟る

。

その 後 c

−d

点 問で振 動 し ながら減 衰し反転位置

E

点に落 着 くが

,

こ の c

−

d点 閙に描か れ る曲線は

,

この 構造 物の 初 期 状 態に対し て z 方 向上向きに外 力を作 用さ せ た 場 合の原 点か ら描か れ る曲 線と同

一

である

。

 

な お, こ こ で示 した反 転位置と は

,

節 点 1の 2 方 向 変 位が

一

16

.

432 [m ユの 時を指 して い る。 ま た図

一11

に お ける静 的 解 析 結 果は文献9)におい て得られ た もの である。  こ の よ うに

,

実現象に忠 実に

,

系が運 動 を 起こすこと を考慮す れ ば

,

釣 合い経 路 上の特 異 点を超えて の解 析が 司

.

能である

。

較 材

:

節点数

.

呂2 郁材凱92 89

.

1φx32 山

=

関

.

8 ・,

=

3

、

41・1伊IP司 N,

=

2

・

肘・105四

一

● 支点

  .

.

  載荷点 斜材

:

60

.

5φx3

.

8 λ

=

86

、

6 σ

,

訓

.

03×1皚 P 司 馬

=

2

.

了3xLOじ圖 E

=

2

.

06×10且互[Pa]

,

8

=

2

.

06xl困P

己

1

p

a

}

2000     2000    2eOO    2000    2000 図

一

12 複 層立体ト ラス構 造 物の解 析 例

6.

数値解析 例

3一

複 層 立 体 トラス  そ の

11

] と本 論 文の 4

,

5で は簡 単な例 題を用いて

,

従 来 静 的に扱わ れ て き た問題 を動 的に扱う意義につ いて述 べ てきた

。

こ こ で示し た方法 を実際に設計さ れ建 設され る規 模の構 造 物に対して も応 用す ることが できれば, 設 計の時 点で構 造 物の 力 学 的 性質を最終崩 壊ま で把 握で き

,

非 常に有 意 義である

。

こ こ で は

1984

年に実 験 が 行 わ れ た立 体 トラス構 造1°) を例 題と して この解析法を適用 し てみ る

。

こ の実 験は文 献

2

}で も 比較対象と し て扱っ てい るQ   解 析に要 した時 間は CRAY

−

2 を使っ て lcase につ き

CPU

で 3時 間 程 度で あ り

,

現時点で は実用的と は言え ない

。

し か し計 算 機の 進歩に は目覚ま しい ものがあり

,

近い将 来には実用 的 な 計 算時間で 処理で き る よ う に な る と考え る

。

6

.

1 解 析モ デル   こ の解析 例は図

一

12に形 状を 示す 複 層 立 体 トラス構 造 物で ある

。

 各 節 点の質 量は

,

その節 点に取りつ いてい る部材の質 量の み からな るとす る

。

す な わ ち

,

各 部 材の質量 を その 部 材の両 端の節 点が均 等に負 担 する ものと して定め る。  解 析の境 界 条 件は

,

図

一

12中 ●で示す点を 鉛直方向 に支持し

,

▲ で示す点 を水 平 方 向に支持す る。   各 部 材の端 部は節 点に剛 接 合し てあるもの と す る。   荷 重は中 央 部 下 弦 材の 4交 点  に均 等に作 用さ せ る

。

  解 析は載 荷 速 度の違い により 2通 り行う

。

静 的 解 析で の最 大 耐 力 (約 50 ton = :4

.

 9xlo5 [

N

]〉の約 2倍が 1秒 後に作用 す る よ うにす る case  

F ,

5秒 後に作 用する よ うにす るcase  

S

で あ る

。

いずれ の場 合 も荷 重が

一

定の

一

47

一

(6)

o

一

〇

.

02

一

〇

.

04d [m ]

− O .

06

一

〇

.

08

一.

1    

0

    0

.

3/2

.

O t[s  】(ca8e  F!case  S) 図

一13

  中 央点 変 位

一

時刻 歴 O

.

6/3

.

0 0

一

1  

一

2R [1(糊  

一

3

一

4

一5

 

− .

1        

一

〇

。

05          己回 図

一

15 反 カ

ー

変 形 関 係 o 0

一

1  

一

2H [1PtNl  

−3

一

4

一

5  

0

   

0 .3

/

2 .

O

t[sec](c畿 F!case  S) 図

一

14 反力時 刻 歴 割 合で増加す る よ うに作 用さ せ る。  こ の 構 造 物 は

87

自 由 度あ り

,

0

.

0436秒,  2次,  3次 が 共 に 0

.

0372秒

,

0

.

00168秒で ある

。

O .6

/

3 .0

固有周期 は 1次が

87

次 が   数 値 解 析の時 間積 分の間 隔は 0

.

001秒とする

。

6

.

2  解 析 結 果  図

一

13 に中 央 点の 鉛 直 変 位の 時 刻 歴を示す。 また図

一14

に支 持 点 (図

一12

の● }の 鉛直方向反 力の 時 刻歴 を 示 す

。

図

一

15には 反 力 と 鉛直 変 位との関 係を示す。 図中に示し た 「実 験 結 果 」は 上述の 実 験 結 果lo) であ る。   解析結果と 比べ

,

実 験 結 果の方が反 力が小さい のは

,

実 験では部 材 端 部が細くな っ ており

,

ボル トに よ り接 合 して いる のに対 し

,

解 析で は

一

様 な 太 さで節 点で剛に接 続 して い る もの と仮 定し た ためであると考える

。

図

一

13 の 曲 線の折 れ 曲 が り a 点は

,

中央 上 弦材が 塑性座屈す る ことに よ り生じて い る

。

ゆっ く り 載荷 し た case  

S

の方 が例 題2の場 合と 同様に座屈後 急 激に変形 が進行し

,

こ の間の支 持 力は ほ と ん ど増 加し てい ない こ と が分か る

。

 a 点で上弦 材が塑 性 座 屈し たあと, 静 的 解 析と動 的解 析と は反 力

一

変 形 関 係が異なっ て い る。図

一

ユ3によれ ば

,

    4                     2         丼

1

醐     0    

−

2 

一

4

−

0

.

06    

−OgO4

    

− 0 .02

              d[m ]       図

一

16 変 位

一

軸 力 関 係 [case F] 4 2 N [10SN】1    

0

一2

0

一

4

−

0

.

06      

−

O

.

04      

−

0

.

02       d[m]       図

一

17 変 位

一

軸 力 関 係 [case  S]

0

座屈 後急激に変形が進 行し て い る

。

こ の時の加 速 度によ る慣 性 力の影 響で全 体の変 形が変 化し たものと考え る

。

 図

一16

か ら

18

に中 央 部の変 形と代 表 的 部 材の軸 力と の関 係 を 示 す

。

座 屈 発 生 までは どの 解 析 法でも 同 じ結 果 で あ るが, 座屈 発生によ り急 激 な 運 動 が始ま る と

,

質 点 に作 用す る慣 性 力の影 響で

,

変 形が運 動 状 態に よっ て異

(7)

4 2 丿vにOSN]    

0

一2

一

4

−

0

.

06

一

〇

.

04d 回

一

〇

,

02 図

一

18 変位

一

軸 力関 係 [静 的 ] な る た め

,

微妙な違い が見ら れ る。 0

7.

考 察  例 2

,

例

3

の よ う に静 的解す な わ ち釣 合い経 路が得ら れ てい るものと 動 的 解 を 比較す る と

,

載 荷 開 始 当 初は同 じ変 位

一

荷 重 曲 線を描 く

。

幾 何剛性の 変 化あ るい は塑 性 化に よる剛 性の低 下によっ て変 形が急 激に進行す る よ う に な ると

,

静 的 解 析 解と

,

動 的 解 析解 とで違 う変位

一

反

       げ

力関 係に な る。 また

,

動 的 解 析で あっ て も, 載荷の仕 方 に よっ て も か なり異なる変 位

一

反 力 関 係になる こ と も 分 か る

。

その他に も質量の 分布形に よっ て も挙 勤が異な る川 。 これら はすべ て動的解析の場 合に質 点に作 用す る 慣 性 力の影 響であると考える

。

8.

結   論  構 造 物に外 力が作 用 し た時の挙動を

,

材料の構 成 則

,

釣 合い条 件

,

適 合 条 件の 3つ の

基

本 式を用い て, 静 的な 釣 合い条 件の変 化と考え て解 析す る方 法が静 的 解 析であ る。 つ まり構 造 物に生 じ る加 速 度

,

速 度は 無視で き る と 考えて いる。  静 的 解 析 は構 造 物 が安 定 範 囲に あ る と き に は, 外力に 対 して生じ る変形, 応 力状態 が 1対 1に対 応し

,

その結 果 得られ る変 形

,

ひずみ

,

応 力は構 造 物の力 学 的 挙 動を 理解す る の に非 常に有益で あ る

。

 構 造 物が不 安 定状 態に入っ た後の挙動の 解 析につい て も

,

静 的に与え た外 力 と構 造 物の抵 抗の釣合いとい う考 え方で解を得る研 究は数 多くな され ている

。

し か し

,

本 論 文で述べ たよ うに, 部 材の座 屈, 破断な どによっ て構 造 物の中に急 激な変 化が生じ た と き

,

あ く まで外 力と構 諠 物の抵 抗の釣 合い を保つ とい う考え方で解を得る こと は非 常に難しくな る

。

 実 際 現 象とし て も構 造 物に は質量 が存 在し

,

急 激な構 造 物の変 化に は大き な加速 度

,

速度 が 生 じ るか ら

,

こ の ような不 安 定 問 題は動 的に扱う方が合理的で あ る と考え られる

。

 その 1に引き続き本論文では 3つ の例 題を用い

,

特に 外 力の作用 時 閙 を 変 数 と して数 値 解 析を行い考察する こ と に よっ て, 不安定問題の構 造 解 析 を動 的に扱 うこ との 有 効 性を示し た

。

 動的解 析は こ の よ うに 利 点 が多い が

,

膨 大な計 算を 必 要と す る とい う欠 点が あ る。 解 析 例か ら分か るよ うに

,

構 造 物の最 も長い固 有 周 期の 数倍の時間に わ た っ て解析 し な け れ ば

,

構 造 物の 固有振 動の影 響 を 強 く う け る。  

一

方で

,

数 値 積 分の制 約か ら, 構 造物の最も 短い固 有 周 期 より短い積 分 刻み で積 分 を行わ な け れば発散 現 象を 起こ して しま う

。

し たがっ て

,

数 千

,

数万の時間ステッ プにわた り非 線 形 解 析 を行わな けれ ばな ら な く な る。   次には

,

部 材の中 間にも 質量 を分 布させ て部 材 内の動 きに も慣 性 力 を考 慮し な が ら構 造 物の非 線形 挙 動 を 追 跡 することを考え て い るが, こ の場 合, 最短固有周期は本 論 文で扱っ たもの より さ らに短く な る難 し さ が あ る。   自然現 象は連 続 的な現象で あ り

,

数値解 析 に用い てい る時 間 刻み At は必 要な く

,

載 荷 時間 はい く らで も 遅 く す ること がで き る。 わ かりやすく言い換え ると 自然界は 無 限 回の積分 を行っ て い る こ と に な る

。

 以 上 述べ て き た ように

,

現 状の計 算 機に よ っ て自然に 起き ている現象を そ の ま ま再 現しよ うとする の は非 常に 難しいが

,

計 算 機の 能 力の 向上に は目 覚まし い もの があ り, 近い将 来こ の よ う な解 析を行うことも可 能になると 考えて いる。 参考 文 献 1) 久 保 田英 之

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参照

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