Architectural Institute of Japan
NII-Electronic Library Service
Arohiteotural エnstitute of Japan
【
研 究 論 文】
UDC :624.
Oア4.
32 :624.
074
.
43 :624.
042 日本建築学 会 構 造系論文 報告 集 第 360 号・
昭 和 61 年 Z 月静
水 圧 型 外
荷
重
を
受
け
る
円弧
ア
ー
チ
の
安定
問題
正 会 員大
森
博
司
*1.
既
往
の 研究 と
本
論
の目的
薄 肉 弾 性 体
,
特
に シェ ル構 造 物
につ い ての弾
性 安
定 性
を検 討
す る際
に,
そ の安
定
限 界荷 重
を変 動
さ せ る要 因 と
して は種
々考
えら
れ,
歴 史 的
に も さ まざ
まの要
因が そ の検 討
の対 象
と し て研 究
さ れ て き てい る。
シェ ル構 造 物
の弾 性
安
定
に関
す る研 究
に つ い て は,
主
とし て実 験 値
と理
論 値
の間
のギャップ
を 埋 めるた めの努 力
そ のも
のが,
こ の分 野
の,
こ こ約
40
年
の歴
史
であ
ると
いえよ う
。 そ れ ら の研 究
の中
で も,
最
も精
力 的
に研 究
され てき
たも
のと して,
系
の有 す
る初 期 不 整
,
初期
ひず
み, あるいは応 力
,さ
らには境 界 条 件
の影 響
に関
す る研
究
を挙
げ る
ことが
で き る。
こ丸 ら の諸 要
因は,
系
の安
定
限界 状 態
に微 妙
に影
響 を与
え るも
の で,
場 合
に よっ て は,安
定 限 界 荷 重
を大
き く変
動 さ せ る要
因に も な り得
るも
の であ
る こと が,
こ れ までの研 究 報 告
に よ り指 摘
さ れて きてい る】)”
51。
本論
で扱
う,荷 重
そ のも
の の持
つ特 性
に関
しても,
そ の よ うな研 究
の歴 史
の中
で問 題 意 識
が 生 ま れ, 研究
対象
と なっ た。
1942
年
,H .
Tsien6
〕は,
等 分 布 外 圧 を受
け る球 殻
の安 定 解 析
を 通 して,
外
力の特 性
の評 価
の相 違
,
す
な わち
,
圧 力型
の外 力
の変
形 依
存性
を考
慮
する か否
か の相 違
が,
シェ ル の安
定
限 界 を変 動
させ る場 合
があ
り,
系
の持
つ初 期 不 整
,
初 期
応 力,
あ るい は ひず
み,
境 界 条
件
に対 す
ると 同様
に検 討 を加
え ること が 必要
で ある ことを指 摘
して い る。
外 力
の特 性
と弾 性 体
の安
定
問
題 と を,
こ うし て明
ら か に関 連 付
け て議 論
した研 究 報
告 は,
お そ らく こ れ が最 初
のも
の で あ ろ う。 その後
,G .
W .
H .
StevensT
〕は,
弾 性
FL
]弧
リング
が,
等
分布 荷 重 下
に置
か れ た場 合
の限界
荷 重 が,
外 力の評 価方 法
によっ て,
大
き く変
化 するこ とを示
し,
ま た,
A
.
P
.
BoresiS
]は,
Fig
.
1−
1
お よ びFig.
1
−
2
に示 す よ う
に,
円 弧
リング
に3
種類
の異
なっ た特 性
を持
つ等 分 布
外
圧 を加
え た 場合
の弾 性
限界
を求
め,
これ らが 互い に異 な る値
と なるこ と を示
し て い る。 ま た,
G
.
A .
Wempner
とN .E .
Kestig
) は,
両 端
固 定
の種
々 の開 角
を持
つ 円 弧 アー
チ が,Fig.
1
−
3
に示
す よ う な3
種 類
の荷 重 を 受 け た 場合
につ い て,
座
屈時
の軸
方 向
ひず
み が ない と考
え た上
で、
線
形
固有
値 問 題
と して こ れ を解
き,Table
l
に示
す ような弾 性 安 定 限 界 荷 重
を求
めて い る。 この結 果
は,
外
力の評 価 方
法の相
違に より,
安 定 限 界 荷 重
に変 動
が生 ず
るこ と を明 確
に示
して いる。 さ ら に,C .
Oran
とR .
S.
Reagani
°1は,
円 弧
アー
チの境 界
が,
弾 性 支 持
さ れ た 場合
につ い て,
荷 重の特
性 評価
法
の相
違
に よ り,限 界
値
に複雑
な変化
が見
ら れ ることを
ShnPE oE EIasヒte Rt1SShnpe gf Elss
℃
ic Rin巳(
日
1 Cen二
【
al⊥ア Di【
ec」
±onal Pressure〔b } ConStSn
こ
ly Dire:
t ±e冂
al Ptessu匸
e〔c} Pu
匸
e Nり
【
mal P匸
e!
su【
臼
Fig
.
1
−
1
Etastic
Ring
sロb
亅ectedto
Three
different
Types
ofExterna
【PressureSl
4
.
5
D
5 43
降
゜
国 』8
づ 雪 昌 h 円 ¢ H 呂 0 3 凵 O 凵 U 悶 國 2.
5
Cent
τally Direc にioual LoadB (り=
0.
00 )Nor皿al
Loads
(り=
O.
3D )HG
l
Loads
(り冒
0.
00 )事 名 古 屋 大 学
助手
・
工博
〔昭 和
59
年 ll 月8
日原 稿 受 理1
0
0
,
05
0・
10Thickne55
Divided by 工nner Radiu3h
/aFig
.
1
−
2
κversus
h
/aS
,一
一
94
一
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\
f
匚
1[
SLi
・
ktchn 「ormed sh
口
P冒
u 【 ElaS匸
t4、
L匚
h.
!〔
自
) G匸
11
匚
匸
自
11y Dir邑
cし
ton;
1 FrEsuurこ
/
一 一 一
\
∴
… _
I
Fig
.
1
−
3
ELastic
Circular
ATch
subjected toThree
Different
Types
ofExternal
Pressureg
)Table
l
Critical
Loads
of theCircu
旦arArch9
) α:Opening
Angle ofthe
Arch
£
.
1.
’
rec 口on ofLoad
030
060
090
0180Fr 已eRing
Nor
皿旦1
73
,
318
.
18
.
03
.
03
.
O
Constanr
80
.
519
.
49
.
05
.
64
.
0
CentraL
80
.
520
.
2
]LO.
96
.
54
.
5
報 告
して い る。
変 形 依 存 型
の外 力
が,
球
形 シェ ル,
円弧
アー
チ,
あ る い は リング等
の弾 性
限 界 に影 響 を 及 ぼ す ことにつ い て は,上 述
の よ うに, い くつか の報 告
があ る が,
これ らは, その いず
れも
が,線 形 固 有 値 問 題
と し ての見地
か らの座
屈
を扱
うも
の であり,
ま た,
座 屈 時
に おい て,
軸 方 向
ひ ず み を 起 こさ ぬ.
い わ ゆ る伸
び な し変 形
を仮 定
し ており,
特
に座屈 前
におい て,
非 線 形 性
を伴 う曲 げ変 形
を生
ず る よ う な 場合
に は,
大
き な 誤差
を生 ず
る可 能 性
が ある。
ま た,
これ らの報 告
において は,
外 力
の変
形依 存 性
を,
幾
何
学 的
な力
のつ り合
条
件
か ら評 価
す ること に よ り基 礎
式
を 定式 化
してい る が,
球
形 シェ ル,
円 弧
アー
チ あるい は リング
の よ うに,
弾 性 体
の境 界
が変 形 拘 束
]4)を受
けて い る よ う な も の に作
用
す る 圧力 型
の外 力
は,
ポ テンシャ ルカ
と な り,
これ を直
接
離散
化
して基 礎 式
と す る 正確
な扱
いが可
能である。
本
論
では,
両 端 ピ
ン支
持
の円
弧 アー
チ を例
題 と して,
その定 式 化
過程
を示
し,
その結
果求
め ら れ る基 礎 式
を も と に し て,
外 力
を 正確
に評 価 し た幾 何 学 的 非 線 形 解析
を行
い,
外 力
の変 形 依 存 性
が,
系
の弾 性 安 定 性 状
に及
ぼす
影 響
につ い て検 討
を加
え る と とも
に,
弾 性 安 定 解 析
に多
用 さ れ る 固有
関 数 展 開 を 用い たノー
マ ル モー
ド法 がこ の種
の問 題に適
用 され た 場 合の精
度 を 検 討 す る た めに,
、
有
限要 素
法
を 用い た 場合
との比較
につ い て も言 及
す る。2.
静
水
圧 型
外
力
のポ
テ ン シャ ル表示
本 論
で は,
シェ ル等の弾
性 体 表 面に対 して,
法線
方 向 に作 用
する変 形 依 存 型 外 力
の最
も一
般
的
な もの と し て静
.
水 圧 (
従 動 型 等 分 布 荷 重 ) を 考
え,
以 下
これにつ いて の定 式 化 過 程
を示
す。
2
−
1
一
般
の曲 線 座 標
に対 す
るポ
テン シ ャ ル表 示
今
,
静 水
圧型
の外
圧(
厳 密
に は液 体
の深 度
によ
り変 化
す る が,
こ こ で は こ の影 響
は考 慮
か ら除 外
し,一
定
とし て扱 う)
を受 け
る弾 性 体
がす
べ て の境 界
に変 形 拘 束 を 受
けて いるも
の と す れば
,
単 位 表 面 積
あた り に作 用 す
る外
圧 を ρ(
一
定
)
,
そ れを受
け て弾 性 体
が変 形
し,
そ の結 果
,
その基 準 面
が移 動
し た部 分
(
Fig
.
2
−
1
で微 小
六面 体
P
’
Q
’
S
’
R
’
−
PgRS
の部 分 )
の体 積
をAV
と す れ ば,
外
力 仕
lj
AW
は次
式で表
され る11)。
△
W
=P
●
△V ・
9・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
9・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(
2−
1
)
こ の表 式
か ら,静 水 圧 型
の外 力
の仕 事 量 を
求
め る た め に は,
弾 性 体
の変 形
に伴
っ て,
そ の圧 力 を受
ける表 面
が移
動
し た部 分
の体 積 変 化 量
AV
を求
め て,
こ れ に外 圧
p
を乗 ず
れ ば良
いこ と が判
る。 こ のよ う
に考
え れ ば,
結 局
問
題 は,
Fig
.
2
−
1
に お い て,
微 小
六面 体
PgRS
−
P
’
9
’
R
’
S
’
の体 積
を,
変 位
ベ ク トル u に よっ て表 現
する
こ とに帰
着
さ れ る。 こ の図
におい て,
各
ベク トル は,
こ の曲線 座標 系
の共 変基 底
ペ ク トルを,
g
,,
g
、と す る と次 式
の よ うに表
さ れる。PP
’
=
u,
’
=
u 十 u、
tAxiss ’
=
u + u,
2Axt,
RR ’
=
u + u、
iAxi
+腿.
2△げPQ
=
91
ムコc
匚,
PS
=
92
ムコcz
・
・
・
・
・
・
・
…
一
・
一・
・
・
・
・
…
鹽
鹽
鹽
『
・
…
噛
鹽
鹽
鹽
(
2
−
2
)
P s,
R,
torVeo しor oFig.
2
−
1
Shift
ofthe
Infinitesimal
Surface
ln
the
Curvilinea
[Coordinates
一
95
一
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こ こ に
,
μ.
t=
∂u
ノ
∂ゴ
を表
す。
こ の
表 現
を用
い て微 小
六面
体
の体 積
を求
める と,高 次
微 小 量
を省 略
し て次式 を得
るf’
ten1。AV
−u
・
{
91X
・ ・+毒
(u,
1X ・・一
・,
・Xgl
)
+
静
x
司
△・・ムゴ
・
…・
・
ttt
……一
(
2
−
3)
ゆえ に,全 体 積
V
は次 式
で表
される。v
−
∫
・恒
梅
+ム
(
u・…
−
u.
、
xgl
)
・
去
Un ・ u
.
・]
d
・・dX2
………・
・
………・
・
(
2
−
4)
テ ン ソ ル表
示
で は,u
=
utgt
,UJ
=
uS
−
gi
十衡 ‘1「
i
/9
鳶・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
tt・
(
2−
5
)
であ るか ら, これを (
2
−
4
)
式
に用い れ ば次
式 を得
る。
v
−
rf
[
fg
u
・ +麦
1
漁
5
・・バ ・〜
・ 、、∂
+
u
’u
’ (rl
・E・・厂r
?
… ’)
}
+き
・ ・
(
啝
諏
十
垢
駕」rl2
ε‘犀躍十utuftFi
εtjic・
u
・u
・r
:
Fh
・m ・h)
]
d
・・d
・’・
・
・
・
・
・
・
・
……
(
2−
6 )
これ が体
積 変 化 量 を示
すテ ン ソ ル表 示
である。 ただし,共
変
基
底ベ ク トルg
、の第 」成 分
をg
、」 とし,
g
=
det
(
9
‘J)
で あ り,FS
はChristoffel
の記 号
,
ewrc はEd ・
dington
の記 号
であ る。2
−
2
一
般
の曲
線 座 標
に よ るつ り合 式
の表 示
弾
性 系
の持
つ ひず
みエネ
ルギー
を
U
,
外 力 仕 事 を
W
と す れ ばつ り合 式
は次式
で表
さ れ る。
δ
(
U 一
陞)
=
O
あ
るい は δu・
grad
(
U −
W
)
=0
…
P7・
…
r777
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
・
・
…
(
2
−
7
)
こ こ に,
δu
は変
位ベ ク トルu
の第
一
変 分
,
grad
(
U
−
W )
は汎関 数
H =
σ一
W
の こう配
】9}を表
す 。静 水
圧型
の外 力
を受
け る場 合
,
単 位 面 積 あ
た りに作 用
す る外
圧 をp
と する と,
外 力
の成
す仕 事
W
は,(
2
−
4
)式
か ら次式
で表
され る。
w 一
小
・
{
鵬
・去
(
・,
・× ・・一
・,
・×9i
)
・
去
馬 ・ u.
・i
…d
………・
一 …一
(
2
−
8)
変分
を と る と,
・
W
/
・・
f
, ・U
・
19i
・9
・+ ・・Xg2
−
u.
・X
・・’
+ Un・・
抛
…+[
Lf
,
,
・u・
(
S
・・Xu
・
9
・
.
・× ・)
・司:
:
:
;
1
・[
∬
δ・く
が
×91
+き
・×・・)
d
・・11
:
1
;
:
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
t・
・
・
・
・
・
…
(
2
−9
)
こ こ に,
デ,
Ii
’
,
デ,
歪2’
は それ ぞれxl
,x2
の変 域 境
界
に お け る指
定
さ れ た値
であ る もの とす
る。Ou
がx
’と一
96
一
ゴ の境
界
で消 失
す るこ とを考 慮
する と,結 局
、
つ り合
式
は次 式
で表
現 さ れ ることにな る。grad
l
ノー
p
(
g
,
十 u.
i}
x
(
9i
十 u、
z)
;
O
・
・
・
・
・
…
(
2
−
10 )
あ る い は,grad
I
ノー
P
(
δ{
十utL
十u
「Crl ,)(
δS
十uf2
+ utrll
)
ε iJ.gM
=
0
……・
…・
・
…………・
tt
(
2
一
ユ1
)
(
2
−10
)
式
あ るい は(
2
−
11
)式
に お い て,第 2 項
の外 力
項
の変
位
に関
す る項
を取
り除
け ば,
通 常
の定 方 向 型
の圧
力
に対
す る基
礎
式 と な る。結 局
,
(
91
十 U、
1)
×〔
g
:+ U,
2)
の項
は,
系
が変 形
す ることに より,
外 圧
p
の か か る部 分
の見
つけ
の面 積
が変 化 す
ること
によ る 影 響 を表
すも
のと
解
釈
す ること がで き る。
3.
有 限 要 素 法
による円 弧
アー
チ の弾性 安定
解
析
本 章
で は,
シュ ル構 造 物 が 面 外 方 向
に静 水
圧型
の分布
力
を受 け
た場 合
の モデルと
して,
最 も 簡 単
な両 端
ピン支
持の 円 弧アー
チ を設 定
し,
局 部 的
な不 安 定
現象
を も解
析
対 象
と す る た めに,
有
限要 素 法
を用
い て数 値 解 析 を行 う
。
外 力
は前 章
で求
め た体
積変化
暈 の正
確
な表
示
に基
づ く ポ テ ン シ ャ ル を直 接 変
分 す ることに よ り求 め ら れており,
静 水
圧型 分 布 力
の評 価
を極
めて簡 単
に行
い得
るこ と が 示 さ れ,
併
わ せて こ の外 圧
の変 形 依 存 性
が系
の弾 性 安 定 限
界
に及
ぼす影 響
につ い て の検 討
が加
え ら れ る。
3
−
1
有 限 要 素 法
に よ る基 礎 式
の定 式 化
こ こ で は
,
前 章
で求
め ら れ た静 水 圧 型
の外
圧 に対
す るポ
テ ン シ ャ ル の表 示
に基
づ いて,
通 常
の は り要 素
に よ る有 限 要
素
法
を用
い て離
散 化
する。
は り
要 素
の変 位
,
座
標
の規 約
はFig.
3−
1
に示
す と お り で あ り,
通常 扱
わ れ て いる よ うに,
面 内 変 位u
に つ い て は1
次
,
面 外 変 位
w につ い て は3
次
の代 数 内 挿
関数
を用
い る。 こう
し た規 約
に基
づい て,
ひず
み一
変 位 関
係 式
は次
式で表
さ れ る。
:
:
鶴
;
轍繍嬲
ll
;
v2
}
…・
・
………・
…
(
3
−
])
こ こ に, ε は軸
方
向
ひず
み,
x は曲 率 変 化 率 を表 す
。一
要 素
あ た りの ひず
みエネ
ルギー ue
は,
有 限 要 素 法
の通 常
の手 続
に従
っ て次
式の よ うに求
め ら れる。
ue =
=
H
急
d
£
df
十H
跳
d
『
d
∫
d
箟
十8
躡
dfd
望
d
覧
d
『
…・
…………一 ・
・
…・
…・
…・
(
3
−
2
>
こ こに,
Hf
,,
H
臥
,
H 融
は,要 素
の節 点
変位
ベ ク トルdf
の並 びに応
じて作 成
さ れる,
1
次
,
2
次
,3
次
の ひず
Vi w ]・
WFig
.
3
−
1
Beam
Element
ゴ
ec匸±on 八rea gment of Inertia
Architectural Institute of Japan
NII-Electronic Library Service
Arohiteotural エnstitute of Japan
みエ
ネ
ルギ
ー
に対
応
す る係 数
マ ト リ クス であ
る。 な お,
こ こ で下 添 字
i,
」
,h,
‘等
に関
し て は,
総 和 規 約 を適
用
するものと し,
以 下 特
に断
わら ぬ限
り,
こ の約 束
に従
う も
のと
す る。
静 水 圧 型 外 力
の一
要素
あ た り になす外 力仕 事
we
を
,
(
2
−
8
) 式
に基
づ い て評 価
すれ ば次 式
を得
る懈 2 。we
.
・
ノt
(
△E
島
d
f
十Pf
(躍
)…………・
…・
…
(
3
−
3
)
こ こ に,A
は静 水 圧 型 外 力
の単 位 面 積
あ たり の荷
重
を 表 し,
A
は,
こ れ が0
の時 定 方 向型
外
力
を,
ま た,
1
の時
静水
圧 型外 力
,
すなわ ち法 線 方 向 変形 依 存
型外
力 を表
す便 宜 的
な指 標
で あ る。 ま た,
Pf
は通 常
の扱
い での等
価 節 点 力
を表
し,E
島
は,
外 力
の変 形 依 存 性 を表
す係 数
マ ト リクス で,
これ ら は そ れ ぞ れ次 式
の よう
に表
さ れ る。
lP
認
γ霜 δ[
0,1
/
2
,1
:/
12
,
0
,
〃
2
,
− li
/
12
]
…・
・
(
3
−
4 )
[
E
島]
=b
0
0
− l
/12
0
0
0
sym
.
0
− 1
/2
1
/2
0
♂/12
00
0
0
9
/12
0
0
−
1
/12
0
0
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(
3
−
5
)
こ こ に,b
は は り要 素
の幅
,
1
は同 じ く 長 さ を 表 す。
(
3−5
)式
で表 現
さ れて い るマトリ
クスEZ
の非零
の要
素
の位 置
は,線
形要 素 剛性
マ ト リク ス の非 零
の要 素
の位
置 と
すべ てず
れて おり
,
変
形依 存
型外 力
の持
つ特 性
を示
す もの で ある。(
3
−
2)
式
およ
び(
3
−
3
)式
で表
され る要
素
のひず
みエネ
ル ギー
と外 力 仕 事
の表 現 を
,
座 標 変 換 を
’
通
して全 体 座 標 系
での表 示
とし,
こ れ を構 造 全 体
で重
ね合
わせ て得
ら れ る全
ポ テンシャ ルエネ
ルギ
ー
を
,
節 点 変
位
ベ ク トルで停
留
さ せ ることによ
り,
つ り合式 と
して次
式 を得
る。
(κσ
一
ム五El
」)
d
,十KWit
〔1
,d
κ十 κ‘瑠 〔均
d
κd
晨=
ノLPi
・
・
・
・
…
77・
・
7r・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
『
一・
・
(
3
−
6
>
こ の
表 現
か ら判
る と お り,A
=1
,
す な わ ち外 力
の変
形依 存 性
を考 慮
す る場 合
に は, つ り合
式の表
示中
に,変
位
d
‘に関
す る非 線 形 項
はも
とよ
り,
荷 重
パ ラメー
ター
A
に関
し て も,nd
‘の項
を含
んでお り,
荷 重
パ ラメー
ター
を も 未 知パ ラメー
ター
と考
え れ ば,
それ自 身
, すで
に非線 形
と なる項
を含
んでい る。
(
3
−
6
)式 を変 位
に関
し て線
形 化
し た, いわ ゆ る線形
つ り合式
は次 式
で表
され る。
(
K
‘丿一
AAE
.)
d
丿==AP ,
一
・
…・
・
…・
…・
…・
…・
…
(3
−
7
)
こ の式
か ら判
る と お り,左
辺 の係 数
マ ト リ クスは,
各荷
重 値
に応
じ て漸 次 変 化
す る もの で,
通
常
の意 眛
で の線
形
解は存 在
し ない。
し た が っ て,
物 理 的 考 察によ り,
(
3−
7
)
式 左
辺第
2
項
の非 線 形 項
の影 響
が無 視
で き る と判 断
で き る場 合 (
具 体 的
に は,
線 形 膜 解
で十 分 近 似
でき る場 合
等 )
以 外 は,
こ の 種の問
題に は,
安 定 解 析
の手 法
と し て の線
一
PIN
−
E
Fig
.
3
−
2
Circular
Arch
形
固有 値
問 題
と して の扱
い方
は,
本 来
,
適
用で きな い。
3
−
2
数 値
解析
数 値 解 析
に用
い たモデル は,
Fig
.
3
−
2
に示
す よ う な両
端
ピン支持
の円弧
アー
チであり,
はり要 素
に よる分 割 を
20
の均 等
分割
と し,
対 称 変 形
を追 跡
する際
に は,対 称
条 件
を設
け,都
合
10
分 割
で解 析 を実 行
し た。
な お,
(
3
−
6 )
式
で表
さ れ る非 線 形 代 数 方 程 式
の数 値 解
析
に は,
帯 行
列 を 用い た 弧 長 法t
’
ne3
が用
い ら れ て お り, さらに分
岐点
を求
め る手 法
につ い て は,
通 常
の行 列 式 を
チェ ック す る 方 法 に よっ て い る が,
分 岐 点 近 傍
に お け る 分岐 方 向
の探 索に は,
普 通 よく用
い ら れ る固有値
解 析
に よ る方 法
, あるい は摂 動的
な手 法
121 によ らず
,零
固有 値
を持
つ マトリ
クス の性 質
を利
用
し た簡 便
な方 法
臟 4が南
い ら れ て い る。
’
数 値 解 析
は,
定 方 向 外
圧 と変
形 依 存 型 外
圧 が系
の安 定
性
に及
ぼす影 響 を把 握
す る た めに,
円弧
アー
チの形 状
を次
に示
す よ うに変 化
さ せ て行
っ た。
荷 重 :定 方
向
型外
圧,静
水 圧
型外
圧形
状
:HIR ≡
1
/
50
,
1
/
IOe
,
1
/
200
Rise
/
Span=
0
.
5
/
10
,
1
/
10
,
2
〆10
,3
/10,
4
/
10
,5
/
10
こ こで は
,
紙 面
の都 合
か ら,Rise
/
Span=
2
/le,3
/
10,
4
/
10
,
5/10
の場 合
は割 愛
し,
残
りの6
ケー
ス に つ いて結
果 を 示 す。
文 献
18
)
にすべ て の結
果 を掲載
してい る。Fig.
3−3r1〜
Fig
.
3−
4
−3
に そ れ ぞ れの場 合
のつ り合曲線
の全 貌
と 分岐 点 付
近の つ り合 曲線
の詳 細
を 示 す。
各 図 とも
,
実 線
で示
すつ り合曲
線 は 定 方向
型の外
圧に よる場 合
を示
し,
破 線
は静 水 圧 型
の外
圧 に よ る場 合
を示 す
。又
,
詳 細 図 中
の一
点 鎖 線
は,Timoshenko
とGere13
} に ょ る線 形 膜
解
か ら の固 有 値 閥題
と し て得
ら れ る 古 典 的 座 屈 荷重 値
を示
してい る が,
これ は次 式
か ら求
め ら れ る もの で あ る。
Per一
号
(
4
π22
−
1
φ)
・
…一 …・
…・
・
…・
・
……
(
3
−
8)
.
こ こに,
EJ
,
R
,
φ
は そ れ ぞ れ, 円弧
アー
チの曲
げ剛 性
,
半径
,
全開 角
を表 す
。 また,Fig.
3
−
3
−
1
は,
H
/
R
=O.
02,
Rise
/
Span
=
0
.
5
/
10
の場 合
であ る が,
こ こ で は,
飛 移
点 に致 る まで の メイ
ンパ ス上
に分岐 点
は存
在
し な かっ た。同 図 中
にP
,
r とあ
る の は,
上 述
のTimoshenko
とGere
によ る 値 を示
す。3
−
3
解 析 結
果の考 察
一
97
= N工 工一
Eleotronio LibraryArchitectural Institute of Japan
NII-Electronic Library Service
ArchitecturalInstitute of
(PRIEHxMS
O,40
O,]2
O,2"
O,16
D,08
o,ae
Japan
o,Do
o,os
o,16
o,2q
'o,32
o,qo
o,qs
Fig.3-3-1
{PWEHslor)
1[!ll
:I
D
,
[IIii-1・11j
:1'
ff
F
ij・r
Ll
"/f
:r,t:/:Di;NGr
RlsEfSpAN-,DS
o,2"
---r
'
l[
l
")
2,15
'..
!-
s
H-X
x
Pcr=O.825xlO-2(T
±moshenko and'
W:
Vertical
Displacementat
the
Apex
efthe
Circular
Rt
Radius
H: Thickness
E:
Young's
Modulus(HfRxlo't)
P:
External
Pressure
per
Vmt
Equilibrium
Path
CPRtEHxlcr)
o,2
,e
I7T+
l
-l
l
Gere13)
Arch Area;/::[:oli/gio:IE:・:,l?:DTNG
-"i.;
'
±
1
.-.L.-.
xr'"-a-.'p
7--・--・-・
-rlRrsEfSpAN=O,05
}
o,es
G.oe
-o,es
v1
'rr
r
'.. SNO,08
O,l5
e,24
"..o,4o
G・VRtlO")
-'mL
p;.mx
Fig.3-3-2a
Equilibriuin
Path
CPRI[HilD-i)
II
e,]2
,NoN-FouaHER1111
---
/FoLLoHER
LuAn]Ns
Tl
L-Ll
.]
T"r-tHiR=D,9D5
I
O,2t
a,2-'
O,1
O,1.
o,o
O,O
a,oe
11 ;:1,
...
t
IV
.LP.C-R.10,[L2,CtE..x-i-(i
'1i
.,
l
t.
Ir
LO,l6
o,og
'O,DO
-O,08
-O,16
t.---I-M
T
1
ii1-1
/LL
o,oo
o,lo
o,2o
e,]o
O,04
O,OS
D,1
T
i
Fig.3-3-3a
-98-{PRIEHxle")
1,12
2
O,ISl
Equilibrium
Path
tlO-L}O.9,
O,8
O,6
o,"
os
O,1
o,o
Fig.
3-3-2
b
,I
[
nPcR=O =1
e,4o
o,so
Equilibrium
,
FoLLovERLHIR=O,e05
1RrsEISpAreO,OS
515xlO
7 f rl
'r
e,6o
o,7o
Path(VVRHIO{)
ll
OLLoWER11LeAD]NG''t111-
1...-VERLeADING/'115
t1f''F
rl±
O,OS.A''tl
' 'F
1'
x,
t F 1 If1llu-mm[iL'
r
..wh1
'.-u-r't-[1.m
ll1'
(wfRxi,e")
o,eoo,oq
o,Ds
o
Fig.3-3-3b,12
O,16
g.20
O,2i)
EquiLibrium
Path
"H-1o,2g
Architectural Institute of Japan
NII-Electronic Library Service
ArchitecturalInstitute ofJapan
o,sc
O,6C
P,40
O,2
o,o
-O,2
-o,g
RIEH.10-,)I,"・,,I1
llri'1),"eH-FoLLoH'ERLo.xmelG
11
1FoLLo,HERLoADING'tt
':
1ttt..tLtt.T-t:mtittmtu'tti"'i[[
1HIR=O,02RIsE/SpAN=O,10r-1'---i''Lr
l...t
ttt
・!'Tjlrttttt
1lt'1-['il・7r
'r-'-T"L"'
l
.--tL-H-7.tltt...H...
[-.
1
o,i6o,32o,4so,6q,soo,96cw
..t.-t1""'
'
L1
Fig.3-4-1
aEquilibrium
Path
CPR!Ell'・・10")
:itoN-FoLLov!ER
LoAolNG
r-
/),2q---l--/
FoLloHER
LoAD[NGTi..."'
l'
1
..II;:
2
,
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"
i
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2
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I
m
'
t
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'
i
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・
r'-Ctl
L'll-'i""'.rr..----.・---.
±
N
1
'
J----.--J-rte
"
7"IZ-
'lt--1
f・
HfR-O,Ol
i
'
1
RIsEfSpAN=O,10
CW/Rx!O-,1.
(PRIEH'11'
O,S6
O,48
O,40
O,32
O,2"
O,16
1)1T...-.LF7-m.L
1lt-i
l'
1s
t
x-
1FoLLokeERLoAD]NGx'
[1
LewERLoADI 11'fm'ptG-11xx/t'T-t/
J"t7lr1H/R=O,021---RlsEISpAN=O,10
l
,
l1-ti'x1-
'71-PcRta1F-,20]lt10-i
e,9E
O,08
o,oo
O,OO
(PRIEHxlO':)
1
1
7 ±
O,16
O,]2
Fig.3-4-1
ll
1`Ll
-.-tttT
dEt--tt
(WfRxlO-2)
T
o,s
'[---e,o"
e,E-O,48
O,E4
O
b
Equilibrium
771
"-L.r"
,80O,96
Path
l1/1111lI :/j・
1
t"ot"-FoLLoltER
LeAD!NG
FoLLqLER
LoADI[NG
l
//lt1
I-l--j
1,12o,gs
,i2
O,48
0,6"
{W)RxlO.)
Equilibrium
Path
O,]2
-O,16e,oo
o,16
o
Fjg.3-4-2a
e,IE
o,o
1l
:PcR-O
1 pI,519xlOf]
t-111
f7 r FTe
r
-l1n..'7.
.1
L----'.
/
lrlR#O,Ol
1R]sE/SpAN=O,10
tr
L
{PRt1l
O,20EHilO-i}
I
ilt:oN-Foi/LowER
LaAD[NG
--l
]
l
l
1
---
:FoLLowER
LoADING
l
'l
[l
O,IE---THfR=o,
"'I
R[sE/SpAN=O
O,l2-t--[---
--..
i
,ooO,14o,2s
o,g2
o
Fig.
3-4-2
b,5S
O,]O
Equilibrium
O,84Path"・VRslO'])
r7.
,t1/rXTtt"
-'-O,08r-o,e[4
05AN=O'10
1...[---"
"t
r
-o,ego,eo
o,eg
Fig3-4-3a
O,OS
O,12
・O,15
(WfRnlO-L)
Equilibrillm
Path
:Ner"-FoLLoNERLeADING(PRIEHxlO-])
l:11LoADING1O28
,'
・1-..-..L1=:-..L1iEE
/i1FoLLowER[1
ttt'l
'r"1-O2"
iE]'
E
"'F1
..-xLi)i-ts.E;s.E
/liNs's.i/x
ll'
O20
:1I:
r-t//1Nx'
l'tt
/!/i xl/・HIR=O1'eos/ii/JIxNR
Jl
1''
l・R[sEISpAN[O,IOIiiENNNo,l6-:1--t
i1'pcR=a,129'iD-11/i'.lttt-tt-
'j'L-.r'-t-LrJ
''/t'
O,l21
1!/1
Ll/1
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, 4//
O08'b
l'''
i1'
F
{1・!l///] /tL・111[.1t
'u
t-e
tro',04
(vrIRtlO'])
E
-O.80-O,54
-O,-8
Fig.
3-4-3
b
-e,32
-o,
EquiLibTium16
Patho,ooO,16
99
Architectural Institute of Japan
NII-Electronic Library Service
Arohiteotural エnstitute of Japan
以
上
の解 析
の結
果 か ら,
定 方 向 型
と静 水 圧 型
の外 圧
が円 弧
アー
チの弾
性 安 定 性 状
に及
ぼす影 響
につ い て次
の よ う なこと がい え る。
ま
ず
, メイ
ンパス につ い ては,
各 形
状
を通
じ て,
両
者
の外
圧 形 式
の相
違
に よっ て,
H
/
R
が小
さ く,
Rise
/
S ・
pan
が大
きい ほど
, す なわち
,
アー
チの部 材 成
が小
さ く,
ライ
ズが 大
きい ほど
,
両 者
の間
に差 異
を生
ず る よ うにな る。 ま た,両 外
圧形 式
を問
わ ず,Rise
/
Span
が大
き く な る につ れ て, 飛移 点
が分 岐 点 と比
べ て極
めて高
い荷 重
レベ ル に位 置
す る よう
に なり,
Rise
/
Span
の大
きいアー
チで は, 分岐 点
の み に焦 点
を合
わ せ た議 論
で実
用 的に は 十 分であ
る。
また,
Fig
.
3
−
4
に見
ら れ る よ う なメ インパ ス上
の複 数
の極 限 点
は,
系
が小規模
な部
分 飛 移 座 屈 を生
起
しつ つ,
つ り合 形 状
を変
化 させ てい くこと を示
す もの で,
ライ
ズの大
きいアー
チに起
こ る もの である。
分 岐 点
は,
定 方
向
型 外 圧
と比
べ て,
静 水 圧 型 外 圧
の場
合
の方
が,
その荷 重
レ ベ ル に おい て,
こ こ で扱
っ たすべ て の ケー
ス に つ い て下
回っ て お り, そ の低 下
の度 合
はH
/
R
が小
さ く,Rise
/
Span
が大
きい ほど大 き
くで て い る。
これ は,
実
用 的に は、
外 力
の変 形 依 存 性 を無 視
すると限 界 圧 力
を危 険 側
に見
積
る
こ とを示
す もの で,注 意
を要 す
る場 合
が あり得
るこ と を意 味
し てい る。
次
に,
分 岐 点 付 近に お ける円弧
アー
チの挙 動
につ い て見
てみ る と,
こ こで扱
っ た形 状
の中
で は,
H
/
R
=
1
/
100
,
Rise
/
Span=0.
5
/
10
の場 合 を 除
い て,
他
の場 合
で は す べ て安 定
分岐 点
と な っ て い る こ と が,
つ り合曲 線
か ら判
断
で き る。
こ の安 定 分 岐 点
においては,
系
は,
分岐 点
に対 応 す
る荷 重
レ ベ ルか らのわず
か な荷
重
増
加
に対
し て1“
理 論 的
にはメイ
ン パ ス以外
に,
分 岐 点 近 傍
にも
うひとつ のつ り合 状 態 を持
ち,
そのた め 円弧
アー
チは,
大
き な変
形
を 生ず
ること な く,単
にそ れま
でと
は別
の様 式
で変 形
を進 行
さ せ るに過
ぎ ないこ とを 意
味
し てい る。
し か し,
例
え ばFig
.
3−3−3
やFig.
3
−
4
−
1
に示
され て い る分 岐
パ スは,分
岐
点
で の荷 重
レベ ル よ りもわずか に高
い荷
重 レ ベ ルに おい て,
分 岐
パス上
での飛 移 点 を持
つも
の であ
り,
安
定 分岐
と はい え,
現象 的
に は通 常
の不 安 定 分 岐 点
とそ れほど異
な る もの で は な い。
ま た,他
の形 状
の場 合
でも,
分
岐点
通
過後
に,
系
が その変 形 能 を大
き く変 化
させ る こ とは事 実
であり,
実 際 的に は や は り不安 定 点
と考
え るべ きであ る。 な お,
微小振 動
法 を用
いたつ り合 点
の安 定 判
別
につ い て は付
録5
に詳 述
し て い る。
HIR
お よ びRise
/Span
の それ ぞれ の値
に対
する弾 性 安 定 限 界 荷 重
につ いて,
前 述
のTimoshenko
の値
と比 較
し・
つ つ,
定
方 向 型 外 力
,
静 水 圧 型 外 力
につ い て,
Table
2
にそ れ ら の数 値
を示
す。
4
.
ノー
マル モー
ド法
によ る 円 弧アー
チの弾性 安 定
解析
各
種
の構 造 物
の弾性 安定
を解析
す る際
,自由
振 動
モー
ド を用
い た低 自
由 度
で の安 定 解 析
が行
わ れ ること
が多
い。
これ は 普 通,
ノー
マ ル モー
ド法 と 呼 ばれ てお り,
対
象
と す る系
の自由
度
を重
み付
き 固有
関数
の線 形 和
で近 似
す る もの であ る。通常
,
採 用
す るモー
ドは低
次
の モー
ド
か ら順 次 採 用 項
数 を 上 げてゆ く た めに,
特に系 が 局部 的
な変 形 を伴 う
よう
な不 安 定 挙 動
を示
す際
には,
これ を低
次
の モー
ドだ けで近 似
す るこ と が 困難
で あ る た め,
良 好
な精 度
を得
る た めに は採
用モー
ドを増
や す 必要
が生 ず
る。一
方
3
章
で扱
っ た有
限要 素 法
の場 合
に は,変 位 場
が ス プライ
ン関 数
とし て与
えられている の で,
局 所 的
な変
形 挙 動
に対 応
で き るという長 所
を持
つ一
方
,
系 全 体
が滑
ら かに変 形 す
る場 合
に は そ れ を 正 し く表 現
す る た めの スプ
ライ
ン関 数 群
を 扱 わざ
る を得 ず
,
所 要
の精
度
を保 持
し よ う と す れば
自由
度
は大
き く な る。
こ の よ うに有 限 要 素
法
とノー
マ ル モー
ド法
は互い に相 補的
である と言
え る。
Table
2
Cornparison
ofCritical
Leads
{PR/EH) Rise /
Spa
ロ H /R丶
0,
5
/101
/10
2
/ 103
/IO
4
/10
5
/10 2.
07xlO’
35.
34
κ10凵
h2.
48
κ
工0
’
軽L47x
工0
.
臨 1.
oo×1
σ貼1
/50
2
.
D4xlO一
ヨ5
.
59
・
10一
辱 2.
78 ×IO
’
、1
.
70
×lD’
辱
1ユ8
×10
一
り 1.
92x 工0’
a4,
97
×10
−」
2.
35×
10冒
鉢1
.
43
灯 σ隔 8.
36×
10
’
辱2
.
G6xlr35
.
19Kl
σ』 1.
33x10』
向6
.
20x
ユO
’
53.
68
耳ユ0’
52.
50xlO
’
5VIOD
1,
78 署IO
’
35.
⊥9xlO
一
坏L42
メ10匿
辱
7.
lO
耳
10
−
54.
64xlO
−
52.
84
×1
σ5L70xlO
一
コ4
.
80xlO一
辱1
.
21xlO
’
陥
5.
44xlO−
53.
60xlO
一
三 L97×
IO
’
55
.
15×
10
一
嶋1
.
29xlO
両3
.
34xlO
’
51.
55xlO
『
59.
20×10う
6
.
25
×10
’
5V200
4
.
95xlO
’
辱 ユ.
27x 上σ』3
.
84
×10
−
51.
80xlO
’
51.
エ
9
κ10
.
56.
90N ユ0
.
54
.
80xlO
”
」 1.
22x1 σ辱3
.
24xlO
一
5L47×
10
齟
58.
76
κ10.
54.
56 ×10
−
613 }
Upper
Row ;
TimoshenkoIs
Solution
Middle