【研 究 論 文 】 UDG ：624
．
014．
2二624．
e4 日本建築 学会 構造系論文 報告 集 第 348 号・
昭和 60 年2月鉄
骨部 材
の
3
次 元 弾 塑 性 挙 動
に
関
す る
実 験 的研 究
その1
定 軸圧 下
での弾 塑性
ね じ り挙動 （
1
）
正 会 員 正 会 員 五十 嵐
辻
岡
定
静
義
＊雄
＊ ＊1．
序 架構の重 心 と剛 心の ずれ （偏 心 ）や外 乱の3
次 元 性・
非定 常性に よ り， 柱材は軸力と2 軸曲げ ま たは 3 軸曲げ を受け るのが普 通で あ る。
現在の建 築 物の構 造 設 計では 立 体 架 構 を適 当な平 面 架 構に分 解して 行 う 手 法が と ら れ， 多 軸 曲 げに対する配 慮は特 別な場 合を除い て な さ れ て い ない。 ただ，
ラー
メ ン架 構の隅 柱の よ うに構 造 上2 軸 曲げ が避け ら れ ない柱に対して は，
2軸 曲げ を受け る 柱の耐 力 式の適 用が必 要と され て い る にす ぎない 1 ）。
し か し， 構 造 物の弾 塑 性々状を 正確に把 握 し， 現 行 設 計 手 法の妥 当性 を検 討 する に は，
多軸 曲 げ を受 ける構 成 部 材 の力 学 挙 動や耐 力 を明ら か にする ことが必 要で ある。
すで に， ね じ りを含む複 合 応 力 下で の鉄 骨 部 材の挙 動 に関し ては数 多 くの理 論 的 実 験 的 研 究 が あるが，
実 験 的 研究に お いて は実 験 変 数が数 多く あ る ため，一
面的な把 握し か で きな いといえ る。
さ らに，
実 験で は部材の境 界 条 件 を明確にする ことおよび骨 組に組み込ま れた場 合と 同 様な条 件を部 材に与え る こと が困 難である。 よっ て，
数 少ない実験 結 果を 良い精度で評価で きる弾塑性 解 析法 を見 出し，
数 値 解 析 的に複合応 力下で の鉄骨 部 材の挙動 を調べ ざるを得ない。 そ の た め には，
単 軸 応 力 下あ るい は 二つ の応 力 下で の挙 動を十 分に把 握し，
細長 比・
ひず み硬 化・
不 安 定 現 象な どの影 響 を評 価 すること が必 要で ある。 とく に，
本 報は そ の基 礎 的 段 階で ある軸 力と ね じ りを 受ける場 合 を対 象 とするもの で ある が，
今日 まで に薄 肉 断 面 部 材の ねじ り に関し て次の知 見が得られてい る。 広 幅H
形 断面か ら成る開断 面 部 材の弾 塑 性ねじ り挙 動 につ いては，
C．
R．
FarweU，
T，
G，
Galambos2iおよび 鈴 木，
木 村31ら が実 験 的ある．
いは解 析 的に追求 し，
単 純 塑 性 理 論 解 析に よっ て ねじ り挙動の推測 が可 能なこと，
大 変 形 領 域でスパ イラル変形 （材軸 方 向の繊 維が材軸回 りに螺 施 を描くこと）・
ひずみ硬 化・
ひず みの戻り が 認 摩 大 阪 大 学 教 授・
工博 林 大 阪 大 学 助 手 〔昭和59年2月10日原 槁 受理日，
昭 和59年7月13日改 訂 原 稿 受 理日，
討 論 期 限 昭SU 60年5月 末日｝ め ら れ るこ と， 高軸圧下で は 局部 座屈 な どの不安定 現 象 によっ て崩 壊し，
軸 力 が 小さい場 合にはフ ラジン の 引 張 破 断によっ て崩 壊する こ となど を指 摘 して いる。 ま た， ね じ りス パ ン （加 力 点 間 距me
）4）・
S） や材 端 条 件6）の ね じ り 挙 動へ の影 響につ い て の研 究，
ね じ りを 大 変 形 問 題と し て取り扱っ た研 究7 ）もあるe一
方，
閉 断 面 部 材の弾 塑 性 ね じ り挙 動につ い て，
島 田は幅 厚 比が大 きい場 合のね じ り耐力は板の局部座屈で決ま ること，
組 立 箱 形 断 面で は 溶 接 部の ね じ り 剛 性へ の影 響 が 認 め ら れ ること，
ね じ り 剛 性の実 験 値は理 論 値 より も高い こ と を報 告し て い るS ｝。 木 村は閉 断 面 部 材の定 軸 圧 下で のね じ り挙 動を軸 力 比・
径 厚 比 （幅 厚 比 ）を変 数とし て実 験 的に検 討し゜｝，
同 様な結 論を得ている。
また，
小 松，
崎 元は軸 力を受け る薄 肉 閉 断 面 部 材のね じ り挙 動に及ぼす 載荷 経 路・
残 留 応 力の影 響を調べ，
塑 性 理 論 （流れ理論，
変 形 理 論 ）の 適 応 性 を検 討し て い る10 ）。
しか し， こ の よ う に数多く の研究が あ る が，
建 築物に 多く用い られ る細 幅H
形， 十字H
形断面 部 材の ね じ り挙 動や高層建 築 物の下 層部の鉄 骨柱またはSRC
柱の鉄 骨 材の よ うな短 柱の ね じ り挙 動につ いて は まだ 十分研 究さ れて いない現 状で あ る。 本 報は，
こ の 点に注目 し，
ねじ り挙 動に影 響を及ぼす 因子と して断 面 形・
軸 力 比 を選び，
強 軸に関 する細 長 比 が実構造物の場 合に対応す る10〜20
程 度の鉄 骨 部 材の ね じ り挙 動を実験 的に把握す る と ともに，
3次 元 部 材の 耐 力，
剛 性お よ び変 形 能 力の基 礎として のね じり耐 力，
崩壊機構な どにっ い て の資 料を提 示 する もの で ある。2．
実 験概 要 試 験 体に は，
細 幅H
形 断 面 部 材 （以 下SH−
type と呼 ぶ）， 細幅H
形鋼と カッ トT
形 鋼で構 成さ れる十 字H
形 断 面 部 材 （以 下CH −
type と呼ぶ），
バ ン ドプレー
トで補 強さ れ た十 字H形断面部材 （以 下CHB −
type と呼ぶ）， 冷 間 成 形 角 形 鋼 管 部 材 （以 下BX −
type と呼ぶ ）の 4種 類を採 用し，
試 験 体 総 数は11体である。
試 験 体 記 号は，
前の 2〜
3英 文 字で断 面 形を，
続い て載 荷 経 路， 軸 力 比 を表す。
部 材寸法は，
CH
−
type を実 大の約 1／4と なるよ うにSH
−
typme 監「．
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一
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・ 図一
1 試 験 体 丁 P・
ぴ 1 図一
2 加 力 装 置 表一
1 試 験 体の形 状 寸 法と実 験 条 件 s隈 clm已
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こ50100，
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2 鋼 材の機 械 的 性 質 Sp臼
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type はCH −
type を 構 成する細 幅H
形 断 面 部材を その ま ま使い，
BX−
type は CH−
typeと細長比が 等し く な る よ うに し た。 な お，
材 長は ］，
OO
cm を標 準と して い る。
試 験 体の 形状 寸 法と実験 条 件を 図一
1，
表一
1 に示す。
開 断面部材で は ね じ りに伴うフ ランジの反り変 形 を 拘 束する ため，
材 端に プレー
ト （板 厚20mm ）を 溶 接してい る、
な お，
素 材の引 張 試 験 より求め た鋼 材の 機 械 的 性 質を 表一
2に掲 げ る。
加 力 装 置の概 要を図一2
に示す。 試 験 体の下 材 端は反 力フ レー
ム に高 力 ボル トで緊結さ れ，
上材 端に は加 力 用 円板 （総 板 厚40mm ＞が 取 り付けられて い る。
ア ムス ラー
型万能 試 験機によ り加 力 用 円板に ス ラ ス トベ アリング を 介し て一
定 軸 力 （P
｝を，
ま たこ の 円板に巻 付け た ワイ ヤー
ロー
プを相 対する 2カ所に位置 する油圧 ジャ ッキで 引張っ て ね じり外 力 ｛M
〜） を 加え てい る。
な お，
引 張 力 （T
）の増 分は0．
05〜
0，
10t で ある。
荷 重の測 定は引 張 力
，
軸力共ロー
ド セ ル によっ て行い ， 材端の 相 対ね じり角 （θ。）の測 定は円板 外周に てん付 し たスケー
ル の読みで，
材 端の軸 縮み （w ）は円板と反 力フ レー
ム間の距 離の変化をダイ ヤル ゲー
ジで測 定し た 〔図一
3）。
な お，
こ の軸 縮み と 引 張 力により軸力変 動が 生 じる が， 本 実 験の範 囲で は小さ く そ の影 響は無 視しう る。 ひずみ につ い て は，
表一
3に示 す 部 材の 材 端，
材 中央 部およびバ ン ドプレー
ト取り付け位置に1
軸ま た ば3
軸 T rnd煽ca ヒer li 「 8邸
⊥一
1 D
．
5．
1D62 τ T＝
一
，
」
．
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…
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噸 図一
3 測 定 方 法 表一
3 ひずみゲー
ジ位置1
凵・
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一
44
一
ひずみ ゲ
ー
ジをてん付 して軸 方 向ひずみt せ ん断ひずみ を求めて いる。
な お， せ ん断ひずみ はウェ ブ，
フ ラ ンジ の中 央 部の み で測定し ている。
3．
実験結果 3−
1，
実 験 経過 と崩 壊 性 状 （a ） 開断面部 材 ：各 試 験 体 と も，
ね じり剛 性が初 期 ね じ り剛 性の 1／3に なっ た点で規 定し た降 伏ね じ りモー
メ ン ト （M
。 。）は， 材 端フ ラ ンジ の圧縮 側で局 部座屈が 発 生す る時の荷 重 とほ ぼ一致
して いる。 な お，SH −
type で はこの局 部 座 屈の材 軸 方 向へ の成 長が観 察さ れ た。
大変形領域に入 る と SH−
type は ウェ ブ，
フ ラ ンジ 共 に材軸方 向の全 域に わ たっ て板 座 屈を生じ，
材 中 央 付 近 の ウェ ブ と両 材 端の フラン ジで座 屈 変 形が著 しい。 し か し，
CH，
CHB・
type で は 材 端フ ランジの座 屈は 生 じ て いた が，
ウェ ブの座屈は 認 め ら れ なか っ た。
ま た，
軸 力比O．3
のCHB −PT
3
試 験 体で は各フ ラン ジの材 軸 方向の ずれに よ り加 力 中に バ ン ドプレー
ト とフ ランジの溶接部に亀裂が入 り， 実 験 終了時に は総て の バ ン ドプレー
トの溶 接 部に破 断 また は亀 裂が生じ た。 （b
） 閉断 面 部 材 ：弾 塑 性 域で の局 部 座 屈は認め ら れ ず， 崩 壊は塑 性 域で の板の局 部座屈に より生 じてい る。
す なわち，材 端 溶 接 部 近 傍で は な く，
材 端より鋼 管径（D
） 以 上入 っ た断 面の平叛
部 分が内側に湾 曲し た後せ ん断 座 屈 し，
角 部の曲げ ね じ りを伴っ て崩 壊 してい る。
3−
2，
荷 重一
変 形 関 係 図一
4に ね じ リ モー
メ ン ト（mz ）と材端ね じり角 （ψz） の関 係 を，
図一
5にねじ り モー
メ ン トと材 端の軸 縮み（e） の関 係の 1例 を 示 す。 こ こ に，
ね じ りモー
メ ン ト （M
。） は開断 面で は完 全 反り拘 束の全 塑 性ね じ り モー
メ ン ト （M。 ， n・
・
O＞ lv で，
閉 断 面で は St，
Venant の全 塑 性ね じ りモー
メン ト（M
。ρ ，n＝0
＞で無 次元化し，ね じ り角 （θ） は全 塑性ね じ り角 （θ。あ るい は θ。p ：全 塑 性ね じ りモー
メ ン トを弾 性ね じ り剛 性で除し た値 （n＝
O））で，
軸縮 み （w ）は降 伏 軸 縮み （Wy ；降伏ひずみ ×材 長 〉でそ れ ぞ れ無 次 元 化して い る 〔注1
〕。 図中の ↓， ▼，
▽ 印は 降 伏 荷重 〔Mzy ），
最 大 耐 力 （Mmt
），
バ ン ドプレー
ト破 表一
4 実 験 結 果 5 岡。
Imle向 区
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1743．
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PTO558、
755．
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Dq．
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419 ア．
69O．
41 CH−
PT］ 55515LO175．
D0．
1］111200．
055D．
73〜 8．
580、
5巳 CH−
PT5100Z7
．
455．
Oコ010 1040299． ．
CHB・
PTD715．
559．
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49 CH3．
円3654158038 卍50 115D731o’
D D翼・
PTロ 19ヨ1．
55 ア03 四 5OD38D4 的 o．
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一
4 ね じ リ モー
メン トー
材 端 ね じ り 角 関 係 〔無 次 元 化 ） ：実 験 値一 一
一 一
：剛塑性解析値 ：弾 塑性 解 析 値1
．
5 11．
0 o．
」 0 t 5 O e 5 図一
5 ね じ リモー
メ ン トー
軸縮み関 係 （無 次 元 化1
：実 験 値 断の位置を示す。
ま た，
表一
4に は実 験 値を示す。
降 伏 荷 重は ね じり剛 性が初 期ね じり剛 性の 1／3に低 下し た点 の荷 重であ る。 各試 験体共初期ね じ り 剛性 （K
。z）に及ぼ す軸 力の影 響は小さ く，
無 視し得る程 度であ る。 な お，
CH−
PT5
試 験体の初 期ね じ り剛 性が高いよ う に見え る の はスラス トベ アリングが有 効に働か な かっ た た めで あ る。
降 伏 荷 重， 最 大 耐 力と も， 軸 力 比が大き く なれ ば低下 する傾 向が窺え，
降 伏 荷 重の低 下よ りも最 大 耐 力の低 下 の方が大であ るこ と が 認 め ら れ る。
これ はP ・
A
効 果（圧 縮力P
によ る見 掛上のSt．
Venant の ね じ り剛性変化 と ね じ り率の積 〉による もの と考え られ る。 よっ て，
どの 断 面 形で も軸 力 比が大き く な る に し た がっ て降伏後の耐 力 上昇 は小さ く，
降伏 比 （Mev
／Mzu
）は 大 き く な る。な お，
降 伏比 は0．
44〜O．86
の 範囲で あっ た。SH ，
BX −
type で は一
般にCH −
type に比べ て耐 力上昇が期 待で き ない こ と，
バ ン ドプレー
トが耐 力上昇に及ぼ す影 響は小さい こと が明ら か と なっ た。 ね じ り を受け る部 材の変 形 能 力の尺 度と して靱 性 率 （e
．．／θ． ）を 取 り 上 げ る。
開 断 面 部 材では，
靱 性 率は 軸力 比が 大 き く なれ ば低 下 しt 同一
軸力 比 でCH
，CHB −
type ＞SH −
type の傾 向に あ る。 ま た，
閉 断 面部材 のBX −
type で は，
本 実 験の範囲において 11，
6−
12．
3と 大き な値を 示 し，
軸力 比に あ ま り左右 さ れ ない。
よっ て，
ね じ りの変形 能 力に対す る軸 力 比の影 響は断 面 形に よっ一 46 一
1、
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O O．
5 0 図一6
ねじ リモー
メ ン トー
せ ん 断ひずみ関係 （W−
3断 面 ） て異な る と 言 え る。
3−3．
荷 重一
ひずみ関 係 ね じ りモー
メ ン トと材 中央部 （W −
3）で の フランジ お よ び ウェ ブ中 央に おける せん断ひずみ （γ）との関係 を 図一
6に，
ね じリ モー
メ ン トと材 端 （W −
1）お よ び材 中 央部の フ ラ ンジにお ける せん断Q
ずみある い は軸 方 向ひ ずみの関 係の ユ例を図一
7 に示 す。3−3−1．
材中 央 部のせ ん断ひず み分 布 ウェ ブの せん断ひずみ ：SH −
type で は，
降 伏せ ん断 ひずみ （ん）の約 半 分 位で非 線 型に なる。
こ れ は，
材 端 の塑 性 化が進 展して応 力の再 配 分が生じ た た め である。
な お， 降 伏せ ん 断ひ ずみ は ル＝
2／sG・
（1十 の・
ay／E に よっ て求め た が，
ボア ソ ン比 （の は 0．
3と して他の諸 量は素 材 試 験 結 果に よっ た。
フ ラン ジの せん断ひずみ ：各 試 験 体と も初 期こう 配 に 対 す る 軸 力 比の 影 響は小さ いと言え る。SH ，
CH −
type で は軸力 比が大きいほ ど低荷重で実験 曲 線は非線 型にな り，
最 大 耐 力 時の せん断ひずみは小さ く な る。BX −
type で は ひずみ性 状は ほと ん ど軸 力の影 響 を 受 けず，
ほぼ 同一
の荷 重ひずみ関 係 を示す。
その実 験 曲 線 上に は 明確な［e ）o同
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徐々 に塑 性 化が進 展し て い る。 3−
3−
2．
フ ランジにおける せ ん断ひ ずみ の材 軸 方 向 分 布 SH，
CH −
typeで は材 端 反り 拘束に よっ て，
材 中央 部で せ ん 断ひず み が，
材端で軸 方 向ひず み が卓越 して い る。 これ は既 往 の研 究 結 果と合 致して い る2》 。 部 材が弾 性 状 態にあ る と き，
材 端 近 傍 （W−
1）の せ ん断ひずみ は材 端 反り拘 束により極く微 小 であるが，
部材の塑性 化に伴っ て増 大してい る。 これ は材 端の 降伏に よっ て 反 り拘束が解 除さ れ，St．
Venant
の ね じ．
り成 分 が増 大す る た めである。
ま た， こ の材端のせん 断ひずみ が材 中 央 部に比べ て極 端に小さ く，
し か も材端で軸方 向ひずみ が卓越 し ていること よ り．
材 端での フ ラ ンジの曲 げ塑 性ヒンジ （反り ヒ ンジ）の形成2 ｝が裏 付けられ て いる。
BX −
type で はせ ん断ひずみ の弾 性こ う 配は測 定 位置に関係 な く一
定である。 閉 断 面 部 材はSt
．
Venant の ね じり状 態に あ るか ら である。 また，
塑 性 化は 早 期に材 中央部で生 じ，
材 端に 比べ て材 中央 部で の実 験 曲線は より丸み を帯びて い る。
こ れ は 鋼 管の 冷 間 成 形に よ る残 留 応 力且2〕・
13） と断 面 内の降 伏 応 力 度・
最 大 強さ の不 均 等1‘），
非 円形 薄 形中空管の ね じ りに 伴う断 面 変形］5〕によ る
P ・
△効 果などの影 響であ ろ う。
1．
5 3−
4．
軸方 向ひずみ分 布 性 状図
一8
に材 端，
材 中 央 部で の代表 的な軸方 向ひずみ分 m、
布を示す。 なお， 図中の数 字はね じ りモー
メ ン ト （単位 1、
O tcm ）を表して い る。 3−
4−
1．
純ね じ り モー
メ ン ト載 荷（a ｝ 開 断 面 部 材 二材 端では 反 り拘束に よ り 弱軸 曲げ e
．
5 の場 合と類似の ひず み分 布を 示 し， 材 中 央 部の ひずみは 降 伏 荷 重 以 下では 均等分布し その値は小さい。 しか し，
材 端 降伏以降は，
大変形領 域に お ける ス パ イラ ル変形の た めフランジ に引 張 力が導 入 され，
材 中央 部の フ ランジ ゜ に引張ひずみ が生じて い る。 ま た，SH −
type の材 中 央L5 部で は大変形領 域で の戻り2 ）がフ ラ ン ジの
一
部で認め ら れ る が，
他の 断面 形で は生 じて い ない 。n・
（
b
） 閉 断 面 部 材 ：材 端の角 部に引 張ひずみを， 平 板1
、
D 部 分に圧縮ひずみ を生じ る傾 向にあ る。
ま た，
材 中 央 部 の軸 方向ひずみ は降 伏 荷 重 以 降 引 張 側に ひずみ が増大す る。
。．
s3−
4−−
2．
定 軸 圧 下で の ね じ リ モー
メ ン ト載 荷 （a） 開 断面部材 ；SH −
typeに お い て は，
純ね じ り モー
メン ト載 荷の場 合 と 同 様，
材 中 央 部の フランジで は 引 張ひずみを 生じ るが，
こ の ひずみ は軸力 比 が大きい ほ ど小さ い。 また，
材端でも 純ね じ りの 場 合 と 同様な ひず み性 状を示す が，
軸力 比0．
3の試 験 体で は降 伏 荷 重 以 降 ひずみ の戻り が断面の一
部で認め られ る。 CH−
type で軸力 比 0．
3の場合に は材 中 央 部に お ける 圧 縮ひず み は降 伏荷重 以降減 小し， フラン ジの大 部 分に 引 張ひずみ を生 ずる。
し か し，
軸 力 比O．5
の場 合にはス パ イラ ル変 形が小さい た めこの傾 向は認め られ ない。
ま た， 材 端で は軸 力 比が大き く なる につ れ て フ ラ ンジの ひ ずみ集 中 域は拡 大 する傾 向が あ る。 （b） 開 断 面 部 材 ：材 端，
材 中央 部 と もね じり モー
メ ン トの増 大に伴い圧 縮 側に ひずみ が集 中し，
特に降伏荷 重 以 降 著しい。
4．
考 察と解 析 4−
1．
実験変数の影 響 4−
1−1．
軸力 比 と断 面 形 ねじ りモー
メ ン トー
材 端ね じ り角 関 係に 及 ぼ す断 面 形 な どの影 響を調べ る た め，
図一9
に軸 力 比 0．
0，
0．
3
の M2一
ψ2 曲線を併せて示 す。軸力 比が零の場 合 ：BX
−
type で は， 微 小 変 形 領 域の Mz一
ψ2 曲 線が鋼 材の応 力 度一
ひずみ度曲線と等 価であ る と看な せ る た め，
降伏 以 降の耐 力上 昇は ほ と んどな いが，
開 断 面 部 材 （SH ，
CH
，CHB −
type）で は， 降伏 荷 重 以 降ひずみ硬 化・
大変形 領域で の ス パ イラ ル変形の 影 響で 崩 壊 機 構 （両材端に反りヒ ンジ，
中 央 部にSt．
Venant
の ね じ り ヒ ンジ が形 成さ れた状 態 ）3）が形 成さ れず，
耐 力上昇が 認 め られ る。
加 力 装 置の ね じ り角の許 容 限 界！
〆 ； 5 中 t O fi：
図一
9 ね じ りモー
メ ン トー
材端ね じ り角関係 〔無 次元化 ） （約1．
2rad．
〉で は，
BX−
type の み安定限 界が存 在し てい る が， こ れ は崩 壊 機 構 形 成 後の 板の 局 部 座 屈による もので ある。
微 小 変 形の範 囲で は SH−
type はCH −
type と相似であ る が， ψx が4位か ら挙 動に差が認 めら れ る。 これ は大 変形 領 域での ス パ イラル変 形に伴っ てウェ ブに付加軸力 が導 入 され る た め である。
し たがっ て ウェ ブの圧縮 強 度、
す な わ ち ウェ ブの幅 厚 比 が大き な影 響 因子である と考え られ る。
既往の研究 結果2）’
s） も考え合わ せれ ば，
ウェ ブ 幅 厚 比が 30位で は ひずみ硬化・
スパ イラル変 形に よる 耐 力上昇と ウェ ブの 局部座屈に よる耐 力低 下が組み合わ さ り，
ね じ り変形の増 大と共に曲 線の こ う配が低 下す る 現象を示すが，
ウェ ブ幅 厚 比が15位ではこの現象は認 め られ ない と言え る。
軸 力 比 が 零で ない場 合 ：BX −
type の M 。一
軽 曲 線は軸 力比の影 響を あ ま り受けず，
軸力比が零の場 合 と1
司様で ある。CH
， CHB−
type で は 材 端 降 伏 以 降緩やか に耐 力 は上 昇し最 大 耐 力に至 る。CH −PT
3で は最 大 耐 力が保 持 され たままで変 形が増 大し てい る。CHB −PT
3で は 変 形の進 展によっ て バ ン ドブレー
トの破 断と耐 力低下を 来た し，
除 荷 時には CH−PT
3と 同耐 力に至っ てい る。
よっ て終 局 状 態 （バ ン ドプレー
トが総て破 損し た状 態 ） で は CHB−
type の M 。一
ψ． 曲 線 はCH −
type の それ で近 似しうる と考え られ る。 ま た，SH −
typeの 曲線は微 小 変 形の 範囲で はCH −
type と似か よっ て い る が，
CH 一
一
48
一
type よ り著 しく早 期に最 大 耐 力に達 し
，
不 安 定 状 態に なる。
以 上よ り，SH −
typeとCH −
typeの相 似 性は軸 力 比に 関係な く認め ら れ る が，
こ の 相 似 性が失われ るね じ り モー
メ ン トは軸力 比が大き く なる につれ て低下 する。
ま た， 無 次 元 化さ れ た初 期ね じ り剛 性， 降 伏 荷 重は両 断 面 形 と も一
致して いる。
さ ら に，
BX −
typeは他の断 面 形に比べ て十 分な靱 性 を有 し，
変 形 能 力は軸 力比に影 響 され ないが，
な お，
よ り幅 厚 比の大き な断 面に対す る検 討が必 要で あ る。
4−
1−
2．
バ ンドプレー
ト 初 期ねじ り剛性・
降伏 荷重に対す るパ ン ドプレー
トの 補 剛・
補 強 効 果は明ら かであ る。 最 大 耐 力は降 伏荷重の 補 強 分だけ上昇 し て い るが，
バ ンドプレー
トの大変形 領 域における追 従 性に問題 が あ る。 す な わ ち，
本 実 験のバ ン ドプレー
トの配 置 間隔で補 剛・
補 強 効 果が認め ら れ る が，
大 変 形 領 域に おける バ ン ドプレー
トの破 断を考 慮す れば， 補 強 分を余 力と考え る のが妥 当で あ ろ う。
4−
2．
実 験 結 果と解 析 結 果の比 較 単 純 塑 性 理 論による 2次弾塑性解析3L16レ と両材端反り 拘 束の H形 断 面 部 材の全 塑性ね じ り 耐 力の上 界 値1］）に よ る 2次 剛 塑 性 解 析1G〕 を 行い，
そ の結 果 を 図一
4，
表一
5 に示す。
図 中，
細 線，
1点 鎖 線は弾 塑 性，
剛 塑 性の解析 曲 線を示す。
こ れ ら の結 果より以下の事 項が 明 ら かに な っ た。 荷 重一
変 形 関 係 ；弾塑性解 析 曲線は ほ ぼ実 験 曲 線 を 追 跡で き，
降 伏 後の剛性お よび最大 耐 力 後の挙 動 を 良く近 似 し て いる。 しか し，
開 断 面 部 材で軸 力比が零の場合， 大 変 形 領 域に お け るひずみ硬 化・
ス パ イ ラル 変形に よ り，
実 験 曲 線の耐 力は変形の増大と と もに漸 増す るの に 対 して， 解 析 曲 線ではこ の現 象が全 然 考 慮さ れてい ない た め，
著しい差 異が認め ら れ る。 初 期ね じ り剛性 ：開断 面 部 材 （CH −PT
5，CHB −
type を除く）で 20− 30
％，
閉断 面 部 材で 3〜
9％程 度 解析値の方が実験 値よ り高く なっ てい る。
開 断 面 部 材で 表一
5 解 析 結 果 3pocI肥
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匪P は材 端の反り拘 束 が 不 完 全で あっ た た めと考 えら れ る。
ま た，
実験 値に対す る計算 値の比率は軸力 比に影 響さ れ ない と言え る。
降伏 荷 重 ：開断 面 部 材におい て，St．
Venant
の全 塑 性ね じ りモー
メ ン ト（M
。 。）は実験 値の 50− 60
％ で可 成り安全 側で あ る が， 弾塑 性 解 析 値は実験 値と良い 対 応 を示し，
80〜
120％ の範 囲に ある。
ま た， 軸 力 比が大き く な るに し た がっ て解 析 値 と 実 験 値の近 似 は 悪 く な る が そ れ ほ ど著しい もの で はない。
なお，CHB −
type の解析 で は バ ン ドプ レー
トの補 剛・
補 強 を考 慮 し てい ないた め，
解 析 値と実 験 値の比 率はCH −
typeに比べ 低下 して い る。 閉 断 面 部 材で は解 析 値は実 験 値の 90〜
116 ％で あ り，
軸 力 比がO．3
以 下では危 険 側の 0．
5では安 全 側の 評 価を与え る。 最 大 耐 力 ：開 断 面 部 材で は， Merchant の上 界 値にょ る解 析 値は，
軸 力 比が零の場 合 実 験 値に対 して60〜
70 ％と安 全 側の，
軸 力 比0．
3， 0．
5の場 合94〜
150％ と一
般に危 険側の評 価を与え る。一
方， 弾 塑 性解析 値は軸 力 比に よらず実 験 値に対し て 60−
90％ と，
特に， 軸 力 比 が零の場 合に は著し く安 全 側の評価 を与え る。
閉 断 面 部 材さは，
解 析 値は実 験 値に対レて 78−
83％ とな り，
軸 力 比が大きい ほどこの比 率は小さ く な る傾 向を示す。 こ れ はひずみ硬 化よ り も冷 間成形に よ る材料特性の不均質 や 断 面変形 が生じ たことによ る耐荷 機 構の変 化に依 存す る と推察さ れ る。
5．
結 語 本 報では，
定 軸 圧下で の ね じ り実 験によ り， 鉄 骨 部 材 の弾塑性ね じ り挙 動に及ぼ す軸力比・
断面形の影 響につ い て考察し た。
対 象と し た強軸細 長 比 12， 17程 度の材 端が反り拘 束さ れてい る鉄 骨 部 材に つ い て次の結 論 を得 た。 （a ） 開 断 面部材で は， 軸力 比 が大きい場合に は崩 壊 機 構 形 成 後ね じ り耐 力の低 下 を 示す が，
軸 力比が小さい 場 合に は ひずみ硬 化・
ス パ イラ ル変 形の影 響で崩 壊に至 ら ない。
幅 厚 比 （d
／t）が 19．
4程 度の角 形 鋼 管 部 材は 軸 力比の大 小に関 係な く全塑性ね じ りモー
メン トで板の 局 部座屈を 生 じて崩壊す る。
（b
） 鉄 骨部材の初 期ね じ り 剛性に及 ぼ す軸力 比の影 響 はノ」、さい。
（c ） 降伏 後の ね じ り剛性の低下は断 面 形に よっ て大 き く異な り， 閉断 面 部 材で は開 断 面 部 材に比べて著しく 低下 す る。
ま た，
開 断 面 部 材では軸 力 比 が 大きい ほどこ の低 下の度 合は大き く な る。
（d
） ね じ り耐 力は軸 力 比が大きく な る ほど低 下し，
降伏比は大き く な る。
す な わ ち， 降 伏後の耐 力 上 昇は小 さ く な る。
ま た， この傾 向は断 面 形に依 存し ない。
〔e ） 部 材の ね じ り変 形 能 力は断 面 形・
軸 力 比の影 響 を大き く受け、
同一
断 面では軸 力 比が大 きい ほ ど小さ くなる。 また
，
十 字H形 断 面 部 材，
冷 間 成 形 角 形 鋼 管 部材 に比べ てH形 断 面 部 材の方が変 形 能 力は小さい。 （f） 剛 性・
耐 力・
変形 能 力に関する結果は細長 比が 20−
40の もの につ い て の従 来の 実 験 結 果と大 差が な く，
細 長 比の影 響を重 視す る 必要は ない。 （9 ）十字 H 形断 面 部 材の弾塑性ね じ り挙 動は，
微 小 変 形 領 域で は幅厚比・
軸力比に関係な くH
形断面部材の 重ね合わ せで評 価で き る。 し か し， 大変形 領 域で は幅 厚 比の 影響に より重ね合わ せ は成 立し ない。
（h
） 閉 断 面 部材で は残 留 応 力・
材料特 性の断 面 内の 不 均 質・
断 面 変 形・
幅 厚 比 が 断 面の降 伏 挙 動に影 響す る。
（i ） バ ン ドプ レー
トは初 期ね じり剛 性の補 剛 お よ び 降伏 荷 重の補 強 として有 効で ある。（
j
） 鉄 骨 部 材の弾 塑 性ね じ り挙 動は，
単 純 塑 性理論 に基づ く弾塑性解 析に よ っ て， 近 似 的に予測 す るこ と が で き る。
謝 辞 こ の研 究につ い て御 尽力い た だいた 竹 中 工 務 店 久 徳 敏 治，
瀬 川 輝 夫の両 氏に深 甚の謝 意を表し ま す。
〔注1
〕耐力，
ね じ り剛 性 （純ね じ りの場 合 ）の算 定 式H
形 断面 部 材 （材 端 完 全 反り拘 束 ）；躍。 。； 副 B
・
‘｝＋（H一
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四 ：St、
Venant
の ね じ り剛 性，Wargner
の 曲 げね じ り剛 性H
，B
，tw
．tx
：H
形 断 面の 断面 寸 法 （背，
フ ラ ンジ幅，
ウェ ブ厚さ，
フ ラ ンジ厚さ） D，
t：角形鋼 管の辺長，
厚さL
：部材長さ n ：軸 力比 σy ：降 伏 応 力度 参 考 文 献 1） 日本建築学会：鋼構造 塑 性 設 計 指 針，
昭 和50年11 月，
2） C
．
R．
Farwell and T．
V．
Galambos：Nonun重form Tor．
一
50
一
sion of Steel Beams in Inelastic Range
，
Proc．
ofASCE
，
Vol．
95，
No．
ST 12，
Dec．
1969，
pp．
2813−
2829．
3） 鈴 木 敏 郎
，
木 村 衛 ：H形鋼の弾 塑 性ね じ り〈 薄 肉 開 断 面材の弾塑 性 解 析2＞，
日本 建 築 学 会 論 文 報 告 集，
第180 号，
昭和 46年2月，
pp、
13−
18．
4） 山 田 稔，
山口 章：軸圧 を受けるH型 鋼 部 材の弾 塑 性 ね じ り変 形 性 状に関す る研 究 （工，
軸圧 比の影 響 ） 日 本 建 築 学 会 大 会 学 術講演梗 概 集 （中国｝，
昭和43年10月，
PP．
993−
994．
5） 山 田 稔．
山口 章：軸圧を受け るH型鋼部 材の弾 塑 性 ね じ り変形性 状に関する研 究 （H ．
Warping拘 束の影 響 及び変 形 解 析 ），
日本 建 築 学 会 近 畿 支 部 研 究 報 告集，
昭 和 44年5月，
PP．
141−
144．
6） 加 藤 勉，
秋 山 宏，
井 上 哲 郎：H形 断 面 材のね じ り耐 力に関 す る 実 験 的 研 究，
日 本 建 築 学 会 関 東 支 部 第44回 ｛48年 度 ）研 究 報告集，
pp，
105−
108．
7＞ 島田静 雄：薄 肉部材の大き なね じれ Torsjonal Stiffness。f Thin Plate Sections
，
土木学会論文 集，
第94号， 昭和38年6月
，
pp、
1−
5．
8） 島田静 雄；鋼 薄 肉 矩 形 断 面のね じれ実験および理 論 的 検
討
Shearing
Strength
of Steel Plates under Toτsion ofBox
・
Girders，
土 木 学 会論 文 集，
第114号，
昭 和40年2月，
pp
．
17−
33，
9｝ 木村 衛 ；薄 肉閉断面部 材の ね じ り挙 動
一
そ の 1・
圧縮一
ねじ り
一，
日本 建 築 学 会 論 文 報告集，
第246号，
昭 和 51年8月
，
PP．
25−
32．
10） S
．
Komatsu and T．
Sakimoto ；Elastic−
Plastic Behaviorof Thin
・
Walled Steel Tubes u皿der Cembined Forces，
Proc
．
ofJSCE，
No．
235，
March，
ユ975，
pp．
125−
136．
ll）K、
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・
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16＞ T
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SYNOPSIS
UDC:624.014.2:624.04
EXPERIMENTAL
STUDY
ON
SPATIAL
INELASTIC
BEHAVIOR-OF
STEEL
MEMBERS
Part
1
Inelastic
torsionalbehavior
of steel members under constant axialload
(1)
byDr.SADAYOSHI IGARASHI, Professorof OsakaUniv.,
and SHIZUO TSUJ{OKA,, Assistant of Osaka Univ,,
Members ofA.I.
J.
The
behayior
of the intermecliatesteelb'eam-columns
subjected to torsion combined with constant axial load was studied experimentally.Eleven
specimens weie tested withdiffeTent
combinatiofis ef the cross-sectianal $hapes and theaxial
force
'
'
ratlos
The
results of the experiment and the analysis maybe
summarized asfollows
:(1
>'
The
specimens ofthin-walled open sectien under thehigh
axialforce
ratiofailed
due
to theformation
ofa collapse mechanism and those under the low axial forceratio
did
notfail
as a result of thehaidening and the helixeffect,
Further,
thespecimens of thin-walledclosed sectionfailecl
due
to16cal
bucling.
(
2)
The maximum torqud isaffectedby
theaxial forceratio.
(,3
)･
The
ductility
facto[
is
affectedby
thec[oss-sectional type and theaxiaiforee
[atio,(4)
The band-plateincreasesthe elastic stiffnessand theyieldtorque,'
