【論 文
1
’
UDO :624.
078.
014.
27 :624.
075.
2.
014 日本建築 学 会 構 造 系 論文 報 告 集 第 361号・
昭 和 61 年 3月製
法
の
異
な る
角
形 鋼
管柱
・H
形
は
り
接 合 部
の
耐 力
に
関
す
る
研 究
正 会 員 正 会 員田 渕 基 嗣
*金 谷 弘
* *1.
序 角形 鋼 管柱・H
形 は り接 合 部が水 平 荷 重 を受ける場 合 接 合 部パ ネルのせ ん断変形とともに, 接 合 部の局 部 変 形 が問 題に な る。
こ の局部変 形 を防ぐため外ダイア フ ラ ム 形 式の補剛 を 用いた 場合, 接 合 部が安 定し た復 元 力特性 を有し,
十 分な変形能力 を発揮する ために必 要な適 切な 補剛 量につ い て, 文 献1)で設 計 方 法を提案し た。 し か し な が ら, その設 計 方 法は主とし て冷 間ロー
ル成 形 鋼管 柱接 合部の実 験 結 果に基づい て求め ら れて いる。
一
方,
鋼 構 造 物の柱に使 用さ れ る角形鋼管は種々 の方 法に よ り製 造され て お り,
製 造 過 程にお け る冷 間加工 お よび
溶接により, 鋼 管 内部には材 料 特性の 変化 や 残留 応 力 が 生じ, これ らの 大き さ は角形鋼 管の製法に よ り異 なっ てい る2)−
4)。
角 形 鋼管の加工硬 化あ るいは残 留 応 力 が部材耐力に与え る影 響につ い ては,
種々の製 法によ る 角形 鋼 管 柱の 座 屈 耐 力を対 象に し た川島・
西村2) , 森 脇・
榊 原・
山 形・
中 田3〕の研究,
冷 間ロー
ル成 形 鋼 管 柱 の座 屈 耐 力を対 象に し た 加藤・
西 山91,
加 藤・
李聖ωの 研 究,
冷 間ロー
ル成 形 鋼 管 柱の曲げ耐力を対 象に し た松 井・
森野・
津田・
立 川ll),
五十 嵐・
辻 岡・
矢 島L
杉 山12〕 等の研 究が あ る。 し か し,
角形鋼 管 接 合 部につ いて は, 加工硬 化お よ び残留 応 力がT
形分岐継手の局部破 壊耐力 に与え る影 響につ い て検討し た加藤・
西 山13)の 研 究, 柱 は り 接 合 部 が 局部 破 壊す る場 合につ いて,
鋼 管の製 法の 違い に よ る接合部性 能の相違 を検 討し た著 者ら14]の 研 究 が あ るのみであ る。 本 研 究で は 製 法の異 な る 3種 類の角形鋼 管につ い て,
局 部破壊し ない よ う設計し た外ダ イア フ ラム形 式の柱・
は り接 合 部の水 平 荷 重 時 実 験 を行い,
角 形 鋼 管の製 法の 違いが接 合 部パ ネル の せ ん断 耐 力に与える影 響につ い て 検 討す る。
また, こ れまで に実 験 資 料が不 十 分であ る た め,
その影 響が十 分 明ら か に さ れ ていない柱 軸 力の影 響 につ い ても検 討を加え る。
本 研 究は昭 和58年.
59年,
60年 度の 日本 建 築 学 会近畿 支 部 研 究 報 告 集に発 表し たもの に,
新た な検 討を加え再 構成 し た も の である。
事 神戸 大 学 助 手・
工 修 *t 神 戸 大 学 教 授・
工 搏 〔昭 和 60 年 5 月 10 日原稿 受 理 }2.
残 留ひずみ測定 2−
1 供試体 対 象と し た 角 形 鋼 管はロー
200×200×9で,
製 法は次 の 3種 類で あ る。 1 ) 冷 間ロー
ル成 形によ るもの (以 下,
ロー
ル成 形 鋼 管 )。
溶 接は高 周 波 溶 接。
2
) 冷 間 プレ ス成 形さ れた みぞ形 断 面 材 を2本 溶 接し たもの (以 下,
プレ ス成 形 鋼 管 )。 溶 接は サプマー
ジ アー
ク溶 接で裏 当 金 を使 用。
3
)鋼板 4枚 を溶 接により組 立てたもの (以 下,
ビル トアップ 鋼 管 )。
溶 接は アー
ク手 溶 接で裏 当 金を使 用。
さ ら にロー
ル成 形 鋼 管につ い て は応 力 焼 鈍 (620°
C2
時 間 加 熱 後 炉 冷 )を 行っ たもの (以 下,
ロー
ル焼 鈍 鋼管 ) につ い て も測 定を行っ た。
鋼種はSTKR
41およびSS 41で あ る 。 供 試 鋼 管 長は鋼 管 幅の 2.
5
倍と し た。 2−
2 測 定 方 法残 留ひずみ の測定は
供
試 鋼 管長さ方 向 中 央 位 置に抵 抗 線ひずみゲー
ジ (以 下,W .
S.G .
) を貼り,
電 動の こ盤 を用い,
切削油 を供給し なが ら切 断し,
解 放ひずみ を測.
定 すること に よ り行う。
Fig.
1にw .
S .
G ,
の測 定 位 置 を 示 す。 管 軸 方向,
管コ
1
四 7P.
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3 Resid岨 1 strain CDId Press Built−
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一
.
・
.
…
■
;LengitOdinξlFig
,
4 Residual strain on surface周 方 向および せ ん断ひずみ を測 定 する ため 2方 向およ び 3方 向の W
.
S.
G.
を使 用し た。 ゲー
ジ長は 5mm を標 準と し た が,
ロー
ル成 形 鋼 管とブレ ス成 形 鋼 管の コー
ナー
部お よ び ビル トアップ鋼 管の溶接ビー
ド部にはゲー
ジ長 2mm の W.
S.
G,
を使 用し た。 W.
S.
G.
は断 面の 対 称 性を考 慮 し,
主と して片 側に貼 り,
反 対 側は測 定 値 の確認 の た め に用いた。 切 断はFig.
2に示 すように断 面,
を 切 断 し, 幅 40mm の輪 状 部 分 を 切り出し た後, 断 面 , の順で 切 断し た。
断 面 を切 断 した状 態の解 放ひずみと 断 面 を切 断し た状 態の解 放ひずみ は ほとん ど変 化し ない た め 断 面 を切 断し た状 態で完 全 解 放の状 態にあると 判 断し た。
2−
3 残 留ひずみ分 布 測 定さ れ た解 放ひず みより鋼 管 管 軸 方 向,
管 周 方 向の 残 留軸 方向ひずみ eN,
残 留曲げひずみ εM および残 留せ ん断ひ ず み γ を求め,
Fig,
3お よ び Fig.
5に示す。Fig.
4にブレ ス成形 鋼 管と ビル トア ッ プ鋼 管の表 面ひず みを 示す。Fig.
3
お よびFig.
4
は鋼 管 素材の降 伏ひず み εy(= av/E
)で,Fig.
5は せ ん断 降 伏ひずみ 為(; σ,/ 必∫G)で無 次 元 化し て い る。 eN お よび鋼 管 表 面ひずみ は引 張り を,
eN は内 側が引 張り になる方 向 を正とする。
図よ り次の こ と が知られ る。 1) ロー
ル 成 形 鋼 管 : 管 軸 方 向の ε” が 大 き く,
平 板 部で ほ ぼ一
様 に鋼 管 素 材の εy の40− 60
%の 値に ワ茜α2 C[Idrdl (a) t/
tyO2
Co団PreSS 8uilt型P Oda rO亅I SR
(b> (c ) (d)
Fig
.
5 Res重dual shear st【ainなっ て い る が
,
管軸 方 向εN お よ び管 周 方 向の ひずみ は 柱コー
ナー
部お よ び溶 接 部を含め値は小 さい。 応 力焼鈍を行うことに よ り残 留ひずみ は小さ くな り,
焼 鈍 し ない もの の 10〜
20%程 度に な る。
2) プレス成 形 鋼 管 : Fig.
4の鋼 管 表 面の ひずみ分 布に よ れば, 溶接部に お け る管 軸 方 向ひずみ が大き く,
鋼 管素材の εy に ほぼ等し い。Fig.
3
に よ れ ば,
管 周 方向の残 留ひずみ は鋼 管 素 材の εy の20
%程度で あ るの に対し,
管 軸 方 向 eN は溶 接 部 近傍で急 激に大き く なっ て い る。 コー
ナー
部 残 留ひずみ は管 軸方 向の方が管 周 方 向 より大きく,
eN は鋼 管 素 材 の εs の30〜40
% 程 度で ある。 溶 接 線の無い側の平 板 部で ほ ぼ一
様に εg の 40〜
50% の圧縮ひずみが生じ て い るこ と よ り判 断して,
これ らの残 留ひずみ は溶 接によ る も の と考え ら れ る。3
) ビル ト アップ鋼 管:Fig.
4によ れ ば,
プレ ス成 形鋼管と同様, 溶接 線の位 置で大きい 引張 りの軸 方 向ひ ずみ が生じ てい る。
Fig.
3に よれ ば,
溶接線の無い側の ひずみ分布はプレ ス成 形 鋼管の場 合に良く似て お り, 管周方向の ひずみ は 小さ く, 管 軸 方 向で は鋼管 素材の εy の50
% の eN が あ る。
4) 残 留せん断ひずみ : ロー
ル成 形 鋼 管の コー
ナー
部 近 傍,
ビル トアッ プ 鋼 管の 溶 接 部 近 傍で鋼 管 素 材の ryの15− 20
%程度の せ ん断ひずみ が生 じて いる以 外,
値は小さ く,
プレス成 形鋼 管では ほ と ん ど 生 じ て い ない。
文 献2 ), 3), 4 ), 5)に はそ れ ぞ れ, ロー
300
×300
×9 の プレ ス成 形 鋼 管お よ び ビル トア ップ鋼 管の管 軸 方 向残一105一
Fig
.
6 Test speci 皿en and test set up 留応力,
ロー
250×250×9の ビル トア ップ鋼 管の 管 軸 方 向残 留 応 力,
ロー
200×200×12〜
ロー
450×450×25の ロー
ル成 形 鋼 管およびプレ ス成 形 鋼 管の管 周 方向残留応 力,
囗一
100×100×4.
5の ロー
ル成 形 鋼 管の 管 軸お よ び 管 周 方 向残 留 応 力 分 布が報 告され て い る。
本測定結果は, こ れら既 往の結 果 と定 性 的にも定 量 的に も良く似て お り,
こ の種の角 形 鋼 管の標 準 的な残 留 応 力分布を 示 してい る と言え る。
3.
水 平 荷 重 時 実 験 3−
1 供 試 体 供 試体はFig.
6に示す よ うに ラー
メ ン架 構の 中柱接 合 部 を対 象と し た十 字 形 部 分 架 構で あ る。
接合部の詳細 をFig.
7に示す。
使 用し た角 形 鋼 管はロー
200×200×9の ロー
ル成形鋼 管, プレ ス成 形 鋼 管, ビル トアップ鋼 管お よびロー
ル焼 鈍 鋼管 で, ビル トアップ鋼 管 蹴 似外は前 述の残 留ひずTablel Details of test specirnens
⊂blu
B
已
己
m Dエ
a hr己
Spe匚
i皿
2nBXBKT dビ
bX 加 Xt tD匠
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2 BX 四 ASR一
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4 oo20.
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200N2GDxg300 河15DX9 罵L212K40oo.
4CoLdpre錦工nq BX四弘
一
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2 BX四9洗一
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4 D.
20.
4Bu二
1t−
u曹
;
sし匸
ess relieVLngTable 2(a)Mechanical properties (RHS 〕
RHS σy σuEl
.
Test 窟上ece 〔t匸/。m 芍 〔る) σy σu ColdroUing Cold rolling (SRl Cold presslnq Built
−
up 4.
203.
262.
933.
16 5.
144.
684.
614.
76 34.
839.
029.
339.
7 0.
820.
700.
640.
66 Type 5Type sType 1 町pe 5Table 2(b> Mechanical properties (Diaphragm& Beam}
Diaphraqm & Flanqe Web
σY σuEL σy σu εLSpeclmen 〔しf/Cm } {匂 〔しf/c詔〕 〔嚇 2
,
732.
993.
【54.
454.
754.
刀 29.
526.
529.
Q2.
85 4.
38 2.
79 4.
30 2.
58 4.
4126.
328.
926.
D 国 Ny≡
oN /Ny≡
O.
2.
0.
4 BX田9△SR−
1/0.
2 脚a〕 ビル トア ッ プ鋼 管で は, 残 留 応 力 測 定と加 力実験で使 用し た鋼 板は異なっ て いる が, 組 立て方 法,
溶 接 方 法等 は 同一
条件であ る。
一
106
一
駁織 蠡
一
1?
.
仄
L
−
4。。.
←2。。_−
4。。一一
BXWgA−
2−
需 工 卞Fig
.
7 Details of connectionsみ測 定 を行っ た もの と同
一
鋼管である。
供 試体の諸元 を
Table
1に示 す。 各 供 試 体 と も柱 , は り お よび ダ イア フ ラム寸法は同一
で,
角 形 鋼 管の製 法 と 柱 軸 力 比NINy
(=o,
o.
2,
0.
4 )を変数とし てい る。
こ こ で, Ny は素材試験 結果を用い た柱の降伏 軸 力である。
供 試体の断面性 能お よ び耐 力計算 値 をTable
3に示 す。
表 中の耐 力 計 算 値は すべ て接合 部は り端の フ ェー
ス モー
メ ン トで表 示さ れてい る。 こ こで,MBP
:は り (等 断面部 )の全 塑 性モー
メン トMcp
:軸 力の影響を考慮し た柱の低 減 塑 性モー
メ ン トMty
:接合部の局部降 伏 耐 力 (文 献15))一
・・
23
姻
詈
)
1
(
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t
(
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(d
− t
)……・
・
・
・
・
・
・
……・
・
………
(1 ) σ。D ;ダ ィア フ ラム材の引張強さMpy
:柱軸方向応 力と せ ん断応力を考慮したパ ネルの 降伏 耐 力 (文 献1))一
,%
(占
斗
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…
一
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(2 ) σ。c ;柱の降 伏点.
λ=B
〃e μ=d
/lc D,=d −
t Dc=
B−
T 供 試 体は接 合 部パ ネル (以 下,
バ ネ」レ) 降 伏 以 前に部 材 降 伏お よ び接 合 部の局 部 降伏が生じ ない よ う,
ま た ダTab}
q
3 Sectio皿a4 properties Qf RHS and ca且cu 監ated strengths厂
Specimen rZCP { 〔cm3 〕 MBp MCP 阿PY.
MLv にfm, 虹 M BX四 A−
lBWXgA−
1/02 BXW9ASR−
1〆0.
221472 上9.
2.
22.
8 14.
2 13.
9 20.
6 22.
4 13.
9 L4.
8 21.
3 17.
4 10.
8 14.
80.
98LO61.
37 BXWgA−
2〆O BXW9 跳一
2 〆O.
蝨 21472L9.
2 t5
.
9 9.
9 13,
9 20.
6 14.
9 9.
1 14.
8L401.
63 BX 舛9A−
4〆0.
2 Bxw9A−
4 〆o.
4層
4932Q.
6 工7,
6 10噛
5 14.
8 1_
41 20.
6 16,
8 9噛
8 14.
B 1.
5Lr Outside corner radiu3 Zcp Section
modulus
イアフ ラム部に早 期の局 部 座 屈が生 じない よ う設 計 され て い る
。
すな わち,
接 合 部の局 部 変 形に対す る補 剛 方 法 は外 ダ イアフラム形 式で, 文 献1
)の結果よ り, 次式を 満 足 する よ う ダ イアフラム寸 法 を決め た。
畿
・………・
………・
……・
…一 ……・
……
(・》β
/禦
・島
…一 ……・
・
……・
……一
… ayP :ダ イア フ ラ ム材の降 伏 点 い ずれの供 試 体 も鋼 管の溶 接 線の ある面 が 柱ウェ ブ側 (パ ネル面)にこない よう製 作 されている。
3−
2 機 械 的 性 質 使 用 材は STKR 41およ びSS 41で , その機 械的性 質 をTable 2に示 す。
角 形 鋼 管につ いて は, プレス成 形 鋼 管は加工前の鋼 板より採 り出し たJIS
1 号引張試験片, ロー
ル成形 鋼 管,
ロー
ル焼 鈍 鋼 管 お よ びビル トアップ鋼 管は鋼 管 平板部の管 軸 方 向 よ り採り出 し たJIS
5号 引張 試 験 片に よ る引 張試験の結 果で ある。
Fig.
8
に素材 試 験より得た鋼 管の σ一
ε関 係 を 示す。
ロー
ル成 形鋼管は加工硬化の影響で明瞭な降 伏点を示さ ない た め, 降 伏点は0.
2
% オフセッ トに よっ た が,
応 力 焼 鈍し た もの には明瞭な降 伏 棚が表れて い る。 降 伏 点 お よび 引 張 強さ は加工硬 化に よ り,
そ れ ぞ れ29
%,
10 %高く なっ てい る。
各鋼管の降伏 点と鋼材の基 準 強 度F =2.
4 tf/c皿2 の比 は, ロー
ル成 形 鋼 管,
ロー
ル焼 鈍鋼管,
プレ ス成 形 鋼 管,
ビル トアッ プ鋼 管で,
そ れ ぞ れ 1.
75,
1.
36,
1,
22,
1.
32で ある。
3−
3 載 荷 方 法実験は
Fig.
6に示す よ うに柱を単 純支 持 して お き,
油圧 ジャ ッ キに より柱に定 軸 力 を, はり両端に 逆対 称 荷 重を与え ることに より行い, 供 試体と油 圧ジャ ッキ の間 に設 置し たロー
ドセ ル によ り荷 重の検 出を行う。
載 荷 手 順は,
所 定 軸 力 を 加え た後は り端荷重を与え,
数 回の正 負の繰 返し載 荷 を行っ た。
は り端荷重の 正負の 方 向をFig.
6に示す。
実 験中,
はり端の変 位, パネル の せ ん断変形お よ び接 合部の局部変形を変 位 計で,
接 合 部 各 点の ひずみをW .
S.
G.
で測 定し た。 筆 蔓 二6
Fig
.
8 Stress・
strain relationships of RHS materials
4
.
実 験 結 果 4−
1 破 壊 状 況 Figs.
9
(a)〜
(g
)に各供試体の荷重と変形の関係を示 す。
こ こで, 荷 重は接 合 部は り側の フェー
スモー
メン トM
で, 変形 は は り端 変 位を荷 重 点よ り柱面 まで の距離 で除し た変 形 角 θ で表 示し てい る。
い ずれ の供 試 体 もパ ネル のせ ん断 変 形が顕 著で,
安 定 し た復 元 力 特 性 を示してい る が,
柱 軸 力の無い もの は大 変 形 時に (θ≒3−
6×10−
Zrad.
)引 張 側の柱 コー
ナー
部 の溶 接 止 端 部に き れっ が生 じ,BXW9A
−
2/0で は, こ の き れつ が管 厚 方 向お よ び管 幅 方 向に進展 し荷 重 低下 が 生じ た。
また,BXW
9
A −
2/0.
4 は柱の圧縮側フ ランジ に面 外 変 形 が 生じ荷 重 低 下 が 見ら れ たが,
後 述の よ うに いずれの供 試 体に お い てもパ ネル もほぼ その耐 力に達し て い たと 考え られ る。
その他の供 試 体は すべて ラム ス ト ロー
ク が限 界に達した の で荷 重 低 下 を確 認で き な かっ た が,
最 大変形 θ.
は 1/10rad.
以 上あ り, 得ら れ た最 大 荷 重は ほ ぼ供 試 体の最 大 耐 力であると判断で き る。 実 験 後の測 定で はパ ネル の面 外変形は 1−
2.
5皿m 程 度で,
せ ん 断座 屈 波は認め られ ない。
4−
2 荷重一
変形関係実 験 結 果の
一
覧をTable
4
に示す。 同表 中My
およ び Mu はそ れ ぞれ, 荷 重一
変形 関係にお ける接 線 剛 性が初 期 剛 性の 1/3になっ た時の荷重 (以 下,
降 伏 耐 力 )お よ び最 大 耐 力である。
Fig.
10 にロー
ル成 形 鋼 管柱お よ びブレ ス成 形 鋼 管 柱 接 合 部の柱 軸 力が無い場合の実験の荷 重一
変 形 関 係の正 荷 重 側 包 絡 線 を 示す。
ロー
ル成 形鋼管の場 合はプレ ス成 形 鋼 管の場 合よ り剛 性の低 下す る荷重が高く,
また剛 性 低 下が緩や か で あ る。
Fig.
11 は BxwgA−
1/0
の 全体 変形 θ と各 変 形 成 分 の関 係 を 示 してい る。
図 中の 太い実 線は M一
θ関 係の正 荷 重 側 包絡線を, 細い実線は はりの変 形 (e
』) を,一
点 鎖 線は はりと柱の変形の和 (e
,+e
.) を,
点 線は はりと 柱とパ ネル の変 形の和 (θ。
+ θ.+e,)を表 し て い る。
こ こ で,
砺, e.お よ び のは以下の と おり であり, すべて は り端の変 形 角で表 示し てい る。 θ,:変 断 面は り の曲 げ, せ ん断変形の弾 性 計 算 値 e, :柱の曲 げ, せ ん断変形の弾性 計 算 値 θ, :パ ネル の せん 断 変 形 実 験値 Table 4 Summaly of test resultsSpeGim
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n 暦yMu9yOuMu 臼u 閃yM μ Fai 工ur巳
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1
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、
4 (9)Fig
.
g Load−
deflection curves(b) M 」 塾』塑15
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一
一
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一
一
一{一
一
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.
・
B×WgA−
2/0 0 2 4 6 8 10 eCXID{raa }Fig
.
10 Comparison of load−
deflection curves樹
゜ ほ 「留
10 (c ) M一
咀 皿1 1 卩L
尸
闇
「
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.
一
一
一
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一
』
一
8,温
、、,
.
一
15 4!U2 (f) etxldirad〕Fig
.
11 Component ef each defoTmation図 より
,
降 伏 以 後パネル の変 形 成 分が大き く な り,
全 体 変 形の大部 分がパ ネル の せ ん断 変 形による もの である こと が分る。
し た がっ て, (3 )式および (4 )式の条 件を満た す接 合 部で は接 合 部の局 部 破 壊 ある い はダ イア フ ラ ム部の局 部 座 屈は生じず,
プレ ス成 形 鋼 管お よび ビ ル トア ッ プ鋼 管につ い て も両 式の妥 当 性が確 認で き た。5
.
考 察 5−
1 柱 軸 力の影 響 Fig.
12お よ び Fig.
13 は,
使 用 鋼 管 別に示し たM 一
θ 関 係およびパ ネル平 均せ ん断応 力r と せ ん断ひずみ角 γの関 係の正 荷 重 側包絡 線である。Table
5に各 供試 体 の T お よび γ の殖 を 示 す。
最 終 状 態で柱コー
ナー
部に き れつ が 進展し耐力が決まっ たBXWgA
−2
/0
お よび柱 フ ラ ンジの面 外変形で 耐 力が決まっ たBxwgA
−2
/0.
4
もパ ネル の せ ん断 耐 力にほ ぼ達して いること が分る。 柱 軸 力 比NINy=
0,
2程 度では柱 軸力の影 響は小さい が.
1V/1鞠=
0.
4にな る と明ら か に影 響が見ら れ,
Figs.
12 (b
>,
(c)に示す よ うに N /Ny・
= O.
4’
の もの はN
/Ny
=
0 ある い はNIN
.;
O.
2
の もの よ り同一
荷 重に お け る 変 形が大きい。Fig.
14は各供試体のMy
お よびMu
と柱 軸 力 比N
/Ns
の関係を示して い る。
図の縦軸は軸 力の影 響を無 視し た 柱の全 塑性モー
メン トM
雲ρ で除し無 次元化し てい る。
図に は (2 )式のパ ネル 耐力計算 値M
. お よび日本建 築 学 会 「鋼 構 造 塑 性 設計 指針・
同 解 説」 (以 下,
「塑 性 指 針」)に よ るもの を実 線で示し た。
また,
参 考の ために M2 ‘ttm} 20MlttmPI5 10 一・
一
・
1・
一
一
r−・
E I Qa4一
M20fttm ) 15 T 5 BXWgA−
2 024681012 02468101214 ei川σ2ρqd〕 (a ) (b) (c )Fig
.
12 Effect of NINs Iatio on M−
e relationships2 04
− ・
一.
−1
− −
1
T {t嵯 o ,
驫
2 1 OA o Bxv9臼一
2 3 tCttsrfi 2 1 鯉一
†一
一
.
} 「
’
o.
4 5 10ttri 。a・ed) 15 ° 5 1°r〔、1σ・
剛一5 D (a ) 〔b〕Fig
.
13 Effect of ハ厂ノハls ratio on τ一
γ 【elationships5 {c ) 日XVYR
−
4 】o !5 rcmo『
:
raoTable 5 Shear st「ess and shea 「st「ain of Panel
Sド
じ
↓
鬮
n τyIu τ oIucYy 脚 Yソ匸τ
y τuTUYUYU
{匸/Gm 〕 〔LO−
2【
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ZL942.
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17o.
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3日
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5R−
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53L882.
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795.
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2 〆0L5B2.
67L692,
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2/O』 1.
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日本建築 学 会 「鋼 構 造 設 計規準・
同解 説」の解 説 式に よ る値も示し た。 た だ し,
計 算に際し て鋼管の降伏点に は 素材試験に よ る値を用い た。
柱軸 力比 が大き く な れ ば, パ ネル耐 力は低下す る。
N
/N
.=
o.
2で は柱 軸 力の影 響は小 さいが.NIN
.=o.4
では柱軸力の無い場合に比べ
,
(2)式で 8%, 「塑性 指針」では 23 %の耐力 低下が あ る。
一
方,
実 験 降 伏 耐 力M
. は,BXWgA
−
2ではN
/Ng =0.
4の 時,
柱 軸 力の無い場 合と比べ 22%低 下し て お り
,
「塑 性 指 針 」の傾 向と一
致し てい る が
,BXwgA
−
4で はNINy=
o.
4の 時,NINy
;0.2
の時に比べ て 4%だ け低 下してお り (2
)式の傾 向と一
致して い る。 しか し, 「塑 性指針」に よ る場合は,
Fig.
14に示す よ うに柱 軸 力 比の低い範 囲で は耐力 を 過 大 評 価 し過ぎて おり, 本 実 験の軸力比の範 囲で は,
Mv と の相関は (2)式によるもの よ り悪い。
ま た,
最大耐 力Mu
はNIN .=
O.
4の時で N /Nv
=
・O
あ るい は0.
2の 場合よ り3%,
8%低 下す る の み で ある こと を考える と,
柱軸力 の効 果を考 慮し た耐 力 式 として (2 )式を用いる こと は妥当であ る。 5−
2 加 工硬 化・
残 留 応 力の影 響Fig.
12
(a)に示すロー
ル成 形 鋼 管 柱 接 合 部 (BxwgA
12 1.
Oβ a一
1/o.
2) ,ロー
ル焼 鈍 鋼 管柱接合 部(BXWgASR−
1/0.
2> のM 一
θ関 係に よ れば, ロー
ル焼鈍鋼 管の場 合は比 較 的 明 瞭な降 伏 開 始 点 が 認め ら れ るのに対し,
ロー
ル成形 鋼 管の場 合は, はっ き り し た降伏開 始点を示さ ず,
徐々 に 剛 性 が 低下す る。
ま た,降伏耐 力,
最大耐力は ともに ロー
ル成 形 鋼 管の方が高い。
Table
6にBxwgA
−
1/0.
2 と BxwgASR−
1/o.
2の耐 力の比 を示 している
。
降伏耐力My
お よ び最 大 耐 力Mu の比は, それぞ れ1.
31,1.12
で,
これ は鋼管 素材の降 伏 点 σec お よ び引張強さ σuc の 比1,
29,
1.
10に ほぼ対 応して いる。
両 供試体の脇
,Mu
を 鋼 管 素 材の σvc, aucでそ れ ぞ れ 除 し て比較す る と,Bxw9A
−
1/0.
2 はBxwgASR
−
1/0.
2よ りMy
時で 2%,
Mu 時で 3% だけ高く なっ て いる。
こ の こと は, パ ネルの せ ん断 耐 力に与える加 工 硬 化の影 響は大きいが,
残 留 応 力の影 響は ほと ん ど 認 め ら れ な い こと を意 味してい る。試み に
,2
章で測 定し た残 留ひずみ を基に, 残 留 応 力 が接合部耐力に与える影 響を検 討する。
Figs.
15
(a),
(b
)はロー
ル成 形 鋼 管お よび プレス成 形鋼 管 柱接 合 部の バ ネル面に つ い て,Fig.3
お よびFig.
5の 残留ひずみ分 布をモデル化し た もの である。
こ の残 留ひずみ分 布を基に,
次 式に より断 面 内に存 在す る 残留 応力を求め る。 σ e== σL 十 ai一
σL σ7十3τ R・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(5 ) こ こで, σL:管 軸 方 向 応 カー
1至
。(・・+ver) σT :管 周 方 向 応 カー
1至
ノ(・・+ veL) τn :せ ん断応力;G
γ パネル の曲 げ 応 力を無視し,
柱の軸 方 向 力が無い場 合 を 考える と, パ ネルが 降伏す る場 合の平均せ ん断 応 力は ミー
ゼス の 降伏条 件を 用い・一
毒
嗣・
…・
…一 一 ・
一 ………
(・)O
O
・
2N
/Ny
OA
Fig
.
14 Effect of column axial ferce on strengthTable 6 Effect of work hardening and residual stress of RHS
on strength of connectiens
on
H on
MU
on σyo
on σ UC
gnMy 〆σyc ロnMU
UUC BXWgA /BXWgASR [ ]1 1 12 T 29 1 LO l D2 1
薫
聾
EL tT 7 (a>誼
劉
εL tT T (b)Fig
.
15 Model of residual strain distributien on panelTable7 Effect of residual stress Spectmen τ/τyc BXWgA
−
1〆QCbrnece : 蹟tre0.
950.
99 BXWgA−
2/QCornercentrc0.
920.
92N /
Ny=
Oの 場 合の ロー
ル成 形 鋼 管お よ びプレ ス成形 鋼 管柱 接合部につ い て (6)式の r と鋼管素材の τsc と の比をTable
7
に示す。
パ ネル中 央 部で の T/ Tycの値は, ロー
ル成 形 鋼 管お よ びプレ ス成 形 鋼 管でそ れ ぞ れ99
%,92
% で, 残 留 応 力がパ ネル耐 力に与え る影 響は比較的 小さいと言え る。
5−3
接 合 部 耐 力の評 価5−3−
1 実 験 耐 力の評 価1
) 降伏 耐 力 :Fig
.
16に実 験 降 伏 耐 力My
お よ び 最大耐力M 。
と (2)式の パ ネル降 伏 耐 力計算 値M
. の 比と鋼 管素材の降 伏 点 σyc の関係を示 す。
いずれ の供試体に おい て もM
。/Mn。の比はほぼ 1.
o と なっ てお り,
7体の平均値=O.94
, 変動係数 rO.
059
で , 鋼 管の製 法の違いお よ び柱の軸力比の大き さ に よ らず 降 伏 耐 力は(2)式に よ り精 度 良く推定で き る。試み に,(2 ) 式に お け る柱軸力の項を無視し た式 を用い,Mv
との比 を求め る と,
7 体の 平均 値=’
O.
91,
変 動 係 数=0.
081と な り,
(2
)式に よ る場合よ り推 定精 度が悪く な ると と もに,
柱 軸 力が あ る場合のM
. を10
% 以 上 過 大 評 価 す ることにな る。
2 ) 最大 耐 力 :Fig.
16に 示す 瓢 ノM. の 値は σyc が 大き く な るに し たがい低 下 する傾 向に あ り,
最 大 耐 力 は鋼 管 素 材の降伏 点 σyc に比 例して いない。
試みに,
Mu
/M
. の値 を 求めると,
7体の平 均 値 = 1.
65,
変 動 係 数=0.
15と なる。Fig.
17は最 大 耐 力 時にお け るパ ネル平 均せ ん断応力 Tu と鋼 管 素 材の τ。c(= au,IVIi
’
), の 比 と σ y.
の関 係 を示して いる
。
τu/τuc の値は ほ ぼ1,
0 (Table
5 参照 )で,
7体の平均 値
=
0.
98,
変 動 係 数=
O.
050 である。 以 上の こ と より最大 耐 力Mu
はσyc よ りσuc で評 価で き るこ と が 分っ た。
そこで, (2)式で用い られ て い る せ ん断応 力 分 布に 関す る形 状 係 数x=
9/8 を1に,
ay。 をσu。 に置 換えた (7)式の Mpu を 用い,
Mu
/M
。 。Mpu一
冓
・HD ・T
(占
i
’ 。、 1−
(
旦 Ns)
2・
………・
………・
・
………・
…・
(7 >2
.
5 35 4.
56rystttltmi
)Fig
.
16 Relationships between MIM ” and ase張 ” Loo9 ロ
ー
8
−
e6 24 願 012
・
53
・
56,、、t↑論
5Fig
,
1ア Relationship between τ盤/τ脳 ご and σscの 値 を 求め る と
,
7体の 平 均 値= 1.
02,
変 動 係 数= 0.
061とな る。
こ の 変動係数の値は前 述の τv/τuc の変 動 係 数よ り若 干 大きいが, (7)式は実 験 値 を精 度 良 く 評 価してい る。
Fig.
18はFig.
13の τ一
γ関 係を鋼 管 素 材の せ ん断 降 伏 応 力 Tvc(=
σ ”c/語 ), せん 断 降 伏ひずみ rl。(=
勉 /G
) で無 次 元 化した もの で ある。
ロー
ル成 形 鋼 管の場 合,
冷 間 加 工に よる降 伏 点お よ び降 伏 比の上昇に よ り, 降 伏 以 後の余 力は小さい。「
しか し, 降伏比の低いプレ ス成 形 鋼 管お よ びビル トア ップ鋼管の場 合でもτu/Tv。・
・
1.
4−
1.
6 で,H
形 鋼 柱 接 合 部の場合の値 1.
7−
2.
56)一
s)に比べ て 小さい。
ま た, 本実 験で は Tu/τuc の値は ほ ぼ LO であっ た が,H
形 鋼柱接 合 部の場 合は,パネル の補 剛 枠と して.
柱 フラン ジが有 効に働く た め τ。
/τ。c の値は 1.
2−
1.
5程 度6}・
7,に なる。
角 形 鋼 管 柱 接 合 部の場 合,
H形 鋼 柱 接 合 部に比べ て Tu/ Ty。,
ru/ T”c の値が小さいの は,
パ ネル の補 剛 枠 とし て の柱フ ラ ンジ剛性がH形 鋼の場合に比べ て相対 的に低い た め であ る。5−3−
2 接 合 部の設 計 式 接 合 部の設 計に際し て は,
接 合部の実際の耐 力 と設 計 耐力の比 (安 全 率 )が角 形 鋼 管の 製 法に影 響 され な い こ と が望 ましい。
前 節におい て,
実験 降伏耐力は鋼 管素材 〔Z
τ=
?_
尸
・
41
.
ノ
、。夢
袤
罫
鴦
三
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一
一一一.
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二 1;藩
一_
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:昌緲
譲
BXWgAsR一
覃 SR:
0
20
40
60
}/ 薩c0の降 伏点σyc に
,
最 大 耐 力は引張 強さ σuc に支 配さ れて い ること が分っ た。
本 節で は, 鋼 材の基準強 度F
を用 い た設 計 式 を考え, 実 験 耐 力 との比較を行い, 角形鋼管 の製 法の違い によらず 同一
の式で設 計が可 能で あ ること を示す。 実験に使用 し た4 種類の角 形 鋼 管の σyc およびσu。と 使 用 鋼 種STKR41
あ る い はSS
41
の基 準 強 度 (F ; 2.
4tf/cm2 >お よ び 破 断 強度 (凡=
4.
1 tf/cm2 ) の比 を 求める と, σ yc/F
の 平均 値=1.
41,
変 動 係 数=
o.
17, σuc/Fu
の平均値=1.17,
変動係数=o.049
であ る。
試み に (2 )式の ayc を基準強度
F
に置 替え た (8 ) 式 を許容耐力式と考え, 本 実 験 結 果との比 較 を 行 う。MPF一
器
餓 ・ (1旱
し
) 1−
(
旦Nv
)
2……・
…・
…・
………
(8
)Table
8 は実 験 値 My お よ びMu
とM
ρF の比を示 して い る。
Ms/MpF の値は aec/F
のバ ラ ツ キ が大きい た め1.
09 〜
1.
65の 間に あり, 平 均 値=
1.
33, 変動係 数=
0.
16であ る。 ま た,
MpF時の変 形 角は θ=1
/150〜1
/250
rad.
程 度であ る。
一
方,
最 大 耐 力 式は設 計 式と し ての簡便さ も考 慮 し,
許 容 耐 力 式MPF
に係 数 α を 乗じ た (9
)式と考え る 。 Mu!
!
aMpF・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
∴・
・
・
・
・
・
…
■
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(9) Mu /MPF の値は 2.
09〜
2.
47の間に あ り,7
体の平 均 値=2.
29,
変動 係 数=
0.
058で,
MpF
を基 準に し た場合で も精度の良い耐 力式となっ て お り,
角 形 鋼 管の製 法に よ らず次 式 をパ ネルの最 大 耐 力 式とし て用い る こと が で き る。・
M
.=
2.
29Mpli・
…
t・
・
・
・
…
t・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一
一
・
(10 )(10 )式はプレス成 形 鋼 管につ い て は数 % の過 大 評 価
,
ビル トア ップ 鋼 管につ い て は数 %の過少評 価に なっ て いる。 た だ し,
こ こ で示し た設 計 式は,
限られ た部 材寸法(角 形 鋼 管の幅 厚 比=
22.
2>の実 験 結 果よ り得た も のであ り パ ネルに は せ ん断 座 屈は生じてい ない。
今 後,
鋼管の幅 厚比の影 響につ い て検 討 を加え,
必要に応じ 設計式に修 正 を加え る予 定である。6.
結 論・
3 種 類の製法の異な る角形鋼管につ い て,
残 留ひずみ 分布を調べ る と ともに,
水 平 荷 重 時 実 験 を行い, 接 合蔀Table
8
Comparison between experi 皿ental strength and de−
sign strength MPF Specimen σYC FMyMMuMPF BXWgA
−
1/0L751.
652.
29 BXWgA−
1/0.
21.
75L612.
34 BX田9瓦SR−
1/O.
21.
361.
222.
09 B畑 9A−
2/O1.
221.
282.
17 BX 四9A−
2/O.
4L221.
092.
27 EXW9 孔一
4/0.
2L321.
222.
47 BXWgA−
4/0.
41 」21.
272.
42 パネル のせ ん断耐力に与え る角 形 鋼 管の製 法の違いお よ び柱軸 力の影 響を調べ た結 果,
次の こと が明らか に なっ た。1
)ロ
ー
ル成 形 鋼 管で は管 軸 方 向の残 留 曲 げひずみ成 分が大き く,
鋼 管 素 材の降 伏ひずみ の40〜60
% に達す る。プレ ス成 形 鋼 管およ び ビル トアップ鋼管で は溶 接 部の 残 留ひずみが 大 き く鋼管 素材の降 伏ひずみに達 して い る。 せ ん断ひずみ はロ
ー
ル成形鋼管の コー
ナー
部お よ び ビル トア ッ プ鋼 管の溶 接 部近傍以外は小さい。 2) ロー
ル成 形に伴う加工硬化が接合 部 耐 力に与える 影 響は大 きいが, 残 留 応 力の影響は比較的 小さい。
3 ) 鋼 管の製 法の違い , 柱軸力の大き さによらず, 接 合 部 降 伏 耐 力お よび最大耐力は (
2
)式および (7)式 で評価で きる。4) 鋼 管の製 法の違い
,
柱 軸 力 比の大き さ に よ らず,
接 合部設 計の際の許 容 耐 力式およ び最 大耐力式は (8
) 式 および (10
)式で与え ら れ る。ただし, 設計式は限ら れ た鋼 管 幅 厚 比の実 験結果よ り 得た もので あ るの で
,
今 後, 鋼 管 幅厚比の影 響につ い て 検 討す る 必要が あ る。 謝 辞実験および資料整 理に際 して は神 戸 大学教務職 員
,
上 場 輝 康 氏, 同 学 生, 田中宏 和 (現 奥 村 組 〉,
折 戸 英 明 (現 鉄 建 建 設 ),
季 小 蓮 (現 大 学 院 生)諸氏の協 力を得た。
また,
残 留ひずみ の測定に際しては川 鉄 建 材工業 技 術 研 究 所の協 力 を得た。
こ こに謝意を表し ます。 参 考 文 献 1) 田渕 基 嗣,
金 谷 弘:水 平 荷 重 時にお け る角 形 鋼 管 柱・
H形 は り接合 部の耐 力 評価一
角 形 鋼 管 柱 溶 接 接 合 部の実 験 的 研 究 3− ,
日本建築学会構 造 系 論 文 報 告 集,
第358 号,
pp,
52−
62, 昭和 60年12月 2>川 島 義 克,
西 村 誠;角 形 鋼 管 柱の座 屈耐力に関す る研 究 (溶接 お よ び冷 間 成 形の影 響 ), 日本建築学会大会学術 講 演 梗 概 集,
pp.
1007〜
1008,
昭和48 年10月 3) 森 脇 良一,
榊 原 英 雄,
山 形 雪 雄,
中田研 吉 :角 形 鋼 管 柱 の座 屈耐力に関す る研 究 (中心 圧 縮の研究),
日本 建 築 学 会 大 会 学 術講 演 梗概 集,
pp.
1011−
1012,
昭 和48年IO 月 4) 五 十嵐 定 義,
中 島 茂 壽 :角 形 鋼 管の力 学 性状に関す る基 礎 的 研 究,
日本 建 築学 会 近畿 支 部 研 究 報 告 集,
pp.
189−
192,
昭 和55年6月 5) 五十嵐定 義,
辻 岡 静 雄,
矢 島 悟 :冷 間成形角形鋼管の 軸 引 張・
軸 圧縮 挙動に関す る実 験 的 研 究,
日本 建 築 学 会 近畿 支 部 研 究 報 告 集,
pp.
173−−
176,
昭和 58年6月 6) 中尾雅 躬 :鋼 構 造柱はり剛 接 合 部に関する研 究,
東 京 大 学 学 位 論 文,
昭 和50年12月 7) 仲 威 雄,
中尾雅躬,
見 村 博 明,
小 佐 野 宏 :H形 鋼 強 軸 交 叉 形柱は り接 合 部の復 元 力 特 性に関す る実験一
その2 :全 溶 接 試験 体の実 験一
, 日本 建築学 会大会学術講 演 梗 概 集,
pp.
1265−
1266,
昭 和 53年9月一111一
8)
.
B.
Kato;Beam−
to・
Column Connectien Research in
Japan,
Journa
且 of the Structural Division,
ASCE,
Vel
.
108,
No.
ST 2,
pp.
343−
360,
Feb.
1982 9) 加 藤 勉,
西 山 功 :冷 間 成 形 角 形 鋼 管の局 部 座 屈強さ および変 形 能 力,
日本建築学会論文 報告集,
第Z94号,
pp,
45−
51,
昭 和 55年8月 10)加 藤 勉,
李 明 宰 :角 形 鋼 管 柱の最 大 耐 力に関す る研 究 〔実 験 及び数値解析 ),
日本建築学会 関東支部研究報告 集,
pp.
Z85−
288,
昭和58年 ll) 松井千 秋,
森野 捷輔,
津 田 恵 吾, 立 川 博 英 :角 形 鋼 管 柱 の局 部 座 屈 後 挙 動に つ い て,
日本 建 築 学 会 大 会 学 術 講 演 梗 概 集,
pp.
1155−
1156,
昭 和 55年 9月 12)五 十嵐 定義,
.
辻岡静 雄,
矢 島 悟,
杉 山茂 徳 :冷 間 成 形 角 形 鋼 管 断 面の弾 塑 性 曲 げ 挙 動に関す る実験 的研 究,
日 13) 14> 15} 本建築 学 会近 畿 支部研究 報 告 集,
pp.
317−
320,
昭 和59 年6月 加藤 勉,
西山 功:角形鋼 管T継手に関す る研 究一
冷 間成 形 角 形 鋼 管 を用 いた場 合と応 力 焼 鈍 角 形 鋼 管を用い「
た場 合の比 較一,
日本 建 築 学会大会学 術 講演梗 概集,
pp.
]855−
1856,
昭 和 56年9月 田渕 基嗣,
金 谷.
弘,
上 場輝 康 :角 形 鋼 管 柱・
H形は りへ
接 合 部の局 部 破 壊一
角 形 鋼 管柱 溶 接接合部の実験的研究 1− ,
日本建築学会構 造系論文報 告集,
第349号, pp.
71−−
SO
,
昭和60年3月 田 渕 基 嗣,
金容’
弘,
上場 輝 康 :角 形 鋼 管 柱・
H形 は り 接 合 部の局 部 耐力 推 定 式一
角形 鋼管 柱 溶 接 接 合 部の実 験 的研 究 2− ,
日本 建 築 学 会 構 造 系 論 文 報 告 集,
第352号,
pp.
79:89,
昭和 6Q年6月SYNOPSIS
UDC :624.
078.
014.
27 :624.
075.
2.
Ol4.
「
EFFECT
OF
THE
DIFFERENCE
m
MANUFACTURING
METHODS
OF
RHS
ON
THE
STRENGTH
OF
RHS −COLUMN
TO
H
−
BEAM
CONNECTIONS
by MOTOTSUGU TABUCHI
,
Res.
Assoc.
of Kobe Univ.
M
.
Eng,
,
HIROSHl KANATANI , Prof.
of Kobe Unlv.
D
,
Eng.
,
Members of.
A,
1.
J
The
rectangularhollow
sections (RHS
)are producedby
several manufacturing methods.
In
the manufacturingprocess,
residual stresses areintroduced
by
cold−
forming and welding,
and material strength is increasedby
the work−
hardening
,
These
two effects will influence the behavior of thebeam
to column connections.
This
paperdescribes
the measurement of residual stress a皿d
the effects of resid11al stress and the work−
hardening
of materials on the strength ofRHS .
column to H−
beam connections underhorizontal
force
.
Three
types QfRHS
are used.
(1)
RHS
正ormedby
cold rolling(
2
)RHS fab【icated正rom two cha 皿nels
for
皿edby
cold pressing(3)
RHS
built
upby
four
platesIn
addition to those,
stress・
relievedRHS
producedby
method (1
)is
alsoinvestigated
.
The
results are asfollows
:1 )
The
work−hardening
stronglyinfluences
the strength of the connection.
HQwever,
the effect of residualstress is not so
large
;2
)The
yield
and the 皿 aximum strengths are estimatedby
Eq.
(2
)andEq .
(7)respectively・
3)
As
the maximumdesign
formula
, Eq