鋼管エンドプレート継手の引張耐力に関する実験的研究

【論　 文】 UDC 　：624

。

078

．

014

．

27 日本 建 築 学 会 構造 系 諭 文 報 告 集 第 387 号

・

昭和 63 年 5月

鋼 管

エ

_ン

ド

プ

_レ

ー

ト

継 手

_の

引

張

耐

力

_に

_関

_す

_る

_{実 験 的}

_{研 究}

正 会 員 正 会 員 正 会 員

山

岡

辺

脇

辻

渡

広

静

律

三＊

雄

＊ ＊

夫

＊ ＊＊ 　

L

序 　 鋼 管 トラス材で は板な どの補 助 材 を 用いる継 手が用い られ ること が多い

。

例え ば

，

管 通し ガセ ッ トプレ

ー

ト継 手が あり

，

そ の引 張 耐 力や変 形 能 力はすで に検 討さ れ， 設 計 資 料が得 られて い る1］

・

z）

_。

同様な継 手に鋼管と十字 形ガセ ッ トプレ

ー

トが 1枚の プレ

ー

ト（エ ン ドプレ

ー

ト） を介 して接 合される形 式が ある （図

一

1， 以 下， 鋼 管エ ン ドプレ

ー

ト継 手 と 呼ぶ ）

。

また

，

エ ン ドプレ

ー

トに代 えて鍛 造リングを用い た継 手 も開 発され てい る3  これ ら はプレ

ー

トの面 外 曲 げ抵 抗などに よ り応 力を伝 達す る ため

，

継 手 耐 力 や 変 形 能 力はエ ン ドプレ

ー

トの曲げ性能 や溶 接 部の靱 性に大 き く依 存 すると 考 えられ る4）

_。

　本 研 究で は_{， 引}張 力 を受ける_鋼管エ ン ドプレ

ー

_{ト継 手} の耐 力 （崩 壊 荷 重〉を 降伏線理論に よ り解 析 的に検 討す る と ともに

，

こ の崩 壊 荷 重など を検 討す る 目的で_行っ た 継 手 引 張 実

_験

の概要と その_実験結果を報告す る。さ らに

，

有 限 要素法解析プロ グラム “

NIKE3D

”5_｝ を用い て

，

継 手の弾 塑 性 域にお け る力 学 性状な らびに変形 性状に関す る実 験 結 果との_対応を示し， 解析精 度や鋼 材の ひずみ硬 化の影 響 を検 討す る

。

　

2．

継 手部の極限解析 　鋼管 継 手の_{崩壊 荷重}をvon 　Mises の_{降 伏 条 件 な ど}に 基づいて求め ること は困難で あ り

，

本 研 究で は降 伏 線 理 論61に よ り継 手の崩壊 荷 重を求め る

。

図

一

2は継 手の崩 壊機構 形 成 状 態 を 示 したもの であり

，

崩 壊 機 構

M1 −M3

の

3

種類を考え る。 図 中

，

放 射 線が描か れ て いる領 域は 降伏場 （エ ン ドプレ

ー

トが円 錐 形 状に変 形する部分〉で あ る。 崩 壊 機 構M1 はエ ン ドプレ

ー

ト全 体に円 錐 状の崩 壊機 構が形成さ れ るもの で

，

鋼 管は完 全 剛であると仮 定 し

，

ガセッ トプレ

ー

トの局 所 的な塑 性 化 を許 容する

。

・尸 方

，

崩 壊 機 構M2 で は ガセ ツ トプレ

ー

トに囲 まれ た領 域 にエ ン ドプレ

ー

トの局 部 崩 壊 機 搆7）_{が形成され}

_，

_ガセ ッ トプレ

ー

ト は完 全剛で

，

鋼 管 端 部の塑 性 化を許 容する

。

　本論の概 要は昭和6Z年度日本建築 学会 近畿 支 部 研 究 報 告で発 表 済み で あ る。 　 拿 大 阪 大 学 　教 授

・

工 博 　 軸 大 阪 大 学 　助 手

・

工 博 　＃ ＊ _{大林 組 （株} ） 　 　 （昭和62年8月31日原 稿 受理）

Oe

e 　 　 　

OF

図

一

1 鋼 管エ ン ドブレ

ー

ド継 手 さ らに

，

崩 壊 機 構M3 はこれらの機 構 を組み合わ せ たも の と言え

，

ガセ ッ トプレ

ー

トと鋼 管 端 部の塑 性 化 を許 容 する もの で ある。 な お， 機 構M2 ，　 M3 で は鋼 管とエ ン ドプレ

ー

トは ピン接 合とする

。

また， いずれ の機 構でも 溶接 金 属で のエ _{ネル ギ}

ー

_{散逸 は無 視する}

。

　（1） 機 構M ユ に_対す る崩 壊荷重 　扇 形 領 域

OEF

（継 手の

1

／

8

部 分 ） を考える

。

エ ン ド プレ

ー

トの面外 変位 速度をu

_，

円錐 形の_頂点Pの_仮想変 位 速 度 をv と する と， u と v は次 式で関 係づ け ら れ る

。

　　　

v

＝

　_r／（

be− X

_）

・

_u

………・

・

………一 ・

…

_（

1

_） こ こ に

，

r＝ （

D − tp

）／2

，

　

D ，

　tpは鋼 管 外 径， 鋼 管管厚で ある

。

　降 伏 線

AB

に お け るエ ル ネギ

ー

散逸 速 度は円 錐 形の 領 域

PAB

（降 伏 場）の エ _ネル ギ

ー

散 逸 速 度に_等し く， エ ン ドフ レ

ー

トのエ _ネルギ

ー

散 逸 速 度 （すな わち降伏線

AB ，

　

CD

_と降_{伏 場}

ABDC

のエ _ネル ギ

ー

散 逸 速 度の和〉 は

_，

周 辺 固定の _{円 錐 崩 壊 機 構}61の 円錐 形領 域

PCD

の エ ネル ギ

ー

散逸 速度

DCN

で置 き換え られる

。

これ は次 式 で表さ れ る。 　　　

DCN

＝ 0

．

5　nMo

，

v

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

_{（2 ）} こ こで，

M

。はエ ン ドプレ

ー

トの単 位 幅 当た りの全 塑性 モ

ー

メン ト （

＝t2

’

σ e／

4

）で ある

。

なお，　

t

。

，

　ae は

，

そ れ ぞれエ ン ドプレ

ー

トの_{板 厚}お よ び降 伏 応 力度で ある

。

　

一

方， ガセ ッ トプレ

ー

トは

O −

F 断 面の

皿］

で示す よ うな塑 性 変 形 を生じ

，

ガセッ トプレ

ー

トのエ _ネル ギ

ー

散 逸速 度DGP は次 式で与え られ る

。

　　　Dap

＝

0

．

5｛R

−

O

．

5（X十 r）｝tgσ_σ

・

u

…・

……・

…

（

3

） こ こに，

t

。

，

σ g は ガ セッ トプレ

ー

トの板 厚， 降 伏 応 力 度， R はエ ン ドプレ

ー

ト幅の 半 分で ある

。

一 71 一

　

CF

．

−

P

−

．

uF

給

・ x 广

〆　 　

・_q o ぎ

、

騨…

．

…

．

…

・

…ミ…1…

・

…灘…顕

・

　

・

楙 …

．

・

扛 ・ ‡ Rr 妻

．

　 　　 　 　　 　 　　 　Tub A

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

．

B c Di 萋 End 　Plate F ＼，。、d 。 。 ， 。、 x 　　 　　　　Gu　s　し　　 ユa しe 　 　 　 し_q／2 〔a）　Mechan ⊥sm ｝41 　 匸G

・

P

・

3Rlq 手d

−

Pl・5仁i・ 　 　 Tube

：

Rigid ト

ー

ヨ

₁

　　　

し 9 li

イ

．

：

i

：

鮴 ；

．

・

・

・

：

歪

・

…

…．

…

・

・

…1

．

…

’

1…

．

…重

・

_工

・

　

卩

ノ

’

　 　 　 Tube

厂

Rr Q HI …

iiiiiiili

日　 　C 　　 ワ 6〆 Weld

　

　

　！

＼

’

，

’

　　　End 　Pla しe F 　Meヒa1 ／

 

　　　・

f

x ズ　 　　Cu　set 　Pl　ヒe 　 　 　 　tg／2 　 　 　 y Yi已1d　LineYield 　Fan 　 　 　 　 O 　 End 　

　　　

　 　 　 　 ｛Tube ［ 　 Cb）　Mech 己nism 　M2 　 　 　 ｛G

・

P

・

；

Rlgid 　 　 　 Tube

；

Rigid

−

Plastic

図

一

2　継手部の崩壊機構 ／2y 　 w 　 　 　 Yield 　LinEnd 　P Yield 　Line 　 O 　 　 〔c）　Mechanism 　M3 　 ｛G

・

P

・

：

Blg

↓d

幽

Plas ヒic 　 　 Tube

：

Rigid

−

Plastic

　 継 手 全 体のエ _ネル ギ

ー

散 逸 速 度8

・

（DCN＋Dcp）を外 力 仕事 速 度 F

・

u と等置 し

，

長さ パ ラ メ

ー

タ X につ い て 最 小 化す れ ば

，

継 手の機 構M1 に対する崩 壊 荷 重 Fm が 得ら れ る。 　 　 　FUi

＝

π誌σ。／（1

−

x，）＋2　t。rσ。（2

・

R／r

−

x

、

−

1） 　　 　 　 　　 　 　　

・

・

・

…

　

一

一

・

・

・

・

…

　

一・

一

…

　

一・

・

一・

・

・

・

・

…

　（4 ） こ こ に

，

x。

＝

1

−

1

冠 診σノ （2　

t

。rσ。）

1

’／’ 　 （2） 機 構M2 に対する崩 壊荷 重 　降 伏 線 BG と CD の 間の距 離を 1，， 降伏線

BG

と

CF

の長 さ を

1

，，

1

，とする

。

こ れ らの 降 伏 線での回転角 速 度 は u／

l

，であり， 降 伏 線の エ ネルギ

ー

_{散 逸 速 度}

_DyL

_は次 式で与え られ る

。

　　 　

DrL；

（

1

：十撫）

Mo ・

u／

li…・

・

………

（

5

） 　ま た

，

円錐 形 領 域ABC にお けるエ ネルギ

ー

散逸 速度

DCN

は次 式で与え ら れ る。

　　　DCN＝0。

5

π

Mo・

u

・

・

_：

………

　

…・

…・

…・

・

…・

（

6

） 　 次に

，

管壁 に お け るエ _ネル ギ

ー

散逸 速度は

Dps

は次 式で表さ れ る。 　　 　

Dps‘

（

0．

514十

ls

）tp

’

σ

．

。

u

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

　（7 ） な お

，14，

　

ls

_は各々弧 DE

，

　EH の 長さ

，

　 t 。

，

σP は各々鋼 管の_{管 厚}お よ び降 伏 応 力 度で あ る。 　崩 壊 荷重

FM2

は

，

継 手全体の エ ネル ギ

ー

散逸 速 度

8・

（

DrL

＋

D

。N＋

Dps

）を外 力 仕 事 速 度

F ・

u と等置 し， 最 小 化する ことに より得られる

。

　 　 Fm

＝

F81 （RZ

− dt

）十 （R2

−

xi）

−

2XV （X

− d

）

・

M。 　　 　 　 　十4π〃o十4（7

一

置ρ／2）

1tan

一

瓱 （X／　（γ2

−

X2）｝ 　　 　 　 　＋

tan

−

1（

d

／ （〆

− dt

））｝t。σ。

…………・

（

8

） こ こ に

，．

d ＝

s十 tg／2で ある。 た だ し

，

　 X は ∂F栂ノ∂X

＝0

を満足すること が 必要で あ る が陽形 式で得ること は 困 難である

。

　（3） 機 構

M3

に対す る崩壊荷重

　

エ ン ドプレ

ー

トに 降伏場 は形 成さ れず

，

ガセッ トプ レ

ー

トと鋼 管に塑 性 変 形が 生ずる

。D ，

　

E

点の面 外 変 位 速 度 を u

，

w とすれ ば

，

　A

，

　

B ，

　

D ，

　

E

点が同r 平面に あ る こ と より

，

w と u に は次の関係が成 立す る

。

　　

，

w ≒（7

一

丿【）／（禰

一

r

−

x

− d

）

・

u

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

・

…

　（9 ） 　降 伏 線

AB ，

　

BH ，

　BC に お け るエ _ネル ギ

ー

散逸 速 度

P

γL は次 式で与え られ る。 　　 　DrL

＝

（x

− d

＞／（  r

−

x

− d

）

・

M 。

・

u 　　 　 　 　 十（R

−

x ＋

d

）／（r

− x

）

・

M

。

・

ω

…・

…・

…

（

lo

）

　

ま た， ガセ ッ トプレ

ー

_トのエ _ネル ギ

ー

散逸 速度

DGP

は

　　　D6p

；

o．

25

（

R − X

｝t／（r

−

x）

・

tgσ_g

・

w

…

　

t−・

・

…

　

（11 ） 　次に

，

t

点

D

か ら直 線

AB

に平 行な直 線を引く

，

こ の 直線と管壁の距 離に応 じて鋼 管の塑 性 変 形 δが規 定で き

，

δ は点

D

で

0，

点

E

でu

−

w で ある。 よっ て

，

鋼 管 にお け るエ ネル ギ

ー

散 逸 速 度 Dps は

，

近 似 的に弧

EF

と弧

DE

の_各エ ネル ギ

ー

散 逸 速 度の和とし て次 式で与 え ら れ る

。

・ps

− d ・

t。・p

・

（u

一

ω）・

∬

・t。ap・…

一 …・

・

（

12

） こ こ に_， 第 2項の積 分は管 厚中心線に 沿っ た s座 標 系 につ い て行う

。

　前 述の崩壊 機構の場 合 と 同様に し て崩 壊 荷 重 FMSは

，

次 式で与え_疹れ る

。

た だ し， パ ラ メ

ー

_{タ x は ∂FMS／∂}

_x

＝

_{0を満 足す ることが 必 要}であ る。 　 　 　F．

＝

＝

＝

8（

X − d

）／（轟 rLX

− d

）

・

Me

　 　 　 十8（

R − X

十

d

）／（r

−

X）

・

Mo

・

α 　 　 　 ＋2（

R − x

）ヲ（γ

一x

）

・

tgσ9

・

α 　 　 　　 　 ＋

8t

。σ。

・

（1

一

α）

ld

＋ r／（1

−

（1

一

α’））

　　 　　　

・

（tan

一

且

（a／ （1

−

aV ＞

一

α）

1

………

（13） こ こ に

，

α

＝

（

1− d

／の／v〆

2

，

α

＝

（r

− X

）／（V偐

一

7

・

− X − d

） で あ る

。

　よっ て

，

継 手の崩 壊 荷 重 ，F。は各 機 構の崩 壊 荷 重

Fm

の_{最 小 値}と して得ら れ る。 しか し

，

継 手の設 計に際して は

，

こ の継 手の崩 壊 荷 重と形 状 寸 法の関 係を得ること が 必要で あ る。 いま

，

鋼 材が SS　41

，

鋼 管が STK 　41の場 合にっ い て こ の _{関 係}を検 討 する。 簡 単の ためエ ン ドプ レ

ー

トの幅と鋼 管 径が等 しい もの と す る

。

鋼 管の径 厚比 が 50の場合の 解 析 結 果 を 図

一

3に示 す

。

継 手の崩 壊 荷 重は鋼 管の_{降 伏耐力}で無 次 元 化さ れてお り

，

図 中の _点線

，

鎖 線

，

実 線 は各々崩 壊 機 構

M1 ，

　

M2 ，

　

M3

で 決ま る領 域 である。 図か ら崩 壊 機 構Ml は継 手 耐 力を鋼 管の降 伏 耐 力よりか なり小さ く設 計す る場 合に の み生 じ るこ と

，

通 常の継 手では ガ セ ッ トプレ

ー

ト直下の鋼 管に ひずみ が集 中し鋼 管の塑 性 化は避け難い こ と な ど より崩 壊 機 構

M2

或い はM3 につ い て考え れ ば良いと言える。 また， 鋼 管 の降 伏 耐 力と継 手 耐 力が等しい場 合のエ ン ドプレ

ー

ト板 厚 を 図

一

4に掲 げる

。

断 面 積 比 （

＝

ガセ ッ ト断 面 積Ab／ 鋼 管 断 面 積

Ap

） が 大きい ほど板 厚 比 （

＝

エ ン ドプレ

ー

ト板 厚 ／ガセ ッ トプレ

ー

ト板 厚 ）は小さくてすみ 同

一

断 面 積 比で は鋼 管の径 厚 比が小さい ほど板 厚 比も小さい こ とがわ か る

。

　

3．

鋼 管エ ン ドプレ

ー

ト継 手の引張 耐 力 実 験 　こ こ で は降 伏 線 理 論に よる崩 壊 荷 重と_形状寸法の_関係 を実 験 的に調べ るとと もに_， 前 述の崩 壊 機 構の確 認 を行 う

。

　3

．

1 試 験 体 　試 験体総数は

7

体で

，

実験変数はガセッ トプレ

ー

ト板 厚お よびエ ン ドプレ

ー

ト板厚で あ る

。

試験体の形状を 図

一

₅に_{， 各部}の_寸法を表

一

1に_示す。 こ こ で

，

試 験 体名 は 【鋼管の種 類 （

PEJ

：電縫 鋼管 ）】

，

1

ガ セッ トプレ

ー

トの板厚 （tg）】

，

【エ ン ドプレ

ー

トの _{板 厚 （}t_。）】の 順 に表 され てい る_{。 使用} し た鋼材の_{機械的性 質}と溶 接 条 件を表

一

_2に

_，

_{試 験体各部}の耐 力と 剛性の_{計 算値}を表

一3

に示

す

。

こ こ で

，

gFb （pFy ）

，

　gFu （pFu ）は ガ セッ トプレ

ー

ト（鋼

管 ）の_{降伏 耐 力}と最大耐 力， ，

Fc，

　

F

、 は継手の崩壊 荷重 と各部の_耐力の_{最 小値 （}試験体の崩壊荷重 ）であ る。 ま た

，，

Ke

はエ ン ドプレ

ー

トが完全 剛の _{場 合}の試 験 体の_剛 性であ る。 　同表よ り

，No ．

4

が軸 部の降 伏 耐 力 以上で

，

すな わ ち 全強 継 手であ る。 な お

，

No

．

1試 験 体の継 手の崩 壊モ

ー

ド は機 構M1

，

　 No

．

2

〜

4_{試 験 体}で は機 構M2 ，　 No

．

5

〜

7 試験 体で は機 構

M3

で あ る

。

・

可

図S 試験体 ［

1

_＞E 工

．

5 地 pFy1

．

0 o

．

5 ゜ 1 2 し_e／tg 3 図

一

3　継 手の 崩 壊荷 重

一

形状 寸法関係 3

葺

、 上 e

燻

　 　 　 7o

　　　　　　

l

：

　 　 　 t 　 　 　 e 　 　 　 　₁ v

’

　 　2　 　3　　4　 　5　 9 必 要エ ンドプレ

ー

ト板 厚 ？

E−−

1 試 験 体の形 状 寸 法 鋼 管 馳，卜九

一

ト 二罪 ル

ー

ト 溶 接 部 L 説o

．

試 験体 名 種 類 Dt

ρ

ZDBtg し

愚

s （

巴

田

） （

皿

ロ

） （

コ

皿

） （

墅

皿

〕 （

四

皿

） （

皿

） 1

囗

皿

｝ （扈ロ） 1PEJ

−

4

．

5

−

4

．

5 電縫銅 管 215

．

44

．

3164 ＆

．

＆ 264

，

34

．

374

．

446

．

50 正3＆4

．

6 2PEJ

−

16

−

4

．

5

”

215

．

74

．

3154 巳

．

呂 265

，

5i6

．

504

．

42 星1

．

411384

．

6 3PEJ

−

15

−

12

π

215

．

ε 4

。

31647

。

＆ 265

．

516

．

4511

．

34 正6

。

弓61384

．

1 4PEJ

−

15

噛

16

σ

216

．

84

．

31647

．

9265

．

416

．

4016

．

46 童5

．

呂713a4

．

6 5PEJ

冒

　9

一

工6

席

217

．

o4

．

3164 ＆

．

1265

，

48

．

9316

．

47lo

．

971384

。

6 6PEJ

−

　9

一

工9

〃

217

．

14

．

31 図7

．

9264

．

98

，

941 巳

．

2411

．

431384

．

1 7PEJ

−

　6

−

16 π 217

．

14

．

3工648

．

O265

．

75

．

呂516

．

ag7

．

4013＆5

．

3

表

一

2

−

a　鋼 材の機械 的性 質 銅 　 　 材 　

σ

　

”

（t！dl 　

σ

9 （t／α貯） ε 〔沼｝ 　E 〔t ノ

α

の P18te

−

4

．

53

．

s＆ 4

．

402 艮

．

92121 Plate

−

63

．

394

．

4625

．

82102 Pl印te

・

92

．

734

．

3628

．

62170 Plate

一

工24

．

255

．

6923

。

82 見71 Ph匸配

・

162

．

854

．

5529

。

且 Zl32 Plate

−

［92

．

754

．

4729

．

7215 且 φ216』X4

．

53

．

5且 4

．

514L31958 表

一

2

−

b　溶 接 条件 溶 接 方 法 溶 接 棒 電 流 ω ア

ー

ク沼 接 JIS

　

D

　

4316 し巳

一

26

．

3

。

2φ 120 JIS　D　43正6LB

−

26

，

4

．

0φ 160 表

一

3　各 部 の耐力 と剛 性 （計 算 値 ｝ 図

一

4 No

，

試 験体名 gF 甥 （ton） pFu 〔t。n〕 gFロ 【ton） pFu （t

。

n） 」Fc （し

。

nlFc （ton） tK

匿

（t〆隅ロ｝ 1PE 亅

一

4

．

5

−

4

．

584

．

3105

，

7100

．

7 互29

．

553

，

533

．

537

．

5 2PE 亅

一

16

−

4

．

524 乳

．

9105

．

93a6

．

2129

．

752

，

152

．

164

．

3 3PEJ

一

蓬6

−

　122qL

．

2 匡05

．

8385

．

星 匚29

．

7 且03

，

5 塵03

．

5 図

．

4 4PEJ

−

6

−

16240

．

4105

．

9383

．

9129

，

8118

．

5105

．

964

．

5 5PEJ

−

　9

−

15127

卩

2106

．

o203

．

2129

．

980

．

080

．

055

．

7

6FEJ

−

　 9

膊

19127 」 hO6

，

0203

．

o129

．

9B4

．

384

．

353

．

8

7PEJ

−

　 5

一

　 且6104

．

1106

．

0137

．

0L29

．

969

．

469

．

4 卓4

．

2

　3

．

2　 載 荷 と 測 定

　

文 献7 ＞の_{載荷 装 置}を用い て_， 試 験 体に_引張力 （

F

）を 破 断に至るまで単 調 載 荷し た。 変 位は， 試 験体の全管軸 方 向伸 び（，δ）とエ ン ドプレ

ー

トの面 外 変 形 （

。

pδ

，

　egδ）を

，

ま たエ ン ドプレ

ー

ト近傍の ガセ ッ トプレ

ー

トお よ び鋼 管 の ひ_ずみ分 布を測 定 し た。 　

4．

実験 結 果とその考察 　 表

一

4に実 験 結 果を示す。 表 中の δ  ，

，

Rm

，

　K，

，

　K。は

，

そ れ ぞ れ最 大 耐 力 時の試 験 体の全 軸 方 向 伸び

，

伸び率 （

＝

δma．／（

1

。

’

εy））

，

弾 性 時に おける ガ セッ トプレ

ー

ト直 下の鋼 管の ひ ずみ集 中 係 数， 荷 重 （F）

一

_{軸 方 向 伸び （} ，δ） 関 係にお ける初 期 剛性で ある。 また， 破 壊モ

ー

_{ドA は鋼} 管 軸 部で の破 断で あり

，

破 壊モ

ー

ド

C −

a

，C −b，

　

D

は各々 図

一

6に示す ガセ ッ トプレ

ー

ト直 下の 鋼 管の破 断， ガ セ ッ トプレ

ー

ト端 部の破 断， ガセ ッ トプレ

ー

ト直 下 溶 接 金 属のエ ン ドプレ

ー

トか らの は く離 破 壊で ある

。

．

　

1

　

　

．

　

　

　

　

　

　

−

　

　

唱

　

−

　

　

　

　

脚

　

　

1

　

　

　

．

　

　

　

　

　

　

　

．

　

脚

　

1

　 IMode 　DCNO

．

1）

　

」

　

　

唱

　

．

　

層

　

．

　

．

　

　

層

　

．

　

−

＼

．

　

．

　

．

　

圏

　

卩

　

F

　

．

　

F

　

幽

　

・

　

　

「

　

唱

　

．

N 　 　 　l　　 　　　 　　 　　 　 i 　 Mode 　C

−−

a　　　　　　　　Mode 　C

幽

b 　 〔No

，

2F3

，

5

，

6〕　　 　　 　　｛No

，

7｝ 図

一6

破壊モ

ー

ド

〆

表

一

4 実 験 結果 麗o

．

試 験 体 名 F

凶

（t。n） FhC （t。n｝ F

聞

x （t。n｝ δ

隠

臨

翼

（ロ囗〕 tK

．

（t ／副 S

．

C

，

F 　　KtF 暫 FcF

隅

昌

K

卩

FuR

ロ

tKatKc 破壌 モ

ー

ド 1PEJ

−

4

．

5

−

4

．

533 』 3＆

．

338

．

32

．

425

．

57

．

950

．

990

．

302

．

D0

．

58D 2PEj

−

16

−

4

．

558 』 6呂

．

12

．

745

．

26

．

3D1

．

12o

．

532

，

2DJDC

一

臼

3PEJ

−

16

−

L297

．

8115

．

7127

．

740

．

553 』 2

，

79o

．

940

．

98a3

．

3o

．

呂2C

−

a 4PEJ

−

16

−

16lOL2132 」 133

．

1go

．

854

．

3L790

．

951

．

0374

．

60

．

54A 5PEJ

−

　9

−

1698

，

5119

．

1126

．

333

．

644

，

42

．

001

．

2呂 o

．

9727

．

60

．

85C

−

a 6PEJ

−

　9

−

19 且00

．

6124

．

3133

．

49 ＆

．

4

．

45」 1

．

67L 工9Lo380

．

8o

．

84C

一

巳 7PEJ

−

　6

響

1685

．

8118

．

1120

．

641 」 34

．

02

．

12L24o

．

9333

．

8o

，

η C

−

b 　 F〔ton） Iso loo

転

一

1

F

下

』

一

童

丁

職

． t6、

。

m） 150 100 50 F〔ton）

づ

坤

阨

．

7

筐



_肖

…

N

°

「

1

　

_困

　

_。

_．

　

₁

　均

o 5

＿ 、

＿ ．

一 ・

一

⊥

．

No

．

6 t6　（  ｝ 10 _{D 5 lo} 図

一

7　荷 重 （F＞

一

軸 方 向伸 び （

，

δ）関係 150 100 50 FCton 〕 NO

．

1

＿

：

　 　6 　 　 　 eg

”

一

一

一

’

：ep6

．

一

丿監

一

一

一

．

1

厂

　 　

i

　 　 　 　

、

「

　 6 〔rm ） 150 IOO 50 150 0 F 【ton ） FCton ） NO2

．

一

．

Y

tt

　 δ_（mm ） 5 工50 ユoo 50 leo 50 6

，

．

叉 0 5 FCton ）

「

’

．

．

−r『

．

．

一

一

・

…

累

…

No

．

］ No

．

5 δ【

 

〕 150 o 1eo

別

1

］

。 ’

『

− −

幽

5 F｛t°n｝_？F

∵

融

：

5mm ） 150 Io 50 0 5 F 【ton〕 t’ Ne

．

6 150 IDO FCton ｝ 　 ノ 50 o NO

．

7 　 　 　 　 6（  ） 　 　 　 　 5　 　　 　 　 　0　 　　 　 　 　　 　 　 　 　5 図

一

8　継 手 部の荷重 （F）

一

変形 （δ）関 係 5 ユo6Cnn ） ｛

　図

一

7に各試験 体の荷重（

F

）

一

軸 方向伸び（¢δ）関係を

，

継 手 部の 荷重〔

F

）

一

変 形 （‘，δ）関 係を図

一

8に示す。 図 中 の ↓

，

▽

，

▼ は降 伏 荷 重 凡 （

＝

接 線 剛 性が初 期 剛 性の 1／3になる点の荷 重 ）， ガセ ッ トブレ

ー

_{ト直下の鋼 管で} の微 細な亀 裂の発 生 （目視に よ る _{）荷 重 凡。 ，} 最 大 荷 重

F

  を 表 す

。

また

，

図

一

7

，

8に は

Fc，

　iF 。の荷 重 レベ ルを 各々 二点，

一

_{点 鎖 線で示してお く}

_。

　4

，

1　 変 形 性 状と考 察 　 次に

，

得ら れた結 果お よび考 察 を示す

。

　

No ．

1試 験 体　ガセ ッ トプレ

ー・

ト直下の鋼 管お よ びエ ン ドプレ

ー

トに変 形が集 中し_， エ ン ドプレ

ー

トと鋼 管 を 接 合 する溶 接 金 属のエ ン ドプレ

ー

トか らの は く離に より 破 壊し た （モ

ー

ドD ）

。

早 期に局 部 破 壊し た ため変 形 能 力は小さ く

，

仮 定し た継 手の崩 壊 機 構と実 際の モ

ー

ドは 異 なっ て い た

。

　

No ．

2

，

　

No ．

3_{試 験 体　ガ}セ ッ トプレ

ー

ト直下の鋼 管 端 部で亀 裂が発 生し， 荷 重の増 加とと もに， 進 展して破 壊 し た （モ

ー

ド

C −

a_）

。

解 析よ り求め た継 手の崩 壊 荷 重 ノ

Fc

は， 継 手の性 状を表す と考え ら れ る

F −

。pδ曲 線の 折れ曲が り点 （

＝

局部剛性が大き く_低下する_付近）を よ くとらえ て い る

。

こ れ は_， ガセ ッ トプレ

ー

トの局 所 変 形 eg δ が わずか し か生 じて お らず，崩 壊 機 構の前 提 条件 （ガ セ ッ トプ レ

ー

トは完 全 剛）が満足され てい るた め で ある と 考え られ る

。

　

No ，

4試 験 体 　 実 験で は最 大 荷 重 点を越えた とこ ろで 除 荷した が_， ガセ ッ トプレ

ー

ト直下の亀裂お よびエ ン ド プレ

ー

トの_{面外 変}形は認め ら れず

，

鋼管 軸部の変形の み が 進 行 し， 大き な変形 能 力 を 示 し た （モ

ー

ド

A

）

。

継 手 の_{崩 壊荷}重は

F −

。pδ曲線の折れ曲が り点を と ら えて お らず， 過 小 評 価してい る

。

こ れ は， 解 析におい て溶 接 部 のエ ネル ギ

ー

散逸を無視し てい る た めであ る と考え ら れ るD 　No

．

5試 験 体　エ ン ドプレ

ー

トと鋼 管を接 合 し て い る 溶 接 部におい て

，

試 験 体 製 作 時に生じ た溶 接 欠 陥 （ア ン ダ

ー

カッ ト）か ら亀 裂が発 生し

，

荷 重の増 加と ともにそ れ が進 展 し て破 壊に至っ た （モ

ー

ド

C −

a）e ガセ ッ トプ レ

ー

トお よ び鋼 管に局 所 変 形 が 生じており， 機 構

M3

が 生 じ て い ると考え られ る

。

また

，

継 手の崩 壊 荷 重は

F −

。

。δ曲線の折れ曲がり点を過 小 評 価し て い る

。

　No

，

6試 験 体 　 試 験 体 製 作 時に生じ た アンダ

ー

カッ ト から亀 裂が発 生 し

，

破 壊に至っ た （モ

ー

ド

C −

a）が

，

鋼 管 軸 部の変 形は大き く十 分な変 形 能 力が_得ら れ て い る

。

ガセ ッ トプレ

ー

トおよび鋼 管に は局 所 変 形が生じて おり

，No ．

5試 験 体 と同 様に

，

機 構

M3

が 生じ てい ると 考え られ る

。

さ らに_{， 継 手}の崩 壊 荷 重は F

−

_。。δ曲線の 折れ曲 がり点 を控え目に とらえてい る

。

　

No ．

7試 験 体 　継 手 部の ガ セッ トプレ

ー

トお よび 鋼 管 の塑性 変形が著し く， エ ン ドプレ

ー

トが面外に大き く変 形 し た

。

最終的に はガセッ トプレ

ー

ト端部で亀裂が発 生 し， それ が進 展して破 断に至っ た （モ

ー

_ド

_C−b

_）

_。

_{継 手} の崩壊荷重は

F −

_。pδ曲線の_折れ曲が り点を 過小 評価し ている

。

　4

．

2　 耐 力と変 形 能 力 　

No ．

1，2試験 体を除外すれ ば， 降伏 荷重は崩 壊荷重の

94〜124

％， 継手効率は

93〜103

％の範囲に あ り， 崩 壊 荷 重で試 験 体の 降 伏 荷 重 をほ ぼ推 定で き る と言え る

。

　

一

方， エ ン ドプレ

ー

トやガセッ トプレ

ー

トの板厚が厚 く な る につ れ_{， 最 大}荷重お よ び変_{形 能}力は大き く な る傾 No

，

1〔PEJ

−

4

．

5

−

4

▼

5） 〉 No

．

3｛PEJ

−

15

−

12レ 〉 e No

．

4（PEJ

−

16

−

16｝　　　　　　NO

．

7（PEJ

−

6

−

16｝ 　 　 　 図

一

9　エ _ン ドプレ

ー

トの面 外 変 形

一

₇₅

一

向 が ある

。

全 強継手の試験 体

No ．

4で は鋼 管の最 大 耐 力 pFu （計 算 値 ）以 上に最 大荷重が な り

，

鋼 管が十 分に塑 性 変 形し

，

変 形 能 力は非 常に大 きい

。

また

，

継 手の崩 壊 荷 重」

Fc

が 鋼 管の降 伏 耐 力pFy 近傍の試 験 体 （No

．

3試

り

験 体 ）で は， 鋼 管 端部の局所 変形に伴う亀裂の発 生

，

す な わち

，

溶 接 部近癆の靱性の優劣や欠 陥の有 無が継 手の 変形 能 力 を規 定す る と推察さ れ る。 　4

．

3 エ ン ドプレ

ー

トの面 外 変 形 　実 験 終了後に測 定し たエ ン ドプレ

ー

トの面 外 変 形を図

一9

に示す

。

こ こで， 驪 部 分は溶 接 金 属で等 高 線に付 し た数 字はエ ン ドプレ

ー

トの_{相対 変位}量 （単 位mm _）を 表す

。

　

No ．

1

試験 体で は ガ セ ッ トプレ

ー

ト直 下の溶 接 金 属で 破断し

，

エ ン ドプレ

ー

トには局 所 的な変 形が認め られ る

。

これ はエ ン ドプレ

ー

トが薄い場 合ガセ ッ ト プレ

ー

ト直下 の鋼管の ひ ずみ集 中は著し くこ の部 分での局 所 的な降 伏

，

破 断が生 じ る た め で ある

。一

方

，No ．

4試 験 体のエ ン ドプレ

ー

トは ほ と ん ど変 形し ておらず， 継手は剛に近 い_状態で あっ た と推 定さ れる。 また

，No ．

4試 験 体に比 べ てエ ン ドプレ

ー

トが薄い

No ．

3試 験 体にっ い て は機 構

M2 ，

ガセ ッ トプレ

ー

トの薄い

No ，

7試 験体では機構

M3

に近い崩 壊 機 構が形 成 されて いる

。

　4

．

4 継 手 部の ひずみ 　ひずみ集 中 率　ガセ ッ トプレ

ー

ト或いはエ ン ドプレ

ー

トの板 厚が厚 く なるに従い

_，

弾 性 時に お け るガセッ トプ レ

ー

ト直 下の鋼 管の ひずみ集 中率は小さ く な る傾 向が 認 め ら れ る。 と くに

No ．

4

〜

6試 験体の ひずみ集 中率の値 は

2．

O

以下 で あ り

，

限 界 割込 み長さ以 上の管 通し ガセ ッ トプレ

ー

ト継手にお け る ひずみ集 中 率 （2

．

74

〜

4

．

34＞に

「

2 〆 B

崇

₁ Gusset ヒ₉

．

　Plat

已

一 ／

1

「

圧

3旨 旨 旨 31 攣 嘩蕩儲

ド

欝

ド

燃 　 　   ：

1

婆

、

　

r“

・

距

亭鯲

・

　

ド

一

⊥ ヒe

−

「End 　　Plat 巳 tp

＝

4

・

5 旨 5 2 旨 旨 b 1 世

卩

6

・ D

＝

216

．

1 図

一

10　 解 析モデル

怪

比べ _小さい。 　

5．

有限 要素 法解 析プロ グラム

“NIKE3D

” に よ る鋼 　 　 管エン ドプレ

ー

ト継 手の弾塑性 解 析

　

本節で は

，

引 張 力を受け る鋼 管エ ン ドプレ

ー

ト継 手（図

一

_{10 ）の 3 次元弾塑 性 解 析を行い}

_，

_{鋼 材の ひずみ硬 化な} ど がこの_{継 手}の耐 力上昇に及ぼす影 響を検 討する とと も に， 解析の精度な ど を実 験 曲 線との比 較で検 証する。

　

NIKE3D

は 1981 年に ア メ リ カの Lawrence　

River−

more 研究所で開 発さ れ

，

ス

ー

パ

ー

コ ン ピュ

ー

タ用にベ ク トル化 され た有 限 要素法 解 析 プログラムで

，3

次元問 題

，

大 変 形 問 題

，

非 弾 性 問 題， 静 的

・

動 的問題な どの解 析が可 能で ある

。

　

その計 算 方 式は基 本 的には通 常の_有限要素法の非線形 解 析と 同 じで ある

。

有限要素法 解析での_系の_{増 分 剛性 方} 程式は

一

般に_次式で_与え られ る_。 　 　 　［κ（二Cn｝］

・

ヨ∠

I

　Un＋」

＝

IPn

＋L（Xn）｝

一

｛

F

（Xn）

i

・

・

・

…

　

7『

7・

・

（

14

） こ こ に

_，

［

K

（翻 」：n ス テップ目の解

lxl

に基づ く 剛性 行 　 　 　　 　 　 　 列 　 　 　　

IAUn

．11 ：n＋

1

ステッ プ目の変位増 分ベ ク トル 　 　 　

IP

．

．

，

（x∂

1

　：n ス テップ目の 解

IXnl

に基づ く荷重ベ 　 　 　 ク トル 　 　 　　 ｛

F

（x_∂｝：n ス テップ 目の解

lx

。

1

よ り得ら れ る節 　 　 　 点 力ベ _{ク トル} 　こ の _{方 程 式}の _{解 法}と して はNewton

−

Raphson 法な ど の 反復法が用い ら れ る が

，

変位 増分の κ番目の近 似 解 を得るには剛 性［K（Xn＋1

、

k

−

T）］の逆 行 列を求めなけれ ばな ら なず

，

多 大 な演 算 時 間 を要 す る。 し た がっ て

，

NIKE3D

では演 算の高 速 化のた め quasi

−

Newton 法を使

用しており

，

こ の逆 行 列の近 似 式とし て BFGS 公 式e） な ど を用いて い る。 　ま た

，

本計算に際して

，

鋼 材はVon　Mises の降 伏 条 件と等 方 硬 化 則に従う もの とし

，

有 限 要 素に は アイソ パ ラ メ トリッ ク要 素の 8節 点6面 体 要 素 を用い

，

要 素 剛 性 20　 図

一

11　 有 限要 素モデル 5

コ

・ 。 10 　 　 　 15 　 Step

150F ｛ton｝ 工OO 50 0 t 5 5t 二c） 150 ユ0  50 0 5 End Gusse ヒ　Plate WeldMeta1

L

］

e_，・ 工50 100 5G 0 5 表

一

5　解 析モデル諸元 ユ50 100 50 lO 　　　　　　　 IS 　　　　　O 　 図

一

12 荷 重

一

局部変形関係 Speci

區

8ntg （隅） to （  ） s 価 ） 節 点 数 要 素 数 四〇

。

3 閧o

．

7 且6

．

506

，

00ll

，

5016

．

5016

．

507

．

40256274 【3413 呂 表

一

6 材料特性 凹ateri

目

ユ ゼoun 醒

，

5 寵

。

dulus（EJ 〔  〆囗 皿

コ

） Har‘

θ

ni

冂

9 凹

。

d

凵

1u9（E

．

） （  ！囗ロリ Poi550

卩

Ratio 　 　Yie正dS しre33 （α

”

〕 　　（ ！

ロ

ロ

つ Rate

−

6

．

OP ユ

己

to

−

1皇

．

5Plate

−

16

．

521000

．

0217  O

．

021300

．

02 【o

．

oo2 【7

，

002 田

，

ooo

。

30

．

30

．

3 33

．

94Z

．

528

．

5 rube19600

．

0100

，

00o

．

3 36

．

8 「e ⊥d 曜etol21000

．

0

　

o

．

諺

一

5 10 図

一

13　変形 状 態 （歪 硬 化を考 慮し た場 合 ） マ トリック ス な どの演 算に当たって は ガ ウスの公 式に よ る数 値 積 分 法 （ガ ウス点 23個 ）によっ た。 　な お_， こ の プログラムを 用い た解析 例は すでに報告さ れ てい る9 ｝

。

　5

．

1 解 析モ デル 　試 験 体の継 手 部 分 を取り出し

，

対 称 性 を考え て

，

図

一

11に示す よ うな継 手の 1／4の部分か ら なる有 限 要素モ デル に置換 し た

。

こ の モデル の鋼 管 端 部の軸 方向移動を 拘 束し

，

ガセ ッ トプレ

ー

ト上 部の節 点に強 制 変 位 を与え た。 表

一

5に解 析モデル の各 部の寸 法 を示す

。

　5

，

2

　 材 料 特 性 　こ のプロ グラム で は

，

材 料の 応力 度

一

ひずみ度 関係を バ _イリニ _{ヤ型と し}て入力す る 必要が あ る

。

本解 析で は以 下の よ うに各 数 値を設 定し た

。

　ヤング係 数 （

E

、）

，

降 伏 応 力 度 （σ ）：素 材 試 験より得ら れ た結果 （表

一6

）を用い た。 た だ し

，

溶 接 金 属は降伏 し ない もの と し た。 　ひずみ硬 化 係 数 （E2）：_{実 際}の応 力 度

一

ひずみ度 関 係を 近似し た場 合 （ケ

ー

ス

1

，

_表

一

6_）

，

_{材 料}の ひずみ硬 化 を 無視し

，

全材料を

E

，

＝El

／

l

　

ooo

と し た場 合 （ケ

ー

ス

m

の

2

ケ

ー

ス につ いて解 析し た。 　

5，

4

解 析 結 果お よ び その考 察 　

No ．3，7

試験 体の解 析結果につ い て考 察 する

。

荷重

一

変 形関係を 図

一

12 に

_，

_変形状態 を 図

一

13に示す。 図 中 の実 線， 点線，

一

点鎖線はそれ ぞ れ実 験 曲 線

，

ケ

ー

ス

1

の解 析 曲線

，

ケ

ー

ス 且の解 析 曲 線である

。

図中に は降 伏 線 理 論による継 手の崩 壊 荷 重」Fcの レベ ル も二点 鎖 線で 示 してあ る。 な お

，

変 形 図はケ

ー

ス

1

に基づくもの で， 変形量 は5倍して図 示して い るe

一

₇₇

　 両 試 験 体とも

，

解 析 曲線 （ケ

ー

ス

1

）は実 験 曲 線 を精 度良く追 跡して い る が， ケ

ー

ス 矼で は実 験 曲 線の剛 性 低 下 後の耐 力 上 昇 を評 価で き ない

。

よっ て

，

ひずみ硬 化は 弾塑性 性状には無視で き ない こと

，

フランジ継 手な どで の_板の_膜作用7） に よ る耐力 上 昇は期 待 出 来ない こと が明 ら かで あ る

。

し か し

，

荷重

一

変形 関係の_折れ曲がり_{点 （継} 手の_崩壊荷重に相 当）はいずれの解 析でも推 定 可 能であ る。 　

6．

結 　論

　

引張 力を受 ける鋼 管エ ン ドプレ

ー

ト継 手につ い て_， 降 伏線理論に基づ き継 手の崩 壊 荷 重を求 め

，

継 手の崩 壊 荷 重と形状寸法の関係お よ びエ ン ドプレ

ー

ト板 厚 算 定の

一

例 を示 し た。 また

，

継 手の引 張 耐 力 実 験により崩 壊 荷 重 な ど を検 証す る と ともに

，

継 手の破 壊 性 状

，

引張 耐 力

，

変形 能 力お よ びひずみ性状を調べ た

。

さ ら に

，

有 限 要素 法 解 析プロ _{グ ラ}ム NIKE3D _を用い て継 手 部 分の 3次 元 解 析 を行い

，

継 手の弾 塑 性 性 状につ い て検 討し た

。

　 得ら れ た主な結 論 を以下に ま とめる

。

　（1） 降 伏 線 理 論に基づ く継 手の崩 壊荷重で継 手の崩 壊 を とら え るこ と がで き る

。

　 （2） 継 手の崩 壊 荷 重が鋼 管の降 伏 耐力 以上で あ る

No ，

4試 験体で は， 全 強継手が保証さ れ， 十 分な変形能 力がある

。

また， 継 手の崩 壊 荷 重 が鋼 管の 降伏耐力よ り わずか に低い

No ．

3試 験 体で も 十 分 な継手効率が得ら れ る が， 変形能力は鋼 管端部の局部変形に大き く影 響さ れ る

。

　

（4） エ ン ドプレ

ー

トの板厚 が厚い 試験 体 で は， ガ セッ トプレ

ー

ト直下の鋼 管 管 壁のひずみ集中率は

2．0

以 下 と小さい

。

　（5）

“

NIKE3D ”

に よ る 解析 曲 線で実験曲線を精 度 良く追 跡出来， 板の膜 作用よ り も材料の ひずみ硬 化が継 手の弾塑性 性 状， とく に耐 力 上 昇に大きく影 響 する。

　

本 研 究は， 大 阪 大 学五十嵐定 義 教 授の御 指 導の下 に 行っ た もの である

。

実験に際し て は， 平野哲也君 （現 大 林 組）と三菱 重 工 広 島 製 作 所の協 力 を得た。 また， 大 阪 大 学工学 部 橘 英三郎 講 師に は有 限 要 素 法 解 析に当た り貴 重な御 助 言 を頂いた

。

こ こ に記し て謝 意 を表す

。

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SYNOPSIS

UDC:624.078.014.27TENSILESTRENGTH

OFTUBEEND-PLATEJOI]NTS

byDr,KozO WAKIYAMA, Dr.SHIZUO TSUJIOKA, RITUO WATANABE, A.I.J.

Prefessoref Osaka Univ.,

Assistantof Osaka Univ,. and

Ohbayashi･gumi,

Members of

This _paper

describes

the

load-carrying

capacities and the inelastic

behavior

of the tube end-plate

joints

sub-jected

totension. The yield

line

theory

is

applied to obtain thecollapse loadforthese

joints.

Seven

testsare

re-ported. The yieldload,themaximum

load,

the

cleformation

capacity and the strain concentration are examined,

The

effects of the thicknessof the_gussetplateand the end _plateon these_propertiesare

discussed.

The

finite

element analysis using program "NIKE3D" is also illu$tratedtostudy the

inelastic

behayior

and the collapse mode. Itisshown,

in

_particular,

_thatthecollapse

load

_givesa suitable _prediction of the_yield

load.