2. 箱形断面柱の相関座屈実験永藤壽宮　小林清

(1)

長野工業高等専門学校紀要･第

20

号

(1989)131

箱形断面柱の相関座屈実験

永藤壽宮小林清

I

n t e r a e t i o n B u c k l i n g E x p e r i m e n t o f B o x C o l u m n

s I

Toshimiya NAGATO

Boxsectionspresentveryinterestingpropertiesinthefieldofcompressedele‑

ments.Thepurposeofthisexperimentsistosupplyexperimental‑dateofinteraction buckling(overallandlocalbuckling).Testcolumnsareclassifiedinto4 typesaccord･

ingtothosecolumns'lengtb.

Supportconditionsarepln･endedtypebyusingnewdevelopedbowl･shoe.

I

1. まえがき

近年,構造解析において,電子計算機の発達に伴い,橋梁未体及び,各部材の力学的合理化断面が,多く用いられ,薄肉軽量化が進められている. しかしながら

1969

年1 1 月におきた第

4Danube

橋の落橋事故から始まり次々の事故に会い,その中で圧縮板の耐荷力特性について指摘された.近年において耐荷力における大きなファクターである初期不整等を考慮した局部座屈問題や,全体座屈問題については,多く研究がなされたが,特に局部と全体座屈の相関性については,余り取り扱われておらず,最近では,名古屋大学と大阪市立大学でI その分野について進められているだけである.わが国の道路橋示方書も,その相関性について若干の改正が,なされたが,理論的根拠は,明白ではない.従って本研究は,相関座屈の耐荷力に対しての影響を

3

つのタイプつまり

(1)

局部座屈が,先行し,全体座屈を生じるもの

(2)

局部座屈と全体座屈の同時発生(

3)

全体座屈が先行し,局部座屈を誘発させるもの

3

種に分辞しそれぞれ供試体を作製し,圧縮耐荷力実験を行い,極限強度と達成強度について考察した結果を報告し,理論適用の材料とする.また実験の際の両端ピソ支東という条件に対し著者が開発した

2

軸方向回転可能な経済的な球面支東を使用した.

2.

供試体の選定

鋼種は

,SS41

とし箱形断面についての局部座屈強度は,小松等による圧縮板の由荷力曲級,全体座屈は

,E.C.C.S.

の複数柱強度曲線を用いて,両座屈強度が,等しくなるという点及び,耐圧試験機の能力1

0

t

,‑ ッドクリアランス1

.5m

の制約条件を満たす様に,

* 平成元年

3

月土木学会中部支部において発表

* * * 文部技官

原稿学付平成革年

9

月

30

日

(2)

132

2 占木供試体

B

の断面構成及び長さを決定した.更に謎本供試体と同一断面で長さが,基本供試体の

1.1

倍の供試体

A

及び

0.9

倍の供試体

C

,及び短櫨t ) 宅試体

S

を作製した. 支持粂作は, 上述の通り,両部ぷピン支承で

, 至

妙

帆

強軸とも阿転可能な球面ビン支承を設計

/"5血10

0

t

として.

没.?I及

永健一 , ミ享官･小林亨 I t J t

. 5

183.0 8.5

4 . 5

∪■くrー

4.5 亡⊃くt:>r

図

1

断面諸元びr 硝注した.花形

析t

T L l " I ; 元を図

1 に示す.上

瓶下

郷立/ 床を̀

g･i't

lに/ ‑ J ' ' . す･

災歓mu ^t ^･ ^{試作 (} ^{知性)を球泊り=} ^. ^ソ文 J l tに

枇

付け,変位計等を設粧した圧縮耐荷力試験状況を写

ユ‡2

に示す.

ピソ支承

2

突敦状況

3. 材料実験

引張試験片は,圧縮実験用供試体と同一銅材から切り出した

JIS5

号片を用いた.その

結果は,蓑 1 に示す通りである.それぞれの値は, 4 本づつ試畝を行った平均値である.

(3)

箱形断面桂の

仰関越̲hilUl輸 ¹³³

4.残留応力度測定

残留応ノJ 度は,試験用短柱供試体で,切断法により

,

^別

姓 Lf1.i

)l ぞjL 畑は把に,銅球を打ち込み,切断した後,銅球の距離をコソタクトゲージ (

1/10

0 0m) で恥1 ' J i iL,

㌫日

日 . L たものである. 切断後の供試体を写真

4

に, また, その結果を朗 2

I'̲I)く

す.

写真

3

残留応力度供訳体

̲ ⊥

図2残懲応 ^{力度分和国}

5.初期たわみ測定

初期たわみ測定は ,

m

^l ^J ^定

m

ジグを開発し,柱の初期たわみ ( 弱軌強軸方向)及び,収の初婚] たわみをそれぞれ変位計 (

1/100mm)

を用いて測定された. その結果を

袈 2

に示す. また供試体

A

の柱の初期たわみを図

3

に,板の初期たわみを図

4

に

1

例として示す.

表2

供試体の初期たわみ

spa(nm)

I w (

&p

k

n

箭

l

て版P

Bm

A

X ^W cma

x ( 弱軸プチ向)

S (400

m m )

l 1.3(1/140)

A (1260m

n l )

B (1400皿)

1.4(1/131)

1.3(i/141) l 1.3(1/970) 1.4(1/131) l 1.4(1/1000) C (1540mm) 8.3(1/22) l 4.9(1/286)

WnlaX=

‑

1.5

〜l‑TITIlnununUnUnU︻u55nUl1

図

3

柱初期たわみ分布図 ( 供試体

A)

(4)

永礎L 詣官･小林

NJt

Vno.x=24.5

ー5'F35

長

日▼

図

4

駁初

∬

1 たわみ分布図 ( 供試体A)

6.

本実験

何れ偏心が, 充/ t iしない

イ

風推

'JiZ他

触

感

皮の

1/3和

腔の/ ( ' ' j血レベルにおいて,調整用ゲージにより, それぞれの情が, それらの' 1 T f ･ p ‑ Jn r t の

5,

O

b

l 刈小こ収まるように, スペーサーで調盤した.J f u部

牌J

a

l

. が,発f l ミする関所を変

(;X..T

f ･で, あるrl ! 比 h f uL, その部分に変位計等を集小させ J , J 珊排J. ･ l J . 性状を祝祭した.

7.

実験結果及び考察

供試体

A

はJ r J部雌J dと全体座W. の辿成座W. を

J

Jiじて ) 山城し

,

帆式体

B

, 供試体

C

は全体座屈優先のJ ; j祁座屈肋機すなわち全体座屈による全体変形により

kJ珊座

州を腐発して朋壊に至った.短柱供試体は,局部座屈を生じてF b j 壊した. それぞれの敵地後の供試体を写其

4, 5

に示す.

写真

4

座屈後供試体写真

5

座屈後供試体

本紙では, 局部座屈と全体座屈の速成座屈を生じた供試体

A

について考案していく.第

4

節の残留応力の図

2

を見ると各断面内にそれぞれ残留応力の平均を取るとほぼ降伏応力に対

して 0 . 4‑0. 5 位生じている郭がわかる.また第 5 節の初期たわみの図 3,4 で明らかなように

供試体作製時の熔接順序により板及び柱にそれぞれ正弦波がオーダー的には少ないが生じて

(5)

箱形断面柱の相関座屈実験

135

いる事がわかる. ( 供試体

C

については柱の初期たわみが非常に大きいので耐荷力をかなり低下する事がわかる)残留応力にしろ初期たわみにしても内側にゲージを貼るために音形で最初成形し,ひずみゲージを貼った後,蓋を熔接した結果として生じたものである.

まず荷重‑ひずみ曲線について報告していく.

図

5

は,蓋側のそのゲージが貼ってある部分が凹部に徐々に曲げを生じ

P/Py‑0.75

に至って大きな曲げ変形,すなわち局部座屈を生じたと観察される.図 6は図 5の点の近傍にある為

P/Py‑0.75

以降図

5

の点の曲げ変形に引きずられ同様に変形したものと観察される.

図

7, 8

は蓋側のそれらのゲージが貼ってある部分の溝側にある点の荷重‑ひずみ曲線であるが

P/Py‑0.75

付近で除荷現象を表,裏のゲージとも共に起こしている事から, その部分は

,P/Py‑0.75

付近で全体変形によiて凸部の部分となったからであると予想される.その債向は,溝側

0･5 1･D l･S tE/El)2･O

図6 荷重‑ひずみ曲線 ( 供試体A 蓋側)

M O ･ 5 1 ･ Q l ･ 5 【 E ノ . E y ) 2 ･ 0 図7 荷重‑ひずみ曲線 ( 供試体A溝側) 全体のゲージの荷重‑ひずみ

曲線に共通した除荷現象である.

すなわち図

5

の点が

P/Py‑0.75

付近で局部座屈を生じると同時に背側全体が

P/Py

=0.75

以降,引張になっていることから,全体変形を起こす全体座屈を生じ等せている事が推察されうる. したがって局部座屈と全体座屈の達成座屈現象が生じていると思われる･

一方,図 9は荷重一板変位曲線であるが,図 5の嘩すなわち局部座屈を起こした場所に設

置されていた変位計で測定された. この図からも

P/Py‑0.75

付近で大きな板の変位の増

(6)

136

大を示していることから,局部座屈発生を照査しているものと考えられる.

次に図

10

は,荷重一柱たわみ曲線であるが荷重による柱のたわみを変位計を使用して測定されたもので' ある.

前と同様に終局段階の一歩手前すなわち

P/Py‑0.75

で

3

次モードの全体座屈を生

じている事が観察される.

供試体

B

は,同様に観察して全体座屈優先の局部座屈崩壊 ( 全体変形が生じてから局部変形が生じている)であった.

供試体

C

は,前にも述べたように初期たわみ量が大きくその影響で柱としての耐荷力を大きく減少させていたので全体座屈優先の崩壊した.

今回の達成座屈実験についての理論的解法の報告は次の機会にするが,筆者等は,残留応力を考慮した有限帯板法を使用して理論的解法を目指した.‑ ソキーの有限変位論を用いエルミt jト多項式を使用して導かれたもので一般固有値問題として‑ クス･ホルダー OL 法をコレスキー分解で修正して用いたものである.

その理論を使用して導かれた座屈値は,理論値とほぼ一致しているが,初期たわみの項を考慮できないという欠点を持っているので現在新たにそれを考慮した形で開発中である/

永藤詩宮･小林清

8 ･

0 口･5 1･Q llS (E/印 2lD

図 8 荷重‑ひずみ曲線 ( 供試体 A 溝側)

図

10

荷重一柱たわみ曲線

Vn&x=‑2.5

｢一丁圭

霊sQ･憲〇

八日

図1 1 残留たわみ図 ( 供試体A)

(7)

箱形断面柱の相関座屈実験

137

図11に残留たわみ図を示すが,正弦の全体座屈波形を全体的に示し中央部に局部座屈波形性状を示 L. ていもことがわかる.

表

3

に供試体

A〜C

及び短柱供試体の座屈の最終強度比較とそれぞれの座屈性状の比較を示す.供試体

A〜C

及び

S

の長手方向の長さは,表

2

に準じる.

･表

3

座屈強度比較表

8.

過去のデーターとの比較

過去数年の相関座屈実験についてまとめると,図1

2‑図14

の断面諸元別にh)

〜(C)

として分析して,初期たわみ,残留応力及び柱の細長比と板の幅厚比でまとめ,達成座屈荷重と速成なしの座屈荷重の比較の表を表 4に示す.

図1

2

供試体 b )

全体座屈と局部座屈の達成座屈強度は,非達成座屈強度に対して一般的に座屈強度の低下をもたら

している.

またその低下の割合は,蛙の細長比の増大と板の幅厚比の増大とともに大きくなっている事が観察される.

図1

3

供試体脚図

12‑

図

14

過去数年間の突放断面諸元

図

14

供試体 ( C )

(8)

138

永藤詩官･小林清

表

4

達成座屈強度比較表 ( 過去数年間)

9.

結論

(1)

全体座屈と局部座屈との達成座屈問題の理論適用データーを提供した.

(2)

裏側にゲージを曲る為に最初に港形で供試体を作り,その後で蓋をするという方式を採った為に残留応力が比較的大きい.

(3)

本研究室で開発した全方向回転可能ピン支承は,有効的に稼働した.

( 4 ) 局部座屈は,供試体の長手方向に幾つか発生するが,多くは中央部分に 2‑ 3 波のフラソジ幅の波長をもって生じる.

(5)

局部座屈優先のスパン長

0.9

倍の供試体は,局部座屈発生後直ちに全体座屈につながらず

,5‑11%

の後局部座屈強度を有しており,またその儀向は幅厚比の大きい供試体ほど顕著に観察された.

(6)

柱の細長比及び板の幅厚比が大きくなるほど,遵成座屈の彫響が大きくなり極限強度の低下をもたらす.

参考文献

(1)

小松定夫,北田俊行 :初期不整を有する圧縮板の掻限強度特性に関する研究,土木学会論文報告集第

270

号昭和

53年2

月

Pl〜P14

(2)

永藤詩官,小林清 :箱形断面柱の相関座屈実験,土木学会中部支部年次講演集

Ⅰ‑27平成

元年

3

2. 箱形断面柱の相関座屈実験永藤壽宮 小林清

長野工業高等専門学校紀要 ･第

号

箱 形 断 面 柱 の 相 関 座 屈 実 験

永藤壽宮 小林清

I

近年,構造解析において,電子計算機の発達に伴い,橋梁未体及び,各部材の力学的合理 化断面が,多 く用い られ,薄肉軽量化が進め られている. しか しなが ら

年1 1 月におきた 第

つのタイプつまり

局部座屈が,先行 し,全体座屈を生 じるもの

局部座屈 と全体座屈の同時発生(

全体座屈が先行 し,局部座屈を誘発させるもの

種に分 辞 しそれぞれ供試体を作製 し,圧縮耐荷力実験を行い,極限強度 と達成強度について考察 し た結果を報告し,理論適用の材料 とする.また実験の際の両端 ピソ支東 とい う条件に対 し著 者が開発 した

軸方向回転可能な経済的な球面支東を使用 した.

供 試 体 の 選 定

鋼種は

とし箱形断面についての局部座屈強度は,小松等による圧縮板の由荷力曲 級,全体座屈は

の複数柱強度曲線を用いて,両座屈強度が,等 しくなる とい う点及び,耐圧試験機の能力1

0

,‑ ッドクリアランス1

の 制約条件を満たす様に,

* 平成元年

月 土木学会中部支部において発表

* * * 文部技官

原稿学付 平成革年

月

日

2 占木供試体

の断面構成及び長 さを決定 した.更に謎本供試体 と同一断面で長 さが,基本供試 体 の

倍の供試体

及び

倍 の供試体

,及 び短櫨t ) 宅 試体

を作製 した. 支持粂作は, 上述 の通 り,両部 ぷピン支承で

妙

強軸 とも阿転可能な球面 ビン支 承 を設計

0

として.

永健一 , ミ 享 官 ･小林 亨 I t J t

. 5

4 . 5

図

断 面 諸 元 びr 硝注した.花形

T L l " I ; 元を図

1 に示す.上

郷立/ 床を̀

lに/ ‑ J ' ' . す･

災 歓mu t ･ 試作 ( 知性)を球泊り= . ソ文 J l tに

付け,変位計等を設粧 した圧縮耐荷力試験状況 を写

に示す.

ピ ソ 支 承

突 敦 状 況

引張試験片は,圧縮実験用供試体 と同一銅材か ら切 り出 した

号片を用 いた.その

結果は,蓑 1 に示す通 りである.それぞれの値は, 4 本づつ試畝を行 った平均値である.

箱形断面桂の

残留応 ノJ 度は,試験用短柱供試体 で,切断法に よ り

別

)l ぞjL 畑 は 把に,銅球 を打 ち込み,切断 した後,銅球 の距離を コソタ ク トゲージ (

0 0m) で恥1 ' J i iL,

日 . L た ものであ る. 切断後 の供試体 を写真

に, また, その結果 を朗 2

す.

写真

残留応力度供訳体

̲ ⊥

図2残懲 応 力度分和国

初期 たわみ測定は ,

l J 定

ジグを開発 し,柱 の初期 たわみ ( 弱軌 強軸方向)及び,収 の 初婚] たわみをそれぞれ変 位計 (

を用 いて測定 された. その結果 を

に示す. ま た供試体

の柱 の初期 たわみを図

に,板 の初期 たわみを図

に

例 として示す.

供試体の初期たわみ

I w (

k

箭

2. 箱形断面柱の相関座屈実験永藤壽宮　小林清

長野工業高等専門学校紀要･第

箱形断面柱の相関座屈実験

永藤壽宮小林清

近年,構造解析において,電子計算機の発達に伴い,橋梁未体及び,各部材の力学的合理化断面が,多く用いられ,薄肉軽量化が進められている. しかしながら

年1 1 月におきた第

局部座屈が,先行し,全体座屈を生じるもの

局部座屈と全体座屈の同時発生(

全体座屈が先行し,局部座屈を誘発させるもの

種に分辞しそれぞれ供試体を作製し,圧縮耐荷力実験を行い,極限強度と達成強度について考察した結果を報告し,理論適用の材料とする.また実験の際の両端ピソ支東という条件に対し著者が開発した

軸方向回転可能な経済的な球面支東を使用した.

供試体の選定

とし箱形断面についての局部座屈強度は,小松等による圧縮板の由荷力曲級,全体座屈は

の複数柱強度曲線を用いて,両座屈強度が,等しくなるという点及び,耐圧試験機の能力1

の制約条件を満たす様に,

月土木学会中部支部において発表

原稿学付平成革年

の断面構成及び長さを決定した.更に謎本供試体と同一断面で長さが,基本供試体の

倍の供試体

,及び短櫨t ) 宅試体

を作製した. 支持粂作は, 上述の通り,両部ぷピン支承で

強軸とも阿転可能な球面ビン支承を設計

永健一 , ミ享官･小林亨 I t J t

断面諸元びr 硝注した.花形

災歓mu ^t ^･ ^{試作 (} ^{知性)を球泊り=} ^. ^ソ文 J l tに

付け,変位計等を設粧した圧縮耐荷力試験状況を写

ピソ支承

突敦状況

引張試験片は,圧縮実験用供試体と同一銅材から切り出した

号片を用いた.その

結果は,蓑 1 に示す通りである.それぞれの値は, 4 本づつ試畝を行った平均値である.

残留応ノJ 度は,試験用短柱供試体で,切断法により

^別

)l ぞjL 畑は把に,銅球を打ち込み,切断した後,銅球の距離をコソタクトゲージ (

日 . L たものである. 切断後の供試体を写真

に, また, その結果を朗 2

図2残懲応 ^{力度分和国}

初期たわみ測定は ,

^l ^J ^定

ジグを開発し,柱の初期たわみ ( 弱軌強軸方向)及び,収の初婚] たわみをそれぞれ変位計 (

を用いて測定された. その結果を

に示す. また供試体

の柱の初期たわみを図

に,板の初期たわみを図

例として示す.

x ( 弱軸プチ向)

永礎L 詣官･小林

本実験

何れ偏心が, 充/ t iしない

風推

皮の

腔の/ ( ' ' j血レベルにおいて,調整用ゲージにより, それぞれの情が, それらの' 1 T f ･ p ‑ Jn r t の

l 刈小こ収まるように, スペーサーで調盤した.J f u部

. が,発f l ミする関所を変

f ･で, あるrl ! 比 h f uL, その部分に変位計等を集小させ J , J 珊排J. ･ l J . 性状を祝祭した.

はJ r J部雌J dと全体座W. の辿成座W. を

Jiじて ) 山城し

帆式体

は全体座屈優先のJ ; j祁座屈肋機すなわち全体座屈による全体変形により

州を腐発して朋壊に至った.短柱供試体は,局部座屈を生じてF b j 壊した. それぞれの敵地後の供試体を写其

座屈後供試体写真

本紙では, 局部座屈と全体座屈の速成座屈を生じた供試体

について考案していく.第

節の残留応力の図

を見ると各断面内にそれぞれ残留応力の平均を取るとほぼ降伏応力に対

して 0 . 4‑0. 5 位生じている郭がわかる.また第 5 節の初期たわみの図 3,4 で明らかなように

供試体作製時の熔接順序により板及び柱にそれぞれ正弦波がオーダー的には少ないが生じて

いる事がわかる. ( 供試体

まず荷重‑ひずみ曲線について報告していく.

は,蓋側のそのゲージが貼ってある部分が凹部に徐々に曲げを生じ

に至って大きな曲げ変形,すなわち局部座屈を生じたと観察される.図 6は図 5の点の近傍にある為

以降図

の点の曲げ変形に引きずられ同様に変形したものと観察される.

は蓋側のそれらのゲージが貼ってある部分の溝側にある点の荷重‑ひずみ曲線であるが

付近で除荷現象を表,裏のゲージとも共に起こしている事から, その部分は

付近で全体変形によiて凸部の部分となったからであると予想される.その債向は,溝側

曲線に共通した除荷現象である.

付近で局部座屈を生じると同時に背側全体が

以降,引張になっていることから,全体変形を起こす全体座屈を生じ等せている事が推察されうる. したがって局部座屈と全体座屈の達成座屈現象が生じていると思われる･

一方,図 9は荷重一板変位曲線であるが,図 5の嘩すなわち局部座屈を起こした場所に設