非充腹鉄骨部材の座屈挙動と性能評価に関する研究 [ PDF

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(1)非充腹鉄骨部材の座屈挙動と性能評価に関する研究吉海伸祐 1.. 序. パーとして，2 重鋼管を使用する．. 著者はこれまで，非充腹鉄骨部材の座屈挙動及び性能評価に関する実験を主に行ってきた．その結果をここに示す．. せん断力の載荷方法は，繰り返し載荷で変位制御とし，まず部材角± 0 . 5 %で２サイクル繰り返した後，0 . 5 %ずつ変位振幅を増加し，± 1 . 0 %∼±. ( 1 ) トラス梁の繰り返し曲げせん断実験制振梁の設計を行うために，ダンパーの有無を. 2 . 0 %までは各振幅で３サイクル繰り返す漸増変位振幅繰り返し載荷とする．. 実験変数としたトラス梁試験体を作成し，繰り返. 2. 2 試験体. し曲げせん断実験を行い，その挙動を明らかにする．. 図 1 に示すように，トラス試験体は弦材と腹材に S TKR4 0 0 の鋼管を用い，直接溶接によって組み. ( 2 ) 超高強度乾式組立材の曲げ座屈挙動研究目的は，超高強度乾式組立柱のカラムカー. 立てた格間数 5，斜角 60°，ワーレン形トラスである．試験体はロ型フレームに 3 2 mm 厚のエンドプ. ブを実験的，理論的に求めることである．目的のために，試験体に中心圧縮を作用する実. レートをボルトで固定した．加力側の下弦材の端部には 1 2 mm 厚のエンドプレートをすみ肉溶接し. 験を行う．実験変数は座屈長さと綴り材ピッチで. た．図 2 に履歴ダンパー部分の詳細図を示す．試. ある． ( 3 ) 超高強度乾式組立材の捩り剛性評価. 験体の名称は，ダンパー無しのトラスを T- N1 ，ダンパー付きのトラスを T- D1 とする．. ( 2 ) と同様の超高強度乾式組立材について捩り実験を行い，反り拘束の有無及び綴り材ピッチでど. 表 1 に鋼管の断面性能を，表 2 に鋼管の材料の機械的性質を示す．. の程度捩り変形が違うかを，実験結果から等価な. 2. 3. サンブナンの捩り定数 K( GK) ，反り定数 EI w を算定し検討する．. せん断力を載荷するジャッキは，能力 1 0 0 k N の油圧ジャッキで，底部は高力ボルトで接合され，. 2 . トラス梁の繰り返し曲げせん断実験 2. 1 実験計画. そこからピンを配し，ロードセル，ピン( 球面軸受け) ，加力ヘッドを介して，トラス上弦材端部に繰. 試験体はワーレン形の鋼管トラスの片側下弦材. り返し鉛直力を加える．加力点は，面外補剛装置. が欠けている変形トラスである．この試験体の上下弦材端部を固定し，もう一方の上弦材端部に加. により面外の移動が拘束される．面外補剛装置は，丁番を組み合わせたようなリンク機構になってい. 力ヘッドを介して，繰り返しせん断力を作用する．トラスの格間の細長比λ s は 20. 6 である．加力ヘッ. る．この装置は接続位置の構面外の変位と回転を拘束し，構面内の変位と回転は自由とする条件を. ドは先端のみ横補剛支点によって，構面外変位が拘束されている．横補剛支点は構面外のみ拘束し，. 与える．加力点の鉛直変位と，図 3 に示す，①∼ ⑥ 位置表 1 鋼管の断面性能. ３軸回りの回転と構面内変位は拘束しない構造となっている．実験変数は，履歴ダンパーの有無で，試験体総数は 2 体である。ダンパーは履歴ダン 3143. 加力装置と測定方法. As D, d T, t ( cm) ( cm) ( cm2) 89. 1φ x4. 0 8. 92 0. 410 10. 96 76. 3φ x4. 0 7. 64 0. 415 9. 42 60. 5φ x3. 2 6. 09 0. 315 5. 71 ※ D( d)：外径，T( t )：管厚，As ：断面積，. I ( cm4) 99. 5 61. 7 23. 9. 鋼管. i ( cm) 3. 01 2. 56 2. 04. D/ T d/ t 21. 8 18. 4 19. 3. I ：断面２次モーメント，i ：断面２次半径. 表 2 鋼管の材料の機械的性質 σy σu E Pu εu (kN) (N/mm2) (N/mm2) (×103N/mm2) (%) 89.1φx4.0 36.0 44.3 365.1 446.8 207.8 37.6 引張試験 76.3φx4.0 40.2 48.0 415.4 493.6 207.7 27.7 60.5φx3.2 27.6 33.5 375.6 450.5 206.4 43.0 ※ Py ：降伏応力，Pu ：最大軸力，σ y ：降伏応力，試験方法. 図 1 試験体図. 鋼管. Py (N). σ u ：最大応力，E ：ヤング率，εu ：伸び. ①. ④. 図 2 履歴ダンパー部分詳細図. ②. ⑤. 図 3 構面外変位計取り付け位置. 51- 1. ③. ⑥.

(2) の構面外の変位を変位計で測定した．. 挟み込む綴り板は，表裏両面ともブラスト処理を. 2. 4 実験結果図 4 にそれぞれの試験体の鉛直荷重 − 変形関係. 行い，さらに発錆促進剤を塗布し 2 日置いたものを使用した．また，柱材についても摩擦面の処理. を示す．荷重変形関係は紡錘形であるが，最終的に T- N1 では，接合部局部に変形が集中し，局部変形が見られた（写真 1 ）．この接合部の局部変形した箇所が，エネルギー吸収の役割を果たしたと考えられる．一方，T- D1 では，ダンパー部分に多少の曲げ座屈変形が見られるものの（写真 2 ），トラ. を綴り板と同様に行った．表 4 に試験体の材料となる鋼材の機械的性質を示す． 3. 3 加力装置と測定方法加力装置は，まず，ナイフエッジ型ピン装置を試験体エンドプレート上下端部に取り付け，ピン支持とした．その上端部を能力 5000kN試験機と接. スのその他の変形は見られなかった．両試験体とも，構面外変形は最大で 4 mm 程度で. 合し，軸力を漸増載荷した．変位計は腹材部分 3 箇所（試験体座屈長さ（＝試験体全長＋上下端ナイ. あり，トラスの横座屈は生じなかった．T- D1 はダンパー部分以外の変形はごく僅かであり，ダン. フエッジ治具長さ）の四分点），及び鉛直方向に４箇所取り付けた．. パー部分が有効に機能したと考えられる． 3 . 超高強度乾式組立材の曲げ挙動. 3. 4 実験結果図 6 に軸力 - 軸縮み関係を示す．図 6 では，ボル. 3. 1 実験計画. トピッチをパラメータとして複数の曲線を示して. 実験に用いる鋼材は 800N級( HSA700A) の鋼材で，図 5 に示すように，綴り板を挟んで２つの溝形鋼. いる．2610mm試験体では弾性座屈を，1810mm及び 10 10 mm試験体では塑性座屈を起こした．各試験体. を綴り合わせた組立断面のものを対象とする．その試験体に単調圧縮軸力を漸増載荷することで圧. においてボルトピッチに注目すると，600mmまでは耐力の差はあまり見られないが，それを超えるも. 縮耐力を求める．実験変数は，座屈長さとボルト. のでは差が顕著に見られた．. ピッチであり，表 3 に示す試験体の計 10 体とする．それぞれの細長比は 2610mm試験体 =87. 1，1810mm. 表 5 に実験により得られた最大荷重 Ne x p と，各種設計式による圧縮耐力及びそれぞれの耐力の比較. 試験体 =63. 4，2610mm試験体 =39. 7，スタブカラム試験体 =17. 7 である．. を示す．鋼構造規準式は安全率を無視している．. 3 . 2 試験体試験体は HSA700A，エンドプレートは SS400，綴り板は HS A7 0 0 A の鋼材を用いる．エンドプレートは，1) 溝形鋼 2 本をボルト( F14T- M16) にて接合する，2 ) 1 ) の後，組立柱の両端面は平面仕上げとする，3 ) 組立柱とエンドプレートを隅肉溶接にて接合するという手順に従って取り付けた．溝形鋼に ( kN). ( kN). 60. 60. 40. 40. 20. 20. 80. 80. 0. 0. - 20. - 20. - 40. - 40. - 60. - 60. - 80. -2. -1. 0. 1. 2. ( rad. ). - 80. 試験体の断面. -2. -1. 0. 1. T- N1 T- D1 図 4 荷重−変形関係. ピッチ 200mm. 2. ( rad. ). 図 5 乾式組立柱試験体一例( 材長 1010mm) 表 3 実験変数試験体長さ. ボルトピッチ. 試験体数. 写真 1 T- N1 接合部局部写真. 1010 1810 2610 270 200 400. 200 400 600. 2. 3. 200 135 400 600 1200 4 1. 単位：mm. 表 4 試験体の材料の機械的性質降伏強度引張強さ降伏比 HSA700A (N/mm2) (N/mm2) (%) 772.95 831.77 92.93. 写真 2 T- D1 履歴ダンパー部分写真. 51- 2. 伸び (%) 11.02.

(3) 軸力( kN). 軸力( kN). 軸力( kN). 3000. 1600 ボルトピッチ. 4000. 1400. 2500. 200mm 400mm 600mm 1200mm. 1200 3000. 2000. 1000. 1500. 800. 2000 600. 1000 1000. ボルトピッチ. 400. 200mm. ボルトピッチ 200mm 400mm. 500. 400mm. 200. 600mm. 0. 0 0. 2. 4. 6. 1010mm試験体. 8. 10. 0 0. 2. 軸縮み( mm). 4. 6. 1810mm試験体. 8. 10. 0. 2. 軸縮み( mm). 4. 6. 8. 10. 2610mm試験体. 12. 14. 16. 軸縮み( mm). 図 6 軸力−軸縮み関係表 5 圧縮耐力及び耐力の比較試験体長さボルトピッチ座屈長さ. l (mm) 270 1010 1810. 2610. l l (mm) 135 200 400 200 400 800 200 400 600 1200. l k (mm) 600 1340 2140. 2940. 実験耐力. Nexp (kN) 4496 3736 3862 2800 2897 2584 1554 1500 1468 1318. 鋼構造設計規準. N a (kN) 4041 3144 2998 1913 1814 1660 1028 997 948 751. N cr (kN) 4186 3672 3576 2708 2612 2397 1485 1439 1369 1084. 鋼構造鋼構造塑性限界状態設設計指針計指針 pdN cr (kN) lsdN cr (kN) 4169 3915 3162 3106 3029 2999 2090 2244 2004 2175 1844 1998 1142 1237 1107 1199 1053 1141 834 903. 鋼構造設計規準. N exp/ N a 1.11 1.19 1.29 1.46 1.60 1.56 1.51 1.50 1.55 1.75. Nexp/ Ncr 1.07 1.02 1.08 1.03 1.11 1.08 1.05 1.04 1.07 1.22. 鋼構造鋼構造塑性限界状態設設計指針計指針 N exp/ pdNcr N exp/ lsdN cr 1.08 1.15 1.18 1.20 1.28 1.29 1.34 1.25 1.45 1.33 1.40 1.29 1.36 1.26 1.36 1.25 1.39 1.29 1.58 1.46. 表 6 軸方向剛性試験体長さボルトピッチ座屈長さ P/δ EA/ l d EA/ l k 実験/計算実験/計算 l (mm) l l (mm) l k (mm) 実験kN/mm 計算kN/mm 計算kN/mm 200 802 1134 0.71 855 0.94 1010 1340 400 785 1137 0.69 856 0.92 200 538 636 0.85 538 1.00 1810 2140 400 526 637 0.83 539 0.98 800 519 634 0.82 536 0.97 200 391 440 0.89 390 1.00 400 394 439 0.90 390 1.01 2610 2940 600 390 438 0.89 389 1.00 1200 388 439 0.88 390 1.00. ※1 l dはエンドプレートとピン支点装置を除いた長さ ※2 l kはピン支点間距離. 表 6 は，立ち上がり軸方向剛性の実験値( P / δ) と計算値( EA/ l d ) の比較を示している．実験値は軸力が 500kNから 1000kNまでの範囲の実験データから求めた．ただし，2610mm( ピッチ 200mm) の試験体では 500kNから 1400kNまでの範囲で求めた．計算値の E は引張試験，A は断面の実測値に基づいた値であり，材長 l d はピン支点間距離と試験体エンドプレートを剛域と見なして，変形域の長さを 1010mm，1810mm, 2610mmとしたときの結果を示す．. 写真 3 載荷後全体写真( 1010mm- 200 試験体) ロット試験用の H 型鋼である . 乾式組立試験体は , ３章と同様の試験体である．パイロット試験体の材料は，SM490Aの H- 200 × 200 × 8 × 12 であり , 両端には SS400 の 25mm厚のエンドプレートを隅肉溶接している . 表 7 に試験体の種類と実測寸法を , 表 8 に使用材料の機械的性質を示す .. これから，軸方向剛性は実験値が計算値に対して. 試験体長さは , パイロット試験体，本試験体ともに 2470mmと 1670mmの 2 種類とする．実験変数. やや小さくなっていることが分かる．計算値が実験値より高いのは，ピン支点装置を. は端部の反り拘束の有無で 2 種類，本試験体では綴り材ピッチによって 1 6 7 0 m m 試験体では. 剛域と考えたためであり，実際にはナイフエッジ部分が弾性変形していると思われる．そこで，剛. 200mm, 400mm, 800mmの 3 種類 , 2470mm試験体では. 域としている部分全てを母材と同じ剛性を持つと考えて，計算値を座屈長さ l k で基準化した結果 ( EA/ l k ) を同様に表 6( 右側) 示す．これによれば，ほぼ実験値と計算値の軸剛性が一致することが分かる．写真 3 に載荷後全体を示す． 4 . 超高強度乾式組立材の捩り剛性評価. 200mm, 400mm, 600mm, 1200mmの 4 種類で合計 18 体である . 本試験体は , ピッチの小さいものから開始し , 順次綴り材を締め付けてあるボルトと綴り材を取り外して実験を行った . 試験体端部には H 形鋼（H- 200 × 100 × 5. 5 × 8）をボルトで締めた . 4. 2 加力装置と測定方法写真 4 に加力装置全体を示す．載荷能力 500kNの試験機テーブルの上に I ビームを載せ , 上にピンを設置する . そのピンに試験体を載せる . 試験体. 4. 1 試験体試験体は，超高強度鋼を用いた組立材とパイ. のエンドプレートには H 形鋼梁をボルトで固定す. 51- 3.

(4) 表 7 試験体の種類と実測寸法試験体型. 拘束. 試験体長さ(mm). 無し. 1670. 無し. 2470. 本試験体 (組立材). パイロット (H形鋼). 有り. 1670. 有り. 2470. 無し有り無し有り. ボルトピッチ(mm) 200 400 800 200 400 600 1200 200 400 800 200 400 600 1200. 1670. -. 2470. -. 全長 (mm). エンドプレートフランジ厚さ(mm) 厚さ(mm). 表 9 実験結果 GK 及び EI. せい (mm). 幅 (mm). ポンチ間距離(mm). 1750.0. 25.2. 9.1. 200.0. 159.7. 1599.0. 2552.0. 25.1. 9.2. 199.7. 160.0. 2397.0. 1721.0. 25.4. 9.1. 200.6. 159.3. 1586.0. 2520.0. 25.2. 9.2. 199.3. 159.3. 2396.0. 1721.0 1720.0 2516.0 2521.0. 25.1 25.1 25.1 25.1. 11.4 11.6 11.7 11.7. 201.7 201.0 202.0 200.0. 199.7 200.0 199.0 199.0. 1597.0 1601.0 2395.0 2401.0. 試験体 GK ( N・mm2) パイロット2470ｍｍ 2. 34×1010 パイロット1670ｍｍ 2. 15×1010 本試験体2470mm( ピッチ200mm) 3. 98×1010 本試験体1670mm( ピッチ200mm) 4. 06×1010 本試験体2470mm( ピッチ400mm) 2. 52×1010 本試験体1670mm( ピッチ400mm) 2. 76×1010 本試験体2470mm( ピッチ600mm) 2.07×1010 本試験体1670mm( ピッチ800mm) 1. 96×1010 本試験体1670mm( ピッチ1200mm) 1. 72×1010. ①/ ② 1. 21 1. 05 1. 30 ―. 表 10 計算 GK と実験 GK の比較試験体材長2470mm 材長1670mm ピッチ200mm 本試験体ピッチ400mm (2470mm) ピッチ600mm ピッチ1200mm ピッチ200mm 本試験体ピッチ400mm (1670mm) ピッチ800mm パイロット. 表 8 試験体の材料の機械的性質伸び (%) 11 41.9. 実験ＧＫ/計算ＧＫ. 降伏強度引張強さ降伏比 (N/mm2) (N/mm2) (%) HSA700A 773 831.8 92.9 SM490A 410.6 541.6 75.8. w. EIw ( N・mm4) 7. 68×1015 ① 6. 33×1015 ② 1. 44×1015 ① 1. 37×1015 ② 1. 95×1015 ① 1. 50×1015 ② 1. 73×1015 1. 31×1015 1. 30×1015. ! 1. 94 2. 80 1. 20 1. 33 1. 32 1. 46 1. 34 1. 54 1. 32. 計算GK (×1010N・mm2) 1.87 1.75 1.36. 1.32. 実験GK 比率 (×1010N・mm2) (実験/計算) 2.34 1.25 2.15 1.23 3.98 2.93 2.52 1.85 2.07 1.52 1.72 1.27 4.06 3.08 2.76 2.09 1.96 1.49. 3.5 (200,3.08) 3 (200,2.93) 2.5 (400,2.09). 2470ｍｍ本試験体 1670ｍｍ本試験体. 2 (400,1.85). (800,1.49). 1.5. (600,1.52) (1200,1.27). 1. 写真 4 パイロット試験体( 1670mm) 載荷写真. 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. 1400. ボルトピッチ. ピッチ( mm). る . 試験機の上には加力梁 H- 2 5 0 × 1 2 5 × 6 9. 図 7 実験 GK/ 計算 GK- ボルトピッチ関係. ( L=3110mm) を設置する . 加力点にはピンローラー. トピッチの関係について示す . 材長が 2470mmの試. を付け H 形鋼梁に鉛直力を加える . 加力点の位置は試験体の長さによって調節した . 変位計は試験. 験体と 1 6 7 0 mmの試験体はほぼ一致している . また，ボルトボルトピッチが長くなるほど実験 GK と. 体のピン支点から 6 0 mm離れた点と中央の両側の計 6 箇所に付け , 両端の変位が 0. 2mmに達するまで漸. 計算 GK の比率が小さくなり , 1 . 0 に収束する傾向が認められる。つまり , GK は試験体の長さと関係. 増載荷し，その後除荷した．各試験体について同. なくボルトピッチとの関係が大きいと言える . ５．結論. 様のことを 3 回ずつ行った . 4. 3 実験結果 . 第２章. 4. 3. 1 実験捩り剛性値比較表 9 に実験結果から算定した GK と EI w を示す . パ. 試験体について曲げせん断実験を行い，制振梁（ダンパー付きトラス梁）の制振効果を調べた．2. イロット試験体の GK は長さが 2 4 7 0 mm の場合と 16 70mmの場合でほぼ一致している . また , 本試験. 重鋼管履歴ダンパーは内部鋼管が多少変形したものの，外部鋼管及び，その他の部分は全く変形し. 体のボルトピッチ 200 mmの場合と 400mmの場合の. ておらず、修復の必要はなかった．ダンパーが有. それぞれにおいて , 材長が異なっても GK がほぼ一致している .. 効に機能したものと考えられる．第３章. 4 . 3 . 2 計算捩り剛性と実験捩り剛性の比較表 1 0 は , 断面の測定寸法から計算した GK( 計算. 超高強度鋼を用いた乾式組立材の中心圧縮載荷実験を行った．それらにより，乾式組立柱の座屈. GK) と表 9 の実験から得られた GK( 実験 GK) を比較. 耐力を検討した．第４章 . したものである．ただし , 本試験体の計算 GK は溝形鋼の捩り剛性の二倍とした．計算式において，. 超高強度乾式組立材について捩り実験を行い，. 乾式組立柱のピッチを考慮する項目がないため，計算 GK は全て同一の値となっている．パイロット. 反り拘束の有無及びボルトピッチでどの程度捩り変形が違うかを，実験結果から等価なサンブナン. 試験体の実験 GKと計算 GK の比率は 1. 25 と 1. 23 である . 本試験体での比率は , ボルトピッチによっ. の捩り定数 K( GK) ，反り定数 EI w を算定し検討した．参考文献. て変化し , 200mmのときはほぼ 3. 0 で , ピッチが長. 日本建築学会：鋼構造設計規準 , 2005. 9. 日本建築学会：鋼構造塑性設計指針 , 1975. 11. 日本建築学会：鋼構造限界状態設計指針 , 2 00 2 . 9. くなると 1 . 0 に近づく . 図 7 に本試験体の実験 GK/ 計算 GK の比率−ボル. 51- 4.

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