【論 文】 日本 建 築 学 会 構 造 系 論文 報 告 集ag 444 号
・
1993 年 2 月Journa
]of Struct.
Constr.
Engng,
AIJ、
No、
444,
Feb.
,
1993高 張 力鋼 箱形 断 面 部材
の
局 部座
屈
と
変 形 能 力
DEFORMATIqN
CAPACITY
OF
WELDED
SgUARE
HOLLOW
SECTION
MEMBERS
MADE
OF
HIGH
STRENGTH
STEEL
GOVERNED
BY
LOCAL
BUCKLING
加
藤
勉
*,
井 上 哲 郎
* *
Ben
KA
TO
andTetstiro
INOUE
The
plastic
deformation
capacity of welded steel hollow section members subjected tobending
and combined
bendi
皿g and axial compressionis
analysed theoretically,
and the test results arecompared with this theoretical
predictSon
,
Steel
material usedis
the newlydeveloped
high.
strength steel with
lower
yield ratio.
Dimensions
of sections are so selected that the maximum strength anddeformation
capacity are governedby
the local buckling of plate elements.
In thetheoretical preqiction
,
thedeformation
capacity is related to the width−
to.
thickness ratios of sec−
tion elements
.
Therefore
the width・
tQ−
thickness ratiolimitation
canbe
obtainedif
th6 required rotation capacity of member is assigned.
KeytUOtrls:
high−
stren8th steel,
IOcal buckling,
ductility,
bOx section高張力鋼
1
局 部 座 屈, 変形能 力, 箱形 断 面1
.
序本 研 究は比 較 的 降 伏 比の低い 60キロ級 高
鞣
力 鋼の箱 形 断 面 部 材 が定 軸 力 (軸 力 零 も含 む )下で曲 げ を う け,
板 要 素の局 部 座 屈で耐
力および変 形 能 力が決ま る場 合に つ いて, その塑 性 変 形 能 力 を短 柱 圧 縮 試 験か ら.
得た知 見 を用い て理論 的に求め, 部材実験によっ てこれ を検 証 し なものである。
軸 力と曲 げ をう ける部 材の非 弾 性 解 析は 高 次の非 線形 問題で通常 数 値 解 析が用い ら れ るが,
本 研 究では部 材 をモ デル化して数学的 手 法に よっ て閉じ た形 の一
般 的な解を求め,
主 要なパ ラ メー
タの寄与の度合い が見え る よ うに している。
解 析の 手 法 を 要 約す ると,
正 方形中空断面を等価なパ ラレル フ ラ ンジ断 面に置き換 え, こ の モデル化し た部 材の荷 重一
変 形 関 係 を 圧 縮 側フ ラン ジ内の応 力 を媒 介 変 数とし て求め る。一
方,
正方 形 中 空 断 面の幅 厚 比を変 数とする一
連の短 柱圧縮 試 験 (ス タ ブカ ラムテス ト) を行い,
局 部 座 屈で決ま る最 大応 力 度 と慯
厚 比の関 係 式 を統 計 的 手 法で求 める。
この局 部座 屈最大 応 力度を, 先の荷 重一
変形 関 係 式の圧縮フ ラ ンジ 応 力 度に等 置する ことにより, 局 部 座 屈 崩 壊 時の柱の変 形 を求め る も(1
)である。
こ の手 法は既に他の論 文1}で用 い た が, こ れ を多少修正し た こと, および論 旨を明確に す るために, 最 初に再 度そ の要 約を掲 げる。2.
定軸力下 で 曲げを う ける部 材の解 析 鋼材の応 カー
ひずみ関 係を剛 塑 性モデル で表す。 部材 の変形 能 力を塑 性 変 形 成分
のみの項ゼ表 す 場 合こ の モデ ル は便 利である。
ま た 全 領 域にわ たる応 カー
ひずみ関 係 をFig,
1に示す ごとく4線 分で表 す。
変形 解析において は, 部 材の せ ん断 変 形お よび軸 力に よ る部材の付 加 曲 げ効 果 を無 視する。
箱 形 断 面で はウェ ブの断 面 積が相 対 的に大きい の でせ ん断 変 形 量は小さ く, 通 常の多 層 建 物の柱の細 長 比の範囲で は 軸 力に よ る 付 加 曲 げ効 果は極めて小さい。
正方形中空断面 を等 価な パ ラ レル フ ランジ断 面に置 換 して用い る (Fig,
2参照〉。
置 換は両 断 面に おいて全
塑66u
o
εy ε5t εu εFig
.
1 Rigid・
plastic model1
東洋大学工学部 教 授
・
工博#
筑 波 大 学 構 造工学 系 助 教 授
・
工 博Prof
.
,
Toyo Univ.
,
Facutty ofEngineering
,
Dr.
Eng.
Assoc
.
PTef.
,
Tsukul)a Univ.
,
Facu且ty of Engineering,
Dr.
Eng.
TB
⊥
b
「
A
甲
τ
⇒
1
・[
±
コ
⊥
←一・
B
− 一
→Fig
.
2
Parallel flange model性モ
ー
メ ン ト(Mp
)お よ び断 面積が等 し く な る よ う に 行っ た。
置換 断面の断 面二次モー
メ ン ト{1
)と断 面せい (ん)と実 断 面の断 面二 次モー
メ ン ト(lal,
断面 幅 (b
)との 関 係はそれぞ れ次の よ うにな る。1一
噐
ちh
一号
b
2.
ユモ
ー
メン ト曲率 関 係 (M一
φ関 係) s−
1Case
l.
ρ〉 の と き2
こ の場 合は崩壊に 至 る まで引 張 側フ ラン ジは降伏し な い
。
こ こ に ρ; PIPy :軸 力比,
P :作用軸力,Py
= 2Aay
:降 伏 軸 力, A :置換 断面の 1つ の フ ラン ジの 断面 積 (実断 面 積の1
/2
>,
s=
σ。/σy :応力上 昇 率,
σ ti:圧 縮フラン ジ が耐え う る最 大 応 力 度,
σ。 :材料の降 伏 点 1) φ≦φ.の区 間 (圧縮フ ラ ンジの ひずみ が塑 性 流れ域 にある)M
=
(1−
P)M
。………・
t…・
…・
…・
1……・
・
…一
(1 )記 号 :φ
ρ
=
ε ρ/h :圧縮フ ランジの ひずみ が歪 硬 化 点 に達し た時の曲 率 εp= εs 厂 es :剛 塑 性モ デ ル に お け る塑性流 れひ ずみ (Fig,
1
参 照) φ=
ε/h
:圧 縮フ ラン ジひずみ が εの時の曲率 ε。t :材料の ひずみ硬 化開始 点のひ ず み εy= σ y/E
:降伏ひずみM
ρ=Aha
.:全 塑性モー
メ ン ト2
) φp<φ≦φ。
の区 間 (圧 縮フ ラ ンジの ひずみ が ひずみ 硬 化 域にある)M ;
(1−
P)Mp+P
(φ一
φP)・
…………・
……・
…
(2)記号:
D =2E
。 、∬:ひずみ硬 化 域にお け る断面の曲げ 剛 性E
。t :材料の ひずみ硬 化 係 数 (Fig.1
参照)・−
SAh
!
:断 面二次モー
メ ン ト 曲 げモー
メン トの上 限 Mu はMu
’=(s−
P)M ρ………・
・
……一 …・
……・
t・
一
(3) こ の時の限 界 曲 率 φ翼 は, (3
)式のMu
を (2)式に入 れ て,
di
・一(
s−
1D)
Mp
・iPP………・
…一 ………・
・
(・) Case s−
1 2.
0< ρ≦ のと き2
一
116
一
こ の場 合は圧縮フ ラ ンジ降 伏後, 崩壊に至 る途 中で引 張フランジも降 伏 する。
ただし引 張フ ランジ の応 力 度は 最 大 応力度に は達し な い。
引張 フ ランジ が降 伏する まで は M
一
φ関 係はCase
1
の場 合と全く同じであ る。 引 張フ ラ ンジが降伏す る時の モー
メン トは M=
Ah (σe十σy)!
(1十 ρ)M
〆・・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(5 ) こ こ に 倨煮
・軸圧縮 加 ・ よ・ て ・ ラ・ジ・生 ず る応 力 度である。
こ の
M
を (2
)式に代 入して,
φにつ い て解く と,
φ一
e
.・9
−
{
’i
;
Mp
t
・と な ・ . す なわ ・ (・)式・鬮 範 囲 ・ よび曲 げモー
メ ン トは,
2
ρ鵡 2 ) φρ〈φ≦φρ十 の区 間 DM ;
(1一
ρ)Mp
+P
(φ一
φρ)……一 一 ………
(2 ) ’ と な る。
引張フランジ が降 伏 すると 直ちに塑性流れ を起こす。 こ の塑 性 流れ に よ る曲 率の増 加は φρで ある
。
こ の 間曲 げモー
メ ン トは一
定 値Mi ・
(1十ρ)Mp を保つ。
し た がっ て こ の 区間に対す る記 述は ・)e
.+9
−
1
’ilZ
Mp・・ φ・ ・(
・・p+勤
・区間M
= (1
十 ρ)Mp ・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
tS・
・
tS・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(5)’
とな る。
さ らに曲げモ
ー
メ ン トが増 大す ると, 引張フ ランジ内 の ひずみ もひずみ硬 化 域に入る。
こ の領 域に お け る断 面 の曲 げ剛 性D
’ は〃
一
噐
一 (£
’lflG
,A
, a ,)=
=
tAht
(
袈
)
−E
。,・−
D/2 とな る。
し たが っ てこの区 間に お け る 醒一
φ関係は次の よ うに な る。 ・〉・(
¢P+響
)
・φ・il
。di
区間〃一 (・+P)
M
・+穿
[
φ一
・(
e
.+判
一
Mp
+・(
普
一
φ 。)
………・
……・
…………
(・)(6 )式は, こ の区 間の 開始 点はpの関 数で あ る が
,
M一
φ関 係は ρに無 関 係であ ること を示し てい る。曲 げモ
ー
メン トの上限は (3 )式と同じであり,
対 応 す る限界 曲率φ己 はこ の上 限モー
メ ン トを (6)式に代 入して,
e.一
・[
i
・P・(ε一
ρ5i
’鵬]
…・
・
…………7…・
(・〉 で あ る。Case
3.
p・
=
Oの とき (は りの 場 合)こ の場 合 は 圧縮フ ラ ンジと引張 フ ラン ジ が同 時に降伏 し
,
同 時に塑性流れ域に 入 る。Fig
.
3 Cantileverbeam−
column model ,1
) φ≦2
φρ の 区間で は両フ ラ ンジ のひずみ は塑 性 流れ 域に留 まり,
その曲 げモー
メ ン トは M=
Mp・
・
…・
…・
…・
…・
・
・
・
・
………・
…・
一 ・
……
(8
) 2) 2φρ〈φ≦φu の区 間で は両フ ランジの ひずみ が ひず み硬 化 域に入 る が,
こ の状 態はCase
2の 4)と同じで あり,
したがっ て 〃一
φ関 係は (6)式に よっ て与え ら れ る。M
・ ・Mp
・D
(
普
一
φ ,)
・
・
…・
…・
・
……・
・
………
(・)’
曲 げモー
メン トの上限はMu ;
sM ρ・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
t−・
・
一
・
・
…
t−・
・
・
・
・
・
…
tt…
一
(9> 対 応 する限 界 曲 率 φ。は (9
)式のMu
を (6) 式に入 れて,
iPu
−
・[
( s−
1)嶋 φP+P
]
…・
…・
・
………
(・・) 2.
2 軸 力と曲げ をうけ る柱の塑 性 変 形 能 力 (ヒ ンジ 回 転 能 力) 本論文で は主と して水平力 をう け る多層ラー
メ ン の柱 の塑性 変形能力を問題 と す るの で, これ をFig.
3に示 す よ う な一
端 固 定 他 端 自 由の柱の頂 部に軸 圧 縮 力と水 平 力が作 用 する問 題に置 き換えて論 ずる。
こ の問 題の精 密 解を求め る こと もで き るが2) , 解の表 現が複 雑に な り実 用 的でない の で,
冒頭に述べ た ご と く,
軸 力による部 材 の付 加 曲 げ 効 果を無 視 する。
多層 建 築の柱の細 長 比は小 さ い の で付 加 曲げの効 果を無 視し て も実 質 的な誤 差は生 じな い。 8」1Case
1.
ρ〉 の と き2
Fig.
4
はFig.
3
に示し た定 軸 力と曲げ をう け る片持 柱の終 局 状 態に おける曲 げモー
メ ン ト図 と, 変 形 模 式 図 で ある。
図で降 伏はA 点で始まっ て お り,
B点で終 局モー
メ ン トに達 して い る。 図から塑 性 化 域の長さ λ1
は幾 何 学 的に (ll )式の ように算 出さ れ る。・1
−
(
s−
18}
ρ)
i・
…・
……・
・
…・
・
・
………・
…・
……
(1・) 座 標 π,
y を材 長1
で無 次 元 化してそ れ ぞ れx
= x/l,
Y =y
/l
と す るb X 点 (0≦X≦ λ)にお け る曲 げモー
メ ン トは M=
(s−
P)Mp −
(s−
P)M
ρx ・
・
…………・
……
(12 ) こ の M を (2 )式のM
に等置し て,
φにつ い て表す とB
A
π
6
−
P
)
Mp
←
一
ユ
λ
£
夊
x
勢
e
ノ !’
’
’
’
’
’
’
’
’
’
yF
’
Fig
.
4 Configuration of beam・
column ρ〉{s−
1)/2φ一
1
鑿
一券
(・一
・〉・¢P一
砦
(・一
・)x窪
一
穿
(s− 1
)+・tilP
一
竪
(s−
・)x
・
・
・
・
・
・
・
…
−t− ・
・
s−…
−t・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(13 ) (13)式 を 積 分して,
撓み曲 線の接 線 勾 配 θκを得る。
e
.一
$
/
一
[
穿
(s−
・}・ ’小
一
甥
(・一
・)x
・・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一・
一阜
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(14)終
島
状態にお け る部材 先 端の勾 配 (slope )θer は,
(14) s−
1 式にX =
』
λ=
を 入れ て, s一
ρe
・・
一
霧
・
(慧
≡
f
) 2 ・礁
≡
1
)
・
…・
……・
…
(・5) さ ら に (14
>式 を積分 す る と・一
評翌
(・− 1
)・呻
・判
(・一
・)・・……・
…・
・
…・
・
…・
………
(16
) 塑 性 化 域 先 端A
にお け る た わ み 臨は,
Y
・一謝
・
il
≡
ll
・争
・
i
暮
…
ll
……・
……
(17> 部材先端の た わ み は、
Y
。。
=y
,+(1一
λ)ee,であり,
(15),
(17 >式 を用い て,玲
一
£
1
[
弗
(・−
1)(1+ ・・一
・・)+(・+1
−
2・周
………・
…・
・
…………
(・8
) と な る。無 次 元た わ み は γ
ニ
y/l
であ
り,
部材 角 ψに当たる。
部 材の変形 能 力 (回 転能 力 )は,
接 線角 θ 又 は部 材 角 ψによっ て下 記の ご と く表 現さ れ る。
一 117 一
・・e一
寄
+气讐
………一
(・9
)伽
一
驚
一
1一
仇云
蜘一
鬢
…一 ・
一 ・
一
(・・) 上式の θ.
,
ψ. はいずれも弾 性成分,
塑性 成分を含め た材 全 体の変 形であり, 変 形 能 力の定 義は塑 性 変 形 成 分 の 降伏 変 形 量に対す る比 率とい うことにな る。 本論 文で求めた ecr [(15 }式]お よ び y。r;
¢,
r [(18) 式]は塑 性 変 形 成 分の み による角 度である から,
これ ら を降伏時の変形角で除す れば変形 能 力と な る。 固定 端 降 伏 時の材 先 端 接 線 角 &お よび部 材 角@ はそ れぞれ次の よ うに表され る。
(1−
P>Mpl
・
・
・
・
・
・
…
r・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
(21 ) 偽=
2EI
(1一
ρ>Mpl
…一 …………・
・
………・
(22 )iPv
=
:
Vy=
3EI
し た がっ て ηe,
ηψ はそれ ぞれ (15 )式と (21
)式お よ び (18)式と (22》 式 を用いて次の よ うに表さ れ る。・
ne− 、
占 』
,[
長
(・− 1
)・ ・(
葺
)
]
…
(・3)・・一 、、。
与
}
1
.
,、[
毳
・・−
1… + ・ ・一
…・・
(
Ep εv)
(1
+ ・一
・・)]
……・
・
一 ・
…・
…
(・4) s−
1Case
2. 0
くP≦ の と き2
本論文では部 材 板要 素の局部座 屈に よっ て変形 能 力が 支 配さ れ る問題 を研究対 象と して い る。 局 部 座 屈で最 大 圧 縮 応 力 度 が 決ま る場 合は後 述の ご と く応 力 上 昇率s は高々 1.
3程 度である。
し たがっ てCase
2
に属す る柱 の軸力 比は 0.
15以下と な り実用的興 味に乏 しい。Case
2の場 合もCase
1と同様の計算に よっ て変形 能 力を求BTSMp
H9
.
5 Configuration of beam P=
O一 118一
⊥
め ること がで き る2>が,
材長に沿 っ て2
種類の塑 性 域が 存在す るこ とに な るの で解は複雑と な る。 よっ て こ の荷 重 条 件に対す る記述は省略す る。Case
3.
ρ=0
の と き (は り の場合 ) こ の場合は 圧縮,
引張 両フ ラ ンジ が同時に降伏し て,
塑 性 化が進 行 する。 終 局 状 態における はりの モー
メ ン ト 分 布および変 形は Fig.
5の ようにな り,
無 次 元塑
性 化 領 域 長さ μは単純な幾何学より・ ・
2i
’
}
!’………・
・
…・
・
一 ・
………一
(・・)X
点 (0≦X
≦ μ)にお ける曲げモー
メ ン トはM
:
sM ρ(1一
丿【)・
…
t・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
−t・
・
…
一・
・
・
…
(26
) こ のM
を (6 >式のM
に等 置し て φにつ いて表す と,
φ
一
豊
一
2甼
)Mp・ ・舮咢
雌鐸
一2
甼
) M・1
+ ・砺釜
蝦・
…・
……一 ・
・
…・
一 ………
(Z7
) (27 )式 を積分 して た わ み曲線の 接線 勾配 晒 を得る。・
審
一
[
2
甼
醐 ・ ・呻
一
音
耶 ・・
・
………・
………
(28) 終 局 状 態に お け る部 材 先 端の勾 配 θ,r は (28
)式にX
−
・−
SgL ’ を入 れ・,
ecr−
sぎ
’[
〔s
−
1)
Mpl
D
+21ilP
]
…・
…………
(29 ) さら に (28) 式 を積 分すると,・
一
吉[
2(i
’)M
。t
・・呻
・−
th
M
.IX
・・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
9・
・
・
・
・
・
…
9・
・
・
・
・
・
…
(30) 塑 性 化 域 先 端A
におけるたわ みY
、は,曙
・
(晟
叛
ご・1
¢P (8夛
’Z
……・
……
(31
> 部材先端の た わ み は,Y
。r;YA
+〔1一
μ)θ、 .であ り,
(29),
(31
)式を用い てip
・・
一・Ycr
− s夛
1[
謝
(s− 1
)(・・+1
)・1
φ〆s+1)]
…………・
・
・
・
・
・
・
・
・
……・
一 一
(32) 固定 端 降 伏 時の材 先 端 接線角 &お よ び部材角 晦 は そ れぞれ次の よ うに表さ れ る。
・
一
謡
・・
一 ・
・
一 ・
・
…一 ・
一 …・
一
(・3)gb・
・
Yv一
鑑
………・
・
…・
………・
……
(・4) し たがっ て ηθ,ηe は そ れ ぞ れ (29
>,
(33
)式, お よび (3Z),
(34)式 を 用い て,ne− 8
ぎ
’[
毳
(s−
1)・ ・舞
]
・
・
・
……一 ・
・
…
(・5 }ne
一
呈
毒
1
[
毳
、 (8−
1)〔1+28 )+3(
舞
)
(1+・}]
・
・
・
…
9…
9・
P鹽
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一…
(36)3.
局 部 座 屈 を伴 う正 方 形 中 空 断 面 短 柱の最 大 圧 縮 耐 力 60キロ級 高 張 力 鋼 を 溶 接 集 成 して作っ た 正方 形 中 空 断 面 短 柱の圧 縮 実 験の結 果につ い て は既に報 告し た3}。
本 研 究の 目的は非 弾 性 局 部 座 屈強さ と幅 厚 比 との関係 をレ
求 める ことにある の で, 同 実 験の う ち,
1
弾 性 域で局 部 座 屈を起こ し たもの は除 外し た。
また長さ の短か い柱 (同 論 文のA
シリー
ズ)で は材 端 拘 束 度 が座 屈 波の発 生 を乱 すの で,A
シリー
ズの実 験 結 果 を 除 外 し , 結 局 ll体の 試 験結果 を用い て, 局 部座屈最大 応 力度〜
幅厚比関係 を 求めた。
一
般に板の非 弾 性 局 部 座 屈 強 さは次式で表 され る。
acr
一
κ嚇 )
2…・
・
…・
…………・
…・
…・
・
・
・
…
(・・) こ こ に E7=
塑性域にお け る鋼の低減弾性係 数,
K 二
支持 条 件,
ボ アソ ン比に よっ て決 ま る係 数 (37
)式の 両辺を降伏点 ay で除し て応 力 上昇率 s の 形で表 す と次 式の ように な る。
Scr一
咢
一
f
(a… v・
E ・
/E
)・
岳
(
壱
)
Zt ま た は Scr==
f
・
α…・
・
・
・
・
・
………・
…………
(38
) a一岳
2 嘸 次 元 座屈パ ラ ・
一
・・…f
・ 囎 応 力,
.
塑 性 域にお け る ボ アソン比,
低 減弾 性係 数に よっ て決 ま る係数で あ る。
こ のf
の値を 上 記の実 験 結 果を 用いて決め る。
実験よ り得た s。. の値と a を用い て,
1/s−
1/α 関係を 図上にプロ ッ トす.
る とFig.
6のよ うに なる。
こ れ を 直線 回帰すると次式が得られ る。
1
/S1
.
2 1.
1 1.
O
0 .
9
0.
8 0.
7O.
6
01
1
−
=o.
2171−
十〇.
6957
8c7 α.
・
・
・
…
一・
・
一・
・
・
・
…
鹽
鹽
・
(39) 標準 偏 差 σ・
=
O.
OIO77 (39 )式は無 次元 座屈パ ラ メー
タ’
(幅 厚 比 )a と局 部 座 屈で決ま る応 力上昇 率との 関 係を与え る。4.
変 形 能 力の予測 と実 験 結 果 との 比 較 4.
1 変 形 能 力の予測 部 材フ ランジの応 力 度 (応 力 上 昇 率 )が3.
で 得た Scrに達す る と,
局 部 座屈に よっ て部 材耐 力お よび変形 能力 は 限界に達すると考え られ るか ら, (39 )式の 8。.
を ・.
・得・変形能力 予 測 式 (2
・), (・・)式(
・〉£71
)
, (35
),
(36
)式 (ρニ0
)の 8 と等 置す るこ とに よ り,
部 材の 変形能力 ηと断面の幅 厚 比 (B
/t
), 鋼の機 械 的諸常 数との関係を得る こ と が で き る。
(39
) 式は中 心 圧 縮 実 験か ら得ら れた もの であり,
断 面 を構 成する 4枚の鋼 板は等し い均 等 圧 縮 応 力 をう けて 座 屈 し て い る。
これに対 してt 曲 げ と 圧縮 (ま た は曲げ) を うけ る部 材で は ウェ ブに当る鋼板には応 力 勾 配を生 じ,
座 屈に対して有利と な るの で,
こ の 点 を考慮す る必 要が あ る。 応 力勾配の あ る鋼 板の座屈終局耐 力に関す る 知 見はい ま だ得ら れ てい ない ので や や恣 意的で は あ る が,
全塑性状態に お け る塑性中 立軸に関して圧縮 側にな る部 分を ウェ ブの圧縮幅と考え,
下 記の よ う な有効幅厚’
比 を用い ること と す る。Fig.
7
に おいて, 板厚 中心線に つ い て考え る と,
軸力比 pの も.
とでの塑 性中立軸の 位 置はb
・−b
(
互1+P)
と な る.
・れを ウ・ ブ・圧 櫨 と考 え,
ウェ ブの 圧縮幅と フ ランジの圧縮幅の平 均を もっ て 等 価圧縮 幅B
。 と し等価幅 厚 比 を次の よ うに算 出する。
・≦・≦ ・
.
5 ・牛
一2
δ(号
1
+ρ) 〈〉 ◇ ◇毳
厂
・2171ま
+α6957 0.
5 1.
0 1.
5一
書
÷
(・+・)一
号
(
B
−
1t)
(1+ ・) 1≧ ρ>O.
5 :Be=13
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一
一
冒
・
・
・
・
・
・
…
(40 ) 次に,
(23),
(24 )式 および (35), (36)式 中の ひずみ硬 化係 数Est
お よびεp/εy の評 価 であるが,
2.
2の解析は座 屈 を伴わ ない部 材茸
帥 2.
。1
」
1
一
πB
−
一rt
− 一一一一『一
一
一
L_
_
_
___
_
一
Fig.
6 1/s−
1/a Relationship』’
T
bePN 墮Fig
.
7 Plastic neutral axis ・量
1
.
0 .
0
10
20
30
40
Fig
.
8 σ/σs一
ε/εy Re旦ation flQm stub−
column tests9Py
d3
・↓
2
α
d4
d1
d2
巴
一
告
。 一
L1
上
,
2
の塑性変形解 析であ る か ら,
溶 接 部の機 械 的 性 質変化, 残 留 応 力の影 響 を含め た短柱圧縮 試 験の結 果か ら得ら れ る平 均 的 応 カー
ひずみ曲 線か ら求め るのが妥当で あろう。
Fig,
8は前 記3 }短 柱 圧 縮 試 験の結果であ る。 ひずみ硬 化 勾配は直 線では ないが, 実 用 範 囲の箱形断面で は応 力上 昇率s は高々 1.
3程 度で あるの で,
こ の範囲で図 示の よ うに応 カー
ひずみ関 係 を三 直線 線分で近似しE
/E
。tお よ び εp/εy を求めるとそれぞ れEIEStZ49 .97,
εp/εy=
4.
02
と な る。
これに対 し素 材の 引 張試 験から得 ら れ た 値は そ れぞれ,E
/ESt
= ’48.
06,
εp/ε.・
=
5.
24で あっ た。
次 節で述べ る よ う に , 部 材の実験で は部 材 角 ψ で変 形 能 力を測 定して い る ので, 理 論予測も η。 に よっ て行 う。 予 測 式を要 約する と, Scr− 1
(1) ρ〉 の と き 2n・一 、、
誰
景
』
,[
£
・s・・
− 1
・(・+ ・s・・一
…・ ・
齧
(1
+Scr−
・・)]
…・
………・
・
……
:(24)’
〔2 ) p=0
のと きn・一
(
鶚
[
£
(S。 ・−
1)(・+ ・ Scr)・ ・
舞
(1
+s・r)]
・
・
…一 …・
…・
…・
一 …・
(・6 )’
(24 )’
,
(36
)’
式におい て蠹
一 ・・171疂(
Be
t)
2 + ・.
6957…一 …−t・
(39)’
与
一
号
(
B
−
1t)
(1+ ・)……・
・
…・
………
・
・
(4・)’
E
/E8
尸 49.
97,
εp/ε.=
4.
02
である。
4.
2 実 験4 〕Fig.
9
に示 すご と く,
定 軸 力 下の単 純 支 持 ばりに中央 集 中荷重を加え る形で実 験 を行っ た。
部 材 断 面は溶 接集 成 正 方 形中空断 面で板 厚6mm で ある。
そ の機槭的性 質Fig
.
g Loading and deformation measurement (d‘
:position of dLal gage)・・
tl
・pse
S
・d
・」
ll
Fig
,
10 Deflexion mode9Py
は ay=
4.
41 t/cm2,
σu=
5.
99 t/cme,
εst=
1.
36% (2個 の平 均 )で あ り短柱実験で用い た鋼と略 同 等とみ な せ る の で, 座屈特 性は (39
)式 に よ ること と す る。 変 形 測 定は終局時におい て 局 部 座屈崩 壊 す る側の挙 動 に着 目し,
図の中心軸 a〜
α を固定 端と す る片 持ば り形beam−
column の変 形 と して解 析モ デル を 対 応さ せ た。
す な わ ち 図のd
,をダ イア ル ゲー
ジの 読み と する と,Fig.
10を参照 して,ψ
ギ
,
・・… 。・咢
,
飢一
(d
、・d
、− d
,−
d,)・2d
、− d2
d3− d
,φ=
L1
L であ る
。
ま たス パ ン中 央 (片持梁固定端 )の作用曲げモー
メン トはM
・… .・。・畢
…・
…一 ・
……・
……・
……・
・
(41 > で あ る。
実 験 変 数は設 計 幅 厚 比B
/t!
20,
24,
28,
32,
34,
軸 力比 p・
=
O,
0.
25,
0.
5お よ び部 材の細長 比 λ=L
/i=
30、
40,
50 (L
= 部 材 長,i=
断 面二 次 半 径 ) とし , これ ら の組 合せで合計 33体の 部 材 実 験 を 行っ た。Tab
止e 1 に その一
覧を示す。 表 中の幅厚 比は実測 幅 厚 比である。
表 中のCode
表示は最 初の アル フ ァ ベ ッ トS
は λ=30
の短一
120
一
Table l List of specimens
Code
β1
オ λ ρCode
’
B
ノ
言 λ ρS20
・
0
19,
41
30
0
.
00
S28
・
0
27
.
42
30
0 .
00
S20
・2519
.
41
30
0.
25
S28
・2527
.
42
30
0 .
25
S20
・5019
.
41
30
0.
501S28
.5027
.
42
30
0 .
50
M20
・019
。
46
40
0.
00
M28
・02724
40
0.
00
M20 ・2519
.
46
40
O.
25
M28 ・252724
40
025
M20
・
5019
.
46
40
0
.
50
M28
・
502724
40
0
.
50
L20
・
0
』
19.
45
50
0.
00
L20
・2519
.
45
50
0.
25
.
S32 ・0
31 .
1130
0,
00
L20
・5019
.
45
50 、
0
.
50
S32
・2531
。
11
30
025
S32
・5D31
.
11
30
0.
50
S24
・
0
23
.
38
30
0.
00
M32
・
0
广
3124
40
0
.
00
S24
・
2523
.
38
30
0.
25
M32
・
253124
40
025
「
S24 ・5023
.
38
30
0.
50
M32 ・5031
.
22
40
0.
50
M24
・
023
.
40
40
0
.
00
M24
・2523
.
40
40
0
.
25
S34
・
0
33
.
05
30
0
.
00
M24
・5023
.
40
40
0.
50
S34
・2533
.
05
30
025
L24
・0
23.
36
50
0.
00
S34
・5033
.
18
30
0.
50
L24
・2523
,
36
50
0.
25
L24
・
5023
.
36
50
0.
50
かい部材,M
は λ=40
の部材,L
は λ=50
の長 い部 材 を表 し,
次の数 字20,24
等は設 計 幅 厚 比,
最 後の数字 は軸 力比の %表 示であ る。
4.
3
実験結果と予測値の 比較 実験にお け る最 大 耐 力 点に対 応す る部 材角 ψ か ら算 出し た変形 能 力 eηv と式 (24
) t,
(36
)’
,
(39
)’
,
(40 >’
を 用い て予 測じ た変形能力、ηv を 比較し たもの をTable
2 に示す。
幅厚 比の大きい試 験 体で は,
局部 座屈が発生して最 大 耐 力に達し たあ と急 激な耐 力 低 下 が 起こるの で, 最 大 耐 力およびそ の時の変 形 を正 確にと ら える ことは技 術 的に 難か し い,
し かも幅 厚比 が大き くな ると最 大 耐 力に達す る まで の変 形 量が小さ く な るので変 形 能 力に換 算 する場 合に大き な誤差を生 ずるS
よっ て実験結果の整理 に おい ては,
最大耐力 点に対応す る部 材 角ψ を用い た変形 能 力 eηe と,
最大耐 力点を す ぎて耐 力が 95%まで低 下し た点に お け る部材角を用いた変形 能 力(。η“)Rの 二つ を算 出し た。
この結 果か ら次の こと が観 察さ.
れ る。 幅厚 比の小さい領 域で は実 験 値と理 論 値の対 応は良 好 であるが,
1
幅 厚 比が大き くな る に従い,
実験 値は理 論 値 よ り低い値
と なっ て ゆ く。 これ は幅厚 比の大きい場 合に は最 大 耐 力と そC6時の変形を 正確に と らネること が難し い とい う前 記の実 験 技 術 的 側 面と, ひずみ硬 化 域の 初 期 に お い て は ひずみ硬 化 係 数E。
tは本 論 文に用い た平均 的 ひずみ硬 化 係 数よ り大きい とい う理 論の単純 化に帰 因す る側 面に関 係 するもの と思わ れ る。 しか し な がら最 大 耐 力 点 を少 し過ぎた点で の変 形 能 力 (例え ばTable 2の 〔。ηe)n}が 理論 値と比 較 的 良い対 応 を示 すこと を考え る と,
こ の 予測 値は実 用 的に は十 分 価 値の あ るもの と言え るであ ろ う。
幅 厚 比,
軸 力 比の大き さ がある限 度 を超え る と (例えばS.M28 ・
50
,S .
M 32・
50
等 )serが1よ り 小さ く な るので本 理 論 式か らは変 形 能 力は評 価で き な い。
降 伏 荷 重の近 傍で は荷 重一
変形関係は直線で は な く な るの で実 際には若 干の変 形 能 力が期 待でき るの である が,
こ の応 力レベル で の材料の非線形特性にはばらつ き が大き く 理論 的追 求は無 理で ある。
次に荷重一
変形関 係の比較 を行う。
表 現の簡 単なは り の場合 (ρ;0
)か ら先に行 う。 2.
1において応 力 上 昇 率s を より一
般 的 に圧 縮フ ラン ジの 応 力度の降伏点に対する上 昇 率と考える と, 片 持ば り 固定 端の曲 げモー
メン トは sM.
((9
)式 ),
であり, 降伏モー
メ ン ト (全 塑性モー
メ ン トMp
)で無 次 元 化す る と缶
一
・・
…・
…・
…・
・
t
.
一
・
・
………・
・
…・
・
一
∴一 …
(・・)幽
とな る。 こ の時の変形は2.2
の (36
)式で与え られ, ・“十
暢
訓 孟
〔・−
1)(1+ ・・〉一 121一
Tabie 2 Co皿parison of experimental and theoretlcal defotmatien capacities
Code
TheoryExperimental
TheoryExperime
皿t
…U
cηψ 。ηψ
(
。ηψ)
RCode
cηψ ,ηψ(
,ηψ)
RS20
・0
7.
53
7.
84
15.
0
S28
・
0
4.
06
3.
14
62
S20
・25
4.
52
5
.
49
7
.
6
S28
・25
1.
30
1.
49
2.
5
S20 ・50
5.
87
5.
63
8.
5
S28 ・
50
一
1.
14
1
.
7
M20
・
0
7.
46
6
.
58
7
.
2
M28
・0
4.
15
1.
11
3 .
8
M20
・254
.
494.
75
11.
7
M28
・25
・
1.
02
0.
75
1.
4M20
・505
.
83
5.
63
8.
4
M28
・50
一
0.
79
1.
2
L20
・
0
7
.
51
5
.
95
9
.
8
L20
・254
.
50
3.
86
6.
2
S32
・0
2.
43
0
.
93
3 .
9
L20
・
50
5
.
83
5
.
47
一
S32
・25
0.
21
0.
94
1.
7
S32
・50
一
0
.
77
12
S24
・
0
5
.
82
5
,
04
8
.
6
M32
・
0
2.
51
0.
74
3
.
0
S24
・25
2.
84
1.
95
3
.
6
M32
・
250
ユ7
0.
57
1.
2
S24
・50
2.
40
2.
07
3。
0
M32
・50
o
0.
69
1.
0
M24
・
0
5
.
49
3
.
67
7
.
2
M24
・252
.
84
L95
3
.
5
S34
・0
1,
84
0.
74
3.
3
M24
・502
.
40
2
.
05
3。
1
S34
・25
,
0.
47
1.
2
L24
・
0
5
.
82
2
,
89
5
.
5
S34
・50
曽
0.
64
1
.
0
L24
・
25
2
.
84
1
.
32
2
.
7
L24
・50
2.
44
1.
21
2.
0
即ち +3
(
εP εy)
(1
+・)]
菁
一
睾
i
媛
(・一
・)(・+ ・・)・ ・(
ερ εy)
α +・)]
+1・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
−4t−・
・
…
−s−…
(43 ) で ある。
(42)
,
(43) 式は,
圧 縮フ ランジ応 力レベ ル s を媒 介 変数と す る荷重一
変形 関 係 を与え る。
そ し て,
圧 縮フラ ン ジ応力 レベ ル が(39)’
式で与 え ら れる Scrに達すると, フ ラン ジは崩壊す るの で上式は成 立し な く なる。 片 持 ばりが定 軸 圧縮力と曲 げを う け る場合は,
実 験に おい て は (41)式に示す よ うに固定 端モー
メ ン ト (実 験 で は ス パ ン中央モー
メ ン ト’
)を軸 力によ る付加モー
メ ン トを考 慮 して評 価し ている。
(41)式,M −
・P
耐畢
・お・ ・撃
は2.1
の (・) 式, cr。は 2,
2の (18 )式に近 似的に等しい (S
。=
Yt,
s を一
般 的な応 力 上昇率と考え ている か ら,
サブス クリプ トを除い てい る)。
故に M − (・一
・)嶋 凪・
1
篶
…
券
・
[
弗
(・一
・〉(・+ ・ ・一
・・)+(・+1− 2
・周
u
_
⊥_
・一
ρ +」堕.
⊥,
(・− 1
)12
Ms
Mp
。1一
ρMp
l一
ρ 2(8一
ρ)2・
[
蕩
(・一
・)(1+ ・・−
3・}+(・+1−
・ ・)iPP
]
f
≡
秀
・ (、4
(SiZ
−
!
」
i
{i
,”
,!
’ ,![
、舞
(s−
1)・
(1+ ・・一
・・)・(1+・一
・・)・。]
(
f
)
t,
こ こ で実 験で は部材長L を用い て,
λ=
L/i
で定 義 す る細長比で部 材寸法を規 定して いる。
2
章の 解析と の対 応は,L
= 21 ,i
=h
/2であるか ら1
/h
= λ/4
で あ る。
よっ て,鑑
一
呈
≡
f
・rr
,窃
−
ltl
!
JF
(1
,一
, ’.
〉 ,,・[
、髭
(・−
1)・
(・+・・一
・・)・(1
+・一
・・)・。]
(
λ 4)
’・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
…
一…
(44 ) この時の変 形は2.
2
の (24
)式で与え ら れ・・
一
義
一
1−
、(。与
・?
t.
,}[
£
( ・−
1) すな わち1
_
為一
・
(・+2・−
3 ・)+3(
ε ρ Ey)
(1+s−
2P)]
s− 1
4(8一
ρ)z(1一
ρ)[
−i
ESt
{
L
C
・−
i)(1
+2・−
3・) ・ ・(
εP εy)
(1
+・一
・・>1
・ ・一 ・
…・
…・
一
(45 )一
122
一
M / 2
.
0
1.
5
1.
0
0.
5
Q1 ,
05
.
0
10」0
15.
0
20」O
S2
。・
。(
B/t・20 ,・9
・。)
%
l
:
κ
O.
5
01
,
0
SO
1α
0
150
200
520
・
25
(
B
/t
・2
。,P
・
O.
25
)
M
/
2.
0
1.
5 1.
0
O.
50
1.
0
5,
0
1QO
15。
O
(
S2
。・
50Bt・20
,凹5
)
Fig
,
11 Comparison of load・
deflexien relationships
2QO
で あ る。 (44 ),
(45 )式は s を媒 介 変 数と するbeam−
column の 荷重一
変 形 関 係を与え る。 は り の場 合と 同様に s が (39 )t 式で与え られ る Scr に達するとフランジは崩壊す るので, こ の式は成 立 し な く な る。
Fig.
11
は既に得た材 料 特 性 値 σy= 4,
41 t/cm2,
ESt
=42
.
03
t/cm2,
ερ==O.
00844
を 用い て,
試験 体S20 ・
0,
S20 ・
25
,S20 ・
50
につ いて上 式に よ る予 測曲線を画き 実験 曲 線との比 較 を行っ た もの であ る。
座屈崩壊後の 1 点 鎖線は定性的説 明の た めに任意に引い た もの であ る。5,
結 び 比 較 的 降 伏 比の低い 60キロ級 高 張 力 鋼よ りな る正方 形 中 空 断 面 を有 する定 軸 力 下で曲 げ を うけ る部 材お よび はり を対 象と し,
その最 大 耐 力が断 面の局 部 座 屈 崩 壊に よっ て支 配さ れ る場 合につ い て,
部 材の崩 壊に至 るまで の変 形 能 力を解 析し,
そ れ ぞ れ (24)’
お よ び (36)’
式 を 得た (そ れ ぞ れ の式は (39
>’
式と組合わ せて周い る)。
これ らの予測式と実験 値との対応 は実 用 的に満足 すべ き もの であっ た。 これ らの式は変形 能 力の要求値に応じて,
これ を満 足 する幅 厚 比の制 限 値を与え る もの で あ る。 引用 文 献 1) 加 藤 勉 :閉 断 面 部 材の局 部 座 屈と変 形 能 力,
日本 建 築 学会構 造系論 文報 告集,
第378号,
pp.
27〜
36,
1987年 8月2)Ben KatQ
,
Deformation Capacity Qf Steel Structures,
亅ournal ef Constructional Steel Research
,
Vol.
17,
1990NDs