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高張力鋼箱形断面部材の局部座屈と変形能力

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(1)

【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

局 部座

変 形 能 力

DEFORMATIqN

 

CAPACITY

 

OF

 

WELDED

 

SgUARE

 

HOLLOW

 

SECTION

    

MEMBERS

 

MADE

 

OF

 

HIGH

 

STRENGTH

 

STEEL

 

GOVERNED

                    

BY

 

LOCAL

 

BUCKLING

 

藤  

井 上 哲 郎

* *

Ben

 

KA

 

TO

 and  

Tetstiro

 

INOUE

 The 

plastic

 

deformation

 capacity  of welded  steel hollow section  members  subjected  to 

bending

and  combined  

bendi

皿g and  axial  compression  

is

 analysed  theoretically

 and  the test results  are

compared  with this theoretical 

predictSon

 

Steel

 material used 

is

 the newly  

developed

 

high.

strength  steel with  

lower

 yield ratio

 

Dimensions

 of sections  are so selected  that the maximum strength  and  

deformation

 capacity  are  governed 

by

 the local buckling of plate elements

 In the

theoretical preqiction

 the 

deformation

 capacity  is related  to the width

to

thickness  ratios  of sec

tion elements

 

Therefore

 the width

tQ

thickness ratio 

limitation

 can 

be

 obtained  

if

 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

 

本 研 究は比 較 的 降 伏 比の低い 60キロ級 高

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

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

般 的な解を求め

主 要なパ ラ メ

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

変 形 関 係 を 圧 縮 側 ラン ジ内の応 力 を媒 介 変 数とし て求め る

。一

正方 形 中 空 断 面の幅 厚 比を変 数とする

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

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

形 関 係 式フ ラ ン 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} 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

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

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

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

66u

  

  

o  

εy ε5t  εu ε

Fig

1 Rigid

plastic model

1

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 of  

Engineering

 Dr

 Eng

Assoc

 PTef

Tsukul)a Univ

Facu且ty of  Engineering

 Dr

 Eng

(2)

TB

b

       

A

 

 

 甲

τ

1

 

 

 

±

        ←

一・

B

− 一

      Fig

2

 Parallel flange model

性モ

メ ン ト(

Mp

)お よ び断 面積が し く な る よ う に 行っ た

置換 断面の断 面二次モ

メ ン ト{

1

断 面せい (ん)と実 断 面の断 面二 次モ

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

h

b

2

 

メン ト曲率 関 係 (M

φ関 係)       s

1  

Case

 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

= 2

Aay

: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) φφ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

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

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

メ ン 曲 げモ

メン トの上 限 Mu は      

Mu

’=s

PM ρ

………・

……一 …・

……・

t・

(3) こ の限 界 曲 率 φ 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

116

 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

φ関 係

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

メン トは      M

Ah (σe十σy

(1十 ρ)

M

・・

 (5 ) こ こ に 倨

・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 てく と

φ

e

.・

9

i

Mp

t

と な ・ . す なわ ・ (・)式・鬮 範 囲 ・ よび曲 げモ

メ ン トは

     

2

ρ鵡 2 ) φρ〈φ≦φρ十        の区 間       D     

M ;

1一

ρ)

Mp

P

(φ

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

メ ン トは

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

・区間     

M

1

ρ)

Mp ・

 

tS・

tS・

 (5)

とな る

 

さ らにげモ

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 (

£

lflG

A

, a ,)

tAht

E

。,・

D/2 とな る

 し たが っ てこの区 間に お け る 醒

φ関係はの よ うに な る。 ・

¢P+

・φ・

il

。 

di

区間

 

  

〃一 ・+P

M

・+

穿

φ

e

.+

    

Mp

φ

………・

……・

…………

(・)

 

(6 )式は こ の区 間の 開始 点はpの関 数で あ る が

M

φ関 係は ρに無 関 係であ ること を示し てい る。

 

曲 げモ

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

メ ン トを (6)式に代 入して

 

 

 

e.一

i

P・(ε

ρ

5i

’鵬

…・

…………7…・

(・〉 で あ る。

 Case

 

3.

  p

O き ( 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

同 時に塑性流れ域に 入 る。

(3)

Fig

3 Cantilever 

beam−

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

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 〃

φ関 係は (6)式に よっ て与え ら れ る。

   

M

・ ・

Mp

D

φ

…・

…・

……・

………

(・)

曲 げモ

メン トの上限は      

Mu ;

sM ρ

 

t−・

 

t−・

 

tt…

 

(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

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

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」1  

Case

 1

ρ〉       の と き      

2

 

Fig.

4

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

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

メ ン トに達 して い る。 図から塑 性 化 域の長さ λ

1

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

メ ン トは     M

(s

P

Mp −

(s

P

M

ρ

x ・

…………・

……

(12 ) こ の M を (2 )式の

M

し て

φにつ い て表す と

B

A

π

6

P

Mp

 

λ

£

x

 

e

ノ !

    ’

   ’

   ’

  ’

  ’

  ’

yF

Fig

4 Configuration of beam

column ρ〉{s

1)/2

 

 

 

φ一

1

¢P

(・

)x

 

 

 

 

穿

s

− 1

)+・

tilP

(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

穿

(s

・}・ ’

(・

・)

x

・      

 

一・

一阜

 (14)

 

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

ρ

 

 

 

e

f

) 2 ・

1

…・

……・

(・5) さ ら に (

14

>式 を積分 す る と

   

・一

評翌

− 1

)・

)・・                

……・

…・

…・

…・

………

16

) 塑 性 化 域 先 端

A

にお け る た わ み 臨は

 

 

 

Y

・一

il

ll

i

ll

……・

……

17   部材先端の た わ み は

Y

=y

,+(1

λ)ee,であり

(15)

(17 >式 を用い て

 

 

 

£ 

1

(・

1)(1+ ・・

・・)

   

  

+(・+1

2・

………・

…・

…………

(・

8

) と な る。

 

無 次 元た わ み は γ

y/

l

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

(4)

 

 

 

・・e一

气讐

………一

(・

9

 

 

 

1

…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

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 』

(・

− 1

)・ ・

3

 

 

 

・・一 、、。

1

・・

1… + ・ ・

   

  

・・

Ep εv

1

+ ・

・・)

……・

一 ・

…・

(・4)       s

1  

Case

 

2. 0

くP≦       の と き        

2

  本論文では部 材 板要 素の座 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>

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 件にす る記述はす る。  

Case

 

3.

ρ

0

の と き (は り の合 )  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

メ ン ト 分 布および変 形は Fig

5の ようにな り

無 次 元

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

メ ン トは     

M

  

sM ρ(1

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

2

)Mp・ ・

 

 

 

 鐸

一2

) M・

1

+ ・砺

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。

 

  

2

醐 ・ ・

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

 

〔s

 

 

1)

Mpl

D

 

+21ilP

…・

…………

(29 ) さら に (28) 式 を積 分すると,

 

  

吉[

2(

i

’)

M

t

・・

th

 

M

IX

・      

 

9・

 

9・

 (30) 塑 性 化 域 先 端

A

におけるたわ み

Y

、は,

 

 

 

ご・

1

¢P (8

Z

……・

……

31

> 部材先端の た わ み は

,Y

。r; 

YA

+〔1

μ)θ、 .であ り

(29)

31

)式を用い て

 

 

 

ip

一・

Ycr

− s

1

(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 ・

一 ・

…一 ・

一 …・

3

 

 

 

gb・

 Yv

………・

…・

………・

……

(・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

(s

1)・ ・

……一 ・

(・5 }

(5)

ne

1

、 (8

1)〔1+28 )+3

(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

ズ)で は材 端 拘 束 度 が座 屈 波の発 生 を乱 すの で,

A

シリ

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

 

般に板の非 弾 性 局 部 座 屈 強 さは次式で表 され る

   

acr

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 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

f

(a… v

E ・

E

Zt      ま た は Scr=

f

α

…・

………・

…………

38

) a一

 

2 嘸 次 元 座屈パ ラ ・

・・…

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

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

7

O.

6

  0      

1

     

1

     

o.

2171−

6957

    8c7       α        

 

一・

一・

 

(39)     標準 偏 差 σ

O.

OIO77  (39 )式は無 次元 座屈パ ラ メ

(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 ・

・変形能力 予 測 式 (

2

・・

・〉£

71

, (

35

36

)式 (ρ

ニ0

)の 8 と等 置す るこ とに よ り

部 材の 形能力 ηと断面の幅 厚 比 (

B

t

), 鋼の機 械 的諸常 数とのを得る 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 立軸にして圧縮 側にな る部 分を ウェ ブの圧縮と考え

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 ・

2

δ(

1

+ρ) 〈〉 ◇ ◇

・2171

+α6957 0

5 1

0 1

5

 

  

 

  

÷

(・+

 

  

 

  

B

  

1t

1+ ・) 1≧ ρ>O

5 :

Be=13

 

 

 (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

帥 2

1

1

π

B

 

rt

− 一一一一『一

L

_

 

_

 

_

 

___

 

_

 

Fig

6 1/s

1/a Relationship

』’

T

    bePN 墮

Fig

7 Plastic neutral axis ・

(6)

 

1

0 .

0

     

10

   

20

   

30

   

40

Fig

8 σ/σs

ε/εy Re旦ation flQm stub

column  tests

9Py

d3

2

α

d4

d1

d2

 

。 一

L1

         

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

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 験のであ る。 ひずみ硬 化 勾配は直 線では ないが 実 用 範 囲の形断面で 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

ひずみ関 係 を三 直線 線で近似し

E

E

。tお よ び εp/εy を求めるとそれぞ れ

EIEStZ49 .97,

εpεy

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,

εpε.

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       2

 

 

 

n・一 、

£

・s・

− 1

・(・+ ・s・・

 

   

・ ・

1

+Scr

・・)

…・

………・

……

:(24)

〔2 ) p=

0

と き

 

 

 

n・一

£

(S。 ・

1)(・+ ・ Scr)

  

   

・ ・

1

+s・r)

…一 …・

…・

…・

一 …・

(・6 )

(24 )

36

式におい て

  

 

一 ・・171

疂(

Be

 t

2 + ・

6957

…一 …−t・

(39)

  

 

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 mode

9Py

は ay

4

41 t/cm2

σu

5

99 tcme

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 を定 端と す る片 持ば り

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

ジの 読み と する と,

Fig.

10を参照 して,

  

 

ψ

・・ 。・

d

、・

d

− d

d,)・2        

d

− d2

 

d3− d

   

φ=

 

L1

 

 

L であ る

 ま たス パ ン中 央 (片持梁固定端 )のげモ

メン トは

  

 

M

…・

…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 次 半 径 ) と , 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

を示す。 表 中の幅厚 比は実測 幅 厚 比である

表 中の

Code

は最 初の アル フ ァ ベ ッ ト

S

は λ

=30

の短

 

120

(7)

Table l List of specimens

Code

β

1

オ λ ρ

Code

B

言 λ ρ

S20

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 .

11

30

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

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

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の変形を 正確に と らること 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

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 の非線特性にはばらつ き が大き く 理論 的追 求は無 理で ある

 次に荷重

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

般 的 に圧 縮フ ラン ジの 応 力の降伏点にする上 昇 率と考える と 片 持ば り 固定 端の曲 げモ

メン トは sM

((

9

)式 )

であり, 降伏モ

メ ン ト (全 塑性モ

メ ン ト

Mp

)で無 次 元 化す る と

  

 

…・

…・

…・

t

………・

…・

一 …

(・・)

とな る。 こ の時の変形は

2.2

36

式で与え られ ・“

訓 孟

〔・

1)(1+ ・・〉

一 121一

(8)

Tabie 2 Co皿parison of  experimental  and theoretlcal  defotmatien capacities

Code

TheoryExperimental

TheoryExperime

t

U

cηψ 。ηψ

  (

。ηψ

R

Code

cηψ ,ηψ

  (

,ηψ

R

S20

・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

1.

14

   

1

7

M20

0

7.

46

6

58

   

7

2

M28

・0

4.

15

1.

11

   

3 .

8

M20

・254

49

4.

75

   

11.

7

M28

・25

1.

02

0.

75

    1

4

M20

・505

83

5.

63

   

8.

4

M28

・50

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

     

S32

・25

0.

21

0.

94

   

1.

7

S32

・50

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

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

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

i

(・

・)(・+ ・・)・ ・

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

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

メ ン ト (実 験 で は ス パ ン央モ

メ ン ト

)を軸 力によ る付加モ

メ ン トを考 慮 して評 価し ている

(41)式,

M −

P

・お・ ・

2.1

の (・) 式, cr。は 2

2の (18 )式に近 似的に等しい (

S

 

Yt,

 s を

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 −

・)嶋 凪

1

  

(・

・〉(・+ ・ ・

・・)+(・+

1− 2

u

_

_

ρ +」

堕.

(・

− 1

12

Ms

   

Mp

。          

1一

ρ              

Mp

 

l一

ρ 2(8

ρ)2

  

1+ ・

31

・)

iPP

 

 

 

 

f

・ (、

4

SiZ

i

i

’ ,!

(s

1

    

1+ ・・

・・)・(1+・

・・)・。

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

 

 

 

f

rr

ltl

JF

1

, ’

〉 ,,・

(・

1)

     

(・+・・

・・)・(

1

+・

・・)・。

λ 4

’               

 

一…

 (44 ) この時の変 形は2

2

の (

24

)式で与え ら れ

 

 

 

・・

1

t

£

( ・

1) すな わち   

1

_

    為

・+2

3 ・)+3

ε ρ Ey

(1+s

2P

s

− 1

4(8

ρ)z(1

ρ) 

−i

ESt

L

 

C

i)(

1

+2・

3・) ・ ・

εP εy

1

+・

・・>

1

・ ・

一 ・

…・

…・

(45 )

122

(9)

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

  

0

  

150

  

200

      

520

25

B

t

2

。, 

P

O.

25

M

2.

0

1

5 1

0

O

5

0

  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

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

 tcm2

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 めに意にい 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

1990

   NDs

1

2

 Elsevier Applied Science

 London & New    York3 ) 井上哲郎

桑 村   仁 ;降伏 棚のあ る低 降 伏 比6Qキロ高 張    力鋼短柱の応カ

ひずみ特性 (十字 形お よ び箱 形 断 面 )

   日本 学 術 会 議

建 築 学 会

構 造 工 学 論 文 集

Voi

37B

   1991年3月 4) 井 上 哲 郎 :低 降 伏 比 高 張 力 鋼 箱 形 断 面 梁および ビ

ムコ    ラム の終 局耐力 と変形 能力

日本 学術会議

建築 学会

   構 造 工 学 論 文 集

Vol

38B

1992年3月 (1992年6月30日原稿 受理

1992年11月2日採用決 定)

9

Table   l   List   of   specimens Code β 1 オ λ ρ Code ’B ノ 言 λ ρ S20 ・ 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

参照

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