JP7575675B2 - Method for evaluating the seismic performance of beams - Google Patents
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Description
本発明は、梁の耐震性能の評価方法に関する。 The present invention relates to a method for evaluating the seismic performance of beams.
従来、昭和55年建設省告示第1792号において、建築基準法施行令(昭和25年政令第338号)第82条の3第二号の規定(以下、告示と言う)にもとづき、H形鋼からなる梁は、前記H形鋼を構成するウェブ及びフランジの幅厚比区分がそれぞれ構築されている。そして、ウェブ及びフランジの幅厚比区分にもとづいて、梁の種別が定められている。なお、前記幅厚比区分は、前記ウェブ及びフランジそれぞれに対して導出された幅厚比に基づいて規定されている。
ここで、H形鋼の局部座屈は、ウェブ及びフランジが相互に作用し合うため、前記ウェブ及びフランジともに複雑な周期的挙動を示す。このため、前記弾性局部座屈耐力式等の既往の知見では、前記ウェブ及びフランジを個々の板要素に分けて考え、(1)式であらわされるフーリエ級数を用いることで、前記ウェブ及びフランジの局部座屈による面外変位Wwを推定しており、前記面外変位Wwに基づいて板要素の弾性局部座屈耐力を導出している(例えば、非特許文献1参照)。
Conventionally, in the Ministry of Construction Notification No. 1792 of 1980, based on the provision of Article 82-3, item 2 of the Building Standards Act Enforcement Order (Cabinet Order No. 338 of 1950) (hereinafter referred to as Notification), for beams made of H-shaped steel, width-thickness ratio classifications of the web and flange constituting the H-shaped steel are established. And, based on the width-thickness ratio classifications of the web and flange, the type of beam is determined. The width-thickness ratio classification is determined based on the width-thickness ratio derived for each of the web and flange.
Here, the local buckling of the H-shaped steel is caused by the interaction between the web and the flange, and therefore both the web and the flange exhibit complex periodic behavior. Therefore, in the previous knowledge such as the elastic local buckling strength formula, the web and the flange are considered as individual plate elements, and the out-of-plane displacement Ww due to the local buckling of the web and the flange is estimated by using the Fourier series expressed by the formula (1), and the elastic local buckling strength of the plate element is derived based on the out-of-plane displacement Ww (see, for example, Non-Patent Document 1).
しかしながら、H形鋼の局部座屈変形は、前記ウェブ及びフランジが相互に局部座屈変形を拘束し、前記ウェブ及びフランジが一体となって生じるため、前記板要素の弾性座屈耐力式では、H形鋼の弾性座屈耐力を過小評価している。それゆえ、前記板要素の弾性座屈耐力式に基づいて構築される前記幅厚比区分によって評価される前記梁の耐震性能も過小評価されている。 However, the local buckling deformation of the H-shaped steel occurs when the web and flange are integrated together, with the web and flange mutually restraining the local buckling deformation, so the elastic buckling strength formula for the plate element underestimates the elastic buckling strength of the H-shaped steel. Therefore, the seismic performance of the beam evaluated by the width-thickness ratio classification constructed based on the elastic buckling strength formula for the plate element is also underestimated.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、相互に作用するウェブ及びフランジを考慮した弾性局部座屈耐力式を導出することによって、種別をより適切に評価することができる梁の耐震性能の評価方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these problems, and aims to provide a method for evaluating the seismic performance of beams that can more appropriately evaluate the type by deriving an elastic local buckling strength formula that takes into account the interacting web and flange.
前記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の梁の耐震性能の評価方法は、ウェブ及び一対のフランジを有するH形鋼からなる梁の耐震性能における種別を評価するにあたって、前記梁が有する前記ウェブ及び前記一対のフランジの連成座屈を考慮した弾性局部座屈耐力式を構築することによって、前記梁の前記種別を評価することを特徴としている。
この発明によれば、発明者らは、鋭意検討の結果、H形鋼では、ウェブ及び一対のフランジがそれぞれ独立して座屈するのではなく、相互に作用しながら連成座屈することを見出し、梁が有するウェブ及び一対のフランジの連成座屈を精度良く予測可能な弾性局部座屈耐力式を導出した。この弾性局部座屈耐力式により梁の種別を評価することによって、梁の種別をより適切に評価することができる。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The method for evaluating the seismic performance of a beam of the present invention is characterized in that, when evaluating the type of seismic performance of a beam made of H-shaped steel having a web and a pair of flanges, the type of the beam is evaluated by constructing an elastic local buckling strength equation that takes into account the coupled buckling of the web and the pair of flanges of the beam.
According to this invention, the inventors have found, as a result of intensive research, that in H-shaped steel, the web and a pair of flanges do not buckle independently, but buckle in a coupled manner while interacting with each other, and have derived an elastic local buckling strength formula that can accurately predict the coupled buckling of the web and a pair of flanges of a beam. By evaluating the type of beam using this elastic local buckling strength formula, the type of beam can be more appropriately evaluated.
また、前記梁の耐震性能の評価方法において、前記梁にせん断力が作用して座屈するときの前記連成座屈を考慮した第1座屈応力度τcr、及び前記梁に等曲げモーメントが作用して座屈するときの前記連成座屈を考慮した第2座屈応力度σcrを指標として、前記梁の前記種別を評価してもよい。
また、前記梁の耐震性能の評価方法において、前記第1座屈応力度τcr及び前記第2座屈応力度σcrを、前記ウェブにおける面外変位及び前記一対のフランジにおける面外変位からエネルギー法に基づいて求めてもよい。
In addition, in the method for evaluating the seismic performance of the beam, the type of the beam may be evaluated using as indicators a first buckling stress τ cr that takes into account the coupled buckling when a shear force acts on the beam and the beam buckles, and a second buckling stress σ cr that takes into account the coupled buckling when a uniform bending moment acts on the beam and the beam buckles.
In addition, in the method for evaluating the seismic performance of a beam, the first buckling stress intensity τ cr and the second buckling stress intensity σ cr may be calculated based on an energy method from an out-of-plane displacement of the web and an out-of-plane displacement of the pair of flanges.
また、前記梁の耐震性能の評価方法において、前記梁の材軸を、x軸と規定し、前記一対のフランジが前記ウェブを挟む方向に延びる軸を、y軸と規定し、前記ウェブの板厚方向に延びる軸を、z軸と規定し、前記y軸に沿う方向における前記一対のフランジの中心間の距離を、bwと規定し、前記ウェブの前記x軸に沿う方向の第1端に向かうに従い、前記z軸に沿う方向に交互に波状に変位する前記ウェブの前記x軸に沿う方向における半波長をaと規定したときに、前記梁にせん断力が作用するときには、前記ウェブにおける前記y軸に沿う方向の中心の位置を、前記y軸の原点と規定し、前記y軸の原点から、前記一対のフランジのうちの片側に向かう向きを、前記y軸の正の向きと規定し、前記第1座屈応力度τcrを、(11)式から(16)式を用いて、(17)式による前記第1座屈応力度τcrに最小の正の値を与える実数である前記an,bn,λ及び前記半波長aに基づいて求め、前記梁に等曲げモーメントが作用するときには、前記一対のフランジのうちの一方における前記y軸に沿う方向の中心の位置を、前記y軸の原点と規定し、前記y軸の原点から、前記一対のフランジのうちの他方に向かう向きを、前記y軸の正の向きと規定し、前記第2座屈応力度σcrを、(18)式から(24)式を用いて、(25)式による前記第2座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数である前記an,bn及び前記半波長aに基づいて求めてもよい。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a0,an,bn,λは未定係数であり、Eは前記H形鋼のヤング係数であり、νは前記H形鋼のポアソン比であり、twは前記ウェブの厚さであり、tfは前記一対のフランジそれぞれの厚さであり、bwは前記一対のフランジの板厚中心間距離であり、bfは前記一対のフランジそれぞれの幅の半分の値であり、Wwは前記ウェブにおける前記z軸に沿う方向に向けた前記面外変位であり、Wf1,Wf2は前記一対のフランジにおける前記y軸に沿う方向に向けた前記面外変位である。
In addition, in the method for evaluating the seismic performance of the beam, the material axis of the beam is defined as the x-axis, the axis extending in the direction in which the pair of flanges sandwich the web is defined as the y-axis, the axis extending in the plate thickness direction of the web is defined as the z-axis, the distance between the centers of the pair of flanges in the direction along the y-axis is defined as bw , and the half wavelength of the web in the direction along the x-axis that is displaced alternately in a wave-like manner in the direction along the z-axis as it moves toward a first end of the web in the direction along the x-axis is defined as a. When a shear force acts on the beam, the center position of the web in the direction along the y-axis is defined as the origin of the y-axis, and the direction from the origin of the y-axis toward one of the pair of flanges is defined as the positive direction of the y-axis. The first buckling stress τ cr is calculated by using equations (11) to (16) to obtain the first buckling stress τ cr according to equation (17). When an equal bending moment acts on the beam , the position of the center of one of the pair of flanges in the direction along the y-axis may be defined as the origin of the y-axis, and the direction from the origin of the y-axis toward the other of the pair of flanges may be defined as the positive direction of the y-axis. The second buckling stress σ cr may be determined using equations (18) to (24) based on the an , bn , and the half wavelength a, which are real numbers that give the second buckling stress σ cr calculated by equation (25) a minimum positive value.
where N is a natural number of 2 or greater, a0 , an , bn , and λ are undetermined coefficients, E is the Young's modulus of the H-shaped steel, ν is the Poisson's ratio of the H-shaped steel, tw is the thickness of the web, tf is the thickness of each of the pair of flanges, bw is the center-to-center distance in thickness of the pair of flanges, bf is half the width of each of the pair of flanges, Ww is the out-of-plane displacement of the web in the direction along the z-axis, and Wf1 and Wf2 are the out-of-plane displacement of the pair of flanges in the direction along the y-axis.
この発明によれば、梁にせん断力が作用するときの第1座屈応力度τcr、及び梁に等曲げモーメントが作用するときの第2座屈応力度σcrを、式を用いてそれぞれ正確に求めることができる。 According to the present invention, the first buckling stress τ cr when a shear force acts on a beam, and the second buckling stress σ cr when a uniform bending moment acts on the beam can be accurately calculated using equations.
また、前記梁の耐震性能の評価方法において、前記梁を構成する前記H形鋼のせいH及び前記一対のフランジの幅Wは、それぞれ予め定められた値であり、前記H形鋼の基準強度を、Fと規定し、(26)式及び(27)式によって与えられる前記梁のFAの前記種別の前記H形鋼において、(26)式及び(27)式の等号成立時の前記梁における前記一対のフランジおよび前記ウェブの幅厚比の条件を、基準条件と規定し、前記基準条件での前記H形鋼の前記第2座屈応力度σcrを、前記FAの前記種別における第2基準座屈応力度と規定し、前記基準強度Fに対する前記FAの前記種別における前記第2基準座屈応力度の比を、前記FAの前記種別における第2基準座屈応力度比と規定したとき、前記基準強度Fに対する前記第2座屈応力度σcrの比が、前記FAの前記種別における前記第2基準座屈応力度比以上であり、かつ(26)式を満足する前記梁を、前記FAの前記種別における前記梁として評価してもよい。
ただし、tfは前記一対のフランジそれぞれの厚さであり、twは前記ウェブの厚さである。また、前記第2座屈応力度σcrを算出する際の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wは、前記第2基準座屈応力度を算出する前記H形鋼の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wとそれぞれ等しいとする。
In addition, in the method for evaluating the seismic performance of a beam, the depth H of the H-shaped steel constituting the beam and the width W of the pair of flanges are each a predetermined value, the reference strength of the H-shaped steel is defined as F, and in the H-shaped steel of the type of FA of the beam given by equations (26) and (27), the condition of the width-thickness ratio of the pair of flanges and the web in the beam when the equality of equations (26) and (27) holds is defined as a reference condition, the second buckling stress intensity σ cr of the H-shaped steel under the reference condition is defined as a second reference buckling stress intensity in the type of FA, and the ratio of the second reference buckling stress intensity in the type of FA to the reference strength F is defined as a second reference buckling stress intensity ratio in the type of FA. The beam in which the ratio of cr is equal to or greater than the second reference buckling stress ratio in the type of the FA and satisfies equation (26) may be evaluated as the beam in the type of the FA.
where tf is the thickness of each of the pair of flanges, and tw is the thickness of the web. In addition, the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges when calculating the second buckling stress σcr are equal to the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges of the H-shaped steel when calculating the second reference buckling stress.
この発明によれば、種別がFAである梁の場合に、ウェブ及び一対のフランジの連成座屈を考慮して、梁の耐震性能を評価する。これにより、耐震性能がFAの種別と評価され得る梁の断面形状を、基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が第2基準座屈応力度比以上であって、(26)式を満足する梁に、広げることができる。従って、例えば、現行の評価方法におけるFAの種別よりもウェブの幅厚比が大きい梁を、FAの種別の耐震性能を有する梁として評価することができる。 According to this invention, in the case of a beam whose classification is FA, the seismic performance of the beam is evaluated taking into consideration the coupled buckling of the web and a pair of flanges. This makes it possible to expand the cross-sectional shapes of beams whose seismic performance can be evaluated as FA to beams whose ratio of the second buckling stress σ cr to the reference strength F is equal to or greater than the second reference buckling stress ratio and which satisfy formula (26). Therefore, for example, a beam whose web width-thickness ratio is larger than that of the FA classification in the current evaluation method can be evaluated as a beam having the seismic performance of the FA classification.
また、前記梁の耐震性能の評価方法において、前記梁を構成する前記H形鋼のせいH及び前記一対のフランジ幅のWは、それぞれ予め定められた値であり、前記H形鋼の基準強度を、Fと規定し、(28)式及び(29)式によって与えられる前記梁のFBの前記種別の前記H形鋼において、(28)式及び(29)式の等号成立時の前記梁における前記一対のフランジおよび前記ウェブの幅厚比の条件を、基準条件と規定し、前記基準条件での前記H形鋼の前記第2座屈応力度σcrを、前記FBの前記種別における第2基準座屈応力度と規定し、前記基準強度Fに対する、前記FBの前記種別における前記第2基準座屈応力度の比を前記FBの前記種別における第2基準座屈応力度比と規定したとき、前記基準強度Fに対する前記第2座屈応力度σcrの比が、前記FBの前記種別における前記第2基準座屈応力度比以上であり、かつ(28)式を満足する前記梁を、前記FBの前記種別における前記梁として評価してもよい。
ただし、tfは前記一対のフランジそれぞれの厚さであり、twは前記ウェブの厚さである。また、前記第2座屈応力度σcrを算出する際の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wは、前記第2基準座屈応力度を算出する前記H形鋼の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wとそれぞれ等しいとする。
In addition, in the method for evaluating the seismic performance of a beam, the depth H of the H-shaped steel constituting the beam and the width W of the pair of flanges are each a predetermined value, the reference strength of the H-shaped steel is defined as F, and in the H-shaped steel of the type of FB of the beam given by equations (28) and (29), the condition of the width-thickness ratio of the pair of flanges and the web in the beam when the equality of equations (28) and (29) holds is defined as a reference condition, the second buckling stress σ cr of the H-shaped steel under the reference condition is defined as a second reference buckling stress in the type of FB, and the ratio of the second reference buckling stress in the type of FB to the reference strength F is defined as a second reference buckling stress ratio in the type of FB. The beam in which the ratio of cr is equal to or greater than the second reference buckling stress ratio in the type of the FB and satisfies equation (28) may be evaluated as the beam in the type of the FB.
where tf is the thickness of each of the pair of flanges, and tw is the thickness of the web. In addition, the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges when calculating the second buckling stress σcr are equal to the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges of the H-shaped steel when calculating the second reference buckling stress.
この発明によれば、種別がFBである梁の場合に、ウェブ及び一対のフランジの連成座屈を考慮して、梁の耐震性能を評価する。これにより、耐震性能がFBの種別と評価され得る梁の断面形状を、基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が第2基準座屈応力度比以上であって、(28)式を満足する梁に、広げることができる。従って、例えば、現行の評価方法におけるFBの種別よりもウェブの幅厚比が大きい梁を、FBの種別の耐震性能を有する梁として評価することができる。 According to this invention, in the case of a beam of type FB, the seismic performance of the beam is evaluated by considering the coupled buckling of the web and a pair of flanges. This makes it possible to expand the cross-sectional shape of a beam whose seismic performance can be evaluated as type FB to a beam whose ratio of the second buckling stress σ cr to the reference strength F is equal to or greater than the second reference buckling stress ratio and which satisfies formula (28). Therefore, for example, a beam whose web width-thickness ratio is larger than that of the type FB in the current evaluation method can be evaluated as a beam having seismic performance of type FB.
また、前記梁の耐震性能の評価方法において、前記H形鋼の降伏せん断強度を、F′と規定し、前記降伏せん断強度F′に対する前記第1座屈応力度τcrの比が、(30)式を満足し、かつ(31)式を満足する前記梁を、FCの前記種別における前記梁として評価してもよい。
ただし、F′はF/√3である。
In addition, in the method for evaluating the seismic performance of the beam, the yield shear strength of the H-shaped steel may be defined as F', and the beam in which the ratio of the first buckling stress intensity τ cr to the yield shear strength F' satisfies formula (30) and formula (31) may be evaluated as the beam in the type of FC.
Here, F' is F/√3.
この発明によれば、種別がFCである梁の場合に、ウェブ及び一対のフランジの連成座屈を考慮して、梁の耐震性能を評価する。これにより、耐震性能がFCの種別と評価され得る梁の断面形状を、降伏せん断強度F′に対する第1座屈応力度τcrの比が(30)式を満足し、(31)式を満足する梁に、広げることができる。従って、例えば、現行の評価方法におけるFCの種別よりもウェブの幅厚比が大きい梁を、FCの種別の耐震性能を有する梁として評価することができる。 According to this invention, in the case of a beam whose classification is FC, the seismic performance of the beam is evaluated by considering the coupled buckling of the web and a pair of flanges. This makes it possible to expand the cross-sectional shape of a beam whose seismic performance can be evaluated as FC to beams whose ratio of the first buckling stress intensity τ cr to the yield shear strength F' satisfies formula (30) and formula (31). Therefore, for example, a beam whose web width-thickness ratio is larger than that of the FC classification in the current evaluation method can be evaluated as a beam having the seismic performance of the FC classification.
本発明の梁の耐震性能の評価方法によれば、相互に作用するウェブ及びフランジを考慮した弾性局部座屈耐力式を導出することによって、種別をより適切に評価することができる。 The method for evaluating the seismic performance of beams of the present invention allows for a more appropriate evaluation of the type by deriving an elastic local buckling strength formula that takes into account the interacting web and flange.
以下、本発明に係る梁の耐震性能の評価方法の一実施形態を、図1から図17を参照しながら説明する。 Below, one embodiment of the method for evaluating the seismic performance of a beam according to the present invention will be described with reference to Figures 1 to 17.
〔1.梁の構成〕
本実施形態の梁の耐震性能の評価方法(以下、評価方法と略して言う)は、例えば図1に示す建築物1に用いられる、H形鋼からなる梁10を評価するのに用いられる。梁10は、ウェブ11、第1フランジ(フランジ)12、及び第2フランジ(フランジ)13を有する。なお、図1では、後述する床スラブ20を二点鎖線で示している。
[1. Beam structure]
The method for evaluating the seismic performance of a beam according to this embodiment (hereinafter, abbreviated as the evaluation method) is used to evaluate a
梁10は、例えば水平面に沿う方向に延びている。第1フランジ12は、平板状に形成され、第1フランジ12の厚さ方向が上下方向に沿うように配置されている。第2フランジ13は、平板状に形成され、第2フランジ13よりも下方に配置されている。第2フランジ13は、第2フランジ13の厚さ方向が上下方向に沿うように配置されている。
ウェブ11は、ウェブ11の厚さ方向に見たときに矩形を呈する平板状に形成されている。ウェブ11は、ウェブ11の厚さ方向が水平面に沿うように配置されている。ウェブ11は、第1フランジ12の下面における幅方向の中心と、第2フランジ13の上面における幅方向の中心とを連結している。
The
The
梁10の長手方向の端部は、柱15等に固定されている。梁10は、床スラブ20を床スラブ20の下方から支持している。梁10の第1フランジ12には、頭付きスタッド等のシヤコネクタ21が設けられている。シヤコネクタ21は、床スラブ20に埋設されている。
建築物1は、床スラブ20上に図示しない設備を設置する等して用いられる。
以下では、本評価方法に用いられる第1座屈応力度及び第2座屈応力度について説明する。なお、前記第1座屈応力度及び第2座屈応力度を導出する際、梁10が有するウェブ11、フランジ12、13は弾性要素である鋼板で形成されているとする。弾性要素は、材料非線形を考慮しない要素である。
The longitudinal ends of the
The
The first buckling stress and the second buckling stress used in this evaluation method are described below. When deriving the first buckling stress and the second buckling stress, it is assumed that the
〔2.梁にせん断力が作用する場合の第1座屈応力度〕
梁10にせん断力が作用する場合の評価方法では、図2に示すように、梁10の位置座標を、x軸、y軸、及びz軸で構成する右手系の直交座標系に基づいて認識する。図2では、梁10が座屈している状態を示している。
梁10の材軸(梁10が延びる方向に延びる軸)を、x軸と規定する。フランジ12,13がウェブ11を挟む方向に延びる軸を、y軸と規定する。ウェブ11の板厚方向に延びる軸を、z軸と規定する。x軸、y軸、及びz軸は、互いに直交する。z軸に沿う方向(以下、z軸方向と言う)に見て、ウェブ11は、x軸に沿う方向(以下、x軸方向と言う)に延びる辺、及びy軸に沿う方向(以下、y軸方向と言う)に延びる辺をそれぞれ有する。ウェブ11の面外変位は、ウェブ11のz軸方向に向けた変位である。
フランジ12,13の面外変位は、y軸方向に向けた変位である。
[2. First buckling stress when shear force acts on a beam]
In the evaluation method when a shear force acts on the
The material axis of the beam 10 (the axis extending in the direction in which the
The out-of-plane displacement of the
梁10は、x軸方向に十分長いとする。ここで言う梁10がx軸方向に十分長いとは、梁10のx軸方向の各端に配置されy軸方向に延びる表面(以下、x軸方向の端面と言う)10aの境界条件が、座屈変形に与える影響を無視できる程度の長さを梁10が有していることを意味する。
The
梁10のx軸方向の端面10aにそれぞれy軸方向にせん断力F1が作用すると、梁10が座屈する場合がある。なお、せん断力F1は、梁10のx軸方向の全長さにわたって伝達される。
梁10のx軸方向の各端面10aに作用するせん断力F1は、互い等しい大きさの、向きが反対となる外力である。例えば、x軸方向の負の向き側の端面10aにy軸方向の正の向きのせん断力F1が作用し、x軸方向の正の向き側の端面10aにy軸方向の負の向きのせん断力F1が作用する。なお、x軸方向の負の向き側の端面10aにy軸方向の負の向きのせん断力F1が作用し、x軸方向の正の向き側の端面10aにy軸方向の正の向きのせん断力F1が作用してもよい。
When a shear force F1 acts in the y-axis direction on each of the end faces 10a of the
The shear forces F1 acting on each
この場合、ウェブ11のx軸方向の第1端(x軸方向の端面10aの一方)に向かうに従い、ウェブ11がz軸方向のz軸の正の向き及びz軸の負の向きに交互に変位して、ウェブ11が全体として複数の波長分の波状(以下、x軸方向に波状と言う)に変位する。ウェブ11に対応して、フランジ12,13が波状に変位する。
x軸に沿って変位したウェブ11の1波長分において、x軸方向の第1端とは反対の第2端をx軸の原点とし、この第2端からx軸方向の第1端に向かう向きをx軸の正の向きとする。
In this case, as the
In one wavelength of the
図2及び図3に示すように、ウェブ11におけるy軸方向の中心の位置を、y軸の原点と規定する。y軸の原点から、第1フランジ12(フランジ12,13のうちの片側)に向かう向きを、y軸の正の向きと規定する。
z軸の原点を、ウェブ11のz軸方向の中心(厚さ方向の中心)とする。z軸の正の向きを、x軸の正の向き及びy軸の正の向きに対して、右手系の直交座標系を構成する向きとする。
2 and 3, the center position of the
The origin of the z-axis is the center in the z-axis direction (center in the thickness direction) of the
ここで図3に示すように、梁10の長手方向に直交する断面における寸法を規定する。なお、以下に説明する長さ等の単位には、長さに対しては「m」といった、SI単位が好ましく用いられる。
ウェブ11の厚さ(z軸方向の長さ)を、twと規定する。y軸方向における第1フランジ12及び第2フランジ13の板厚中心間の距離を、bwと規定する。梁10のせいを、Hと規定する。
第1フランジ12の幅(z軸方向の長さ)及び第2フランジ13の幅は互いに等しく、第1フランジ12及び第2フランジ13それぞれの幅の半分の値を、bfと規定する。なお、第1フランジ12及び第2フランジ13それぞれの幅を、Wとする。
第1フランジ12の厚さ及び第2フランジ13の厚さは互いに等しく、第1フランジ12及び第2フランジ13それぞれの厚さを、tfとする。
梁10(H形鋼。ウェブ11及びフランジ12,13)のヤング係数をEと規定し、梁10のポアソン比をνと規定する。
3, dimensions are defined in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the
The thickness (length in the z-axis direction) of the
The width (length in the z-axis direction) of the
The thickness of the
The Young's modulus of the beam 10 (H-shaped steel;
本実施形態の評価方法では、梁10にせん断力F1が作用して座屈したときの、梁10の第1座屈応力度(座屈応力度)を推定する。評価方法では、梁10の第1座屈応力度を推定する際に、以下の1から6の仮定を行っている。
1.ウェブ11の厚さは薄く、ウェブ11の厚さはウェブ11のx軸方向の長さ及びy軸方向の長さに比べて短い。
2.ウェブ11のたわみ(座屈による面外変位)は小さく、ウェブ11の厚さよりも小さい。
3.ウェブ11の厚さ方向の中央面は、ウェブ11の曲げによって伸縮することなく、中立面を保つ。
4.梁10の断面では、曲げに対して平面保持の仮定が成立する。
5.梁10の材料は、均質であり、等方性を有する。
6.梁10に外力が作用したときの変位は、フックの法則に従う。
In the evaluation method of this embodiment, a first buckling stress (buckling stress) of the
1. The thickness of the
2. The deflection of the web 11 (out-of-plane displacement due to buckling) is small, less than the thickness of the
3. The central plane of the
4. The cross section of the
5. The material of the
6. When an external force acts on
図2に示すように、梁10にせん断力F1が作用すると、梁10のウェブ11等がx軸方向に波状に変位する場合がある。x軸方向に波状に変位したウェブ11における、y軸の座標がある値であったとき、x軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位がsin(π(x+λsin(πy/bw))/a)の式で表されると仮定する。このとき、ウェブ11のx軸方向に波状に変位したウェブ11のx軸方向の波長は、2aになる。ウェブ11のx軸方向の半波長(波長の半分の長さ)は、aになる。
図4は、梁10のx軸方向の長さが半波長aである部分の梁10の全領域における面外変位Wwを示す図である。
As shown in Figure 2, when a shear force F1 acts on the
FIG. 4 is a diagram showing the out-of-plane displacement Ww in the entire region of the
図5に、梁10にせん断力F1が作用したときの状態を実線で示す。図5中に点線で示すのは、梁10にせん断力F1が作用していないときの状態である。
In Figure 5, the solid line shows the state when shear force F1 acts on
ウェブ11にせん断力F1が作用している場合、従来はフーリエ級数を用いてウェブ11の面外変位を推定していた。
発明者らは、三角関数を用いつつも、フーリエ級数よりも少ない項数で、x軸の座標がある値であったとき、y軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位(第1面外変位)wwを推定できる関数を複数検討した。なお、面外変位wwは、y軸の座標の関数であり、x軸の座標の関数ではない(x軸上のある座標における関数である)。
その結果、梁10にせん断力F1が作用する場合、x軸の座標がある値であったとき、y軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位wwは(40)式により、フーリエ級数よりも少ない項数で推定されることを見出した。ただし、Nは2以上の自然数であり、a0,an,bnは未定係数である。
(40)式は、y軸の座標の累乗関数を用いた三角関数による項を含む。cosπ(2y/bw)n及びcos(π/2)(2y/bw)nは、基底となる。(40)式は、ウェブ11等の板要素の面外変位の推定に好ましく用いることができる。
When a shear force F1 acts on the
The inventors have investigated a number of functions that can estimate the out-of-plane displacement (first out-of-plane displacement) w of the
As a result, it was found that when a shear force F1 acts on the
Equation (40) includes terms based on trigonometric functions using power functions of the y-axis coordinate. cosπ(2y/ bw ) n and cos(π/2)(2y/ bw ) n are the basis. Equation (40) can be preferably used to estimate the out-of-plane displacement of a plate element such as the
一方で、x軸の座標が任意の値であったとき、y軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位(第2面外変位)Wwは、(41)式により推定される。(41)式は、前述のように、ウェブ11における、y軸の座標がある値であったとき、x軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位がsin(π(x+λsin(πy/bw))/a)の式で表される、という仮定に基づく。ただし、(41)式における未定係数λは、y軸方向の位相のずれを表す実数である。
なお、図2の面外変位Wwは、図4の面外変位Wwをx軸方向に繰り返したものである。図2のウェブ11の面外変位Wwを推定することと図4のウェブ11の面外変位Wwを推定することは同義であることから、前記(41)式は図4の面外変位Wwを推定したものである。面外変位Wwは、y軸の座標及びx軸の座標それぞれの関数であり、ウェブ11の第1座屈応力度を推定する際に用いられる。
なお、(41)式に(40)式を代入すると、(42)式が得られる。(42)式においてNが2である場合には、(43)式のように変形できる。
On the other hand, when the x-axis coordinate is an arbitrary value, the out-of-plane displacement (second out-of-plane displacement) Ww of the
The out-of-plane displacement Ww in Fig. 2 is obtained by repeating the out-of-plane displacement Ww in Fig. 4 in the x-axis direction. Since estimating the out-of-plane displacement Ww of the
By substituting equation (40) into equation (41), equation (42) is obtained. When N is 2 in equation (42), it can be transformed into equation (43).
また、前記仮定から、第1フランジ12のz軸の所定の座標における面外変位Wf1は(44)式により推定され、第2フランジ13のz軸の所定の座標における面外変位Wf2は(45)式により推定される。
(44)式及び(45)式は、y軸の座標の累乗関数を用いた三角関数による項を含む。
Furthermore, from the above assumptions, the out-of-plane displacement Wf1 of the
Equations (44) and (45) include terms based on trigonometric functions using power functions of the y-axis coordinate.
例えば、図4の梁10にせん断力F1が作用する前における、ウェブ11においてx軸の座標がx0、y軸の座標がy0の部分(以下、第1推定対象部分と言う)のz軸の座標は0である。この第1推定対象部分における面外変位Wwは、(42-1)式により推定される。図4の梁10にせん断力F1が作用した後における第1推定対象部分のz軸の座標は、0に(42-1)式により推定した面外変位Wwを足した値となる。すなわち、せん断力F1が作用した後では、第1推定対象部分は、x軸の座標がx0、y軸の座標がy0、z軸の座標がWwとなる位置に配置されていると推定される。
例えば、図4の梁10にせん断力F1が作用する前における、第2フランジ13においてx軸の座標がx0、z軸の座標がz0の部分(以下、第2推定対象部分と言う)のy軸の座標はbw/2である。この第2推定対象部分における面外変位Wf2は、(45-1)式により推定される。図4の梁10にせん断力F1が作用した後における第2推定対象部分のz軸の座標は、bw/2に(45-1)式により推定した面外変位Wf2を足した値となる。すなわち、せん断力F1が作用した後では、第2推定対象部分は、x軸の座標がx0、y軸の座標が(bw+Wf2)、z軸の座標がz0となる位置に配置されていると推定される。
For example, before the shear force F1 acts on the
For example, before the shear force F1 acts on the
評価方法では、梁10にせん断力F1が作用する場合において、ウェブ11の面外変位Wwを(42)式により推定し、第1フランジ12の面外変位Wf1を(44)式により推定し、第2フランジ13の面外変位Wf2を(45)式により推定する。
ここで、エネルギー法に基づいて、座屈変形によりウェブ11内で生じる歪エネルギーUwは(47)式のように表され、フランジ12,13の歪エネルギーUfは(48)式のように表される。
In the evaluation method, when a shear force F1 acts on the
Here, based on the energy method, the strain energy Uw generated in the
ただし、ウェブ11の板剛性Dwは(49)式のように表される。フランジ12,13の板剛性Dfは(50)式のように表される。梁10の第1座屈応力度を、τcrとする。
関数δwは、座屈が発生した時のウェブ11のx軸方向の変形を表現した関数であり、第2フランジ13の中心に対する第1フランジ12の中心に生じるx軸方向変位をδとして(51)式のように表される。
Here, the plate stiffness Dw of the
The function δw is a function that expresses the deformation of the
また、ウェブ11の外力ポテンシャルエネルギーVwは(58)式のように表され、フランジ12,13の外力ポテンシャルエネルギーVfは(59)式のように表される。
The external force potential energy Vw of the
梁10の全ポテンシャルエネルギーΠは、ひずみエネルギー及び外力ポテンシャルエネルギーの和として、(60)式のように表される。
The total potential energy Π of the
評価方法では、梁10の第1座屈応力度τcrを、ウェブ11の面外変位Ww及びフランジ12,13の面外変位Wf1、Wf2からエネルギー法に基づいて求める。すなわち、評価方法では、(61)式から(63)式を用いて、(64)式による第1座屈応力度τcrに最小の正の値を与える実数であるan,bn,λ及び半波長aに基づいて、第1座屈応力度τcrを求める。
なお、(61)式から(64)式が、梁10にせん断力F1が作用したときの弾性局部座屈耐力式である。
In the evaluation method, the first buckling stress τ cr of the
Equations (61) to (64) are the elastic local buckling strength equations when a shear force F1 acts on the
具体的には、半波長a及び未定係数λを定数として扱った状態で、前記全ポテンシャルエネルギーΠを未定係数an,bnで偏微分した関数が0に等しいことを表す方程式を連立させて、実数であるan,bnを求める。連立方程式の解となるan,bnの組が複数ある場合には、an,bnの複数の組のうち、(64)式による第1座屈応力度τcrに最小の正の値を与えるan,bnの組に基づいて(an,bnの組を(64)式に代入して)第1座屈応力度τcrを求める。次に、半波長a及び未定係数λを変数として扱い、前記an,bnの組が求められた全ポテンシャルエネルギーΠを半波長a、未定係数λで偏微分した関数が0に等しいことを表す方程式から、半波長a及び未定係数λを求める。以上のように求められた前記an,bnの組及び半波長a及び未定係数λに基づいて求められた第1座屈応力度τcrが、求める第1座屈応力度τcrとなる。
連立方程式の解となる未定係数an,bnの組が1つのみの場合には、an,bnの組が(64)式による第1座屈応力度τcrに最小の正の値を与える場合に、an,bnの組に基づいて第1座屈応力度τcrを求める。次に、半波長a及び未定係数λを変数として扱い、前述のように第1座屈応力度τcrを求める。
第1座屈応力度τcrは、梁10にせん断力が作用して座屈するときの連成座屈を考慮した指標である。
Specifically, while treating the half wavelength a and the undetermined coefficient λ as constants, simultaneous equations are set up that express that the function obtained by partially differentiating the total potential energy Π with the undetermined coefficients an and bn is equal to 0, and real numbers an and bn are obtained. When there are multiple sets of an and bn that are solutions to the simultaneous equations, the first buckling stress τ cr is obtained based on the set of an and bn that gives the smallest positive value to the first buckling stress τ cr according to equation (64) among the multiple sets of an and bn (by substituting the set of an and bn into equation (64)). Next, treating the half wavelength a and the undetermined coefficient λ as variables, the half wavelength a and the undetermined coefficient λ are obtained from the equation that expresses that the function obtained by partially differentiating the total potential energy Π obtained by the set of an and bn with the half wavelength a and the undetermined coefficient λ is equal to 0. The first buckling stress τ cr obtained based on the set of a n and b n obtained as described above, the half wavelength a, and the undetermined coefficient λ becomes the desired first buckling stress τ cr .
When there is only one set of undetermined coefficients a n , b n that is a solution to the simultaneous equations, the first buckling stress τ cr is found based on the set of a n , b n if the set of a n , b n gives the first buckling stress τ cr according to equation (64) a minimum positive value. Next, the half wavelength a and the undetermined coefficient λ are treated as variables, and the first buckling stress τ cr is found as described above.
The first buckling stress intensity τ cr is an index that takes into consideration coupled buckling when a shear force acts on the
〔3.梁に等曲げモーメントが作用する場合の第2座屈応力度〕
次に、梁10に等曲げモーメントが作用する場合の第2座屈応力度の求め方(評価方法)について、梁10にせん断力が作用する場合の第1座屈応力度の求め方とは異なる点について説明する。この場合の評価方法では、図6に示すように、梁10の位置座標を、x軸、y軸、及びz軸で構成する右手系の直交座標系に基づいて認識する。
この場合、図6及び図7に示すように、第2フランジ13(一対のフランジのうちの一方)におけるy軸方向の中心の位置を、y軸の原点と規定する。y軸の原点から第1フランジ12(一対のフランジのうちの他方)に向かう向きを、y軸の正の向きと規定する。
[3. Second buckling stress when a uniform bending moment acts on a beam]
Next, a method for determining the second buckling stress (evaluation method) when a uniform bending moment acts on the
6 and 7, the center position of the second flange 13 (one of the pair of flanges) in the y-axis direction is defined as the origin of the y-axis. The direction from the origin of the y-axis toward the first flange 12 (the other of the pair of flanges) is defined as the positive direction of the y-axis.
図6に示すように、梁10のx軸方向の端面10aにそれぞれz軸回りの曲げモーメントF2が作用すると、梁10が座屈する場合がある。なお、曲げモーメントF2は、梁10のx軸方向の全長さにわたって伝達される。伝達された曲げモーメントF2は、梁10の中立軸を通りz軸に平行な軸線(以下、曲げモーメントF2の回転軸と言う)回りに作用する。
梁10のx軸方向の各端面10aに作用する曲げモーメントF2は、互い等しい大きさの外力である。互いに等しい大きさの一対の曲げモーメントF2が、等曲げモーメントを構成する。
この例では、第2フランジ13が曲げモーメントF2により引張力を受け、第1フランジ12が曲げモーメントF2により圧縮力を受け、梁10が下方に向かって凸となって曲がるように、梁10に曲げモーメントF2が作用している。
As shown in Fig. 6, when a bending moment F2 about the z-axis acts on each
The bending moments F2 acting on each
In this example, a bending moment F2 acts on the
この場合、ウェブ11のx軸方向の第1端(x軸方向の端面10aの一方)に向かうに従い、ウェブ11がz軸の正の向き及びz軸の負の向きに交互に変位して、ウェブ11が全体としてx軸方向に波状に変位する。ウェブ11に対応して、圧縮力を受ける第2フランジ13が波状に変位するが、引張力を受ける第2フランジ13はほとんど変位しない。
In this case, as the
本実施形態の評価方法では、梁10に等曲げモーメントが作用する場合の第2座屈応力度(座屈応力度)を推定する際に、前記1から6の仮定を行っている。
In the evaluation method of this embodiment, the
図6に示すように、梁10に曲げモーメントF2が作用すると、梁10のウェブ11等がx軸方向に波状に変位する場合がある。x軸方向に波状に変位したウェブ11における、y軸の座標がある値であったとき、x軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位がsin(πx/a)の式で表されると仮定する。このとき、ウェブ11のx軸方向に波状に変位したウェブ11のx軸方向の波長は、2aになる。ウェブ11のx軸方向の半波長(波長の半分の長さ)は、aになる。
図8は、梁10のx軸方向の長さが半波長aである部分の梁10の全領域における面外変位Wwを示す図である。
As shown in Fig. 6, when a bending moment F2 acts on the
FIG. 8 is a diagram showing the out-of-plane displacement Ww in the entire region of the
図9に、梁10に曲げモーメントF2が作用したときの状態を実線で示す。図9中に点線で示すのは、梁10に曲げモーメントF2が作用していないときの状態である。
In Figure 9, the solid line shows the state when bending moment F2 acts on
ウェブ11に曲げモーメントF2が作用している場合、従来はフーリエ級数を用いてウェブ11の面外変位を推定していた。
発明者らは、三角関数を用いつつも、フーリエ級数よりも少ない項数で、x軸の座標がある値であったとき、y軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位(第1面外変位)wwを推定できる関数を複数検討した。
その結果、梁10に曲げモーメントF2が作用する場合、x軸の座標がある値であったとき、y軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位wwは(80)式により、フーリエ級数よりも少ない項数で推定されることを見出した。ただし、Nは2以上の自然数であり、a0,an,bnは未定係数である。
(80)式は、y軸の座標の累乗関数を用いた三角関数による項を含む。cos(2πyn/bw
n)及びsin(πyn/bw
n)は、基底となる。(80)式は、ウェブ11等の板要素の面外変位の推定に好ましく用いることができる。
When the bending moment F2 acts on the
The inventors have considered a number of functions that can estimate the out-of-plane displacement (first out-of-plane displacement) w of the
As a result, it was found that when bending moment F2 acts on
Equation (80) includes terms based on trigonometric functions using power functions of the y-axis coordinate. cos ( 2πyn / bwn ) and sin( πyn / bwn ) are the basis. Equation (80) can be preferably used to estimate the out-of-plane displacement of a plate element such as the
一方で、x軸の座標が任意の値であったとき、y軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位(第2面外変位)Wwは、(81)式により推定される。(81)式は、前述のように、ウェブ11における、y軸の座標がある値であったとき、x軸のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ11の面外変位がsin(πx/a)の式で表される、という仮定に基づく。
なお、図6の面外変位Wwは、図8の面外変位Wwをx軸方向に繰り返したものである。面外変位Wwは、y軸の座標及びx軸の座標それぞれの関数であり、ウェブ11の第2座屈応力度を推定する際に用いられる。
なお、(81)式に(80)式を代入すると、(82)式が得られる。(82)式においてNが2である場合には、(83)式のように変形できる。
On the other hand, when the x-axis coordinate is an arbitrary value, the out-of-plane displacement (second out-of-plane displacement) Ww of the
The out-of-plane displacement Ww in Fig. 6 is obtained by repeating the out-of-plane displacement Ww in Fig. 8 in the x-axis direction. The out-of-plane displacement Ww is a function of the y-axis coordinate and the x-axis coordinate, and is used when estimating the second buckling stress of the
By substituting equation (80) into equation (81), equation (82) is obtained. When N is 2 in equation (82), it can be transformed into equation (83).
また、前記仮定から、第1フランジ12のz軸の所定の座標における面外変位Wf1は(84)式により推定され、第2フランジ13のz軸の所定の座標における面外変位Wf2は(85)式により推定される。
(84)式及び(85)式は、y軸の座標の累乗関数を用いた三角関数による項を含む。
Furthermore, from the above assumptions, the out-of-plane displacement Wf1 of the
Equations (84) and (85) include terms based on trigonometric functions using power functions of the y-axis coordinate.
評価方法では、梁10に等曲げモーメントが作用する場合において、ウェブ11の面外変位Wwを(82)式により推定し、第1フランジ12の面外変位Wf1を(84)式により推定し、第2フランジ13の面外変位Wf2を(85)式により推定する。
ここで、エネルギー法に基づいて、座屈変形によりウェブ11内で生じる歪エネルギーUwは(87)式のように表され、フランジ12,13の歪エネルギーUfは(88)式のように表される。
In the evaluation method, when a uniform bending moment acts on the
Here, based on the energy method, the strain energy Uw generated in the
ただし、ウェブ11の板剛性Dwは(89)式のように表される。フランジ12,13の板剛性Dfは(90)式のように表される。曲げモーメントF2が作用するウェブ11の応力関数σwは、梁10の第2座屈応力度をσcrとして(91)式のように表される。ただし、応力関数σwは圧縮を正とする。
関数δwは、座屈が発生した時のウェブ11のy軸のある座標におけるx軸方向の変位であり、第2フランジ13の中心に生じるx軸方向変位をδとして(92)式のように表される。
Here, the plate stiffness Dw of the
The function δw is the displacement in the x-axis direction at a certain coordinate of the y-axis of the
応力関数σf1,σf2は、曲げモーメントF2が作用するフランジ12,13それぞれの応力関数である。応力関数σf1は-σcrに等しく、応力関数σf2はσcrに等しい。ただし、応力関数σf1,σf2は圧縮を正とする。
関数δf1,δf2は、座屈が発生した時のフランジ12,13のx軸方向の変位を表現した関数である。関数δf1は-δに等しく、関数δf2はδに等しい。
The stress functions σ f1 and σ f2 are the stress functions of the
The functions δ f1 and δ f2 are functions that express the displacement in the x-axis direction of the
また、ウェブ11の外力ポテンシャルエネルギーVwは(98)式のように表され、フランジ12,13の外力ポテンシャルエネルギーVfは(99)式のように表される。
The external force potential energy Vw of the
梁10の全ポテンシャルエネルギーΠは、ひずみエネルギー及び外力ポテンシャルエネルギーの和として、(100)式のように表される。
The total potential energy Π of the
評価方法では、梁10の第2座屈応力度σcrを、ウェブ11の面外変位Ww及びフランジ12,13の面外変位Wf1、Wf2からエネルギー法に基づいて求める。すなわち、評価方法では、(101)式から(104)式を用いて、(105)式による第2座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数であるan,bn及び半波長aに基づいて、第2座屈応力度σcrを求める。
なお、(101)式から(104)式が、梁10に曲げモーメントF2が作用したときの弾性局部座屈耐力式である。
In the evaluation method, the second buckling stress σ cr of the
It should be noted that equations (101) to (104) are equations for the elastic local buckling strength when a bending moment F2 acts on the
具体的には、半波長aを定数として扱った状態で、前記全ポテンシャルエネルギーΠを未定係数an,bnで偏微分した関数が0に等しいことを表す方程式を連立させて、実数であるan,bnを求める。連立方程式の解となるan,bnの組が複数ある場合には、an,bnの複数の組のうち、(105)式による第2座屈応力度σcrに最小の正の値を与えるan,bnの組に基づいて(an,bnの組を(105)式に代入して)第2座屈応力度σcrを求める。次に、半波長aを変数として扱い、前記an,bnの組が求められた全ポテンシャルエネルギーΠを半波長aで偏微分した関数が0に等しいことを表す方程式から、半波長aを求める。以上のように求められた前記an,bnの組及び半波長aに基づいて求められた第2座屈応力度σcrが、求める第2座屈応力度σcrとなる。
連立方程式の解となる未定係数an,bnの組が1つのみの場合には、an,bnの組が(105)式による第2座屈応力度σcrに最小の正の値を与える場合に、an,bnの組に基づいて第2座屈応力度σcrを求める。次に、半波長aを変数として扱い、前述のように第2座屈応力度σcrを求める。
第2座屈応力度σcrは、梁10に等曲げモーメントが作用して座屈するときの連成座屈を考慮した指標である。
Specifically, with the half wavelength a treated as a constant, a simultaneous equation is set up that expresses that the function obtained by partially differentiating the total potential energy Π with undetermined coefficients a n and b n is equal to 0, and real numbers a n and b n are obtained. If there are multiple sets of a n and b n that are solutions to the simultaneous equations, the second buckling stress intensity σ cr is obtained based on the set of a n and b n that gives the smallest positive value to the second buckling stress intensity σ cr according to equation (105) among the multiple sets of a n and b n (by substituting the set of a n and b n into equation (105)). Next, the half wavelength a is treated as a variable, and the half wavelength a is obtained from the equation that expresses that the function obtained by partially differentiating the total potential energy Π obtained by the set of a n and b n with the half wavelength a is equal to 0. The second buckling stress intensity σ cr obtained based on the set of a n and b n and the half wavelength a obtained as described above becomes the desired second buckling stress intensity σ cr .
When there is only one set of undetermined coefficients a n , b n that is a solution to the simultaneous equations, the second buckling stress σ cr is found based on the set of a n , b n if the set of a n , b n gives the second buckling stress σ cr according to equation (105) a minimum positive value. Next, the half wavelength a is treated as a variable and the second buckling stress σ cr is found as described above.
The second buckling stress intensity σ cr is an index taking into consideration coupled buckling when a uniform bending moment acts on the
〔4.連成座屈を考慮した幅厚比区分〕
図10に前記告示にもとづいた、梁の幅厚比区分を示す。図10において、横軸は、((H-2tf)/tw)で規定されるウェブの幅厚比を表し、縦軸は(W/(2tf))で規定されるフランジの幅厚比を表す。ウェブの幅厚比は右側に向かうほど大きくなり、フランジの幅厚比は上側に向かうほど大きくなる。告示にもとづく梁の耐震性能としては、FA,FB,FC,FDの4つの種別(等級)がある。これらの耐震性能の種別は、図10に示すグラフ上にそれぞれ領域として表示される。原点Oに近い領域から、種別がFA,FB,FC,FDとなる。
FA,FBの種別のH形鋼は、塑性化しても、地震外力に対して抵抗して、充分にエネルギー吸収できるH形鋼を意味する。FCの種別のH形鋼は、断面が全塑性状態になるまでは、局部座屈が発生しないH形鋼を意味する。FDの種別のH形鋼は、弾性座屈するH形鋼を意味する。
[4. Width-thickness ratio classification considering coupled buckling]
Figure 10 shows the width-thickness ratio classification of beams based on the notification. In Figure 10, the horizontal axis represents the width-thickness ratio of the web defined by ((H- 2tf )/ tw ), and the vertical axis represents the width-thickness ratio of the flange defined by (W/( 2tf )). The width-thickness ratio of the web increases toward the right, and the width-thickness ratio of the flange increases toward the top. There are four types (classes) of earthquake resistance performance of beams based on the notification: FA, FB, FC, and FD. These earthquake resistance performance types are displayed as areas on the graph shown in Figure 10. From the area close to the origin O, the types are FA, FB, FC, and FD.
FA and FB types of H-shaped steel are H-shaped steel that can resist earthquake external forces and fully absorb energy even after plasticization. FC type of H-shaped steel is H-shaped steel that does not experience local buckling until the cross section is in a fully plastic state. FD type of H-shaped steel is H-shaped steel that elastically buckles.
例えば、FA~FCの種別を区画するウェブの幅厚比が一定の値の線L1~L3は、梁10を構成するウェブ11のみの弾性座屈耐力に基づいて定められる。すなわち、梁10が備えるフランジ12,13の影響は考慮されずに、線L1~L3が定められる。
具体的には、図11に示すように、ウェブ11からフランジ12,13を取外し、ウェブ11におけるフランジ12,13が接合されていた部分を、単純支持する。このウェブ11に、せん断力F1が作用したときのウェブ11の弾性座屈耐力に基づいて、線L1~L3が定められる。このため、フランジの幅厚比が変化しても、ウェブの幅厚比は変化せず、ウェブ11のFA~FCの種別はフランジの幅厚比から独立に評価される。
For example, lines L1 to L3 at which the web width-thickness ratios that divide the types FA to FC are constant are determined based on the elastic buckling strength of only the
Specifically, as shown in Fig. 11, the
FAの種別は、フランジ12,13については不等式である(120)式で規定され、ウェブ11については不等式である(121)式で規定される。FBの種別は、フランジ12,13については不等式である(122)式で規定され、ウェブ11については不等式である(123)式で規定される。FCの種別は、フランジ12,13については不等式である(124)式で規定され、ウェブ11については不等式である(125)式で規定される。
The type of FA is determined by the inequality (120) for the
ただし、Fは梁10の基準強度である。ここで、基準強度とは、平成12年建設省告示第2464号に規定されている鋼材の強度である。
すなわち、(120)式及び(121)式によって、梁10のFAの種別のH形鋼が与えられる。(122)式及び(123)式によって、梁10のFBの種別のH形鋼が与えられる。(124)式及び(125)式によって、梁10のFCの種別のH形鋼が与えられる。いずれの種別にも該当しない梁10のH形鋼が、FDの種別を与えられる。
Here, F is the standard strength of the
That is, the formulas (120) and (121) give the H-shaped steel of the
これに対して、本実施形態で提案する連成座屈を考慮した梁の幅厚比区分(以下、新幅厚比区分と言う)を、図12から図15を用いて説明する。なお、図13から図15中の曲線L4、L6、L8の形状が(H-tf)/Wの値に応じて変化するため、これらの図は(H-tf)/Wが一定のH形鋼に対する一例を示している。
図12に示すように、新幅厚比区分では、縦軸は図10の縦軸と同じ値を、横軸は((H-tf)/tw)で規定されたウェブの幅厚比を用いて表す。ここで、上述のとおり曲線L4、L6、L8の形状が(H-tf)/Wの値に応じて変化するため、(H-2tf)ではなく(H-tf)を指標として横軸を読み替えることとした。
なお、((H-tf)/tw)の値は、(bw/tw)の値に等しい。
図12は、図10に対して、横軸のウェブの幅厚比の規定が少し異なるが、図12中の各実線は図10中の各実線を規定する際に用いられる(120)式から(125)式にもとづいて規定されるため、実際のH形鋼の断面形状は同一となっている。
In contrast, the width-thickness ratio classification of a beam that takes into account coupled buckling proposed in this embodiment (hereinafter referred to as new width-thickness ratio classification) will be explained using Figures 12 to 15. Note that since the shapes of the curves L4, L6, and L8 in Figures 13 to 15 change depending on the value of (H- tf )/W, these figures show an example for an H-shaped steel with a constant (H- tf )/W.
As shown in Fig. 12, in the new width-thickness ratio classification, the vertical axis represents the same values as the vertical axis in Fig. 10, and the horizontal axis represents the width-thickness ratio of the web defined by ((H- tf )/ tw ). Here, since the shapes of the curves L4, L6, and L8 change depending on the value of (H- tf )/W as described above, the horizontal axis is interpreted using (H - tf ) as an index instead of (H-2tf).
It should be noted that the value of ((Ht f )/t w ) is equal to the value of (b w /t w ).
In FIG. 12, the definition of the width-thickness ratio of the web on the horizontal axis is slightly different from that in FIG. 10. However, since each solid line in FIG. 12 is defined based on the formulas (120) to (125) used in defining each solid line in FIG. 10, the cross-sectional shape of the actual H-shaped steel is the same.
本実施形態の評価方法では、梁10の耐震性能における種別を評価するにあたって、梁10が有するウェブ11及び一対のフランジ12,13の連成座屈を考慮して、梁10の種別を評価する。評価方法では、第1座屈応力度τcr及び第2座屈応力度σcrを指標として、梁10の種別を評価する。
新幅厚比区分を、FA,FBの種別と、FCの種別とに、分けて説明する。FA,FBの種別については、FAの種別を中心に説明する。
In the evaluation method of the present embodiment, when evaluating the type of the seismic performance of the
The new width-thickness ratio classification will be explained separately for the FA and FB types and the FC type. Regarding the FA and FB types, the FA type will be mainly explained.
まず、FAの種別を説明する。
図13は、図12中からFAの種別を抜粋した図である。以下での説明において、梁10を構成するH形鋼のせいH及びフランジ12,13の幅Wを、それぞれ既知の値とする。
ここで、(120)式及び(121)式の等号成立時には、(120-1)式及び(121-1)式が得られる。
First, the types of FA will be described.
Fig. 13 is a diagram in which the types of FA are extracted from Fig. 12. In the following description, the depth H of the H-shaped steel constituting the
When the equality between equations (120) and (121) holds, equations (120-1) and (121-1) are obtained.
ここで、幾つかの規定を行う。梁10の現行のFAの種別のH形鋼において、(120-1)式及び(121-1)式を満たす時の、梁10における一対のフランジ12,13およびウェブ11の幅厚比の条件を、基準条件と規定する。図13中に、基準条件PFAを示す。
基準条件PFAでのH形鋼の第2座屈応力度σcrを、現行のFAの種別における第2基準座屈応力度と規定する。
基準強度Fに対する現行のFAの種別における第2基準座屈応力度の比を、現行のFAの種別における第2基準座屈応力度比と規定する。図13中の曲線L4は、第2座屈応力度σcrと基準強度Fの比が前記第2基準座屈応力度比と同じ値となるH形鋼に対応する図13中の点をつないだ曲線である。なお、第2座屈応力度σcrを算出する際のフランジ12,13の板厚中心間距離bw、とフランジ12,13の幅Wの比である(bw/W)の値は、第2基準座屈応力度を算出するH形鋼における(bw/W)の値と等しいとする。
Here, some rules will be set. In the H-shaped steel of the current FA type of the
The second buckling stress σ cr of the H-shaped steel under the reference condition P FA is defined as the second reference buckling stress in the current FA type.
The ratio of the second reference buckling stress in the current FA type to the reference strength F is defined as the second reference buckling stress ratio in the current FA type. Curve L4 in Fig. 13 is a curve connecting points in Fig. 13 corresponding to H-shaped steels in which the ratio of the second buckling stress σ cr to the reference strength F is the same as the second reference buckling stress ratio. Note that the value of (b w /W), which is the ratio of the plate thickness center distance b w of the
このとき、基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が、現行のFAの種別における第2基準座屈応力度比以上であり、かつ(120)式を満足する梁10(以下では、FA種別の拡張領域に属する梁10、とも言う)を、現行のFAの種別における梁10として評価する。言い換えれば、第2座屈応力度σcrが第2基準座屈応力度以上であり、かつ(120)式を満足する梁10を、FAの種別における梁10として評価する。
基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が、現行のFAの種別における第2基準座屈応力度比以上であることは、H形鋼の第2座屈応力度σcrが基準条件PFAでのH形鋼の第2座屈応力度σcr以上であることを意味する。(120)式を満足することは、線L5上か線L5よりも原点Oに近い領域に、梁10の各幅厚比が該当することを意味する。このため、前記条件を満足する梁10は、図13中にハッチングで示した領域RFAに各幅厚比が該当する梁10のことを意味する。
At this time, the beam 10 (hereinafter also referred to as the
The ratio of the second buckling stress σ cr to the reference strength F being equal to or greater than the second reference buckling stress ratio in the current FA type means that the second buckling stress σ cr of the H-shaped steel is equal to or greater than the second buckling stress σ cr of the H-shaped steel under the reference condition P FA . Satisfying formula (120) means that each width-thickness ratio of the
なお、横軸方向に原点Oから離れた領域は、フランジ12,13が厚く、ウェブ11が薄い領域であり、そのようなH形鋼は、重量に対する断面性能が優れている。一方、線L5よりも原点Oから離れた領域は、フランジ12,13が薄くて、ウェブ11が厚い領域であり、そのようなH形鋼は、重量に対する断面性能が悪い。
In the region away from the origin O in the horizontal direction, the
次に、FBの種別について、FAの種別とは異なる点を説明する。
図14は、図12中からFBの種別を抜粋した図である。
(122)式及び(123)式の等号成立時には、(122-1)式及び(123-1)式が得られる。
Next, the FB type will be described in terms of differences from the FA type.
FIG. 14 is a diagram showing the types of FBs extracted from FIG.
When the equality between equations (122) and (123) holds, equations (122-1) and (123-1) are obtained.
ここで、幾つかの規定を行う。梁10の現行のFBの種別のH形鋼において、(122-1)式及び(123-1)式を満たす時の、梁10における一対のフランジ12,13およびウェブ11の幅厚比の条件を、基準条件と規定する。図14中に、基準条件PFBを示す。
基準条件PFBでのH形鋼の第2座屈応力度σcrを、現行のFBの種別における第2基準座屈応力度と規定する。
基準強度Fに対する現行のFBの種別における第2基準座屈応力度の比を、現行のFBの種別における第2基準座屈応力度比と規定する。図14中の曲線L6は、第2座屈応力度σcrと基準強度Fの比が前記第2基準座屈応力度比と同じ値となるH形鋼に対応する図14中の点をつないだ曲線である。なお、第2座屈応力度σcrを算出する際のフランジ12,13の板厚中心間距離bw、とフランジ12,13の幅Wの比であるbw/Wは、第2基準座屈応力度を算出するH形鋼の値と等しいとする。
Here, some rules will be set. In the H-shaped steel of the current FB type of the
The second buckling stress σ cr of the H-shaped steel under the reference condition P FB is defined as the second reference buckling stress in the current FB type.
The ratio of the second reference buckling stress in the current FB type to the reference strength F is defined as the second reference buckling stress ratio in the current FB type. Curve L6 in Fig. 14 is a curve connecting points in Fig. 14 corresponding to H-shaped steels in which the ratio of the second buckling stress σ cr to the reference strength F is the same as the second reference buckling stress ratio. Note that b w /W, which is the ratio of the plate thickness center distance b w of the
このとき、基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が、現行のFBの種別における第2基準座屈応力度比以上であり、かつ(122)式を満足する梁10(以下では、FB種別の拡張領域に属する梁10、とも言う)を、現行のFBの種別における梁10として評価する。言い換えれば、第2座屈応力度σcrが第2基準座屈応力度以上であり、かつ(122)式を満足する梁10を、現行のFBの種別における梁10として評価する。
(122)式を満足することは、線L7上か線L7よりも原点Oに近い領域に、梁10の各幅厚比が該当することを意味する。このため、前記条件を満足する梁10は、図14中にハッチングで示した領域RFBに各幅厚比が該当する梁10のことを意味する。
At this time, the beam 10 (hereinafter also referred to as the
Satisfying equation (122) means that each width-thickness ratio of the
次に、FCの種別について説明する。
図15は、図12中からFCの種別を抜粋した図である。
Next, the types of FC will be described.
FIG. 15 is a diagram showing FC types extracted from FIG.
H形鋼の降伏せん断強度を、F′と規定する。
このとき、降伏せん断強度F′に対する第1座屈応力度τcrの比が、(128)式を満足し、かつ(124)式を満足する梁10(以下では、FC種別の拡張領域に属する梁10、とも言う)を、現行のFCの種別における梁10として評価する。
The yield shear strength of the H-section steel is defined as F'.
In this case, a beam 10 (hereinafter also referred to as a
図15中の曲線L8は、(τcr/F′)が1.0の線である。曲線L8は、従来のFC種別の領域の図中右上の角よりも右側の(ウェブの幅厚比が大きい)領域を通る。
降伏せん断強度F′に対する第1座屈応力度τcrの比が(128)式を満足することは、第1座屈応力度τcrが降伏せん断強度F′以上であることを意味する。(128)式を満足することは、線L9上か線L9よりも原点Oに近い領域に、梁10の各幅厚比が該当することを意味する。このため、前記条件を満足する梁10は、図15中にハッチングで示した領域RFCに各幅厚比が該当する梁10のことを意味する。
15 is a line where (τ cr /F') is 1.0. Curve L8 passes through a region to the right of the upper right corner of the conventional FC type region (where the web width-thickness ratio is large) in the figure.
The ratio of the first buckling stress τ cr to the yield shear strength F' satisfies formula (128), which means that the first buckling stress τ cr is equal to or greater than the yield shear strength F'. Satisfying formula (128) means that each width-thickness ratio of the
以上説明したように、本実施形態の評価方法によれば、発明者らは、鋭意検討の結果、H形鋼では、ウェブ11及びフランジ12,13がそれぞれ独立して座屈するのではなく、相互に作用しながら連成座屈することを見出した。従って、梁10が有するウェブ11及びフランジ12,13の連成座屈を考慮した弾性局部座屈耐力式である(61)式から(64)式及び(101)式から(104)式を構築することによって梁10の種別を評価することにより、種別をより適切に評価することができる。
梁10にせん断力が作用するときには(61)式から(64)式を用いて第1座屈応力度τcrを求め、梁10に等曲げモーメントが作用するときには(101)式から(105)式を用いて第2座屈応力度σcrを求める。このため、梁10にせん断力が作用するときの第1座屈応力度τcr、及び梁10に等曲げモーメントが作用するときの第2座屈応力度σcrを、式を用いてそれぞれ正確に求めることができる。
As described above, according to the evaluation method of this embodiment, the inventors have found, as a result of intensive research, that in an H-shaped steel, the
When a shear force acts on the
基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が、FAの種別における第2基準座屈応力度比以上であり、かつ(120)式を満足する梁10を、FAの種別における梁10として評価する。種別がFAである梁10の場合に、ウェブ11及びフランジ12,13の連成座屈を考慮して、梁10の耐震性能を評価する。これにより、耐震性能がFAの種別と評価され得る梁10の断面形状を、基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が第2基準座屈応力度比以上であって、(120)式を満足する梁10に、広げることができる。従って、例えば、現行の評価方法におけるFAの種別よりもウェブ11の幅厚比が大きい梁10を、FAの種別の耐震性能を有する梁10として評価することができる。
A
基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が、FBの種別における第2基準座屈応力度比以上であり、かつ(122)式を満足する梁10を、FBの種別における梁10として評価する。種別がFBである梁10の場合に、ウェブ11及びフランジ12,13の連成座屈を考慮して、梁10の耐震性能を評価する。これにより、耐震性能がFBの種別と評価され得る梁10の断面形状を、基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比が第2基準座屈応力度比以上であって、(122)式を満足する梁10に、広げることができる。従って、例えば、現行の評価方法におけるFBの種別よりもウェブ11の幅厚比が大きい梁10を、FBの種別の耐震性能を有する梁10として評価することができる。
A
降伏せん断強度F′に対する第1座屈応力度τcrの比が、(128)式を満足し、かつ(124)式を満足する梁10を、FCの種別における梁10として評価する。種別がFCである梁10の場合に、ウェブ11及びフランジ12,13の連成座屈を考慮して、梁の耐震性能を評価する。これにより、耐震性能がFCの種別と評価され得る梁10の断面形状を、降伏せん断強度F′に対する第1座屈応力度τcrの比が(128)式を満足し、(124)式を満足する梁10に、広げることができる。従って、例えば、現行の評価方法におけるFCの種別よりもウェブの幅厚比が大きい梁10を、FCの種別の耐震性能を有する梁10として評価することができる。
A
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態の評価方法では、第1座屈応力度τcr及び第2座屈応力度σcrを指標として梁10の種別を評価しなくてもよい。
第1座屈応力度τcr及び第2座屈応力度σcrを求める際に、ウェブ11における面外変位Ww及びフランジ12,13における面外変位Wf1、Wf2からエネルギー法に基づいて求めなくてもよい。
第1座屈応力度τcrを求める際に(61)式から(64)式を用いなくてもよいし、第2座屈応力度σcrを求める際に(101)式から(105)式を用いなくてもよい。
例えば、梁10をFAあるいはFBの種別における梁と判定する際に、基準強度Fに対する第2座屈応力度σcrの比と大小関係を比較する第2基準座屈応力度比は、第2基準座屈応力度比に係数α(>1.0)を掛け合わせた値としてもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described in detail above with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and changes, combinations, deletions, etc. of the configuration are also included within the scope that does not deviate from the gist of the present invention.
For example, in the evaluation method of the above embodiment, it is not necessary to evaluate the type of the
When determining the first buckling stress intensity τ cr and the second buckling stress intensity σ cr , it is not necessary to determine them from the out-of-plane displacement W w of the
It is not necessary to use the equations (61) to (64) when calculating the first buckling stress intensity τ cr , and it is not necessary to use the equations (101) to (105) when calculating the second buckling stress intensity σ cr .
For example, when determining that the
(実施例)
以下では、本発明の実施例を具体的に示してより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
図16及び図17に示すFEMの解析モデルを用いて、FEM解析を行った。
梁10の長手方向の第1端部は、柱等の支持部材15Aに固定されている。梁10は、水平面に沿う方向に延び、片持梁形式で支持される。梁10の長手方向の第2端部(自由端)には、下方に向かって強制変位F4を与える。
(Example)
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail by showing specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.
An FEM analysis was performed using the FEM analysis models shown in FIGS.
A first end of the
なお、解析条件は、以下のようである。
(1)解析モデルは、シェル要素でモデル化した。
(2)応力ひずみ関係は、引張強さを490MPaに固定した。基準強度Fを、基準強度1(357.5MPa)、基準強度2(380MPa)の2通りで設定した。そして、応力ひずみ関係を、マルチリニア型でモデル化した。
(3)梁10の長手方向の長さL11は、フランジの板厚中心間距離bwの4倍とした。
(4)面外変形量の最大値が(bw/2000)となるように、初期不整として、座屈固有値解析の1次モードを与えた。
The analysis conditions are as follows:
(1) The analytical model was modeled using shell elements.
(2) The stress-strain relationship was modeled as a multi-linear model with a fixed tensile strength of 490 MPa. The reference strength F was set to two values: reference strength 1 (357.5 MPa) and reference strength 2 (380 MPa).
(3) The longitudinal length L11 of the
(4) The first mode of buckling eigenvalue analysis was given as an initial imperfection so that the maximum out-of-plane deformation amount was (b w /2000).
以下では、(bw/W)の値が同一の物に対して、基準条件の梁10、及び拡張領域に属する梁10の比較を行った。今回は、より分かりやすくするため、板厚中心間距離bw、フランジの幅Wのそれぞれも、互いに同一の値になるように設定した。
また、FA,FBの種別を評価するにあたり、性能の優劣を決める指標ηを用いた。指標ηは、解析モデルの荷重変形関係において、全塑性モーメントを保持できる塑性変形倍率として定義した。
なお、塑性変形倍率は、全塑性モーメントを保持できる塑性変形角を、θpで割った値として規定される。θpは、全塑性モーメントMpに対応する弾性回転角である。
まず、FA種別の拡張領域に属する梁10を試算して評価した結果を、表1及び表2に示す。表1は基準強度1の場合の結果であり、表2は基準強度2の場合の結果である。
In the following, a comparison was made between the
In addition, in order to evaluate the FA and FB types, an index η was used to determine the superiority or inferiority of performance. The index η was defined as the plastic deformation ratio at which the full plastic moment can be maintained in the load-deformation relationship of the analysis model.
The plastic deformation ratio is defined as the plastic deformation angle at which the full plastic moment can be maintained divided by θp , where θp is the elastic rotation angle corresponding to the full plastic moment Mp .
First, the results of trial calculations and evaluations of the
例えば表1のケース1の梁10は、図13に示すように、現行のFAの種別における基準条件PFAでのH形鋼である。ケース1の梁10に対して、(bw/W)の値が同一のケース2の梁10は、現行の告示による評価方法では、それぞれFBの種別になる。
本実施形態の評価方法では、(101)式から(104)式を用いて第2座屈応力度σcrを求める。そして、降伏強度σyに対する第2座屈応力度σcrの比が、FAの種別における第2基準座屈応力度比以上であり、かつ(120)式を満足するか否かを評価する。
For example, the
In the evaluation method of this embodiment, the second buckling stress σ cr is calculated using equations (101) to (104). Then, it is evaluated whether the ratio of the second buckling stress σ cr to the yield strength σ y is equal to or greater than the second reference buckling stress ratio in the FA type and satisfies equation (120).
表1では、ケース2の指標ηが、(bw/W)の値が同一の基準条件PFAのH形鋼の指標η(ケース1の指標η)以上であれば、本実施形態の評価方法を行った結果、ケース2の梁10が現行の評価方法におけるFAの種別の耐震性能を有する梁10として評価できる。表1から分かるように、現行の評価方法におけるFBの種別であるケース2の梁10は、現行の評価方法におけるFAの種別の耐震性能を有する梁として評価することができる。
ケース2の梁10では、従来、塑性化しても、地震外力に対して抵抗して、充分にエネルギー吸収できるH形鋼ではあるが、その中でも下位のFBの種別であると評価されていた梁を、その中でも上位のFAの種別である梁として評価することができる。
In Table 1, if the index η of Case 2 is equal to or greater than the index η of the H-shaped steel of the same standard condition P FA (index η of Case 1) with the (b w /W) value, then as a result of carrying out the evaluation method of this embodiment, the
In the case of
ケース4,5,7,9,11,13,14,15,17,18,20,22,24,26の梁10も同様に、現行の評価方法におけるFAの種別の耐震性能を有する梁として評価することができる。
例えば、ケース4の梁10では、従来、弾性座屈するH形鋼であるFDの種別であると評価されていた梁を、塑性化しても、地震外力に対して抵抗して、充分にエネルギー吸収できるH形鋼であるFAの種別である梁として評価することができる。これにより、ケース4の梁10が本来有している耐震性能を、告示よりも格段に引き出している。
The
For example, the
次に、FB種別の拡張領域に属する梁10を試算して評価した結果を、表3及び表4に示す。表3は基準強度1の場合の結果であり、表4は基準強度2の場合の結果である。
Next, the results of the calculation and evaluation of
この場合も、FA種別の拡張領域に属する梁10と同様に、ケース28,30,32,33,35,37,39,41,43,44,46,48の梁10を、現行の評価方法におけるFBの種別の耐震性能を有する梁として評価することができる。
In this case, like the
次に、FC種別の拡張領域に属する梁10を試算して評価した結果を、表5及び表6に示す。表5は基準強度1の場合の結果であり、表6は基準強度2の場合の結果である。
Next, the results of the calculation and evaluation of
本実施形態の評価方法では、(61)式から(64)式を用いて第1座屈応力度τcrを求め、降伏せん断強度F′に対する第1座屈応力度τcrの比が、(128)式を満足し、かつフランジ12,13の幅厚比が(124)式を満足するか否かを評価する。
表5及び表6に示すように、(128)式を満たして、(τcr/F′)の値が1以上のケースにおける梁10が、全塑性モーメントMp以上の最大耐力Mmaxを発揮している((Mmax/Mp)の値が1以上)ことが分かる。
表3から表6の場合にも、梁10が本来有している耐震性能を、告示よりも格段に引き出している場合があることが分かる。
In the evaluation method of this embodiment, the first buckling stress τ cr is calculated using equations (61) to (64), and it is evaluated whether or not the ratio of the first buckling stress τ cr to the yield shear strength F′ satisfies equation (128) and whether or not the width-thickness ratio of the
As shown in Tables 5 and 6, it can be seen that in cases where equation (128) is satisfied and the value of (τ cr /F') is 1 or more, the
In the cases of Tables 3 to 6, it can be seen that there are cases in which the inherent earthquake resistance performance of the
10 梁
11 ウェブ
12 第1フランジ(フランジ)
13 第2フランジ(フランジ)
10
13 Second flange (flange)
Claims (4)
前記梁が有する前記ウェブ及び前記一対のフランジの連成座屈を考慮した弾性局部座屈耐力式を構築することによって、前記梁の前記種別を評価し、
前記梁にせん断力が作用して座屈するときの前記連成座屈を考慮した第1座屈応力度τ cr 、及び前記梁に等曲げモーメントが作用して座屈するときの前記連成座屈を考慮した第2座屈応力度σ cr を指標として、前記梁の前記種別を評価し、
前記第1座屈応力度τ cr 及び前記第2座屈応力度σ cr を、前記ウェブにおける面外変位及び前記一対のフランジにおける面外変位からエネルギー法に基づいて求め、
前記梁の材軸を、x軸と規定し、
前記一対のフランジが前記ウェブを挟む方向に延びる軸を、y軸と規定し、
前記ウェブの板厚方向に延びる軸を、z軸と規定し、
前記ウェブの前記x軸に沿う方向の第1端に向かうに従い、前記z軸に沿う方向に交互に波状に変位する前記ウェブの前記x軸に沿う方向における半波長をaと規定したときに、
前記梁にせん断力が作用するときには、
前記ウェブにおける前記y軸に沿う方向の中心の位置を、前記y軸の原点と規定し、 前記y軸の原点から、前記一対のフランジのうちの片側に向かう向きを、前記y軸の正の向きと規定し、
前記第1座屈応力度τ cr を、(1)式から(6)式を用いて、(7)式による前記第1座屈応力度τ cr に最小の正の値を与える実数である前記a n ,b n ,λ及び前記半波長aに基づいて求め、
前記梁に等曲げモーメントが作用するときには、
前記一対のフランジのうちの一方における前記y軸に沿う方向の中心の位置を、前記y軸の原点と規定し、
前記y軸の原点から、前記一対のフランジのうちの他方に向かう向きを、前記y軸の正の向きと規定し、
前記第2座屈応力度σ cr を、(8)式から(14)式を用いて、(15)式による前記第2座屈応力度σ cr に最小の正の値を与える実数である前記a n ,b n 及び前記半波長aに基づいて求める梁の耐震性能の評価方法。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a 0 ,a n ,b n ,λは未定係数であり、Eは前記H形鋼のヤング係数であり、νは前記H形鋼のポアソン比であり、t w は前記ウェブの厚さであり、t f は前記一対のフランジそれぞれの厚さであり、b w は前記一対のフランジの板厚中心間距離であり、b f は前記一対のフランジそれぞれの幅の半分の値であり、W w は前記ウェブにおける前記z軸に沿う方向に向けた前記面外変位であり、W f1 ,W f2 は前記一対のフランジにおける前記y軸に沿う方向に向けた前記面外変位である。
Evaluating the type of the beam by constructing an elastic local buckling strength equation considering the coupled buckling of the web and the pair of flanges of the beam;
Evaluating the type of the beam using a first buckling stress τ cr taking into consideration the coupled buckling when a shear force acts on the beam and the beam buckles, and a second buckling stress σ cr taking into consideration the coupled buckling when a uniform bending moment acts on the beam and the beam buckles, as indicators;
The first buckling stress intensity τ cr and the second buckling stress intensity σ cr are calculated based on an energy method from an out-of-plane displacement of the web and an out-of-plane displacement of the pair of flanges;
The material axis of the beam is defined as the x-axis,
An axis extending in a direction in which the pair of flanges sandwich the web is defined as a y-axis,
The axis extending in the thickness direction of the web is defined as the z-axis,
When a is defined as a half wavelength in the direction along the x-axis of the web, which is displaced alternately in a wave-like manner in the direction along the z-axis toward a first end of the web in the direction along the x-axis,
When a shear force acts on the beam,
The position of the center of the web in the direction along the y-axis is defined as the origin of the y-axis, and the direction from the origin of the y-axis toward one of the pair of flanges is defined as the positive direction of the y-axis.
The first buckling stress intensity τ cr is calculated using equations (1) to (6) based on the a n , b n , λ, and the half wavelength a, which are real numbers that give the first buckling stress intensity τ cr calculated by equation (7) a minimum positive value ;
When a uniform bending moment acts on the beam,
A center position of one of the pair of flanges in a direction along the y-axis is defined as an origin of the y-axis;
A direction from the origin of the y-axis toward the other of the pair of flanges is defined as a positive direction of the y-axis;
A method for evaluating the seismic performance of a beam, which determines the second buckling stress intensity σ cr using equations (8) to (14) based on the a n , b n and the half wavelength a, which are real numbers that give the second buckling stress intensity σ cr calculated by equation (15) a minimum positive value .
where N is a natural number of 2 or greater, a0 , an , bn , and λ are undetermined coefficients, E is the Young's modulus of the H-shaped steel, ν is the Poisson's ratio of the H-shaped steel, tw is the thickness of the web, tf is the thickness of each of the pair of flanges, bw is the center-to-center distance in thickness of the pair of flanges, bf is half the width of each of the pair of flanges, Ww is the out-of-plane displacement of the web in the direction along the z-axis, and Wf1 and Wf2 are the out-of-plane displacement of the pair of flanges in the direction along the y-axis.
前記H形鋼の基準強度を、Fと規定し、
(16)式及び(17)式によって与えられる前記梁のFAの前記種別の前記H形鋼において、(16)式及び(17)式の等号成立時の前記梁における前記一対のフランジおよび前記ウェブの幅厚比の条件を、基準条件と規定し、
前記基準条件での前記H形鋼の前記第2座屈応力度σcrを、前記FAの前記種別における第2基準座屈応力度と規定し、
前記基準強度Fに対する前記FAの前記種別における前記第2基準座屈応力度の比を、前記FAの前記種別における第2基準座屈応力度比と規定したとき、
前記基準強度Fに対する前記第2座屈応力度σcrの比が、前記FAの前記種別における前記第2基準座屈応力度比以上であり、
かつ(16)式を満足する前記梁を、前記FAの前記種別における前記梁として評価する請求項1に記載の梁の耐震性能の評価方法。
ただし、tfは前記一対のフランジそれぞれの厚さであり、twは前記ウェブの厚さである。また、前記第2座屈応力度σcrを算出する際の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wは、前記第2基準座屈応力度を算出する前記H形鋼の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wとそれぞれ等しいとする。
The reference strength of the H-shaped steel is defined as F,
In the H-shaped steel of the type of FA of the beam given by the formulas (16) and (17), the condition of the width-thickness ratio of the pair of flanges and the web in the beam when the equality of the formulas (16) and (17) is established is defined as a reference condition;
The second buckling stress σ cr of the H-shaped steel under the reference condition is defined as a second reference buckling stress in the type of the FA,
When the ratio of the second reference buckling stress in the type of the FA to the reference strength F is defined as a second reference buckling stress ratio in the type of the FA,
A ratio of the second buckling stress σ cr to the reference strength F is equal to or greater than the second reference buckling stress ratio in the type of the FA,
The method for evaluating the seismic performance of a beam according to claim 1 , further comprising the step of evaluating the beam that satisfies the formula (16) as the beam in the type of the FA.
where tf is the thickness of each of the pair of flanges, and tw is the thickness of the web. In addition, the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges when calculating the second buckling stress σcr are equal to the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges of the H-shaped steel when calculating the second reference buckling stress.
前記H形鋼の基準強度を、Fと規定し、
(18)式及び(19)式によって与えられる前記梁のFBの前記種別の前記H形鋼において、(18)式及び(19)式の等号成立時の前記梁における前記一対のフランジおよび前記ウェブの幅厚比の条件を、基準条件と規定し、
前記基準条件での前記H形鋼の前記第2座屈応力度σcrを、前記FBの前記種別における第2基準座屈応力度と規定し、
前記基準強度Fに対する、前記FBの前記種別における前記第2基準座屈応力度の比を前記FBの前記種別における第2基準座屈応力度比と規定したとき、
前記基準強度Fに対する前記第2座屈応力度σcrの比が、前記FBの前記種別における前記第2基準座屈応力度比以上であり、
かつ(18)式を満足する前記梁を、前記FBの前記種別における前記梁として評価する請求項1又は2に記載の梁の耐震性能の評価方法。
ただし、tfは前記一対のフランジそれぞれの厚さであり、twは前記ウェブの厚さである。また、前記第2座屈応力度σcrを算出する際の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wは、前記第2基準座屈応力度を算出する前記H形鋼の前記一対のフランジの板厚中心間距離、前記フランジの幅Wとそれぞれ等しいとする。
The reference strength of the H-shaped steel is defined as F,
In the H-shaped steel of the type of FB of the beam given by the formulas (18) and (19), the condition of the width-thickness ratio of the pair of flanges and the web in the beam when the equality of the formulas (18) and (19) is established is defined as the reference condition,
The second buckling stress σ cr of the H-shaped steel under the reference condition is defined as a second reference buckling stress in the type of the FB,
When the ratio of the second reference buckling stress in the type of the FB to the reference strength F is defined as the second reference buckling stress ratio in the type of the FB,
A ratio of the second buckling stress σ cr to the reference strength F is equal to or greater than the second reference buckling stress ratio in the type of the FB,
The method for evaluating the seismic performance of a beam according to claim 1 or 2 , wherein the beam that satisfies formula (18) is evaluated as the beam in the type of the FB.
where tf is the thickness of each of the pair of flanges, and tw is the thickness of the web. In addition, the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges when calculating the second buckling stress σcr are equal to the center-to-center distance in thickness direction of the pair of flanges and the width W of the flanges of the H-shaped steel when calculating the second reference buckling stress.
前記降伏せん断強度F′に対する前記第1座屈応力度τcrの比が、(20)式を満足し、
かつ(21)式を満足する前記梁を、FCの前記種別における前記梁として評価する請求項1から3のいずれか一項に記載の梁の耐震性能の評価方法。
ただし、F′はF/√3である。
The ratio of the first buckling stress intensity τ cr to the yield shear strength F′ satisfies formula (20),
The method for evaluating the seismic performance of a beam according to any one of claims 1 to 3, wherein the beam that satisfies formula (21) is evaluated as the beam in the FC type.
Here, F' is F/√3.
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| 連成座屈を考慮したH形断面梁部材構成板要素の幅厚比制限値評価法,日本建築学会構造系論文集,第73巻第629号,日本,2008年07月,1177-1184 |
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