(57)【要約】【課題】せん断曲げを受けるウェブの両端にフランジを有する構造部材について、早期のウェブせん断座屈を回避してせん断降伏荷重を確保し、構造部材の塑性変形能力の向上を目論む。【解決手段】本発明のウェブ１の上下にフランジ２を有する構造部材がウェブ面に円形環３が添接された代表的補強構造の全景を(ａ)図の斜視図として示したが、連続する円形環とそれぞれの間に縦方向スティフナー４を設け上下フランジ２と結ぶ。(ｂ)図にウェブの面内応力の釣合いを示したが、円形環内側領域では面内せん断に伴う点線矢印で示す圧縮主応力−σは円形環の部材軸力σcと釣合い実線矢印で示す引張主応力＋σが支配する張力場となり、加力初期段階から引張面となることでウェブのせん断降伏荷重を確保でき、更に円形環を囲むフランジと縦方向スティフナーとでトラス的釣合場を構成し、せん断降伏後も安定して耐力を維持し塑性変形能力の向上を図る。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブ片側面乃至両側面に両フランジに近接する円形環と両フランジを結ぶ縦方向スティフナーを一定間隔毎に添接し、円形環内側のウェブを引張応力面としてウェブのせん断降伏荷重を確保し、ウェブと円形環を囲む部材とのトラス的釣合いにより構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【請求項２】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブ片側面に両フランジに近接する円形環と縦方向スティフナーを一定間隔毎に添接し、裏側面に各円形環の円弧と中立軸上で接するように縦方向スティフナーを設け、円形環内側のウェブを引張応力面としてウェブのせん断降伏荷重を確保し、ウェブと円形環を囲む部材とのトラス的釣合いにより構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【請求項３】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブ片側面に両フランジに近接する円形環と縦方向スティフナーを一定間隔毎に添接し、裏側面に各円形環の円弧と接するようにフランジと並行するスティフナーを設け、円形環内側のウェブを引張応力面としてウェブのせん断降伏荷重を確保し、ウェブと円形環を囲む部材とのトラス的釣合いにより構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【請求項４】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブに両フランジに近接する円形環と縦方向スティフナーを一定間隔毎に添接し、ウェブの円形環内側領域に同心円となる円形穴を設けて連続開口ウェブの構造部材とし、円形穴中心線上のウェブ最小断面で換算されるせん断降伏荷重を確保し、ウェブと円形環を囲む部材とのトラス的釣合いにより構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェブの両端にフランジを有する構造部材に関するもので、せん断曲げを受けてウェブに付加するせん断力に対し早期のせん断座屈を回避してせん断降伏荷重を確保し、降伏後の耐力低下を防いで構造部材の塑性変形能力を高めることを意図するものである。これを達成するために最適の形状を提案し且つ出来るだけ簡単な補強構造とする。
【背景技術】
【０００２】
材端部から逆対称曲げモーメントを受ける構造部材に対し、材端部近傍のフランジで先行して降伏する場合に塑性変形能力を高めるよう意図する補強構造がこれまでの主流で、構造部材のせん断力が大きくウェブが先行して塑性化する場合については降伏後の耐力維持を図る試みは多くはない。
【０００３】
材長の短い構造部材に対して、加わるせん断力に対しウェブの塑性変形能力を高める例としては、ウェブを補強してせん断座屈を避けるもの，ウェブに降伏点の低い鋼材を使用するもの，構造部材の端部乃至中央部の接合部位を工夫するもの等、降伏後のせん断耐力の維持を意図する試みが散見される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開  平０６−０１７５０７  公開特許公報
【特許文献２】特開  平１０−２２００６１  公開特許公報
【特許文献３】特開２００２−１７３９７７  公開特許公報
【特許文献４】特開２００３−０６４９０１  公開特許公報
【特許文献５】特開２００８−１３３６９４  公開特許公報
【特許文献６】特開２０１１−１１３２６４  公開特許公報
【特許文献７】特開２０１１−２０２４２４  公開特許公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする課題は、せん断曲げを受けるウェブの両端に突出フランジを持つ構造部材について、面内せん断力によりウェブがフランジに先行して塑性化する場合に、ウェブの加力初期段階でのせん断座屈を回避してせん断降伏荷重を確保し、降伏後の変形推移にも耐力低下することなく塑性変形能力を高めることである。更に、ウェブに連続開口を持つ構造部材についても同様の力学性能となるようにする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
面内せん断によりウェブが安定して降伏せん断荷重に至るよう、ウェブ面に円形環を添接して補強するものである。円形環を金属平板に添接することで平板面内の圧縮主応力をアーチ効果により円形環部材の軸力で受け止め、円形環で囲まれる平板領域で引張主応力が支配する力学的釣合いを保つようにする。
【０００７】
ウェブがせん断力を受けると、初期の純せん断場から徐々に斜め引張主応力が支配する張力場へと移行する。せん断変形の進行に伴いウェブの引張主応力に釣合うよう円形環を囲むフランジと縦方向スティフナーとでトラス的力の釣合いを考え、降伏後も耐力低下することなく塑性変形能力を向上させることを意図している。
【０００８】
ウェブに円形環を補強することで円形環内側領域は引張応力状態になるため、円形環と同心円となる円形穴を設けても力の釣合いが崩れることはなく、円形環を周辺のフランジとスティフナーとで安定した構造とし、円形穴中心線上の最小断面となるウェブのせん断降伏荷重を確保し且つ降伏後も前記せん断耐力が徐々に増加するようにする。
【発明の効果】
【０００９】
図９は円形金属平板の外周に円形環枠を設けた場合の面内応力の釣合いを示す模式図である。(ａ)図は円形環枠からせん断力が作用する場合で、せん断変形の進行に伴い円形環と共に円形金属平板は斜め45度方向を軸とする楕円形に変形する。面内せん断に伴う点線矢印で示す圧縮主応力は円形環の部材軸力と釣合い、加力の初期段階から塑性変形領域に至るまで実線矢印で示す引張主応力が支配する張力場となる。
【００１０】
図１０は円形環の力学的特性を示した模式図であり、面内せん断を受けることは（ａ）図のように捩りを受けることに相当し、円形環であることは（ｂ）図のように構造部材が捩り剛性の低い矩形断面であっても円弧形状であることから回転変形が拘束され、そのことは捩り剛性が極めて高くなることと等価であり、円形金属平板がせん断降伏して以降も枠材は暫く弾性状態にあり降伏後の耐力維持に繋がる。
【００１１】
図１１(ａ)はフランジ２に挟まれるウェブ１が円形環３で補強された構造部材の全景を示す斜視図であり、連続する円形環の間に縦方向スティフナー４を設けている。(ｂ)図にウェブの面内応力の釣合いを示したが、円形環内側領域では面内せん断に伴う圧縮主応力−σは円形環の部材軸力σcと釣合い引張主応力＋σが支配する張力場となり、円形環を囲む矩形領域をトラス機構として安定した力の釣合いが確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ウェブに円形環と縦スティフナーを連続配置した構造部材の代表図である。
【図２】円形環径及び縦スティフナー間隔との力学的関りについての説明図である。
【図３】ウェブ表面に円形環裏面に縦スティフナーを配置する部材の構成図である。
【図４】円形環と縦スティフナーの配置に伴う力学的安定性に関する説明図である。
【図５】上下フランジに並行する横スティフナーが配置された部材の構成図である。
【図６】円形環上下円弧と裏面で重なる横スティフナーの補強効果の説明図である。
【図７】ウェブの円形環内側に同心円となる開口部を持つ構造部材の構成図である。
【図８】ウェブに連続して円形開口部のある構造部材の力学的挙動の説明図である。
【図９】円形環で囲まれた円形金属平板の面内せん断の釣合に関する説明図である。
【図１０】円形環の力学的特性とせん断を受ける平板への補強効果の説明図である。
【図１１】本発明の円形環補強部材の全景斜視図とウェブ面内応力の釣合図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１はウェブ１の表裏両面に円形環３を部材長手方向へ等間隔に配し、上下フランジ２を結んで縦方向スティフナー４を設けた本補強構造の代表例である。円形環で囲まれたウェブの内側領域は面内せん断に伴う斜め45度方向の引張主応力が支配する張力場となり、円形環を囲む上下フランジと左右縦方向スティフナーとでトラス機構を形成して力の釣合いを確保する。
【００１４】
図３はウェブ片側面１に円形環３を上下フランジ２に近接し且つ裏側面に縦方向スティフナー４を配して円形環外側領域の力学的安定に配慮し、この構造単位を部材長手方向に一定の間隔をとり表裏交互に配して剛性のバランスを確保する。当然、縦方向スティフナーに挟まれた矩形領域は座屈に伴い耐力低下することのない範囲に限られる。
【００１５】
図５は円形環３と縦方向スティフナー４とをウェブ片側面１に並べて配し、ウェブの裏側面から上下フランジ２に平行し且つ円形環の円弧上下に接するように横方向スティフナー５を配して構成する。ウェブ平板上の連続する円形環を結んで互いに拘束することで、ウェブ板厚の薄い場合に有効な補強構造となる。
【００１６】
図７は円形環３と縦方向スティフナー４とをウェブ片側面１に並べて配し、ウェブ裏側面から円形環の円弧と中立軸上で接するように更に２本の縦方向スティフナーを設けて剛性のバランスをとり、円形環内側のウェブに同心円となる任意径の円形穴６を設け且つ部材長手方向に力学性能を一様とすべく連続開口ウェブ型の構造部材とする。
【実施例１】
【００１７】
図１はウェブ１の表裏両面に円形環３を部材長手方向に等間隔に配し、各円形環の間に縦方向スティフナー４を設けた本発明の代表的補強構造である。部材断面としてウェブ板厚9.0mmのH-1,200x300x9x36とウェブ板厚6.0mmのH-1,200x300x6x30を取上げ、ウェブ両面から断面100mmx19mmの円形環を中央に縦方向スティフナーで一定の幅に囲み連続４区間で構成されている。
【００１８】
図２の実線はウェブ板厚が9.0mm，幅厚比133の解析結果で、円形環径は960mmで部材せいの80％とし、部材長さ5,200mm，5,600mm，6,000mmは３本の実線で上から下へと対応するが、この範囲では高い塑性変形能力が示されている。これを超える部材長さになると円形環外側のウェブ領域で座屈変形が進行し、降伏後早い段階から不安定な挙動が見られるようになる。
【００１９】
図２の点線はウェブ板厚が6.0mm，幅厚比200の解析結果で、円形環径は1,020mmで部材せいの85％とし、部材長さは前記例題と同じとしている。平板が薄くなるに従い円形環外側のウェブ領域で座屈変形が起き易くなるため、円形環径を大きくし上下フランジに近づけ添接した。ウェブ面上の円形環は不安定になりやすいため、ウェブの板厚に応じ円形環の周辺構成には十分に配慮する必要である。
【実施例２】
【００２０】
図３はウェブ片側面１に円形環３を上下フランジ２に近接し且つ裏側面に縦方向スティフナー４を近づけて配しウェブの円形環外側領域の力学的安定を図り、この構成を部材長手方向に任意間隔で表裏交互に配して剛性のバランスをとる。ウェブ板厚に応じ部材断面はH-1,200x300x4.5x30とH-1,200x300x3.2x25とし、両者とも円形環の直径は960mmで部材せいの80％とし、円形環とスティフナーの断面は前者は100mmx16mm，後者は100mmx12mmとしている。
【００２１】
図４の３本の実線はウェブ板厚4.5mm，幅厚比267で円形環両側の縦方向スティフナー間隔は1,200mmとし、実線の上から下へ部材長さ5,600mm，6,000mm，6,400mmと対応する解析結果を示している。図中左下側に矢印で示す座屈荷重Qcr=410kNは降伏せん断荷重Qy=930kNの44%ではあるが、座屈荷重を上回るせん断降伏荷重を確保でき、更にウェブ両面で縦方向スティフナーをずらすことで連続する円形環の間隔を若干広げることができる。
【００２２】
図４の３本の点線はウェブ板厚3.2mm，幅厚比375で円形環両側の縦方向スティフナー間隔は1,100mmとし、前記と同じ部材長さに応じる解析結果である。図の左下側に矢印で示す座屈荷重Qcr=150kNはQy=660kNの降伏せん断荷重の23%ではあるが、せん断降伏荷重にまで到達し更に降伏後も安定的に耐力維持し変形する。これらの結果から、平板の弾性座屈荷重は平板の実態強さとは何ら関係ないことが判る。
【実施例３】
【００２３】
図５はウェブ１の片側面に円形環３と縦方向スティフナー４とを並べて配し、ウェブの裏側面から上下フランジに平行し且つ円形環の上下円弧に接するように横方向スティフナー５を配して構成する。部材断面はH-1,200x300xtwx25とし、1,200mmx1,200mmの５区画で材長6,000mmの構造部材で、円形環の直径は900mmで部材せいの75%と若干小さく、円形環とスティフナーの断面は100mmx12mmとしている。
【００２４】
図６はウェブ板厚が3.2mm，2.3mm，1.6mmとする解析結果を３本の実線で示したが、部材せい1,200mmであることからウェブの幅厚比は375，520，750に相当するが、横方向スティフナーで連続する円形環を拘束し且つ縦方向スティフナーで両フランジと結ぶことでウェブのせん断降伏荷重を確保でき、降伏後もせん断耐力が徐々に増加しつつ推移して十分な塑性変形能力のあることが判る。
【００２５】
図６には３本の点線で示した荷重変形関係は実線と同じ結果を横軸の変形角を３倍に広げて表示したもので加力初期段階の力学性状を検証するものである。Qcrで示す座屈荷重は降伏せん断荷重Qyの26%，14％，7％であるものの、図中矢印で示すせん断降伏荷重に至り降伏後の変形にも耐力は維持される。この事実は、弾性座屈荷重が実強度とは関係なく且つ降伏後の力学性状を予測できないことを示している。
【実施例４】
【００２６】
図７はウェブ片側面１に円形環３を1,200mm毎に添接し且つ裏側面から円形環の円弧に接するように縦方向スティフナー４を添接し、円形環内側領域に同心円となる任意径の円形穴６を設けている。部材断面はH-1,200x300x3.2x25で1,200mmx1,200mmの５区画とする材長6,000mmの構造部材で、円形環の直径は900mmで部材せいの75％とし円形環と縦方向スティフナーの断面は100mmx12mmで、ウェブに設けられる円形穴周りは原則補強しない。
【００２７】
図８に示す３本の実線はウェブ円形穴の直径を480mm，600mm，720mmとする解析結果で、部材せい1,200mmに対する開口率は40％，50％，60％である。無開口ウェブのせん断降伏荷重Qy=660kNに対し、円形穴中心線上のウェブ最小断面で換算されるせん断降伏荷重は図中矢印で示す前記数値の60％，50％，40％に相当し、それ以降ウェブの塑性化が進行しても徐々に耐力上昇して推移する。
【００２８】
図８に示す３本の点線は実施例３と同じ補強構造部材に対し同じ直径の円形穴を設けた場合の結果で、実線と略重なるように表示されている。連続する円形環が横方向スティフナーで結ばれており、前者の補強構造はスティフナー配置が異なるものの同様の結果となる。なお、せん断に伴う円形環の変形が斜め45度方向を長軸，短軸とする楕円形へ移行するため、円形環とスティフナーとが円弧上で接しても変形を拘束しない。
【００２９】
本明細書で扱った金属材料は、降伏点応力度σy=30kN/cm2，ヤング係数E=20,500kN/cm2の鋼材としている。本補強構造は一般的に多用される普通鋼材を利用し得ること示したが、本補強構造は材種や材質に拘るものではなく高降伏点鋼乃至低降伏点鋼であってもよく、剛性の低い軽金属材料に対しても有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の円形環で補強された構造部材は平板面内を純粋な引張応力状態にすることで平板座屈による耐力低下は回避され、これまでの座屈に伴う幅厚比に支配された平板の力学環境を完全に変えるものである。ウェブ板厚にとらわれることなく部材を構成できるため、制振乃至耐震を目的とするウェブせん断降伏型の構造部材として最適である。
【００３１】
構造部材に対する円形環の補強をウェブ片側面に添接する場合に、ウェブ裏側面で円形環の円弧と接するように縦方向乃至横方向にスティフナーを設けることで上下フランジとも結ばれウェブ平板に直接支配されない補強構造となるため、極めて薄いウェブとする構造部材として幅広く利用される可能性がある。
【００３２】
本発明の円形環補強構造は、円形環内側に同心円となる円形穴を設けても円中心線上の最小となるウェブ断面に換算されるせん断降伏荷重が確保でき且つ降伏後も徐々に耐力増加して塑性変形能力が高く、同じウェブ板厚でありながら円形穴径によりせん断降伏荷重を変えることができ、制振乃至耐震構造部材になり得るものである。
【符号の説明】
【００３３】
１．  構造部材のウェブ
２．  構造部材のフランジ
３．  縦方向スティフナー
４．  横方向スティフナー
５．  円形環補強部材
６．  ウェブ円形開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年1月22日(2013.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブ片側面乃至両側面に両フランジに近接する円形環と部材軸に直交するスティフナーとを一定間隔毎に添接し、円形環内側のウェブを引張応力面とし且つ前記引張応力と円形環を囲むフランジとスティフナーとのトラス的釣合いにより、ウェブで決まるせん断降伏荷重を確保するとともに構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【請求項２】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブ片側面に両フランジに近接する円形環と部材軸に直交するスティフナーとを一定間隔毎に添接し、前記逆側面に各円形環の円弧と中立軸上で直交し接するスティフナーを設け、円形環内側のウェブを引張応力面とし且つ前記引張応力と円形環を囲むフランジとスティフナーとのトラス的釣合いにより、ウェブで決まるせん断降伏荷重を確保するとともに構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【請求項３】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブ片側面に両フランジに近接する円形環と部材軸に直交するスティフナーとを一定間隔毎に添接し、前記逆側面に各円形環の円弧と接するようにフランジと並行するスティフナーを設け、円形環内側のウェブを引張応力面とし且つ前記引張応力と円形環を囲むフランジとスティフナーとのトラス的釣合いにより、ウェブで決まるせん断降伏荷重を確保するとともに構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【請求項４】
ウェブの両端にフランジを有する構造部材について、せん断曲げが作用して加わるせん断力でウェブが先行して降伏する場合の補強構造として、ウェブ片側面乃至両側面に両フランジに近接する円形環と部材軸に直交するスティフナーとを一定間隔毎に添接し、ウェブの各円形環内側領域に円形環径を下回る同心円の穴を設けて連続開口ウェブとなる構造部材とし、円形穴中心線上のウェブ最小断面で決まるせん断降伏荷重を確保するとともに構造部材の塑性変形能力の向上を図る補強構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
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【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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