(57)【要約】      （修正有）【課題】想定される荷重が作用したときのより現実に近い変形に基づいて角形鋼管の断面を決定することにより、信頼性が高く、経済的なコラム切梁構造およびコラム切梁の断面決定方法を提供する。【解決手段】両端ピン支持として設置され、かつ鉛直荷重と軸圧縮荷重を受ける角形鋼管を用いたコラム切梁構造において、前記鉛直荷重と軸圧縮荷重に対して下記式を満足するように前記角形鋼管の断面を決定する。ただし、Ｎは軸圧縮力、Ｎyは降伏軸力、Ｍは鉛直荷重と軸力作用に伴い生じる曲げモーメント、Ｍyは降伏曲げモーメント、φcは安全率であり、1.2≦φc≦1.6の範囲とする。Ｎ／Ｎｙ＋Ｍ／Ｍｙ＜１／φｃ【選択図】図１
2018104998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直荷重と軸圧縮荷重を受ける角形鋼管を用いたコラム切梁構造において、前記鉛直荷重と軸圧縮荷重に対して(1)式を満足するように前記角形鋼管の断面が決定されていることを特徴とするコラム切梁構造。
【数１】
2018104998.tif 000011
………(1)式
【数６】
2018104998.tif 000012
………(6)式
ただし、Ｎは軸圧縮力、Ｎyは降伏軸力、Ｍは鉛直荷重と軸力作用に伴い生じる曲げモーメント、Ｍyは降伏曲げモーメント、φcは安全率である。
【請求項２】
請求項１記載のコラム切梁構造において、1.2≦φc≦1.6の範囲で前記角形鋼管の断面が決定されていることを特徴とするコラム切梁構造。
【請求項３】
請求項１または２記載のコラム切梁構造において、前記角形鋼管は冷間ロール成形角形鋼管であり、当該角形鋼管の断面は、1.4≦φc≦1.6の範囲で前記角形鋼管の断面が決定されていることを特徴とするコラム切梁構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかひとつに記載のコラム切梁構造において、前記角形鋼管は複数の鋼板と当該鋼板どうしを結合する溶接部とからなる角形鋼管であり、当該角形鋼管の断面は、1.2≦φc≦1.4の範囲で決定されていることを特徴とするコラム切梁構造。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかひとつに記載のコラム切梁構造において、コラム切梁の支持スパンは10ｍ以上であることを特徴とするコラム切梁構造。
【請求項６】
鉛直荷重と軸圧縮荷重を受ける角形鋼管を用いたコラム切梁の断面決定方法において、前記鉛直荷重と軸圧縮荷重に対して(1)式を満足するように前記角形鋼管の断面を決定することを特徴とするコラム切の断面決定方法。
【数１】
2018104998.tif 000013
………(1)式
【数６】
2018104998.tif 000014
………(6)式
ただし、Ｎは軸圧縮力、Ｎyは降伏軸力、Ｍは鉛直荷重と軸力作用に伴い生じる曲げモーメント、Ｍyは降伏曲げモーメント、φcは安全率である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角形鋼管を用いたコラム切梁構造およびコラム切梁の断面決定方法に関し、想定される荷重が作用したときのより現実に近い変形に基づいて前記角形鋼管の断面を決定することにより、信頼性が高く、経済的なコラム切梁構造およびコラム切梁断面決定方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
山留め工事では、切梁として一般にＨ形鋼が用いられているが、スパンが長くなると弱軸方向(通常は水平方向)の曲げ剛性が小さくなるため、座屈止めとして中間杭が設置されることが多い。
【０００３】
一方、角形鋼管を用いたコラム切梁は、鉛直方向と水平方向の曲げ剛性に差がないため、座屈止め用の中間杭を低減もしくは省略できて現場施工の向上が可能なことから需要が拡大している。
【０００４】
いずれの切梁においても、架設の際は鉛直荷重として作用する自重および積載荷重と軸圧縮荷重として作用する土圧や水圧に対して安全性が検討され、通常、これらの荷重が同時に作用する場合に対して切梁の強度が上回るように設計されており、特にコラム切梁の使用可能な強度上の限界、すなわち、角形鋼管の断面は、従来、(7)式によって検討されていた。
【０００５】
【数７】
2018104998.tif 000003
………(7)式
【０００６】
ただし、式中、σcは切梁の軸圧縮応力度であり、腹起しを介して作用する土圧や水圧による応力度である。σbは切梁の曲げ圧縮応力度であり、鉛直荷重として作用する自重と積載荷重による曲げ応力度である。また、σcaは切梁の許容軸圧縮応力度であり、σbaは許容曲げ圧縮応力度である。そして、(1-σc/σea)は、軸圧縮力による切梁のたわみ増大を考慮して設定される拡大系数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平04-68113号公報
【特許文献２】特開平04-68114号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、(7)式は、実際の変形を求める理論に基いて導かれたものではなく、許容圧縮応力度σcaや許容曲げ圧縮応力度σbaについて座屈の影響や軸力によるたわみ増大などを考慮して導かれたものであり、また、切梁の崩壊に至るまでを安全とみなす終局限界条件を元にした式であるため、信頼性に乏しく、安全率に頼った不経済な設計になりやすく、コラム切梁の設計には本来適さないものであった。
【０００９】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、想定される荷重が作用したときのより現実に近い変形に基づいてコラム切梁に用いられる角形鋼管の断面を決定することにより、信頼性が高く、経済的なコラム切梁構造およびコラム切梁の断面決定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、鉛直荷重と軸圧縮荷重を受ける角形鋼管を用いたコラム切梁構造において、前記鉛直荷重と軸圧縮荷重に対して(1)式を満足するように前記角形鋼管の断面が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
【数１】
2018104998.tif 000004
………(1)式
【００１２】
ただし、Ｎは、腹起しを介してコラム切梁に作用する土圧や水圧などによる軸圧縮荷重である。Ｎyはコラム切梁の降伏軸力であり、コラム切梁に用いられる角形鋼管の素材鋼材の降伏応力に基いて定められる。
【００１３】
また、Ｍは、鉛直荷重と軸力作用に伴い生じる曲げモーメントであり、(6)式より求められる。Ｍyは、コラム切梁の降伏曲げモーメントであり、コラム切梁に用いられる角形鋼管の素材鋼材の降伏応力に基いて求められる。そして、φcは安全率である。
【００１４】
安全率φcは、コラム切梁の素材鋼材や製造方法などにより残留応力や降伏点などにばらつきが生じることがあるため、これらを考慮して概ね1.2〜1.6の範囲で設定するのが適切であり、実験結果から1.6程度が望ましい。
【００１５】
一般に、冷間ロール成形された角形鋼管を用いたコラム切梁は、その製造方法等により残留応力が生じやすいため、1.4≦φc≦1.6程度が適切であり、1.6を越えると安全性は高められるが不経済に陥りやすい。
【００１６】
また、複数の鋼板を材軸方向に沿わせ、鋼板どうしを材軸方向に溶接して矩形断面形に成形された角形鋼管を用いたコラム切梁は、1.2≦φc≦1.4程度が適切である。
【００１７】
また、コラム切梁は、鉛直方向と水平方向の曲げ剛性に差がないため、座屈止め用の中間杭を低減もしくは省略できて現場施工の向上が可能であり、したがって支持スパンを10ｍ以上とする場合に経済的である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、想定される荷重が作用したときのより現実に近い変形に基づいて、コラム切梁に用いられる角形鋼管の断面が決定されていることで、信頼性が高く、経済的なコラム切梁構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】コラム切梁構造の概要を示す平面図である。
【図２】コラム切梁の構造および載荷方法の概要を示し、図2(a)は平面図、図2(b)は側面図である。
【図３】コラム切梁に用いられる角形鋼管の引張試験の結果を表した図である。
【図４】両端ピン支持として梁中央に鉛直荷重Pv(鉛直ジャッキによる荷重)を受けるコラム切梁中央の荷重Pv−鉛直変位ｕvの関係を表した図である。
【図５】図５(a-1),(a-2),(a-3)は、両端ピン支持として鉛直荷重Pvと軸圧縮荷重Ｎを受けるコラム切梁において、Pv=25kN、Pv=50kN、Pv=70kNの各鉛直荷重における曲げモーメント分布を表し、図5(b-1),(b-2),(b-3)は、Pv=25kN、Pv=50kN、Pv=70kNの各鉛直荷重において(1)式より計算された値φの分布を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明で扱うコラム切梁構造の概要を図示したものであり、コラム切梁１とプレロードジャッキ２、火打ピース３および調整材４より構成され、各部材はそれぞれ互いにボルト接合されている。
【００２１】
また、コラム切梁１には冷間ロール成形された角形鋼管(STKR490)、調整材４にはコラム切梁１と外径が同じＨ形鋼を加工したものがそれぞれ用いられている。
【００２２】
また、コラム切梁１の両端にピン支持が設けられ、その回転方向は図2(a)において上下方向であり、かつコラム切梁１の支持スパン(ピン中心間長さ)は13393ｍｍとされている。
【００２３】
このような構成において、コラム切梁１に鉛直荷重(等分布荷重)と軸圧縮荷重が作用した場合に、コラム切梁１に生じる曲げモーメントＭを求めるための理論式を導出する。
【００２４】
但し、両端の調整材４やプレロードジャッキ２は材長が短く、曲げ剛性も極端に低くないこと、材軸方向には圧縮荷重が常時作用することを勘案し、全長に渡って均質なコラム切梁、すなわち、角形鋼管の単一部材として扱う。
【００２５】
コラム切梁１の曲げ剛性をEI、たわみをｕ、初期たわみをu0、そして、コラム切梁１に作用する軸圧縮力をＮ、等分布荷重をｗとして微小要素の釣合いを考えると(2)式の関係が成立する。
【００２６】
また、初期たわみu0は載荷前のたわみであり、振幅k1である半波のsin波で与えられ(ただし、部材長(ピン間長さ)をｌとする)、(3)式の関係が成立する。さらに、コラム切梁１の両端はピン支持であるから、z＝０、z＝ｌにおいて(4)式が成立する。
【００２７】
【数２】
2018104998.tif 000005
………(2)式
【００２８】
【数３】
2018104998.tif 000006
………(3)式
【００２９】
【数４】
2018104998.tif 000007
………(4)式
【００３０】
そして、(2)〜(4)式より、コラム切梁１に軸圧縮力Ｎと等分布荷重ｗが作用したときのたわみ曲線ｕは(5)式で求められ、曲げモーメントＭは(6)式で求められる。
【００３１】
【数５】
2018104998.tif 000008
………(5)式
【００３２】
【数６】
2018104998.tif 000009
………(6)式
【００３３】
また、図２に示す鉛直方向の一点集中荷重Pvを考慮するには、以下のようにすればよい。軸力Ｎが作用せず、Pvのみが作用したときに生じるたわみに初期たわみu0を加えた値を新たに初期たわみとして定義して、(2),(4)式よりたわみ曲線ｕを求めることができる。
【００３４】
また、曲げモーメント分布は、(6)式の左辺にPvのみが作用したときの曲げモーメント分布を重ね合わせることで求めることができる。
【００３５】
図2(a),(b)は、両端ピン支持として鉛直荷重と軸圧縮荷重を受けるコラム切梁の試験載荷方法の概要を図示したものである。また、図３は、コラム切梁に用いた角形鋼管の引張試験の結果を表したものである。
【００３６】
なお、コラム切梁には断面サイズ□-350×16のSTKR490を用いた。また、火打ピースは無視し、コラム切梁の両端にピン支持部材を設け、かつコラム切梁全体を水平に支えるための支え(図省略)を設けた。ピンの回転方向は図2(a)の上下方向であり、ピン中心間長さは13393ｍｍである。
【００３７】
このような構成において、コラム切梁を水平に支えている支えを外し、その後、水平油圧ジャッキによって1950kNの軸力を与え、これを保持した状態でコラム切梁中央の鉛直油圧ジャッキによって漸増載荷し、耐力が低下するまで載荷を継続した。
【００３８】
なお、切梁の設計では、一般に鉛直荷重は自重や積載荷重を想定した５kN/ｍ程度の等分布荷重を仮定するが、これを実験で再現するのは容易でないことから１点集中荷重で代用した。
【００３９】
図４は、図2(a),(b)におけるコラム切梁中央の鉛直ジャッキによる荷重Pv−鉛直変位ｕvの関係を表したものである。
【００４０】
また、図５(a-1),(a-2),(a-3)は、鉛直荷重Pv=25kN、Pv=50kN、Pv=70kNの各荷重Pv(図４の▼)におけるコラム切梁の曲げモーメント分布を表したものである。ただし、曲げモーメントＭはコラム切梁の上下面に貼付した歪ゲージ計測値から求めた曲率を用いて算出した。
【００４１】
また、図5(b-1),(b-2),(b-3)は、鉛直荷重Pv=25kN、Pv=50kN、Pv=70kNの各荷重において(1)式より算出した値φの分布を表したものである。φc＝１は降伏条件を表す。
【００４２】
【数１】
2018104998.tif 000010
………(1)式
【００４３】
なお、図５において実線は実験値、破線は(1)の理論式によって算出された計算値である。ただし、図３にみるように、コラム切梁素材は、早々に接線剛性が低下し始めており、ここではＮyは接線剛性が初期剛性の1/2となるときの軸力(降伏応力が0.2％オフセット耐力の約７割＝324Ｎ/ｍｍ2)と定義した。
【００４４】
図５よりPv＝25kN、Pv＝50kNにおいては(1)の理論式による計算値は実験結果を概ね捉えているといえる。計算結果と実験結果との差異は、計算で仮定している初期たわみと実験結果との差異、生じている変形モードの違い(計算では対称形の１次モードを仮定)に起因するものと考えられる。
【００４５】
また、Pv＝70kNにおいては、φc＝１を上回っており、コラム切梁１の曲げ剛性が低下し始めていることから、弾性保持を想定したたわみ計算値に対して実験値がやや上回っている。
【００４６】
以上のことから、弾性範囲内では、コラム切梁１に用いられる角形鋼管の断面は、(1)式を用いて容易にかつ適切に決定することが可能であることが実証できた。
【００４７】
なお、FEMによる検証においても(1)式によって角形鋼管の断面を適切に決定することが可能であることが実証できた。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、想定される荷重が作用したときのより現実に近い変形に基づいてコラム切梁に用いられる角形鋼管の断面を決定することにより、信頼性が高く、経済的なコラム切梁構造を提供することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  コラム切梁
２  プレロードジャッキ
３  火打ちピース
４  調整材
【図１】
2018104998.tif 000015
【図２】
2018104998.tif 000016
【図３】
2018104998.tif 000017
【図４】
2018104998.tif 000018
【図５】
2018104998.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月13日(2017.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
【数４】
2018104998.tif 000020
………(4)式
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
鉛直荷重と軸圧縮荷重を受ける角形鋼管を用いたコラム切梁の断面決定方法において、前記鉛直荷重と軸圧縮荷重に対して(1)式を満足するように前記角形鋼管の断面を決定することを特徴とするコラム切梁の断面決定方法。
【数１】
2018104998.tif 000021
………(1)式
【数６】
2018104998.tif 000022
………(6)式
ただし、Ｎは軸圧縮力、Ｎyは降伏軸力、Ｍは鉛直荷重と軸力作用に伴い生じる曲げモーメント、Ｍyは降伏曲げモーメント、φcは安全率である。