(57)【要約】【課題】板要素の有効幅を逐一考慮することなく、簡単に薄板鋼部材の曲げ耐力を求める方法を提供することを目的とする。【解決手段】板厚０．４ｍｍ以上２．３ｍｍ以下の薄板鋼部材の曲げ耐力評価法であって、全断面有効時の耐力Ｍｙを、材料の強度Ｆと全断面有効時の断面係数Ｚの積で与え、また部材の弾性座屈耐力をＭｃｒとして、有限要素解析などの数値解析で与え、これらＭｙとＭｃｒを用いて下記式（１）により部材の設計曲げ耐力Ｍｕを算出することを特徴とする板厚０．４以上２．３ｍｍ以下の薄板鋼部材の曲げ耐力評価法。Ｍｕ／Ｍｙ＝（Ｍｃｒ／Ｍｙ）α［ａ−ｂ（Ｍｃｒ／Ｍｙ）β］　　・・・・（１）（但し、ａ、ｂは任意の整数、αとβは０．６以下の整数）【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚０．４ｍｍ以上２．３ｍｍ以下の薄板鋼部材の曲げ耐力評価法であって、全断面有効時の耐力Ｍｙを、材料の強度Ｆと全断面有効時の断面係数Ｚの積で与え、また部材の弾性座屈耐力をＭｃｒとして、有限要素解析などの数値解析で与え、これらＭｙとＭｃｒを用いて下記式（１）により部材の設計曲げ耐力Ｍｕを算出することを特徴とする板厚０．４以上２．３ｍｍ以下の薄板鋼部材の曲げ耐力評価法。
Ｍｕ／Ｍｙ＝（Ｍｃｒ／Ｍｙ）α［ａ−ｂ（Ｍｃｒ／Ｍｙ）β］　　・・・・（１）
（但し、ａ、ｂは任意の整数、αとβは０．６以下の整数）
【請求項２】
請求項１の式（１）中、α＝０．６、β＝０．４であることを特徴とする薄板鋼部材の曲げ耐力評価法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板の面剛性を高めるために、鋼板に凹部あるいは凸部を有するように成形した荷重支持部材であるデッキプレート、折板屋根に代表される薄板鋼部材の曲げ耐力評価法に関するものであり、主として建築分野で活用されることを意図したものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄板鋼部材は、形状自由度の大きさや軽量性等の特徴から、様々な用途に用いられている。その代表的なものが、デッキプレートや折板屋根などの床材、仕上げ材であり、最近普及し始めているスチールハウス用の部材なども含まれる。いずれも板厚が２．３ｍｍ以下の薄板鋼部材であり、板厚が薄いゆえの軽量性などの特徴もあるが、薄板鋼部材を構成する板要素の局部座屈が早期に発生するため、部材耐力の評価には注意が必要である。
デッキなどの薄板鋼部材の曲げ耐力評価法としては、日本建築学会軽鋼構造設計施工指針など（特許文献１，２参照）に示されているような板要素ごとに有効幅を設定して断面耐力を算出する方法（有効幅法と呼称する。）が一般的である。図４に示すハット形状の部材を対象として、有効幅法による耐力評価について説明する。有効幅法は早期の局部座屈発生を耐力評価に簡便に考慮する方法であり、図４に示すような曲げを受ける部材を例にとれば、まず、単純支持された板要素毎に分割する（図４中の真ん中の図を参照）。次に、板要素ごとに、作用する応力状態、幅厚比などを考慮して、参考文献１あるいは２で与えられているような評価式に基づいて耐力評価上有効となる幅（有効幅）を算出する。図４中の最も下の図に示される太線が耐力評価上有効な部分（有効幅）であり、▲１▼は圧縮フランジ部の有効部分、▲２▼・▲３▼・▲４▼・▲５▼がウエブ部の有効部分である。▲６▼は引張フランジであり座屈が発生しないため、ここでは全断面有効となる。▲３▼はウエブに設けられたリブに対応する部分である。最終的に、これら▲１▼〜▲６▼の有効部分（有効断面）だけを考慮して、部材耐力の基となる断面係数を算出して耐力を算出する方法が有効幅法である。
【０００３】
【非特許文献１】
日本建築学会：軽鋼構造設計施工指針・同解説、日本建築学会、ｐｐ６６−６８，１９８５。
【非特許文献２】
Ｇｈｅｒｓｉ，Ａ．，Ｌａｎｄｏｌｆｏ，Ｒ．ａｎｄ　Ｍａｚｚｏｌａｎｉ，Ｆ．Ｍ．：Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｃｏｌｄ−ｆｏｒｍｅｄｔｈｉｎ−ｗａｌｌｅｄ　ｍｅｍｂｅｒｓ，Ｓｐｏｎ　Ｐｒｅｓｓ，ｐｐ４４−４５，２００２。
【非特許文献３】
Ｐａｐａｎｇｅｌｉｓ、Ｊ．Ｐ．、Ｈａｎｃｏｃｋ、Ｇ．Ｊ．：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｉｎ−ｗａｌｌｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍｅｍｂｅｒｓ、Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．１、ｐｐ１５７−１７６、１９９５。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の有効幅法による薄板鋼部材の曲げ耐力評価法では、図４の説明でも理解できるように、部材を板要素に分割して部材耐力の計算をする必要があるため、かなり面倒となり、設計者にとって設計し難いのが実状である。また、有効幅は４辺支持あるいは３辺支持された平板に対して与えられているだけで、小さなリブや複雑な形状の板については十分評価できないという問題点もある。さらに、現実には板要素間の座屈拘束効果などの連成効果が存在するものの、有効幅法では、図４の例に示すように、断面を単純支持の板要素の集合体として取り扱うため、連成効果を適切に考慮できないといった課題もある。
【０００５】
本発明は、板要素の有効幅を逐一考慮することなく、簡単に薄板鋼部材の曲げ耐力を求めることができ、断面の板要素に設けられた様々な形状のリブの効果などを直接考慮できる耐力評価方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
本第１発明は、前記課題を解決するために、薄板鋼部材の曲げ耐力評価法において、板厚０．４ｍｍ以上２．３ｍｍ以下の薄板鋼部材の曲げ耐力評価法であって、全断面有効時の耐力Ｍｙを、材料の強度Ｆと全断面有効時の断面係数Ｚの積で与え、また部材の弾性座屈耐力をＭｃｒとして、有限要素解析などの数値解析で与え、これらＭｙとＭｃｒを用いて下記式（１）により部材の設計曲げ耐力Ｍｕを算出することを特徴とする。
Ｍｕ／Ｍｙ＝（Ｍｃｒ／Ｍｙ）α［ａ−ｂ（Ｍｃｒ／Ｍｙ）β］　　・・・・（１）
（但し、ａ、ｂは任意の整数、αとβは０．６以下の整数）
ここで弾性座屈耐力とは、材料を弾性体と仮定した状態で対象とする部材が座屈（Ｂｕｃｋｌｉｎｇ）を起こす際の作用断面力や作用荷重である。弾性座屈強度の算出法には、弾性安定として固有値解析を行って求める方法、大変形問題として逐次増分解析を行って求める方法があるが、比較的解析が容易な固有値解析の適用が望ましい。
【０００７】
本第２発明は、薄板鋼部材の曲げ耐力評価法において、本第１発明の式（１）中、α＝０．６、β＝０．４であることを特徴とする。
【０００８】
【作用】
本発明では、弾性座屈耐力Ｍｃｒの算出のために、パソコンでも極めて短時間に計算できる有限要素法の簡易版である「有限帯板要素法（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｓｔｒｉｐ　Ｍｅｔｈｏｄ、参考文献３参照）」の使用が望ましい。この有限帯板要素法による固有値解析により、対象とする部材の断面形状と若干の付加的情報をコンピューターにインプットする程度で、簡易に弾性座屈耐力Ｍｃｒを求めることが可能となり、このＭｃｒを直接前記式（１）に適用することにより、部材の設計曲げ耐力Ｍｕを容易に得ることが可能となる。また、本発明の方法の場合、数値解析に基づく弾性座屈解析を基本とすることから、断面の板要素に設けられた様々な形状のリブや複雑な断面形状の考慮が容易であり、結果として、部材耐力の評価精度向上が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
有限帯板要素法に基づいて弾性座屈強度を算出した実施例について説明する。対象とした薄板鋼部材は、図１（ａ）に示すような逆ハット型の薄板部材（幅５００ｍｍ、高さ１６０ｍｍ、板厚０．８ｍｍ）であり、上側が圧縮状態となる曲げを受けるものである。文献３に示されている有限帯板要素法を適用すると、断面の形状と座標、板厚、作用力、鋼材の材料諸定数などをインプットするだけで、図１（ｂ）に示すような解析結果が得られる。図１（ｂ）の横軸は座屈半波長と呼ばれるもので、部材の長さに対応するものと考えて良い。縦軸は、図１（ａ）の逆ハット形部材の弾性座屈モーメントＭｃｒである。座屈半波長が小さい範囲では、部材のウエブ上部が局部座屈するモードが発生し、座屈半波長が長くなると上フランジとウエブ部が横方向に移動するような座屈（ゆがみ座屈と呼ばれるモード）が発生する。最終的な座屈強度は図１（ｂ）の計算結果のうち最小の強度を与えるものであるため、このケースでの弾性座屈強度Ｍｃｒは３３３ｋｇ・ｍとなる。このＭｃｒが（１）式に代入すべき値となる。（１）式で、部材の耐力Ｍｕを算出するためには、全断面有効時の耐力Ｍｙが必要となる。この耐力Ｍｙの算出は簡単であり、一般にカタログに記載されている全断面有効時の断面係数Ｚ（万一無い場合には、ＣＡＤ上で算出しても良い）に材料の強度Ｆを乗ずることによって求められる。ここで、材料の強度Ｆは、材料の降伏強度あるいは建築物の設計の際に与えられる基準強度（たとえば、建築基準法に基づく告示で規定される基準強度）とする。これらＭｙとＭｃｒを用いて、これら値を（１）式に代入することによって、部材の曲げ耐力Ｍｕが算出できる。
Ｍｕ／Ｍｙ＝（Ｍｃｒ／Ｍｙ）α［ａ−ｂ（Ｍｃｒ／Ｍｙ）β］　　・・・・（１）
（但し、ａ、ｂは任意の整数、αとβは０．６以下の整数）
【００１０】
図２には、薄板鋼部材としてのハット形鋼とデッキの曲げ試験の結果と本発明の耐力評価式値の対応関係を示す。本発明の耐力評価式（１）の形態で、ａとｂが各々１と０．３であるケースが、概ね実験データの下限値を抑えており、安全側の評価を得られることが分かる。図３（ａ）（ｂ）は、試験に用いたハット形鋼とデッキプレートの一例である。
【００１１】
また、上記デッキの曲げ試験、ハット形鋼の曲げ試験の結果に基づけば、本発明の評価式（１）における、ａ、ｂ、α、βの以下のような組み合わせが可能であることを確認している。
ケース１：ａ＝０．８５、ｂ＝０、α＝０．５、β＝任意の数
ケース２：ａ＝１、ｂ＝０．２５、α＝０．６、β＝０．６
ケース３：ａ＝１、ｂ＝０．２５、α＝０．５、β＝０．５
ケース４：ａ＝１、ｂ＝０．３、α＝０．６、β＝０．４
なお、上記のケースの中では、ケース４が設計上最も妥当な結果を与えている。
【００１２】
【発明の効果】
本発明は、弾性座屈耐力Ｍｃｒの算出に、パソコンでも短時間に計算できる有限要素法の簡易解析法である「有限帯板要素法（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｓｔｒｉｐ　Ｍｅｔｈｏｄ）」を採用することにより、対象とする部材の断面形状をインプットする程度で簡易に弾性座屈耐力Ｍｃｒを求めることが可能となり、前記式（１）との組み合わせによって簡単に設計曲げ耐力Ｍｕを得られるという効果を奏する。
また、本発明の方法の場合、数値解析を基本とすることから、断面の板要素に設けられた様々な形状のリブの効果や複雑な断面形状の影響などを考慮できるという効果も持つ。
【図面の簡単な説明】
【図１】有限帯板要素法に基づく弾性座屈強度と座屈半波長との関係を示す図
【図２】薄板鋼部材としてのハット形鋼とデッキ単体の試験の結果と本発明の耐力評価式を対比した図
【図３】（ａ）（ｂ）薄板鋼部材としてのハット形鋼とデッキプレートを示す図
【図４】従来の薄板鋼部材の耐力評価法としての有効幅法を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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