MARINE SYSTEM ENGINEERING /February 2006

B214 繰り返し曲げを受ける防撓箱型断面梁構造の崩壊挙動に関する実験的研究
長尾誠 （指導教員：正岡）

1. 緒言
船体、超大型浮体構造物のような防撓箱型断面梁構造は大波からの過剰な力を受けると縦曲げにおける弾性範囲を越えてサギング、ホギング状態を繰り返す。この現象により防撓箱断面型梁構造の剛性、強度は低下し、構造に致命的な損傷が生じ、崩壊に至る。そこで、本研究では防撓箱型断面梁構造に繰り返し縦曲げがかかるときの崩壊挙動を明らかにするために防撓箱型断面梁構造をモデルとした小型模型で実験を行う。なお、実験に先立ち非線形有限要素法による解析を行い、解析結果を参考にして実験を行った。

2. 実験装置と試験体の概要
2.1 実験装置
実験装置1)はFig. 1 に示すように梁の 4 点曲げを背景に設計さている。梁の４点曲げにおいては、中央部はせん断力が 0 であり純曲げとなり、2 つの荷重点間で曲げモーメントが最大となり左右対称であることから梁の中央部(試験体中央)で崩壊が起こると考えられる。試験体部分は斜線部分であり、実験の都合上取替え可能にしている。
実験装置の全長は 5124mm であり、実験装置両横のアーム部分は 2000mm である。アーム部分は試験体の断面係数と比較して試験体よりも強度が高くなるような I 型鋼を用いている。
載荷装置は油圧ポンプと複動シリンダを用いて押し引き両用とし、試験体に繰り返し曲げをかけることができるようになっている。
2.2 試験体
試験体は Fig. 2 に示すような防撓箱型断面梁構造を使用した。試験体は長手方向に 700mm であり、その内 500mm が試験体部分である。実際の防撓構造においてスティフナは内部に設置されているが、実験装置の性質上内部に設置されているとスティフナの崩壊挙動を見ることができないことから本試験体ではスティフナは外部に設置した。Fig. 2 (b) に試験体部分中央の断面図を示す。Table 1 に試験体の材料定数、細長比を示す。αは縦横比を示し、λは防撓板全体の細長比を示し、βは防撓板間パネルの細長比を示す。
ヤング率、降伏応力は実験により求められたものである。

3. 非線形有限要素法による解析
繰り返し曲げ実験を行うに先立って非線形有限要素法を用いて解析を行った。Fig. 3 に試験体、試験体断面の解析モデルを示す。この解析結果を参考として実験を行い、最終強度の値を実験結果と比較する。

4. 防撓箱型断面梁構造の繰り返し実験
4.1 実験方法
2 章で述べた実験装置を用いて、予備実験として 4 点曲げが再現されているかどうかを確認するために、ダミー試験体を用いた弾性範囲内での曲げ試験を行った。試験体においても弾性範囲内で試験的に曲げ実験を行い、4 点曲げ状態が再現
1001001005004006A B400500

C Dz500yx (a)zy(b)Fig. 2 防撓箱型梁構造試験体
Table 1 材料定数と細長比ヤング率
降伏応力 αλ(MPa)(MPa)196000201
5 0.808

β1.65124

載荷装置P2000

P
載荷装置

Fig. 3 解析モデル

Fig. 1 実験装置

B214‐1MARINE SYSTEM ENGINEERING /February 2006
座屈による変形が大きくなり、繰り返し曲げを加されていることを確認した後、載荷装置を用いてえると、次第に顕著になる。
原点から上向きの荷重をかけた。試験体が最終強また側面の座屈変形も非常に大きく、4 回目曲度を向かえた後除荷させ、原点まで下がったとこげ時には側面にも全体座屈のような変形が起ころから再び上向きの荷重をかける。この操作を 5り、側面と圧縮面の接合部にクラックが発生した。
回 繰 り 返 し た 後 、 荷 重 点 変 位 が 0mm か ら
Photo 1 に 40 回繰り返し曲げ荷重をかけた時の150mm まで曲げ荷重を加え、繰り返し曲げでのサイドパネルの亀裂の様子を示す。繰り返し曲げ崩壊挙動を見た。
荷重を続けていくとクラックがスティフナを破4.2 ひずみ、荷重、荷重点変位の計測断させながら成長していき、サイドパネルに崩壊挙動のメカニズムを見るために、歪、荷重、Photo 1 のような亀裂が入り、下面パネルにも同荷重点での変位を計測した。歪ゲージの貼付位置
じように亀裂が入った。このような状態になるとは Fig. 2 に A〜D で示すように試験体中央部上崩壊挙動はあまり変化しなくなる。これは圧縮面下面スティフナ間パネル 4 箇所である。ここは、の部分がすべてジャックナイフ形の崩壊を起こ
非線形有限要素法による解析結果において最もし、引張、圧縮により亀裂が入り、それ以上変形変形が大きくなったところで、最も早く座屈が発が起こりづらくなっているからであると考えら生すると考えられる場所である。
れる。
4.3 実験結果
Fig. 4 (a) に繰り返し曲げ荷重を与えたときの5. 結言
本研究では繰り返し曲げを受ける防撓箱型断荷重〜荷重点変位関係を示す。横軸は荷重点変位、面梁構造の崩壊挙動を明らかにするために、小型縦軸は荷重であり、横軸に平行な点線は解析モデ
模型を用いて実験を行い、以下の知見を得た。
ルに曲げを加えたときの非線形有限要素法での(1)試験体は圧縮面に全体座屈を、側面に局部座最終強度である。
屈を伴い最終強度となった。
Fig. 4 (a) の 1 回目ではまず座屈により剛性が(2)ジャックナイフ型の崩壊が起こり、圧縮面、低下し、最終強度をむかえていることがわかる。
側面パネルに破断が見られるようになり崩壊挙最終強度時での試験体には圧縮面である下面に動はあまり変化しなくなった。
全体座屈が、側面には 3 半波の局部座屈がみられ(3)今後はさまざまな断面について繰り返し曲げた。また最終強度は非線形有限要素法による解析実験を行い、測定点をさらに増やし、崩壊挙動を値とおおよそ一致していた。2 回目曲げ以降は座明らかにしていきたい。
屈変形がさらに大きくなり、徐々に剛性が低下していった。同時に最終強度も低下していった。
6. 参考文献
1) 神山哲也：”繰り返し曲げを受ける船体断面模Fig. 4 (b) は 6 回以上曲げを加えたときの荷重型の崩壊挙動に関する実験装置の設計・製作”〜曲げ回数関係である。縦軸は荷重であり、横軸
平成 14 年度大阪府立大学卒業論文は繰り返し曲げ回数である。繰り返し曲げ荷重を–6–6ε(×10 )ε (×10 )続けていくと 0mm 時、150mm 時の荷重の絶対A B値が低下していき、試験体の荷重保持能力が徐々に低下していることがわかる。
C D
Fig. 5 に歪〜荷重点変位関係を示す。縦軸は歪、横軸は荷重点変位である。B は上面パネルでの関係であり、D は下面パネルでの関係である。B とD を比較してみると圧縮面となる下面パネルのD 荷重点変位δ(mm)B 荷重点変位δ(mm)Fig.
5
上面、下面での歪〜荷重点関係
P(kN)
P(kN)
：1回目
：2回目：3回目
：4回目
：5回目

40000

0

：1回目
：2回目
：3回目
：4回目
：5回目

–2000020000–4000000100

0FEMでの最終強度
50

最終強度の比較
実験値
FEM60.41kN 57.26kN

50○：荷重点変位 150mm時荷重●：荷重点変位 0mm時荷重

00
：1回目
：2回目
：3回目
：4回目
：5回目
0100

(a)荷重点変位δ(mm)–50

2040(b) 繰り返し曲げ回数(6回〜)

Photo 1 サイドパネルの亀裂

Fig. 4 荷重と変位、実験回数の関係

B214‐2100