2017 Fiscal Year Annual Research Report
鋼構造薄板化部材の実条件考慮型安定性評価と適用拡大志向型設計手法
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17H03338
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
五十嵐 規矩夫 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 教授 (40242292)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 公亮 東北大学, 工学研究科, 助教 (50788510)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 建築構造 / 鋼構造 / 座屈 / 薄板 / 境界条件 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，薄板化鋼構造部材の終局状態における実保有性能の評価とその合理的な設計法を確立することを目的とし，その成果を応用することで，薄板の利用促進，市場拡大に繋げるための実用化を図るものである．具体的には，構成板要素が薄板化された鋼構造部材は，座屈不安定現象により部材の保有性能が左右されることから，その挙動を把握，解明するために，載荷実験を基本としつつ，数値解析による詳細な検討を行い，弾性座屈耐力から終局耐力算定までの新たな薄板部材設計法を提案するものである．さらには，薄板化鋼構造部材の不安定性状に大きな影響を及ぼす部材が取り付く箇所の形状・境界条件および補剛スチフナ等の関係性に言及し，より合理的な薄板化鋼構造部材の開発,周辺部材との関わりを考慮した合理的な設計法の確立を目指すものである．
以上の目的のため，初年度である平成29年度は，部材構成板要素の形状に見合った許容耐力並びに終局耐力設計法の合理化に向けた検討のために，以下の２つのサブテーマを検討した．１)薄板H形断面構成板要素の弾性局部座屈後挙動と終局耐力設定法，２)部材端部形状が局部座屈性状に及ぼす影響と塑性ヒンジ保有性能の評価，である．
薄板構造部材の合理的な設計に向けて，サブテーマ１)では，薄板からなる鋼構造梁の予測崩壊座屈モードとして，フランジ局部座屈，ウェブ局部座屈，それらの連成局部座屈の3つの領域が設定できることを示した上で，構成板要素の幅厚比および応力状態を考慮した詳細な弾性局部座屈耐力および終局耐力算定を行った．
また，部材端部には局部座屈と異なる要因から様々な形状が用いられる実状を踏まえて，サブテーマ２)では，部材端部の構成板要素形状が局部座屈耐力に与える影響を検討した．鋼構造部材の梁端部形状が力学性状に及ぼす影響を整理し，簡易設計が行えるように通常部材との対応が簡便に行える算定手法を提案している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度は，部材構成板要素の形状に見合った許容耐力並びに終局耐力設計法の合理化に向けた検討として，１)薄板H形断面構成板要素の弾性局部座屈後挙動と終局耐力設定法，２)部材端部形状が局部座屈性状に及ぼす影響と塑性ヒンジ保有性能の評価，を研究テーマとして行った．
「薄板H形断面構成板要素の弾性局部座屈後挙動と終局耐力設定法」(サブテーマ１)では，H形断面構成板要素が弾性座屈した後の部材挙動に着目し，その終局状態を明確にした上で終局耐力設計手法の基礎データを得た．H形断面構成板要素特にウェブ板要素が極薄い場合の座屈特性および終局状態を解明するための数値解析を実施した．検討パラメータは，構成板要素の板厚，材長である．試験体の予測崩壊座屈モードは，フランジ局部座屈，ウェブ局部座屈，それらの連成局部座屈の3つの領域になるように設定した．その結果から，座屈後耐力に期待する簡便な終局耐力算定法を示すことができた．また，これらの成果を確認するための，載荷実験を計画し，試験体を製作した．
「部材端部形状が局部座屈性状に及ぼす影響と塑性ヒンジ保有性能の評価」(サブテーマ２)では，梁端破断を回避する目的で良く使用される梁端部フランジ拡幅タイプのH形断面梁に対して，梁端部応力状態に及ぼす拡幅形状の影響および弾性座屈耐力との関係性を明らかにした．その上で，梁端部が拡幅されていない通常形状の部材耐力算定式を応用できるように，局部座屈耐力換算手法を提案している．
平成29年度のサブテーマの他にも，次年度以降に行う予定であるサブテーマ「部材端部スチフナ補剛による部材保有性能の向上効果とその設計手法」および「部材接合方式に起因する座屈性状の定量的評価とその設計手法」に関連した予備的検討も進めており，次年度以降に向けた準備も整っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度に計画している本研究のサブテーマは，「部材端部形状が局部座屈性状に及ぼす影響と塑性ヒンジ保有性能の評価」(サブテーマ２)，「部材端部スチフナ補剛による部材保有性能の向上効果とその設計手法」(サブテーマ３)，「部材接合方式に起因する座屈性状の定量的評価とその設計手法」(サブテーマ４)である．サブテーマ２)については，平成29年度からの継続テーマであり，サブテーマ３)，４)は平成30年度からの新規テーマであるが，一部はすでに平成29年度に予備検討を終えている．
サブテーマ２)では，平成29年度に実施した梁端部フランジ拡幅タイプの座屈性状検討に加え，梁端部ウェブテーパーを有するタイプの座屈性状を検討する．両タイプの梁端部形状に対して，網羅的な数値解析を通して，それらが梁の力学性状に及ぼす影響を整理し，塑性変形性能評価までも含めた簡易設計が行えるように，端部形状および接合部形状に応じて座屈耐力および塑性変形能力を評価する．
また，サブテーマ３)では，部材端部のみをスチフナ補剛することにより，部材の塑性変形能力向上を図ることを目的とする．この基本的な考え方は，昨年度の事前検討で明らかになっており，さらなるスチフナ設計の定量化，合理化を目指した検討を進める．例題的な載荷実験および網羅的な数値解析を通して，部材構成板要素との関係で適切なスチフナ配置，剛性，長さを決定するための設計法を提示する．
さらに，近年ではエンドプレートによるボルト接合形式などのように，部材間に様々な接合形式が用いられる．この部材単独では扱えない接合条件が局部座屈に基づく部材端部塑性ヒンジ性能および端部接合部形式が梁の横座屈性能に及ぼす影響をサブテーマ４)において検討する．ここでは，接合部形式に見合った周辺部材の座屈設計法を検討する．
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