鋼床版で補剛した木質桁の耐荷力

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650469
• 研究機関: 秋田大学
• 研究代表者: 薄木 征三 秋田大学, 工学資源学部, 教授 (50006681)
• 研究分担者: 佐々木 貴信 秋田県立大学, 木材高度加工研究所, 講師 (00279514)
• キーワード: 集成材 / 鋼床版 / エポキシ樹脂 / 挿入鋼板 / 合成梁 / 降伏モーメント / 終局モーメント

研究概要

1.二軸対称上下垂直挿入鋼板形集成材梁の曲げ耐荷力
矩形断面集成材梁の上下面に梁内部へ向かって垂直にスリット加工を行い、スリットにエポキシィ樹脂を注入した後、これに鋼リブ(鋼板)を挿入して接着接合した梁の曲げ耐荷力を算定できる簡易な公式を導いた。基本としているのは古典的な合成梁の理論であるが、これを挿入鋼リブ外縁が塑性状態に達し、さらに鋼リブ内部へ塑性域が進展し、最後は集成材梁が曲げ強度に達して梁下縁から脆性破壊に達するまでをシミュレイションできる梁理論を提示した。概要は以下の通りである。
(1)特定モーメント
挿入鋼リブ外縁がその鋼材の降伏点に達する曲げモーメントを降伏モーメントと定義する。この時隣接する集成材のひずみの大きさは、合成梁理論により鋼リブ外縁のそれと同じ大きさだが、集成材のヤング係数は鋼材の1/10〜1/30であり、かつ曲げ強度は鋼材の降伏点の数分の1に過ぎない。よって鋼材が降伏点に達しても集成材は弾性状態にある。
断面の曲げモーメントを、降伏モーメントを越えてさらに漸増させてゆくと、ついには鋼リブ全体が塑性状態に達する。
このモーメントをリブ全塑性モーメントと称す。しかし集成材は以前として弾性状態にあるため、さらなる曲げモーメントの増加に耐える。そしてついには集成材の上下縁の曲げ応力が曲げ強度に達した瞬間に引張り縁から劇的曲げ脆性破壊を生じ、耐力を失う。このモーメントを終局モーメントと称す。鋼リブ外縁が許容応力度に達するときのモーメントを許容モーメントと称することにすると、鋼種がSM450Y、集成材がベイマツの場合で典型的な断面寸法の梁では、以上の4種のモーメントの比は、許容:降伏:リブ全塑性:終局=1:1.7:2.3:2.6となる。
(2)たわみ
典型的載荷状態として2点集中載荷単純ばりを取りあげ、鋼リブが弾塑性状態にあるときの、スパン中央点のたわみの求め方を仮想仕事の原理を用いて示した。すなわちスパン中央点の断面が降伏モーメント、リブ全塑性モーメント、終局モーメントおよびこれらの中間モーメントにある場合の、スパン中央点のたわみの求め方を提示した。このとき集成材のせん断ひずみは無視できなく、全たわみの20数%を占めることを明らかにした。
2.鋼床版で補剛したダブルビームの曲げ耐荷力
スパン15m、幅員5mの鋼床版で補剛したダブルビームを、A活荷重に対して試設計して断面寸法を決定した。ベイマツ集成材をダブルビームとして採用すると桁幅22cm×2に対して桁高90cmを得た。よって桁高/スパン≒1/17となり、通常のプレートガーダー程度のアスペクト比が得られ、ダブルビーム形式を採用する効果が顕著に現れた。鋼床版はUリブを縦リブとするが、集成材ばりと合成される部分(2ヶ所)は平リブとなる。集成材ばり下部も鋼平リブがエポキシィ樹脂で接着接合される。有効幅を考えて、この実橋の1/3模型を製作し、一点集中載荷試験を行い曲げ耐荷力を検証した。
結果の概要は以下のようである。
(1)耐荷力
模型1と模型2の2体の試験を行った。後者は載荷点の構造が前者を改良した形となっている。模型1のスパン中央点が終局曲げモーメントに到達する予想荷重は22.1tfであり、これに対して実験値は21.9tfであった。また終局時のスパン中央点のたわみは、49.5mmと予想されたが、実験値は59.5mmとなり、予想値を20%上回った。同様に模型2の予想破壊荷重22.1tf(模型1と同一寸法、同一材料の模型)に対し、実験値は24.2tfであり、たわみも49.5mmに対して62.0mmと予想値を25%上回った。すなわちいずれの実験値もたわみに関して予想値を20%以上上回っており、荷重-変位関係の非線形性が顕著である。この原因についてはなお究明中である。
(2)ひずみ
スパン中央付近の下鋼リブが全塑性状態(荷重強度13.3tf)に達するころから鋼リブのひずみ値はほぼ一定(ε≒2600マイクロ)となり、隣接する集成材のひずみ値から乖離する現象が観察された。つまりある程度鋼リブの塑性化が進展すると、鋼リブと集成材の合成桁作用は弱まり、異なった挙動をすることが推察される。この理由は明確になっていないが、曲げ脆性破壊後の鋼リブには接着剤のみの部分が多く、集成材の木破率は小さい。すなわち接着剤が十分その機能を発揮しているとは言えず、接着剤の種類を含めて今後の課題として残された。

研究成果

• [文献書誌] 薄木征三, 佐々木貴信他2名: "集成材・鋼床版ハイブリット桁リブ鋼板のせん断応力度"構造工学論文集. Vol.47A. 1223-1227 (2001)
• [文献書誌] 薄木征三, 佐々木貴信他2名: "坊中橋の製作・架設-鋼・集成材ハイブリット木橋-"木橋技術に関するシンポジウム論文報告集. 1-10 (2001)
• [文献書誌] 佐々木貴信, 薄木征三他1名: "鋼・集成材ハイブリット木橋の載荷実験とモニタリング"木橋技術に関するシンポジウム論文報告集. 11-14 (2001)
• [文献書誌] 畠山健治, 薄木征三他1名: "鋼・集成材ハイブリット連続桁の中間支点近傍の弾塑性挙動"木橋技術に関するシンポジウム論文報告集. 15-18 (2001)
• [文献書誌] Sasaki, T., Usuki, S.: "Field Experiment of a Hybrid Timber-Steel Deck Roadway Bridge"IABSE Conference on Innovative Wooden Structures and Bridges. 181-186 (2001)
• [文献書誌] 薄木征三, 後藤文彦他1名: "挿入リブ鋼板で補剛した集成材の曲げ耐荷力"構造工学論文集. Vol.49A(登載決定). (2003)