JP3553187B2 - 圧縮軸力抵抗部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、圧縮軸力の抵抗力を増加させた圧縮軸力抵抗部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧縮力を受ける構造部材は、例えば図９に示すように真直ぐな１本の主部材１の構造形式（タイプＡという）および、平行な２本の主部材１をつなぎ材２で結合する構造形式（タイプＢという）が主である。これは多くの文献、例えばHandbook of Structural Stability（C.R.C of Japan編集、コロナ社刊、１９７１年）に基本知識として示されている。このような構造形式の主部材１を製作する場合、初期変形あるいは、初期たわみが全く生じないように製作することは不可能であり、部材がある程度の初期変形を持つことは避けられない。つまり、この初期変形は部材の最大強度（最大抵抗力）や変位挙動に大きな影響を及ぼすことになる。部材の最大強度は部材の細長さに反比例し、この比が大きくなると最大強度も小さくなる。また、荷重の増加とともに外側にたわむ量が大きくなるという欠点がある。
【０００３】
平行な２本部材（主部材１）をつなぎ材２で結合する構造については、前述のようにHandbook of Structural Stabilityその他多くの文献に記載されているが、主部材同士を結合する方法や、つなぎ材２と主部材１との交点の条件等で種々の形式が考えられる。例えば、単に平行に複数のつなぎ材２をかけ渡す方法や、斜めに交差して結合する方法がある。また、主部材１とつなぎ材２の交点を当該つなぎ材２が自由に回転できる方法（ヒンジ）や、しっかり固定（剛結）する方法等がある。図１０は、図９に示したタイプＡおよび、タイプＢの構造形式において、つなぎ材２の本数や結合方式が圧縮最大荷重に及ぼす解析解を示す。
【０００４】
図１０において、荷重Ｐは、図９に示すタイプＡの両端ヒンジの１本柱に対して、数式１で得られる座屈荷重Ｐ_E とよばれる荷重を用いてすべて無次元化して表している。
【０００５】
図１０において、両端ヒンジの１本部材の柱（図９のタイプＡ）と同じ曲げ剛性で、同じ初期変形を持つ２本の平行な構造形式（図９のタイプＢ）は、図１０に示すように、ヒンジ端３（図９に示す）のつなぎ材２で結合し、つなぎ材２の本数を変化させても最大荷重はタイプＡの場合と変わらない。また、外側にたわむ量も荷重とともに大きくなる欠点がある。
【０００６】
なお、数式において、ｎ＝１が最小の座屈荷重となり、図１０に示すように理論解とタイプＡから得られた解析解は、ほぼ最大荷重（Ｐmax／Ｐ_E ）＝１となり一致する。
【０００７】
【数１】

【０００８】
また、つなぎ材２の端部を固定（剛結）にするとヒンジ端より多少効果があることが図１０よりわかる。しかし、両者を結合する場合には、つなぎ材２端部に曲げやせん断など複雑な断面力が生じることから、部材設計も難しくなる欠点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の課題を解決して、構造体の圧縮軸力の最大抵抗を増大させ、かつ外側にたわむ量も小さくすることが可能な圧縮軸力抵抗部材を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するため本発明に係る圧縮軸力抵抗部材は、２本の互いに外側に１回のみ湾曲した曲線形状を持つ不平行材が、少なくとも２本以上のつなぎ材でヒンジ結合され、不平行材の端部は全てヒンジ結合からなることを特徴とする。また、前記つなぎ材として斜材を用いたトラス形式の圧縮軸力抵抗部材とし、さらにまた、中心にある直線の主部材と不平行材をつなぎ材で結合した圧縮軸力抵抗部材とするとよく、このように構成すると、抵抗力を高めるために一層有効である。
【００１１】
（実施例）
（実施例１）
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の構造体の平面モデルの一例を示す。同図において、タイプＣは、２本の放射線形状を持つ端部がヒンジ結合からなる不平行材４を３本のつなぎ材２でヒンジ結合した形式の構造体であり、タイプＤは、タイプＣの部材両端部を結合した形式の構造体であり、タイプＥは、中心にある直線の主部材１と不平行材４の曲がり材と、つなぎ材２で結合した形式の構造体である。図中、ＥＩはモデルの曲げ剛性を示す。
【００１２】
図２（ａ），（ｂ）はモデルの座標系と断面図を示したもので、図３はモデルが持つと予想される初期たわみ形状と最大たわみ量Ｖ0 を示す。半波と、一波Ａの最大初期たわみ量は部材長Ｌの１／１０００とした。材料は弾性部材であり、主部材１の端部はすべてヒンジ端３としている。なお解析モデルで使用した諸元を表１に示すが、両部材の間隔はａ＝５ｃｍ、ｆ1 とｆ2 はアーチライズを表す。なお、以下の面外たわみ量とは図２でｙ方向のたわみ量であり、Ｌ／ｒは細長比で、ｒは断面二次半径である。
【００１３】
【表１】

【００１４】
細長比Ｌ／ｒが２００と４００のタイプＣにおいて、曲がり材のアーチライズｆ₁ を０．０５Ｌ〜０．１５Ｌ、つなぎ材の本数を３〜１１と変化させた場合の最大荷重（Ｐ max ／Ｐ _E ）の結果を示したのが図４である。つなぎ材２の本数が１１本程度あれば、ほぼ両端ヒンジの１本柱（図９のタイプＡ）の座屈荷重の４倍近くに達することがわかる。このＰmax ／Ｐ_E の４は数式１のｎ＝２の強度に対応しており、このときの座屈モードは、二次の逆対称モードになる。つまり、数本以上のつなぎ材で簡単に結合した場合の最大荷重は、曲がり材のアーチライズやある程度のつなぎ材があれば十分強度向上が望め、それは１本柱の４倍近くに達することがわかる。
【００１５】
また、最大荷重をさらに上げることは容易にでき、図５（ａ）または（ｂ）に示すように斜材５をトラス形式に入れればよい。つまり、二次の逆対称座屈モードを生じないように中央部のＸ軸方向変位を拘束することを考えればよいので、非常に簡単である。図５に示す例では、（ａ）の場合に最大荷重がＰ max ／Ｐ _E＝９．３、（ｂ）の場合には、最大荷重が１１．６となった。
【００１６】
図６（ａ），（ｂ）は、タイプＡ，Ｂ，Ｃで、つなぎ材２の本数が３本と１１本の時の荷重と、面外方向のたわみ量の関係を示したもので、各タイプの変形挙動の特徴がよく表われており、特に、タイプＣが面外たわみ量も小さく、かつ最大荷重が大きくなっている様子が示されている。
【００１７】
（実施例２）図７は、本発明の第２実施例であり、実験モデルの座標系と断面図を示している。第 １実施例では解析を行って、その最大強度や挙動から本発明の特徴を調べたが、本実施例では実際に鋼材でモデルを製作し、実験挙動を調べたものである。ここで用いたモデルの諸元を表２に示す。なお、実験ではタイプＢとタイプＣ１（ｆ₁／Ｌ＝０．０２）、タイプＣ２（ｆ₁ ／Ｌ＝０．０４）の計３タイプのモデルを使用している。なお、つなぎ材２は表２に示すように３〜１１本に変化させた。つなぎ材２の断面積は不平行材の１／１０とした。
〔以下余白〕
【００１８】
【表２】

【００１９】
実験で得られた最大荷重を表３に示す。解析結果と同様にタイプＣは、ほぼ両端ヒンジ柱の座屈荷重の４倍近くに達していることがわかる。このときの座屈モードを図８に示すが、座屈モードも解析の結果と同様に二次の逆対称モードになっていることが確認できる。
【００２０】
【表３】

【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構造体は、２本の外側に１回のみ湾曲した曲線形状を持つ不平行材が、少なくとも２本以上のつなぎ材でヒンジ結合され、不平行材の端部は全てヒンジ結合からなる形式としているので、従来の平行材からなる構造体と比べて、構造体の最大圧縮抵抗力（圧縮荷重）を大幅に増大させることが可能となり、かつ、外側にたわむ量を著しく小さくすることができる。特に、つなぎ材として斜材を用いるトラス形式の構造体にすれば、最大圧縮荷重を著しく増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の構造体で、平面モデルの一例を示す図である。
【図２】図１の平面モデルの断面図と部材の座標形状を示す図である。
【図３】平面モデル（１本及び２本）が持つと予想される初期変形形状を示す図である。
【図４】図１のタイプＣモデルにおいて、アーチライズやつなぎ材の本数を変化させた場合の最大荷重を示す図である。
【図５】曲がり部材の中央部分に斜材を入れたつなぎ形式の構造体の平面モデル図である。
【図６】タイプＡ，Ｂ，Ｃのモデルにおいて、つなぎ材の本数が３本と１１本の時の荷重と面外たわみ量の関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例である実験モデル図である。
【図８】本発明の第２実施例の実験で得られたタイプＢ，Ｃの座屈モードを示す図である。
【図９】従来の１本柱及び平行な２本柱の構造体の一例を示す図である。
【図１０】従来の１本柱及び平行な２本柱の構造体における荷重とたわみ量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 主部材
２ つなぎ材
３ ヒンジ端
４ 不平行材
５ 斜材
Ｌ 部材長
ｒ 断面二次半径
ａ 部材間隔
ｆ₁ ，ｆ₂ アーチライズ
ｖ たわみ量
ＥＩ 曲げ剛性
Ｐ_m 圧縮荷重
Ｐ_E 座屈荷重

Claims (3)

1. ２本の互いに外側に１回のみ湾曲した曲線形状を持つ不平行材が少なくとも２本以上のつなぎ材でヒンジ結合され、該不平行材の端部は全てヒンジ結合からなることを特徴とする圧縮軸力抵抗部材。
2. 前記つなぎ材として斜材を用いるトラス形式の請求項１に記載の圧縮軸力抵抗部材。
3. 中心にある直線の主部材と、前記不平行材とを前記つなぎ材で結合した形式の請求項１に記載の圧縮軸力抵抗部材。

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