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2017
05.24

ヒンジの回転能力とは?

Category: 用語
前回の記事で部材の破断について書いた序に鋼構造物の塑性ヒンジの「回転能力」について触れておこう。

部材の破断を免れてもヒンジが安定的に回転してくれなければ想定通りの崩壊形にはならない。回転能力とは読んで字の如くヒンジが安定的に回転する能力のことである。

構造物が崩壊機構を形成するまでヒンジが順次形成されるわけだから、一番初めにできたヒンジは最後のヒンジができるまで頑張らなくてはならない。一番初めに生まれたヒンジは大変である。

橋梁のように比較的不静定次数が低い構造物とビルのように不静定次数が大きな構造物のヒンジでは要求される回転能力も異なると言えそうである。ヒンジは自分が生まれ落ちたコミュニティー(?)に応じて、時に理不尽さに耐えつつ役割を果たさなくてはならないのである。

余談はこのくらいにして AISC LRFD(文献 1)に示される回転能力の説明部分を以下に示そう(拙訳と原文)。

回転能力: 与えられた断面形が局部破壊するまでに受容可能な増分回転角であり、R = (θup) - 1 で定義される。ここに、θu は係数倍荷重到達時までに得られる総回転であり、θp は M = Mp に弾性論を適用して得られる回転である。

Rotation capacity: The incremental angular rotation that a given shape prior to local failure defined as R = (θup) - 1 where θu is the overall rotation attained at the factored load state and θp is the idealized rotation corresponding to elastic theory applied to the case of M = Mp.

AISC LRFD では、圧縮材と曲げ材の断面は、フランジやウェブの幅厚比に基づいてコンパクト断面、ノンコンパクト断面、スレンダー要素断面といった断面にランク分けされる。コンパクト断面とノンコンパクト断面の境界は回転能力が 3 に相当するものとして規定されている。

はりであれば横補剛間隔もヒンジの回転能力に影響する因子である。鋼構造塑性設計指針(初版)の"5.2 横方向補剛材の間隔"には以下のような記述がある(文献2、p.90)。

曲げモーメントが低下しはじめるときの回転角を θmax とし、R = (θmaxp) - 1 を回転能力を表す係数とし、....

「回転能力」という用語はこちらに倣ったものだが、この言葉は現在では使われない方向にあるようである。最近改定されたばかりの鋼構造塑性設計指針(第3版)(文献 3)の上記の部分は書き換わっており、回転能力という言葉は出てこない。また、"1.8 用語"に出ている関連用語を示すと以下の通り。

塑性率:外力により塑性化した部材の変形(回転角)を全塑性耐力時の弾性変形(回転角)で除した値。

塑性変形倍率:部材の塑性率から弾性成分を減じた値であり、本指針では、完全弾塑性部材を考慮して弾性成分は 1.0 とする。


第1章の"1.5 塑性設計の耐震設計への適用"では、鋼構造塑性設計指針に従うと塑性変形倍率は3以上が確保されることが謳われている。

本指針の2版においては、各制限値を満足することで単調載荷時の塑性変形倍率 R がおおむね3以上となることが確認できており、3版においても基本的にその制限値を示している。

"2014 年度 鋼構造塑性設計小委員会 第2回 議事録(案)"には以下のような推敲についての記述がある。

「変形性能」と「変形能力」の表現については、「変形性能」に用語を統一する。

これは、同じ意味で言い回しが異なっていて混乱するというコメントに答えたものである。

こちらは座屈指針の方だが(2015 年度 第4回 鋼構造座屈設計小委員会 議事録)、委員の間でこれらの用語について認識の統一が図られたことが記されている(5章についてのコメント)。

p.25, 16行目の「塑性変形能力を塑性率と呼ぶこともあるが,・・・」は塑性変形能力 = R, 塑性率 = μ で, 同じではないと思います。また、R は塑性変形倍率ではないでしょうか? → 塑性率は μ, 塑性変形倍率 R = μ - 1, 塑性変形能力は広義の表現。

議事録を読むと、指針の記述がどのような議論を経て定まってきたかが分かってなかなか面白い。


参考文献

  1. AISC Manual of Steel Construction: Load and Resistance Factor Design, Second Edition, LRFD, 2nd Edition, Volume I Structural Members, Specifications, and Codes, 1994

  2. 日本建築学会 : 鋼構造塑性設計指針 1975

  3. 日本建築学会 : 鋼構造塑性設計指針 第3版 2017




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