JP2017066700A

JP2017066700A - 桁構造体

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Publication number: JP2017066700A
Application number: JP2015192604A
Authority: JP
Inventors: 幸太郎猪瀬; Kotaro Inose; 謙二郎山岸; Kenjiro Yamagishi; 理絵坂元; Rie Sakamoto; 山田　順子; Junko Yamada; 順子山田; 直幸松本; Naoyuki Matsumoto; 弘人山岡; Hiroto Yamaoka
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP6558185B2

Abstract

【課題】桁構造体であって、より軽量化が可能なことである。【解決手段】曲げ荷重が負荷される桁構造体１０は、金属材料で形成される金属部材１２と、金属部材１２と接合され、金属部材１２と縦弾性係数が異なり、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材１４と、を備え、金属部材１２と複合材料部材１４とにおいて、縦弾性係数が大きい方の部材が圧縮側に配置され、縦弾性係数が小さい方の部材が引張側に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、桁構造体に係り、特に、曲げ荷重が負荷される桁構造体に関する。

従来、船舶上部工、橋梁、運搬機、海洋構造物等の構造物には、鋼材等の金属材料で形成された桁構造体が用いられている。特許文献１には、橋梁、海洋構造物等に鋼桁を用いることが記載されている。

特開２０１３−１８９８４５号公報

ところで、近年、橋梁、海洋構造物等の構造物が大型化するのに伴って、運搬や作業性等を向上させるために、桁構造体を軽量化することが求められている。

そこで本発明の目的は、より軽量化が可能な桁構造体を提供することである。

本発明に係る桁構造体は、曲げ荷重が負荷される桁構造体であって、金属材料で形成される金属部材と、前記金属部材と接合され、前記金属部材と縦弾性係数が異なり、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材と、を備え、前記金属部材と前記複合材料部材とにおいて、縦弾性係数が大きい方の部材が圧縮側に配置され、縦弾性係数が小さい方の部材が引張側に配置されることを特徴とする。

本発明に係る桁構造体は、前記金属部材と前記複合材料部材との接合部の位置と、中立軸の位置とのズレ量が、前記金属部材と前記複合材料部材とを合わせた高さの１／４以下であることを特徴とする。

本発明に係る桁構造体において、前記接合部の位置と、中立軸の位置とが同じであることを特徴とする。

上記構成によれば、桁構造体の一部を、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材で構成することにより、桁構造体をより軽量化することが可能となる。

本発明の実施の形態において、桁構造体の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態において、曲げ荷重が負荷されたときの桁構造体を示す図である。本発明の実施の形態において、桁構造体の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態において、実施例１の桁構造体モデルを示す断面図である。本発明の実施の形態において、実施例２の桁構造体モデルを示す断面図である。本発明の実施の形態において、実施例１、２の桁構造体モデルへの曲げ荷重の負荷方法を示す図である。本発明の実施の形態において、実施例１の桁構造体モデルの解析結果を示すグラフである。本発明の実施の形態において、実施例２の桁構造体モデルの解析結果を示すグラフである。

以下に本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、桁構造体１０の構成を示す斜視図である。

桁構造体１０は、金属材料で形成される金属部材１２と、金属部材１２と接合され、金属部材１２と縦弾性係数が異なり、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材１４と、を備えている。桁構造体１０は、例えば、図１に示すようにＩ桁で構成されている。桁構造体１０は、船舶上部工、橋梁、運搬機、海洋構造物等の構造物に用いられ、曲げ荷重が負荷される。

金属部材１２は、フランジ１２ａと、フランジ１２ａと一体的に形成されたウエブ１２ｂと、を有している。金属部材１２は、例えば、鉄鋼材料（炭素鋼、ステンレス鋼等）、アルミニウム材料（アルミニウム合金等）、チタン材料（チタン合金等）、ニッケル材料（ニッケル合金等）等の金属材料で形成されている。金属部材１２は、一般的な金属材料の機械加工、溶接加工等で形成することができる。金属部材１２の縦弾性係数については、使用する金属材料の種類や、熱処理条件等により調整することが可能である。

複合材料部材１４は、フランジ１４ａと、フランジ１４ａと一体的に形成されたウエブ１４ｂと、を有している。複合材料部材１４は、金属部材１２と接合され、金属部材１２と縦弾性係数が異なり、繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）で形成されている。繊維強化樹脂複合材料は、金属材料よりも比重が小さく、比強度が大きいので、桁構造体１０を軽量化することができる。

繊維強化樹脂複合材料は、強化繊維と、マトリックス樹脂とから構成されている。強化繊維には、例えば、炭素繊維、アラミド繊維等の有機繊維、ガラス繊維等を用いることができる。マトリックス樹脂には、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。

複合材料部材１４は、例えば、一般的な繊維強化樹脂複合材料の成形方法で成形することができる。このような成形方法には、例えば、プリプレグを積層した後にオートクレーブ等で樹脂硬化して成形する方法や、織物で形成したプリフォームを金型に入れ、このプリフォームに樹脂含浸して硬化するＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）法等を適用可能である。

複合材料部材１４の縦弾性係数については、例えば、繊維強化樹脂複合材料の強化繊維、繊維含有率、繊維の配向等を変えることにより調整することができる。複合材料部材１４の縦弾性係数を大きくする場合には、例えば、高弾性率繊維（例えば、高弾性率タイプ炭素繊維）からなる強化繊維を用いたり、繊維含有率を大きくすればよい。また、複合材料部材１４の縦弾性係数を小さくする場合には、例えば、中弾性率繊維（例えば、中弾性率タイプ炭素繊維）、低弾性率繊維（例えば、低弾性率タイプ炭素繊維）からなる強化繊維を用いたり、繊維含有率を小さくすればよい。

金属部材１２と複合材料部材１４との接合部１６は、例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂からなる接着剤で接合して形成することができる。桁構造体１０に曲げ荷重が負荷されると、金属部材１２と複合材料部材１４との接合面には、せん断応力が発生する。このため、金属部材１２と複合材料部材１４とを接合する接着剤には、このせん断応力に耐えることが可能な接着強度を有するものを用いるとよい。

金属部材１２と複合材料部材１４とにおいて、縦弾性係数が大きい方の部材が圧縮側に配置され、縦弾性係数が小さい方の部材が引張側に配置される。オイラーの座屈荷重（座屈荷重が、部材の縦弾性係数に比例する）等から明らかなように、縦弾性係数が大きい部材は、縦弾性係数が小さい部材よりも耐座屈特性が優れている。また、縦弾性係数が小さい部材は、縦弾性係数が大きい部材よりも伸び易く、引張特性に優れている。これらの理由から、金属部材１２と複合材料部材１４とにおいて、縦弾性係数が大きい方の部材を圧縮側に配置し、縦弾性係数が小さい方の部材を引張側に配置することで、桁構造体１０の圧縮側では局部座屈破壊を抑制すると共に、桁構造体１０の引張側では引張破壊を抑制することができる。

図２は、曲げ荷重が負荷された桁構造体１０を示す図であり、図２（ａ）は、金属部材１２の縦弾性係数が、複合材料部材１４の縦弾性係数より大きい場合を示す図であり、図２（ｂ）は、金属部材１２の縦弾性係数が、複合材料部材１４の縦弾性係数より小さい場合を示す図である。

図２（ａ）に示すように、金属部材１２の縦弾性係数が、複合材料部材１４の縦弾性係数より大きい場合には、金属部材１２が圧縮側に配置され、複合材料部材１４が引張側に配置される。金属部材１２の縦弾性係数が、複合材料部材１４の縦弾性係数より大きい場合には、金属部材１２は、複合材料部材１４よりも耐座屈特性が優れており、複合材料部材１４は、金属部材１２よりも引張特性が優れている。このため、桁構造体１０の圧縮側に金属部材１２を配置して局部座屈破壊を抑制すると共に、桁構造体１０の引張側に複合材料部材１４を配置して引張破壊を抑制することができる。

図２（ｂ）に示すように、金属部材１２の縦弾性係数が、複合材料部材１４の縦弾性係数より小さい場合には、金属部材１２が引張側に配置され、複合材料部材１４が圧縮側に配置される。金属部材１２の縦弾性係数が、複合材料部材１４の縦弾性係数より小さい場合には、金属部材１２は、複合材料部材１４よりも引張特性が優れており、複合材料部材１４は、金属部材１２よりも耐座屈特性が優れている。このため、桁構造体１０の圧縮側に複合材料部材１４を配置して局部座屈破壊を抑制すると共に、桁構造体１０の引張側に金属部材１２を配置して引張破壊を抑制することができる。

金属部材１２と複合材料部材１４との接合部１６の位置と、中立軸の位置とのズレ量は、金属部材１２と複合材料部材１４とを合わせた高さの１／４以下であってもよく、接合部１６の位置と、中立軸の位置とが同じ（ズレ量がゼロ）でもよい。接合部１６の位置と、中立軸の位置とのズレについては、接合部１６は、中立軸より引張側にズレていてもよいし、中立軸より圧縮側にズレていてもよい。

図３は、桁構造体１０の構成を示す断面図である。なお、Ｈ_Ｍｅは、金属部材１２の高さを表し、Ｈ_ＦＲＰは、複合材料部材１４の高さを表している。まず、桁構造体１０の中立軸について説明する。中立軸とは、桁構造体１０に曲げ荷重が負荷したときに、桁構造体１０の断面に作用する垂直応力がゼロとなる軸のことである。

金属部材１２と複合材料部材１４との接合部１６の位置が、中立軸の位置と同じであるとき、金属部材１２の断面積をＡ_Ｍｅ、金属部材１２の縦弾性係数をＥ_Ｍｅ、金属部材１２の断面重心位置Ａから中立軸までの距離をＬ_Ｍｅ、複合材料部材１４の断面積をＡ_ＦＲＰ、複合材料部材１４の縦弾性係数をＥ_ＦＲＰ、複合材料部材１４の断面重心位置Ｂから中立軸までの距離をＬ_ＦＲＰとすると、数１に示す関係がある。

接合部１６の位置が、中立軸の位置と同じである場合には、金属部材１２と複合材料部材１４とには、引張応力及び圧縮応力のどちらか一方が作用する。金属部材１２が複合材料部材１４より縦弾性係数が大きく、金属部材１２が中立軸より圧縮側に配置され、複合材料部材１４が中立軸より引張側に配置される場合には、金属部材１２には圧縮応力が作用し、複合材料部材１４には引張応力が作用する。この場合において、金属部材１２に作用する引張応力と、複合材料部材１４に作用する圧縮応力とは、略ゼロになる。

また、金属部材１２が複合材料部材１４より縦弾性係数が小さく、金属部材１２が中立軸より引張側に配置され、複合材料部材１４が中立軸より圧縮側に配置される場合には、金属部材１２には引張応力が作用し、複合材料部材１４には圧縮応力が作用する。この場合において、金属部材１２に作用する圧縮応力と、複合材料部材１４に作用する引張応力とは、略ゼロになる。

このように、縦弾性係数が大きい方の耐座屈特性に優れた部材には圧縮応力が作用し、縦弾性係数が小さい方の引張特性に優れた部材には引張応力が作用し、縦弾性係数が大きい方の部材に作用する引張応力と、縦弾性係数が小さい方の部材に作用する圧縮応力とが略ゼロとなる。このため、桁構造体１０は、金属部材１２及び複合材料部材１４の縦弾性係数に基づいて合理的に構成されており、曲げ荷重が負荷された桁構造体１０において、金属部材１２及び複合材料部材１４を有効に機能させることが可能となる。

接合部１６の位置と、中立軸の位置とがズレている場合には、金属部材１２と複合材料部材１４とのどちらか一方に、引張応力と圧縮応力との両方が作用する。例えば、接合部１６が中立軸より引張側にズレており、金属部材１２が複合材料部材１４より縦弾性係数が大きく、金属部材１２が接合部１６より圧縮側に配置され、複合材料部材１４が接合部１６より引張側に配置される場合には、金属部材１２には圧縮応力と引張応力との両方が作用し、複合材料部材１４には引張応力が作用する。

接合部１６の位置と、中立軸の位置とのズレ量が、金属部材１２と複合材料部材１４とを合わせた高さ（Ｈ_Ｍｅ＋Ｈ_ＦＲＰ）の１／４以下である場合には、接合部１６は、中立軸の近傍に位置している。曲げ荷重が負荷されたときの桁構造体１０の垂直歪は、中立軸の位置で略ゼロとなり、中立軸から離れて外縁側となるほど大きくなる。接合部１６が中立軸の近傍に位置する場合には、金属部材１２の引張歪が小さくなる。このため、縦弾性係数が大きい方の引張特性に劣る金属部材１２に作用する引張応力は小さく、縦弾性係数が小さい方の引張特性に優れた複合材料部材１４が、桁構造体１０に作用する引張応力の大部分を負担する。これにより、曲げ荷重が負荷された桁構造体１０において、金属部材１２及び複合材料部材１４を有効に機能させることができる。

これに対して、接合部１６の位置と、中立軸の位置とのズレ量が、金属部材１２と複合材料部材１４とを合わせた高さ（Ｈ_Ｍｅ＋Ｈ_ＦＲＰ）の１／４より大きい場合には、接合部１６は、中立軸の近傍ではなく、中立軸から離れたところに位置している。このため、金属部材１２の引張歪が相対的に大きくなり、金属部材１２に作用する引張応力も相対的に大きくなる。この場合には、縦弾性係数が大きい方の引張特性に劣る金属部材１２が負担する引張応力が大きくなり、縦弾性係数が小さい方の引張特性に優れる複合材料部材１４が負担する引張応力が小さくなる。これにより、曲げ荷重が負荷された桁構造体１０において、金属部材１２の負担が大きくなると共に複合材料部材１４が十分に活用されてなく、金属部材１２及び複合材料部材１４を有効に機能させることが難しくなる。

このように、金属部材１２と複合材料部材１４との接合部１６の位置と、中立軸の位置とのズレ量を、金属部材１２と複合材料部材１４とを合わせた高さ（Ｈ_Ｍｅ＋Ｈ_ＦＲＰ）の１／４以下とすることにより、曲げ荷重が負荷された桁構造体１０において、金属部材１２及び複合材料部材１４を有効に機能させることが可能となる。

なお、桁構造体１０は、Ｉ桁で構成されていてもよいし、箱桁等で構成されていてもよい。また、桁構造体１０の断面形状は、矩形状だけでなく、他の多角形状でもよいし、円形状等でもよい。

上記構成の桁構造体によれば、金属部材と、金属部材と接合される複合材料部材と、を備えており、桁構造体の一部を、金属材料よりも比重が小さく、比強度が大きい繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材で構成することにより、金属製の桁構造体よりも軽量化することが可能となる。また、上記構成の桁構造体によれば、金属部材を備えているので、他の構造体と溶接等で接合することができる。

上記構成の桁構造体によれば、金属部材と複合材料部材とにおいて、縦弾性係数が大きい方の部材が圧縮側に配置され、縦弾性係数が小さい方の部材が引張側に配置されるので、桁構造体の圧縮側では耐座屈特性が向上し、引張側では引張特性が向上し、曲げ荷重が負荷したときの桁構造体の破壊を抑制することができる。

上記構成の桁構造体によれば、金属部材と複合材料部材との接合部の位置と、中立軸の位置とのズレ量が、金属部材と複合材料部材とを合わせた高さの１／４以下とすることにより、曲げ荷重が負荷された桁構造体において、金属部材及び複合材料部材を有効に機能させることが可能となる。

曲げ荷重下の桁構造体について構造解析を行った。まず、桁構造体の解析モデルについて説明する。図４は、実施例１の桁構造体モデル２０を示す断面図である。実施例１の桁構造体モデル２０には、Ｉ桁を用いた。桁構造体モデル２０の寸法については、長さを１２００ｍｍとし、幅を８０ｍｍとし、高さを１００ｍｍとした。桁構造体モデル２０は、軟鋼で形成した鋼部材２２と、炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）で形成したＣＦＲＰ部材２４とから構成されている。表１に、各部材の材料定数を示す。なお、ＣＦＲＰ部材２４のＥ_ｘ、Ｅ_ｙについては面内方向の縦弾性係数を表しており、Ｅｚについては面外方向（厚み方向）の縦弾性係数を表している。また、ＣＦＲＰ部材２４のＧ_ｘｙ、Ｇ_ｘｚ、Ｇ_ｙｚについては、せん断弾性係数（横弾性係数）を表している。

桁構造体モデル２０では、鋼部材２２がＣＦＲＰ部材２４よりも縦弾性係数が大きいことから、鋼部材２２を圧縮側に配置し、ＣＦＲＰ部材２４を引張側に配置した。鋼部材２２については、幅が８０ｍｍ、高さが１５ｍｍ、フランジ２２ａの厚みが６ｍｍ、ウエブ２２ｂの厚みが４．５ｍｍとした。ＣＦＲＰ部材２４については、幅が８０ｍｍ、高さが８５ｍｍ、フランジ２４ａの厚みが４ｍｍ、ウエブ２４ｂの厚みが４．５ｍｍとした。鋼部材２２とＣＦＲＰ部材２４との接合部２６の位置については、中立軸の位置と同じとした。

次に、実施例２の桁構造体の解析モデルについて説明する。図５は、実施例２の桁構造体モデル３０を示す断面図である。実施例２の桁構造体モデル３０は、実施例１の桁構造体モデル２０と、鋼部材３２とＣＦＲＰ部材３４との高さ及び接合部３６の位置が相違しており、その他の構成については同じとした。実施例２の桁構造体モデル３０では、鋼部材３２の高さを５０ｍｍ、ＣＦＲＰ部材３４の高さを５０ｍｍとし、鋼部材３２とＣＦＲＰ部材３４との接合部３６の位置を、中立軸から引張側に３２ｍｍずらした位置とした。鋼部材３２とＣＦＲＰ部材３４との接合部３６の位置は、中立軸の位置とのズレ量が、鋼部材３２とＣＦＲＰ部材３４とを合わせた高さ（１００ｍｍ）の１／４である２５ｍｍより大きくなるようにした。

図６は、実施例１、２の桁構造体モデル２０、３０への曲げ荷重の負荷方法を示す図である。実施例１、２の桁構造体モデル２０、３０への曲げ荷重の負荷方法については、集中荷重を負荷した４点曲げとした。有限要素法（ＦＥＭ）による構造解析を行って、実施例１、２の桁構造体モデル２０、３０における軸方向の垂直歪分布と、軸方向の垂直応力分布とを求めた。

図７は、実施例１の桁構造体モデル２０の解析結果を示すグラフであり、図７（ａ）は、垂直歪分布を示すグラフであり、図７（ｂ）は、垂直応力分布を示すグラフである。図７（ａ）のグラフにおいて、横軸に垂直歪を取り、縦軸に桁構造体モデル２０の高さ方向の位置を取り、桁構造体モデル２０の高さ方向の各位置に対する垂直歪を白丸で示している。図７（ｂ）のグラフにおいて、横軸に垂直応力を取り、縦軸に桁構造体モデル２０の高さ方向の位置を取り、桁構造体モデル２０の高さ方向の各位置に対する垂直応力を白丸で示している。また、桁構造体モデル２０の高さ方向の位置については、ＣＦＲＰ部材２４の外縁（フランジ２４ａの外面）を０ｍｍとし、鋼部材２２の外縁（フランジ２２ａの外面）を１００ｍｍとしている。なお、垂直歪及び垂直応力において、正が引張側を表しており、負が圧縮側を表している。

実施例１の桁構造体モデル２０では、鋼部材２２とＣＦＲＰ部材２４との接合部２６の位置で垂直歪と垂直応力とがゼロになった。縦弾性係数が大きい方の鋼部材２２には圧縮応力が作用し、縦弾性係数が小さい方のＣＦＲＰ部材２４には引張応力が作用し、鋼部材２２に作用する引張応力と、ＣＦＲＰ部材２４に作用する圧縮応力とは、略ゼロであった。鋼部材２２及びＣＦＲＰ部材２４において、各部材の外縁に作用する応力が最大応力となった。また、鋼部材２２に作用する縁応力の大きさと、ＣＦＲＰ部材２４に作用する縁応力の大きさとは、略同じになった。このように実施例１の桁構造体モデル２０では、曲げ荷重が負荷された桁構造体モデル２０において、鋼部材２２及びＣＦＲＰ部材２４を有効に機能させることができた。

図８は、実施例２の桁構造体モデル３０の解析結果を示すグラフであり、図８（ａ）は、垂直歪分布を示すグラフであり、図８（ｂ）は、垂直応力分布を示すグラフである。図８（ａ）のグラフにおいて、横軸に垂直歪を取り、縦軸に桁構造体モデル３０の高さ方向の位置を取り、桁構造体モデル３０の高さ方向の各位置に対する垂直歪を白丸で示している。図８（ｂ）のグラフにおいて、横軸に垂直応力を取り、縦軸に桁構造体モデル３０の高さ方向の位置を取り、桁構造体モデル３０の高さ方向の各位置に対する垂直応力を白丸で示している。また、桁構造体モデル３０の高さ方向の位置については、ＣＦＲＰ部材３４の外縁（フランジ３４ａの外面）を０ｍｍとし、鋼部材３２の外縁（フランジ３２ａの外面）を１００ｍｍとしている。なお、垂直歪及び垂直応力において、正が引張側を表しており、負が圧縮側を表している。

実施例２の桁構造体モデル３０では、鋼部材３２に圧縮応力と引張応力とが作用し、ＣＦＲＰ部材３４に引張応力が作用した。鋼部材３２に作用する引張応力は、接合部３６の位置で最も大きくなり、ＣＦＲＰ部材３４の最大引張応力である縁応力よりも大きくなった。実施例２の桁構造体モデル３０では、接合部３６の位置と、中立軸の位置とのズレ量が、鋼部材３２とＣＦＲＰ部材３４とを合わせた高さ（１００ｍｍ）の１／４より大きく、接合部３６は、中立軸の近傍ではなく、中立軸から離れたところに位置している。このため、鋼部材３２の引張歪が相対的に大きくなり、鋼部材３２に作用する引張応力も相対的に大きくなった。その結果、縦弾性係数が大きい方の引張特性に劣る鋼部材３２が負担する引張応力が大きくなり、縦弾性係数が小さい方の引張特性に優れるＣＦＲＰ部材３４が負担する引張応力が小さくなった。これにより、曲げ荷重が負荷された実施例２の桁構造体モデル３０において、実施例１の桁構造体モデル２０よりも、鋼部材３２の負担が大きくなると共にＣＦＲＰ部材３４が十分に活用されてなく、鋼部材３２及びＣＦＲＰ部材３４が有効に機能していないことがわかった。

１０桁構造体
１２金属部材
１４複合材料部材
１６接合部

Claims

曲げ荷重が負荷される桁構造体であって、
金属材料で形成される金属部材と、
前記金属部材と接合され、前記金属部材と縦弾性係数が異なり、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材と、を備え、
前記金属部材と前記複合材料部材とにおいて、縦弾性係数が大きい方の部材が圧縮側に配置され、縦弾性係数が小さい方の部材が引張側に配置されることを特徴とする桁構造体。
請求項１に記載の桁構造体であって、
前記金属部材と前記複合材料部材との接合部の位置と、中立軸の位置とのズレ量が、前記金属部材と前記複合材料部材とを合わせた高さの１／４以下であることを特徴とする桁構造体。
請求項２に記載の桁構造体であって、
前記接合部の位置と、中立軸の位置とが同じであることを特徴とする桁構造体。