JP2018168646A - Girder structure - Google Patents
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Abstract
【課題】軽量化と、外部からの負荷により発生し得るせん断応力の低減とに有利な桁構造体を提供する。【解決手段】桁構造体１０は、金属材料で形成される第１フランジ１２と、繊維強化樹脂複合材料で形成される第２フランジ１４と、繊維強化樹脂複合材料で形成され、一端側が第１フランジ１２に接合され、他端側が第２フランジ１４に接続されるウェブ１６とを有する。第１フランジ１２とウェブ１６との接合面１８，１９は、少なくとも、第１フランジ１２と第２フランジ１４とが互いに対向する高さ方向に沿ったウェブ１６の主平面上に存在する。【選択図】図３[Problem] To provide a girder structure advantageous in terms of weight reduction and reduction of shear stress that may occur due to an external load. [Solution] A girder structure (10) has a first flange (12) formed of a metal material, a second flange (14) formed of a fiber-reinforced resin composite material, and a web (16) formed of a fiber-reinforced resin composite material, one end of which is joined to the first flange (12) and the other end of which is connected to the second flange (14). Joint surfaces (18, 19) between the first flange (12) and the web (16) exist at least on the main plane of the web (16) along the height direction in which the first flange (12) and the second flange (14) face each other. [Selected Figure] Figure 3
Description
本発明は、桁構造体に関する。 The present invention relates to a girder structure.
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。近年、これらの構造物が大型化するのに伴い、運搬や作業性等を向上させるために、桁構造体の軽量化が求められている。 Conventionally, girders formed of metal materials such as steel are used for structures such as ship superstructures, bridges, transporters, and marine structures. Patent Document 1 describes the use of steel girders for bridges, offshore structures and the like. In recent years, as these structures increase in size, it is required to reduce the weight of the girder structure in order to improve transportation and workability.
一方、従来、金属材料で形成される２つの金属部材同士を接合するときに、例えば、より大きなせん断耐力が得られるように、添接継手を介して接合する手段がある。 On the other hand, conventionally, when two metal members formed of a metal material are joined together, for example, there is a means for joining via a joint joint so that a greater shear strength can be obtained.
ここで、桁構造体の軽量化のために、桁構造体を構成する部材として、金属部材に加えて、繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）で形成される複合材料部材を採用することが考えられる。しかし、金属部材と複合材料部材とが添接継手を用いて接合されると、外部からの荷重の負荷条件によっては、添接継手の接合面におけるせん断応力が大きくなり、せん断耐力が不足する場合も考えられる。 Here, in order to reduce the weight of the girder structure, it is conceivable to employ a composite material member formed of a fiber reinforced resin composite material (FRP) in addition to a metal member as a member constituting the girder structure. . However, when a metal member and a composite material member are joined using a joint joint, the shear stress at the joint surface of the joint joint increases depending on the load condition of the external joint, resulting in insufficient shear strength Is also possible.
そこで、本発明は、軽量化と、外部からの負荷により発生し得るせん断応力の低減とに有利な桁構造体を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a girder structure that is advantageous in reducing the weight and reducing the shear stress that can be generated by an external load.
本発明の一態様の桁構造体は、金属材料で形成される第１フランジと、繊維強化樹脂複合材料で形成される第２フランジと、繊維強化樹脂複合材料で形成され、一端側が第１フランジに接合され、他端側が第２フランジに接続されるウェブと、を有し、第１フランジとウェブとの接合面は、少なくとも、第１フランジと第２フランジとが互いに対向する高さ方向に沿ったウェブの主平面上に存在する。 The girder structure of one embodiment of the present invention is formed of a first flange formed of a metal material, a second flange formed of a fiber reinforced resin composite material, and a fiber reinforced resin composite material, and one end side of the first flange is a first flange. The other end of the web is connected to the second flange, and a joining surface between the first flange and the web is at least in a height direction in which the first flange and the second flange face each other. Lies on the main plane of the web along.
また、上記の桁構造体において、接合面の第２フランジに近い側の端部を第１端部、及び、接合面の第１端部よりも第２フランジから遠い側の端部を第２端部としたときの第１端部と第２端部との間の長さをＬｊとし、第１フランジの高さ方向の最外面と、中立軸との間の長さをＬＮとすると、長さＬｊは、１．５×ＬＮ＞Ｌｊ＞ＬＮ／２との条件を満たすものとしてもよい。第１フランジにおいて、接合面とは反対側となる最外部でのフランジ厚さは、接合面が存在する側面でのフランジ厚さから漸次的又は段階的に縮小した長さを有するものとしてもよい。また、金属材料と繊維強化樹脂複合材料とは、縦弾性係数が異なり、構造物において曲げ荷重が負荷される部位に固定される場合、第１フランジと第２フランジとのうち、縦弾性係数の大きい方が圧縮側に配置され、縦弾性係数の小さい方が引張側に配置されるものとしてもよい。 Further, in the girder structure described above, the end of the joint surface closer to the second flange is the first end, and the end of the joint surface farther from the second flange than the first end is the second end. L j is the length between the first end and the second end when the end is defined, and L N is the length between the outermost surface in the height direction of the first flange and the neutral shaft. Then, the length L j may satisfy the condition of 1.5 × L N > L j > L N / 2. In the first flange, the outermost flange thickness opposite to the joint surface may have a length that is gradually or stepwise reduced from the flange thickness at the side surface where the joint surface exists. . Moreover, when the metal material and the fiber reinforced resin composite material have different longitudinal elastic modulus and are fixed to a portion where a bending load is applied in the structure, the longitudinal elastic modulus of the first flange and the second flange is the same. The larger one may be disposed on the compression side, and the smaller longitudinal elastic modulus may be disposed on the tension side.
本発明によれば、軽量化と、外部からの負荷により発生し得るせん断応力の低減とに有利な桁構造体を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the girder structure advantageous to weight reduction and reduction of the shear stress which can be generate | occur | produced by the load from the outside can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、各実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は、例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本発明に直接関係のない要素については、図示を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, the dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples, and the present invention is not limited unless otherwise specified. Further, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated.
図１は、本実施形態に係る桁構造体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第１フランジ１２と、それぞれ、第１フランジ１２とは縦弾性係数が異なり、繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）で形成される第２フランジ１４及びウェブ１６とを有する。桁構造体１０は、例えば、図１に示すようにＩ形の桁である。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おいて、特に曲げ荷重が負荷される部位に採用され得る。なお、本発明でいう「桁」とは、一般的な表現として用いられているものであり、本発明の桁構造体が採用される構造物によっては、「梁」などと表現される場合もある。したがって、本発明の適用範囲は、「桁」との表現のみによって限定されるものではない。
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a
第１フランジ１２は、Ｉ形の桁における一方のフランジである。第１フランジ１２は、少なくともウェブ１６の第１主平面１６ａと第２主平面１６ｂとに接合されることで、ウェブ１６と接続される。すなわち、第１フランジ１２とウェブ１６との接合面１８，１９は、それぞれ、少なくとも、第１主平面１６ａ上又は第２主平面１６ｂ上（主平面上）に存在する。ここで、ウェブ１６の主平面とは、第１フランジ１２と第２フランジ１４とが互いに対向する高さ方向に沿い、一の方向に延伸する平板状のウェブ１６において主となる最も広い平面をいう。そして、互いに表裏で対向する主平面のうち、一方が第１主平面１６ａであり、他方が第２主平面１６ｂである。
The
第１フランジ１２は、第１金属フランジ１２ａと、第２金属フランジ１２ｂとを含む金属部材である。第１金属フランジ１２ａと第２金属フランジ１２ｂとは、ウェブ１６を挟んで互いに対称な形状を有する。第１金属フランジ１２ａは、ウェブ１６の第１主平面１６ａにのみ接合される。同様に、第２金属フランジ１２ｂは、ウェブ１６の第２主平面１６ｂにのみ接合される。
The
ここで、第１金属フランジ１２ａの接合面１８側の寸法について、桁構造体１０の延伸方向に沿った長さは、桁構造体１０自体の長さＬ１（図４参照）と一致する。一方、桁構造体１０の高さ方向に沿った長さは、図１に示すように、ＨＭｅ１で表される。また、第２金属フランジ１２ｂの接合面１９側の寸法についても同様である。なお、第１フランジ１２の具体的な形状及び寸法の例示については、以下で説明する。
Here, regarding the dimension of the
第１フランジ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る。第１フランジ１２は、一般的な金属材料の機械加工で形成することができる。第１フランジ１２の縦弾性係数は、使用する金属材料の種類や熱処理条件等により調整され得る。
The
第２フランジ１４は、第１フランジ１２に対向する、Ｉ形の桁における他方のフランジである。第２フランジ１４の形状は、そのフランジ幅を第１フランジ１２のフランジ幅に合わせた平板である。ウェブ１６は、第１フランジ１２と第２フランジ１４とに連接し、互いを支持する。ウェブ１６の形状は、第２フランジ１４の一方の主平面上に垂直に立設された平板である。桁構造体１０の延伸方向に沿うウェブ１６の一端部は、第２フランジ１４に接合され、桁構造体１０の延伸方向に沿うウェブ１６の他端部の側に、第１フランジ１２が接合される。ウェブ１６が予め第２フランジ１４と一体的に形成されることで、第２フランジ１４とウェブ１６との組み合わせは、１つの複合材料部材と見なされる。以下、第２フランジ１４とウェブ１６との組み合わせを単に「複合材料部材」と略記する。なお、第２フランジ１４及びウェブ１６の具体的な形状及び寸法の例示については、以下で説明する。
The
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を含む。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。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。したがって、桁構造体１０は、その一部に繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材を採用することで、全体が金属材料で形成されている桁構造体よりも、軽量化が実現できる。
The fiber reinforced resin composite material includes a reinforced fiber and a matrix resin. For example, carbon fibers, organic fibers such as aramid fibers, glass fibers, and the like can be used as the reinforcing fibers. As the matrix resin, for example, a thermosetting resin or a thermoplastic resin such as an epoxy resin, a polyimide resin, a polyester resin, or a phenol resin can be used. The fiber reinforced resin composite material has a specific gravity smaller than that of the metal material and a higher specific strength. Therefore, the
第２フランジ１４及びウェブ１６は、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が適用可能である。又は、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（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法等も適用可能である。
The
複合材料部材の縦弾性係数は、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され得る。複合材料部材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したりすればよい。また、複合材料部材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したりすればよい。 The longitudinal elastic modulus of the composite material member can be adjusted by changing the reinforcing fiber, fiber content, fiber orientation, and the like of the fiber reinforced resin composite material. In order to increase the longitudinal elastic modulus of the composite material member, for example, reinforcing fibers made of high elastic modulus fibers (for example, high elastic modulus type carbon fibers) may be used, or the fiber content may be increased. Further, when reducing the longitudinal elastic modulus of the composite material member, for example, a reinforcement made of medium elastic modulus fiber (for example, medium elastic modulus type carbon fiber) or low elastic modulus fiber (for example, low elastic modulus type carbon fiber). What is necessary is just to use a fiber or to make a fiber content rate small.
接合面１８，１９における第１フランジ１２とウェブ１６との接合は、例えば、エポキシ樹脂等の合成樹脂からなる接着剤を用いた接着により行うことができる。桁構造体１０に曲げ荷重が負荷されると、接合面１８，１９には、せん断応力が発生する。そこで、第１フランジ１２とウェブ１６とを接合する接着剤には、このせん断応力に、ある程度耐え得る接着強度を有するものを用いるとよい。
The joining of the
ここで、桁構造体１０は、第１フランジ１２と第２フランジ１４とについて、縦弾性係数の大きい方が圧縮側に配置され、縦弾性係数の小さい方が引張側に配置されるように、構造物内に設置されることが望ましい。座屈荷重が部材の縦弾性係数に比例するというオイラーの座屈荷重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。一方、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。そこで、第１フランジ１２と第２フランジ１４とが上記のように配置されることで、桁構造体１０の圧縮側では局部座屈破壊が抑制され、桁構造体１０の引張側では引張破壊が抑制されるという利点が生じる。
Here, for the
図２は、外部から曲げ荷重が負荷されたときの桁構造体１０の状態を示す図である。特に、図２（ａ）は、第１フランジ１２の縦弾性係数が複合材料部材の縦弾性係数より大きい場合を示す図である。この場合、第１フランジ１２は圧縮側に配置され、第２フランジ１４は引張側に配置される。第１フランジ１２は、第２フランジ１４及びウェブ１６よりも耐座屈特性が優れるので、局部座屈破壊が抑制される。一方、複合材料部材は、第１フランジ１２よりも引張特性が優れるので、引張破壊が抑制される。
FIG. 2 is a diagram showing a state of the
一方、図２（ｂ）は、第１フランジ１２の縦弾性係数が複合材料部材の縦弾性係数より小さい場合を示す図である。この場合、第１フランジ１２は引張側に配置され、第２フランジ１４は圧縮側に配置される。第１フランジ１２は、複合材料部材よりも引張特性が優れるので、引張破壊が抑制される。一方、複合材料部材は、第１フランジ１２よりも耐座屈特性が優れるので、局部座屈破壊が抑制される。
On the other hand, FIG.2 (b) is a figure which shows the case where the longitudinal elastic modulus of the
次に、第１フランジ１２、第２フランジ１４及びウェブ１６の具体的形状について説明する。
Next, specific shapes of the
図３は、図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ断面に対応した、桁構造体１０の構成及び形状を示す断面図である。まず、第１フランジ１２に関して、ＢＭｅは、フランジ幅を表す。ＨＭｅ１は、上記のとおり、第１金属フランジ１２ａ及び第２金属フランジ１２ｂにおける接合面１８，１９側の側面の高さ、すなわち、第１フランジ１２の第１フランジ厚さを表す。本実施形態では、第１金属フランジ１２ａ及び第２金属フランジ１２ｂにおいて、高さ方向で外側に向かう面、すなわち、第２フランジ１４に対向する側とは反対側の面は、それぞれ、ウェブ１６の一端面に合わせて、第１フランジ１２の高さ方向の最外面となる。また、第１金属フランジ１２ａ及び第２金属フランジ１２ｂは、それぞれ、ウェブ１６の第１主平面１６ａ又は第２主平面１６ｂにのみ接合される。したがって、第１フランジ厚さＨＭｅ１と、接合面１８，１９の高さ方向の長さ（以下、「接合面高さ」という。）Ｌｊとは、同一である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration and shape of the
一方、第２フランジ１４及びウェブ１６に関して、ＢＦＲＰは、第２フランジ１４のフランジ幅を表す。ｔ１は、ウェブ１６の厚さを表す。ｔ２は、第２フランジ１４の厚さを表す。そして、ＨＦＲＰは、ウェブ１６の高さに第２フランジ１４の厚さｔ２を加えた複合材料部材全体の高さを表す。
On the other hand, regarding the
また、第１フランジ１２、第２フランジ１４及びウェブ１６の形状を決定するための基準値として、接合面高さＬｊを規定する。特に本実施形態では、接合面高さＬｊを規定するに際して、ウェブ１６上に存在する中立軸ＮＡを考慮する。中立軸ＮＡとは、桁構造体１０に曲げ荷重が負荷されたときに、桁構造体１０の断面に作用する垂直応力が最小となる軸をいう。
Further, the joint surface height L j is defined as a reference value for determining the shapes of the
また、接合面１８，１９において、第２フランジ１４に近い側の端部を、それぞれ、第１端部１８ａ，１９ａとする。一方、接合面１８，１９において、第１端部１８ａ，１９ａよりも第２フランジ１４から遠い側の端部を、それぞれ、第２端部１８ｂ，１９ｂとする。すなわち、第１端部１８ａと第２端部１８ｂとの間の長さ、及び、第１端部１９ａと第２端部１９ｂとの間の長さが、ともに接合面高さＬｊとなる。
Further, in the
ここで、接合面１８，１９の第１端部１８ａ，１９ａの位置がそれぞれ中立軸ＮＡ又はその近傍に存在する場合を想定する。この場合、金属部材である第１フランジ１２と、複合材料部材である第２フランジ１４及びウェブ１６の組とには、引張応力又は圧縮応力のどちらか一方が作用する。
Here, it is assumed that the positions of the
そして、第１フランジ１２の縦弾性係数が複合材料部材の縦弾性係数よりも大きい場合には、第１フランジ１２が中立軸ＮＡより圧縮側に配置され、複合材料部材が中立軸ＮＡより引張側に配置される。この場合、第１フランジ１２には圧縮応力が作用し、複合材料部材には引張応力が作用するが、第１フランジ１２に作用する引張応力と、複合材料部材に作用する圧縮応力とは、微小となる。
When the longitudinal elastic modulus of the
一方、第１フランジ１２の縦弾性係数が複合材料部材の縦弾性係数よりも小さい場合には、第１フランジ１２が中立軸ＮＡより引張側に配置され、複合材料部材が中立軸ＮＡより圧縮側に配置される。この場合、第１フランジ１２には引張応力が作用し、複合材料部材には圧縮応力が作用するが、第１フランジ１２に作用する圧縮応力と、複合材料部材に作用する引張応力とは、微小となる。
On the other hand, when the longitudinal elastic modulus of the
すなわち、第１端部１８ａ，１９ａの位置が中立軸ＮＡの位置又はその近傍に設定されていれば、その位置における垂直応力を微小とすることができる。したがって、桁構造体１０は、曲げ荷重が負荷された状態のときに、第１フランジ１２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。
That is, if the positions of the
しかし、中立軸ＮＡの位置又はその近傍に設定された第１端部１８ａ，１９ａの位置では、垂直応力は微小となるが、高さ方向については、せん断応力が発生する。例えば、本実施形態とは異なる桁構造体の構成として、金属部材を構成する第１フランジ及び第１ウェブと、複合材料部材を構成する第２フランジ及び第２ウェブとが存在し、第１ウェブと第２ウェブとを中立軸の位置で接合する場合を想定する。このとき、第１ウェブと第２ウェブとは、中立軸を通り、かつ、高さ方向と垂直となる接合面で接合されることになる。そして、この位置でのせん断応力に耐え得る構成とするための対策として、それぞれのウェブの主平面上に接合される面を有する添接継手が用いられる場合がある（以下の比較例参照）。しかし、このような構造では、接合位置で発生するせん断応力に対する耐力が不足する場合も考えられる。
However, at the position of the
そこで、本実施形態では、金属部材である第１フランジ１２は、少なくとも、複合材料部材を構成するウェブ１６の第１主平面１６ａと第２主平面１６ｂに接合されるものとする。また、第１主平面１６ａ又は第２主平面１６ｂ上にある接合面１８，１９の接合面高さＬｊは、次のように規定される。
Therefore, in the present embodiment, the
まず、第１端部１８ａ，１９ａの位置は、垂直応力を微小とする観点から、中立軸ＮＡの位置又はその近傍に設定されることが望ましい。一方、中立軸ＮＡは、金属部材である第１フランジ１２と、複合材料部材を構成する第２フランジ１４及びウェブ１６との構造差に依拠して変化する。そこで、軽量化を実現し、外部からの負荷に対するせん断耐力の向上させるためには、第１フランジ１２の高さ方向の最外面と、中立軸ＮＡとの間の長さをＬＮとすると、接合面高さＬｊは、１．５×ＬＮ＞Ｌｊ＞ＬＮ／２との条件を満たすものとする。これにより、接合面高さＬｊは、第１フランジ１２側の第１端部１８ａ（又は第１端部１９ａ）と、ウェブ１６側の第１主平面１６ａ（又は第２主平面１６ｂ）との間で発生する最大せん断応力に耐え得る長さとなる。
First, it is desirable that the positions of the
なお、例えば、第１端部１８ａ，１９ａは、中立軸ＮＡの位置から第２フランジ１４側に超えないようにしてもよい。換言すれば、第１端部１８ａ，１９ａは、中立軸ＮＡの位置、又は、中立軸ＮＡの位置よりも第２端部１８ｂ，１９ｂの側の位置に存在するようにしてもよい。この場合、垂直応力をさらに効果的に低減させること、あるいは、桁構造体１０をさらに軽量化させることが期待できる。
For example, the
ここまで、第１金属フランジ１２ａ及び第２金属フランジ１２ｂの形状を決定するに際して、接合面１８，１９側の側面の高さ寸法が、接合面高さＬｊを包含する第１フランジ厚さＨＭｅ１として決定され得る。これに対して、第１金属フランジ１２ａ及び第２金属フランジ１２ｂにおける、接合面１８，１９側の側面とはフランジ幅方向で反対となる最外部の側面の高さ寸法は、種々設定し得る。ただし、桁構造体１０の軽量化の観点から、金属部材である第１フランジ１２を構成する第１金属フランジ１２ａ及び第２金属フランジ１２ｂも、可能な限り軽量化させることが望ましい。そこで、第１フランジ１２では、フランジ厚さを一定とせず、特に、接合面１８，１９とは反対側となる最外部でのフランジ厚さが、接合面１８，１９が存在する側面でのフランジ厚さから漸次的に縮小した長さとなる。
So far, in determining the shape of the
例えば、第１金属フランジ１２ａにおいて、フランジ厚さは、接合面１８側の側面からフランジ幅方向に離れるに伴って短くなり、最外部の側面の高さ、すなわち、第１フランジ１２の第２フランジ厚さＨＭｅ２は、第１フランジ厚さＨＭｅ１よりも小さい。これは、第２金属フランジ１２ｂにおいても同様である。この場合、第１フランジ１２では、高さ方向で対向する表裏の２面のうち、外側に向かう面が平面となり、一方、内側に向かう面、すなわち、第２フランジ１４に対向する面が、最外部に向かってフランジ厚さが短くなるように傾斜した傾斜面となる。結果として、第１フランジ１２の全体形状は台形となる。これにより、仮に第１金属フランジ１２ａ及び第２金属フランジ１２ｂの第１フランジ厚さＨＭｅ１が、第１フランジ１２全体のフランジ厚さとして一定である場合よりも、第１フランジ１２が軽量化される。
For example, in the
そして、第１フランジ１２の形状及び寸法が、中立軸ＮＡを基準として規定されている関係上、第２フランジ１４及びウェブ１６の形状及び寸法も、第１フランジ１２の形状及び寸法に依拠する。したがって、第２フランジ１４及びウェブ１６の具体的な形状及び寸法については、所望される桁構造体１０の全体寸法から判断し、第１フランジ１２の形状及び寸法とのバランスを考慮して決定されることになる。
Since the shape and dimensions of the
次に、本実施形態による効果について説明する。 Next, the effect by this embodiment is demonstrated.
まず、本実施形態に係る桁構造体１０は、金属材料で形成される第１フランジ１２と、繊維強化樹脂複合材料で形成される第２フランジ１４とを有する。さらに、桁構造体１０は、繊維強化樹脂複合材料で形成され、一端側が第１フランジ１２に接合され、他端側が第２フランジ１４に接続されるウェブ１６を有する。ここで、第１フランジ１２とウェブ１６との接合面１８，１９は、少なくとも、第１フランジ１２と第２フランジ１４とが互いに対向する高さ方向に沿ったウェブ１６の主平面１６ａ，１６ｂ上に存在する。
First, the
上記構成の桁構造体１０によれば、その一部が、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されているので、すべてが金属材料で形成された桁構造体よりも軽量化が実現できる。また、上記構成の桁構造体１０によれば、その一部が金属部材で形成されていることから、ある構造物において、他の構造体と溶接等で接合され得る点でも有利となる。
According to the
また、金属材料と複合材料部材とが添接継手を介してウェブ間で互いに接合されるような桁構造体の構造では、接合位置で発生するせん断応力に対する耐力が不足する場合も考えられた。これに対して、上記構成の桁構造体１０によれば、特に、金属材料で形成される第１フランジ１２と、複合材料部材で形成されるウェブ１６とは、せん断応力が発生する方向に合わせた高さ方向に沿った接合面１８，１９で接合される。これにより、桁構造体１０では、接合面１８，１９で発生し得るせん断応力を低減させることができる。したがって、第１フランジ１２とウェブ１６との直接接合のみで、必要なせん断耐力を得ることができるため、添接継手を用いる必要がなくなる。
In addition, in the structure of the girder structure in which the metal material and the composite material member are joined to each other between the webs via the splicing joint, it may be considered that the proof stress against the shear stress generated at the joining position is insufficient. On the other hand, according to the
また、接合面１８，１９の第２フランジ１４に近い側の端部を第１端部１８ａ，１９ａとする。一方、接合面１８，１９の第１端部１８ａ，１９ａよりも第２フランジ１４から遠い側の端部を第２端部１８ｂ，１９ｂとする。そして、第１端部１８ａ，１９ａと第２端部１８ｂ，１９ｂとの間の長さをＬｊとする。また、第１フランジ１２の高さ方向の最外面と、中立軸ＮＡとの間の長さをＬＮとする。このとき、本実施形態に係る桁構造体１０では、長さＬｊは、１．５×ＬＮ＞Ｌｊ＞ＬＮ／２との条件を満たす。
Moreover, let the edge part of the side close | similar to the
上記構成の桁構造体１０によれば、第１端部１８ａ，１９ａと第２端部１８ｂ，１９ｂとの間の長さＬｊ、すなわち、接合面高さＬｊが、上記の条件を満たすように設定されることで、より最適なせん断耐力を得ることができる。
According to the
また、本実施形態に係る桁構造体１０では、第１フランジ１２において、接合面１８，１９とは反対側となる最外部でのフランジ厚さＨＭｅ２は、接合面１８，１９が存在する側面でのフランジ厚さＨＭｅ１から漸次的又は段階的に縮小した長さを有する。
Further, in the
上記構成の桁構造体１０によれば、せん断応力を低減させつつ、第１フランジ１２の重量を低減することができるので、さらに桁構造体１０の軽量化が実現できる。
According to the
また、本実施形態に係る桁構造体１０では、金属材料と繊維強化樹脂複合材料とは、縦弾性係数が異なる。また、構造物において曲げ荷重が負荷される部位に固定される場合、第１フランジ１２と第２フランジ１４とのうち、縦弾性係数の大きい方が圧縮側に配置され、縦弾性係数の小さい方が引張側に配置される。
Moreover, in the
上記構成の桁構造体１０によれば、桁構造体１０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する。したがって、特に外部から曲げ荷重の負荷により発生し得るせん断応力を低減させることができる。
According to the
なお、本実施形態では、第１フランジ１２の断面が台形であるものとして説明した。しかし、本発明では、金属部材に相当する第１フランジの形状は、これに限定されない。図５は、本発明に適用し得る第１フランジの他の形状を例示する部分断面図である。なお、図５において、上記説明した第１フランジ１２と同一構成及び同一寸法であるものには同一の符号又は記号を付し、説明を省略する。
In the present embodiment, the
図３に示した第１フランジ１２の形状を第１例とすると、図５（ａ）は、第１フランジの形状の第２例を示す図である。第２例としての第１フランジ３２は、前出の第１フランジ１２と同様に、第１金属フランジ３２ａと第２金属フランジ３２ｂとを含む。第１金属フランジ３２ａ及び第２金属フランジ３２ｂにおいて、ウェブ１６との接合面側の側面の高さ寸法は、第１フランジ１２の第１フランジ厚さＨＭｅ１と同様にＨＭｅで表され、フランジ厚さＨＭｅは、接合面高さＬｊと同一である。しかし、この第２例では、接合面とは反対側となる最外部でのフランジ厚さは、接合面が存在する側面でのフランジ厚さから漸次的に縮小した長さである点は、第１例と同様であるが、第１フランジ１２でいう第２フランジ厚さＨＭｅ２が極小である。すなわち、第１金属フランジ３２ａ及び第２金属フランジ３２ｂは、ともに断面が三角形となり、第１フランジ３２の全体としては、断面が山形となる。特に、桁構造体１０の軽量化を重視する場合には、第１フランジ３２を、断面形状がこのような山形となる形状としてもよい。
If the shape of the
図５（ｂ）は、第１フランジの形状の第３例を示す図である。第３例としての第１フランジ４２は、前出の第１フランジ１２と同様に、第１金属フランジ４２ａと第２金属フランジ４２ｂとを含む。第１金属フランジ４２ａ及び第２金属フランジ４２ｂにおいて、ウェブ１６との接合面側の側面の高さ寸法は、第１フランジ１２の第１フランジ厚さＨＭｅ１と同様にＨＭｅで表され、フランジ厚さＨＭｅは、接合面高さＬｊと同一である。さらに、この第３例では、第１フランジ１２でいう第２フランジ厚さＨＭｅ２もＨＭｅで表される。すなわち、第１金属フランジ４２ａ及び第２金属フランジ４２ｂは、ともに断面が矩形となり、第１フランジ３２の全体としても、断面が矩形となる。例えば、桁構造体１０全体が小型である場合、桁構造体１０の軽量化を突き詰めるよりも、第１フランジの製作の容易性が重視されることも考えられる。この場合には、第１フランジ４２を、断面形状がこのような矩形となる形状としてもよい。
FIG. 5B is a diagram illustrating a third example of the shape of the first flange. The
図５（ｃ）は、第１フランジの形状の第４例を示す図である。第４例としての第１フランジ５２は、前出の第１フランジ１２と同様に、第１金属フランジ５２ａと第２金属フランジ５２ｂとを含む。さらに、第４例では、例えば、第１金属フランジ５２ａは、フランジ厚さｔＭｅを有するフランジ部に相当する第１部材５２ａ１と、第１部材５２ａ１の主平面からウェブ１６の主平面に沿って立設する第２部材５２ａ２とを含む。この場合、ウェブ１６との接合面側の側面の高さ寸法に相当するフランジ厚さＨＭｅは、第２部材５２ａ２が有することになり、接合面高さＬｊと同一である。このとき、フランジ厚さｔＭｅは、フランジ厚さＨＭｅよりも小さくなるように設定される。すなわち、第１金属フランジ５２ａでは、接合面とは反対側となる最外部でのフランジ厚さが、接合面が存在する側面でのフランジ厚さから段階的に縮小した長さとなり、第１金属フランジ５２ａの断面は、Ｌ形となる。なお、第２金属フランジ５２ｂの形状も、第１金属フランジ５２ａの形状と同様である。したがって、第１フランジ５２全体としては、フランジ厚さｔＭｅの平板状のフランジ部に対して、ウェブ１６の主平面に沿って接合面高さＬｊの必要量が確保された側面を有する支持部が付加された断面形状となる。第１フランジ５２がこのような形状を有するものであっても、桁構造体１０の軽量化が可能である。
FIG.5 (c) is a figure which shows the 4th example of the shape of a 1st flange. The
図５（ｄ）は、第１フランジの形状の第５例を示す図である。第１フランジに係る上記の各例では、ウェブ１６との接合面側の側面の高さ寸法に相当するフランジ厚さＨＭｅ１又はＨＭｅと、接合面高さＬｊとが同一である場合を想定した。しかし、本発明では、フランジ厚さＨＭｅ１又はＨＭｅと接合面高さＬｊとが同一であることに限定されない。この第５例としての第１フランジ６２のように、ウェブ１６との接合面側の側面の高さ寸法に相当するフランジ厚さＨＭｅ１が接合面高さＬｊの必要量を確保し得る程度に設定されていれば、フランジ厚さＨＭｅ１は、接合面高さＬｊよりも長くてもよい。したがって、本発明における第１フランジの形状としては、第１フランジ６２のように、２つの金属フランジに分割されることなく、一体の金属フランジとしても構わない。
FIG.5 (d) is a figure which shows the 5th example of the shape of a 1st flange. In each of the above examples related to the first flange, the flange thickness H Me1 or H Me corresponding to the height dimension of the side surface on the joint surface side with the
上記実施形態に係る桁構造体１０と、比較例としての桁構造体とについて、有限要素法（ＦＥＭ）による曲げ荷重の負荷解析（構造解析）を行い、解析結果を比較した。
For the
まず、桁構造体１０の解析モデルについて説明する。第１フランジ１２を構成する金属材料は、鋼である。一方、第２フランジ１４及びウェブ１６を構成する繊維強化樹脂複合材料は、炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）である。（表１）に、各部材の材料定数を示す。
First, an analysis model of the
なお、ＣＦＲＰのＥｘ、Ｅｙについては面内方向の縦弾性係数を表し、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のＧｘｙ、Ｇｘｚ、Ｇｙｚについては、せん断弾性係数（横弾性係数）を表している。 Incidentally, CFRP of E x, for E y represent the modulus of longitudinal elasticity of plane direction, for E z represents the modulus of longitudinal elasticity of out-of-plane direction (thickness direction). In addition, CF xy G xy , G xz , and G yz represent shear elastic modulus (lateral elastic modulus).
桁構造体１０の断面寸法は、図３を参照すると、以下のとおりである。第１フランジ１２に関して、フランジ幅ＢＭｅは、８０ｍｍである。第１フランジ厚さＨＭｅ１（接合面高さＬｊ）は、２２ｍｍである。第２フランジ厚さＨＭｅ２は、８ｍｍである。一方、第２フランジ１４及びウェブ１６に関して、フランジ幅ＢＦＲＰは、８０ｍｍである。ウェブ１６の厚さｔ１及び第２フランジ１４の厚さｔ２は、ともに５．１ｍｍである。そして、ウェブ１６の高さに第２フランジ１４の厚さｔ２を加えた複合材料部材全体の高さＨＦＲＰは、１１０ｍｍである。また、この解析モデルでは、鋼の縦弾性係数がＣＦＲＰの弾性係数よりもが大きいことから、第１フランジ１２を圧縮側に配置し、第２フランジ１４を引張側に配置した。これらの形状及び寸法によれば、第１端部１８ａ，１９ａは、高さ方向において、第２端部１８ｂ，１９ｂと中立軸ＮＡとの間で、かつ、中立軸ＮＡの近傍にある。
The cross-sectional dimensions of the
図４は、桁構造体１０の解析モデルの延伸方向の寸法、及び、当該解析モデルに対する曲げ荷重の負荷方法を示す側面図である。桁構造体１０の延伸方向の長さＬ１は、１２００ｍｍである。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。このとき、支持点間距離Ｌ２は、１０００ｍｍであり、図中２つの白抜きの矢印で示される載荷位置について、載荷位置間距離Ｌ３は、支持点間距離Ｌ２と中心を同じくして、２００ｍｍである。そして、載荷荷重は、１つの載荷位置につき７７．５ｋＮであり、合計１５５ｋＮとした。
FIG. 4 is a side view showing dimensions of the analytical model of the
上記の条件のもと、桁構造体１０の解析モデルに対して曲げ荷重の負荷解析を行ったところ、接合面１８及び接合面１９のそれぞれにおける最大せん断応力は、７４ＭＰａであった。
When the load analysis of the bending load was performed on the analytical model of the
次に、比較例としての桁構造体の解析モデルについて説明する。図６は、比較例としての桁構造体２０の解析モデルを示す断面図である。図６では、桁構造体２０は、上記実施形態に係る桁構造体１０の断面を示す図３に準拠して描画されており、便宜上、各部の寸法が明示されている。
Next, an analysis model of a girder structure as a comparative example will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view showing an analysis model of the
桁構造体２０は、上記実施形態に係る桁構造体１０と同様に、金属材料で形成される金属部材２２と、繊維強化樹脂複合材料で形成される複合材料部材２４とを含む。さらに、金属部材２２は、第１フランジ２２ａと、第１ウェブ２２ｂとを含む。この場合の第１フランジ２２ａは、平板部材である。第１ウェブ２２ｂは、第１フランジ２２ａの主平面から、後述の第２フランジ２４ａに向けて立設されている。一方、複合材料部材２４は、第２フランジ２４ａと、第２ウェブ２４ｂとを含む。第２フランジ２４ａは、桁構造体１０における形状と同様に、平板部材である。第２ウェブ２４ｂは、第２フランジ２４ａの主平面から第１フランジ２２ａに向けて立設されている。
The
第１ウェブ２２ｂと第２ウェブ２４ｂとは、接合面２６で接触し、接合されている。桁構造体２０では、接合面２６の位置が、中立軸の位置に相当する。したがって、例えば、金属部材２２の縦弾性係数が複合材料部材２４の縦弾性係数より大きい場合に、金属部材２２を圧縮側に配置し、複合材料部材２４を引張側に配置するものとする。このような配置によれば、桁構造体２０においても、金属部材２２は、複合材料部材２４よりも耐座屈特性が優れるので、局部座屈破壊が抑制され得る。一方、複合材料部材２４は、金属部材２２よりも引張特性が優れるので、引張破壊が抑制され得る。
The
さらに、桁構造体２０は、互いに、接合面２６の端部を跨って、第１ウェブ２２ｂと第２ウェブ２４ｂとの両主平面に接合される２つの添接継手２７ａ，２７ｂを有する。添接継手２７ａ，２７ｂは、第１ウェブ２２ｂと第２ウェブ２４ｂとの接合を、単に接合面２６における接合だけよりも、せん断応力に耐え得る構成とするために用いられる継ぎ手である。添接継手２７ａ，２７ｂの材料は、一般に金属材料であり、ここでは鋼とする。
Furthermore, the
そして、桁構造体２０の延伸方向の長さＬ１を、１２００ｍｍとして、桁構造体２０の解析モデルに対する曲げ荷重の負荷条件を上記の桁構造体１０の解析モデルに対するものと同一とし、曲げ荷重の負荷解析を行った。この場合、金属部材である添接継手２７ａ，２７ｂと、複合材料部材である第２ウェブ２４ｂとの接合面２８，２９のそれぞれにおける最大せん断応力は、１１６ＭＰａであった。
Then, the length L 1 in the extending direction of the
ここで、本実施形態に係る桁構造体１０と、比較例としての桁構造体２０とそれぞれの解析モデルの解析結果を比較すると、桁構造体２０の接合面２８，２９における最大せん断応力は、桁構造体１０の接合面１８，１９における最大せん断応力よりも高い。したがって、桁構造体２０では、添接継手２７ａ，２７ｂに、せん断応力の大きさに起因した層間剥離が生じることも考えられる。これに対して、桁構造体１０の構成によれば、接合面１８，１９における最大せん断応力の値を、桁構造体２０の構成に比べて、おおよそ６５％にまで低減させることができる。
Here, when the analysis result of each analysis model is compared with the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
１０ 桁構造体
１２ 第１フランジ
１４ 第２フランジ
１６ ウェブ
１８ 接合面
１９ 接合面
DESCRIPTION OF
Claims (4)
繊維強化樹脂複合材料で形成される第２フランジと、
繊維強化樹脂複合材料で形成され、一端側が前記第１フランジに接合され、他端側が前記第２フランジに接続されるウェブと、
を有し、
前記第１フランジと前記ウェブとの接合面は、少なくとも、前記第１フランジと前記第２フランジとが互いに対向する高さ方向に沿った前記ウェブの主平面上に存在する、
桁構造体。 A first flange formed of a metal material;
A second flange formed of a fiber reinforced resin composite material;
A web formed of a fiber reinforced resin composite material, one end side joined to the first flange, and the other end side connected to the second flange;
Have
The joint surface between the first flange and the web is present on at least a main plane of the web along a height direction in which the first flange and the second flange face each other.
Digit structure.
前記長さＬｊは、１．５×ＬＮ＞Ｌｊ＞ＬＮ／２との条件を満たす、
請求項１に記載の桁構造体。 The end of the joining surface closer to the second flange is the first end, and the end of the joining surface farther from the second flange than the first end is the second end. The length between the first end portion and the second end portion is L j, and the length between the outermost surface of the first flange in the height direction and the neutral shaft is L N Then
The length L j satisfies the condition of 1.5 × L N > L j > L N / 2,
The girder structure according to claim 1.
構造物において曲げ荷重が負荷される部位に固定される場合、前記第１フランジと前記第２フランジとのうち、縦弾性係数の大きい方が圧縮側に配置され、縦弾性係数の小さい方が引張側に配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の桁構造体。 The metal material and the fiber reinforced resin composite material have different longitudinal elastic modulus,
When the structure is fixed to a part to which a bending load is applied, the one having the larger longitudinal elastic modulus is arranged on the compression side and the one having the smaller longitudinal elastic modulus is tensioned. The girder structure according to any one of claims 1 to 3, which is arranged on a side.
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