JP2013030138A - Structure analysis method - Google Patents

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文宣 尾崎
Ryoichi Sugano
良一 菅野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily analyze elastic-plastic action of a steel beam during a fire with high accuracy and to greatly reduce an analysis time, a computer load and work labor.SOLUTION: A quaternary simultaneous equation having an equation showing respective balances of axial force and a moment at an axis of member orthogonal cross section of a material end of a steel beam, an equation showing a displacement conformity condition in an axis of member direction at the material end of the steel beam, and an equation showing a yield condition at the axis of member orthogonal cross section of the steel beam made plastic by a temperature rise is created. An unknown solution of the quaternary simultaneous equation is calculated by solving the quaternary simultaneous equation. Axial force N, a plastic area length l, and temperature histories of compressive strain εand tensile strain εare calculated by integrating the solution of the quaternary simultaneous equality by temperature T.

Description

本発明は、鋼構造建築物の鋼製柱間に架設された鋼製梁の火災時における弾塑性挙動を解析するための構造解析方法に関するものである。   The present invention relates to a structural analysis method for analyzing elasto-plastic behavior of a steel beam installed between steel columns of a steel structure building at the time of a fire.

従来より、鋼構造建築物のような不静定構造物の火災時における非線形弾塑性挙動を解析する手段としては、有限要素法を用いた構造解析方法が用いられている(例えば、特許文献1参照)。有限要素法は、構造物を複数の有限要素に離散化してその有限要素の支配方程式を求め、支配方程式を解くことにより構造物の挙動を求める方法である。   Conventionally, a structural analysis method using a finite element method has been used as means for analyzing nonlinear elastoplastic behavior of a static structure such as a steel structure building during a fire (for example, Patent Document 1). reference). The finite element method is a method of obtaining a behavior of a structure by discretizing a structure into a plurality of finite elements, obtaining a governing equation of the finite element, and solving the governing equation.

このとき求められた支配方程式は非線形な方程式であり、その支配方程式の解を求めるうえでは、ニュートン−ラプソン法等の反復法が好適に用いられる。反復法は、支配方程式の未知数に適当な初期値を設定し、その初期値から出発して支配方程式を用いた演算を反復的に繰り返すことにより、その支配方程式の近似解を求める方法である。この反復法では、初期値の設定が適当でなければ反復演算により近似解に収束しない。このため、反復法では、反復演算後の解が近似解に収束しているか否か判定する収束判定を適当な回数の反復演算後に行い、収束していない場合は初期値を修正し、その修正後の値から出発して反復演算を繰り返す必要がある。   The governing equation obtained at this time is a non-linear equation, and an iterative method such as Newton-Raphson method is preferably used for obtaining a solution of the governing equation. The iterative method is a method of obtaining an approximate solution of the governing equation by setting an appropriate initial value for the unknown of the governing equation and repeating the operation using the governing equation starting from the initial value. In this iterative method, if the initial value is not properly set, it does not converge to an approximate solution by iterative calculation. For this reason, in the iterative method, the convergence judgment that determines whether or not the solution after the iteration operation has converged to the approximate solution is performed after an appropriate number of iteration operations, and if it has not converged, the initial value is corrected and the correction is made. It is necessary to repeat the iterative operation starting from a later value.

特開2005−141645号公報JP 2005-141645 A

しかしながら、上述のように有限要素法を用いて不静定構造物の挙動を解析する場合、その有限要素の支配方程式の解を求めるために収束判定を伴う反復演算を行う必要があるため、その分、解析時間の長時間化やコンピュータの演算負荷の増大を招くこととなっていた。また、この場合、不静定構造物を複数の有限要素に分割するための入力作業を行う必要があるため、その分、解析時間の長時間化や人的労力の負担増大を招くこととなっていた。   However, when analyzing the behavior of an indefinite structure using the finite element method as described above, it is necessary to perform an iterative operation with convergence judgment to find the solution of the governing equation of the finite element. Therefore, the analysis time is prolonged and the calculation load of the computer is increased. In this case, since it is necessary to perform an input operation for dividing the statically indeterminate structure into a plurality of finite elements, the analysis time is prolonged and the burden of human labor is increased accordingly. It was.

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、火災時における鋼製梁の弾塑性挙動を簡単かつ精度よく解析できるうえ、解析時間、コンピュータ負荷、作業労力の大幅な低減を図ることを可能とする構造解析方法を提供することにある。   Therefore, the present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to easily and accurately analyze the elasto-plastic behavior of a steel beam at the time of a fire, and to analyze time, An object of the present invention is to provide a structural analysis method capable of greatly reducing the computer load and work labor.

本発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意検討の末、下記の構造解析方法を発明した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have invented the following structural analysis method after intensive studies.

第1発明に係る構造解析方法は、鋼構造建築物の鋼製柱間に架設された鋼製梁の火災時における弾塑性挙動を解析するための構造解析方法において、前記鋼製梁の軸力Nと、当該鋼製梁の材端及びスパン中央からの塑性領域長さlpと、当該鋼製梁の材端の材軸直交断面での下側断面の圧縮歪εcと、上側断面の引張歪εtとについて、前記鋼製梁が温度Tから増分dTだけ温度上昇した場合におけるそれぞれの増分をdN、dlp、dεc、dεtとしたとき、前記増分dN、増分dlp、増分dεc及び増分dεtのうち何れか一つ以上を未知数として含むとともに前記増分dTを含む式として、前記鋼製梁の材端の材軸直交断面での軸力及びモーメントそれぞれの釣り合いを示す式と、前記鋼製梁の材端での材軸方向の変位適合条件を示す式と、温度上昇により塑性化する前記鋼製梁の材軸直交断面での降伏条件を示す式とを有する4元連立方程式を作成し、前記4元連立方程式を解くことにより前記未知数それぞれの解を算出し、前記4元連立方程式の解を温度Tで積分することにより、軸力N、塑性領域長さlp、圧縮歪εc及び引張歪εtの温度履歴を算出することを特徴とする。 A structural analysis method according to a first aspect of the present invention is a structural analysis method for analyzing elastoplastic behavior of a steel beam installed between steel columns of a steel structure building at the time of a fire, wherein the axial force of the steel beam is N, the plastic region length l p from the end of the steel beam and the center of the span, the compressive strain ε c of the lower cross section in the cross section perpendicular to the axis of the material end of the steel beam, and the upper cross section With respect to the tensile strain ε t , when the steel beams are heated from the temperature T by the increment dT, the increments dN, dl p , dε c , dε t are the increments dN, increment dlp, increment dε, respectively. an equation including any one or more of c and increment dεt as an unknown and including the increment dT, and an equation indicating the balance of axial force and moment in the material axis orthogonal section of the material end of the steel beam; , An equation indicating the displacement matching condition in the material axis direction at the material end of the steel beam and A quaternary simultaneous equation having a yield condition in a cross section perpendicular to the axis of the steel beam plasticized by temperature rise is created, and the solution of each unknown is calculated by solving the quaternary simultaneous equation. The temperature history of the axial force N, the plastic region length l p , the compressive strain ε c and the tensile strain ε t is calculated by integrating the solution of the quaternary simultaneous equations at the temperature T.

第2発明に係る構造解析方法は、第1発明において、前記鋼製梁が温度Tから増分dTだけ温度上昇したときの前記塑性領域の材軸方向での変形量の増分について、下記式(1)により表されるγを用いて評価されている式を、前記変位適合条件を示す式として用いることを特徴とする。

Figure 2013030138
ここで、式(1)におけるEt(ε,T)は歪ε、温度Tとしたときの鋼製梁の応力−歪関係の接線剛性であり、E0は、鋼製梁の応力−歪関係において歪硬化が始まる点での歪をεsとしたときに、下記式(2)により表される。
Figure 2013030138
The structural analysis method according to a second aspect of the present invention is the structural analysis method according to the first aspect, wherein an increase in deformation amount in the material axis direction of the plastic region when the temperature of the steel beam is increased from the temperature T by an increment dT is expressed by the following formula (1 The expression evaluated using γ expressed by (2) is used as an expression indicating the displacement adaptation condition.
Figure 2013030138
Here, E t (ε, T) in equation (1) is the tangential stiffness of the stress-strain relationship of the steel beam when the strain ε and the temperature T are set, and E 0 is the stress-strain of the steel beam. When the strain at the point where strain hardening starts in the relationship is ε s , it is expressed by the following equation (2).
Figure 2013030138

第3発明に係る構造解析方法は、第1発明又は第2発明において、前記鋼製梁の材端及びスパン中央の材軸直交断面での降伏条件を示す式に基づいて、当該鋼製梁の材端及びスパン中央の材軸直交断面が全塑性化するときの弾性限界温度T0を算出し、前記4元連立方程式の解を前記温度T0以上の範囲において温度Tで積分することにより、軸力N、塑性領域長さlp、圧縮歪εc及び引張歪εtの温度履歴を算出することを特徴とする。 The structural analysis method according to a third aspect of the present invention is the first or second aspect of the present invention, in the first aspect or the second aspect, based on an expression indicating the yield condition in the material axis orthogonal section of the material end and span center of the steel beam. By calculating the elastic limit temperature T 0 when the material axis and the cross section of the material axis at the center of the span are fully plasticized, and integrating the solution of the quaternary simultaneous equations at the temperature T in the range of the temperature T 0 or more, The temperature history of the axial force N, the plastic region length l p , the compressive strain ε c and the tensile strain ε t is calculated.

第4発明に係る構造解析プログラムは、第1発明〜第3発明の何れかに係る構造解析方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。   A structural analysis program according to a fourth invention causes a computer to execute the structural analysis method according to any one of the first to third inventions.

第5発明に係る記録媒体は、第4発明に係る構造解析プログラムがコンピュータに読み取り可能に記録されていることを特徴とする。   A recording medium according to a fifth aspect is characterized in that the structural analysis program according to the fourth aspect is recorded in a computer-readable manner.

第1発明〜第5発明によれば、火災時における鋼製梁の弾塑性挙動を解析するうえで、収束判定を伴う反復演算が不要となるため、演算時間の短縮により解析時間の短縮化を図ることが可能となるうえ、コンピュータの演算負荷の低減を図ることが可能となる。また、火災時における鋼製梁の弾塑性挙動を解析するうえで、複数の要素からなる連続体となるように鋼製梁をモデル化する入力作業が不要となるため、入力作業時間の短縮により解析時間の短縮化を図ることが可能となるうえ、人的労力の負担低減を図ることが可能となる。   According to the first to fifth inventions, when analyzing the elasto-plastic behavior of a steel beam at the time of a fire, it is not necessary to perform an iterative operation with a convergence determination. In addition, it is possible to reduce the computational load of the computer. In addition, when analyzing the elasto-plastic behavior of steel beams in the event of a fire, input work to model steel beams to be a continuum consisting of multiple elements is no longer necessary, reducing input work time. The analysis time can be shortened and the burden of human labor can be reduced.

特に、第2発明によれば、バイリニア型以外の応力−歪関係、即ち、実際の鋼材の素材特性に則した応力―歪関係を有する鋼製梁でも、その弾塑性挙動を精度よく解析することが可能となる。   In particular, according to the second invention, it is possible to accurately analyze the elastic-plastic behavior of a steel beam having a stress-strain relationship other than the bilinear type, that is, a stress-strain relationship in accordance with the material characteristics of an actual steel material. Is possible.

(a)は鋼構造建築物の構成を模式的に示す側面図であり、(b)はその火災時の変形後の状態を模式的に示す側面図である。(A) is a side view which shows typically the structure of a steel structure building, (b) is a side view which shows typically the state after the deformation | transformation at the time of the fire. 鋼製梁の軸力比N/Nyの温度履歴を示すグラフである。It is a graph showing the temperature history of the axial force ratio N / N y of steel beams. (a)は本発明に係る構造解析方法において解析対象となる鋼製梁を有する鋼構造建築物のモデルを示す側面図であり、(b)はその解析対象となる鋼製梁のモデルを示す側面図である。(A) is a side view which shows the model of the steel structure building which has the steel beam used as the analysis object in the structural analysis method based on this invention, (b) shows the model of the steel beam used as the analysis object It is a side view. 本発明に係る構造解析方法において解析対象となる鋼製梁のモデルを示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the model of the steel beam used as the analysis object in the structural analysis method based on this invention. (a)はバイリニア型の応力−歪関係を示すグラフであり、(b)はラウンドハウス型の応力−歪関係を示すグラフである。(A) is a graph which shows a bilinear type stress-strain relationship, (b) is a graph which shows a round house type stress-strain relationship. 鋼製梁の材端での圧縮歪εcの温度履歴を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature history of the compressive strain (epsilon) c in the material end of steel beams. (a)はラウンドハウス型の応力−歪関係を有する鋼製梁の軸力比の温度履歴を示すグラフであり、(b)はその鋼製梁の圧縮歪εcの温度履歴を示すグラフである。(A) is a graph which shows the temperature history of the axial force ratio of the steel beam which has a stress-strain relationship of a round house type, (b) is a graph which shows the temperature history of the compressive strain (epsilon) c of the steel beam. is there. 第1実施形態に係る構造解析装置の構成を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram showing roughly the composition of the structure analysis device concerning a 1st embodiment. 第1実施形態に係る構造解析装置のプロセッサが実行する構造解析プログラムの処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the structural analysis program which the processor of the structural analysis apparatus which concerns on 1st Embodiment performs.

以下、本発明を適用した構造解析方法を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out a structural analysis method to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

まず、火災時における鋼製梁の一般的な弾塑性挙動から説明する。   First, the general elasto-plastic behavior of steel beams during a fire will be described.

鋼構造建築物1内において火災が発生した場合、図1(a)に示すように、加熱された鋼製梁2が温度上昇により伸び出し、その伸び出しが鋼製柱3、他の鋼製梁等の周辺部材に拘束されることによって、鋼製梁2に対して熱応力による軸圧縮力が発生する。このとき、鋼製梁2に対しては、熱応力の他に、鋼製梁2に載荷された長期荷重による曲げモーメントが作用している。   When a fire occurs in the steel structure building 1, as shown in FIG. 1 (a), the heated steel beam 2 extends due to a temperature rise, and the extension is a steel pillar 3, other steel. By being restrained by a peripheral member such as a beam, an axial compression force due to thermal stress is generated on the steel beam 2. At this time, in addition to the thermal stress, a bending moment due to a long-term load loaded on the steel beam 2 acts on the steel beam 2.

鋼製梁2が弾性挙動のみを示す温度範囲S1では、図2に示すように、鋼製梁2に座屈等の不安定現象が生じない限り、その熱応力が温度上昇とともに線形に増加することになる。そして、ある温度T0を超えた時点で、鋼製梁2の応力が最大となる材軸直交断面が全塑性化することになる。以下、この温度T0を弾性限界温度T0として説明する。図1(b)に示す例では、鋼製梁2の両側の材端21とスパン中央22が全塑性化した場合を示している。 In the temperature range S1 in which the steel beam 2 exhibits only elastic behavior, as shown in FIG. 2, the thermal stress increases linearly as the temperature rises unless an unstable phenomenon such as buckling occurs in the steel beam 2. It will be. When the temperature exceeds a certain temperature T 0 , the material axis orthogonal cross section where the stress of the steel beam 2 is maximized becomes fully plastic. Hereinafter, the temperature T 0 will be described as the elastic limit temperature T 0 . In the example shown in FIG. 1B, the case where the material ends 21 and the span center 22 on both sides of the steel beam 2 are made completely plastic is shown.

弾性限界温度T0以降においては、温度上昇に応じた熱応力の線形な増加が止まる。そして、温度上昇に伴い、図1(b)に示すように、鋼製梁2全体が下方にたわむような塑性変形と、塑性領域の断面が材軸方向に縮んだり、弾性領域の一部が塑性領域となる塑性圧縮変形とが進行する。この梁全体のたわむような塑性変形時においては、全塑性状態の断面が塑性ヒンジとしてふるまうことになる。 After the elastic limit temperature T 0 , the linear increase of the thermal stress according to the temperature rise stops. As the temperature rises, as shown in FIG. 1B, the plastic deformation in which the entire steel beam 2 bends downward, the cross section of the plastic region contracts in the material axis direction, or a part of the elastic region Plastic compressive deformation that becomes a plastic region proceeds. At the time of plastic deformation of the entire beam, the cross section of the all plastic state behaves as a plastic hinge.

この後、鋼材の耐力が低下し始める温度T1までは、温度上昇によって歪硬化とともに熱応力が増大する。図2に示す例では、温度範囲S2においてこのような挙動が示されている。 Thereafter, until the temperature T 1 at which the proof stress of the steel material starts to decrease, the thermal stress increases with strain hardening due to the temperature increase. In the example shown in FIG. 2, such behavior is shown in the temperature range S2.

温度T1を超えた以降においては、鋼材の耐力低下が大きくなり始め、温度上昇に伴い上述の塑性圧縮変形が進行することにより熱応力が減衰し始める。この温度上昇に伴う塑性圧縮変形による変形量は温度上昇とともに増加し、これに伴い熱応力も減衰し続け、最終的には熱応力がゼロとなる。図2に示す例では、温度範囲S3においてこのような挙動が示されている。この状態は、鋼製梁2に載荷された長期荷重による材端21での曲げモーメントと、その材端21での材軸直交断面の曲げ耐力とが釣り合っている状態を示しており、火災時の鋼製梁2の終局状態を示している。 After the temperature T 1 is exceeded, the proof stress of the steel material begins to increase, and the thermal stress begins to attenuate due to the progress of the above-mentioned plastic compression deformation as the temperature rises. The amount of deformation due to plastic compressive deformation accompanying this temperature rise increases as the temperature rises, and along with this, the thermal stress continues to attenuate, and finally the thermal stress becomes zero. In the example shown in FIG. 2, such behavior is shown in the temperature range S3. This state shows a state in which the bending moment at the material end 21 due to the long-term load loaded on the steel beam 2 and the bending strength of the material axis orthogonal section at the material end 21 are balanced. The final state of the steel beam 2 is shown.

以上のような鋼製梁2の弾塑性挙動を解析するため、本願発明に係る構造解析方法では、鋼製梁2の軸力及びモーメントそれぞれの釣り合いを示す式と、その材端での材軸方向の変位適合条件を示す式と、その材軸直交断面での降伏条件を示す式とを有する4元連立方程式を作成し、その4元連立方程式に基づき鋼製梁2の弾塑性挙動を表す軸力N、塑性領域長さlp等のパラメータの温度履歴を算出することとしている。以下、その詳細について更に説明する。 In order to analyze the elasto-plastic behavior of the steel beam 2 as described above, in the structural analysis method according to the present invention, an equation indicating the balance of the axial force and moment of the steel beam 2 and the material axis at the end of the material are shown. A quaternary simultaneous equation having an equation indicating the displacement conforming condition in the direction and an equation indicating the yield condition in the cross section perpendicular to the material axis is created, and the elasto-plastic behavior of the steel beam 2 is expressed based on the quaternary simultaneous equation. The temperature history of parameters such as the axial force N and the plastic region length l p is calculated. The details will be further described below.

まず、本発明に係る構造解析方法で用いられるモデルについて説明する。   First, a model used in the structural analysis method according to the present invention will be described.

このモデルでは、図3に示すように、鋼製梁2の材端21周りに配置された鋼製柱3、他の鋼製梁2等の周辺部材によって、鋼製梁2の温度上昇による線膨張が拘束されるものと仮定している。このとき、鋼製柱3、他の鋼製梁2等の周辺部材は、解析対象となる鋼製梁2の温度上昇に依らず常温(20℃)のままであると仮定する。   In this model, as shown in FIG. 3, a line due to a temperature rise of the steel beam 2 is caused by peripheral members such as a steel column 3 and other steel beams 2 arranged around the material end 21 of the steel beam 2. It is assumed that the expansion is constrained. At this time, it is assumed that the peripheral members such as the steel column 3 and the other steel beams 2 remain at room temperature (20 ° C.) regardless of the temperature rise of the steel beam 2 to be analyzed.

また、このモデルでは、図3(b)に示すように、鋼製梁2のスパン中央22から材端21までの半スパン分の長さlを解析対象としている。この半スパン分の長さlを、ここでは3.5(m)と仮定する。鋼製梁2は図4に示すようなH型断面であると仮定する。鋼製梁2に作用する長期荷重は、スパン中央22の一点に作用する一定の集中荷重P(N)で代表させる。   Further, in this model, as shown in FIG. 3B, the length l of the half span from the span center 22 to the material end 21 of the steel beam 2 is set as the analysis target. The length l for this half span is assumed to be 3.5 (m) here. The steel beam 2 is assumed to have an H-shaped cross section as shown in FIG. The long-term load acting on the steel beam 2 is represented by a constant concentrated load P (N) acting on one point of the span center 22.

鋼製梁2の材端21は、周辺部材によりその曲げ変形が拘束されて、回転自由度が拘束されているものとして境界条件を仮定する。これは、材軸方向の曲げモーメント分布を、スパン中央22を対称中心とした逆対称とすることにより、後述の理論計算を簡単にするためである。また、鋼製梁2の材端21は、その材端21に接続された弾性バネ41によって、鋼製梁2の線膨張による水平方向の変形が拘束されているものとして境界条件を仮定する。この弾性バネ41は、鋼製梁2の材端21の周辺部材による拘束部分が鋼製梁2の水平変位に対して弾性を有するものとして考えたとき、その拘束効果を表すものとして機能する。この弾性バネ41のバネ剛性K(N/m)は、鋼製梁2の線膨張を拘束する周辺部材の剛性と等価であるものとし、鋼製梁2の材端上下に配置された鋼製柱3の材端31が固定されているものとすると、下記の式(3)により評価できる。

Figure 2013030138
The boundary condition is assumed for the material end 21 of the steel beam 2 on the assumption that the bending deformation is constrained by the peripheral members and the rotational degree of freedom is constrained. This is for simplifying the later-described theoretical calculation by making the bending moment distribution in the material axis direction reversely symmetric with the span center 22 as the center of symmetry. Further, a boundary condition is assumed for the material end 21 of the steel beam 2 on the assumption that the horizontal deformation due to the linear expansion of the steel beam 2 is constrained by the elastic spring 41 connected to the material end 21. The elastic spring 41 functions as a representation of the constraining effect when the constrained portion by the peripheral member of the material end 21 of the steel beam 2 is considered to have elasticity with respect to the horizontal displacement of the steel beam 2. The spring stiffness K (N / m) of the elastic spring 41 is equivalent to the stiffness of the peripheral member that restrains the linear expansion of the steel beam 2, and is made of steel disposed above and below the material end of the steel beam 2. If the material end 31 of the column 3 is fixed, it can be evaluated by the following equation (3).

Figure 2013030138

次に、上述のモデルを用いて、弾性限界温度T0以上の任意の温度Tから微小温度増分dTだけ温度上昇した場合について考える。 Next, consider a case where the temperature rises by a minute temperature increment dT from an arbitrary temperature T equal to or higher than the elastic limit temperature T 0 using the above model.

まず、鋼製梁2の材端21の材軸直交断面での軸力及びモーメントの釣り合いについて考える。この材軸直交断面においては、増分dTの温度上昇により、中立軸25より上側の上側断面25aにおいて引張応力σtが増分dσtだけ均等に増加し、中立軸25より下側の下側断面25bにおいて圧縮応力σcが増分dσcだけ均等に増加するものとする。この場合、その材軸直交断面での軸力Nの増分dNは材軸直交断面内での全応力の増分と釣り合うので、材軸直交断面での軸力の釣り合いを示す式として、下記の式(A0)が導出されることになる。また、この場合、その材軸直交断面でのモーメントの釣り合いを示す式として、下記の式(B0)が導出されることになる。なお、下記の式(A0)のAは鋼製梁2の材軸直交断面の断面積(mm2)である。

Figure 2013030138
Figure 2013030138
First, the balance of the axial force and moment in the cross section perpendicular to the material axis of the material end 21 of the steel beam 2 will be considered. In this cross section perpendicular to the material axis, the tensile stress σ t uniformly increases by the increment dσ t in the upper cross section 25 a above the neutral shaft 25 due to the temperature increase of the increment dT, and the lower cross section 25 b below the neutral shaft 25. Suppose that the compressive stress σ c increases uniformly by an increment dσ c . In this case, since the increment dN of the axial force N in the cross section perpendicular to the material axis is balanced with the increase in the total stress in the cross section perpendicular to the material axis, (A0) will be derived. In this case, the following formula (B0) is derived as a formula indicating the balance of moments in the cross section perpendicular to the material axis. In the following formula (A0), A is the cross-sectional area (mm 2 ) of the cross section perpendicular to the material axis of the steel beam 2.
Figure 2013030138
Figure 2013030138

ここで、温度T時の鋼製梁2の応力−歪関係が、下記の式(4)に記載の関数fにより表されるものとすると、式(4)の両辺を偏微分することにより下記の式(5)が導出される。

Figure 2013030138
Figure 2013030138
Here, assuming that the stress-strain relationship of the steel beam 2 at the temperature T is expressed by the function f described in the following equation (4), the following is obtained by partially differentiating both sides of the equation (4). Equation (5) is derived.
Figure 2013030138
Figure 2013030138

すると、材端21の材軸直交断面での材軸方向の力の釣り合いを示す式(A0)は、式(B0)及び式(5)を組み合わせることにより、下記の式(A1)により表されることになる。なお、下記の式(A1)のεcは、鋼製梁2の材端21の材軸直交断面においての、中立軸25より下側の下側断面25bでの圧縮歪(−)である。

Figure 2013030138
Then, the equation (A0) indicating the balance of the force in the material axis direction in the material axis orthogonal section of the material end 21 is expressed by the following equation (A1) by combining the equations (B0) and (5). Will be. In the following formula (A1), ε c is a compressive strain (−) in the lower cross section 25 b below the neutral shaft 25 in the cross section perpendicular to the material axis of the material end 21 of the steel beam 2.
Figure 2013030138

同様に、材端21の材軸直交断面でのモーメントの釣り合いを示す式(B0)は、式(5)を組み合わせることにより、下記の式(B1)により表されることになる。なお、下記の式(B1)のεtは、鋼製梁2の材端21の材軸直交断面においての、中立軸25より上側の上側断面25aでの引張歪(−)である。

Figure 2013030138
Similarly, the formula (B0) indicating the balance of moments in the cross section perpendicular to the material axis of the material end 21 is expressed by the following formula (B1) by combining the formula (5). In the following equation (B1), ε t is a tensile strain (−) in the upper cross section 25a above the neutral shaft 25 in the cross section perpendicular to the material axis of the material end 21 of the steel beam 2.
Figure 2013030138

次に、鋼製梁2の材端21での材軸方向の変位適合条件について考える。増分dTだけ温度上昇したときの、鋼製梁2の材端21の材軸方向に対する変位に影響する因子としては、図3(b)に示すような、鋼製梁2の弾性領域24における材軸方向の変形量の増分dδe、鋼製梁2の塑性領域23における材軸方向の変形量の増分dδp、鋼製梁2の材端21に接続された弾性バネ41の変形量の増分、鋼製梁2全体の線膨張による変形量の増分とが挙げられる。弾性バネ41の変形量の増分はdN/Kにより表せ、鋼製梁2全体の線膨張による変形量の増分はα・l・dTにより表せることから、鋼製梁2の材端21の変位適合条件を示す式として、下記の式(C0)が導出されることになる。なお、αは鋼材の線膨張係数(1/℃)である。

Figure 2013030138
Next, the displacement matching conditions in the material axis direction at the material end 21 of the steel beam 2 will be considered. As a factor affecting the displacement of the material end 21 of the steel beam 2 in the material axis direction when the temperature rises by the increment dT, the material in the elastic region 24 of the steel beam 2 as shown in FIG. Increment dδ e in the axial deformation amount, Increment dδ p in the axial direction in the plastic region 23 of the steel beam 2, Increment in deformation amount of the elastic spring 41 connected to the material end 21 of the steel beam 2 And an increase in deformation amount due to linear expansion of the entire steel beam 2. Since the increment of the deformation amount of the elastic spring 41 can be expressed by dN / K, and the increment of the deformation amount due to the linear expansion of the entire steel beam 2 can be expressed by α · l · dT. The following expression (C0) is derived as an expression indicating the condition. Α is a coefficient of linear expansion (1 / ° C.) of the steel material.
Figure 2013030138

ここで、鋼製梁2の弾性領域24における材軸方向の変形量の増分dδeは、フックの法則から、下記の式(6)により評価できる。なお、下記の式(6)におけるE(T)は温度Tのときの鋼製梁2の弾性係数(N/m2)である。また、下記の式(6)においては、温度Tの増分dT、塑性領域長さlpの増分dlpが考慮されていないが、この場合でも、温度変化に対する弾性領域24の変形量増分dδeが塑性領域23の変形量増分dδpに比べて十分小さいことから、後述の積分演算時において増分dTを十分小さくしておけば、無視しても計算誤差が非常に小さいものとなる。

Figure 2013030138
Here, the increment dδ e of the deformation amount in the material axis direction in the elastic region 24 of the steel beam 2 can be evaluated by the following equation (6) from the Hooke's law. In addition, E (T) in the following formula (6) is an elastic coefficient (N / m 2 ) of the steel beam 2 at the temperature T. Further, in the following formula (6), the increment dT of the temperature T and the increment dl p of the plastic region length l p are not taken into consideration, but even in this case, the deformation amount increment dδ e of the elastic region 24 with respect to the temperature change. There since sufficiently smaller than the deformation amount increment d? p plastic region 23, if sufficiently small increment dT during integral calculation will be described later, even ignoring the calculation error becomes very small.
Figure 2013030138

また、鋼製梁2の塑性領域23における材軸方向の変形量の増分dδpは、鋼製梁2の応力−歪関係が図5(a)に示すようなバイリニア型である場合、その塑性領域23における材軸直交断面での平均圧縮歪をε0とすると、鋼製梁2の材端21側及びスパン中央22側それぞれの塑性領域23の変形量(ε0・lp)の増分を合計したものとなるので、下記の式(7)により評価できる。

Figure 2013030138
Further, the increment dδ p of the deformation amount in the material axis direction in the plastic region 23 of the steel beam 2 is the plasticity when the stress-strain relationship of the steel beam 2 is a bilinear type as shown in FIG. When the mean compressive strain in wood axis orthogonal cross section in the region 23 and epsilon 0, an increment of deformation of the steel beams 2 of wood end 21 side and the mid span 22 side each plastic region 23 (ε 0 · l p) Since it becomes what was added, it can evaluate by following formula (7).
Figure 2013030138

このとき、鋼製梁2の材端21での材軸直交断面の平均歪増分は、その上側断面25aの引張歪εtの増分dεtと、下側断面25bの圧縮歪εcの増分dεcとの平均値(dεt+dεc)/2で表せる。また、塑性領域23の材軸方向全長に亘る範囲での平均圧縮歪増分dε0は、鋼製梁2の応力―歪関係がバイリニア型である場合、材端21での材軸直交断面の平均歪増分の1/2の値となるので、下記の式(8)が導出される。

Figure 2013030138
At this time, the average strain increment of the material axis orthogonal cross section at the material end 21 of the steel beam 2 is the increment dε t of the tensile strain ε t of the upper cross section 25a and the increment dε of the compressive strain ε c of the lower cross section 25b. mean value of c can be expressed by (dε t + dε c) / 2. Further, the average compressive strain increment dε 0 over the entire length of the plastic region 23 in the material axis direction is the average of the material axis orthogonal cross section at the material end 21 when the stress-strain relationship of the steel beam 2 is bilinear. Since the value is 1/2 of the strain increment, the following equation (8) is derived.
Figure 2013030138

そして、式(7)と式(8)とから下記の式(9)が導出される。

Figure 2013030138
Then, the following equation (9) is derived from the equations (7) and (8).
Figure 2013030138

すると、鋼製梁2の材端21での材軸方向の変位適合条件を示す式(C0)は、式(6)、式(9)を組み合わせることにより、下記の式(C1)により表されることになる。なお、下記の式(C1)は、あくまで応力−歪関係がバイリニア型である場合を前提としている。

Figure 2013030138
Then, the equation (C0) indicating the displacement matching condition in the material axis direction at the material end 21 of the steel beam 2 is expressed by the following equation (C1) by combining the equations (6) and (9). Will be. The following formula (C1) is based on the premise that the stress-strain relationship is bilinear.
Figure 2013030138

次に、温度Tからの増分dTの温度上昇によりちょうど塑性化する材軸直交断面での降伏条件について考える。ここでいう、塑性化する材軸直交断面とは、図3(b)に示すような、境界26の断面であり、即ち、梁材端21又はスパン中央22から塑性領域長さlp+dlpの位置にある断面である。この降伏条件は、その材軸直交断面に作用する軸力、曲げモーメントと、降伏耐力Ny(T)、全塑性モーメントMp(T)とから、下記の式(D1)により表せる。なお、降伏耐力Ny(T)は温度Tのときの降伏耐力(N/m2)、全塑性モーメントMp(T)は温度Tのときの全塑性モーメント(N・m)を示す。

Figure 2013030138
Next, let us consider the yield condition in the cross-section perpendicular to the material axis that is plasticized just by the temperature increase of the increment dT from the temperature T. The material axis orthogonal cross section to be plasticized here is a cross section of the boundary 26 as shown in FIG. 3B, that is, the plastic region length l p + dl p from the beam end 21 or the span center 22. It is the cross section in the position. This yield condition can be expressed by the following equation (D1) from the axial force and bending moment acting on the cross section perpendicular to the material axis, the yield strength N y (T), and the total plastic moment M p (T). The yield strength N y (T) represents the yield strength (N / m 2 ) at the temperature T, and the total plastic moment M p (T) represents the total plastic moment (N · m) at the temperature T.
Figure 2013030138

ここで、上述の式(A1)、(B1)、(C1)、(D1)それぞれは、軸力Nの増分dNと、塑性領域長さlpの増分dlpと、材端21の材軸直交断面での下側断面25bの圧縮歪εcの増分dεcと、その上側断面の引張歪εtの増分dεtのうち何れか一つ以上を含むとともに、温度Tの増分dTとを含んでいる。そこで、これら4つの増分dN、dlp、dεc、dεtが未知数であるとすると、その未知数に対して同数の方程式が成立していることになるので、上述の式(A1)、(B1)、(C1)、(D1)を一組とする4元1次連立方程式を解くことにより、各未知数それぞれの解が求められることになる。 Here, the above-mentioned formulas (A1), (B1), (C1), and (D1) are respectively the increment dN of the axial force N, the increment dl p of the plastic region length l p , and the material axis of the material end 21 It includes at least one of an increase dε c of the compressive strain ε c of the lower cross section 25b and an increase dε t of the tensile strain ε t of the upper cross section, and an increase dT of the temperature T. It is out. Therefore, if these four increments dN, dl p , dε c , and dε t are unknown numbers, the same number of equations are established for the unknown numbers, so the above-described equations (A1) and (B1 ), (C1), and (D1) are solved as a set to solve the unknowns.

このようにして求めた4元1次連立方程式の解は、何れも温度Tからの温度増分dTを含むように表されている。このことから、積分範囲を弾性限界温度T0以上として、求められた解を温度Tで積分することにより、弾性限界温度T0以上の温度範囲での軸力N、塑性領域長さlp、圧縮歪εc、引張歪εtの温度履歴が求められることになる。このとき、積分演算の初期値は、lpをゼロ、N、εc、εtは弾性限界温度T0での弾性解を用いる。 The solutions of the quaternary linear simultaneous equations thus obtained are expressed so as to include the temperature increment dT from the temperature T. From this, the integral range is set to the elastic limit temperature T 0 or more, and the obtained solution is integrated with the temperature T, whereby the axial force N, the plastic region length l p in the temperature range of the elastic limit temperature T 0 or more, The temperature history of the compressive strain ε c and the tensile strain ε t is obtained. At this time, the initial value of the integral operation uses l p as zero, and N, ε c , and ε t use elastic solutions at the elastic limit temperature T 0 .

図2は、上述の4元1次連立方程式の解を求めた後、その解を温度Tで積分することにより求められた軸力Nについて、軸力比N/Nyで表した温度履歴を示すグラフであり、図6は求められた圧縮歪εcの温度履歴を示すグラフである。なお、図2、図6においては、歪硬化係数と弾性係数との比を歪硬化係数比e(=歪硬化係数/弾性係数)としたとき、歪硬化係数比eが異なる複数の鋼製梁2の温度履歴を示している。 FIG. 2 shows the temperature history expressed by the axial force ratio N / N y for the axial force N obtained by finding the solution of the above-mentioned quaternary linear simultaneous equations and then integrating the solution with the temperature T. FIG. 6 is a graph showing the temperature history of the obtained compression strain ε c . 2 and 6, a plurality of steel beams having different strain hardening coefficient ratios e when the ratio of the strain hardening coefficient and the elastic coefficient is the strain hardening coefficient ratio e (= strain hardening coefficient / elastic coefficient). 2 shows a temperature history.

また、図2や図6においては、弾性係数、降伏耐力、全塑性モーメント等の材料条件と、解析処理を行なうコンピュータとを同一にした条件の下で、火災時における鋼製梁の弾塑性挙動を有限要素法(FEM)により解析したときの結果も併せて示している。このように、本願発明に係る構造解析法による解析結果と有限要素法による解析結果とはほぼ一致しており、鋼製梁2の弾塑性挙動が精度よく解析できていることが把握できる。   2 and 6, the elastic-plastic behavior of the steel beam in the event of a fire under the same material conditions as the elastic modulus, yield strength, total plastic moment, etc., and the computer that performs the analysis process. The result when analyzing by the finite element method (FEM) is also shown. Thus, the analysis result by the structural analysis method according to the present invention and the analysis result by the finite element method are almost the same, and it can be understood that the elastic-plastic behavior of the steel beam 2 can be analyzed with high accuracy.

なお、上述のように、式(C1)は、鋼製梁2の応力−歪関係がバイリニア型である場合を前提としている。この場合、塑性領域23内での材軸方向の剛性が一定であるため、上述の式(8)が成立することになる。これに対して、図5(b)に示すように、鋼製梁の応力−歪関係がラウンドハウス型のような場合、塑性領域23内での材軸方向の剛性が変化してしまうため、上述の式(8)では、鋼製梁2の材端21での材軸直交断面の平均歪が過小評価される。   In addition, as mentioned above, Formula (C1) presupposes the case where the stress-strain relationship of the steel beam 2 is a bilinear type. In this case, since the rigidity in the material axis direction in the plastic region 23 is constant, the above equation (8) is established. On the other hand, as shown in FIG. 5B, when the stress-strain relationship of the steel beam is a round house type, the rigidity in the material axis direction in the plastic region 23 changes. In the above equation (8), the average strain of the cross section perpendicular to the material axis at the material end 21 of the steel beam 2 is underestimated.

そこで、このような問題を解決するため、本願発明においては、鋼製梁2の塑性領域23における材軸方向の変形量の増分dδpについて、下記式(E1)により表されるγを用いて評価されている下記のような式(C2)を、変位適合条件を示す式として用いることとしている。なお、下記式(E1)におけるEt(ε,T)は、歪ε、温度Tのときの鋼製梁2の応力−歪関係の接線剛性であり、Et(εc,T)は、図5(b)に示すような歪εcのときの接線剛性として表される。また、E0は、平均歪硬化係数であり、図5(b)に示すように、鋼製梁2の応力−歪関係において歪硬化が始まる点での歪をεsとしたときに、下記式(E2)により表される。式(E1)は、塑性領域23内の平均的な接線剛性をE0で代表させるものとして、そのE0と鋼製梁2の材端21の材軸直交断面での接線剛性Et(εc、T)との比を示している。

Figure 2013030138
Figure 2013030138
Figure 2013030138
Therefore, in order to solve such a problem, in the present invention, the increment dδ p of the deformation amount in the material axis direction in the plastic region 23 of the steel beam 2 is used by using γ represented by the following formula (E1). The following evaluated expression (C2) is used as an expression indicating the displacement matching condition. Note that E t (ε, T) in the following formula (E1) is the tangential stiffness of the stress-strain relationship of the steel beam 2 at the time of strain ε and temperature T, and E tc , T) is This is expressed as tangential rigidity at the time of strain ε c as shown in FIG. Further, E 0 is an average strain hardening coefficient. As shown in FIG. 5B, when the strain at the point where strain hardening starts in the stress-strain relationship of the steel beam 2 is ε s , It is represented by the formula (E2). Formula (E1) is, as to represent the average tangent stiffness in the plastic region 23 at E 0, the E 0 and tangent stiffness E t in wood axis perpendicular cross-section of the steel beam 2 of wood end 21 (epsilon c , T).
Figure 2013030138
Figure 2013030138
Figure 2013030138

図7(a)は、ラウンドハウス型の応力−歪関係を有する鋼製梁2について、上述の式(A1)、(B1)、(C2)、(D1)を一組とする4元1次連立方程式の解を求めた後、その解を温度Tで積分することにより求められた軸力Nについて、軸力比N/Nyで表した温度履歴を示すグラフであり、(b)は求められた圧縮歪εcの温度履歴を示すグラフである。また、図7においては、弾性係数、降伏耐力、全塑性モーメント等の材料条件と、解析処理を行なうコンピュータとを同一にした条件の下で、火災時における鋼製梁2の弾塑性挙動を有限要素法(FEM)により解析したときの結果も併せて示している。 FIG. 7A shows a quaternary primary with the above-described formulas (A1), (B1), (C2), and (D1) as a set for the steel beam 2 having a round house type stress-strain relationship. FIG. 4 is a graph showing a temperature history expressed by an axial force ratio N / Ny for an axial force N obtained by integrating the solution with a temperature T after obtaining a solution of simultaneous equations, and (b) is obtained. 6 is a graph showing the temperature history of the compression strain ε c . In FIG. 7, the elasto-plastic behavior of the steel beam 2 in the event of a fire is finite under the same material conditions such as elastic modulus, yield strength, total plastic moment, and the computer that performs the analysis process. The results when analyzed by the element method (FEM) are also shown.

このように、ラウンドハウス型の応力−歪関係を有する鋼製梁について、本願発明に係る構造解析方法によって弾塑性挙動を解析した場合でも、その解析結果と有限要素法による解析結果とがほぼ一致しており、上述の式(E1)で表されるγを用いて評価されている式を用いることによって、鋼製梁2の弾塑性挙動が精度よく解析できていることが把握できる。   Thus, even when the elastic-plastic behavior of a steel beam having a round house type stress-strain relationship is analyzed by the structural analysis method according to the present invention, the analysis result and the analysis result by the finite element method are almost identical. Therefore, it can be understood that the elasto-plastic behavior of the steel beam 2 can be analyzed with high accuracy by using the equation evaluated using γ represented by the above equation (E1).

また、鋼製梁2の材端21及びスパン中央22の材軸直交断面が全塑性化するときの弾性限界温度T0の求め方についてであるが、これは、鋼製梁2の材端21及びスパン中央22の材軸直交断面が降伏するときの降伏条件から求められる。具体的には、この降伏条件は下記の式(10)により示されることから、弾性限界温度T0は、この式(10)を解くことにより求められる。

Figure 2013030138
Further, regarding the method of obtaining the elastic limit temperature T 0 when the material axis 21 of the steel beam 2 and the material axis orthogonal cross section of the span center 22 are fully plasticized, this is the material end 21 of the steel beam 2. And it is calculated | required from the yield conditions when the material axis orthogonal cross section of the span center 22 yields. Specifically, since the yield condition is expressed by the following equation (10), the elastic limit temperature T 0 can be obtained by solving the equation (10).
Figure 2013030138

なお、上述の式(10)が導出された根拠について詳細に説明すると、もともと、圧縮軸力と曲げモーメントを受ける棒材の材軸直交断面が降伏するときの降伏条件は、下記の式(11)で表されることが知られている。ここで、Mは降伏する材軸直交断面に作用する曲げモーメントであり、図3(b)に示す条件の下では0.5×P×lにより表される。

Figure 2013030138
Explaining in detail the basis from which the above equation (10) is derived, originally, the yield condition when the cross section perpendicular to the axis of the bar subjected to the compression axial force and bending moment yields is the following equation (11) ) Is known. Here, M is a bending moment acting on the yielding material axis orthogonal cross section, and is represented by 0.5 × P × l under the conditions shown in FIG.
Figure 2013030138

ここで、弾性バネ41の硬さが無限大である場合、鋼製梁2の材端21及びスパン中央22に作用する熱応力による軸力Nとして、下記の式(12)により表されるものが作用する。これに対して、弾性バネ41の硬さが有限である場合、軸力Nが式(12)により表されるものより減少することになり、その軸力Nは、下記の式(13)により表されることが知られている。この式(13)と式(11)とを組み合わせることにより、上述の式(10)が導出されることになる。

Figure 2013030138
Figure 2013030138
Here, when the hardness of the elastic spring 41 is infinite, the axial force N caused by the thermal stress acting on the material end 21 and the span center 22 of the steel beam 2 is expressed by the following formula (12). Works. On the other hand, when the hardness of the elastic spring 41 is finite, the axial force N is smaller than that expressed by the equation (12), and the axial force N is calculated by the following equation (13). It is known to be represented. By combining this equation (13) and equation (11), the above equation (10) is derived.
Figure 2013030138
Figure 2013030138

次に、本発明の第1実施形態に係る構造解析方法を実行するのに好適な構造解析装置について説明する。   Next, a structural analysis apparatus suitable for executing the structural analysis method according to the first embodiment of the present invention will be described.

構造解析装置5は、図8に示すように、作業員が各種情報を入力するための入力部51と、構造解析装置5全体の動作を制御するためのプロセッサ52と、各種情報を記憶するための記憶部53と、各種情報を出力するための出力部54と、記録媒体56に各種情報を記憶するための外部記憶装置55とを備えるコンピュータとして構成されている。構造解析装置5の入力部51、プロセッサ52等の各構成要素は互いにデータバス57により接続されている。   As shown in FIG. 8, the structural analysis device 5 stores an input unit 51 for an operator to input various information, a processor 52 for controlling the operation of the entire structural analysis device 5, and various information. The storage unit 53, an output unit 54 for outputting various types of information, and an external storage unit 55 for storing various types of information in the recording medium 56 are configured as a computer. The components such as the input unit 51 and the processor 52 of the structural analysis device 5 are connected to each other by a data bus 57.

入力部51はキーボード、マウス等から構成される。プロセッサ52はCPU等から構成される。記憶部53はROM、RAM、ハードディスク等から構成される。出力部54はディスプレイ、プリンタ等から構成される。   The input unit 51 includes a keyboard, a mouse, and the like. The processor 52 includes a CPU and the like. The storage unit 53 includes a ROM, a RAM, a hard disk, and the like. The output unit 54 includes a display, a printer, and the like.

外部記憶装置55は記録媒体56を装填可能に構成されている。外部記憶装置55は、記録媒体56の装填時において記録媒体56に対して情報を読み取り及び書き込み可能に構成されている。記録媒体56は、CD−ROM、MO、DVD等から構成される。   The external storage device 55 is configured to be loaded with a recording medium 56. The external storage device 55 is configured to be able to read and write information with respect to the recording medium 56 when the recording medium 56 is loaded. The recording medium 56 is composed of a CD-ROM, MO, DVD or the like.

第1実施形態においては、上述の構造解析方法を実現するための構造解析プログラム58がCD−ROMとしての記録媒体56に記録されているものとする。構造解析時においては、記録媒体56から構造解析プログラム58が読み出された後、プロセッサ52によりその構造解析プログラム58が実行される。   In the first embodiment, it is assumed that a structure analysis program 58 for realizing the above-described structure analysis method is recorded on a recording medium 56 as a CD-ROM. At the time of structural analysis, after the structural analysis program 58 is read from the recording medium 56, the structural analysis program 58 is executed by the processor 52.

図9は、プロセッサ52により実行される構造解析プログラムの処理手順を示すフローチャートである。   FIG. 9 is a flowchart showing the processing procedure of the structural analysis program executed by the processor 52.

まず、ステップS1において、上述の構造解析方法を実行するために必要となる初期パラメータを設定する。この初期パラメータとしては、例えば、上述した鋼製梁2の断面積A、線膨張係数α、弾性係数E(T)、降伏耐力Ny(T)、全塑性モーメントMp(T)、応力―歪関係f(ε、T)等の材料条件や、弾性バネ41の剛性K、長期荷重P、鋼製柱3の断面2次モーメントIc、階高h、総数n等の境界条件等が挙げられる。この材料条件は、解析対象となる鋼製梁の材料に応じたものが設定され、公知の値や実験により求められた値が設定される。境界条件は、解析対象となる鋼構造建築物1に応じたものが適宜設定される。初期パラメータは、記憶部53に予め記憶されたものを用いたり、作業員が入力部51を操作して入力されたものが用いられる。 First, in step S1, initial parameters necessary for executing the above structural analysis method are set. As the initial parameters, for example, the cross-sectional area A, the linear expansion coefficient α, the elastic coefficient E (T), the yield strength N y (T), the total plastic moment M p (T), the stress − Examples include material conditions such as strain relation f (ε, T), boundary conditions such as rigidity K of elastic spring 41, long-term load P, secondary moment of inertia Ic of steel column 3, floor height h, total number n, and the like. . This material condition is set according to the material of the steel beam to be analyzed, and a known value or a value obtained by an experiment is set. The boundary condition is set as appropriate according to the steel structure building 1 to be analyzed. As the initial parameters, those stored in advance in the storage unit 53 or those input by an operator operating the input unit 51 are used.

次に、ステップS2において、鋼製梁2の弾性限界温度T0を算出する。弾性限界温度T0は、例えば、式(8)に基づき算出される。 Next, in step S2, the elastic limit temperature T 0 of the steel beam 2 is calculated. The elastic limit temperature T 0 is calculated based on, for example, the equation (8).

次に、ステップS3において、上述した4元連立方程式を作成する。4元連立方程式は、例えば、バイリニア型の応力−歪関係を有する鋼製梁2の弾塑性挙動を解析するうえでは式(A1)、(B1)、(C1)、(D1)を用い、ラウンドハウス型の応力−歪関係を有する鋼製梁2の弾塑性挙動を解析するうえでは式(C1)の代わりに式(C2)を用いる。4元連立方程式の未知数、増分dT以外のパラメータはステップS1において設定したものを用いる。   Next, in step S3, the above-described quaternary simultaneous equations are created. The quaternary simultaneous equations, for example, use the equations (A1), (B1), (C1), and (D1) to analyze the elastoplastic behavior of the steel beam 2 having a bilinear stress-strain relationship. In analyzing the elastoplastic behavior of the steel beam 2 having a house-type stress-strain relationship, the equation (C2) is used instead of the equation (C1). The parameters set in step S1 are used for parameters other than the unknown number of the quaternary simultaneous equations and the increment dT.

次に、ステップS4において、前ステップS3において作成した4元連立方程式を解くことにより、その4元連立方程式の未知数の解を算出する。ここでいう未知数とは、軸力Nの増分dNと、塑性領域長さlpの増分dlpと、鋼製梁2の材端21の材軸直交断面での下側断面25bの圧縮歪εcの増分dεcと、上側断面25aの引張歪εtの増分dεtとのことをいう。 Next, in step S4, by solving the quaternary simultaneous equation created in the previous step S3, an unknown solution of the quaternary simultaneous equation is calculated. The unknown here means the increment dN of the axial force N, the increment dl p of the plastic region length l p , and the compressive strain ε of the lower cross section 25b in the cross section perpendicular to the material axis of the material end 21 of the steel beam 2. It means the increment dε c of c and the increment dε t of the tensile strain ε t of the upper cross section 25a.

次に、ステップS5において、前ステップS4において算出された4元連立方程式の解、即ち、増分dN、増分dlp、増分dεc、増分dεtを、積分範囲をT0以上の範囲として、温度Tで積分することにより、軸力N、塑性領域長さlp、圧縮歪εc、引張歪εtの温度履歴を算出する。これらパラメータの温度履歴は、記憶部53や記録媒体56に記憶される。また、これらパラメータの温度履歴は、必要に応じて、次ステップS6において出力部54により出力される。出力部54による出力は、ディスプレイの表示、プリンタの印刷等により実行される。 Next, in step S5, the solution of the quaternary simultaneous equations calculated in the previous step S4, that is, the increment dN, the increment dl p , the increment dε c , and the increment dε t are set to a temperature equal to or greater than T 0. By integrating with T, the temperature history of the axial force N, the plastic region length l p , the compressive strain ε c , and the tensile strain ε t is calculated. The temperature history of these parameters is stored in the storage unit 53 and the recording medium 56. Moreover, the temperature history of these parameters is output by the output unit 54 in the next step S6 as necessary. Output by the output unit 54 is executed by display on a display, printing by a printer, or the like.

以上によれば、火災時における鋼製梁2の弾塑性挙動を解析するうえで、収束判定を伴う反復演算が不要となるため、演算時間の短縮により解析時間の短縮化を図ることが可能となるうえ、コンピュータの演算負荷の低減を図ることが可能となる。また、火災時における鋼製梁2の弾塑性挙動を解析するうえで、複数の要素からなる連続体となるように鋼製梁2をモデル化する入力作業が不要となるため、入力作業時間の短縮により解析時間の短縮化を図ることが可能となるうえ、人的労力の負担低減を図ることが可能となる。   According to the above, it is possible to shorten the analysis time by shortening the calculation time because it is not necessary to perform an iterative calculation with convergence judgment in analyzing the elastic-plastic behavior of the steel beam 2 at the time of fire. In addition, it is possible to reduce the computational load of the computer. In addition, when analyzing the elasto-plastic behavior of the steel beam 2 in the event of a fire, the input work of modeling the steel beam 2 so as to be a continuum consisting of a plurality of elements becomes unnecessary. By shortening, it becomes possible to shorten the analysis time and to reduce the burden of human labor.

本願発明の適用により、どの程度解析時間が短縮化されるのか検討した結果を説明する。鋼製梁2の弾塑性挙動を解析する手段として従来の有限要素法を利用した場合と、本願発明に係る構造解析手段を利用した場合とで、同一の材料条件、境界条件を有する鋼製梁2の弾塑性挙動を解析するのに必要となる時間を測定した。この結果、初期パラメータを設定する等の入力作業が完了した後に、実際に解析結果が算出されるまでに必要となる時間として、従来の有限要素法による構造解析では20秒程度であったのに対して、本願発明に係る構造解析方法では1.3秒程度の時間で解析結果が算出された。この例では、本願発明に係る構造解析方法の適用により、従来の有限要素法を利用した場合より、15倍程度の解析時間の短縮化が図れたことになる。   The results of studying how much the analysis time is shortened by applying the present invention will be described. A steel beam having the same material conditions and boundary conditions when the conventional finite element method is used as a means for analyzing the elastoplastic behavior of the steel beam 2 and when the structural analysis means according to the present invention is used. The time required to analyze the elastoplastic behavior of 2 was measured. As a result, after the input work such as setting initial parameters is completed, the time required until the analysis result is actually calculated is about 20 seconds in the conventional structural analysis by the finite element method. On the other hand, in the structural analysis method according to the present invention, the analysis result was calculated in about 1.3 seconds. In this example, by applying the structural analysis method according to the present invention, the analysis time can be reduced by about 15 times compared to the case of using the conventional finite element method.

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。   As mentioned above, although the example of embodiment of this invention was demonstrated in detail, all the embodiment mentioned above showed only the example of actualization in implementing this invention, and these are the technical aspects of this invention. The range should not be construed as limiting.

1 鋼構造建築物
2 鋼製梁
3 鋼製柱
5 構造解析装置
21 材端
22 スパン中央
23 塑性領域
24 弾性領域
25 中立軸
26 境界
31 材端
41 弾性バネ
51 入力部
52 プロセッサ
53 記憶部
54 出力部
55 外部記憶装置
56 記録媒体
57 データバス
58 構造解析プログラム

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steel structure building 2 Steel beam 3 Steel pillar 5 Structural analysis apparatus 21 Material end 22 Span center 23 Plastic area 24 Elastic area 25 Neutral shaft 26 Boundary 31 Material end 41 Elastic spring 51 Input part 52 Processor 53 Memory | storage part 54 Output 55 External storage device 56 Recording medium 57 Data bus 58 Structure analysis program

Claims (5)

鋼構造建築物の鋼製柱間に架設された鋼製梁の火災時における弾塑性挙動を解析するための構造解析方法において、
前記鋼製梁の軸力Nと、当該鋼製梁の材端及びスパン中央からの塑性領域長さlpと、当該鋼製梁の材端の材軸直交断面での下側断面の圧縮歪εcと、上側断面の引張歪εtとについて、前記鋼製梁が温度Tから増分dTだけ温度上昇した場合におけるそれぞれの増分をdN、dlp、dεc、dεtとしたとき、前記増分dN、増分dlp、増分dεc及び増分dεtのうち何れか一つ以上を未知数として含むとともに前記増分dTを含む式として、前記鋼製梁の材端の材軸直交断面での軸力及びモーメントそれぞれの釣り合いを示す式と、前記鋼製梁の材端での材軸方向の変位適合条件を示す式と、温度上昇により塑性化する前記鋼製梁の材軸直交断面での降伏条件を示す式とを有する4元連立方程式を作成し、
前記4元連立方程式を解くことにより前記未知数それぞれの解を算出し、
前記4元連立方程式の解を温度Tで積分することにより、前記軸力N、塑性領域長さlp、圧縮歪εc及び引張歪εtの温度履歴を算出すること
を特徴とする構造解析方法。
In the structural analysis method to analyze the elasto-plastic behavior of steel beams erected between steel columns of steel structure buildings at the time of fire,
The axial force N of the steel beam, the plastic region length l p from the end of the steel beam and the center of the span, and the compressive strain of the lower cross section of the steel beam at the material axis orthogonal cross section With respect to ε c and the tensile strain ε t of the upper cross section, when the steel beams are heated from the temperature T by the increment dT, the increments are dN, dl p , dε c , dε t , respectively. an axial force at a cross-section perpendicular to the axis of the steel beam at the end of the steel beam as an equation including any one or more of dN, increment dl p , increment dε c, and increment dε t as an unknown and the increment dT The equation showing the balance of each moment, the equation showing the displacement matching condition in the material axis direction at the material end of the steel beam, and the yield condition in the cross section perpendicular to the material axis of the steel beam plasticized by the temperature rise. Create a quaternary simultaneous equation with
Calculating the solutions for each of the unknowns by solving the quaternary simultaneous equations,
Integrating the solution of the quaternary simultaneous equations at the temperature T, the temperature history of the axial force N, the plastic region length l p , the compressive strain ε c and the tensile strain ε t is calculated. Method.
前記鋼製梁が温度Tから増分dTだけ温度上昇したときの前記塑性領域の材軸方向での変形量の増分について、下記式(1)により表されるγを用いて評価されている式を、前記変位適合条件を示す式として用いること
を特徴とする請求項1記載の構造解析方法。
Figure 2013030138
ここで、式(1)におけるEt(ε,T)は歪ε、温度Tのときの鋼製梁の応力−歪関係の接線剛性であり、E0は、鋼製梁の応力−歪関係において歪硬化が始まる点での歪をεsとしたときに、下記式(2)により表される。
Figure 2013030138
For the increment of the deformation amount in the material axis direction of the plastic region when the temperature of the steel beam is increased by an increment dT from the temperature T, an expression evaluated using γ expressed by the following expression (1) The structural analysis method according to claim 1, wherein the structural analysis method is used as an expression indicating the displacement matching condition.
Figure 2013030138
Here, E t (ε, T) in equation (1) is the tangential stiffness of the stress-strain relationship of the steel beam at strain ε and temperature T, and E 0 is the stress-strain relationship of the steel beam. Is expressed by the following formula (2), where ε s is the strain at the point where strain hardening starts.
Figure 2013030138
前記鋼製梁の材端及びスパン中央の材軸直交断面での降伏条件を示す式に基づいて、当該鋼製梁の材端及びスパン中央の材軸直交断面が全塑性化するときの弾性限界温度T0を算出し、
前記4元連立方程式の解を前記温度T0以上の範囲において温度Tで積分することにより、軸力N、塑性領域長さlp、圧縮歪εc及び引張歪εtの温度履歴を算出すること
を特徴とする請求項1又は2記載の構造解析方法。
Elastic limit when the material end of the steel beam and the material axis orthogonal cross section at the center of the span are fully plasticized based on the expression indicating the yield condition at the material axis orthogonal cross section of the steel beam Calculate the temperature T 0 ,
The temperature history of the axial force N, the plastic region length l p , the compressive strain ε c and the tensile strain ε t is calculated by integrating the solution of the quaternary simultaneous equations at the temperature T in the range of the temperature T 0 or higher. The structural analysis method according to claim 1 or 2, wherein:
請求項1〜3の何れかに記載の構造解析方法をコンピュータに実行させること
を特徴とする構造解析プログラム。
A structural analysis program that causes a computer to execute the structural analysis method according to claim 1.
請求項4に記載の構造解析プログラムがコンピュータに読み取り可能に記録されていること
を特徴とする記録媒体。
A recording medium in which the structural analysis program according to claim 4 is recorded in a computer-readable manner.
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