JP2018172927A

JP2018172927A - 柱構造体

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Publication number: JP2018172927A
Application number: JP2017071888A
Authority: JP
Inventors: 幸太郎猪瀬; Kotaro Inose; 謙二郎山岸; Kenjiro Yamagishi; 直幸松本; Naoyuki Matsumoto; 大記置田; Hiroki Okita; 山田　順子; Junko Yamada; 順子山田; 理絵原田; Rie Harada; 弘人山岡; Hiroto Yamaoka
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP6961984B2

Abstract

【課題】軽量化と、耐荷力の向上とに有利な柱構造体を提供する。【解決手段】柱構造体１０は、繊維強化樹脂複合材料で形成され、第１方向に延伸し、かつ、第１方向に垂直となる第１平面内で周方向に並列する複数の壁部１２と、金属材料で形成され、第１方向に延伸し、かつ、第１平面内で周方向に同一の間隔を空けて並列する複数の支持部１４とを有する。支持部１４は、互いに隣り合う第１の壁部１２と第２の壁部１２との面に接合される。また、支持部１４の第１平面内の断面積は、第１方向の中間部よりも端部の方が大きい。【選択図】図２

Description

本発明は、柱構造体に関する。

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柱構造体が用いられている。非特許文献１には、従来用いられている柱構造体の一例として、板厚６ｍｍの鋼板で形成された供試体が記載されている。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、柱構造体の軽量化が求められている。

猪瀬幸太郎、外３名、「レーザを用いて製作した無補剛溶接構造部材の終局強度」、構造工学論文集、公益社団法人土木学会、平成20年3月、Vol.54A、p. 50−57

上記のような構造体に用いられている大型の柱構造体は、非特許文献１に例示されているような中空の薄肉構造を有する。そのため、更なる軽量化を実現するために、薄肉構造自体を維持したまま、より薄肉化すると、断面積の減少に併せて局部座屈が生じ、耐荷力が減少する。

これに対して、例えば、鋼材よりも軽量な繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）を用いて柱構造体を形成することで、柱構造体の軽量化を図ることも考えられる。しかし、このような柱構造体が構造体内に設置されている状態では、条件によっては、他の部材と取り合う柱構造体の端部に荷重集中点が発生しやすくなる可能性が考えられる。

そこで、本発明は、軽量化と、耐荷力の向上とに有利な柱構造体を提供することを目的とする。

本発明の一態様の柱構造体は、繊維強化樹脂複合材料で形成され、第１方向に延伸し、かつ、第１方向に垂直となる第１平面内で周方向に並列する複数の壁部と、金属材料で形成され、第１方向に延伸し、かつ、第１平面内で周方向に同一の間隔を空けて並列する複数の支持部と、を有し、支持部は、互いに隣り合う第１の壁部と第２の壁部との面に接合され、支持部の第１平面内の断面積は、第１方向の中間部よりも端部の方が大きい。

また、上記の柱構造体において、第１平面内で壁部において単層部となる部分の幅をｂ_ＦＲＰとし、壁部の板厚をｔ_ＦＲＰとし、繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数をＥ_Ｆとし、繊維強化樹脂複合材料のポアソン比をμ_Ｆとし、座屈係数をｋとすると、壁部の幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、式（１）から算出されるものとしてもよい。又は、支持部の断面積をＡ_Ｍｅとし、壁部の第１平面内の断面積をＡ_ＦＲＰとし、金属材料の縦弾性係数Ｅ_Ｓと繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数Ｅ_Ｆとの比（Ｅ_Ｓ／Ｅ_Ｆ）をｎ_Ｅとし、金属材料の降伏応力をσ_Ｙとし、式（３）で表される設計計算上の相当降伏断面力をＦ_Ｙとすると、壁部の幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、式（２）から算出されるものとしてもよい。支持部において第１平面内で壁部が接合されて複層部となる部分の長さをｂ_Ｌとし、支持部の板厚をｔ_Ｍｅとすると、支持部の形状は、（ｂ_Ｌ／ｔ_Ｍｅ）≦１３の条件を満たすものとしてもよい。壁部及び支持部は、それぞれ４つあり、支持部の第１平面内の断面形状は、Ｌ形であるものとしてもよい。また、第１方向を圧縮方向として圧縮荷重が負荷される構造物内の被設置部に固定される場合、支持部の第１方向の端部は、被設置部に接合されるものとしてもよい。

本発明によれば、軽量化と、耐荷力の向上とに有利な柱構造体を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る柱構造体の構成を示す図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す図である。図１におけるＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ断面等を示す図である。一実施形態における支持部の断面形状を示す図である。一実施形態に係る柱構造体の試作モデルの寸法を示す図である。図５の試作モデルにおける支持部の寸法を示す図である。載荷試験及び非線形解析による荷重−変位曲線を示すグラフである。載荷試験、非線形解析及び設計計算による断面性能の比較を示すグラフである。試作モデルの各位置における荷重分担率を示すグラフである。従来の柱構造体の試作モデルの寸法を示す図である。一実施形態と従来との各試作モデルの耐荷力を比較するグラフである。

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。さらに、以下の各図では、鉛直方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内において、Ｘ軸、及び、Ｘ軸に垂直なＹ軸を取る。

図１は、本実施形態に係る柱構造体１０の構成を示す斜視図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面を示す図である。図３は、図２における各断面、及び、柱構造体１０の上面を示す図である。特に、図３（ａ）は、図２におけるＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ断面を示す図である。図３（ｂ）は、図２におけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ断面を示す図である。図３（ｃ）は、柱構造体１０をＺ方向プラス側から見た上面図である。

柱構造体１０は、Ｚ方向を延伸方向とする柱状の構造体である。柱構造体１０は、船舶上部工、橋梁、運搬機、海洋構造物等の構造物に対して、延伸方向の上端及び下端が固定されることで設置され、構造物からの荷重を受ける。

柱構造体１０は、それぞれＺ方向に延伸する、複数の壁部１２と、複数の支持部１４とを有する。ここで、本実施形態では、柱構造体１０のＸＹ断面が中空の矩形（正方形）となるように、柱構造体１０は、４つの壁部１２、すなわち、第１壁部１２ａ〜第４壁部１２ｄを含むものとする。また、柱構造体１０は、４つの支持部１４、すなわち、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄを含むものとする。

第１壁部１２ａ〜第４壁部１２ｄは、それぞれ、同一形状であり、Ｚ方向を延伸方向とする平板である。なお、壁部１２が取り得る具体的形状については、以下で詳説する。

壁部１２は、強化繊維とマトリックス樹脂とを含む繊維強化樹脂複合材料（ＦＲＰ）で形成される。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。

壁部１２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。この成形方法としては、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（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）法等も適用可能である。

第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄは、それぞれ、同一形状であり、Ｚ方向を延伸方向とし、ＸＹ平面で切断した断面形状がＬ形となる部材である。なお、支持部１４が取り得る具体的形状については、以下で詳説する。

支持部１４は、炭素鋼やステンレス鋼等の鋼材で形成される。支持部１４は、一般的な鋼材の機械加工で形成することができる。ただし、支持部１４を形成する材料は、このような鋼材（鉄系合金）に限られず、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）等の金属材料であってもよい。

ここで、柱構造体１０は、壁部１２及び支持部１４の組み合わせを基本構造とする。そして、以下で詳説するが、柱構造体１０が構造物に設置されるときは、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄのそれぞれの延伸方向の両端部が構造物に接合される。ここでの接合は、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。また、構造物（支持部１４が接合される被設置部）が金属材料である場合などは、溶接により接合することもできる。そして、柱構造体１０を設置する構造物側の被設置部の形状や材質は、その時々によって異なる。そこで、以下の説明では、構造物側から直接的に荷重が伝達される荷重伝達部として、構造物側の被設置部を想定した２つの基板を例示する。

第１基板１６は、柱構造体１０のＺ方向プラス側の端部が設置される構造物側の被設置部を想定した部材である。一方、第２基板１８は、柱構造体１０のＺ方向マイナス側の端部が設置される構造物側の被設置部を想定した部材である。第１基板１６及び第２基板１８は、ともに、全体形状としては、おおよそ柱構造体１０の断面形状に合わせた矩形（正方形）となる平板であり、中央領域には貫通穴を有していてもよい。第１基板１６及び第２基板１８は、支持部１４と同様に、炭素鋼やステンレス鋼等の鋼材等の金属材料で形成されていてもよい。

次に、壁部１２及び支持部１４の組み合わせと、それらが組み合わされた柱構造体１０が好適な効果を奏するための壁部１２及び支持部１４の具体的形状とについて説明する。

第１壁部１２ａ〜第４壁部１２ｄは、それぞれ、Ｚ方向に延伸方向を合わせつつ、内部に空間を形成するように、ＸＹ平面内で周方向に並列されている。例えば、第１壁部１２ａについて、第１壁部１２ａのＺ方向の端部は、Ｘ方向に沿って配置されている。このとき、第１壁部１２ａのＸ方向プラス側でＺ方向に沿って延びる一方の端辺は、端部がＹ方向に沿って配置されている第２壁部１２ｂのＹ方向マイナス側でＺ方向に沿って延びる一方の端辺に近接する。一方、第１壁部１２ａのＸ方向マイナス側でＺ方向に沿って延びる他方の端辺は、端部がＹ方向に沿って配置されている第４壁部１２ｄのＹ方向マイナス側でＺ方向に沿って延びる一方の端辺に近接する。同様に、第２壁部１２ｂ〜第４壁部１２ｄも、それぞれ、互いに隣り合う壁部１２同士で並んで配置される。この配置関係により、第１壁部１２ａ〜第４壁部１２ｄは、図３に示すように、全体として、ＸＹ平面において正方形の断面形状となる矩形管状となる。ただし、隣り合う壁部１２同士は、直接的に接合されていない。また、第１壁部１２ａ〜第４壁部１２ｄは、第１基板１６及び第２基板１８にも接合されていない。

第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄは、それぞれ、周方向に同一の間隔を空けて並列され、互いに隣り合う２つの壁部１２を接合して固定するとともに、延伸方向の両端部が第１基板１６又は第２基板１８のいずれかに接合される。ここでの接合は、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。例えば、第１支持部１４ａのＸ方向に沿った一方の外面は、第１壁部１２ａの内面の一部に接合される。一方、第１支持部１４ａのＹ方向に沿った他方の外面は、第２壁部１２ｂの内面の一部に接合される。また、第１支持部１４ａのＺ方向プラス側のＬ形の端面は、第１基板１６の平面上に接合される。一方、第１支持部１４ａのＺ方向マイナス側のＬ形の端面は、第２基板１８の平面上に接合される。同様に、第２支持部１４ｂ〜第４支持部１４ｄも、それぞれ２つの隣り合う壁部の一部に接合されるとともに、２つの基板１６，１８に接合される。この接合関係により、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄは、第１壁部１２ａ〜第４壁部１２ｄを直接的に支持することになり、第１基板１６及び第２基板１８に直接的に支持されることになる。すなわち、第１壁部１２ａ〜第４壁部１２ｄは、それぞれ、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄを介して２つの基板１６，１８に支持されることになる。

また、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄは、それぞれ、ＸＹ平面において互いに接触しない。すなわち、図２に示すように、Ｘ方向又はＹ方向で互いに隣り合う２つの支持部１４の間には、互いに接合する壁部１２の壁面に沿って、間隔ｂ_ＦＲＰが存在する。結果として、柱構造体１０全体では、壁部１２のみの単層部と、壁部１２と支持部１４とが接合により重なっている複層部とが存在することになる。

このような構造によれば、支持部１４は、まず、延伸方向の端部で、第１基板１６又は第２基板１８から伝達される荷重を受ける。その後、伝達された荷重は、壁部１２において、支持部１４と接合されている複層部から、支持部１４と接合されていない単層部へと伝達される。したがって、第１の視点として、壁部１２は、支持部１４からの荷重の伝達なしに、第１基板１６又は第２基板１８から直接伝達した荷重だけを受けるということがない。一方、第２の視点として、支持部１４は、壁部１２に接合されているので、支持部１４だけで、柱構造体１０に負荷された荷重を受けるということもない。

さらに、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄでは、それぞれ、延伸方向に対して垂直な断面方向における複層部の長さｂ_Ｌが一定ではない。具体的には、図２及び図３に示すように、第１基板１６及び第２基板１８との接合部である両端部の長さの方が、延伸方向の中間部よりも長い。例えば、図２におけるＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ断面では、第１支持部１４ａにおける複層部の長さは、ｂ_Ｌ１である。これに対して、第１基板１６及び第２基板１８の近傍である図２におけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ断面では、第１支持部１４ａにおける複層部の長さは、ｂ_Ｌ１よりも長いｂ_Ｌ２である。さらに、第１基板１６及び第２基板１８との接合部である両端部では、第１支持部１４ａにおける複層部の長さは、ｂ_Ｌ２よりも長いｂ_Ｌ３である。このように、複層部の長さｂ_Ｌは、延伸方向で中間部から両端部に向けて、徐々に長くなる。したがって、第１支持部１４ａのＸＹ平面内の断面積は、板厚ｔ_Ｍｅが一定であるとすれば、Ｚ方向の中間部よりも端部の方が大きくなる。それに伴い、例えば、第２基板１８の位置を基準とすると、Ｚ方向に沿って第２基板１８から第１基板１６に向けて進むにつれて、単層部の長さｂ_ＦＲＰも変化する。

このような構成のもと、壁部１２及び支持部１４の各寸法は、以下のような条件を満たすことにより決定される。特に、柱構造体１０では、壁部１２が繊維強化樹脂複合材料で形成されることに関連して、壁部１２及び支持部１４における局部座屈を抑止する必要がある。

まず、壁部１２では、局部座屈を抑止するため、幅厚比を規定する。ここで、幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、簡易式である式（１）から算出され得る。

また、ｂ_ＦＲＰは、壁部１２における単層部の幅である。ｔ_ＦＲＰは、壁部１２の板厚である。Ｅ_Ｆは、壁部１２を形成する繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数である。μ_Ｆは、壁部１２を形成する繊維強化樹脂複合材料のポアソン比である。

さらに、ｋは座屈係数であり、例えば、ｋ＝４である。

一方、幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、厳密解である式（２）からも算出され得る。

ここで、Ｆ_Ｙは、設計計算上の相当降伏断面力であり、式（３）で表される。

ただし、Ａ_Ｍｅは、支持部１４の断面積である。Ａ_ＦＲＰは、壁部１２の断面積である。ｎ_Ｅは、支持部１４を形成する鋼材の縦弾性係数Ｅ_Ｓと、壁部１２を形成する繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数Ｅ_Ｆとの比（Ｅ_Ｓ／Ｅ_Ｆ）である。σ_Ｙは、支持部１４を形成する鋼材の降伏応力である。

図４は、本実施形態において採用し得る支持部の断面形状を示す図である。特に、図４（ａ）は、支持部１４の断面形状を示す。ここで、延伸方向に垂直な断面方向において、接合面となる外面１４１上で壁部１２と接合されて生じる複層部の長さをｂ_Ｌとし、支持部１４の板厚をｔ_Ｍｅとする。このとき、局部座屈を抑止するために、支持部１４の形状は、（ｂ_Ｌ／ｔ_Ｍｅ）≦１３の条件を満たすものとする。

次に、本実施形態による効果について説明する。

まず、本実施形態に係る柱構造体１０は、繊維強化樹脂複合材料で形成され、第１方向に延伸し、かつ、第１方向に垂直となる第１平面内で周方向に並列する複数の壁部１２を有する。また、柱構造体１０は、金属材料で形成され、第１方向に延伸し、かつ、第１平面内で周方向に同一の間隔を空けて並列する複数の支持部１４を有する。支持部１４は、互いに隣り合う第１の壁部１２と第２の壁部１２との面に接合される。また、支持部１４の第１平面内の断面積は、第１方向の中間部よりも端部の方が大きい。

ここで、第１方向は、例えばＺ方向に相当する。この場合、第１平面は、ＸＹ平面に相当する。また、支持部１４が例えば第１支持部１４ａに相当する場合には、第１の壁部１２は、第１壁部１２ａに相当し、第２の壁部１２は、第２壁部１２ｂに相当する。

上記構成の柱構造体１０によれば、まず、壁部１２は、繊維強化樹脂複合材料で形成されている。繊維強化樹脂複合材料は、鋼材等の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、柱構造体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、全体が鋼材で形成されている柱構造体よりも、軽量化が実現できる。

さらに、鋼材で形成されている支持部１４の断面積は、端部で最大であり、端部から中間部に行くにつれて小さくなり、繊維強化樹脂複合材料で形成されている壁部１２で支える荷重の割合が増加する。支持部１４の端部における断面積は、局部座屈を抑止するのに必要な大きさに規定されており、それ以上に小さく規定することは望ましくない。したがって、例えば、支持部１４の断面積が、第１方向での位置にかかわらず、端部の断面積で一定である場合と比較して、柱構造体１０では、支持部１４の中間部での断面積が端部での断面積よりも小さいので、より軽量化を実現できる。

また、上記構成の柱構造体１０によれば、支持部１４の第１方向の端部近傍では、鋼材で形成されている支持部１４の断面積が相対的に大きくなり、専ら複層部が外部から負荷される荷重を支えることになる。すなわち、柱構造体１０では、集中荷重に弱い繊維強化樹脂複合材料で形成されている壁部１２のみに外部からの荷重を負荷させることがないので、柱構造体１０の第１方向の端部強度が向上する。さらに、柱構造体１０では、第１方向の端部のみならず中間部でも、壁部１２も荷重を分担する。したがって、端部の荷重集中に起因した構造上の弱点を克服できる。

また、第１平面内で壁部１２において単層部となる部分の幅をｂ_ＦＲＰとし、壁部１２の板厚をｔ_ＦＲＰとし、繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数をＥ_Ｆとし、繊維強化樹脂複合材料のポアソン比をμ_Ｆとし、座屈係数をｋとする。このとき、本実施形態に係る柱構造体１０では、壁部１２の幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、式（１）から算出される。

上記構成の柱構造体１０によれば、簡易式である式（１）を用いて、壁部１２の単層部の板幅減による幅厚比Ｒ_ＦＲＰを低下させ、結果的に局部座屈強度を向上させることができる。

また、支持部１４の断面積をＡ_Ｍｅとし、壁部１２の第１平面内の断面積をＡ_ＦＲＰとし、金属材料の縦弾性係数Ｅ_Ｓと繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数Ｅ_Ｆとの比（Ｅ_Ｓ／Ｅ_Ｆ）をｎ_Ｅとし、金属材料の降伏応力をσ_Ｙとする。また、式（３）で表される設計計算上の相当降伏断面力をＦ_Ｙとする。このとき、本実施形態に係る柱構造体１０では、壁部１２の幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、式（２）から算出される。

上記構成の柱構造体１０によれば、厳密解である式（２）を用いて、壁部１２の単層部の板幅減による幅厚比Ｒ_ＦＲＰを低下させ、結果的に局部座屈強度を向上させることができる。

また、支持部１４において第１平面内で壁部１２が接合されて複層部となる部分の長さをｂ_Ｌとし、支持部１４の板厚をｔ_Ｍｅとする。このとき、本実施形態に係る柱構造体１０では、支持部１４の形状は、（ｂ_Ｌ／ｔ_Ｍｅ）≦１３の条件を満たす。

上記構成の柱構造体１０によれば、結果的に壁部１２の単層部の局部座屈強度を増加させ、柱構造体１０の局部座屈を抑止することができる。

また、本実施形態に係る柱構造体１０では、壁部１２及び支持部１４は、それぞれ４つあり、支持部１４の第１平面内の断面形状は、Ｌ形である。

上記構成の柱構造体１０によれば、特に壁部１２及び支持部１４がそれぞれ４つある場合、断面形状がＬ形の支持部１４は、柱構造体１０全体の矩形断面の四隅に配置され、それぞれの壁部１２の単層部の周辺を固定することになる。これにより、繊維強化樹脂複合材料で形成されている壁部１２の局部座屈耐力を向上させることができるので、柱構造体１０自体の座屈係数（局部座屈係数）を向上させることができる。

また、本実施形態に係る柱構造体１０では、第１方向を圧縮方向として圧縮荷重が負荷される構造物内の被設置部に固定される場合、支持部１４の第１方向の端部は、被設置部に接合される。

上記構成の柱構造体１０によれば、柱構造体１０の両端では、繊維強化樹脂複合材料で形成されている壁部１２のみには荷重を支えさせず、鋼材で形成されている支持部１４が荷重を支えることになるので、端部強度を向上させることができる。

なお、上記説明では、図４（ａ）に示したように、壁部１２は、支持部１４の外面１４１上に接合されるものとした。しかし、本発明は、これに限定されない。すなわち、壁部１２は、支持部１４の内面１４２上に接合されるものとしてもよい。

また、上記説明では、柱構造体１０の延伸方向に対する概略としての断面形状が矩形（正方形）であるものとした。しかし、本発明は、これに限定されない。断面形状が四角形以外の多角形となるような柱構造体にも適用可能である。なお、この場合には、柱構造体に含まれる壁部１２及び支持部１４の個数は変更となるが、壁部１２に関する上記の式（１）〜（３）の規定と、支持部１４に関する（ｂ_Ｌ／ｔ_Ｍｅ）≦１３の規定については、そのまま適用され得る。

さらに、柱構造体１０の断面形状は、多角形のみにも限定されず、例えば、円形や楕円であってもよい。図４（ｂ）は、一例として、円形となる柱構造体２０の断面形状と、その場合の支持部２４の断面形状を示す図である。この場合、柱構造体２０は、例えば、４つの壁部２２、すなわち、第１壁部２２ａ〜第４壁部２２ｄを含む。そして、柱構造体２０は、周方向に互いに隣り合う２つの壁部２２を接合する、周方向に同一の間隔を空けて並列された４つの支持部２４、すなわち、第１支持部２４ａ〜第４支持部２４ｄを含む。１つの支持部は、２つの壁部２２と接合される外面２４１と、その反対側の内面２４２とを有する。

ただし、断面形状が円形である柱構造体２０では、壁部２２及び支持部２４に関する規定が、断面形状が多角形である柱構造体１０の場合と若干異なる。まず、壁部２２に関して、式（１）に示す簡易式は不適用となり、式（２）及び（３）のみが適用される。一方、支持部２４に関して、図４（ｂ）に示すように、長さｂ_Ｌを、延伸方向に垂直な断面方向における２つの壁部２２と接合されて生じる複層部の長さ、すなわち、外面２４１全面の長さとして、その形状が（ｂ_Ｌ／ｔ_Ｍｅ）≦１３で規定されることになる。なお、このような規定は、断面形状が楕円である柱構造体でも同様となる。

特に、柱構造体１０の断面形状が、上記詳説した矩形の場合も含め、多角形となる場合には、そのときに適用される支持部は、各角部に沿った角度を有するものとすればよい。一方、柱構造体１０の断面形状が円形や楕円形など、曲線を有する形状となる場合には、そのときに適用される支持部は、その曲線に沿った曲面（例えば、円弧状など）を有するものとすればよい。

また、上記説明では、構造物側の被設置部を想定した第１基板１６及び第２基板１８には、鋼材で形成された支持部１４の端部のみが接合される場合を例示した。しかし、第１基板１６及び第２基板１８に支持部１４が接合されていれば、同様に、壁部１２の端部も第１基板１６及び第２基板１８に接合されていてもよい。

さらに、上記説明では、柱構造体１０が、壁部１２及び支持部１４の組み合わせを基本構造とし、構造物に設置されるときには、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄのそれぞれの延伸方向の両端部が構造物に接合されるものとした。しかし、柱構造体１０は、さらに、第１支持部１４ａ〜第４支持部１４ｄのそれぞれの延伸方向の両端部に、上記例示した第１基板１６及び第２基板１８のような端部部材を予め備えた１つのユニットとしてもよい。この場合、当該ユニットは、それ単体で流通することとなり、構造物に設置されるときには、第１基板１６及び第２基板１８が構造物に接合されることになる。このような構成によれば、柱構造体１０の運搬や設置などの取り扱いが、より容易になるという利点がある。

上記実施形態に係る柱構造体１０と、比較例としての従来の柱構造体とのそれぞれの試作モデルについて、載荷試験、及び、有限要素法（ＦＥＭ）の非線形解析による圧縮荷重の負荷解析を行い、結果を比較した。

図５は、本実施形態に係る柱構造体１０の試作モデルの寸法を示す図である。特に、図５（ａ）は、側面図である。図５（ｂ）は、試作モデルをＺ方向プラス側から見た上面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）におけるＶＣ−ＶＣ断面を示す図である。図５（ｄ）は、図５（ａ）におけるＶＤ−ＶＤ断面を示す図である。なお、各図中に示す寸法の単位はｍｍである。

図６は、図５に示す柱構造体１０の試作モデルにおける支持部１４の寸法を示す図である。特に、図６（ａ）は、側面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＶＩＢ−ＶＩＢ断面を示す図である。図６（ｃ）は、支持部１４をＺ方向プラス側から見た上面図である。なお、各図中に示す寸法の単位はｍｍである。

図７は、柱構造体１０の試作モデルについて、載荷試験及び非線形解析による荷重−変位曲線を示すグラフである。図７において、横軸は変位δ（ｍｍ）であり、縦軸は荷重Ｆ（ｋＮ）である。まず、柱構造体１０の試作モデルに対して３回の載荷試験を行った。載荷試験では、試作モデルの第２基板１８を載置した状態で、Ｚ方向を荷重方向として第１基板１６に対して圧縮荷重を負荷した。図７では、３回の載荷試験で得られた３つの試験値Ｎｏ．１〜３を描画している。次に、柱構造体１０の試作モデルについて、同様の負荷条件で、有限要素法の非線形解析による圧縮荷重の負荷解析を行った。図７では、非線形解析の結果を実線で表している。図７からわかるように、実際の載荷試験で得られた結果と、非線形解析で得られた結果とは、概ね一致する。

図８は、柱構造体１０の試作モデルについて、載荷試験、非線形解析及び設計計算による断面性能の比較を示すグラフである。図８において、横軸は計算値（ｋＮ）であり、縦軸は試験値（ｋＮ）である。図中、丸の白抜き記号は、設計計算で得られた相当降伏断面力の計算値と、載荷試験で得られた試験値との比較を示す。三角の白抜き記号は、非線形解析で得られた相当降伏断面力の計算値と、載荷試験で得られた試験値との比較を示す。四角の白抜き記号は、非線形解析で得られた最大荷重の計算値と、載荷試験で得られた試験値との比較を示す。図８からわかるように、降伏断面力は、設計計算値及び解析値と、試験値とが概ね一致し、特に試験値に関してはバラツキも小さい。これにより、本実施形態に係る柱構造体１０においては、降伏断面力を設計基準強度として取り扱うことが可能であると判断し得る。

図９は、試作モデルの位置における荷重分担率を示すグラフである。特に、図９（ａ）は、圧縮荷重を受け、柱構造体１０が弾性範囲内にある状態での荷重分担率を示す。図９（ｂ）は、圧縮荷重を受け、柱構造体１０が終局限界にある状態での荷重分担率を示す。図９において、横軸は、Ｚ方向における第２基板１８からの位置（ｍｍ）であり、縦軸は荷重分担率（％）である。図９（ａ）及び図９（ｂ）では、支持部１４の断面積がそれぞれ異なる第１例から第３例までの３つの場合の結果を描画している。また、図中の黒塗り記号は、積層部における値を示し、白抜き記号は、繊維強化樹脂複合材料の単層部における値を示す。図９からわかるように、Ｚ方向において、第１基板１６又は第２基板１８に支持部１４が接合されている柱構造体１０の両端部では、複層部が１００％荷重を分担している。そして、第１基板１６側又は第２基板１８側の双方からそれぞれ中間部に向かうに従い、繊維強化樹脂複合材料からなる単層部の荷重分担率が増加する。このような結果から、柱構造体１０では、荷重が円滑に伝達され、かつ、複層部と繊維強化樹脂複合材料の単層部とが荷重を分担することで、鋼材から形成される支持部１４の断面積を可能な限り小さくすることができると判断し得る。

図１０は、比較例としての従来の柱構造体３０の試作モデルの形状及び寸法を示す図である。図１０では、柱構造体３０の正面図、上面図及び側面図が描画されている。なお、各図中に示す寸法の単位はｍｍである。

柱構造体３０の試作モデルは、本実施形態に係る柱構造体１０の試作モデルとの比較を容易にするために、非特許文献１に記載の板厚６ｍｍの鋼板で形成された供試体を参照して構成されている。柱構造体３０は、４つの壁部３２、すなわち、第１壁部３２ａ〜第４壁部３２ｄを含む。第１壁部３２ａ〜第４壁部３２ｄは、互い接合されることで、柱構造体３０は、略矩形断面の管となる。柱構造体３０の両端部には、本実施形態における第１基板１６及び第２基板１８と同様に、構造物の非設置部を想定した第１基板３４及び第２基板３６とが接合されている。そして、第１壁部３２ａ〜第４壁部３２ｄ、並びに、第１基板３４及び第２基板３６は、すべて、本実施形態における支持部１４、並びに、第１基板１６及び第２基板１８と同様に、鋼材で形成されている。

図１１は、本実施形態に係る柱構造体１０の試作モデルの耐荷力と、従来の柱構造体３０の試作モデルの耐荷力とを比較するグラフである。図１１において、横軸は、各柱構造体のＺ方向の中間部における単位当たりの重量（ｋｇ／ｍ）であり、縦軸は耐荷力（ｋＮ）である。図中、鋼ＦＲＰ複合構造体とは、本実施形態に係る柱構造体１０の試作モデルに相当する。一方、鋼構造体とは、従来の柱構造体３０の試作モデルに相当する。丸の記号は、非線形解析で得られた鋼ＦＲＰ複合構造体の相当降伏断面力の解析値を示す。クロスの記号は、載荷試験で得られた鋼ＦＲＰ複合構造体の相当降伏断面力の試験値を示す。＋の記号は、載荷試験で得られた鋼構造体の最高耐荷力の試験値である。なお、この鋼構造体の最高耐荷力の試験値は、非特許文献１を参照して得た。

図１１からわかるように、第１に、本実施形態に係る柱構造体１０の試作モデルの基準設計強度（降伏断面力）は、鋼のみで形成された、同等の外形寸法を有する従来の柱構造体３０の試作モデルの基準設計強度（局部座屈強度）とほぼ同等である。第２に、柱構造体１０の試作モデルの中間部における単位長さあたり重量は、従来の柱構造体３０の試作モデルの中間部における単位長さあたり重量の約３／４である。したがって、本実施形態に係る柱構造体１０によれば、従来の柱構造体３０と比較して、相当降伏断面力以上の最高耐荷力が得つつ、局部座屈を同等に抑えることができ、その上で、より軽量化が実現できた。

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。

１０柱構造体
１２（１２ａ〜１２ｄ）壁部
１４（１４ａ〜１４ｄ）支持部

Claims

繊維強化樹脂複合材料で形成され、第１方向に延伸し、かつ、前記第１方向に垂直となる第１平面内で周方向に並列する複数の壁部と、
金属材料で形成され、前記第１方向に延伸し、かつ、前記第１平面内で周方向に同一の間隔を空けて並列する複数の支持部と、
を有し、
前記支持部は、互いに隣り合う第１の前記壁部と第２の前記壁部との面に接合され、
前記支持部の前記第１平面内の断面積は、前記第１方向の中間部よりも端部の方が大きい、
柱構造体。
前記第１平面内で前記壁部において単層部となる部分の幅をｂ_ＦＲＰとし、前記壁部の板厚をｔ_ＦＲＰとし、前記繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数をＥ_Ｆとし、繊維強化樹脂複合材料のポアソン比をμ_Ｆとし、座屈係数をｋとすると、
前記壁部の幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、式（１）から算出される、
請求項１に記載の柱構造体。
前記支持部の前記断面積をＡ_Ｍｅとし、前記壁部の前記第１平面内の断面積をＡ_ＦＲＰとし、前記金属材料の縦弾性係数Ｅ_Ｓと前記繊維強化樹脂複合材料の縦弾性係数Ｅ_Ｆとの比（Ｅ_Ｓ／Ｅ_Ｆ）をｎ_Ｅとし、前記金属材料の降伏応力をσ_Ｙとし、式（３）で表される設計計算上の相当降伏断面力をＦ_Ｙとすると、
前記壁部の幅厚比Ｒ_ＦＲＰは、式（２）から算出される、
請求項１に記載の柱構造体。
前記支持部において前記第１平面内で前記壁部が接合されて複層部となる部分の長さをｂ_Ｌとし、前記支持部の板厚をｔ_Ｍｅとすると、
前記支持部の形状は、（ｂ_Ｌ／ｔ_Ｍｅ）≦１３の条件を満たす、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の柱構造体。
前記壁部及び前記支持部は、それぞれ４つあり、
前記支持部の前記第１平面内の断面形状は、Ｌ形である、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の柱構造体。
前記第１方向を圧縮方向として圧縮荷重が負荷される構造物内の被設置部に固定される場合、前記支持部の前記第１方向の端部は、前記被設置部に接合される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の柱構造体。