JP2021006786A - Apparatus, method and program for estimating buckling stress intensity - Google Patents

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Abstract

To provide an apparatus for estimating buckling stress intensity which allows for simpler calculation necessary for estimating buckling stress intensity compared with a case using Fourier series, and can formulate estimated results so as to be physically understood.SOLUTION: A buckling stress intensity estimation apparatus 50 for estimating buckling stress intensity of a plate element which buckles with bending moment applied around a z-axis extending in a plate thickness direction and spreads along an x-axis extending in a material axis direction and a y-axis extending in a plate width direction includes: a displacement estimation unit 52 which estimates out-of-plane displacement of the plate element facing a direction along the z-axis when a half wavelength in a direction along the x-axis of the plate element which alternately displaces in a wavelike fashion in the direction along the z-axis as it goes toward a first end of the plate element in the direction along the x-axis is defined as (a); and a stress intensity calculation unit 53 which determines buckling stress intensity of the plate element which generates out-of-plane displacement based on energy approach.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、座屈応力度の推定装置、座屈応力度の推定方法、及び座屈応力度の推定プログラムに関する。 The present invention relates to a buckling stress estimation device, a buckling stress estimation method, and a buckling stress estimation program.

従来、曲げモーメントが作用して面内で曲げられる板要素の座屈応力度(局部座屈応力度)を推定することが行われている。この座屈応力度の推定方法では、(1)式で表されるフーリエ級数を用いることが一般的であり、板要素の面外変位Wを推定する場合は、(1)式を(1−1)式の表現に変えた上で座屈応力度の推定が行われている(例えば、非特許文献1参照)。
ただし、bは板要素の厚さ方向に直交する方向の長さである。
Conventionally, the buckling stress degree (local buckling stress degree) of a plate element that is bent in a plane by an action of a bending moment has been estimated. In this buckling stress estimation method, it is common to use the Fourier series expressed by Eq. (1). When estimating the out-of-plane displacement W w of the plate element, Eq. (1) is used as (1). -1) The buckling stress degree is estimated after changing to the expression of Eq. 1) (see, for example, Non-Patent Document 1).
However, b w is the length in the direction orthogonal to the thickness direction of the plate element.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

そして、このフーリエ級数にエネルギー法を適用することで、座屈応力度を推定している。フーリエ級数の基底は直交性を有するため、フーリエ級数により多くの曲面を精度良く近似できる。 Then, the buckling stress degree is estimated by applying the energy method to this Fourier series. Since the basis of the Fourier series has orthogonality, more curved surfaces can be accurately approximated by the Fourier series.

Stephen P. Timoshenko and James M. Gere、「Theory of Elastic Stability」 Second EditionStephen P. Timoshenko and James M. Gere, "Theory of Elastic Stability" Second Edition

しかしながら、フーリエ級数には近似の収れんが遅いという問題がある。例えば建築物の部材や部材を構成する板要素に曲げモーメントが作用する場合に生じる座屈変形を近似しようとした場合、フーリエ級数の第25項部分和程度、すなわち、(1−1)式でNを25程度とする必要がある。この場合、近似関数は、未定係数a以外の三角関数による項を50含む。
このようにフーリエ級数では近似の収れんに多くの項数が必要であるため、フーリエ級数による分析は手計算では行うことができず、計算機を用いた数値計算が必要になる。さらに、従来の座屈応力度の推定方法では、推定結果を物理的に理解しやすく定式化できないという技術課題がある。
However, the Fourier series has a problem that the convergence of the approximation is slow. For example, when trying to approximate the buckling deformation that occurs when a bending moment acts on a member of a building or a plate element that constitutes the member, the 25th partial sum of the Fourier series, that is, the equation (1-1) It is necessary to set N to about 25. In this case, the approximation function 50 includes a term by unknown coefficients a 0 non-trigonometric functions.
As described above, since the Fourier class requires a large number of terms for the convergence of the approximation, the analysis by the Fourier class cannot be performed by manual calculation, and numerical calculation using a computer is required. Further, the conventional buckling stress degree estimation method has a technical problem that the estimation result cannot be easily understood and formulated.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、フーリエ級数を用いた場合よりも曲げモーメントが作用する板要素の座屈応力度の推定に必要な計算を簡単に行うとともに、推定結果を物理的に理解しやすく定式化できる座屈応力度の推定装置、座屈応力度の推定方法、及び座屈応力度の推定プログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and the calculation necessary for estimating the buckling stress degree of the plate element on which the bending moment acts is easier than when the Fourier class is used. It is an object of the present invention to provide a buckling stress estimation device, a buckling stress estimation method, and a buckling stress estimation program that can formulate the estimation results in an easy-to-understand manner.

前記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の座屈応力度の推定装置は、材軸方向に延びるx軸及び板幅方向に延びるy軸に沿ってそれぞれ広がり、板厚方向に延びるz軸回りに曲げモーメントが作用して座屈する板要素の座屈応力度を推定する座屈応力度の推定装置であって、前記板要素の前記x軸に沿う方向の第1端に向かうに従い、前記z軸の正の向き及び前記z軸の負の向きに交互に波状に変位する前記板要素の、前記x軸に沿う方向における半波長をaとしたときに、前記z軸に沿う方向に向けた前記板要素の面外変位Wを(2)式により推定する変位推定部と、(2)式に基づいた前記面外変位Wを生じる前記板要素の前記座屈応力度を、エネルギー法に基づいて求める応力度算出部と、を備えることを特徴としている。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a,a,bは未定係数であり、bは前記y軸に沿う方向における前記板要素の長さである。
In order to solve the above problems, the present invention proposes the following means.
The buckling stress estimation device of the present invention spreads along the x-axis extending in the material axis direction and the y-axis extending in the plate width direction, respectively, and a bending moment acts on the z-axis extending in the plate thickness direction to buckle. A buckling stress estimation device for estimating the buckling stress degree of a plate element, in which the z-axis is positively oriented and the z-axis is oriented toward the first end of the plate element in a direction along the x-axis. The out-of-plane displacement W w of the plate element in the direction along the z-axis, where a is the half wavelength in the direction along the x-axis of the plate element that is alternately wavy in the negative direction of A displacement estimation unit that estimates the above equation (2), and a stress degree calculation unit that obtains the buckling stress degree of the plate element that produces the out-of-plane displacement W w based on the equation (2) based on the energy method. It is characterized by having.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0, a n, b n are unknown coefficients, b w is the length of the plate elements in the direction along the y-axis.

Figure 2021006786
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また、本発明の座屈応力度の推定方法は、材軸方向に延びるx軸及び板幅方向に延びるy軸に沿ってそれぞれ広がり、板厚方向に延びるz軸回りに曲げモーメントが作用して座屈する板要素の座屈応力度を推定する座屈応力度の推定方法であって、前記板要素の前記x軸に沿う方向の第1端側に向かうに従い、前記z軸の正の向き及び前記z軸の負の向きに交互に波状に変位する前記板要素の、前記x軸に沿う方向における半波長をaとしたときに、前記z軸に沿う方向に向けた前記板要素の面外変位Wを(3)式により推定する変位推定工程と、(3)式に基づいた前記面外変位Wを生じる前記板要素の前記座屈応力度を、エネルギー法に基づいて求める応力度算出工程と、を行うことを特徴としている。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a,a,bは未定係数であり、bは前記y軸に沿う方向における前記板要素の長さである。
Further, in the method for estimating the buckling stress degree of the present invention, the bending moment acts around the x-axis extending in the material axis direction and the y-axis extending in the plate width direction, respectively, and around the z-axis extending in the plate thickness direction. A method for estimating the degree of buckling stress of a plate element that buckles, in which the z-axis is positively oriented and the z-axis is oriented toward the first end side of the plate element in the direction along the x-axis. When the half wavelength of the plate element that is alternately wavy in the negative direction of the z-axis in the direction along the x-axis is a, the plate element is out of the plane in the direction along the z-axis. The displacement estimation process for estimating the displacement W w by the equation (3) and the buckling stress degree of the plate element that produces the out-of-plane displacement W w based on the equation (3) are obtained based on the energy method. It is characterized by performing a calculation process.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0, a n, b n are unknown coefficients, b w is the length of the plate elements in the direction along the y-axis.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

また、本発明の座屈応力度の推定プログラムは、材軸方向に延びるx軸及び板幅方向に延びるy軸に沿ってそれぞれ広がり、板厚方向に延びるz軸回りに曲げモーメントが作用して座屈する板要素の座屈応力度を推定する推定装置用の座屈応力度の推定プログラムであって、前記板要素の前記x軸に沿う方向の第1端に向かうに従い、前記z軸方向の正の向き及び前記z軸方向の負の向きに交互に波状に変位する前記板要素の、前記x軸に沿う方向における半波長をaとしたときに、前記推定装置を、前記z軸に沿う方向に向けた前記板要素の面外変位Wを(4)式により推定する変位推定部と、(4)式に基づいた前記面外変位Wを生じる前記板要素の前記座屈応力度を、エネルギー法に基づいて求める応力度算出部と、して機能させることを特徴としている。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a,a,bは未定係数であり、bは前記y軸に沿う方向における前記板要素の長さである。
Further, the buckling stress estimation program of the present invention spreads along the x-axis extending in the material axis direction and the y-axis extending in the plate width direction, respectively, and a bending moment acts around the z-axis extending in the plate thickness direction. A buckling stress estimation program for an estimation device that estimates the buckling stress of a buckling plate element, in the z-axis direction toward the first end of the plate element in the direction along the x-axis. When the half wavelength of the plate element that is alternately wavy in the positive direction and the negative direction in the z-axis direction in the direction along the x-axis is a, the estimation device is set along the z-axis. A displacement estimation unit that estimates the out-of-plane displacement W w of the plate element in the direction by equation (4), and the buckling stress degree of the plate element that produces the out-of-plane displacement W w based on equation (4). Is characterized by functioning as a stress degree calculation unit obtained based on the energy method.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0, a n, b n are unknown coefficients, b w is the length of the plate elements in the direction along the y-axis.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

発明者らは、三角関数を用いつつも、フーリエ級数よりも少ない項数で、曲げモーメントが作用する板要素の面外変位を推定できる関数を複数検討した。その結果、(2)式を用いて板要素の面外変位Wをフーリエ級数よりも少ない項数で推定できることを見出した。なお、(3)式及び(4)式は(2)式と同一である。
(2)式は、フーリエ級数よりも少ない項数で板要素の面外変位Wを推定できるため、フーリエ級数を用いた場合よりも推定に必要な計算を簡単に行うことができる。さらに、面外変位Wを一定の精度で推定するために必要な項数が、(1−1)式のフーリエ級数を用いて推定する場合よりも、(2)式を用いて推定する場合の方が少ないため、フーリエ級数を用いた場合よりも推定結果を物理的に理解しやすく定式化することができる。
The inventors have investigated multiple functions that can estimate the out-of-plane displacement of the plate element on which the bending moment acts, with a number of terms smaller than the Fourier series, while using trigonometric functions. As a result, it was found that the out-of-plane displacement W w of the plate element can be estimated with a number of terms smaller than the Fourier series using the equation (2). Equations (3) and (4) are the same as equations (2).
Since the equation (2) can estimate the out-of-plane displacement W w of the plate element with a number of terms smaller than the Fourier series, the calculation required for the estimation can be performed more easily than when the Fourier series is used. Further, when the number of terms required to estimate the out-of-plane displacement W w with a certain accuracy is estimated by using the equation (2) rather than by using the Fourier series of the equation (1-1). Therefore, the estimation result can be physically understood and formulated as compared with the case of using the Fourier series.

また、前記の座屈応力度の推定装置、座屈応力度の推定方法、及び座屈応力度の推定プログラムにおいて、前記Nは2であってもよい。
これらの発明によれば、まず(2)式において、半波長aを定数として扱った状態で未定係数a,a,b,及びbを求め、次に半波長aを変数として扱い、(2)式における半波長aを求める。(2)式において未定係数a等を求める際に、一度に求める未定係数の数が4つ以下であるため、解の公式が知られている4次以下の方程式を用いて未定係数a,a,b,及びb等を容易に求めることができる。
Further, in the buckling stress estimation device, the buckling stress estimation method, and the buckling stress estimation program, N may be 2.
According to these inventions, in equation (2), the undetermined coefficients a 1 , a 2 , b 1 and b 2 are first obtained in the state where the half wavelength a is treated as a constant, and then the half wavelength a is treated as a variable. , The half wavelength a in the equation (2) is obtained. (2) when determining the unknown coefficients a 1, etc. In the equation, since the number of undetermined coefficients asking have four or less time, pending with the fourth order following equation formulas known solutions coefficients a 1 , A 2 , b 1 , and b 2, etc. can be easily obtained.

また、前記の座屈応力度の推定装置において、前記応力度算出部は、(5)式及び(6)式を用いて、(7)式による前記座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数である前記a,b及び前記半波長aに基づいて、前記座屈応力度σcrを求めてもよい。
ただし、Eは前記板要素のヤング係数であり、νは前記板要素のポアソン比であり、tは前記板要素の厚さである。
Further, in the buckling stress estimation device, the stress calculation unit uses equations (5) and (6) to obtain the minimum positive value for the buckling stress σ cr according to equation (7). wherein a n is a real number giving the value, based on b n and the half-wave a, may be determined the buckling stress of sigma cr.
However, E is the Young's modulus of the plate element, ν is the Poisson's ratio of the plate element, and t w is the thickness of the plate element.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

また、前記の座屈応力度の推定方法において、前記応力度算出工程では、(8)式及び(9)式を用いて、(10)式による前記座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数である前記a,b及び前記半波長aに基づいて、前記座屈応力度σcrを求めてもよい。
ただし、Eは前記板要素のヤング係数であり、νは前記板要素のポアソン比であり、tは前記板要素の厚さである。
Further, in the method for estimating the buckling stress degree, in the stress degree calculation step, the equations (8) and (9) are used, and the buckling stress degree σ cr according to the equation (10) is the smallest positive. wherein a n is a real number giving the value, based on b n and the half-wave a, may be determined the buckling stress of sigma cr.
However, E is the Young's modulus of the plate element, ν is the Poisson's ratio of the plate element, and t w is the thickness of the plate element.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

また、前記の座屈応力度の推定プログラムにおいて、前記応力度算出部は、(11)式及び(12)式を用いて、(13)式による前記座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数である前記a,b及び前記半波長aに基づいて、前記座屈応力度σcrを求めてもよい。
ただし、Eは前記板要素のヤング係数であり、νは前記板要素のポアソン比であり、tは前記板要素の厚さである。
Further, in the buckling stress estimation program, the stress calculation unit uses equations (11) and (12) to obtain the minimum positive value for the buckling stress σ cr according to equation (13). wherein a n is a real number giving the value, based on b n and the half-wave a, may be determined the buckling stress of sigma cr.
However, E is the Young's modulus of the plate element, ν is the Poisson's ratio of the plate element, and t w is the thickness of the plate element.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

これらの発明によれば、エネルギー法に基づいて座屈応力度σcrを求める際に、数式を用いて座屈応力度σcrを正確に求めることができる。 According to these aspects of the invention, when determining the buckling stress of sigma cr based on the energy method, it is possible to accurately determine the buckling stress of sigma cr using Equation.

本発明の座屈応力度の推定装置、座屈応力度の推定方法、及び座屈応力度の推定プログラムによれば、フーリエ級数を用いた場合よりも曲げモーメントが作用する板要素の座屈応力度の推定に必要な計算を簡単に行うとともに、推定結果を物理的に理解しやすく定式化することができる。 According to the buckling stress estimation device, the buckling stress estimation method, and the buckling stress estimation program of the present invention, the buckling stress of the plate element on which the bending moment acts as compared with the case of using the Fourier class. The calculation required for estimating the degree can be easily performed, and the estimation result can be formulated in an easy-to-understand manner.

本発明の一実施形態の座屈応力度の推定装置が適用されるウェブを備える建築物の斜視図である。It is a perspective view of the building provided with the web to which the buckling stress degree estimation device of one Embodiment of this invention is applied. 同座屈応力度の推定装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline of the device for estimating the buckling stress degree. 同ウェブがx軸に沿う方向に十分長い場合に、曲げモーメントが作用したウェブが座屈している状態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the state in which the web on which a bending moment acted is buckling when the web is sufficiently long in the direction along the x-axis. 図3のウェブにおけるx軸に沿う方向の半波長分を拡大した斜視図である。FIG. 3 is an enlarged perspective view of a half wavelength in the direction along the x-axis in the web of FIG. ウェブに曲げモーメントが作用する場合の、y軸の座標によるウェブの面外変位の推定結果の一例を表す図である。It is a figure which shows an example of the estimation result of the out-of-plane displacement of the web by the coordinates of the y-axis when the bending moment acts on the web. ウェブに曲げモーメントが作用する場合の、Nに対する座屈係数の変化の一例を表す図である。It is a figure which shows an example of the change of the buckling coefficient with respect to N when a bending moment acts on a web.

以下、本発明に係る座屈応力度の推定装置の一実施形態を、図1から図6を参照しながら説明する。
この座屈応力度の推定装置(推定装置、以下単に推定装置と言う)は、例えば図1に示す建築物1に、鉄骨梁として用いられるH形鋼10のウェブ(板要素)13等の座屈応力度を推定するのに用いられる。H形鋼10は、上フランジ(第1フランジ)11と、下フランジ(第2フランジ)12と、上フランジ11及び下フランジ12を互いに連結するウェブ13と、を備えている。なお、図1では、後述する床スラブ20を二点鎖線で示している。
H形鋼10の上フランジ11及び下フランジ12も、板要素である。板要素は、弾性要素である。弾性要素は、材料非線形を考慮しない要素である。
Hereinafter, an embodiment of the buckling stress estimation device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
This buckling stress estimation device (estimator, hereinafter simply referred to as an estimation device) is a seat of a web (plate element) 13 of H-shaped steel 10 used as a steel beam in a building 1 shown in FIG. 1, for example. It is used to estimate the degree of buckling stress. The H-section steel 10 includes an upper flange (first flange) 11, a lower flange (second flange) 12, and a web 13 that connects the upper flange 11 and the lower flange 12 to each other. In FIG. 1, the floor slab 20 described later is shown by a chain double-dashed line.
The upper flange 11 and the lower flange 12 of the H-shaped steel 10 are also plate elements. The plate element is an elastic element. The elastic element is an element that does not consider the material non-linearity.

H形鋼10は、例えば水平面に沿う方向に延びている。上フランジ11は、平板状に形成され、上フランジ11の厚さ方向が上下方向に沿うように配置されている。下フランジ12は、平板状に形成され、上フランジ11よりも下方に配置されている。下フランジ12は、下フランジ12の厚さ方向が上下方向に沿うように配置されている。
ウェブ13は、ウェブ13の厚さ方向に見たときに矩形を呈する平板状に形成されている。ウェブ13は、ウェブ13の厚さ方向が水平面に沿うように配置されている。ウェブ13は、上フランジ11の下面における幅方向の中心と、下フランジ12の上面における幅方向の中心とを連結している。
The H-section steel 10 extends in a direction along a horizontal plane, for example. The upper flange 11 is formed in a flat plate shape, and is arranged so that the thickness direction of the upper flange 11 is along the vertical direction. The lower flange 12 is formed in a flat plate shape and is arranged below the upper flange 11. The lower flange 12 is arranged so that the thickness direction of the lower flange 12 is along the vertical direction.
The web 13 is formed in a flat plate shape having a rectangular shape when viewed in the thickness direction of the web 13. The web 13 is arranged so that the thickness direction of the web 13 is along the horizontal plane. The web 13 connects the center in the width direction on the lower surface of the upper flange 11 and the center in the width direction on the upper surface of the lower flange 12.

H形鋼10の長手方向の端部は、柱15等に固定されている。H形鋼10は、床スラブ20を床スラブ20の下方から支持している。H形鋼10の上フランジ11には、頭付きスタッド等のシヤコネクタ21が設けられている。シヤコネクタ21は、床スラブ20に埋設されている。
建築物1は、床スラブ20上に図示しない設備を設置する等して用いられる。
The end portion of the H-shaped steel 10 in the longitudinal direction is fixed to a column 15 or the like. The H-section steel 10 supports the floor slab 20 from below the floor slab 20. The upper flange 11 of the H-shaped steel 10 is provided with a shear connector 21 such as a headed stud. The shear connector 21 is embedded in the floor slab 20.
The building 1 is used by installing equipment (not shown) on the floor slab 20.

図2に、本実施形態の推定装置50を示す。推定装置50はコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)51と、主記憶装置55と、補助記憶装置60と、入出力インタフェース(IO・I/F)65と、記録・再生装置70と、を備えている。CPU51、主記憶装置55、補助記憶装置60、入出力インタフェース65、及び記録・再生装置70は、バス75により互いに接続されている。
主記憶装置55は、CPU51のワークエリア等になるRAM(Random Access Memory)等である。
入出力インタフェース65は、キーボードやマウス等の入力装置66、及び表示装置67に接続される。
記録・再生装置70は、USB(Universal Serial Bus)メモリ等の記録媒体71に対するデータの記録や再生を行う。
FIG. 2 shows the estimation device 50 of this embodiment. The estimation device 50 is a computer, and includes a CPU (Central Processing Unit) 51, a main storage device 55, an auxiliary storage device 60, an input / output interface (IO / I / F) 65, and a recording / playback device 70. I have. The CPU 51, the main storage device 55, the auxiliary storage device 60, the input / output interface 65, and the recording / playback device 70 are connected to each other by a bus 75.
The main storage device 55 is a RAM (Random Access Memory) or the like that serves as a work area or the like of the CPU 51.
The input / output interface 65 is connected to an input device 66 such as a keyboard and a mouse, and a display device 67.
The recording / reproducing device 70 records and reproduces data on a recording medium 71 such as a USB (Universal Serial Bus) memory.

補助記憶装置60は、各種データやプログラム等が記憶されるハードディスクドライブ装置等である。補助記憶装置60には、前記コンピュータを推定装置50として機能させるための座屈応力度の推定プログラム(以下、単に推定プログラムと言う)61や、OSプログラム等の各種プログラム等が格納されている。推定プログラム61を含む各種プログラムは、記録・再生装置70を介して記録媒体71から補助記憶装置60に取り込まれる。推定プログラム61等は、記録媒体71に格納される。
なお、これらのプログラムは、CDやDVD等のディスク型の記録媒体や、図示されていない通信装置を介して外部装置から補助記憶装置60に取り込まれてもよい。
The auxiliary storage device 60 is a hard disk drive device or the like that stores various data, programs, and the like. The auxiliary storage device 60 stores a buckling stress estimation program (hereinafter, simply referred to as an estimation program) 61 for causing the computer to function as the estimation device 50, various programs such as an OS program, and the like. Various programs including the estimation program 61 are taken into the auxiliary storage device 60 from the recording medium 71 via the recording / playback device 70. The estimation program 61 and the like are stored in the recording medium 71.
These programs may be taken into the auxiliary storage device 60 from an external device via a disc-type recording medium such as a CD or DVD or a communication device (not shown).

CPU51は、各種演算処理を実行する。CPU51は、機能的に、ウェブ13の面外変位を推定する変位推定部52と、面外変位を生じるウェブ13の座屈応力度を、エネルギー法に基づいて求める応力度算出部53と、を備えている。CPU51の機能構成要素である変位推定部52及び応力度算出部53は、補助記憶装置60に格納されている推定プログラム61等をCPU51が実行することで機能する。推定プログラム61等は、推定装置50用のプログラムである。推定プログラム61は、推定装置50を変位推定部52及び応力度算出部53として機能させる。 The CPU 51 executes various arithmetic processes. The CPU 51 functionally comprises a displacement estimation unit 52 that estimates the out-of-plane displacement of the web 13, and a stress degree calculation unit 53 that obtains the buckling stress degree of the web 13 that causes the out-of-plane displacement based on the energy method. I have. The displacement estimation unit 52 and the stress degree calculation unit 53, which are functional components of the CPU 51, function when the CPU 51 executes an estimation program 61 or the like stored in the auxiliary storage device 60. The estimation program 61 and the like are programs for the estimation device 50. The estimation program 61 causes the estimation device 50 to function as the displacement estimation unit 52 and the stress degree calculation unit 53.

本実施形態の推定装置50の変位推定部52及び応力度算出部53では、図3に示すように、ウェブ13の位置座標を、x軸、y軸、及びz軸で構成する右手系の直交座標系に基づいて認識する。なお、図3及び後述する図5では、ウェブ13の面外変位を推定値よりも大きく示している。
ウェブ13は、ウェブ13の材軸方向に延びるx軸、及びウェブ13の板幅方向に延びるy軸に沿ってそれぞれ広がるとする。x軸及びy軸のうち、例えばx軸は水平面に沿って延び、y軸は上下方向に沿って延びるとする。ウェブ13の板厚方向に延びる軸を、z軸とする。x軸、y軸、及びz軸は、互いに直交する。z軸に沿う方向(以下、z軸方向と言う)に見て、ウェブ13は、x軸に沿う方向(以下、x軸方向と言う)に延びる辺、及びy軸に沿う方向(以下、y軸方向と言う)に延びる辺をそれぞれ有する。ウェブ13は、x軸方向に十分長いとする。ここで言うウェブ13がx軸方向に十分長いとは、ウェブ13のx軸方向の各端に配置されy軸方向に延びる表面(以下、x軸方向の端面と言う)13aの境界条件が、座屈変形に与える影響を無視できる程度の長さをウェブ13が有していることを意味する。
ウェブ13の面外変位は、ウェブ13のz軸方向に向けた変位である。
In the displacement estimation unit 52 and the stress degree calculation unit 53 of the estimation device 50 of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the position coordinates of the web 13 are orthogonal to the right-handed system composed of the x-axis, the y-axis, and the z-axis. Recognize based on the coordinate system. In addition, in FIG. 3 and FIG. 5 described later, the out-of-plane displacement of the web 13 is shown larger than the estimated value.
It is assumed that the web 13 spreads along the x-axis extending in the material axis direction of the web 13 and the y-axis extending in the plate width direction of the web 13. Of the x-axis and the y-axis, for example, the x-axis extends along the horizontal plane and the y-axis extends along the vertical direction. The axis extending in the plate thickness direction of the web 13 is defined as the z-axis. The x-axis, y-axis, and z-axis are orthogonal to each other. When viewed in the direction along the z-axis (hereinafter referred to as the z-axis direction), the web 13 has a side extending in the direction along the x-axis (hereinafter referred to as the x-axis direction) and a direction along the y-axis (hereinafter referred to as y). Each has a side extending in the axial direction). It is assumed that the web 13 is sufficiently long in the x-axis direction. The fact that the web 13 is sufficiently long in the x-axis direction here means that the boundary condition of the surface 13a arranged at each end of the web 13 in the x-axis direction and extending in the y-axis direction (hereinafter referred to as the end face in the x-axis direction) This means that the web 13 has a length that can ignore the influence on the buckling deformation.
The out-of-plane displacement of the web 13 is a displacement of the web 13 in the z-axis direction.

ウェブ13のx軸方向の端面13aにそれぞれz軸回りの曲げモーメントF1が作用すると、ウェブ13が座屈(局部座屈)する場合がある。なお、曲げモーメントF1は、ウェブ13のx軸方向の全長さにわたって伝達される。伝達された曲げモーメントF1は、ウェブ13の中立軸を通りz軸に平行な軸線(以下、曲げモーメントF1の回転軸と言う)回りに作用する。なお、中立軸は、曲げモーメントF1によりウェブ13に作用する引張力と圧縮力とが釣り合うウェブ13のy軸方向の位置に生じる。
ウェブ13のx軸方向の各端面13aに作用する曲げモーメントF1は、互い等しい大きさの外力である。この例では、ウェブ13の下端に引張応力がウェブ13の上端に圧縮応力が作用して、ウェブ13が下方に向かって凸となって曲がるようにウェブ13に曲げモーメントF1が作用している。
When the bending moment F1 around the z-axis acts on the end faces 13a of the web 13 in the x-axis direction, the web 13 may buckle (local buckling). The bending moment F1 is transmitted over the entire length of the web 13 in the x-axis direction. The transmitted bending moment F1 acts around an axis parallel to the z-axis (hereinafter, referred to as a rotation axis of the bending moment F1) through the neutral axis of the web 13. The neutral axis is generated at a position in the y-axis direction of the web 13 in which the tensile force and the compressive force acting on the web 13 due to the bending moment F1 are balanced.
The bending moments F1 acting on each end surface 13a of the web 13 in the x-axis direction are external forces of equal magnitude. In this example, a tensile stress acts on the lower end of the web 13 and a compressive stress acts on the upper end of the web 13, and a bending moment F1 acts on the web 13 so that the web 13 bends downward.

この場合、ウェブ13のx軸方向の第1端(x軸方向の端面13aの一方)に向かうに従い、z軸の正の向き及びz軸の負の向きに交互に変位して、ウェブ13が全体として複数の波長分の波状(以下、x軸方向に波状と言う)に変位する場合がある。
x軸に沿って変位したウェブ13の1波長分において、x軸方向の第1端とは反対の第2端をx軸の原点とし、この第2端からx軸方向の第1端に向かう向きをx軸の正の向きとする。
y軸の原点を、ウェブ13のy軸方向の下端(第1端)とする。y軸の正の向きを、上向き(第1端から第2端に向かう向き)とする。
z軸の原点を、ウェブ13のz軸方向の中心(厚さ方向の中心)とする。z軸の正の向きを、x軸の正の向き及びy軸の正の向きに対して、右手系の直交座標系を構成する向きとする。
In this case, the web 13 is displaced alternately in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis toward the first end (one of the end faces 13a in the x-axis direction) of the web 13. As a whole, it may be displaced in a wavy shape for a plurality of wavelengths (hereinafter, referred to as a wavy shape in the x-axis direction).
For one wavelength of the web 13 displaced along the x-axis, the second end opposite to the first end in the x-axis direction is set as the origin of the x-axis, and the second end toward the first end in the x-axis direction. Let the orientation be the positive orientation of the x-axis.
The origin of the y-axis is the lower end (first end) of the web 13 in the y-axis direction. The positive direction of the y-axis is upward (direction from the first end to the second end).
The origin of the z-axis is the center of the web 13 in the z-axis direction (center in the thickness direction). The positive direction of the z-axis is the direction that constitutes the Cartesian coordinate system of the right-handed system with respect to the positive direction of the x-axis and the positive direction of the y-axis.

なお、以下に説明する長さ等の単位には、長さに対しては「m」といった、SI単位が好ましく用いられる。ウェブ13のy軸方向の長さ(せい)をbとし、ウェブ13の厚さ(z軸方向の長さ)をtとする。ウェブ13のヤング係数をEとし、ウェブ13のポアソン比をνとする。
推定装置50は、フランジ11,12が連結されていないウェブ13に曲げモーメントF1が作用して座屈したときの、ウェブ13の座屈応力度を推定する。なお、推定装置50は、H形鋼10において、フランジ11,12の厚さが無視できる程度に薄い、フランジ11,12の剛性が無視できる程度に低い等の場合に、H形鋼10の座屈応力度をウェブ13の座屈応力度として推定してもよい。
As the unit such as the length described below, an SI unit such as "m" is preferably used for the length. Let b w be the length of the web 13 in the y-axis direction, and let t w be the thickness of the web 13 (the length in the z-axis direction). Let E be the Young's modulus of Web 13 and ν be the Poisson's ratio of Web 13.
The estimation device 50 estimates the degree of buckling stress of the web 13 when the bending moment F1 acts on the web 13 to which the flanges 11 and 12 are not connected to buckle. The estimation device 50 is used when the thickness of the flanges 11 and 12 is negligibly thin and the rigidity of the flanges 11 and 12 is negligibly low in the H-shaped steel 10. The degree of bending stress may be estimated as the degree of buckling stress of the web 13.

本実施形態の推定装置50の変位推定部52及び応力度算出部53では、ウェブ13の座屈応力度を推定する際に、以下の1から6の仮定を行っている。
1.ウェブ13の厚さは薄く、ウェブ13の厚さはウェブ13のx軸方向の長さ及びy軸方向の長さに比べて短い。
2.ウェブ13のたわみ(座屈による面外変位)は小さく、ウェブ13の厚さよりも小さい。
3.ウェブ13の厚さ方向の中央面は、ウェブ13の曲げによって伸縮することなく、中立面を保つ。
4.ウェブ13の断面では、曲げに対して平面保持の仮定が成立する。
5.ウェブ13の材料は、均質であり、等方性を有する。
6.ウェブ13に外力が作用したときの変位は、フックの法則に従う。
The displacement estimation unit 52 and the stress degree calculation unit 53 of the estimation device 50 of the present embodiment make the following assumptions 1 to 6 when estimating the buckling stress degree of the web 13.
1. 1. The thickness of the web 13 is thin, and the thickness of the web 13 is shorter than the length in the x-axis direction and the length in the y-axis direction of the web 13.
2. 2. The deflection (out-of-plane displacement due to buckling) of the web 13 is small, which is smaller than the thickness of the web 13.
3. 3. The central surface of the web 13 in the thickness direction maintains a neutral surface without expanding or contracting due to bending of the web 13.
4. In the cross section of the web 13, the assumption of plane holding is established for bending.
5. The material of the web 13 is homogeneous and isotropic.
6. The displacement when an external force acts on the web 13 follows Hooke's law.

図3に示すように、ウェブ13に曲げモーメントF1が作用すると、ウェブ13がx軸方向に波状に変位する場合がある。x軸方向に波状に変位したウェブ13におけるx軸方向の面外変位がsin(πx/a)の式で表されると仮定すると、ウェブ13のx軸方向に波状に変位したウェブ13のx軸方向の波長は、2aになる。x軸方向の半波長(波長の半分の長さ)は、aになる。
図4は、ウェブ13のx軸方向の中央部におけるx軸方向の長さが半波長aである部分の面外変位を示す図である。
As shown in FIG. 3, when the bending moment F1 acts on the web 13, the web 13 may be displaced in a wavy shape in the x-axis direction. Assuming that the out-of-plane displacement in the x-axis direction of the web 13 wavy in the x-axis direction is expressed by the equation of sin (πx / a), the x of the web 13 wavy in the x-axis direction of the web 13 is assumed. The axial wavelength is 2a. The half wavelength in the x-axis direction (half the length of the wavelength) is a.
FIG. 4 is a diagram showing the out-of-plane displacement of the portion of the web 13 in the central portion in the x-axis direction in which the length in the x-axis direction is half a wavelength a.

ウェブ13に曲げモーメントF1が作用している場合、従来は(1−1)式で表されるフーリエ級数を用いてx軸上のある座標かつy軸上のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ13の面外変位wを推定していた。
発明者らは、三角関数を用いつつも、フーリエ級数よりも少ない項数で、x軸上のある座標かつy軸上のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ13の面外変位(第1面外変位)wを推定できる関数を複数検討した。なお、面外変位wは、y軸の座標の関数であり、x軸の座標の関数ではない(x軸上のある座標における関数である)。
その結果、ウェブ13に曲げモーメントF1が作用する場合、x軸上のある座標かつy軸上のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ13の面外変位wは(16)式により、フーリエ級数よりも少ない項数で推定されることを見出した。ただし、Nは2以上の自然数であり、a,a,bは未定係数である。
(16)式は、y軸の座標の累乗関数を用いた三角関数による項を含む。cos(2πy/b )及びsin(πy/b )は、基底となる。(16)式は、ウェブ13等の板要素の面外変形の推定に好ましく用いることができる。
When the bending moment F1 acts on the web 13, conventionally, the Fourier series expressed by Eq. (1-1) is used to direct the web 13 in the z-axis direction at a certain coordinate on the x-axis and a certain coordinate on the y-axis. It was estimated out-of-plane displacement w w of the web 13.
The inventors have used trigonometric functions, but with a number of terms smaller than the Fourier series, the out-of-plane displacement of the web 13 in the z-axis direction at a coordinate on the x-axis and a coordinate on the y-axis (first). a function that can be estimated out-of-plane displacement) w w was more study. The out-of-plane displacement w w is a function of the y-axis coordinate, not a function of the x-axis coordinate (it is a function at a certain coordinate on the x-axis).
Consequently, if the moment F1 bending the web 13 is applied, out-of-plane displacement w w web 13 toward the z-axis direction in a top coordinate and y-axis is on the x-axis coordinates by equation (16), Fourier We found that it is estimated with fewer terms than the series. However, N is the 2 or more is a natural number, a 0, a n, b n are undetermined coefficients.
Equation (16) includes a term by trigonometric function using a power function of y-axis coordinates. cos (2πy n / b w n ) and sin (π y n / b w n ) are the basis. Equation (16) can be preferably used for estimating the out-of-plane deformation of a plate element such as a web 13.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

一方で、x軸上の任意の座標かつy軸上のある座標におけるz軸方向に向けたウェブ13の面外変位(第2面外変位)Wは、(18)式により推定される。(18)式は、前述のように、ウェブ13におけるx軸上のある座標におけるz軸方向に向けた面外変位がsin(πx/a)の式で表される、という仮定に基づく。面外変位Wは、y軸の座標及びx軸の座標それぞれの関数であり、ウェブ13の座屈応力度を推定する際に用いられる。なお、図3の面外変位Wは、図4の面外変位Wをx軸方向に繰り返したものである。図3のウェブ13の座屈応力度を推定することと図4のウェブ13の座屈応力度を推定することは同義であることから、前記(18)式は図4の面外変位Wを推定したものである。
なお、(18)式に(16)式を代入すると、(19)式が得られる。(19)式においてNが2である場合には、(20)式のように変形できる。
On the other hand, the out-of-plane displacement (second out-of-plane displacement) W w of the web 13 in the z-axis direction at an arbitrary coordinate on the x-axis and a certain coordinate on the y-axis is estimated by the equation (18). Equation (18) is based on the assumption that, as described above, the out-of-plane displacement of the web 13 at a certain coordinate on the x-axis in the z-axis direction is represented by the equation of sin (πx / a). The out-of-plane displacement W w is a function of each of the y-axis coordinate and the x-axis coordinate, and is used when estimating the buckling stress degree of the web 13. Incidentally, out-of-plane displacement W w of FIG. 3 is a repeat of plane displacement W w in FIG. 4 in the x-axis direction. Since estimating the buckling stress degree of the web 13 of FIG. 3 and estimating the buckling stress degree of the web 13 of FIG. 4 are synonymous, the above equation (18) is the out-of-plane displacement W w of FIG. Is estimated.
By substituting the equation (16) into the equation (18), the equation (19) is obtained. When N is 2 in the equation (19), it can be transformed as in the equation (20).

Figure 2021006786
Figure 2021006786

例えば、図4のウェブ13に曲げモーメントF1が作用する前における、ウェブ13においてx軸の座標がx、y軸の座標がyの部分(以下、推定対象部分と言う)のz軸の座標は0である。ウェブ13に曲げモーメントF1が作用した後において、この推定対象部分における面外変位Wは、(19−1)式により推定され、このときのz軸の座標は、0に(19−1)式により推定した面外変位Wを足した値となる。すなわち、曲げモーメントF1が作用した後では、推定対象部分は、x軸の座標がx、y軸の座標がy、z軸の座標がWとなる位置に配置されていると推定される。 For example, before the bending moment F1 acts on the web 13 of FIG. 4, coordinates the coordinates of the x-axis is x 0, y-axis in the web 13 is part of y 0 of the z-axis (hereinafter, referred to as the estimated target portion) The coordinates are 0. After the bending moment F1 acts on the web 13, the out-of-plane displacement W w in this estimation target portion is estimated by the equation (19-1), and the z-axis coordinate at this time becomes 0 (19-1). It is the value obtained by adding the out-of-plane displacement W w estimated by the formula. That is, after the bending moment F1 acts, it is estimated that the estimation target portion is arranged at a position where the x-axis coordinate is x 0 , the y-axis coordinate is y 0 , and the z-axis coordinate is W w. To.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

変位推定部52は、ウェブ13の面外変位Wを(19)式により推定する。 The displacement estimation unit 52 estimates the out-of-plane displacement W w of the web 13 by the equation (19).

ウェブ13は、x軸の座標が0以上a以下という閉区間に配置され、y軸の座標が0以上b以下という閉区間に配置されている。このとき、座屈変形によりウェブ13内で生じる歪エネルギーUは(21)式で表され、曲げモーメントF1により与えられる外力ポテンシャルVは(22)式で表される。
全ポテンシャルエネルギーΠは、歪エネルギーUと外力ポテンシャルVとの和として、(23)式で表される。
The web 13 is arranged in a closed section where the coordinates of the x-axis are 0 or more and a or less, and the coordinates of the y-axis are 0 or more and b w or less. At this time, the strain energy U generated in the web 13 due to the buckling deformation is expressed by the equation (21), and the external force potential V given by the bending moment F1 is expressed by the equation (22).
The total potential energy Π is expressed by Eq. (23) as the sum of the strain energy U and the external force potential V.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

ここで、Dはウェブ13の板剛性であり、(25)式で表される。σは曲げモーメントF1が作用するウェブ13の応力関数であり、(26)式で表される。ただし、σcrはウェブ13の座屈応力度であり、圧縮を正とする。関数δは、座屈が発生した時のウェブ13のx軸方向の変形を表現した関数であり、(27)式で表される。ただし、δはウェブ13のx軸方向の第2端上のy軸方向の第2端(上端)におけるx軸方向の変位である。
例えば、(∂/∂x)はWをxにより二階偏微分した関数を意味し、(∂/(∂x∂y))はWをx,yによりそれぞれ一階偏微分した関数を意味する。
Here, D w is the plate rigidity of the web 13, and is expressed by the equation (25). σ w is a stress function of the web 13 on which the bending moment F1 acts, and is expressed by Eq. (26). However, σ cr is the degree of buckling stress of the web 13, and the compression is positive. The function δ w is a function expressing the deformation of the web 13 in the x-axis direction when buckling occurs, and is expressed by Eq. (27). However, δ is the displacement in the x-axis direction at the second end (upper end) in the y-axis direction on the second end in the x-axis direction of the web 13.
For example, (∂ 2 W w / ∂x 2) means a function that the W w and second order partial derivative by x, (∂ 2 W w / (∂x∂y)) respectively the W w x, a y one It means a function that is partially differentiated.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

応力度算出部53は、エネルギー法に基づいて、(19)式に基づいた面外変位Wを生じるウェブ13の座屈応力度σcrを求める。応力度算出部53は、ウェブ13の座屈応力度σcrを、(30)式及び(31)式を用いて、(32)式による座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数であるa,b及び半波長aに基づいて、座屈応力度σcrを求める。
ただし、座屈係数kは、(33)式により求められる。
The stress degree calculation unit 53 obtains the buckling stress degree σ cr of the web 13 that produces the out-of-plane displacement W w based on the equation (19) based on the energy method. The stress degree calculation unit 53 gives the buckling stress degree σ cr of the web 13 a minimum positive value to the buckling stress degree σ cr according to the equation (32) by using the equations (30) and (31). The buckling stress degree σ cr is obtained based on the real numbers an n , b n and the half wavelength a.
However, the buckling coefficient k is obtained by the equation (33).

Figure 2021006786
Figure 2021006786

具体的には、半波長aを定数として扱った状態で、前記全ポテンシャルエネルギーΠを未定係数a,bで偏微分した関数が0に等しいことを表す方程式を連立させて、実数であるa,bを求める。連立方程式の解となるa,bの組が複数ある場合には、a,bの複数の組のうち、(32)式による座屈応力度σcrに最小の正の値を与えるa,bの組に基づいて(a,bの組を(32)式に代入して)座屈応力度σcrを求める。次に、半波長aを変数として扱い、前記a,bの組が求められた全ポテンシャルエネルギーΠを半波長aで偏微分した関数が0に等しいことを表す方程式から、半波長aを求める。以上のように求められた前記a,bの組及び半波長aに基づいて求められた座屈応力度σcrが、求める座屈応力度σcrとなる。
連立方程式の解となる未定係数a,bの組が1つのみの場合には、a,bの組が(32)式による座屈応力度σcrに最小の正の値を与える場合に、a,bの組に基づいて座屈応力度σcrを求める。次に、半波長aを変数として扱い、前述のように座屈応力度σcrを求める。
Specifically, in a state where the half wavelength a is treated as a constant, the equations indicating that the function obtained by partially differentiating the total potential energy Π with the undetermined coefficients an n and b n is equal to 0 are combined to form a real number. Find an n and b n . A n which is a solution of the simultaneous equations, when the set of b n have more than one of the plurality of sets of a n, b n, a minimum positive value (32) buckling stress degree of expression sigma cr Request a n, based on a set of b n (a n, a set of b n (32) are substituted into equation) buckling stress of sigma cr give. Then, treat the half-wave a as a variable, the a n, the total potential energy Π a set has been obtained in b n from the equation representing the function obtained by partially differentiating a half wave a is equal to 0, a half-wave a Ask. Wherein a n obtained as described above, b n set and the half-wave a buckling stress of sigma cr determined based on becomes the buckling stress of sigma cr seeking.
When there is only one set of undecided coefficients an n and b n that is the solution of the simultaneous equations, the set of an n and b n gives the minimum positive value to the buckling stress degree σ cr according to equation (32). in granting, seeking a n, b n buckling stress of sigma cr based on a set of. Next, the half wavelength a is treated as a variable, and the buckling stress degree σ cr is obtained as described above.

なお、本実施形態の座屈応力度の推定方法(以下、単に推定方法と言う)では、ウェブ13の面外変位Wを(19)式により推定する変位推定工程と、面外変位Wを生じるウェブ13の座屈応力度σcrを、エネルギー法に基づいて求める応力度算出工程を行う。
ウェブ13に座屈応力度σcrが生じるときにウェブ13に作用する曲げモーメントF1は、板要素に関する公知の方程式から求めることができる。ウェブ13に作用する曲げモーメントF1をこの曲げモーメントF1よりも小さくすることで、ウェブ13が座屈するのを抑えることができる。
Incidentally, the method of estimating the buckling stress of the present embodiment (hereinafter, simply referred to as estimation method), the displacement estimation step of estimating the out-of-plane displacement W w of the web 13 (19), out-of-plane displacement W w The buckling stress degree σ cr of the web 13 that causes the above is obtained by performing a stress degree calculation step based on the energy method.
The bending moment F1 acting on the web 13 when the buckling stress degree σ cr occurs on the web 13 can be obtained from a known equation regarding the plate element. By making the bending moment F1 acting on the web 13 smaller than this bending moment F1, it is possible to suppress the web 13 from buckling.

〔面外変位及び座屈応力度の推定精度の評価〕
(面外変位による比較)
図5に、ウェブ13に曲げモーメントF1が作用する場合の、y軸の座標によるウェブ13の面外変位Wの推定結果を表す。ウェブ13のy軸方向の各端に配置されx軸方向に延びる表面(以下、y軸方向の端面と言う)13bは、固定支持(回転不能に支持、剛接合)されているとした。この面外変位Wは、図4の切断線A−Aの断面における面外変位である。
図5において、横軸はウェブ13の長さbに対するy軸の座標を表し、縦軸は推定したウェブ13の面外変位Wを表す。横軸の0はウェブ13の下端を表し、横軸の1はウェブ13の上端を表す。縦軸において、面外変位Wの値は、面外変位Wの最大値により無次元化している。
[Evaluation of estimation accuracy of out-of-plane displacement and buckling stress]
(Comparison by out-of-plane displacement)
FIG. 5 shows the estimation result of the out-of-plane displacement W w of the web 13 based on the y-axis coordinates when the bending moment F1 acts on the web 13. It is assumed that the surfaces 13b arranged at each end of the web 13 in the y-axis direction and extending in the x-axis direction (hereinafter referred to as end faces in the y-axis direction) 13b are fixedly supported (non-rotatably supported and rigidly joined). This out-of-plane displacement W w is an out-of-plane displacement in the cross section of the cutting line AA in FIG.
In FIG. 5, the horizontal axis represents the coordinates of the y-axis with respect to the length b w of the web 13, and the vertical axis represents the estimated out-of-plane displacement W w of the web 13. 0 on the horizontal axis represents the lower end of the web 13, and 1 on the horizontal axis represents the upper end of the web 13. In the vertical axis, the value of an out-of-plane displacement W w is dimensionless by the maximum value of an out-of-plane displacement W w.

図5において、実線による線L1はFEM(Finite Element Method)による解析結果を表す。点線による線L2は本実施形態の(19)式を用いて推定した結果(ただしNは2)を表し、一点鎖線による線L3は(1−1)式を用いて推定した結果(ただしNは15)を表す。線L2及び線L3が線L1にほぼ一致しているため、線L2及び線L3が線L1に重なっている。
FEMによる解析結果を、(1−1)式のフーリエ級数でNが15の場合と同程度の精度で近似するのに必要な、本実施形態の(19)式におけるNは、2であることが分かった。
In FIG. 5, the solid line L1 represents the analysis result by the FEM (Finite Element Method). The dotted line L2 represents the result estimated using the equation (19) of the present embodiment (where N is 2), and the alternate long and short dash line L3 represents the result estimated using the equation (1-1) (where N is). 15) is represented. Since the line L2 and the line L3 substantially coincide with the line L1, the line L2 and the line L3 overlap the line L1.
N in Eq. (19) of the present embodiment, which is necessary to approximate the analysis result by FEM with the same accuracy as in the case where N is 15 in the Fourier series of Eq. (1-1), is 2. I understood.

(座屈応力度による比較)
ウェブ13の座屈応力度σcrを、(1−1)式、本実施形態の(19)式で求め、座屈係数で比較した結果を、表1及び図6に示す。
(Comparison by buckling stress)
The buckling stress degree σ cr of the web 13 was obtained by the formula (1-1) and the formula (19) of the present embodiment, and the results of comparison by the buckling coefficient are shown in Table 1 and FIG.

Figure 2021006786
Figure 2021006786

本実施形態の(19)式を用いた場合には、Nを2にした。一方、比較例である(1−1)式のフーリエ級数を用いた場合には、Nを4,5,7,‥,25と変化させた。
表1において、ウェブ13のy軸方向の端面13bが単純支持の場合の座屈係数は、面外変位W及び座屈応力度σcrの推定精度が高くなるのに従い、23.88に収束する(図6中の線L11参照)。ウェブ13のy軸方向の端面13bが固定支持の場合の座屈係数は、面外変位W及び座屈応力度σcrの推定精度が高くなるのに従い、39.6に収束する(図6中の線L12参照)。
When the equation (19) of this embodiment was used, N was set to 2. On the other hand, when the Fourier series of Eq. (1-1), which is a comparative example, was used, N was changed to 4, 5, 7, ..., 25.
In Table 1, the buckling coefficient when the end surface 13b in the y-axis direction of the web 13 is simply supported converges to 23.88 as the estimation accuracy of the out-of-plane displacement W w and the buckling stress degree σ cr increases. (See line L11 in FIG. 6). Seat屈係number of cases in the y-axis direction of the end face 13b is fixedly supported web 13, in accordance with the out-of-plane displacement W w and buckling stress of sigma cr estimation accuracy is high, converges to 39.6 (Fig. 6 See line L12 inside).

図6において、横軸はNを表し、縦軸は座屈係数kを表す。白抜きの丸印は、本実施形態の(19)式を用いた単純支持の場合の推定結果を表す。黒塗り丸印は、(1−1)式のフーリエ級数を用いた単純支持の場合の推定結果を表す。白抜きの四角印は、本実施形態の(19)式を用いた固定支持の場合の推定結果を表す。黒塗り四角印は、(1−1)式のフーリエ級数を用いた固定支持の場合の推定結果を表す。
本実施形態の(19)式を用いて座屈係数kを評価した場合の精度は、単純支持及び固定支持のいずれにおいても、(1−1)式のフーリエ級数でNが25の場合の精度と同程度であることが分かった。
In FIG. 6, the horizontal axis represents N and the vertical axis represents the buckling coefficient k. The white circles represent the estimation results in the case of simple support using the equation (19) of the present embodiment. The black circles represent the estimation results in the case of simple support using the Fourier series of Eq. (1-1). The white square marks represent the estimation results in the case of fixed support using the equation (19) of the present embodiment. The black square marks represent the estimation results in the case of fixed support using the Fourier series of Eq. (1-1).
The accuracy when the buckling coefficient k is evaluated using the equation (19) of the present embodiment is the accuracy when N is 25 in the Fourier class of the equation (1-1) in both the simple support and the fixed support. It turned out to be about the same as.

以上説明したように、本実施形態の推定装置50、推定方法、及び推定プログラム61によれば、発明者らは、三角関数を用いつつも、(1−1)式のフーリエ級数よりも少ない項数で、曲げモーメントF1が作用するウェブ13の面外変位を推定できる関数を複数検討した。その結果、(19)式を用いてウェブ13の面外変位Wをフーリエ級数よりも少ない項数で推定できることを見出した。
(19)式は、(1−1)式のフーリエ級数よりも少ない項数でウェブ13の面外変位Wを推定できるため、フーリエ級数を用いた場合よりも推定に必要な計算を簡単に行うことができる。さらに、面外変位Wを一定の精度で推定するために必要な項数が、(1−1)式のフーリエ級数を用いて推定する場合よりも、(19)式を用いて推定する場合の方が少ないため、フーリエ級数を用いた場合よりも推定結果を物理的に理解しやすく定式化することができる。
As described above, according to the estimation device 50, the estimation method, and the estimation program 61 of the present embodiment, the inventors use a trigonometric function but have fewer terms than the Fourier series of equation (1-1). We examined a plurality of functions that can estimate the out-of-plane displacement of the web 13 on which the bending moment F1 acts. As a result, it was found that the out-of-plane displacement W w of the web 13 can be estimated with a number of terms smaller than the Fourier series by using the equation (19).
Since equation (19) can estimate the out-of-plane displacement W w of the web 13 with a smaller number of terms than the Fourier series of equation (1-1), the calculation required for estimation is easier than when the Fourier series is used. It can be carried out. Further, when the number of terms required to estimate the out-of-plane displacement W w with a certain accuracy is estimated using the equation (19) rather than using the Fourier series of the equation (1-1). Therefore, the estimation result can be physically understood and formulated as compared with the case of using the Fourier series.

(19)式を用いることで、ウェブ13の面外変位Wを素早く近似することができる。すなわち、面内曲げを受ける建築物の部材や部材を構成する板要素が局部座屈を生じるときの座屈波形を素早く近似することができる。 By using the equation (19), the out-of-plane displacement W w of the web 13 can be quickly approximated. That is, it is possible to quickly approximate the buckling waveform when a member of a building undergoing in-plane bending or a plate element constituting the member causes local buckling.

また、Nは2である。まず(19)式において、半波長aを定数として扱った状態で未定係数a,a,b,及びbを求め、次に半波長aを変数として扱い、(19)式における半波長aを求める。(19)式において未定係数a等を求める際に、一度に求める未定係数の数が4つ以下である。このため、解の公式が知られている4次以下の方程式を用いて未定係数a,a,b,及びb等を容易に求めることができる。
また、応力度算出部53は(応力度算出工程では)、(30)式及び(31)式を用いて、(32)式による座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数であるa,b及び半波長aに基づいて、座屈応力度σcrを求める。エネルギー法に基づいて座屈応力度σcrを求める際に、(30)式から(32)式の数式を用いて座屈応力度σcrを正確に求めることができる。
Also, N is 2. First, in equation (19), the undetermined coefficients a 1 , a 2 , b 1 , and b 2 are obtained with the half wavelength a treated as a constant, then the half wavelength a is treated as a variable, and the half in equation (19). Find the wavelength a. (19) when determining the unknown coefficients a 1, etc. In the equation, the number of undetermined coefficients is four or less for obtaining a time. Therefore, the undetermined coefficients a 1 , a 2 , b 1 , and b 2 can be easily obtained by using the fourth-order or lower equation for which the solution formula is known.
In addition, the stress degree calculation unit 53 (in the stress degree calculation step) uses equations (30) and (31) to give the minimum positive value to the buckling stress degree σ cr according to equation (32). The buckling stress degree σ cr is obtained based on a certain an n , b n and a half wavelength a. When obtaining the buckling stress of sigma cr based on the energy method, it is possible to accurately determine the buckling stress of sigma cr using Equation (30) expression (32) below.

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態では、(19)式におけるNは3以上でもよい。
座屈応力度σcrをエネルギー法に基づいて求める際には、(30)式から(32)式を用いなくてもよい。
本実施形態では、推定装置50が板要素であるウェブ13の座屈応力度を推定するとしたが、板要素はウェブ13に限定されず、上フランジ11や下フランジ12等でもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and the configuration is changed, combined, or deleted without departing from the gist of the present invention. Etc. are also included.
For example, in the above embodiment, N in the equation (19) may be 3 or more.
When the buckling stress degree σ cr is obtained based on the energy method, it is not necessary to use equations (30) to (32).
In the present embodiment, the estimation device 50 estimates the buckling stress degree of the web 13 which is a plate element, but the plate element is not limited to the web 13, and may be an upper flange 11 or a lower flange 12.

13 ウェブ(板要素)
50 座屈応力度の推定装置
52 変位推定部
53 応力度算出部
61 座屈応力度の推定プログラム
F1 曲げモーメント
13 Web (board element)
50 Suppression stress estimation device 52 Displacement estimation unit 53 Stress calculation unit 61 Swivel stress estimation program F1 Bending moment

Claims (9)

材軸方向に延びるx軸及び板幅方向に延びるy軸に沿ってそれぞれ広がり、板厚方向に延びるz軸回りに曲げモーメントが作用して座屈する板要素の座屈応力度を推定する座屈応力度の推定装置であって、
前記板要素の前記x軸に沿う方向の第1端に向かうに従い、前記z軸の正の向き及び前記z軸の負の向きに交互に波状に変位する前記板要素の、前記x軸に沿う方向における半波長をaとしたときに、
前記z軸に沿う方向に向けた前記板要素の面外変位Wを(1)式により推定する変位推定部と、
(1)式に基づいた前記面外変位Wを生じる前記板要素の前記座屈応力度を、エネルギー法に基づいて求める応力度算出部と、
を備える座屈応力度の推定装置。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a,a,bは未定係数であり、bは前記y軸に沿う方向における前記板要素の長さである。
Figure 2021006786
The degree of buckling stress of a plate element that spreads along the x-axis extending in the material axis direction and the y-axis extending in the plate width direction and buckling due to a bending moment acting around the z-axis extending in the plate thickness direction is estimated. It is a stress degree estimation device
Along the x-axis of the plate element, the plate element is alternately wavy in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis toward the first end in the direction along the x-axis of the plate element. When the half wavelength in the direction is a,
A displacement estimation unit that estimates the out-of-plane displacement W w of the plate element in the direction along the z-axis by equation (1), and
A stress degree calculation unit that obtains the buckling stress degree of the plate element that causes the out-of-plane displacement W w based on the equation (1) based on the energy method.
A device for estimating the degree of buckling stress.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0, a n, b n are unknown coefficients, b w is the length of the plate elements in the direction along the y-axis.
Figure 2021006786
前記Nは2である請求項1に記載の座屈応力度の推定装置。 The buckling stress estimation device according to claim 1, wherein N is 2. 前記応力度算出部は、(2)式及び(3)式を用いて、(4)式による前記座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数である前記a,b及び前記半波長aに基づいて、前記座屈応力度σcrを求める請求項1又は2に記載の座屈応力度の推定装置。
ただし、Eは前記板要素のヤング係数であり、νは前記板要素のポアソン比であり、tは前記板要素の厚さである。
Figure 2021006786
Said stress calculation unit, (2) using the formula and (3), (4) the a n, b n and is a real number that gives the smallest positive value to the buckling stress of sigma cr by formula The device for estimating a buckling stress degree according to claim 1 or 2, wherein the buckling stress degree σ cr is obtained based on the half wavelength a.
However, E is the Young's modulus of the plate element, ν is the Poisson's ratio of the plate element, and t w is the thickness of the plate element.
Figure 2021006786
材軸方向に延びるx軸及び板幅方向に延びるy軸に沿ってそれぞれ広がり、板厚方向に延びるz軸回りに曲げモーメントが作用して座屈する板要素の座屈応力度を推定する座屈応力度の推定方法であって、
前記板要素の前記x軸に沿う方向の第1端側に向かうに従い、前記z軸の正の向き及び前記z軸の負の向きに交互に波状に変位する前記板要素の、前記x軸に沿う方向における半波長をaとしたときに、
前記z軸に沿う方向に向けた前記板要素の面外変位Wを(5)式により推定する変位推定工程と、
(5)式に基づいた前記面外変位Wを生じる前記板要素の前記座屈応力度を、エネルギー法に基づいて求める応力度算出工程と、
を行う座屈応力度の推定方法。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a,a,bは未定係数であり、bは前記y軸に沿う方向における前記板要素の長さである。
Figure 2021006786
The degree of buckling stress of a plate element that spreads along the x-axis extending in the material axis direction and the y-axis extending in the plate width direction and buckling due to a bending moment acting around the z-axis extending in the plate thickness direction is estimated. It is a method of estimating the degree of stress.
On the x-axis of the plate element, the plate element is alternately wavy in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis toward the first end side in the direction along the x-axis of the plate element. When the half wavelength in the along direction is a,
A displacement estimation step of estimating the out-of-plane displacement W w of the plate element in the direction along the z-axis by equation (5), and
A stress degree calculation step of obtaining the buckling stress degree of the plate element that causes the out-of-plane displacement W w based on the equation (5) based on the energy method.
How to estimate the degree of buckling stress.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0, a n, b n are unknown coefficients, b w is the length of the plate elements in the direction along the y-axis.
Figure 2021006786
前記Nは2である請求項4に記載の座屈応力度の推定方法。 The method for estimating a buckling stress degree according to claim 4, wherein N is 2. 前記応力度算出工程では、(6)式及び(7)式を用いて、(8)式による前記座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数である前記a,b及び前記半波長aに基づいて、前記座屈応力度σcrを求める請求項4又は5に記載の座屈応力度の推定方法。
ただし、Eは前記板要素のヤング係数であり、νは前記板要素のポアソン比であり、tは前記板要素の厚さである。
Figure 2021006786
In the stress calculation step, (6) using the formula and (7), wherein a n, b n and is a real number that gives the smallest positive value to the buckling stress of sigma cr by (8) The method for estimating a buckling stress degree according to claim 4 or 5, wherein the buckling stress degree σ cr is obtained based on the half wavelength a.
However, E is the Young's modulus of the plate element, ν is the Poisson's ratio of the plate element, and t w is the thickness of the plate element.
Figure 2021006786
材軸方向に延びるx軸及び板幅方向に延びるy軸に沿ってそれぞれ広がり、板厚方向に延びるz軸回りに曲げモーメントが作用して座屈する板要素の座屈応力度を推定する推定装置用の座屈応力度の推定プログラムであって、
前記板要素の前記x軸に沿う方向の第1端に向かうに従い、前記z軸の正の向き及び前記z軸の負の向きに交互に波状に変位する前記板要素の、前記x軸に沿う方向における半波長をaとしたときに、
前記推定装置を、
前記z軸に沿う方向に向けた前記板要素の面外変位Wを(9)式により推定する変位推定部と、
(9)式に基づいた前記面外変位Wを生じる前記板要素の前記座屈応力度を、エネルギー法に基づいて求める応力度算出部と、
して機能させる座屈応力度の推定プログラム。
ただし、Nは2以上の自然数であり、a,a,bは未定係数であり、bは前記y軸に沿う方向における前記板要素の長さである。
Figure 2021006786
An estimation device that estimates the degree of buckling stress of a plate element that spreads along the x-axis extending in the material axis direction and the y-axis extending in the plate width direction, and buckles due to a bending moment acting around the z-axis extending in the plate thickness direction. Buckling stress estimation program for
Along the x-axis of the plate element, the plate element is alternately wavy in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis toward the first end in the direction along the x-axis of the plate element. When the half wavelength in the direction is a,
The estimation device
A displacement estimation unit that estimates the out-of-plane displacement W w of the plate element in the direction along the z-axis by equation (9), and
A stress degree calculation unit that obtains the buckling stress degree of the plate element that causes the out-of-plane displacement W w based on the equation (9) based on the energy method.
A buckling stress estimation program that works.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0, a n, b n are unknown coefficients, b w is the length of the plate elements in the direction along the y-axis.
Figure 2021006786
前記Nは2である請求項7に記載の座屈応力度の推定プログラム。 The buckling stress estimation program according to claim 7, wherein N is 2. 前記応力度算出部は、(10)式及び(11)式を用いて、(12)式による前記座屈応力度σcrに最小の正の値を与える実数である前記a,b及び前記半波長aに基づいて、前記座屈応力度σcrを求める請求項7又は8に記載の座屈応力度の推定プログラム。
ただし、Eは前記板要素のヤング係数であり、νは前記板要素のポアソン比であり、tは前記板要素の厚さである。
Figure 2021006786
It said stress calculation unit (10) using the formula and (11), (12) the a n, b n and the buckling stress of sigma cr is a real number that gives the minimum positive value by an equation The buckling stress estimation program according to claim 7 or 8, wherein the buckling stress degree σ cr is obtained based on the half wavelength a.
However, E is the Young's modulus of the plate element, ν is the Poisson's ratio of the plate element, and t w is the thickness of the plate element.
Figure 2021006786
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