JP5964724B2 - Analysis method for frame structure with columns, beams and load-bearing frames - Google Patents
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Description
本発明は、柱と梁と耐力フレームとを有する架構体の解析方法に関するものである。 The present invention relates to a method for analyzing a frame body having columns, beams, and load-bearing frames.
従来より、図1に示すように、柱2と梁3と耐力フレーム5とを有する架構体1についてのコンピュータによる解析が行われている。架構体1の解析モデルは、図2に示すように、柱2と、梁3と、両側の柱2とその間に配設されるブレース材4からなる耐力フレーム5とを有し、柱2(耐力フレーム5の柱2も含む)と梁3とブレース材4とが、端部において例えばピン接合等により接合されるものとして構成されている。
Conventionally, as shown in FIG. 1, a computer analysis is performed on a
解析フローは、図3に示すように、コンピュータが開始した後、架構体1モデルのデータ(後述する)が入力され(ステップS1)、架構体1に負荷される力や変位といった解析条件が入力され(ステップS2)、コンピュータによる解析が行われ(ステップS3)、架構体1の部材にかかる力や変位といった解析結果が出力され(ステップS4)、終了する。
As shown in FIG. 3, in the analysis flow, after the computer starts, data of a
そして、解析を行うにあたって、ステップS1で入力される架構体1の解析モデルの作成が行われる。架構体1の解析モデルの作成は、従来は、図6に示すように、まず、ステップS21として、柱2と梁3と耐力フレーム5とを有する架構体1を、それぞれ線材からなる、柱2(耐力フレーム5の柱2を含む)・梁3・ブレース材4に置換することで、解析モデルの形状が特定される。次に、ステップS22として、柱2・梁3の断面積、縦弾性係数等の弾性係数といった部材の特性等が設定される。この時、柱2・梁3の断面積は、柱2・梁3の仕様(柱2の高さ・断面形状・厚さ、・梁3の長さ・断面形状・厚さ)のうち、柱2の断面形状・厚さ、梁3の断面形状・厚さに応じて、断面性能マスターから決定される。断面性能マスターは、予め実験等により設定されたものをテーブルとして用意するものである。次に、ステップS23として、ブレース材4の仕様(長さ)、縦弾性係数等の弾性係数といった部材の特性等が設定される。この時、ブレース材4の断面積として、実際の断面積ではなく等価断面積が用いられる。等価断面積は、耐力フレーム5の仕様(柱2の高さ、両柱2間の距離)に応じて、等価断面積マスターから決定されるもので、これについては後述する。等価断面積マスターも断面性能マスターと同様に、予め実験等により設定されたものをテーブルとして用意するものである。
Then, in performing the analysis, an analysis model of the
このようにして作成された架構体1の解析モデルに基いて、ステップS3においてコンピュータにより解析が行われる(例えば特許文献1参照)。
Based on the analysis model of the
従来は、上述した架構体1の解析モデルにおいて、ブレース材4の断面積として、実際の断面積よりも小さい等価断面積を用いていた。すなわち、解析は、架構体1を単純化した解析モデルに基いて行われており、実際の架構体1においては、解析上は生じない変形やズレが生じる。このため、実験から求められる耐力フレーム5の剛性は、解析から求められる耐力フレーム5の剛性と比べて低くなることが多かった。そこで、解析から求められる耐力フレーム5の剛性を、実験から得られる耐力フレーム5の剛性に一致又はできるだけ近似させるべく、解析で用いられるブレース材4の等価断面積として、実際の断面積よりも小さい値を用いていた。しかしながら、ブレース材4の等価断面積を用いた解析によっても、実験から得られる耐力フレーム5の剛性に充分に近似させることは困難であった。
Conventionally, in the analysis model of the
すなわち、ブレース材4の等価断面積は、上記のように、耐力フレーム5の仕様(柱2の高さ、両柱2間の距離)のみに応じて等価断面積マスターから決定され、その他の条件、特に、耐力フレーム5を挟んで両側に位置する柱2間の距離による影響が反映されないものであった。実験から得られる耐力フレーム5の剛性は、耐力フレーム5を挟んで両側に位置する柱2間の距離が異なる場合、耐力フレーム5の仕様が同じでも異なる値となっていた。このため、耐力フレーム5を挟んで両側に位置する柱2間の距離による影響が反映されない解析では、各耐力フレーム5の剛性を実験から得られる耐力フレーム5の剛性に近似させることができず、解析の精度を向上させることが困難であった。
That is, as described above, the equivalent cross-sectional area of the
本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、精度の良い解析を行うことができる、柱と梁と耐力フレームとを有する架構体の解析方法を提供することを課題とするものである。 The present invention has been invented in view of the above-described conventional problems, and the object of the present invention is to provide a method for analyzing a frame structure having columns, beams, and load-bearing frames, which can perform highly accurate analysis. The issue is to provide.
上記課題を解決するために、本発明は、柱と、梁と、柱およびブレース材からなる耐力フレームと、を有する架構体の前記柱と前記梁と前記ブレース材とが、それぞれ線材からなり所定の長さを有する前記柱と、前記梁と、前記柱および前記ブレース材からなる前記耐力フレームと、に置換され、各線材の長さ・接合箇所および接合方法と、各線材の弾性係数および断面積とを含む架構体モデルが作成され、前記架構体モデルと、前記架構体モデルに負荷される解析条件と、に基いてコンピュータが解析を行う、柱と梁と耐力フレームとを有する架構体の解析方法であって、前記架構体モデルの作成において、前記耐力フレームが有する前記ブレース材の断面積として、当該耐力フレームが有する前記柱間の距離および前記柱の長さと、当該耐力フレームを挟んで両側に位置する前記柱間の距離とに基いて予め定められたテーブルから、該当する等価断面積が選択されるものであり、当該耐力フレームを挟んで両側に位置する前記柱間の距離を、下側に取り付けられている前記梁を支持し且つ当該耐力フレームを挟んだ両側に当該耐力フレームに最も近接して位置する前記柱間の距離とし、下側に取り付けられている前記梁が変位のない基礎梁の場合には、当該耐力フレームが有する前記柱間の距離とし、下側に取り付けられている前記梁の当該耐力フレームの一側に前記柱がなく且つ当該梁の端部が別の梁に接続されて支持されている場合には、この別の梁に接続されている当該梁の端部と、前記梁の当該耐力フレームの他側において当該梁を支持している当該耐力フレームに最も近接して位置する前記柱との間の距離とすることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a column, a beam, and a load-bearing frame made of a column and a brace material. The column having the length, the beam, and the load-bearing frame made of the column and the brace material are replaced with the length / joining location and joining method of each wire, and the elastic coefficient and breaking of each wire. A frame model including an area is created, and the computer analyzes based on the frame model and analysis conditions loaded on the frame model, and includes a column, a beam, and a load-bearing frame. In the creation of the frame model, the cross-sectional area of the brace material of the load-bearing frame, the distance between the columns and the length of the columns of the load-bearing frame, From tables predefined on the basis of the distance between the posts located on both sides of the force frame, which corresponds to an equivalent cross-sectional area is selected, the column located on both sides of the load bearing frame The distance between them is the distance between the pillars that are closest to the load-bearing frame on both sides of the load-bearing frame while supporting the beam mounted on the lower side, and are attached to the lower side. When the beam is a non-displacement foundation beam, the distance between the columns of the load-bearing frame is set to be the distance between the columns of the load-bearing frame. When the end is connected to and supported by another beam, the end of the beam connected to the other beam and the other side of the load-bearing frame of the beam support the beam. The load bearing frame It is the distance between the posts located proximate to and said.
本発明にあっては、耐力フレームを挟んで両側に位置する柱間の距離の影響を考慮することで、精度の良い解析が可能となり、建物の安全性を向上させるとともに、過剰設計となってコストが無駄に膨張するのが抑えられる。 In the present invention, by considering the influence of the distance between the columns located on both sides across the load-bearing frame, it becomes possible to analyze with high accuracy, improve the safety of the building, and overdesign. Costs are prevented from expanding unnecessarily.
以下、本発明を図1乃至図4に示す実施形態に基いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the embodiment shown in FIGS.
本発明の解析は、例えばプレハブ住宅の鉄骨のような架構体1を解析対象とするものである。
In the analysis of the present invention, for example, a
架構体1は、図1に示すように、柱2と、梁3と、両側の柱2とその間に配設されるブレース材4からなる耐力フレーム5とを有するものである。図1に示す実施形態においては、基礎梁3a上に1階の柱2aが立設され、1階の柱2aの上端に2階の床梁3bが架設されている。また、1階の一部の隣接する柱2間にブレース材4が架設されて、ブレース材4とその両側の柱2とで耐力フレーム5が構成されている。そして、2階の床梁3b上に2階の柱2bが立設され、2階の柱2の上端に屋根梁3cが架設されている。また、2階の一部の隣接する柱2間にブレース材4が架設されて、ブレース材4とその両側の柱2とで耐力フレーム5が構成されている。なお、本実施形態の架構体1は、2階建の建物の架構体1であるが、3階以上の階を有する建物の架構体1であってもよく、階数は限定されないものである。
As shown in FIG. 1, the
また本実施形態では、例えば90cmや1m等の所定のスパン(長さ)を水平方向の基本単位(1Pとする)とする水平モジュールと、例えば260cm等の所定の高さを垂直方向の基本単位とする垂直モジュールに基いて、架構体1が構成されている。更に、水平モジュール及び垂直モジュールを、これより小さいサブモジュールにより微調整が可能とし、例えば、梁3や耐力フレーム5として水平方向の長さ(幅)が60cmや45cmのものが用いられたり、柱2として垂直方向の長さ(高さ)が245cmや275cmのものが用いられてもよい。なお、特にモジュール化されていなくても構わないものである。
In the present embodiment, for example, a horizontal module having a predetermined span (length) such as 90 cm or 1 m as a basic unit (1P) in the horizontal direction, and a predetermined height such as 260 cm as a basic unit in the vertical direction. The
以下、解析フローについて説明する。まず、解析フローの実行に先立って、架構体モデルを作成する。架構体モデルは、実際の架構体1を、コンピュータ(電子計算機)で解析可能なように単純化したものであり、本実施形態では、図1に示す実際の柱2(耐力フレーム5の柱2を含む)・梁3・ブレース材4を、図2に示すように、線材からなる柱2・梁3・ブレース材4に置換して構成し、コンピュータで処理可能なデータに加工されるものである。架構体モデルの各線材(柱2・梁3・ブレース材4)は、他の線材と所定の接合方法により接合されるもので、本実施形態では、図2に示すように、各線材の端部の殆どが他の線材の端部とピン接合により接合されているが、柱20は上端が自由端となっている。この架構体モデルのデータは、各線材の長さ・接合箇所および接合方法と、各線材の縦弾性係数等の弾性係数および断面積を少なくとも含むものである。架構体モデルのデータは、電子データとして記憶媒体に記憶されてもよいし、他の手段で保存されてもよい。この架構体モデルについては後で詳述する。なお、図2に示す実施形態では、基礎梁3aは線材に置換されず、基礎梁3aの変位はないものとして解析が行われる。
Hereinafter, the analysis flow will be described. First, a frame model is created prior to execution of the analysis flow. The frame model is obtained by simplifying the
解析フローは、図3に示すように、コンピュータにより開始された後、ステップS1において、架構体モデルのデータが入力されて、コンピュータの演算で用いられる記憶領域に設置される。架構体モデルのデータの入力は、架構体モデルの電子データを、この電子データが記憶されている記憶媒体から読み込んで記憶領域に設置することで行ってもよいし、他の手段で保存されているデータを、作業者がマウスやキーボードやタッチパネル等の入力手段を操作することで記憶領域に設置してもよい。記憶媒体や記憶領域の形態(ハードディスクドライブ、揮発性メモリ等の形態)は限定されない。 As shown in FIG. 3, the analysis flow is started by the computer, and then in step S1, data of the frame model is input and installed in a storage area used in the calculation of the computer. The frame model data may be input by reading the electronic data of the frame model from the storage medium storing the electronic data and placing it in the storage area, or stored by other means. The data may be placed in the storage area by the operator operating input means such as a mouse, keyboard, or touch panel. The form of the storage medium or storage area (form of a hard disk drive, volatile memory, etc.) is not limited.
次に、ステップS2において、解析条件が入力される。解析条件として、例えば、架構体1の特定の部位に特定の大きさで特定の向きに負荷される力や、架構体1の特定の部位に特定の大きさで生じる変位が挙げられるが、これらに限定されない。この解析条件のデータも、架構体モデルのデータと同様に、電子データとして記憶されている記憶媒体から該電子データを読み込んで記憶領域に設置することで行ってもよいし、作業者がマウスやキーボードやタッチパネル等の入力手段を操作することで電子データを記憶領域に設置してもよい。
Next, in step S2, analysis conditions are input. Examples of the analysis conditions include a force applied to a specific part of the
次に、ステップS3において、コンピュータによる解析が行われる。解析方法としては、有限要素法が好適に用いられるが、他の方法や、複数の方法が組み合わされた方法であってもよく、従来より公知の様々な方法が適宜利用可能であり、特に限定されず、また詳細な説明は省略する。また、コンピュータについても、所謂パーソナルコンピュータ等、公知の様々なものが適宜利用可能であり、特に限定されず、また詳細な説明は省略する。 Next, in step S3, a computer analysis is performed. As the analysis method, the finite element method is preferably used, but other methods or a method in which a plurality of methods are combined may be used, and various conventionally known methods can be appropriately used, and particularly limited. Further, detailed description is omitted. Also, various known computers such as so-called personal computers can be used as appropriate, and are not particularly limited, and detailed description thereof is omitted.
そして、コンピュータによる解析が行われた後、ステップS4において、解析結果の出力が行われる。解析結果として、例えば、架構体1の特定の部材(柱2・梁3・ブレース材4)にかかる力(軸力やモーメント)や変位が挙げられるが、これらに限定されない。この解析条件のデータは、電子データとして記憶媒体に記憶されたり、ディスプレイに表示されたり、紙媒体に印刷されることで、出力される。ステップS4の解析結果の出力が行われた後、解析フローは終了する。
After the analysis by the computer is performed, the analysis result is output in step S4. Examples of the analysis result include, but are not limited to, a force (axial force or moment) or displacement applied to a specific member (
以下に、本発明の架構体1の解析モデルの作成について説明する。架構体1の解析モデルの作成は、図4に示すように、まず、ステップS11として、柱2と梁3と耐力フレーム5とを有する架構体1を、それぞれ線材からなる、柱2(耐力フレーム5の柱2を含む)・梁3・ブレース材4に置換して、これら各線材(柱2・梁3・ブレース材4)の長さ・他の線材との接合箇所および接合方法が設定されて、解析モデルの形状が特定される。なお、ステップS11は図6に示すステップS21と同様である。
Hereinafter, creation of an analysis model of the
次に、ステップS12として、柱2・梁3の断面積、縦弾性係数等の弾性係数といった部材の特性等が設定される。この時、柱2・梁3の断面積は、柱2・梁3の仕様(柱2の高さ(長さ)・断面形状・厚さ、・梁3の長さ・断面形状・厚さ、)のうち、柱2の断面形状・厚さ、梁3の断面形状・厚さに応じて、断面性能マスターから決定される。断面性能マスターは、予め実験等により設定されたものをテーブルとして用意するものである。なお、ステップS12は図6に示すステップS22と同様である。
Next, as step S12, member characteristics such as the cross-sectional area of the
次に、ステップS13として、耐力フレーム5を挟んで両側に位置する柱2間の距離(以下、柱間距離という)を認識する。本実施形態では、1階の耐力フレーム5の場合には、耐力フレーム5の両側の柱2間の距離が柱間距離となる。また、上階の耐力フレーム5の場合には、耐力フレーム5の下端に取り付けられている下側の梁3を支持し、且つ、耐力フレーム5を挟んで両側に位置する柱2間の距離が柱間距離となる。
Next, as step S13, the distance between the
すなわち、1階の耐力フレーム51〜53については、図1に示すように、下側に取り付けられている梁3が基礎梁3aであり、図2に示すように、本実施形態の解析モデルでは、基礎梁3aに相当する線材がないため、耐力フレーム51〜53のそれぞれの両側の柱2間の距離を柱間距離として認識する。また、2階の耐力フレーム54は、図2に示すように、その下側に取り付けられている梁31を支持し、且つ、耐力フレーム54を挟んで両側に位置する柱21、22間の距離L1が柱間距離となる。耐力フレーム55は、その下側に取り付けられている梁32を支持し、且つ、耐力フレーム55を挟んで両側に位置する柱23、24間の距離L2が柱間距離となる。耐力フレーム56は、その下側に取り付けられている梁33を支持し、且つ、耐力フレーム56を挟んで両側に位置する柱25、26間の距離L3が柱間距離となる。
That is, for the strength frames 51 to 53 on the first floor, as shown in FIG. 1, the
また、上階の耐力フレーム5において、その耐力フレーム5の下側の当該梁3を支持する柱2が当該梁3の端部になく、当該梁3の端部が別の梁3に接続されて支持されている場合には、この別の梁3に接続されている当該梁3の端部と、当該梁3を支持している柱2との間の距離が、柱間距離となる。
Further, in the load-
次に、ステップS14として、耐力フレーム5が有するブレース材4の等価断面積が設定される。ここで、等価断面積は、耐力フレーム5の仕様(耐力フレーム5が有する柱2の長さ、両柱2間の距離)及び、ステップS13で得られた各耐力フレーム5の柱間距離に応じて、等価断面積マスターから決定される。等価断面積マスターも断面性能マスターと同様に、予め実験等により設定されたものをテーブルとして用意するものである。等価断面積マスターの一例の一部(耐力フレーム5の一部の仕様、柱間距離、等価断面積)を図5に示す。
Next, as step S14, an equivalent cross-sectional area of the
等価断面積マスターより、耐力フレーム5の仕様が同じ場合でも、柱間距離が長くなる程、等価断面積は大きくなっており、柱間距離が長い場合には大きな断面積とおいて解析することで、実際の耐力フレーム5の剛性に近似させることができる。
Even if the specifications of the load-
すなわち、従来のように、耐力フレーム5の仕様のみから定まる等価断面積を用いると、柱間距離が長い場合、本来は前記等価断面積よりも大きな断面積を設定すべきところ、本来設定すべきより小さな断面積で解析が行われ、耐力フレーム5の剛性が実際よりも小さく評価されてしまう。
That is, when the equivalent cross-sectional area determined only from the specifications of the load-
このため、従来においては、精度の良い解析を行うのが困難であり、また、解析結果に基いて安全設計を行うと、架構体1が本来必要とする耐力フレーム5の数以上の数の耐力フレーム5が必要となってしまう。この結果、過剰設計となり、コストが無駄に膨張してしまいかねないものであった。
For this reason, conventionally, it is difficult to perform an accurate analysis, and when a safety design is performed based on the analysis result, the number of proof stresses equal to or more than the number of proof stress frames 5 that the
これに対し、本発明においては、実際の耐力フレーム5の剛性と同じ又は近似した剛性で解析を行うことができるため、精度の良い解析が可能となる。この結果、建物の安全性を向上させるとともに、過剰設計となってコストが無駄に膨張したり、あるいは解析結果が信用できずに更なる実験や検討を繰り返す手間も省かれるものである。
On the other hand, in the present invention, since the analysis can be performed with the rigidity that is the same as or approximate to the rigidity of the actual load-
1 架構体
2 柱
20〜26 柱
3 梁
31〜33 梁
4 ブレース材
5 耐力フレーム
51〜56 耐力フレーム
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記架構体モデルと、前記架構体モデルに負荷される解析条件と、に基いてコンピュータが解析を行う、柱と梁と耐力フレームとを有する架構体の解析方法であって、
前記架構体モデルの作成において、前記耐力フレームが有する前記ブレース材の断面積として、当該耐力フレームが有する前記柱間の距離および前記柱の長さと、当該耐力フレームを挟んで両側に位置する前記柱間の距離とに基いて予め定められたテーブルから、該当する等価断面積を選択して設定するものであり、
当該耐力フレームを挟んで両側に位置する前記柱間の距離を、下側に取り付けられている前記梁を支持し且つ当該耐力フレームを挟んだ両側に当該耐力フレームに最も近接して位置する前記柱間の距離とし、下側に取り付けられている前記梁が変位のない基礎梁の場合には、当該耐力フレームが有する前記柱間の距離とし、下側に取り付けられている前記梁の当該耐力フレームの一側に前記柱がなく且つ当該梁の端部が別の梁に接続されて支持されている場合には、この別の梁に接続されている当該梁の端部と、前記梁の当該耐力フレームの他側において当該梁を支持している当該耐力フレームに最も近接して位置する前記柱との間の距離とする、柱と梁と耐力フレームとを有する架構体の解析方法。 The column of the frame having a column, a beam, and a load-bearing frame made of a column and a brace material, the beam and the brace material are each made of a wire material and have a predetermined length, and the beam. The frame is replaced with the load-bearing frame made of the pillar and the brace material, and a frame model including the length / joining location and joining method of each wire, and the elastic coefficient and cross-sectional area of each wire is created,
A method of analyzing a frame having columns, beams, and a load-bearing frame, which is analyzed by a computer based on the frame model and an analysis condition loaded on the frame model,
In creating the frame model, as the cross-sectional area of the brace material of the load-bearing frame, the distance between the columns and the length of the columns of the load-bearing frame, and the columns located on both sides of the load-bearing frame The corresponding equivalent cross-sectional area is selected and set from a predetermined table based on the distance between ,
The distance between the pillars located on both sides of the load-bearing frame is set such that the pillars that support the beam attached to the lower side and are located closest to the load-bearing frame on both sides of the load-bearing frame. When the beam mounted on the lower side is a non-displacement foundation beam, the distance between the columns of the load-bearing frame is set, and the load-bearing frame of the beam mounted on the lower side. When the column is not on one side and the end of the beam is connected to and supported by another beam, the end of the beam connected to the other beam and the beam A method of analyzing a frame having a column, a beam, and a load-bearing frame, which is a distance between the column positioned closest to the load-bearing frame that supports the beam on the other side of the load-bearing frame.
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