JP7211286B2 - Buckling stress estimation device, buckling stress estimation method, and buckling stress estimation program - Google Patents

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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、圧縮力が作用す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 (local buckling stress) of a plate element to which a compressive force acts is estimated. In this buckling stress estimation method, it is common to use the Fourier series represented by formula (1), and when estimating the out-of-plane displacement Ww of the plate element, formula (1) is changed to -1) The degree of buckling stress is estimated after changing the expression of the equation (see, for example, Non-Patent Document 1).
However, bw is the length in the direction orthogonal to the thickness direction of the plate element.

Figure 0007211286000001
Figure 0007211286000001

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, by applying the energy method to this Fourier series, the degree of buckling stress is estimated. Since the basis of the Fourier series has orthogonality, many curved surfaces can be approximated with high accuracy 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圧縮力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15項部分和程度、すなわち、(1-1)式でNを15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30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, Fourier series suffer from the slow convergence of approximations. For example, when trying to approximate the buckling deformation that occurs when a compressive force acts on a building member or a plate element that constitutes a member, the partial sum of the 15th term of the Fourier series, that is, the formula (1-1) It is necessary to set N to about 15. In this case, the approximation function contains 30 trigonometric terms other than the undetermined coefficient a0 .
As described above, the Fourier series requires a large number of terms for approximation convergence, so analysis using the Fourier series cannot be performed by manual calculation, and numerical calculation using a computer is required. Furthermore, the conventional method for estimating the degree of buckling stress has a technical problem that the estimation results cannot be formulated in a manner that is physically easy to understand.

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圧縮力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 the above problems. It is an object of the present invention to provide a buckling stress estimating device, a buckling stress estimating method, and a buckling stress estimating program that can formulate an estimation result in a physically 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、前記x軸に沿う方向に圧縮力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、前記板要素の板厚方向に延びる軸をz軸とし、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 apparatus for estimating the degree of buckling stress of the present invention spreads along the x-axis extending in the direction of the material axis and the y-axis extending in the width direction of the plate, and the plate element buckles when a compressive force acts in the direction along the x-axis. A buckling stress estimating device for estimating the buckling stress of the plate element, wherein the axis extending in the plate thickness direction of the plate element is the z-axis, and the direction along the x-axis of the plate element is directed toward the first end According to the above, when the half wavelength in the direction along the x-axis of the plate element that alternately displaces in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis in a wave shape is a, along the z-axis a displacement estimating unit for estimating the out-of- plane displacement Ww of the plate element directed in the direction using equation (2); and a stress degree calculation unit that obtains based on the energy method.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0 , an and bn are undetermined coefficients, and bw is the length of the plate element in the direction along the y-axis.

Figure 0007211286000002
Figure 0007211286000002

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、前記x軸に沿う方向に圧縮力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、前記板要素の板厚方向に延びる軸をz軸とし、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。
In addition, the buckling stress estimation method of the present invention spreads along the x-axis extending in the material axial direction and the y-axis extending in the plate width direction, and the compressive force acts in the direction along the x-axis to cause buckling. A buckling stress estimation method for estimating the buckling stress of a plate element, wherein the axis extending in the plate thickness direction of the plate element is the z-axis, and the first end of the plate element in the direction along the x-axis. Assuming that the half wavelength in the direction along the x-axis of the plate element displaced alternately in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis in a wave-like manner toward the side is a, the z a displacement estimating step of estimating the out-of- plane displacement Ww of the plate element in the direction along the axis using equation (3); and a stress calculation step of obtaining the flexural stress based on the energy method.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0 , an and bn are undetermined coefficients, and bw is the length of the plate element in the direction along the y-axis.

Figure 0007211286000003
Figure 0007211286000003

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、前記x軸に沿う方向に圧縮力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、前記板要素の板厚方向に延びる軸をz軸とし、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。
In addition, the buckling stress estimation program of the present invention spreads along the x-axis extending in the material axial direction and the y-axis extending in the plate width direction, and the compressive force acts in the direction along the x-axis to cause buckling. A buckling stress estimation program for an estimation device for estimating the buckling stress of a plate element, wherein the axis extending in the plate thickness direction of the plate element is the z-axis, and the direction along the x-axis of the plate element The half wavelength in the direction along the x-axis of the plate element alternately displaced in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis toward the first end of the plate element is set to a. When the estimating device is oriented in the direction along the z-axis, a displacement estimating unit for estimating the out-of-plane displacement Ww of the plate element by equation (4), and the out-of-plane displacement based on equation (4) The buckling stress degree of the plate element that produces Ww is characterized by functioning as a stress degree calculation unit that obtains the degree of stress based on the energy method.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0 , an and bn are undetermined coefficients, and bw is the length of the plate element in the direction along the y-axis.

Figure 0007211286000004
Figure 0007211286000004

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、圧縮力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 studied a plurality of functions that can estimate the out-of-plane displacement of the plate element on which the compressive force acts, with a smaller number of terms than the Fourier series while using trigonometric functions. As a result, it was found that the out-of-plane displacement Ww of the plate element can be estimated using equation (2) with fewer terms than the Fourier series. The formulas (3) and (4) are the same as the formula (2).
Equation (2) can estimate the out-of-plane displacement Ww of the plate element with a smaller number of terms than the Fourier series, so the calculations required for estimation can be performed more easily than when the Fourier series is used. Furthermore, when the number of terms required to estimate the out-of-plane displacement W w with a certain accuracy is estimated using formula (2) than when estimating using the Fourier series of formula (1-1) Since there are fewer, the estimation result can be formulated physically easier to understand than 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。
In the buckling stress estimation device, the buckling stress estimation method, and the buckling stress estimation program, the N may be two.
According to these inventions, in equation (2), undetermined coefficients a 1 , a 2 , b 1 , and b 2 are obtained with the half wavelength a 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. Since the number of undetermined coefficients to be obtained at one time is four or less when obtaining the undetermined coefficient a 1 etc. in the equation (2), the undetermined coefficient a 1 , a 2 , b 1 , 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 the equations (5) and (6) to calculate the minimum positive value of the buckling stress σ cr according to the equation (7). The buckling stress magnitude σ cr may be determined based on the a n , b n and the half wavelength a, which are real numbers giving values.
where E is the Young's modulus of the plate element, v is the Poisson's ratio of the plate element, and tw is the thickness of the plate element.

Figure 0007211286000005
Figure 0007211286000005

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 degree of buckling stress, in the stress degree calculation step, the minimum positive value of the buckling stress degree σ cr according to the expression (10) is calculated using the expressions (8) and (9). The buckling stress magnitude σ cr may be determined based on the a n , b n and the half wavelength a, which are real numbers giving values.
where E is the Young's modulus of the plate element, v is the Poisson's ratio of the plate element, and tw is the thickness of the plate element.

Figure 0007211286000006
Figure 0007211286000006

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 the equations (11) and (12) to calculate the minimum positive value of the buckling stress σ cr according to the equation (13). The buckling stress magnitude σ cr may be determined based on the a n , b n and the half wavelength a, which are real numbers giving values.
where E is the Young's modulus of the plate element, v is the Poisson's ratio of the plate element, and tw is the thickness of the plate element.

Figure 0007211286000007
Figure 0007211286000007

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 inventions, when obtaining the buckling stress degree σ cr based on the energy method, it is possible to obtain the buckling stress degree σ cr accurately using a mathematical formula.

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圧縮力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 apparatus for estimating buckling stress, the method for estimating buckling stress, and the program for estimating buckling stress of the present invention, the buckling stress of the plate element where the compressive force acts more than when using the Fourier series Calculations necessary for estimating degrees can be easily performed, and estimation results can be formulated in a physically 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。1 is a perspective view of a building having a web to which a buckling stress estimation device according to an embodiment of the present invention is applied; FIG. 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|summary of the estimation apparatus of the same buckling stress degree. 同ウェブがx軸に沿う方向に十分長い場合に、圧縮力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。FIG. 10 is a perspective view schematically showing a state in which the web is buckled under compressive force 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。4 is an enlarged perspective view of the web of FIG. 3 for half a wavelength along the x-axis; FIG. ウェブに圧縮力が作用する場合の、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。FIG. 5 is a diagram showing an example of estimation results of the out-of-plane displacement of the web using the y-axis coordinates when a compressive force acts on the web. ウェブに圧縮力が作用する場合の、Nに対する座屈係数の変化の一例を表す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of the change in buckling coefficient with respect to N when a compressive force acts on the 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。
An embodiment of an apparatus for estimating buckling stress according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 6. FIG.
This buckling stress estimation device (estimation device, hereinafter simply referred to as an estimation device) is installed in a building 1 shown in FIG. Used to estimate flexural strength. The H-section steel 10 includes an upper flange (first flange) 11, a lower flange (second flange) 12, and a web 13 connecting the upper flange 11 and the lower flange 12 to each other. In FIG. 1, a floor slab 20, which will be described later, is indicated by a chain double-dashed line.
The upper flange 11 and lower flange 12 of the H-section steel 10 are also plate elements. A plate element is an elastic element. An elastic element is an element that does not consider material nonlinearity.

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, for example, along a horizontal plane. The upper flange 11 is formed in a flat plate shape, and arranged such that the thickness direction of the upper flange 11 extends along the vertical direction. The lower flange 12 is formed in a flat plate shape and arranged below the upper flange 11 . The lower flange 12 is arranged such that the thickness direction of the lower flange 12 extends along the vertical direction.
The web 13 is formed in a rectangular flat plate 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 widthwise center of the lower surface of the upper flange 11 and the widthwise center of 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。
Longitudinal ends of the H-section steel 10 are fixed to columns 15 and the like. The H-section steel 10 supports the floor slab 20 from below. An upper flange 11 of the H-section steel 10 is provided with a shear connector 21 such as a headed stud. A 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/reproducing device 70. I have. The CPU 51 , main storage device 55 , auxiliary storage device 60 , input/output interface 65 , and recording/reproducing device 70 are connected to each other via a bus 75 .
The main storage device 55 is a RAM (Random Access Memory) or the like that serves as a work area for the CPU 51 or the like.
The input/output interface 65 is connected to an input device 66 such as a keyboard and mouse, and a display device 67 .
A 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 or the like that stores various data, programs, and the like. The auxiliary storage device 60 stores a buckling stress degree estimation program (hereinafter referred to simply 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 loaded from the recording medium 71 to the auxiliary storage device 60 via the recording/reproducing device 70 . The estimation program 61 and the like are stored in the recording medium 71 .
Note that these programs may be loaded into the auxiliary storage device 60 from an external device via a disk-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 processing. The CPU 51 functionally includes a displacement estimator 52 for estimating the out-of-plane displacement of the web 13 and a stress calculator 53 for obtaining the buckling stress 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 the estimation program 61 and the like stored in the auxiliary storage device 60. FIG. 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 section 52 and the stress degree calculation section 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。
As shown in FIG. 3, the displacement estimating unit 52 and the stress degree calculating unit 53 of the estimating device 50 of the present embodiment set the positional coordinates of the web 13 to right-handed orthogonal Recognize based on 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.
The web 13 spreads along the x-axis extending in the axial direction of the web 13 and the y-axis extending in the sheet 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. Let the axis extending in the plate thickness direction of the web 13 be the z-axis. The x-, y-, and z-axes 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 sides extending in the direction along the x-axis (hereinafter referred to as the x-axis direction) and sides extending in the direction along the y-axis (hereinafter referred to as the y-axis direction). each have sides extending in the axial direction). It is assumed that the web 13 is sufficiently long in the x-axis direction. The term "web 13 sufficiently long in the x-axis direction" as used herein means that the boundary conditions of surfaces 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 end surfaces in the x-axis direction) are This means that the web 13 has such a length that its influence on buckling deformation can be ignored.
The out-of-plane displacement of the web 13 is the 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x軸方向に圧縮力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。この例では、ウェブ13の各端面に作用する圧縮力F1は、ウェブ13のx軸方向の端面にy軸方向の全長にわたって作用する等分布荷重である。ウェブ13の各端面に作用する圧縮力F1の大きさは、互いに等しい。 When a compressive force F1 acts in the x-axis direction on the end faces 13a of the web 13 in the x-axis direction, the web 13 may buckle (locally buckle). In this example, the compressive force F1 acting on each end face of the web 13 is a uniformly distributed load acting on the end face of the web 13 in the x-axis direction over the entire length in the y-axis direction. The magnitude of the compressive force F1 acting on each end surface of the web 13 is equal to each other.

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 alternately displaces in the positive direction of the z-axis and in the negative direction of the z-axis toward the first end of the web 13 in the x-axis direction (one of the end faces 13a in the x-axis direction). As a whole, it may be displaced in a wave shape corresponding to a plurality of wavelengths (hereinafter referred to as a wave shape in the x-axis direction).
In one wavelength portion of the web 13 displaced along the x-axis, the second end opposite to the first end in the x-axis direction is the origin of the x-axis, and from this second end to the first end in the x-axis direction Let the direction be the positive direction of the x-axis.
Let the origin of the y-axis be the lower end (first end) of the web 13 in the y-axis direction. The positive direction of the y-axis is assumed to be upward (direction from the first end to the second end).
Let the origin of the z-axis be the center of the web 13 in the z-axis direction (the center in the thickness direction). The positive direction of the z-axis is defined as a direction forming a right-handed orthogonal coordinate system with respect to the positive directions 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に圧縮力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。
It should be noted that SI units such as "m" are preferably used for the units of length and the like to be described below. Let bw be the length of the web 13 in the y-axis direction, and tw be the thickness of the web 13 (the length in the z -axis direction). Let E be the Young's modulus of the web 13 and ν be the Poisson's ratio of the web 13 .
The estimating device 50 estimates the degree of buckling stress of the web 13 when the compressive force F1 acts on the web 13 to which the flanges 11 and 12 are not connected and the web 13 buckles. Note that the estimating device 50 can be used when the thickness of the flanges 11 and 12 in the H-section steel 10 is negligibly thin, the rigidity of the flanges 11 and 12 is negligibly low, and so on. The flexural strength may be estimated as the buckling strength 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 estimator 52 and the stress calculator 53 of the estimation device 50 of the present embodiment make the following assumptions 1 to 6 when estimating the buckling stress of the web 13 .
1. The thickness of the web 13 is thin, and the thickness of the web 13 is short compared to the length of the web 13 in the x-axis direction and the length in the y-axis direction.
2. The deflection (out-of-plane displacement due to buckling) of the web 13 is small and smaller than the thickness of the web 13 .
3. The central plane in the thickness direction of the web 13 does not expand or contract due to the bending of the web 13 and maintains a neutral plane.
4. The cross-section of the web 13 makes the assumption of planarity with respect to bending.
5. The material of 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に圧縮力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 compressive force 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 undulatingly displaced in the x-axis direction is represented by the equation sin(πx/a), x The wavelength in the axial direction becomes 2a. A half wavelength (half the length of the wavelength) in the x-axis direction is a.
FIG. 4 is a diagram showing the out-of-plane displacement of the portion whose length in the x-axis direction is half the wavelength a in the central portion in the x-axis direction of the web 13 .

ウェブ13に圧縮力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に圧縮力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(π(2y/b-1))及びcos(π/2×(2y/b-1))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 compressive force F1 is acting on the web 13, conventionally, the Fourier series represented by the formula (1-1) is used to apply the The out-of-plane displacement ww of the web 13 was estimated.
Although the inventors used trigonometric functions, the out-of-plane displacement of the web 13 toward the z-axis direction (first A plurality of functions capable of estimating the out-of-plane displacement) w were examined. Note that the out-of-plane displacement ww is a function of the y-axis coordinates, not of the x-axis coordinates (it is a function at some coordinate on the x-axis).
As a result, when a compressive force F1 acts on the web 13, the out-of-plane displacement ww of the web 13 in the z-axis direction at a certain coordinate on the x-axis and a certain coordinate on the y-axis is expressed by Fourier We found that it can be estimated with fewer terms than the series. However, N is a natural number of 2 or more, and a 0 , an and b n are undetermined coefficients.
Equation (16) includes trigonometric terms using the power function of the y-axis coordinates. cos(π(2y/b w −1) n ) and cos(π/2×(2y/b w −1) n ) are the basis. Equation (16) can be preferably used for estimating out-of-plane deformation of plate elements such as the web 13 .

Figure 0007211286000008
Figure 0007211286000008

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) Ww 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 equation (18). Equation (18) is based on the assumption that the out-of-plane displacement in the z-axis direction at a coordinate on the x-axis of the web 13 is represented by the equation sin(πx/a), as described above. The out-of-plane displacement Ww is a function of the y-axis and x-axis coordinates and is used to estimate the buckling stress of the web 13 . The out-of-plane displacement Ww in FIG. 3 is obtained by repeating the out-of-plane displacement Ww in FIG. 4 in the x-axis direction. Since estimating the buckling stress of the web 13 in FIG. 3 is synonymous with estimating the buckling stress of the web 13 in FIG. is estimated.
By substituting the formula (16) into the formula (18), the formula (19) is obtained. When N is 2 in equation (19), it can be transformed into equation (20).

Figure 0007211286000009
Figure 0007211286000009

例えば、図4のウェブ13に圧縮力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に圧縮力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、圧縮力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 compressive force F1 acts on the web 13 in FIG. The coordinates are 0. After the compressive force F1 acts on the web 13, the out-of-plane displacement Ww in this estimation target portion is estimated by equation (19-1), and the z -axis coordinates at this time are 0 and (19-1) It is a value obtained by adding the out-of-plane displacement Ww estimated by the formula. That is, after the compressive force F1 acts, the estimation target portion is estimated to be 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 Ww. be.

Figure 0007211286000010
Figure 0007211286000010

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 estimator 52 estimates the out-of-plane displacement Ww of the web 13 according to 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、圧縮力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 in which the coordinates of the x-axis are between 0 and a, and in which the coordinates of the y-axis are between 0 and bw. At this time, the strain energy U generated within the web 13 due to buckling deformation is expressed by equation (21), and the external force potential V given by the compressive force F1 is expressed by equation (22).
The total potential energy Π is represented by the equation (23) as the sum of the strain energy U and the external force potential V.

Figure 0007211286000011
Figure 0007211286000011

ここで、Dはウェブ13の板剛性であり、(25)式で表される。σは圧縮力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, Dw is the plate stiffness of the web 13 and is represented by the formula (25). σw is the stress function of the web 13 on which the compressive force F1 acts, and is expressed by the equation (26). However, σ cr is the degree of buckling stress of the web 13, and compression is positive. The function δw is a function that expresses the deformation of the web 13 in the x-axis direction when buckling occurs, and is expressed by Equation (27). is the displacement of the web 13 in the x-axis direction.
For example, (∂ 2 W w /∂x 2 ) means a function obtained by second-order partial differentiation of W w with respect to x, and (∂ 2 W w /(∂ x ∂ y)) means that W w Denotes the function with partial differentiation.

Figure 0007211286000012
Figure 0007211286000012

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 calculation unit 53 obtains the buckling stress σ cr of the web 13 that causes the out-of-plane displacement W w based on the equation (19) based on the energy method. The stress calculation unit 53 calculates the buckling stress σ cr of the web 13 using the equations (30) and (31) to give the minimum positive value to the buckling stress σ cr obtained by the equation (32). A buckling stress degree σ cr is obtained based on the real numbers a n , b n and the half wavelength a.
However, the buckling coefficient k is obtained by the formula (33).

Figure 0007211286000013
Figure 0007211286000013

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, simultaneous equations representing that the function obtained by partially differentiating the total potential energy Π with the undetermined coefficients a n and b n are equal to 0, are real numbers Obtain an and bn . When there are multiple pairs of an and bn that are solutions to the simultaneous equations, among the multiple pairs of an and bn , the buckling stress degree σ cr according to equation (32) is set to the smallest positive value. Based on the given set of an and bn (by substituting the set of an and bn into the equation (32)), the degree of buckling stress σ cr is obtained. Next, the half-wavelength a is treated as a variable, and the half-wavelength a is obtained from the equation representing that the function obtained by partially differentiating the total potential energy Π from which the set of an and bn is obtained is equal to 0 by the half-wavelength a. demand. The degree of buckling stress σ cr obtained based on the set of an and bn obtained as described above and the half wavelength a is the degree of buckling stress σ cr to be obtained.
When there is only one set of undetermined coefficients a n and b n that is the solution of the simultaneous equations, the set of a n and b n gives the minimum positive value to the buckling stress σ cr according to equation (32). If given , the degree of buckling stress σ cr is determined based on the set of an and b n . Next, the half wavelength a is treated as a variable, and the degree of buckling stress 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に作用する圧縮力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に作用する圧縮力F1をこの圧縮力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。
In the method of estimating the degree of buckling stress of the present embodiment (hereinafter simply referred to as the estimation method), the displacement estimation step of estimating the out-of-plane displacement Ww of the web 13 by equation (19) and the out-of-plane displacement Ww A stress calculation step is performed to obtain the buckling stress σ cr of the web 13 that causes
The compressive force F1 acting on the web 13 when the buckling stress σ cr occurs in the web 13 can be determined from the known equations for plate elements. Buckling of the web 13 can be suppressed by making the compressive force F1 acting on the web 13 smaller than the compressive force F1.

〔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に圧縮力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 results of estimating the out-of-plane displacement Ww of the web 13 according to the y-axis coordinates when the compressive force F1 acts on the web 13. As shown in FIG. A surface 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 an end face in the y-axis direction) is fixedly supported (non-rotatably supported, rigidly joined). This out-of-plane displacement Ww is the out-of-plane displacement in the cross section taken along the cutting line AA in FIG.
In FIG. 5 , the horizontal axis represents the y-axis coordinate against the length bw of the web 13 and the vertical axis represents the estimated out-of-plane displacement Ww of the web 13 . 0 on the horizontal axis represents the bottom edge of the web 13 and 1 on the horizontal axis represents the top edge of the web 13 . On the vertical axis, the value of the out-of-plane displacement Ww is made dimensionless by the maximum value of the out-of-plane displacement Ww .

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, a solid line L1 represents the analysis result by FEM (Finite Element Method). The dotted line L2 represents the result of estimation using equation (19) of the present embodiment (where N is 2), and the dashed-dotted line L3 represents the result of estimation using equation (1-1) (where N is 15). Since the lines L2 and L3 substantially coincide with the line L1, the lines L2 and L3 overlap the line L1.
N in equation (19) of this embodiment, which is necessary to approximate the analysis result by FEM with the same accuracy as when N is 15 in the Fourier series of equation (1-1), is 2 I found out.

(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 σ cr of the web 13 was determined by the formula (1-1) and the formula (19) of the present embodiment, and the results of comparison by buckling coefficient are shown in Table 1 and FIG.

Figure 0007211286000014
Figure 0007211286000014

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、4.0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、6.98に収束する(図6中の線L12参照)。
N is set to 2 when the formula (19) of this embodiment is used. On the other hand, N was changed to 4, 5, 7, .
In Table 1, the buckling coefficient when the end face 13b in the y-axis direction of the web 13 is simply supported converges to 4.0 as the out-of-plane displacement Ww and the buckling stress degree σcr increase in estimation accuracy. (see line L11 in FIG. 6). The buckling coefficient when the end surface 13b in the y-axis direction of the web 13 is fixedly supported converges to 6.98 as the out-of-plane displacement Ww and the buckling stress degree σcr are estimated with higher accuracy (Fig. 6 See line L12 in the middle).

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15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 buckling coefficient k. Outlined circles represent estimation results in the case of simple support using equation (19) of this embodiment. Black circles represent estimation results in the case of simple support using the Fourier series of formula (1-1). Outlined square marks represent estimation results in the case of fixed support using equation (19) of the present embodiment. Black squares represent estimation results in the case of fixed support using the Fourier series of formula (1-1).
The accuracy when the buckling coefficient k is evaluated using the equation (19) of this embodiment is the accuracy when N is 15 in the Fourier series of the equation (1-1) for both simple support and fixed support. was found to be the same.

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、圧縮力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 can use a trigonometric function, but have fewer terms than the Fourier series of formula (1-1) A number of functions that can estimate the out-of-plane displacement of the web 13 on which the compressive force F1 acts were investigated. As a result, it was found that the out-of-plane displacement Ww of the web 13 can be estimated using equation (19) with fewer terms than the Fourier series.
Equation (19) can estimate the out-of-plane displacement Ww of the web 13 with a smaller number of terms than the Fourier series of Equation (1-1). It can be carried out. Furthermore, when the number of terms required to estimate the out-of-plane displacement W w with a certain accuracy is estimated using Equation (19) than when estimating using the Fourier series of Equation (1-1) Since there are fewer, the estimation result can be formulated physically easier to understand than 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。 Using equation (19), the out-of-plane displacement Ww of the web 13 can be quickly approximated. That is, it is possible to quickly approximate a buckling waveform when a member of a building or a plate element constituting a member undergoing in-plane bending undergoes 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 two. First, in equation (19), undetermined coefficients a 1 , a 2 , b 1 , and b 2 are obtained with the half wavelength a treated as a constant. Obtain the wavelength a. The number of undetermined coefficients to be determined at one time is four or less when determining the undetermined coefficients a1 and the like in the equation (19). Therefore, the undetermined coefficients a 1 , a 2 , b 1 , b 2 , etc. can be easily obtained using equations of order 4 or less whose solution formulas are known.
Further, the stress degree calculation unit 53 (in the stress degree calculation step) uses the equations (30) and (31) to obtain the minimum positive value for the buckling stress degree σ cr according to the equation (32). A buckling stress degree σ cr is obtained based on certain a n , b n and half wavelength a. When obtaining the buckling stress degree σ cr based on the energy method, the buckling stress degree σ cr can be accurately obtained using the formulas (30) to (32).

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。
As described above, one embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and the configuration can be changed, combined, or deleted without departing from the scope of the present invention. etc. are also included.
For example, in the above embodiment, N in formula (19) may be 3 or more.
When obtaining the buckling stress degree σ cr based on the energy method, the equations (30) to (32) need not be used.
In this embodiment, the estimating device 50 estimates the buckling stress of the web 13, which is a plate element, but the plate element is not limited to the web 13, and may be the upper flange 11, the lower flange 12, or the like.

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 圧縮力
13 web (plate element)
50 Buckling stress estimation device 52 Displacement estimator 53 Stress calculator 61 Buckling stress estimation program F1 Compressive force

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、前記x軸に沿う方向に圧縮力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、
前記板要素の板厚方向に延びる軸をz軸とし、
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 0007211286000015
buckling stress for estimating the buckling stress of a plate element that spreads along the x-axis extending in the material axial direction and the y-axis extending in the width direction of the plate and buckles when a compressive force acts in the direction along the x-axis An estimator for
Let the axis extending in the plate thickness direction of the plate element be the z-axis,
Along the x-axis, the plate element displaces alternately in a wave-like manner in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis toward the first end of the plate element in the direction along the x-axis. When the half wavelength in the direction is a,
a displacement estimating unit for estimating the out-of-plane displacement Ww of the plate element in the direction along the z -axis using equation (1);
(1) a stress calculation unit that obtains the buckling stress of the plate element that causes the out-of-plane displacement Ww based on the formula based on the energy method;
A device for estimating buckling stress, comprising:
However, N is a natural number of 2 or more, a 0 , an and bn are undetermined coefficients, and bw is the length of the plate element in the direction along the y-axis.
Figure 0007211286000015
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。 2. The buckling stress estimation device according to claim 1, wherein said N is two. 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 0007211286000016
The stress degree calculation unit uses the formulas (2) and (3) to calculate the a n , b n and 3. The buckling stress degree estimating device according to claim 1, wherein the buckling stress degree σcr is obtained based on the half wavelength a.
where E is the Young's modulus of the plate element, v is the Poisson's ratio of the plate element, and tw is the thickness of the plate element.
Figure 0007211286000016
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、前記x軸に沿う方向に圧縮力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、
前記板要素の板厚方向に延びる軸をz軸とし、
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 0007211286000017
buckling stress for estimating the buckling stress of a plate element that spreads along the x-axis extending in the material axial direction and the y-axis extending in the width direction of the plate and buckles when a compressive force acts in the direction along the x-axis A method for estimating the
Let the axis extending in the plate thickness direction of the plate element be the z-axis,
Along the x-axis, the plate element alternately displaces in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis in a wave-like manner toward the first end side of the plate element in the direction along the x-axis. When the half wavelength in the direction along is a,
a displacement estimating step of estimating the out-of-plane displacement Ww of the plate element in the direction along the z -axis using equation (5);
(5) a stress degree calculation step of obtaining the buckling stress degree of the plate element that causes the out-of-plane displacement Ww based on the equation based on the energy method;
method for estimating buckling stress.
However, N is a natural number of 2 or more, a 0 , an and bn are undetermined coefficients, and bw is the length of the plate element in the direction along the y-axis.
Figure 0007211286000017
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。 5. The buckling stress estimation method according to claim 4, wherein said N is two. 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 0007211286000018
In the stress degree calculation step, using formulas (6) and (7), the a n , b n and 6. The buckling stress degree estimation method according to claim 4 or 5, wherein the buckling stress degree σcr is obtained based on the half wavelength a.
where E is the Young's modulus of the plate element, v is the Poisson's ratio of the plate element, and tw is the thickness of the plate element.
Figure 0007211286000018
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、前記x軸に沿う方向に圧縮力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、
前記板要素の板厚方向に延びる軸をz軸とし、
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 0007211286000019
An estimating device for estimating the degree of buckling stress of a plate element that spreads along the x-axis extending in the material axial direction and the y-axis extending in the width direction of the plate and buckles when a compressive force acts in the direction along the x-axis A buckling stress estimation program comprising:
Let the axis extending in the plate thickness direction of the plate element be the z-axis,
Along the x-axis, the plate element displaces alternately in a wave-like manner in the positive direction of the z-axis and the negative direction of the z-axis toward the first end of the plate element in the direction along the x-axis. When the half wavelength in the direction is a,
the estimation device,
a displacement estimating unit for estimating an out-of-plane displacement Ww of the plate element along the z -axis using equation (9);
(9) a stress degree calculation unit that obtains the buckling stress degree of the plate element that causes the out-of-plane displacement Ww based on equation (9) based on the energy method;
buckling stress estimation program that functions as
However, N is a natural number of 2 or more, a 0 , an and bn are undetermined coefficients, and bw is the length of the plate element in the direction along the y-axis.
Figure 0007211286000019
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。 8. The buckling stress estimation program according to claim 7, wherein said N is two. 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 0007211286000020
The stress degree calculation unit uses the formulas (10) and (11) to calculate the a n , b n and 9. The buckling stress estimation program according to claim 7 or 8, wherein the buckling stress σcr is calculated based on the half wavelength a.
where E is the Young's modulus of the plate element, v is the Poisson's ratio of the plate element, and tw is the thickness of the plate element.
Figure 0007211286000020
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