局部火災加熱を受ける金属柱の力学的応答とその予測

既往の研究により、局部火災時の柱部材の温度分布までは火源条件が与えられれば予測が可能となっており、次の段階として、温度分布から部材の力学的挙動を予測し、架構の安全性を評価することが目標となる。まず、力学的応答予測に用いる有限要素法などの数値解析の検討モデルたり得る実験データを得ることを念頭に、局部火災加熱を受ける鉄骨角柱の載荷実験を行い、その挙動を把握した。実験は拘束条件や加力条件を変えて4種行われ、水平変形形状の推移、柱頭での熱応力拘束力、鉛直変位の推移などを把握した。さらに、これら実験結果をもとに力学的挙動予測のための有限要素モデルの確立を目的とし、上記の各実験と同じ条件で柱の挙動を有限要素法にて再現することで、熱膨張率や材料特性の設定、解析方法などを検討した。解析は汎用有限要素法ソフト"ANSYS"を用い、実験で計測された温度分布をモデルへの入力条件とし、実験ごとの拘束条件にて構造解析を行った。解析では、熱膨張率の温度依存性を設定し、鋼材の温度ごとの強度を引っ張り試験を基に多直線で近似した。その結果、試験体温度分布がある程度定常状態に近付いた後の鉛直方向の拘束力ならびに鉛直変位に関しては高い精度での予測が可能であることを示した。さらに座屈荷重を求める解析では、初期不整を求める事前解析において、温度上昇に伴う鋼材強度の低下をヤング率の低減に置き換える方法を示した。局部座屈が生じた後の挙動に差があるものの、局部座屈発生時の軸力値はよく一致し、誤差は10%以内であった。

既往の研究により、局部火災時の柱部材の温度分布までは火源条件が与えられれば予測が可能となっており、次の段階として、温度分布から部材の力学的挙動を予測し、架構の安全性を評価することが目標となる。まず、力学的応答予測に用いる有限要素法などの数値解析の検討モデルたり得る実験データを得ることを念頭に、局部火災加熱を受ける鉄骨角柱の載荷実験を行い、その挙動を把握した。実験は拘束条件や加力条件を変えて4種行われ、水平変形形状の推移、柱頭での熱応力拘束力、鉛直変位の推移などを把握した。さらに、これら実験結果をもとに力学的挙動予測のための有限要素モデルの確立を目的とし、上記の各実験と同じ条件で柱の挙動を有限要素法にて再現することで、熱膨張率や材料特性の設定、解析方法などを検討した。解析は汎用有限要素法ソフト"ANSYS"を用い、実験で計測された温度分布をモデルへの入力条件とし、実験ごとの拘束条件にて構造解析を行った。解析では、熱膨張率の温度依存性を設定し、鋼材の温度ごとの強度を引っ張り試験を基に多直線で近似した。その結果、試験体温度分布がある程度定常状態に近付いた後の鉛直方向の拘束力ならびに鉛直変位に関しては高い精度での予測が可能であることを示した。さらに座屈荷重を求める解析では、初期不整を求める事前解析において、温度上昇に伴う鋼材強度の低下をヤング率の低減に置き換える方法を示した。局部座屈が生じた後の挙動に差があるものの、局部座屈発生時の軸力値はよく一致し、誤差は10%以内であった。