曲げ材の横倒れ座屈

<曲げ材の横倒れ座屈>

曲げ応力を受ける材も座屈します。これを「曲げ材の横倒れ座屈」といいます。直線材が圧縮力を受けるときの座屈も説明が難しいのですが,横倒れ座屈はもっと難しいです。どんなにわかりにくいかを記したページ「何をいまさら構造力学・その 5 ― 横座屈 ―」がありますので見てください。

この横倒れ座屈を,私の理解の範囲で説明します。

<曲げモーメントを受けてなぜ座屈するのか>

まず,「曲げモーメントを受けてなぜ座屈するのか」

それは,曲げモーメントを受けると引張り応力を受ける側と圧縮応力を受ける側が生じ,圧縮応力を受ける側は直線材が圧縮力を受けているのと同じような状態ですから座屈するのです。

でも,必ず座屈するわけではありません。直線材が圧縮力を受ける場合でも細長比が小さければ座屈しないように,横倒れ座屈するかしないかの条件があります。

横倒れ座屈の難しさは何といっても,この座屈するしないの条件です。

まず,横倒れ座屈しない場合をあげます。

1.短い材が曲げモーメントを受けても横倒れ座屈しない

これはいいでしょう。以下は,一定の長さのある材料が曲げモーメントを受けるものとして説明します。

2.例えば正方形断面の材は横倒れ座屈しない

このことを,どういう言葉で説明するのか。圧縮を受ける側が安定的に圧縮変形できなくなって外側へ移動しようとしても,正方形断面のねじりの抵抗が大きいので,座屈できないからです。

3.長方形断面の材も横倒れ座屈しない

RCの梁のようなものを想定してください。梁丈が梁幅の3倍ぐらいの梁では上記と同様にねじり抵抗が大きいので座屈しません。長さが長くて断面がもっと細長い場合は横倒れ座屈する場合があると思うのですが,通常設計されるRC梁の範囲では座屈しないものとして扱われます。

次は,横倒れ座屈する場合です。

4.鉄骨のH形鋼が強軸まわりに曲げモーメントを受ける場合

実は,建築分野において横倒れ座屈を考慮しなければいけないのは,鉄骨部材の曲げに限られます。H形鋼が曲げモーメントを受けると片方のフランジに圧縮力を受けます。このフランジが細長ければ圧縮材の細長比が大きい場合と同じで座屈します。これが横倒れ座屈です。圧縮側のフランジが1本の圧縮材と同じような挙動をする場合に横倒れ座屈が生じるのですから,H形鋼を弱軸まわりにモーメントを作用させても横倒れ座屈はしません。

上記が,横倒れ座屈の概念です。

<横倒れ座屈の理論式と許容応力度式>

次は,横倒れ座屈の理論式です。というべきところですが,理論式は省略します。理論式は,例えば,「鉄骨構造の設計・学びやすい構造設計」(日本建築学会関東支部)に掲載されています。圧縮材の座屈の理論式が実務上で使われないように,横倒れ座屈も,理論式は使われません。横倒れ座屈も曲げの許容応力度として与えられますからそれが使えれば建築技術者としては十分です。「ならば,横倒れ座屈の概念など説明せずに,許容応力度式だけ示せ」と思われたかもしれませんが,許容応力度式を使うにしても,そもそもその材に横倒れ座屈が生じるのか生じないのかがわからなければ許容応力度式を使うことができないので,概念は必要です。

横倒れ座屈は,建築の実務上は許容応力度として設定されています。曲げの許容応力度で,H14告示第1024号で決まっています。

算出例を作りました。〈曲げ許容応力度の算出式と算出例