巨大な川に架かる橋や、超高層ビルの鉄骨が風や天候に耐え抜く様子を不思議に思ったことはありませんか?その答えは、多くの場合、「剛性フレーム」と呼ばれる構造設計に隠されています。この記事では、剛性フレームの定義、特性、用途、そしてエンジニアリングにおける重要な重要性について探求します。
剛性フレームは、その名の通り、梁と柱が剛接合によって結合され、一体となった構造システムです。その重要な原則は、真の剛性フレームを形成するために、スパン構造と支持下部構造が同等の剛性を持つことを要求します。鉄骨構造では、これは通常、プレートガーダーと支持柱間の完全溶接接合として現れ、コンクリート構造では、構造スラブとアバットメント壁の一体的な鋳造によって実現されます。
特に、上部構造の剛性が下部構造の剛性を大幅に上回る場合、物理的に接合されていても、その接合は真の剛性フレームとは見なされません。たとえば、スラブが橋脚梁と柱と一体的に接続する鉄筋コンクリートアーチスラブ構造では、柱の剛性がスラブの性能にわずかしか影響しない場合、そのシステムはフレーム構造として認められません。
力学解析では、剛性フレームのすべての節点が3つの平衡方程式を満たさなければなりません。水平力の合計はゼロ(∑H=0)、垂直力の合計はゼロ(∑V=0)、モーメントの合計はゼロ(∑M=0)です。その結果、各フレームコンポーネントは未知の軸力、せん断力、曲げモーメントを運びます。
剛性フレームの場合、 n 本の部材と r 個の外部制約がある場合、未知数の数は(3 n + r )に等しくなります。未知数が平衡方程式と一致する場合、構造は静定(3 n + r =3 j を満たすと、ヒンジ接合部を持つ剛性フレームは決定されます。ここで j は支持を含む節点を表します)、未知数が方程式を超える場合、静不定(3 n + r >3 j )、方程式が未知数より多い場合、不安定(3 n + r <3 j j )となります。
剛性フレームの設計原理は、安全システムにも適用されています。一部の企業では、人員をケージのような構造内に収容する剛性フレームバスケットを採用しています。転落のリスクを軽減しますが、脱出が妨げられる可能性のある水中浸水シナリオに関する懸念が生じます。2つのバリアントが存在します。浮力リングとフェンダーを備えた Esvagt タイプは、立っている乗員用であり、着席した乗員がハーネスを着用したままの浮力プレート付きの移送カプセルです。
剛性フレーム橋(またはポータルフレーム橋)は、垂直または傾斜したモノリシック柱によって支持された上部構造を特徴としています。上部構造と下部構造間の剛接合は、中程度のスパンに対して経済的に効率的な一体型システムを形成します。20世紀初頭のドイツで生まれたこれらの橋は、中間スパンモーメントの削減(浅い断面を可能にする)、建設フットプリントの最小化、およびアバットメント支持の詳細の排除など、構造的な利点を提供します。
注目すべき例としては、記録的な330メートルの主スパンを持つ長江に架かる重慶の石板坡複線連続プレストレスト剛性フレーム橋、および東京の東大橋があります。ただし、静不定構造であるため、その設計と解析の複雑さは、単純支持橋や連続橋よりも優れています。
i 本の部材のうち、接合部にヒンジを導入すると、 n 本の部材のうち、 i 個のリリースが作成されます。すべての n 本の部材にヒンジが含まれている場合、( n −1)個のリリースが発生します。3 n + r =3 j + c を満たすと、ヒンジ接合部を持つ剛性フレームは決定されます。ここで c は導入されたリリースを表します。
膜電極アセンブリ(MEA)の剛性保護フレームシール構造は、PENやPTFEなどの材料で作られたフレームを利用しています。熱可塑性シーラントによる熱圧縮後、これらのフレームは燃料電池スタック内のMEA圧縮比を決定し、バイポーラプレートとの最適な接触抵抗を確保し、質量移動の問題や操作上の損傷を引き起こす可能性のある過度の圧縮を防ぎます。
MRFシステムは、建物の主要な水平安定性システムとして、モーメント接続フレームを利用しています。水平荷重からの曲げモーメントに耐えるように特別に設計された梁、柱、および接合部を必要とするMRFは、鉄骨またはコンクリートのいずれであっても、高価な接合部の詳細を必要とします。課題には、建物の揺れを増加させ、追加の曲げを誘発するP-デルタ効果の制御が含まれます。その結果、MRFは高層ビルで排他的な水平抵抗として使用されることはほとんどなく、通常はコア壁またはブレースシステムと組み合わされます。その例としては、鉄骨モーメントフレームに囲まれたコンクリートコアを特徴とするニューヨークのワンワールドトレードセンターがあります。
剛性飛行船は、その構造的な複雑さを正当化するのは、かなりの長さの場合のみです。Burgessの Airship Design は、剛性フレームが100万立方フィート未満の体積では実用的ではなく、ほとんどが200万を超えていると述べています。非剛性飛行船が現在の使用を支配していますが、剛性船体は、布の強度の制限を排除し、優れた構造的完全性を提供することにより、大型船に利点を示しています。高速でのノーズの崩壊を防ぎ、内部検査を可能にしますが、重量に関する考慮事項と複雑な製造プロセスは、大きな課題を提示します。
塑性設計アプローチでは、エンジニアは、指定された崩壊荷重係数を達成するために、剛性フレームに必要な塑性断面係数を決定します。たとえば、軸荷重を無視した均一な断面(形状係数1.15、降伏応力50 kips/in²)を持つ2スパンの剛性フレームでは、崩壊荷重係数 N =1.75を確保するための計算が必要です。
土木工学を超えて、剛性フレームは多様な産業に役立っています。空間フレームは、軽量で剛性の高いトラスのような構造で、相互に連結された支柱を備え、最小限の支持で長いスパンを実現するために幾何学的なパターンを活用しています。自動車製造は、歴史的にボディオンフレーム構造に依存しており、別々のボディが駆動系コンポーネントを収容する剛性シャーシに取り付けられています。有限要素解析は、特に地震および防火要件を考慮する場合、これらの静不定システムを設計する上で特に価値があります。
巨大な川に架かる橋や、超高層ビルの鉄骨が風や天候に耐え抜く様子を不思議に思ったことはありませんか?その答えは、多くの場合、「剛性フレーム」と呼ばれる構造設計に隠されています。この記事では、剛性フレームの定義、特性、用途、そしてエンジニアリングにおける重要な重要性について探求します。
剛性フレームは、その名の通り、梁と柱が剛接合によって結合され、一体となった構造システムです。その重要な原則は、真の剛性フレームを形成するために、スパン構造と支持下部構造が同等の剛性を持つことを要求します。鉄骨構造では、これは通常、プレートガーダーと支持柱間の完全溶接接合として現れ、コンクリート構造では、構造スラブとアバットメント壁の一体的な鋳造によって実現されます。
特に、上部構造の剛性が下部構造の剛性を大幅に上回る場合、物理的に接合されていても、その接合は真の剛性フレームとは見なされません。たとえば、スラブが橋脚梁と柱と一体的に接続する鉄筋コンクリートアーチスラブ構造では、柱の剛性がスラブの性能にわずかしか影響しない場合、そのシステムはフレーム構造として認められません。
力学解析では、剛性フレームのすべての節点が3つの平衡方程式を満たさなければなりません。水平力の合計はゼロ(∑H=0)、垂直力の合計はゼロ(∑V=0)、モーメントの合計はゼロ(∑M=0)です。その結果、各フレームコンポーネントは未知の軸力、せん断力、曲げモーメントを運びます。
剛性フレームの場合、 n 本の部材と r 個の外部制約がある場合、未知数の数は(3 n + r )に等しくなります。未知数が平衡方程式と一致する場合、構造は静定(3 n + r =3 j を満たすと、ヒンジ接合部を持つ剛性フレームは決定されます。ここで j は支持を含む節点を表します)、未知数が方程式を超える場合、静不定(3 n + r >3 j )、方程式が未知数より多い場合、不安定(3 n + r <3 j j )となります。
剛性フレームの設計原理は、安全システムにも適用されています。一部の企業では、人員をケージのような構造内に収容する剛性フレームバスケットを採用しています。転落のリスクを軽減しますが、脱出が妨げられる可能性のある水中浸水シナリオに関する懸念が生じます。2つのバリアントが存在します。浮力リングとフェンダーを備えた Esvagt タイプは、立っている乗員用であり、着席した乗員がハーネスを着用したままの浮力プレート付きの移送カプセルです。
剛性フレーム橋(またはポータルフレーム橋)は、垂直または傾斜したモノリシック柱によって支持された上部構造を特徴としています。上部構造と下部構造間の剛接合は、中程度のスパンに対して経済的に効率的な一体型システムを形成します。20世紀初頭のドイツで生まれたこれらの橋は、中間スパンモーメントの削減(浅い断面を可能にする)、建設フットプリントの最小化、およびアバットメント支持の詳細の排除など、構造的な利点を提供します。
注目すべき例としては、記録的な330メートルの主スパンを持つ長江に架かる重慶の石板坡複線連続プレストレスト剛性フレーム橋、および東京の東大橋があります。ただし、静不定構造であるため、その設計と解析の複雑さは、単純支持橋や連続橋よりも優れています。
i 本の部材のうち、接合部にヒンジを導入すると、 n 本の部材のうち、 i 個のリリースが作成されます。すべての n 本の部材にヒンジが含まれている場合、( n −1)個のリリースが発生します。3 n + r =3 j + c を満たすと、ヒンジ接合部を持つ剛性フレームは決定されます。ここで c は導入されたリリースを表します。
膜電極アセンブリ(MEA)の剛性保護フレームシール構造は、PENやPTFEなどの材料で作られたフレームを利用しています。熱可塑性シーラントによる熱圧縮後、これらのフレームは燃料電池スタック内のMEA圧縮比を決定し、バイポーラプレートとの最適な接触抵抗を確保し、質量移動の問題や操作上の損傷を引き起こす可能性のある過度の圧縮を防ぎます。
MRFシステムは、建物の主要な水平安定性システムとして、モーメント接続フレームを利用しています。水平荷重からの曲げモーメントに耐えるように特別に設計された梁、柱、および接合部を必要とするMRFは、鉄骨またはコンクリートのいずれであっても、高価な接合部の詳細を必要とします。課題には、建物の揺れを増加させ、追加の曲げを誘発するP-デルタ効果の制御が含まれます。その結果、MRFは高層ビルで排他的な水平抵抗として使用されることはほとんどなく、通常はコア壁またはブレースシステムと組み合わされます。その例としては、鉄骨モーメントフレームに囲まれたコンクリートコアを特徴とするニューヨークのワンワールドトレードセンターがあります。
剛性飛行船は、その構造的な複雑さを正当化するのは、かなりの長さの場合のみです。Burgessの Airship Design は、剛性フレームが100万立方フィート未満の体積では実用的ではなく、ほとんどが200万を超えていると述べています。非剛性飛行船が現在の使用を支配していますが、剛性船体は、布の強度の制限を排除し、優れた構造的完全性を提供することにより、大型船に利点を示しています。高速でのノーズの崩壊を防ぎ、内部検査を可能にしますが、重量に関する考慮事項と複雑な製造プロセスは、大きな課題を提示します。
塑性設計アプローチでは、エンジニアは、指定された崩壊荷重係数を達成するために、剛性フレームに必要な塑性断面係数を決定します。たとえば、軸荷重を無視した均一な断面(形状係数1.15、降伏応力50 kips/in²)を持つ2スパンの剛性フレームでは、崩壊荷重係数 N =1.75を確保するための計算が必要です。
土木工学を超えて、剛性フレームは多様な産業に役立っています。空間フレームは、軽量で剛性の高いトラスのような構造で、相互に連結された支柱を備え、最小限の支持で長いスパンを実現するために幾何学的なパターンを活用しています。自動車製造は、歴史的にボディオンフレーム構造に依存しており、別々のボディが駆動系コンポーネントを収容する剛性シャーシに取り付けられています。有限要素解析は、特に地震および防火要件を考慮する場合、これらの静不定システムを設計する上で特に価値があります。