JP2005042423A

JP2005042423A - 金属平板のせん断補強構造

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Publication number: JP2005042423A
Application number: JP2003278141A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Suzuki; 敏郎鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】せん断力を受ける金属平板について、せん断降伏後大きく成長する座屈変形にもかかわらず降伏耐力の安定的な維持を図り、金属平板のせん断に対する塑性変形能力を高める。
【解決手段】周りをフランジで囲まれた主にせん断力を受ける略矩形金属平板に対し、平板の片面又は両面に１本ないし複数本の金属帯板を幅広面で添接し、平板と帯板とで一体化した部位の極めて大きなサンブナン捩り剛性を効果的に働かせ、せん断降伏後フランジで囲まれた補強帯板を含む平板全体の座屈変形を許容しつつ降伏耐力の低下を防ぎ、せん断力を受ける金属平板が粘りのある塑性変形挙動となるようにする。
【選択図】図７

Description

本発明は、制震ないしは耐震を目的とする構造壁，間柱や境界梁，筋違の交差部位など、周りをフランジで取り囲まれた主にせん断力を受ける金属平板について、せん断降伏した後補強帯板を含む平板全体の座屈変形を許容しつつ降伏耐力の低下を防ぎ、金属平板の塑性変形能力を高めることを意図した補強構造に関するものである。

せん断力を受ける略矩形金属平板は、せん断座屈荷重を高くして降伏耐力を確保できてもその後の耐力維持は難しく、その目的を達成するためには平板の幅厚比を相当に小さくしなければならず、結果的にはかなり厚い板厚とするか多くのスティフナーを配して平板全域を細分化する必要がある。

図１４は、９００ｍｍｘ９００ｍｍの正方形パネルに１５０ｍｍｘ３０ｍｍの周辺フランジを介して純せん断力が作用する場合の解析対象図で、軟鋼ＳＳ４００のせん断パネル板厚をかえた解析結果を降伏せん断応力度τｙ＝１７０Ｎ／ｍｍ＾２で無次元化し図１５に示したが、板厚を上げても降伏後の耐力維持が難しく幅厚比が４０〜５０でようやく耐力低下を防ぐことができる。

従って、これまでの最も一般的なせん断補強方法としては図１0（ｂ）に示す構造壁のように、せん断力を受ける平板に縦横にスティフナーを設けて板要素の幅厚比を小さくし、せん断座屈荷重τｃｒをせん断降伏荷重τｙの１０倍ないしそれ以上と極端に高くしてせん断パネルの塑性変形能力を確保しようとするものであった。

又、必要な設計強度に対し平板のせん断座屈と座屈後の耐力低下を避けるため、降伏点応力度の極めて低い材料を使うことでその分板厚を上げて塑性変形能力を高める方法が多用されているが、このほか接合部位にダンパー機能を持たせ建物への地震入力をコントロールする方法も工夫されている。
特開平１０−１６９２４３号公報特開２００１−１４６８５４号公報木原碩美／鳥井信吾著「極低降伏点鋼板壁を用いた制震構造の設計」建築技術１９９８年１１月

解決しようとする課題は、せん断力を受ける金属平板に対してせん断座屈荷重を必要以上に高くすることなくせん断降伏後の耐力の安定的な維持を図ることであり、薄い板厚の平板に対しても簡単な補強方法によって塑性変形能力を高めることを可能とするせん断パネルの補強構造を提示することである。

周りをフランジで囲まれた主にせん断力を受ける略矩形金属平板に対し、その平板の補強として１本ないし複数本の金属帯板が幅を与える面で添接されるが、これら補強帯板は前記金属平板の片面だけから又は平板の両面から交叉させたり重なり合うように様々に配置される。

補強の為の金属帯板は、フランジで囲まれた補強後の平板全体のせん断座屈荷重がフランジと帯板ないしは複数の帯板により囲まれた平板要素の局所的せん断座屈荷重を下まわるようにし、せん断降伏後フランジで囲まれた補強材を含む平板全体で大きく座屈変形し得るようにする。

本補強構造は、平板のせん断座屈補強とせん断降伏後の塑性変形能力を高めた上記構造要素を１個単独で又は複数個を組み合わせて制震・耐震構造の壁，柱，梁，筋違等の一部ないし全てを構成する。

本発明の補強構造は、平板のせん断座屈とせん断降伏後の座屈変形に対して平板とそれに添接される帯板とで一体化した部位の極めて大きなサンブナン捩り剛性が効果的に働き、降伏後の耐力低下を防ぎつつ成長する座屈変形に対し粘りのある塑性変形挙動が確保される。

本発明の補強構造とすることにより、簡単な補強で効果があるため周辺枠の大きさに対してより薄板での構造が可能となり、又せん断降伏後の平板の座屈変形は補強帯板を含む広域で発生することにより局部的な歪み集中がそれだけ緩和されてせん断パネル隅部の割れが生じ難くなる。

本発明の補強構造は、せん断力を受ける金属平板の片面又は両面に１本ないし複数本の金属帯板を幅を与える面で添接して補強し、補強材により座屈変形を完全に押えることなく平板と帯板とで一体化した部位の極めて大きなサンブナン捩り剛性を効果的に働かせ、フランジで囲まれた補強帯板を含む平板全体で座屈変形が進展し得るようにする。

図１は、平板に補強帯板を添接する代表的な形態として３例を左側面図，正面図，ａ−ａ断面図で示したもので、平板両面から帯板が交叉する（ａ）、平板両面から帯板が重なり合う（ｂ）、平板片面からのみ帯板を配する（ｃ）であるが、補強帯板の寸法や本数さらにその配置は補強対象のせん断パネルの形状，板厚，材質等により変わる。

せん断パネルの形状は正方形でも任意の長方形でもよく、周辺を取り囲む枠組みは平板と直交するフランジを一般的とするが、額縁状の幅広面が平板と重なり合った枠組みであってもよい。

補強材の断面形状は帯状の平板とするが、帯板面と直交するリブのある断面であっても、せん断パネルの座屈変形を完全に押えることなく平板と共に変形し得る程度の剛性であればなんら差し支えない。

補強帯板の取り付けは周辺隅肉溶接が平板と帯板との一体性を確保するために望ましいが、穴溶接やスポット溶接でもなんら支障はなく、又補強効果を承知した上であれば平板を両側から帯板で挟みこむようにしてボルト止めすることも可能である。

本補強構造の対象となるせん断パネルの平板および補強帯板の金属材料は、高張力鋼，軟鋼，低降伏点鋼，ステンレス鋼等各種鋼材のほかアルミニウム合金等軽金属材料も含まれ、平板と帯板の組合せとしては同じ材料であっても異なった材料であってもよい。

図２は、本発明の補強構造の実施例で補強帯板がその幅を与える面で平板の両面から直交するように添接された（ａ）、それとの比較のための十字状に配されたスティフナーによる従来型補強例（ｂ）である。

図３は、周辺単純支持のフランジ枠１５０ｍｍｘ３０ｍｍに囲まれ，７５ｍｍｘ１９ｍｍの帯板ないしスティフナ−で補強された平板９００ｍｍｘ９００ｍｍｘ６ｍｍの降伏せん断応力度τｙ＝１７０Ｎ／ｍｍ＾２とする弾塑性解析結果で、●印の本補強構造（ａ）と○印の従来型補強構造（ｂ）とであり、全て同じ条件での比較から見ても本補強構造では降伏直後の耐力低下は回避されて安定した塑性変形性状となっていることが判る。

図４は、本補強構造である図２（ａ）の平板が降伏後座屈変形が進行した時点での有限要素法解析によるせん断パネルの斜視図で、補強帯板で４分割された局所的な座屈変形とともに補強帯板も一体となってせん断パネル全体で大きく変形している様子が窺える。

図５は、実施例２と同一サイズのせん断パネルに帯板がその幅を与える面で添接される本補強構造の二例で、平板の２ヶ所に帯板７５ｍｍｘ１２ｍｍを両面から配した例（ａ）と、帯板１５０ｍｍｘ１９ｍｍを平板中央部にその両面から配した例（ｂ）とである。

図６には、（ａ）のフランジと補強帯板とで囲まれる平板の領域を細分化してその部位のせん断座屈荷重をτｃｒ＝１００５Ｎ／ｍｍ＾２と高く，帯板を含む平板全体のせん断座屈荷重をτｃｒ＝６５５Ｎ／ｍｍ＾２と低くした設計例を●印で、(ｂ）のフランジと帯板とで囲まれた平板のせん断座屈荷重がτｃｒ＝４７０Ｎ／ｍｍ＾２とその部位のせん断座屈が先行する設計例を○印で示したが、（ｂ）の降伏直後に耐力低下した結果から本発明の補強方法であっても平板の局所的せん断座屈が先行しない配慮が必要であることが判る。

図７は、本発明の補強構造としての１：２長方形平板の実施例で、（ａ）は周辺フランジ枠で囲まれた平板全域に補強帯板をその幅面で添接した場合と、片側から横２段にスティフナ−補強してパネルを３分割し他の片面から補強帯板をその幅面で添接した例（ｂ）とである。

図８は、フランジ２００ｍｍｘ３６ｍｍに囲まれ，帯板ないしはスティフナ−が１００ｍｍｘ１９ｍｍの長方形平板１８００ｍｍｘ９００ｍｍｘ６ｍｍの降伏せん断応力度σｙ＝１７０Ｎ／ｍｍ＾２とする弾塑性解析結果で、（ｂ）に比較して（ａ）の方が塑性化後の大変形挙動は安定しているが、補強材の条件がおなじとしての比較であるからいずれの補強構造であっても適正な設計をすればよい。

図９は、周辺枠３００ｍｍｘ３６ｍｍで囲まれた２４００ｍｍｘ３６００ｍｍｘ９ｍｍの制震・耐震用構造壁として、壁面をスティフナーで４分割しさらに補強帯板１５０ｍｍｘ１９ｍｍを添接した本発明の補強構造の実施例（ａ）と、壁面をスティフナーを細かく配して２４分割した従来型補強構造の実施例（ｂ）である。

図１０は、その固有変形モードを表した等高線図で、（ａ）の本補強構造では壁面の４つの構造要素とも広域にわたって座屈変形するのに対して、（ｂ）のスティフナーで細分化した従来型補強構造では一部の構造要素に偏って座屈変形が発生しており、本補強構造は降伏後の大変形に対し局所的な歪みが回避され制震・耐震構造として優れている。

図１１は、せん断力を受ける構造壁に図１６に示す降伏せん断応力度τｙ＝１０３Ｎ／ｍｍ＾２の低降伏点鋼ＬＹ１６０を利用し他の部位はＳＳ４００とする解析結果で、これをせん断耐力Ｑを降伏せん断耐力Ｑｙで無次元化して示した●印が本補強構造，○印が従来型補強構造であるが、降伏後のせん断変形挙動から見ても力学的性状にはそれほど変りはないが、簡単な補強による本補強構造は製作上有用と考えられる。

図１２は、実施例５と同じ大きさの制震・耐震用構造壁であるが、せん断力を受ける壁板として図１６に載せている降伏せん断応力度τｙ＝４０Ｎ／ｍｍ＾２の極低降伏点鋼ＬＹ１００とし、壁面をスティフナーで分割せずにＳＳ４００の補強帯板１５０ｍｍｘ１９ｍｍを図示のとおり平板両面から交叉するよう添接している。

図１３は、本発明の補強構造の結果をせん断耐力Ｑを降伏せん断耐力Ｑｙで無次元化して●印で表しているが、それとの比較のため従来型補強構造として図９（ｂ）と同一実施例の結果を○印で、又スティフナーの数を減らし壁板を均等に６分割した解析結果を＋印で載せている。

上記結果を見ると、従来型補強構造では材料降伏点応力度が極めて低いにも係わらず壁板の分割数を下げると降伏直後に不安定な挙動となって耐力低下し、更にそれを避けようとすれば分割数を上げねばならず、しかも両者ともＬＹ１００の材料の特異性から降伏後の耐力上昇が急激となって制震・耐震構造としての扱いに不便があるが、本発明の補強構造ではこの点が解消されて良好な降伏変形挙動を作り出すことができている。

せん断を受ける金属平板に対して、簡単な補強でも薄板に対し降伏後の耐力を維持することが可能となり、本発明の補強構造とすることで材料の選択にも幅ができ又補強の簡略化による製作上の低コストが見込め、制震ないし耐震に対する性能上優れた構造が提供されるとともに本発明の構造要素は構造壁，柱，梁，筋違の一部ないし全てに対応でき、本発明の補強構造についての利用分野は広い。

本発明の補強構造の代表的形態を示す説明図である。（実施例１）本発明の補強構造と従来型補強構造とを対比する解析対象図である。（実施例２）本補強構造の（ａ）と従来型補強構造の（ｂ）の解析結果の説明図である。図２（ａ）の本補強構造の大変形領域での状態を示す斜視図である。本発明の補強構造に於ける補強帯板の効果を調べるための解析対象図である。（実施例３）添接される補強帯板の効果に関する解析結果の説明図である。本発明の補強構造の１：２長方形せん断パネル二例の解析対象図である。（実施例４）本補強構造である前記二例に関する解析結果の説明図である。制震・耐震壁に関する本発明の補強構造と従来型補強構造の解析対象図である。（実施例５）前記構造壁二例についての固有変形モードを表す等高線図である。図９（ａ）と（ｂ）に示す制震・耐震壁の解析結果の説明図である。極低降伏点鋼を用いた制震・耐震壁に関する本補強構造の解析対象図である。（実施例６）図１２に示す制震・耐震壁の解析結果の説明図である。せん断パネルと周辺フランジ枠に加わるせん断力図である。正方形せん断パネルの弾塑性大変形解析結果の説明図である。本明細書の数値解析で扱った素材引張試験結果のσ−ε関係図である。

符号の説明

１せん断力を受ける金属平板
２周辺フランジ
３幅広面で添接される補強帯板
４平板面と直交する補強スティフナー

Claims

周りをフランジで囲まれた主にせん断力を受ける略矩形金属平板の補強構造で、前記金属平板の片面又は両面に１本ないし複数本の金属帯板が幅を与える面で添接してなり、平板のせん断座屈に対する補強とともにせん断降伏後の塑性変形能力を高めた構造要素とし、本構造要素を１個ないし複数個を組み合わせて構成する制震ないし耐震構造。
補強の為の金属帯板は、フランジで囲まれた補強後の平板全体のせん断座屈荷重がフランジと帯板ないしは複数の帯板により囲まれた局所的平板要素のせん断座屈荷重を下まわるようにし、せん断降伏後周辺フランジ枠で囲まれた補強帯板を含む平板全体で大きく座屈変形が進行し得るようにした補強方法。