JP2006342622A - 金属平板の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】主にせん断力を受ける略矩形金属平板について、金属平板が降伏点荷重に至るまでせん断座屈の早期発生を押え、降伏荷重以降の座屈波形の成長に対しても降伏せん断耐力を安定的に維持して金属平板の塑性変形能力を高めることを意図している。
【解決手段】略矩形金属平板の本補強構造１は、平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体４を挿み表裏両面から金属平板２を重ねて一体化した複層金属平板であり、且つその周囲四辺に帯状金属板が幅を与える面で構成する額縁状の枠組み３を表裏金属平板の中間部ないしは外側部に添接して配置し、せん断座屈に対し金属平板を面的に補剛してせん断降伏後の塑性変形能力を高めている。
【選択図】図１

Description

本発明は、制振ないし耐震を目的とする構造壁、間柱，境界梁，筋違の交差部位など主にせん断力を受ける金属平板について、せん断降伏耐力を確保するとともに降伏後の変形に伴う耐力の低下を防ぎ、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座屈変形が成長する過程で耐力を維持するのは難しく、その目的を達成するためにはせん断座屈応力度τｃｒをせん断降伏応力度τｙの１０倍ないしそれ以上と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−を格子状に配して平板全域を細分化する必要がある。

また、金属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設計として要求されるせん断強度に対し降伏点応力度の低い分だけ金属平板の板厚を上げて板剛度を高め、早期に発生する座屈を回避し塑性化後の塑性変形能力を高める方法がある。

この他、必要な設計強度を満たし金属平板のせん断座屈と座屈後の耐力低下を避けるため、多数の透孔を設けた鋼板を基板とする壁板や粘弾性材料を層状に組み込んだ壁板、その他壁板と建物部位との接合方法を工夫したもの等様々な提案がされている。
特開２００２−６７２１７ 公開特許公報 特開２００３−１７２０４０ 公開特許公報 特開２００４−２７０２０８ 公開特許公報 特開２００４−２７８２１２ 公開特許公報 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過度に板厚を上げてせん断座屈荷重を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、薄い板厚の金属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主にせん断力を受ける金属平板の補強構造を提示することである。

主にせん断力を受ける略矩形金属平板として、補強のため周囲四辺に金属帯板が幅を与える面で構成する額縁状の金属枠組みを設け且つその内部略全面に平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体を配した中間層を構成し、表裏両面に添接する金属平板を面的に補剛してせん断座屈荷重を上げるとともにせん断降伏後の塑性変形能力を高めるものである。

本発明の補強金属構造は、表裏金属平板を平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体を配した中間層を挟んで層状に構成し、金属平板を中間層が面的に拘束することにより極めて薄い金属平板であってもせん断座屈荷重を上げ、加えて周辺を取り囲む金属帯板の額縁状枠組みが金属平板が塑性化して以降の耐力低下を防ぎ塑性変形能力を高めることが出来る。

本発明の補強金属構造を構成する中間層は、表裏面に添接される薄い金属平板を座屈拘束するためのものであり、材料としては強度，剛性の極めて低い一般的に多用されている木質体，ゴム体，各種発泡体で十分に機能し、製品は軽量であるために製造から施工に至る諸工事に於ける取り扱いも容易であり且つ材料及び製作コストは低く利用分野は広い。

せん断力を受ける本発明の複層金属平板として、一つは周囲四辺に金属帯板が幅を与える面で構成する額縁状の金属枠組みを配置し且つその内部略全面に帯板と同厚に平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体を埋めその表裏両面に金属平板を添接して一体とするもの、他は平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体の中間層に表裏二面から金属平板を添接した後その周囲四辺に金属帯板が幅を与える面で構成する額縁状の金属枠組みを表裏金属平板の一方ないしは両方に添接するものとがある。

本発明の補強構造は、図１に代表的な形態を示すように金属平板２二枚を平行に配置し且つその内部の略全面に平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体４を挟み込んで添接し金属平板を面的に補剛して平板のせん断座屈の早期発生を抑え、前記金属平板の間に配された周辺部額縁状枠組み３の曲げ剛性とサンブナン捩り剛性とが効果的に働き、降伏後の耐力低下を防ぎ且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。

図２は、上記実施例について力学的性能を確認するための例題で、表裏両面の金属平板は厚さ０．６ｍｍで面の大きさ９００ｍｍｘ９００ｍｍの複層正方形平板で、（ａ）図は周辺枠のない場合，（ｂ）図は周囲四辺に枠組みを設けた場合である。表裏面の薄い金属平板の材料についてはヤング係数Ｅ＝２０５００ｋＮ／ｃｍ²で降伏点応力度σｙ＝２７ｋＮ／ｃｍ²のＳＳ４００の鋼材とし、周辺単純支持条件で解析してその結果はせん断力Ｑとせん断変形角γで図示している。

図３は、中間層の材料がヤング係数Ｅ＝３ｋＮ／ｃｍ²の発泡体とする層厚９ｍｍの解析結果であるが、周辺枠がない場合を×印で示し又周辺枠が３０ｍｍｘ９ｍｍの場合を○印，６０ｍｍｘ９ｍｍの場合を●印で示している。この結果、周辺枠がない場合でも中間層の効果で表裏金属板のせん断降伏荷重近くにまで耐力は上がるが、降伏後その耐力を維持するためには周辺枠組みの存在が重要でしかもその帯板幅を適正な大きさにすることが必要であることが判る。

図４は、中間層の材料がヤング係数Ｅ＝１５ｋＮ／ｃｍ²のゴム体を想定し層厚を６ｍｍと薄くした解析結果であるが、周辺枠がない場合材料の剛性が高い分だけ降伏以降耐力が若干保持されるもののその後急激に低下する。従って、この場合も降伏以降の耐力維持を図るには周辺枠を配置することが欠かせず、周辺枠が６０ｍｍｘ６ｍｍの場合を○印，９０ｍｍｘ６ｍｍの場合を●印で示しているが、帯板幅は前例よりもより大きくする必要がある。

表裏の金属平板の板厚が厚くなると両金属平板の降伏点荷重が大きくなり、複層金属平板の座屈荷重を前記荷重の近傍にまで上げるために中間層を厚くし平板の面外剛性を高くする必要があるが、その後の耐力維持に対し周辺枠の断面や剛性が中間層と同じ厚さの帯板の枠組みでなく、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように中間層４の周辺に矩形角管やＣ形断面の枠３を設けたり表裏面の金属平板２の両側ないしは片側に帯板３を添接することで十分な場合もある。

図６は周辺枠の形状の違いとその効果を示す解析結果であるが、枠の断面寸法を適切に選択することで降伏耐力の確保とその後の耐力維持を図ることが出来る。本例題は表裏金属平板が１．６ｍｍの板厚であり、周辺枠組みは図５に示す三種類で（ａ）の板厚１．６ｍｍの矩形角管６０ｍｍｘ３０ｍｍ，（ｂ）の両側面に帯板６０ｍｍｘ２．３ｍｍ，（ｃ）の片側面に帯板６０ｍｍｘ４．５ｍｍと各枠の断面積は略同じとしている。いずれの場合についても周辺枠組みを設けることで降伏以降の耐力は安定的に維持される。

図７は、主にせん断力を受ける平板を複層の一方側を選択して中間層の発泡体を隔てた他方側の平板をせん断座屈の補剛を目的として構成するもので、図５の（ｄ）に示すように周辺部に６０ｍｍｘ１９ｍｍの帯板で枠を構成して板厚６ｍｍの平板側にのみ取付け且つ１．２ｍｍの補剛平板はそれとは縁を切っているが、中間層の厚さと剛性を適宜選択することによりせん断降伏荷重を確保すると共に降伏後の耐力維持が図られることが判る。

図８は、面の大きさ１，８００ｍｍｘ９００ｍｍの壁板で、表裏面の金属平板２の厚さは０．２ｍｍ，０．４ｍｍ，０．６ｍｍとし、それぞれの降伏荷重との関連で９０ｍｍ幅の周辺枠３を含む中間層の厚さは７．５ｍｍ，９ｍｍ，１２ｍｍとしている。表裏金属平板２及び周辺帯板３の材料はＳＵＳ３０４ステンレス鋼材，５０８３−Ｏアルミニウム合金材の二種類とし、中間層の発泡体４のヤング係数はＥ＝３ｋＮ／ｃｍ²としている。

図９は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼に対する数値解析結果で、ステンレス鋼の０．２％降伏耐力はσｙ＝２７ｋＮ／ｃｍ²としているが、材料固有の非線形性から降伏開始時点が曖昧ではあっても表裏両面の金属平板の板厚とそれに応じた適切な中間層の厚さを選択することにより何れの場合も安定した力学的非線形挙動となっている。

図１０は、材料として非調質のアルミニウム合金５０８３−Ｏを選び解析したものであるが、降伏点応力度σｙ＝１４ｋＮ／ｃｍ²で降伏棚があり且つ歪硬化勾配が急なこともあって、弾性ヤング係数が鋼材の略１／３であっても図中Ｑｙで示した降伏点荷重を確保しその後も耐力は安定的に上昇しており、本補強構造によれば各種の金属材料に対して材料固有の性質を配慮することで対処可能であることが判る。

図１１は、２，７００ｍｍｘ９００ｍｍの間柱形補強金属平板を示したものであり、中間層の厚さ９ｍｍの発泡体４に板厚０．６ｍｍの表裏金属平板２が添接され、周辺枠３は平行する長辺方向が９０ｍｍｘ９ｍｍ，上下短辺方向が１８０ｍｍｘ９ｍｍの（ａ）図、さらに中間位置に１８０ｍｍｘ９ｍｍの帯板３を追加配置したものが（ｂ）図である。

図１２は前記二例についてせん断力Ｑとせん断変形角γで示した解析結果で、周辺部にのみ枠組みを配したものは発泡体をＥ＝５ｋＮ／ｃｍ²に上げることにより降伏後の耐力維持を図ったが、このような辺長比の大きな場合にはＥ＝３ｋＮ／ｃｍ²の発泡体に中間部を帯板により補強した方が安定した力学挙動を示し、加えて補強帯板を挿入したことにより●印で示す上下位置にのみ水平せん断力が加わる所謂曲げせん断加力の場合でも○印で示す周り四辺から純せん断力が加わる場合と同様の結果になっている。

図１３は、既存コンクリート建物の耐震補強壁を想定したもので、壁面の広さ２，４００ｍｍｘ３，６００ｍｍに対して、単位壁板１の複数個を壁全面に配置し組み立てるものであるが、単位壁板１は大きさ８００ｍｍｘ１，２００ｍｍで１．６ｍｍ厚の表裏金属平板，１００ｍｍｘ１２ｍｍの周辺部帯板，ヤング係数Ｅ＝３ｋＮ／ｃｍ²とする１２ｍｍ厚の発泡体とで構成される。

図１４の解析結果は、▲印で示す力学挙動となる単位壁板を組み合わせて全面を９枚で構成した場合が●印であり、中央部の一枚を建物開口部との関連で外して周辺部８枚の単位壁板で構成した場合が○印である。両結果ともに降伏以降安定して耐力が維持され、制振ないし耐震を目的とする構造壁として良好な結果が得られている。

図１５は、解析で取り上げた三種類の金属材料の機械的性質を示す引張り試験結果であり、軟鋼ＳＳ４００の降伏点応力度とステンレス鋼ＳＵＳ３０４の０．２％降伏耐力はほぼ同じσｙ＝２７ｋＮ／ｃｍ²で両材料のヤング係数はＥ＝２０５００ｋＮ／ｃｍ²、アルミニウム合金５０８３−Ｏの降伏点応力度はσｙ＝１４ｋＮ／ｃｍ²でヤング係数はＥ＝７２００ｋＮ／ｃｍ²としている。

主にせん断力を受ける金属平板に関する本発明の補強構造は、表裏二面に配した金属平板と中間層を平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体で構成して複層金属平板とするもので、それら中間層を構成する材料は一般的に多用されていてその調達も容易であり、又力学挙動を支配する表裏金属平板は敢えて特殊な金属材料であったり特別な加工を施した金属平板とする必要はない。

本発明の補強構造によれば、薄い金属平板に対してもせん断座屈荷重を高くしてせん断降伏耐力を確保することができ、降伏以降に成長する座屈変形に対してもせん断耐力が下ることなく安定的に推移することが可能となり、制振ないし耐震の構造壁はもとよりそれ以外に柱，梁，筋違等のせん断力を受けるの様々な構造部位に対応できて、本発明の複層金属平板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な構成の詳細を示す説明図である。（実施例１） 本補強構造のせん断加力の解析図と周辺枠組みの説明図である。 発泡体に対する本補強構造の解析結果の説明図である。 ゴム体に対する本補強構造の解析結果の説明図である。 本発明の補強構造壁板についての解析対象図である。（実施例２） 周辺枠組み構造を検証するための解析結果の説明図である。 表裏金属平板の座屈補剛効果を見るための解析結果の説明図である。 本発明の補強構造による壁板の解析対象図である（実施例３） ステンレス鋼に関する本補強壁板の解析結果の説明図である。 アルミニウム合金に関する本補強壁板の解析結果の説明図である。 間柱型本補強構造の解析対象図である。（実施例４） 間柱型本補強構造の解析結果の説明図である。 耐震補強壁に関する本補強構造の解析対象図である。（実施例５） 耐震補強壁に関する本補強構造の解析結果の説明図である。 本明細書中の数値解析で扱った金属素材の応力−歪み関係図である。

符号の説明

１ せん断力を受ける複層金属平板
２ 表裏両面を構成する金属平板
３ 帯板等で構成する周辺枠組み
４ 中間層を構成する発泡体等の平板要素

Claims (3)

1. 主にせん断力を受ける略矩形金属平板の補強構造で、周囲四辺に金属帯板が幅を与える面で構成する額縁状の枠組みを配置し且つその内部略全面に帯板と同厚に平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体を配し、それを中間層としてその表裏両面に金属平板を添接して一体となし、金属平板のせん断座屈荷重を上げるとともにせん断降伏後の塑性変形能力を高めるための補強構造。
2. 平行する二枚の金属平板の内部に平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体を挟んで一体とする複層金属平板に、その周囲四辺に金属帯板が幅を与える面で構成する額縁状の金属枠組みを表裏金属平板の一方ないしは両方に添接し、金属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るための補強構造。
3. 複層金属平板の中間層をなす発泡体の材料として弾性ヤング係数がＥ＝０．２ｋＮ／ｃｍ²からＥ＝２０ｋＮ／ｃｍ²である請求項１乃至請求項２の何れかに記載の金属平板の補強構造。

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