JP4618805B2 - 複層金属平板の補強構造 - Google Patents

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，筋違の交差部位等の全て乃至一部を構成する主にせん断力を受ける略矩形金属平板について、せん断座屈を回避してせん断降伏荷重を確保するとともに降伏後の大変形領域に於いてもせん断耐力が低下することなく安定的に維持し得るよう、せん断力を受ける略矩形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し且つ正負交番に繰り返される荷重に対し安定した履歴性状とすることは極めて難しく、その目的を達成するためにはせん断座屈荷重を上げる必要からせん断力を受ける平板要素の幅厚比は相当小さくしなければならず、結果的には板厚を厚く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を回避し降伏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で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版剛度を高め、せん断座屈を回避し降伏後の塑性変形能力を高める方法がある。この他、せん断力を受ける金属平板の耐力維持を図るため、多数の透孔を設けた鋼板を基板とする壁板，粘弾性材料を層状に組み込んだ壁板，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２００１−１４６８５４ 公開特許公報 特開２００２−０６７２１７ 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、せん断力を受ける略矩形金属平板に対して過度に板厚を上げることなく又せん断座屈を回避するため多くの補剛用スティフナ−を金属平板外側に格子状に配することなく、金属平板のせん断座屈荷重を高くし且つ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に枠と同厚で任意幅の矩形断面部材を配置し、表裏両面の金属平板を前記骨組み部材との接触部位で添接して複層金属平板を構成し、表裏金属平板の局所的並びに複層金属平板としての全体的せん断座屈荷重を上げ、周辺枠組みと内部補強材更に表裏金属平板で構成される複層金属平板の版剛度を高くしせん断降伏後の耐力維持を図り塑性変形能力を高めるものである。

本発明の補強金属平板を構成する中間層は表裏両面に添接される金属平板を小区分化して座屈拘束すると共に表裏金属板により複層構造となし版剛度を上げ、枠と同厚の補強部材を一方向にのみ並列に層状配置とするか乃至両方向に略矩形の格子状配置とするかを基本的な構成とし、複層金属平板の局所的乃至全体的せん断座屈を回避して主にせん断力を受ける略矩形金属平板のせん断降伏以降の大変形に対し安定的な耐力維持を図る。

本発明の補強金属平板は、せん断座屈荷重と降伏後のせん断耐力の維持に平板全体の捩り剛性が大きく関与することから、複層金属平板の版剛度を構成する主にサンブナン捩り剛性を高くすることに力点を置き、平板から突出する座屈補剛材を極力回避して平板全体の厚さを可能な限り薄くなるようにしている。又、必要に応じて周辺枠組みと補強材との空隙部に平板状の強度，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，各種発泡体を配し、表裏面に添接される金属平板の座屈変形の成長を緩慢にして薄い金属平板の使用を可能にしている。

せん断力を受ける本発明の複層金属平板として図１に代表的な形態二例を示しているが、（ａ）図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３を設け且つその内部に枠と同厚の補強材４を周辺枠組みの一方と平行に一本乃至複数本を層状に配し中間層を構成するもの、（ｂ）図に周辺枠組みの両方向と平行に一本乃至複数本を格子状に配し中間層を構成するものとがあり、加えて前記中間層の表裏両面に金属平板２を添接して一体としている。

本発明の補強構造を構成する中間層として図２の（ａ）図にもう一つの形態を示しているが、周囲四辺に金属帯板が幅を与える面で配される額縁状の金属枠組み３を設け且つその内部に枠と同厚の補強材４を周辺枠組みの一方と平行に配置し、更に両者の空隙部に木質体，ゴム体，各種発泡体等６を埋めてその表裏両面に薄い金属平板を添接して一体としている。なお、（ｂ）図はせん断座屈１次固有モードを示す表裏金属平板の面外変形を等高線で描いたものであるが、補強材の構成が一方向に並列配置されても座屈波形は細かくなって格子状配置との差異は少ない。

図１は、力学的性能を確認するための例題で、周辺枠組み３は厚さ１６ｍｍ，幅６０ｍｍの帯板を額縁状に配して９００ｍｍｘ９００ｍｍの正方形とし、（ａ）図は枠組み内部に枠と同厚で幅４５ｍｍの補強材４を等間隔に並列に配したもの又（ｂ）図は幅３０ｍｍの部材４を等間隔に格子状に配したもので、この表裏両面に厚さ１．２ｍｍの金属平板２を添接して厚さ１８．４ｍｍの複層金属平板１としたものである。本例及び以下３例の金属材料は降伏点応力度σｙ＝２７ｋＮ／ｃｍ²のＳＳ４００の鋼材とし、数値解析は周辺単純支持条件下，図はせん断力Ｑとせん断変形角γ関係，Ｑｙは降伏せん断力である。

図２は、前記実施例の数値解析結果で、補強材配置を異にする二例は内部補強材の断面積量を略同一として力学的性状の特徴及び差異を検証している。図中●印の曲線は（ａ）図の補強材が層状配置の結果で、表裏面の金属平板が降伏した時点で塑性変形して降伏荷重を安定的に持続するが、下部に点線は３０ｍｍ枠幅で９００ｍｍｘ１６ｍｍの突出フランジが囲む結果でありそれによる耐力維持の効果はない。又、○印の曲線は（ｂ）図で縦方向の補強材を通すものの横方向の補強材は平行する縦材の間に分断した場合の結果であるが、補強材が格子状に配される場合に交叉部を結合すると点線で示すように降伏直後に耐力上昇し且つ耐力低下を早めることになる。

図３は、同一例題についてせん断降伏後の座屈変形の成長を平板中央部近傍の最大変形量で示した図であり、（ａ）図の補強材を層状に配した場合も（ｂ）図の格子状に配した場合も初期から面外への変形は進行しているが、複層平板の総板厚と対比してそれを下回る変形量であり正負交番の繰返しに対し安定した履歴特性となると考えられる。点線で示した曲線は中間層間隙部にヤング係数Ｅ＝２ｋＮ／ｃｍ²の充填材を配したものであるが、両者とも更に小さく変形を抑えら充填材挿入により良好な繰返し履歴特性が見込まれる。

図４は、（ａ）図に示すように中間層を構成する周辺枠組み３と補強材４との空隙部に平板状の木質体，ゴム体，各種発泡体等６を配し表裏金属平板２を添接することで表裏面の薄い金属平板相互で座屈補剛し合い座屈変形の急激な成長を抑えようとするものである。周辺枠組みは厚さ１６ｍｍ，幅６０ｍｍの帯板を額縁状に配置し更に内部補強材４は枠と同厚で幅３０ｍｍの矩形断面材３本を略等間隔に並べたものであり、補強材と内部充填材の協働効果も期待している。（ｂ）図にはせん断座屈モードを示しているが、補強材を層状に配しても座屈波形は小さく直交する横材がある場合に近いものとなっている。

図５は、上記実施例について中間層の空隙部を埋める充填材の剛性を変化させた数値解析結果であり、ヤング係数Ｅ＝０．５ｋＮ／ｃｍ²〜２ｋＮ／ｃｍ²はゴム体，各種発泡体、Ｅ＝２ｋＮ／ｃｍ²〜１０ｋＮ／ｃｍ²は紙質体，木質体、Ｅ＝１０ｋＮ／ｃｍ²〜１００ｋＮ／ｃｍ²は金属体をそれぞれ想定している。各解析結果は降伏後耐力低下することなく安定した非線形挙動となっているが、充填材の剛性が高すぎると降伏以降の耐力上昇は急になるため表裏の金属平板の材料性質との関係で適切な選択をすべきであり、充填材の剛性が低くなると降伏点荷重を下回るため補強材骨組みを細かく配置する等連動して考える必要がある。

図６は、複層金属平板の周辺部枠組みの内部補強材を断面積量を少なく且つ細かく配置した実施例で、（ａ）図は薄い帯板４を一方向に並列配置したもので薄板間に発泡体等を挿入し安定化した例であり、（ｂ）図は金属箔４を網目状に配した場合で金属ロールコア，金属ハニカムコア等を想定している。周辺部枠組み３については平板面内の曲げ剛性を高くする必要があるため額縁状枠組みとしたが、複層金属平板の軽量化のために前記周辺枠を管状体矩形断面部材とすることは可能である。

図７は、上記実施例について数値解析による荷重変形関係で、図中実線で示した曲線は（ａ）図の周辺部枠組みが厚さ１６ｍｍ，幅６０ｍｍ且つ補強材幅３ｍｍの薄い帯板４の１２本を層状に配した場合であり、図中点線は０．１ｍｍ厚の金属箔で２０ｍｍ間隔の格子状に編まれた場合の結果である。●印はＳＳ４００軟鋼，○印は６０６３アルミ二ウム合金であるが、複層金属平板として表裏金属平板に対しては何れの選択もあり得るものと考えている。なお、周辺枠内部の補強金属材料の充填率は前者で５％，後者で１％であり、複層金属平板の軽量化を図るには最適な補強方法である。

図８は、１，８００ｍｍｘ９００ｍｍの間柱型せん断補強構造を示したものであり、表裏面は降伏点応力度σｙ＝７８ｋＮ／ｃｍ²とするＨＴ７８０高張力鋼の厚さ１．２ｍｍの平板２とし、短辺側１２０ｍｍ幅，長辺側６０ｍｍ幅で３２ｍｍ厚の周辺枠組み３及び枠の厚さを幅とする帯板で構成する補強材４はＳＳ４００の軟鋼としている。内部の補強材４の構成は薄い帯板を細かく並列配置し且つ各間に連続する三角形状の薄い帯板を挟んだもので、部材断面量を略同じとして厚さ４．５ｍｍで組み立てを細かくした場合を（ａ）図，厚さ６ｍｍで組み立てを粗くした場合を（ｂ）図に示しているが、原則として各補強材の接触部位では蜜に配置するものの強度伝達の接合は考えていない。

図９は、上記実施例についての数値解析結果で、●印及び○印の各曲線は（ａ）図及び（ｂ）図に対応し両者共に降伏以降耐力は安定的に維持されており、材料の降伏点応力度以降歪硬化勾配がほとんどない高張力鋼についてのこの結果は主に表裏金属板に加わるせん断力と斜め方向の補強材によるトラス力が付加して耐力上昇していると考えられる。図中点線で示す曲線は前記解析例と同一のものに対し補強材の各接触部位で緊結した場合で、降伏直後から耐力上昇し且つ大変形領域での耐力低下は早まることを示し、補強材各接触部位で緊結することは力学性状に好ましい結果とはならない。

図１０は、アルミニウム合金材料を使用する１，８００ｍｍｘ９００ｍｍの間柱型せん断補強構造で、１．２ｍｍ厚の表裏金属板と短辺側１２０ｍｍ幅，長辺側６０ｍｍ幅で２５ｍｍ厚の周辺枠組み３を降伏点応力度σｙ＝２１ｋＮ／ｃｍ²の調質材６０６３−Ｔ６とし，又その間に挟まれる板厚１．２ｍｍの波板５は０．２％降伏耐力σｙ＝３ｋＮ／ｃｍ²の非調質材３００３−Ｏとする複層金属平板１であり（ａ）図は三角形状の場合，（ｂ）図は凹凸状の場合である。何れの場合も周辺枠組み内部略全域に表裏金属板に接触する様に挿入し且つ接触部位では接着剤等で添接されるものとしている。

図１１は、上記実施例についての数値解析結果で、三角波板の（ａ）図の荷重変形関係を●印で示し、凹凸波板の（ｂ）図の荷重変形関係を○印で示している。図中２本の点線で示した曲線は三角波板について材料強度の高い６０６３−Ｔ６の結果で比較として載せたが、板厚を厚くすると壁板の降伏耐力が上がり又これを抑えるべく板厚を薄くすると耐力低下が早期に生じる等の問題がある。結局、内部に挿入する波板は表裏金属板の降伏点と比較して相対的に低い材料を選び且つ厚さを確保することが必要である。

図１２は、解析で取り上げた金属材料の機械的性質を示す引張試験結果であり、鋼材として軟鋼ＳＳ４００の降伏点応力度はσｙ＝２７ｋＮ／ｃｍ²，高張力鋼ＨＴ７８０の降伏点応力度はσｙ＝７８ｋＮ／ｃｍ²とし、両材料のヤング係数はＥ＝２０，５００ｋＮ／ｃｍ²として図中実線で示している。アルミニウム合金材として６０６３−Ｔ６は降伏点応力度σｙ＝２１ｋＮ／ｃｍ²，３００３−Ｏは０．２％降伏耐力σｙ＝３ｋＮ／ｃｍ²とし、両者のヤング係数はＥ＝７，２００ｋＮ／ｃｍ²として点線で示している。

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、周辺枠組みを配置し必要に応じて枠と同厚の一本乃至複数本の補強材を層状乃至格子状に配し表裏両面に薄い金属板を添接してなる複層金属平板であり、平板が受け持つせん断力は主に周辺部位から表裏金属板に直接伝達させることを基本とする。従って、周辺枠組み及び補強材と表裏金属平板との接合は座屈変形を拘束することが主な目的で、金属接着剤の使用を主とし且つそれと組み合わせてスポット溶接乃至ネジ止めを考え製作は容易であり、更に表裏金属板には一般的な軟鋼や高張力鋼，軽金属材料等を選択でき且つ任意板厚の平板を使用できるため本複層金属平板の製造コストは低いものとなる。

本発明の複層金属平板は周辺枠組みはある程度の部材幅が必要であるが、内部の補強材については細かく多数本配置することで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、更に中間層を構成する周辺枠組みと補強材との空隙部に平板状の紙質体，木質体，ゴム体，各種発泡体を挟み表裏金属平板の座屈変形を拘束することで降伏以降せん断耐力が下ることなく安定して維持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，梁等のせん断力を受けるの様々な構造部位にも対応でき、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。

本補強構造の周辺枠組みと内部補強部材の構成図である。（実施例１） 内部補強材が層状乃至格子状とする本構造の解析結果の説明図である。 実施例１に関する本補強構造について他の解析結果の説明図である。 層状配置の本補強構造の構成図と座屈固有モード図である。（実施例２） 複層金属平板の中間層内の充填材について解析結果の比較図である。 薄い補強部材を多重に配した複層金属平板の構成図である。（実施例３） 周辺枠組み及び内部補強材の相互効果に関する解析結果の説明図である。 間柱型複層金属平板とするせん断補強構造の構成図である。（実施例４） 表裏面に高張力鋼薄板を添接した本補強構造の解析結果の説明図である。 間柱型複層軽金属平板のせん断補強構造の構成図である。（実施例５） アルミニウム合金材により構成される本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 周辺枠組み内の各種補強部材
５ 周辺枠組み内の波板状補強部材
６ 発泡体等の平板状充填材

Claims (4)

1. 主にせん断力を受ける略矩形金属平板構造で、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枠組みを設け、その内部に枠と同厚の矩形断面部材を周辺枠組みと平行して一本乃至複数本を並列して層状に配し又は前記部材複数本を直交して格子状に配し中間層を構成し、更に前記中間層の表裏両面に金属平板を添接して複層金属平板とするもので、表裏金属平板を小区分化して座屈補剛し且つ表裏金属平板が受け持つ降伏せん断耐力を確保すると共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. 主にせん断力を受ける略矩形金属平板構造で、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枠組みを設け、その内部に枠の厚さを幅とする金属箔による任意形状の核で構成する網状の中間層を構成し、更に前記中間層の表裏両面に金属平板を添接して複層金属平板とするもので、表裏金属平板を細分化して座屈補剛し且つ表裏金属平板が受け持つ降伏せん断耐力を確保すると共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. 主にせん断力を受ける略矩形金属平板の補強構造で、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枠組みを設け、薄い金属板による各種形状の波板であって且つ波の山谷のせいが枠と同厚となるよう配して中間層を構成し、更に前記中間層の表裏両面に金属平板を添接して複層金属平板とするもので、表裏金属平板を金属波板との接する部位で層状に座屈補剛し且つ表裏金属平板が受け持つ降伏せん断耐力を確保すると共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。
4. 複層金属平板を構成する表裏金属平板に挟まれ且つ周囲四辺の金属帯板が幅を与える面で構成する額縁状の枠組みとその内部に配された補強材との間隙部の一部乃至全域に紙質体，木質体，ゴム体，各種発泡体を充填し、添接される表裏両面の金属平板の座屈変形を相互に拘束し合い座屈変形の成長を抑えてせん断降伏以降安定した力学性状となるようにした請求項１，請求項２，請求項３の何れかに記載の複層金属平板の補強構造。

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