JP4854759B2 - 閉鎖型複層金属平板の構成方法 - Google Patents
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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面内せん断を受ける矩形金属平板として構造的優位な管状体平板とする組立て方法で、閉鎖型断面となる表裏金属平板と額縁状周辺枠材及び並列する複数本の補強材を組込み直交異方性構造体とし、力学的性能の確保を前提に簡単且つ信頼性の高い閉鎖型複層金属平板の構成方法を確立する。
せん断力を受ける略矩形金属平板は、せん断座屈荷重を確保できてもせん断降伏後の変形が進む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難しく、このためせん断力を受ける平板の幅厚比を小さくすることが必要があり、結果的には多くのスティフナ−を格子状に配して平板全域を細分化し補強することがこれまでの代表的な方法であった。
また、金属平板のせん断座屈荷重を降伏せん断荷重に対して高くする必要から、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材料を使うことで金属平板の板厚を上げ、早期の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，粘弾性材料を組み込んだ壁板，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。
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
鈴木敏郎著 「捩り剛性を主体とするせん断剛性と平板のせん断座屈」日本建築学会 ２００８年９月
解決しようとする課題は、面内せん断を受ける矩形金属平板に対して平板のせん断剛性即ち捩り剛性を高くすることはせん断降伏後の耐力の維持を図るために重要で、薄い金属平板を使用し閉鎖型断面である管状体平板とすることは極めて有効である。閉鎖型断面となる構造体を力学的性能を落とすことなく構成する効果的な方法を考え、且つ前記構成方法に応じての力学的な性能の確認を行うことである。
管状体平板の構造としては図１４(a)に示す金属平板1の周囲四辺に矩形断面部材2を添接し額縁状の枠組みとし且つ一方の枠材と並列に複数本の補強材3を配置する形を基本とするが、平板の捩り荷重MTを上げてせん断耐力を維持するために額縁状周辺枠材との構造的一体化が必要であり、閉鎖型断面となる複層平板厚さを二分し即ち予定する額縁状枠材の略1/2板厚となる矩形断面部材を平板周辺に沿い添接し、略同じ構造の前記補強平板２枚を周辺枠材と内側補強材を重ね合せて閉鎖型複層金属平板を組立てる。
面内せん断を受ける管状体平板の基本的釣合いは図１４(b)に示すが、せん断荷重を受けると前記平板の表裏両面1に働く主応力がせん断変形の進行とともに集約して板中央部に示す実線矢印方向の斜め圧縮力と引張力が支配的となり、最終的に張力場的トラス機構に移行する。従って、面内せん断を受ける平板として周辺部枠材2が前記トラス力を支えることが重要で、本構成手順によれば複層平板を組立てる前に表裏両面の金属平板それぞれと周辺枠材とを一体化することが可能となる。
面内せん断を受ける管状体平板は、内側補強材を並列配置し直交異方性体とすることでせん断降伏後の大変形領域に至るまで耐力が維持される。前記補強材の機能は、表裏金属平板を結んで互いに面外変形を拘束し且つ複層平板としての曲げ剛性を高めることであり、周辺枠材との接する部位での分離は好ましく複層に構成する時点で挿み込むことで構造的目的は達せられる、正負交番に繰り返されるせん断荷重に対し安定した履歴性状となり得る。
面内せん断を受ける閉鎖型断面となる管状体平板の構成方法の一つを図１に示したが、表裏金属平板1それぞれに必要とする周辺枠厚さの略1/2を板厚とする矩形断面部材2を平板片側面の周囲四辺に添接して額縁状枠組みとし、同じ２枚の補強平板を枠材を内向きに重ね合せる際に周辺枠内側に前記２枚の枠材厚さの和を板厚とする充実乃至管状矩形断面部材3を周辺枠の一方と並列に配し、重なり合う周辺枠材2及び内側補強材3を間として表裏金属平板を結び閉鎖型複層金属平板を組み立てる。
面内せん断を受ける閉鎖型断面となる管状体平板の他の構成方法を図７に示したが、表裏金属平板1に必要とする周辺枠材及び枠材の一方と並列する内側補強材の略1/2を板厚とする矩形断面部材を平板片側面に溶接乃至接着剤で添接して所定の力学性能を備えた同じ構成の補強平板とし、互いの周辺枠材及び補強材を向い合せに重ねた上で枠材及び補強材の複数箇所をボルト接合し構造的一体化を図って直交異方性構造体となる閉鎖型複層金属平板を組み立てる。
面内せん断を受ける任意長方形複層平板の構成方法を図１１に示したが、複層に構成される金属平板1の周囲四辺にその片側面から矩形断面部材を添接して額縁状枠材2を添接し、両平板の周辺枠材を外側にして平板を一定の間隔に保ち、前記部位の周辺枠位置及び並列する平板補強位置に充実乃至管状矩形断面部材又はＣ形乃至Ｈ形断面部材を配して周辺枠で補強された前記両平板を止め付けて直交異方性構造体となる閉鎖型複層金属平板を組み立てる。
図２は平板周辺部からせん断荷重が作用する900mmx900mmの正方形平板1で、金属平板１の周囲四辺にその片側面から矩形断面部材を添接して額縁状の枠組みを構成するもので、図中に示す複数本の点線はその部位で平板面外への変形を拘束している。(b)図の断面図は平板板厚3.2mmの４箇所５区部に対し6.0mmは３箇所４区分，1.6mmは５箇所６区分とし、各板厚に応じて額縁状枠材を75mmx16mm，75mmx12mm，75mmx9mmとし平板の降伏せん断降伏時点で未だ弾性を保つものとした。
図３はせん断荷重が加わる場合についての数値解析結果で、縦軸のτは降伏せん断力τy，横軸のγは降伏せん断変形角γyで無次元化して示した図である。３種類の板厚に対する解析結果として平板面外への変形拘束する場合を実線で又変形拘束しない場合を点線で示しているが、枠材を添接することで大変形領域までせん断耐力が維持されるため複層に構成する前段階で表裏金属平板周辺部に額縁状枠組みを設けることは有効である。
図４は900mmx900mmの正方形平板1について前記３種類の板厚に対応する変形拘束位置に矩形断面部材を配置して複層平板を構成したときの断面図で、それぞれの下部に枠材と補強材の断面寸法を示している。1/2厚さの枠材と平板とは溶接乃至接着剤で予め一体化した上で両者を重ね合わせるが、内側補強材と平板とは接着剤を添付して挟み込み補強する場合とボルト締め接合による補剛する場合であり、前者を無印，後者を※印としてそれぞれの塑性捩り荷重とこれから換算される板厚とを示している。
図５は平板面内にせん断荷重が加わる場合の数値解析結果で、本例題及び以下の例題は平板板厚に差のある結果を同じグラフに収めるため降伏せん断力τy，降伏せん断変形角γyで無次元化した。実線は表裏金属平板と内側補強材とを接着剤で一体化した補強型，点線は補強材と平板とをボルト接合した補剛型であるが、前者に比し後者は降伏後の耐力上昇に差があるものの両者共に大変形領域に至るまで安定した力学挙動となっている。
図６は本解析例についてせん断変形の進行に伴う平板面外への曲げ変形の成長を示したもので、実線と点線のグラフは図５の解析例とそれぞれ対応するものである。平板と補強材との拘束程度に差があり実線に比し点線の結果は若干大きいが、いずれの結果も降伏後のせん断変形の進行に対して平板の面外変形の成長は低く抑えられており、正負交番に繰返される荷重下で紡錘形となる履歴性状を確保できるものと考えられる。
図７は900mmx900mmの正方形平板１に対して予め周辺枠2と内側補強材3の必要とする厚さの略1/2を板厚とする矩形断面部材を添接して補強し、同じ２枚の補強平板を枠材と補強材とを内向きに重ねて直交異方性構造体となる閉鎖型複層金属平板を組み立てる。この構成方法によれば表裏金属平板それぞれに対して必要とされる力学的性能の過半は予め確保されるため、これを重ねて複層に構成する際の接合は周辺枠以外の平板内側部位では限られた複数箇所で許容される。
図８は実施例２と同じ平板に対し平板内側の補強材を周辺部枠材と同じく厚さの1/2を板厚とする矩形断面部材として重ね合わせたもので、図中実線は周辺枠材を止める以外は平板中央部近傍の複数箇所をボルト止めするだけで前例と同様安定した力学的挙動となっている。また点線で示す３本は単一補強平板の解析結果であり、板厚により差はあるものの降伏後のせん断耐力は低下することなく維持されている。
図９は複層金属平板を組合わせて任意の部材せい乃至部材幅に対応する間柱型管状体平板の構成方法で、(a)図は完成予定の材長の略1/2の複層金属平板単体で周辺枠材2を平板両面に添接した補強平板２枚を内部補強材3を挟み複層に構成し、(b)図は前記単体２個を上下に配置して間柱を構成する際の下地となる周辺乃至中間部枠材２で周辺部枠部位を重ねて上下一体の構造とする。図中下地となる縦方向枠材２の左側に点線で示した位置まで幅を広げて横方向へも単位平板を配置すれば壁型複層金属平板となる。
図１０は900mm幅の任意矩形形状の複層金属平板を上下に２枚配置して間柱を構成した場合の解析結果で、間柱せいを1,800mm，2,250mm，2,700mm即ち単位平板のせいは前記半分とし、それぞれ中間部横補強材断面が50mmx28mmを４本，50mmx32mmを５本，50mmx36mmを６本配置して構成している。実線で示す結果は内側補強材を短辺方向に配置し且つ縦方向枠材の中央で変形拘束したことで安定した力学挙動となっているが、点線で示す結果は平板内側補強材４本を縦方向に配置した場合で材長により力学的挙動に差異がある。
図１１は2,700mmx1,200mmの長方形複層平板で、表裏金属平板は降伏点応力度σy=21kN/cm2の低降伏点鋼(LY225)であり、周辺乃至中央部枠材及び内側補強材の角管はSM490の降伏点応力度σy=36kN/cm2とした。(a)図は周辺及び中央枠材２を略1/2の厚さに分割して表裏平板１に添接し中間部に角管３を並列に３本配して枠材同士を重ねた場合、(b)図は周辺及び中央枠材２を添接した面を外側に周辺及び中間部位に並列に５本配して構成したものである。
図１２は複層に構成される平板の補強材配置の断面図で、枠材を内側とする(a)図の場合は帯板100mmx25mm２枚を重ねて構成し且つ内部補強材は角管100mmx50mmx3.2mmとし、(b)図の場合は枠材として帯板100mmx16mmを平板外側に添接し平板内側に角管100mmx50mmx3.2mmを配置している。表裏平板板厚の構成は9mm＋9mm,9mm＋6mm,6mm＋6mmとして前記両補強構造の管状体平板の塑性捩り荷重を載せているが、枠材が外配置の方が内配置に比べて大きくなって換算板厚も差異が認められる。
図１３は３種類の板厚の組合せに対する周辺枠材の内側配置と外側配置に対する解析結果で、実線は前者，点線は後者でいずれも表裏板厚の差による力学挙動への影響は殆どない。図の下部に載せた実線と点線の各３本はせん断変形進行に伴う平板面外への曲げ変形の成長をその最大値で示したものであるが、両者間での若干の違いはあっても大変形領域に至るも極めて小さく、間柱型せん断パネルとして正負交番に繰り返されるせん断荷重に対し安定した履歴性状となり得るものと考えられる。
解析で取り上げた実施例１〜４の金属材料は軟鋼SS400で降伏点応力度はσy=30kN/cm2，ヤング係数はＥ=20,500kN/cm2であり、設計例５についてのみ低降伏点鋼の平板に対し高降伏点鋼の補強材とする構成とした。本補強構造は一般的な普通鋼材を利用し単純な構成となることを意図したものであるが特に材質に拘るものではなく、軽金属材料に対しても本補強構造は有効であり本明細書中の鋼材に対して特にヤング係数の違いによる補強材配置として略60％幅に読み替えればよい。
本発明は面内せん断を受ける管状体金属平板に対し構造的機能を確保を優先して閉鎖型断面を構成する方法を提案したもので、組立て前に構造的に重要な金属平板と額縁状枠組みとを溶接等により一体化し、その上で内部補強材を挟んで層状に構成するもので、組立て方法が比較的簡単であり且つ力学的性能の確保が確実であることから、せん断耐震パネルはもとより一般的な壁板等にも幅広い対応が可能となろう。
面内せん断を受ける管状体金属平板は力学的性能として優れたものであり、閉鎖型断面の金属平板に対し簡単且つ確実な構成で信頼性が高く且つ低コスト化の可能性も高い。補強平板全体として比較的薄く軽量となるため製作，保管，運搬等に利便性が高く、又間柱型せん断パネルや壁型せん断パネルとして使う場合、建物毎に構成される下地骨組みに補強金属平板を取付ければよくて建物工事に於ける作業性は良好で工事後の確認検査も容易になると考えられる。
１ せん断力を受ける平板
２ 平板の周辺枠組み部材
３ 並列配置の内側補強材
４ 接合用のネジ止め穴
２ 平板の周辺枠組み部材
３ 並列配置の内側補強材
４ 接合用のネジ止め穴
Claims (3)
- 補強材の表裏両面に金属平板を添接してなる、面内せん断を受ける複層金属平板の組立方法であって、表側金属平板及び裏側金属平板の片側面の周囲四辺に複層金属平板のせん断力に対応する所定の枠材厚さの略１/２を板厚とする矩形断面部材を枠材として溶接で一体化して額縁状枠組とし、表側金属平板及び裏側金属平板の枠材を向い合せに重ねる際に前記補強材として充実乃至管状矩形断面部材を枠材の一方と並列に挿入し、表裏金属平板を、重なり合う周辺枠材及び補強材を間としてボルト接合して組み立てる、面内せん断を受ける複層金属平板の組立方法。
- 補強材の表裏両面に金属平板を添接してなる、面内せん断を受ける複層金属平板の組立方法であって、表側金属平板及び裏側金属平板の片側面の周囲四辺に複層金属平板のせん断力に対応する所定の枠材厚さの略１/２を板厚とする矩形断面部材を枠材として溶接で一体化して額縁状枠組とすると共に枠組の内側に枠材の一方と並列に枠材と同じ板厚の矩形断面部材を補強材として溶接で一体化して同じ二枚の補強平板とし、前記表側金属平板及び裏側金属平板の金属平板面を外側とし枠材及び補強材とを互いに向い合せに重ねてボルト接合して組み立てる、面内せん断を受ける複層金属平板の組立方法。
- 補強材の表裏両面に金属平板を添接してなる、面内せん断を受ける複層金属平板の組立方法であって、表側金属平板及び裏側金属平板の片側面の周囲四辺に複層金属平板のせん断力に対応する所定の枠材厚さの略１/２を板厚とする矩形断面部材を枠材として溶接で一体化して額縁状枠組とし、表側金属平板及び裏側金属平板の枠材を外側にして平板を重ねる際に前記金属平板の間に前記補強材として枠材の一方と並列に充実乃至管状矩形断面部材又はＣ形乃至Ｈ形断面部材を挿入し、表裏金属平板を、重ねてボルト接合して組み立てる、面内せん断を受ける複層金属平板の組立方法。
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