JP5098034B2

JP5098034B2 - 矩形金属平板の面的補剛構造

Info

Publication number: JP5098034B2
Application number: JP2011104166A
Authority: JP
Inventors: 敏郎鈴木
Original assignee: 株式会社構造材料研究会
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-05-09
Also published as: JP2012233371A

Description

本発明は、面内せん断を受け必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板の補強構造で、金属系建物の壁面構成パネル，制振・耐震を目的とする間柱型，梁型パネルや構造壁の全て乃至一部を構成するものである。まず平板のせん断降伏荷重を確保し、加えて降伏後のせん断変形の推移にも降伏せん断耐力の安定的維持を図るものである。

せん断力を受ける金属平板は、せん断座屈荷重がせん断降伏荷重を上回るようにしてもせん断降伏後のせん断変形が進行する過程でせん断耐力を維持し且つ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となり、結果的には多くのスティフナ−を格子状に配し平板全域を細分化して補強することがこれまでの代表的な方法であった。

金属平板の降伏せん断荷重を確保し且つ降伏後のせん断耐力の維持を図るために、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て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、制振ないし耐震を目的としてせん断パネルを波板や折板とするもの，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。

特開平１０−２４６０２６公開特許公報特開平１１−３０３３１０公開特許公報特開２００５−０４２４２３公開特許公報特開２００６−０３７５８６公開特許公報特開２０１０−０９０６５０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、面内せん断を受け且つ必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板について、平板のせん断変形に伴ない生じる面外曲げ変形を抑え金属平板で決まるせん断降伏荷重を確保し、更に構造体を構成する周辺枠組の塑性捩り荷重を上げることで降伏後のせん断大変形領域に於いてもせん断耐力を安定的に維持し得るようにし、長方形金属平板の塑性変形能力の大幅な向上を図る。

面内せん断を受ける長方形金属平板の降伏せん断荷重を確保するため、せん断変形に伴う平板面外への曲げ変形を抑え平板面の局所的な塑性化を防ぐことが必要で、本発明では金属平板の過半を占める領域を表裏両面から補剛のための平板をあてがい且つ前記層状に重なる平板を貫通ネジで止める補剛構造である。

長方形金属平板のせん断降伏後の耐力維持には金属平板自体のせん断剛性を上げることの対処に加え、前記金属平板を構成する周辺枠組が大きく関与するために長手方向枠材の塑性捩り荷重を上げて、降伏後のせん断大変形領域に於いてもせん断耐力を安定的に維持し得るようにし塑性変形能力の大幅な向上を図る。

図１(ａ)は面内せん断を受ける金属平板１に対する補剛構造で、平板周辺部に枠材２，３で補強し且つ平板表裏両面から補剛平板４を添接しネジ穴５をルーズホールとして貫通ネジで止めている。又、(ｂ)図にはせん断変形が進行した後の補剛金属平板の様子を示す模式図であり、図中大きく〇印で囲んだ部位では所定のせん断変形範囲では周辺枠材と補剛平板とがぶつからないよう配慮する。

本補剛方法は初期の平板面外への曲げ変形の成長を抑えようとするもので、平板全域が降伏開始時点まで局所的塑性化の進行を防ぐことで平板のせん断降伏荷重を確保する。従前の手法ではせん断降伏荷重を確保するために平板の座屈荷重を少なくとも降伏荷重より上げることで対処しているが、本補剛方法によれば平板強さとは関係なくせん断降伏荷重に到達することが可能になる。

本補剛構造は面内せん断を受ける金属平板にネジ穴をルーズホールとして補剛平板を貫通ネジで止めるため、前記金属平板が塑性化しても補剛平板は暫くは弾性状態にあり、塑性化した後には相対的に極めて大きな曲げ剛性となり即ちそれだけ補剛平板を薄板化でき、地震を受け正負交番に繰返される荷重に対し安定した弾塑性力学挙動となる。

本発明が意図する金属平板の補剛構造はせん断降伏後の安定したせん断耐力の維持を主な目的としており、従って金属平板の塑性捩り荷重を大幅に上げることが必要であり、周辺枠材を帯板とし幅広面で金属平板に添接し、更に突出フランジのある帯板又は角管等閉鎖形断面部材とすることで、面内せん断を受ける長方形金属平板の塑性変形能力の改善ができる。

面内せん断を受ける補剛金属平板とせん断変形進行後を示す模式図である。金属平板に対する正方形乃至長方形補剛平板の配置図である。（実施例１）補剛平板の形状及び配置とその補剛効果に関する解析結果の説明図である。薄板，軽量の補剛平板が金属平板に添接された構成図である。（実施例２）周辺突出リブ付き補剛平板の補剛効果に関する解析結果の説明図である。波板乃至折板とする補剛平板の補剛効果に関する解析結果の説明図である。長手両側辺枠材がＴ形断面部材とする長方形金属平板である。（実施例３）面的補剛構造の補剛効果と塑性変形能力に関する解析結果の説明図である。複数枚並列配置する補剛平板の補剛効果に関する解析結果の説明図である。長手方向両側辺部に角管を添接する長方形金属平板である。（実施例４）角管補強に伴う補剛効果と破壊状況に関する解析結果の説明図である。アルミニウム合金材料の面的補剛平板に関する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。

面内せん断を受ける金属平板は加力後早い段階から平板面外への曲げ変形が生じ平板全域に亘り局所的塑性化が進み、このことがせん断降伏荷重を下回る要因と考えられる。ただ、前記面外曲げ変形は初期段階では平板面に波状に成長するため、前記平板を表裏両面から他の２枚の平板で挟むことで曲げ変形が抑えられせん断降伏荷重が確保はされる。

主に面内せん断を受け必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板として、平板の降伏せん断荷重が確保されてもせん断降伏後の耐力維持を図るには平板を囲む枠組構造は重要で、平板長手方向両側辺の枠材の曲げ及び捩り剛性を上げ且つ塑性捩り荷重の確保することで安定的耐力維持及び塑性変形能力向上が可能となる。

図２は板厚6.0mmで大きさ900mmx900mmの金属平板１の両面に帯板75mmx19mmの周辺枠材２，３を固着し、正方形補剛平板４を平板の過半の領域に重ねて添接し貫通ネジで止めるものである。長方形補剛平板４とする場合は図中点線で示すように一方の辺を枠材に近づけて添接する。前記両形状の補剛平板について枠材内側の平板領域に対して略62％〜50%とする範囲で補剛効果について比較検証する。

図３の実線は補剛平板を正方形とする解析結果であるが、上から下へ周辺枠内の広さ750mmx750mmに対する補剛平板の占有率で62%，58%，54%に対応している。補剛平板は周辺枠から或る程度離れた状態にあり、平板の面外曲げ変形を拘束する上で補剛平板をあまり小さくできず、※54%乃至それ以下ではせん断降伏荷重を若干下回る。

図３の点線は補剛平板を長方形とする解析結果であるが、補剛平板の平行する側辺を周辺枠に近づけることができるため平板面外への曲げ変形を抑える上で有効で、周辺枠内の補剛平板の占有率で54%，50%とする結果からみて補剛効果は顕著である。図中下側の破線は周辺枠材だけの挙動であり、平板周辺枠を幅広く構成する効果は大きい。

図４は板厚3.2mmで大きさ900mmx900mmの金属平板１の両面に周囲四辺に帯板75mmx12mmの枠材２，３をその幅広面で添接し、（ａ）図の補剛平板４は周辺部に突出リブのある場合であり、（ｂ）図の補剛平板４は凹凸のある波板とする場合である。補剛平板をネジ穴をルーズホールとして貫通ネジを止めることで降伏後暫く弾性状態にあり、弾性・塑性領域に亘り正負交番に繰返される力学挙動には有効である。

図５は図４（ａ）の板厚3.2mmで突出リブせいが25mmの補剛平板について大きさ540mmx720mmと450mmx720mmの解析結果である。２本の実線で示すように降伏せん断荷重は確保され、降伏後もせん断耐力が維持される。図４（ｂ）で示す角管□-75x25x3.2とする結果が２本の点線で、更に大変形領域に至るまで耐力維持される。図中下段の破線は周辺枠材が帯板及び角管で且つ補剛平板のない場合の結果である。

図６は補剛平板として大きさ630mmx690mm，山谷のせい25mmで厚さ0.8mm，0.5mmの波板で、枠材を角管部材□-75x25x1.6と□-75x25x2.3としている。実線と点線はそれぞれ補剛折板の板厚２種の結果であるが、せん断降伏荷重は確保され板厚に応じ降伏後の耐力上昇に若干の差があるものの、長手方向枠材を角管にすることで塑性変形能力は高くなる。周辺枠材だけの結果が図下段の破線であり、降伏荷重の70％耐力に到達しその後暫く耐力維持される。

図７は長方形金属平板１の補剛構造で、板厚6.0mmで大きさ2,700mmx900mmである。加力部及び長手方向中間部の短手方向に帯板150mmx22mmの補強材３で上下二分し、長手方向両側辺枠材をアングル2L-90x90x13としている。（ａ）図は幅450mm，長さ1,050mmで45mmの突出リブのある補剛平板を添接する場合、（ｂ）図は前記補剛平板を三分割し45mmの突出リブを設ける場合である。解析では、補剛平板はせん断パネルとアンボンド接触となるよう設定している。

せん断力は上下両端部から左右方向水平に加わるものとし、上下端部補強材位置で平板面外への変形を拘束し且つ面外回転変形も抑え、平板長手方向両枠材の変形は自由としている。又、平板長手方向に一定圧縮軸力が作用する場合についても前記条件で解析し検証している。なお、平板長手方向両側辺部の面外曲げ変形を拘束しないことは、歪みエネルギー総量から考えれば平板自体への負荷が少なくなりせん断パネルの安定性を図る上でマイナスとなる訳ではない。

図８は450mm幅一枚の補剛平板の結果で、実線は板厚が6.0mmと9.0mmで降伏後それぞれ塑性率略20，30の塑性変形能力が確保される。長手方向の枠材を構成するアングル部材は平板面外への曲げ剛性が高く且つ幅広面で平板に添接され、捩り剛性及び塑性捩り荷重をある程度確保されたことによる。２本の点線は一定軸圧縮力P=500kN（両枠材の降伏軸力の20％弱）が作用する場合で、前記軸力の無い場合に比較して塑性変形能力が若干劣るもののせん断降伏荷重の確保とせん断耐力は維持される。

図９は補剛平板を三分割し150mm幅とする場合であり、2本の実線は補剛平板の板厚が3.2mm，4.5mmの解析結果で、平板中央部に突出リブを設けることは降伏後の安定を図る上で効果は大きい。又、2本の点線は一定軸圧縮力P=500kNが作用する場合であるが、両側枠材の降伏軸力で20％弱であり塑性変形能力にそれほどの差はない。なお、補剛平板全体を一枚とせず分離して層状に添接することは、補剛平板の曲げ剛性を高めるだけでなくせん断パネルへの拘束を避ける上で望ましい。

図１０は長方形金属平板１の補剛構造で、板厚3.2mmで大きさ2,700mmx900mmである。両側辺枠材２の片側面に帯板90mmx19mmを且つ逆側面に角管部材□-90x90x3.2を添接し、帯板150mmx19mmの補強材３を上下加力部の平板両面と長手方向中央の片側面とに添接する。補剛平板として（ａ）図の表面には上下に二分し幅540mm，長さ1,050mmで厚さ3.2mmの平板とし、（ｂ）図の裏面には略全域に亘り大きさ幅540mm，長さ2,300mmで山谷のせい45mm，厚さ1.6mmの折板とする。

図１１（ａ）は長方形金属平板で長手方向両側辺の角管が□-90x90x2.3及び□-90x90x3.2の解析結果である。実線で示すようにせん断降伏以後角管板厚に応じ塑性率で略20及び30の塑性変形能力が確保される。2本の点線は一定軸圧縮力P=300kN（両枠材の降伏軸力の略20％）が作用する場合で、軸力の無い場合と遜色ない塑性変形能力は確保される。下段に示す２本の破線は周辺部枠材と中間補強材だけの挙動で降伏せん断荷重の60％耐力で暫く維持される。

図１１（ｂ）は枠が□-90x90x3.2について、せん断変形の進行に伴う平板面外への変形を示したものである。実線は長手方向枠材中央部の面外変形で、せん断変形が進行した後上下に乖離し捩り変形が起きていることが判る。点線は複数箇所の平板面外変形を示したもので、せん断変形初期段階から２本の実線の範囲内にあり、その後も側辺枠材の変形に支配されている。図１１（ａ）のせん断耐力低下から見て、長手方向両側の枠材を含む平板全体の捩り破壊であると考えられる。

図１２は前出実施例をアルミニウム合金材料に変えた解析結果で、実線で示すように塑性変形能力は塑性率で略10である。又、２本の点線は両側枠材の降伏軸力で略10％の一定軸圧縮力P=150kNが作用した場合であるが、両側辺枠の面外曲げ剛性が小さく塑性変形能力は実線に比しさらに低くなる。下段の2本の破線は周辺部枠材と長手中間部の補強材だけの挙動で、せん断耐力は降伏荷重の略60％であり捩りに強い角管の効果で暫くこの耐力が維持される。

前記解析例で設定したアルミニウム合金材料は、せん断パネルは降伏点応力度σ_y=21kN/cm²（6063-T6），それ以外の材料はσ_y=30kN/cm²（6061-T6）でヤング係数Ｅ=7,500kN/cm²である。図１３は本解析で扱った金属材料の応力・歪み曲線であるが、本補剛構造は剛性が低く伸びの少ない軽金属材料に対しても有効な方法であるだけでなく高降伏点鋼の薄板せん断パネルに対しても効果的補剛構造である。

本発明は面内せん断を受け必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板に対する補剛構造を提案するもので、平板の面外曲げ変形を抑えることでせん断降伏荷重を確保できる。平板のせん断座屈荷重を上げる従前の補強方法とは異なり、補剛平板とのアンボンド接触面を設ける配慮は必要であるものの、補剛平板を薄板・軽量に構成できて低コスト化が可能となる。

本発明の長方形金属平板はせん断降伏後のせん断変形の進行に伴う耐力維持は長手方向両側辺の枠材で対処するものとしており、枠材の捩り剛性，曲げ剛性を上げること塑性変形能力を高めることができ、塑性捩り荷重の大きな角管部材を利用する等簡単に対処でき製作上も簡便であり、金属平板の長手方向両側辺枠材の変形拘束をする必要もなく建築施工上の利点もある。

１面内せん断を受ける金属平板
２長手方向両側辺に沿う枠材
３長方形平板の短手方向加力部材
４せん断パネルに添接される補剛平板
５補剛平板を取付ける貫通ネジ穴

Claims

面内せん断を受ける長方形金属平板の補強構造として、平板周囲四辺の表裏両面に帯板を幅広面で添接して額縁状枠組とし、平行する短手方向枠材に近接し且つ長手方向枠材とは離し平板中央部過半の領域に前記金属平板の表裏両面にそれぞれ単一の補剛のための金属平板を重ねてルーズ穴を通しネジ止めし、前記金属平板の初期面外変形を低く抑えてせん断降伏荷重を確保し、塑性変形能力の向上を図る、制振乃至耐震補強構造。
面内せん断を受ける長方形金属平板の補強構造として、平板周囲四辺の表裏両面に帯板を幅広面で添接して額縁状枠組とし、平行する短手方向枠材に近接し且つ長手方向枠材とは離し平板中央部過半の領域に前記金属平板の表裏両面にそれぞれ単一の突出リブ付金属平板又は凹凸状や波形状となる金属平板を重ねてルーズ穴を通しネジ止めし、前記金属平板の初期面外変形を低く抑えてせん断降伏荷重を確保し、塑性変形能力の向上を図る、制振乃至耐震補強構造。