JP5110482B1

JP5110482B1 - 複層円形金属平板の円形環枠組構造

Info

Publication number: JP5110482B1
Application number: JP2012163223A
Authority: JP
Inventors: 敏郎鈴木
Original assignee: 株式会社構造材料研究会
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: JP2014020183A

Abstract

【課題】面内せん断を受ける円形環枠組複層円形金属平板とする構成方法を確立し、平板のせん断降伏荷重を確保し且つせん断降伏後の耐力維持を図り、設計上必要とされる塑性変形能力を付与する。
【解決手段】面内せん断を受け必要に応じ圧縮荷重が作用する金属平板の構造として、(ａ)図に示す円形環枠材の表裏両面に円形金属平板を添接して複層に構成し、複層円形金属平板の各面を純粋な引張面とすることで力学的安定を図る。(ｂ)図に示すように面内せん断が作用することは斜め45度方向に直交して実線矢印で示す引張力P₁と圧縮力P₂が作用することに相当するが、これらの力は円形環枠材の軸力と釣合い、加力初期段階から降伏以降も円形金属平板には安定した張力場が構成される。本発明の円形環枠組円形金属平板は平板面内を純粋な引張応力状態にする補強構造で平板座屈による耐力低下はなく、これまでの平板座屈に支配される力学環境を完全に変えるものである。
【選択図】図１

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金属平板の補強構造で、建築建物の壁面や屋根面構成パネル，間柱型や梁型せん断パネルの全て乃至一部を構成するものまでを対象としている。せん断パネルはせん断降伏荷重を確保することと降伏後の大変形領域に至るまで降伏せん断耐力を維持することであり、これを達成するために最適の形状を提案し且つ出来るだけ簡略な補強構造とする。

面内せん断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降伏後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、このため金属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。

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、せん断パネルを波板や折板とするもの，平板面に補剛材を重ねたもの等、様々な制振・耐震のための補強構造が提案がされている。

特開平１０−２４６０２６公開特許公報特開平１１−３０３３１０公開特許公報特開２００６−０３７５８６公開特許公報特開２００８−００８３６４公開特許公報特開２００９−１３８４８０公開特許公報特開２０１０−０９０６５０公開特許公報

鈴木敏郎「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月鈴木敏郎，他１名「面内せん断を受ける金属平板の四隅補強構造」日本建築学会２０１０年８月

解決しようとする課題は、面内せん断を受ける金属平板乃至面内せん断に加え圧縮荷重を支える金属平板について、平板のせん断降伏荷重を確保することはせん断降伏後の大変形領域に至るまで耐力を落すことなく設計上必要とされる塑性変形能力を付与することであり、これに対し最適の形状を提案し且つ出来るだけ簡略な補強構造とし前記性能確保が確実となるよう意図している。

金属平板がせん断力を受けると、初期の純せん断場から徐々に圧縮主応力が消え引張主応力が支配する張力場へと移行する。この応力変化からは金属平板のせん断耐力低下は初期段階での圧縮主応力が関与していると考えられる。その後せん断変形に伴い引張主応力が支配する状態へ移行するため、圧縮主応力の金属平板への影響を遮断することで安定した力学的釣合いを確保できる。

面内せん断に伴う金属平板の圧縮主応力が平板の耐力低下に繋がらないことが重要であり、これへの適切な対処方法として円形環枠組構造を提案するものである。円形環枠材の表裏両面に円形金属平板を添接し、平板面内の圧縮主応力をアーチ効果により周辺枠材の軸力で受け止め、円形環で囲まれる平板領域で引張主応力が支配する張力場として安定した力学的釣合いを保つようにする。

図１１は円形金属平板の外周に円形環枠を設けた場合の面内応力の釣合いを示す模式図である。(ａ)図は円形環枠の上下左右からせん断力が作用する場合で、せん断変形の進行に伴い円形金属平板は斜め45度方向を軸とする楕円形に変形する。面内せん断に伴う点線矢印で示す圧縮主応力は円形環の部材軸力と釣合うため、加力の初期段階から降伏開始さらに塑性変形領域に至るまで実線矢印で示す引張主応力が支配する張力場となる。

(ｂ)図は円形環枠の上下部位から圧縮力が加わる場合で、圧縮力は円形環枠の部材軸力と釣合い平板面は左右横方向に張力場を構成し、円形金属平板は圧縮力の作用方向とは直交して引張られて変形する。(ａ)図と(ｂ)図とは加わる荷重は異なるものの円形金属平板の面内応力と変形の釣合いからは同じ状態と考えられ、引張主応力方向の違いにより円形金属平板が円形から楕円形に変形する方向が異なるだけである。

図１２は直径1,200mm，板厚3.2mmの円形金属平板に帯板150mmx25mmの円形環枠とするもので、周辺部から加わる荷重をせん断，圧縮，これら任意の組合せとした。せん断力が作用する場合が下側実線，圧縮力が加わる場合が上側破線で、円の直径で算出されるせん断降伏荷重Qy=670kNとなる。更に点線で示す結果はせん断力1.0に対し圧縮力の比率が1.0，0.6，0.3の結果であるが、両者のベクトル和とする合力で換算すれば耐力は略同じせん断降伏荷重となる。

図１３は円形環枠の力学的特性を示した模式図であり、面内せん断を受けることは(ａ)図のように捩りを受けることに相当する。周辺枠が円形環であることは(ｂ)図のように枠材が捩り剛性の低い矩形断面であっても円弧形状の特異性から回転変形が拘束され、その結果捩り剛性が極めて高くなることに相当し、円形金属平板がせん断降伏して以後も枠材は暫く弾性状態にあり降伏後の耐力維持に繋がる。

円形環枠組とする複層円形金属平板の構成と力学的釣合の説明図である。面内せん断を受ける複層円形金属平板に関する解析結果の説明図である。円形環枠と同心円の円形環補強材を挿入して二重輪とする構成図である。同心円となる円形環補強材の適正配置に関する解析結果の説明図である。二分して円形環枠組内側に十字リブ補強して重ね合わせた構成図である。円中心を通る十字リブ配置と補強効果に関する解析結果の説明図である。円形金属平板２面の間に薄い円形環を挿入し重ね合わせた構成図である。二重金属平板内に円形環を挿み緊張状態とする解析結果の説明図である。単位円形環枠組円形金属平板を二行二列四面とする壁板の構成図である。圧縮荷重下で面内せん断を受ける複合壁板の解析結果の説明図である。円形環枠組円形金属平板に対する変形の推移を説明する模式図である。任意面内力が作用する円形金属平板に関する解析結果の説明図である。円形環枠組への捩り力作用図と枠組の捩り抵抗に関する説明図である。

図１は面内せん断を受ける円形金属平板１を円形環枠材２の表裏面にを添接し、複層円形金属平板とする本補強構造の代表例である。(ａ)図で示す上下左右の加力部位６からせん断荷重が加わることは(ｂ)図に実線矢印で示す引張力P₁と圧縮力P₂が作用することに相当するが、これらの力は円形環枠材の軸力と釣合い、加力初期段階から降伏以降も円形金属平板は点線矢印の引張主応力＋σが支配する安定した張力場となる。

図３は、表側金属平板及び裏側金属平板の周囲片側面に複層円形金属平板１のせん断力に対応する所定の枠材断面積の略1/2の帯状矩形断面部材２を添接し、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枠材のせいの和となる同心円の円形環補強材３を挿入して表裏金属平板を固着し、重なり合う円形環枠材を接合し複層円形金属平板を構成する。

図５は、表側金属平板及び裏側金属平板の周囲片側面に複層円形金属平板１のせん断力に対応する所定の枠材断面積の略1/2の帯状矩形断面部材２を添接すると共に枠組の内側に前記枠材と同じせいの帯板をせん断力作用方向と平行に且つ円中心を通る十字状に補強材４を添接し同じ二組の補強金属平板とし、平板面を外側にして重ねて円形環枠材を接合し複層円形金属平板として構成する。

図７は、表側金属平板及び裏側金属平板の周囲片側面に複層円形金属平板１のせん断力に対応する所定の枠材断面積の略1/2の帯状矩形断面部材を添接し円形環枠組２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重ねる際に前記金属平板の間に同心円となる薄い円形平板乃至薄い円形環部材５を挿入して表裏金属平板を緊張状態とし、重なり合う円形環枠材を接合し複層円形金属平板を構成する。

図１は円形環枠材２の表裏両面に円形金属平板１を添接し複層円形金属平板とするもので、円形環枠組の直径はD=1,200mm，枠材は帯板 hmmx3.2mmとし表裏金属平板の板厚に応じ枠材せいを変えている。以下一連の実施例について扱う金属材料は、降伏点応力度σ_y=30kN/cm²，ヤング係数=20,500kN/cm²の鋼材としたが、ここで提案する補強構造は上記条件の範囲に留まるものではない。

図２の解析結果では表裏両面の円形金属平板の板厚を1.6mm，2.3mm，3.2mm，4.5mmとし、各板厚のせん断荷重Qを降伏荷重Qyで無次元化し縦軸とし且つせん断変形角を横軸に４本の実線で示したが、各板厚とも降伏後も耐力維持され塑性変形能力は大きい。各実線に対し横軸を10倍にして４本の点線で示したが、弾性状態から加力初期段階から降伏開始時点までの荷重変形関係から直線的弾性勾配は維持されている。

図３は直径1,800mmで板厚1.6mmの表側金属平板及び裏側金属平板１の周囲片側面に複層円形金属平板のせん断力に対応し帯板100mmx25mmの枠材２を添接し、円形金属平板を外側にして枠材を重ねる際に枠材のせいの和となる帯板200mmx6mmを直径の異なる同心円の円形環補強材３を挿入して表裏金属平板を固着し、重なり合う円形環枠材を接合して厚さ200mmの複層円形金属平板を構成する。

図４は、外側円形環の直径1,800mmに対し内側円形環の直径を1,500mm，1,350mm，1,200mm，1,050mmとする解析結果を実線で示している。これらは略同じ挙動となるが、円形環部材が回転変形し難いため二重輪に挟まれた領域が安定した釣合にあることによる。板厚32mmの円形環枠材だけの結果を破線で示したが、円形環の部材板厚を二重輪に配分し円形金属平板を拘束することは平板の面外変形を抑える上でも有効である。

図５は実施例２と同じ直径1,800mmで板厚1.6mmの複層円形金属平板１で，帯板100mmx25mmの円形環枠材２とするが、表裏二面の円形環枠組構造を重ねる前に予め１/２の枠せいと同じ帯板４を円形環の中心を通り周辺加力部を結ぶ一方向乃至十字方向に添接して補強し、重ね合わせて複層とする際に前記内側補強材同士は分離した状態で周辺円形環枠材だけを接合し複層円形金属平板として構成する。

図６に３本の実線で示す結果では上から表裏二分してそれぞれに帯板100mmx6mmを十字状に添接する場合，帯板100mmx12mmを一方向に添接し上下を重ねる際に直交するよう配置する場合と同一方向に配置する場合とである。点線は前記内側補強材を連続一体として挿入した場合であるが、実線と重なり差異は殆ど見られない。なお破線は円形環枠材を板厚を上げた場合であるが、十字方向に補強材を配し枠組４ヶ所を結ぶことは効果的である。

図７は直径1,800mmで所定の枠材断面積の略１/２の帯板部材を添接し円形環枠材２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重ねる際に前記金属平板１の間に同心円となる薄い円形環部材５を挿入して表裏金属平板を重ね、周辺円形環枠材を接合することで表裏金属平板に若干の緊張状態を与えて加力初期段階での力学的安定を図る複層円形金属平板の構成方法である。

図８は表裏円形金属平板の各板厚を0.8mm，1.2mm，1.6mm，2.0mmとし、平板を重ねる際に角棒25mmx25mmによる直径1,500mmの円形環を挿入している。実線４本は縦軸はせん断力，横軸はせん断変形角であるが、点線４本は加力初期段階の力学的性状を示すもので横軸を10倍に表現しており目盛は1/10に対応する。円形環枠材は円弧形状により回転変形が拘束されて平板降伏後暫く弾性状態にあり塑性変形能力は十分確保される。

図９は直径1,200mmの単位円形環枠組金属平板を２行２列に並べ四面で壁版を構成するもので、それぞれ枠組２の内側に直径1,000mm，角棒25mmx25mmの円形環５を配し二重輪としている。壁版の上下左右の荷重作用部乃至円形環枠接合部を直線状とし、円形環枠材は帯板200mmx19mmを標準とするが作用する圧縮軸力に応じて枠材の断面を変えP=400kNで帯板200mmx25mm，P=600kNで帯板200mmx32mmとしている。

前図の正面右側に示す略円形環に対する解析結果は図１０の３本の実線で示しているが、縦軸として壁版全面のせん断力，横軸として壁版せい略2,400mmに対するせん断変形角である。複合壁版に面内せん断が作用する挙動を１本の実線で、圧縮力作用下での挙動を２本の実線で示しているが、枠材の断面を増すことである程度塑性変形能力は確保できるが、枠材断面で換算される降伏軸力の10％程度が目安となる。

前図の正面左側に示す直線状の加力部位を含めて正十二角形環とし、内側には前例と同じ角棒による円形環としての結果を図１０の３本の点線で示している。前記円形環枠組との比較では、直線部材で構成されるため枠材が多少力を負担するため降伏耐力が若干上回るが、十二角形以上の多角形は円形環と殆ど同じ力学的挙動となり塑性変形能力も同程度確保できる。

本明細書で扱った金属材料は、降伏点応力度σ_y=30kN/cm²，ヤング係数=20,500kN/cm²の鋼材としている。本補強構造は一般的に多用される普通鋼材を利用し得ること示したが、材種や材質に拘るものではなく高降伏点鋼乃至低降伏点鋼であってもよく、剛性の低い軽金属材料に対しても本補強構造は有効である。

本発明の円形環枠組円形金属平板は平板面内を純粋な引張応力状態にする補強構造で座屈による耐力低下はなく、これまでの平板座屈に支配される力学環境を完全に変えるものである。円形環枠材に円形金属平板を添接する単純な構造であり、従前の格子状補強構造で平板座屈の発生とそれに応じる幅厚比の制限等設計上の煩雑さはなくなり簡単に製作でき、制振乃至耐震を目的とするせん断パネルとして有用である。

面内せん断を受ける極めて薄い金属平板に対しても、円形環枠材で囲まれた円形金属平板とすることで理想的な斜張力場が構成でき、せん断降伏荷重に至るまで直線状の弾性勾配となり更に降伏後もせん断大変形領域までせん断耐力が低下することなく安定的に維持される。この簡潔な構造は薄板の金属平板や更に金属箔への可能性もあり、様々な構造体を構成する要素となり得ると考えられる。

本発明の円形金属平板円形環枠組構造は平板面内応力に対し常に張力場が構成できるため複数の円形環補強構造を組合せることで多様な構造体が可能となる。本明細書に示す面内せん断を受ける壁構造の他、面内圧縮に対しても平板を引張面とし得ることから屋根面を構成する構造要素としても有用で、加えて円形環枠組による面外曲げ剛性も有効に寄与するものと考えられる。

１面内せん断を受ける円形金属平板
２円形金属平板を囲む円形環枠材
３円形環枠組内側の円形環補強材
４円形環枠組内側の十字状補強材
５薄い円形環乃至薄い円形平板
６円形環枠組外周部の加力用冶具

Claims

円形環枠材の表裏両面に円形金属平板を添接してなる、主に面内せん断を受ける複層円形金属平板の構成方法であって、表側金属平板及び裏側金属平板の周囲片側面に複層円形金属平板のせん断力に対応する所定の枠材断面積の略１/２の帯状矩形断面部材を添接し、表側金属平板及び裏側金属平板の枠材を重ねる際に前記枠材せいの和となる円形環補強材乃至せん断力作用方向と平行に且つ円中心を通る十字補強材を挿入して表裏金属平板を固着し、重なり合う円形環枠材を接合して複層円形金属平板とする構成方法。
円形環枠材の表裏両面に円形金属平板を添接してなる、主に面内せん断を受ける複層円形金属平板の構成方法であって、表側金属平板及び裏側金属平板の周囲片側面に複層円形金属平板のせん断力に対応する所定の枠材断面積の略１/２の帯状矩形断面部材として添接すると共に枠組の内側に前記枠材と同じせいの同心円となる円形環補強材乃至せん断力作用方向と平行に且つ円中心を通る十字補強材を添接し同じ二組の補強金属平板とし、重なり合う円形環枠材を接合して複層円形金属平板とする構成方法。
円形環枠材の表裏両面に円形金属平板を添接してなる、主に面内せん断を受ける複層円形金属平板の構成方法であって、表側金属平板及び裏側金属平板の周囲片側面に複層円形金属平板のせん断力に対応する所定の枠材断面積の略１/２の帯状矩形断面部材を添接し円形環枠組とし、表側金属平板及び裏側金属平板の枠材を外側にして重ねる際に前記金属平板の間に同心円となる薄い円形環部材乃至薄い円形状平板を挿入して表裏金属平板に緊張を与え、重なり合う円形環枠材を接合して複層円形金属平板とする構成方法。