JP5176338B2 - Folded plate material for building structure - Google Patents
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本発明は、水平な上下フランジがウェブを介して形成されているいわゆるデッキプレートや折板屋根やサイディング等に代表される建築構造用折板材に関する。 The present invention relates to a folded plate material for a building structure represented by a so-called deck plate, folded plate roof, siding or the like in which horizontal upper and lower flanges are formed via a web.
一般にデッキプレートや折板屋根やサイディング等に用いられる折板は、水平な上フランジ及び下フランジと、この上フランジ及び下フランジの間に連なる傾斜部としてのウェブとから構成されている。 In general, a folded plate used for deck plates, folded plate roofs, sidings, and the like includes a horizontal upper flange and a lower flange, and a web as an inclined portion connected between the upper flange and the lower flange.
従来において、この折板におけるフランジとウェブが交差する角部の形状については、非特許文献1においてその内容が開示されている。この非特許文献1では、角部を折り曲げる際の板厚中心における曲率半径Rを板厚の1.5倍以上とする旨が記載されている。しかし、これは、加工された折板材の角部の品質を確保(塑性加工による割れの防止など)するために定められた規定であり、実際は、製品加工精度のバラつきを考慮して若干の余裕を持たせ、板厚の2.0倍程度の板厚中心における曲率半径がとられている。
Conventionally, Non-Patent
上述した非特許文献1に示される板厚中心における曲率半径Rを板厚の1.5倍以上とする旨の規定を踏まえた上で、実際では、板厚の2.0倍程度の板厚中心における曲率半径(外法では板厚の2.5倍の曲率半径)が採用されている。その理由として、折板を床や屋根に用いた場合には、コンクリート自重、積雪や積載物等による鉛直荷重、折板を屋根や壁に用いた場合に加わる風圧力等、折板表面に対して直交する荷重が負荷されることになり、これに抵抗するための面外曲げ剛性と耐力の確保を重視するためである。
In consideration of the above-mentioned provision that the radius of curvature R at the center of the thickness shown in
すなわち、従来の折板では、角部の曲率半径を小さく抑え、上下フランジの平面部の幅をできるだけ大きくとることにより、折板の面外曲げ変形に対抗するための剛性(抵抗)を支配する断面二次モーメントを確保している。 In other words, in the conventional folded plate, the radius of curvature of the corner portion is kept small, and the width of the flat portion of the upper and lower flanges is made as large as possible, thereby controlling the rigidity (resistance) for resisting out-of-plane bending deformation of the folded plate. The moment of inertia of the cross section is secured.
従来のデッキプレート等に代表される折板の形状の例を図13に示す。この折板7は、水平な上フランジ71と下フランジ72がウェブ73を介して形成され、上フランジ71とウェブ73との交差部74は、所定の曲率をもって折り曲げられている。また下フランジ72は、枠材75に対して固定部76において、ビス、溶接、ボルト等により固着されている。
An example of the shape of a folded plate represented by a conventional deck plate is shown in FIG. In the folded
この折板7の高さHは50mmであり、上下フランジ71、72の幅WFは100mmであり、板厚tは1.2mmであり、交差部74における曲率半径(板厚中心)Rは、板厚tの関数によって表され、R=2.0tである。ここで板厚tが1.2mmであることから、R=2.4mm(外法曲率半径:Ro=2.5t=3.0mm)である。また、フランジ71、72とウェブ73の角度θを60°とした場合に、図13(b)に示すように、交差部74における折曲げが開始する折曲開始点bsから、フランジ71、72表面とウェブ73表面との延長線上の交点beまでの長さRFは、1.7mmとなる。
The height H of the folded
また、フランジ71、72両端に位置する交点間の長さをフランジ71、72の幅WFとしたとき、RFとWFの比は、RF/WF=0.017であり、このフランジの幅WFに対して、RFをより小さな値に抑え、フランジ71、72の平面部の幅FFを大きくとっていることが分かる。
When the length between the intersections located at both ends of the
一方、建築物が地震力や風圧力を受けると、上述した鉛直荷重や面圧荷重に加え、床や屋根や壁の面内方向にはせん断力が作用する。これらのせん断力に抵抗するために、床や屋根や壁の面内方向にブレース等の付加的な構造部材を配置する設計手法もあるが、床や屋根や壁に配置される面材そのものをせん断力に抵抗させることで、ブレース等の付加的な構造部材を必要としない合理的な設計手法もある。後者の設計手法に則り、床や屋根や壁の構造材として折板を用いる場合には、折板の面内せん断剛性(抵抗)を確保することが重要となる。 On the other hand, when the building receives an earthquake force or wind pressure, a shearing force acts in the in-plane direction of the floor, roof, or wall in addition to the above-described vertical load or surface pressure load. In order to resist these shearing forces, there is a design method in which additional structural members such as braces are arranged in the in-plane direction of the floor, roof, or wall. There is also a rational design method that does not require an additional structural member such as a brace. In accordance with the latter design method, when a folded plate is used as a structural material for a floor, a roof, or a wall, it is important to ensure in-plane shear rigidity (resistance) of the folded plate.
しかしながら、従来技術の折板においては、折板の面外曲げ剛性の確保に主眼を置き、フランジ表面における折曲開始点から、上記フランジ表面と上記ウェブ表面との延長線上の交点までの長さRFをできるだけ小さく抑えた断面形状としているため、却って面内せん断剛性を確保することができないという問題がある。 However, in the conventional folded plate, the main point is to ensure the out-of-plane bending rigidity of the folded plate, and the length from the bending start point on the flange surface to the intersection point on the extension line between the flange surface and the web surface. Since the cross-sectional shape is such that RF is minimized, there is a problem that in-plane shear rigidity cannot be ensured.
また、他の従来技術として、図14に示すように、鋼板を連続した曲率を有する波形に成形した波板8がある。この波板8の断面形状は、前述の折板7におけるフランジ71、72の平面部がなくなるまで曲率半径を大きくした断面形状とみなすことができる。しかし、この波板8には平面部が形成されていないため、板を枠材に固定する際に、山の頂点81、谷の頂点82しか枠材85に接触せず、十分な固定度が確保できない。また、固定度確保のため無理に波板8と枠材85とを接触させると波板8が変形してしまうおそれもある。更に、この波板8の変形を防止するため、波板8と枠材85の隙間を特殊な金物で埋める等の手法も考えられるが、部品数や施工手間が増大し、コストの増加につながるという問題点がある。
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、枠材へ十分な固定が行えるとともに、高い面内せん断剛性を確保することができる断面形状を有する建築構造用折板材を提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and the object of the present invention is a cross-sectional shape that can be sufficiently fixed to a frame material and can ensure high in-plane shear rigidity. It is providing the folded-plate material for building structures which has this.
本発明者は、上述した課題を解決するために、略水平の平面部を有する上フランジ及び下フランジがウェブを介して形成されている建築構造用折板材において、上記フランジと上記ウェブとの交差部を、所定の曲率をもって折り曲げ、上記フランジ表面における折曲開始点から、上記フランジ表面と上記ウェブ表面との延長線上の交点までの長さRFを、フランジ両端に位置する交点間の長さWFとの関係において調整した建築構造用折板材を発明した。 In order to solve the above-mentioned problem, the present inventor is a folded plate material for a building structure in which an upper flange and a lower flange having a substantially horizontal plane portion are formed through a web, and the intersection of the flange and the web. The portion RF is bent with a predetermined curvature, and the length RF from the bending start point on the flange surface to the intersection point on the extension line between the flange surface and the web surface is the length WF between the intersection points located at both ends of the flange. Invented the folded plate material for building structures adjusted in relation to
即ち、本願請求項1に係る発明は、略水平の平面部を有する上フランジ及び下フランジがウェブを介して形成されている建築構造用折板材において、上記フランジと上記ウェブとの交差部は、所定の曲率をもって折り曲げられてなり、上記フランジ表面における折曲開始点から、上記フランジ表面と上記ウェブ表面との延長線上の交点までの長さRFは、上記フランジ両端に位置する上記交点間の長さWFの20%以上30%以下であるとともに、上記交点間の長さWFは、上記上フランジの平面部と上記下フランジの平面部との垂直方向の離隔Hの0.5〜3.0倍であることを特徴とする。
That is, in the invention according to
上述した構成からなる本発明において、フランジ表面とウェブ表面との延長線上の交点までの長さRFを、フランジ両端に位置する交点間の長さWFの10%以上とすることにより、折板の面内せん断剛性を向上させることができる。 In the present invention having the above-described configuration, the length RF to the intersection on the extension line between the flange surface and the web surface is set to 10% or more of the length WF between the intersections located at both ends of the flange. The in-plane shear rigidity can be improved.
以下、本発明を実施するための最良の形態として、水平な上下フランジがウェブを介して接合されている建築構造用折板材について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明を適用した建築構造用折板材1は、例えば図1に示すように水平な上フランジ11及び下フランジ12と、この上フランジ11及び下フランジ12の間に形成されているウェブ13とを備えている。フランジ11、12とウェブ13とは交差部14を介して連続するように形成されている。
Hereinafter, as a best mode for carrying out the present invention, a folded plate material for a building structure in which horizontal upper and lower flanges are joined via a web will be described in detail with reference to the drawings.
The folded
この建築構造用折板材1は、鋼ストリップをロール成形やプレス成形などにより折り曲げ加工することにより作製される。この建築構造用折板材1は、建築構造物における屋根や床や壁等に適用される。
The folded
図2(a)は、本発明を適用した建築構造用折板材1の断面図を示している。上フランジ11及び下フランジ12は、それぞれ平面部15を有し、上下フランジ11、12とウェブ13が交差する交差部14は、所定の曲率を有している。ここで建築構造用折板1の高さをHとし、上フランジ11とウェブ13との角度、並びに下フランジ12とウェブ13との角度をθとする。
Fig.2 (a) has shown sectional drawing of the folded-
図2(b)に上フランジを例とした拡大図を示す。ここで、交差部14における折曲げが開始する折曲開始点bsから、上フランジ11表面とウェブ13表面との延長線上の交点beまでの長さをRFとし、上フランジ11両端に位置する交点間の長さをWFとする。上フランジ11における平面部の幅をFFとする。
このFFは、上フランジ11における折曲開始点bs間の長さに相当する。また、このFFは、建築構造用折板材1の形状に関わらず、ビス、溶接、ボルト等により、図示しない枠材や非構造材(断熱材や防水材)を固定するのに支障がない長さで構成されていることが望ましく、具体的には、このFFは5〜20mm程度以上で構成されていることが望ましい。以上は上フランジを例に説明したが、下フランジについても同様である。
FIG. 2B shows an enlarged view of the upper flange as an example. Here, the length from the bending start point bs at which the bending at the
This FF corresponds to the length between the bending start points bs in the
本発明を適用した建築構造用折板材1は、このフランジ幅としてのWFに対するRFの比率を最適化したところに特徴がある。以下、このWFに対するRFの比率の限定理由について説明をする。
The folded
図3は、建築構造用折板材1に代表される折板2を、内枠4の内部に設けた外枠3に配設する例を示している。せん断変形量Δは、折板2のせん断変形と折板2の周囲の接合部で生じる変形からなる。折板2そのものの変形は、図4(a)に示す板要素の純粋なせん断変形Aと、図4(b)に示す折板の断面がゆがむ変形Bに分類することができる。前者の純粋なせん断変形Aの変形量と比較して、後者の断面がゆがむ変形Bの変形量は著しく大きい。即ち、この変形Bが折板そのもののせん断変形を支配するため、変形Bを抑制することが、折板の面内せん断剛性(抵抗)の向上を図る上で重要となる。
FIG. 3 shows an example in which the folded
断面がゆがむ変形Bについて、断面がゆがむ際の変形性状と断面形状との関係は、折板の断面を対象とした平面骨組解析により概ね把握することができる。 About the deformation | transformation B with which a cross section is distorted, the relationship between the deformation | transformation property at the time of a cross section distorting and a cross-sectional shape can be grasped | ascertained generally by the plane frame analysis which made the cross section of a folded plate object.
図5(a)は、交差部14を角張らせることによりその曲率を無くし、RFを0mmとした解析サンプルPを示している。この解析サンプルPでは、各サイズにつき、H=100mm、WF=100mm、RF=0mm、θ=60°、t=1mmとしている。また図5(b)では、交差部14について、所定の曲率を設けた解析サンプルQについて示している。この解析サンプルQでは、各サイズについて、H=100mm、WF=100mm、RF=30mm、θ=60°、t=1mmとしている。
FIG. 5A shows an analysis sample P in which the curvature is eliminated by making the intersecting
解析モデルには、単位幅(1mm)の厚みを持つ断面を想定し、1mm(板厚)×1mm(単位幅)の梁要素を用いた。解析においては、下フランジ12における中央21を枠材に固定する状況を想定し、上フランジ11の両側に位置する下フランジ12の中央21の点をピン支持し、上フランジ11の中央22に断面をゆがめようとする荷重Pを加え、この加力点における負荷方向の変形δを求めた。
As an analysis model, a cross section having a thickness of unit width (1 mm) was assumed, and a beam element of 1 mm (plate thickness) × 1 mm (unit width) was used. In the analysis, it is assumed that the
図6に、図5の平面骨組を対象とした弾性解析より得られた荷重P−変形δの関係を示す。同じ荷重レベルで比較すると、RF=0mmである解析サンプルPより、RF=30mmである解析サンプルQの方が生じる変形は小さく、RFを大きくすることで断面がゆがむ変形に対する剛性が向上することが分かる。 FIG. 6 shows the relationship of load P-deformation δ obtained from the elastic analysis for the plane frame of FIG. When compared at the same load level, the analysis sample Q with RF = 30 mm produces less deformation than the analysis sample P with RF = 0 mm, and increasing the RF can improve the rigidity against deformation with a distorted cross section. I understand.
図7(a),(b)は、解析により得られた曲げモーメント分布を示している。図7(a),(b)ともに、上下フランジ11、12の両端部で曲げモーメントが大きくなっている。解析サンプルQでは、解析サンプルPと比較して、RFを大きくすることで、フランジ11、12両端部における曲げモーメントが大きくなる領域において集中的に梁の長さが短くなり、断面のゆがみによる変形を効率的に抑制していることが分かる。
FIGS. 7A and 7B show the bending moment distribution obtained by the analysis. 7 (a) and 7 (b), the bending moment is large at both ends of the upper and
次に、交差部14におけるRFを長くすることがせん断剛性の向上に与える影響を実際に生じる3次元的な変形挙動で検証するために行ったFEM解析について述べる。図8は、このFEM解析に用いた解析モデルを示しており、図8(a)は、この解析モデルを正面から視認した形であり、図8(b)は、この解析モデルを上から視認した形である。
Next, a description will be given of FEM analysis performed in order to verify the effect of increasing the RF at the
このFEM解析においては、下フランジ12における中央21を枠材に固定する状況を想定し、下フランジ12の一の中央21aをピン支持し、他の中央21bをピンローラと仮定している。このFEM解析においては、図中y方向、即ち図8(a)では紙面奥行き方向、図8(b)では、上方向に向けて荷重Pを加え、その負荷方向へのせん断変形δを求めた。さらに、解析で得られた荷重Pを変形δで除してせん断剛性P/δを求めた。
In this FEM analysis, assuming that the
このFEM解析においては、図9に示すように、H=50mm、WF=58mm、θ=60°、t=1mmは共通とした上で、解析サンプルC1ではRF=0mmとし、解析サンプルC2ではRF=14.5mmとし、更に解析サンプルC3ではRF=29mmとしている。その結果、各解析サンプルC1〜C3は、それぞれ図9(a)〜(c)に示すような形状で表現されることになる。なお、解析サンプルC1のRF/WFは0であり、解析サンプルC2のRF/WFは0.25であり、解析サンプルC3のRF/WFは0.5である。 In this FEM analysis, as shown in FIG. 9, H = 50 mm, WF = 58 mm, θ = 60 °, and t = 1 mm are common, and RF = 0 mm for analysis sample C1, and RF for analysis sample C2. = 14.5 mm, and in the analysis sample C3, RF = 29 mm. As a result, the analysis samples C1 to C3 are expressed in shapes as shown in FIGS. 9 (a) to 9 (c), respectively. The RF / WF of the analysis sample C1 is 0, the RF / WF of the analysis sample C2 is 0.25, and the RF / WF of the analysis sample C3 is 0.5.
図10に、このFEM解析の結果を示す。図10の横軸はRF/WF、縦軸は剛性比を表す。ここでの剛性比は、RF/WF=0としている解析サンプルC1の剛性P/δを基準としたときの、他の解析サンプルC2、C3の剛性の比率である。 FIG. 10 shows the result of this FEM analysis. In FIG. 10, the horizontal axis represents RF / WF, and the vertical axis represents the rigidity ratio. The stiffness ratio here is the stiffness ratio of the other analysis samples C2 and C3 when the stiffness P / δ of the analysis sample C1 with RF / WF = 0 is used as a reference.
図10から、RF/WFが大きくなるにつれて、剛性比が大きくなる、即ち、RF/WFが大きくなるにつれてせん断剛性が向上することが分かる。 From FIG. 10, it can be seen that the stiffness ratio increases as RF / WF increases, that is, the shear stiffness improves as RF / WF increases.
RF/WFが折板のせん断剛性向上に与える影響をより詳細に確認するために、図5に示す平面骨組解析モデルを利用し、断面形状を構成するパラメータを変更し、その解析結果を比較することとした。図11(a)は、WFを0.5Hとし、θをそれぞれ30°、45°、60°、90°とした場合における、RF/WF(横軸)に対する剛性比(縦軸)の関係を示している。ちなみに、ここでいう剛性比とは、各θにおいて、RF/WF=0とした場合を基準として求めたものである。図11(b)は、WFをHとし、θをそれぞれ30°、45°、60°、90°とした場合における、RF/WF(横軸)に対する剛性比(縦軸)の関係を示している。図11(c)は、WFを2Hとし、θをそれぞれ30°、45°、60°、90°とした場合における、RF/WF(横軸)に対する剛性比(縦軸)の関係を示している。図11(d)は、WFを3Hとし、θをそれぞれ30°、45°、60°、90°とした場合における、RF/WF(横軸)に対する剛性比(縦軸)の関係を示している。 In order to confirm in more detail the effect of RF / WF on the improvement of the shear stiffness of the folded plate, the plane frame analysis model shown in FIG. 5 is used, the parameters constituting the cross-sectional shape are changed, and the analysis results are compared. It was decided. FIG. 11A shows the relationship of the rigidity ratio (vertical axis) to RF / WF (horizontal axis) when WF is 0.5H and θ is 30 °, 45 °, 60 °, and 90 °, respectively. Show. Incidentally, the rigidity ratio here is obtained on the basis of the case where RF / WF = 0 at each θ. FIG. 11B shows the relationship of the rigidity ratio (vertical axis) to RF / WF (horizontal axis) when WF is H and θ is 30 °, 45 °, 60 °, and 90 °, respectively. Yes. FIG. 11 (c) shows the relationship of the stiffness ratio (vertical axis) to RF / WF (horizontal axis) when WF is 2H and θ is 30 °, 45 °, 60 °, and 90 °, respectively. Yes. FIG. 11 (d) shows the relationship of the stiffness ratio (vertical axis) to RF / WF (horizontal axis) when WF is 3H and θ is 30 °, 45 °, 60 °, and 90 °, respectively. Yes.
断面の形状により、剛性比が若干変動するものの、RF/WF≧0.1の範囲において剛性比が大きくなることが示されている。図11(a)〜(d)に示す「WF=0.5H〜3H」で「θ=30°〜90°」のケース全体でみると、RF/WF=0.1における剛性比の平均は約1.1であり、平均的に10%程度の剛性向上となっている。同様に、RF/WF=0.2における剛性比の平均は約1.25であり、平均的に25%程度の剛性向上となっている。すなわち、RF/WF≧0.2とすれば、より顕著な剛性向上の効果が得られることが分かる。 Although the stiffness ratio varies slightly depending on the shape of the cross section, it is shown that the stiffness ratio increases in the range of RF / WF ≧ 0.1. In the case of “WF = 0.5H to 3H” and “θ = 30 ° to 90 °” shown in FIGS. 11A to 11D, the average stiffness ratio at RF / WF = 0.1 is It is about 1.1, and the rigidity is improved by about 10% on average. Similarly, the average stiffness ratio at RF / WF = 0.2 is about 1.25, which is an average improvement of about 25%. That is, when RF / WF ≧ 0.2, it can be seen that a more significant rigidity improvement effect can be obtained.
なお、図11(b)に示すWF=H、θ=60°のケースにおける断面形状は、図9に示すFEM解析モデルの断面と概ね対応するが、平面骨組解析の結果である図11(b)のθ=60°のグラフと、FEM解析の結果である図10のグラフとは良好に対応していることから、上述した平面骨組解析による検討結果は、建築構造用折板材1の3次元的な変形挙動を妥当に評価しているといえる。
Note that the cross-sectional shape in the case of WF = H and θ = 60 ° shown in FIG. 11B substantially corresponds to the cross-section of the FEM analysis model shown in FIG. 9, but FIG. ) Of θ = 60 ° and the graph of FIG. 10 which is the result of the FEM analysis correspond well, and the examination result by the above-described plane frame analysis is the three-dimensional of the folded
以上、フランジ幅WFに対する折り曲げ部の幅RFの比率についての限定理由について説明した。建築構造用折板材1のその他の断面形状については、概ね、高さH=10〜200mm、WF=15〜300mm、θ=30〜90°、板厚t=0.5〜3.0mm、折板の長さL=300〜6000mm程度の範囲とし、対象構造に適した任意の寸法とすればよい。また、フランジ幅WFに対する折り曲げ部の幅RFの比率を大きくすることで、折板の面外曲げ剛性が若干低下することとなるが、設計条件に応じて適宜、その低下程度を調整しながら折板の断面形状を決定すればよい。
The reason for limitation of the ratio of the width RF of the bent portion to the flange width WF has been described above. About the other cross-sectional shape of the folded
なお、図12は、図11に示す検討で用いた断面を対象に、WFを0.5H〜3H、θを30°〜90°の範囲において、各θにおいてRF/WF=0を比較基準として求めた面外曲げ剛性(断面二次モーメント)の比であり、RF/WF(横軸)と面外曲げの剛性比(縦軸)の関係を示している。各ケースにおいて、RF/WF≦0.4の範囲では、面外曲げの剛性比が概ね0.8を上回っており、面外曲げ剛性の低下程度を適度に抑制できている。したがって、0.1≦RF/WF≦0.4、さらには、0.2≦RF/WF≦0.4の範囲としておくと、面内せん断剛性と面外曲げ剛性の双方をバランス良く兼ね備えた建築構造用折板材とすることができる。 Note that FIG. 12 is intended for the cross section used in the study shown in FIG. 11, with WF in the range of 0.5H to 3H, θ in the range of 30 ° to 90 °, and RF / WF = 0 for each θ as a reference for comparison. This is the ratio of the calculated out-of-plane bending stiffness (secondary moment of section), and shows the relationship between RF / WF (horizontal axis) and the out-of-plane bending stiffness ratio (vertical axis). In each case, in the range of RF / WF ≦ 0.4, the out-of-plane bending rigidity ratio is generally higher than 0.8, and the degree of reduction in out-of-plane bending rigidity can be appropriately suppressed. Therefore, when 0.1 ≦ RF / WF ≦ 0.4, and further 0.2 ≦ RF / WF ≦ 0.4, both in-plane shear rigidity and out-of-plane bending rigidity are well balanced. It can be set as a folded plate material for building structures.
本発明では、上フランジ11側と下フランジ12側で寸法形状が等しい断面を例示したが、上下フランジ11、12の長さやフランジ幅WFに対する交差部の幅RFの比率などは、上フランジ11と下フランジ12で異なる形状とする、また、上フランジおよび下フランジのいずれか一方のみに本発明を適用するなど、任意の変更を加えてもよいことは勿論である。
In the present invention, a cross section having the same size and shape on the
1 建築構造用折板材
11 上フランジ
12 下フランジ
13 ウェブ
14 交差部
15 平面部
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