JP5291330B2

JP5291330B2 - 波形鋼板耐震壁

Info

Publication number: JP5291330B2
Application number: JP2007318207A
Authority: JP
Inventors: 英美池田; 恭章平川
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: JP2009138484A

Description

本発明は、架構を構成する周辺部材へ対向する波形鋼板を取り付けて構成された波形鋼板耐震壁に関する。

耐震壁としては、特許文献１に示すように、鋼板を波形に加工した波形鋼板を、波形の折筋の向きを水平にして構面に配置した波形鋼板耐震壁が提案されている。この波形鋼板耐震壁は、垂直方向にアコーディオンのように伸縮するため鉛直力を負担しないが、水平せん断力に対しては抵抗可能であり、せん断剛性・せん断耐力を確保しつつ、優れた変形性能を有している。更に、せん断剛性及び強度については、鋼板の材質強度、板厚、重ね合わせ枚数、波形のピッチ、波高等を変えることにより調整可能であり、剛性及び設計強度の自由度が高い耐震壁を実現している。

ところで、このように耐震性能に優れた波形鋼板耐震壁は、板厚を薄く抑えることが可能であるため、一般的な鉄筋コンクリート造の耐震壁に比べて、その設置幅を小さく抑えることができる。更に、板厚を薄く抑えることで一般的なプレス機を用いて鋼板を波形に加工できるため、全体的な経済性が向上する。しかしながら、板厚を薄くした場合には、せん断座屈を防止するための手段を講じることが望ましい。

せん断座屈を防止する手段としては、図８に示すように、波形鋼板耐震壁１００を構成する波形鋼板１０２に、複数の補剛リブ１０４を溶接することが考えられる。しかしながら、この溶接作業には熟練を要し、更に、溶接熱によって波形鋼板１０２が歪み、波形鋼板耐震壁１００の寸法誤差が大きくなる場合がある。

また、同一の構面に複数の波形鋼板を配置する場合は、一枚当たりの波形鋼板が負担する耐力が小さくなるため、波形鋼板の板厚を更に薄くできるが、各波形鋼板に座屈防止用の補剛リブを溶接する必要があり、また、板厚が薄くなるに従って波形鋼板に溶接する補剛リブの数が増えるため、上記の寸法誤差等に注意する必要がある。

一方、図９に示すように、上側鋼板１０６と下側鋼板１０８とを所定の間隔を空けて対向させ、上側鋼板１０６と下側鋼板１０８との間にコンクリート１１０を充填して一体化させた複合構造１１２が提案されている。この複合構造１１２では、上側鋼板１０６と下側鋼板１０８と一体化して、面外方向の剛性・強度を確保している。しかし、上側鋼板１０６及び下側鋼板１０８が平板であるため、一体化するには、上側鋼板１０６及び下側鋼板１０８の内面にそれぞれ補強板１１４、１１６を溶接する必要があり、また、補強板１１４、１１６の長手方向に沿って溶接するためその溶接範囲が広く、溶接作業に手間がかかる。
特開２００５−２６４７１３号公報特開２００２−３２２６１４号公報

本発明は、上記の事実を考慮し、簡易な構成で波形鋼板のせん断座屈を防止できる波形鋼板耐震壁を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、柱と梁、柱と小梁、若しくは柱とコンクリートスラブで構成された架構へ、互いに対向される面の少なくとも一方に突起が突設された複数の波形鋼板を折り筋の向きを水平方向として対向して取り付けた後に、隣接する複数の前記波形鋼板の間に該波形鋼板に形成された注入孔からセメント系充填材を充填したことを特徴としている。

上記の構成によれば、対向する波形鋼板と波形鋼板との間に、波形鋼板に形成された注入孔からセメント系充填材を充填することでせん断座屈を防止することができる。セメント系充填材を充填しない場合は、各波形鋼板の曲げ剛性によって、波形鋼板耐震壁のせん断座屈耐力が決定されるが、セメント系充填材を充填することで、波形鋼板耐震壁の曲げ剛性が大きくなる。従って、せん断座屈を効果的に抑制し得る。更に、板厚を厚くしたり、補剛リブを形成する等の特別な補強を波形鋼板に施す必要がないため施工性・生産性が向上する。また、周辺部材に取り付ける波形鋼板の枚数を増減することにより、所定の設計強度が得られるため、規格化された波形鋼板を用いることができ経済性に優れている。

また、セメント系充填材を用いることで、対向する波形鋼板が強固に一体化されるため、波形鋼板耐震壁の断面２次モーメントが飛躍的に大きくなる。従って、波形鋼板耐震壁の曲げ剛性・せん断座屈耐力が向上し、せん断座屈を効果的に防止することができる。更に、遮音性等の向上が期待できる。
また、隣接する波形鋼板の対向する面の少なくとも一方に突起を突設することで、波形鋼板同士の接合強度が増加するため、各波形鋼板の協同効果が高まり、波形鋼板耐震壁の曲げ剛性、せん断座屈耐力を更に向上することができる。

更に、波形鋼板を折り筋の向きを水平にして周辺部材に取り付けると、波形鋼板が鉛直方向にアコーディオンのように伸縮可能となるため鉛直力を負担しない構成となる。
なお、参考までに、発泡性材又は接着剤は、このような波形鋼板の鉛直方向の伸縮変形にも追従することができる。そのため、架構の施工と同時に、波形鋼板を架構に取り付けて発泡性材又は接着剤を充填しても、周辺部材の自重等による軸力が波形鋼板に導入されることがない。このように、発泡性材又は接着剤は、充填する時期に制約がなく、また、波形鋼板耐震壁の鉛直剛性が大きくならない点で有利である。加えて、発泡性材及び接着剤は軽量であるため、波形鋼板を構面に配置する前に充填しても、波形鋼板の運搬、現場での取り付け作業が容易であるため施工性が向上する。

本発明は、上記の構成としたので、簡易な構成で波形鋼板のせん断座屈を防止し、波形鋼板耐震壁の耐震性能を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る波形鋼板耐震壁について説明する。

先ず、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、鉄筋コンクリート造の柱１０、１２及び鉄筋コンクリート造の梁１４、１６に囲まれた架構１８の構面には、鋼板を同一形状の波形に加工した２枚の波形鋼板２０、２２が、折り筋の向きを水平方向として対向配置され、波形鋼板２０、２２によって波形鋼板耐震壁２４が構成されている。波形鋼板２０、２２の外周部には、接合用フレーム枠２６が溶接され、接合用フレーム枠２６を介して波形鋼板２０、２２が架構１８を構成する柱１０、１２及び梁１４、１６と後述する接合方法によって接合されている。

また、波形鋼板２０、２２は、架構１８の構面に直交する方向に間を空けて対向配置され、各波形の山同士及び谷同士が水平方向において重なっている。隣接する波形鋼板２０と波形鋼板２２との間には、波形鋼板２０、２２の表面２０Ａ、２２Ａと接合用フレーム枠２６によって区画された充填空間２８が形成され、充填空間２８にグラウト３０が充填されている。

波形鋼板２０又は波形鋼板２２の下部には、充填空間２８に通じる注入孔（不図示）が形成されており、注入孔に取り付けられたグラウト注入用のホースを介して、グラウト３０が充填空間２８に充填される。そして、波形鋼板２０又は波形鋼板２２の上部に形成された充填空間２８に通じる確認孔（不図示）において、グラウト３０が充填されたことが確認される。グラウト３０の充填後、波形鋼板２０又は波形鋼板２２に形成された注入孔及び確認孔は、溶接金属等によって埋めておく。

なお、波形鋼板２０、２２は、図１（Ｂ）に示す断面形状をした波形に限られず、図７（Ａ）〜（Ｄ）に示すような種々の波形鋼板を用いることができる。また、本実施形態では、各波形鋼板２０、２２の山同士及び谷同士が水平方向において重なるように波形鋼板２０、２２を対向配置することで、波形鋼板耐震壁２４の厚さを薄くし、架構１８への設置幅を小さく抑えているが、これに限定されるものではない。更に、充填空間２８には、グラウト３０を充填したがこれに限られず、モルタル、コンクリート等のセメント系充填材、または、発泡ウレタン等の発泡性材、若しくは、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系、エポキシ樹脂系等の接着剤であっても良く、充填方法は、充填する材料に合わせて適宜変更すれば良い。充填材は、隙間なく充填空間２８に充填されることが好ましく、充填材の種類によっては、波形鋼板２０、２２と接合用フレーム枠２６との接合部にシール等を施し、充填材の漏れを防止しておくことが望ましい。

また、架構１８の構面には、複数の波形鋼板を配置することが可能であり、例えば、図２に示すように、３枚の波形鋼板２０、２２、３２を配置することができる。波形鋼板３２の外周部には、波形鋼板２０、２２と同様に、接合用フレーム枠２６が取り付けられ、接合用フレーム枠２６を介して、波形鋼板３２が架構１８と接合されている。波形鋼板３２は、波形鋼板２０、２２と同一形状の波形に加工されており、折り筋の向きを水平として架構１８の構面に配置され、隣接する波形鋼板２２との間に形成された充填空間３４にグラウト３０が充填されている。なお、充填空間２８と同様に、充填空間３４にはセメント系充填材、発泡性材、接着剤等の種々の充填材が充填可能である。

次に、波形鋼板２０、２２と架構１８との接合方法の例について説明する。

図３に示すように、接合用フレーム枠２６には、水平力伝達要素としてのスタッド３６が溶接等によって取り付けられている。そして、このスタッド３６が、架構１８の施工時に、柱１０、１２及び梁１４、１６の内部に埋め込まれることにより、波形鋼板２０、２２と架構１８とが一体的に接合される。このため、波形鋼板２０、２２に作用する水平力（地震力）がスタッド３６を介して架構１８に伝達される。

なお、本実施形態では、接合用フレーム枠２６にスタッド３６を取り付け、このスタッド３６を左右の柱１０、１２及び上下の梁１４、１６の内部に埋め込んで接合したが、これに限られず、波形鋼板２０、２２に作用する水平力を架構１８に伝達できれば良い。例えば、柱１０、１２及び梁１４、１６の内周部にスタッド３６等の水平力伝達要素を備えた接合用プレートを埋め込み、接合用プレートと波形鋼板２０、２２に取り付けられた接合用フレーム枠２６とをボルト又は溶接によって接合しても良い。更に、柱１０、１２及び梁１４、１６に水平力を伝達可能なナット等のジョイント部材を、柱１０、１２及び梁１４、１６の内周部に埋め込み、このジョイント部材に波形鋼板２０、２２に取り付けられた接合用フレーム枠２６を貫通するボルト等をねじ込んで定着させても良い。更に、波形鋼板２０、２２は、必ずしも柱１０、１２及び梁１４、１６の全てに接合する必要はなく、設計強度に応じて、柱１０、１２又は梁１４、１６と接合しても良い。

次に、本発明の波形鋼板耐震壁の作用及び効果について説明する。

架構１８の構面に、２枚の波形鋼板２０、２２を配置することで、１枚当たり波形鋼板が負担する耐力が小さくなるため、波形鋼板２０、２２の板厚を薄く抑えることができる。このように、波形鋼板の板厚を薄く抑えると、波形の加工がし易く、また、一枚一枚の波形鋼板が軽量となるため、波形鋼板の運搬や、現場での設置作業が容易となり、経済的に好ましい。更に、板厚が薄肉であれば、波形に加工されたスラブ用のデッキプレート等のような規格化された汎用品を流用できるため、更に経済性が向上する。

一方、波形鋼板２０、２２の板厚を薄くしても、波形鋼板２０と波形鋼板２２との間に形成される充填空間２８にグラウト３０を充填することで、せん断座屈を抑制することができる。図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、地震等によって波形鋼板２０、２２に水平力（矢印Ａ）が作用すると、波形鋼板２０、２２は、変形（せん断変形）を伴いながらせん断力を架構１８に伝達する。このような場合、波形鋼板２０、２２が面外方向（矢印Ｂ）にはらみ出して、せん断座屈（弾性全体座屈）する恐れがあるが、充填空間２８にグラウト３０を充填して波形鋼板２０、２２を一体化することで、波形鋼板耐震壁２４の断面２次モーメントが飛躍的に大きくなるため、上記した面外方向の変形に対する剛性（曲げ剛性）、即ち、上記した弾性全体座屈に対する座屈強度（弾性全体座屈強度）が向上し、せん断座屈が抑制される。

上記の弾性全体座屈強度と断面２次モーメントとの関係を、図５（Ａ）に示す１枚の波形鋼板４６の断片４６Ａを例に説明すると、断片４６Ａの弾性全体座屈強度は、式（１）で与えられる。

ここで、τ^ｅ _{ｃｒ，ａｌｌ}：弾性全体座屈強度、ｒ：波形鋼板の波形形状端部の回転拘束による係数、Ｄ_ｘ：＝η×Ｅ_０×ｔ^３／１２、η：長さ効率（η＝（ａ＋ｃ）／（ａ＋ｂ））、ａ：折り目長さ、ｂ：折り目長さ、ｃ：折り目の投影長さ、ｔ：板厚、Ｅ_０：鋼板のヤング係数、Ｄ_ｙ：＝Ｅ_０×Ｉ_Ｘ、Ｉ_Ｘ：Ｘ軸回り（図５（Ｂ）のＸ軸方向回り）の断面２次モーメント、ｈｉ：図８に示す補剛リブ１０４等を取り付けた場合の取り付け間隔である。なお、Ｘ軸は、波形鋼板４６の折り筋と直交する方向の軸であり、Ｙ軸は、波形鋼板４６の折り筋と平行な方向の軸である。このように、Ｄ_ｙ（＝Ｅ_０×Ｉ_Ｘ）が断面２次モーメントＩ_Ｘに比例するため、波形鋼板４６の断片４６Ａの断面２次モーメントＩ_Ｘを大きくすると、弾性全体座屈強度τ^ｅ _{ｃｒ，ａｌｌ}が大きくなることがわかる。

波形鋼板耐震壁２４について見ると、充填材の性質（硬質、付着力等）によっても異なるが、充填空間２８にグラウト３０等のセメント系充填材を充填すると、波形鋼板２０、２２が一体的に接合されるため、断面２次モーメントＩ_Ｘが飛躍的に大きくなる。従って、充填空間２８にセメント系充填材を充填することで、弾性全体座屈強度τ^ｅ _{ｃｒ，ａｌｌ}が向上し、更に、波形鋼板耐震壁２４のせん断座屈耐力は、弾性全体座屈強度τ^ｅ _{ｃｒ，ａｌｌ}に比例するため、せん断座屈耐力が向上する。

充填空間２８に発泡性材、接着剤等を充填した場合は、セメント系充填材程の接合強度は期待できないものの、発泡性材の種類に応じた強度で、波形鋼板２０、２２が接合されるため、上記した面外方向の変形に対して波形鋼板２０、２２が協同して抵抗し得る。従って、充填空間２８に充填材を充填しない場合に比べて、断面２次モーメントＩ_Ｘが大きくなり、波形鋼板耐震壁２４の弾性全体座屈強度τ^ｅ _{ｃｒ，ａｌｌ}、せん断座屈耐力を確保することができる。

また、本実施形態のように、波形鋼板２０、２２の折り筋の向きを水平方向にして周辺部材に取り付けた場合、波形鋼板２０、２２が鉛直方向にアコーディオンのように伸縮するため、鉛直力を負担しない構成となる。このため、架構１８の施工と同時に、波形鋼板２０、２２を架構１８に配置しても、梁１４や梁１４上に載置されるコンクリートスラブ、仕上げ材等の自重による軸力が波形鋼板２０、２２に導入されることがない。発泡性材及び接着剤は、このような波形鋼板２０、２２の鉛直方向の伸縮変形に追従可能であるため、充填時期に制約がなく施工性に優れている。

更に、発泡性材、接着剤等は、セメント系充填材に比べ軽量であるため、工場で充填しても波形鋼板耐震壁２４の運搬や、現場での設置作業が容易であり、更に、流動性に優れているため充填空間２８に隙間なく充填することができる。発泡性材として、発泡ウレタン等を充填すれば、断熱、防音、振動防止等の効果が期待できる。

加えて、図６（Ａ）に示すように、充填空間２８を区画する波形鋼板２０、２２の表面２０Ａ、２２Ａに、スタッド３８を溶接したり、また、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、先端が湾曲した棒鉄筋４０や、貫通孔４２を有するＬ字型のアングル４４を溶接したりすることで、波形鋼板２０、２２の協同効果を更に高めることができ、波形鋼板耐震壁２４の曲げ剛性、せん断座屈耐力が向上する。

ところで、せん断座屈を防止する手段としては、波形鋼板２０、２２を重ね合わせ、波形鋼板２０、２２に形成された貫通孔に面外方向からボルトを貫通させて、波形鋼板２０、２２を一体化する方法も考えられるが、この場合、波形鋼板２０、２２に形成した貫通孔の周辺でせん断剛性・耐力が低下する。そのため、低下したせん断剛性・耐力を補うべく、波形鋼板２０、２２の板厚を厚くする等の補強措置を講じる必要がある。この点、本実施形態であれば、波形鋼板２０、２２に貫通孔等を形成する必要がなく、波形鋼板２０、２２の間に充填材するという簡易な手段によって、せん断座屈を効果的に防止できる。

なお、上記全ての実施形態では、柱１０、１２及び梁１４、１６から構成された架構１８の構面に波形鋼板２０、２２及び３２を配置した場合の例について説明したが、これに限られず、例えば梁１４、１６に替えてコンクリートスラブ又は小梁等であっても良い。更に、鉄筋コンクリート造に限られず、鉄骨鉄筋コンクリート造、プレストレスコンクリート造、更には現場打ち工法であっても、プレキャスト工法によるものであっても良い。

また、波形鋼板２０、２２及び３２は、波形の折り筋の向きを水平方向として架構１８に配置したがこれに限られず、折り筋の向きを鉛直方向として架構１８に配置しても良い。このように配置しても波形鋼板耐震壁に特有の変形性能に影響はなく、優れた耐震性能は確保される。また、波形鋼板２０、２２及び３２は、必ずしも柱１０、１２及び梁１４、１６の全てに接合する必要はなく、柱１０、１２又は梁１４、１６に接合しても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

（Ａ）は、本発明の実施形態に係る波形鋼板耐震壁を示す平面図であり、（Ｂ）は、図１（Ａ）における１−１線断面図である。本発明の実施形態に係る波形鋼板耐震壁の変形例を示す、図１（Ａ）の１−１線断面図である。波形鋼板耐震壁の断片を示し、本発明の全ての実施形態に係る波形鋼板耐震壁の取付構造を示す説明図である。（Ａ）は、本発明の実施形態に係る波形鋼板耐震壁を示す平面図であり、（Ｂ）は、図４（Ａ）における４−４線断面図である。（Ａ）は、１枚の波形鋼板の断片を示す斜視図であり、（Ｂ）は、波形鋼板の断面形状を示す断面図である。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の実施形態に係る波形鋼板耐震壁の変形例を示す、図１（Ａ）における１−１線断面の拡大図である。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、本発明の実施形態に係る波形鋼板の断面形状を示す断面図である。従来の波形鋼板耐震壁を示す正面図である。従来技術を示す斜視図である。

符号の説明

１０柱（周辺部材）
１２柱（周辺部材）
１４梁（周辺部材）
１６梁（周辺部材）
１８架構
２０波形鋼板
２２波形鋼板
２４波形鋼板耐震壁
３０グラウト（セメント系充填材）
３２波形鋼板
３８スタッド（突起）
４０棒鉄筋（突起）
４４アングル（突起）

Claims

柱と梁、柱と小梁、若しくは柱とコンクリートスラブで構成された架構へ、互いに対向される面の少なくとも一方に突起が突設された複数の波形鋼板を折り筋の向きを水平方向として対向して取り付けた後に、隣接する複数の前記波形鋼板の間に該波形鋼板に形成された注入孔からセメント系充填材を充填したことを特徴とする波形鋼板耐震壁。