JP6296199B1

JP6296199B1 - ハット形鋼矢板及び壁体

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Publication number: JP6296199B1
Application number: JP2017204275A
Authority: JP
Inventors: 恩田　邦彦; 邦彦恩田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2037-10-23
Also published as: PH12019550077A1; JP2018084138A; WO2018092591A1; CN109923266A; CN109923266B

Abstract

【課題】ハット形鋼矢板におけるアーム部および継手部に作用する曲げモーメントを小さくして、アーム部での変形、破壊リスクが抑制されたハット形鋼矢板を提供する。【解決手段】ハット形鋼矢板１は、ウェブ部３の両端に一対のフランジ部５が形成され、この一対のフランジ部５の各端部に一対のアーム部７が形成されるとともに、この一対のアーム部７の各先端に一対の継手部９が設けられたものにおいて、一対のアーム部７の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Iaと、一対の継手部９の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ijと、ハット形鋼矢板１の弱軸方向の断面２次モーメントIとの関係が（１）式を満たすことを特徴とするものである。0≦（Ij−Ia）／I≦0.00025・・・・（１）【選択図】図１

Description

本発明は、土留め壁、基礎構造、港湾ならびに河川の護岸や止水壁等の部材として適用するハット形鋼矢板、及び、前記ハット形鋼矢板の継手部が連結され地中に設置されて形成される壁体に関するものである。

一般的にハット形鋼矢板は、例えば特許文献１に示されるように、ウェブ部、フランジ部、アーム部、継手部で構成され、Ｕ形鋼矢板と比べると、その継手位置が鋼矢板壁断面の中心軸位置から、縁端部になったことで、曲げ変形を受けたときの継手せん断ズレがなく、構造性能の低下がないことが大きなメリットとなっている。

また、国内のハット形鋼矢板の既存規格としては、非特許文献において１０Ｈ、２５Ｈの２種類が記載されている。

特開２００４−１６２４５８号公報

「鋼矢板-設計から施工まで-」、鋼管杭協会・鋼矢板技術委員会、2014.10改訂版

特許文献１や非特許文献１に示された一般的なハット形鋼矢板では、その継手位置がハット形鋼矢板断面の縁端部に位置するようになった。そのため、地中に設置されてなる壁体として使用する場合は、図９に示すように、ハット形鋼矢板２１が連結された状態では、継手部２３が正面から土圧荷重を受ける構造となる。

ここで問題となるのが、継手部２３とアーム部２５との断面剛性の違い（通常、継手部２３＞アーム部２５）であり、断面剛性差が大きい場合、より断面剛性の大きい部位に荷重が集中することとなる。この点を、図１０に基づいて詳細に説明する。

図１０は、図９において破線の楕円で囲んだ部位（図１０（ａ）参照）において土圧等に起因して作用する作用荷重分布（図１０（ｂ）参照）、せん断力分布（図１０（ｃ）参照）、曲げモーメント分布（図１０（ｄ）参照）を模式的に示している。

図１０に示すように、相対的に断面剛性の大きい継手部２３及びその近傍に作用荷重が集中し、断面剛性の小さいアーム部２５では作用荷重が低減する（図１０（ｂ）参照）。その結果、作用する曲げモーメントが大きくなり（図１０（ｄ）参照）、相対的に弱点部位であるアーム部２５での変形及び破壊リスクが大きくなる。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、ハット形鋼矢板におけるアーム部及び継手部に作用する曲げモーメントを小さくして、アーム部での変形及び破壊リスクが抑制されたハット形鋼矢板を提供することを目的としている。
また、本発明は、前記ハット形鋼矢板の継手部を連結して地中に設置することで形成される壁体を提供することを目的としている。なお、地中に設置されてなる壁体には、例えば、土留め壁、基礎構造、港湾の護岸、河川の護岸及び止水壁等があげられる。

図１１は、図１０（ａ）に示した部位に相当する部位に継手部がなく、断面剛性が均等な部材２７であった場合（図１１（ａ）参照）における作用荷重分布（図１１（ｂ）参照）、せん断力分布（図１１（ｃ）参照）、曲げモーメント分布（図１１（ｄ）参照）を模式的に示している。図１１に示すように、断面剛性が均等な部材断面に作用する荷重は一様な分布となり（図１１（ｂ）参照）（ただし、作用荷重全体の大きさは図１０と同一レベル）、その結果、作用する曲げモーメント分布は小さくなる（図１１（ｄ）参照）。

このように、断面剛性が均等な部材断面であれば曲げモーメント分布を小さくできることを前提として、さらに検討を重ね、アーム部及び継手部の形状バランスを最適化することを想到して、本発明を完成したものであり、具体的には以下の構成からなるものである。

（１）本発明に係るハット形鋼矢板は、ウェブ部の両端に一対のフランジ部が形成され、該一対のフランジ部の各端部に一対のアーム部が形成されるとともに、該一対のアーム部の各先端に一対の継手部が設けられたものにおいて、前記一対のアーム部の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Iaと、前記一対の継手部の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ijと、前記ハット形鋼矢板１枚の弱軸方向の断面２次モーメントIとの関係が（１）式を満たすことを特徴とするものである。
0≦（Ij−Ia）／I≦0.00025 ・・・・（１）

（２）また、本発明に係るハット形鋼矢板は、上記の発明（１）に記載のものにおいて、前記アーム部と前記フランジ部との連結部に位置する隅角部において、ハット形断面における凹面側の曲率半径が凸面側の曲率半径よりも大きくなるように前記隅角部が形成されていることを特徴とするものである。

（３）また、本発明に係る壁体は、上記の発明（１）又は（２）に記載のハット形鋼矢板が、継手部を連結され地中に設置されてなることを特徴とするものである。

本発明によれば、ハット形鋼矢板のアーム部及び継手部の形状バランスを最適化し、当該部位に作用する曲げモーメントを小さくして、相対的に弱点部位となるアーム部での変形及び破壊リスクを抑えることができる。これによって、本発明によれば従来よりも構造信頼性の高いハット形鋼矢板を提供することができる。
また、本発明によれば、前記ハット形鋼矢板の継手部を連結して地中に設置することで形成される壁体を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るハット形鋼矢板の説明図である。図２は、実施の形態１及び２における（１）式及び（２）式の導出過程を説明するための図であって、モーメント増加率と縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）との関係を示すグラフである。図３は、実施の形態１における（１）式の導出過程を説明するための図であって、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）と鋼矢板の断面２次モーメントIとの関係を示すグラフである。図４は、実施の形態２における（２）式の導出過程を説明するための図であって、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）と鋼矢板の断面２次モーメントIとの関係を示すグラフである。図５は、実施の形態３における（３）式の導出過程を説明するための図であって、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）と鋼矢板の断面２次モーメントIとの関係を示すグラフである。図６は、実施の形態４における（４）式の導出過程を説明するための図であって、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）と鋼矢板の断面２次モーメントIとの関係を示すグラフである。図７は、実施の形態５のハット形鋼矢板を説明する説明図である。図８は、実施の形態５のハット形鋼矢板が満たすべき関係の導出過程を説明するための図であって、モーメント増加率と隅角部曲率半径比との関係を示すグラフである。図９は、ハット形鋼矢板を地盤に設置した状態において、ハット形鋼矢板に作用する土圧荷重の説明である。図１０は、発明が解決しようとする課題を説明するための説明図である。図１１は、課題を解決するための手段を説明するための説明図である。

以下に、本発明に係るハット形鋼矢板及び壁体の実施の形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

［実施の形態１］
本発明の一実施の形態に係るハット形鋼矢板１は、図１に示すように、ウェブ部３の両端に一対のフランジ部５が形成され、この一対のフランジ部５の各端部に一対のアーム部７が形成されるとともに、この一対のアーム部７の各先端に一対の継手部９が設けられている。そして、一対のアーム部７の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Iaと、一対の継手部９の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ijと、ハット形鋼矢板１の弱軸方向の断面２次モーメントIとの関係が、下記（１）式を満たすことを特徴とするものである。
0≦（Ij−Ia）／I≦0.00025 ・・・・（１）

なお、以下の説明において、一対のアーム部７の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ia、一対の継手部９の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ij、及び、ハット形鋼矢板１の弱軸方向の断面２次モーメントIをそれぞれ単に「Ia」、「Ij」及び「I」と表記する場合がある。

本実施の形態の特徴は、Ia、Ij及びIが上記（１）式の関係を満たすことにあるので、以下においては、上記（１）式の関係をいかにして導き出したかについて説明する。

図１０に示したように、アーム部２５と継手部２３との断面剛性の差が大きくなると、より剛性の大きい継手部２３に荷重が集中し、作用する曲げモーメントの増大につながる。そこで、図１に示すハット形鋼矢板１において、一対のアーム部７の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ia、一対の継手部９の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ij、及び、ハット形鋼矢板１枚の弱軸方向の断面２次モーメントIをパラメータとし、図９に示す状態を想定したモデルにより、土圧荷重を加えた際に生じる、アーム部７から継手部９にかけての作用モーメントを計算した。

ハット形鋼矢板１枚の弱軸方向の断面２次モーメントIが、7000〜200000cm⁴の範囲にあるI＝7000cm⁴、20000cm⁴、50000cm⁴、100000cm⁴、200000cm⁴の各場合ごとに、縁端部断面２次モーメント差である（Ij−Ia）と曲げモーメントの増加率との関係を求めた。図２は、この関係をグラフ表示したものであり、横軸が「縁端部断面２次モーメント差」＝（Ij−Ia）(cm⁴)を示し、縦軸がモーメント増加率を示している。なお、モーメント増加率は、「縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）」＝0の場合の作用曲げモーメントの最大値を基準値（＝1）として、そこからの増加率で評価している。

図２のグラフに示されるように、モーメント増加率は、これが13％に到達する前では緩慢に増加しているが、13％を越えた以降、その増加率が急激に大きくなっている。換言すれば、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）が、モーメント増加率13％となるときの値を越えるとモーメント増加率が急激に大きくなり、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）が、モーメント増加率13％となるときの値以下であればモーメント増加率が緩慢である。

このことは、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）が、モーメント増加率13％となるときの値を越える領域では、縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）の少しの変化でモーメント増加率が大きく変動することを意味している。したがって、アーム部７及び継手部９の形状バランスを最適化し、当該部位に作用する曲げモーメントを小さくして、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクを抑えるためには、モーメント増加率を13％以下にすることが重要である。

モーメント増加率13％を「しきい値１」と考えた場合、この「しきい値１」におけるハット形鋼矢板１の断面２次モーメントIと縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）との関係を示したものが図３である。図３において、横軸はハット形鋼矢板１の断面２次モーメントＩ(cm⁴)であり、縦軸は縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）(cm⁴)（モーメント増加率13%時）を示している。図３に示すように、ハット形鋼矢板１の断面２次モーメントIと縁端部断面２次モーメント差（Ij−Ia）とは線形関係にあり、（Ij−Ia）＝0.00025×Iで近似できる。

したがって、（Ij−Ia）≦0.00025×I、すなわち、（Ij−Ia）／I≦0.00025とすることによって、モーメント増加率をモーメント増加率が急騰する以前の13%以下に抑えることができ、上述したように、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクを抑えることができる。

また、一方で、アーム部７の断面剛性が継手部９の断面剛性を上回ると、最大モーメントが作用する継手部９の性能が相対的に低下することになりバランスを欠くこととなるので、形状バランスの観点から0≦（Ij−Ia）とすることが望ましい。

上記の検討から、アーム部７及び継手部９の好適な形状バランスとして、下記（１）式で表すことができる。
0≦（Ij−Ia）／I≦0.00025 ・・・・（１）

上記（１）式の導出過程は以上の通りであり、Ij、Ia及びIが上記（１）式の関係を満たすことによって、アーム部７及び継手部９の形状バランスを最適化し、当該部位に作用する曲げモーメントを小さくして、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクを低減できることが分かる。

図２を見るとモーメント増加率が13%を越えるとモーメント増加率が急激に直線的に増加しており、モーメント増加率が13%以下では二次曲線のように増加している。したがって、モーメント増加率が13%以下の領域であっても、モーメント増加率がより小さい値をしきい値とすることによって、よりモーメント増加率の増加割合を低く抑えることができる。このような観点から図２を参照して、いくつかのしきい値を抽出して以下の実施の形態２〜４として示す。

［実施の形態２］
図２を見ると、モーメント増加率11％前後でも、モーメント増加率の変局が見られ、11％以下になった場合、一段とモーメント増加率の増加率が低くなっている。このことにより、もう一つのしきい値「しきい値２」と見ることもできる。

この場合も「しきい値１」の場合と同様に、モーメント増加率11％「しきい値２」における鋼矢板断面２次モーメントと縁端断面２次モーメント差との関係をグラフ表示すると図４に示す通りとなり、（Ij−Ia）＝0.00022×Iで近似することができる。したがって、（Ij−Ia）≦0.00022×I、すなわち、（Ij−Ia）／I≦0.00022とすることによって、モーメント増加率を11%以下に抑えることができ、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクをより低減できる。

よって、アーム部７及び継手部９のより好適な形状バランスとして、下記（２）式で表すことができる。
0≦（Ij−Ia）／I≦0.00022 ・・・・（２）

［実施の形態３］
図２を見ると、モーメント増加率9％前後でも、モーメント増加率の変局が見られ、9％以下になった場合、一段と増加率が低くなっている。このことにより、もう一つのしきい値「しきい値３」と見ることもできる。

この場合も「しきい値１」及び「しきい値２」の場合と同様に、モーメント増加率9％「しきい値３」における鋼矢板断面２次モーメントと縁端断面２次モーメント差との関係をグラフ表示すると図５に示す通りとなり、（Ij−Ia）＝0.00018×Iで近似することができる。したがって、（Ij−Ia）≦0.00018×I、すなわち、（Ij−Ia）／I≦0.00018とすることによって、モーメント増加率を9%以下に抑えることができ、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクをより低減できる。

よって、アーム部７及び継手部９のより好適な形状バランスとして、下記（３）式で表すことができる。
0≦（Ij−Ia）／I≦0.00018 ・・・・（３）

［実施の形態４］
図２を見ると、モーメント増加率6％前後でも、モーメント増加率の変局が見られ、6％以下になった場合、一段と増加率が低くなっている。このことにより、もう一つのしきい値「しきい値４」と見ることもできる。

この場合も「しきい値１」、「しきい値２」及び「しきい値３」の場合と同様に、モーメント増加率6％「しきい値４」における鋼矢板断面２次モーメントと縁端断面２次モーメント差との関係をグラフ表示すると図６に示す通りとなり、（Ij−Ia）＝0.00013×Iで近似することができる。したがって、（Ij−Ia）≦0.00013×I、すなわち、（Ij−Ia）／I≦0.00013とすることによって、モーメント増加率を6%以下に抑えることができ、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクをより低減できる。

よって、アーム部７及び継手部９のより好適な形状バランスとして、下記（４）式で表すことができる。
0≦（Ij−Ia）／I≦0.00013 ・・・・（４）

［実施の形態５］
実施の形態１〜４においては、アーム部７及び継手部９の形状バランスを好適にすることによって、当該部位に作用する曲げモーメントを低減するというものであった。ハット形鋼矢板１のアーム部７及び継手部９に作用する曲げモーメントを小さくするためには、形状バランスの好適化に加えて、アーム部７とフランジ部５との連結部に位置する隅角部１１から、アーム部７にかけて板厚を増加させ、当該部位の断面剛性を大きくすることも効果的である。

実施の形態５はかかる観点に基づくものであり、本実施の形態に係るハット形鋼矢板１は、実施の形態１又は２に記載のものにおいて、アーム部７とフランジ部５との連結部に位置する隅角部１１において、ハット形断面における凹面側の曲率半径が凸面側の曲率半径よりも大きくなるように隅角部１１が形成されていることを特徴とするものである（図７参照）。

以下、隅角部１１の形状を上記のように設定した理由について説明する。

隅角部１１において、ハット形断面における凹面側の曲率半径と凸面側の曲率半径との関係に着目して、図９に示す状態を想定したモデルにより、土圧荷重を加えた際に生じる、アーム部７から継手部９にかけての作用モーメントを計算した。なお、ハット形鋼矢板１の隅角部１１の形状では複数の曲率形状を組み合わせて形成するケースも考えられるが、ここでは平均化処理して考えればよい。

上記の計算結果を、隅角部曲率半径比（＝凹面側の曲率半径／凸面側の曲率半径）とモーメント増加率との関係でグラフ化したものを図８に示す。図８においては、横軸が隅角部曲率半径比（＝凹面側の曲率半径／凸面側の曲率半径）であり、縦軸がモーメント増加率である。なお、モーメント増加率は、凹面側の曲率半径／凸面側の曲率半径＝1とした場合の作用曲げモーメントの最大値を基準値（＝1）として、そこからの増加率（低減率）で評価している。

図８を見ると理解されるように、隅角部曲率半径比（＝凹面側の曲率半径／凸面側の曲率半径）が1を下回るとモーメント増加率が急増するのに対し、隅角部曲率半径比（＝凹面側の曲率半径／凸面側の曲率半径）が1を上回るとモーメントがゆるやかに減少する。このことから、隅角部曲率半径比（＝凹面側の曲率半径／凸面側の曲率半径）＝1の場合をしきい値と考えることができ、隅角部曲率半径比が1を上回るようにすることによって、モーメント増加率を抑えることができる。

したがって、アーム部７とフランジ部５との連結部に位置する隅角部１１の好適な形状として、その凹面側の曲率半径が凸面側の曲率半径を上回るように形成されることを要件とすることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、ハット形断面における凹面側の曲率半径が凸面側の曲率半径よりも大きくなるように隅角部１１を形成したことにより、アーム部７とフランジ部５との連結部の曲げモーメントを小さく抑えることができ、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクをより低減することができる。

なお、上記の実施の形態１〜４のハット形鋼矢板１が連結され地中に設置されてなる壁体は、上述したハット形鋼矢板１と同様に、アーム部７とフランジ部５との連結部の曲げモーメントを小さく抑えることができ、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクをより低減することができる。

本発明に規定する構成要件の観点から、実施の形態１〜４に示したハット形鋼矢板１と従来規格品との差異を明らかにするために、従来規格品と本発明例とについての形状バランスを下記表１に示す。

上記表１に示すように、従来規格品は、実施の形態１〜４の要件である、（Ij−Ia）／I≦0.00025、（Ij−Ia）／I≦0.00022、（Ij−Ia）／I≦0.00018、（Ij−Ia）／I≦0.00013を満たしていないことが分かる。換言すれば、実施の形態１〜４に係るハット形鋼矢板１は、従来規格品に比較して、アーム部７とフランジ部５との連結部の曲げモーメントを小さく抑えることができ、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクを抑えられることが分かる。

本発明に規定する構成要件の観点から、実施の形態５に示したハット形鋼矢板１と従来規格品との差異を明らかにするために、従来規格品と本発明例とについて隅角部１１の形状を下記表２に示す。

上記表２に示すように、従来規格品は、実施の形態５の要件である隅角部１１の形状に関し、ハット形断面における凹面側の曲率半径が凸面側の曲率半径よりも大きくなるように隅角部１１が形成されていること、すなわち、（凹面側の曲率半径）／（凸面側の曲率半径）＞１を満たしていないことが分かる。換言すれば、実施の形態５に係るハット形鋼矢板１は、上記の要件を満たすことによって、従来規格品に比較して、アーム部７とフランジ部５との連結部の曲げモーメントを小さく抑えることができ、相対的に弱点部位となるアーム部７での変形及び破壊リスクを抑えられることが分かる。

本発明によれば、ハット形鋼矢板におけるアーム部及び継手部に作用する曲げモーメントを小さくして、アーム部での変形及び破壊リスクが抑制されたハット形鋼矢板を提供することができる。
また、本発明によれば、前記ハット形鋼矢板の継手部を連結して地中に設置することで形成される壁体を提供することができる。

１ハット形鋼矢板
３ウェブ部
５フランジ部
７アーム部
９継手部
１１隅角部
２１ハット形鋼矢板（従来例）
２３継手部（従来例）
２５アーム部（従来例）
２７断面剛性が均等な部材

Claims

ウェブ部の両端に一対のフランジ部が形成され、該一対のフランジ部の各端部に一対のアーム部が形成されるとともに、該一対のアーム部の各先端に一対の継手部が設けられたハット形鋼矢板において、
前記一対のアーム部の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Iaと、前記一対の継手部の弱軸方向の断面２次モーメントの平均値Ijと、前記ハット形鋼矢板１枚の弱軸方向の断面２次モーメントIとの関係が（１）式を満たすことを特徴とするハット形鋼矢板。
0≦（Ij−Ia）／I≦0.00025 ・・・・（１）
前記アーム部と前記フランジ部との連結部に位置する隅角部において、ハット形断面における凹面側の曲率半径が凸面側の曲率半径よりも大きくなるように前記隅角部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のハット形鋼矢板。
請求項１又は２に記載のハット形鋼矢板が、継手部を連結され地中に設置されてなることを特徴とする壁体。