JP6669088B2

JP6669088B2 - 鋼板耐震壁、耐震フレームおよびこれを備えた建物

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Publication number: JP6669088B2
Application number: JP2017013082A
Authority: JP
Inventors: 植木　卓也; 卓也植木; 隼平安永
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2037-01-27
Also published as: JP2018119364A

Description

本発明は、鋼板耐震壁に関し、特に建物の耐震性を高める鋼板耐震壁に関する。

従来の一般的な鋼板壁を用いた耐震フレームは、座屈補剛材（スチフナ）などで座屈補剛された鋼板壁を、建物の柱（間柱）と梁で構成される建物のフレームに配置し、前記鋼板壁の四周縁部を、柱、間柱や梁に設置した接合部材を介して建物のフレームに溶接接合あるいはボルト接合することで作製されている。

図４は、かかる従来の鋼板壁を用いた耐震フレームの一例を示す立面図であり、図５は、前記耐震フレームにおける鋼板壁と建物のフレームとの接合部の詳細を示す部分水平断面図である。

図４に示される耐震フレーム１００は、鋼板壁５０が、建物の柱２（間柱３）と梁４で構成される建物のフレームにボルト接合されて構成されている。前記鋼板壁５０は、一枚板の鋼板５２と、前記鋼板５２の表面及び裏面に、前記鋼板５２と直交するように立設された座屈補剛材（スチフナ）５４とから構成されている。前記鋼板壁５０の四周縁部には、建物のフレームとの接合部材（鋼板壁５０側のガセットプレート５６）が設けられている（図４、図５）。また、前記建物のフレームの内周には、鋼板壁５０との接合部材（建物フレーム側のガセットプレート６０）が設けられている。

図５に示されるように、鋼板壁５０を前記建物のフレームに接合する際には、鋼板壁５０側のガセットプレート５６と、建物フレーム側のガセットプレート６０を、スプライスプレート７０で挟み、このスプライスプレート７０を介して、前記ガセットプレート５６とガセットプレート６０を複数の高力ボルト７２で締め付けることで、鋼板壁５０を前記建物のフレームに接合する。

上記のような鋼板壁の接合方法では、柱や梁に生じる軸力や曲げ変形が鋼板壁に伝達し、鋼板壁の性能を低下させる場合がある。そこで、柱や梁に生じる軸力や曲げ変形が鋼板壁に伝達するのを抑制するようにした鋼板壁の接合方法が提案されている。

例えば、非特許文献１には、鋼板壁を格子状に配置することで、柱や梁の曲げ変形が鋼板壁に伝達することを抑制する方法が提案されている。

特許文献１には、波形鋼板を用い、その折り筋を水平方向に向けるように建物のフレームに接合することで、柱軸力が鋼板壁に伝達するのを抑制する方法が提案されている。

特開２００６−３７５８６号公報

木原ら、「極低降伏点鋼を用いた制振鋼板壁の設計」、鋼構造年次論文報告集、１９９７年１１月、第５巻、pp.523-530

上記従来の鋼板壁を用いた耐震フレームでは、鋼板壁を設置する柱（間柱）および梁にあらかじめ接合部材を溶接接合などで取り付けておき、さらに現場で相当数量の高力ボルトをスプライスプレートを介して締め付けて、前記鋼板壁を建物のフレームに接合する必要があった。

このようなボルト接合におけるボルト孔の精度は、一般的にボルト径±２ｍｍ以内とされる必要があり、このクリアランス内で全てのボルトを締め付けるために、建物の据付に高い精度が要求されていた。

また、鋼板壁に軸力が導入されると、純せん断力に対する保有耐力および変形性能に比べて鋼板壁の性能が低下する傾向にある。そのため、施工時の鋼板壁への軸力導入を出来る限り抑えるために、１次締めで鋼板壁を建物のフレームに取り付けた後、周辺の耐震フレームの施工をある程度完了させてから本締めを行って鋼板壁を建物のフレームに接合する必要があり、この施工作業は非常に手間がかかるものであった。

一方、鋼板壁を溶接接合にて建物のフレームに接合する場合は、上記のようなボルト孔の精度やボルト締めに掛かる工数を減らすことが可能となる。しかし、重量のある鋼板壁を吊った状態で溶接位置を仮固定する必要があり、さらには現場での横向き溶接などの熟練した技術を要する。結果として、溶接費、副資材費、検査費などの多くの費用が掛かり、品質管理や工期といった別の問題も生じるため、採用される事例は少ない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、建物のフレームに簡易に接合できる鋼板耐震壁を提供することを目的とする。

鋼板壁全体にせん断変形を生じさせるためには、鋼板壁の四周縁部を、所定の面外剛性を有する部材と連続的に接合する必要がある。そのため、従来の鋼板壁では、鋼板壁の四周縁部を、建物の柱（間柱）や梁に接合していた。

本発明では、鋼板壁の四周縁部を、柱（間柱）や梁とは別の部材である枠材に接合した鋼板耐震壁とすることにより、この鋼板耐震壁を建物のフレームと切り離して事前に工場で製作できるようにした。これにより鋼板壁の縁部の接合を簡易な下向き溶接接合とし、鋼板耐震壁を簡易に作製することが可能となった。

さらに、本発明では、鋼板耐震壁を建物のフレームに接合する際の接合部材を、拘束材（枠材）で囲まれた鋼板耐震壁の角部に設置したピン支持可能な接合部とすることで、施工現場で、前記接合部を柱あるいは梁に設置された接合部材とピン支持により接合するだけで、特殊な技術を要することなく、鋼板耐震壁を建物のフレームに簡易に接合できるようにした。

本発明は、以下の構成を有する。
［１］鋼板と、該鋼板に立設された座屈補剛材とで構成される鋼板壁と、前記鋼板壁の四周縁部に溶接された枠材と、前記枠材の４つの角部に設置されたピン支持可能な接合部と、を備える鋼板耐震壁。
［２］柱と梁で構成される建物のフレームに、［１］に記載の鋼板耐震壁がピン支持で接合された、耐震フレーム。
［３］［２］に記載の耐震フレームを備えた建物。

本発明によれば、建物のフレームに簡易に設置できる鋼板耐震壁を提供することができる。

図１は、本発明の耐震フレームの一実施形態を示す立面図である。図２は、図１の耐震フレームの部分断面図であり、（ａ）は、鋼板耐震壁と建物のフレームとの接合部の詳細を示す縦方向の部分断面図、（ｂ）は、前記接合部以外の箇所の水平方向の部分断面図である。図３は、図１の耐震フレームの接合部の詳細を説明する説明図（部分立面図）である。図４は、従来の鋼板壁を用いた耐震フレームの一例を示す立面図である。図５は、図４の耐震フレームにおける鋼板壁と建物のフレームとの接合部の詳細を示す部分水平断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。

図１は、本発明の耐震フレーム１を示す立面図である。

耐震フレーム１は、柱２と梁４で構成される建物のフレームに、鋼板耐震壁１０がピン支持で接合されて構成されている。

前記鋼板耐震壁１０は、鋼板壁２０と、前記鋼板壁２０の四周縁部に溶接された枠材３０と、前記枠材３０の４つの角部に設置されたピン支持可能な接合部４０とを備える。

前記鋼板壁２０は、一枚板の鋼板２２と、該鋼板２２の表面及び裏面に、該鋼板２２と直交するように立設された座屈補剛材（スチフナ）２４とで構成されている。

前記枠材３０は、前記鋼板壁２０の上下の縁部に溶接された横枠部材３２と、前記鋼板壁２０の左右の縁部に溶接された縦枠部材３４と、４つの角部に溶接された角枠部材３６とから構成されている。前記枠材３０（横枠部材３２、縦枠部材３４、角枠部材３６）は、鋼部材で構成され、それぞれの全体座屈耐力は、鋼板壁２０の全体座屈耐力より大きくされている。

上記枠材３０の大きさは、接合される建物のフレームの大きさ等に応じて、適宜に設定される。上記枠材３０の幅は、特に限定されないが、鋼板耐震壁１０を建物のフレームに接合した際に、その面外方向の幅が、柱２の面外方向の柱幅Ｗ_２以下で、かつ、梁４の面外方向の梁幅Ｗ_４以下とされる。好ましくは、柱幅Ｗ_２未満で、かつ、梁幅Ｗ_４未満とされる（図２（ａ）、（ｂ））。

また、本実施形態では、上記枠材３０として、小径の角形鋼管を用いているが、所定の耐力を有していれば、円形鋼管を用いても良いし、面外方向を強軸とするＨ鋼を用いても良い。また、横枠部材３２と、縦枠部材３４との形状は、同じでもよいし異なってもよい。

前記角枠部材３６は、横枠部材３２、縦枠部材３４の面内および面外耐力以上の耐力を有するものとする。本実施形態では、角枠部材３６として、鋳鋼品を想定しており、前記角枠部材３６を、ピン支持可能な接合部４０（以下、単に、「接合部４０」という）をネジ止めできる構造としている。

前記接合部４０は、前記角枠部材３６に設置されている。図２（ａ）は、鋼板耐震壁１０と建物のフレームとの接合部の詳細を示す縦方向の部分断面図である。図２（ａ）に示されるように、本実施形態において、接合部４０は、クレビス４２で構成され、前記クレビス４２はネジ部４４により前記角枠部材３６に螺着されている。クレビス４２としては、特に限定されないが、鋳鋼品等を用いることができる。

図１に示されるように、前記柱２と梁４で構成される建物のフレームの内周には、鋼板耐震壁１０の接合部４０（クレビス４２）と対応する位置に、ピン接合用のガセットプレート６が溶接されている。本実施形態では、ガセットプレート６は、建物のフレーム内周の四隅と中央付近に溶接されているが、これに限定されず、例えば前記四隅に溶接されたガセットプレート６を、柱２との間に隙間を設けて梁４だけに溶接したり、これとは逆に、梁４との間に隙間を設けて柱２だけに溶接するようにしてもよい。

前記ガセットプレート６には、ピン接合用の孔が形成されている。図３は、耐震フレームの接合部の詳細を説明する説明図（部分立面図）である。本実施形態においては、前記ピン接合用の孔が長孔６ａとされている。前記長孔６ａは、柱軸方向を長径とし、柱軸方向に対して、軸力による変形分に相当するクリアランスをもって形成されている。

本発明の耐震フレーム１の施工方法を説明する。

本発明の耐震フレーム１の施工方法の一例としては、鋼板耐震壁１０を作製する鋼板耐震壁１０の作製工程と、前記作製工程で作製した鋼板耐震壁１０を、柱と梁で構成される建物のフレームにピン支持で接合する鋼板耐震壁１０の接合工程とを有する。

（鋼板耐震壁１０の作製工程）
鋼板耐震壁１０の作製工程は、鋼板壁２０を作製する工程と、枠材３０を作製する工程と、前記枠材３０の内周に前記鋼板壁２０を接合する工程とを有する。

鋼板壁２０を作製する工程では、はじめに、地震力に応じた建物の必要保有水平耐力に応じて、一枚板の鋼板２２の鋼種や板厚を決定する。さらに所定の剪断変形量に対して前記鋼板２２が面外に全体座屈しないように前記鋼板２２に立設する座屈補剛材（スチフナ）２４の間隔、板厚、高さを決定する。そして、前記鋼板２２の表面及び裏面に、座屈補剛材２４を、前記鋼板２２に対して直交するように溶接接合して鋼板壁２０を作製する。図１に示されるように、座屈補剛材２４は、鋼板２２の表面に縦方向、鋼板２２の裏面に横方向に溶接接合した形式（片面交差形式）で設置されるのが好ましい。ただし、所定の耐力が得られる限り座屈補剛の形式はこれに限定されない。

枠材３０を作製する工程では、鋼板壁２０の四周縁部の面外変形を拘束するための枠部材（横枠部材３２、縦枠部材３４、角枠部材３６）を、鋼板壁２０を取り囲むような形状で溶接接合して、枠材３０を作製する。

枠材３０の内周に前記鋼板壁２０を接合する工程では、上記工程で作製された枠材３０の内周に、鋼板壁２０を溶接接合にて接合する。この際、鋼板壁２０の四周縁部に開先を設けておき、裏当て金を用いた完全溶け込み溶接とする。ただし、所定の溶接耐力が得られれば、両面開先による完全溶け込み溶接や、隅肉溶接などで、枠材３０に鋼板壁２０を接合してもよい。上記鋼板壁２０の溶接接合は、簡易な下向き溶接で行うことが可能である。

次に、枠材３０の角枠部材３６に、接合部４０をネジ止めして、鋼板耐震壁１０を作製する。

以上の鋼板耐震壁１０の作製工程は、全て工場内で実施することが可能であり、鋼板耐震壁１０を工場内で簡易に作製することができる。なお、前記作製工程の一部を現場で実施することも任意である。

（鋼板耐震壁１０の接合工程）
鋼板耐震壁１０の接合工程では、上記鋼板耐震壁１０の作製工程で作製した鋼板耐震壁１０を、現場に搬送し、柱と梁で構成される建物のフレームにピン支持で接合して設置する。その際、図２（ａ）に示されるように、建物のフレーム内にあらかじめ設置されたガセットプレート６を挟み込むように、鋼板耐震壁１０の接合部４０（クレビス４２）を合わせてピンＰを差し込むことで、簡易に上記建物のフレームに鋼板耐震壁１０を設置することができる。なお、前記ピンＰとしては、特に限定されず、鋼板耐震壁１０の接合部４０（クレビス４２）と前記ガセットプレート６のピン接合用の孔に挿入し、鋼板耐震壁１０と建物のフレームとをピン支持で接合できるものであればよい。

本実施形態においては、鋼板耐震壁１０を、横にずらして建物のフレーム内に配置し、鋼板耐震壁１０を水平移動させることで、鋼板耐震壁１０の接合部４０（クレビス４２）を前記建物のフレーム内に設置されたガセットプレート６にはめ込むことが可能であり、鋼板耐震壁１０の位置決め等が容易で施工が簡易である。

耐震フレーム１は、図１に示されるように、鋼板耐震壁１０がその４つの角部に設置された接合部４０により建物のフレームに接合されることで、鋼板耐震壁１０と梁４との間に間隙を有している。また、鋼板耐震壁１０と柱２との間にも間隙を有している。さらに、本実施形態においては、建物のフレームの内周に、２つの鋼板耐震壁１０を水平方向に離間して接合し、前記鋼板耐震壁１０同士の間にも間隙を有している。これにより、柱２、梁４の曲げ変形が鋼板耐震壁１０に伝達するのをより抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、鋼板壁の四周縁部を連続拘束する部材として、柱や梁とは別の部材である枠材を用いることにより、鋼板壁の四周縁部と枠材との接合を含めた鋼板耐震壁の製作を工場内で可能とした。本発明の鋼板耐震壁は、特殊な技術が不要な下向きの溶接接合により作製することが可能である。

本発明によれば、鋼板耐震壁と建物のフレームとの接合をピン接合とすることで、工数や精度が必要となるボルト接合を不要とし、かつ、特殊な横向き溶接での接合を不要とした。本発明の鋼板耐震壁を建物のフレームに接合する際には、ピン接合位置での相対位置関係について精度を確保すればよく、現場での鋼板耐震壁の設置が簡易かつ短工期で可能となる。

また、本発明によれば、建物のフレームに設置したガセットプレートのピン接合用の孔を、柱軸方向に対して軸力による変形に相当するクリアランスを持った長孔とすることで、鋼板耐震壁への軸力の導入を抑制することができ、鋼板耐震壁の有する純せん断力に対する保有耐力、変形性能を維持できる。

さらに、梁が長い場合等には、梁がせん断変形することにより曲げ変形が卓越することが想定されるが、本発明では、鋼板耐震壁と梁との接合部が連続的でなく、該接合部を建物のフレームの梁の端部あるいは中央部付近としたため、鋼板耐震壁の曲げ変形を抑制することができ、鋼板耐震壁の有する純せん断力に対する保有耐力、変形性能を維持できる。

また、本発明によれば、鋼板耐震壁の角部に設置する接合部をネジ式とすることで、ネジの回転量に応じて長さを調整することが可能となり、現場での建て方精度に応じた微調整が可能となる。

さらに、地震被災後等に、鋼板耐震壁を取り替える必要が生じた場合には、接合部を取り外す、あるいは切断することで容易に建物のフレームから取り外すことが可能となり、交換や復旧が容易となる。

本発明の鋼板耐震壁の座屈荷重をＦＥＭ（有限要素法）解析により解析し、従来の鋼板壁を用いた耐震フレームの座屈荷重と比較した。

本実施例においては、枠材の剛性に着目し、座屈補剛材を設けていない鋼板耐震壁をシェル要素とし、四周の枠材を梁要素とした解析モデルで弾性座屈解析を行った。鋼板耐震壁は１６４０ｍｍ×１６４０ｍｍ×１２ｍｍの正方形鋼板とし、梁要素の面外曲げ剛性Ｉｘ、面内剛性Ｉｙ、ねじり剛性Ｊを変えながら、せん断荷重を与えた。

その結果、Ｊ＝１.０×１０^５（ｍｍ^４）、Ｉｙ≒０（ｍｍ^４）のとき、Ｉｘ＝１．０×１０^７（ｍｍ^４）以上の面外剛性があれば、図４に示される従来の鋼板壁を用いた耐震フレームを模擬して、四周の境界条件を面外回転固定としたときの弾性座屈耐力に達することが確認できた。この断面性能を保有するＨ形鋼としては、Ｈ−１５０×１５０×７×１０で足りる。これは、建物の設計条件によるが、一般的に用いられる柱や梁の断面より十分小さいと言える。このことから、本発明の鋼板耐震壁において、従来の鋼板壁を用いた耐震フレームと同等の座屈荷重を確保できることがわかる。

１、１００耐震フレーム
２柱
３間柱
４梁
６ガセットプレート
６ａ長孔
１０鋼板耐震壁
２０、５０鋼板壁
２２、５２鋼板
２４、５４座屈補剛材
３０枠材
３２横枠部材
３４縦枠部材
３６角枠部材
４０ピン支持可能な接合部
４２クレビス
４４ネジ部
５６ガセットプレート（鋼板側）
６０ガセットプレート（建物のフレーム側）
７０スプライスプレート
７２高力ボルト
Ｐピン

Claims

鋼板と、該鋼板に立設された座屈補剛材とで構成される鋼板壁と、
前記鋼板壁の四周縁部に溶接された枠材と、
前記枠材の４つの角部に設置されたピン支持可能な接合部と、を備え、
前記枠材は、前記鋼板壁の上下の縁部に溶接された横枠部材と、前記鋼板壁の左右の縁部に溶接された縦枠部材と、４つの角部に溶接された角枠部材とから構成され、
前記角枠部材に前記接合部が設置された、鋼板耐震壁。
前記角枠部材が、前記横枠部材、前記縦枠部材の面内および面外耐力以上の耐力を有する、請求項１に記載の鋼板耐震壁。
前記接合部が、前記角枠部材にネジ止めされてなる、請求項１または２に記載の鋼板耐震壁。
前記接合部が、クレビスで構成される、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼板耐震壁。
柱と梁で構成される建物のフレームに、請求項１〜４のいずれかに記載の鋼板耐震壁がピン支持で接合された耐震フレーム。
請求項５に記載の耐震フレームを備えた建物。