JP6885362B2 - 鋼板耐震壁及びそれを備えた鋼板耐震壁構造 - Google Patents

Description

本発明は、建物の耐震性を高める鋼板耐震壁及びそれを備えた鋼板耐震壁構造に関する。

従来、鋼板耐震壁構造として、柱と梁とで構成される建物のフレーム内に鋼板耐震壁を設置して、地震又は台風等の外力に対する構造物全体の耐力を向上させる構成が知られている。例えば、特許文献１には、波形鋼板を用いた耐震壁が開示されている。この耐震壁は、柱又は梁の内周辺に、スタッド等の剪断力伝達要素が設けられ、波形鋼板の全周辺に、剪断力伝達要素へ接合するための接合用フレーム枠が取り付けられている。波形鋼板と接合用フレーム枠とは、水平力を伝達可能にボルト止め又は溶接で接合されている。

特開２００６−３７５８６号公報

特許文献１に開示された耐震壁は、波形鋼板を設置する柱及び梁にあらかじめ剪断力伝達要素を設けておき、更に現場で相当数量のボルトを締め付けて、波形鋼板を建物のフレームに接合する必要がある。ボルト接合によるボルトの精度は、一般的にボルト径±２ｍｍ以内とする必要がある。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は、建物の据え付けに高い精度が要求される。

一方、波形鋼板を溶接接合にて建物のフレームに接合する場合は、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、重量のある波形鋼板を吊った状態で溶接位置を仮固定する必要がある。更に、現場での横向き溶接などの熟練した技術も要する。そのため、溶接費、副資材費、及び検査費など、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。

ところで、上記のように、柱と梁とで構成される建物フレームに鋼板耐震壁を接合した耐震壁構造は、種々開示されている。しかし、地震エネルギの入力による耐力低下を防止するために必要十分な曲げ剛性を有する材料を選定して鋼板耐震壁を構成したものは、未だ見聞きしないし、開示もない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、地震エネルギの入力による耐力低下を防止するために必要十分な曲げ剛性を有する材料の選定を行うことができ、且つ建物のフレームに簡易に接合できる鋼板耐震壁及びそれを備えた鋼板耐震壁構造を提供することを目的とする。

本発明に係る鋼板耐震壁は、四角形状の鋼板と、前記鋼板の周縁部に溶接された枠部材と、前記枠部材の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、曲げ剛性比をφ、前記枠部材のヤング係数をＥ、前記枠部材の断面二次モーメントをＩ、前記鋼板の曲げ剛性をＤ、前記鋼板の高さをＨ、前記鋼板のヤング係数をＥ_Ｐ、前記鋼板の厚さをｔ_Ｗ、ポアソン比をνとすると、Ｄ＝（Ｅ_Ｐ×ｔ_Ｗ ^３）／１２（１−ν^２）であり、φ＝（Ｅ×Ｉ）／（Ｄ×Ｈ）＞２００を満たす構成であることを特徴とする。

本発明に係る鋼板耐震壁は、前記枠部材が、前記鋼板の左右の縁部に溶接された縦枠部材と、前記鋼板の上下の縁部に溶接された横枠部材と、前記鋼板の４つの角部にそれぞれ配置され、前記縦枠部材と前記横枠部材に溶接された角枠部材と、で構成され、前記接合部が、前記角枠部材に設置されていることを特徴とする。

本発明に係る鋼板耐震壁は、前記縦枠部材及び前記横枠部材が、角形鋼管、丸形鋼管又はＨ形鋼のうち何れかで構成されていることを特徴とする。

本発明に係る鋼板耐震壁は、前記鋼板に、座屈補剛材が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る鋼板耐震壁構造は、上記構成の鋼板耐震壁が、柱と梁で構成される建物のフレーム内にピン支持で接合されていることを特徴とする。

本発明によれば、地震エネルギの入力による耐力低下を防止するために必要十分な要件であるφ＞２００となるように材料を選定するので、必要十分な曲げ剛性を有する材料の選定を行うことができる。また、柱と梁で構成される建物のフレーム内に鋼板耐震壁がピン支持で接合される構成なので、建物のフレームに簡易に接合することができる。

本発明の実施の形態１に係る鋼板耐震壁構造を示した立面図である。 本発明の実施の形態１に係る鋼板耐震壁の縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る鋼板耐震壁の異なる形態を示した縦断面図である。 本発明の実施の形態１に係る鋼板耐震壁の異なる形態を示した縦断面図である。 図１に示したＸ部拡大図である。 図１に示したＹ−Ｙ線矢視の要部を拡大して示した断面図である。 枠部材の剛性が鋼板の座屈補剛に及ぼす影響をＦＥＭ解析した結果を示したグラフである。 本発明の実施の形態２に係る鋼板耐震壁構造を示した立面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付して、その説明を適宜省略または簡略化する。また、各図に記載の構成について、その形状、大きさ、及び配置等は、本発明の範囲内で適宜変更することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る鋼板耐震壁構造を示した立面図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る鋼板耐震壁の縦断面図である。図３及び図４は、本発明の実施の形態１に係る鋼板耐震壁の異なる形態を示した縦断面図である。図５は、図１に示したＸ部拡大図である。図６は、図１に示したＹ−Ｙ線矢視の要部を拡大して示した断面図である。実施の形態１に係る鋼板耐震壁構造１００は、図１に示すように、柱１０と梁１１で構成される建物のフレーム１２内に、鋼板耐震壁１がピン支持で接合された構成である。

鋼板耐震壁１は、図１に示すように、四角形状の１枚の鋼板２と、鋼板２の周縁部に接合された枠部材３と、枠部材３の４つの角部に設置されたピン支持可能な接合部４と、を備えている。

鋼板２は、一例として、縦横寸法が１６４０ｍｍ×１６４０ｍｍ程度、厚さが１２ｍｍ程度の正方形形状である。なお、鋼板２は、縦横寸法が３２４０ｍｍ×１６４０ｍｍ程度、厚さが１２ｍｍ程度の縦長の長方形形状としてもよい。鋼板２の縦横の寸法比は、縦寸法比が１〜２の範囲内であるのに対し、横寸法比が１〜２の範囲内であればよい。

枠部材３は、鋼板２の左右の縁部に溶接された縦枠部材５と、鋼板２の上下の縁部に溶接された横枠部材６と、鋼板２の４つの角部にそれぞれ配置され、縦枠部材５と横枠部材６に溶接された角枠部材７と、で構成されている。枠部材３の全体座屈耐力は、鋼板２の全体座屈耐力よりも大きく設定されている。

縦枠部材５及び横枠部材６は、図１及び図２に示すように、小径の角形鋼管で構成されている。なお、縦枠部材５及び横枠部材６は、図３に示す丸形鋼管で構成してもよいし、図４に示すＨ形鋼で構成して面外方向を強軸としてもよい。縦枠部材５及び横枠部材６をＨ形鋼で構成する場合には、図４に示すように、鋼板２の縁部をＨ形鋼のウェブに溶接接合する。また、縦枠部材５と横枠部材６の形状は、同じ形状の鋼材を使用してもよいし、異なる形状の鋼材を使用してもよい。

枠部材３の大きさは、接合される建物のフレーム１２の大きさ等に応じて、適宜に設定される。枠部材３の幅は、特に限定されないが、鋼板耐震壁１を建物のフレーム１２に設置した際に、その面外方向の幅が、柱１０の面外方向の柱幅以下で、且つ梁１１の面外方向の梁幅以下とされる。好ましくは、柱幅未満で、且つ梁幅未満とされる。

角枠部材７は、縦枠部材５と横枠部材６の面内耐力及び面外耐力以上の耐力を有するものとする。実施の形態１の鋼板耐震壁構造１００では、角枠部材７として、鋳鋼品を想定しており、ピン支持可能な接合部４をネジ止めできる構造とする。

接合部４は、図５及び図６に示すように、一例としてクレビスで構成されている。接合部４は、ネジ部材１６によって角枠部材７に取り付けられている。接合部４は、ネジ部材１６で角枠部材７に取り付ける構成とすることで、ネジの回転量に応じて長さを調整することができ、現場での建て方精度に応じた微調整が可能となる。なお、接合部４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、図５及び図６に示すように、柱１０と梁１１で構成される建物のフレーム１２の内周には、鋼板耐震壁１の接合部４と対応する位置に、ピン接合用のガセットプレート１３が溶接されている。具体的には、ガセットプレート１３は、建物のフレーム１２の四隅に溶接されている。なお、ガセットプレート１３は、柱１０との間に隙間を設けて梁１１に接合してもよい。また、ガセットプレート１３は、梁１１との間に隙間を設けて柱１０に接合してもよい。

ガセットプレート１３には、長円形状のピン接合用孔１４が形成されている。ピン接合用孔１４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。これにより、鋼板耐震壁１への軸力の導入を抑制することができ、鋼板耐震壁１の有する純せん断力に対する保有耐力及び変形性能を維持できる。

鋼板耐震壁１は、図６に示すように、ガセットプレート１３を挟み込むように接合部４を合わせ、接合部４の貫通孔とピン接合用孔１４とにピン１５を共通に差し込むことで、簡易に建物のフレーム１２内に設置することができる。鋼板耐震壁１は、横にずらして建物のフレーム１２内に配置でき、水平移動させることで、接合部４をガセットプレート１３に嵌め込むことが可能である。そのため、鋼板耐震壁１をガセットプレート１３に接合する際に、鋼板耐震壁１の位置決め等が容易であり、施工が簡易となる。鋼板耐震壁１は、接合部４を取り外す、或いは切断することで、容易にガセットプレート１３から取り外すことが可能である。よって、鋼板耐震壁構造１００は、地震被災後等で鋼板耐震壁１を取り替える必要が生じた場合に、交換又は復旧が容易である。なお、ピン１５は、特に限定されないが、鋼板耐震壁１の接合部４と建物のフレーム１２に溶接したガセットプレート１３とをピン支持で接合できるものであればよい。

なお、鋼板耐震壁構造１００では、鋼板耐震壁１の接合部４をガセットプレート１３に接合することによって、鋼板耐震壁１と柱１０及び梁１１との間に間隙を有している。これにより、鋼板耐震壁構造１００は、鋼板耐震壁１に伝達される柱１０及び梁１１の曲げ変形を効果的に抑制できる。

ところで、柱１０と梁１１とで構成される建物のフレーム１２内に鋼板耐震壁１を設置した鋼板耐震壁構造１００において、地震エネルギの入力による耐力低下を防止するために必要十分な曲げ剛性を有する材料を選定して鋼板耐震壁１を構成したものは、未だ見聞きしないし、開示もない。必要以上に曲げ剛性を有する材料を選定してしまうと材料費が無駄に嵩んでしまう。また、鋼板耐震壁１が厚くなったり形状が大きくなったりするため、製造した鋼板耐震壁を現場へ搬送する際の負担が増えるし、建物のフレーム１２への設置作業にも手間がかかる。

そこで、本出願人は、上記構成から成る鋼板耐震壁１において、必要十分な曲げ剛性を有する材料を選定するために、枠部材３の剛性が鋼板２の座屈補剛に及ぼす影響をＦＥＭ（有限要素法）解析により検討を行った。ＦＥＭ解析では、縦横寸法が１６４０ｍｍ×１６４０ｍｍ、厚さが１２ｍｍ程度の正方形形状の鋼板Ａと、縦横寸法が３２４０ｍｍ×１６４０ｍｍ、厚さが１２ｍｍ程度の縦長の長方形状の鋼板Ｂを、それぞれシェル要素で模擬した。これらの寸法は、鋼板耐震壁１として一般的な寸法だからである。なお、このＦＥＭ解析では、鋼板２に例えばスチフナ等の座屈補剛材を設けず、枠部材３を有する鋼板２の座屈荷重の変化に着目した。枠部材３の４つの角部に設置された接合部４のうち、下端部の２点は梁１１にピン接合し、上端部の２点は梁１１にピンローラー接合した。そして、上端部の２点に、水平荷重を同時に加え、座屈固有値解析を行った。

図７は、枠部材の剛性が鋼板の座屈補剛に及ぼす影響をＦＥＭ解析した結果を示したグラフである。縦軸は、座屈荷重Ｔ_ｅを示している。横軸は、曲げ剛性比φを示している。また、白丸は、正方形形状の鋼板Ａを示し、黒三角は、長方形状の鋼板Ｂを示している。Ａ１及びＢ１は、比較対象として枠部材を設けていない状態を示している。鋼板Ａ及び鋼板Ｂの曲げ剛性比φを徐々に増加させていき、Ａ６及びＢ６に示すように曲げ剛性比φが２００に到達すると、その後の座屈荷重がほぼ横ばいとなる。つまり、曲げ剛性比φが２００程度であることにより、枠部材３が面外変形を起こさない座屈荷重に到達することがわかる。よって、このＦＥＭ解析により、枠部材３の面外変形が生じないためには、曲げ剛性比φを２００よりも大きくすることが、枠部材３に求められる曲げ剛性比であると言える。

そこで、実施の形態１に係る鋼板耐震壁１では、曲げ剛性比をφ、枠部材３のヤング係数をＥ、枠部材３の断面二次モーメントをＩ、鋼板２の曲げ剛性をＤ、鋼板２の高さをＨ、鋼板２のヤング係数をＥ_Ｐ、鋼板２の厚さをｔ_Ｗ、ポアソン比をνとすると、
Ｄ＝（Ｅ_Ｐ×ｔ_Ｗ ^３）／１２（１−ν^２）であり、
φ＝（Ｅ×Ｉ）／（Ｄ×Ｈ）＞２００の関係を満たす構成とする。

つまり、曲げ剛性比φは、（Ｅ×Ｉ）／（Ｄ×Ｈ）であるから、鋼板２の寸法が決定すれば、鋼板２の曲げ剛性Ｄ及び鋼板２の高さＨが決定されるため、必要となる枠部材３の曲げ剛性（Ｅ×Ｉ）が計算される。この曲げ剛性（Ｅ×Ｉ）を満たすように枠部材３の断面が決定する。なお、枠部材３に必要とされる値は、断面二次モーメントであるため、形状は既定されない。

上記したように、実施の形態１に係る鋼板耐震壁構造１００は、地震エネルギの入力による耐力低下を防止するために必要十分な要件であるφ＞２００となるように材料を選定することで、必要十分な曲げ剛性を有する材料の選定を行うことができる。よって、鋼板耐震壁構造１００は、φを２００程度とすることで、鋼板耐震壁１の枠部材３を従来よりも縮小させることができるので、材料費を削減することができ、且つ製造した鋼板耐震壁１を現場へ搬送する際の負担を軽減でき、建物のフレーム１２への設置作業の負担も軽減できる。なお、図７から明らかなように、曲げ剛性比φが３００を超えるような材料を選定しても、力学的な挙動は変わらない。そのため、曲げ剛性比φの範囲が、３００＞φ＞２００となるように、材料を選定することが望ましい。

また、枠部材３は、鋼板２の左右の縁部に溶接された縦枠部材５と、鋼板２の上下の縁部に溶接された横枠部材６と、鋼板２の４つの角部にそれぞれ配置され、縦枠部材５と横枠部材６に溶接された角枠部材７とで構成されている。よって、鋼板耐震壁１は、枠部材３が、縦枠部材５、横枠部材６及び角枠部材７を組み合わせた簡易な構成なので、製造が容易であり、製造コストを抑えることができる。

また、縦枠部材５及び横枠部材６は、角形鋼管、丸形鋼管又はＨ形鋼のうち何れかで構成されている。よって、鋼板耐震壁１は、特殊な鋼材ではなく一般的な鋼材で枠部材３を構成しているので、製造コストを抑えることができる。

また、実施の形態１に係る鋼板耐震壁構造１００は、上記構成の鋼板耐震壁１が、柱１０と梁１１で構成される建物のフレーム１２内にピン支持で接合されている。よって、鋼板耐震壁構造１００は、鋼板耐震壁１を建物のフレーム１２に接合する際に、ピン接合位置での相対位置関係について精度を確保する程度の簡単な作業で済むので、現場での鋼板耐震壁１の設置が簡易かつ短工期で可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る鋼板耐震壁構造１０１について説明する。図８は、本発明の実施の形態２に係る鋼板耐震壁構造を示した立面図である。なお、実施の形態１で説明した鋼板耐震壁構造１００と同一の構成について、同一の符号を付して、その説明を適宜省略する。

実施の形態２に係る鋼板耐震壁構造１０１は、鋼板耐震壁１の鋼板２の表面及び裏面に座屈補剛材８が設けている。座屈補剛材８は、一例としてスチフナであり、鋼板２と直交するように立設されている。座屈補剛材８は、鋼板２の表面に縦方向、鋼板の裏面に横方向に溶接接合した形式で設けることが好ましい。なお、座屈補剛材８は、鋼板２が所定の剪断変形量に対して面外に全体座屈しないように、間隔、板厚及び高さを調整して設けるものとする。また、座屈補剛材８は、図示した形態に限定されず、所定の耐力を得ることができれば、他の形態でもよい。

以上に本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態の構成に限定されるものではない。上記実施の形態では、建物のフレーム１２内に鋼板耐震壁１を一つ設けた構成を示したが、柱１０又は梁１１の長手方向に沿って鋼板耐震壁１を２つ以上設けた構成でもよい。また、鋼板耐震壁１は、１枚の鋼板を用いた構成を示したが、２枚以上の鋼板で構成してもよい。要するに、いわゆる当業者が必要に応じてなす種々なる変更、応用、利用の範囲をも本発明の要旨（技術的範囲）に含むことを念のため申し添える。

１ 鋼板耐震壁、２ 鋼板、３ 枠部材、４ 接合部、５ 縦枠部材、６ 横枠部材、７ 角枠部材、８ 座屈補剛材、１０ 柱、１１ 梁、１２ フレーム、１３ ガセットプレート、１４ ピン接合用孔、１５ ピン、１６ ネジ部材、１００、１０１ 鋼板耐震壁構造。

Claims (5)

1. 四角形で平板状の鋼板と、
   前記鋼板の周縁部に溶接された枠部材と、
   前記枠部材の４つの角部に設置され、回転拘束しないピン支持可能な接合部と、を備え、
   曲げ剛性比をφ、前記枠部材のヤング係数をＥ、前記枠部材の断面二次モーメントをＩ、前記鋼板の曲げ剛性をＤ、前記鋼板の高さをＨ、前記鋼板のヤング係数をＥ_Ｐ、前記鋼板の厚さをｔ_Ｗ、ポアソン比をνとすると、
   Ｄ＝（Ｅ_Ｐ×ｔ_Ｗ ^３）／１２（１−ν^２）であり、
   φ＝（Ｅ×Ｉ）／（Ｄ×Ｈ）＞２００を満たす構成であることを特徴とする、鋼板耐震壁。
2. 前記枠部材は、
   前記鋼板の左右の縁部に溶接された縦枠部材と、
   前記鋼板の上下の縁部に溶接された横枠部材と、
   前記鋼板の４つの角部にそれぞれ配置され、前記縦枠部材と前記横枠部材に溶接された角枠部材と、で構成され、
   前記接合部は、前記角枠部材に設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の鋼板耐震壁。
3. 前記縦枠部材及び前記横枠部材は、角形鋼管、丸形鋼管又はＨ形鋼のうち何れかで構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の鋼板耐震壁。
4. 前記鋼板には、座屈補剛材が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼板耐震壁。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の鋼板耐震壁が、柱と梁で構成される建物のフレーム内にピン支持で接合されていることを特徴とする、鋼板耐震壁構造。

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