WO2011121794A1

WO2011121794A1 - 建築用鋼製折板および建築用鋼製折板を用いた建築構造

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Publication number: WO2011121794A1
Application number: PCT/JP2010/056132
Authority: WO
Inventors: 田中浩史; 河合良道; 川上寛明; 杉原正美; 小島由紀夫; 野口悟志; 藤家充朗
Original assignee: 新日本製鐵株式会社
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-06
Also published as: JP5146622B2; JPWO2011121794A1

Abstract

上端に上フランジ面を形成させた山部と下端に下フランジ面を形成させた谷部とがウェブを介して交互にかつ連続的に設けられた鋼製折板において、鋼製折板の稜線に対して直交する方向に２つの長尺の支持部材を設置して前記鋼製折板の下方を支持し、鋼製折板の上に直径８０ｍｍの載荷盤を載せ、当該載荷盤に負荷する荷重を変化させながら載荷盤の沈み込み量を測定し、荷重を縦軸に、載荷盤の沈み込み量を横軸とするグラフに測定値をプロットした曲線で表したとき、最大荷重に達するまで曲線の傾きが常に正、または、正とゼロであることを特徴とする建築用鋼製折板である。

Description

建築用鋼製折板および建築用鋼製折板を用いた建築構造

　本発明は、屋根の野地板や床下地として用いる建築用鋼製折板およびそれを用いた建築構造に関するものである。

　図１５は、家屋等の構造物１０１の構成を妻側から見た図である。構造物１０１は、基礎工事を経て、基礎１０２の上に土台１０３が敷設される。構造物１０１は、土台１０３から上方に延長された柱１０４が立設され、梁１０５が柱１０４間に架設される。

　また構造物１０１は、小屋梁１０５ａが柱１０４の上端部間に略水平に架設され、当該小屋梁１０５ａには、束１０６が多角的に形成される。束１０６の上端には母屋１０８が一定の間隔に亘って固定されている。また、母屋１０８の上端には、更に屋根下地材として野地板１０９が設けられ、野地板１０９により、瓦等を初めとした屋根仕上げ材が支持されることになる。
　同様に、土台１０３や梁１０５の上に床の下地１１０が設けられ、床仕上げ材が支持されることになる。

　このような家屋等の構造物１０１において、従来は、例えば厚み１２~１８ｍｍ程度の木質合板等を野地板１０９あるいは床の下地１１０として使用する場合が多かった。しかしながら、この野地板１０９あるいは床の下地１１０としての木質合板は、長期的に耐久性を維持することが困難であった。

　一方、工場や倉庫等の屋根材としては金属製折板が頻繁に使用されている。折板は、上端に上フランジ面を形成させた山部と、下端に下フランジ面を形成させた谷部とが傾斜部を介して交互に、かつ、連続的に構成された鋼板であるが、スパンを飛ばして支え材を省略すべく高さを５０ｍｍ以上としているものが多く、板厚も１．０ｍｍ以上のものが多い。

　実際に特許文献１には、屋根用の折板が開示されている。この特許文献１の開示技術では、一側縁部に雌型嵌合継ぎ手を有すると共に、他側縁部に雄型嵌合継ぎ手を有する継ぎ手付き折板において、隣り合う継ぎ手付き折板相互の継ぎ手を嵌合させた場合に、継ぎ手嵌合部における嵌合部長手方向のせん断方向へのズレ抵抗を高めるために、雌型嵌合継ぎ手および雄型嵌合継ぎ手の係合面を、粗面として構成し、或いは凹部あるいは凸部を設けている。

　また、このような折板は、外壁としても従来用いられている。この外壁用の折板において、山高さ（ウェブ高さ）が木質合板の厚さと同じ寸法のものもあるが、強度的には風に抵抗できる程度の山高さで十分である。リブの形状は、強度よりもむしろ意匠性が重要視されている。
　特許文献２には、断面梯形状で左右に傾斜面を有する折り曲げられた波形の野地板が記載されている。この波形板は積雪地域での使用を前提としており、野地板に暖気導入孔が設けられている。

　また、特許文献３には、折板（デッキプレートとも呼称している）で、上フランジ面に折板の稜線方向に沿って凹状のリブが付けられたものが開示されている。

特開２００７−２３１７０３号公報特開平１０−５４１１６号公報特開平９−３０２９９４号公報

　ところで、家屋等の屋根の野地板として折板を使用する場合には、作業者が折板の上に直接乗って作業をする状況が考えられる。このため、折板は、作業者が作業を行う上での安定性を確保するために、作業者が乗っても変形しないという要求性能を満たす必要があった。すなわち、野地板用の折板は屋根骨組への取付け時に作業者を支える作業板として、取付け後は屋根仕上げ材を保持する下地材として機能する必要があった。

　また、従来の木質合板製の野地板は、風雪や雨水また地面からの湿気等に曝され、腐食や劣化がおき易く、その耐久性に問題があった。
　特に、昨今の家屋建築に要求される、いわゆる「百年住宅」のコンセプトに求められている長期間耐久性には、木質合板製野地板では応えることはできない。そのため野地板として、鋼製折板が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

　一方で、他の部材との寸法関係を考えると従来の野地板よりも高さを増やすことは設計上難しく、また、重量の大幅な増加（設計荷重の増加）は、家屋の構造そのものを変えることになり避ける必要がある。　従来の木質合板製野地板は、山高さ１２ｍｍ~１８ｍｍで、その重量が約７ｋｇ／ｍ^２であるのが一般的であった。

　しかし、上記鋼製折板を用いた野地板は、作業時の安全・安定性を満足するため、剛性を高める必要がある。山高さおよび板厚の大きい鋼製折板は、剛性に優れているものの、木質合板製野地板よりも数十倍重くなり、現在の木造建築での設計変更を余儀なくされ実用的ではなかった。

　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、現在の木造建築設計へ適用することができ、家屋等の構造物の屋根の野地板あるいは床板の耐久性を向上させることができ、しかも作業者が乗っても変形が少ない鋼製折板とそれを用いた建築構造を提供することにある。

　本発明者らは、上記課題解決のために鋭意検討した結果、鋼製折板に人間等の重量がかかったときに、曲げ抵抗機構モードのたわみと引張抵抗機構モードのたわみが生じ、その合成した反発力にて荷重を支えることができることを見出し、本発明に至った。本発明の要旨とするところは以下の通りである。

　（１）上端に上フランジ面を形成させた山部と下端に下フランジ面を形成させた谷部とがウェブを介して交互にかつ連続的に設けられた鋼製折板において、鋼製折板の稜線に対して直交する方向に２つの長尺の支持部材を設置して前記鋼製折板の下方を支持し、鋼製折板の上に直径８０ｍｍの載荷盤を載せ、当該載荷盤に負荷する荷重を変化させながら載荷盤の沈み込み量を測定し、荷重をＹ軸に、載荷盤の沈み込み量をＸ軸とするグラフに測定値をプロットした曲線で表したとき、最大荷重に達するまで曲線の傾きが常に正、または、正とゼロであることを特徴とする建築用鋼製折板。
　ここで、最大荷重とは、鋼製折板が破断または著しく変形するまでに耐えることができた最大の荷重を指す。

　（２）前記鋼製折板が以下の式（Ａ）を満足することを特徴とする（１）に記載の建築用鋼製折板。
　Ｈ×（ｔ／Ｗ）^３　＞　６．１×１０^−６・・・・（Ａ）
ここで、Ｗ：鋼製折板の上フランジ面の繰り返しピッチ（ｍｍ）
　　　　ｔ：鋼製折板の板厚（ｍｍ）
　　　　Ｈ：鋼製折板の山（ウェブ）高さ（ｍｍ）

　（３）前記鋼製折板において、前記上フランジ面と前記ウェブのなす角、および前記下フランジ面と前記ウェブのなす角が、９０度以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の建築用鋼製折板。

　（４）前記鋼製折板の板厚が２．３ｍｍ以下であることを特徴とする（１）~（３）記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。

　（５）前記鋼製折板の上フランジ面の幅および前記鋼製折板の下フランジ面の幅が８０ｍｍ未満であることを特徴とする（１）~（４）記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。

　（６）前記鋼製折板の上フランジ面の幅および前記鋼製折板の下フランジ面の幅が１１ｍｍ以上２７ｍｍ未満であることを特徴とする（１）~（５）記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。

　（７）前記鋼製折板の上フランジ面に、その稜線方向に沿って凹状のリブが形成され、当該凹状のリブの深さが、板厚の４倍以上１２倍以下であることを特徴とする（１）~（６）記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。

　（８）前記（１）~（７）のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板が、その稜線を母屋と直交するよう母屋に接合され、屋根仕上げ材を支える野地板として配設されていることを特徴とする鋼製折板を用いた建築構造。

　（９）前記（１）~（７）のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板が、床仕上げ材を支える下地として配設されていることを特徴とする建築用鋼製折板を用いた建築構造。

　（１０）（８）または（９）記載の建築構造は、上記折板上フランジ面の幅並びに上記折板下フランジ面の幅は、板厚の７４０倍を当該折板を構成する材料の降伏点の二乗根で除した値の３倍以下であることを特徴とする。

　（１１）（８）または（９）記載の建築構造は、請求項上記折板上フランジ面の幅並びに上記折板下フランジ面の幅は、作業者の足先径の１／７以上１／３未満であることを特徴とする。

　上述した構成からなる本発明では、家屋等の構造物の屋根の野地板あるいは床仕上げ材の下地の耐久性を向上させることができ、しかも作業者が乗っても座屈し難い折板を用いた建築構造を構成することが可能となる。

本発明を適用した鋼製折板が適用される家屋等の屋根構造を妻側から示した図である。本発明を適用した鋼製折板の斜視図である。本発明を適用した鋼製折板の平面図である。上フランジ面の幅Ｗｕまたは下フランジ面の幅Ｗｌと作業者の足先径Ｌｃの関係について説明するための図である。本発明を適用した鋼製折板について、各フランジ面の長手方向に沿ってリブを形成させた例を示す図である。上フランジ面において２列の凹状のリブを設けた例を示す図である。各リブの上フランジ面並びに下フランジ面における列数を限定した理由を説明するための図である。Ｗｕ、Ｗｌの限定理由について説明するための図である。水平に設置する部材の抵抗機構を説明するために、（ａ）、（ｂ）は、曲げ抵抗機構を、（ｃ）、（ｄ）は引張抵抗機構を示す図である。鋼製折板の挙動を説明するための模式図である。本発明を適用した鋼製折板について効果を推定するための有限要素解析した対象を説明するための図である。有限要素解析を実施した鋼製折板の断面形状を説明するための図である。鋼製折板の上に載荷盤を載せた場合における荷重−沈み込み量の特性を示す図である。鋼製折板の上に載荷盤を載せた場合において形状が異なる鋼製折板の断面変形状態を示した図である。家屋等の構造物の構成を妻側から見た図である。本発明の実施例において、２本の支持材で支持された鋼製折板に載荷盤を載せた状態を示した概念図である。本発明の実施例において、鋼製折板の上に載荷盤を載せて荷重を変化させたときの荷重と載荷盤の沈み込み量との関係を示した図である。

　以下、本発明を実施するための最良の形態として、屋根構造における野地板として用いる鋼製折板を例として、図面を参照しながら詳細に説明する。

　図１は、本発明を適用した屋根構造用折板２が適用される家屋等の屋根構造１０の構成を妻側から示している。屋根構造１０は、土台から上方に延長されてきた柱の上端部間に架設されたトラス下弦材１１と、トラス下弦材１１の上部に形成されたトラス斜材１２と、トラス斜材１２の上端に傾斜状に配設されたトラス上弦材１３と、このトラス上弦材１３上に一定の間隔に亘って固定された母屋１４と、母屋１４の上端に設けられた野地板としての鋼製折板２とを備えている。

　鋼製折板２は、屋根下地材である野地板としての役割を担い、瓦等に代表される屋根の仕上げ材３０がその表面に設けられる。

　鋼製折板２は、図２に示す断面図に示すように、上端に上フランジ面２１を形成させた山部２２と、下端に下フランジ面２４を形成させた谷部２５とがウェブ２６を介して交互に連続されてなる。

　即ち、鋼製折板２は、鋼製板体に折り曲げ加工が施されて、上フランジ面２１と、これに接続するウェブ２６と、前記ウェブ２６の端部に接続するように下フランジ面２４とが一体に波形に連続するように断面凹凸状に屈曲形成される。この鋼製折板２において、上フランジ面２１とウェブ２６間の屈曲により、また下フランジ面２４とウェブ２６間の屈曲により、稜線２８、２９が形成される。ちなみに、このウェブ２６は鉛直に形成されていてもよいし、傾斜状に配設されていてもよい。

　図３は、この鋼製折板２の正面図である。稜線２８に対して平行方向ｘとし、稜線２８に対して直交方向ｙとする。上フランジ面２１並びに下フランジ面２４は、それぞれ長手方向がｘ方向になるように延長されており、この上フランジ面２１を有する山部２２と、下フランジ面２４を有する谷部２５は、ｙ方向に向けてウェブ２６を介して交互に連続することになる。

　ここで上フランジ面２１の幅Ｗｕ並びに下フランジ面２４の幅Ｗｌを、この図３に示すｙ方向における上フランジ面２１、下フランジ面２４の幅とする。このとき、本発明では、上フランジ面２１の幅Ｗｕ並びに下フランジ面２４の幅Ｗｌは、作業者の足先径を想定した８０ｍｍ未満であることが望ましい。

　図４（ａ）は、下フランジ面２４の幅Ｗｌを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍ以上とした場合について示している。下フランジ面２４に作業者の足先５６が載ることにより下フランジ面２４が撓むが、座屈することはない。但し、この形態では、作業者の足先５６が山部２２により躓いてしまう可能性が高くなるため、この下フランジ面２４の幅Ｗｌ＋２×Ｗｓを狭める必要がある。なお、ウェブ２６の斜面幅Ｗｓを０としてもいいので、少なくとも下フランジ面２４の幅Ｗｌを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍ未満とする必要がある。

　図４（ｂ）は、下フランジ面２４の幅Ｗｌ＋２×Ｗｓを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍ未満とした場合について示している。作業者の足先５６は、互いに隣接する上フランジ面２４を踏む場合がある。かかる場合に足先径Ｌｃをこの隣接する上フランジ面２４の間に設定した場合に、かかる上フランジ面２４は撓むものの座屈はしない。このことからも、下フランジ面２４の幅Ｗｌは狭める必要がある。具体的には、少なくとも下フランジ面２４の幅Ｗｌを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍ未満とする必要がある。

　図４（ｃ）は、上フランジ面２１の幅Ｗｕを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍ以上とした場合について示している。上フランジ面２１に作業者の足先５６が載ることにより上フランジ面２１の足先径周囲が陥没することになる。このため、上フランジ面２４の幅Ｗｕを狭める必要がある。具体的には、上フランジ面２１の幅Ｗｕを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍ未満とする必要がある。

　図４（ｄ）は、上フランジ面２１の幅Ｗｕを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍより極端に小さくした場合について示している。上フランジ面２１に作業者の足先５６が載ることにより上フランジ面２１は圧縮座屈する。このため、ある程度は上フランジの幅Ｗｕを向上させる必要がある。但し、図４（ｃ）も考慮すると上フランジ面２１の幅Ｗｕを作業者の足先径Ｌｃである８０ｍｍ未満とする必要がある。

　以上の知見から、本発明では、上フランジ面２１の幅Ｗｕ並びに下フランジ面２４の幅Ｗｌは、作業者の足先径である８０ｍｍ未満であることが望ましい。

　図５は、本発明を適用した鋼製折板２について、各フランジ面の長手方向に沿ってリブを形成させた例を示している。
　この図５（ａ）、（ｂ）に示す例では、上端に上フランジ面２１を形成させた山部２２と、下端に下フランジ面２４を形成させた谷部２５とがウェブ２６を介して交互に連続されてなる点は、上述した実施の形態と同一であるが、上フランジ面２１の長手方向ｙに沿って凹状のリブ４１が、また下フランジ面２４の長手方向ｙに沿って凸状のリブ４２が形成されている。このリブ４１、４２の形成位置は、上フランジ面２１、下フランジ面２４のｙ方向の略中央に形成されていることが望ましいがこれに限定されるものではない。

　ちなみに、このリブ４１は、一の上フランジ面２１に１列、一の下フランジ面２４に１列設けられる場合に限定されるものではなく、一の上フランジ面２１に２列、一の下フランジ面２４に１列設けるようにしてもよい。図６は、上フランジ面２１において、２列の凹状のリブ４１を設けた例を示している。リブ４１、４２の列数を増加させることにより、リブ４１、４２の列数を１列で構成した場合と比較して、より耐力を増加させることが可能となる。その結果、図７の例と比較して、リブの幅や深さ（高さ）を低減させても、所期の耐力を得ることが可能となる。

　本発明においては、上フランジ幅Ｗｕは鋼製折板２を構成する材料の降伏点σｙの二乗根に基づいて決定することが好ましい。
　以下、その理由について図７に示すモデルを用いて説明をする。

　図７では、上端に上フランジ面２１を形成させた山部２２と、下端に下フランジ面２４を形成させた谷部２５とがウェブ２６を介して交互にかつ連続的に構成され、上フランジ面２１に凹状のリブ４１が、また下フランジ面２４に凸状のリブ４２が形成されている例を示している。上フランジ面２１の幅をＷｕ、下フランジ面２４の幅をＷｌ、ウェブ２６の斜面幅をＷｓとする。この谷部２５、ウェブ２６、山部２２、ウェブ２６を一周期の幅Ｗとしたとき、当該幅Ｗは、Ｗｕ＋Ｗｌ＋２×Ｗｓで表される。ちなみに、この山部２２の高さをＨとし、リブ４１、４２の幅をＷｒとし、リブ４１、４２の深さ（高さ）をＨｒとする。また、この鋼製折板２を構成する鋼材の降伏点をσｙとする。σｙは、日本工業規格ＪＩＳ　Ｚ　２２４１「金属材料の引張試験方法」に準じて測定され求められる。引張試験片は鋼製折板から切り出してＪＩＳ　Ｚ　２２０１「金属材料引張試験片」に準じて作成され試験測定に供される。

　このとき、上フランジ面２１の幅Ｗｕ並びに下フランジ面２４の幅Ｗｌは、作業者の足先径をシミュレートした載荷盤３１の直径Ｄ以下である。Ｄは、以下の（１）式により表すことができる。ちなみに、この下フランジ面２４の幅Ｗｌには、ウェブ２６の斜面幅Ｗｓの分も考慮に入れている。
　Ｄ＞Ｗｌ＋２×Ｗｓ、及び　Ｄ＞Ｗｕ　・・・・・・・・（１）
但し、上フランジには圧縮力が作用するため、幅Ｗｕ全てが耐力に寄与するのではなく、有効幅Ｗｅしか寄与しない。

　ここで有効幅Ｗｅは、以下の式（２）で表すことができる。ちなみに、この有効幅Ｗｅは、文献１（社団法人日本鉄鋼連盟著、「薄板軽量形鋼造建築物設計の手引き」、技報堂出版、２００２年６月発行）における表３．３．１に基づいたものである。この文献１の表３．３．１では、折り曲げ円弧部からどれくらいの幅が耐力に寄与するかついて記述している。
　Ｗｅ＝７４０×ｔ／√σｙ・・・・・・・・・・・・・（２）

　座屈補剛リブが設けられている場合もこれに準ずるものとして考えることができるが、本発明の鋼製折板は荷重によりフランジとウェブの折り曲げ部が回転し、補剛リブの効果が薄れると考えられることから、リブを入れる数はせいぜい２つ、すなわち、
　Ｗｕ＜３×Ｗｅ・・・・・・・・・・・・・（３）
　とすることが望ましい。

　例えば、市中で入手しやすい鋼材の降伏点σｙは１８０~８００Ｎ／ｍｍ^２であることから、σｙ＝８００を（２）式に代入すると、（３）式は以下の通りとなる。
　Ｗｕ＜７８×ｔ・・・・・・・・・・・・・（４）

　即ち、上フランジの幅は、板厚の７８倍未満に設定すれば断面を有効に活用できるということが分かる。

　例えば折板の重量を木質合板同等とすべく板厚を０．５ｍｍとすると、Ｗｕは３９以下にすることが望ましく、Ｄを８０ｍｍとすると、Ｗｕはその１／２以下であることから、１つの山部で荷重を受けるよりは２つ以上の山部で荷重を受けることが好ましい。

　そこで、図８に示すように、作業員の足先に相当する載荷盤３１を複数の山部２２により担う場合について考えてみる。図８（ａ）は、山部２２における上フランジ面２１の幅Ｗｕを長くすることにより、少ない数の山部２２で作業員の足先を担う場合を、また図８（ｂ）は、山部２２における上フランジ面２１の幅Ｗｕを短くすることにより、多くの数の山部２２で作業員の足先を担う場合を示している。ここで作業員の足先を載荷盤３１に例えると、図８（ａ）に示すように、載荷盤３１が２つの山部２２に一部でも載る条件としては、Ｄ＞Ｗｕ＋２×Ｗｌ＋４×Ｗｓとなるが、Ｗｕの上限としては、Ｗｓを０とし、Ｗｕ＝Ｗｌとした場合の、Ｄ／３＞Ｗｕとなる。ここでＤは、載荷盤３１の直径であり、足先径Ｌｃに相当する。このとき荷重を受けるフランジ面２１の合計幅ａＷ＝２×Ｗｕ＜０．６６Ｄである。

　これに対して、図８（ｂ）に示すように、載荷盤３１が３つの山部２２に一部でも載る条件としては、Ｄ＞２×Ｗｕ＋３×Ｗｌ＋６×Ｗｓとなるが、略算ではＤ／５＞Ｗｕとなる。このときフランジ面２１の合計幅ａＷ＝３×Ｗｕ＜０．６Ｄである。

　同様に、載荷盤３１が４つの山部２２に一部でも載る条件としては、Ｄ＞３×Ｗｕ＋４×Ｗｌ＋８×Ｗｓとなるが、略算ではＤ／７＞Ｗｕとなり、このときフランジ面２１の合計幅ａＷ＝４×Ｗｕ＜０．５７Ｄである。但し、載荷盤の直径が８０ｍｍの場合はＷｕ＝１１．４ｍｍとなり、一般的な木質合板の厚み（山高さ）１２ｍｍを下回り重量の増加が懸念されるため、上フランジ面２１の幅Ｗｕは折板の山高さＨより大きくすることが望ましい。

　上フランジ面２１の幅Ｗｕを短くすることにより山部２２を細かく設定すると、その上に載る載荷盤３１と接触する幅の合計幅が減ることになる。その結果、この上フランジ面２１の載荷盤３１に対する耐力の上限値が低下することになる。また、上フランジ面２１の幅Ｗｕを短くすることにより山部２２を細かく設定すると、単位幅あたりのウェブ２６の数が増加する。その結果、この鋼製折板２における単位面積当たりの重量が増加し、可搬性に劣る結果にもなる。従って、単位重量当たりの耐力を向上させるためには、なるべく少ない数の山部２２により載荷盤３１を負担させ、上フランジ面２１の合計幅を確保することが有効であると考えられる。

　このため、本発明では、４つの山部２２までには載荷盤を載せない条件としての、Ｗｕ＞１／７Ｄを下限として規定した。そして、載荷盤３１が２つの山部２２に一部でも載る条件としての、Ｗｕ＜１／３Ｄを上限として規定した。なお、下限についてはＷｕが小さな値となるため、ウェブ斜面幅Ｗｓを考慮したＷｕ＋Ｗｓ＞１／７Ｄとしてもよい。

　むろん、上記条件式は下記の（５）式の条件付き略算式であることから、（５）式を用いて算出してもよい。
　３×（Ｗｕ＋Ｗｓ）＋４×（Ｗｌ＋Ｗｓ）＞Ｄ−Ｗｓ＞（Ｗｕ＋Ｗｓ）＋２×（Ｗｌ＋Ｗｓ）・・・・・・・・・・・・・・（５）

　座屈補剛に有効なリブの断面性能は二次モーメントにより定められており、リブ４１、４２に必要な断面二次モーメントの最小値Ｉｍｉｎは、下記の（６）式により表される。ちなみに、（６）式は、文献２（Ｗｅｉ−Ｗｅｎ　Ｙｕ，”Ｃｏｌｄ−Ｆｏｒｍｅｄ　Ｓｔｅｅｌ　Ｄｅｓｉｇｎ”，Ｐ１１３，Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　＆　Ｓｏｎｓ．ＩＮＣ，１９９１）の式（３．９３）に基づくものである。

　この式中のＷは耐力に寄与する幅であるが、有効幅Ｗｅ以上となることはないので、安全側の検討としてＷ＝Ｗｅとする。なお、（６）式中のＥは鋼材のヤング係数でここでは２０５０００Ｎ／ｍｍ^２を代入する。

　また、（７）式に（２）式を代入することにより、下記の（８）式に変形することができる。

　なお、リブの断面二次モーメントＩｒは、安全側にしつつ、計算を簡略化するため、幅２ｔ、高さＨｒの矩形断面（凹状リブの角度を０とした場合に相当）とすると、下式となる。

　凹状のリブ４１の深さＨｒ、並びに凸状のリブ４２の高さＨｒは、板厚ｔと、降伏点σｙの六分の一乗根とに基づいて決定されることが分かる。

　この文献２の式（３．９３）が反映された（９）式に基づいてＨｒを決定することにより、フランジを鋼製折板の耐力向上に寄与させることができる。
　例えば、市中で入手しやすい鋼材の降伏点σｙは１８０~８００Ｎ／ｍｍ^２であることから、σｙ＝８００Ｎ／ｍｍ^２を（９）式に代入すると、下記（１０）式となる。
　Ｈｒ＞８．２ｔ・・・・・・・・・・・・・・（１０）

　即ち、凹状のリブ４１の深さＨｒ、並びに凸状のリブ４２の高さＨｒは、板厚の８．２倍を超えるように設定すればよいことが分かる。当然ながら、σｙ＜８００Ｎ／ｍｍ^２の場合も、（１０）式を満足するように設定すれば、耐力向上に寄与させることができる。
　例えばｔを０．５ｍｍとした場合には、上記（１０）式から、Ｈｒを４．１ｍｍ以上とすることでフランジ断面を有効に活用することができる。

　但し（１０）式で算定した高さよりＨｒが低くてもフランジの補剛効果はあり、またあまり高くしすぎると重量が増えるので、下限は（１０）式の１／２、上限は（１０）式の３／２とする（１１）式でＨｒを規定した。
　４ｔ≦Ｈｒ≦１２ｔ・・・・・・・・・・・・・・（１１）

　このように、本発明を適用した鋼製折板２では、下フランジ面２４の幅Ｗｌ（或いはこれにウェブの傾斜幅Ｗｓ×２を足したもの）は、作業者の足先径Ｌｃ（＝Ｄ）よりも小さくしつつもできるだけ大きく設定することにより、作業者が躓いて怪我をするのを防止することが可能となる。

　また、上フランジ面２１の幅Ｗｕは、作業者の足先径Ｌｃ（＝Ｄ）より小さく設定しつつもできるだけ大きくすることにより、上フランジ面２１が局所的に凹むことを防止することができ、曲げに抵抗する上フランジ面２１の断面積を確保することが可能となる。

　また、リブ４１により複数に分割された上フランジ面２１に耐力が寄与するように、リブ４１の形状（高さＨｒ）を決める。リブ４１の形状の選定にあたっては、高さだけであれば、板厚ｔと降伏点σｙから算定される式（９）に従うことにより耐力を向上させることができる。

　以上の検討は通常想定される荷重に対しての検討で、高い剛性を保ち（たわみを抑え）、残留変形を抑えるために折板を載荷盤と接触する範囲での曲げ材として扱ってきたが、想定外の荷重に対しては変形が残っても耐力だけは確保することで重量増加を抑えつつ、耐力の余力を確保することもできる。

　水平に設置する部材の抵抗機構としては図９（ａ）、図９（ｂ）に示す曲げ抵抗機構と図９（ｃ）、図９（ｄ）に示す引張抵抗機構がある。

　荷重と載荷盤の沈み込み量の関係を図１０に示す。図１０の各図は、鋼製折板の上に直径８０ｍｍの載荷盤を載せ、当該載荷盤に負荷する荷重を変化させながら載荷盤の沈み込み量を測定し、荷重をＹ軸に、載荷盤の沈み込み量をＸ軸とするグラフに測定値をプロットした曲線で表したものである。図１０（ａ）に示すように、曲げ抵抗機構は沈み込み量が小さなときから荷重を負担する（初期剛性が高い）が、上面に圧縮力が作用するので、上面が座屈すると耐力を失う。一方、引張抵抗機構は沈み込み量が小さな時はあまり荷重を負担しない（剛性が低い）が、沈み込み量が大きくなるにつれ、荷重を負担する。また、座屈しないので高い耐力が期待できる。

　この２つの特性を組み合わせることで軽量化を実現する。すなわち、想定される荷重レベル（作業者の体重＋作業者が持ち運ぶ荷物＋屋根仕上げ材＋α）には曲げで抵抗し、それ以上の余力については引張抵抗機構で確保する。

　抵抗機構の移行時の荷重−沈み込み量の関係における挙動の模式図を図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。
　上フランジの幅が広く材料強度が低い場合は、まず曲げ抵抗機構が形成され、曲げ座屈して耐力が低下しながら変形が進み、ある変位に到達すると引張抵抗機構が形成され、再び荷重があがる（図１０（ｂ））。この場合、全体挙動を表す曲線の傾きは、正、ゼロおよび負から構成されている。

　材料強度を高めると座屈後の塑性化領域を抑えることができ、引張抵抗機構へ移行するまでの耐力低下を小さくすることができる（図１０（ｃ））。この場合、全体挙動を表す曲線の傾きは、正およびゼロから構成されている。

　また、フランジ幅を狭めることで小さな沈み込み量で引張抵抗機構に移行させることができるのでたわみを小さくすることができる（図１０（ｄ））。この場合、全体挙動を表す曲線の傾きは、常に正である。

　従って、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）に示すように、鋼製折板が、最大荷重に達するまで耐力（荷重）が減少することのない特性を有していれば、塑性化領域を抑えることができ、荷重を鋼製折板全体で支えることができる。この特性があれば、例えば野地板として使用した場合、作業の安全性を確保しながら、軽量化を実現することができる。なお、これらの図において、最大荷重はグラフの範囲を超えているため、図示していない。

　このように、曲げ抵抗機構を期待するのであれば、荷重を受ける上フランジ面の断面二次モーメントを増やすべく、上フランジの幅を広げるか、あるいは、リブを設けることが効果的である。引張抵抗機構を期待するのであれば、荷重を受ける上フランジ面の断面積を増やすべく、荷重を受ける山部の数を増やす（ウェブの数を増やす）こと等が効果的である。

　なお、引張抵抗機構を形成するには荷重を受ける山部の両脇に反力を受ける部分（山部）が必要なため、作業者に対しては両端の上フランジ面に載ることは避けるよう注意するか、折板同士の継目は山部を重ねる等の対応が必要となる。

　また、図２に示す上フランジ面とウェブのなす角（θ１）および下フランジ面とウェブのなす角（θ２）については、９０度以下であればよい。９０度を超えると、複数の鋼製折板を積み上げて運搬する際に、かさばって不便であるからである。また、θ１、θ２が小さいとウェブ剛性が小さくなるため、６０度以上とすることが望ましい。θ１とθ２を異なる角度であってもよいが、製造上の理由、運搬・保管上の理由からθ１とθ２を同じ角度にすることが望ましい。

　次に、上記特性を有するための鋼製折板の形状について説明する。
　載荷盤が載荷されている山部と載荷されていない山部との間にある谷部の両縁の相対変位をδｒとする。鋼製折板が、引張抵抗機構モードになるまで曲げ抵抗機構モードで耐えうるには、目安として、山の高さ（ウェブ高さ）Ｈのβ倍（β≦１．０）を越えるまで、載荷されている山の両隣の載荷されていない山部へ応力を伝達できればよい。そのとき、以下の条件式が導き出される。

　Ｈ＞β＊δｒ
　δｒは更に下式で表される。

　Ｐ：鋼製折板に載荷される荷重
　Ｌ：鋼製折板のスパン（支持間隔）
　Ｅ：鋼製折板の縦弾性係数（ヤング率）
　Ｉ：鋼製折板の断面二次モーメント
　Ｂ：載荷盤の荷重を隣の山に伝達する際に考慮する折板フランジ長手方向の有効幅
　ｔ：鋼製折板の上フランジ部板厚

　また、スパンＬは、山のピッチＷの数倍とし、定数項をまとめると、下式のようにδｒは（Ｗ／ｔ）^３に比例する。

　以上まとめると、曲げ抵抗機構から引張抵抗機構にスムーズに移行できる折板は以下の式を満たす必要がある。

　ここで、実験および有限要素法での解析により、図１２で示すＣＡＳＥごとにαを求めた。
　ＣＡＳＥ１（図１２（ａ）に相当）：　α＝２．８×１０^−５
　ＣＡＳＥ２（図１２（ｂ）に相当）：　α＝１．２×１０^−５
　ＣＡＳＥ３（図１２（ｃ）に相当）：　α＝６．１×１０^−６

　本来、αは鋼製折板の変形特性、幾何学的形状等に依存する変数であり、定数ではない。しかし、本発明における変形特性および幾何学的形状は、特定の範囲に限定されるため、αの値もこれに対応して特定の範囲内となる。

　本発明が前提とする変形特性、幾何学的形状は以下のとおりである。
　まず、変形特性はＣＡＳＥ１、ＣＡＳＥ２およびＣＡＳＥ３（それぞれ図１２（ａ）（ｂ）および（ｃ）に対応する）に限定される。

　次に、本発明の幾何学的形状および材質的条件の範囲は次のとおりである。
Ｈ＝１２ｍｍ~３５ｍｍ
Ｗ＝１１ｍｍ~２７ｍｍ
ｔ＝０．４ｍｍ~２．３ｍｍ
σｙ＝１８０~８００Ｎ／ｍ^２

　この条件下で、本発明の効果を満足するためのαの臨界値、すなわちＨ＝１２ｍｍ、ｔ＝０．４ｍｍの場合は、α＝６．１×１０^−６であることを実験および解析によって導き出した。
　本発明の効果を奏するための鋼製折板のパラメータ式は、Ｈ×（ｔ／Ｗ）^３＞６．１×１０^−６と表すことができる。Ｈが大きいほど、またｔが大きいほど鋼製折板の剛性も大きくなる。すなわち、Ｈ≧１２ｍｍ、ｔ≧０．４ｍｍの場合も、本発明の効果を奏するために、このパラメータ式を満足することが必要条件になる。

　有限要素法の解析結果によると、ＣＡＳＥ３の場合、剛性は低下するものの、耐力の低下まではみられないことが確認された。つまり、ＣＡＳＥ３であれば、実際の建築構造物に適用しても、問題ないことが確認できた。

　本発明を適用した鋼製折板２について上述した効果を確認するため有限要素法による数値解析を実施した。解析対象は図１１に示すように、母屋に相当する位置に長尺の支持部材５４を設置して鋼製折板２を架設させ、その中心において上部から直径８０ｍｍの載荷盤３１を載置する（重量は無視）。なお、折板に引張抵抗機構を形成させるため、折板は荷重を受ける山とその外側両脇に１山ずつを加えている。そして、この載荷盤３１の上から荷重を負荷し、負荷荷重Ｐ（ｋＮ）を計測するとともに、載荷盤の沈み込み量δ（ｍｍ）を測定する。

　なお、折板における引張抵抗機構とは、変位が進み、載荷盤直下部分が周囲を引きずり込むことで生じる引張力に対して両脇の山が圧縮力で抵抗する機構で、図１１中の黒塗り矢印で応力の流れを示す。

　解析したケースは図１２に示す３ケースで、それぞれＣＡＳＥ１（図１２（ａ））、ＣＡＳＥ２（図１２（ｂ））、ＣＡＳＥ３（図１２（ｃ））である。ＣＡＳＥ１はリブ４１の幅が４．４ｍｍ、深さ２．９ｍｍであり、ＣＡＳＥ２はリブ４１の幅が７．０ｍｍ、深さ３．５ｍｍであり、ＣＡＳＥ３はリブ４１の幅が７．０ｍｍ、深さ３．５ｍｍである。
　なお、３ケースとも板厚ｔは０．４ｍｍ、材料の降伏点（０．２％オフセット耐力）は７５０Ｎ／ｍｍ^２とした。

　解析より得られた荷重−沈み込み量の特性を図１３に示す。図１０各図と同様、横軸は沈み込み量δ（ｍｍ）であり、縦軸は、荷重Ｐ（ｋＮ）を示している。図中実線はＣＡＳＥ１、点線はＣＡＳＥ２、一点鎖線はＣＡＳＥ３の解析結果である。

　３ケースを比較すると、曲線が上に凸な荷重−沈み込み量の関係を示すＣＡＳＥ１が構造性能上優れている。ＣＡＳＥ１の場合、曲線の傾きは常に正である。なお、最大荷重はグラフの領域をはずれた位置にあるため、図示していない。

　但し、ＣＡＳＥ３は想定される荷重１ｋＮ程度（作業者の体重＋作業者が持ち運ぶ荷物＋屋根仕上げ材＋α）を越える約１．３ｋＮまでは弾性挙動を示している。さらにＣＡＳＥ３は１．４ｋＮ程度で一旦変位が増大するが、その後はまた耐力上昇するため、想定荷重に対しての性能は確保しており、想定外の荷重に対しても安全性は確保している。しかも、重量を比較すると、ＣＡＳＥ３はＣＡＳＥ１より１５％程軽いため、コストの面では優れている。ＣＡＳＥ３の曲線の傾きは、正またはゼロである。

　図１４には解析より得られた、変位２０ｍｍ時点での載荷点中央位置での折板の断面変形状態を示す。図１４にはそれぞれＣＡＳＥ１（図１２（ａ））、ＣＡＳＥ２（図１２（ｂ））、ＣＡＳＥ３（図１２（ｃ））の結果を示す。変形が進むと載荷盤を支える上フランジの両端からその外側のウェブおよびその外側の下フランジ（図中点線で囲んだ部分）の断面変化が顕著になり、最も上フランジの幅が大きいＣＡＳＥ３にいたっては上フランジの変形も見られる。

　これらの変形は何れも折板の断面二次モーメントを減少させる変形であることから、最も端部の変形が顕著なＣＡＳＥ３は１０ｍｍを越える大変形時の剛性低下が顕著に現れる（図１３）。したがって、曲げ抵抗機構から引張抵抗機構への移行をスムーズにする（急激な変形増加を抑制する）にはフランジ幅を狭め、荷重を負担する山部を増やすことが効果的であるといえる。

　但しフランジ幅を狭めることは初期剛性を低下させることになり、荷重を負担を山部を増やすことは重量が増えてコストアップになることから、条件によって最適形状は異なったものとなる。

　次に、板厚０．３８ｍｍの鋼製折板を用いて、実施例１と同様に図１２にある３つの断面になるよう鋼製折板を試作し、性能を検証した。
　載荷は、図１６に示すように、解析と同様、直径８０ｍｍの載荷盤を、鋼製折板の中央部におき、載荷した。鋼製折板は、２本のボックス形鋼の支持材（母屋）で支持し、載荷点両脇となる谷に４本のねじ５５で支持材に固定した。このときの、鋼製折板の沈み込み量と載荷荷重との関係を調べた。

　その結果を図１７に示す。図１７も図１３と同様、横軸は沈み込み量δ（ｍｍ）であり、縦軸は、荷重Ｐ（ｋＮ）を示している。実施例１と全く同様の結果を得た（図１３参照）。定量的には、解析値に比べ、全試験体とも荷重が低くなったが、これは解析上の板厚は０．４ｍｍで、実際に試作した折板の板厚は０．３８ｍｍと薄かったことも理由の１つと考えられる。
　また、本実施例のＣＡＳＥ３のように、沈み込み量が増加しても耐力（耐荷重値）が増加しない場合（つまり、ある程度沈み込むと、鋼製折板が座屈し、両隣の山部で支えられる（引張抵抗機構モード）までさらに沈み込んでいく場合）のαが、α＝５．３×１０^−５であった。
　以上のことから、α＞６．１×１０^−６であれば、野地板や床の下地として適用可能であることが確認できた。

　本発明の鋼製折板は沈み込み量および形状寸法を適正な範囲に管理できるため、作業者は鋼製折板の上で安全に作業を行うことができる。作業者が万一、鋼製折板の上で躓いて踏ん張った時のように、想定以上の大きな荷重が加わった場合も、作業者の安全性は確保され、鋼製折板の損傷も最小限に抑えることができる。また、本発明によれば、従来の木造建築に使用されてきた木質合板製の野地板や床の下地を鋼製折板に代替することが、設計変更なしで実現可能である。本発明の鋼製折板は、耐久性、経済性に優れているため、産業の発展に寄与できる。

２　鋼製折板
１０　屋根構造
１１　トラス下弦材
１２　トラス斜材
１３　トラス上弦材
１４　母屋
２１　上フランジ面
２２　山部
２４　下フランジ面
２５　谷部
２６　ウェブ
２８、２９　稜線
３０　屋根仕上げ材

Claims

　上端に上フランジ面を形成させた山部と下端に下フランジ面を形成させた谷部とがウェブを介して交互にかつ連続的に設けられた鋼製折板において、鋼製折板の稜線に対して直交する方向に２つの長尺の支持部材を設置して前記鋼製折板の下方を支持し、鋼製折板の上に直径８０ｍｍの載荷盤を載せ、当該載荷盤に負荷する荷重を変化させながら載荷盤の沈み込み量を測定し、荷重を縦軸に、載荷盤の沈み込み量を横軸とするグラフに測定値をプロットした曲線で表したとき、最大荷重に達するまで曲線の傾きが常に正、または、正とゼロであることを特徴とする建築用鋼製折板。
　前記鋼製折板が以下の式（Ａ）を満足することを特徴とする請求項１に記載の建築用鋼製折板。
　Ｈ×（ｔ／Ｗ）^３　＞　６．１×１０^−６・・・・（Ａ）
ここで、Ｗ：鋼製折板の上フランジ面の繰り返しピッチ（ｍｍ）
　　　　ｔ：鋼製折板の板厚（ｍｍ）
　　　　Ｈ：鋼製折板の山（ウェブ）高さ（ｍｍ）
　前記鋼製折板において、前記上フランジ面と前記ウェブのなす角、および前記下フランジ面と前記ウェブのなす角が、９０度以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の建築用鋼製折板。
　前記鋼製折板の板厚が２．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１~３記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。
　前記鋼製折板の上フランジ面の幅および前記鋼製折板の下フランジ面の幅が８０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１~４記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。
　前記鋼製折板の上フランジ面の幅および前記鋼製折板の下フランジ面の幅が１１ｍｍ以上２７ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１~５記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。
　前記鋼製折板の上フランジ面に、その稜線方向に沿って凹状のリブが形成され、当該凹状のリブの深さが、板厚の４倍以上１２倍以下であることを特徴とする請求項１~６記載のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板。
　請求項１~７のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板が、その稜線を母屋と直交するよう母屋に接合され、屋根仕上げ材を支える野地板として配設されていることを特徴とする鋼製折板を用いた建築構造。
　請求項１~７のいずれか１項に記載の建築用鋼製折板が、床仕上げ材を支える下地として配設されていることを特徴とする建築用鋼製折板を用いた建築構造。