(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主に面内せん断を受ける矩形金属平板に対し、平板の周囲四辺に枠組を設け且つ枠組四隅の角を頂点とする斜辺に補強材を添接するもので、前記斜め補強材と周辺枠材とは僅かに離してトラス力が働かないようにし、対角にある斜め補強材が平板面内の引張主応力を均等に受けるようにし且つ他の対角にある斜め補強材により圧縮主応力の影響を阻止し、矩形金属平板のせん断降伏荷重の確保と降伏後のせん断大変形領域に於けるせん断耐力の維持を図る制振乃至耐震補強構造。
【請求項２】
主に面内せん断を受ける矩形金属平板に対し、平板の周囲四辺に枠組を設け且つ枠組四隅の角を頂点とする斜辺に補強材を添接するもので、周辺枠組近傍で偏心して配される前記斜め補強材同士の一部乃至全てを結び、対角にある斜め補強材が平板面内の引張主応力を均等に受けるようにし且つ他の対角にある斜め補強材により圧縮主応力の影響を阻止し、矩形金属平板のせん断降伏荷重の確保と降伏後のせん断大変形領域に於けるせん断耐力の維持を図る制振乃至耐震補強構造。
【請求項３】
主に面内せん断を受ける矩形金属平板に対し、平板の周囲四辺に充実乃至管状矩形断面部材を幅広面で添接して枠組とし且つ枠組四隅の角を頂点とする斜辺に充実乃至管状矩形断面部材を幅広面で添接し乃至直角三角形形状の平板を添接し、対角にある斜め補強材が平板面内の引張主応力を均等に受けるようにし且つ他の対角にある斜め補強材により圧縮主応力の影響を阻止し、矩形金属平板のせん断降伏荷重の確保と降伏後のせん断大変形領域に於けるせん断耐力の維持を図る制振乃至耐震補強構造。
【請求項４】
主に面内せん断を受け必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板に対し、平板の周囲四辺に枠組を設け且つ必要に応じ長手方向中間部の短手方向にも枠組を設け上下二分し、前記各領域の枠組四隅の角を頂点とする斜辺に斜め補強材を添接し、更に前記斜め補強材の間隔が広くなる場合には枠組の一方と平行に補強材を添接し、矩形金属平板のせん断降伏荷重の確保と降伏後のせん断大変形領域に於けるせん断耐力の維持を図る請求項１，請求項２，請求項３に記載の制振乃至耐震補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面内せん断を受け必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板の補強構造で、金属系建物の壁面構成パネル，制振・耐震を目的とする間柱型乃至梁型せん断パネルや構造壁の全て又は一部を構成するものまでを対象としている。せん断パネルはせん断降伏荷重を確保することと降伏後の大変形領域に至るまで降伏せん断耐力を維持することであり、これを達成するための補強構造を意図し、且つ出来るだけ簡略な方法を提案する。
【背景技術】
【０００２】
面内せん断を受ける金属平板は、せん断座屈荷重がせん断降伏荷重を上回るようにしても降伏後せん断変形が進行する過程でせん断耐力を維持し且つ正負交番に繰り返されるせん断荷重に対し安定した履歴性状とすることは難しく、このため金属平板の幅厚比を小さくすることが必要となり、結果的には多くのスティフナ−を格子状に配して平板全域を細分化し補強することがこれまでの代表的な方法であった。
【０００３】
金属平板の降伏せん断荷重を確保し且つ降伏後のせん断耐力の維持を図るために、設計で要求されるせん断強度に対し降伏点応力度の低い材料を使うことで金属平板の板厚を上げて早期のせん断座屈を回避し降伏後の塑性変形能力を高める方法がある。この他、制振・耐震を目的としてせん断パネルを波板や折板とするもの，粘弾性材料を組み込んだ壁板，壁板と建物部位との接合方法を工夫したもの等様々な提案がされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開  平１０−２４６０２６  公開特許公報
【特許文献２】特開  平１１−３０３３１０  公開特許公報
【特許文献３】特開２００５−０４２４２３  公開特許公報
【特許文献４】特開２００６−０３７５８６  公開特許公報
【特許文献５】特開２０１０−０９０６５０  公開特許公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】木原碩美／鳥井信吾著  「極低降伏点鋼板壁を用いた制震構造の設計」建築技術  １９９８年１１月
【非特許文献２】鈴木敏郎著  「捩り剛性を主体とするせん断剛性と平板のせん断座屈」日本建築学会  ２００８年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする課題は、面内せん断を受ける矩形金属平板乃至面内せん断に加え圧縮荷重を支える長方形金属平板について、平板のせん断降伏荷重を確保することは勿論せん断降伏後の大変形領域に至るまでせん断耐力を落すことなく設計上必要とされる塑性変形能力を付与することであり、しかもできる限り簡単な補強構造とし且つ前記性能確保が確実となるよう意図している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
平板がせん断力を受けると、初期の純せん断場から徐々に圧縮主応力成分が消え引張主応力が支配する張力場へと移行する。この応力変化点の荷重が所謂座屈固有値であり平板のせん断耐力低下がこれに起因するとし座屈荷重を上げることで対処してきた。しかし、平板面内応力の変化から見れば斜め引張り状態へ移行することであり、座屈固有値は安定化に向かう転換点と見る方が合理的である。
【０００８】
面内せん断を受ける金属平板の力学的釣合いから、最終段階の引張主応力が支配する張力場に応じ対角にある斜め略45度方向の補強材で一様に引張るようにする。又、他の対角にある斜め補強材により初期段階での圧縮主応力が金属平板に影響しないようすれば、弾性領域から降伏開始時点を経て降伏後の大変形領域に至るまで斜め引張力による安定した力学的釣合いを保つことができる。
【発明の効果】
【０００９】
面内せん断を受ける金属平板の効果的補強構造を考える上で、図１１の八角形平板に面内せん断が加わる場合の力学的挙動は参考となる。（ａ）図は周辺枠材２を突出フランジとする金属平板１であり、水平・垂直の枠組からせん断力が作用し金属平板面内の引張主応力＋σと圧縮主応力−σとを示している。（ｂ）図はせん断変形が進行した時点の状況を模式的に示したもので、金属面では圧縮主応力が消えて引張主応力＋σが支配する。
【００１０】
図１２は大きさ900mmx900mmに内接する板厚6.0mmの八角形平板に対し、周辺枠材は100mmx25mmで平板側辺加力部の幅をが150mm，180mm，240mmとする解析結果である。点線は斜辺を含む全ての辺を弾塑性体とする場合で、せん断降伏荷重近傍まで上昇し降伏後若干不安定であるものの一定の耐力は保たれる。実線は上下，左右の加力部を除く四隅斜め方向枠を剛体置換した場合で、大変形領域に至るまでせん断耐力は安定的に維持される。
【００１１】
図１３は前記八角形平板を基として、(ａ)図は四隅補強による矩形金属平板の代表的構造を示したものである。周辺部枠材を通してせん断力が作用し変形が進行した状態を(ｂ)図に模式的に示したが、斜め補強材が枠材とで三角形を構成することで剛体置換に近い状態になり、更に点線で示す十字形領域にせん断変形領域を限定することで、せん断降伏荷重の確保と降伏後のせん断耐力の安定的維持を図ることができる。
【００１２】
長方形金属平板の塑性変形能力の大幅な向上を図るため、最終段階の引張主応力が支配する張力場に釣合うよう平板四隅の斜め略45度方向に補強材を配し引張力を一様に受け止めるようにする。初期段階の引張主応力と直交する圧縮主応力はせん断パネル内部に影響を与えないよう他の角部の補強材で対処すれば、弾性領域から降伏開始時点を経て降伏後の大変形領域に至るまで斜め引張力での安定した力学的釣合いを保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】四隅補強材構成と八角形連続補強材構成の金属平板を示す。（実施例１）
【図２】四隅補強材の各構成とその補強効果に関する解析結果の説明図である。
【図３】枠材及び補強材を充実乃至管状矩形断面とする構成を示す。（実施例２）
【図４】四隅斜め補強材の断面形と四隅補強効果に関する解析結果の説明図である。
【図５】突出リブで斜め補強された長方形金属平板の構成二種を示す。（実施例３）
【図６】突出フランジを枠材とする四隅補強効果に関する解析結果の説明図である。
【図７】枠材をアングル部材とする四隅補強効果に関する解析結果の説明図である。
【図８】両側辺部に角管を添接する長方形金属平板の構成二種を示す。（実施例４）
【図９】四隅斜め補強材を帯板とする長方形金属平板の解析結果の説明図である。
【図１０】四隅を三角形平板で補強する長方形金属平板の解析結果の説明図である。
【図１１】枠材及び補強材を角管部材とする大型壁板の構成図である。（実施例５）
【図１２】閉鎖形断面である角管で構成する大型壁板の解析結果の説明図である。
【図１３】八角形枠組のせん断パネルとする力学的釣合いに関する説明図である。
【図１４】八角形枠組部材の剛性とせん断耐力に関する解析結果の説明図である。
【図１５】四隅斜め補強による金属平板のせん断変形推移を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
面内せん断を受ける金属平板の最終的釣合いが平板面内の引張主応力と周辺枠組とで構成される張力場となることから、せん断力が加わる初期段階から斜め方向となる引張主応力との釣合いを基本としこれと直交する圧縮主応力の影響を受けない構造を考える。これにより引張主応力を応力方向と直交する斜め補強材が均等に受け、平行する斜め補強材が圧縮主応力の平板への影響を排除する。
【００１５】
代表的補強構造の一例は図１で、矩形金属平板１に周囲四辺をフランジ２で囲み且つ周辺枠組の四隅角部に斜め補強材４を周辺枠材とは近接配置するもののトラス力が働かない程度に離して添接し構成する。（ａ）図で示す四隅補強構造は周囲四辺の中間即ち斜め補強材が偏心するる部位が弱点となるが、（ｂ）図のように周辺枠材と平行する部位も突出リブ４を連続することで解消できる。
【００１６】
図３は他の一例であり、矩形金属平板１の周辺枠材２，３と四隅補強材４を充実乃至管状矩形断面部材として平板の片側又は両側面に幅広面で添接して補強している。本補強構造は斜め補強材が偏心する部位での枠組が強くなっており、更に（ｂ）図に示すように補強材を帯板から角管とすることにより力学的安定度は高くなる。
【実施例１】
【００１７】
図１は板厚6.0mmで大きさ900mmx900mmの正方形金属平板１について周囲四辺枠材２及び四隅斜め補強材４を100mmの突出リブとする構造である。（ａ）図の四隅斜め補強材を周辺枠材とは近接配置するもののトラス力が働かない程度に僅かに離す場合と、（ｂ）図の斜め補強材を連続して八角形形状４とし且つ周辺枠材２とは平行する部位でも若干離す場合である。
【００１８】
図２の点線で示す解析結果は（ａ）図の場合で、枠材を100mmx25mm，補強材を100mmx19mmとし且つ平板側辺の斜材の偏心幅を前者で120mm，150mm，180mmを示している。降伏後のせん断耐力は安定的に維持されているが、降伏開始時点のせん断耐力は斜材偏心幅を小さくすることが必要となる。なお、図中下部の破線は周辺部が突出フランジで囲まれただけであり、急激に耐力低下する。
【００１９】
図２の実線で示す解析結果は（ｂ）図の場合で、周辺枠材及び補強材は前例と同じとするが四隅補強材を連続することで斜材偏心幅を180mm，210mmと広げている。連続する補強材が両側辺平行部の構造的弱点を補い、降伏荷重の確保及び降伏後のせん断耐力維持に対して斜め補強材配置では平板側辺の平行部幅について許容範囲は大きく力学的安定度も高い。
【実施例２】
【００２０】
図３は板厚3.2mmで大きさ900mmx900mmの正方形金属平板１に周辺枠材２，３として平板両面に帯板75mmx12mmをその幅広面で添接する構造である。四隅斜め補強材４として（ｂ）図に示す充実又は管状矩形断面部材を平板両面に前記部材の幅広面で添接するが、周辺枠材とは若干隙間を設けている。本補強構造は周辺枠組みの中間部が広幅く構成され、構造的弱点が補われ偏心幅は大きくとれる。
【００２１】
図４の解析結果として点線は補強材を帯板50mmx9mm，50mmx12mmとする場合で、実線は角管□-50mmx25mmx1.6mm，□-50mmx25mmx2.3mmとする場合である。帯板に比し角管は断面積量で半分程度で、両者の性状は略同じである。図中下部の破線は周辺枠組で囲まれた幅厚比略240の平板の結果で、広幅面で構成する枠材であるため暫く耐力は保たれる。
【実施例３】
【００２２】
図５(ａ)は2,700mmx900mmで板厚6.0mmの長方形金属平板で、前記金属平板１の上下加力部と中間部の両面に150mmx22mmの帯板３をその幅広面で添接して上下２段に区分している。長手方向両側辺の枠材２は200mmx25mmの突出フランジとする場合で、平板内側の補強材４の帯板は正逆くの字に補強している。上下各平板縦長さ1,100mmに対し中央部の補強材の偏心幅は180mmと狭め、構造的弱点を補っている。
【００２３】
図５(ｂ)は長手方向両側辺の枠材をアングル2Ｌ-90x90x13で構成したもので、平板内側の補強材は60mmx12mmを平板両面四隅に添接している。平板毎の斜め補強材は上下連結せず長手方向中央部の長さを前例より大きくしているが、両側辺の枠材が金属平板に幅広面で添接していることでその部位の構造的弱点が解消され、平行する部位の長さに対してその許容範囲は広い。
【００２４】
図６は図５(ａ)に対し２本の実線はの斜め補強材を60mmx19mm，60mmx12mmとする場合で、何れもせん断降伏荷重に到達し且つ両者共高い塑性変形能力となる。２本の点線は一定軸圧縮力P=500kN（両側辺枠材の降伏軸力の20％弱）が作用する場合で、実線と比し力学性状にはそれ程の差異は見られない。なお、周辺枠組構造だけの解析結果が最下段の破線で、突出フランジであることで耐力維持されない。
【００２５】
図７は長手両側辺枠材をアングルL-90x90x13の2本とし、四隅補強部材を分散配置した結果である。２本の実線は斜め補強材を60mmx12mmとし中間部の偏心幅を240mm，360mmとする場合であり、塑性変形能力は高い。又、２本の点線は一定軸圧縮力P=500kNが作用した場合で、実線の結果と比較しても十分安定した状態にある。なお、周辺枠組構造だけの解析結果が最下段の破線で、せん断降伏荷重の略70％耐力で暫くは維持される。
【実施例４】
【００２６】
図８は2,700mmx900mmで板厚3.2mmの長方形金属平板１に対し上下加力部及び中間部の平板短手方向の枠材３に帯板150mmx12mmを、長手方向枠材２に帯板90mmx12mmを平板両面から添接し、更に長手両側辺部の片側に角管を重ねて添接している。（ａ）図は上下平板四隅部の表裏両面から帯板60mmx12mmを添接し、（ｂ）図は直角二等辺三角形平板300mmx300mmの補強平板４を四隅に添接し且つ中間部に補剛平板をあて面外曲げ変形を抑える。
【００２７】
図９（ａ）は図８(ａ)に対し長手方向両側辺に角管□-90x90x2.3と□-90x90x3.2が添接される場合の結果である。２本の実線はせん断降伏荷重に到達し且つ高い塑性変形能力が確保される。点線は一定軸圧縮力P=500kN（両側辺枠材の降伏軸力の略25％）が作用した場合で、実線に比し塑性変形能力が若干劣るものの降伏耐力は維持される。なお、平板長手両枠材はせん断変形に伴う面外への変形は自由としている。
【００２８】
図９（ｂ）は、両側辺枠材が角管□-90x90x3.2，斜め補強材が帯板60mmx12mmについて面外曲げ変形の成長を示したものである。実線は両側枠中央部の面外変形で、最終的に上下に大きく乖離し捩り変形が起きている。点線は平板中央部の複数箇所の面外変形で、前記２本の実線の推移に支配されている。図９（ａ）との対比で、耐力低下は長手方向両側の枠材を含む平板全体の捩り破壊であると考えられる。
【００２９】
図１０は図８（ｂ）に対し長手両側辺の角管が□-90x90x3.2の結果である。図中下段の点線は周辺枠組だけの場合であり、板厚6.0mmの三角形補強板を四隅部に配置した結果が破線である。所定のせん断降伏荷重より僅かに下回るため、中間部の平板両面に720mmx200mmx6.0mmを添接し面外変形を抑えた結果が実線であり又一定軸圧縮力P=500kNが作用する場合が点線である。
【実施例５】
【００３０】
図１１は大型耐震壁板として板厚6.0mmの正方形平板2,700mmx2,700mmで、上下加力部に帯板200mmx22mm，両側枠材に角管□-200mmx100mmx6.0mm，斜め補強材に角管□-150mmx100mmx6.0mmそれぞれを平板両面から添接している。更に、周辺枠中間部に生ずる偏心幅はb=400mmであり、前記区間内にＣ-300mmx75mmx6.0mmを平板表裏両面に添接し貫通ボルトで止める。平板全域での幅厚比は略400であるが、極めて少ない補強材数で構成されている。
【００３１】
図１２は大型耐震壁板の解析結果で、破線は四隅補強のみの場合であり、実線は四隅補強に加え壁板中央部に角管を添接した場合である。図中下段の実線と破線はせん断変形を拡大表示したもので、降伏開始時点の荷重には若干の差異がある。２本の点線は軸圧縮力1,000ｋN（両側枠材の降伏軸力の略25％）とする場合であるが、中間部の補強材があることによりせん断耐力は安定して維持される。
【００３２】
本明細書の実施例で扱った金属材料は降伏点応力度σy=30kN/cm2，ヤング係数=20,500kN/cm2としているが、本補強構造は金属材料が高降伏点鋼，低降伏点鋼でも対応でき、更に軽金属材料であってもヤング率の違いに配慮すれば同様に対処できる。なお、金属平板と周辺枠材や補強材との添接方法として、溶接乃至金属接着剤による固着とするかボルト接合とするかの選択は自由である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は面内せん断を受ける矩形金属平板に対する補強構造を提案したもので、平板の面内応力の安定的釣合いにある斜張力を意識した補強構造であり、平板四隅部の斜め補強が基本的構成であり補強材の本数も極めて少なく、従前の補強構造と比し簡単に製作でき且つコスト安が見込まれ、金属系建物の壁面構成パネル，制振ないし耐震を目的とするせん断パネルとして最適である。
【００３４】
本発明は面内せん断を受ける矩形金属平板に対する補強構造を提案したもので、平板面内の斜張力との釣合いを前提として初期のせん断降伏荷重を確保し降伏後もせん断耐力の維持を図ったが、長方形金属平板に対しては長手方向両側辺部に角管を添接することで長手方向の変形を拘束する必要はなくなり、建物構成上簡便であり建築施工上の観点からも有利なものと考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１    面内せん断を受ける金属平板
２    平板周囲側辺に沿う枠材
３    平板短辺方向加力部枠材
４    平板四隅斜め補強材
５    四隅補強材間の補剛板
【要約】
【課題】面内せん断を受ける矩形金属平板について、せん断降伏荷重の確保と降伏後のせん断変形の進行にもせん断耐力の維持を図る。
【解決手段】矩形金属平板に対する本発明の代表的補強構造を（ａ）図に示したが、面内せん断を受ける矩形金属平板１の周囲四辺に枠組２，３を添接補強し、平板四隅角部に斜め補強材を周辺枠材とは僅かに離してトラス力が働かないようにし、平板面内の引張主応力＋σを支え且つ圧縮主応力−σの影響を遮断し、せん断降伏荷重の確保と降伏後の大変形領域に於けるせん断耐力の維持を図る。矩形金属平板のせん断変形が進行した時点の状態を模式的に示したものが（ｂ）図であるが、金属平板面内では圧縮主応力が消え形成される張力場に於いて斜め補強材が引張主応力＋σを均等に受けるようにし、せん断変形を点線で示す十字形領域に限定しせん断降伏荷重の確保と降伏後のせん断耐力の安定的維持を図るものである。
【選択図】図１５【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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