(57)【要約】【課題】パネル構造材の幅厚比を出来る限り小さくし、せん断座屈耐力を大幅に向上させるとともに、比較的精度良く定量的に力学性能を求めることを可能にする。【解決手段】方形状パネルＡの平行な二辺の中間部に、他の二辺と平行となる段差状折れ部Ｂを設ける。段差状折れ部Ｂを境界とした複数の領域にパネル部分２，３を分断して、見かけ上幅厚比（ｂ／ｔ）を小さくすることになる。板厚ｔを厚くすることなく幅厚比が小さくなり、面内せん断座屈耐力が向上する。従来の薄板に関する計算と同様に、比較的精度良く定量的に力学性能を求めることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方形状パネルの平行な二辺の中間部に、他の二辺と平行となる段差状折れ部を設けたことを特徴とするせん断パネル。
【請求項２】
段差状折れ部は、段差部分がその左右のパネル部分に対して、谷側の角度が９０度若しくはそれ未満の鋭角を成して屈曲されていることを特徴とする請求項１記載のせん断パネル。
【請求項３】
段差状折れ部は、単数若しくは複数設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のせん断パネル。
【請求項４】
ウェブとなるパネル部分の幅方向中間部に、フランジと平行となる段差状折れ部を設けたことを特徴とする形鋼。
【請求項５】
段差状折れ部は、段差部分がその左右のパネル部分に対して、谷側の角度が９０度若しくはそれ未満の鋭角を成して屈曲されていることを特徴とする請求項４記載の形鋼。
【請求項６】
段差状折れ部は、単数若しくは複数設けたことを特徴とする請求項４又は５記載の形鋼。
【請求項７】
左右の柱部と上下の横架部とによって軸組みした方形の開口部に、パネルを取り付け、
前記パネルの左右幅方向中間部に、左右の柱部と平行となる段差状折れ部を設けてなる
耐力壁。
【請求項８】
段差状折れ部は、段差部分がその左右のパネル部分に対して、谷側の角度が９０度若しくはそれ未満の鋭角を成して屈曲されていることを特徴とする請求項７に記載の耐力壁。
【請求項９】
段差状折れ部は、単数若しくは複数設けたことを特徴とする請求項７又は８記載の耐力壁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肉厚が薄くとも面内せん断座屈耐力が大きなパネルに関するものであり、また、肉厚が薄くとも面内せん断座屈耐力が充分な形鋼、および耐力壁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特開２００４−１９１５７号公報に開示されているような、パネルダンパーとして使用するパネルとして使用可能なように、パネルのせん断座屈耐力、或いはせん断力によるエネルギー吸収性能の向上を求められることがある。
せん断座屈耐力、或いはせん断力によるエネルギー吸収性能を向上させる手段としては、パネル部分の板厚を厚くし、幅を厚みで割った幅厚比（ｂ／ｔ）を小さくする手段がある。
しかし、板厚を厚くすることで幅厚比を小さくすれば、面内せん断剛性や最大耐力までが不必要に大きくなってしまい、設計条件を見直す必要がある。また、無駄に材料を使うことになり、パネルの重量が重くなり、施工に手間がかかり、その他の部分の剛性まで高める必要が生じることがある。
【０００３】
その他、せん断のエネルギー吸収性能を高める手段として、前記した特開２００４−１９１５７号公報に示すように、リブ等を設けることによってパネル部分を補強、補剛し、相対的に幅厚比を小さくする手段がある。
また、特開２００８−３８５７０号公報に示されているように、外部から別の要素によりパネル部分を面的に補剛することにより、局部座屈の発生を抑制する方法もある。
しかしながら、リブ等の別要素を添接する際には、溶接やボルト接合を行う必要があり、施工手間がかかるばかりでなく、多くの特殊技量と知識を必要とする。
また、これらの技術では、材料コストも増えることになる。
【０００４】
高いせん断座屈耐力や、せん断力によるエネルギー吸収を期待したパネルの一種として、特開２００８−７９６０号公報に記載されているような、パネルに折り返しや曲げのパターンを形成したキーストンプレートや波板鋼板が使用されている場合がある。
しかしながら、これらパネルは主に面外方向の外力に対して曲げ耐力を大きくする目的で折り返しや曲げのパターンを採用している。
これらパネルでは、折り返しや曲げのパターンを幾度も繰り返してその断面形状が形成されるものであって、その形状が複雑で、局部座屈耐力や崩壊モード、塑性変形能力を実験等することなく定量的に把握することが困難である。
つまりは、形状が複雑であるがために、計算によって容易にその剛性や耐力を求めることが出来ない。
また、折数が複数回必要であるため、パネル自体の大きさがある程度必要であり、せん断パネルの小型化が難しい。
【特許文献１】特開２００４−１９１５７号公報
【特許文献２】特開２００８−３８５７０号公報
【特許文献３】特開２００８−７９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする課題は、パネル構造材の幅厚比を出来る限り小さくし、せん断座屈耐力を大幅に向上させる、あるいはエネルギー吸収能力を向上させるとともに、比較的精度良く定量的に力学性能を求めることを可能にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかるせん断パネルは、方形状パネルの平行な二辺の中間部に、他の二辺と平行となる段差状折れ部を設けるものである。
本発明にかかる他のせん断パネルにおいて、段差状折れ部は、段差部分がその左右のパネル部分に対して、谷側の角度が９０度若しくはそれ未満の鋭角を成して屈曲している。
本発明にかかる他のせん断パネルは、段差状折れ部を、単数若しくは複数設けてあるものである。
本発明にかかる形鋼は、ウェブとなるパネル部分の幅方向中間部に、フランジと平行となる段差状折れ部を設けてある。
本発明にかかる他の形鋼において、段差状折れ部は、段差部分がその左右のパネル部分に対して、谷側の角度が９０度若しくはそれ未満の鋭角を成して屈曲している。
本発明にかかる他の形鋼は、段差状折れ部を、単数若しくは複数設けてある。
本発明にかかる耐力壁は、左右の柱部と上下の横架部とによって軸組みした方形の開口部に、パネルを取り付け、前記パネルの左右幅方向中間部に、左右の柱部と平行となる段差状折れ部を設けてある。
本発明にかかる他の耐力壁は、段差状折れ部は、段差部分がその左右のパネル部分に対して、谷側の角度が９０度若しくはそれ未満の鋭角を成して屈曲している。
本発明にかかる他の耐力壁において、段差状折れ部は、単数若しくは複数設けられている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は以上の構成を有し、以下の効果を得ることが可能である。
＜ａ＞パネル部分に段差状の折れ部を設けることで、段差状折れ部を境界とした複数の領域にパネル部分を分断して、見かけ上幅厚比を小さくすることになる。併せて面外曲げ剛性を付加することで、折れ部を境界とした左右の領域にまたがる全体座屈の発生を抑制している。従って板厚を厚くすることなく幅厚比が小さくなり、面内せん断座屈耐力が向上する。
＜ｂ＞本発明を実施しない平板では弾性座屈するようなものでも、本発明を実施することによって、せん断降伏するまでせん断座屈を起こさないようにすることができる。その際、初期面内せん断剛性、せん断降伏耐力は、平板のものと同じままで、本発明を実施したパネル部分は、その弾性せん断座屈耐力は計算上４倍になる。そのため、材料に４００Ｎ／ｍｍ2級の鋼材を用いた平板の幅厚比が４００程度のものでも、本発明を実施することで、せん断降伏するまで弾性座屈しないようにすることができる。
＜ｃ＞段差状折れ部を設けることで、塑性変形能力が向上し、その繰り返し挙動も大変形時まで安定化することができる。本発明を実施したパネルは、その弾性せん断座屈耐力は計算上４倍となるが、その際塑性変形能力もほぼ４倍になると考えてよく、平板でその幅厚比が１００程度の薄さのパネルに本発明を実施すれば、繰り返し挙動は安定化し、十分耐震設計上必要な塑性変形能力を有することになる。
＜ｄ＞段差状折れ部の形状が単純であることから、従来の薄板に関する計算によって同様に比較的精度良く定量的に力学性能を求めることが出来、その性能を把握し易い。
＜ｅ＞板厚を厚くすることがないため、材料を余分に使用することなく、重量も重くならず、施工性も変わらない。
＜ｆ＞リブなどを設けることがないため、その製造に特別の技量や知識が必要とならない。
＜ｇ＞段差状折れ部は、折り曲げるだけでよく、折り曲げ段差部分も小さく、製作も現行の折り曲げ技術で十分対応可能である。
＜ｈ＞段差状折れ部は、見かけ上の幅厚比を小さくするだけのため、単数若しくは極く僅かの数の段差状折れ部を設けるだけのため、パネル自体の大きさが小さくとも実施でき、パネルの小型化が容易である。
＜ｉ＞本発明を実施したパネルダンパー、形鋼、耐力壁において、上記と同様の効果を達成できる。
＜ｊ＞段差状折れ部の段差部分が、その左右のパネル部分に対し、９０度若しくはそれ以下の鋭角を成していることにより、段差部分はその左右の領域をより明確に分断して、折れ部を境界とした左右の領域にまたがる全体座屈の発生を抑制する。
【実施例１】
【０００８】
＜１＞  せん断パネル
実施例１では、せん断パネルＡをパネルダンパーとして使用している。
せん断パネルＡは方形状であって、その左右幅ｂ方向の中間部分に、上下方向に連続する段差状折れ部Ｂが形成されている。
段差状折れ部Ｂは、段差部分１が、パネルＡの幅ｂ方向中間部分に折り込まれて形成してある。
実施例では、幅ｂが５００ｍｍであるのに対して、段差部分１の幅ｓは２０ｍｍである。
段差部分１の幅ｓは、薄肉板であれば２０ｍｍ程度、或るいはそれ以上、若しくはそれ以下であってもよいが、あまり大きくなると壁材などとして使用する場合、段差状折れ部Ｂが表面に出っ張り過ぎて好ましくない。
パネルＡの厚みｔに対する段差部分１の幅ｓの好適な値は、幅に対する板厚の比（ｓ／ｔ）として２〜１０程度、より好ましくは３〜５程度である。
前記段差部分１は、その左右のパネル部分２，３に対して、谷折り側の角度θが９０度、若しくはそれ未満の鋭角に折り込まれて、左右のパネル部分２，３の間に、段差部分１による段差が生じている。
谷折り側の角度θの好ましい値は、８５〜９０度程度である。
図１に示す耐力パネルＡは、段差部分１が、その左右のパネル部分２，３に対して、谷折り角度θがほぼ９０度となっているが、図２に示す耐力パネルＡでは、それより小さい鋭角を成している。
谷折り角度θとは、図５に示す通りである。
【０００９】
＜２＞  段差状折れ部のピッチ
使用する材料にもよるが、ＳＮ４００やＳＳ４００のような降伏応力度が２３５Ｎ／ｍｍ2程度のものであれば、幅厚比（ｂ／ｔ、段差状折れ部Ｂを幅方向中間に一つ形成し、パネルを二等分した場合であればｂはｂ／２となる。）が１００程度あれば、弾性的な座屈を起こさなくなる。
従って板厚との関係によって段差状折れ部Ｂのピッチを決定するもので、板厚ｔが薄くなる、或いは板幅ｂが大きくなると、図４のように複数の段差状折れ部Ｂを形成する必要が生じる場合がある。
パネルＡに対して段差状折れ部Ｂを設ける好ましいピッチは、そのパネルＡの用途によって異なる。
せん断降伏耐力より弾性せん断座屈耐力を高くする場合は、平板の場合の幅厚比が３００〜４００で段差状折れ部Ｂを設けると、その間の幅厚比が７５〜１００となる。
エネルギー吸収を期待する場合には、平板の場合の幅厚比が８０〜２００で段差状折れ部Ｂを設けると、その間の幅厚比が２０〜５０となる
以上の幅厚比は材料によっても異なるが、４００Ｎ／ｍｍ2級の鋼材を用いた場合に相当する。
【００１０】
＜３＞  パネルダンパー
図３に示すのは、パネルダンパーとしてパネルＡを使用した例であり、下部構造５と上部構造６との間に、介在させたものである。
パネルＡを、下部構造５の上面と、上部構造６の下面とに、連結板７によって固定してある。
地震時の振動により、逆対称曲げせん断力が作用しせん断変形するが、この変形によるエネルギー吸収が耐震設計上十分な値に到達するまで座屈しない。
使用する材料や要求される変形性能にもよるが、ＳＮ４００やＳＳ４００のような降伏応力度が２３５Ｎ／ｍｍ2程度のものであれば、幅厚比（ｂ／ｔ、段差状折れ部Ｂを幅方向中間に一つ形成し、パネルを二等分した場合であればｂはｂ／２となる。）が３０〜５０程度あればよい。
【００１１】
＜４＞  面内せん断座屈耐力
面内せん断座屈耐力とは、「面内せん断力を受けて座屈するときの力」であり、図３の白抜き矢印方向の力Ｑである。
この面内せん断座屈耐力Ｑcrは、次の式で求められる。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
前記した式において、せん断座屈耐力Ｑは、幅厚比（ｂ／ｔ）の逆数を使用して求められることが理解できる。
（ｔ／ｂ）2は、幅厚比（ｂ／ｔ）の逆数の２乗であるから、幅厚比が小さくなれば、その（ｔ／ｂ）2の値は大きくなる。
パネルＡは、段差状折れ部Ｂによって左右二つの領域２，３に等分に分断しており、幅厚比が半分となっている。
つまりは、せん断座屈は、段差状折れ部Ｂによって分けられた左右二つの領域２，３でそれぞれ独自で生じ、その場合の座屈耐力は幅厚比が半分となったとして計算すればよい。
図３のように、一つの段差状折れ部Ｂによって、パネルＡを二つの領域２，３に分けた場合、その幅ｂが半分になるため、（ｔ／ｂ）2の値は、４倍となる。
結果、面内せん断座屈耐力Ｑcrは、４倍となる。
二本の段差状折れ部ＢによってパネルＡの幅を三等分するようにパネルＡを折れば、見かけ上幅厚比は三分の一となり、上記式に当てはめれば、面内せん断座屈耐力Ｑcrは９倍になることになる。
通常、パネルの塑性変形能力は降伏耐力に対する弾性座屈耐力の比で換算できると考えてよく、段差状折れ部Ｂを設けていないパネルのもともとの耐力が降伏耐力を確保出来るようなものであれば、段差状折れ部Ｂを設けることにより幅厚比が半分になれば、塑性変形能力は４倍になり、幅厚比が三分の一となれば塑性変形能力は９倍となる。
【００１４】
＜５＞  せん断剛性
せん断剛性は「単位せん断変形をさせるために必要な力」であり、図３のＱとγを用いればＱ／γで表すことができる。
せん断剛性は、通常はＧＡで表される。ここで、Ｇは横弾性係数と言われる材料定数であり、Ａは板の横断面積である。
図１〜図３に示す実施例であれば、左右二つのパネル部分２，３と、段差部分１の三つのパーツに分けて考えることが可能である。
極厚板を使用しない限り、せん断抵抗に寄与するのは、パネル部分２，３のように矢印のせん断力にほぼ平行な部分であり、せん断力にほぼ直角な段差部分１は寄与しない。
従って、段差部分１の幅を如何に変化させても、パネル部分２と３との幅の合計は、パネルＡの幅ｂとほぼ等しいため、段差状折れ部Ｂを設けても、フラットな板と同じようにせん断剛性が求められる。
【実施例２】
【００１５】
図６及び図７に示すのは、現在行われている折板技術、金型技術、成形技術によって、両端部の矩形、円形の補強部４・４とともに、段差状折れ部Ｂを有するパネルＡを一体的に形成した実施例である。
【実施例３】
【００１６】
＜６＞形鋼
図８及び図９に示す実施例は、本発明を形鋼に実施した例である。
実施例のＩ形鋼は、本発明のパネルＡに相当するウェブ８と、そのウェブ８の両端に固定されたフランジ９・９より成る。
ウェブ８は、６ｍｍの厚さｔの鋼板を使用し、その幅ｂは５００ｍｍであって、その中間に段差状折れ部Ｂを設けて、幅ｂが二等分されている。
段差状折れ部Ｂの段差部分１の幅ｓは、２０ｍｍとなっている。
フランジ９には、厚さｆｔが１２ｍｍの鋼板が使用され、その幅ｗは２００ｍｍとなっている。
ウェッブ８の厚さｔが薄くとも、段差状折れ部Ｂが設けられて、その幅厚比が半分になっており、座屈し難くなっている。
図１０に示すのは、現在行われている折板技術によって、一枚物の鋼板を折って、形鋼を形成した例である。
【００１７】
＜６＞  せん断変形挙動の解析
図８及び図９に示すような形鋼を用いて、数値解析を行ったグラフを図１１に示す。
このような試験体に逆対称曲げせん断力Ｑを作用させた。この場合の繰り返し荷重変位関係が図１１に示されている。
使用鋼材は４００Ｎ／ｍｍ2級の普通鋼を想定しており、その応力ひずみ関係を数値解析に用いた。
結果、せん変形角が２％を超えても、その繰り返し挙動は安定しており、荷重変位関係はきれいな紡錘型を描いている。この挙動は、耐震設計上十分なものである。
図１２に示すのは、ウェブに段差状折れ部Ｂを設けずに、平板状のウェブとフランジから成る形鋼に逆対称曲げせん断力Ｑを作用させた場合の、繰り返し荷重変位関係を示している。
その結果、小さなせん断変形角より、その荷重変位関係が紡錘型から崩れ、不安定な挙動を示すことが理解できる。
このように本発明を実施した僅かな段差状折れ部Ｂを設けることで、荷重変位関係は安定したものとなる。
【実施例４】
【００１８】
図１３に示すのは、耐力壁に本発明を実施したせん断パネルＡを使用した場合である。
左右の柱部１０・１０、梁や土台などの上下の横架部１１・１１を方形に軸組みした中に、左右中間部に段差状折れ部Ｂを設けたパネルＡを配した場合である。
地震時に、耐力壁のパネルＡには、図に示すせん断応力度τが作用するが、そのせん断応力度τが面内せん断座屈応力度τcrに到達するまで、パネルＡは座屈しない。
パネルＡの左右中間部に段差状折れ部Ｂを設けて、パネルＡを二等分しており、面内せん断座屈応力度τcrは、段差状折れ部Ｂを設けた場合と比較して４倍となっており、極めて安定した耐力壁としての性能を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
以上の実施例は、建築・土木分野で使用される構造材に本発明を実施した例であるが、その他、産業機械器具、家具などの分野においても、パネル状材料に本発明を実施することが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】せん断パネルの断面図
【図２】せん断パネルの他の実施例の断面図
【図３】パネルダンパーとして使用した実施例の正面図
【図４】せん断パネルの他の実施例の断面図
【図５】せん断パネルの一部断面図
【図６】せん断パネルの他の実施例の断面図
【図７】せん断パネルの他の実施例の断面図
【図８】形鋼に実施した実施例の断面図
【図９】図８の実施例の一部側面図
【図１０】形鋼に実施した他の実施例の断面図
【図１１】本発明による断面の荷重変位関係
【図１２】ウェブが平板である場合の荷重変位関係
【図１３】耐力壁に本発明のせん断パネルを使用した実施例の正面図
【符号の説明】
【００２１】
Ａ：せん断パネル
Ｂ：段差状折れ部
１：段差部分
２：パネル部分
３：パネル部分
４：補強部
５：基礎
６：上部構造
７：連結板
８：ウェブ
９：フランジ
１０：柱部
１１：横架部
【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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