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WO2011115160A1 - 長方形金属平板の補強構造 - Google Patents

長方形金属平板の補強構造 Download PDF

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WO2011115160A1
WO2011115160A1 PCT/JP2011/056181 JP2011056181W WO2011115160A1 WO 2011115160 A1 WO2011115160 A1 WO 2011115160A1 JP 2011056181 W JP2011056181 W JP 2011056181W WO 2011115160 A1 WO2011115160 A1 WO 2011115160A1
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WO
WIPO (PCT)
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flat plate
shear
rectangular
rectangular metal
plate
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2011/056181
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English (en)
French (fr)
Inventor
敏郎 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzuki Laboratory of Material and Structure Co Ltd
Nippon Steel Engineering Co Ltd
Original Assignee
Suzuki Laboratory of Material and Structure Co Ltd
Nippon Steel Engineering Co Ltd
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Publication date
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Priority to CN201180014070.7A priority patent/CN102791940B/zh
Priority to PH1/2012/501820A priority patent/PH12012501820A1/en
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02—Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground

Definitions

  • the present invention is a reinforcing structure of a rectangular metal flat plate that receives in-plane shear and supports a compressive load as necessary, and includes all or one of the wall-constituting panels of metal-based buildings, stud-type panels and structural walls for the purpose of vibration suppression or earthquake resistance.
  • the shear force and shear deformation angle of a flat plate are directly related to the torsional rigidity of the flat plate, the mechanical performance of a rectangular metal plate subjected to in-plane shear is greatly increased with the addition of torsional rigidity, ie shear rigidity, as the emphasis of reinforcement. Is intended.
  • This application claims priority on Japanese Patent Application No. 2010-58838 filed in Japan on March 16, 2010, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • the metal flat plate subjected to shear force maintains shear strength in the process of shear deformation after shear yielding even if the shear buckling load exceeds the shear yield load, and is stable against repeated shear load. It is difficult to achieve a hysteretic property. For this reason, it is necessary to reduce the width-thickness ratio of the flat plate subjected to shearing force. As a result, a large number of stiffeners are arranged in a lattice pattern to subdivide and reinforce the entire plate area. Has been the typical method so far.
  • the problem to be solved is to secure the yield shear load of the rectangular metal plate by significantly increasing the shear rigidity of the rectangular metal plate subjected to in-plane shear and supporting the compressive load as necessary, and further to plastic shear of the plate By increasing the load, it is possible to stably maintain the shear strength without decreasing even in the large shear deformation region after yielding, and to greatly improve the plastic deformation capacity of the rectangular metal plate.
  • the shear force and shear deformation angle are related to the St. Benin torsional rigidity, so that a rectangular tubular member having a closed cross section is attached to the plate. It is intended to increase the torsional rigidity, that is, shear rigidity, to secure the shear yield load of the rectangular metal flat plate and to stably maintain the shear strength after yielding.
  • the first aspect of the rectangular metal flat plate reinforcing structure of the present invention is mainly attached to a rectangular metal flat plate that receives in-plane shear and supports a compressive load as needed, parallel to both sides in the longitudinal direction of the flat plate,
  • the strip-shaped rectangular cross-section members that reinforce the flat plate are arranged in parallel at regular intervals in the short direction of the flat plate so that they are attached to one side of the flat plate or sandwich the flat plate on both front and back surfaces of the flat plate
  • a plurality of rectangular tubular members attached to the plate, increasing the torsional rigidity and torsional strength of the rectangular metal plate to secure the yield shear load, and stabilizing the shear strength in the course of shear deformation after yielding Can be maintained.
  • the second aspect of the reinforcing structure of the rectangular metal flat plate of the present invention is a rectangular metal flat plate that mainly receives in-plane shear and supports a compressive load as necessary, and is attached in parallel to both sides in the longitudinal direction of the flat plate, A strip-shaped rectangular cross-section member that reinforces the flat plate, and a mechanical performance that is arranged in the flat plate transverse direction and has a tubular cavity on the flat plate on one side or both sides of the flat plate and substantially the same as a rectangular tubular member A plurality of C-shaped cross-section members, semicircular tube members, and the like that are attached so as to have a torsional rigidity and torsional strength of the rectangular metal plate to secure a yield shear load, and The shear strength can be stably maintained even in the course of shear deformation.
  • the third aspect of the reinforcing structure of the rectangular metal flat plate of the present invention includes a rectangular metal flat plate that mainly receives in-plane shear and supports a compressive load as necessary, and the front and back surfaces of the flat plate parallel to both sides in the longitudinal direction of the flat plate.
  • rectangular tubular members are arranged in parallel in the longitudinal direction of the flat plate on the rectangular metal flat plate which receives in-plane shear and supports a compressive load as necessary, and the members are attached by this.
  • the width / thickness ratio may be 60 or less for steel materials and 40 or less for light metal materials, leaving a region that is still elastic in a layered manner in the flat plate surface, and may have a mechanical property that is stable against changes in rigidity of elasticity and plasticity.
  • a reinforcing metal fitting for applying a shearing force at both ends in the longitudinal direction of the flat plate to the rectangular metal flat plate that mainly receives in-plane shear and supports a compressive load as necessary.
  • the rectangular tubular member attached to the flat plate is not integrated with a slight gap, and the flat plate is allowed to move without hindering the progress of the shear deformation of the flat plate. In the growth of deformation, an excessive increase in yield strength exceeding the yield shear strength may be prevented, and the shear strength after yield may be stably maintained.
  • the rectangular metal flat plate which mainly receives the in-plane shear and supports the compressive load as necessary is rotated to the outside of the flat plate surface at the load application sites near the upper and lower ends of the flat plate.
  • the plate is allowed to deform outside the plate surface on both sides in the long side direction without restraining deformation and restraining torsional deformation of the plate resulting from basic mechanical balance due to in-plane shearing.
  • the cross-section of the belt-like rectangular cross-section member or the rectangular tubular member attached to the both sides in the longitudinal direction of the plate may be enlarged so that the torsional deformation of the flat plate is suppressed to achieve mechanical stability.
  • FIG. 2 (a) is a perspective view when a rectangular tubular member is twisted
  • FIG. 2 (b) shows the torsional force and shear stress flow in the cross section of the square tube, and for comparison, the torsional force and shear stress flow in the rectangular cross section. Show.
  • the torsional strength of a square tube is determined by the outer dimensions of the section because the product of the shear stress flowing through the plate and the distance between the torsion center corresponds to the torsional force even if the constituent plate elements are thin.
  • this value is extremely large.
  • Equation (1) is the plastic torsional load of the square rectangular tubular member
  • equation (2) for comparison is the plastic torsional load of one plate element constituting the cross section.
  • the plastic torsional load ratio of the square tubular member with respect to the four constituent plate elements is expressed by Equation (3), and the plastic torsional load of the square square tube cross section is approximately double as viewed from the numerical value of the plate element width / thickness ratio.
  • Formula (4) is the plate thickness when the cross section of the rectangular tubular member derived from the comparison of FIGS. 2 (a) and 2 (b) is converted into a rectangular cross section.
  • Figure 3 shows a square tube with an outer dimension of 150 mm or less selected from the construction steel material list.
  • the width-thickness ratio B / t of the cross-section plate element is plotted on the horizontal axis, and the ratio Q Y / q y of the square tube and plate element is plotted on the vertical axis. It is shown in.
  • the squares that are distributed diagonally are square cross-sections. From square members that are at least 50 mm in length and 1.6 mm in thickness, the square that is perpendicular to the longitudinal direction is the maximum. Thirty samples were selected up to a member with a side dimension of 150 mm and a member thickness of 12 mm.
  • a numerical value approximately 2.0 times the plate element width / thickness ratio corresponds to the plastic torsional load.
  • ⁇ indicates the case of an arbitrary rectangular cross section. From a rectangular tubular member with the long and short sides of the rectangular cross section orthogonal to the longitudinal direction at the minimum of 60 mm and 30 mm, and the thickness of the member of 1.6 mm, the maximum is the longitudinal direction. Twenty-four samples were selected up to a rectangular tubular member having a long side and a short side dimension of 150 mm and 100 mm, respectively, and a member thickness of 19.0 mm. In this case, it corresponds to a numerical value of about 1.5 times and is dispersed due to the relationship between the width-thickness ratio of the long side and the plastic torsional load. When the rectangular torsional plate thickness is converted from the plastic torsional load of the rectangular tubular member, it corresponds to 10 to 20 times the rectangular tube plate thickness as indicated by an arrow in the drawing along the vertical axis of the drawing.
  • the reinforcing structure of the metal flat plate intended by the present invention is mainly intended to maintain a stable shear strength after shear yielding. Therefore, it is necessary to greatly increase the plastic torsional load of the metal flat plate.
  • the torsional rigidity and torsional strength can be greatly increased even with a thin plate, and the dynamics of a rectangular metal plate subject to in-plane shear. Performance can be greatly improved.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the reinforcement structure by the rectangular tubular member to a rectangular metal flat plate. It is a figure which shows the torsion of a square tubular member, and the shear stress flow in a closed type cross section. It is a related figure of the cross-sectional structure board
  • Example 1 It is sectional drawing which shows the structure of the square tubular member joined to the front and back of the said flat plate. It is explanatory drawing of the analysis result regarding the arrangement
  • FIG. 3 is a structural diagram of a rectangular tubular member attached to a long columnar metal flat plate. (Example 2) It is sectional drawing which shows the structure of the square tubular member adjoined to the said flat plate front and back. It is explanatory drawing of the analysis result regarding the plastic deformation capability of a long columnar type metal flat plate. It is explanatory drawing of the analysis result regarding the long-column type metal flat plate which receives a compression axial force. It is an arrangement plan of the metal flat plate built in the wall surface with an opening.
  • Example 3 It is a block diagram which shows arrangement
  • FIG. 1 is a perspective view showing a typical structure of the present invention.
  • a rectangular metal flat plate 1 that mainly undergoes in-plane shearing is formed by pressing and reinforcing rectangular tubular members 2 and 3 at substantially equal intervals on one side surface or both side surfaces of the flat plate.
  • the rectangular plate is mechanically stabilized by increasing the torsional rigidity and torsional strength by making it larger than the arrangement member 2.
  • a shear load is applied horizontally in the vicinity of the upper and lower ends of the rectangular metal flat plate, the force jig 6 in this portion is not structurally integrated with the rectangular tubular member attached to the flat plate.
  • a rectangular metal flat plate that mainly receives in-plane shear and supports a compressive load as necessary, a plurality of C-shaped cross-sectional members such as a plurality of C-shaped cross-sectional members are arranged in parallel in the lateral direction parallel to the longitudinal side of the flat plate. And a hollow portion surrounded by the flat plate and the member is provided so that the member is sandwiched and overlapped from one side of the flat plate or from the front and back sides, and the torsional rigidity and torsional strength of the rectangular metal flat plate are provided.
  • FIG. 4 (a) shows a rectangular metal plate 1 of 2,250 mm ⁇ 900 mm, and a rectangular tubular member 2 is attached to both the front and back sides of the rectangular metal flat plate 1 on both sides in the long side direction and parallel to the parallel member. Attaching from the side surface or both side surfaces, the metal fitting 6 for applying force to the upper and lower ends of the flat plate is not integrated with the rectangular tubular member to avoid restraining the member with the progress of shear deformation. is doing.
  • (b) shows the transition of the shear stress in the flat plate surface, first shear yielding in the strip-shaped region of the flat plate indicated by the dotted line sandwiched between the rectangular tubular members, and the oblique tension shown gradually by the solid line Dominates and moves to the tension field as shown by +.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a member arrangement to be analyzed in order to examine the reinforcing effect of the rectangular tubular member with respect to the rectangular metal flat plate
  • the upper stage is the long side of the rectangular cross section orthogonal to the longitudinal direction
  • twelve rectangular tubular members with short side dimensions of 75 mm and 45 mm and a member thickness of 1.6 mm are reinforced so as to overlap both sides of the flat plate
  • the middle part of (a) is the long side of the rectangular cross section orthogonal to the longitudinal direction
  • eight rectangular tubular members each having a short side dimension of 75 mm and 45 mm and a member thickness of 2.3 mm are evenly arranged on one side of the flat plate and both sides are reinforced from the opposite side
  • the lower row shows a case where six rectangular tubular members with long and short side dimensions of 75 mm and 45 mm and a wall thickness of 3.2 mm, which are orthogonal to the longitudinal direction, are evenly arranged and reinforced only on one side of the flat plate.
  • the plate thickness is changed so that the total cross-sectional area of the reinforcing members is substantially the same.
  • the reinforcing member is a rectangular tubular member having a long side and a short side dimension of 75 mm and 45 mm, respectively, and the thickness of the member is t ′ mm, the lower part is a reinforcing member having a long side and a short side.
  • the vertical axis of the figure shows the shear load Q made dimensionless by the yield shear load Q y
  • the horizontal axis ⁇ / H is the inter-layer deformation angle
  • the horizontal displacement ⁇ of the upper part of the wall plate is expressed as the ratio of H to the wall plate. is there.
  • the plastic deformation ability is high for any configuration, and by comparison, what is reinforced from both sides of the flat plate is slightly higher than others.
  • FIG. 8 shows a long columnar shear panel with a side length ratio of 1: 4.
  • a rectangular tubular member 2 having a width of 100 mm is attached to one side of the rectangular metal flat plate 1 shown in FIG.
  • the rectangular tubular member 3 is attached along the both sides and the case where the strip-like rectangular cross-section member 4 having a width of 100 mm is attached to the opposite surface shown in the figure
  • the rectangular cross-section member is provided at the intermediate portion of the flat plate. 5 is arranged.
  • the metal fitting for the rectangular cross-section member 6 is slightly separated from the reinforcing member in the long side direction so as not to prevent the progress of shear deformation.
  • Fig. 10 shows a rectangular rectangular cross section with a width of 3,600mm, a short side of 900mm, and a rectangular metal plate with a plate thickness of tmm, with a rectangular tubular member abutting only on one side and a side along both sides of the opposite side.
  • This shows the relationship between the shear load ratio Q / Q y and the shear deformation angle ⁇ / H when the members are attached.
  • the solid line in the figure is shown in the upper part of FIG.
  • the square tube plate thickness t ′ is changed according to the thickness t of the metal flat plate, substantially the same mechanical performance can be secured for different shear yield strength without changing the external dimensions of the metal flat plate. Since the plastic deformation capacity can be adjusted by the outer dimensions of the cross section, the weight of the reinforcing material associated therewith is almost the same.
  • FIG. 11 shows a rectangular metal flat plate having a long side of 3,600 mm, a short side of 900 mm, and a plate thickness of tmm, with a rectangular tubular member attached to one side at equal intervals and a rectangular tubular member at a portion along both sides of the opposite side.
  • This shows the relationship between the shear load ratio Q / Qy and the shear deformation angle ⁇ / H in a state where a constant compression axial force P is applied in the plane of the rectangular flat plate when they are attached.
  • the solid line in the figure is shown in the lower part of FIG.
  • FIG. 12 is a study on the seismic reinforcement of the wall surface with the opening modeled on the design example of implementation, on the premise that the rectangular metal plate of the present invention is used, and is arranged on the wall surface by a plurality of unit rectangular metal plates by square tube reinforcement. Is shown. 7 reinforced wall plates of 2,400mmx1,200mm are placed around the opening for a wall surface of 2007,200mmx3,600mm, but the reinforcing wall plate is attached to four vertical members on the short side of the wall surface.
  • the design condition is that the deformation is performed on the side and the deformation to the out-of-plane direction is not restricted along the side in the long side direction.
  • FIG. 13 shows a reinforcing structure of a metal flat plate 2,400 mm ⁇ 1,200 mm, and as shown in FIG. 13A, a strip 4 having a rectangular cross section of 150 mm ⁇ 12 mm along the longitudinal side is attached to one side of the metal flat plate 1.
  • the reinforcing metal fitting 6 for force application is separated from the band plate and attached along the side in the short side direction.
  • the rectangular tubular member 2 is arranged on the opposite side surface of the metal plate 1 slightly apart from the side in the longitudinal direction and arranged in parallel, and the applied portion is connected to the longitudinal member on the building side. Secure directly.
  • the upper part of (c) is a rectangular tubular member ⁇ -100x50xt '(ie, a rectangular tubular member whose long and short sides of the rectangular cross section perpendicular to the longitudinal direction have dimensions of 100 mm and 50 mm, respectively, and whose thickness is t')
  • ⁇ -100x50xt ' a rectangular tubular member whose long and short sides of the rectangular cross section perpendicular to the longitudinal direction have dimensions of 100 mm and 50 mm, respectively, and whose thickness is t'
  • the solid line in the figure adopts the reinforcing material arrangement shown in the upper part of FIG. 13 (c), and the plate thickness t ′ of the six square tube members ( ⁇ -100x50xt ′) is the same as the flat plate thickness t.
  • the dotted line in the figure adopts the reinforcement arrangement shown in the lower part of FIG.
  • the elastic shear buckling load is shown in Equation (5)
  • the buckling coefficient is shown in Equation (6)
  • the plate width-thickness ratio in the short side direction is shown in Equation (7). It is necessary to secure a shear yield load when a rectangular metal plate is subjected to in-plane shearing, considering that plasticization proceeds at the start of shear yielding in a long and narrow strip region sandwiched between rectangular tubular members, etc. It is an essential condition that the elastic shear buckling load of the part exceeds the shear yield load.
  • a typical structure of the present invention is shown in the perspective view of FIG. 1, and a rectangular metal plate mainly subjected to in-plane shear is formed by attaching rectangular tubular members to one side surface or both side surfaces of the plate at substantially equal intervals.
  • the flat plate is attached by fillet welding or metal adhesive, but when the rectangular tubular member on one side of the flat plate overlaps the rectangular tubular member or strip-shaped rectangular cross-sectional member on the other side, the flat plate is sandwiched. There are also bolted joints.
  • the reinforcing structure by the rectangular tubular member to the rectangular metal flat plate is relatively easy to assemble and light in weight, and the ease of design and the ease of manufacture are notable advantages.
  • the present invention proposes a reinforcement structure for a rectangular metal plate that receives in-plane shear and supports compressive load as necessary.
  • FIG. 15 is an analysis simulation of Example 1 showing a typical configuration of the rectangular metal wall plate of the present invention, showing the transition of the entire wall plate with the progress of shear deformation after shear yielding, and the side edges above and below the wall plate.
  • the horizontal direction of the shearing force and the twisting of the flat plate are in the same dynamic system, which can be seen from the fact that the entire flat plate is twisted and deformed. Therefore, in the reinforcing structure of the present invention, it is easy to increase the torsional rigidity and torsional strength with respect to the flat plate, and it is not always necessary to constrain the side in the long side direction. It is considered advantageous.

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Abstract

　本発明の長方形金属平板の補強構造は、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と、前記平板の長手方向の両側辺に平行して添接され、前記平板を補強する帯状矩形断面部材と、前記平板の短手方向に一定間隔毎に並列配置され、前記平板の片側面に添接されるか若しくは前記平板の表裏両面に前記平板を挟み重なるように添接される複数の角形管状部材とを備え、前記長方形金属平板の捩り剛性と捩り強さを上げて降伏せん断荷重を確保すると伴に、降伏後のせん断変形の推移にもせん断耐力を安定的に維持し得る。

Description

長方形金属平板の補強構造
　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、制振ないし耐震を目的とする間柱型パネルや構造壁の全て乃至一部を構成するものである。平板のせん断力とせん断変形角は平板の捩り剛性が直接関係するため、捩り剛性、即ちせん断剛性を付加することを補強の重点として面内せん断を受ける長方形金属平板の力学的性能を大幅に上げることを意図している。
　本願は、２０１０年３月１６日に日本に出願された特願２０１０－５８８３８号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　せん断力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せん断降伏後の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、このためせん断力を受ける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。
　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、制振ないし耐震を目的としてせん断パネルを波板・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。
特開平１０－２４６０２６ 特開２００５－０４２４２３ 特開２００６－０３７５８６ 特開２００９－１６１９８４ 特開２００９－２９３２５４
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 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
　解決しようとする課題は、面内せん断を受け且つ必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板について、平板のせん断剛性を大幅に上げて長方形金属平板の降伏せん断荷重を確保し、更に平板の塑性せん断荷重を上げることで降伏後のせん断大変形領域に於いてもせん断耐力が低下することなく安定して維持されるようし、長方形金属平板の塑性変形能力の大幅な向上を図る。
　面内せん断を受け且つ必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板について、せん断力とせん断変形角とがサンブナン捩り剛性に関係することから閉鎖型断面である角形管状部材を前記平板に添接することにより捩り剛性、即ちせん断剛性を上げ、長方形金属平板のせん断降伏荷重を確保することと降伏後のせん断耐力を安定的に維持し得るようにすることを意図している。
　本発明の長方形金属平板の補強構造の第一態様は、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と、前記平板の長手方向の両側辺に平行して添接され、前記平板を補強する帯状矩形断面部材と、前記平板の短手方向に一定間隔毎に並列配置され、前記平板の片側面に添接されるか若しくは前記平板の表裏両面に前記平板を挟み重なるように添接される複数の角形管状部材とを備え、前記長方形金属平板の捩り剛性と捩り強さを上げて降伏せん断荷重を確保すると伴に、降伏後のせん断変形の推移にもせん断耐力を安定的に維持し得る。
　本発明の長方形金属平板の補強構造の第二態様は、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と、前記平板の長手方向の両側辺に平行して添接され、前記平板を補強する帯状矩形断面部材と、前記平板短手方向に配置され、前記平板の片側面に若しくは表裏両面に、前記平板上に管状空洞部を設けて角形管状部材と略同じ力学的性能を有するように添接される複数のＣ形断面部材、半円形管部材等とを備え、前記長方形金属平板の捩り剛性と捩り強さを上げて降伏せん断荷重を確保すると伴に、降伏後のせん断変形の推移にもせん断耐力を安定的に維持し得る。
　本発明の長方形金属平板の補強構造の第三態様は、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と、前記平板の長手方向の両側辺に平行して該平板の表裏両面に添接され、前記平板を補強する角形管状部材と、前記平板の短手方向の前記部材間に一定間隔毎に並列配置され、前記平板の片側面に添接されるか若しくは前記平板の表裏両面に前記平板を挟み重なるように添接される複数の角形管状部材とを備え、前記長方形金属平板の捩り剛性と捩り強さを上げて降伏せん断荷重を確保すると伴に、降伏後のせん断変形の推移にもせん断耐力を安定的に維持し得る。
　本発明の長方形金属平板の補強構造において、面内せん断を受け且つ必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板に、前記平板の長手方向に角形管状部材を並列配置し、これによって部材が添接される部位とそうではない部位とで前記平板に実質的な板厚差を生じさせ、せん断降伏領域が降伏初期時点で板厚の薄い短冊状領域に限定されるため前記短冊状領域の短手方向の幅厚比を鋼材で60以下、軽金属材で40以下とし、平板面内に層状に未だ弾性となる領域を残し弾性・塑性の剛性変化にも安定した力学性状としてもよい。
　本発明の長方形金属平板の補強構造において、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、前記平板の長手方向両材端部のせん断力を付加するための補強金具と前記平板に添接された角形管状部材とは僅かな隙間を設けて一体化せずに前記平板のせん断変形の進行を阻害することなく推移せしめ、これによって前記長方形金属平板のせん断降伏後のせん断変形の成長にも降伏せん断耐力を超える過度の耐力上昇を防ぎ降伏後のせん断耐力を安定的に維持し得るようにしてもよい。
　本発明の長方形金属平板の補強構造において、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、前記平板の上下両端部近傍の荷重付加部位に於いて平板面外への回転変形を抑止し且つ面内せん断を受けて基本的な力学的釣合いから生じる前記平板の捩り変形を拘束することなく長辺方向両側辺部の平板面外への変形を許容し、これによって前記平板の長手方向両側辺部に添接される帯状矩形断面部材乃至角形管状部材の断面を大きくし前記平板の捩り変形を低く抑えて力学的安定を図ってもよい。
　図２(ａ)は角形管状部材を捩った場合の斜視図で、(ｂ)図には捩り力と角管断面内のせん断応力流れ及び比較として捩り力と矩形断面内のせん断応力流れを示している。閉鎖型断面に於いてはその構成板要素が薄くても平板内を流れるせん断応力と捩り中心との距離との積が捩り力に対応するため角管の捩り強さは断面の外郭寸法により決まり、板厚の中央線が捩り中心である平板の捩り強さとは異なり極めて大きな値となる。
　数式(１)は正方形角形管状部材の塑性捩り荷重であり、比較のための数式(２)は前記断面を構成する板要素１枚の塑性捩り荷重である。構成板要素４枚に対する角形管状部材の塑性捩り荷重比は数式(３)となり、正方形角管断面の塑性捩り荷重は板要素幅厚比の数値から見て略２倍になる。数式(４)は、前掲図２(ａ)と(ｂ)との対比から誘導される角形管状部材の断面を矩形断面に換算したときの板厚である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　図３は建設用鋼材リストから外形寸法150mm以下の角管を選び断面板要素の幅厚比Ｂ/ｔを横軸に角管と板要素の塑性捩り荷重の比ＱY/ｑyを縦軸に示したものである。斜め直線状に分布する●印は正方形断面の場合で、最小で長手方向に直交する正方形断面の一辺の寸法が50mm、部材の肉厚が1.6mmの部材から、最大で長手方向に直交する正方形断面の一辺の寸法が150mm、部材の肉厚が12mmの部材までのサンプル３０体を選択した。この場合、板要素幅厚比の略2.0倍の数値が塑性捩り荷重に対応する。○印は任意矩形断面の場合で、最小で長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ60mm、30mm、部材の肉厚が1.6mmの角形管状部材から、最大で長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ150mm、100mm、部材の肉厚が19.0mmの角形管状部材までのサンプル２４体を選択した。この場合、長辺の幅厚比と塑性捩り荷重との関係で略1.5倍の数値に対応し且つ分散している。角形管状部材の塑性捩り荷重から矩形断面板厚に換算すると図の縦軸に沿い図中に矢印で示すように角管板厚の10倍～20倍に相当する。
　本発明が意図する金属平板の補強構造はせん断降伏後の安定したせん断耐力の維持を主な目的としており、従って金属平板の塑性捩り荷重を大幅に増やすことが必要であるため補強部材として角形管状部材を選択したもので、金属平板内に閉鎖型断面となる部位を設けることで薄い平板であっても捩り剛性、捩り強さを極めて大きくでき、これにより面内せん断を受ける長方形金属平板の力学的性能を大幅に上げることができる。
長方形金属平板への角形管状部材による補強構造を示す斜視図である。 角形管状部材の捩りと閉鎖型断面内のせん断応力流れを示す図である。 構造用角形管状部材の断面構成板要素と塑性捩り荷重の関係図である。 角形管状部材で補強された長方形金属平板の構造図である。（実施例１） 前記平板の表裏面へ添接された角形管状部材の構成を示す断面図である。 角形管状部材の配置形態と補強効果に関する解析結果の説明図である。 Ｃ形断面部材による補強とその効果に関する解析結果の説明図である。 長柱型金属平板に添接される角形管状部材の構造図である。（実施例２） 前記平板表裏面へ添接された角形管状部材の構成を示す断面図である。 長柱型金属平板の塑性変形能力に関する解析結果の説明図である。 圧縮軸力を受ける長柱型金属平板に関する解析結果の説明図である。 開口部の有る壁面に組込まれた金属平板の配置図である。（実施例３） 薄い金属平板ユニットに対する帯板と角管の配置を示す構成図である。 金属平板ユニットの塑性変形能力に関する解析結果の説明図である。 本発明の補強長方形金属平板の捩りを伴う変形を示す斜視図である。
　図１は本発明の代表的構造を示す斜視図である。主に面内せん断を受ける長方形金属平板１を前記平板の片側面乃至両側面に角形管状部材２，３を略均等間隔に添接補強するもので、必要に応じ両側辺に沿う部材３を内側配置の部材２より大きくし捩り剛性、捩り強さを上げて前記長方形平板の力学的安定を図る。長方形金属平板の上下両側端部近傍で水平にせん断荷重を付加するが、この部位の加力冶具６とは平板に添接される角形管状部材とは構造的に一体化はしない。
　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として、前記平板の長手方向の側辺に平行してその短手方向に複数のＣ形断面部材等任意断面部材を並列配置して前記平板の片側面から添接し乃至表裏面から前記部材が板を挟み重なるように添接して前記平板と部材とで囲まれた空洞部を設け、前記長方形金属平板の捩り剛性、捩り強さを大幅に上げて平板の降伏せん断荷重の確保と降伏後のせん断耐力の維持とを意図した長方形金属平板の補強構造である。
　図４(ａ)は 2,250mmx900mm の長方形金属平板１の長辺方向の両側辺に沿い表裏両面に角形管状部材３を添接し且つ並列する前記部材と平行して角形管状部材２を前記平板の片側面乃至両側面から添接し、前記平板の上下端部に加力の為の金具６を前記角形管状部材とは一体化せずに設置してせん断変形の進行に伴う前記部材への拘束を回避している。又、(ｂ)図は前記平板面内のせん断応力の推移を示したもので、角形管状部材で挟まれた点線で示す平板の短冊状領域でまずせん断降伏し、徐々に実線で示す斜張力が支配し＋印で示すように張力場へと移行する。
　図５は前記長方形金属平板に対して、角形管状部材の補強効果を調べるために解析対象とした部材配置を示す断面図で、(ａ)の上段は長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ75mm、45mm、部材の肉厚が1.6mmの角形管状部材１２本を平板両面に重なるように補強した場合、（ａ）の中段は長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ75mm、45mm、部材の肉厚が2.3mmの角形管状部材８本を平板片側面に均等に配し且つ両側辺部だけ逆側面からも補強した場合、（ｃ）の下段は長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ75mm、45mm、部材の肉厚が3.2mmの角形管状部材６本を平板片面にのみ均等に配し補強した場合である。解析では各ケースの補強効果を比較するため補強材断面積総和を略同じとするように板厚を変えている。(ｂ)図の上段は補強部材を長辺、短辺の寸法がそれぞれ75mm、45mm、部材の肉厚がt'mmの角形管状部材とする場合、下段は補強部材を長辺、短辺の寸法がそれぞれ75mm、45mm、短辺に連続して折り曲げられた部分の寸法が15mm、部材の肉厚がt'mmのＣ形断面部材を平板に被せるように取付ける場合を例示した。
　図６は、長辺2,250mm、短辺900mm、板厚ｔ=3.2mmとする前記長方形平板の数値解析結果で、図５（ａ）の上段に示された補強材配置を採用した場合、図５（ａ）の中段に示された補強材配置を採用した場合、および図５（ｃ）の下段に示された補強材配置を採用した場合、以上についてその効果を検証している。図の縦軸はせん断荷重Ｑを降伏せん断荷重Ｑyで無次元化し、横軸のδ/Ｈ は層間変形角で壁板上部の水平変位δを壁板のせいＨの比で示した図である。全体的に見て何れの構成に対しても塑性変形能力は高く、強いて比較すれば平板両面から補強されたものが若干他を上回る。
　図７は、長辺2,250mm、短辺900mm、板厚ｔ=3.2mmとする前記長方形平板の数値解析結果で、図５（ａ）の上段に示された補強材配置を採用した場合、図５（ａ）の中段に示された補強材配置を採用した場合、および図５（ｃ）の下段に示された補強材配置を採用した場合のそれぞれについて、補強部材を図５(ｂ)のＣ形断面部材とした長方形平板に対する数値解析結果である。角形管状部材との違いはＣ形断面部材が平板に接する部位での断面が欠落した場合に相当する。塑性変形能力で比較すれば略2/3となり、平板に付加される捩り剛性、捩り強さが略同じであることから、この差は平板の補強部位の板厚差によるものと考えられる。以上の数値解析では、材料は降伏点応力度σy=30kN/cm2、SS400相当の軟鋼とし、以下の解析もこれに準じて行っている。
　図８は辺長比１：４の長柱型せん断パネルで、(ａ)図に示す長方形金属平板１の片側面に幅100mmの角形管状部材２を100mm毎に離して添接し、(ｂ)図に示す逆側の面には両側辺に沿い角形管状部材３を添接する場合と100mm幅の帯状矩形断面部材４を添接する場合を考え且つ前記何れに対しても平板中間部位に矩形断面部材５を配して構成している。前記平板の上下端部に矩形断面部材６の加力用金具は長辺方向の補強部材とは僅かに離してせん断変形の進行を妨げないよう配慮している。
　図９は解析例題として長方形金属平板の板厚ｔ= 3.2mm，6.0mm，9.0mmを選択し、角形管状部材として □-100x50xt'（すなわち、長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ100mm、50mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）と □-100x75xt'（すなわち、長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ100mm、75mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）を、前記３ケースに対し角管の板厚をt'=3.2mm，4.5mm，6.0mmとしている。長方形金属平板の板厚ｔに応じて角管板厚t'を変え異なるせん断降伏荷重となる平板であっても略同じ塑性変形能力となることを目論み、更に全体的な力学性能は角管の外形寸法を上げることで調整して大きく塑性変形能力を上げる工夫をしている。
　図１０は、長辺3,600mm、短辺900mm、板厚ｔmmとする長方形金属平板に対し角形管状部材を片側面にのみ添接し且つ逆側面の両側辺に沿う部位には100mm幅の帯状矩形断面部材を添接した場合における、せん断荷重比Ｑ/Ｑyとせん断変形角δ/Ｈとの関係を表したものである。図中の実線は図９の上段に示された □-100x50xt'（すなわち、長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ100mm、50mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）の管状部材を採用した場合、点線は図９の中段に示された □-100x75xt'（すなわち、長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ100mm、75mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）の管状部材を採用した場合である。長方形の金属平板の板厚3.2mmのとき角管板厚3.2mm、金属平板の板厚6.0mmのとき角管板厚4.5mm、金属平板の板厚9.0mmのとき角管板厚6.0mmという具合に金属平板の板厚ｔに応じて角管板厚t'を変えるものの、金属平板の外形寸法を変えることなく異なるせん断降伏耐力に対しても略同じ力学的性能が確保でき、更に角管断面の外形寸法により塑性変形能力を調整できるためこれに伴う補強材重量も殆ど同じとなる。
　図１１は、長辺3,600mm、短辺900mm、板厚ｔmmとする長方形金属平板に対し、角形管状部材を片側面に等間隔に添接し且つ逆側面の両側辺に沿う部位に角形管状部材を添接した場合において、一定圧縮軸力Ｐが長方形平板の面内に加わる状態でのせん断荷重比Ｑ/Ｑyとせん断変形角δ/Ｈとの関係を表したものである。図中の実線は図９の下段に示された □-100x75xt'（すなわち、長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ100mm、75mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）の管状部材を採用した場合である。軸圧縮力は添接される角管全断面積で換算し降伏軸力の略20%を設定し解析した結果である。図中下部に示した点線は長方形金属平板の中間位置の捩り変形角φである。捩り変形角φは平板のせん断変形が進行しても低く抑えられており、本設定条件では長手方向両側辺に沿い平板の表裏両面に角形管状部材を重ねて構成することが有効であると考えられる。
　図１２は実施設計例をモデルとした開口部のある壁面の耐震補強について本発明の長方形金属平板の使用を前提として検討するもので、角管補強による単位長方形金属平板複数枚による壁面への配置を示したものである。壁面 7,200mmx3,600mm に対し 2,400mmx1,200mm の補強壁板７枚を開口部を取囲んで配置しているが、補強壁板の取付けは４本の縦方向部材に前記壁面の短辺方向側辺で行い、長辺方向の側辺に沿っては面外への変形を拘束しないことを設計条件としている。 
　図１３は金属平板 2,400mmx1,200mm の補強構造を示したもので、(ａ)に示すように、金属平板１の片側面には長手方向の側辺に沿い矩形断面 150mmx12mm の帯板４を添接し且つ短辺方向の側辺に沿い加力用補強金具６を前記帯板とは分離し取付けている。(ｂ)に示すように、金属平板１の平板逆側面には長手方向の側辺から若干離し角形管状部材２を均等に並列配置して添接し且つ加力部は建物側の縦方向部材に直接止め付ける。(ｃ)の上段は角形管状部材を □-100x50xt'（すなわち、長手方向に直交する矩形断面の長辺、短辺の寸法がそれぞれ100mm、50mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）とする場合、（ｃ）の下段は両側辺に沿う角形管状部材だけを □-100x100xt'（すなわち、長手方向に直交する正方形断面の縦横二辺の寸法がともに100mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）とする例である。
　図１４は、長辺2,400mm、短辺1,200mm、長方形金属平板に対し、平板の板厚がそれぞれｔ= 3.2mm，2.3mm，1.6mmの長方形金属平板に対しての数値解析結果である。図中の実線は図１３（ｃ）の上段に示された補強材配置を採用し、６本の角管部材（□-100x50xt'）の板厚t'を平板板厚ｔとそれぞれ同じとし、図中の点線は図１３（ｃ）の下段に示された補強材配置を採用し、側辺に沿う２本の角管部材のみその寸法を □-100x100xt'（すなわち、長手方向に直交する正方形断面の縦横二辺の寸法がともに100mm、部材の肉厚がt'の角形管状部材）に取替えた場合である。並列配置された角形管状部材の間の短冊状領域の短辺方向幅は80mmであり、各平板板厚の幅厚比は 25，35，50 となっているにも拘わらず降伏後のせん断耐力の限界も略同じ値となっている。
　半無限縁平板のせん断座屈について弾性せん断座屈荷重を数式(５)に、座屈係数を数式(６)に、短辺方向の平板幅厚比を数式(７)に示している。長方形金属平板が面内せん断を受ける場合にせん断降伏荷重を確保することが必要であり、角形管状部材等で挟まれた細長い短冊状領域でせん断降伏開始時点で塑性化が進むことを考え、その部位の弾性せん断座屈荷重がせん断降伏荷重を上回ることが必須条件となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　本発明の対象とする長方形金属平板は鋼材及び軽金属材を含み且つ金属材料の降伏点応力度にも数値幅があり、鋼材として降伏点応力度σy=30kN/cm2、ヤング係数はＥ=20,500kN/cm2、軽金属材として降伏点応力度σy=20kN/cm2、ヤング係数はＥ=7,200kN/cm2を標準として考えれば弾性せん断座屈荷重がせん断降伏荷重を上回る幅厚比は鋼材でｂ/ｔ=98、軽金属材料でｂ/ｔ=69 となるため、平板の元撓み等の不整を考え前記数値の略2/3乃至それ以下とし鋼材でｂ/ｔ=60、軽金属材料でｂ/ｔ=40 を制限値とした。
　本発明の代表的構造は図１の斜視図に示しているが、主に面内せん断を受ける長方形金属平板を前記平板の片側面乃至両側面に角形管状部材を略均等間隔に添接し構成するもので、平板には隅肉溶接乃至金属接着剤により取付けることを標準とするが平板片側面の角形管状部材が他側面の角形管状部材乃至帯状矩形断面部材と重なる場合には平板を挟んでのボルト接合もある。長方形金属平板への角形管状部材による補強構造は組立て方法が比較的簡単で且つ軽量であり、設計の容易さと製作の簡便さは特記すべき長所である。
　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に対する補強構造を提案したもので、捩りを主体とする力学的性能確保には閉鎖型断面である角形管状部材が有効に寄与し、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。明細書中の実施例では金属平板として降伏点応力度σy=30kN/cm2、ヤング係数Ｅ=20,500kN/cm2としているが、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の扱いが可能である。
　図１５は本発明の長方形金属壁板の代表的構成を示す実施例１の解析シミュレーションで、せん断降伏以降のせん断変形の進行に伴う壁板全体の推移を示すもので、壁板上下の側辺に沿い水平方向にせん断力が作用することと平板を捩ることとは同一の力学体系にあり、これは平板全体が捩れ変形していることからも判る。従って、本発明の補強構造では平板に対し捩り剛性、捩り強さを上げることは容易で、必ずしも長辺方向側辺を拘束する必要はなく、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。
　１…面内せん断を受ける金属平板、
　２…平板面に添接される角形管状部材、
　３…長辺方向側辺に沿う角形管状部材、
　４…平板両側辺に沿う矩形断面部材、
　５…長手方向中間部の横方向補強材、
　６…平板両端部の加力用補強金具

Claims (6)

  1. 　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として、前記平板の長手方向の両側辺に平行して帯状矩形断面部材を添接し面内せん断を受ける金属平板を補強し、
    　前記平板短手方向に複数の角形管状部材を一定間隔毎に並列配置して前記平板の片側面から添接し乃至表裏両面から前記部材が平板を挟み重なるように添接し、
    　前記長方形金属平板の捩り剛性と捩り強さを上げて降伏せん断荷重を確保すると伴に、降伏後のせん断変形の推移にもせん断耐力を安定的に維持し得るようにした長方形金属平板の補強構造。
  2. 　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として、前記平板の長手方向の両側辺に平行して帯状矩形断面部材を添接し面内せん断を受ける金属平板を補強し、
    　前記平板短手方向に複数のＣ形断面部材、半円形管部材等を前記平板の片側面乃至表裏両面から添接して平板上に管状空洞部を設けて角形管状部材と略同じ力学的性能とし、
    　前記長方形金属平板の捩り剛性と捩り強さを上げて降伏せん断荷重を確保すると伴に、降伏後のせん断変形の推移にもせん断耐力を安定的に維持し得るようにした長方形金属平板の補強構造。
  3. 　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として、前記平板の長手方向の両側辺に平行して表裏両面に角形管状部材を添接し面内せん断を受ける金属平板を補強し、
    　前記平板短手方向の前記部材間に複数の角形管状部材を一定間隔毎に並列配置して前記平板の片側面から添接し乃至表裏両面から前記部材が平板を挟み重なるように添接し、
    　前記長方形金属平板の捩り剛性と捩り強さを上げて降伏せん断荷重を確保すると伴に、降伏後のせん断変形の推移にもせん断耐力を安定的に維持し得るようにした長方形金属平板の補強構造。
  4. 　面内せん断を受け且つ必要に応じ圧縮荷重を支える長方形金属平板として、前記平板の長手方向に角形管状部材を並列配置することで部材が添接される部位とそうではない部位とで実質的な板厚差が生じてせん断降伏領域は降伏初期時点で板厚の薄い短冊状領域に限定されるため前記短冊状領域の短手方向の幅厚比を鋼材で60以下、軽金属材で40以下とし、平板面内に層状に未だ弾性となる領域を残し弾性・塑性の剛性変化にも安定した力学性状とする請求項１、請求項２、請求項３のいずれか一項に記載の長方形金属平板の補強構造。
  5. 　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として、前記平板の長手方向両材端部のせん断力を付加するための補強金具と平板に添接された角形管状部材とは僅かな隙間を設けて一体化せずに前記平板のせん断変形の進行を阻害することなく推移せしめ、前記長方形金属平板のせん断降伏後のせん断変形の成長にも降伏せん断耐力を超える過度の耐力上昇を防ぎ降伏後のせん断耐力を安定的に維持し得るようにした請求項１、請求項２、請求項３のいずれか一項に記載の長方形金属平板の補強構造。
  6. 　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として、前記平板の上下両端部近傍の荷重付加部位に於いて平板面外への回転変形を抑止し且つ面内せん断を受けて基本的な力学的釣合いから生じる前記平板の捩り変形を拘束することなく長辺方向両側辺部の平板面外への変形を許容し、前記平板の長手方向両側辺部に添接される帯状矩形断面部材乃至角形管状部材の断面を大きくし前記平板の捩り変形を低く抑えて力学的安定を図る請求項１、請求項２、請求項３のいずれか一項に記載の長方形金属平板の補強構造。
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