JP6996536B2

JP6996536B2 - 鋼板耐震壁

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Publication number: JP6996536B2
Application number: JP2019172420A
Authority: JP
Inventors: 隼平安永
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: JP2020076295A

Description

本発明は、建物の耐震性を高める壁構造に関し、特に鋼材で構成される鋼板耐震壁に関する。

従来の一般的な鋼板耐震壁１１は、図８に示すように、矩形状の鋼板１３が建物の柱１５（間柱）と梁１７で構成される架構１９（フレーム）の中に配置され、鋼板１３の四辺の周縁端を、断面T字状の接合部材２１を介して、柱１５や梁１７に溶接接合あるいは高力ボルト２３によるボルト接合で取り付けられる。

地震・台風などの水平方向外力が建物の柱１５（間柱）と梁１７から鋼板耐震壁１１に入力されると、壁面が面外方向にはらみ出すような変形（座屈）が発生し、耐力が著しく低下する。この座屈現象を防止し、水平方向外力に対して安定した耐力を維持するために、鋼板１３を座屈補剛する。

座屈補剛の方法として、一般的にスチフナによる補剛が行われており、図８、図９に示すように、鋼板１３の表と裏でスチフナ２５が交差するように配置する手法や、図１０に示すように、スチフナ２５を鉛直方向に所定の間隔で複数枚配置する手法が取られている。

また、座屈補剛の他の方法として、特許文献１に開示されたように、鋼板１３として表面に凹凸を形成するように曲げ加工された波形鋼板を用い、鋼板１３に形成された凹凸によって面外剛性を向上させて座屈補剛するという手法もある。

特開２０１３－２０３２号公報

スチフナ２５による座屈補剛の場合、スチフナ２５は溶接によって鋼板１３に接合されるため、溶接する際の熱により、鋼板１３に歪みが生じてしまう。この歪みは、鋼板１３の座屈耐力を著しく低下させるため、歪を精密に矯正する必要があるが、歪みの検査や矯正には、多くの手間がかかるという問題がある。そして、外形上は精密に矯正された鋼板耐震壁１１であっても、鋼板１３の内部には残留応力が生じており、この残留応力が座屈耐力の低下を引き起こす恐れがある。

また、スチフナ２５による座屈補剛の内、図９に示すような表と裏でスチフナ２５が交差する場合は、上記の問題に加えて、溶接時に鋼板１３を反転させる必要があるため、さらに多くの手間がかかる。

曲げ加工された波形鋼板を用いる手法では、加工による残留応力の影響や、加工された部位の強度低下が懸念される。
また、波形鋼板を用いる手法では、場合によっては凹凸の幅が大きくなり、輸送に支障が出る可能性もある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、加工の手間や加工に伴う熱や残留応力の影響がなく、座屈性能に優れた鋼板耐震壁を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る鋼板耐震壁は、柱と梁で囲まれた架構に鋼板を設置して構成される鋼板耐震壁であって、
前記鋼板が、板厚の厚い部位と薄い部位が、高さ方向で交互に形成されて横縞状になるか、又は幅方向で交互に形成されて縦縞状になった板厚変化鋼板であって、鋼板面に溶接や曲げ加工が施されていないものであることを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、板厚が最も厚い部位から板厚が最も薄い部位への板厚の変化、及び板厚が最も薄い部位から板厚が最も厚い部位への板厚の変化が、一定の変化率で徐々に変化するものであることを特徴とするものである。

本発明においては、板厚変化鋼板を鋼板耐震壁に用いたことにより、例えばスチフナを溶接する従来例で問題となる、溶接熱による歪みやその矯正に起因する問題、あるいは曲げ加工された波形鋼板を用いる従来例で問題となる加工による残留応力の影響や、加工部の強度低下の問題が全くなくなり、板厚変化鋼板のもつ座屈耐力をそのまま期待できるため、信頼性が高い鋼板耐震壁を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る鋼板耐震壁の構造の説明図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が矢視Ａ－Ａ断面図である。図１に示した板厚変化鋼板の説明図であって、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図１に示した板厚変化鋼板の他の態様の説明図であって、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。板厚変化鋼板の取付方法の説明図である。板厚変化鋼板の取付方法の説明図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図１に示した板厚変化鋼板の他の態様の説明図であって、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図１に示した板厚変化鋼板の他の態様の説明図であって、（ａ）が正面図、（ｂ）が平面図である。従来の鋼板耐震壁の構造の説明図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が矢視Ｂ－Ｂ断面図である。図８に示した鋼板耐震壁の補剛構造の説明図であって、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図８に示した鋼板耐震壁の他の補剛構造の説明図であって、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。実施例において例示した鋼製耐震壁の説明図である。本発明の効果を確認するために行った有限要素解析の結果を示すグラフである。

本実施の形態の鋼板耐震壁を図１、図２に基づいて説明する。
本実施の形態の鋼板耐震壁１は、柱１５と梁１７で囲まれた架構１９に鋼板を設置して構成される鋼板耐震壁１である。
そして、鋼板が、板厚の厚い部位と薄い部位が、高さ方向で交互に形成されて横縞状になった板厚変化鋼板３であって、鋼板面に溶接や曲げ加工が施されていないものであることを特徴とするものである。ここで、鋼板面とは、板厚変化鋼板３を架構１９に設置して鋼板耐震壁１としたときの壁面に相当する面のことをいう。

本実施の形態の板厚変化鋼板３は、図２に示すように、板厚が最も薄い最薄部３ａから下端に向けて板厚が徐々に増加して最も厚みのある部分である最厚部３ｂに至り、そこから徐々に板厚が薄くなり、板厚が最も薄い部分である最薄部３ａに至り、さらに板厚が徐々に増加するということを繰り返して、下端では板厚が最も薄い最薄部３ａとなっている。

本実施の形態では、上下端を除くと板厚が最も厚い最厚部３ｂが上下方向３カ所で、板厚が最も薄くなる最薄部３ａが２か所となっているが、本発明はこれに限られるものではなく、最厚部３ｂが２カ所以上であればよい。
なお、板厚の変化の数が多いほど、座屈荷重が増加するので、例えば図３に示すように、板厚の最厚部３ｂが高さ方向で６カ所あるようなものであってもよい。

本実施の形態に上下方向で板厚が一定の変化率で徐々に変化して横縞状にした板厚変化鋼板３を用いることで、最薄部と等しい板厚を有する一様に等厚な鋼板１３（以下、「等厚鋼板１３」という）にスチフナ２５で補剛を施した鋼板耐震壁１１(以下、「等厚鋼板耐震壁１１」という)（図９、図１０参照）と同等あるいはそれ以上の座屈耐力が期待できる。この点を、より詳細に説明すると以下の通りである。

等厚鋼板耐震壁では、水平力が作用した際に、等厚鋼板１３が面内で一様に降伏して全面で剛性低下する。この剛性低下に伴う面外への座屈を防ぐために、スチフナ２５を壁面全域に配置して座屈補剛する仕組みである。
一方、板厚変化鋼板３を用いた鋼板耐震壁１では、水平力が作用した際に、面内で最薄部が先行して降伏し、その後、徐々に増厚部が降伏するため、剛性低下は壁面全体で一様ではない。すなわち、板厚変化鋼板３を用いた鋼板耐震壁１では、剛性低下を壁面内で分布させることにより、座屈発生を遅らせ座屈補剛する仕組みであり、等厚鋼板耐震壁１１以上の座屈耐力が期待できる。
しかも、本実施の形態では、補剛材を溶接したり、鋼板を曲げ加工したりする必要がないため、上述したような溶接や曲げ加工にともなう問題点が発生することなく、板厚変化鋼板３のもつ本来の座屈耐力を期待することができ、信頼性の高い鋼板耐震壁１を構成することができる。

なお、板厚変化鋼板３は、圧延によって製造することができ、座屈補剛のために、スチフナ等の溶接や、曲げ加工等が不要であるので、耐震壁の製作の手間も低減できる。

板厚変化鋼板３の架構１９への設置に関し、図１に示すように、上下の梁１７に対しては、断面がＴ字状の接合部材５を介してボルト接合される。すなわち、板厚変化鋼板３の上辺部には、Ｔ字を倒立させた状態でその横片５ａを溶接接合し、板厚変化鋼板３の下辺部には、Ｔ字の横片５ａを溶接接合する。そして、接合部材５の縦片５ｂを梁１７側の添接板８に高力ボルト２３でボルト接合される。

また、左右の柱１５（間柱）に対する接合方法としては、図４に示すように、板厚変化鋼板３と同様に板厚が変化するスプライスプレート７で板厚変化鋼板３を挟持してボルト接合して、スプライスプレート７を柱１５（間柱）と接合するようにしてもよい。
また、図５に示すように、板厚変化鋼板３の最も板厚の薄い最薄部３ａと同じ厚さの平板からなる添接板９を板厚変化鋼板３の両側辺に溶接して、添接板９を柱１５（間柱）に接合するようにしてもよい。

以上のように構成された鋼板耐震壁１においては、鋼板として板厚変化鋼板３を用いたので、例えばスチフナ２５を溶接する従来例で問題となる、溶接熱による歪みやその矯正に起因する問題、あるいは曲げ加工された波形鋼板を用いる従来例で問題となる加工による残留応力の影響や、加工部の強度低下の問題が全くなくなり、板厚変化鋼板３のもつ座屈耐力を期待できるため、信頼性が高い鋼板耐震壁１を得ることができる。

また、板厚変化鋼板３を用いることで、鋼板耐震壁１を製作するに際して、スチフナ２５を溶接する方法に比較して、溶接作業や、熱歪みの矯正作業等がなく、また波形鋼板を用いる場合に比較しても、曲げ加工や、残留応力の影響の検査作業がなく、耐震壁を製作する際の手間がなく作業性に優れるという効果を得ることができる。

なお、上記の実施の形態では、板厚変化鋼板３として表裏の両面に凹凸面が形成されたものを例示したが、図６に示すように、片方の面が平坦面で、他方の面のみが凹凸面になるようなものであってもよい。
また、上記の実施の形態では、板厚が高さ方向で規則的に変化し、横縞が形成されたものであったが、図７に示すように、縦縞が形成されるように、板厚が水平方向で変化するものであってもよい。

また、上記の実施の形態では、板厚が最薄部３ａから最厚部３ｂへと徐々に変化するものであったが、板厚が最も厚い最厚部３ｂでは板厚方向に直交する断面形状が矩形状の凸部となるように、最厚部３ｂの板厚は一定で、板厚の最も薄い最薄部３ａの板厚も一定で、これらの最厚部３ｂと最薄部３ａが交互に現れるような態様であってもよい。
この場合、板厚が一定の最薄部３ａと最厚部３ｂを繋ぐ部分は、板厚が急激に変化するような垂直面でもよいし、板厚が徐々に変化するような傾斜面でもよい。

もっとも、一定の変化率で徐々に変化する傾斜面とすることで、後述する実施例で示すように、塑性変形性能の向上が期待できる。
特に、座屈発生を遅らせ座屈補剛する上では、最厚部と最薄部の板厚比で1.5以上あることが好ましい。一方、板厚比が2.0以上の場合は塑性変形性能が頭打ちになる傾向がある。よって、経済性を考慮すると板厚比で1.5～2.0が好ましい範囲であるといえる。

本発明による効果を検証するために、有限要素解析を実施した。解析対象は高さＨ＝3240mm、幅Ｄ＝1620mmの鋼板である。解析ケースを図１１に示す。図１１（ａ）（ｂ）は本発明を適用したテーパー鋼板であり、図１１（ｃ）は比較例として実施した従来技術のスチフナ補剛された鋼板である。

図１１（ａ）（ｂ）に示すものは、板厚の厚い部位と薄い部位が、高さ方向で交互に形成されて横縞状になっており、薄い部分の板厚をｔ＝12mmに統一し、厚い部分の板厚を２種類（ｔ＝19,22mm）とした。また、等厚部分の高さを250mm、勾配を有する部分の高さを497.5mmとして統一した。
これにより、図１１（ａ）に示すものの板厚比（最厚部／最薄部）＝1.58であり、板厚変化率は14mm/mとなる。また、図１１（ｂ）に示すものの板厚比（最厚部／最薄部）＝1.83であり、板厚変化率は20mm/mとなる。

また、図１１（ｃ）の比較例は、縦方向に２本、横方向に５本のスチフナが等間隔に配置されている。スチフナの板厚ｔｓは鋼板の薄い部位の板厚ｔ（＝12mm）と同じとし、スチフナ高さはｈｓ＝70mmとした。

材料特性は、降伏強度σｙ＝235N/mm²、引張強度σｕ＝400N/mm²、初期剛性Ｅ＝20,5000N/mm²に対して、二次剛性をE/60、三次剛性をE/1000となるトリリニア型とした。また、境界条件は４辺固定支持とし、壁面に一様なせん断応力を作用させた。予め座屈固有値解析を実施し、得られた１次モードを面外変位がH/1000となるように初期不整として入力し、幾何学的非線形解析を実施した。

解析結果を図１２に示す。図１２の縦軸は、せん断応力度τを降伏応力度τｙで無次元化した無次元せん断応力度（τ/τ_ｙ）を示し、横軸は変形角Ｒを降伏変形角Ｒｙで無次元化した無次元変形角（Ｒ/Ｒ_ｙ）を示している。
図１２では、テーパー鋼板の結果を実線で、スチフナ補剛された鋼板の結果を破線でそれぞれ示し、また各曲線の最大耐力を▽印で示している。

テーパー鋼板（ｔ12-ｔ19）（図１１（ａ）板厚比：1.58、板厚変化率：14mm/m）では、最大耐力が降伏応力度を上回っている。また、従来のスチフナ補剛された鋼板に比べて、最大耐力後の劣化勾配も緩やかであり、塑性変形性能に優れることが分かる。
テーパー鋼板（ｔ12-ｔ22）（図１１（ｂ）板厚比：1.83、板厚変化率：20mm/m）では、耐力および塑性変形性能の両面で従来のスチフナ補剛された鋼板を上回る耐力および塑性変形性能が確認できる。

上記のように、本発明を適用することで、塑性変形性能が従来例をより優れていることが実証され、また壁面のサイズならびに薄い部分の板厚に応じて厚い部分の板厚を適切に設定することで、壁面の局部座屈を抑制し、耐力の確保および塑性変形性能の向上が可能であることが分かる。

１鋼板耐震壁
３板厚変化鋼板
３ａ最薄部
３ｂ最厚部
５接合部材
５ａ横片
５ｂ縦片
７スプライスプレート
８添接板（梁側）
９添接板（板厚変化鋼板）
＜従来例＞
１１鋼板耐震壁
１３鋼板
１５柱
１７梁
１９架構
２１接合部材
２３高力ボルト
２５スチフナ

Claims

柱と梁で囲まれた架構に鋼板を設置して構成される鋼板耐震壁であって、
前記鋼板が、板厚の厚い部位と薄い部位が、高さ方向で交互に形成されて横縞状になるか、又は幅方向で交互に形成されて縦縞状になった板厚変化鋼板であって、鋼板面に溶接や曲げ加工が施されていないものであることを特徴とする鋼板耐震壁。
板厚が最も厚い部位と板厚が最も薄い部位とをつなぐ部分が一定の変化率で徐々に変化する傾斜面であり、かつ板厚が最も薄い部位と板厚が最も厚い部位とをつなぐ部分が一定の変化率で徐々に変化する傾斜面であることを特徴とする請求項１記載の鋼板耐震壁。