鋼板せん断壁

鋼板せん断壁( SPSW ) は、境界要素によって囲まれた鋼板充填プレートで構成されます。

これらは SPSW を構成します。^[1] その動作は、ベースから片持ちされた垂直プレート ガーダーに類似しています。プレート ガーダーと同様に、SPW システムは、鋼製充填パネルの座屈後動作を利用してコンポーネントのパフォーマンスを最適化します。SPW フレームは、鋼板がウェブ、柱がフランジ、横梁が横方向の補強材として機能する垂直片持ちプレートガーダーとして理想化できます。梁と柱の比較的高い曲げ強度と剛性が座屈後動作に大きな影響を与えるため、プレート設計を支配する理論は SPW 構造の設計には使用しないでください。

構造物の容量設計とは、建物が極端な荷重を受けたときにエネルギー散逸の主な場所として機能する局所的な延性ヒューズ (または弱いリンク) を事前に選択することにより、建物の破損を制御することです。構造は、すべての非弾性作用 (または損傷) がこれらの重要な場所 (ヒューズ) で発生するように設計されており、これらの場所は延性があり安定した方法で動作するように設計されています。逆に、他のすべての構造要素は、これらの要素への荷重伝達をヒューズの降伏容量に制限することにより、破損または崩壊から保護されます。SPSW では、充填プレートがヒューズ要素として機能するようになっています。極端な荷重イベント中に損傷した場合、それらは妥当なコストで交換でき、建物の完全な完全性を回復できます。一般に、SPW は、その性能、構造および耐荷重システムの選択、および穿孔または補強材の存在に基づいて分類されます (表 1)。

SPSW の静的および動的動作については、非常に多くの価値ある研究が行われてきました。周期的および動的荷重下での SPW の動作、応答、およびパフォーマンスの判定に役立つだけでなく、エンジニアリング コミュニティの分析および設計方法論を進歩させる手段としても、多くの研究が行われてきました。

カナダのアルバータ大学のKulak氏と共同研究者らの先駆的な研究により、薄い非補強SPSWを解析するための簡略化された方法、すなわちストリップモデルが開発されました。^[2]このモデルは、最新のカナダ鋼材設計基準^[3] (CAN/CSA S16-01) ^[4]の第20章と、米国の国家地震災害軽減プログラム(NEHRP)の規定に組み込まれています。

表1. 性能特性と期待値に基づく鋼板壁の分類^[1]

過去 20 年間、鋼板せん断 壁(SPSW) は鋼板壁 (SPW) としても知られ、日本や北米の多くの建物で横力抵抗システムの一部として使用されてきました。以前は、SPSW は垂直方向のプレート ガーダーのように扱われ、設計手順は非常に保守的になる傾向がありました。ウェブの座屈は、ウェブ プレートの座屈後の特性に関する情報がさらに得られるようになるまで、広範囲にわたる補強や適切な厚さのウェブ プレートの選択によって防止されていました。プレート ガーダー理論は SPW 構造の設計に適しているように思われますが、非常に重要な違いは、壁の境界要素を形成する梁と柱の曲げ強度と剛性が比較的高いことです。これらのメンバーは、このタイプのシステムを組み込んだ建物の全体的な動作に大きな影響を与えると予想されており、多くの研究者が SPW のこの側面に注目しています。極端な繰り返し荷重下でのウェブ プレートのエネルギー消散特性により、高リスクの地震地域では、SPSW が従来のシステムの有望な代替手段として使用される可能性が高まっています。さらなる利点は、ウェブ プレートの斜めの張力場がブレース フレーム内の斜めブレースのように機能し、トラス動作が完成することです。これは、風の偏流を制御するための効率的な手段として知られています。

設計者の観点から見ると、鋼板壁は他の鋼構造の代替として、あるいは鉄筋コンクリートのエレベータコアやせん断壁の代わりとして非常に魅力的なものとなっている。比較研究では、以下の利点を考慮すると、建物の全体的なコストを大幅に削減できることがわかっている。^[5]

• SPW システムは、適切に設計され詳細化されると、比較的大きなエネルギー消散能力と安定したヒステリシス挙動を持つため、地震リスクの高い地域に非常に魅力的です。
• ウェブ張力場は斜め支柱のように機能するため、SPW システムは比較的高い初期剛性を持ち、風による偏流を制限するのに非常に効果的です。
• 鉄筋コンクリートせん断壁と比較すると、SPW ははるかに軽量であるため、最終的には柱と基礎への要求が軽減され、構造物の質量に比例する地震荷重が軽減されます。
• 鉄筋コンクリート構造と比較すると、全鋼構造の建物の建設プロセスは大幅に高速化されるため、建設期間が短縮されます。これは、プロジェクトの総コストに影響を与える重要な要素です。
• 工場で溶接され、現場でボルト締めされた SPW を使用することで、現場検査が改善され、高いレベルの品質管理を実現できます。
• 建築家にとって、鉄筋コンクリートせん断壁と比較して SPW の断面積が小さいため、汎用性が向上し、スペースを節約できることは、特に高層ビルでは下層階の鉄筋コンクリートせん断壁が非常に厚くなり、フロアプランの大部分を占める場合など、明らかな利点となります。
• SPW を使用した全鋼構造は、極度の低温により構造が複雑になり、凍結融解サイクルにより耐久性に問題が生じる可能性があるため、コンクリート構造が実現できない寒冷地域にとって実用的かつ効率的なソリューションです。
• 耐震補強の用途では、SPW は通常、鉄筋コンクリートせん断壁よりもはるかに簡単かつ迅速に設置できます。これは、建設期間中に建物の占有を維持する必要がある場合に重要な問題です。
• 非弾性応答が発生した場合、鋼製パネルはより簡単に交換でき、同等の鉄筋コンクリートシステムよりも修理が簡単です。

従来のブレース システムと比較すると、スチール パネルには、過酷な周期的荷重下でも比較的安定かつ延性のある挙動を示す冗長性のある連続システムであるという利点があります (Tromposch および Kulak、1987)。この利点と、安定性を維持するために張力ブレースのように機能するプレートの高い剛性により、SPW は、地震リスクの高い地域における理想的なエネルギー消散システムとして適しており、横方向のドリフトを減らす効率的なシステムを提供します。したがって、従来のブレース システムと比較して SPW を使用する利点のいくつかは次のとおりです。

• SPWの延性特性が高く、固有の冗長性と連続性があるため、地震力の要求が軽減されます。
• 工場で溶接し、現場でボルト締めした鋼板パネルを使用することで構造用鋼の組み立てを迅速化し、検査を減らして品質管理コストを削減します。
• 大きな力を均等に分散することで、横方向抵抗システムを効率的に設計できます。

鋼板せん断要素は、柱梁システムで囲まれた鋼板充填プレートで構成されています。これらの充填プレートが構造物のフレームベイ内の各レベルを占めると、SPW が構成されます。その動作は、ベースから片持ちされた垂直プレートガーダーに類似しています。プレートガーダーと同様に、SPW システムは、鋼板充填パネルの座屈後動作を利用してコンポーネントのパフォーマンスを最適化します。SPW フレームは、鋼板がウェブ、柱がフランジ、横梁が横方向の補強材として機能する垂直片持ちプレートガーダーとして理想化できます。1960 年に Basler によって提案された建物のプレートガーダーの設計を規定する理論^{[6] [7]}は、梁と柱の比較的高い曲げ強度と剛性が座屈後動作に大きな影響を与えると予想されるため、SPW 構造の設計には使用しないでください。しかし、Basler の理論は、SPW システムの解析モデルを導き出すための基礎として使用できます。

SPW の使用を開拓した設計者たちは、経験も既存データもあまり頼りにできませんでした。通常、ウェブ プレートの設計では、せん断を受ける座屈後の挙動が考慮されていなかったため、張力場の利点と、ドリフト制御およびせん断抵抗に対するその付加的な利点が無視されていました。さらに、この冗長性の高いシステムの非弾性変形能力は活用されておらず、地震リスクの高い地域の建物にとって非常に重要な、大幅なエネルギー消散能力も無視されていました。SPW の挙動をより詳細に調査した最初の研究者の 1 人は、アルバータ大学の Kulak でした。1980 年代初頭以来、彼のチームは、設計基準の起草に適した設計手順の開発に焦点を当てた分析的研究と実験的研究の両方を実施しました (Driver 他、1997 年、Thorburn 他、1983 年、Timler と Kulak、1983 年、および Tromposch と Kulak、1987 年)。^[8]アスタネ（2001）による米国の最近の研究は、非補強プレートの座屈後挙動が有効なせん断抵抗システムとして機能するというカナダの学術界の主張を裏付けています。

2 つの異なるモデリング手法があります。

• ストリップモデル
• 修正プレートフレーム相互作用（M-PFI）モデル

ストリップ モデルは、せん断パネルを、張力のみを伝達でき、パネル内の平均主引張応力と同じ方向に向いた一連の傾斜ストリップ要素として表します。プレート パネルをストラットに置き換えると、結果として得られる鋼構造は、現在入手可能な市販のコンピュータ解析ソフトウェアを使用して解析できます。ブリティッシュ コロンビア大学でRezai らが実施した調査 (1999 年) では、ストリップ モデルは、さまざまな SPW 配置に対して互換性がなく、不正確であることが示されました。

ストリップモデルは、主に薄板（低い臨界座屈容量）と特定の比率を持つSPSWに限定されています。^[9]このモデルの開発では、有孔SPSW、厚板鋼板を使用したせん断壁、補強材を使用したせん断壁に対するソリューションは提供されていません。ストリップモデルの概念は、薄板の実用的な解析には適していますが、他の種類のプレートに直接適用することはできません。さらに、その実装は、一般的に使用されている市販のコンピュータ解析ソフトウェアにまだ組み込まれていません。

この制限を克服するために、開口部のある壁やない壁、薄い板や厚い板、補強材のあるなしなど、さまざまな構成のSPWを解析および設計するための一般的な方法が開発されました。^[10]この方法では、鋼板とフレームの挙動を個別に考慮し、これら2つの要素の相互作用を考慮することで、SPSWシステムのより合理的なエンジニアリング設計が可能になります。ただし、このモデルには、細長い高層ビルの場合など、SPSWの曲げ挙動を適切に考慮する必要がある場合に重大な欠点があります。

修正プレートフレーム相互作用（M-PFI）モデルは、RobertsとSabouri-Ghomi（1992）によって最初に提示された既存のせん断モデルに基づいています。Sabouri-Ghomi、Ventura、Kharrazi（2005）は、このモデルをさらに改良し、プレートフレーム相互作用（PFI）モデルと名付けました。この論文では、荷重-変位図を「修正」して転倒モーメントがSPW応答に与える影響を含めることで、PFI解析モデルがさらに強化されており、これがM-PFIモデルという名前が付けられた理由です。^{[11] [12] [13]}この方法は、鋼板の塑性極限容量の曲げとせん断の相互作用、および鋼板と周囲のフレームなど個々のコンポーネントの極限降伏強度の曲げとせん断の相互作用にも対処しています。

• 座屈
• 耐震構造
• 鉄骨梁

サイード・タバタバエイとロバーツ（1991年と1992年）、ロバーツとサブーリ・ゴーミ（1991年と1992年）、バーマンとブルノー（2005年）