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地震荷重を受ける耐震壁の力学挙動に及ぼす床スラブの影響に関する解析的研究(梗概)

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(1)

Architectural Institute of Japan

NII-Electronic Library Service

ArchitecturalInstitute of Japan

[su

N] . ・, .・ JeurnaLef Strueturaland ConstTuctipnEngineering H"ftev\ftMuskdescvazaff UDc:6g. o22 ':bgg.

lj41

:6g. o2s. 22:sso. 344 (Transaetions ef AIJ)No.377,Julv,lgB7 ・ rg377 g-wa" 62 'ny7fi

'

'. .

1 /.

tt/ '

tt

EFFECTS

ttt

OF

MONOLITHIC

ttt

FLOOR

ttt

SLABS

ON

tt

THE

t/t/

MECHANICAL

BEHAVIOUR

OF,FRAMED

SHEAR

WALLS

t t

t t

SUBJECTED

TO

EARTHQUAKE

LATERAL

LOADS'''

'

' '

. . . .・

by

Masahide

TOMII',.

Tetsuo

YAMAKAWA"!

.and

Toshiharu.

NINOMIYA+,",

Members of A.I.J.,

/, , . ,,/ .

1.Introduction,.- .., . . , ,. ,

Itisconsidered thatone of the necessary stttdies foraseismic designisto discussthe effects of floorslabs.on the

mechanical

behaviour

of framedshear wall

(hereafter

refeFred to as."shear wall") subjected toearthquake late.ral

loads,since the shear walls arranged inthe reinforced concrete framestructures are monolithic with floorslabs.,The monolithic fleorslabs

(hereafter

referred toas "floor-slabs") transfer the

eqrthquake lateralloadsasdistiibutedloads on the

beanis

adjaceqt towall panel

(hereafter

referred toas "beams").

Also

theaxial,

flexura.1

and shearing stiffnessesof beamsare enhanced bythe floQrslabs. Inthispaperthe effects of floorslab on the,angulardistortionof thecolumns adjacent touncracked wall panel

(hereafter

referred to as・"columns"} are discussedusing analytical solutions

(concerning

shear walls) expressed intermsof Fourierseriesi).Oneaspect ofthediscussionconcerns with

themechanism forapplying the lateral

load

and the other with thestiffness evalqation of beams. As aconsequence the nodal stiffness matrixZ) of sheqr wall, considering the effect oftfloor slabs, iscalculated

(as

presentedin numerical examples) inorder to analyze frame structures stiffened with monolithic wall panels using matrix

displacementmethod,

On the other hand, when the diagonalshear cracks occur inthe vvall panel, the wall panel becomesas an anisotropic platehavingand behavesthediagonalcompression fieldbyshear, and

beams

and columns, togetherwith

thefloerslab, restrain thedilatationofthecracked wall panel.Thus the cracked shear wall exhibits complicated

mechanical behavioui.The elastic analyses of thesingle-bay single-story and thesingle-bay two-storyor two-bay single-story cracked shear walls

(hereafter

referred to as "single shear wall" and "2-continued shear wall" respectiyely) havebeenreported by Torniiet al.3)'5),assuming the walls to be 45-degreeorthotropic plates. Inthispapertheelastic analyses of uncracked and cracked reinforced concrete shear walls infinitely continuous in

one or two directions

(hereafter

referred teas "infinitely

continued shear wall") as weH as thoseof single and 2-continuedshear walls are performedusing Airy'sstress functionof 45-degreeorthotropic elastic plates.And the effects of monolithic floor slabs on stress resultants and deformations of the beams are clarified,

2.The Effectsof MonolithicFloorSIabson Angular Distortionof UncrackedShear Watl

Inorder toexamine theeffects of floorslabs, the angular distortionsof single-baysingle-story and single-story infinitelybontinueduncracked shear walls subjected te'earthquake lateralloads

(as

illustratedinFig.1) are

discussedinthefollowingfourcases.

I:Lateralloadsare applied as uniform distributedIoadstothe axis of thebeams, where flexural,shearing and

axial stiffnesses of the beams are real.

ii:Lateralloadsare applied as cencentrated loadstothenodal pointsat fourcorners of theshear wall, where flexural,shearing and axial stiffnesses of the beams are real.

iii:Axialstiffness of thebeams isassumed toberigidi, while flexuraland shearing stiffnesses of thebeamsare

real.

* D. Eng., Professor,Kyushu University.

# M. Eng.. ResearchAssociate.KyushuUniversity. """ M. Eng., Structural Engineer, NikkenSekkeiLtd. {Manuseiipt received becember 10,1986)

(2)

-102-Architectural Institute of Japan

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h

Concentrated loads Di$tributed loads

Single-bay single-story shear walLs

Fig.1 Uncrackedshear

Table1 The aspect ratios of single-bay

numerieal examples Q e Q - - -> ' e - <-Q Q Q

e

e

' ・ e'Q ' t/

Concentratedloads 'Distributed loads

Single-storyinfiniteLy continued shear waltg

walls subjected to earthquake lateralloads

single-story shear wall or unit shear wall adopted infiye

Aspectratios'x ab

Bb

%

Bc

No.11.714 O.171 2.5 O.171 3.333

No.2O.5 O.3 4' O.2' 4

ericalmples'No.31

O.3 3 O.2 4

No.42 O.2 3 O.2 4

'

Ne.53 O.1 2 O.2 4

Note: The proportion of the shear wall adopted as example No. 1

(see

Fig.

fordefinitions of

espect

ratios of shear wall} is equal to that of the

shear wall adopted as the designexample shown inthe AIJ Standard

StructuralCalculqtionof Reinfo,rcedConcrete Structures

(revised

in

1982).

iv

:Axial stiffness of thebearnsisassumed to

be

rigid, while

flexural

anclshearing

stiffnesses of the beams are increased

together twiceland fivetimes:

Thenumerical calculations of angular

distor-tions forfiveproportionsof shear wall

(see

Table1) are carried out''for each cdse

men-tioned above.

(See

Fig.2fordefinitionsand aspect ratios of each unit shear wall.) The results are presented i.nTables2and.3, Ifi

Table2,the values shown inthe.columns with

headingsRilR'm and RiilRtiiare ratios of

angular

distortions

inducedincases

i

and

ii,

coefficient x'.of the angular distortionsof th xtsQl(Gtl). Noticethatthe angular

dependenton the preportionsof shear 'walls

No.3).Thissu

case iiare used. Alsothe

shear wall incase ・iimay become remarkable smaller.' However the angulat distortionsin are nearly equal to those incase iii

(see

Inorder todiscusstheeffect of floorsla case ivtothoseincase

iii

, where flexuralan

rh

L

: '

Qc,H

respectively,

e shear wall incase

distortions

(compare

ggeststhatthe actual angulhr distortionsof

discrep.anciesbetweenangular distertionsof as

case

Table 2)

bsen angular distortiensof shear dshearing stiffnesses

e

'

'

Fig.'2.C6nfiguratio4and aspebt '

'

tothoseincase

iji

.

iii'

of qolumns inease

ii

are

rbuch

numerical 6xamplesNo.1,

cloumns will beoverestimat6d

columns an

thespan lengthbecomeslongerand

j

are almost uni

wall,

of the'beamsare' '

abI

{

u

Ibc

2 for x =ft ab"?

%.

b,b Dc(c=

T'

bcBc " t

ratios of each unit shear wall

Inthistable,R,,,represents the where the angular distortionsare computed as

largerthan thoseincase iand

No.4and No.5with No.2and iftheangular

distortioRs

in dthose definedat midspan of the

theaxial stiffness of beam

formthroughouttheshear walL and these values

' ' '

the ratios of angular distortionsin

increased byenlarging the

beam

(3)

-Architectural Institute of Japan

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Table2 Ratios RilRm and RiilRmof angutar distortiensof theshear walls

'

'Single-'baysingle-stQryshearwalLS,Single-storyinfinitelycontinued

shearwalls--' Locations Column Midspafi Ri"ag Column

,Midspan R.H111(2 Ratios t. Ri/R;-[,Ri・,/Rili 'Ri/Ri" 'Ru/R;;;(n.tZ)Ri/RiilRii/R.iii,Ri/R"iRil"/Riii,(GtZ) iNo.1O.991.361.00O.75O.811.001.38O.99O.7SO.79 No.2o.9g1.,.1.001.00.O.9,9..O.46O.99tt1.001.00' ,P.9,9 'O.48 opo-aEasx'o-es.ytsE=z No.3O.99il.OS'-l,OOO.94O.61O.99'・・1;051.00O.94O.61 Nb.4O.991.39O.99O.73O.761,.OO1.40O,99O.73O.76 No.51.002.94-1.00-O,12O.871.02 '3.04 '1,Ol-O.13O.86 '

Note: 1)Riisthe angular distortions of the $hear wall subjected to lateral

uniform distributed load e・incase i.

'

2)Riiisthe. angular distortionsof.the shear

ivall

subjected to Iateral

concentrated loafd

ap

in case ii. . ・

3)Riilisthe angular distortionsof the shear wall subjected to lateral load

Q

in case iii.

4>T,h,Y..",ai:?S,hS.hP.W.".fif",,l,O.i:,M",.W,`t.hf?:.adL",gg.IR,,i"idi,?8?,iC.O.r,re.SfPO,"h/`n,gh.t.O,the

wall incase iii,inwhich the values of Ri;; ate computed as KdiQ/(GtZ)

, where G is modutus of elasticity inshear, 1.tisthickness of wall

and

Z

iscenter-to-cenrer distanceef columns'.of the shear walL

t ttt t t t t ' t ttt tt t t ' t tt tt t t t t '

Table3' T.heef.fectof'the width of bearns'ontheraliog RtJZRattof,ang'ular diFtoltions

/t t ttt tt t t t t t tt tt '

Note :1) Rii'iisthe angular distontionsof shear,walls iny case

ili,

where the'beain width tb ]vallthickness rati6 'Bb` is2;'5.' ''

2)lRi, isthe angular distortiops of shear walls in case iv,'- , './

t t.

Y2h.es're

'thebeam width to wal'! thicknp,ss rat,ios.

Bbs

are 5..Oand.

・ ・ '3) ¢ ・ 'is''therate of・ enlargement for.thewidth of beam$. ・'''・

.t .t/. . .t. /

/tttt t .t /t . t. t/ // / /./ltl.

width,

qteprovided,,as shown ,inTable3..Thistable shows,,th4t ,the ,effectisgenerally・small,''

Con.sequgntly,theaxial stiffness of the,beams can be,assumedto berigid, in

distributedthrough thefloorslabs are tre4ted.asconcentrated loaason the・noda

F,hearw411s. Thi.sresult is..usefulin,,thefprmula,tionof the Qedal stiffness-matrix of the shear

3.

The results discussedinSection2,suggestthattheaxial stiffness of thebeamscan-be assumed tQbe

formulationof the fundamental nodal stiffness matrix Ki of u.ncracked shea,r wall,

(see

Tables

4 and s) is

qerived

,asthe analytical selutiops, a genera! stiffness mqtrix

k

of shear walls is easily by making use of transformationmatrix2).

Note

,thatTypes

I,

ll,

--

104

-'Numerical .tSingle-baYshearwallsingle-storyt/Single-story

continuediri'finit'elY'shearwalls examples/

th-.2 ¢ -5

.O-2, ¢ =5

No.1 o.97 O.95 '

O.97 'O.9.5.

'',No.2'o.93 'O.88

O.95 O,.92tt

No.3 o.93 O.88 oLgsL 'o'.9i

No.4 o.96 O.94 tt.0.97 'O.95,/ttt

No.5 o.98.

'O.97' O.98 o..,9''7'

'

t//t t t.t

'

case theeatthquake lateralloads

1

pointsatfourcorners of ungracked

wall.

Numerical Examples on Fundamenytal'Nodal

$tiffne$s

Matrix.

ctSingte Shear,Watl.Restrained byFloorSlab

rigid inthe

Ifeach K" .of

fundamental

type formulated

M

and

rv

to b,ementioned・below・.are,the

(4)

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basictypesof the

fundamental

compenents of nodal forces

'and

nodal displacementsof theshear wallsZ}.

Thefundamentalnodal stiffness matrices K:of Type [ and Kreof Type

rv,

whose components are symmetric with

re$pect tothelongitudinalcenter line of the wali panel, can begiven approximately bypin-jointing rigid bars at the nodal points of the shear wall along the beams,Thesestiffnesk matrices are treatedas approximate solutions

pertainingto the stiffness matrix of the shear wa!ls with rigid floorslabs

<see

Tables4 and 5),

'

Table4

'

-.

The representative components P* and PO of the balancing and unbalancing fundamental components of thenodal external forceson singLe-bay single-story shear wall

I-1 I-2 I-3

TypeIy.tSExSi".xt,

"u43S'

fl

'

,gk

*

i)Ca

p

Mi ll-1 ll--2 ll--3

TypeII."zzzE

fti

LZ"

t"Yk.

EZZ,

""

M".

CEZ)

M-1 M-2 M-3

TypeIIIgm

;

xin

"

va'tL

tYk.

CZZZ)

Mfu

IV-1 IV-2 IV-3

TypeIV;vatY

t-Yft

m""

Cva3

ytrv

Note:1} Nodal forcesinparenthesesare dependentfttndamentalcomponents parenthesesare independentfundarnentalcomponents,

2) Syrnbol * denotesbalaricingfundamentalcornponents. 3) Symbol o denotesunbalancing fundamental components,

and those not in

Table5The numericalexamples of thefundamental stiffness rnatrixK* of single-bay single-stoiy shear wall

Fundamental type Type I" Type II

Type

III Type IV Neglecting rnonolithic floorslab 4Xt4Yf.Et

[3.oes

(

sym.g';l:jl:i・

4Xft4Yft4Millh=Et3.854O.4S3 -O.197

sym.7.626 O.362O.170 ui vtiheft

{

4Y*m4Mli,1,ll.,,[ '.g;2:,3g,s

]I,glll

{

4Xft4M"ivlhl-Et[3.:.2i '

gl:l:]I,:lrl

Correction term for

considering ,

monolithic floor slab

(i:til-E,[

O.761sym.:'ill)I:lll 4Xil4Y *I4Mti/h=Etkbn o o sym.ooo uft Vdeihei

{i,X

il,,l

-Et[ kdnsym.

:

]Ih:l'li

Note: kbll'kdn= oo

(5)

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Sincethereis no late:alloadstobalancethe system inType

M

(see

Table4),the effect of, floerslabs,on KM may

be neglected. The lengths of the bearpsdo not change bythe nodal displacements of Type,I.Thereforeitis rpeaninglesstopin-jointing rigid bars at the nodal points ef the sheqr wall along thebeamsfor considering the effect

of floorslabs. Asa result, only theanalytical solutions of Kr are required, where theaxial stiffness of thebeamsis

assurnecl to berigid. Inthispaperthe analytical solutions of Kr of theshear .walls with floor slabs are obtained, and

after that,thecorrection term to beadded to KI of the shear walls without flooislab isderived.

Numerical examples・ forK" of thesingle shear wall are presentedinTable5.The proportionof the shear wail is eqtial to that shown inthedesign example inthe AIJStandard

for

Struct'uralCalculation ef ReinforcedConcrete

Structures

(revised

in1982)

(see

Fig.2and shear wall No.1inTable 1).Poissonratio isassumed to be1!6.

4. ElasticAnalysis ot Cracked Shear Watl lnfinitetyContinuous in・One or Two Directions

The elastic analyses, bywhich mechanical behaviourof single and 2-continuedcracked shear walls was clarified assuming shear cracked wall panelsas 45-degreeorthotropic plates,havebeenreported

by

Tomii et al.3)'5).Inthis

paper,the analysis isapplied toanalyze cracked shear wall infinitelycontinued in one or two directionsand

subjected to external forcesthatare polarsymmetric with respect to the centers of the wall and theintermediate member

(see

Fig.3).Sincetheassumptions ahd methods intheelastic analysis of thispaperarethesame as those of single and 2-eontinuedshear walls3]-5), except foreqllilibrium equations on horizentaland vertical cross sections of unit shear walls

(see

Fig.4),detaileddiscussionson the analytical methods 'andthederivationsof equations are omitted. The two typical characteristics aTe as follows.'

'

i

)

The deflectionof intermediatemembers isexpressed byodd functionsand a,constant. The odd functions

'

represent flexural

'and

shearing deformations of the intermediatemembers. The constant represents the rigid-body displacementof intermecliatemembers duetodilatationof theshear cracked wall panel. Therefore,if

the wall panel isah isotropicelastic plate,thedeflectienof each intermediatemember isexpressed byodd

functionsonly. .

'

ii

)

Theaxial deformationof each intermediateraember isalso expressed byodd functionsand aconstant. Inthis

case, theodd functionsrepresent theelongation of each intermediatemember duetothedilatationof thecracked wall panel and the constant represent therigid-body displacement.The odd functionsare not necessary to express the axial deformationof each intermediatemember whose adjacent wall panelsare isotropiceiastic plates.

[SHEAR

WALL 11

[SHEAR

WALL 2]

---.-1'

M.-"

・, ---.1/e-g. .-.--f/

f-

g.

--."T-""e.

2Lh

eh z

Tl"-

T

---1 h

ieh

`lli

i

±

l-T-

-L-:

ojtL

z

Qh7

"・N

-

zg

{a)

Single-bay infinitely

gontinued

shear wall

Note:1)

2)

Fig.3 Infinitelycontinued shear

-106-t

,

t

!

,

-,

t

eh-' z ah"' z eh-T /

,,te1Y,`1,Y1,1,1"fe---v・:-J.M--`e----J/-.---

-

z- .

(b)

Infinitelycontinued shear walls Theunit partsmentioned bythe thick brokenlines are analyzed.

s/

Externalforcespersingle-bay are illustrated.

walls havingshear cracked wallpanels and their external forces

fNt?h

iTTA

hi QftiT-L

(6)

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tN

Mb ---L-,>O Mb

e".""-

t.

2

tXY=

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:Z

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i,

h

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zL

,Q.eer.t,rff..tXg Mtr

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Alt, .LN・

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x

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1Cin'-t

glhlrubeLe"iT..,.t+

V Tti .-, N 1 --!-)e

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J,N

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Fi"ZebNbi

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,

iiis"

1Ih,,1

t ' t bc

"

-:'

liil3.I[be

r etpo

{a)

SHEAR WALL1

{Q=1,

ru=O)

{b}

SHEAR WALL2

(Q;1,

N=O)

SHEAR WALL 1'

(Q=O,

N=!} SHEAR WALL 2'

(e=O,

ru=1)

Fig.4 ThebeundaTystresses and external forcesof the unit paTtef infinitelycontinued shear walls

Intbenumerical exampl.es, the elastic analyses are carried out forthe infinitelycontinued shear wall whose single-bay single-story unit partshave the same preportions・asthose forthesingle shear wali adoPted inSection3.

The elastic constants of the cfacked wall panels are given byEqs.

(

1

>-(

4

>5].

Ei=("t+n(Pd+2(:,Cill;l,)Psl]cE "'''''''''"''"''"L''"''"''"''''''-''-''H''''''H''-H・・-・・H・"・・・J・・-・・-・-( 1

)

'

Ei ==[ptc+nlPd+2("".`iPn;.) Ps])cE '''--'-'"''-''''''-'''"'''-'"'''''''''''''"'''''''H''H'・-・-・・-・・-・・-・・・(2

)

G.= "il+2nPS .E .H.,-,.,,",,.,.H,,.,.,.,...H...H..k.,H,,m,.,.,.-,.",.".,..,...."..H...k...,...,,H,,"

(,

3'}

h=

ftt

M={i ,."・,--・--・・・-・・-・・・・・",,-,,.,t,.,,".,・-.,--・`.-,,-,,.,,-".,.,・・--・・--・・・-・・・-・・・-・・-・・---,-Hk.・・・.,.",.,.,(4

>

where

E,,E2:Young's modulus forthe principaldirection1of elasticity of the wall paneland that forthe principal

direction2 of elastieity of the Wall panel

Gi!:shearmodulus in the rectangular coordinates 1and 2of the wall panel

n :modular ratio

(n=

.ElcE=10)

.E :initialYoung's modulus of concrete .E :Young]smodulus of thereinforcement

p. :ratio of diagonalshear reinforcement area to the gross concrete'area of a diagonalsection

(pd=O}

p.:ratio of horizontalor vertical shegr reinforcement area te thegrossconclete area of avertieal or horizontal section

(p.=O.

O025)

ut : rediuction coefficient of the Young's modulus bf concrete inthedirectionperpendicular tothe cracks inthe, wall panel

(i.

e. intheprincipal

directien

l of the wall panel)

pt.:redution coeffcient of the Young's modulus of concrete inthe

airection

of the cracks inthe wall panel

(i.

e. in the principaldirection2of the wall panel)

(".==1)

gn :reductiofi coefficient of the shear modulus of concrete inthe rectangular coordinates 1and 2of the wall panel

(#i!==pte}

-

107

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Thebeam-to-columnconnections are given by Eq.(5). ''

E=E,, G=::;E・・・・・・・-・・:・・・

'

are assumed tobea rigid

Fig.5The deformattonsat the bounda[ybetweenwall and frame[SHEAR WALL ]]

,.

t/. - /

Fig.7

ttThe fiheqring

stress tc.ipthe.wallan.d.

t4eshgaring

forcesQband Q.on the cross sectien of

{he

frame

[SHEAR

WALL 1]

'

zone,Theelastic constants of the beamsand columns

'

","."."HL"H-:Li."H"."""hH"H-{s)

Fig.6The deformationsat the frame

[SHEAR

WALLbound4fy2]

betweenwalland

Fig,8The she.aring stress lt. in forcesQ,and Q.on the

[SHEAR WALL 2] thecrosswal]and sectlenthe shearing of theframe Nb(tenston} Nb(tenston> ' t''"tt't

-r.:..・,.iii'・,T;,ti',f:.・:::・{.;・,'i'1'i・f,'.'・`.i-,'S':・,,tL.:'tT.it..t:,'t・t.・.l,.f.,L..:;itV:':i.:f:"t.i./.itt.F;.l:t" ,,.fi,i.",i-l.,",.r・va&'-i#.L・=.i't-1・i-g'"...S"'・・,-";."ti:-1.i.:..,.・.--,--:;r--・f・/":.:::・,i.t,.X・;,・lt・i,,tltk--:#-ig,.c・trt.,l,,,.r.;g,F.i"・i,t. ..

' ' l..L..t= i'l, Scele:ox,wO.ttiiS(

£

tT OO.S1 Nb.Nc- (q) .-tttt'///L・ii"-I,{:s,:S,Ii・l ut=o ----utgO.1

';'"itli':'rFt・'.e=:'t'":・l:lt''tJttt.t.:.ttt:lil,li:j,・.4・1.Ltt-""'i.t..:tt:'::L'1,,.,L.[:ti.:.:.tt./.:.:.1.:.t:1:::i:r'!T,:.'tttttttt:;tttttttl"tt.tttttttttScale:/':ili

....veOttt11'5(ilhTlilj'i mb,NcOttti(e)i'i',,a..L:. "t-o -'--・Ut=O.1'r'i"'.'t::':f:.r.xt:../;.:.;:t"..:."=.:.tl;r.;:/-" tt:3,S".:fr・・''t'is,,tt.1: ---'"Ut=1 l ny--Ut=1

i

' :LL-ms.,'-:ri..L-,・t:'・t:-!:.,・;;;:.t",ti,zl;k-1:,t・IiJ:'i:it,:..,・t・:tl-r-tt・,:・tlli.e..:.i'I=/Lt.x,.・tii,:,.t.ijL'l:-/,lt/Vglt-.i,l-.tll.-Tg.-':.U.".e-・: :"t':':'iICriNt.;':t':tt.ttt'lz・L!t:t.:::t/":":f.:.:t.t:t-:'l,.Fh..tjtt::-r-t.-=-A-- ' L"iV..i.imah,':..'l;..ime.',-t.:'.l..il'it J/t,--1;.ft;i',,s,,r..:. ve(eompresston)tt1:1/-.-1;;,Flt'.::li.//1;i"'1' ''a::(campression)Nc(tens ±on> 't :f4,'ii"Yl::'l'],・.l・・r・1.'E!t""t"fEs-r l.,.t':':.::::s:':"i"gi;1,:,1..."'t -)-{・./.,::.=!c.L::..:'.:"'t":'i';ttttt/Z,Z・・L,1,・J-・f,・:-,t-・{ %(compression)E',,}i.Ij・tttUx(eompTesston)'Nc(tensten)'.L,;:Ltttttt'.]stLtt".::::F!.,rt;':i:t:.z:i't-tt:ttt;:tt:t ' ].ixT'lt;tn:;:='t'I\'=Jrt"'l-ttrt-xtt・-'・-,'t・.,・,,,;:i',':.・=s'fitl・:.i:]-',・"t-':.l:!i・:,.,.'.',t.1-t't:.'.・i・l-t::}';・91S' ' ...-..=.tf4Sl-'.."ttr:'tt,T-.=,.,..[..,T,7M,t,.-

igt'.':'tL'S,T,f:.ii:tr:pt1-ti・,,';;'l,ltt'・IE:-',4:・;'l・tt,','.-I.i,tf;:.i,:'tt,t':'tL;L:/.t:?・ig・`g,・itL;.,,'t"・i・:

' ' ' l

Fig.9 The normal stresses ay and a, inthe wall and the axial forcesNb and N. on the cross section of.the frame

[SHEAR

WALL 1]

108

-Fig.10ttThe normal stresses ele and eb in the wall and the axial forces'N,.andM'on the cross section ef the

frame [SHEARWALL2] '

(8)

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i;.{;t'tttl/{'g,2tii,i::;"t-':'is'u'.・--"・utnO.1 -Ut=1") Scale:O12,N, - sTt' 4.L4,;:;・・;l-'S:,iL"Tt,...,. ' :r=,-,-ttttt ' '

Flg.11The deformationsat the boundary betweenwall and frarne[SHEAR WALL 1']

/.1'1/・1・Il..ttit ・

l

'1'Scale:oe,s ・lax,veL-ff-J(tt/) ' oo.s rtNb,Ne-(N) utino ---Ut=O.1 'T-uttl Illlsls/l'tttt

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Flg.12 The deformations

et

the boundarybetweenwall and frame

(SHEAR

WALL 2']

tt.,,.."ttttttttt/ttl111i"ii!l-1.l//・I'1tttt't-ttttt..d-...l;.,:.'1,'L't./,:;lt'/・-..;-lt:,i/'s/1":./t:':''1:'1't.tt:tttt li:cale:'Ox.'epttS(lh)i "b,-NcttS{m! ve.e -"'"+-Ut-O.1 -Ut=1 t-t'';i"i'''tttttt'i:tt't::.t.-.l:-tlve-・・'li,/・1:/, ±

;l:.tl,i,・;1

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l

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Mc(cempresston) ':,ttL''ttltlt.'r..t,.:",hiL,l'r.i./:1::1-,:.:'l:f:/e---""''t:-t・::tI11.i-ttt-t-s.J" '

FIg.13 The normal stresses at and ab inthe wall and the Fig.14 The normal stresses tc.and obeinthe wall and the

axial forcesNb and N, on the cross section of the axial fercesN.and M on thecross section of the

frame[SHEAR WALL 1'] frame[SHEARWALL 2']

'

' 'Here

itisshown

how

thestress

distribution

and

defermation

of the frameand warl panelchange acc.ording tothe

propagation of thediagonal shear cracks inthe wall panel, This prepagation makes the diagonal tension of the

concrete unreliable i.e. ",=O

(see

Figs,5-14),When ",=1, itmeans thatthe'uncracked infilledwall panelbehaves

as an isotropicelastic plate. ,

'

From thenumerical results

(shown

inFigs.s-10) concerning infinitely continued framed shear wall subjected to

lateralload

Q,

the followingobservations are obtained. ,

i

}

As"ldecreases,thecompressive normal stresses q± and av on the cross sections at the midspan and midhight of the shear wall remarkably increase

(see

Figs.9and 10),However the shearing stresses lt,on the sections are

'

hardly affected by p,

(see

Figs.7 and 8).

ii

)

AxialforcesNband N.of beamsand columns becomelargetensionsand the wall paneldilatesas thediagonal

shear cracks inthe wall paneldevelop

{see

Figs.9 and le).This factisalso observed inFigs,5 and 6which

show the defermationsof cracked wall panel.

On the other hand,the followingobservations are obtained fromthe numerical results concerning infinitely

,continuedframedshear wall subjected tovertical loadIV.Sinceshearing stresses inwall paneland columns areso

small thatthey can'be disregarded,the stress diagrams are omitted inthis paper, .

i)

Beforetheshear cracks occur inthewall panel,thestory

drift

ofthe shear wall iszero. When the

diagonal

shear cracks occur inthe wall panelthe story driftyieldsinthedirectionopposite tethat of the-lateraltead

(see

Figs.ll and 12). .' ・

'

iD Aspt decreases,the compressive norrnal stres,s alr on thehorizontal cross section at themidhight of thewall

-

109

(9)

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M

pa'neldecreases.As a resnlt the compression N} ori the cross section of the column increases

(see

Figs.13 and

'

14). ・ ・

5. Effect$ot MonolithicFloorSIab on the Mechanieal Behaviour otBeams ctSingle-baylnfinitelyContinued

Cracked Shear'Wall ,

t tt t

When the

diagonal

shear cracks occur inthe wall pan'el,the wall panelbecomesas an anisotropic plate,behaves the diagonalcompression fieldand dilates.,Themonolithic floorslabs togethet with theboundaryfrarneof the wall panel restrain the dilatationof thecrAcked'wall panel.Su6sequently, the role of the monolithic floorslab in restraining thedilatatien of the cracked shear wall isdiscussedbasedon axial force and deformation of intermediate

beam ofsingle-bay infinitely.continuedfrained sheqr wall.. The floor slab is assumed to be an infinitelysbreading

plate.Thisplateis a homogeneous one with thickness t.and is assumed tohaveplain stress. Thedilatingforces

due

toelongation of thebeams are assumed to be a pair of concentrated loadsP as illustratedinFig.15.Inthisfigure, therelative

displacemepts

dueto a pair of symmetri.c loadsP cenfgrm tothe elongatien of

bgams

duetodilatatiQnof thecracked shear wall subjected toconstant'shear forces

Q

and restraint forcesX simultaneousiy. The restraint

forcesX areequal tothepairof concentrated loadsP

(see

Figs.15 and 16).The horizontaldisplacementsu at points

subjected tothe pairof loadsP

(see

Fig.15>afe given by Eq,(6).

U=EsPl(Ets)m''-"'''"'H''H''H'':''''''"''"''""'H''H''"''H''''''H'''''''"''"'''''''''''"''"''-''"''H''H-''<6)

where .

'

Jz,=(ii.")(3-u)(i-in2(llCD.)]-(i+")

/ .)

.'' - ' On the other

hand

the horiiontal

-

Q

'' ' nodal displacem'ent ''o'f tAe cracked

i/

ho,im:,

:

ii

W. '#":,t' ,i,:

g,;

g

.iy

ll/li,il/f,r

l

'

i

d

/,c.:

i

//.i

p

l,.i

e

l

".ii

m .due to the elongation of the beam.

, Thesedisplacements,u, and uE are

pressed by the flexibilitymatrix in

terms of shear forces

Q

and restraint

t t

Q-

, , ,' 'fercesx as Eq,

(,7).

. Fig'i5 SQi

:.gdie

bi.a.Y.ifi.

[:,

ltefiiY..C,O,nit2:"::bCJI.a.Ctk.eddt.Sh.epa.ri:'gifi

S#yb.je;t.etlt,eS,h.e.a.l,f.O.rCepS

1

l

uU,i

l

=::

St[

s

Sli'.

ll]l

lll

due toeiongation of the,encased intermedia!e beam

. .' '

The restraint f6rcesx alL"1'L(ta7iled /t ttt / /t tt ---- ・-)

e

T$hJ

tSh

h=Qth

",

,l`・Slih

e,hl'

1・Slfh

Q<--・'

,f ./y .. ',' Vt'.

L

z:-

.. Fig.16 Single-bayinfinitelycontinued

of numerical eitamples -110-'' '''' x・-xe

x,

.e' '' ' ' ' .i, 'Ttl

i},

l.tt・IS

'

shear walls and the external forces

bymaking u 'and P inEq.

{

6

)

lentto'u.' and X in'Eq.

(7)

' ' ' tively as Eq,

(

8

),

' /t /t

' X!.{ '

li:;th

9"-'""--(8)

In,Fig.'17,・the relat'ion 'betweenu,

and ", is given by'the ratio,of the

thicknes$ of wall, t, to the thickness

'ofslab, t.,thatis,tlt..The

ordin-i

ate in Fig.17 is 'ufilunl.iots=e,in

whicfi uu1..e,teLe'repTesents the

tion of thebeam of cracked shear wall

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±Thlcknessefwell ts:Th[cknessofslab -10,vgt,Ps-e.ISI ttsm 3 O.5o.1 f

o 'o.z os o.s o.e 1.o - ve

'

UI

Fig.17 Elongationratios ..lv..o of each interrnediate

' b'eam te'O

Fig.17suggests thatthefloorslab can not perfectly

restrain the di14tationof the shear cracked wall panel.

Ontheother hand,the relation betweenaxial foreeN,at theend of the beamof cracked shear wall and ", is

' . e o,2 os o.6 o.s 1.o

shown byparameter tlt.inFig.18.Itis observed that - i,t

the axial tension at theend of thebeamisdecreaSedbY Fig.

Is The ratio of axial force

lvh

to shearing forceQat the the restraint dueto thefloorslab. Consideringthese end of each intermediatebeam

facts,itcan bededucedthatthe sheai failurecan hardly

occur at the end of the beam of shear wall with floor.slab.

6.Conclusions

1) Theearthquake lateralloadsdistributedthTough the floorslabs are treated as concentrated loadson thenodal pointsatfourcorners of uncracked shear walls. Inthiscase, iftheaxi'al stiffness of thebeams isassumed tQberigid, the approximate solutions pertainingtothe nodal displacementsof the shear walls subjected toearthquake lateral

leadscan beobtained with accuracy. Thisresuit isuseful intheformulationof the nodal stiffness matrix of the shear

wall, .

'

2) When the diagonalshear cracks occu: inthewall panel,thewall paneldilatesand theaxial tensions yieldsin

theboundaryfrarneof the wall panel,Howevertheaxial tensionatthe end of beam doesnot become largeifthe

restraint action of monolithic floorslabs isexpected. References

1} Tomii,M., Hiraishi,H.,

"Elastic Analysis

of Framed Shear Walls byConsideringShearingDeformationof t,heBeamsand

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【論  文1 UDC :69.022 :699.841 :69.025.22 :550.344 日本建築 学 会 構 造 系 論 文 報 告 集 第 377号 ・昭 和 62 年 7 月

震荷

け る

壁の

力学 挙 動

及 ぼ

ス ラ

        

影 響

関 す

解 析 的研 究

(梗 概

正 会 員 正 会 員 正 会 員 富 山 井 川 宮 政   ・英  哲.  雄* * 利    治* 整   1.序  鉄 筋コ ン ク リート ラーメン造に多 用さ れ て いる 壁は,床スラ ブ と一体に なっ て い,るの で 床ス ラブが 地 震 荷 重 を受け る耐 震 壁の 力学 挙 動に及ぼす影響 を 検 討 す る ことは,耐 震設計 上必要な研 究 課 題の一つ と考え ら れ る。 床ス ラブは地 震 時の水 平 荷 重 を 耐 震 壁の側ばり に分 布 荷 重 として作 用さ せ,か つ ス ラブと一体になっ た 側 ばり の軸剛性や曲げ 剛性なを増 大さ せ る。そこで, 壁 板にせん 断ひび割れ が発生す る前の耐 震 壁の層 閲 変 形 角 に及ぼす床ス ラ ブの影 響に関して,水 平 荷 重の作用 形 式        と側ば り の剛性 評 価の観点か ら耐震 壁の フ.一リエ 級 数 1)を利 用 し て検 討す る 。 こ の検 討 結 果 をふ まえて,マ ト リッ ク ス変 位 法に よ る有壁ラーメ ン の弾 性 解 析に用い る 耐 震 壁の節 点剛 性マ ト リッ クス2〕に 床 ス ラブの影響を 考 慮し た数 値計 算例を示す。  一方,せ ん断ひび割れ が 壁板に発 生すると, 異 方 性 化 し た壁 板は圧 力場 を 形 成 し,床ス ラブは付 帯ラーメン と ともにその壁 板の広が り を拘 束す る。 こ の ように,せ ん 断ひび割れ後の耐 震 壁は複雑な力 学 的 挙 動を する。せ ん 断ひび割れ後の単 独や 2連耐 震壁の壁 板を 4S°直 交 異 方 性 弾 性 板 と仮 定し たこれ ら の弾性 解 析が富 井らに よっ て発 表さ れ た3ト5 》 本 論で は,富井ら が発 表し た 45°直 交異 方 性 弾 性 板のエ ア リーの 応 力関数3 )を用い て せ ん 断ひび割れが 生 ずる均等無 限 連 続 耐 震 壁の弾性 解 析 を行 う。 次いで,こ の耐 震 壁に床スラブが取り付い た場 合の 付帯ラーメ ン の応 力や変形に関 して床ス ラブ が及ぼす力 学 的 影 響 を明らか にす る。  2.ひび 割 れが発 生 してい ない 耐 震 壁の層 間 変 形 角に  ,及 ぼす床スラブの影 響  床ス ラ ブ が耐 震壁の層 間 変 形 角に及 ぼ す影響 を明ら か にするた めに ひび 割れ が発生 して いない 単 独お よび無  本研究を日本建 築学会 大会学 術 講 演 梗概 集 昭 和57年10月, お よび 日本建築 学 会 中 国 ・九州 支 部 研 究 報 告 第6号昭和59年3 月に発 表し た。   摩 州 大 学  教 授 ・工博   韓 九 州 大 学 助手 ・工 修  tl* (株 〉日建 設 計 ・工 修     (昭 和 61 年 12月10 目原 稿 受理} 限 連ス パ ン 1層 耐 震 壁の層 間 変 形 角 を,次の 4’つ の場合 につ い て比較 検 討す る。  ’  1       

i

:耐 震 壁の側ば りの材 軸 上に水 平 力 を 等 分 布 荷 重と      し て作 用さ せ る。  

ii

:耐 震 壁の点に水 平 力を集 中 荷 重とし て作 用させ      る。  

iii

:耐 震 壁の側 ばり の曲げ お よ び せ ん断 剛 性 をそ のま     まに し, 側ば りの軸剛性の み を無 限 大にする。  

iv

:耐 震 壁の側ば りのげ お よ び せ ん断 剛 性 を2お「よ     び5倍に し,側ば りの軸剛性を 無限大に す る。  層 間 変 形 角の数 値 計 算は耐 震 壁の 5種 類の形状につ い て行 う。表一2よ り

ii

場合にお け る柱の 部 材 角は,耐 震 壁の形 状によっ て は iの場合のそ れ よ りもか な り大き く な る。し たがっ て 柱の実際の部材 角はiiの場 合の解 を使う と過 大 評 価さ れ る。iiの場 合にお け る柱の部 材 角 とス パ ン中 央 位置に お け る層 間変形角の相異は,耐 震 壁 の ス パ ンが大き く, 側 ばりの軸剛性が小さ く な るほ ど顕 著に な る。し か しなが ら, 1の場 合の 層 間 変 形 角は耐 震 壁 全 体にわ たっ て ほとんど一様で あ り, かつ これ ら の値 は

1ii

の場 合の層 間 変 形 角1に ほぼ等しい 。 . 床ス ラブに よ る側ばり の 曲 げおよ びせ ん断 剛 性 が耐 震 壁の層 間 変 形 角に及ぼす影 響 をみ る た め に, iiiの 場合の層 間変形 角に対 する

iv

の場 合の層 間変形角の比 を 表一3に示す。表一3に よれ ば ば りのげ お よびせ ん断 剛性の増 大が,耐 震 壁の層 間 変 形 角に及 ぼ す影響は 一し た が 壁 板に せび割れ が 生 し て いない耐 震 壁に床ス ラブか ら 分布して作用す る地 震 時の水 平 荷 重を,節 点 水 平 荷 重 として取り扱う場 合に は側 ばりの剛性を無 限 大と仮 定すること ができる こ とを示してい る。こ の と き は,耐震 壁の節 点 外 力と節 点 変 位の関 係で ある節 点 剛性マ トリッ クス を定式 化す る上 で有 用である。        「       ’  3.床ス ラブの影響を 考 慮 し た単 独 耐 震 壁の基 本節点   剛性マト リッ クに関 す る 数 値計算 例  2項で の検 討 結 果,耐 震 壁の基 本 節 点剛性マ ト リック ス K* を定 式化 す る 場合に は,側ばり の軸 剛 性を無 限 大 と仮 定する こ と がで きる。各 基 本型ごとの KI が解 析 解 一一

112

一 N工 工一Eleotronio  Library  

(12)

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と して め られ る と 一般 的な耐 震 壁の節 点 剛 性マ リッ クス K が, 変 換マ トリックス を利 用 し て容 易に誘 導さ れ るm。  壁板の心 を通る縦軸にし,対称な基 本 成 分か ら な る 且型の Kt お よ びW 型の Kは, 剛棒を側ば り両 端の 節 点 間に かけわ たすことに よっ て 剛 床が取 り付いた場 合の近 似 解が求め られ る。

m

型に は力のつ り合い を満足 する水 平 外 力が存 在し ない ので, Kfiに対し て は床ス ラ ブの影 響を考 慮し ない。耐 震 壁が

1

型の挙 動 をする場 合 に は,側ばり は材 長 変 化を起こ さ な い の で 剛 棒を付 与 することによっ ても,床ス ラ ブ が取り付 く場 合の影 響 を 考 慮す ること がで き ない。し た がっ て,側ば りの軸 剛 性 を無 限 大と仮 定し た

1

型の解 析 解 K評を求め る。論で は,そ の解 を求 めた後,すで に発 表 して い る 「床ス ラ ブ が取 り付か ない場 合の 毋 」に累 加 すべ き 「ス ラ ブが 取り付い た場 合の補正項」を次に求めた。独耐震 壁に 関す る K * の数 値 計 算 例 を表一5に示す。  4.せ ん断ひび割れ が 壁板に発 生 した均 等 無 限 連 続 耐     震壁 の弾 性 解 析  壁板に せ ん断ひ び割れ が発 生し た後の 単 独および2連 耐 震 壁につ い て,そ れ ぞ れ 壁板を 45° 直 交 異 方 性 弾 性 板 と仮定 し た解 析方 法3 」−5 ) それら の力 学 挙 動が すで に 文献 4 >, 5)で明ら か に さ れてい る。 これらの解 析 方 法 を応 用 発 展さ せて,一方 向お よ び二方 向 均 等 無 限 連 続 耐 震 壁 が,壁板お よ び中 間 部 材の各 中心に関し て そ れ ぞ れ点対 称な外 力を受け る場 合 を解 析 する。本 解 析の特 徴 と して次の 2点が あ げ ら れ るe  

D

中 間 部 材の た わ み は,奇 関 数と定 数で表さ れ る。 奇関 数は中 間 部 材の げ変 形と せ ん断 変 形 を表す。一方, 定 数は せ ん断ひ び割れ に と も な う 壁板の は らみ だし によ る中間部 材の剛体 変 位を 意味す る。し た がっ て,壁 板が 等方性 弾性板で あ れ ば均 等 無 限連 続 耐 震 壁の中 間 部 材の た わ み は,奇関 数の みでさ れ る。  iD 中間部材の 軸 変 位も i)と同 様に奇 関 数と定 数で 表さ れる は せ ん断ひ び割れにともなう壁 板の面 積膨張に よ る伸び変位を表し,定 数は剛 体 変位を表 す。 壁板が 等 方 性弾性 板であ れ ば奇 関 数を 必要とし な い。  付 帯ラーメ ン お よ び 壁板の 各 応 力 分 布や各 変 形がせん 断ひび 割れの進 展と と も に,コンク リートの斜め引 張 応 力が低下 し,すな わ ち,Pttが零に近づ くに つ れて,ど の よ うに変 化する か を検 討す る。Pt,=1は 壁板が等 方 性 弾 性 板,す なわちせ ん 断ひび割れ が生じ ていない耐 震 壁 を 意味す る。水 平 外 力 Q を受け る均 等 無 限 連 続 耐 震 壁 の数 値 計 算 結 果 か ら,次の諸点 が明ら か に な っ た。  i)μ、が低 下す るにつ れて,階 高 中 央に お け る水 平 断 面 上の圧 縮 応 力 度 σx お よ び ay は顕著に増 大するが, 同 じ断 面..ヒの せ ん断 応 力 度 τxv はμεにほ と ん ど影 響さ れな いe  の 付 帯ラーメ ンの力 N,,N ,は異方 性 化が進 展す るにつ れて,大き な引 張応力と なっ てい る。こ れ は せ ん断ひび割れの進 展に ともない壁板が膨 張して い ること を 示し て い る。こ の ことは,図一5,6の壁 板の変 形 図 か らも明ら か である。  一方,鉛直外力 N を受け る均 等 無 限 連 続 耐 震 壁の数 値 計 算 結 果か ら,次の諸 点が 明 らか に なっ た。  

D

壁 板にせ ん断ひ び割れ が発 生 する前は耐 震 壁の 間変位が零であっ た が,壁板に せ ん断ひ び割れ が発 生す る と,層 間変位 が 水平外 力め向 き と反対方向に生 じ る。  ii)μt の低下に と も なっ て壁板の中央 水 平 断 面上の 圧縮応 力度ay は小さ く な る。そのの軸圧縮応 力 Ncが 大 き く な る。  5.せ ん断ひび割れ が 壁板に発 生 した 1ス パ ン無 限 連     層 耐震壁に お け る は り の力学挙 動に及 ぼ す 床スラ     ブの影 響  せ ん断ひ び割れ が 壁板に発生 す る と,壁 板が異 方 性 化 し圧 力場 を形 成し て 膨張し よ う と す る。壁 板の面 積 膨 張 に対 して,耐 震 壁の付帯ラーメ ンと と もに床ス ラブの拘 束作用が生じる ことになる そこ で,床ス ラ ブの拘 束 作 用 を1ス パ ン無 限 連層耐 震 壁の間 ばり の伸び 量 と軸 力 の変化に注 目 して検討 す る。床ス ラ ブは厚さtsを有す る無限に広がる一な平面板と して取り扱 う。 は りの 伸 びに よ る膨張力を 図一15に示 し た よ う な 1組の集 中 荷 重 P と 考 え る。P によ る相 対 変 位を,せん断ひび割れ が生じ た耐 震壁 に一定な せ ん断 力

Q

と拘 束 力X が,作 用す ること に よっ て生 じ た は りの伸び量 を 適 合 させ る。  図一17に μtとUn の 関 係を,壁板の厚さ tと床ス ラ ブのさ tsの 比 t/tsの パ ラ メーターで示 す。 図一17 よ り床ス ラブは壁板の せ ん断ひび割れにともなう耐 震 壁 の面 積膨 張 を,完全 に拘 束で き ないこ と を示し て い る。 一 , 図一18に μtと耐 震 壁の 中 間ば り材 端の軸 力 N, の関 係 をt/tsの パラ メーターで示す。図一18に よれ ば, は り材端の張 応 力 が床ス ラブの拘 束 作 用に より か な り 減少している こ と が わ か る。 こ の こと は,床スラ ブ が は り に取り付い た耐震壁で は,はり のせ ん断破 壊が起こり に くい こ と を 示唆してい る  6.結  論   1) 壁 板にせ ん断ひび割れ が発 生して いない耐 震 壁に 床ス ラブか ら 分布して作 用 す る 地 震時の水 平 荷 重を,節 点 水 平 荷 重と して取 り扱う場 合は,側ばり の軸 剛 性を無 限 大 と仮 定す ると,節 点 変 位に関 し,良い近似 解が得ら れ る。こ の ことは,耐 震 壁の節 点 外 力と節 点 変 位の関係 であ る 節 点 剛性マ トリッ ク スを定 式 化す る上で有用で ある。  2) せ ん断ひ び割れ が壁 板に発 生 する と壁 板が膨 張 し,付 帯ラーメ ンに張応力が 生 じ るが,床ス ラブの拘 束 作用が期 待できる場 合には,は り材 端の引 張 応 力は そ れ ほど大き く な ら ない 。 一

113

・ N工 工一Eleotronio  Library  

Fig' i5 SQi

参照

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