せん断の壁の有望な進歩は- 11/22/2004 -家の内壁の天井を設計する

せん断の壁の設計の有望な進歩: 更新済せん断の価値、アスペクトレシオの効果および漂流の予言

ジェイCrandell著、P.E。
NAHB Research Center、Inc。

ある特定の数、限界および設計価値が建築基準法にからどこに来るか疑問に思ったあることがか。 今日の建築基準法および工学指定で見つけられる単位のせん断の壁の設計価値においてこの質問を考慮することは興味深い^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}。 多分建築基準法のこれらの重大な価値が正確であること当然と思った。 それらはなぜないか。 確かにそれらは多くの年の間修理可能な設計を提供した。 またはそれらを持ちなさいか。 建築基準法の歴史および準備についてのある逸話が面白い間、他は特に新しいデータが古いのに挑戦するとき、はるかに思慮深い反作用に値する。

この記事はそれらが50年代に最初に導入された時間以来の相当な変更なしに建築基準法にあった単位のせん断の価値の基礎を修正する必要性に焦点を合わせる。 この記事の意思は完全にせん断の壁の設計および歴史のトピックをカバーすること、むしろ最近の研究の調査結果に照し合わせて住宅の設計専門家の注意にある重要なせん断の壁の設計に関する問題を持って来るでなく。 読者が軽い木造家屋のせん断の壁のための既存のコードそして設計練習をよく知られていることが仮定される。

示されるNAHB Research Center、過去数年間にわたるInc.とまたのおよび外国の複数の大学および私用実験室米国行なわれるせん断の壁のテストに情報の多くは基づいている。 付加的な調査に技術的な資源および材料を提供するこの記事の参照は与えられる。

• 従来のせん断の壁の設計(「区分」方法)
  単位のせん断の価値は、指定される木製に構造にパネルのおおうことのタイプ抵抗するために側面負荷(平面のせん断)の量に基づいて必要なせん断の壁の固定の量をおよび指定留まるスケジュール定める。 単位のせん断の価値はまた応用側面建物の負荷の下で回り、維持の平衡からせん断の壁を防ぐ関係が抵抗する抑制力に影響を与える。 基本原則は図1.の簡単なせん断の壁の区分モデルで示される。 このモデルは側面負荷に抵抗するように木製の木造家屋中の壁の区分を設計する現在の工学練習で一般的である。 この簡単なアプローチでは」、設計されている「の部分ではないさまざまな関係および壁の部分からの貢献の効果はLFRS無視される。 従って、方法は簡単な分析を提供するが、それはconstructabilityおよび費用に影響を与える各せん断の壁の区分のために関係ハードウェアのすばらしい量を要求する。 せん断の壁の設計のこの方法は重く付木フレームの壁のために最も適切、区分に効果的に壁ラインを壊す多くの大きい開始との適切である。 例は支える上記の屋根の負荷より多くをガレージの入り口のどちらかの側面へせん断の壁の区分の設計である。 他のより少なくデマンドが高い状態でこのプロセスは必要であるより止め金ハードウェアのすばらしい量を保守的な設計に与えがちである。 この方法はせん断の壁の設計^{[5] [6] [7]}の多数の技術的な資源で記述されている^{[8] [9]}。

  
  図1

• 機械工基づかせていたせん断の壁(設計法)
  この方法は従来の「区分された」せん断の壁の設計法の延長または洗練である。 それは開始の上下で壁の死んだ負荷そして構造おおわれた部分の効果を説明している間せん断の壁が設計されているようにする。 方法は堅いボディ行動の仮定に工学機械工の主義に基づいて分析および自由ボディ図表の使用を可能にするために完全に頼る。 方法の第一次利点は図1.の区分されたモデルからかなり出発する多くのせん断の壁の設計状態に演説している間よく知られた工学主義を使用してせん断の壁抵抗および力を計算する手段を提供する容量である。 その不利な点は力の堅いボディ仮定、生じる配分、およびモデル仮定に構造に合うように要求されるかもしれない詳述のある程度を含んでいる。 方法は「区分された」設計アプローチによって要求されるより厳密な分析を要求する。 方法は少なくとも1つの源^[10]で出版される。

• 穴があいたせん断の壁方法(Empirically-based設計)
  抑制されていない開始のせん断の壁の抵抗は適度な正確さ(すなわち± 5%)と穴があいたせん断の壁方法^{[11] [12] [13 (PSW)}として^]知られている経験的な方法によって定めることができる^{[14] [15]}。 最も有効な技術設計方法の多数は古典的な工学機械工の主義に経験的な調節に頼る。 最もよい例は実際の内部圧力の配分が古典的な線形伸縮性があるモデル^[16]から出発する鉄筋コンクリートのビームのための設計法である。 別のよい例は重力が経験的な同等化に基づいて完全に定められる重力の法則に重力の物理的な基礎か憲法が知られないのである。 木製材料および関係の非線形行動のために、木製のせん断の壁は内部圧力の配分と全体的な負荷変形の特徴の非線形行動を表わす。 これはさまざまな開始および制限の状態^[14]の長いせん断の壁の経験的な証明テストと一致する厳密な機械工基づかせていた方法の無力を説明する^[15]。

  PSW方法は非常に簡単、窓およびドアのためのパーホレーションの完全おおわれた壁ラインがより低い容量のせん断の壁^[17]で組み立てる止め金ブラケットまたは十分なコーナーが付いている端に抑制されるようにだけ要求する。 せん断を定めるためには容量を、必要である壁の入り口のせん断の壁の構造、区域、完全高さの壁の区分の長さ、および壁の全長のための単位のせん断の価値であるすべて囲みなさい。 これらの価値は内部関係の詳しく述べるか、または止め金の使用なしで全面的な壁容量を与える簡単なツーステップの同等化へ入力である。 壁容量は得られるが、少数の止め金ブラケットは要求される何が区分されたせん断の壁方法とより少しよりである。 機械工基づかせていた方法を使用して定められる容量はそれに類似しているがアプローチはより簡単、より正確である。 基礎せん断の関係の設計および外的な縦の負荷(すなわち風の隆起)は慣習的な設計分析によって扱われる。

せん断の壁のテストデータおよび設計価値、特にFEMA 273 [18]およびAPA 154 ^[19]の利用できる源から、せん断の壁の設計価値は表1.で平均するとピーク容量を集まっていた基づかせていた。 表1の細胞のいくつかにさまざまな源によって他よりより多くのテスト写しがある。 最終的な単位のせん断の価値は、2.5の安全率で分けられたとき、ある価値がわずかに減るスケジュールをおおい、釘付けする高容量を除いて現在の建築基準法で見つけられるそれらよりかなり高い。

修正された種(密度)の調整係数は表1の脚注(d)にこれらの要因への適切な変更が完全に解決されなかったので含まれていない。 この時点で、低密度の木製種(すなわち比重0.42以下)を0.7から0.9、建築基準法の条件で現在見つけられるように0.65の範囲に調節するべき単位のせん断の価値の最も大きい減少は多分ない。 また、2インチの端の釘の間隔およびおおうことのためのせん断の価値はAPA 154データ以来の表1で価値が3インチの間隔のためのそれらより大きくないことを示す削除された(少なくともこの条件で利用できる限られたテストのために)。 テストデータのこの行動は別の故障モードの可能な手始めに帰因するかもしれない(すなわち失敗は釘容量よりもむしろおおう強さによって限られる)。

表1の価値は木製の構造せん断のパネル^[2]を使用して今のために確認されるせん断の壁の価値に一貫しているライト正確に測る鋼鉄せん断の壁を。 0.55の提案された耐性因子および2.5の安全率はまた一貫している。 ライトフレームの鋼鉄せん断の壁のための新しい価値はサンタクララ^[20]の大学で行なわれる広範囲のせん断の壁のテストプログラムに基づいている^[21]。 価値は穴があいたせん断の壁テストにまた一貫しているのライト正確に測るNAHB Research Center、Inc. ^[22]で行なわれる鋼鉄組み立てを。 付加的な穴があいたせん断の壁テストはヴァージニアTech.で現在でライト正確に測るsteel-framedせん断の壁を行なわれている。 木製およびsteel-framedせん断の壁のための単位のせん断の壁の価値が実際に対等な間、各々の材料の選定のために考慮するべきある特定のこの記事の範囲を超えてある利点および不利な点がある。

表1の価値は1/1のせん断の壁のアスペクトレシオに関連している(すなわち、8フィート高いおよび8フィート長さ)。 従って、1:1 (長さより大きいすなわちせん断の壁の区分の高さ)より大きいアスペクトレシオのせん断の壁の単位のせん断容量に対するアスペクトレシオの効果を説明する方法は表1.の脚注(b)に開発され、含まれていた。 アスペクトレシオの調節の同等化は2000年のNEHRPの地震準備の更新の木製の技術的な小委員会によって検討の下のテストデータのさまざまなもとから経験的に現在得られる。 この同等化は5%の内の正確さと表1で一般に表される条件の範囲上のデータに合い、わずかで保守的なバイアスを表わす。 適合は実用的な設計為に非常によい。

性能基づかせていた設計の点では、概念は幾分簡単である。 より大きいアスペクトレシオより少ない容量および剛さ。 これらの効果を説明する正しい設計原理と問題は自己限っているようになり、アスペクトレシオの任意限界は幾分未決になる。 例えば、より多くの要求がせん断の壁から必要なら十分で全面的な容量および剛さの負荷に抵抗するために、狭い壁の区分はのより長い壁の区分か大きい数必要である。 設計は必要なパフォーマンス目標の達成にそれから基づいている。 従って、せん断の壁の区分のアスペクトレシオの現在のコード限定は表1.の脚注(b)で与えられるのようなよりよい、性能基づかせていた解決までの必要な場所のホールダーとして成長する、見られるべきである。

木製のせん断の壁のための現在の設計練習は一般に単位のせん断の価値は本来十分な剛さを提供し、必須の漂流の限定に会うと考えられているので明確な漂流および剛さの計算を無視する。 のためのだけ脚注(a)に従って考慮の表1で、しかし2:1か1:1について超過しないアスペクトレシオ提案されるこの仮定は一般に現在のコード公認のせん断の壁の設計価値とまたそれらのために正しいそれぞれ。

アスペクトレシオの限定が性能基づかせていたアプローチを支持して取除かれるべきならせん断の壁の効果は剛さのアスペクトレシオを区分し、漂流はまた設計過程で明確に定義されなければならない。 従って、最近のせん断の壁のテストデータはまたせん断の壁のための負荷漂流関係を定めるために方法を開発するように調査された。 次の経験的な漂流の同等化はピーク容量までゼロからの負荷のためのせん断の壁の区分の漂流を予測するために開発された:

設計適用観点からせん断の壁の区分のピーク容量を超過しない要求のあらゆる量に基づいてあらゆる独立せん断の壁の区分の漂流を定めるのに、同等化1が使用することができる。 当然、漂流の予言は関係で終局の「free-play」を引き起こすかもしれないおよび設置質かもしれない木製の収縮の量の制限の関係の負荷変形の特徴によって、変わる。 同等化1の傾向は漂流を過大評価する特にせん断の壁の区分が死んだ負荷、隣接した壁の入り口の上下で組み立てる壁およびnon-structural壁の部品から付加的な制限を受け取る場合これらの心配を相殺しがちである。 単調な(non-cyclic)テストでは、更に漂流を過大評価する内部のギプスのウォールボードの原因の同等化1の貢献。 考慮されるすべての事これらの不確実性および複雑化はせん断の壁の漂流の予言に新しい挑戦を提起しないし、同等化1は一般的な適用のための適した正確さの適度な、経験的基づかせていたデザイン・ツールである。

建物のLFRSのレベルで考慮された場合同等化2の提供せん断の壁の設計のより困難な面のいくつかへの単純な解決方法。 同等化2はせん断の壁の区分の応答がピーク容量のポイントまで非線形剛さの特徴と定められるようにする。 従って各区分のための偏向が同等であるという仮定および相対的な剛さに基づいてある特定のせん断の壁ラインのさまざまなせん断の壁の区分に負荷を配るのに、同等化2が使用することができる。 実際に、この仮定は個々のせん断の壁の区分が壁の組み立てのメンバーときちんと接続されれば正確に近くなければならない。 また、異なった負荷漂流の特徴のせん断の壁の区分間の壁の組み立てのメンバーの力はまた適度な正確さと定められるかもしれない。 これらの設計機能は剛さと密接に関連しているせん断の壁の相対的な強さの比較によって伝統的に演説した。

せん断の壁ラインで各区分のために同等化2を、独特負荷漂流は使用することによって簡単な手の計算かコンピュータ展開表を使用して断固とした、次に多数の区分で構成される全体のせん断の壁ラインのために独特負荷偏向を定めるために重ねられて行う。 翻訳およびねじりによる層間変形角が合理的に定められるように構造のLFRSのすべての指名せん断の壁ラインのためにこのプロセスが容易に繰り返され、剛さに基づいてある特定の物語のレベルの力を配るのに使用することができる。 力の配分および翻訳およびねじり層間変形角は側面力抵抗システムのピーク容量まであらゆる負荷のためにそれから予測することができる。 全体的なせん断の壁の行動の非直線性は同等化1および2.でを説明される。

付録Aは図2.で違った見方の比率の3つのせん断の壁の区分が示されているある壁ラインのためのせん断の壁容量を定めるために同等化2展開表の使用例を示す。 上のカーブは」である(ユニットロードの代りに負荷の単位で働くために各区分の幅、wによってEquation 2によって表されるように独立せん断の壁の区分の」の「合計負荷漂流のカーブ、増加する)。 表1 (この場合905 lbs/ft)からの新しい単位のせん断の価値を使用し、アスペクトレシオに従う各区分を調節によってピーク容量まで全体の壁ラインの行動を定めるために、Equation 2が与える非線形応答は設計過程で容易に収容することができる。 このアプローチはまたアスペクトレシオの任意限界を持つ必要性を除去する。

上で記述されている適用は主に前に記述されている従来の区分されたせん断の壁の設計法に焦点を合わせた。 従って、指定せん断の壁の区分ではない壁の部分から来る貢献はこのアプローチで無視される。 したがって、アプローチは実際の容量を過少見積りし、実質LFRSのための実際の漂流を図1.の簡単なせん断の壁の区分モデルからかなり出発する典型的な設計状態の過大評価しがちである。 穴があいたせん断の壁方法、多くの最近の調査の焦点にこの問題の解決で、より大きい約束があるせん断の壁ラインの行動の決定の総壁を捕獲するので。 表1の単位のせん断の壁の価値は穴があいたせん断の壁方法の使用のために適当である。 穴があいたせん断の壁方法の原則に続く漂流の同等化が設計の適用のために開発されることが近い将来に、期待される。 それは多分これらのタイプの非常に正確な方法のせん断の壁の漂流の行動に演説する。

1. 設計プロジェクトの表1の単位のせん断の価値を試み、あなたの現在の設計練習と結果を比較しなさい。 これは単位のせん断の価値の簡単な取り替えである。
2. あなたのローカル営繕部および計画の評論家の注意にこの記事の件名を持って来なさい。 使用のための承認を、必要であれば追求し、実証に要求されるかもしれない付加的な参照を得なさい。
3. 負荷漂流の同等化(同等化1をおよび2)木製のせん断の壁の負荷漂流の特徴を定め、ある特定の物語のレベルのLFRSの力の配分を定めるため使用しなさい。 現在の練習と結果を比較しなさい。
4. 穴があいたせん断の壁方法の使用そして適用に馴染みなさい。 それが既にあなたの区域の使用のために公認でなかったら、アメリカの森林及びペーパー連合(202-463-2700)からの援助、アメリカの木製議会(202-463-2700)、アメリカの鉄および鋼鉄協会(1-800-898-2842)、またはNAHB Research Center、Inc. (1-800-898-2842 ToolBaseのホットライン)追求しなさい。

表1: 風のための平均最終的な剪断抵抗(lb/ft)または構造使用パネルの地震力はダグラスもみ、カラマツ、または南Pinea^、b、c、d、e、fの組み立ての壁をせん断する

テーブルのノート:
(a)価値は平均最終的なせん断容量、耐性因子によってのf =時間の効果の要因との0.55のl =負荷および耐性因子の設計負荷組合せのための1.0増加する。 テーブルの価値は正当な圧力の設計負荷組合せを用いる使用のための2.5の安全率で分けられる。 一世帯の住居のために、価値はLRFDの負荷組合せを用いる使用のための0.7の耐性因子によって増加する。 テーブルの価値はASDの負荷組合せを用いる使用のための2.0の安全率で分けられる。
(b)価値はアスペクトレシオ、h/w、非常により1/1.に適用しない。 h/wの比率1/1以上のために、表にされた価値は次の同等化によって定められる:

ところ:
v =考慮された最終的な剪断抵抗-表1の価値は脚注(a)に従って調節した
考慮された最終的な剪断抵抗がアスペクトレシオができるように調節したv'=
a = h/wのせん断の壁の区分(パネル)のアスペクトレシオ。
(c)すべてのパネルの端は2インチのわずかかより広く組み立てと支持した。 パネルは水平にまたは縦に取付けた。 スタッドに平行強い軸線と取付けられている3/8インチのパネルのための中間組み立てのメンバーに沿う中心の6インチのスペース釘は中心の24インチおよび他の条件およびパネルの厚さのための中心の12インチの間隔をあけた。
(d)他の種の組み立てのために、次の通りテーブルの価値を増加しなさい: Gが比重であるところ0.42の<=のための0.82 G <種のための0.49か0.65とのG < 0.42。
(e)価値は壁の1つの側面のパネルのためである。 価値が両側のパネルのために倍増することは可能になる。 パネルが壁の両方の表面で応用であり、釘が間隔中心の6インチよりどちら側でもより少しであるところで、パネルの接合箇所は異なった組み立てのメンバーで落ちるために相殺されるまたは組み立てはわずかな3インチであるまたはより広く接合箇所の各側面の釘はぐらつき。
(f)隣接したパネルの端の組み立てはわずかな3インチであるまたは釘が2インチ中心の間隔をあけられるところでより広く釘はぐらつき。
隣接したパネルの端で組み立てる(g)はわずかな3インチであるまたは1-5/8インチ以上の組み立てへの浸透を持っている10d釘が3インチまたは中心のより少し間隔をあけられるところでより広く釘はぐらつき。
(h) 3/8インチのための価値がおよび組み立てに直接加えられる7/16インチのパネルは提供したスタッドを間隔をあけられる最大中心の16インチ15/32インチのパネルのために示されている価値に増加することは可能になるまたはパネルはスタッドを渡る強い軸線と加えられる。
(i)は「おおって」おおおよびパネルの下見張りを含んでいる。

  [1] BOCA National Building Code、Building OfficialsおよびInternational、Inc. (BOCA)、カントリークラブHills、イリノイ1999年Code Administrators。
  ^[2]均一建築基準法、Officials、Whittier、カリフォルニア (ICBO)1997年を造ることの国際会議。
  ^[3] Standard Building Code、Southern Building Code Congress International、Inc. (SBCCI)、バーミンガム、アラバマ1997年。
  ^[4]負荷および耐性因子は設計された木製の構造、構造使用パネルの補足、APA -設計された木製Association、タコマ市、ワシントン州1996年のためのマニュアルを設計する。
  ^[5] 1のための木製フレームの構造マニュアルおよび2家族の住居- 1995年のSBCの強風の版、アメリカの森林及びペーパー連合のアメリカの木製議会、ワシントンD.C.、DC 1996年。
  ^[6]ハリケーンの抵抗力がある住宅建築- SSTD 10-97、Southern Building Code Congress International、Inc.、バーミンガム、アラバマ1997年のための標準。
  ^[7] BeyerのWood Structures、Third Edition、McGraw丘、Inc.ニューヨーク、NY 1993年のドナルドE.の設計。
  ^[8] Hoyle、ロバートJ.、Jr.およびWoesteの構造の設計、第5版、アイオワの州立大学の出版物、エームズ、アイオワ1986年のフランクE.の木製の技術。
  ^[9] Ambrose、ジェームスおよびDimitry Vergun。 側面力、John Wiley & Sons、Inc.、ニューヨーク、NY 1987年のために設計しなさい。
  ^[10]木製の構造および工学手引、第8章: E.D. DiekmannによるダイヤフラムそしてShearwalls。
  ^[11] Dolan、J.D.およびA.C.ジョンソンの開始、レポートTE-1996-001のヴァージニアの工芸学校および州立大学、小川の林産物の研究所、Blacksburg、VA 1997年の長いせん断の壁の単調なテスト。
  ^[12] Dolan、J.D.およびA.C.ジョンソンの開始、レポートTE-1996-002のヴァージニアの工芸学校および州立大学、小川の林産物の研究所、Blacksburg、VA 1997年の長いせん断の壁の循環テスト。
  ^[13]狭い壁の区分、減らされた基礎制限の穴があいたせん断の壁の性能、およびNAHB Research Center、Inc.、上部のMarlboro、MD 1998年著米国の米連邦住宅都市開発省のために準備される代わりの組み立て方法。
  ^[14] Dolan、J.D.およびC.P. Heineのさまざまな開始および基盤の制限の状態、レポートTE-1997-001のヴァージニアの工芸学校および州立大学、小川の林産物の研究所、Blacksburg、VA 1997年の木フレームのせん断の壁の単調なテスト。
  ^[15] Dolan、J.D.およびC.P. Heineのさまざまな開始および基盤の制限の状態、レポートTE-1997-002のヴァージニアの工芸学校および州立大学、小川の林産物の研究所、Blacksburg、VA 1997年の木フレームのせん断の壁の順次段階的に行なわれた変位循環テスト。
  ^[16]構造コンクリート(ACI 318-95)および論評、アメリカの具体的な協会、Farmingtonの丘、MI 1996年のための建築基準法の条件。
  ^[17] Dolan、J.D.およびC.P. Heineのコーナー、レポートTE-1997-003のヴァージニアの工芸学校および州立大学、小川の林産物の研究所、Blacksburg、VA 1997年が付いている木組み立てられたせん断の壁の順次段階的に行なわれた変位テスト。
  ^[18]建物の地震リハビリテーション、FEMAのレポート273の中央政府緊急管理代理店、ワシントンD.C.、DC 1997年のための指針。
  ^[19]構造パネルのせん断の壁、研究のレポート154のアメリカの合板連合、タコマ市、WA 1993年。
  ^[20] Serrette、Reynaud、Georgiホール、およびJoang Ngyen。 軽量の鋼鉄組み立てのためのせん断の壁の価値。 サンタクララ大学、サンタクララ、CA 1996年。
  ^[21] Serrette、Reynaudの等軽量の鋼鉄組み立てのための付加的なせん断の壁の価値。 サンタクララ大学、サンタクララ、CA 1997年。
  ^[22]米国の米連邦住宅都市開発省のためにおよびNAHB Research Center、Inc.、上部のMarlboro、MD 1997年著住宅建築業者のアメリカの鉄、鋼鉄協会および国民連合準備される開始のCold-Formed鋼鉄せん断の壁の単調なテスト。

付録A