JP2009002042A - 耐震板壁の構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】板壁、特に伝統的な木造軸組による板壁を対象として、その減衰性能を向上させ得る構造を提供する。
【解決手段】木造建物における左右の柱間に横長帯板状の壁板2を多段に積み重ねて装着し、それら壁板間に形成される各段の横目地にダボを介装し、そのダボの全てもしくは一部を木製ダボ4に比較して減衰性能に優れる制震ダボ5とする。制震ダボ5は木材からなる本体部材と減衰材料からなる減衰部材とを組み合わせて一体化した構造とすることが好ましく、本体部材と減衰部材とをいずれも板状として減衰部材の両面に本体部材を一体に固着するか、柱状の本体部材に中心孔を設けて棒状の減衰部材を嵌入すると良い。制震ダボ5を耐震板壁全体に均等に分散配置するか、あるいは制震ダボ5を所定段の横目地にのみ集中配置して他の段の横目地には木製ダボ4を配置すると良い。
【選択図】図5

Description

本発明は木造建物における板壁の構造、特に伝統的な木造軸組による板壁に適用してその減衰性能を向上させ得る耐震板壁の構造に関する。
周知のように寺社建築に代表される我が国の伝統的な木造建物は柱と貫とによる木造軸組を主体とするものであり、そのような伝統的な木造軸組を基本とする板壁の構造については特許文献1に開示がある。
これは、図11〜図12に示すように左右の柱1間にたとえば桧材からなる横長帯板状の壁板2を多段に積み重ねた状態で装着して板壁3を形成するものであるが、特に壁板2として貫2aと力板2bとを交互に組み合わせて使用するものである。
図12(b)に示すように、貫2aはその両端部が柱1に形成したほぞ穴1aに対して楔により係止されて装着されるものであるが、力板2bの両端部は柱1に形成した縦溝1bに単に差し込まれた状態で装着されるものである。
そして、この板壁3では各壁板2間(すなわち貫2aと力板2bとの間)に形成される各段の横目地に所定間隔で木製ダボ4を介装することによって、それら木製ダボ4により上下の壁板2間の水平方向の相対変位(すなわち横ずれ)が効果的に規制されるようになっている。木製ダボ4は一般的には欅材を素材としてたとえば図12(c)に示すような形状・寸法の角柱状ないし角棒状に加工されたものである。
上記構造の板壁3では、地震時に水平力を受けた際には柱1が転倒する方向に回転しようとし、それにより各段の壁板2どうしが水平方向にずれるような変形を生じることになるが、そのような変形は木製ダボ4により拘束されて優れた水平耐力を発揮し、しかもその際には木製ダボ4が微小変形することによる振動減衰効果も期待できるとされている。
特開2005−42549号公報
上記構造による板壁3は伝統的な木造建物に要求される程度の耐震性能は確保し得るものではあるが、これを現代建築に適用する場合にはさらなる性能の向上が必要である。
特に、上述したように木製ダボ4による振動減衰効果が期待できるとはいえ、その効果には自ずと限界があり、現代建築に要求されるような高度の減衰性能を確保することは困難である。
そのため、この種の板壁3に高度の減衰性能を持たせるためには、たとえばオイルダンパーや鋼材ダンパーといった現代的な制震要素を組み込む必要があるが、伝統的な木造軸組に現代的なダンパーの類を違和感なく組み込むことは困難であるし、意匠的にもそぐわないものとなるので好ましいことではない。
上記事情に鑑み、本発明は減衰性能に優れる板壁の構造、特に伝統的な木造軸組による板壁を対象としてその基本的な構造と意匠をそのまま踏襲しつつ減衰性能を向上させ得る有効適切な板壁の構造を提供することを目的としている。
本発明は、木造建物における左右の柱間に横長帯板状の壁板を多段に積み重ねて装着し、それら壁板間に形成される各段の横目地に上下の壁板どうしの水平方向の相対変位を規制するダボを介装してなる耐震板壁の構造であって、前記ダボの全てもしくは一部として、木製ダボに比較して減衰性能に優れる制震ダボを用いてなることを特徴とするものである。すなわち本発明は、通常の板壁における通常の木製ダボの全てあるいはその一部をより減衰性能に優れた制震ダボに置換するものである。
本発明において用いる制震ダボは通常の木製ダボに比較して減衰性能に優れるものであれば良く、木材よりも減衰性能に優れた各種の減衰材料、たとえば鉛等の金属材料等を素材としてその全体を形成することも考えられるが、木材からなる本体部材とそれよりも減衰性能に優れる各種の減衰材料からなる減衰部材とを組み合わせて一体化したものが好適に採用可能である。
具体的には、制震ダボにおける本体部材と減衰部材とをいずれも板状として減衰部材の両面に本体部材を一体に固着した構造のものや、本体部材を中心孔を有する柱状としてその中心孔に棒状の減衰部材を嵌入した構造のものが好適である。勿論、異なる構造の制震ダボを様々に組み合わせて使用することも考えられる。
また、本発明においては制震ダボの配置パターンは任意に設定すれば良いが、制震ダボを耐震板壁全体に均等に分散配置するか、あるいは制震ダボを所定段の横目地にのみ集中配置して他の段の横目地には木製ダボを配置することが考えられる。
本発明の耐震板壁は、通常の板壁に使用されている通常の木製ダボよりも減衰性能に優れる制震ダボを使用するものであるので、その制震ダボによりエネルギー吸収能力を充分に向上させることができ、板壁全体としての減衰性能を向上させることができる。
勿論、本発明の耐震板壁は外観上は通常の板壁と変わるものではないし、施工手順も通常の板壁の場合と全く同様であり、制震ダボもさして特殊な素材や複雑な構造となるものではないから安価に製作可能であってそれに要するコストは些少であり、そのため、たとえば既存の板壁を改修する際に全てのもしくは一部の木製ダボを制震ダボに置換するだけで本発明の耐震板壁に改修することができ、特に老朽化した木造建物を改修する際に適用して好適である。
また、制震ダボを木材からなる本体部材とそれよりも減衰性能に優れる減衰材料からなる減衰部材を組み合わせた構造とすることにより、それら本体部材と減衰部材の双方の素材、形状、寸法、組み合わせの形態等を様々に調整することによって制震ダボの剛性や強度を調整可能であり、それによっても減衰性能の調整が可能である。
さらに、本発明においては、制震ダボの設置数やその配置パターンの調整により耐震壁全体の減衰性能を調整可能であり、特に制震ダボを板壁全体に対して均等に分散配置すれば板壁各部で均等な減衰効果が得られて全体として優れた減衰性能向上効果が得られる。あるいは、制震ダボと通常の木製ダボを混用して制震ダボを所定段の横目地にのみ集中配置すれば、その段に変形が集中して制震ダボによる減衰性能を効果的に発揮させることができ、その場合においては変形集中を見越した仕上げとしておくことにより損傷後の板壁の改修を容易に行うことができる。
本発明の実施形態を図1〜図6を参照して説明する。本実施形態は図11〜図12に示した伝統的な構造と意匠の木造軸組による板壁への適用例であって、壁板2としての貫2aと力板2bとを交互に多段に積み重ねて板壁3を構成し、それら貫2aと力板2bどうしをダボにより連結するという基本的な構造はそのまま踏襲しつつも、ダボの全てあるいは一部を、図12(c)に示したような通常の単なる木製ダボ4に代えて、たとえば図1〜図3に示すような構造の制震ダボ5(5A〜5C)に置換したことを主眼とするものである。
本実施形態において使用する制震ダボ5は通常の木製ダボ4に比べて減衰性能に優れるものであって、本実施形態では図1〜図3に示す3種の制震ダボ5A〜5Cを単独で、あるいはそれらを適宜組み合わせて使用するものとしている。
なお、以下で説明する制震ダボ5の形状や寸法、構造はあくまで一例であり、図示例のように通常の木製ダボ4と同等の外形・寸法とすることはもとより、板壁3を構成する壁板2(貫2aおよび力板2b)の素材や板厚、板壁3に要求される減衰性能や用途、その他の諸条件を考慮して、制震ダボ5の各部の形状や寸法、構造は適宜設計すれば良い。
図1に示す制震ダボ5(5A)は、木材からなる本体部材6と、木材よりも減衰性能に優れる各種の減衰材料からなる減衰部材7とを一体化してなるものである。
本体部材6の素材としての木材は通常の木製ダボ4と同様にたとえば欅材が好適に採用可能であり、減衰部材7の素材としての減衰材料としては減衰性能に優れる金属材料たとえば鉛が好適に採用可能である。
本例の制震ダボ5Aはそれら本体部材6と減衰部材7をいずれも板状に加工し、減衰部材7を挟んでその両面側に本体部材6を貼り合わせて一体に固着したものとされている。
なお、図1において(a)に示すものと(b)に示すものは各部の寸法比が異なるだけで他は共通である。つまり、図1に例示しているように全体の外形寸法を図12(c)に例示した通常の木製ダボ4と同一形状、同一寸法とした場合において、(a)に示すものは減衰部材7の厚みを5.5mm(したがって本体部材6の厚みをそれぞれ7.75mm)としており、(b)に示すものは減衰部材7の厚みを2.0mm(したがって本体部材6の厚みをそれぞれ9.5mm)としており、両者の相違はその点だけである。
図2に示す制震ダボ5(5B)は、その全体が減衰材料である金属材料たとえば鉛により成型されたもの、つまりこの制震ダボの全体が減衰部材7として形成されたものである。
図3に示す制震ダボ5(5C)は、木材からなる本体部材6を角柱状としてその中心部に円形断面の中心孔を設け、その中心孔に減衰材料としての鉛からなる円棒状の減衰部材7を嵌入して一体化したものである。
図3において(a)に示すものと(b)に示すものは、減衰部材7の径寸法が異なるだけで他は共通であり、全体の外形を21×21×45mmとした場合において(a)では減衰部材7の径寸法を12mmφとし、(b)では7mmφとしている。
図1〜図3に示した制震ダボ5(5A〜5C)は、いずれもその一部もしくは全体が木材よりも減衰性能に優れる減衰部材7により構成されているので、全体が無垢の木材からなる通常の木製ダボ4に比べて自ずと減衰性能に優れたものとなっている。
すなわち、通常の木製ダボ4は剪断変形を受けてめり込み変形を生じた際にはすぐには元の形状に復帰せず、したがって繰り返し載荷時にはダボ穴との間に隙間が生じてスリップ的な復元力特性になる。つまり、その復元特性を表すQ(荷重)−δ(変位)ループは図4(a)に示すように全体的に横長のパターンとなってその履歴減衰は比較的小さいものであり、そのことが図11〜図12に示したような従来の板壁3においては必ずしも充分な振動減衰効果が得られない原因であると考えられる。
それに対して上記の制震ダボ5は、剪断変形時における本体部材6のめり込み変形の他に減衰部材7の塑性変形が生じることになり、したがって繰り返し載荷時における復元特性は図4(b)に示すように木製ダボ4に比較してQ−δループが膨らむものとなり、その分、エネルギー吸収能力が自ずと向上したものとなる。
それ故に、図11〜図12に示した通常の板壁3における木製ダボ4の全てもしくは一部を上記のような制震ダボ5に置換することのみで、板壁全体としての減衰性能を向上させることができ、その耐震性能を向上させることが可能である。
図5は本実施形態の耐震板壁8(8A〜8C)の具体的な構成例を通常の板壁3と対比して示すものである。
図5(a)は通常の木製ダボ4のみを使用した通常の板壁3に相当するものであり、これは木製ダボ4の剛性による充分な復元力を有して粘り強い変形性能を持つものではあるが、上述したように充分な振動減衰効果が得られず板壁全体としての減衰性能は高くないものである。
図5(b)に示す実施形態の耐震板壁8(8A)は、木製ダボ4の一部を制震ダボ5に置換してそれを板壁全体にほぼ均等に分散させたパターンで配置したものであり、これによれば(a)に示す通常の板壁3と同等の変形性能を維持しつつ、制震ダボ5を混用したことによって減衰性能を向上させることができるものである。したがって、この耐震板壁8Aを建物の要所に設置することにより、建物全体の剛性や強度をバランス良く最適に調整することが可能である。
図5(c)に示す耐震板壁8(8B)は、多段の横目地のうち所定段(図示例では中央段)の横目地に介装するダボのみを制震ダボ5とし、他は通常の木製ダボ4としたものである。これによれば板壁全体としては復元力が小さくなるが、板壁全体の剪断変形は制震ダボ5を介装した段に集中するのでそれらの制震ダボ5を効率的に効かせて減衰性能を効果的に向上させることができる。この場合は地震時における仕上げ材の損傷が制震ダボ5を配置した横目地の部分に集約されるので、それを見越した仕上げとしておくことにより損傷後の改修を容易に行うことができる利点もある。
図5(d)に示す耐震板壁8(8C)は、全てのダボを制震ダボ5として板壁全体に均等に分散配置したものであり、これによれば板壁全体としての復元力は(a)〜(c)のものに比べてさらに小さくなるものの減衰性能をさらに高めることができ、したがって建物の特定箇所にのみこの耐震板壁8Cを配置して建物全体の変形をそこに集中させるような計画が可能である。また、この場合は(c)の場合とは逆に板壁全体が均等に変形して局部的に大きな変形が集中することがないので、仕上げ材の損傷箇所を全体に分散して損傷程度を軽減することができる。
なお、図5(b)〜(d)に示した本実施形態の耐震板壁8A〜8Cにおいては、図1〜図3に示した構造の制震ダボ5A〜5Cやあるいはさらに他の構造の制震ダボ5のいずれかを単独で使用することでも良いし、構造の異なる複数種類の制震ダボ5を任意に組み合わせて使用しても良く、それら制震ダボ5の組み合わせや配置パターンによって板壁全体の減衰性能と変形性能、復元性能を幅広く設定することができる。
図6は寺社建築における外陣の外周壁を構成するための板壁に上記の耐震板壁8を適用する場合の一設計例である。
これは図5(a)に示した通常の板壁3と、図5(b)〜(d)に示した実施形態の耐震板壁8A〜8Cとを併設したもので、図6に示しているように通常の板壁3を主に外陣の角部に配置することを基本としながら、大きな開口を必要とする正面部には耐震板壁8Aを配置することによって充分な剛性を確保しつつ減衰性能を向上させ、壁の集中する背面部は変形が小さいので耐震板壁8Bを配置し、適度に壁を確保し得る側面には耐震板壁8Cを配置している。
このように、建物の平面形状や開口部の位置等を考慮して各耐震板壁8を使い分けて適正配置することにより、建物全体の減衰性能や変形性能を効果的にかつバランス良く向上させることが可能である。
なお、図6に示す配置パターンはあくまで一例であって、耐震板壁8および通常の板壁3の配置パターンは、建物全体の規模や用途、平面プラン、開口部の位置、要求される減衰性能、その他の諸条件を考慮して設計すれば良いことはいうまでもない。
勿論、上記のように本発明の耐震板壁8と通常の板壁3とを組み合わせることに限らず、通常の板壁3を一切省略して全てを本発明の耐震板壁8としても良いし、その場合においては上記のように各種の耐震板壁8A〜8Cを混用することに限らずいずれかの構造の耐震板壁8のみを単独で使用しても差し支えない。
以下、本発明において使用する制震ダボ5の減衰性能についての実証試験について図7〜図10を参照して説明する。
「実験概要」
試験体は図7に示すように3枚の板(桧材:図11〜図12に示した板壁3における壁板2としての貫2aおよび力板2bに相当)にダボ2本を挟み込んだ左右対象な形状とし、中央の板に鉛直方向の繰り返し荷重を加えた。試験体の上端と左右端はボルトで留めた。板の間の隙間幅については加力開始時にはゼロとしたが、特に拘束することなく加力中にこれを一定に保つような措置はしていない。
パラメータはダボの形状とし、図8(a)〜(e)に示す同一寸法の5種類のダボについて、それぞれ図8における正面を図7における正面に合致させた状態で板間に装着して実験を行った。
それらのダボのうち、(a)に示すNo.A01と(b)に示すNo.A02は同一のものであって、これは図12(c)に示した単なる木製ダボ4(欅材)に相当するものであるが、向きを変えて別の試験体として試験を行った。
(c)に示すNo.A03は図1(a)に示した制震ダボ5Aであり、本体部材は欅材、減衰部材は厚さ5.5mmの鉛材とした。
(d)に示すNo.A04は図2に示した制震ダボ5Bであり、全体を無垢の鉛材とした。
(e)に示すNo.A05は図3(a)に示した制震ダボ5Cであり、本体部材は欅材、減衰部材は12mmφの鉛材とした。
繰り返し載荷は図9に示すパターンで行い、最終サイクルで中央板の下端が加力装置のベースに接触した時点で加力終了とした。各サイクルのピーク時の変形(板のずれ量)は実大架構における変形角がそれぞれ1/240、1/120、1/60、1/30に相当する点の値とした。
「実験結果」
図10に各試験体のQ−δループを示す。横軸の変位δは側板に対する中央板の加力方向の相対変位である。
全試験体ともQ−δループはスリップ性状を示し、正負で非対称となるが、これは正載荷側で板の角部がダボ両側面にめり込み、負載荷側に移行した際はこのめり込み分スリップした後にめり込みの底に角部が当たった所から荷重が上昇し始めるためと思われる。したがって、負側の荷重ピーク値のレベルはその1サイクル前の正側の荷重ピーク値のレベルに概ね等しくなる。
また、加力終了後のダボと板の状況および加力中に若干広がる中央板と側板の間の隙間から観察したダボの状況などから、次のような経過が観察される。
《No.A01およびNo.A02》
・板の角部とダボの接触点で双方が大きくめり込みながら変形の増加とともに荷重が増加していく。
・ダボの割れなどの損傷が広がった点で荷重最大となる。
・ダボの短いホゾ穴側が抜け出して側板と中央板の間に挟まれる形となり、ダボと板の接触面で滑るたびにパキパキ音とともに荷重の上下を繰り返しながら全体としては徐々に荷重が低下していく。
・ダボの抜け出しがある程度大きくなりダボが板に沿って滑るだけの状態になると荷重値がほぼ一定になる。
《No.A03》
・板の角部とダボの接触点で双方がめり込むが、ダボの木部(本体部材)に比べて鉛部(減衰部材)の板の角部へのめり込みは小さい。
・ダボの損傷が大きくなる点で荷重最大となる。
・No.A01やNo.A02と同様、ダボの短いホゾ穴側が抜け出して側板と中央板の間に挟まれながら荷重の上下を繰り返すが、ダボの鉛部は木部とは別個に変形し続ける。
・ダボの木部の大部分と鉛部全体が2つに分断され、木部が板に沿って滑るだけの状態になると荷重値がほぼ一定になる。
《No.A04》
・板の角部とダボの接触点で双方がめり込むが、板の角部へのめり込みよりもダボへのめり込みの方が大きい。
・ダボの損傷が大きくなる点で荷重最大となる。
・ダボが変形しながら荷重低下し、2つに分断された点で概ね荷重ゼロとなり、変形のみ進む。
《No.A05》
・板の角部とダボの接触点で双方がめり込む。
・ダボの木部に大きな折損が生じた点で荷重最大となる。
・ダボの木部と鉛部が変形しながら荷重低下するが、ダボの木部が荷重最大時に大きく損傷したため、No.A01〜No.A03に比べて板との接触面での滑りは小さい。
「まとめ」
本発明の制震ダボ5A〜5CであるNo.A03〜No.A05は、通常の木製ダボ4であるNo.A01やNo.A02に比べ、Q−δループ面積はそれぞれ約46%、8%、6%増大し、減衰材料としての鉛を組み込むことで図4に示したようなQ−δループの膨らみとそれによるエネルギー吸収能力の向上効果が実証された。
特に、No.A03タイプのもの、つまり図1に示したように減衰材料からなる板状の減衰部材7を木材からなる本体部材6に挟み込んで一体に固着した構造の制震ダボ5Aを使用し、その減衰部材7を加力方向に並行にした向きで使用した場合に最も大きな効果が見られた。
以上で本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、たとえば以下に列挙するような適宜の設計的変更や応用が可能である。
本発明において使用する制震ダボ5の構造は上記実施形態で例示した3種に限るものではなく、要は木製ダボ4よりも優れた減衰性能が得られるものであれば良いのであって、本体部材6や減衰部材7をそれぞれ様々な材料による様々な形状・寸法のものとし、またそれらを様々に組み合わせた構造のものが採用可能である。
たとえば、上記実施形態では制震ダボ5における減衰部材7の材料として鉛を用いるものとしたが、それに限定すべきものではなく、所望の減衰性能が得られるものであれば鋼材やステンレスあるいはその他の金属材料、さらには各種の樹脂材料、プラスチック類等も減衰部材7の素材として採用可能である。勿論、本体部材6の材料である木材も欅材に限らず適宜の木材が採用可能である。
また、上記実施形態では制震ダボ5の外形をいずれも角柱状(角棒状)としたが、丸柱状(丸棒状)とする他、扁平な板状とすることも可能であるし、図3に示した制震ダボ5Cにおいては減衰部材7を丸棒状とすることに代えて角棒状とする(その場合は中心孔を角形断面とする)ことでも良い。
本発明の耐震板壁8は、図11〜図12に示したような伝統的な木造軸組による板壁を対象とすることが好ましく、特に貫2aと力板2bとの間に制震ダボ5を介装することが現実的ではあるが、それに限るものでもなく、横長帯板状の壁板2を上下に多段に積み重ねて構成されるような板壁全般に対して広く適用できるものである。そして、その限りにおいては伝統的な木造軸組による板壁のみならず現代的な木造による板壁に対しても同様に適用可能であるし、既存の木造建物を改修する場合のみならず新築木造建物に対しても同様に適用可能であることは言うまでもない。
本発明の実施形態である耐震板壁において使用する制震ダボの一例を示す図である。 同、制震ダボの他の例を示す図である。 同、制震ダボのさらに他の例を示す図である。 同、制震ダボの特性を木製ダボと比較して示す概要図である。 本発明の実施形態である耐震板壁の構成例を示す図である。 同、木造建物への配置例を示す図である。 制震ダボの性能試験の概要を示す図である。 同、試験体である制震ダボを示す図である。 同、加力試験における加力サイクルを示す図である。 同、試験結果を示すグラフである。 伝統的な木造軸組による板壁を示す図である。 同、要部詳細図である。
符号の説明
1 柱
2 壁板
2a 貫
2b 力板
3 板壁
4 木製ダボ
5(5A、5B、5C) 制震ダボ
6 本体部材
7 減衰部材
8(8A、8B、8C) 耐震板壁

Claims (6)

  1. 木造建物における左右の柱間に横長帯板状の壁板を多段に積み重ねて装着し、それら壁板間に形成される各段の横目地に上下の壁板どうしの水平方向の相対変位を規制するダボを介装してなる耐震板壁の構造であって、
    前記ダボの全てもしくは一部として、木製ダボに比較して減衰性能に優れる制震ダボを用いてなることを特徴とする耐震板壁の構造。
  2. 請求項1記載の耐震板壁の構造であって、制震ダボは木材からなる本体部材と、減衰材料からなる減衰部材とが組み合わされて一体化されてなることを特徴とする耐震板壁の構造。
  3. 請求項2記載の耐震板壁の構造であって、制震ダボにおける本体部材と減衰部材とがいずれも板状とされ、減衰部材の両面に本体部材が一体に固着されて制震ダボが形成されてなることを特徴とする耐震板壁の構造。
  4. 請求項2記載の耐震板壁の構造であって、制震ダボにおける本体部材が中心孔を有する柱状とされ、該本体部材における中心孔に棒状の減衰部材が嵌入されて制震ダボが形成されてなることを特徴とする耐震板壁の構造。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の耐震板壁の構造であって、制震ダボを耐震板壁全体に均等に分散配置してなることを特徴とする耐震板壁の構造。
  6. 請求項1〜4のいずれかに記載の耐震板壁の構造であって、制震ダボを所定段の横目地にのみ集中配置して他の段の横目地には木製ダボを配置してなることを特徴とする耐震板壁の構造。
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