JP2017089329A - 木材と鋼管のハイブリッド柱 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管柱を周囲の木質材が補剛するとともに、軸耐力を向上させるとともに、軸力を鋼管と木質材の両者に負担させることにより、軸剛性を向上させた柱材。
【解決手段】鋼管を軸材とし、該軸材の周囲に配置された木質材を備えた鋼管・木材ハイブリッド柱材であって、柱材の下端部側には木質材の木口面を支承する座金部材が設けられている鋼管・木材ハイブリッド柱材。
【選択図】図１

Description

本発明は、木材と鋼管を組み合わせた柱材に関する技術である。

木材の長手方向に設けた穴に鋼材をアンボンド状態で通して、鋼材を木材で補剛した木材と金属部材のアンボンド合成軸力部材が特許文献１（特開２００４−２７７８３号公報）に開示されている。この発明は、鋼材が軸力を負担し、木材には軸力を負担させない構成となっている。この特許文献１では、鋼材と木材がボンド接合され、両者が軸力を負担することは不都合なことが多く、適していないとされている。
特許文献２（特開２００１−１９３２２０号公報）には、鋼板の両面に集成材を配置し、鋼板と集成材をドリフトピン接合した建築用合成材が開示されており、集成材と接合した鋼板の両方で軸力を負担するもので筋交いなどに使用される発明である。
長い鋼材の曲げ座屈対策として、鋼管で覆って補剛したアンボンド鉄骨ブレース（特許文献３：特開平７−３２４３７７号公報）、Ｈ型鉄骨を鉄筋コンクリートで補剛した鉄骨ブレース（特許文献４：特開平６−３３５１１号公報）等も提案されている。また、Ｈ型鋼材に木材を取り付けた鋼材と木質材料の複合構造物が特許文献５（特開２０１３−１３００２１号公報）に開示されている。

特開２００４−２７７８３号公報 特開２００１−１９３２２０号公報 特開平７−３２４３７７号公報 特開平６−３３５１１号公報 特開２０１３−１３００２１号公報

本発明は、鋼管柱を周囲の木質材が補剛して、軸耐力を向上させるとともに、軸力を鋼管と木質材の両者に負担させることにより、軸剛性を向上させる柱材の実現を目的とする。

本発明は、次の構成を主な解決手段とする。
１．鋼管を軸材とし、該軸材の周囲に配置された木質材を備えた鋼管・木材ハイブリッド柱材であって、柱材の下端部側には木質材の木口面を支承する座金部材が設けられていること、を特徴とする鋼管・木材ハイブリッド柱材。
２．木質材の木口端面に接触する木口プレートを備えていること、を特徴とする１．記載の鋼管・木材ハイブリッド柱材。
３．鋼管は、角部がＲ付きである角形鋼管であり、木質材には、鋼管に外接する断面方形の溝空間を有すること、を特徴とする１．又は２．記載の鋼管・木材ハイブリッド柱材。
４．１．〜３．のいずれかに記載された鋼管・木材ハイブリッド柱材を製造する方法であって、木質系長尺素材を長手方向の面から、長手方向に溝を削出し、該溝に鋼管を挿入し、溝が形成された木質系長尺素材の溝の両側に形成された２つの面と、該溝に跨って前記２つの面を覆う巾を備えた木質系覆い材を接着して、両木質材を接合することにより、鋼管・木材ハイブリッド柱材を製造する方法。

１．軸部材の鋼管とその周囲を囲む木質材とが密着するように製作しており、柱に荷重がかかった場合には、鉄骨に加え木質材も荷重を負担することにより、鉄骨のみの部材に比べ高い軸剛性および軸耐力を発揮する。柱材の下端部側に設けた座金部材を介して軸力を負担することができ、木質材部分も剛性および耐力を負担することにより、柱材の耐力が向上し、設計の自由度が増すほか、鋼材量の低減など、より合理的な設計が可能になる。鋼管は中実な棒材よりも軽量であるが強度が高く、木質材と組み合わせることにより、軽量で強固な柱材を実現することができる。
２．木質材の木口面に接触する木口プレートは、木質材の木口面を保全し、しっかりとした力の伝達に有効である。
３．鋼管はＲ付き角形鋼管を用いることにより、木質材の溝隅部に生じた隙間が、（ａ）鋼材が軸力を受けた際、ポアソン比の分だけ外径が広がる方向に生じたひずみの吸収代となって、鋼材が集成材を面外に押し出す力を低減でき、（ｂ）コの字断面に加工された木材の溝に角形鋼管を嵌合する際、溝角に割れが発生することを抑制することができ、（ｃ）木質材の内部から発散される成分の通気通路となり、安定性に寄与する。
４．２分した木質材に溝を形成し、溝に鋼管を嵌めて、２つの木質材を貼り合わせて柱材を製造した。鋼管を跨いで両側の面に木材を接着して接合して製造するので、釘やボルトなどは露出しておらず、柱材の外周４面はきれいな木材面であり、通常の木質系集成材と同様に、プレーナーや塗装が可能である。また、長手方向に溝を削出あるいは、Ｌ字形部材やコ字形部材によって、鋼管を収容する空間を設け、鋼管を覆う木材同士を接着して製造するので、長手方向に形成される空間を形成する内面の精度が高く、鋼管の外周と木材内面とのクリアランスを小さくでき、補剛の作用性能を向上させることができる。
木質材の木口面を受ける座金部材が設けられている柱材においては、木材の中心部を穿孔して得られた中空に鋼管を挿通することはできないので、本製造方法は本発明の木材ハイブリッド柱に適用できる特有の製造方法である。
５．軸力をかけないアンボンドの外周管材は、自由に上下に滑動することが可能であり、触れることが可能な露出部に使用した場合、不自然で、不安定な感触を与えることとなり、安定性が重要である建物の柱材としては不適切である。建物に適用された場合、本発明の柱材は、木質材も鋼管も上下方向に拘束されており、そのまま木質柱材としての外観と感触を呈しており、意匠性に優れ、通常の木材柱と同様に使用できる。

鋼管・木材ハイブリッド柱の例を示す図 鋼管・木材ハイブリッド柱の構造を示す図 鋼管・木材ハイブリッド柱の製造方法の例を示す図 木質材と鋼管の組合せ例を示す図 試験モデルを示す図 木に軸力を負担させる場合の解析結果を示す図

本発明は、鋼管と木質材を組み合わせたハイブリッド柱である。柱材の下端部側には木質材の木口面を支承する座金部材が設けられている。
本発明の鋼管・木材ハイブリッド柱は、鋼管の長手方向に木質材で囲み、鋼管と木質材の双方に軸力を導入する柱である。
本発明が提供する鋼管・木材ハイブリッド柱は、鋼管と木質材の双方に軸力を負荷することによって、鋼管単独はもとより、木質材に軸力を負荷させず木質材に鋼管の補剛作用のみを分担させた柱材よりも、大きな荷重を実現した。あるいは、細い鋼管やより薄い厚みの鋼管を用いることができ、柱材の軽量化が可能である。
木質材は、中心部に鋼管を配置する空間を備えている。長手方向に２分割された材を準備し、接合によって、中心部に空間が生じる形状に分割されている。
鋼管は、角部をＲ（アール）にした角形鋼管あるいは丸形鋼管を用いる。
分割された木質材に形成されている溝などの空間に鋼管を載置し、他方の木質材を合わせて木材同士を接着剤で接着して、製造する。
鋼管は木材の中心空間に外接した状態に納まっている。
木材の空間は断面方形であり、木材の空間の隅部には鋼管との間に隙間が生じている。この隙間は、鋼管の圧縮変形等の調整代になる。

鋼管・木材ハイブリッド柱は芯材として鋼管が上下に貫通しており、鋼管の周りに木質材が外接した状態になっており、木質材は鋼管と接着されておらず、自由に滑動可能であるので柱材の下端部側に木質材の木口面を受ける構成を設けた。
木口プレートを木質材の木口面側に配置して、木質材の木口面の保護をする。木口プレートは、少なくとも下端部側に配置し、上端部側にも配置することが好ましい。
建築物に用いられた状態では、軸力が導入された状態に固定されるので、安定しており、見える部分はすべて木質材であるため、外観、感触が通常の木材と遜色がない。

＜鋼管＞
鋼管材であって、材質は鋼材やステンレス鋼材、アルミニウム材等の構造用の金属部材を採用することができる。
基本形状は角形鋼管あるいは丸形鋼管である。角形鋼管は、断面正方形で、角部がアール付きである。
アールなど隅部を曲面にすることによって、木質材の内隅部との間に隙間が発生し、木質材の隅部割れを防止できる。木材の空間は鋼管に外接する大きさに形成されているので、木材と金属の加工精度の違いを吸収する調整代を形成する。また、この隙間は、木材の接着剤の硬化に伴って発生するガス成分などの放出通路、あるいは、木質材の湿度調整通路となる。
鋼管は、使用する目的に応じた長さを備えた棒状材であるのが必須であるが、梁などとの接合のための構成を上下端部に備えるのが便利である。上下端部に脚部プレートを設け、梁等とボルト接合できるようにする。

＜木質材＞
鋼管の周囲に配置される木質材は、通常用いられている無垢の木材、集成材を用いることができる。
通常の芯持ち１本材は、異方収縮によって、長手方向に割れが入るが、本発明では中心部に空洞が形成されるので、異方収縮に伴う割れのリスクは小さい。
集成材は、均質性が高く品質安定性に優れており、本発明には適している。杉、檜、カラマツ、米ヒ、ケヤキ、ナラなど一般に用いられている樹種を使用することができる。

木質材には中央部に鋼管を収容する空間が形成されている。空間の形成方法は、長手方向に２分割された素材を準備し、２つの分割素材を組み合わせた状態で空間が形成される形状に成型する。
成形方法は、一本の角柱材を中心から長手方向に２分割し、溝を削り出して、溝面を合わせることによって、空間が形成される。この場合、一方の分割素材に溝に鋼管を載置して、他の分割素材を被せて、合わせ面を接着する。密着させるために緊締して接着剤を硬化させる。成型された一本の角柱材を用いるので、分割した物を再接着してもなじみが良い。
他の成形方法は、細長い部材をＬ字形あるいはコ字形に組み合わせて接合して、鋼管を空間に配置して、Ｌ字形あるいは板材で鋼管の開放側に被せて、接着し接合する。この場合、Ｌ字形あるいはコ字形に組み合わせて接合するには、空間を当て材で補完して、緊締して、高精度の形に製造する。当て材には接着剤を付けず、はずすことができるようにする。
木材の厚さは、設計強度によって適宜設定する。

鋼管・木材ハイブリッド柱１の概略を図１に示す。
鋼管・木材ハイブリッド柱１は、木質材３の中心部に設けた空間に鋼管２がアンボンド状態に配置されており、木質材の上下の端面には木口プレート４が配置されている。この鋼管・木材ハイブリッド柱１には、軸力Ｆが付加される。木口プレート４は、木質材の木口面を保護して安定した状態で軸力ｆを分担する。
木質材３は鋼管２を補剛するとともに、木質材３が負担する軸力ｆ分、鋼管２に負荷する軸力が減少するので、鋼管２の曲げ応力が低下し、鋼管・木材ハイブリッド柱１の耐力が向上する。

図２に鋼管・木材ハイブリッド柱１の構造を示す。
図２（ａ）は、鋼管・木材ハイブリッド柱１の側面図を示し、図１に説明した内容と同様である。
図２（ｂ）は、鋼管・木材ハイブリッド柱１の中間部の断面を示している。角形の鋼管２を上下に２分された溝付き半割材３１ａ、３１ｂを突き合わせて接着された木質材３が包囲している。角形の鋼管２は、隅部にアールが設けられており、木質材の隅部には隙間３３が設けられている。
図２（ｃ）は、断面の分解図である。溝３２ａ、３２ｂが形成された上下に２分された溝付き半割材３１ａ、３１ｂと角形の鋼管２を組み合わせる。溝巾ｗ１は鋼管の外寸ｗ２
は外接関係になるように設定されている。角形の鋼管の基本断面形は正方形であり、隅部はアール２１が設けられている。
溝付き半割材３１ａ、３１ｂは、例えば、一本の柱材を２分割し、溝３２ａ、３２ｂをカッターで削出すると、再度組み合わせることは復元になり、なじみが良い。
半割材３１ａ、３１ｂの接着には、通常用いられている集成材用の接着剤を使用する。
接合工程は、接着剤を塗布後張り合わせて、周囲を緊締して接着剤を硬化させる。イソシアネート系接着剤あるいはレゾルシノール系接着剤などが用いられる。レゾルシノール系接着剤は耐久性が高く、適している。隙間３３は、接着剤が硬化反応に伴う排気通路として機能する。

図３に鋼管・木材ハイブリッド柱１の製造方法の例を示す。この製造方法は、図２に記載した半割材３１ａ、３１ｂを用いる方法である。
図３（ａ）は、溝３２が長手方向に設けられた細長い柱寸法を備えた溝付き半割材３１ａ、３１ｂを準備し、一方の半割材３１ｂの溝３２に角形の鋼管２を挿入した状態を示している。この後、半割材３１ｂの溝の両側にある接着面３４に接着剤を塗布して、他方の半割材３１ａを被せ、圧締して接着剤を硬化させて、図２（ｂ）に示す鋼管・木材ハイブリッド柱１を完成する。
本例では、鋼管２の端部には、梁などの他部材との取付け部となる台座２２が設けられている。また、木質材３の木口３５を支持する座金５が鋼管２の下端側側面に設けられている（図３（ｃ）参照）。
なお、図３では、木質材の木口が分かり易いように木口プレートを省略しているが、木口プレートを配置することができる。また、図３（ｃ）では、座金５はＬ型金具を鋼管に溶接した例が示されているが、これに限らず支え機能を果たす構造を採用することができる。

＜木質材の組合せ例＞
鋼管・木材ハイブリッド柱は、長手方向に小分けされた木質部材を準備し、一部の小分け木質部材に鋼管を沿わせ、他の小分け木質部材で鋼管の周囲を覆い、鋼管と木材部材とアンボンド状態で一体化した物である。なお、木柱の中央を穿孔して貫通孔を形成し、この貫通孔に鋼管を挿入することも可能であるが、長い柱に鋼管をスムーズに挿入できる精度で直線上に貫通孔を設けることは困難である。
長手方向に小分けした木材は平滑性と通直性の精度が高く、組み合わせて完成する木質材の中央空間の仕上がり精度も良好である。
組合せの例を図４に示す。
図４（ａ）は、（ａ２）に示すように一本の木材を中央から２分割して小分け部材を形成する。小分けされた部材に鋼管の外巾よりやや大きい巾の溝を、鋼管の外巾の半分の深さに削りだして形成する。溝形成は、木材用の溝形成カッターを使用する。
（ａ３）に示すように、鋼管を溝に挿入して、左右の小分け部材を接着剤で貼り合わせて、鋼管・木材ハイブリッド柱を形成する。
図４（ｂ）は、同じ大きさで４つに小分けされた部材を準備し、（ｂ２）に示すようにＬ字形に接着した部材を２組準備し、Ｌ字形を組み合わせて形成される空間に鋼管を配置して、２つのＬ字形材を接合して鋼管・木材ハイブリッド柱を形成する。Ｌ字形に組み合わせるに当たり、（ｂ３）に示すように、内隅部側に当て材を配置して、断面方形に組み合わせた状態で、接合して、Ｌ形の精度を確保する。当て材は接着されておらず、容易にはずすことができる。
図４（ｃ）は、長辺材と短辺材を準備し、２本の長辺材と１本の短辺材をコ字形に組み合わせて、接合面に接着剤を塗布し、空間部に当て材を挿入して、接着剤を硬化させ、当て材をはずして、コ字形材を製造し、このコ字形材に鋼管を挿入し、残りの短辺材と組み合わせて、接合して、鋼管・木材ハイブリッド柱を形成する。
図４（ｄ）は、図４（ｃ）と同様にコ字形に小分け材を組み合わせるものである。本例では、同じ大きさに４つに小分けした部材を２等辺の台形に形成してある。小分けした部材の接合部が鋼管・木材ハイブリッド柱の角頂部に現れるの、小分け部材の接合面が目立たない。
図４（ｅ）は、４本の小角柱を準備し、１つの角を鋼管の外巾よりやや大きい辺になるように削って、３本を組み合わせて接着して、鋼管を挿入する空間を形成し、鋼管を配置して、残りの１本を合わせて接着して、鋼管・木材ハイブリッド柱を形成する。３本を組み合わせて接合する際には、当て材を使用することができる。この例では、小分けした部材の合わせ面が、側面中央に現れる。また、鋼管の曲げが面部に現れるが、鋼管の面は木質材の対角部に面しており、高い補剛機能を発揮できる。

＜強度試験＞
木質部へ軸力負担させる、ハイブリッド柱の軸剛性および軸耐力に関する試験を行った。
１．解析方法
FEM解析（有限要素解析ソフトAbaqusを使用）
２．設定条件
・パラメータ：
（ａ）鋼材のみ
（ｂ）鋼材＋木補剛（軸力負担なし）
（ｃ）鋼材＋木補剛（軸力負担あり）
・断面（想定）（図５（ａ）参照）
鋼材：角形鋼管 □80×80×6（STKR400）
木補剛：木150角（E105-F300）
・試験体全長：3,200mm、木補剛長さ：3,000mm
・すべて両端ピン支持
・（ｃ）では、厚さ9mmのプレートを木の両端小口にあたる位置で角形鋼管に固定（溶接を想定）した（図５（ｂ）参照）。
３．解析結果
結果を図６に示す。（ｂ）と（ｃ）の比較で、木に軸力負担させた（ｃ）は部材の初期剛性が約1.4倍、耐力が1.15倍（81kN）向上しており、顕著な強度向上を確認することができた。

１ 鋼管・木材ハイブリッド柱材
２ 鋼管
２１ アール（Ｒ）
２２ 台座
３ 木質材
３１ａ、３１ｂ 溝付き半割材
３２ａ、３２ｂ 溝
ｗ１ 溝巾
ｗ２ 鋼管外寸
３３ 隙間
３４ 接着面
３５ 木口
４ 木口プレート
５ 座金

Claims (4)

1. 鋼管を軸材とし、該軸材の周囲に配置された木質材を備えた鋼管・木材ハイブリッド柱材であって、
   柱材の下端部側には木質材の木口面を支承する座金部材が設けられていること、
   を特徴とする鋼管・木材ハイブリッド柱材。
2. 木質材の木口端面に接触する木口プレートを備えていること、を特徴とする請求項１記載の鋼管・木材ハイブリッド柱材。
3. 鋼管は、角部がＲ付きである角形鋼管であり、
   木質材には、鋼管に外接する断面方形の溝空間を有すること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の鋼管・木材ハイブリッド柱材。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された鋼管・木材ハイブリッド柱材を製造する方法であって、
   木質系長尺素材を長手方向の面から、長手方向に溝を削出し、
   該溝に鋼管を挿入し、
   溝が形成された木質系長尺素材の溝の両側に形成された２つの面と、該溝に跨って前記２つの面を覆う巾を備えた木質系覆い材を接着して、両木質材を接合することにより、
   鋼管・木材ハイブリッド柱材を製造する方法。