JP2021147816A - 耐震壁 - Google Patents

Abstract

【課題】木質系の材料を用いて耐震性能の優れた耐震壁を提供すること。【解決手段】耐震壁１は、柱梁架構１０の構面内に設けられる。耐震壁１は、長さ方向を繊維方向とする木質板２１Ａ、２１Ｂが複数並んで配置されて形成された木質壁部２０と、木質壁部２０の周囲と柱梁架構１０との隙間をモルタル材で閉塞して形成された閉塞部３０と、を備える。木質板２１Ａ、２１Ｂの角度は、柱梁架構１０の対角線の角度α、βである。地震などにより柱梁架構１０に水平方向の外荷重が加わると、柱梁架構１０の構面内には、対角線方向に引張力あるいは圧縮力が作用する。木質板２１Ａ、２１Ｂは繊維方向のヤング率および強度が高いため、この引張力あるいは圧縮力に対して十分に抵抗するから、優れた耐震性能を発揮できる。【選択図】図１

Description

本発明は、柱梁架構の構面内に設けられる耐震壁に関する。

従来より、柱梁架構の構面内に、木質系の材料を用いた耐震壁を設ける場合がある（特許文献１、２参照）。
特許文献１には、鉄筋コンクリート製の架構内に木質壁が設置された耐震構造が示されている。木質壁は、壁側凹部および壁側凸部が架構側凸部および架構側凹部に係合することで、架構に接合されている。
特許文献２には、パネル枠体と、このパネル枠体に取り付けられたパネル体と、パネル体との間に隙間を空けてパネル枠体に取り付けられた壁面パネルと、を備える壁面パネルが示されている。パネル体は、間伐材を用いた多数のパネル板材をそれぞれ高さ方向に対して傾けた状態で組み合わせたものである。

特開２０１６−２１６８９９号公報 特開２０１０−１０６６４４号公報

本発明は、木質系の材料を用いて耐震性能の優れた耐震壁を提供することを課題とする。

本発明者らは、柱梁架構の構面内に設ける耐震壁として、柱梁架構の構面内に斜め方向に延びる木質板（集成材や製材）を複数並べて設置するとともに、これら木質板を複数層重ねて配置し、各層の木質板同士を互いに交差する方向に延びるように設置することで、地震時の水平力に木質板が十分に抵抗し、優れた耐震性能を発揮できる点に着目して、本発明に至った。
第１の発明の耐震壁（例えば、後述の耐震壁１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）は、柱梁架構（例えば、後述の柱梁架構１０）の構面内に設けられる耐震壁であって、長さ方向を繊維方向とする木質板（例えば、後述の木質板２１Ａ、２１Ｂ、ラミナ２１Ｃ、２１Ｄ）が複数並んで配置されて形成された木質壁部（例えば、後述の木質壁部２０）と、前記木質壁部の周囲と前記柱梁架構との隙間を前記木質板よりも高強度の充填材で閉塞して形成された閉塞部（例えば、後述の閉塞部３０）と、を備え、前記木質板の角度は、前記柱梁架構の対角線の角度から水平に対して略４５°までの範囲であることを特徴とする。

木質材とは、長さ方向を繊維方向とする板材であり、木を繊維方向に切り出したひき板や、このひき板を繊維方向が平行になるように重ねて接着した集成材がある。
木材は、異方性材料であり、針葉樹（例えばスギ）の繊維方向、半径方向、接線方向のヤング係数は、概ね１００：１０：５である。したがって、繊維方向に直応力が作用するように使用するのが合理的である。また、板目面内のせん断弾性係数は、繊維方向のヤング率の約１／１５であり、板目面内のせん断強度は、繊維方向の圧縮強度の約１／１０であるため、板目面内方向にせん断力が作用するように使用することは、力学的に合理的ではない。

そこで、この発明によれば、木質板の長さ方向を繊維方向とし、この木質板の角度を柱梁架構の対角線の角度から水平に対して４５°までの範囲とした。地震などにより柱梁架構に水平方向の外荷重が加わると、柱梁架構の構面内には、対角線方向に引張力あるいは圧縮力が作用する。上述のように、木質板は繊維方向のヤング率および強度が高いため、この引張力あるいは圧縮力に対して、木質板が十分に抵抗し、優れた耐震性能を発揮できる。

第２の発明の耐震壁は、前記木質板は、複数層重ねて配置され、各層の木質板同士は、互いに交差する方向に延びており、接着剤、ボルト（例えば、後述のボルト２２）、ビス、ダボのうち少なくとも１つを用いて、所定間隔おきに互いに固定されていることを特徴とする。

この発明によれば、木質板を複数層重ねて、各層の木質板同士が互いに交差する方向に延びるように配置した。よって、柱梁架構に水平方向の外荷重が加わって、所定層の木質板が圧縮力を負担する場合には、残りの層の木質板が引張力を負担する。あるいは、所定層の木質板が引張力を負担する場合には、残りの層の木質板が圧縮力を負担する。よって、柱梁架構に水平方向にどちら向きの外荷重が加わっても、木質板が十分に抵抗する。
また、各層の互いに交差する方向に延びる木質板同士を、接着剤、ボルト、ビス、ダボのうち少なくとも１つを用いて、所定間隔おきに互いに固定した。上述のように、柱梁架構に水平方向の外荷重が加わって、所定層の木質板が圧縮力を負担している場合、残りの層の木質板が引張力を負担することになるので、引張力を負担する木質板が、圧縮力を負担する木質板の面外座屈を補剛することになり、圧縮力を負担する木質板の面外座屈を防止できる。また、このとき、圧縮力を負担する木質板の座屈長さは、引張力を負担する木質板に固定される間隔となる。

第３の発明の耐震壁は、前記木質壁部の側面に沿って設けられた鉄筋コンクリート壁部をさらに備えることを特徴とする。
この発明によれば、木質壁部の側面に沿って鉄筋コンクリート壁部を設けたので、鉄筋コンクリート壁部の強度に木質壁部の強度が累加されるから、木質壁部を既存の鉄筋コンクリート耐震壁の補強構造として利用可能となる。

本発明によれば、木質系の材料を用いて耐震性能の優れた耐震壁を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る耐震壁の正面図および断面図である。 本発明の第２実施形態に係る耐震壁の正面図である。 本発明の第３実施形態に係る耐震壁の縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係る耐震壁の正面図である。 耐震壁を構成するＣＬＴの板取りの一例を示す図である。 本発明の変形例に係る耐震壁の正面図である。

本発明は、柱梁架構の構面内に対角線方向を含む斜め方向に延びる木質板を複数並べて形成した耐震壁である。第１実施形態は、ひき板または集成材からなる木質板を複数並行に配置して木質壁部を形成したものである。第２実施形態は、木質壁部の外周部が閉塞部内に凹凸状に入り込んだものである。第３実施形態は、木質壁部の側面に鉄筋コンクリート壁部を設けたものである。第４実施形態は、木質壁部をＣＬＴで形成したものである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る耐震壁１の正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
耐震壁１は、矩形枠状の柱梁架構１０の構面内に設けられている。この耐震壁１は、矩形状の木質壁部２０と、木質壁部２０の周囲と柱梁架構１０との隙間を閉塞して形成された矩形枠状の閉塞部３０と、を備える。
柱梁架構１０は、一対の鉄筋コンクリート柱１１と、これら鉄筋コンクリート柱１１同士を連結する鉄筋コンクリート梁１２と、を備える。

木質壁部２０は、第１層２０Ａと、この第１層２０Ａに重ねて配置された第２層２０Ｂと、を備える。
第１層２０Ａは、水平に対して所定角度αで延びる木質板２１Ａを複数並べて形成されている。第２層２０Ｂは、水平に対して所定角度βで延びる木質板２１Ｂ（図１（ａ）中破線で示す）を複数並べて形成されている。具体的には、木質板２１Ａの長さ方向の角度αは、図１（ａ）中右下と左上とを結ぶ対角線の角度であり、ここでは、水平に対して略３０°である。木質板２１Ｂの長さ方向の角度βは、図１（ａ）中左下と右上とを結ぶ対角線の角度であり、ここでは、水平に対して略３０°である。これら木質板２１Ａ、２１Ｂは、互いに交差する方向に延びている。
木質板２１Ａ、２１Ｂは、長さ方向を繊維方向とする板材であり、木を繊維方向に切り出したひき板、あるいは、ひき板を繊維方向が平行になるように重ねて接着した集成材である。
第１層２０Ａの木質板２１Ａと第２層２０Ｂの木質板２１Ｂとは、所定間隔おきにボルト２２で互いに固定されている。なお、これに限らず、木質板２１Ａと木質板２１Ｂとを、接着剤、ビス、ダボのいずれかを用いて互いに固定してもよいし、接着剤、ボルト、ビス、ダボのうち２種類以上を用いて互いに固定してもよい。
木質板２１Ａ、２１Ｂの幅寸法Ｗ_１は、例えば４００ｍｍである。また、各木質板２１Ａ、２１Ｂの両端部は、柱梁架構１０に略平行となるように切断加工されており、閉塞部３０の木質壁部２０側の面は平滑な平面となっている。

閉塞部３０は、木質板２１Ａ、２１Ｂよりも高強度の充填材を充填して形成されている。この充填材としては、モルタル材やエポキシ樹脂が挙げられる。柱梁架構１０の閉塞部３０側の面には、所定間隔おきに二列でアンカー材１３が打ち込まれており、これらアンカー材１３を介して、閉塞部３０が柱梁架構１０に係止している。

〔せん断剛性とせん断耐力の検証〕
以下、従来の耐震壁および本願発明の耐震壁について、せん断剛性およびせん断耐力を求めて比較した。
従来の耐震壁は、例えばＣＬＴを用いて木質板の延出方向（繊維方向）を縦横方向とする。これに対し、本願発明の耐震壁は、例えばＣＬＴを用いて木質板の角度（繊維方向）を水平に対して略４５°とする。ＣＬＴとは、後述のように、ひき板である木質板としてのラミナを、繊維方向が直交するように複数層重ねて接着したものである。
従来の耐震壁では、繊維方向が縦横方向となるため、せん断に対して全断面有効とし、本願発明の耐震壁では、繊維方向が水平に対して略４５°方向となるため、繊維方向に直応力が作用するラミナのみを有効とし、せん断に対して全断面の１／２を有効とする。また、柱梁架構を剛体とし、節点はピン接合とする。すなわち、柱梁架構は地震力を負担せず、耐震壁の反力のみ負担するものとする。

まず、従来の耐震壁のせん断剛性Ｋ_１は、以下の式（１）で表わされる。
Ｋ_１＝Ｑ／Δ＝（τ×ｔ×Ｗ）／（γ×Ｈ）＝Ｇo×ｔ×Ｗ／Ｈ
＝Ｇo×ｔ＝ｔ・Ｅo／１５ ・・・（１）
ここで、Ｑはせん断力、Δは水平変位、τはせん断応力度、γはせん断ひずみ度、ｔは壁厚、Ｗは壁幅，Ｈは壁高さである。
また、従来の耐震壁のせん断耐力Ｑu_１は、以下の式（２）で表わされる。
Ｑu_１＝Ｆｓ×ｔ×Ｗ＝０．１・Ｆo・ｔ・Ｗ ・・・（２）
また、本願発明の耐震壁のせん断剛性Ｋ_２は、以下の式（３）で表わされる。
Ｋ_２＝Ｑ／Δ＝（σ×ｔ／２×Ｗ×sin４５°）／（ε×Ｈ／sin４５°）
＝ｔ・Ｅo／４
＝１５／４×Ｋ_１＝３．７５×Ｋ_１ ・・・（３）
本願発明の耐震壁のせん断耐力Ｑu_２は、以下の式（４）で表わされる。
Ｑu_２＝Ｆo×ｔ／２×Ｗ×sin４５°＝Ｆo×ｔ／２×Ｗ×sin４５°
＝０．３５・Ｆo・ｔ・Ｗ
＝３．５×Ｑｕ_１ ・・・（４）

以上のように，繊維方向が斜め４５°方向となる本願発明の耐震壁は、繊維方向が縦横方向となる従来の耐震壁と比べて、せん断剛性が３．７５倍、せん断耐力が３．５倍となる。これは、耐震壁の繊維方向を４５°方向とすることにより、建物の耐震設計上必要な耐震壁の構面数を、従来と比べて１／３．５に削減できることを意味する。よって、建設工事のコストを低減できるうえに、建物の平面計画の自由度が増え、広い室内空間を確保することが可能となる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）長さ方向を繊維方向とする木質板２１Ａ、２１Ｂを対角線の角度α、βで複数並べた。地震などにより柱梁架構１０に水平方向の外荷重（図１（ａ）中矢印で示す）が加わると、柱梁架構１０の構面内には、対角線方向に引張力あるいは圧縮力が作用する。木質板２１Ａ、２１Ｂは繊維方向のヤング率および強度が高いため、この引張力あるいは圧縮力に対して、木質板２１Ａ、２１Ｂが十分に抵抗するから、優れた耐震性能を発揮できる。

（２）木質板２１Ａ、２１Ｂを２層重ねて、各層の木質板２１Ａ、２１Ｂ同士が互いに交差する方向に延びるように配置した。よって、柱梁架構１０に水平方向の外荷重が加わって、第１層２０Ａの木質板２１Ａが圧縮力を負担する場合、第２層２０Ｂの木質板２１Ｂが引張力を負担する。あるいは、第１層２０Ａの木質板２１Ａが引張力を負担する場合、第２層２０Ｂの木質板２１Ｂが圧縮力を負担する。よって、柱梁架構１０に水平方向にどちら向きの外荷重が加わっても、木質板２１Ａまたは木質板２１Ｂが十分に抵抗する。

（３）第１層２０Ａおよび第２層２０Ｂの互いに交差する方向に延びる木質板２１Ａ、２１Ｂ同士を、所定間隔おきに互いに固定した。柱梁架構１０に水平方向の外荷重が加わって、第１層２０Ａの木質板２１Ａが圧縮力を負担している場合、第２層２０Ｂの木質板２１Ｂが引張力を負担することになるので、引張力を負担する木質板２１Ｂが、圧縮力を負担する木質板２１Ａの面外座屈を補剛することになり、圧縮力を負担する木質板２１Ａの面外座屈を防止できる。また、このとき、圧縮力を負担する木質板２１Ａの座屈長さは、引張力を負担する木質板２１Ｂに固定される間隔となる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態に係る耐震壁１Ａの正面図である。
本実施形態では、木質板２１Ａ、２１Ｂの幅寸法Ｗ_２が木質板２１Ａ、２１Ｂの幅寸法Ｗ_１よりも狭い点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、本実施形態では、木質板２１の幅寸法Ｗ_２は、例えば２００ｍｍである。また、第１層２０Ａの木質板２１Ａと第２層２０Ｂの木質板２１Ｂとは、所定間隔おきに接着剤で互いに固定されている。また、各木質板２１Ａ、２１Ｂの両端部は、柱梁架構１０に略平行となるように切断加工されておらず、閉塞部３０の木質壁部２０側の面には、凹凸が形成されている。具体的には、本実施形態における木質板２１Ａ、２１Ｂは、丸太を矩形板状に切断加工したものである。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（３）と同様の効果がある。

〔第３実施形態〕
図３は、本発明の第３実施形態に係る耐震壁１Ｂの縦断面図である。
本実施形態では、木質壁部２０の一側面に沿って鉄筋コンクリート造の鉄筋コンクリート壁部４０をさらに備える点が、第１実施形態と異なる。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（３）に加えて、以下のような効果がある。
（４）木質壁部２０の一側面に沿って鉄筋コンクリート壁部４０を設けたので、鉄筋コンクリート壁部４０の強度に木質壁部２０の強度が累加されるから、木質壁部２０を既存の鉄筋コンクリート耐震壁の補強構造として利用可能となる。

〔第４実施形態〕
図４は、本発明の第４実施形態に係る耐震壁１Ｃの正面図である。図５は、耐震壁１Ｃを構成するＣＬＴ５０の板取りの一例を示す図である。
本実施形態では、耐震壁１Ｃの木質壁部２０をＣＬＴ５０で構成した点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、図５に示すように、１枚の矩形状のＣＬＴ５０を用意する。このＣＬＴ５０は、ひき板である木質板としてのラミナ２１Ｃ、２１Ｄを、繊維方向が直交するようにｎ（ｎは自然数）層重ねて接着したものである。偶数層のラミナ２１Ｃは、繊維方向が図５中水平方向となっているが、奇数層のラミナ２１Ｄ（図５中破線で示す）は、偶数層のラミナ２１Ｃと繊維方向が直交しているため、繊維方向が図５中上下方向となっている。

このＣＬＴ５０の板材を図５に示すように１番〜６番までの６つの部材に切断し、これら６つの部材を図４に示すように木質壁部２０に割り付ける。
すると、偶数層のラミナ２１Ｃは、繊維方向が図４中右下と左上とを結ぶ方向（水平に対して略４５°）に配置され、奇数層のラミナ２１Ｄは、繊維方向が図４中左下と右上とを結ぶ方向（水平に対して略４５°）に配置される。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（３）と同様の効果がある。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上述の第１〜４形態では、木質壁部２０の全面に亘って、一定方向に延びる木質板２１Ａ、２１Ｂを並べたが、これに限らず、図６に示すように、木質壁部２０の左側半分を、図６中左下と右上とを結ぶ対角線の角度で延びる木質板２１Ｅを複数並べて形成し、木質壁部２０の右側半分を、図６中右下と左上とを結ぶ対角線の角度で延びる木質板２１Ｆを複数並べて形成してもよい。
また、上述の第１〜３実施形態では、木質壁部２０を２層の木質板２１Ａ、２１Ｂで構成したが、これに限らず、木質壁部を１層の木質板のみで構成してもよいし、耐震壁に必要な耐力や剛性を確保するために、３層以上の木質板で構成してもよい。
また、上述の第３実施形態では、鉄筋コンクリート壁部４０の一側面に木質壁部２０を設けたが、これに限らず、鉄筋コンクリート壁部４０の両側面に木質壁部を設けて一体化させてもよい。
また、上述の第１〜３実施形態では、木質板２１Ａ、２１Ｂを、柱梁架構１０の対角線の角度α、βとしたが、これに限らず、第４実施形態に示すように、水平に対して略４５°としてもよいし、角度α、βから略４５°までの範囲であればよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…耐震壁
１０…柱梁架構 １１…鉄筋コンクリート柱 １２…鉄筋コンクリート梁
１３…アンカー材
２０…木質壁部 ２０Ａ…第１層 ２０Ｂ…第２層
２１Ａ…第１層の木質板 ２１Ｂ…第２層の木質板
２１Ｃ…偶数層のラミナ（木質板） ２１Ｄ…奇数層のラミナ（木質板）
２１Ｅ…左側半分の木質板 ２１Ｆ…右側半分の木質板
２２…ボルト ３０…閉塞部 ４０…鉄筋コンクリート壁部 ５０…ＣＬＴ

Claims (3)

1. 柱梁架構の構面内に設けられる耐震壁であって、
   長さ方向を繊維方向とする木質板が複数並んで配置されて形成された木質壁部と、
   前記木質壁部の周囲と前記柱梁架構との隙間を前記木質板よりも高強度の充填材で閉塞して形成された閉塞部と、を備え、
   前記木質板の角度は、前記柱梁架構の対角線の角度から水平に対して略４５°までの範囲であることを特徴とする耐震壁。
2. 前記木質板は、複数層重ねて配置され、
   各層の木質板同士は、互いに交差する方向に延びており、接着剤、ボルト、ビス、ダボのうち少なくとも１つを用いて、所定間隔おきに互いに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の耐震壁。
3. 前記木質壁部の側面に沿って設けられた鉄筋コンクリート壁部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の耐震壁。

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