JP3713832B2 - 木造立体構造物の継手構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、木材あるいは集成材、単板積層材などの木製の骨組部材と、それらが集合する節点部材とを連結した木造立体構造物に適用するに好適な継手構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の木造立体構造物の継手構造としては、骨組部材に座掘、先孔を設け、座掘内に角ナットもしくは座金とナットを入れ、角ナットまたはナットに連結ボルトを螺合させて、端部金物、連結ボルトと係合する回転材を連結ボルトにはめ込み、回転材を回転させることにより、節点部材に連結ボルトを送り出して緊結した継手構造が採用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これでは以下のような種々の問題があった。
【０００４】
第１に、骨組部材と節点部材に生じる軸方向の寸法誤差を吸収できず、施工性が劣るばかりか、節点の座標が正規の位置からずれてしまい、強度上および意匠上の問題がある。
【０００５】
第２に、連結ボルトの角度誤差を吸収するためには先孔径を大きくする必要があるが、そうすれば特に曲げの力が接合部に作用する際、耐力および剛性などの強度性能が低下する原因となる。
【０００６】
第３に、骨組部材の端面とそこに取り付けた端部金物との隙間および角ナットまたは座金と座掘との接触面の隙間に起因するガタつきが生じる。
【０００７】
第４に、先孔に充填材を充填する場合、充填作業は現場で各部材を組み立てた後に行われるため、高所での作業が増えることによって安全性が劣り、また施工性が劣ってコストアップを招くばかりか、強度上重要な役割を担う充填材について硬化不良や不完全充填など品質管理上の問題が発生する。
【０００８】
第５に、強度性能を担保するボルトおよびナットが外部に露出してしまい、耐久性に劣り、意匠性にも劣ってしまう。
【０００９】
第６に、木製の骨組部材の木口が外部に露出しているため、屋外用途や多湿環境下で使用されると水分が骨組部材の木口に浸入し、骨組部材の耐久性を低下させてしまう。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑み、軸方向の寸法誤差を吸収でき、耐力や剛性などの強度性能を向上させ、また耐久性、意匠性、経済性にも優れた木造立体構造物の継手構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、複数個の木製の骨組部材（１）を節点部材（２）を介して互いに連結した木造立体構造物（１９）に適用される継手構造であって、前記骨組部材に座掘（３）を形成し、前記骨組部材に当該骨組部材の端面と前記座掘とを連通する先孔（４）を形成し、この先孔にパイプ（６）を挿入し、前記座掘内に座金（５）を設置して前記パイプに接合し、前記骨組部材に端部金物（７）を当該骨組部材の端面および側面を覆うように取り付け、前記骨組部材および前記端部金物に連結ボルト（８）をその軸心方向に移動自在に挿通し、前記座掘内にナット（９）を設置して前記連結ボルトに螺着し、前記連結ボルトおよび前記ナットの移動を拘束しないように前記座掘内、前記端部金物と前記骨組部材の端面との間および前記先孔と前記パイプとの間に充填材（１０）を充填し、前記連結ボルトを前記節点部材にねじ込んで前記骨組部材を前記節点部材に引き寄せて緊結して構成される。
【００１２】
なお、括弧内の番号等は図面における対応する要素を表わす便宜的なものであり、従って、本発明は図面上の記載に限定拘束されるものではない。このことは「特許請求の範囲」の欄についても同様である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は木造立体構造物の一例を示す斜視図、
図２は本発明による木造立体構造物の継手構造の一実施形態を示す図であり、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線による断面図、
図３は木造立体構造物の接合部の引張強さ試験の結果を示すグラフである。
【００１４】
木造立体構造物１９は、図１に示すように、木材あるいは集成材、単板積層材などの木製の骨組部材１が複数個、ボールジョイント等の節点部材２を介して互いに連結された構造を有しており、各骨組部材１と節点部材２との継手構造は次のとおりである。
【００１５】
すなわち、図２に示すように、骨組部材１には座掘３が形成されており、骨組部材１にはその端面と座掘３とを連通する先孔４が形成されている。先孔４にはパイプ６が挿入されており、座掘３内には座金５が設置されてパイプ６に接合されている。骨組部材１には端部金物７が骨組部材１の端面および側面を覆うように取り付けられており、骨組部材１および端部金物７には連結ボルト８がその軸心方向に移動自在に挿通されている。座掘３内にはナット９が設置されて連結ボルト８に螺着されており、座掘３内、端部金物７と骨組部材１の端面との間および先孔４とパイプ６との間には、連結ボルト８およびナット９の移動を拘束しないように充填材１０が充填されている。また、端部金物７には円筒状の回転材１６が回動自在に装着されており、回転材１６の内周面には２本の縦溝１６ａが形成されている。一方、連結ボルト８にはピン８ａが直角に貫通する形で挿設されており、ピン８ａの両端は回転材１６の各縦溝１６ａに係合している。さらに、連結ボルト８は節点部材２にねじ込まれて骨組部材１を節点部材２に引き寄せる形で緊結されている。
【００１６】
次に、この木造立体構造物１９の組立手順について説明する。
【００１７】
まず、骨組部材１の一側面の任意の位置に、後に示す座金５が納まる寸法の座掘３を設ける。座掘３の加工精度を考慮して幅方向は座金５の寸法より２ｍｍほど広くする。座掘３は骨組部材１の一側面から対面する側面へ貫通しても貫通しなくてもよい。座掘３の位置は座掘３と骨組部材１の端面との間で形成される耐力上必要なせん断面積の算定によって決定する。また、骨組部材１の断面寸法は座掘３による断面欠損があっても、要求される圧縮あるいは引張に対する耐力を担保でき、かつ意匠上、経済上有利な寸法で設計する。
【００１８】
その後、骨組部材１の端面中央から座掘３まで任意の径の先孔４を設ける。先孔４の径は後に挿入するパイプ６の外径より５ｍｍほど大きくし、先孔４の加工精度不良による芯ズレを防ぐ。
【００１９】
次いで、座掘３内に座金５を入れ、先孔４に挿入したパイプ６と座金５を双方に施したネジまたは接着剤によって接合する。なお、この座金５には、ナット９を封入したキャップ付きの円筒を溶接または接着し、円筒１１内をナット９が前後に自由に移動可能とする。座金５の寸法は、後に示す連結ボルト８と座掘３内のナット９から座金５を介して骨組部材１に引張力が作用する際、座金５と骨組部材１の支圧によって抵抗できる寸法とし、また座金５の厚さは引張力が作用する際の曲げ変形に抵抗できる厚さとする。パイプ６および座金５の材質は、鉄、アルミあるいは合金など任意の材質のものを経済性、作業性あるいは材料強度などを考慮して選択すればよい。
【００２０】
その後、骨組部材１の端面に端部金物７を取り付ける。端部金物７には軸方向に貫通する孔が設けてあり、骨組部材１側の孔に先孔４から１０ｍｍほど突出したパイプ６が嵌合するようになっている。端部金物７の孔とパイプ６との間には周囲約１ｍｍのクリアランスがあるが、後に示す充填材１０を充填する際パイプ６内に充填材１０が回り込むのを防止するため、端部金物７の取付に先立ってパイプ６の外周にブチルゴム系、例えばスリオンテック社製スリオンテープＮｏ．５９３１のような弾性および耐久性があるテープ１２をパッキンとして貼り付けておくのがよい。また、端部金物７は骨組部材１の端面から約１５ｍｍにわたって四周オーバーラップ部分にも約１ｍｍのクリアランスをもたせており、骨組部材１の端面から回った充填材１０が外部に流出するのを防ぎ、さらに特に屋外用途や多湿環境において水分が骨組部材１の端面へ浸入するのを防ぐため、端部金物７の取付に先立って骨組部材１の四周にテープ１２を貼り付けておくのがよい。端部金物７も材質は所望の条件に合せて選択すればよい。
【００２１】
次いで、端部金物７およびパイプ６を通して連結ボルト８を挿入し、座掘３内のナット９と螺合させる。この際、端部金物７は骨組部材１の側面にオーバーラップして取り付けられているので、連結ボルト８が軸心を通ることになる。この段階で連結ボルト８と座掘３内のナット９との螺合長さを調整する。連結ボルト８もまた材質は所望の条件に合せて選択すればよい。
【００２２】
次に、連結ボルト８が端部金物７から突出した部分に養生ナット（図示せず）を締め込み、連結ボルト８の突出長さと軸心の通りを固定する。また、養生ナットを締め込むことによって端部金物７と骨組部材１の端面との接触を強固にする。
【００２３】
こうして養生ナットを締め込んだ後、座掘３部分、および先孔４とパイプ６との隙間に充填材１０を充填する。座掘３が骨組部材１の側面で貫通している場合は下面側の座掘３へ内寸に合致する木製の薄板１３を取り付ける。先孔４とパイプ６との隙間への充填材１０の充填は、骨組部材１の上面から先孔４に向けて予め注入孔１４と空気孔１５を空けておき、一方、骨組部材１とオーバーラップする端部金物７の上面には予め空気孔１７が空けてある。充填材１０には、例えば東都レジン化工社製低粘度注型用エポキシ樹脂Ｓ−５５５のようなエポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの有機系充填材あるいは無収縮モルタルグラウトのような無機系充填材など種々使用可能であるが、硬化収縮によるクラック、充填性、作業性、強度などを考慮して、有機系であれば、増量剤５０％以下、粘度１０００〜２０００ｃｐｓ、無機系であればコンシステンシー１５秒以下、また有機系、無機系双方とも可使時間は夏場で３０分以上、そして圧縮あるいは付着強度などの機械的性能は骨組部材１の性能と同等以上のものが好ましい。座掘３への充填は重力式でよく、先孔４とパイプ６の隙間への充填は重力式、グリースガン等による圧入式いずれでもよいが、グリースガン等の洗浄作業などを考慮すると重力式の方が好ましい。先孔４とパイプ６との隙間へ重力式で充填する場合は、注入孔１４および空気孔１５へプラスチック製のロートを挿入し、注入孔１４から充填材１０を充填する。充填材１０は硬化に伴って若干目減りするが、目減り分を見込んだ量の充填材１０を予め座掘３およびロートに補充しておくことにより完全充填が達成される。上面側の座掘３には下面側同様の木製の薄板１３をはめ込み、充填材１０が硬化した後も薄板１３は取り外さない。また、ロートは充填剤１０が硬化した後、骨組部材１のレベルに合せてカッターナイフ等で突出部分を切除すればよい。
【００２４】
こうして座掘３へ充填された充填材１０は座掘３の隅々まで行きわたって断面欠損を補い、充填材１０にも圧縮力や引張力が伝達されて耐力および剛性の向上が図られる。
【００２５】
また、注入孔１４から注入された充填剤１０は隙間を座掘３側から端面側へ移動しながら充填され、端部金物７と骨組部材１の端面との隙間およびオーバーラップ部分へも回り込んで空気孔１５に挿入したロートに達する。先孔４とパイプ６との隙間に充填剤１０を充填することにより、座金５の支圧面積が増大し、座金５部分のめり込み耐力が増加する。また、骨組部材１の先孔４の加工精度を考慮すると、前述のように、連結ボルト８が軸心を通るためには先孔４の径をパイプ６の径より大きくし、アジャストが取れるようにしなければならないが、その反面、曲げに対する強度性能は低下する。しかし、先孔４とパイプ６との隙間に充填材１０を充填することによって、先孔４の加工精度を許容し、曲げ強度性能の向上を図ることができる。さらに、骨組部材１の端面と端部金物７との隙間も充填されることによって骨組部材１の端面と端部金物７との面接触が完全に確保され、初期ガタの解消が図れる。
【００２６】
以上、充填材１０の充填までは工場で可能な作業範囲となる。
【００２７】
一方、現場では、工場で製作した骨組部材１と節点部材２とを連結する作業だけとなる。
【００２８】
すなわち、養生ナットを連結ボルト８から取り外した後、回転材１６を連結ボルト８に挿通し、回転材１６と連結ボルト８を同時に回転させて節点部材２へねじ込み、骨組部材１を節点部材２に引き寄せる。ここで、連結ボルト８のピン８ａは回転材１６の縦溝１６ａに係合しているので、回転材１６を回転させると、それに伴って連結ボルト８も同じ方向に回転し、そのため連結ボルト８は節点部材２にねじ込まれる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３０】
骨組部材１としてベイマツ構造用集成材を用い、節点部材２として鉄製のボールジョイントを用い、端部金物７として鉄製金物を用い、さらに充填剤１０として東部レジン化工社製低粘度注型用エポキシ樹脂Ｓ−５５５を用い、これらを座金５、パイプ６、連結ボルト８および回転材１６と組み合わせて、桁方向１００ｍ、スパン方向５０ｍ、成２ｍの立体トラス形式のフレームを組み立てた。
【００３１】
このフレームの接合部に対して積雪、風、地震を想定した荷重による強度試験を実施したところ、構造計算より求めた短期設計荷重の３倍以上の強度を発現した。
【００３２】
なお、図３は図２に例示する本発明の接合部と充填材１０が充填されていない従来の接合部について、その耐力および剛性を比較したグラフである。図３から、本発明の接合部は耐力および剛性が大きく向上することが確認できる。
【００３３】
なお、圧縮および曲げにおいても、同様なことが確認されている。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数個の木製の骨組部材１を節点部材２を介して互いに連結した木造立体構造物１９に適用される継手構造であって、前記骨組部材１に座掘３を形成し、前記骨組部材１に当該骨組部材１の端面と前記座掘３とを連通する先孔４を形成し、この先孔４にパイプ６を挿入し、前記座掘３内に座金５を設置して前記パイプ６に接合し、前記骨組部材１に端部金物７を当該骨組部材１の端面および側面を覆うように取り付け、前記骨組部材１および前記端部金物７に連結ボルト８をその軸心方向に移動自在に挿通し、前記座掘３内にナット９を設置して前記連結ボルト８に螺着し、前記連結ボルト８および前記ナット９の移動を拘束しないように前記座掘３内、前記端部金物７と前記骨組部材１の端面との間および前記先孔４と前記パイプ６との間に充填材１０を充填し、前記連結ボルト８を前記節点部材２にねじ込んで前記骨組部材１を前記節点部材２に引き寄せて緊結して構成したので、以下の（１）〜（５）の効果を奏する。
【００３５】
（１）連結ボルト８と座掘３内のナット９の螺合長さを調整することによって骨組部材１と節点部材２に生じる軸方向の寸法誤差を吸収できる。
【００３６】
（２）この連結ボルト８のような引きボルト接合によって、ねじれや偏芯が生じず、また施工後の緩みが少なくなるとともに、金物がシンプルで重量やコストの軽減が図れる。また、金物が露出しないため意匠性に優れ、金物の油などに起因する汚れが付着しにくく、屋外用途や多湿環境下での使用に対して金物の耐久性を損なわない。
【００３７】
（３）充填剤１０を充填することによって、座掘３の断面欠損が補われ、また、座金５の曲げ変形が抑制されて耐力および剛性が向上する。さらに、座金５の支圧面積が増大し、座金５のめり込み耐力が向上する。また、現状の先孔４の加工精度でも連結ボルト８が軸心を通ることを可能とし、曲げ強度性能の向上を図れる。さらに、端部金物７と骨組部材１との面接触が図られ、初期ガタが解消できるばかりか、水分が骨組部材１の端面から内部へ浸入するのを防止でき、骨組部材１の耐久性が向上する。
【００３８】
（４）パイプ６を用いることによって、工場で充填材１０を充填できるため、現場では連結ボルト８を送り出して節点部材２と骨組部材１を連結するだけでよくなり、高所での作業が減って施工性や安定性が向上するとともにコストダウンが図れる。また、強度上重要な役割を果たす充填材の接着信頼性が向上する。さらに、節点部材２と骨組部材１を連結する連結ボルト８は１本で済むため、作業量および材料コストの低減が図られ、施工管理もしやすくなる。
【００３９】
（５）端部金物７が骨組部材１の端面および側面を覆っているため、引張力が作用する際骨組部材１の端面および側面が周囲へ開いて割裂しようとすることを防止でき、耐力および剛性の向上が図れる。また、水分が骨組部材１の端面から内部へ浸入するのを防止でき、骨組部材１の耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】木造立体構造物の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明による木造立体構造物の継手構造の一実施形態を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。
【図３】木造立体構造物の接合部の引張強さ試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１……骨組部材
２……節点部材
３……座掘
４……先孔
５……座金
６……パイプ
７……端部金物
８……連結ボルト
９……ナット
１０……充填材
１９……木造立体構造物

Claims (1)

1. 複数個の木製の骨組部材（１）を節点部材（２）を介して互いに連結した木造立体構造物（１９）に適用される継手構造であって、
   前記骨組部材に座掘（３）を形成し、
   前記骨組部材に当該骨組部材の端面と前記座掘とを連通する先孔（４）を形成し、
   この先孔にパイプ（６）を挿入し、
   前記座掘内に座金（５）を設置して前記パイプに接合し、
   前記骨組部材に端部金物（７）を当該骨組部材の端面および側面を覆うように取り付け、
   前記骨組部材および前記端部金物に連結ボルト（８）をその軸心方向に移動自在に挿通し、
   前記座掘内にナット（９）を設置して前記連結ボルトに螺着し、
   前記連結ボルトおよび前記ナットの移動を拘束しないように前記座掘内、前記端部金物と前記骨組部材の端面との間および前記先孔と前記パイプとの間に充填材（１０）を充填し、
   前記連結ボルトを前記節点部材にねじ込んで前記骨組部材を前記節点部材に引き寄せて緊結したことを特徴とする木造立体構造物の継手構造。

Images