JP4291872B1

JP4291872B1 - 木造家屋の構造

Info

Publication number: JP4291872B1
Application number: JP2008244341A
Authority: JP
Inventors: 和田章; 玉木康裕; 安藤純二
Original assignee: Just Co., Ltd.; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Just Co., Ltd.; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2028-09-24
Also published as: JP2010077610A

Abstract

【課題】木造家屋の構成要素である土台桁と柱材間を緊結せずに地震時の倒壊を防ぎ、原形に復元する、木造家屋の構造を提供する。
【解決手段】基礎の上面に水平に配置した土台桁と、土台桁上に垂直に立設した柱材と、柱材の上端間に水平に架設した上桁材と、柱材の下端間に水平に架設した下桁材と、により構成した木造家屋の構造であって、柱材と、上桁材と、下桁材と、によって矩形の枠組を構成し、枠組内には筋違及び／又は合板を配置し、土台桁と柱材との結合部を緊結せず、枠組の下端が土台桁から浮き上がり可能であり、基礎から立設した下緊張材と、上端を枠組に取り付けた上緊張材と、を有し、圧縮した弾性部材を内部に設けた制震部材を介して、下緊張材と上緊張材とを連結し、枠組の一方の柱材が浮き上がった際に、枠組は矩形の状態を保持し、弾性部材によって、枠組が浮き上がる前の状態に復元可能に構成したことを特徴とする、木造家屋の構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、地震による倒壊を防ぎ、原形に復元する、木造家屋の構造に関するものである。

一般に軸組工法の木造家屋は、基礎の上面に水平に設置する土台桁、土台桁の上面に垂直に立設する柱材、および柱材間に水平に架設する梁によって構成する。
このような木造家屋の耐震構造として、土台桁や柱材、梁等が結合する結合部を金具により緊結して固定する構成（例えば特許文献１）や、ワイヤーにより土台桁と梁とを緊結して固定する構成（例えば特許文献２）等が採用されている。
特開２００６−３０７４４０号公報特開２００７−１５４４７９号公報

しかしながら、前記した木造家屋の耐震構造は、金具やワイヤーによって構成部材を緊結するため、地震により作用する力が緊結した部位に集中して金具とその接合部やワイヤーが破損してしまい、家屋が倒壊するおそれがある。

本発明は、木造家屋の構成要素である土台桁と柱材間を緊結せずに地震時の倒壊を防ぎ、原形に復元する、木造家屋の構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本願の第１発明は、基礎の上面に水平に配置した土台桁と、前記土台桁上に垂直に立設した柱材と、前記柱材の上端間に水平に架設した上桁材と、前記柱材の下端間に水平に架設した下桁材と、により構成した木造家屋の構造であって、前記柱材と、前記上桁材と、前記下桁材と、によって矩形の枠組を構成し、枠組内には筋違及び／又は合板を配置し、前記土台桁と前記柱材との結合部を緊結せず、前記枠組の下端が土台桁から浮き上がり可能であり、前記基礎から、柱材と平行に立設した下緊張材と、前記下緊張材と同一軸線となるように、上端を前記枠組に取り付けた上緊張材と、を有し、圧縮した弾性部材を内部に設けた制震部材を介して、前記下緊張材と前記上緊張材とを連結し、前記枠組の一方の柱材が浮き上がった際に、前記枠組は矩形の状態を保持し、前記弾性部材によって、前記枠組が浮き上がる前の状態に復元可能に構成したことを特徴とする、木造家屋の構造を提供する。
本願の第２発明は、第１発明の木造家屋の構造であって、前記制震部材の内部に、粘弾性ダンパーを設けたことを特徴とする、木造家屋の構造を提供する。
本願の第３発明は、第１発明又は第２発明の木造家屋の構造であって、前記枠組の柱材間に、中間桁材を水平に架設し、前記上緊張材の上端を、前記中間桁材に取り付けることを特徴とする、木造家屋の構造を提供する。

本発明は、上記した課題を解決するための手段により、次のような効果の少なくとも一つを得ることができる。
＜１＞柱材が土台桁から浮き上がり、枠組が矩形を維持した状態でロッキング振動を起こすことによって、地震時の揺れを受け流すことができるため、家屋の倒壊を防ぐことができる。
＜２＞基礎に立設した下緊張材と、枠組に取り付けた上緊張材を、弾性部材を設けた制震部材によって連結するため、枠組に生じるせん断変形を弾性部材の変形で吸収して軽減することができる。
＜３＞弾性部材の復元力によって、柱材が土台桁から浮き上がっても、元の位置に戻るため、家屋の倒壊を防ぎ、原形に復元することができる。
＜４＞制震部材の内部に設けた粘弾性ダンパーに、相対変形・相対速度が生じるため、粘弾性ダンパーが地震エネルギーを吸収し、地震時の応答を低減することができる。
＜５＞枠組に設けた制震部材内部の弾性部材、粘弾性ダンパーによって地震エネルギーを吸収するため、枠組以外の構造部材の接合部の損傷を防ぐことができる。
＜６＞上下緊張部材、弾性部材、粘弾性ダンパーのいずれも安価であるため、低価格で構築することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

＜１＞本発明の全体の構成
本発明の木造家屋は、コンクリート基礎５と、その上面に配置した土台桁４、土台桁４上に立設した枠組１、枠組１に取り付けた上緊張材２１、コンクリート基礎５に立設した下緊張材２２、及び上緊張材２１と下緊張材２２とを連結した制震部材３からなる。（図１）
以下、各構成部材について詳述する。

＜２＞コンクリート基礎
コンクリート基礎５はコンクリート製である。
コンクリート基礎５は地盤上に配置するベタ基礎や布基礎であり、木造家屋の壁方向に連続して延設する。

＜３＞土台桁
土台桁４は木製の角材である。
土台桁４はコンクリート基礎５の上面に水平に設置する。

＜４＞枠組
枠組１は、柱材１１と、柱材１１間に架設した上桁材１２、下桁材１３を矩形に組み合わせたものであり、木造家屋の壁となる部材である。
柱材１１間や上桁材１２、下桁材１３間は筋違６や、合板（図示せず）によって補強し、枠組１を矩形に維持する。
枠組１は土台桁４上に立設する。

＜４−１＞柱材
柱材１１は木製の角材である。
柱材１１は土台桁４上に所定の間隔を設けて垂直に立設し、矩形の枠組１の側辺となる。

＜４−２＞柱材と土台桁との結合
土台桁４の柱材１１を立設する位置には凹部４１を設ける。
一方、柱材１１の下端には凹部４１と対向するように凸部１１３を設ける。凹部４１と凸部１１３とを嵌合して、土台桁４と柱材１１とを結合し、柱材１１を立設する。このように、土台桁４と柱材１１との結合部は金具等を用いた緊結構造とせず、「ほぞ」の差し込みのみとする。
また、凹部４１の断面を矩形とする。一方、凸部１１３は、凹部４１と対向するように矩形にし、先端を上側が長辺となる逆台形とする。
このように凹部４１と凸部１１３とを嵌合し、柱材１１が台形の斜辺方向に離脱しやすく、現状に復元しやすい構成とする。

＜４−３＞桁材
上桁材１２、下桁材１３は木製の角材である。
上桁材１２は柱材１１の上端間に水平に架設する。また、下桁材１３は柱材１１の下端間であって、土台桁４に接するように水平に架設する。このように配置し、側辺となる柱材１１と、上辺となる上桁材１２、及び下辺となる下桁材１３とによって、矩形の枠組１を構成する。
上桁材１２は屋根下の梁となる。
木造家屋が２階建の場合は、柱材１１の中央付近に１階部分の胴差しとなる中間桁材１４を架設して連結する。この際、柱材１１は中間桁材１４を間に挟む形で、上柱材１１１と下柱材１１２とに分けることもできる。

＜５＞緊張材
上緊張材２１、下緊張材２２は、丸鋼や鉄筋からなる棒状部材である。
上緊張材２１は柱材１１の上端間に架設する上桁材１２を貫通し、上端を固定ナット２１１により上桁材１２の上面に固定し、枠組１に取り付ける。
下緊張材２２は下端をコンクリート基礎５に埋設し、土台桁４と、柱材１１の下端間に架設する下桁材１３とを貫通して立設する。
上緊張材２１と下緊張材２２は、柱材１１と平行になるように、かつ、それぞれが同一軸線上となるように、固定、立設する。

＜６＞制震部材
制震部材３は、上緊張材２１と、下緊張材２２とを連結する部材である。
制震部材３は、円筒形または直方体の中空のケース３１内部に弾性部材３４を有する。（図２）
ケース３１の上部には、弾性部材３４内部を通過するように上鋼棒３２を挿通する。
上鋼棒３２は、ケース３１の上部から挿通するのみで、ケース３１には固定しない。
ケース３１に挿通した上鋼棒３２の、弾性部材３４より下側に、弾性部材３４の内径より大きく、ケース３１の内径より小さな座金３５を設ける。
また、上鋼棒３２の、ケース３１から延出した部分には、上鋼棒３２の延出長さを調整可能なナット３６を設ける。
ケース３１の下面には、下鋼棒３３を溶接等により接合する。

＜６−１＞弾性部材
弾性部材３４はコイル状のスプリングや硬質ゴム、皿バネ、板バネ等からなる。
弾性部材３４は、ナット３６を締めることによって上鋼棒３２の、ケース３１からの延出長を調整することによって座金の高さを調整し、ケース３１の上面と、座金３５の間で、弾性部材３４の復元力が作用するように圧縮して挟持する。

＜６−２＞粘弾性ダンパー
ケース３１の内部には、粘弾性ダンパー３７を取り付ける。
粘弾性ダンパー３７は、上緊張材２１と直線上になるように取り付ける。
粘弾性ダンパー３７は筒体３７１と、筒体３７１内部の粘弾性体３７２と、芯材３７３により構成する。
筒体３７１は少なくとも一端を開放した鋼製の筒状体である。
筒体３７１の内径は芯材３７３よりも大きく構成する。
筒体３７１に芯材３７３を挿通し、筒体３７１と芯材３７３との間に粘弾性体３７２を充填する。
筒体３７１の長さは、内部に充填した粘弾性体３７２の弾性力と粘性力とによって地震等によって作用する力を減衰することができる長さとする。
筒体３７１の内部に充填する粘弾性体３７２には、アクリル系粘弾性体半固定シート状のものや、高減衰ゴム系材料を溶かし込んだものなどを利用できる。
粘弾性ダンパー３７の筒体３７１はケース３１内部の下面に取り付ける。
そして、芯材３７３の上端と、圧縮して挟持した弾性部材３４下部の座金３５より下方に延出した上鋼棒３２を、ロングナット等により連結する。
このように構成することによって、粘弾性ダンパー３７は、上緊張材２１に取り付ける上鋼棒３２の下端と、ケース３１の下面との間に設置する。
また、弾性部材３４は、ケース３１の上面と、上緊張材２１に取り付ける上鋼棒３２に設けた座金３５との間に設ける。
よって、粘弾性ダンパー３７と弾性部材３４のどちらも、上緊張材２１とケース３１間に生じる変形によって力を変化するため、力学的には並列となる。

＜７＞緊張材と制震部材の連結
制震部材３は、上緊張材２１と下緊張材２２との間に取り付ける。
上緊張材２１の下端と、制震部材３から延出した上鋼棒３２の上端を、ロングナット等により連結する。
同様に、下緊張材２２の上端と、制震部材３の下面に設けた下鋼棒３３の下端を、ロングナット等により連結する。
次に、上緊張材２１の上端を固定した固定ナット２１１を締め付けると、上緊張材２１が上方に引っ張られる。
制震部材３の上鋼棒３２は、ケース３１には固定していないため、上緊張材２１と同様に、上方に引っ張られる。
そして、制震部材３のナット３６がケース３１からわずかに離隔するまで固定ナット２１１を締め付けることによって、ケース３１上部と、座金３５の間に作用していた弾性部材３４の復元力が、上緊張材２１と下緊張材２２に作用し、制震部材３が、連結した上緊張材２１を下方向に引張すると共に、下緊張材２２を上方向に引張した状態となる。（図３）
弾性部材３４は予め圧縮した状態であるが、粘弾性ダンパー３７は、弾性部材３４を圧縮した状態で上鋼棒３２と接続する。このため、制震部材３を上緊張材２１、下緊張材２２に取り付け、弾性部材３４の復元力を作用させた後も、粘弾性ダンパー３７は無理な力や変形を受けていない状態となる。

［作用］
次に、上記した本発明の構造の作用を説明する。
＜１＞通常時
土台桁４に立設した柱材１１と、柱材１１間に架設した上桁材１２、下桁材１３とで矩形の枠組１を構成し、枠組１の上辺にあたる上桁材１２に上緊張材２１を取り付ける。上緊張材２１と、コンクリート基礎５から土台桁４を立設した下緊張材２２は、制震部材３によって連結する。
制震部材３内部の弾性部材３４は圧縮した状態で、連結した上緊張材２１を下方向に引張すると共に、下緊張材２２を上方向に引張した状態となる。
この構成によって、柱材１１と上桁材１２、下桁材１３とからなる枠組１を、自重だけでなく弾性部材３４の復元力を加えた力で土台桁４上に保持する。
このように柱材１１、上桁材１２、下桁材１３、土台桁４を一体となって保持する。そのため、柱材１１と土台桁４との結合部を緊結せずとも、構築する枠組１が変形することがない。

＜２＞水平力作用時
＜２−１＞浮き上がり
柱材１１と土台桁４との結合部は緊結しない。そのため、地震や台風によって家屋に力が作用し、その力が一定値以上に達したときには、柱材１１が土台桁４から浮き上がり、枠組１がロッキング振動を起こす。
柱材１１の下端間に架設した下桁材１３は、柱材１１が浮き上がっても枠組１を矩形の状態に保持し続ける。このため、家屋に作用する力が一点に集中することなく、枠組１を構成する柱材１１、上桁材１２、下桁材１３に分散する。（図４）
柱材１１と土台桁４との結合部は、柱材１１の凸部１１３の先端が逆台形状であるため、家屋に作用する力が一定値以上に達して柱材１１が浮き上がったときには凹部４１の上端部を、凸部１１３の台形の斜面に沿って摺動する。そのため、浮き上がりやすく、戻る際にも台形の斜辺に沿って元の位置に復元しやすい。
また、ロッキング振動時、枠組１は矩形を保持した状態で、浮き上がった柱材１１とは反対側の柱材１１を支点として浮き上がり、傾く。このとき、枠組１の重心は枠組１の中央にあるが、重心が上方に移動することになり、枠組１や建物の重量によって、元の位置つまり下方への自然復元力が生じる。このため、枠組１が転倒することなく、元の状態に復元される。

＜２−２＞緊張材、弾性部材の作用
木造家屋に作用する力が一定値以上に達すると、枠組１は上下方向及び水平方向に変位し、ロッキング振動する。
一方、制震部材３は、下端をコンクリート基礎５に固定した下緊張材２２に連結するため、水平方向にしか変位しない。
そのため、枠組１に取り付けた上緊張材２１と、制震部材３との間で上下方向の相対変位が発生する。
上緊張材２１と制震部材３の相対変位によって、制震部材３内部の弾性部材３４は、上緊張材２１に取り付けた上鋼棒３２と座金３５により、通常時の長さＡと圧縮時の長さＢの差（Ａ−Ｂ）長さだけ圧縮される。（図５）
弾性部材３４は予めケース３１の上面と座金３５の間で圧縮された状態であるため、この相対変位によって、弾性部材３４には、予め圧縮された長さと、Ａ−Ｂの長さの和の縮みに対応する復元力が生じる。
そして、上緊張材２１を取り付けた枠組１には、上鋼棒３２を経由して、弾性部材３４の復元力が作用する。
よって弾性部材３４の復元力によって枠組１の変位を低減すると共に、枠組１を通常時の位置に復元する力が、枠組１の浮き上がりによる自然復元力に加えて、作用する。

＜２−３＞粘弾性ダンパーの作用
上緊張材２１の下端は制震部材３の上鋼棒３２に取り付ける。上緊張材２１に取り付けた上鋼棒３２の下端は、制震部材３内部の粘弾性ダンパー３７の芯材３７３に接続する。
制震部材３は、下端をコンクリート基礎５に固定した下緊張材２２に連結するため、水平方向にしか変位しない。
そのため、枠組１に取り付けた上緊張材２１と、制震部材３内部の粘弾性ダンパー３７との間で、上下方向の相対変位が発生する。
通常時には、粘弾性ダンパー３７は無理な力や変形を受けていないため、粘弾性ダンパー３７と上緊張材２１との相対変位によって初めて、上鋼棒３２に接続した粘弾性ダンパー３７の粘弾性体３７２がせん断変形する。（図５）
これによって、粘弾性ダンパー３７の弾性力と粘性力とにより地震エネルギーを吸収し、上緊張材２１を固定した枠組１の変位と、枠組１に作用する力とを減衰する。

制震部材３は、枠組１に作用する地震エネルギーを減衰する。
このため、枠組１以外の構造部材に作用する地震エネルギーも減衰される。
よって、地震時に枠組１以外の構造部材の接合部に作用する力を減少し、接合構造や接合金物の損傷を防ぐことができる。
また、上緊張材２１、下緊張材２２、弾性部材３４、粘弾性ダンパー３７はいずれも安価な部材である。このため、低価格で構築することができる。

［その他の実施例］
上記実施例では、上緊張材２１、下緊張材２２及び制震部材３を、枠組１の両側の柱材１１に沿って二組設けたが、柱材１１間の中央付近に上緊張材２１、下緊張材２２を設け、制震部材３によって連結してもよい。（図６）
このように構成することで、一組の上緊張材２１、下緊張材２２及び制震部材３で、枠組１を保持することができる。

また、上緊張材２１を１階部分の胴差しとなる中間桁材１４に取り付け、制震部材３によって下緊張材２２を連結しても良い。（図７）
このように構成することで、上緊張材２１と下緊張材２２を短くし、低価格、短工期で構築することができる。

本発明にかかる木造家屋の構造を示す正面図制震部材の断面図制震部材の説明図木造家屋の構造に力が作用した状態を示す正面図力が作用した状態の制震部材の断面図その他実施例にかかる木造家屋の構造を示す正面図その他実施例にかかる木造家屋の構造を示す正面図

符号の説明

１・・・・枠組
１１・・・柱材
１１１・・上柱材
１１２・・下柱材
１１３・・凸部
１２・・・上桁材
１３・・・下桁材
１４・・・中間桁材
２１・・・上緊張材
２１１・・固定ナット
２２・・・下緊張材
３・・・・制震部材
３１・・・ケース
３２・・・上鋼棒
３３・・・下鋼棒
３４・・・弾性部材
３５・・・座金
３６・・・ナット
３７・・・粘弾性ダンパー
３７１・・筒体
３７２・・粘弾性体
３７３・・芯材
４・・・・土台桁
４１・・・凹部
５・・・・コンクリート基礎
６・・・・筋違

Claims

基礎の上面に水平に配置した土台桁と、前記土台桁上に垂直に立設した柱材と、前記柱材の上端間に水平に架設した上桁材と、前記柱材の下端間に水平に架設した下桁材と、により構成した木造家屋の構造であって、
前記柱材と、前記上桁材と、前記下桁材と、によって矩形の枠組を構成し、枠組内には筋違及び／又は合板を配置し、
前記土台桁と前記柱材との結合部を緊結せず、前記枠組の下端が土台桁から浮き上がり可能であり、
前記基礎から、柱材と平行に立設した下緊張材と、
前記下緊張材と同一軸線となるように、上端を前記枠組に取り付けた上緊張材と、を有し、
圧縮した弾性部材を内部に設けた制震部材を介して、前記下緊張材と前記上緊張材とを連結し、
前記枠組の一方の柱材が浮き上がった際に、前記枠組は矩形の状態を保持し、前記弾性部材によって、前記枠組が浮き上がる前の状態に復元可能に構成したことを特徴とする、
木造家屋の構造。
請求項１に記載の木造家屋の構造であって、
前記制震部材の内部に、粘弾性ダンパーを設けたことを特徴とする、
木造家屋の構造。
請求項１又は請求項２に記載の木造家屋の構造であって、
前記枠組の柱材間に、中間桁材を水平に架設し、
前記上緊張材の上端を、前記中間桁材に取り付けることを特徴とする、
木造家屋の構造。