JP4729707B2

JP4729707B2 - 木造部材の接合金具

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Publication number: JP4729707B2
Application number: JP2006039416A
Authority: JP
Inventors: 晋一塩屋; 和彦松木
Original assignee: 国立大学法人鹿児島大学
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: JP2007217949A

Description

本発明は、木造部材にプレストレスを生じさせて相互に接合する木造部材の接合方法及びこの方法に好適に用いられる接合金具に関するものである。

建築等の分野において所謂、プレストレスを利用した施工が行われている。例えば特許文献１に記載のプレストレス木質材による建築物では、木質の柱に対して木質の梁が、その長手方向前後端に貫通して挿通された引張材によって直接結合される。その場合、柱にも上下に貫通する引張材によって内部にプレストレスを発現させると共に、溶接構造の結合手段を介して木質柱及び木質梁にプレストレスを発現させるようにしている。

また、特許文献２には直角に相対する木構造部材を接合する部材の接合面の概ね中心に穴を明け、この穴にパイプを挿嵌してそれぞれの部材に固定することにより仕口を形成する仕口接合金物が開示されている。

特開２００５−７６３１８号公報特開２００４−１７６５１３号公報

しかしながら、従来の部材接合構造等において一定の効果は得られるものの、構造が比較的複雑であり部品点数が多くなり、その施工にもかなりの手間がかからざるを得なかった。

本発明はかかる実情に鑑み、特にプレストレスを利用して施工が容易で簡便な剛接合の方法を実現する木造部材の接合金具及び接合方法を提供することを目的とする。

本発明による木造部材の接合金具は、鋼板材をＵ字状に折曲してなり、そのＵ字底部にボルト穴が穿設されたＵ字型金物と、このＵ字型金物の前記ボルト穴に挿通して締着されるボルトとを含み、相互に接合される木造部材の接合面から所定部位に前記Ｕ字型金物を挿着するための挿着部が形成され、前記挿着部の周面に塗布した接着剤により前記Ｕ字型金物が固定されると共に、前記挿着部に挿着された前記Ｕ字型金物同士を、前記ボルトを介して緊締し、前記木造部材にプレストレスを生じさせることを特徴とする。

また、本発明の木造部材の接合金具において、前記Ｕ字型金物の前記底部に装入される座金を有し、この座金を介して前記ボルトが締着されることを特徴とする。

また、本発明の木造部材の接合金具において、前記ボルトは、各前記木造部材の前記挿着部から前記接合面まで形成された挿通孔に貫通配置されることを特徴とする。

本発明において、接合金具のボルトに生じる引張力はナット及び座金を介して、Ｕ字型金物の底部に支圧力として伝達する。この支圧力はＵ字型金物の脚部に引張力として伝達し、接着面にせん断力として伝達し、最終的に右側の母材に引張力として伝達する。この力の流れにおいて木質へ支圧力は生じないので、本接合方法には高引張力を期待できる。

本発明によれば、上記構成とすることにより現場での接着作業がなくボルト締めだけで建て方ができ、建物の解体・移設が容易になる。簡単なＵ字型金物を用いることで高剛性で高耐力の接合が可能になる上、Ｕ字型金物の接着面積の確保は容易であり、接着剤の充填作業は目視により確実に行える等の利点がある。

以下、図面に基づき、本発明による木造部材の接合金具及び接合方法の好適な実施の形態を説明する。
先ず、本発明はプレストレスを利用して、施工が容易で簡便な剛接合の方法を考案したものであり、この実施形態において後述するようにその可能性を調べるための予備加力実験を行った。また、実験結果に基づいて大断面集成材梁の継手に用いた場合の曲げ耐力の試算を行った。

図１は、本発明による木造部材の接合金具１０の例を示している。接合金具１０は、帯板鋼をＵ字状に折曲してなり、そのＵ字底部にボルト穴１２が穿設されたＵ字型金物１１と、このＵ字型金物１１のボルト穴１２に挿通して締着される高張力ボルト１３とを含んでいる。そして、相互に接合される木造部材１にそれぞれ挿着されたＵ字型金物１１同士を、高張力ボルト１３を介して緊締し、木造部材１にプレストレスを生じさせるようにしたものである。なおここで、接合金具１０の形成材料につきＵ字型金物１１に関して帯板鋼の他に一般的な鋼板を用いることでき、また、高張力ボルト１３についてもこれと同等の強度剛性等を有するものであれば、高張力材でなくてもよい。

また、本発明の接合金具１０において、Ｕ字型金物１１の底部に装入される座金（角座金）１４を有し、この座金１４を介して高張力ボルト１３が締着される。なお、高張力ボルト１３の締着に際して、ナット１５が使用される（図３参照）。このように接合金具１０は簡素な構成となっており、その加工は極めて容易である。

一方、木造部材１の接合面から所定部位には接合金具１０のＵ字型金物１１を挿着するための挿着部が形成される。この挿着部は図１に示されるように窓穴２（立方体状のほぞ穴）と溝３を有する。また、窓穴２から接合面まで高張力ボルト１３を貫通させるための挿通孔４が形成され、挿着部に挿着したＵ字型金物１１同士を高張力ボルト１３を介して緊締するようにしている。

本発明の適用例として、典型的には図１（ｂ）のような継手や図２のような仕口等に応用することができ、曲げ引張力と曲げ圧縮力および軸力を伝達させる。本発明の接合金具１０を用いて施行するに際して、図３に示すように窓穴２及び溝３の周面において、波線で示す部位に接着剤５を塗布し、これによりＵ字型金物１１を挿着部に固定する。なお、この接着は部材加工時に行う。建物の建て方時にナット１５によってナット締めしてプレストレスを導入し、接合部の剛性を増大させるというものである。

ここで、本発明の接合方法において、木造部材１の接合部における力の流れについて説明する。図４は、引張力が生じる状態の力の流れを示している。左側の高張力ボルト１３に生じる引張力はナット１５及び厚い角座金１４を介して、Ｕ字型金物１１の底部１１ａに支圧力として伝達する。この支圧力はＵ字型金物１１の脚部１１ｂに引張力として伝達し、接着面にせん断力として伝達し、最終的に右側の母材に引張力として伝達する。この力の流れにおいて木造部材１の木質へ支圧力は生じないので、本接合方法によれば高引張力を期待することができる。

本発明による接合方法の利点としては、現場での接着作業がなく、即ち高張力ボルト１３のボルト締めだけで建て方ができ、建物の解体・移設が容易になる。このように簡単なＵ字型金物１１により高剛性で高耐力の接合が可能になる。また、Ｕ字型金物１１の接着面積の確保は容易であり、接着剤５の充填作業は目視により確実に行うことができる。

次に、Ｕ字型金物１１を用いる接合部分の引張試験について説明する。
試験体の種類と形状及び材料
図５は、この引張試験に使用する試験体の形状・寸法を示している。試験体は図５に示す３体である。Ｕ−Ｔ試験体（図５（ａ））はＵ字型金物１１を用いる接合である。この場合、Ｕ字型金物１１で接合した木造部材１の端部をブラケット（ＰＬ）を介してＰＣ鋼棒で引張るものとする。□−Ｔ試験体（図５（ｂ））は窓穴だけを開けてボルトで締める接合であり、比較のためのものである。この接合は半剛節として現在、木造建築でよく採用されている。Ｏ−Ｔ試験体（図５（ｃ））は接合がない無垢材である。

図６（ａ），（ｂ）にそれぞれＵ−Ｔ試験体と□−Ｔ試験体の詳細を示す。Ｕ−Ｔ試験体と□−Ｔ試験体の窓穴２の寸法は同じである。Ｕ−Ｔ試験体では、金物と木質の接着面の隙間は０．５ｍｍになるように窓穴２と溝３の寸法を決めている。木材には杉の偏心材を用いた。これは本接合が比較的背の大きい梁や柱の曲げ縁に用いることを前提としているためである。材料の区分等級は実験結果から判断すると、甲種１級以上の強度を有している。

Ｕ字型金物
Ｕ字型金物１１の鋼材はＳＳ４００であり、規格断面寸法は６×４４ｍｍである。Ｕ字型金物１１の折曲げの内径は４ｍｍである。接着面は接着剤５の接着性能を向上させるためにグラインダーにより黒皮を除去した。角座金１４には磨き平鋼を用い、Ｕ字型金物１１の折曲げ部にあたる角はヤスリで落とした。

接着工程
木造部材１の木材の接着面にはプライマー処理を施し、接着剤にはエポキシ系のものを用いた。塗り方は木材とＵ字型金物１１の接着面に塗り、その後、Ｕ字型金物１１を木材の窓穴２と溝３に挿入した。接着剤５の充填状況は容易に目視で確認できた。また、Ｕ字型金物１１の底部１１ａと角座金１４の接触面にも僅かな隙間が生じたので接着剤５を塗布した。養生期間としては６日である。

加力方法と変形の測定方法
図７は、加力状況を示している。試験体の上下の両端の区間に接着剤とボルトで固定された加力用の鋼板１０１にユニバーサルジョイント１０２を取り付けてセンターホールジャッキ１０３で引張加力をした。引張力は上方のセンターホール型のロードセル１０４で測定した。
試験体の中央高さ位置の接合面１Ａには加力前に接合用の高張力ボルト１３（Ｍ１４）をナット締めして、初期プレストレスを５ｋＮ導入した。接合部の剛性を確保するためにはプレストレスの大きさを更に増大させる必要があるが、今回は手締めのレベルとした。プレストレスはボルトに貼り付けた２枚のゲージにより測定した。
図８は、変形の測定状況を示している。測定区間は接合位置を挟む７４０ｍｍとして、４本の変位計１０５で測定した。

応力−ひずみ関係と破壊状況
図９（ａ）は、引張応力−ひずみ関係を示している。応力は欠損がない全断面積で除したものである。このひずみは測定区間のものである。□−Ｔ試験体は最大荷重まで変形を測定したが、Ｕ−Ｔ試験体とＯ−Ｔ試験体は最大荷重が大きくなり急激な引張破断を起こすため、加力途中で変形の測定装置を外して加力を行った。

図１０の写真は、試験の最終状況を示している。なお、図１１（ａ）〜（ｄ）は、これらの写真に対応する部位を示している。□−Ｔ試験体（図１０（ｃ））は３．２Ｎ／ｍｍ²で木材内部で音が発生し始め、３．１Ｎ／ｍｍ²でＡの縦の割れ裂きひび割れが発生し、その後、Ｂの部分が縦にずれてせん断破壊した。これに対してＵ−Ｔ１試験体（図１０（ａ））はその割れ裂きひび割れが生じることなく母材が破断した。□−Ｔ試験体に音が発生し始める直前までは、両者の応力−ひずみ関係はほぼ一致しているが、それ以降ではＵ−Ｔ１はほぼ一定の剛性で応力が増加している。その剛性は無垢材のＯ−Ｔ試験体に対して８４％となり、本接合の効果が確認できる。

プレストレスの効果
図９（ｂ）は、初期の応力レベルの応力−ひずみ関係を拡大して示している。図中、水平の一点鎖線は初期のプレストレスの応力を意味する。そのレベルでは３体の試験体ともほぼ同程度の剛性になっており、プレストレスの導入によって接合部の引張剛性を木材自身の剛性まで増加させる可能性があることが確認される。なお、今後はプレストレスのレベルの設定を検討する。

引張強度
表１に引張強度の一覧を示す。この強度は、最大荷重を欠損がない全断面積で除したものである。Ｕ−Ｔ試験体は、上下の部材のうち片側で破壊した。これについては破壊しなかった片側の部分に再度、加力して（図１１（ｂ）参照）最大荷重だけを測定した。この試験体の記号を「Ｕ−Ｔ２」とする。

図１２は、引張強度の分布を示している。Ｏ−Ｔ試験体の引張強度は、母材の引張強度を意味する。また、Ｕ−Ｔ試験体の引張強度もいずれも母材破断により決定しているので、母材の引張強度に近いことになる。Ｏ−Ｔ試験体よりもＵ−Ｔ試験体は、１０％大きくなりほぼ等しいが、Ｕ−Ｔ１試験体は５７％となり小さくなっている。これらの差は母材の木材の強度のバラツキと考えられる。Ｕ字型金物１１による接合は、母材の引張強度まで引張力を伝達させることが確認できる。これに対して従来の半剛節接合とされる□−Ｔ試験体の引張強度は母材強度に対して１７％となり、引張力を伝達させる能力が極めて小さいことが確認される。

次に、Ｕ字型金物１１を用いる接合部分の圧縮試験について説明する。
試験体の種類と形状及び材料
図１３は、この圧縮試験に使用する試験体の形状・寸法を示している。試験体は引張試験と同様に３種類であり、各種類とも１体である。Ｕ−Ｃ試験体（図１３（ａ））は木材にＵ字型金物１１を挿入し接着したもの、□−Ｃ試験体（図１３（ｂ））は窓穴だけを開けたものであり、Ｏ−Ｃ試験体（図１３（ｃ））は無垢の木材である。使用した材料、Ｕ字型金物１１と窓穴・溝の寸法・詳細・接着状況は引張試験のものと同じである。なお、ボルトと角座金は設置していない。

加力方法と変形の測定方法
図１４は、加力状況と変形の測定状況を示している。耐圧試験機で圧縮加力を行い、変形は２本の変位計１０５を用いて２箇所で測定した。

応力−ひずみ関係と破壊状況
図１５は、圧縮応力−ひずみ関係を示している。応力は引張応力と同様に全断面積で算出した。ひずみは圧縮変形を試験体の全高さ（３７０ｍｍ）で除した。最大強度の剛性については、無垢のＯ−Ｃ試験体に較べて半剛節タイプの□−Ｃ試験体のものは５５％となり小さいが、Ｕ字型金物１１のＵ−Ｃ試験体は１１８％となり、ほぼ無垢のＯ−Ｃ試験体と同じとなっている。

図１６の写真は、試験の最終状況を示している。□−Ｃ試験体（図１６（ｂ））は６．７Ｎ／ｍｍ²で窓穴の上下の面の幅中央に縦の割れ裂けひび割れＡが生じ、ほぼ圧縮強度が決定した。これに対してＵ−Ｃ試験体（図１６（ａ））は１８．３Ｎ／ｍｍ²で下側に縦の割れ裂けひび割れＡが生じ、最終破壊状況では窓穴の上側左右に縦ひび割れＢが生じた。Ｕ−Ｃ試験体は、割れ裂きひび割れの発生が圧縮強度を決定した。この圧縮強度を増加させるためには、割れ裂きひび割れの発生を防ぐ工夫が必要となる。Ｕ−Ｃ試験対は、全体が一様に縮む状態で破壊状況を特定できなかった。

図１７は、引張応力−ひずみ関係と比較したものを示している。図中、白抜きの記号が引張試験のものを示しており、圧縮特性の剛性は引張特性に比べて□−Ｃ試験体（図１７（ｂ））、Ｏ−Ｃ試験体（図１７（ｃ））は低いが、Ｕ−Ｃ試験体（図１７（ａ））は高い剛性を示している。

圧縮強度
表２に圧縮強度の一覧を示す。この強度は、全断面積で算出したものである。また、図１８に圧縮強度の分布を示す。Ｏ−Ｃ試験体の圧縮強度は母材の圧縮強度を意味する。□−Ｃ試験体の圧縮強度は母材強度に対して３６％となり、圧縮力を伝達する能力が小さい。これに対して、Ｕ−Ｃ試験体の圧縮強度は母材強度の６８％となり、本接合の効果が確認できる。

ここで、Ｕ字型金物を用いる大断面梁の曲げ耐力の試算について説明する。大断面集成材梁の継ぎ手に本接合方法を応用した場合の曲げ耐力の試算を行う。この試算では比較例（徳富、立花ら）による実験の梁を対象にして実験値と比較する。

比較例の実験概要
加力方法は図１９に示すようにロードセル１０４′を使用し、三等分二点集中載荷による加力であり、曲げ区間の中央に継ぎ手が位置する。図２０（ａ）に、比較例で行った実験の中で最も耐力の高かった接合法を示す。上下の曲げ縁に鋼板２０を添えてラフボルト２１が打たれている。木材はスギの対称異等級集成材である。鋼板２０はＳＳ４００である。

Ｕ字型金物を用いる場合の曲げ耐力の計算
Ｕ字型金物１１を用いた梁の接合を図２０（ｂ）に示す。本接合においては母材破断まで引張力を伝達できるため、金物の帯幅Ｗの範囲は、梁幅Ｂ全体が引張抵抗するものとする。即ち、曲げ引張抵抗はＷ×Ｂの面積の木部が抵抗するものとする。引張強度は本実験値の２１．６Ｎ／ｍｍ²とする。ここでは金物の帯幅Ｗを４４ｍｍと６０ｍｍの２種類を想定する。本接合の圧縮剛性は無垢の木材とほぼ同じなので、圧縮側は無垢の木材とし、帯幅の範囲の圧縮強度を１８．３Ｎ／ｍｍ²とし、それ以外は２６．８Ｎ／ｍｍ²とする。平面保持の仮定に基づいて曲げ耐力を求めた。

計算値と実験値の比較
図２１は、梁の曲げ実験による荷重−変形関係を示している。荷重は図１９の鉛直荷重Ｐで変形は中央の変形である。上述した計算による曲げ耐力から計算される最大荷重を水平の一点鎖線で示す。金物の帯幅Ｗが４４ｍｍのタイプは、比較例のものの最大荷重に対して７４％で、Ｗが６０ｍｍのタイプは９８％となる。現場作業の観点からすると、本接合法は効率の良い接合法になる可能性がある。

上述したように本発明において、プレストレスを導入し接合部の曲げ剛性と曲げ耐力を高める簡便な接合方法を考案して、その効果を調べるための予備的な基礎実験と試算を行った。その結果、考案した接合法は剛接合として使用できる可能性があることを確認した。

以上、本発明を実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
例えば、上記実施形態で説明した具体的数値等は、本発明の典型的な例を示すもので、これらの数値等は必要に応じて変更可能である。また、接合金具１０の形成材料等につき前述したようにＵ字型金物１１や高張力ボルト１３は上記実施形態の場合にのみ限定されるものではなく、同等の強度剛性等を有するものを用いることができる。

本発明の実施形態における木造部材の接合金具の例を示す斜視図である。本発明の実施形態における仕口に対する適用例を示す斜視図である。本発明の実施形態における接着剤の使用例を示す図である。本発明の実施形態における引張力が生じる状態の力の流れを示す図である。本発明の実施形態における引張試験に使用する試験体の形状・寸法例を示す図である。本発明の実施形態における試験体の詳細を示す図である。本発明の実施形態における引張試験での加力状況を示す図である。本発明の実施形態における引張試験での変形測定状況を示す図である。本発明の実施形態における引張応力−ひずみ関係を示す図である。本発明の実施形態における引張試験での最終状況を示す写真である。本発明の実施形態における図１０に対応する部位を示す図である。本発明の実施形態における引張強度の分布を示す図である。本発明の実施形態における圧縮試験に使用する試験体の形状・寸法例を示す図である。本発明の実施形態における圧縮試験での加力状況を示す図である。本発明の実施形態における圧縮応力−ひずみ関係を示す図である。本発明の実施形態における圧縮試験での最終状況を示す写真である。本発明の実施形態における引張応力−ひずみ関係と圧縮応力−ひずみ関係を比較して示す図である。本発明の実施形態における圧縮強度の分布を示す図である。本発明の実施形態における曲げ耐力試算に係る加力方法の例を示す図である。比較例との関係で本発明の実施形態における接合法による曲げ耐力試算の方法を示す図である。本発明の実施形態における梁の曲げ実験による荷重−変形関係を示す図である。

符号の説明

１木造部材
２窓穴
３溝
４挿通孔
５接着剤
１０接合金具
１１Ｕ字型金物
１２ボルト穴
１３高張力ボルト
１４座金（角座金）
１５ナット
１０１鋼板
１０２ユニバーサルジョイント
１０３センターホールジャッキ
１０４ロードセル
１０５変位計

Claims

鋼板材をＵ字状に折曲してなり、そのＵ字底部にボルト穴が穿設されたＵ字型金物と、このＵ字型金物の前記ボルト穴に挿通して締着されるボルトとを含み、
相互に接合される木造部材の接合面から所定部位に前記Ｕ字型金物を挿着するための挿着部が形成され、前記挿着部の周面に塗布した接着剤により前記Ｕ字型金物が固定されると共に、
前記挿着部に挿着された前記Ｕ字型金物同士を、前記ボルトを介して緊締し、前記木造部材にプレストレスを生じさせることを特徴とする木造部材の接合金具。
前記Ｕ字型金物の前記底部に装入される座金を有し、この座金を介して前記ボルトが締着されることを特徴とする請求項１に記載の木造部材の接合金具。
前記ボルトは、各前記木造部材の前記挿着部から前記接合面まで形成された挿通孔に貫通配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の木造部材の接合金具。