JP5451550B2 - 柱脚金物 - Google Patents

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本発明は、柱を基礎に据え付けるために用いる柱脚金物に関する。
住宅などの建築方法として普及している木造軸組構法は、土台や柱や梁などの棒材を組み合わせて建物の骨格を構築している。この構法は、地面から垂直に立ち上がるコンクリート製の基礎を構築した後、その上面に土台を敷設して、さらに土台の上面に柱を据え付けていくが、柱は、一間(約1.8m)程度の間隔で連続的に配置していく。そのため大黒柱のような大断面の柱は不要で、通常は断面の一辺が100mmから150mm程度のものを使用している。なお柱は、原則として土台の上面に据え付けるが、土台の切れ目などでは、基礎の上面に柱脚金物を載置して、その上面に柱を据え付けている。
柱を基礎に据え付けるための技術の例として、以下の特許文献が挙げられる。文献1では、施工時の作業性を改善できる柱脚金物が開示されており、二つ割りに形成された連結体や、この連結体を収容する外筒を用いたことなどを特徴としている。連結体は、柱に埋め込まれるシャフトと、アンカーボルトに固定される座金と、を一体化する部品であり、これを二つ割りにすることで、座金を固定するためのナットの締め付け作業が容易になる。また連結体と外筒との接合面をテーパー状に形成することで、各部品が一体的に結合して高い強度を発揮する。
文献2では、柱を基礎に据え付ける箇所や、柱と梁との接合部などに使用される木部材接合構造が開示されている。詳細には、柱などの内部に固定される埋め込み部材と、この埋め込み部材に接触する接合金具と、をボルトで一体化する構造において、ボルトが通常の物ではなく、意図的に長尺の長ボルトを使用したことを特徴としている。この構造は、地震などで接合部に引張荷重が作用した際、長ボルトが破断に至るまでの塑性変形量を増大でき、構造物の靱性を高め粘り強さを発揮でき、安全性の向上に寄与する。
特許4363945号公報 特開2007−77611号公報
文献2に開示された構造のように、接合部に組み込まれるボルトの延長を増大させることで、ボルトがバネのような挙動を示し、地震時の衝撃を効率よく緩和して、接合された柱などに及ぶ被害を軽減できる。しかし、このボルトが塑性変形した後は、柱などを引き寄せることができず、接合部の剛性が低下して、建物の安全性を維持できない恐れがある。
また文献2に開示された構造において、ボルトが塑性変形した場合でも、柱などが破損していなければ、ボルトの交換だけで接合部を元の状態に復元できる。しかし交換の際は、ボルトを引き抜く空間を確保するため、接合部周辺を一旦解体する必要がある。そのため作業が複雑化して、修理に要する時間や費用の増加が予想される。
本発明はこうした実情を基に開発されたもので、地震などによる衝撃を緩和して建物の安全性を維持でき、しかも地震後の修理に要する時間や費用を抑制できる柱脚金物の提供を目的としている。
前記の課題を解決するための請求項1記載の発明は、柱を基礎に据え付けるための柱脚金物であり、アンカーボルトによって基礎の上面に固定される下板と、柱の下面に接触する上板と、前記下板と前記上板との間に配置され且つ上板を載置可能な支柱体と、前記上板に起立して取り付けられ且つ柱に差し込まれる差込具と、前記下板と前記上板の側面同士を連結する結合具と、からなり、前記結合具は、少なくとも一箇所の屈曲部を有することを特徴とする柱脚金物である。
本発明は、基礎と柱との間に介在して、柱を基礎に据え付けるための柱脚金物に関するもので、この柱脚金物は、下板と上板と支柱体と結合具と差込具などで構成される。なお基礎はコンクリート製で、柱は集成材を含む木製を原則とするが、柱脚金物は当然ながら全てが金属製である。また柱脚金物は基礎の上面に載置され、柱は柱脚金物の上面に載置される。
下板は、基礎の上面に載置される単純な矩形の板であり、柱の断面と同等の大きさとする。また想定される荷重に耐えることのできる厚さを確保する。なお下板は、基礎の上面から突出するアンカーボルトで固定されるため、その中心部には、アンカーボルトを挿通するための据付孔を設けておく。
上板は、外形が下板とほぼ同じであり、柱の下面に接触する。また下板と上板との間には、支柱体が挟み込まれており、上板は、基礎や下板から離れた箇所に配置される。支柱体は棒状であり、柱に作用する下向きの荷重を基礎に伝達する機能を担っており、安定性を確保するため、最低でも二本使用する。なお支柱体を組み込んだ状態において、下板と上板は平行に並び、且つ両板は向きが揃っているものとする。
支柱体は、下板と分離不能に一体化する必要はないが、下板に対して水平移動してはならない。そのため下板に差込孔を設けて、この中に支柱体の下部を差し込むなどの対策を講じる。また支柱体と上板との接触部については、双方を一体化してはならず、上板の浮き上がりを許容する構造とする。ただし、上板の水平移動については、何らかの規制手段を設けても構わない。
差込具は、上板と柱との間に介在して双方を一体化するためのもので、上板の上面から突出して柱の中に差し込まれる。その具体的な形態については、シャフト状、ラグスクリュー状、プレート状などが挙げられる。シャフト状とは、単純な丸棒で側周面に複数のピン孔が形成されたもので、柱の下面に加工された丸穴に差し込む。そして柱の側面からピン孔に向けてドリフトピンを打ち込むと、差込具と柱が一体化する。次にラグスクリュー状とは、丸棒の側周面に凸条を螺旋状に形成したもので、柱の下面に加工された丸穴にねじ込む。なおシャフト状とラグスクリュー状のいずれの差込具とも、その下端面を上板に接触させて、ボルトで上板と一体化する。
残るプレート状とは、文字通りの平面状の板で、その表面に複数のピン孔が形成されたもので、柱の下部に加工されたスリットに差し込む。そして柱の側面からピン孔に向けてドリフトピンを打ち込むと、差込具と柱が一体化する。なおプレート状の差込具は、形状の都合上、溶接で上板と一体化することが多い。
結合具は、下板と上板の側面同士を結ぶように取り付けられる平面状のもので、下板と上板との相対移動を規制する。当然ながら一個の結合具は、同じ向きで上下に並ぶ側面同士を結ぶものとする。なお一個の柱脚金物について、結合具は、対向する二側面、または四側面全てに取り付けるものとする。さらに結合具は、下板および上板と溶接で一体化してはならず、ボルトなどを用いて着脱自在に一体化することを前提とする。このボルトは、一方の板について二個以上使用しても構わない。そのほか結合具の厚さは、諸条件に応じて都度決定する。
上板に作用する下向きの荷重は、支柱体だけで伝達され、結合具に伝達されることはない。しかし地震などで柱に上向きの荷重が作用すると、上板が支柱体から浮き上がり、同時に結合具の上部が引き上げられる。この際、結合具が弾塑性変形することでエネルギーを吸収して、柱などに作用する衝撃を緩和する。つまり結合具は、柱を引き抜く方向に荷重が作用した場合に限り、弾性部材として機能する。
結合具を弾性部材として機能させるため、その形状には配慮を要する。仮に結合具が、下板と上板との間を最短距離で結ぶ単純な帯状であれば、その内部には引張荷重しか作用しないため、柔軟性を確保しにくい。そこで、途中に何らかの屈曲部を設けて、下板と上板との間を迂回するように結ぶ形状とすると、その内部に作用する荷重が複雑化して、柔軟性を確保しやすい。なお屈曲部とは、結合具を有限の幅の帯状と想定した場合、その延長方向が変化している箇所を意味しており、下板側のボルトと上板側のボルトとの間に存在するものとする。屈曲部の具体例としては、鋭角状に折れ曲がった「く」の字状や、緩やかな円弧状など様々である。
屈曲部を設けることで、結合具に上下方向の引張荷重が作用した際、その内部に引張荷重のほか、曲げモーメントも発生する。そのため屈曲部の内周側などに応力が集中して、弾塑性変形量が大きくなり、衝撃が緩和され柱などの破損を防止できる。なお結合具が塑性変形した後も、柱と基礎は結合具を介して連結されており、一定の強度を維持できる。
請求項2記載の発明は、結合具の形状を特定するもので、結合具は、内部が切り抜かれた枠状であることを特徴とする。枠状とは、内部が切り抜かれて周囲の枠だけが残ることを意味するが、矩形状に限定される訳ではなく、環状のほか、出入りの激しい複雑な形状とすることもできる。なお結合具が矩形状の場合、必然的にその四隅が屈曲部となる。このように結合具を枠状とすることで、その角部などが必然的に屈曲部となり、応力が集中して弾塑性変形を引き起こしやすくなる。しかも結合具の内部が切り抜かれることで、その奥に工具などを差し込みやすくなり、作業性にも優れる。
請求項3記載の発明も、結合具の形状を特定するもので、結合具は一本の帯状であり、上板と下板との間をジグザグ状または半円状に結んでいることを特徴とする。この発明による結合具は、一本の帯状で下板と上板との間を結ぶものだが、この間を一直線に結ぶ訳ではなく、ジグザグ状または半円状に結ぶことで屈曲部を構成している。なおジグザグ状の場合、その折返し回数は自在である。また半円状とする場合、その位置や大きさは自在である。このように構成することで、ジグザグ状の折返し回数や、半円状箇所の半径などを調整することで、バネ定数を自在に変化でき、使用箇所の条件に適した柱脚金物を提供できる。
請求項1記載の発明のように、下板と上板と支柱体などで柱脚金物を構成して、下板と上板との側面同士を結合具で連結することで、地震などで柱を引き抜く方向に荷重が作用した際、結合具が弾性部材のように振る舞い、柱などに作用する衝撃を緩和して、その破損を防止できる。しかも結合具が塑性変形した後も、結合具を介して基礎と柱が一体化しており、柱の据え付け強度が極端に低下することはなく、地震が終息するまで安全性を維持できる。なお結合具が塑性変形した後、下向きの荷重が作用すると結合具が押し潰され、当初の状態に復元することもあり得る。
また結合具は、ボルトなどで下板と上板に取り付けられており、塑性変形した後の交換も容易である。そのため地震後に建物を修理する際は、柱のゆがみなどを修正すると共に、結合具を交換するだけで元の状態に復元でき、柱脚金物の周辺を一旦解体するといった大掛かりな作業が不要で、時間や費用を抑制できる。
請求項2記載の発明のように、結合具を枠状とすることで、その四隅などが屈曲部となり、応力が集中して弾塑性変形を引き起こしやすくなる。しかも結合具の内部が切り抜かれていることで、その奥に工具などを差し込みやすくなり、作業性にも優れる。
請求項3記載の発明のように、結合具を一本の帯状として、これをジグザグ状または半円状として屈曲部を構成することで、結合具の剛性が低下して、弾塑性変形を引き起こしやすくなる。さらに、ジグザグ状の折返し回数や、半円状箇所の半径などを調整することで、バネ定数を自在に変化でき、使用箇所の条件に適した柱脚金物を提供できる。
本発明による柱脚金物の構成要素を示す斜視図である。 図1の各要素を組み上げていく過程を示す斜視図である。 図1の各要素を組み上げた後の状態を示す斜視図である。 図3の柱脚金物の結合具が塑性変形した後の状態を示す斜視図である。 柱脚金物の形状例を示す斜視図で、差込具をラグスクリューとしている。 柱脚金物の形状例を示す斜視図で、差込具をプレートとしている。 結合具の形状例を示す斜視図である。
図1は、本発明による柱脚金物の構成要素を示している。この図の柱脚金物は、基礎51の上面に柱55を据え付けるためのもので、基礎51は、地面から立ち上がるコンクリート製で、その上面にアンカーボルト52が突出している、アンカーボルト52は、建物の浮き上がりを防止する重要な機能があり、その根元は基礎の奥深くに達している。また柱55は木製だが、その断面は正方形ではなく、基礎51の幅方向側がやや長くなっている。そして柱55を基礎51に据え付けるための柱脚金物は、下板11と支柱体21と上板31と差込具25と結合具41などで構成されている。
下板11は、基礎51の上面に載置され、上板31は、柱55の下面に接触する。なお下板11と上板31は全く同じ外形で、柱55の断面よりもわずかに幅が狭くなっている。したがって上板31は、柱55の下面のほぼ全域と接触する。また下板11は、基礎51から浮き上がることなく固定する必要があり、その中心にアンカーボルト52を差し込むための据付孔14を設けてある。据付孔14は、据え付け時の位置調整ができるよう、内径をやや大きくしてある。施工時は、基礎51の上面に下板11を載置した後、アンカーボルト52の先端にワッシャ19を差し込み、さらにナット18を締め上げて下板11を固定する。
支柱体21は円断面で、下板11と上板31との間に挟み込まれて、両板の間隔を一定に保持しており、通常はこの図のように、左右対称に二個使用する。なお支柱体21の移動を規制するため、その下面中心から円断面の脚軸22が突出している。また下板11には、脚軸22を差し込むための差込孔13を設けてある。このように、下板11と支柱体21との接触部は、単純な差し込みでも構わないが、溶接やボルト締めなどで完全に一体化しても構わない。そのほか支柱体21の上面は、単純な平面になっており、上板31の水平移動を規制することはできない。
次に柱55と上板31は、シャフト25(差込具)を介して一体化される。シャフト25は円断面で、上板31の上面中心から突出しており、柱55の中に埋め込まれる。なおシャフト25の下面の中心には、底ネジ29を設けてあり、またシャフト25の側周面には、反対面に達するピン孔26を設けてある。使用時は、上板31の裏側から固定ボルト30を差し込み、底ネジ29と螺合させて、上板31とシャフト25を一体化する。なお上板31の中心には、固定ボルト30を差し込むための中孔34を設けてある。
柱55の下面中心には、シャフト25を埋め込むための丸穴56が加工されている。丸穴56は、シャフト25の全体を収容できる長さが確保されている。また柱55の側面には、丸穴56と交差して反対面に達する横孔57が加工されている。なお横孔57は、シャフト25を所定の深さに埋め込んだ際、ピン孔26と同心になるよう位置が調整されている。施工時は、横孔57からピン孔26に向けてドリフトピン59を打ち込み、上板31と柱55を一体化する。
結合具41は、下板11と上板31の側面同士(同じ向きで上下に並ぶ側面同士)を結ぶように取り付けられる。ただしこの図では、各板の四側面のうち、辺の長い二側面だけに限定している。さらに結合具41は、押圧ボルト48を介して下板11や上板31に取り付けられており、後の取り外しも容易である。なお両板の側面には、押圧ボルト48を螺合するための側ネジ16、36を設けてあり、また結合具41の上下中央には、押圧ボルト48を差し込むための取付孔43を設けてある。
結合具41は、内部に窓42が切り抜かれた枠状であり、その四隅などは、曲面を伴う屈曲部45となっている。屈曲部45は、引張荷重を受けた際、応力が集中して弾塑性変形を引き起こしやすくなる。なお結合具41は完全な矩形状ではなく、その上下の辺は、中心側に凹んだ「く」の字状としてある。これは、引張荷重を受けた際の塑性変形を考慮したためである。
図2は、図1の各要素を組み上げていく過程を示している。支柱体21を下板11に差し込んで、さらにシャフト25を上板31に固定した後、上板31を支柱体21の上面に載置する。そして下板11と上板31の両側面に結合具41を接触させて、押圧ボルト48を差し込むと、各要素の組み上げが完成する。なお本発明の柱脚金物は、全体を組み上げた後、基礎51に据え付けることもできるが、下板11だけを基礎51に据え付けた後、支柱体21や上板31や結合具41を取り付けることもでき、施工時の柔軟性に優れている。
図3は、図1の各要素を組み上げた後の状態を示している。柱55の側面からシャフト25に向けてドリフトピン59を打ち込むと、柱脚金物と柱55が一体化する。また下板11は、ナット18などを介して基礎51と一体化している。さらに下板11と上板31は、左右の結合具41で連結されている。なお下板11や上板31は、柱55の断面よりもわずかに幅が狭くなっている。そのため柱55の下には、両板のほか結合具41も収容されている。このように柱55を据え付けた後、柱55に作用する下向きの荷重は、支柱体21を介して基礎51に伝達していき、結合具41は何らの機能も発揮しない。
図4は、図3の柱脚金物の結合具41が塑性変形した後の状態を示している。地震などで柱55を基礎51から引き抜く方向に荷重が作用した場合、上板31は、柱55と一体で移動して、支柱体21の上面から浮き上がり、且つ柱55が傾くこともある。この際、結合具41が弾塑性変形することで、柱55に作用する衝撃を緩和して、その破損を防止する。なお結合具41が塑性変形した後も、基礎51と柱55は緩みを生じることなく一体化しており、柱55の据え付け強度に大きな変化はない。
図3などに示す結合具41の上下の辺は、中心側に凹んだ「く」の字状である。しかし結合具41に過大な引張荷重が作用すると、上下の辺は図4のように、ほぼ一直線に変形する。さらに荷重が作用し続けると、上下の辺はやや外側に突出する。このように、上下の辺がやや外側に突出までの間、結合具41の幅の変化はわずかであり、その力学的な特性が大きく変化することはない。そのため荷重に対して安定した変形が進行していき、途中から剛性が極端に高くなることはない。
なお結合具41が塑性変形した後、柱55を基礎51に押し付けるような荷重が作用すると、結合具41は押し潰されるように塑性変形して、柱55の浮き上がりが解消され、当初の状態に復元することもあり得る。このように本発明は、過大な荷重が作用した際も、粘り強く柱55を支持でき、建物の安全性の向上に貢献する。
図5は、柱脚金物の形状例を示している。本発明は、図1の形態に限定される訳ではなく、必要に応じて各所の構成を変えることができる。この図では、差込具としてラグスクリュー27を使用しているほか、結合具41はジグザグ状としてあり、さらに支柱体21の上面中心に頭軸23を突出させている。
ラグスクリュー27は、螺旋状の凸条28が側周面に形成されており、これが柱55の中に食い込むことで、柱55と強固に一体化するほか、柱55の経年変形による影響も受けにくい。なおラグスクリュー27をねじ込むため、柱55の下面にはあらかじめ丸穴56を加工しておく必要があり、また固定ボルト30を差し込むため、上板31の中心には中孔34を設けてある。施工時は、あらかじめ上板31と柱55を一体化しておき、これを支柱体21に載置して、最後に結合具41を取り付ける。
この図の結合具41は、枠状ではなく一本の帯状だが、下板11と上板31との間を単純に結んでいる訳ではなく、ジグザグ状で複数の屈曲部45が構成され、弾塑性変形を引き起こしやすくなっている。そのほか支柱体21の上面中心には、小径の頭軸23を突出させており、これを差し込むため、上板31に案内孔37を設けてある。頭軸23を案内孔37に差し込むことで、上板31の水平移動を規制できる。そのため上板31が浮き上がった後も、柱55の据え付け位置が変化しない。
図6も、柱脚金物の形状例を示している。この図では、差込具としてプレート32を使用しているほか、結合具41は複雑な枠状としてあり、さらに支柱体21の上面を円錐形の先鋭部24としている。プレート32は、上板31と溶接で一体化してあり、柱55に加工されたスリット58に差し込まれる。なおプレート32と柱55は、ドリフトピン59を介して一体化される。そのためプレート32の表面には複数のピン孔35が設けてあり、柱55の側面には横孔57が加工されている。
この図の結合具41は、内部に窓42が切り抜かれた枠状だが、その外形と窓42のいずれも、「H」を横倒しにしたような複雑なものとしている。これによって、四隅や中央のクビレ部に多数の屈曲部45が構成され、弾塑性変形を引き起こしやすくなっている。そのほか支柱体21の上面は、円錐形の先鋭部24としてあり、さらに上板31の下面には、これを収容するため円錐形の凹部38を設けてある。先鋭部24と凹部38を設けることで、浮き上がった上板31が再び支柱体21に接触した際、双方が嵌まり込み、上板31の水平変位を規制できる。
図7は、結合具41の形状例を示している。いずれの形状例とも、下板11や上板31などは図1と同じである。形状例1は、結合具41をZ形としており、さらに結合具41の上下いずれとも、二個の押圧ボルト48を差し込んでいる。なお結合具41を単純なZ形とした場合、屈曲部45を十分に確保できず、柔軟性に乏しくなる恐れがある。そこで形状例1では、結合具41の中央付近をクランク状にして、屈曲部45を増やしている。そのほか、押圧ボルト48の本数を増やすことで、その周辺に作用する荷重を緩和している。この対策は、あらゆる形状の結合具41に対して適用できる。
次に形状例2は、結合具41をひし形の枠状としている。この結合具41は、パンタグラフのように変形して衝撃を緩和する。最後の形状例3は、結合具41を半円状としている。この結合具41は、全体が屈曲部45となっている。
本発明は、これまでの各図に示した構成に限定される訳ではなく、支柱体21や差込具25、27、32や結合具41の形状は、基本的な要件を満たしていれば自在に変更できる。また、これらの組み合わせについても、状況に応じて自在に選択できる。
11 下板
13 差込孔
14 据付孔
16 側ネジ(下板の方)
18 ナット
19 ワッシャ
21 支柱体
22 脚軸
23 頭軸
24 先鋭部
25 シャフト(差込具)
26 ピン孔(シャフトの側周面のもの)
27 ラグスクリュー(差込具)
28 凸条
29 底ネジ
30 固定ボルト
31 上板
32 プレート(差込具)
34 中孔
35 ピン孔(プレートの表面のもの)
36 側ネジ(上板の方)
37 案内孔
38 凹部
41 結合具
42 窓
43 取付孔
45 屈曲部
48 押圧ボルト
51 基礎
52 アンカーボルト
55 柱
56 丸穴
57 横孔
58 スリット
59 ドリフトピン

Claims (3)

  1. 柱(55)を基礎(51)に据え付けるための柱脚金物であり、
    アンカーボルト(52)によって基礎(51)の上面に固定される下板(11)と、
    柱(55)の下面に接触する上板(31)と、
    前記下板(11)と前記上板(31)との間に配置され且つ上板(31)を載置可能な支柱体(21)と、
    前記上板(31)に起立して取り付けられ且つ柱(55)に差し込まれる差込具(25、27、32)と、
    前記下板(11)と前記上板(31)の側面同士を連結する結合具(41)と、
    からなり、
    前記結合具(41)は、少なくとも一箇所の屈曲部(45)を有することを特徴とする柱脚金物。
  2. 前記結合具(41)は、内部が切り抜かれた枠状であることを特徴とする請求項1記載の柱脚金物。
  3. 前記結合具(41)は一本の帯状であり、前記下板(11)と前記上板(31)との間をジグザグ状または半円状に結んでいることを特徴とする請求項1記載の柱脚金物。
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