JP6648989B2 - 木質構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、木質構造部材に関する。

特許文献１には、長期荷重を支持する芯部を構成する荷重支持層と、荷重支持層の外周に配置される燃え止まり層と、燃え止まり層の外周に配置される燃え代層との三層で構成された木質集成柱が開示されている。この先行技術では、燃え止まり層は、木材単材と、木材よりも熱容量（熱吸収量）が大きなモルタル等の不燃材からなる高熱容量材とを交互に配置し、接着接合して集積したものとされている。

特許文献２には、燃止層と燃代層とが一体化された外層部を心材部にビスで締結する木質構造部材が開示されている。この先行技術では、燃止層は、心材部の外周面に沿って配置される木質部とモルタル板と有している。また、モルタル板は、断面略矩形の板状に形成されており、長手方向を木質構造部材の軸方向として配置されている。

ここで、燃止層を構成するモルタルバー（高熱容量材、モルタル板）を作製して木材と接合する製造方法は、モルタルバーを高精度に作製することに限界があるので、モルタルバーを燃代層に隙間無く密着させることは困難である。よって、燃代層の燃焼熱をモルタルバー（燃止層）に吸収させることに限界があった。

特開２００５−３６４５６号公報 特開２０１５−２５２４５号公報

本発明は、燃代層の燃焼熱を燃止層に吸収させる熱吸収性能を向上させた木質構造部材を提供することが目的である。

第１態様の木質構造部材は、木質の荷重支持部と、前記荷重支持部の外側に間隔をあけて配置される木質の燃代層と、不燃材料又は前記荷重支持部よりも着火温度が高い材料で構成された充填材が、前記荷重支持部と前記燃代層との間に充填されて硬化することで形成される燃止層と、を備えている。

第１態様の木質構造部材によれば、木質構造部材の燃代層と燃止層との密着性が良いので、燃代層の燃焼熱が燃止層に効果的に吸収される。つまり、燃代層の燃焼熱を燃止層に吸収させる熱吸収性能が向上する。したがって、木質構造部材の耐火性能が向上する。

また、荷重支持部と燃代層との間に充填材を充填することで、燃止層を製作できるので、施工性が向上する。

第２態様の木質構造部材は、前記充填材は、石膏を材料として構成されている。

第２態様の木質構造部材によれば、燃止層を構成する石膏は、多量の結晶水を含んでおり炎や熱に晒されると、この水が蒸気として空気中に放出されることに伴って熱を吸収する。よって、燃代層の燃焼熱を燃止層に吸収させる熱吸収性能が向上する。したがって、木質構造部材の耐火性能が向上する。

第３態様の木質構造部材は、前記充填材は、グラウト材を材料として構成されている。

第３態様の木質構造部材によれば、燃止層を構成するグラウト材は流動性に優れているので、荷重支持部と燃代層との間への充填効率が向上する。また、グラウト材は硬化による収縮が小さく、木質構造部材の燃代層と燃止層との密着性が良いので、燃代層の燃焼熱が燃止層に効果的に吸収される。

第４態様の木質構造部材は、前記燃代層は筒状とされると共に、軸方向と直交する断面の外形は円形とされている。

第４態様の木質構造部材によれば、木質構造部材の燃代層の軸方向と直交する断面の外形が円形とされることで、二方向加熱となる角部がある外形の木質構造部材と比較し、耐火性能が向上する。

本発明によれば、木質構造部材の燃代層の燃焼熱を燃止層に吸収させる熱吸収性能を向上させることができる。

木質柱を用いたフラットスラブ構造の建物の斜視図である。 木質柱の軸方向と直交する断面の断面図である。 木質柱とスラブとの接合部位のＸ方向に沿った縦断面図である。 木質柱の荷重支持部と燃代層との間に石膏を充填している状態のＸ方向に沿った縦断面図である。 木質柱の荷重支持部と燃代層との間に石膏を流し込んでいる状態の斜視図である。 耐火試験後の木質柱を軸方向から見た正面図である。 第一変形例の木質柱の軸方向と直交する断面の断面図である。 第二変形例の木質柱の軸方向と直交する断面の断面図である。 木質梁の斜視図である。

＜第一実施形態＞
本発明の木質構造部材の一例としての木質柱及びこの木質柱を使用した建物について説明する。なお、鉛直方向をＺ方向とし、鉛直方向と直交する水平方向の互いに直交する二方向をＸ方向及びＹ方向とする。また、後述する木質柱１００の軸方向は、鉛直方向（Ｚ方向）である。

（木質柱及び建物の構造）
図１に示すように、建物１０は、フラットスラブ構造とされ、下面１２Ｌから梁が突出していないスラブ１２が複数の円柱状の木質柱１００で支持されている。また、本実施形態のスラブ１２は、鉄筋コンクリート製とされている。なお、木質柱１００の柱頭部に、スラブ１２を受けるコンクリート製のキャピタルが設けられていてもよい。

図２及び図３に示すように、木質柱１００は、円柱状の木質の荷重支持部１１０（図５も参照）と、荷重支持部１１０の外側に間隔をあけて配置された円筒状の木質の燃代層１３０（図５も参照）と、荷重支持部１１０と燃代層１３０との間に石膏Ｓが充填されて硬化することで形成された円筒状の燃止層１２０と、の三層構造とされている。

円柱状の木質の荷重支持部１１０は、木質柱１００が負担するスラブ１２の荷重を支持可能な剛性及び強度を有している。また、本実施形態の荷重支持部１１０は、複数の板状の木製単材１１２（図６参照）を積層し、圧締して一体化された集成材で構成されている。

本実施形態の円筒状の燃代層１３０は、円筒ＬＶＬ（Laminated Veneer Lumber）である。なお、燃代層１３０は、円筒ＬＶＬでなく、例えば単板積層材（ＬＶＬ）や直交集成板（ＣＬＴ（Cross Laminated Timber））を円筒状に加工したものでもよい。

燃止層１２０は、不燃材料である石膏Ｓで構成されているので不燃であり、また木質の荷重支持部１１０及び燃代層１３０よりも熱容量が大きい。なお、燃止層１２０の中に円筒状の金網が埋設されていてもよい。

木質柱１００の燃止層１２０の上面１２０Ｕは、燃代層１３０の上端面１３０Ｕ及び荷重支持部１１０の上端面１１０Ｕよりも若干下側に位置している。よって、木質柱１００の上端部１００Ｕには、燃止層１２０に相当する部位に凹部１０２が形成されている。

そして、木質柱１００の上端部１００Ｕの凹部１０２には、スラブ１２を打設する際にコンクリートが充填される。別の観点から説明するとスラブ１２の下面１２Ｌから突出する凸部１４が木質柱１００の上端部１００Ｕの凹部１０２に係合している。

（木質柱の製造（施工）方法）
次に、木質柱１００の製造（施工）方法の一例について説明する。

先ず、複数の板状の木製単材１１２（図６参照）を積層して圧締、すなわち接着剤を塗布した木製単材１１２に圧力を加えて密着させ、接着剤が充分硬化するのを待って接着を完了することによって、四角柱の集成材を作製する。つぎに、この四角柱の集成材を円柱状に削ることで、図２及び図３に示す木質柱１００の荷重支持部１１０を作製する。

燃代層１３０は、板状の直交集成板を棒状の冶具に巻き重ねて円筒状にする。なお、板状の直交集成板を巻き重ねるときに、一層毎に互いに繊維方向が円筒の軸方向に対して左右に傾けて逆巻きにする。

図４及び図５に示すように、円柱状の荷重支持部１１０を円筒状の燃代層１３０の中に隙間Ｔをあけて配置して固定する。なお、荷重支持部１１０と燃代層１３０とを隙間Ｔをあけて固定する方法はどのような方法であってもよい。

一例としては、図４に示す固定冶具５０を用いて荷重支持部１１０と燃代層１３０とを隙間Ｔをあけて固定する。固定冶具５０は、筒状のリング部５２と楔形のスペーサー５４とで構成されている。スペーサー５４は、円周方向に間隔をあけて複数配置されている。このリング部５２の内部に円筒状の燃代層１３０を配置して固定し、スペーサー５４で荷重支持部１１０と燃代層１３０との隙間Ｔを一定にする。

そして、図５に示すように、荷重支持部１１０と燃代層１３０との隙間Ｔに流動状の石膏Ｓを上から流し込んで充填し、充填後に石膏Ｓが硬化することで燃止層１２０が形成される。なお、図４は、荷重支持部１１０と燃代層１３０との隙間Ｔに流動状の石膏Ｓが流し込まれて充填されている途中の状態の図である。

燃止層１２０に金網を埋設させる場合は、荷重支持部１１０と燃代層１３０との隙間Ｔに円筒状に加工した金網を設けてから石膏Ｓを上から流し込んで充填する。

（作用及び効果）
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

図４及び図５に示すように、燃代層１３０と荷重支持部１１０との隙間Ｔに石膏Ｓを上から流し込んで充填し、石膏Ｓが硬化することで燃止層１２０を形成できるので、例えばモルタルバーを接合して燃止層を作製する方法と比較し、施工性が向上する。

また、例えば、モルタルバーを接合して燃止層を作製する方法と比較し、軸方向と直交する断面の外形が、円形或いは曲面や複雑な形状の燃止層１２０を容易に作製することができる。つまり、外形が円形或いは曲面や複雑な形状の木質柱１００を容易に作製することができる。

また、図２、図３及び図６示されるように、木質柱１００は、荷重を支持する荷重支持部１１０は、燃止層１２０及び燃代層１３０によって被覆されている。

したがって、火災時には、先ず、最外層の燃代層１３０が徐々に燃焼して燃止層１２０の周囲に炭化層（断熱層）１３２（図６を参照）を形成する。これにより、燃止層１２０及び荷重支持部１１０へ浸入する火災熱が低減される。また、このとき、荷重支持部１１０及び燃代層１３０よりも熱容量が大きい燃止層１２０によって火災熱が吸収（吸熱）され、荷重支持部１１０に浸入する火災熱がさらに低減される。したがって、荷重支持部１１０の燃焼が抑制されるため、木質柱１００の耐火性能が向上する。

更に、不燃材料である石膏Ｓで構成された燃止層１２０によって、燃代層１３０の燃焼を停止（自然鎮火）させることができる。したがって、火災終了後（鎮火後）も荷重支持部１１０に荷重を支持させることができる。

また、石膏Ｓは硬化する前は、流動状であるので燃代層１３０と荷重支持部１１０とに密着する。更に、荷重支持部１１０及び燃代層１３０の表面の木目（凹凸）に石膏Ｓが入り込む。したがって、燃代層１３０と硬化後の燃止層１２０との密着性が良いので、燃代層１３０の燃焼熱が燃止層１２０に効果的に吸収される。つまり、燃代層１３０と燃止層１２０とが密着しておらず微小な隙間が形成されている場合と比較し、燃代層１３０の燃焼熱を燃止層１２０に吸収させる熱吸収性能が向上する。

また、燃止層１２０を構成する石膏Ｓは、多量の結晶水を含んでおり、炎や熱に晒されると、この水が蒸気として空気中に放出されることに伴って熱を吸収する。よって、燃代層１３０の燃焼熱を燃止層１２０に吸収させる熱吸収性能が更に向上する。

また、燃代層１３０は筒状とされると共に、軸方向と直交する断面の外形は円形とされている（木質柱１００の軸方向と直交する断面の外形が円形とされている）。よって、二方向加熱となる角部がある外形の木質柱（角柱）と比較し、耐火性能が向上する。

また、燃止層１２０に金網を埋設させている場合は、燃焼中の燃止層１２０の脱落が防止されるので、更に耐火性能が向上する。

また、図３に示すように、スラブ１２の下面１２Ｌは、コンクリートを打設する際に木質柱１００における石膏Ｓで構成された燃止層１２０と密着し、燃止層１２０と一体化する。また、スラブ１２の上面１２Ｕは、石膏Ｓを流し込んで燃止層１２０を形成する際に燃止層１２０と密着し、燃止層１２０と一体化する。このように、木質柱１００の燃止層１２０とスラブ１２とが密着し、連続しているので、燃止層１２０がスラブ１２と非連続である構造と比較し、耐火性能が向上する。

また、木質柱１００は、前述したように、燃止層１２０と、燃代層１３０及び荷重支持部１１０との密着性が良いので、軸方向と直交する方向の圧縮力や軸方向と直交する方向のせん断力などの応力伝達性能が向上する。

（耐火試験）
次に、本実施形態の木質柱１００の耐火試験の結果について説明する。なお、耐火試験は、指定性能評価機関（例えば、一般財団法人建材試験センター）の防耐火性能試験・評価業務方法書に準じて行った。

図６は、耐火試験後の木質柱１００を模式的に図示したものである。この図６に示すように、木質柱１００の燃代層１３０が燃えて炭化層（断熱層）１３２を形成する。しかし、燃代層１３０における燃止層１２０に密着している内周部分１３４は燃え残っている。よって、燃代層１３０は燃止層１２０に密着することで、燃焼熱が燃止層１２０に効果的に吸収されることが判る。

また、燃止層１２０は燃焼後も脱落することなく荷重支持部１１０に密着しているので、燃焼後も荷重支持部１１０と共に荷重を支持することが可能であることが判る。

［木質柱の変形例］
次に、木質柱の変形例について説明する。

（第一変形例）
図７に示す第一変形例の木質柱１０１の燃止層１２１は、石膏Ｓが充填され硬化することで形成された燃止部１２３と、木質の連結部材１２５とで構成されている。

また、荷重支持部１１０と燃代層１３０との隙間Ｔに、連結部材１２５を配置して接合した状態で、石膏Ｓを流し込んで充填し、硬化することで燃止部１２３が形成される。

（第二変形例）
図８に示す第二変形例の木質柱２００は、略四角柱状の木質の荷重支持部２１０と、荷重支持部２１０の外側に間隔をあけて配置された四角筒状の木質の燃代層２３０と、荷重支持部２１０と燃代層２３０との間に石膏Ｓが充填されて硬化することで形成された略四角筒状の燃止層２２０と、の三層構造とされている。

なお、荷重支持部２１０の角部２１２は円弧状とされている。つまり、荷重支持部２１０の角部２１２には、所謂角Ｒが形成されている。

また、燃代層２３０は、四枚の板材（直交集成板）２３２を接合することで、四角筒状に形成されている。

このように第二変形例の木質柱２００の燃代層２３０の軸方向と直交する断面の外形は四角形とされている（木質柱２００の軸方向と直交する断面の外形は、四角形とされている）。よって、木質柱２００の角部２０２は二方向加熱となる。

しかし、荷重支持部２１０の角部２１２には、角Ｒが形成されているので、その分、燃止層２２０の角部２２２の厚みがあつくなる。つまり、角Ｒが形成されていない場合の厚みＬ２よりも角Ｒが形成されている場合の厚みＬ１の方が厚くなる。よって、二方向加熱となる木質柱２００の角部２０２の耐火性能が向上する。

なお、第二変形例の木質柱２００でも、第一変形例の木質柱１０１のように、燃止層２２０に木質の連結部材１２５（図７を参照）を設けてもよい。

＜第二実施形態＞
本発明の木質構造部材の一例としての木質梁について説明する。なお、第一実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、重複する内容は簡略化又は省略する。また、木質梁３００の軸方向は、Ｙ方向である。

（木質梁の構造）
図９に示すように、木質梁３００は、四角柱状の木質の荷重支持部３１０と、荷重支持部３１０の外側に間隔をあけて配置された略Ｕ字状の木質の燃代層３３０と、荷重支持部３１０と燃代層３３０との間に石膏Ｓが充填されて硬化することで形成された略Ｕ字状の燃止層３２０と、の三層構造とされている。なお、燃止層３２０の中に略Ｕ字状の金網が埋設されていてもよい。

木質梁３００は、図示されていないコンクリート製のスラブを支持しており、木質梁３００の上面３００Ｕはスラブで覆われている。よって、木質梁３００の上面３００Ｕの耐火性は、スラブによって確保されるので、荷重支持部３１０の上面３１０Ｕは燃止層３２０によって覆われていない。

（木質梁の製造（施工）方法）
次に、木質梁３００の製造（施工）方法の一例について説明する。

複数の板状の木製単材１１２（図６参照）を積層して圧締、すなわち接着剤を塗布した木製単材１１２に圧力を加えて密着させ、接着剤が充分硬化するのをまって接着を完了することによって、木質梁３００の荷重支持部３１０を作製する。

また、３枚の板材（直交集成板）３３２を略Ｕ字状に接合し、燃代層３３０を作製する。

そして、四角柱状の荷重支持部３１０をＵ字形状の燃代層３３０の中に隙間Ｔをあけて配置して固定する。なお、荷重支持部３１０と燃代層３３０とを隙間Ｔをあけて固定する方法はどのような方法であってもよい。

一例として、図９に示すように、端面を木質又は鋼製で板状の固定部材３５０で固定し且つ上面を木質又は鋼製で板状の固定部材３５２で固定すると共に、楔形のスペーサー３５４を隙間Ｔに打ち込むことで、荷重支持部３１０と燃代層３３０とを隙間Ｔをあけて固定する。

そして、荷重支持部３１０と燃代層３３０との隙間Ｔに流動状の石膏Ｓを上から流し込んで充填し、充填後に石膏Ｓが硬化することで燃止層３２０が作製される。

なお、燃止層３２０に金網を埋設させる場合は、荷重支持部３１０と燃代層３３０との隙間Ｔに金網を設けてから石膏Ｓを上から流し込んで充填する。

（作用及び効果）
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。

燃代層３３０と荷重支持部３１０との隙間Ｔに石膏Ｓを上から流し込んで充填し、石膏Ｓが硬化することで燃止層３２０を製作できるので、例えばモルタルバーを接合して燃止層を作製する方法と比較し、施工性が向上する。

木質梁３００は、荷重を支持する荷重支持部３１０が燃止層３２０及び燃代層３３０によって被覆されており、燃代層３３０が燃焼して燃止層３２０の周囲に炭化層（断熱層）１３２（図６を参照）を形成することで、燃止層３２０及び荷重支持部３１０へ浸入する火災熱が低減される。また、燃止層１２０によって火災熱が吸収（吸熱）される。したがって、荷重支持部３１０の燃焼が抑制されるため、木質梁３００の耐火性能が向上する。

更に、不燃材料である石膏Ｓで構成された燃止層３２０によって、燃代層３３０の燃焼を停止（自然鎮火）させることができるので、火災終了後（鎮火後）も荷重支持部３１０に荷重を支持させることができる。

また、燃代層３３０と硬化後の燃止層３２０との密着性が良いので、燃代層３３０の燃焼熱が燃止層３２０に効果的に吸収される。

また、燃止層３２０を構成する石膏Ｓは、多量の結晶水を含んでおり、炎や熱に晒されると、この水が蒸気として空気中に放出されることに伴って熱を吸収する。よって、燃代層３３０の燃焼熱を燃止層３２０に吸収させる熱吸収性能が更に向上する。

このような構造により木質梁３００の耐火性能が向上する。なお、前述したように、木質梁３００の上面３００Ｕの耐火性は、図示していないスラブによって確保される。

なお、第一実施形態の第一変形例の木質柱１０１（図７を参照）のように、燃止層３２０に木質の連結部材１２５（図７を参照）を設けてもよい。また、第一実施形態の第二変形例の木質柱２００（図８を参照）のように、荷重支持部３１０の下側の角部に角Ｒを形成してもよい。

＜その他＞
尚、本発明は上記実施形態に限定されない。

上記実施形態では、荷重支持部１１０、２１０、３１０と燃代層１３０、２３０、３３０との間に充填されて硬化する充填材は石膏Ｓであったが、これに限定されない。例えば、グラウト材、コンクリート、モルタル及び繊維補強コンクリートであってもよい。

なお、グラウト材は流動性に優れているので、荷重支持部と燃代層との間への充填効率が向上する。また、グラウト材は硬化による収縮が小さく、木質構造部材の燃代層と燃止層との密着性が良いので、燃代層の燃焼熱が燃止層に効果的に吸収される。

或いは、不燃ではないが、荷重支持部１１０、２１０、３１０よりも着火温度が高い充填材、例えば樹脂製のコーキング材であってもよい。要は、不燃材料又は荷重支持部よりも着火温度が高い材料で構成された充填材であればよい。

また、木質の荷重支持部及び木質の燃代層は、木材によって構成されていればよい。例えば、米松、唐松、檜、杉及びあすなろ等の一般の木造建築に用いられる木材を用いることができる。

更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない

１１０ 荷重支持部
１００ 木質柱（木質構造部材の一例）
１０１ 木質柱（木質構造部材の一例）
１２０ 燃止層
１２３ 燃止部（燃止層）
１３０ 燃代層
２００ 木質柱（木質構造部材の一例）
２１０ 荷重支持部
２２０ 燃止層
２３０ 燃代層
３００ 木質梁（木質構造部材の一例）
３１０ 荷重支持部
３２０ 燃止層
３３０ 燃代層
Ｓ 石膏（充填材の一例）

Claims (2)

1. 木質の荷重支持部と、
   前記荷重支持部の外側に間隔をあけて配置される木質の燃代層と、
   不燃材料又は前記荷重支持部よりも着火温度が高い材料で構成された充填材が、前記荷重支持部と前記燃代層との間に充填されて硬化することで形成される燃止層と、
   を備え、
   前記充填材は、石膏及びモルタルのいずれか一つを材料として構成されている、
   木質構造部材。
2. 前記燃代層は筒状とされると共に、軸方向と直交する断面の外形は円形とされている、
   請求項１に記載の木質構造部材。