JP7033871B2 - 鋼管と木質材の合成柱 - Google Patents

Description

本発明は、建物用柱に関する。特に、鋼管の外周に木質材を回した合成柱に関する。

鋼管を芯として周囲に木材を配置した柱材がいくつか提案されている。
例えば、特許文献１（特開２０１７－８９３２９号公報）には、柱材の下端部側に木質材の木口面を支承する座金部材を設けることによって、鋼管柱を周囲の木質材が補剛して軸耐力を向上させるとともに、軸力を鋼管と木質材の両者に負担させることにより、軸剛性を向上させた鋼管・木材ハイブリッド柱材が提案されている。

特許文献２（特開２００４－２７７８３号公報）には、金属部材の座屈を防止する配置に木材をアンボンド状態に合成し、前記木材の端部から突き出された金属部材の両端部を軸力の入力部として構成した合成柱が開示されている。

特開２０１７－８９３２９号公報 特開２００４－２７７８３号公報

本発明は、芯を鋼管としてその周囲に木質材を配置した柱において、鋼管には初期の状態でもたわみ（「元たわみ」という）があり、さらに、寒暖による膨張・収縮などによってたわみが変化する。このたわみの変化は外周の木質材と挙動が異なるので、鋼管に木材を密着させるために木材を鋼管の元たわみにあわせることは難しく、また鋼管個別によって元たわみが異なるので、加工も困難である。熱によるたわみ変形に追随するように木質材を加工することはできない。
本発明は、鋼管のたわみに影響されない鋼管と木材の合成柱を開発することを目的とする。

本発明は、鋼管特に角型鋼管柱のたわみを吸収し、木材が受ける損傷を軽減する損傷抑制手段を設けることにより、鋼管と木材の合成柱を実現したものである。
本発明の主な構成は次のとおりである。
（１）軸圧縮を受ける角型鋼管と、その周囲を覆う木質材を備えてなる鋼管と木質材の合成柱であって、
前記鋼管と前記木質材との間に、前記鋼管の初期不整を吸収するための隙間を設けて、前記木質材の損傷を軽減する損傷抑制手段が設けられ、
前記損傷抑制手段は、前記木質材の剛性よりも小さく、４枚の板材からなり、前記板材の端部同士を固定して前記鋼管を囲む筒状に形成されていることを特徴とする合成柱。
（２）前記木質材は、コ字状の半割溝付き集成材であることを特徴とする（１）記載の合成柱。
（３）前記損傷抑制手段は、珪酸カルシウム板、木毛セメント板、硬質木片セメント板、繊維強化セメント板、パルプセメント板、火山性ガラス質複層板、ＡＬＣパネル、石膏ボードのいずれか少なくとも一種類であることを特徴とする、（１）又は（２）に記載の合成柱。
（４）前記損傷抑制手段は、前記木質材の所定範囲の４面に接合されていることを特徴とする、（１）～（３）のいずれかに記載の合成柱。

１．本発明は、鋼管特に角型鋼管柱のたわみを吸収し、木質材が受ける損傷を軽減する損傷抑制手段を設けて鋼管と木質材の合成柱を実現した。
２．損傷抑制手段は、地震時に軸力変化を受けて鋼管が変形しても木質材に生ずる割れなどの損傷が軽減され、合成柱としての機能を維持することができる。損傷が抑制されるので、木質材による補剛作用は維持されることとなる。
３．損傷抑制手段を木質材の剛性よりも小さくすることにより、鋼管がたわみ、変形しても、損傷抑制手段がたわみを吸収して木質材の損傷が軽減される。
４．鋼管と木質材の間を、鋼管が有する元たわみ以上の間隔として、損傷抑制手段となる材を配置したので、鋼管のゆがみがあっても十分に調整できる合成柱を提供することができる。
５．損傷抑制手段として、珪酸カルシウム板、木毛セメント板、硬質木片セメント板、繊維強化セメント板、パルプセメント板、火山性ガラス質複層板、ロックウール、ＡＬＣパネル、石膏ボード、強化石膏ボードを用いることにより、合成柱の耐火性を向上させることができ、特に鋼管の耐火性が向上する。
６．鋼管の元たわみの程度に関わらず、鋼管の周囲に配置する木質材を準備することができ、さらに、鋼管個別の調整が必要ないので、高品質の合成柱材であって、その製作期間が短縮できる。
７．損傷抑制手段を木質材に接合しておくことにより、鋼管と損傷抑制手段がフリーの状態となり、アンボンド状態で補剛効果を発揮することができる。また、元たわみのある鋼管に沿わせずに木質材に取り付けてあるので、損傷抑制手段の取り付けは容易になる。

合成柱横断面図 合成柱縦断面図 鋼管柱のたわみの概略を示す図 合成柱の製造工程の一例を示す図 耐火試験 炉内温度変化図 柱頭膨張経過グラフ 試験体温度グラフ

本発明は、鋼管とその周りに木質材を配置した合成柱に関する。
鋼管の周りに木質材を配置すると補剛作用があることは、本出願人が先に提案した特許文献１でも確認されている。
本出願人は、さらに研究開発を続けたところ、鋼管には製造時からたわみがあって、このたわみは、鋼管個別に差があるので、集成材に所定のクリアランスになるように設けた溝に鋼管を納めようとした場合に、支障があり、溝の形状を微調整する必要があった。また、作成した合成柱を加熱試験したところ、木質材の表面に割れが発生する例があることに気付いた。
本発明は、鋼管に製造時から存在する元たわみに左右されずに木質材を周囲に支障なく配置した合成柱を実現し、さらに、火災などの加熱変形にも対応できる合成柱を実現したものである。

本発明は、鋼管と木質材の間に珪酸カルシウム板などの損傷抑制手段を介在させることにより、鋼管の元たわみを吸収したものである。
また、損傷抑制手段は、鋼管のたわみが大きくなっても、木質材と鋼管間の圧力で変形してたわみを吸収することとなり、表面の木質材の損傷は抑制される。
耐火ボードなどの損傷抑制材を直貼りする際に、損傷抑制材を鋼管よりもわずかに大きく製作することで、損傷抑制材施工後のたわみを小さくでき、損傷抑制材の寸法に合わせて木質材を施工できる。つまり、鋼管の元たわみの影響を受けずに、集成材の加工・施工ができることとなる。
さらに、珪酸カルシウム板は、耐火断熱性もあって、鋼管の昇温が抑えられるので、耐火性も向上する。

（損傷抑制手段）
損傷抑制手段は、珪酸カルシウム板、木毛セメント板、硬質木片セメント板、繊維強化セメント板、パルプセメント板、火山性ガラス質複層板、ロックウール、ＡＬＣパネル、石膏ボード、強化石膏ボードなどを使用することができる。
鋼管と木質材の中間にあり、変形性があって、木質材よりも剛性が低い材料がより適している。例えば、珪酸カルシウム板である。木材よりも剛性が高いと、木材の方が損傷する危険がある。
強化石膏ボード、珪酸カルシウム板、集成材について、ヤング係数と強度を測定したところ、ヤング係数、強度とも、強化石膏ボード＞集成材＞珪酸カルシウム板であった。
珪酸カルシウム板は、ヤング係数は集成材の６０～７０％程度であるが、強度は集成材の８０～９０％であって、鋼管と木質材の間が大きくなっても集成材による補剛も発揮できる材料である。
また、珪酸カルシウム板は耐火性もあるので、鋼管の耐火性も向上する。珪酸カルシウム板などの耐火材を使用する場合は、隅部に隙間ができないように、密着させる。密着手段は釘などの線材で止める、鋼線でバンディングする、耐火性の接着剤を使用するなどの方法を採用することができる。
耐火性のある損傷抑制手段として、木毛セメント板、硬質木片セメント板、繊維強化セメント板、パルプセメント板、火山性ガラス質複層板、ロックウール、ＡＬＣパネル、石膏ボード、強化石膏ボードなどを利用することができる。
損傷抑制手段としては、吹きつけ剤も使用することができる。柔軟性を備えた吹きつけ剤は木質材側に吹き付けて、鋼管を嵌め込んで製造することができる。吹きつけ面は凹凸ができるが点接触でも補剛作用を奏する。

（合成柱の構成）
鋼管は、主に角型鋼管を使用する。周囲に配置する木質材の加工性を考慮すると、角型鋼管が使用しやすい。したがって、鋼管は丸形であっても、機能的に差し支えなく、形に限定されるものではない。隅がＲになった角型鋼管は、膨張変形など歪が隅に集中しても吸収でき、損傷抑制材や木質材への影響が小さくなる。また、角部に空間ができ、ガス成分が発生しても、放出空間になる。
鋼管の素材は、鋼材、ステンレス鋼材、アルミニウム材等の構造用金属を使用することができる。
木質材は、集成材が材質も一定にできるので適している。杉材、ヒノキ材、カラマツ材、ケヤキ材、米松、米桧など、一般に用いられる材、あるいは、化粧性に優れた材も使用することができる。もちろん単一材も使用でき、集成材などの木質材の表面に化粧木材を張ることもできる。
鋼管と損傷抑制材を収納する溝などの空間を木質材に設け、半割りしたこの木質材の溝に、鋼管を入れ、他の半割材をかぶせて接合することにより、合成柱を構築する。
合成柱のサイズは、建築物によって決定される柱サイズによる。

鋼管は芯材として、主に、軸力を負担する。木質材は、鋼管の座屈補剛をする材として機能し、軸力を負担するか否かは自由である。先に本出願人が提案した、特許文献１では、軸力も負担する構造を提案しており、同様の構造とすることもできる。
鋼管と木質材の中間には損傷抑制材が配置されており、この損傷抑制材が耐火材である場合は、鋼管の上下端の露出を防止して耐火性を付与する素材としても機能することができる。

作成例を図４に示す。
図４（ａ）に示されるように、周囲に損傷抑制材４を配置した鋼管２と、損傷抑制材を巻いた鋼管を収納する溝を形成した半割の木質材３、３１とを準備する。
最初に角型鋼管柱に４枚の珪酸カルシウム板などの損傷抑制材を配置し、４隅を釘などの線材で止める。
損傷抑制材は、鋼管と木質材の間に介在させるものであって、鋼管や木質材に接着する必要はないが、仮止めや、安定のために接着することもできる。
損傷抑制材を接着する場合、接着剤の塗布は、全面、部分、スポットなど適宜設定できる。
なお、損傷抑制材は、鋼管にあらかじめ取り付けずに、木質材の溝に合わせてコ字状に配置して鋼管を押し込むなどの手段を採用することができる。この場合、鋼管の元たわみに影響されることになる。

木質材３を溝付き半割木質材３１にする方法は、例えば、四角柱を半切して、溝を切削して作成することができる。他方の半割木質材３２と同質、同寸法であるので、相性が良い。木質材は、集成材などを使用する。集成材は、構成するラミナを選別して強度などを合わせることができるので、使いやすい。

図４（ｂ）に、半割木質材３１に損傷抑制材４を周囲に配置した鋼管２を嵌合した状態が図示されている。
図４（ｃ）には、半割木質材３２を、損傷抑制材４を周囲に配置した鋼管２を嵌合した状態の半割木質材３１の上方に配置した状態が図示され、この半割木質材３２の溝に嵌合して、半割木質材同士を接着剤で接合して、合成柱１を完成した状態が図４（ｄ）に図示されている。

なお、先に述べたように、鋼管と損傷抑制材は最初に一体化せずに、損傷抑制材を３枚コ字状に組み立てて、半割木質材に嵌合しておき、その状態で鋼管をはめ込み、その鋼管の上面に損傷抑制材を取り付ける、あるいは、他の半割木質材の溝に仮固定して嵌合するなどの方法も採用することができる。この方法では、損傷抑制材も半切りにしたコ字状に形成して、それぞれを半割木質材に嵌合しておくこともできる。
集成材などの木質材の寸法を鋼管の元たわみによらず決定できるので、予め集成材の加工に着手でき、製作工期が短縮できる。

合成柱の製法は、他の方法もあり、詳しくは、先に本出願人が提案した特許文献１に開示した手段を採用することができるので、割愛する。

（材料）
（１）角型鋼管 ：２００ｍｍ角、３３００ｍｍ長、１２ｍｍ厚
元たわみ ：２つの対向面でそれぞれ１．５ｍｍ、３．０ｍｍであった。
（２）木質材 ：集成材 巾３６０ｍｍ、厚さ５７．５ｍｍ、長さは鋼管ほぼ全長
（３）損傷抑制材：繊維混入珪酸カルシウム板 ２０ｍｍ厚
（４）鋼管と集成材を同心とした場合の両者の空間巾は、２２．５ｍｍである。

（合成柱の構成概要）
図１、図２に実施例の合成柱１を模式的に示す。横断面を図１に、縦断面を図２に示してある。
２００ｍｍ角の角型鋼管２を芯にして、その周囲に珪酸カルシウム板４を介在させて木質材である集成材３を配置した合成柱１である。鋼管にたわみがないと想定した場合の珪酸カルシウム板と鋼管とのクリアランスは１ｍｍ、集成材側のクリアランスは１．５ｍｍである。
図２は、鋼管長５５００ｍｍの合成柱の模式図である。鋼管２には、図示は強調して表現してあるが、元たわみがあって、湾曲している。木質材（集成材）３に設けられる内部空間は直線であるので、珪酸カルシウム板４は、図示するように鋼管のたわみを吸収する緩衝材の機能を果たしている。さらに、鋼管２に地震荷重などが加わったときに、集成材と珪酸カルシウム板は、補剛作用を発揮する。
図示の例では、鋼管柱の上下端に接合用の板体を設け、集成材と珪酸カルシウム板は鋼管の上下部に隙間を設けているが、これは概念図であって、隙間は随意であり、集成材が荷重を受けるように構成することもできる。さらに、珪酸カルシウム板は、鋼管の上下端まで覆うようにすることにより、鋼管が露出することがなく、全長に渡って耐火性を確保することができる。

（元たわみの計測）
本実施例に使用する角型鋼管の元たわみを計測した例を図３に示す。図示の例は、長さが５５００ｍｍの鋼管を使用している。分かり易いようにたわみを強調して模式的に示している。
鋼管の形状を実線で示し、鋼管にたわみが無い状態を想定した真っ直ぐな仮想線を点線で示している。
たわみは、マイナス側もプラス側も３．０ｍｍであった。また、他方の面は、１．５ｍｍであった。
この実測例にあるように、鋼管は初期たわみを持っている。

（合成柱の製作）
本実施例の合成柱の製造は、前述した図４に示した製法と同様である。
（１）外殻３６０ｍｍ、内空間幅２４５ｍｍとしたコ字状の半割溝付き集成材を２つ作成する。
（２）２４２ｍｍと２０２ｍｍ巾の珪酸カルシウム板をそれぞれ２枚準備し、角型鋼管の周りに配置し、珪酸カルシウム板の端同士を釘止めする。したがって、鋼管、珪酸カルシウム板、集成材を同心に配置した場合、それぞれの間には、１ｍｍ、１．５ｍｍのクリアランスが存在することとなる。
（３）一方の集成材の溝に珪酸カルシウム板を配置した角型鋼管を納め、その上に他方の集成材をかぶせて、接着して、合成柱を完成する。接着剤として、本例ではレゾルシノール・フェノール樹脂接着剤を使用した。

（木質材の損傷確認）
中間材である、角型鋼管の周囲に珪酸カルシウム板を配置した材では、たわみは１ｍｍになっていた。
合成柱では、集成材の損傷は確認できなかった。

（比較試験）
珪酸カルシム板を用いずに、溝付き集成材に鋼管を嵌め込んだ合成柱では鋼管が納まりきらず、無理をすると、集成材にひびが入ることがあった。
また、鋼管が納まるように溝巾を調整して、さらに過熱試験を行うと、鋼管のたわみ増加に耐え切れずに割れが入ることが確認されている。

（加熱試験）
建築用柱は、耐火性が求められることから、実施例で得られた合成柱を試験体として、加熱試験を行い、挙動を確認する試験を行った。
試験は、加熱炉に合成柱を無荷重の状態で入れて、炉内温度をＩＳＯ８３４に規定されている標準加熱温度曲線にしたがって加熱し、鋼管の長さと試験体の温度を計測した。
図５に炉内温度の変化を示し、図６に鋼管柱の長さの変化を示し、図７に試験体の温度変化を示している。

炉内温度は６０分加熱で１０００℃まで加温して、その後冷却を３００分行って１００℃以下まで低下した変化が示されている。経時変化は、集成材が燃焼するために計測温度が制御温度よりやや高くなったが、概ね制御できている。
炉内温度は９０分から１２０分の間で、温度上昇のピークが見られるが、これは、炭化した集成材が崩れ落ち、燃え残っていた集成材の裏面側から炎が上がって、炉内温度が上昇している。

図６に示す柱頭（鋼管柱の伸びを示す）の変化は、最初の６０分間はほぼ変化無くその後２４０分まで増加し、５ｍｍ以上伸びている。その後縮小し始めるが、３６０分でも４ｍｍほど伸びた状態である。
図７に示す試験体である合成柱の鋼管の中央と角部で計測した温度変化を示す。
鋼管の表面温度は、６０分経過までは２０℃以下を保っている。これによって、１時間耐火は十分に達成される。そして、鋼管の伸びも６０分以内では変化がないことも、初期の形状を保っていることが解る。図５に示されるように、木質材は、９０分程度は鋼管を覆っていることが解る。
そして、試験体の温度を見ると、９０分～１２０分の間は、温度上昇が小さくなっているが、これは木質材や珪酸カルシウム板に含まれる水分が蒸発して熱が奪われていると考えられ、それは、鋼管の伸びの挙動にも現れているので、木質材が炭化していく過程でも合成柱の昇温が抑えられることとなる。
本実施例では、線材で珪酸カルシウム板の端部を接合しているが、端部の温度変化は、６０～９０分の間と１２０～１８０分の間はやや高い温度を示すものの、全体として中央部と同程度の温度変化であり、隅部からの熱の流入は十分に抑えられている。特に、６０分以内では密閉性は十分に保たれている。
そして、木質材も６０分以上形状を保つことから、鋼管の補剛性も期待することができる。

１・・・合成柱
２・・・鋼管
３・・・木質材
３１、３２・・半割木質材
３３、３４・・溝
４、４１、４２、４３、４４・・・損傷抑制材

Claims (4)

1. 軸圧縮を受ける角型鋼管と、その周囲を覆う木質材を備えてなる鋼管と木質材の合成柱であって、
   前記鋼管と前記木質材との間に、前記鋼管の初期不整を吸収するための隙間を設けて、前記木質材の損傷を軽減する損傷抑制手段が設けられ、
   前記損傷抑制手段は、前記木質材の剛性よりも小さく、４枚の板材からなり、前記板材の端部同士を固定して前記鋼管を囲む筒状に形成されていることを特徴とする合成柱。
2. 前記木質材は、コ字状の半割溝付き集成材であることを特徴とする請求項１記載の合成柱。
3. 前記損傷抑制手段は、珪酸カルシウム板、木毛セメント板、硬質木片セメント板、繊維強化セメント板、パルプセメント板、火山性ガラス質複層板、ＡＬＣパネル、石膏ボードのいずれか少なくとも一種類であることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の合成柱。
4. 前記損傷抑制手段は、前記木質材の所定範囲の４面に接合されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の合成柱。

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