JP7269866B2

JP7269866B2 - 耐震壁

Info

Publication number: JP7269866B2
Application number: JP2019200351A
Authority: JP
Inventors: 弘之成原; 聡安田
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2019-11-03
Filing date: 2019-11-03
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2039-11-03
Also published as: JP2021071034A

Description

本発明は、柱梁架構の構面内に設けられた耐震壁に関する。

従来より、透光性を備えた耐震壁が提案されている（特許文献１～３参照）。
特許文献１には、複数のブロックを積み重ねて互いに接合して構築された耐震壁が示されている。このブロックは、繊維強化プラスチックにより構成されたフレームと、このフレームの内側空間を部分的にしか塞がないように設けられた補強部と、からなる。
特許文献１の耐震壁によれば、ある程度の採光は可能なものの、ブロックの一部が補強部で塞がれているため、壁面全体としての透光性（透明性）が低かった。

特許文献２には、柱梁架構内に組み込まれた矩形状の周辺枠組鉄骨と、この周辺枠組鉄骨内に格子状に配設された複数本のフラットバーからなるブレース部材と、これらブレース部材の格子内に組み込まれてブレース部材の座屈補剛材として機能するとともに透光性を有する介装部材と、を備える格子状耐震壁が示されている。
特許文献２の格子状耐震壁では、格子状のブレース部材が耐震構造の主要素であり、透光性を有する介装部材は、補助的な要素に過ぎない。また、斜め格子状のブレース部材が視界を遮るため、壁面全体として透光性（透明性）が低かった。
特許文献３には、複数の開口部を形成する格子と、格子の開口部に配設された座屈補剛材と、格子の外周囲を覆う矩形状の枠材と、を備える耐震壁が示されている。
特許文献３の耐震壁では、格子が耐震構造の主要素であり、透光性を有する座屈補剛材は補助的な要素に過ぎない。また、格子が視界を遮るため、壁面全体として透光性（透明性）が低かった。

特開２００４－１６２４６９号公報特開２００６－２５７６５４号公報特開２０１２－４１７００号公報

本発明は、壁面全体としての透光性が高い耐震壁を提供することを目的とする。

本発明者らは、建物の柱梁架構で囲まれた構面内に、アクリル樹脂等の透光性の高い樹脂製の光透過部を設け、この光透過部を周囲の閉塞部あるいは柱梁架構に連結して一体化させることで、耐震要素となる耐震壁を開発した。
第１の発明の耐震壁（例えば、後述の耐震壁１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）は、柱梁架構（例えば、後述の柱梁架構１０）の構面内に設けられた耐震壁であって、透光性の高い樹脂製の光透過部（例えば、後述の光透過部２０、腰窓２３、掃き出し窓２４）と、前記柱梁架構と前記光透過部との間を塞ぐ閉塞部（例えば、後述の閉塞部２１、壁体２２）と、を備え、前記光透過部は、連結手段（例えば、後述のアンカーボルト３０、金属枠４０、シアーコッタ５０）を介して前記閉塞部に連結されることを特徴とする。

光透過部としては、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂など、光線透過率が高くかつ強度の高い樹脂が挙げられる。光透過部の透光性が高いとは、光透過部の光線透過率が８５％以上、より好ましくは９０％以上を意味する。
閉塞部は、モルタルや鉄筋コンクリートなど、透光性の低い材料で形成されている。

この発明によれば、柱梁架構の構面内に透光性の高い樹脂製の光透過部を設けたので、採光性を確保しつつ地震荷重に抵抗可能な耐震壁を実現できる。
また、光透過部として樹脂を用いることで、コンクリートと同等以上の圧縮強度を確保しつつ、優れた変形追従性を備えた耐震壁を実現できる。
本発明の耐震壁は、柱梁架構の構面内に設ける光透過部を、鉄筋コンクリート造体ではなく、透光性の高い樹脂としたので、耐震壁の壁面全体としての透光性が高くなり、建物の使い勝手を向上できる。

第２の発明の耐震壁は、前記柱梁架構は、既存建物（例えば、後述の既存建物２）の柱梁架構であることを特徴とする。
この発明によれば、既存建物の柱梁架構内に透光性の高い耐震壁を設けることで、既存建物において、耐震壁で視界を遮ることなく耐震補強できる。

第３の発明の耐震壁は、前記連結手段は、前記光透過部の周囲に埋設されたアンカーボルト、前記光透過部の周囲に設けられて頭付きスタッドが設けられた金属枠、あるいは、前記光透過部の小口面に一体成形されたシアーコッタであることを特徴とする。
この発明によれば、連結手段として、樹脂製の光透過部に、アンカーボルト、金属枠、あるいはシアーコッタを設け、これら連結手段により光透過部を閉塞部に連結した。よって、連結手段を介して光透過部を柱梁架構に容易に接合できる。

第４の発明の耐震壁は、前記閉塞部と前記柱梁架構とは、接着系アンカーで連結され、前記光透過部のせん断耐力は、前記連結手段のせん断耐力および前記接着系アンカーのせん断耐力を上回ること特徴とする。
この発明によれば、光透過部のせん断耐力が、連結手段のせん断耐力および接着系アンカーのせん断耐力を上回ることで、耐震壁が最大せん断耐力に達するまで光透過部の損傷を防止できる。
また、耐震壁の破壊モードでは、光透過部と閉塞部との接合部分または柱梁架構と閉塞部との接合部分において、損傷や破壊が進行して最大せん断耐力に達するように設計される。したがって、耐震壁の光透過部に発生する応力やせん断変形角は、せん断耐力と光透過部の断面積およびせん断弾性係数との関係式に基づいて一義的に算定可能であり、耐震壁の強度設計および損傷条件が容易に設定可能となる。

第５の発明の耐震壁（例えば、後述の耐震壁１Ｄ）は、柱梁架構（例えば、後述の柱梁架構１０）の構面内に設けられた耐震壁であって、透光性の高い樹脂製の光透過部（例えば、後述の光透過部２０）を備え、当該光透過部は、連結手段（例えば、後述シアーコッタ５０）を介して前記柱梁架構に連結されることを特徴とする。

本発明によれば、壁面全体としての透光性が高い耐震壁を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る耐震壁の正面図である。図１に示す耐震壁のＡ－Ａ断面図である。強度計算における耐震壁の具体的な構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る耐震壁の正面図である。本発明の第３実施形態に係る耐震壁の正面図である。図５に示す耐震壁のＢ－Ｂ断面図である。本発明の第１の変形例に係る耐震壁の正面図である。本発明の第２の変形例に係る耐震壁の正面図である。

本発明は、建物の柱梁架構で囲まれた構面内に設けられて、透光性の高い樹脂製の光透過部と、柱梁架構と前記光透過部との間を塞ぐ閉塞部と、を備えた耐震壁である。光透過部と閉塞部とは、光透過部の周囲に埋設されたアンカーボルト、光透過部の周囲に設けられた頭付きスタッド付きの金属枠、あるいは、光透過部の小口面に一体成形されたシアーコッタを介して連結されている。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る耐震壁１の正面図である。図２は、耐震壁１のＡ－Ａ断面図である。
耐震壁１は、既存建物２の鉄筋コンクリート造の柱梁架構１０の構面内に設けられている。柱梁架構１０は、当階の梁１１、この当階の梁１１の上に設けられた一対の柱１２、および、柱１２の頂部同士の間に架設された上階の梁１３を備える。

耐震壁１は、透光性の高い樹脂製の矩形状の光透過部２０と、柱梁架構１０と光透過部２０との間に設けられた閉塞部２１と、を備える。
光透過部２０は、アクリル樹脂であり、連結手段としてのアンカーボルト３０を介して、閉塞部２１に定着されている。この光透過部２０は、１枚のアクリル板、あるいは、アクリル板を複数枚重ね合わせて接着したアクリル積層板である。
アンカーボルト３０は、光透過部２０の小口面に全周に亘って二列設けられている。このアンカーボルト３０は、光透過部２０の小口面に穴３１を形成し、この穴３１にアンカーボルト３０を挿入して接着材を充填することで、光透過部２０に固定されている。
閉塞部２１は、柱梁架構１０の当階の梁１１、柱１２、上階の梁１３と光透過部２０との間に設けられ、硬化材としてのモルタルが充填されて形成されている。柱梁架構１０の当階の梁１１、柱１２、上階の梁１３には、所定間隔おきに接着系アンカー１４（あと施工アンカー）が二列設けられており、これら接着系アンカー１４により、閉塞部２１が柱梁架構１０に連結されている。

本発明において、光透過部としてアクリル樹脂を採用した理由は、以下の通りである。まず、アクリル樹脂の代表的物性値を他の構造材料と比較して下の表１に示す。なお、以下の表１において、アクリル樹脂の物性値は、三菱ケミカル株式会社製のアクリライト（登録商標）の技術資料に基づく。

表１に示すように、アクリル樹脂は、弾性率が鋼材やアルミなど金属材料と比べて著しく劣る。すなわち、アクリル樹脂は、コンクリートと比較すると、圧縮強度は同等以上であるが、弾性率はコンクリートの約１／７である。しかし、アクリル樹脂は透光性に優れ、かつ比重が小さく軽量である。
このアクリル樹脂を、アクリル樹脂と同様な透光性を有するガラスと比較する。ガラスは、弾性率がアルミ並みに高いが、脆性材料であるため、局部的な応力集中でも脆く破壊し、地震時の層間変形への追従性がない。また、ガラスは、アクリル樹脂と異なり、切断、切削、穴あけなどの加工が容易でない。これに対し、アクリル樹脂は、ガラスと比べて、耐衝撃性が優れており、伸びが大きく弾性率が低いため、耐震壁の構成要素として適している。

〔計算例〕
以下、上述の耐震壁の具体的な構成について、計算により強度を確認した。
図３に示すように、柱梁架構は、柱スパン６ｍ、階高３．８ｍ、柱は７００ｍｍ×７００ｍｍ、梁成は８００ｍｍとする。また、光透過部を厚さ１００ｍｍのアクリル板とし、柱梁架構の躯体とのクリアランスを２００ｍｍとする。アクリル板の四辺の小口面には、Ｍ１６のアンカーボルトがダブル配列かつ１５０ｍｍピッチで配置するものとする。既存躯体の柱梁には、Ｄ１９の接着系アンカーを１５０ｍｍピッチで配し、クリアランスに無収縮モルタルを充填して、閉塞部とする。

まず、アクリル板の小口面へ挿入するアンカーボルトのねじ部の定着長さＬを検討する。アンカーボルト軸部有効断面の引張強度Ｐｕ、およびねじ部のせん断強度Ｐｓは、以下の式（１）、（２）で表わされる。
Ｐｕ＝π（Ｄ／２）^２×ｓσｕ・・・（１）
Ｐｓ＝Ｌ×πＤ×τ_Ｕ・・・（２）
ここで、アンカーボルトの有効径をＤとし、アンカーボルトの引張強度（材質４Ｔ、４００ＭＰa）をｓσｕとし、アンカーボルトのねじ部の必要定着長さをＬとし、アクリルのせん断強度をτ_Ｕ（＝６２ＭＰa）とする。

ねじ部が引き抜けずに軸部が破断するためには、以下の式（３）が成立する必要がある。
Ｐｓ≧Ｐｕ・・・（３）
したがって、アンカーボルトのねじ部の必要定着長さＬは、以下の式（４）で表わされる。
Ｌ≧（Ｄ×ｓσu）／（４τ_Ｕ）＝４００Ｄ／（４×６２）＝１．６Ｄ・・・（４）

次に、アクリル板を耐震壁として使用できるか否かを検討する。
まず、アクリル板のせん断耐力Ｑ_ＡＵを求める。
アクリル板の厚さｔ＝１００ｍｍ、アクリル板の幅Ｗ＝４９００ｍｍ、アクリル板のせん断強さτ_Ｕ＝６２ＭＰaとする。すると、アクリル板のせん断耐力Ｑ_ＡＵは、以下の式（５）で求められる。
Ｑ_ＡＵ＝１００×４９００×６２＝３０３８０ｋＮ・・・（５）

次に、アクリル板に取り付けるアンカーボルトのせん断耐力Ｑ_ＳＵを求める。
アンカーボルト（材質４Ｔ、ボルト径Ｍ１６）を１５０ｍｍピッチでダブル配列した場合、アクリル板の幅方向のアンカーボルトの一列当たりの本数は、以下の式（６）で求められる。
４９００／１５０＝３２．６・・・（６）
式（６）より、アクリル板の幅方向のアンカーボルトの一列当たりの本数を３２本とする。アンカーボルト１本のせん断強度_ｆｑ_ｕは、以下の式（７）で求められる。
_ｆｑ_ｕ＝０．６×_ｆＡ_ｓ×_ｆＦ_ｕ＝０．６×２０１×４００＝４８．２４ｋＮ・・・（７）
したがって、アンカーボルトのせん断耐力Ｑ_ＳＵは、以下の式（８）で求められる。
Ｑ_ＳＵ＝２×３２×４８．２４＝３０８７ｋＮ・・・（８）

次に、柱梁架構の躯体に打ち込む接着系アンカーのせん断耐力Ｑ_ｊａを求める。
アンカーをＤ１９シングル１５０ｍｍピッチで配置したとすると、１本あたりのせん断耐力は６７．７ｋＮである。アクリル板の幅方向のアンカーの本数は、以下の式（９）で求められる。
５３００／１５０＝３５．３・・・（９）
式（９）より、アクリル板の幅方向のアンカーの本数を３５本とする。したがって、接着系アンカーの接着系アンカーの耐力Ｑ_ｊａは、以下の式（１０）で求められる。
Ｑ_ｊａ＝３５×６７．７＝２３７０ｋＮ・・・（１０）

以上の式（５）、（８）、（１０）から、アクリル板のせん断耐力Ｑ_ＡＵは、周辺架構との接合部強度（Ｑ_ＳＵ、Ｑ_ｊａ）に比較して十分に高く、耐震壁両側の柱のせん断耐力を考慮しない場合、耐震壁の耐力は、接着系アンカーの耐力Ｑ_ｊａで決まることが判る。したがって、大地震時には、接着系アンカーによる接合部が先行して損傷するため、アクリル板に脆性的な破壊が生じず、大地震後の復旧工事の際には、充填モルタルを除去してモルタルを再充填すれば良く、復旧作業が容易である。
よって、上記計算例では、アクリル板単体のせん断耐力が、アクリル板に取り付けるアンカーボルトのせん断耐力、および柱梁架構に打ち込む接着系アンカーのせん断耐力を上回る強度条件を満足することになる。よって、本願発明の耐震壁においては、アクリル板単体のせん断強度がモルタル強度（アンカーせん断強度）を上回るように設定できる。つまり、柱梁架構に打ち込む接着系アンカーのせん断耐力が、アクリル板に取り付けるアンカーボルトのせん断耐力を下回るように設計し、接着系アンカーが先行して損傷、破壊するように破壊モードを設定できる。

次に、耐震壁が接着系アンカーの耐力Ｑ_ｊａに到達する時のアクリル板のせん断変形角γを求める。
アクリル板のせん断弾性係数Ｇは、１．２×１０^３ＭＰａである。このときのアクリル板のせん断応力τは、以下の式（１１）で求められる。
τ＝２３７０×１０^３／（１００×４９００）＝４．８４ＭＰａ・・・（１１）
よって、せん断変形角γは、以下の式（１２）で求められる。
γ＝τ／Ｇ＝４．８４／１２００＝０．００４０＝１／２４８・・・（１２）

このように、本計算例のアクリル板は、層間変形角１／２４８で耐震壁の耐力に達することになる。
従来の耐震補強では、鉄骨ブレース（ＳＳ４００）を４５度に傾斜配置することが行われるが、この鉄骨ブレースの降伏により耐力が決まる場合、層間変形角は約１／４３８である。したがって、本計算例のアクリル板は、鉄骨ブレースの約２倍の変形まで耐力を有していることが判る。また、耐震壁の層間変形角１／２４８は、建築基準法上の短期荷重時の変形制限１／２００を下回っており、十分な実用性を有していることが判る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）柱梁架構１０の構面内に透光性の高いアクリル樹脂製の光透過部２０を設けたので、採光性を確保しつつ地震荷重に抵抗可能な耐震壁１を実現できる。
また、光透過部２０としてアクリル樹脂を用いることで、コンクリートと同等以上の圧縮強度を確保しつつ、優れた変形追従性を備えた耐震壁１を実現できる。
耐震壁１は、柱梁架構１０の構面内に設ける光透過部２０を、鉄筋コンクリート体ではなく、透光性の高いアクリル樹脂としたので、耐震壁１を軽量化できるうえに、壁面全体としての透光性が高くなり、既存建物２の使い勝手を向上できる。

（２）既存建物２の柱梁架構１０内に透光性の高い耐震壁１を設けることで、既存建物２において、耐震壁１で視界を遮ることなく耐震補強できる。
（３）アクリル樹脂製の光透過部２０にアンカーボルト３０を設け、このアンカーボルト３０を閉塞部２１に定着させた。よって、アンカーボルト３０を介して光透過部２０を柱梁架構１０に容易に接合できる。
（４）アクリル樹脂製の光透過部２０のせん断耐力が、アンカーボルト３０のせん断耐力および接着系アンカー１４のせん断耐力を上回ることで、耐震壁が最大せん断耐力に達するまで光透過部２０の損傷を防止できる。
また、耐震壁１の破壊モードでは、光透過部２０と閉塞部２１との接合部分または柱梁架構１０と閉塞部２１との接合部分において、損傷や破壊が進行して最大せん断耐力に達するように設計される。したがって、耐震壁１の光透過部２０に発生する応力やせん断変形角は、せん断耐力と光透過部２０の断面積およびせん断弾性係数との関係式に基づいて一義的に算定可能であり、耐震壁１の強度設計および損傷条件が容易に設定可能となる。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態に係る耐震壁１Ａの正面図である。
本実施形態では、耐震壁１Ａの全面ではなく、一部にのみ腰窓２３および掃き出し窓２４を設けた点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、耐震壁１Ａは、閉塞部としての鉄筋コンクリート造の壁体２２と、壁体２２の一部に設けられた樹脂製の光透過部としての腰窓２３および掃き出し窓２４と、を備える。壁体２２は、柱梁架構１０と腰窓２３および掃き出し窓２４との間に設けられている。
腰窓２３および掃き出し窓２４は、矩形状で透光性の高いアクリル樹脂であり、連結手段としてのアンカーボルト３０を介して、閉塞部２１に定着されている。
本実施形態によれば、上述の（１）～（３）と同様の効果がある。

〔第３実施形態〕
図５は、本発明の第３実施形態に係る耐震壁１Ｂの正面図である。図６は、耐震壁１ＢのＢ－Ｂ断面図である。
本実施形態では、アンカーボルト３０の代わりに、金属枠４０を介して光透過部２０を閉塞部２１に定着した点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、光透過部２０の周囲には金属枠４０が取り付けられている。この金属枠４０は、断面略Ｔ字形状のＴ形鋼４１のウエブに所定間隔おきに孔４２を形成するとともに、フランジ面に頭付きスタッド４３を設けたものである。金属枠４０は、光透過部２０の小口面にスリット４４を形成し、このスリット４４に金属枠４０のウエブを挿入して接着材を充填することで、光透過部２０に固定されている。
本実施形態によれば、上述の（１）～（３）と同様の効果がある。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上述の第１実施形態では、光透過部２０をアンカーボルト３０で閉塞部２１に定着したが、これに限らず、図７に示すように、光透過部２０の小口面にシアーコッタ５０を一体成形し、このシアーコッタ５０を閉塞部２１に接合させてもよい。
また、上述の各実施形態では、閉塞部２１や壁体２２を設けたが、これに限らず、閉塞部や壁体を設けずに、耐震壁１Ｄを光透過部２０のみで構成してもよい。すなわち、図８に示すように、光透過部２０の小口面にシアーコッタ５０を一体成形し、このシアーコッタ５０を柱梁架構１０に接合してもよい。このような耐震壁１Ｄでは、光透過部２０のせん断耐力が、光透過部２０と柱梁架構１０を連結するシアーコッタ５０のせん断耐力を上回るように設計する。また、耐震壁１Ｄの破壊モードでは、光透過部２０と柱梁架構１０との接合部分に発生する損傷や破壊が進行して最大せん断耐力に達するように設計する。

また、上述の各実施形態および変形例では、耐震壁１、１Ａ～１Ｄの周囲の構造体である柱梁架構１０を鉄筋コンクリート造としたが、これに限らず、鉄骨鉄筋コンクリート構造、鉄骨構造、木構造、煉瓦造などとしてもよい。
また、上述の各実施形態および変形例では、既存建物２の柱梁架構１０に後付けで耐震壁１Ａ～１Ｄを設けたが、これに限らず、耐震壁を新築建物に設けてもよい。特に、上述の耐震壁１Ｄは、新築建物に好適である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…耐震壁２…既存建物
１０…柱梁架構１１…当階の梁１２…柱１３…上階の梁１４…接着系アンカー
２０…光透過部２１…閉塞部２２…壁体（閉塞部）２３…腰窓（光透過部）
２４…掃き出し窓（光透過部）
３０…アンカーボルト（連結手段）３１…穴
４０…金属枠（連結手段）４１…Ｔ形鋼４２…孔４３…頭付きスタッド
４４…スリット５０…シアーコッタ（連結手段）

Claims

柱梁架構の構面内に設けられた耐震壁であって、
光線透過率が８５％以上であるアクリル樹脂製または光線透過率が８５％以上であるポリカーボネート樹脂製の光透過部と、
前記柱梁架構と前記光透過部との間を塞ぐ閉塞部と、を備え、
前記光透過部は、連結手段を介して前記閉塞部に連結され、
前記連結手段は、前記光透過部の小口面に所定間隔おきに埋設されたアンカーボルト、あるいは、前記光透過部の小口面に埋設されてかつ前記閉塞部側に所定間隔おきに頭付きスタッドが設けられた金属枠であることを特徴とする耐震壁。
前記柱梁架構は、既存建物の柱梁架構であることを特徴とする請求項１に記載の耐震壁。
前記閉塞部と前記柱梁架構とは、接着系アンカーで連結され、
前記光透過部のせん断耐力は、前記連結手段のせん断耐力および前記接着系アンカーのせん断耐力を上回ること特徴とする請求項１または２に記載の耐震壁。
柱梁架構の構面内に設けられた耐震壁であって、
光線透過率が８５％以上であるアクリル樹脂製または光線透過率が８５％以上であるポリカーボネート樹脂製の光透過部を備え、
当該光透過部は、連結手段を介して前記柱梁架構に連結され、
前記連結手段は、前記光透過部の小口面に全周に亘って一体成形されて前記柱梁架構の躯体に向かって突出するシアーコッタであることを特徴とする耐震壁。