JP7477381B2 - 木材の接合具、木材の接合構造および面材耐力壁 - Google Patents

Description

本願は、木材同士を接合する木材の接合具と、その接合具を用いた木材の接合構造および面材耐力壁に関する。

木造建物には、柱、梁その他の構造用軸材からなる枠体に構造用合板や筋交いを接合して補強した構造体（耐力壁）が設置される。かかる構造体における部材同士の接合箇所には釘や木ねじ等の接合具が用いられる。

図１（ａ）は、柱、梁等の構造用軸材（以下、単に「軸材」という。）２に構造用合板（以下、単に「合板」という。）３を鋼製の釘９で止め付けた面材耐力壁における、軸材２と合板３との接合箇所の断面を拡大して示している。同図（ｂ）に示すように、接合面４と平行に作用する外的荷重によって軸材２と合板３とが接合面４と平行にずれると、釘９が斜めに傾き、傾いた釘９の胴部９１が軸材２および合板３にめり込む。さらにずれが大きくなると、釘９が変形しながら軸材２から抜けるか、合板３に釘９の頭部９２がめり込んでパンチングアウト（パンチングシア）する。また、荷重が釘９のせん断耐力を超過した場合は、釘９自体が頭部９２に近い首部近傍で破断する。

接合箇所の損壊や釘９の破断に至るまでに荷重が除かれて、ずれが戻っても、同図（ｃ）に示すように、軸材２および合板３には釘９が傾いたときの隙間５が残る。また、図示はしていないが、釘９自体にも塑性変形が残る。この状態になると、軸材２および合板３と釘９との摩擦力が低下して当初の接合強度を保持できなくなり、構造体としての耐力が低下してしまう。

このように、外的荷重によって接合箇所が損壊してしまうことを防ぐには、荷重に対して柔軟に変形しながらエネルギーを吸収し、荷重が除かれると元の形状に回復するような接合具が求められるところである。そのような性質を有する金属材料としては、温度変化によって所定形状を回復する形状記憶合金や、通常の金属の降伏点をはるかに超える領域まで変形させても除荷によって所定形状に戻る超弾性合金が挙げられる。しかし、現時点では、かかる金属材料を木材同士の接合箇所に利用する工法として、以下のようなものしか見当たらない。

特許文献１：結合される部材同士の一方に装着したフックと、他方に装着した受け具とからなる隠し形態の部材結合具であって、フックの少なくとも一部に、常温においてはフック係合姿勢をとり、高温条件においてはフック係合を解除する姿勢をとるように処理した形状記憶性状部材を用いる部材結合具。

特許文献２：木材（木質部材）同士の接合面に対して垂直方向に形成した下孔の中に反力受け用中空管材を挿入して固定する一方、加熱すると外径が膨脹するように処理した形状記憶合金棒を連結棒の両端部に連結し、その形状記憶合金棒が両部材の反力受け用中空管材の奥に納まるように連結棒を下孔に挿入し、その状態で連結棒を加熱することにより形状記憶合金棒を膨脹させて反力受け用中空管材の奥端へ掛け止める木質部材の接合工法・接合構造。

特許文献３：木材（木質建築構造材）の材軸方向に対して直交する方向に生じた割れや亀裂等を補強するに際し、補強を要する箇所の両側に材面とほぼ直角方向に雌ねじボルトを埋め込み、加熱すると収縮するように処理した形状記憶合金からなる接合具を左右の雌ねじボルトに取り付け、その接合具を加熱して収縮させることにより緊張力を発生させる木質建築構造材の補強工法。

実用新案登録第２５０１１３９号公報 特開２００６－１６７６９号公報 特開２００８－９５３６６号公報

前記特許文献１～３に開示された木材の接合工法・構造はいずれも、形状記憶合金からなる接合具の形状回復力が、木材同士の接合面を圧接する方向（接合面に直交する方向）には作用するが、接合面と平行する方向のずれに対しては有効に作用しないような構成になっている。

また、いずれも所定温度（変態温度）以上に加熱することで形状を回復する形状記憶合金を利用しているため、接合箇所の変形後に所望の形状を回復するには、接合箇所を局部的に再加熱する必要がある。しかし、かかる金属を建物の構造体の接合具として採用するのは、再加熱が困難なため現実的ではない。

本願が開示する発明は前述のような事情に鑑みてなされたものであり、接合面と平行する方向のずれに対し、常温下でも高い変形追従性を発揮して接合箇所の損壊を防止するとともに、変形後の優れた形状回復力によって接合箇所の強度を好適に保持し得る木材の接合具と、かかる接合具を利用した木材の接合構造を提供することを目的とする。

併せて、該接合構造の具体的態様としての面材耐力壁も開示する。

なお、本願が開示する発明が適用される「木材」には、天然木材からなる無垢材、合板、集成材等の他、樹脂含浸木材や、木材に類似した材質特性を有する各種の樹脂系部材、さらにはそれらの複合部材等も包含するものとする。

前述の目的を達成するために、本願が開示する発明に係る木材の接合具は、直棒状の胴部と、その一端に形成された頭部とを有し、二つ以上の木材同士の接合面に前記胴部が交差するように配置される接合具であって、前記胴部は、その軸線方向において前記木材同士の接合面に交差する部分を含む適宜範囲ないし全体が超弾性合金によって形成されるとともに、前記胴部における前記接合面との交差部分には、前記木材同士が前記接合面と平行にずれたときに当該交差部分に変形を誘導する易変形部が設けられている、との基本的構成を採用する。超弾性合金によって形成された胴部が外的荷重に対して高い変形追従性を発揮し、大きな変形が生じても除荷後には元の形状に回復することで、接合箇所を良好な状態に保持する。

さらに、前記超弾性合金によって形成された胴部の適切な位置に易変形部が設けられて、その易変形部に局所的な変形を誘導することで、大きい荷重が作用したときの変形形態を最適化することができる。

前記易変形部は、例えば前記胴部の断面積を小さくすることにより形成することができる。また、前記易変形部は、当該易変形部を挟む両側部分または当該易変形部の片側部分に補強用の筒体を挿装して形成することができる。あるいは、当該易変形部を挟む両側部分または当該易変形部の片側部分の外周面に補強用の被覆を施して形成することができる。

さらにまた、前記易変形部は、当該易変形部を挟む両側部分または当該易変形部の片側部分が当該易変形部よりも相対的に高強度となるように、前記胴部の材質を変性して形成することもできる。

一方、本願が開示する発明に係る木材の接合構造は、前述のように構成される接合具の胴部が、二つ以上の木材同士の接合面に交差するように配置され、さらに前記易変形部が前記接合面を跨ぐように配置されて、前記木材同士が接合されている、ものとして特徴づけられる。この構成によれば、木材同士が接合面と平行する方向にずれた場合でも、接合面を跨ぐ部分の胴部だけが柔軟に変形してエネルギーを吸収するので、木材へのめり込み、パンチングアウト、接合具の破断等による接合箇所の損壊が生じにくくなって、接合箇所の強度が好適に保持される。

この木材の接合構造においては、前記易変形部が前記接合面との交差部分に設けられているのが特に好ましい。

また、前記接合具の頭部側に位置する木材の厚さが、他側に位置する木材の厚さよりも小さくなるのも好ましい。

したがって、接合される木材が木造建物の面材耐力壁を構成する構造用軸材と構造用合板であり、前記接合具が釘状の外形をなすものであって、前記構造用軸材と前記構造用合板との接合面に交差する胴部の一部分が超弾性合金によって形成されている構成は、この接合構造の優れた作用効果を特に活かすことができるものとなる。

前述のように構成される木材の接合具は、胴部の少なくとも一部分が超弾性合金によって形成されているので、当該部分は常温下でも高い変形追従性を発揮し、大きな変形が生じても除荷後には元の形状に回復する。

かかる接合具の胴部を木材同士の接合面に交差するように配置した木材の接合構造によれば、木材同士が接合面と平行する方向にずれた場合でも、接合面を跨ぐ部分の胴部だけが柔軟に変形してエネルギーを吸収するので、木材へのめり込み、パンチングアウト、接合具の破断等による接合箇所の損壊が生じにくくなって、接合箇所の強度が好適に保持される。

さらに、接合具の胴部に易変形部を設け、その易変形部を木材同士の接合面を跨ぐように配置した木材の接合構造によれば、前述の効果をさらに高めることができる。

従来一般の木材の接合構造における問題点を説明する接合箇所の断面図であり、（ａ）は通常時、（ｂ）は変形時、（ｃ）は変形後の状態をそれぞれ示す。 本願が開示する発明に係る木材の接合構造の基本的構成と作用効果を説明する接合箇所の断面図であり、（ａ）は通常時、（ｂ）は変形時、（ｃ）は変形後の状態をそれぞれ示す。 本願が開示する発明に係る木材の接合具に採用する易変形部の実施形態を示す部分側面図である。 易変形部の他の実施形態を示す部分側面図および接合箇所の断面図である。 易変形部のさらに他の実施形態を示す接合箇所の断面図である。 易変形部のさらに他の実施形態を示す接合箇所の断面図である。

以下、本願が開示する発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施形態について、図１に示した従来の木材の接合構造と共通する構成要素には同一の符号を付す。また、複数の実施形態について説明する際には、機能または作用が共通する構成要素に同一の数字符号を付して、後述の実施形態における重複説明を簡略化する。

図２は、本願が開示する発明に係る木材の接合構造の、基本的な構成および作用効果を説明する図である。図示した接合構造は、図１と同じく、木造建物の面材耐力壁における軸材２と合板３との接合箇所である。軸材２および合板３は、図１に示した従来一般のものと特に差異はない。それらを接合する接合具１も、直棒状の胴部１１と、胴部１１の一端に形成された頭部１２と、胴部１１の他端に形成された尖先部１３と、を有する釘状の外形をなしており、これも外形的には従来一般の木材用丸釘と大差ない。ただし、本願が開示する発明は、少なくともその胴部１１に超弾性合金が用いられている点を特徴としている。

超弾性合金は、一般的な鋼材等の弾性域の１０倍程度の塑性ひずみ（非線形ひずみ）を生じさせても、除荷後には塑性ひずみが消失して、常温下で元の形状に戻る特性を有する金属であり、ゴム合金とも呼ばれる。その回復ひずみ（形状回復率）は概ね５％以上で、７～８％に及ぶものもある。現状ではニッケル－チタン基合金、あるいは銅－アルミニウム－マンガン系合金や、鉄－ニッケル－コバルト－アルミニウム系合金、その他、チタン、クロム、バナジウム等を適宜組み合わせた合金等が実用化されている。ただし、本願が開示する発明は、超弾性合金の詳細な組成や強度特性を限定するものではない。

本願が開示する発明に係る接合具１は、胴部１１の少なくとも一部分、より詳細には、軸材２と合板３との接合面４に交差する部分を含む適宜範囲ないし胴部１１の全体が、この超弾性合金によって形成されているものとして特徴づけられる。

この構成によれば、同図（a）に示す通常時の状態から、同図（ｂ）に示すように、軸材２と合板３とが外的荷重によって接合面４と平行にずれたとき、接合面４に交差する部分の胴部１１が大きく屈曲変形してエネルギーを吸収する。この屈曲変形が、軸材２や合板３へのめり込みよりも先行して生じることで、胴部１１全体の傾きが小さくなり、軸材２や合板３に形成される隙間５を小さくする。さらに、接合具１が変形して軸材２から抜けたり、接合具１の一部が破断したり、接合具１の頭部１２が合板３にめり込んでパンチングアウトしたりする応力限界も高くなって、接合箇所の損壊が生じにくくなる。

そして、同図（ｃ）に示すように、除荷によってずれが戻ると、接合具１自体も変形せずに元の形状を回復する。この変形～回復作用は、繰り返しの荷重に対しても反復的に得られる。かくして、接合箇所の強度が好適に保持されることとなる。

この接合構造では、胴部１１における接合面４との交差部分が、他の部位に比べて特に変形しやすくなっていると、より好ましい。そこで、この発明は、当該部分に変形を誘導するための易変形部を設ける構成も採用する。その実施形態を図３～図６に示す。

図３（ａ）に示す形態は、胴部１１の外周面に側面視円弧状のくびれ１４を設けて、当該部分の断面積を小さくすることにより易変形部としたものである。また、図３（ｂ）に示す形態は、胴部１１の外周面に側面視Ｖ字状のくびれ１４を設けて、当該部分の断面積を小さくすることにより易変形部としたものである。これらのくびれ１４は胴部１１の外周面に沿って帯状に連続しているが、外周方向に連続しない適宜の欠込や切削加工等によって当該部分の断面積を局所的に減じることにより易変形部とすることも可能である。なお、接合具の設計に際しては、この易変形部で所要のせん断強度および引張強度を負担できるように、胴部１１の材質や断面寸法が設計されているのが望ましい。

図４に示す形態は、胴部１１の外側に補強用の筒体１５を挿装し、その所定位置を分割することで、当該分割位置１６を易変形部としたものである。筒体１５は、胴部１１に挿装されてから分割されてもよいし、別々の筒体１５を胴部１１に挿装して、それらの間に微小な隙間を設けるようにしてもよい。この筒体１５には、薄い金属製パイプや硬質樹脂製パイプ等を利用することができる。また、胴部１１の外周面と筒体１５の内周面に適宜の加工を施したり、接着剤を改装させたりして、胴部１１と筒体１５との一体化を図るのも好ましい。

図５に示す形態は、易変形部とすべき箇所を挟む両側部分の外周面に補強用の被覆１７を施したものである。易変形部とすべき箇所をあらかじめ帯状にマスキング（図示せず）しておき、その両側に金属メッキや硬化性の樹脂塗料等からなる被覆１７を形成した後、マスキングを取り除けば、被覆１７のない部分が易変形部となる。

なお、胴部１１の外側に補強用の筒体１５を挿装したり、胴部１１の外周面に補強用の被覆１７を施したりして易変形部を形成する場合、図６（ａ）または（ｂ）に示すように、その筒体１５や被覆１７を、易変形部とすべき箇所の片側（頭部１２側または尖先部１３側）部分にのみ設けるようにしてもよい。

また、図示は省くが、局所的な熱処理加工や鍛造加工等によって、易変形部よりも、その両側部分または片側部分のほうが相対的に高強度（高硬度）となるように、胴部１１の材質を変性させることも可能である。

なお、図２～図６に例示した形態では、軸材２と合板３との接合面４に対して胴部１１の軸線が垂直に交差しているが、胴部１１の軸線は該接合面４に対して斜めに交差していてもよい。）
これらの手段を利用して、胴部１１の適切な位置に適切な範囲の易変形部を設ければ、接合面４がずれたときの胴部１１の屈曲変形を適切な形態に誘導することができる。また、易変形部を設けることにより、胴部１１が軸材２および合板３へめり込むことによって生じる復元力の低下を防止することができる。基本的に易変形部は、胴部１１の全長における中間部よりも頭部１２側に設けられるほうが、二つの木材に対する接合力のバランスの面で好ましい。換言すると、この接合具１を用いて接合される二つの木材のうち、接合具１の頭部１２側に位置する木材の厚さが、他側に位置する木材の厚さよりも小さいほうが、この接合具１の効果がよりよく得られる。さらに、易変形部の範囲（胴部の軸方向における長さ）を、厚さが小さいほうの木材の厚さよりも小さくする方が、変形箇所を限定できて好ましい。

これらの作用効果に鑑みれば、柱、梁その他の構造用軸材からなる枠体に構造用合板を接合して形成される木造建物の面材耐力壁において、その接合箇所にこの接合具を採用し、接合具の胴部における、構造用軸材と構造用合板との接合面に交差する部分に超弾性合金からなる易変形部を設ける構成は、きわめて有益であり、実用性に優れる。

なお、本願が開示する発明の技術的範囲は、例示した実施の形態によって限定的に解釈されるべきものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて概念的に解釈されるべきものである。本願が開示する発明の実施に際しては、特許請求の範囲において具体的に特定していない構成要素の形状、構造、材質、数量、接合形態、相対的な位置関係等を、例示形態と実質的に同等以上の作用効果が得られる範囲内で適宜、改変することが可能である。

特に接合具の形態については、前述した釘状の形態だけでなく、接合される木材の形状や接合部位に応じて、例えばコーススレッドのような長寸の木ねじ、ナット締結される長寸のボルト軸部、といった形態への適用も可能である。さらには、タッカー針（ステープル）や“かすがい”等、二つの部材の接合面に交差するように配置される様々な形態の接合具にも適用可能である。

本願が開示する発明は、木材またはこれに類する木質材の様々な接合箇所に利用することができる。

１ 接合具
１１ 胴部
１２ 頭部
１３ 尖先部
１４ くびれ（易変形部）
１５ 筒体
１６ 分割位置（易変形部）
１７ 被覆
２ 軸材
３ 合板
４ 接合面
５ 隙間
９ 釘
９１ 胴部
９２ 頭部

Claims (7)

1. 直棒状の胴部と、その一端に形成された頭部とを有し、二つ以上の木材同士の接合面に前記胴部が交差するように配置される接合具であって、
   前記胴部は、その軸線方向において前記木材同士の接合面に交差する部分を含む適宜範囲ないし全体が超弾性合金によって形成されるとともに、
   前記胴部における前記接合面との交差部分には、前記木材同士が前記接合面と平行にずれたときに当該交差部分に変形を誘導する易変形部が設けられている、
   ことを特徴とする木材の接合具。
2. 請求項１に記載された木材の接合具において、
   前記易変形部は、前記胴部の断面積を小さくすることにより形成されている
   ことを特徴とする木材の接合具。
3. 請求項１に記載された木材の接合具において、
   前記易変形部は、当該易変形部を挟む両側部分または当該易変形部の片側部分に補強用の筒体を挿装して形成されている
   ことを特徴とする木材の接合具。
4. 請求項１に記載された木材の接合具において、
   前記易変形部は、当該易変形部を挟む両側部分または当該易変形部の片側部分の外周面に補強用の被覆を施して形成されている
   ことを特徴とする木材の接合具。
5. 請求項１に記載された木材の接合具において、
   前記易変形部は、当該易変形部を挟む両側部分または当該易変形部の片側部分が当該易変形部よりも相対的に高強度となるように、前記胴部の材質を変性して形成されている
   ことを特徴とする木材の接合具。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載された木材の接合具の胴部が、二つ以上の木材同士の接合面に交差するように配置され、
   さらに前記易変形部が前記接合面を跨ぐように配置されて、
   前記木材同士が接合されている
   ことを特徴とする木材の接合構造。
7. 柱、梁その他の構造用軸材からなる枠体と構造用合板とが釘状の接合具を介して接合される面材耐力壁において、
   前記接合具は、直棒状の胴部と、その一端に形成された頭部とを有して、前記胴部が前記構造用軸材と前記構造用合板との接合面に交差するように配置され、
   前記胴部は、その軸線方向において前記構造用軸材と前記構造用合板との接合面に交差する部分を含む適宜範囲ないし全体が超弾性合金によって形成されるとともに、
   前記胴部における前記接合面との交差部分には、前記構造用軸材と前記構造用合板とが前記接合面と平行にずれたときに当該交差部分に変形を誘導する易変形部が設けられている、
   ことを特徴とする面材耐力壁。

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