JP7687868B2

JP7687868B2 - 合成部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP7687868B2
Application number: JP2021090489A
Authority: JP
Inventors: 雅之藤井
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2025-06-03
Anticipated expiration: 2041-05-28
Also published as: JP2022182765A

Description

本発明は、木材と鉄筋コンクリートの合成部材およびその製造方法に関するものである。

従来、耐火建築物において、長期荷重を負担する構造材に木材を使用した柱（木構造柱）が知られている。木構造柱を採用すると、木材の表面を石膏ボード等の耐火被覆材で覆う必要があり、構造木をあらわしとできないという問題がある。また、この耐火被覆によってコストが増大する。耐火被覆材の外側を木材からなる仕上げ材で覆い、仕上げ材としての木をあらわしとする方法もあるが、施工手間とコストがさらに増大してしまう。また、木構造柱の接合部を剛接合とすることは困難なため、耐震要素を別に計画する必要がある。

一方、鉄骨部材を木材で耐火被覆した部材として、例えば、特許文献１～３に記載のものが知られている。

特開２０１３－０１１０６３号公報特開２０１９－０５６２０２号公報特開２０００－０１７７５２号公報

しかし、上記の従来の特許文献１～３に記載の構造では、木材を耐火被覆材および仕上げ材としてのみ考慮しており、木材を構造体としては利用できていない。このため、耐火性を有するとともに、部材耐力を向上することができる合成部材が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、耐火性を有するとともに、部材耐力を向上することができる合成部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る合成部材は、長期荷重を支持するとともに耐火性を有する鉄筋コンクリート部材と、この鉄筋コンクリート部材の表面に接して設けられるとともに長期荷重を支持しない木質部材とを備える合成部材であって、鉄筋コンクリート部材と木質部材とを一体化するために、木質部材の鉄筋コンクリート部材に接する側の面に設けられたコッターをさらに備えることで、木質部材を構造体として利用していることを特徴とする。

また、本発明に係る他の合成部材は、上述した発明において、木質部材の水平荷重作用時における応力負担時の座屈を防止するために、木質部材の鉄筋コンクリート部材に接する側の面に突設されたビスをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の合成部材は、上述した発明において、長期荷重を鉄筋コンクリート部材のみで支持する機構とすることで、木質部材に対して耐火被覆を不要とすることを特徴とする。

また、本発明に係る合成部材の製造方法は、上述した合成部材を製造する方法であって、コンクリート用の型枠として木質部材を組み立てるステップと、木質部材の内側にコンクリートを打設して鉄筋コンクリート部材を構築するステップを有することを特徴とする。

本発明に係る合成部材によれば、長期荷重を支持するとともに耐火性を有する鉄筋コンクリート部材と、この鉄筋コンクリート部材の表面に接して設けられるとともに長期荷重を支持しない木質部材とを備える合成部材であって、鉄筋コンクリート部材と木質部材とを一体化するために、木質部材の鉄筋コンクリート部材に接する側の面に設けられたコッターをさらに備えることで、木質部材を構造体として利用しているので、合成部材として耐火被覆がなくても、耐火性を有するとともに、部材耐力を向上することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の合成部材によれば、木質部材の水平荷重作用時における応力負担時の座屈を防止するために、木質部材の鉄筋コンクリート部材に接する側の面に突設されたビスをさらに備えるので、木質部材の座屈を防止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の合成部材によれば、長期荷重を鉄筋コンクリート部材のみで支持する機構とすることで、木質部材に対して耐火被覆を不要とする。長期荷重を負担しない部材に対しては、耐火性能は要求されないため、木質部材に対して耐火被覆を不要とすることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る合成部材の製造方法によれば、上述した合成部材を製造する方法であって、コンクリート用の型枠として木質部材を組み立てるステップと、木質部材の内側にコンクリートを打設して鉄筋コンクリート部材を構築するステップを有するので、合成部材を容易に製造することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る合成部材およびその製造方法の実施の形態を示す図であり、（１）は横断面図、（２）は（１）のＡ－Ａ線に沿った断面図、（３）は（２）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図２は、本実施の形態を適用した柱梁接合部の一例を示す図であり、（１）～（４）は鉄骨梁の場合、（５）～（８）はＲＣ梁の場合である。図３は、本発明の他の実施の形態を示す図である。図４は、本発明の他の実施の形態を示す図である。図５は、合成部材の作用説明図であり、（１）は水平荷重による曲げ応力作時の説明図、（２）はビスによる座屈防止の説明図、（３）はコッターによる軸力伝達の説明図である。

以下に、本発明に係る合成部材およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（合成部材およびその製造方法）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る合成部材１０は、柱として使用される部材であり、長期荷重を支持するとともに耐火性を有する鉄筋コンクリート部材１２（以下、ＲＣ部材という。）と、このＲＣ部材１２の表面に接して設けられるとともに長期荷重を支持しない木質部材１４とを備える。木質部材１４のＲＣ部材１２に接する側の面にコッター１６が設けられる。

ＲＣ部材１２は、矩形（正方形）断面の柱軸状のコンクリート１８と、コンクリート１８内に配置された主筋２０（鉄筋）およびせん断補強筋２２（鉄筋）を備える。主筋２０は、横方向に間隔をあけて柱軸方向に配置され、せん断補強筋２２は、上下方向に間隔をあけて環状に配置される。

木質部材１４は、ＲＣ部材１２の前後左右の各表面に当接配置される４枚の板からなる。各板の端部２４は、横断面視で４５度に傾斜したテーパー状になっており、隣接する各端部２４はこの部分で接合している。このため、合成部材１０全体の断面形状は矩形である。なお、各端部２４どうしの接合には、例えば接着剤、木質構造用ビス、ラグスクリュー等の接合手段を用いることができるが、施工性から木質構造用ビスを用いることが好ましい。木質部材１４には、例えば集成材やＣＬＴ（ＣｒｏｓｓＬａｍｉｎａｔｅｄＴｉｍｂｅｒ）等を用いることができる。木質部材１４は、ＲＣ部材１２のコンクリート１８用の型枠として用いられ、ＲＣ部材１２と一体に施工される。

コッター１６は、ＲＣ部材１２と木質部材１４とを一体化するために木質部材１４の裏面側に設けられる。コッター１６は、正面視で矩形の凹状形状に形成され、上下方向および水平方向にそれぞれ間隔をあけて複数設けられる。木質部材１４は、ＲＣ部材１２のコンクリート１８用の型枠として用いるため、コッター１６の凹状形状の内部には、コンクリート打設によりコンクリート１８が充填されることになる。コッター１６により軸力を伝達することで、合成部材１０として曲げ応力を木質部材１４の部分でも負担できるようになり、耐力が向上する。図１（２）の例では、１枚の木質部材１４の裏面側の左右部分にコッター１６を２列配置するとともに、コッター１６を正面視で矩形の凹状形状に形成した場合を示しているが、本発明のコッターの配置や形状はこれに限るものではない。なお、図１（１）の例では、左右方向（水平方向）が想定される加力方向Ｆであり、右端の圧縮縁Ｇから引張鉄筋重心位置までの長さが有効せいＨである。

この合成部材１０を製造する場合には、例えば、まずコンクリート用の型枠として木質部材１４を組み立てる。続いて、木質部材１４の内側の領域に、主筋２０、せん断補強筋２２を組み立てる。その後、木質部材１４の内側にコンクリート１８を打設してＲＣ部材１２を構築する。木質部材１４は、ＲＣ部材１２の型枠として一体に施工され、ＲＣ部材１２から脱型しないでそのまま使用する。これにより、合成部材１０を容易に製造することができる。

本実施の形態の合成部材１０によれば、長期荷重を支持するとともに耐火性を有するＲＣ部材１２と、その表面にコッター１６を介して設けられるとともに長期荷重を支持しない木質部材１４からなるので、耐火性を有するとともに、部材耐力を向上することができる。また、耐火性能が求められる建物においては、長期荷重を耐火性能のあるＲＣ部材１２のみで負担し許容応力度設計を行うことで、特別な耐火被覆を必要としない。耐火被覆が不要となることで、コストを低減することができる。さらに、耐火被覆を設けることなく、構造体の木をあらわしにすることが可能である。また、型枠併用の仕上げにより、通常の木仕上げと比べて施工手間とコストを軽減することができる。

地震時等の水平荷重に対してはＲＣ部材１２と木質部材１４との合成効果により部材耐力が向上する。部材の耐震性能が向上することにより、躯体費用を低減することができる。耐火性能が求められない建物においては、木質部材１４に長期荷重を負担させて設計することも可能である。また、二次設計において、木質部材１４が圧壊しないことを確認すれば、ＲＣ造と同等の構造特性係数Ｄｓとする構造計算ルート３の設計が可能である。さらに後述するような調湿・空調効果により、環境負荷を低減することができる。

上記の実施の形態において、コッター１６で木質部材１４とＲＣ部材１２の一体化を図る場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではない。木質部材１４の裏面にコッター１６を設けることに加え、木質部材１４の裏面に所定の間隔でビス等の連結部材をＲＣ部材１２のコンクリートに向けて突設してもよい。このようにすれば、ビス等の連結部材によって木質部材１４の座屈を防止することができる。また、ビス等の連結部材により部材耐力の低減が防止されるので、コッター１６と併用することで合成部材１０の部材耐力をより向上することができる。ビス等の連結部材は、木質部材１４の裏面側のコッター１６内に設けてもよいし、コッター１６がない部分に設けてもよい。

（柱梁接合部）
次に、本実施の形態の合成部材を柱に適用した柱梁接合部について説明する。
図２は、本実施の形態の合成部材１０を柱に適用した柱梁接合部の一例であり、（１）～（４）は梁が鉄骨梁の場合、（５）～（８）は梁がＲＣ（鉄筋コンクリート）梁の場合である。（１）は（２）のＡ－Ａ線に沿った断面図、（２）は（１）のＢ－Ｂ線に沿った断面図、（３）は（１）のＣ－Ｃ線に沿った断面図、（４）は（１）のＤ－Ｄ線に沿った断面図である。（５）は（６）のＥ－Ｅ線に沿った断面図、（６）は（５）のＦ－Ｆ線に沿った断面図、（７）は（５）のＧ－Ｇ線に沿った断面図、（８）は（５）のＨ－Ｈ線に沿った断面図である。

図２に示すように、合成部材１０を構成する木質部材１４は、柱梁接合部２６の仕口部２８で上下に分断される。仕口部２８は、略直方体状の鉄筋コンクリートからなり、その上下は合成部材１０を構成するＲＣ部材１２に連続している。図２（１）～（４）の鉄骨梁の場合の仕口部２８には、前後左右の四方からＨ形鋼からなる鉄骨梁３０が接続している。一方、図２（５）～（８）のＲＣ梁の場合の仕口部２８には、前後左右の四方からＲＣ梁３２が接続している。このような構成においては、木質部材１４が長期荷重を負担しないようにするため、木質部材１４の下端の脚部３４にクリアランスを設けておき、施工時において上部のＲＣ部材１２の躯体工事完了後に無収縮モルタル等でクリアランスを埋めることが好ましい。こうすることで、木質部材１４が長期荷重を負担しないため地震時等の水平荷重作用時の部材耐力が向上する。

図２（１）～（４）の鉄骨梁の場合、（５）～（８）のＲＣ梁の場合、いずれの場合においても、木質部材１４は柱梁接合部２６で分断されるため、水平荷重に対しては引張応力を負担することはなく圧縮応力のみを負担する。ＲＣと木の合成断面の平面保持を仮定すると、ＲＣ部材１２の有効せいＨが大きくなることで部材耐力が向上する。部材の塑性化領域においては、木質部材１４が終局耐力に達していなければ木質部材１４の脆性破壊は生じないため、二次設計ではＲＣ造と同等の構造特性係数Ｄｓを採用して設計することができる。

柱梁接合部２６では木質部材１４を機械的に接合しない。水平荷重時に圧縮縁となる木質部材１４角部のめり込みによる損傷や局部変形を防ぐために、図３（１）に示すように、木質部材１４の下端部の縁にアングル材等の保護材３６をビス等で取り付けることで、圧縮端を保護する。こうすることで、地震による繰返し荷重時に耐力劣化が生じず、靱性性能が向上する。負担応力によって端部のめり込みによる損傷や局部変形が懸念されない場合は、保護材３６は不要とすることもできる。

また、図３（２）に示すように、木質部材１４の縁切り位置は柱梁接合部２６の仕口部２８ではなく柱中央部３８に設けることも可能である。柱中央部３８の反曲点付近に木質部材１４の縁切りを設けた場合、木縁部の保護材３６は不要である。

図３（３）～（６）は、図２（１）～（４）の変形例を示したものである。図３（３）～（６）に示すように、柱梁接合部２６を跨ぐ態様で上下方向に延びる引きボルト４０を上下の木質部材１４に設け、上下に分断される木質部材１４を引きボルト４０で接続してもよい。引きボルト４０で引張応力を負担させることにより合成部材１０の耐力がさらに向上する。ただし、引張応力を受ける引きボルト４０の降伏耐力は、木質部材１４の引張耐力・めり込み耐力以下とし、靭性性能を確保した設計とすることが好ましい。図３（３）～（６）の例は鉄骨梁の場合における引きボルト４０の納まり例であるが、図２（５）～（８）のＲＣ梁の場合も同様に引きボルト４０を設けることができる。この場合の設計も上記と同様に行うことができる。

上記の実施の形態では、合成部材１０を柱部材として使用する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、合成部材をＲＣ梁や鉄骨梁などの梁部材として用いる場合にも同様に適用可能である。梁部材においても圧縮要素として木質部材１４を働かせることで、部材有効せいが大きくなり部材耐力が向上する。

（調湿・空調効果）
次に、調湿・空調効果について説明する。
木材は、周囲の湿度が高い時には内部に水分を吸収し、乾燥している時には内部の水分を空中に放出する調湿機能を持っている。合成部材１０のあらわしとなる木質部材１４の表面に凹凸加工を施す、もしくは凹凸加工を施した木材を張り付け、木が空気に触れる表面積を大きくとることで、木材のもつ調湿効果を最大化し室内環境負荷を低減することも可能である。図４に、木質部材の表面に施される凹凸加工の例を示す。また、木材は熱伝導率が鉄の約１／４３０、コンクリートの約１／１２と小さく、厚みのある木材を使用することで室内の温度変化を和らげる効果も期待できる。

（合成部材としての部材耐力）
次に、上記の合成部材１０としての部材耐力の設計方法について補足説明する。
水平荷重による曲げ応力作用時の断面内の応力度分布図を図５（１）に示す。水平荷重のみによる曲げ応力作用時において、合成部材１０の場合とＲＣ部材１２単体の場合の応力度分布を比較すると、合成部材１０の場合は圧縮側の木質部材１４が有効となるためコンクリートおよび鉄筋に作用する応力についてＣσｃ_１＜Ｃσｃ_２、Ｔ_１＜Ｔ_２となり作用応力が小さくなる。
ただし、
Ｃσｃ_１：合成部材のコンクリートに作用する圧縮縁応力度
Ｃσｃ_２：ＲＣ部材単体のコンクリートに作用する圧縮縁応力度
Ｔ_１：合成部材の鉄筋に作用する引張応力
Ｔ_２：ＲＣ部材単体の鉄筋に作用する引張応力

合成部材１０の部材耐力は、木質部材１４に作用する圧縮縁応力度Ｍσｃが木質部材１４の許容圧縮応力度Ｍｆｃに達したとき、コンクリートに作用する圧縮縁応力度Ｃσｃがコンクリートの許容圧縮応力度Ｃｆｃに達したとき、または引張鉄筋応力度ｒσｔが鉄筋の許容引張応力度ｒｆｃに達したときに対して求めたそれぞれの曲げモーメントのうち、最小値を許容曲げモーメントＭａとする。軸力については、長期軸力はＲＣ断面で負担し、水平荷重によって生じる圧縮力は全断面、引張力はＲＣ断面で負担する。断面算定時は下式を確認することが望ましい。
Ｍσｃ＜Ｍｆｃ、Ｃσｃ＜Ｃｆｃ、ｒσｔ＜ｒｆｔ

（軸力を受ける木質部材の座屈防止）
次に、軸力を受ける木質部材１４の座屈防止に関する設計方法について補足説明する。
水平荷重時にフレームとして部材に軸力が生じる場合は、合成部材１０として木質部材１４も軸力を負担する。木質部材１４の許容圧縮応力度を超えないよう木質構造用ビスまたはラグスクリュー等の連結部材で木質部材１４とコンクリートを結合することが望ましい。

圧縮力を受ける木質部材１４の算定式は、木質構造設計基準・同解説にしたがい下式による。
σｃ≦ηｆｃ
ただし、λ≦３０のときη＝１、３０＜λ≦１００のときη＝１．３－０．０１λ、１００＜λのときη＝３０００／λ^２
λ＝ｌｋ／ｉ
σｃ：木質部材に作用する圧縮縁応力度、ｆｃ：木質部材の許容圧縮応力度
η：材の細長比に応じて決まる座屈低減係数、λ：細長比
ｉ：座屈方向の断面二次半径

木質部材１４の座屈拘束のためのコンクリートと木の接合方法を図５（２）に示す。
木質構造用ビス等を介してコンクリートと接合することで木質構造用ビス等の間隔を座屈長さｌｋとする。有効な座屈長さｌｋとするためには、座屈方向に生じる力Ｐ（木質部材圧縮耐力の２％）に対して、コンクリート部のコーン破壊耐力Ｔａ１、木質構造用ビス等断面積の引張耐力Ｔａ２および木質構造用ビス等の木に対する引抜耐力Ｔａ３が大きいことが条件となる。

Ｐ＝０．０２Ａ・ｆｃ（Ａ：木質部材断面積、ｆｃ：木質部材の許容圧縮応力度）
Ｐ＜Ｔａ１＝Σ２ｄπ・ｆｓ（ｆｓ：コンクリートのせん断耐力、ｄ：木質構造用ビス等の突出長）
Ｐ＜Ｔａ２＝ΣＡｓ・ｆｔ（Ａｓ：木質構造用ビス等の有効断面積、ｆｔ：木質構造用ビス等の許容引張応力度）
Ｐ＜Ｔａ３＝Σｐａ（木質構造設計基準・同解説による）

（コッターによる軸力伝達）
次に、コッター１６による軸力伝達に関する設計方法について補足説明する。
ＲＣ部材１２と木質部材１４を一体化するため、ＲＣ部材１２に生じた応力を木質部材１４に設けたコッター１６を介して伝達する。木とコンクリートのコッター１６による接合部を図５（３）に示す。ＲＣ部材１２と木質部材１４の一体化のためには、コッター下部（コッター下部面積ＭＡ）に生じる応力度Ｍσｃが木質部材１４の許容圧縮応力度Ｍｆｃ以下であることが条件となる。コッター下部に生じる応力度Ｍσｃは、コッター間隔ｘと水平荷重によりコンクリート圧縮縁に生じる応力度Ｃσｃより、下式による。

Ｍｆｃ≦Ｍσｃ
＝Ｃσｃ・ｘ／ＭＡ

コッター１６と、木質部材１４の座屈防止のための木質構造用ビスを併用する場合には、図５（３）のようなコッター１６を有する領域に、上記の計算で求めた木質構造用ビスが必要ピッチで配置されることになる。

以上説明したように、本発明に係る合成部材によれば、長期荷重を支持するとともに耐火性を有する鉄筋コンクリート部材と、この鉄筋コンクリート部材の表面に接して設けられるとともに長期荷重を支持しない木質部材とを備える合成部材であって、鉄筋コンクリート部材と木質部材とを一体化するために、木質部材の鉄筋コンクリート部材に接する側の面に設けられたコッターをさらに備えることで、木質部材を構造体として利用しているので、合成部材として耐火被覆がなくても、耐火性を有するとともに、部材耐力を向上することができる。

また、本発明に係る他の合成部材によれば、木質部材の水平荷重作用時における応力負担時の座屈を防止するために、木質部材の鉄筋コンクリート部材に接する側の面に突設されたビスをさらに備えるので、木質部材の座屈を防止することができる。

また、本発明に係る他の合成部材によれば、長期荷重を鉄筋コンクリート部材のみで支持する機構とすることで、木質部材に対して耐火被覆を不要とする。長期荷重を負担しない部材に対しては、耐火性能は要求されないため、木質部材に対して耐火被覆を不要とすることができる。

また、本発明に係る合成部材の製造方法によれば、上述した合成部材を製造する方法であって、コンクリート用の型枠として木質部材を組み立てるステップと、木質部材の内側にコンクリートを打設して鉄筋コンクリート部材を構築するステップを有するので、合成部材を容易に製造することができる。

以上のように、本発明に係る合成部材およびその製造方法は、耐火建築物に有用であり、特に、部材耐力を向上した合成部材を得るのに適している。

１０合成部材
１２鉄筋コンクリート部材
１４木質部材
１６コッター
１８コンクリート
２０主筋（鉄筋）
２２せん断補強筋（鉄筋）
２４端部
２６柱梁接合部
２８仕口部
３０鉄骨梁
３２ＲＣ梁
３４脚部
３６保護材
３８柱中央部
４０引きボルト

Claims

長期荷重を支持するとともに耐火性を有する鉄筋コンクリート部材と、この鉄筋コンクリート部材の前後左右の表面に接して設けられるとともに長期荷重を支持しない木質部材とを備え、柱として使用される合成部材であって、
前記鉄筋コンクリート部材と前記木質部材とを一体化するために、前記木質部材の前記鉄筋コンクリート部材に接する側の面に設けられたコッターをさらに備えることで、前記木質部材を構造体として利用しており、
前記木質部材は、梁が柱に接続する柱梁接合部の仕口部で上下に分断されていることを特徴とする合成部材。
前記木質部材の水平荷重作用時における応力負担時の座屈を防止するために、前記木質部材の前記鉄筋コンクリート部材に接する側の面に突設されたビスをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の合成部材。
長期荷重を前記鉄筋コンクリート部材のみで支持する機構とすることで、前記木質部材に対して耐火被覆を不要とすることを特徴とする請求項１または２に記載の合成部材。
請求項１～３のいずれか一つに記載の合成部材を製造する方法であって、
コンクリート用の型枠として前記木質部材を組み立てるステップと、前記木質部材の内側にコンクリートを打設して前記鉄筋コンクリート部材を構築するステップを有することを特徴とする合成部材の製造方法。