JP2021105302A - 建築物の制振構造 - Google Patents

Abstract

【課題】構造躯体だけの状態（上棟時）であっても地震に強い家屋の制振構造を提供し、さらに取付施工性、断熱効果を失うことがなく合板、石膏ボードの打ち付けにも適した制振構造の提供を課題とする。【課題を解決するための手段】家屋の制振構造であって、断面矩形の長尺素材によって形成された土台２および土台２を支える基礎４と、土台２と平行に配置される横架材３と、横架材３を支える垂直材１２と、一辺を土台２の横幅寸法以下に形成しこの一辺に直交する他辺を前記基礎４の横幅寸法以上に形成した矩形断面を有する木製の角柱体１を有し、角柱体１の下端部を土台２又は基礎４に固定するとともに角柱体１の上端部を互いの相対移動を減衰させる制振手段を介して横架材３に連結したことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、建築物の制振構造に関するものである。

日本家屋の一般的な建築方法に木造軸組工法がある。この工法は、はじめにコンクリート製の基礎を設け、この基礎の上に土台となる長軸の角材を固定し、この土台の上に複数本の柱（垂直材）を立て、この柱に軒や梁等の横架材を固定し、筋違いを取り付けて構造躯体を形成するものである。また、地震に対する家屋の耐性を高める方法として、この構造躯体に取り付ける特許文献１等に示されたダンパー等を用いた制振構造が開発されている。

公開２０１５−１７５０９９号公報

上記木造によって形成した家屋は、構造躯体に壁板や各種の部材を取り付けることで風や地震に対する耐風耐震強度を持つようになっている。特許文献１に示された制振装置は木造の建築物に鉄骨などで形成した制振装置を設置するものであり、上棟時に取り付けるのは難易度が高く上棟が遅延するので上棟後にしか設置できない構造となっている。このため、上棟時の構造躯体だけの時期に強い地震や風による揺れが発生すると倒壊する危険性が大きかった。
また、特許文献１に記載された制振構造は金属フレームを使用するものであるが、金属部分は熱伝導率が高いため、外壁を構成する壁面の内部に収容した場合、外壁の断熱性が低下してしまう。このため断熱処理に特別な配慮が必要になる。
また、木造建築物の制振性向上のために使用する金属製のダンパーは、工場から一括供給される構造躯体を形成するプレカットされた木材類とは別個に現場配送されるようになっている。このため、現場配送のタイミングが合わないと建設が遅れることがあり、部品手配のためにコストが割高になるという問題点があった。さらに、壁の中に金属製のダンパーには釘等のファスナー部材を打ち込めないので、金属製のダンパーを避けて打ち込まなければならない。すなわち、金属製のダンパーを設けた部分には壁材である合板、石膏ボードの打ち付けができず、さらに合板、石膏ボードの打ち付けができるように間柱等の内外装下地材を別途加工、配置する必要があった。

本発明は、当該事情に鑑み発明されたものであって、断熱性に最小限の影響とし、建物を構成する材料と同一材を使用することで施工性を向上させ、安価な構造でありながら上棟時における構造躯体だけの状態であっても制振性に優れた建築物を提供することを課題とするものである。さらに、安価で断熱効果を失うことがなく合板、石膏ボードの打ち付けにも適した手段の提供を課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る建築物の制振構造は以下の構成を有する。すなわち、
断面矩形の長尺素材によって形成された土台および当該土台を支える基礎と、前記土台と平行に配置される横架材と、当該横架材を支える垂直材と、一辺を前記土台の横幅寸法以下に形成し当該一辺に直交する他辺を前記土台の横幅寸法以上に形成した矩形断面を有する木製の角柱体を有し、当該角柱体の下端部を前記土台又は基礎に固定するとともに当該角柱体の上端部を互いの相対移動を減衰させる制振手段を介して前記横架材に連結したことを特徴とする建築物の制振構造。

また、上記建築物の制振構造において、前記制振機構を、前記角柱体の上端部若しくは前記横架材に装着したプレートと、制動力を伴って当該プレートを狹持する前記横架材若しくは前記角柱体の上端部に設けた狹持手段によって構成したことを特徴とする。

また、上記建築物の制振構造において、前記角柱体が、集成した木材によって形成した角柱であることを特徴とする。

また、上記建築物の制振構造において、前記横架材を支える垂直材が柱若しくは壁体であることを特徴とする。

本発明は、外壁部に使用しても断熱性への影響を最小限とし、施工性に優れ安価な構造でありながら、上棟時に他の構造体と同時に施工できるので、構造躯体だけの状態であっても地震等に強い制振構造を提供することができるという効果を有している。
また、本制振構造の主要な要素である角柱体は、木造建築において一般的なプレカットされた他の部材と同様に、製材工場でプレカットされた木材の集成材による角柱によって形成することができる。このため、家屋の骨格を成す構造躯体を組み立てる上棟段階で、他の部材と同様に角柱体を用いた制振手段の取り付けを行うことができ、運搬及び施工効率よく建築を進めることができるという効果を有している。
さらに、角柱体を木材で形成しているため、合板、石膏ボードの打ち付け用の下地として使用することができるので、特許文献１のように別部材として間柱等の下地材の加工及び配置が不要であるという効果を有している。
本発明に係る制振構造に用いる角柱体は、最適な例としては木造建築物の構造躯体を構成する木材と同様に加工工場によってプレカット加工されたものであることが好ましい。一方において、角柱体は木材であるので鋼材等によって完成品として形成された制振装置と異なり切る、削る、穴を開けるといった建築現場での加工が容易である。このため、使用する制振手段の仕様を変更する場合や、追加的な制振手段や他の機能手段を設けるといった対応が行いやすいという効果を有している。

本発明に係る制振構造の外観図である。 本発明に係る制振構造の一部を分解して表した斜視図である。 制振構造の他の例を表した説明図である。 制振構造の動作を説明するための説明図である。 制振手段の他の例を表した説明図である。

図１は、木造建築を構成する構造躯体に設けた制振構造の説明図であり、図２は同制振構造の一部を分解して表した斜視図である。
この制振構造は、角柱体１を有することを特徴とする。角柱体１は、土台２又は基礎４と軒若しくは梁として設けられる横架材３の間に配置されるものである。図１に示した例は、角柱体１を土台２の上面に対して金具５を用いて強固に固定した場合を表している。土台２は、コンクリート製の基礎４の上に配置されたプレカットされた木材による長軸の角材であり、基礎４に設けられたアンカーボルト１３を利用してナットにより固定されている。
また、図３に示した例のように角柱体１の下端部を湿気の影響の無い基礎４の途中まで埋め込むように配置し、下げアンカーボルト１４ａおよび／又は固定金具１４ｂを使用した強固な２方向接合方法を採用する事も可能である。この場合には、土台２に対するアンカーボルト１３による固定を省略する事も可能である。

木造建築の場合、角柱体１は土台２の長手方向に直交する横幅に対して土台２の長手方向に沿った縦幅を広く形成した矩形断面を有するプレカットされた木材によって形成された角柱が好ましい。角柱体１は、地震時に水平応力負担（特に土台２の長手方向に沿った方向に生じる応力）に耐える事が可能な部材である。最適な例として、土台２の長手方向に直交する角柱体１の横幅は土台２の幅と同一で壁厚（外壁と内壁の間の空間）内に収容可能な寸法であることが望ましい。また、土台２の長手方向に沿った角柱体１の縦幅（長さ）は、横幅と比較して２倍以上の長さに形成されるのが望ましい。このような形状にすることにより、前記の通り地震等の揺れによる水平応力によって生じる変形に対向可能な強い抵抗力を得ることが可能になる。

図２に示した例の場合、角柱体１は上述した断面形状と土台２に対する金具５用いた強固な固定により土台２と一体化することができる。これにより、地震時の揺れに伴う応力を受けた場合であっても、角柱体１自体の曲げ等の変形を最小限にするとともに、土台２に対する上端部の変位量を極めて少なくすることが可能になっている。
また、図３に示した例は、角柱体１をコンクリート製の基礎４に直接固定するものである。この構造では、角柱体１は土台２および基礎４と一体化したのと同様の高い剛性を発揮することができ、地震によって基礎４が長手方向に振動した場合であっても、基礎４に対して直立した状態を維持することが可能になる。
上記の構造において地震による揺れが生じると、土台２又は基礎４と同期して振動する角柱体１の振動周期と振幅は、柱を構成する垂直材に取り付けられた横架材３の振動周期および振幅と異なるものになる。この振動の周期および振幅が異なる両者を、制振手段である摩擦抵抗を利用した制動機構によって結合すると、前述した通り横架材３の振動を減衰させる効果が生じる。すなわち、横架材３の振動を減衰させることができ、これに伴い家屋全体の振動を軽減させる効果を生じるようになっている。なお、制振手段は上記のような摩擦抵抗を利用したものに限らず、減衰効果を有したゴムその他の手段を用いても良い。

角柱体１の上部には、一例として制振機構の一部を構成する鉄製若しくはステンレス製の制動プレート６を設けている。制動プレート６の素材は、アルミニウム、ゴム系素材その他硬質樹脂で構成してもよい。制動プレート６は、ディスクブレーキに例えると車輪に取り付けられたディスク（ロータ）に相当するものである。
制振機構の一部を構成する制動プレート６は、角柱体１の上端部の中央に形成したスリット７内に装着され、角柱材１の側面から横幅方向に貫通して差し込まれる固定ピン８によって固定されている。制動プレート６は、板面の上半部が角柱材１の上端中央から突出した状態で配置され、次に述べる制動部材９によって摩擦力を伴って表裏面を挟持される（挟み込んで保持する力を受ける）ようになっている。このスリット７や固定ピン８を通す孔の加工は、構造躯体を構成する他の木材と同様に予め工場において行われるプレカット加工によって行われる。

制動部材９は、一例として制動プレート６を挟持する一対の板状のパッドとして形成される。パッドは金属繊維、カーボン繊維、セラミック質、ゴムなどの素材によって形成されるものであり、制動プレート６との間で高い摩擦力や減衰効果を発揮するものが望ましい。また、制動部材９は保持部材１０に保持された状態で横架材３に設けられている。保持部材１０は、２枚で一対を成す金属板を有しており、それぞれパッド状の制動部材９を保持するとともに、制動部材９に対して制動プレート６を挟む圧力を与えている。保持部材１０は、横架材３の底面に設けた収容凹部（図示せず）内に装着されるとともに、横架材３の側面から貫通して差し込まれる固定ピン１１によって固定されている。固定ピン１１は、ドリフトピンと称されているものであり、金具を取り付ける際の固定手段として一般的に用いられているものである。
制動プレート６を挟む圧力は、一例としてボルトとナットの締結力を利用して調整される。なお、この調整手段の詳細な説明は省略するが、制動部材９を保持する構造を含め様々な方法があり本明細書に示した例に限られないものである。

木造建築の場合、土台２の長手方向に沿った角柱材１の両側には横架材３を支える垂直材としての柱１２が設けられている。柱１２は、角柱材１の有無に関わらず横架材３など構造体の垂直荷重を支えるものであり、土台２の長手方向に沿って概ね等間隔に複数本設けられている。角柱材１は、土台２の長手方向に沿って配置された一組の柱１２、１２の中間に設けられている。角柱材１は、全ての柱１２、１２又は壁の中間に設ける必要はなく、選択された複数組の柱１２、１２の中間に設けられる。
なお、上記の例は、柱１２によって横架材３を支える構造を有しているが、柱１２に換えて壁体を構成する構造体によって横架材３を支えるものであってもよい。壁体とは、土台２と横架材３の間に形成された空間を満たすように配置された壁面を有する剛性を有した構造体である。この場合、柱１２の一方又は双方を、壁体を構成する構造体に置き換え、それらの間に角柱材１を配置するように構成してもよい。

本実施の形態に係る制振機構は、土台２又は基礎４に強固に固定した角柱材１と異なる振動周期および振幅によって振動する横架材３を、抵抗を伴いながら相対移動可能な状態で係合させることを特徴としている。
図４は、地震による揺れに伴って柱１２の上方がＸ１方向に傾き（１２’）、横架材３が同Ｘ１方向に移動した状態（３’）を表している。横架材３の水平方向の振幅が大きくなると、横架材３よりも上に構築された階上の構造体の振幅が大きくなる。したがって、地面の揺れ幅よりも横架材３の揺れ幅を少なくすることが必要である。また、地面の振動と家屋の固有振動が共振すると、振幅を増大させてしまうので共振させないことが重要である。

本実施の形態に係る制振機構は、地震によって揺れる柱１２および横架材３を、地面に対してほぼ垂直を維持している角柱体１の上端に制動手段を介して結合することで減衰させている。これは、一般の木造建築に使用する柱１２等の結合とは異なるものであり、揺れが同期せず構造躯体の自由振動を減衰させる構造になっている。

建物が制振構造を有しておらず、かつ建物の固有振動数が地震の揺れと共振するような状態が生じた場合、建物の振幅が増幅し倒壊する可能性が高まる。本実施の形態に用いる制振機構は、角柱体１の上端に取り付けた制動プレート６と横架材３に設けた制動部材９が摩擦力やゴムや各種素材の弾性変形等を利用した他の減衰手段を伴って係合して減衰しているので、角柱体１に対する横架材３の相対移動に制動力を作用させるようになっている。これは、角柱体１に対する横架材３の移動を許容しつつ振幅を小さく抑える効果を有している。
本実施の形態に係る制振機構は、上記のような制振構造によって横架材３の振幅が増幅するのを抑制し家屋倒壊の危険性を低減させるものとなっている。また、色々な形状、部材を使用する事が可能で、製造及び取り付けもいたって簡略である事を特徴とする。

角柱体１は、他の構造躯体と同一材を使用できるため、構造躯体と同様に同一の生産設備を使用して製造することができる。すなわち、プレカット工法として数値制御された切削機械を使用して作られるものであり、建築現場において即座に組み立てることができる木材と同様に製材工場で一括生産される。プレカットとは、家屋の建築に必要な木材を、マシニング等の工作機械による加工によって予め部品化して提供する工法のことであり、製材工場から建築現場に一括搬送された加工済みの木材を組み立てることで構造躯体を形成可能にしたものである。角柱体１は、このような構造躯体の構成する部材としてプレカットされた木材であるので、特別な機能部品として別発注する必要は無い。

また、角柱体１を設ける部分は一般的な家屋の建築要素である土台２、柱１２および横架材(梁、軒）３を外枠とする壁の内部であり、従来工法では間柱を設けたり断熱材を封入する空間である。この空間の外壁部分には合板（コンパネ材）が装着され、内壁部分には石膏ボードが装着される。合板、石膏ボードを取り付けるにはネイラー（釘打ち機）が用いられるが、一般的には釘を止める間柱等の下地材が必要である。角柱体１は、木材であるので金属による部材と異なり釘を止める間柱の役割も果たすことができ、かつ金属素材と比較して熱伝導率が低く断熱効果を有しているので角柱体１を配置した部分には間柱および断熱材が不要である。

制振機構の構造は、上記の例に限らず図５に示した形態のものでもよい。同図に示した制振機構は、前述した制動プレート６に相当する制動プレート２６を横架材である梁（若しくは軒）２３の下面から突出するように取り付けている。制動プレート２６は、横架材２３を貫通するドリフトピン２１によって固定される。
また、制動プレート２６を挟持する一対の板状のパッドからなる制動部材２９を保持した保持部材３０を角柱体２０の上端部に取り付けている。パッドは前述したものと同様に、金属繊維、カーボン繊維、セラミック質、ゴムなどの素材によって形成されており、制動プレート２６との間で高い摩擦力や減衰効果を発生するようになっている。
また、保持部材３０は、制動部材２９を取り付ける対向した板状部２３、２３を有するＵ字形状の板金金具であり、板状部２３、２３を連結する底部２４を角柱体２０の上端面２５に固定している。
この例に示した制振機構は、前述した制振機構と同様に土台に固定した角柱体２０と横架材２３を摩擦による制動力を伴って係合させるものであり、横架材２３が長手方向に揺れようとした場合にその揺れ幅を小さくする作用を有している。

本発明は、地震による倒壊を防止する家屋等の制振構造に利用可能である。

１ 角柱体
２ 土台
３ 横架材(梁、軒）
４ 基礎
５ 金具
６ 制動プレート
７ スリット
８ 固定ピン
９ 制動部材
１０ 保持部材
１１ 固定ピン
１２ 柱（垂直材）
１３ アンカーボルト
１４ａ 下げアンカーボルト
１４ｂ 固定金具
１５ 空間（限界震幅）
２０ 角柱体
２１ ドリフトピン
２３ 板状部
２４ 底部
２５ 上端面
２９ 制動部材
３０ 保持部材

Claims (4)

1. 断面矩形の長尺素材によって形成された土台および当該土台を支える基礎と、前記土台と平行に配置される横架材と、当該横架材を支える垂直材と、一辺を前記土台の横幅寸法以下に形成し当該一辺に直交する他辺を前記土台の横幅寸法以上に形成した矩形断面を有する木製の角柱体を有し、当該角柱体の下端部を前記土台又は基礎に固定するとともに当該角柱体の上端部を互いの相対移動を減衰させる制振手段を介して前記横架材に連結したことを特徴とする建築物の制振構造。
2. 前記制振手段を、前記角柱体の上端部若しくは前記横架材に装着したプレートと、制動力を伴って当該プレートを狹持する前記横架材若しくは前記角柱体の上端部に設けた狹持手段によって構成したことを特徴とする請求項１記載の建築物の制振構造。
3. 前記角柱体が、集成した木材によって形成した角柱であることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の建築物の制振構造。
4. 前記横架材を支える垂直材が柱若しくは壁体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の建築物の制振構造。
   
   

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