JP2022031097A - 耐震壁 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄骨系の柱梁架構の構面内に設けられて、火災時に柱梁架構の耐火性能が低下するのを抑制可能な耐震壁を提供すること。【解決手段】木質耐震壁１は、鉄骨系の柱梁架構２の構面内に設けられる。木質耐震壁１は、柱梁架構２内に設けられた木質板からなる木質壁部１０と、木質壁部１０と柱梁架構２とを接合する接合金物２０と、接合金物２０の外側表面に沿って設けられた熱吸収部としてのモルタルブロック２６と、を備える。本発明によれば、火災により木質壁部１０が燃焼すると、火災で生じた熱や木質壁部１０の燃焼熱の一部がモルタルブロック２６に吸収されて、鉄骨梁４に伝わる熱量が低減され、温度の上昇が抑制される。よって、鉄骨系の柱梁架構２の耐火性能が低下するのを抑制できる。【選択図】図３

Description

本発明は、鉄骨系の柱梁架構の構面内に設けられる耐震壁に関する。

従来より、取付金物を介して木質壁を鉄骨部材に取り付けることが行われている（特許文献１、２参照）。
特許文献１では、木質壁の四隅に斜材が設けられており、これら斜材は、鉄骨柱と鉄骨梁との間に斜めに架設されている。
特許文献２では、木質壁パネルの四隅に荷重伝達部が設けられ、これら荷重伝達部は、鉄骨梁のフランジ上に固定されている。
ところで、建築基準法では、大型の建物について、火災時に鉄骨梁や鉄骨柱などの主要構造部が所定時間に亘って変形や損傷が生じない耐火構造とすることを規定している。しかしながら、特許文献１、２に示された構造では、火災により木質壁が燃焼すると、この燃焼熱が取付金物を介して鉄骨梁や鉄骨柱に伝達されるため、所定の耐火性能を確保できないおそれがあった。

特開２０１９－２１８６９４号公報 特開２０２０－１６０２２号公報

本発明は、鉄骨系の柱梁架構の構面内に設けられて、火災時に柱梁架構の耐火性能が低下するのを抑制可能な耐震壁を提供することを目的とする。

発明者らは、鉄骨系の柱梁架構内に設ける木質耐震壁として、木質壁部と柱梁架構とを接合する接合金物の外側表面に熱吸収部を設けることで、火災時に生じる木質壁部の燃焼熱の一部が熱吸収部で吸収されるため、柱梁架構に対して優れた耐火性能を備えた木質耐震壁を実現できる点に着目して、本発明に至った。
第１の発明の耐震壁（例えば、後述の木質耐震壁１、１Ａ～１Ｇ）は、鉄骨系の柱梁架構（例えば、後述の柱梁架構２）の構面内に設けられる耐震壁であって、前記柱梁架構内に設けられた木質板からなる木質壁部（例えば、後述の木質壁部１０）と、前記木質壁部と前記柱梁架構とを接合する接合金物（例えば、後述の接合金物２０、２０Ａ～２０Ｇ）と、前記接合金物に接して、または、前記接合金物の近傍に設けられた熱吸収部（例えば、後述のモルタルブロック２６、２６Ｄ）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、木質壁部と柱梁架構とを接合する接合金物に接して熱容量の大きい熱吸収部を設けた。よって、火災により木質壁部が燃焼した際には、燃焼熱が接合金物を介して鉄骨系の柱梁架構に伝達されるが、このとき、火災で生じた熱や木質壁部の燃焼熱の一部が熱吸収部に吸収される。したがって、接合金物に接してまたは接合金物の近傍に熱吸収部を設けることで、鉄骨系の柱梁架構に伝わる熱量を低減でき、柱梁架構の温度の上昇が抑制可能となる。よって、鉄骨系の柱梁架構の耐火性能が低下するのを抑制できる。
なお、熱吸収部は、例えば、接合金物の外側表面や接合金物の内側表面に設けられる。

第２の発明の耐震壁は、前記木質壁部と前記柱梁架構との間をセメント系材料で塞いだ閉塞部（例えば、後述の閉塞部３０）をさらに備えることを特徴とする。

この発明によれば、木質壁部と柱梁架構との間をセメント系材料で塞いで閉塞部とした。この閉塞部が木質壁部と柱梁架構との接合材となるので、木質壁部と柱梁架構との一体性が高まる。また、閉塞部が耐火被覆材として機能するので、木質壁部が燃焼した際には、熱吸収性材料に加えて閉塞部でも燃焼熱が吸収されて、鉄骨系の柱梁架構に伝わる熱量が低減し、鉄骨系の柱梁架構の耐火性能が低下するのを大幅に抑制できる。

第３の発明の耐震壁は、前記熱吸収部は、前記木質壁部の四隅、前記木質壁部の表面に沿った所定間隔おき、および、前記接合金物に当接する鉄骨梁のウエブ側面のうち、少なくとも１つに設けられることを特徴とする。

この発明によれば、熱吸収部を、木質壁部の一部、つまり、木質壁部の四隅あるいは木質壁部の表面に沿って所定間隔おきに接合金物を配置した。よって、熱吸収部の取付け箇所を少なくでき、木質壁部と柱梁架構とを比較的容易に接合できる。
また、熱吸収部を、接合金物に当接する鉄骨梁のウエブ側面に設けることで、鉄骨系の柱梁架構に伝わる熱量を低減でき、柱梁架構の温度の上昇が抑制可能となる。また、この熱吸収部は、鉄骨梁のウエブの補剛材としても機能する。

本発明によれば、鉄骨系の柱梁架構の構面内に設けられて、火災時に柱梁架構の耐火性能が低下するのを抑制可能な耐震壁を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る木質耐震壁の正面図である。 木質耐震壁の破線Ａで囲んだ部分の拡大図である。 木質耐震壁の接合金物の部分拡大側面図である。 図３の接合金物のＢ－Ｂ断面図およびＣ－Ｃ断面図である。 本発明の木質耐震壁に水平力が作用した場合の挙動を説明するための図である。 本発明の木質耐震壁が燃焼した場合の燃焼熱の伝わり方を説明するための図である。 熱伝導解析に用いた、木質耐震壁の一部の解析モデルの斜視図である。 熱伝導解析で得られた接合金物の温度変化を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る木質耐震壁の上部の正面図である。 図９の木質耐震壁のＤ－Ｄ断面図である。 本発明の第３実施形態に係る木質耐震壁の接合金物の斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る木質耐震壁の接合金物の斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る木質耐震壁の接合金物の側面図およびＥ－Ｅ断面図である。 第４実施形態に係る木質耐震壁が燃焼した場合の燃焼熱の伝わり方を説明するための図である。 本発明の第１の変形例に係る木質耐震壁の上部の正面図である。 本発明の第２の変形例に係る接合金物の斜視図である。 本発明の第３の変形例に係る接合金物の斜視図である。

本発明は、鉄骨系の柱梁架構の構面内に設けられた木質耐震壁である。この木質耐震壁では、熱吸収部が設けられた接合金物により木質壁部と柱梁架構とが接合されるとともに、木質壁部と柱梁架構との間をセメント系材料で塞いだ閉塞部が設けられている。
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実施形態に係る木質耐震壁１の正面図である。
木質耐震壁１は、鉄骨鉄筋コンクリート造の柱梁架構２の構面内に設けられる。
柱梁架構２は、一対の鉄骨鉄筋コンクリート柱３と、この一対の鉄骨鉄筋コンクリート柱３間に架設された上下一対の鉄骨梁４と、鉄骨梁４の上に設けられた床スラブ５と、を備える。
木質耐震壁１は、柱梁架構２内の水平方向中央部に設けられた木質板からなる矩形状の木質壁部１０と、木質壁部１０の四つの出隅部に設けられて柱梁架構２の鉄骨梁４に接合される接合金物２０と、木質壁部１０と柱梁架構２の鉄骨梁４との間をセメント系材料で塞いだ閉塞部３０と、を備える。つまり、木質壁部１０は、接合金物２０および閉塞部３０を介して、柱梁架構２に接合されている。
木質壁部１０を構成する木質板は、例えば、ＣＬＴや合板である。ＣＬＴ（Ｃｒｏｓｓ Ｌａｍｉｎａｔｅｄ Ｔｉｍｂｅｒ）は、木材から切り出したひき板（ラミナ）を繊維方向が直交するように積層して接着したものである。合板は、木材から切り出した単板を繊維方向が直交するように積層して接着したものである。
木質耐震壁１の鉄骨梁４との接合部分および鉄骨梁４は、けい酸カルシウム板６で覆われている。

図２は、図１の木質耐震壁１の破線Ａで囲んだ部分の拡大図である。
接合金物２０は、柱梁架構２に接合される架構接合部２１と、架構接合部２１から鉛直方向に延びて木質壁部１０の側端面に接合される壁接合部２２と、を備える。
図３は、接合金物２０の部分拡大側面図であり、図４（ａ）は、図３の接合金物２０のＢ－Ｂ断面図であり、図４（ｂ）は、図３の接合金物２０のＣ－Ｃ断面図である。なお、図３では、理解を容易にするため、けい酸カルシウム板６の表示を省略している。

架構接合部２１は、柱梁架構２の鉄骨梁４のフランジに沿って設けられた板状部材であり、この鉄骨梁４のフランジに複数のボルト２４で接合されている。
壁接合部２２は、木質壁部１０の出隅部の側端面１１に沿って延びる板状であり、この側端面１１に複数のビス２５で接合されている。これらのビス２５は、上下方向に所定間隔おきに複数列で設けられている。

接合金物２０の外側表面つまり架構接合部２１と壁接合部２２との入隅部には、熱吸収部としての熱容量の大きいモルタルブロック２６が設けられている。
また、接合金物２０の壁接合部２２の鉄骨梁４側の部分および架構接合部２１は、耐火被覆材として機能するけい酸カルシウム板６で覆われている。

閉塞部３０は、図３に示すように、柱梁架構２の鉄骨梁４に溶接固定されたスタッド３１にメッシュ筋３２を配筋し、グラウト材を充填したものである。この閉塞部３０の側面は、けい酸カルシウム板６で覆われている。

以上の木質耐震壁１は、柱梁架構２に水平力が作用した場合、以下のように動作する。すなわち、木質壁部１０の上下端面と鉄骨梁４との隙間を閉塞部３０で塞いだので、図５（ａ）に示すように、閉塞部３０を介して、柱梁架構２の鉄骨梁４から木質壁部１０に押圧力が伝達される。なお、この閉塞部３０は、鉄骨梁４の耐火被覆としても機能する。また、図５（ｂ）に示すように、接合金物２０により、この水平力が木質壁部１０の出隅部に確実に伝達される。
また、火災時には、木質壁部１０が燃焼すると、火災で生じた熱や木質壁部１０の燃焼熱が接合金物２０を介して鉄骨梁４に伝達されるが、このとき、図６に示すように、この熱の一部が接合金物２０の表面に設けたモルタルブロック２６に吸収されて、鉄骨梁４に伝わる熱量が低減し、温度の上昇が抑制される。

〔接合金物の耐火性能についての検証〕
以下、本発明の木質耐震壁を対象として、接合金物の熱吸収部による温度上昇抑制効果について検証した。具体的には、仮想三次元空間上に比較例および実施例の解析モデルを生成し、有限要素法による熱伝導解析を行った。ここで、比較例は、接合金物にモルタルを設けない構造とし、実施例は、接合金物にモルタルを設けた構造とした。

図７（ａ）は、解析モデルを一端側から視た斜視図である。図７（ｂ）は、解析モデルを他端側から視た斜視図である。図７（ｃ）は、解析モデルからけい酸カルシウム板を取り外した状態の斜視図である。
図７に示すように、今回の解析モデルは、木質耐震壁の図１中破線Ａで囲んだ部分（つまり木質耐震壁および鉄骨梁の１／４の部分）でかつ鉄骨梁の中心軸で二分割したものとした。さらに、解析モデルを以下のように設定した。鉄骨梁は、ＢＨ－４００×２００×１２×２２とした。床スラブは、厚さ１００ｍｍのＡＬＣ板とした。閉塞部は、厚さ７０ｍｍのモルタルとした。接合金物、閉塞部、ならびに、鉄骨梁の側面のうち接合金物および閉塞部に接続される部分は、厚さ６０ｍｍのけい酸カルシウム板で覆い、残りの部分つまり鉄骨梁のうち接合金物および閉塞部に接続されない部分は、厚さ２５ｍｍのけい酸カルシウム板で覆った。言い換えると、木質耐震壁が設置される鉄骨梁の側面は、厚さ６０ｍｍのけい酸カルシウム板で覆い、木質耐震壁が設置されない鉄骨梁は、厚さ２５ｍｍのけい酸カルシウム板で覆った。ただし、鉄骨梁端部の断熱境界面は、厚さ３５ｍｍのけい酸カルシウム板で覆った。鉄骨梁内部の空洞は、熱対流を無視して熱放射のみとした。また、木質壁部については、火災による焼失を想定し、モデル化は行っていない。

以上の比較例および実施例の解析モデルに対して、標準加熱温度曲線（ＩＳＯ８３４曲線）で２．４時間加熱し、鋼材温度を出力した。ここで、鋼材温度とは、接合金物の架構接合部と壁接合部との接合部分の温度である。図８は、熱伝導解析の解析結果（鋼材温度の経時変化）を示す図である。図８より、接合金物２０にモルタルを設けることで、鋼材温度の上昇を抑制できることが判る。具体的には、２時間加熱した時点で、モルタルなしでは約４６０℃であるが、モルタルありでは約４１０℃であり、鋼材温度を１１％低減できていることが判る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）木質壁部１０と鉄骨梁４とを接合する接合金物２０の外側表面に、熱容量の大きい熱吸収部であるモルタルブロック２６を設けた。よって、火災により木質壁部１０が燃焼すると、火災で生じた熱や木質壁部１０の燃焼熱が接合金物２０を介して鉄骨梁４に伝達される。このとき、火災で生じた熱や木質壁部１０の燃焼熱の一部がモルタルブロック２６に吸収されて、鉄骨梁４に伝わる熱量が低減され、温度の上昇が抑制される。よって、鉄骨系の柱梁架構２の耐火性能が低下するのを抑制できる。

（２）木質壁部１０と柱梁架構２の鉄骨梁４との間をセメント系材料で塞いで閉塞部３０としたので、この閉塞部３０が木質壁部１０と鉄骨梁４との接合材となり、木質壁部１０と鉄骨梁４との一体性が高まる。また、閉塞部３０が耐火被覆材として機能するので、木質壁部１０が燃焼した際には、モルタルブロック２６に加えて閉塞部３０でも燃焼熱が吸収されて、鉄骨梁４に伝わる熱量が低減するから、鉄骨系の柱梁架構２の耐火性能が低下するのを大幅に抑制できる。

（３）木質壁部１０の表面に全長に亘って接合金物および熱吸収部を配置するのではなく、木質壁部１０の四隅にのみ接合金物２０およびモルタルブロック２６を配置した。よって、接合金物２０の取付け箇所を少なくでき、木質壁部１０と柱梁架構２とを比較的容易に接合できる。

〔第２実施形態〕
図９は、本発明の第２実施形態に係る木質耐震壁１Ａの上部の正面図である。図１０は、図９の木質耐震壁１ＡのＤ－Ｄ断面図である。
本実施形態では、接合金物２０Ａの構造が、第１実施形態と異なる。すなわち、接合金物２０Ａは、木質壁部１０の表面に沿って所定間隔おきに設けられている。具体的には、接合金物２０Ａは、木質壁部１０の正面側および裏面側に、それぞれ３つずつ設けられている。
接合金物２０Ａは、断面略Ｌ字形状であり、柱梁架構２に接合される架構接合部２１と、架構接合部２１から鉛直方向に延びて木質壁部１０の側端面に接合される壁接合部２２と、を備える。架構接合部２１と壁接合部２２との入隅部には、熱容量の大きい熱吸収部であるモルタルブロック２６が設けられている。この接合金物２０Ａは、耐火被覆材として機能するけい酸カルシウム板６で覆われている。
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１１は、本発明の第３実施形態に係る木質耐震壁１Ｂの接合金物２０Ｂの斜視図である。
本実施形態では、接合金物２０Ｂの架構接合部２１と壁接合部２２との入隅部に、リブ４０が設けられている点が、第１実施形態と異なる。このリブ４０は、モルタルブロック２６に埋設されている。
本実施形態によれば、上述の（１）～（３）と同様の効果がある。

〔第４実施形態〕
図１２は、本発明の第４実施形態に係る木質耐震壁１Ｃの接合金物２０Ｃの斜視図である。
本実施形態では、接合金物２０Ｂの架構接合部２１の外側表面に、スタッドボルト４１が設けられている点が、第１実施形態と異なる。このスタッドボルト４１は、モルタルブロック２６に埋設されている。
本実施形態によれば、上述の（１）～（３）と同様の効果がある。

〔第５実施形態〕
図１３（ａ）は、本発明の第５実施形態に係る木質耐震壁１Ｄの接合金物２０の側面図である。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の木質耐震壁１ＤのＥ－Ｅ断面図である。
本実施形態では、モルタルブロック２６Ｄが、接合金物２０に接しておらず、鉄骨梁４の接合金物２０側の下フランジ７およびウエブ８の側面に接して設けられている点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、モルタルブロック２６Ｄは、鉄骨梁４のウエブ８の側面に設けた鉛直補強リブ間において、架構接合部２１に接する鉄骨梁４の下フランジ７と上フランジとの中間の高さ位置まで設けられている。
この木質耐震壁１Ｄでは、火災時に、木質壁部１０が燃焼すると、火災で生じた熱や木質壁部１０の燃焼熱が接合金物２０を介して鉄骨梁４に伝達されるが、このとき、図１４に示すように、この熱の一部がモルタルブロック２６Ｄに吸収されて、鉄骨梁４に伝わる熱量が低減し、温度の上昇が抑制される。

本実施形態では、モルタルブロック２６Ｄを、鉄骨梁４の下フランジ７と上フランジとの中間の高さ位置まで設けたが、これに限らず、鉄骨梁４の上フランジの高さ位置まで、つまり、下フランジ７と上フランジとの間の全高に亘って設けてもよい。このようにすれば、モルタルブロック２６Ｄを鉄骨梁４の下フランジ７と上フランジとの中間の高さ位置まで設けた場合に比べて、鉄骨梁４のウエブに対する補剛効果を高めることができる。
本実施形態によれば、上述の（１）～（３）の効果に加えて、以下の効果がある。
（４）モルタルブロック２６Ｄを、鉄骨梁４の下フランジ７およびウエブ８の側面に当接して設けることで、鉄骨梁４に伝わる熱量を低減でき、鉄骨梁４の温度の上昇が抑制可能となる。また、このモルタルブロック２６Ｄは、鉄骨梁４のウエブ８の補剛材としても機能する。

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２実施形態では、接合金物２０Ａを木質壁部１０の表面に沿って所定間隔おきに設けたが、これに限らず、図１５に示すように、接合金物２０Ｅを木質壁部１０の正面側および裏面側に全長に亘って設けてもよい。この接合金物２０Ｅは、耐火被覆材として機能するけい酸カルシウム板６で覆われている。このようにしても、上述の（１）、（２）と同様の効果がある。
また、上述の各実施形態では、熱吸収部を接合金物２０、２０Ａ、２０Ｂの外側表面に設けたが、これに限らず、接合金物の内側表面に設けてもよい。このように熱吸収部を接合金物の内側表面に設けた場合でも、火災による熱や木質壁部１０の燃焼熱の一部を熱吸収部が吸収し、柱梁架構２の耐火性能の低下を抑制することができる。
また、上述の各実施形態では、熱吸収部をモルタルで形成したが、これに限らず、熱吸収性に優れたコンクリート、石膏、熱吸収セラミック材のいずれかで形成してもよい。

また、上述の各第４実施形態では、接合金物２０Ｂの架構接合部２１の外側表面にスタッドボルト４１を設けたが、これに限らず、スタッドボルト４１の代わりに、図１６に示すように、頭付きスタッド４２を設けてもよいし、図１７に示すように、スタッドボルト４３およびナット４４を設けてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ…木質耐震壁（耐震壁）
２…柱梁架構 ３…鉄骨鉄筋コンクリート柱
４…鉄骨梁 ５…床スラブ ６…けい酸カルシウム板 ７…下フランジ ８…ウエブ
１０…木質壁部 １１…側端面
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ…接合金物
２１…架構接合部 ２２…壁接合部
２４…ボルト ２５…ビス ２６、２６Ｄ…モルタルブロック（熱吸収部）
３０…閉塞部 ３１…スタッド ３２…メッシュ筋
４０…リブ ４１…スタッドボルト ４２…頭付きスタッド
４３…スタッドボルト ４４…ナット

Claims (3)

1. 鉄骨系の柱梁架構の構面内に設けられる耐震壁であって、
   前記柱梁架構内に設けられた木質板からなる木質壁部と、
   前記木質壁部と前記柱梁架構とを接合する接合金物と、
   前記接合金物に接してまたは前記接合金物の近傍に設けられた熱吸収部と、を備えることを特徴とする耐震壁。
2. 前記木質壁部と前記柱梁架構との間をセメント系材料で塞いだ閉塞部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の耐震壁。
3. 前記熱吸収部は、前記木質壁部の四隅、前記木質壁部の表面に沿った所定間隔おき、および、前記接合金物に当接する鉄骨梁のウエブ側面のうち、少なくとも１つに設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の耐震壁。

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