JP6071752B2

JP6071752B2 - 構造部材

Info

Publication number: JP6071752B2
Application number: JP2013111143A
Authority: JP
Inventors: 久光梶川; 耕平杉山; 仁之高木
Original assignee: Misawa Homes Co Ltd
Current assignee: Misawa Homes Co Ltd
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: JP2014227807A

Description

本発明は、建築用や土木用の構造部材、例えば、梁や柱に関する。

建物等の構造部材として用いられる梁には、コンクリートからなるものや、木材からなるものや、鋼材からなるものの他、これらの材料の良さを兼ね備えた複合材からなるものがある。
例えば、コンクリートと木材とからなる複合梁として、断面略正方形のコンクリート基材の４側面に木材薄板をそれぞれ高圧接着した従来例がある（特許文献１）。
特許文献１の従来例では、軸方向に沿って炭素繊維の連結糸条を芯材とするＦＲＰ補強筋が配筋されており、このＦＲＰ補強筋には、プレストレスが導入できるようになっている。

特開平５−３３１９５９号公報

特許文献１で示される従来例では、コンクリート基材表面に設けられた木材薄板は、天然木材の優れた風合いを出すために用いられるものであって、梁の強度を維持するために用いられるものではない。
さらに、軽量化等のために梁を薄くし、薄くした部分に鉛直荷重をかける構造とすることが考えられる。しかし、梁を薄くし、その薄くした部分に荷重をかけると、座屈が生じるおそれがある。
特許文献１では、木材薄板がコンクリート基材に対して接着固定されているが、座屈が生じた際には、木材薄板がコンクリート基材の表面に接着されていても、座屈防止には十分に機能しない。

本発明の目的は、荷重だけでなく座屈にも強い構造部材を提供することにある。

本発明の構造部材は、図面を参照すると、セメントを含む無機材料で成形された板状基材２と、この板状基材の内部に設けられたＰＣ鋼棒３１と、前記板状基材の互いに反対側に位置する面２Ａ，２Ｂにそれぞれ対向配置された木質板材４と、これらの木質板材を連結するとともに、前記板状基材を貫通する連結部材５とを備えたことを特徴とする。
本発明では、前記板状基材と前記木質板材とは梁を構成するものとしてもよい。

この構成の発明では、木質板材を互いに対向配置し、これらの木質板材の間にプレストレスをかけたＰＣ鋼棒を配置し、互いに対向配置された木質板材同士を連結部材で連結する。その後、これらの木質板材の間にセメントを含む無機材料を水で錬った状態で投入して養生すると、例えば、モルタルやコンクリートからなる板状基材が成形される。板状基材が成形された状態では、互いに対向配置された木質板材同士が板状基材とともに連結部材で連結されている。
このように製造された構造部材を、木質板材と板状基材との対向面が荷重のかかる方向を含む面と平行になるように配置する。例えば、構造部材を梁として用いる場合には、木質板材と板状基材との対向面が鉛直面内に位置するように配置する。
この構造部材の中間部分に荷重がかかると、その荷重が無機材料を含む板状基材で強固に支持されることになる。特に、本発明では、板状基材にはＰＣ鋼棒が設けられているので、構造部材自体にプレストレスがかけられており、荷重に対して大きな強度を有することになる。

ここで、構造部材の軽量化等のために、構造部材を薄くすると、荷重を支持する板状基材に座屈が生じるおそれがあるが、本発明では、板状基材の両側の面に木質板材が配置されているので、木質板材のもつ弾性力によって板状基材が座屈によって変形することが防止される。しかも、これらの木質板材が板状基材ごと連結部材で互いに連結されているので、木質板材が板状基材から剥がれることがない。

本発明では、前記板状基材の前記木質板材の対向する面と交差する交差面と、前記木質板材の前記板状基材に対向する面と交差する交差面とが同一面上にあり、これらの交差面が露出している構成が好ましい。
この構成では、板状基材と木質板材との交差面が同一面上にあり、かつ、露出しているので、これらの交差面に接合される他の建築資材がモルタルやコンクリート等の無機材料であっても、あるいは、木質であっても、容易に接合することができる。

本発明の一実施形態にかかる梁の正面図。図１のII-II線に沿った矢視断面図。図１のIII-III線に沿った矢視断面図。梁の要部を示す断面図。梁の中心に荷重をかけた際の変位と荷重との関係を示すグラフ。（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の変形例にかかる梁の図３に相当する断面図。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２には、本実施形態にかかる構造部材の全体構成が示されている。本実施形態の構造部材は、例えば、建築用や土木用として用いられる梁１である。
図１及び図２において、梁１は、正面が長方形の板状基材２と、この板状基材２の内部に設けられた２本のＰＣ鋼棒３１及び１本の異形鋼棒３２と、板状基材２の正面２Ａと背面２Ｂとにそれぞれ配置された木質板材４と、これらの木質板材４を連結するとともに板状基材２を貫通する連結部材５と、ＰＣ鋼棒３１の両端部を係止するために板状基材２の長手方向側の両端部に設けられた端板６とを備えた構成である。

板状基材２は、その長手方向と直交する鉛直断面が長方形とされている（図３参照）。
板状基材２は、セメント、砂を含む無機材料を水で錬って成形されるモルタルや、セメント、砂、砂利または砕石等の無機材料を水で錬って成形されるコンクリートからなる。モルタルとして、無収縮モルタルを例示することができる。

ＰＣ鋼棒３１は、板状基材２の下部において、板状基材２の長手方向に沿って配置されており、予め、プレストレスが付与された鋼棒である。
ＰＣ鋼棒３１は、所定径であり端部に雄ねじ部３１１Ａが形成された軸状の本体３１１と、この本体３１１の両側部に設けられ端板６に係止される係止部３１２とを有する。
異形鋼棒３２は、板状基材２の上部において、ＰＣ鋼棒３１と平行に配置されており、その両端部は、それぞれ端板６から突出している。

木質板材４は、その平面形状が板状基材２の平面形状と同じ長方形であって、所定の厚み寸法を有する。
連結部材５は、木質板材４の長手方向に沿ってそれぞれ複数個からなる２列が配置されている。このうち、上方に１列となって複数個が配置された連結部材５は、異形鋼棒３２の下方に位置するとともに異形鋼棒３２の長手方向と直交するように配置されている。
下方に１列となって複数個が配置された連結部材５は、２本のＰＣ鋼棒３１の間においてＰＣ鋼棒３１の長手方向と直交するように配置されている。
端板６は、所定の木質材料、例えば、木質板材４と同じ材料から形成された板材であり、板状基材２及び木質板材４の端面を覆うに十分な大きさを有する。

図３及び図４において、１つの連結部材５は、２枚の木質板材４及び板状基材２を貫通する１本のボルト５１と、このボルト５１に螺合される複数個のナット５２とからなり、それぞれ２個のナット５２によって、１枚の木質板材４が挟持されている。
板状基材２の正面２Ａと背面２Ｂとにそれぞれ交差する交差面としての上面２Ｃと木質板材４の交差面としての上面４Ｃとは同一面上にあり、かつ、それぞれ露出されている。同様に、板状基材２の交差面としての下面２Ｄと木質板材４の交差面としての下面４Ｄとは、同一面上にあり、かつ、それぞれ露出されている。板状基材２の上面２Ｃ及び木質板材４の上面４Ｃと、板状基材２の下面２Ｄ及び木質板材４の下面４Ｄとの少なくとも一方は、木製あるいは無機材料製の構造部材（図示せず）に接合可能となっている。

以上の構成の梁１を製造するには、まず、予め所定位置にボルト挿通用の孔が形成された２枚の木質板材４を互いに所定間隔あけて対向配置し、これらの木質板材４の端部同士に端板６を、接着剤等を用いて接合する。
さらに、２枚の木質板材４の間を連結部材５で連結し、互いに対向する端板６にＰＣ鋼棒３１及び異形鋼棒３２をそれぞれ架け渡す。ＰＣ鋼棒３１には従来と同様の方法でプレストレスをかける。
その後、２枚の木質板材４と２枚の端板６とで囲まれた空間にセメント、砂等の無機材料を水で錬ってスラリー状にしたものを流し込み、所定時間養生させて硬化させる。

従って、本実施形態では、次の効果を奏することができる。
（１）セメントを含む無機材料で成形され板状基材２と、この板状基材２の内部に設けられたＰＣ鋼棒３１と、板状基材２の正面２Ａと背面２Ｂにそれぞれ対向配置された木質板材４と、これらの木質板材４を連結するとともに板状基材２を貫通する連結部材５とを備えて梁１を構成したから、梁１の上面又は下面の所定位置、例えば、中間位置にかかる鉛直方向の荷重を、無機材料からなりＰＣ鋼棒３１でプレストレスがかけられた板状基材２で強固に支持できる。しかも、梁１を薄くしても、板状基材２の正面２Ａと背面２Ｂとに木質板材４が配置され、かつ、これらの木質板材４が板状基材２ごと連結部材５で互いに連結されているので、木質板材４のもつ弾性力によって板状基材２が座屈によって変形することを防止することができる。

（２）板状基材２の上面２Ｃと木質板材４の上面４Ｃとが同一面上にあり、板状基材２の下面２Ｄと木質板材４の下面４Ｄとが同一面上にあり、これらの面が露出している。そのため、これらの面に接合される他の建築資材がモルタルやコンクリート等の無機材料であっても、あるいは、木質であっても、容易に接合することができる。

（３）互いに対向配置される２本のＰＣ鋼棒３１の間に複数の連結部材５を並べて配置したので、複数の連結部材５が適正な位置に配列される。そのため、梁１の製造を容易に行うことができる。

（４）連結部材５を、１本のボルト５１と、このボルト５１に螺合されるとともにそれぞれ１枚の木質板材４を挟持する複数個のナット５２とを備えて構成した。そのため、互いに対向する２枚の木質板材４の位置決めがボルト５１及びナット５２で行われるので、２枚の木質板材４の間に無機材料を水で錬ったスラリーを流し込む際に、木質板材４の間の間隔がずれることがなく、梁１を精度よく製造することができる。

次に、本実施形態の効果を確認するための実施例について説明する。
［梁の寸法］
板状基材２の長手方向に沿った梁の長さが４０００ｍｍであり、梁成が２４０ｍｍであり、厚み寸法（正面と背面との間の寸法）が４５ｍｍである。
板状基材２は、セラマックス−７７０（商品名）からなるモルタルからなる。
ＰＣ鋼棒３１は、φ１７ｍｍのものを２本用いる。
異形鋼棒３２は、Ｄ１６のものを１本用いる。

木質板材４は、ＪＡＳ構造用単板積層材１４０Ｅ−４５０からなり、その厚み寸法は３０ｍｍである。
木質板材４の上端と上の列に配置された連結部材５の中心とは、４０ｍｍとされ、木質板材４の下端と下の列に配置された連結部材５の中心とは、４０ｍｍとされ、上下の連結部材５の中心の間の寸法は、１６０ｍｍとされる。梁長手方向に沿って隣合う連結部材５の間の寸法が２５０ｍｍである。連結部材５はＭ１２ボルトからなる。

［実験］
以上の構成の梁１の両端部を、異形鋼棒３２が上方に向き、ＰＣ鋼棒３１が下方に向くように図示しない試験台に支持させる。そして、梁１の上面の中心に下方に向けた荷重を繰り返してかけ、その際の変位を測定する。
［実験結果］
図５は梁の中心に荷重をかけた際の変位と荷重との関係を示すグラフである。
図５において、加力１回目Ｐ１の荷重の最大値Ｐ１maxが１６０ｋＮであり、その際の変位が４８ｍｍである。加力２回目の荷重の最大値Ｐ２maxが１４６ｋＮであり、その際の変位が４１．６ｋＮである。なお、１４０Ｅ予測値Ｐmaxは９９．６ｋＮである。ここで、１４０Ｅ予測値は、１４０Ｅのレベルで同断面の梁を使用した場合の最大耐力（最大加重）である。

加力１回目において、荷重Ｐ１_δ＝10mmは４８ｋＮであり、加力２回目において、変位が１０ｍｍとなる荷重Ｐ２_δ＝10mmは４１．６ｋＮであり、１４０Ｅ予測値において、変位が１０ｍｍとなる荷重Ｐ_δ＝10mmは２６．２ｋＮである。なお、Ｐ_δ＝10mmは日本建築学会が定めた撓み基準値Ｌ／300を示す。
これに対して、一般在来工法で使用されている梁材（Ｅ８５−Ｆ３００）からなる比較例の荷重Ｑは、最大値が５８ｋＮであり、実施例に比べて補強効果が低いことがわかる。

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以下に示される変形をも含むものである。
例えば、前記実施形態では、異形鋼棒３２を設けたが、本発明では、異形鋼棒３２に代えてＰＣ鋼棒３１を用いてもよい。即ち、本発明では、板状基材２に設けられる鋼棒は全てＰＣ鋼棒３１であってもよい。ＰＣ鋼棒３１の本数は２本に限定されるものではない。さらに、梁の断面形状は図３に示されるものに限定されるものではない。

即ち、本発明の梁１は、図６に示される断面形状のものであってもよい。例えば、図６（Ａ）に示される通り、ＰＣ鋼棒３１を１本としてもよい。なお、図６（Ａ）において、板状基材２を挟んで配置された２枚の木質板材４の互いに反対側に位置する端面には、それぞれ木材片４０が板状基材２及び木質板材４の長手方向に沿って配置されており、木材片４０は木ビスで２枚の木質板材４にそれぞれ取り付けられている。図６（Ｂ）に示される通り、板状基材２１の正面と背面との中心部分をそれぞれ外に向けて突出させた形状とし、木質板材４１の板状基材２１の正面と背面とに対向する部分を凹ました形状としてもよい。図６（Ｂ）で示される例も、図６（Ａ）で示される例と同様に、木材片４０が２枚の木質板材４にそれぞれ木ビスで取り付けられている。

さらに、図６（Ｃ）に示される通り、板状基材２２の正面２Ａと背面２Ｂとの中心部分をそれぞれ内に向けて凹ました形状とし、木質板材４２の板状基材２２の正面２Ａと背面２Ｂとに対向する部分を突出させた形状としてもよい。この際、板状基材２２の下部は厚さ方向の寸法を大きくとることができるので、ＰＣ鋼棒３１を水平方向に並べて複数本（図では２本）配置するものでもよい。同様に、板状基材２２の上部は厚さ方向の寸法を大きくとることができるので、異形鋼棒３２又はＰＣ鋼棒３１を複数本配置するものでもよい。図６（Ｃ）で示される例も、図６（Ａ）（Ｂ）で示される例と同様に、木材片４０が２枚の木質板材４にそれぞれ木ビスで取り付けられている。
また、図６（Ｄ）に示される通り、木質板材４３の上下寸法を板状基材２３の上下寸法より短くし、木質板材４３の上端面と下端面とをそれぞれ板状基材２３の上部と下部とで覆う構造としてもよい。この際、板状基材２３の下部は厚さ方向の寸法を大きくとることができるので、ＰＣ鋼棒３１を水平方向に並べて複数本配置するものでもよく、板状基材２３の上部は厚さ方向の寸法を大きくとることができるので、異形鋼棒３２又はＰＣ鋼棒３１を複数本配置するものでもよい。

さらに、前記実施形態では、板状基材２の上面２Ｃ及び下面２Ｄがそれぞれ露出した構成としたが、本発明では、これらのうちの一方、あるいは双方を木質板材で覆う構成としてもよい。
また、連結部材は、２枚の木質板材４を所定間隔離して連結できるものであれば、その具体的な構成が問われるものではなく、例えば、１本のボルトと１個のナットとから構成するものでもよく、あるいは、１本のロッドと、このロッドを貫通する複数本のピンとから構成するものでもよい。

さらに、本発明の梁１の具体的な寸法は、実施例に例示されたものに限定されるものではない。
また、本発明の構造部材は、梁に限定されるものではなく、柱であってもよい。即ち、柱であっても、所定の位置において水平方向の荷重を受けることがあるので、本発明の構成を採用することで、荷重だけでなく座屈に対しても強いものとなる。

本発明は、建築用や土木用の構造部材に利用することができる。

１…梁（構造部材）、２，２１，２２，２３…板状基材、２Ａ…正面（互いに反対側に位置する面）、２Ｂ…背面（互いに反対側に位置する面）、２Ｃ，４Ｃ…上面（交差面）、２Ｄ，４Ｄ…下面（交差面）、３１…ＰＣ鋼棒、３２…異形鋼棒、４，４１，４２，４３…木質板材、５…連結部材、６…端板

Claims

セメントを含む無機材料で成形された板状基材と、この板状基材の内部に設けられたＰＣ鋼棒と、前記板状基材の互いに反対側に位置する面にそれぞれ対向配置された木質板材と、これらの木質板材を連結するとともに、前記板状基材を貫通する連結部材とを備えたことを特徴とする構造部材。
請求項１に記載された構造部材において、前記板状基材と前記木質板材とは梁を構成することを特徴とする構造部材。
請求項１又は請求項２に記載された構造部材において、前記板状基材の前記木質板材の対向する面と交差する交差面と、前記木質板材の前記板状基材に対向する面と交差する交差面とが同一面上にあり、これらの交差面が露出していることを特徴とする構造部材。