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February 3, 2020

OSB大開口耐力壁

大開口や開放性の高い空間をつくるにはラーメン構造の採用が有効であるが、木造ラーメンの構造設計はモーメント抵抗接合部の評価や確認申請における審査側の理解に難がある。一方、耐力壁構造は大開口や開放性の高い空間をつくるには難があるが、一定の仕様のもとでの実験等で水平耐力の評価が公的になされていれば確認申請でも審査側に理解を得られやすい。これらのことから、在来軸組構法の軸組内にラーメンフレーム要素を入れたラーメンフレーム的な耐力壁構造を考案し、大開口や開放性の高い空間とモーメント抵抗接合部の評価や確認申請における審査側の理解を得やすくすることを目的とする。本案は、2インチ材とOSBを組み合わせて構成したラーメンフレームパネルを軸組内に挿入することで、開口率の大きな軸組構法用の耐力壁をつくるものである。ラーメンフレームパネルは、2インチ材で縦横枠材を構成したロの字フレームのペアの間に、縦横枠材が接合されるパネルゾーン部分にカットしたOSBを挿入したものである。2インチ材とOSBを多数のビスで縫うことで２面せん断によるモーメント抵抗を発現させる。OSBの形状は、応力集中の緩和や開口率の向上を狙って円弧状にカットしている。挿入するOSBは１枚でもよいが、２～３枚に増やすことでビスに対するOSBの支圧面積を増やして剛性と耐力の向上をさせることも可能である。このラーメンフレームパネルを軸組内にセットし、枠材を軸組の柱と横架材にビス止めして完成する。化粧あらわしの耐力壁に共通する課題として、柱頭柱脚の引き抜き力を負担するホールダウン金物やコーナー金物を設けにくいことがある。このため柱頭柱脚はホールダウンパイプや引きボルトなど、軸組内に内包されるディテールを使うことになる。

February 3, 2020

重ね透かし梁

長スパンを架け渡すための一般的な木造の組立梁としてトラス梁、アーチ梁、サスペンアーチ梁等があるが、これらは形状が安定しやすい三角形や応力の伝達がスムーズな連力図に近い構造形態にし、その力学的合理性を有用した構造である。この力学的合理性を優先した形態は、部材に様々な角度を持たせることが多いことから、接合部設計、加工や組み立てがやや高度になる。また、これらの組立梁を化粧あらわしにする場合には、それによってできる空間が構造的な志向性を帯びることになる。一方、縦横材のみで構成する木造の組立梁のひとつに、重ね梁や重ね透かし梁がある。これらは水平にした小中断面の木材を縦に積層させ、積層材間のずれを飼木、ダボ、車知、ドリフトピン等のシアキーを設けることで抑制させ、一体性を高めようとするものである。このため、シアキーの欠損があっても積層材の一定の断面性能を確保できる角材が用いられることがほとんどである。重ね梁や重ね透かし梁の見えがかりは基本的に横材だけになるため、上述のトラス梁とは異なった特徴的な美観を持つ。以上の背景から、ディメンションランバーの２インチ材を主体にし、簡易に加工・組立ができ、日本の伝統的な美観を持つ重ね透かし梁を考案した。水平な２インチ材を積層するところまでは一般的な重ね梁と同じであるが、2インチ材を材厚分だけ離して合わせた挟み梁の間に、シアキー代わりの斜材を挿入することで積層材間のずれを止める方法を採っている。この重ね透かし梁の力学的なシステムには２つ側面がある。ひとつは、上述のように積層材間のずれを斜材とビス接合によって止める重ね梁としての側面。もうひとつは、最上段の積層材を上弦材、最下段の積層材を下弦材、その中間の積層材を腹材もしくは束材と見立てたトラス梁としての側面である。後者は、上弦材に加わった鉛直荷重を腹材が下弦材レベルまで伝達し、この力を下弦材と斜材の引張軸力で釣り合わせるというメカニズムになる。上弦材は、圧縮軸力と曲げ・せん断力を負担するとともに、スパン中間に継手を設ける必要があるが、下段の腹材の上に継手を設ければ、継手による性能低下はほとんどない。継手部には飼木を設けることで一定の曲げ・せん断性能を確保する。また、上弦材の座屈は上弦材の上にOSBや構造用合板などで構面をつくることで抑える。下弦材は材長が20フィート以下になる場合は継手を設ける必要はないが、それ以上のスパンになる場合は、飼木とビスを用いて十分な引張耐力を持つ継手を検討する必要が出てくる。スパンや設計荷重の大小に対しては、構成材のサイズに加え、積層する段数と挟み材の枚数、斜材の枚数などで最適な構成を見つけることが可能である。また積層の仕方を工夫することで腹材部分に開口を設けることができ、重ね透かし梁としての軽快な美観を付与できる。

January 7, 2020

ハイブリッド張弦梁

張弦梁は、上弦材を曲げ・せん断応力および圧縮軸力を負担させる梁材とし、下弦材を引張軸力のみを負担させる細い鋼材等にすることで、長スパンを持つ大空間を軽快な美観で実現する構造である。本提案は、上弦材に2インチ材による挟み材、下弦材に丸鋼、束材に4インチ材を用いる。常時荷重時に主に圧縮力および曲げ・せん断力を負担する上弦材は、数枚の2インチ材を材厚分だけ離して合わせて束ねた挟み梁形式とし、ラップ形式の継手を設けながら奇数枚と偶数枚の挟み梁を交互に繋いでつくる。上弦材の横座屈は、屋根面にOSBや構造用合板などで構面をつくることで抑える。張弦梁では、積雪や風による偏荷重や吹き上げに対しては上弦材のみで抵抗させるため、不安定状態や過大な変形を生じないよう、上弦材に一定の曲げ剛性と耐力を持たせる必要がある。引張力のみを負担する下弦材は、強度と剛性の高い鋼材を使用することで部材径を細く抑え、長さ調整や張力コントロールがしやすい丸鋼を採用する。圧縮軸力を負担する束材は4インチ材を用いて座屈しにくくする。上弦材と束材の接合は、先端にホゾ加工した束材を挟み梁に挿し込んでビス止めし、支圧で応力伝達を行わせる。束材と下弦材の接合は、束材の木口にスリットを設けておき、ここに角度を持った２本の丸鋼の羽子板と支圧プレートを挿し込み、１本のボルトで止め付けて行う。束材の圧縮軸力は、木口の支圧力によって支圧プレートに伝達され、２本の羽子板には支圧プレートからボルトのせん断力によって分力として伝達される。スパン両端部における上弦材と下弦材の接合は、方向を急変させながら大きな軸力を伝達させるため、ディテールには最も注意を払う必要がある。そこで、３材構成となっている上弦材の2インチ材の内、中心の材を途中で止め、そのスペースに飼木を挿し込んで両側の2インチ材にビス止めで固定し、飼木を貫通させた下弦材の丸鋼を座金とナットで定着させる。

January 7, 2020

卍型レシプロ格子梁

外周の柱や壁を支点としてディメンションランバーを卍形状に配置したレシプロカル構造である。荷重を直交２方向に均等に流すことで合理性が生まれるため、正方形の部屋を架け渡すのに適している。ディメンションランバーの最大材長20フィートを超えるスパンにも使用可能である。上下面がフラットなため、陸屋根だけでなく、高さ方向にスペースが確保しにくい中間階の床にも使える。異なる荷重やスパンの条件に対しては、ディメンションランバーの断面や並べるピッチで適応させる。一定の長さにカットしたディメンションランバー２材を一組のユニットにし、このユニットを直交２方向にレベルをずらしながら総体として卍形状を構成するようレイアウトし、縦方向に配置したストラットで繋いでレシプロカル構造を構成する。またこれらの構成により、ビス留め程度の簡易な接合と繊細な美観を実現する。ストラットを太いサイズのものにすれば、少し切削してユニットを嵌め合わせることで、ビス本数を減らすことが可能である。

January 7, 2020

平行弦トラス梁

一定の長さにカットしたディメンションランバーを軸方向にストレートに繋いで長い上弦材をつくり、この下部に逆台形状に配置したディメンションランバーの下弦材を設け、上弦材と下弦材同士を、ハの字状に配置した角材の束で連結することでできるトラス梁。常時鉛直荷重に対して、上弦材には圧縮軸力・曲げモーメント・せん断力、下弦材には引張軸力が生じる。上弦材にかかる荷重をハの字状の束で圧縮軸力によって下方向に流し、これを下弦材の引張軸力で吊りあわせる仕組みである。このため、圧縮軸力を負担する束は座屈抑制のために角材を使用している。上弦材と下弦材は端部で打ち消し合うことでつり合い、スラストを生じさせないため、支持構造を合理化できる。上下弦材を複数の合わせ材の構成とすることで、上下弦材と束との接合部の混雑を解消するとともに、荷重やスパンの大小に対応させる。上下弦材の継手は挟み材方式とビスで構成し、ディメンションランバーの多面せん断により軸力やせん断力を伝達させる。上弦材と束の仕口は、上弦材の隙間に先端を枘加工した束を差し込みビス留めし、２面せん断で応力を伝達する。下弦材と束の仕口も同様の考え方によるが、の３材が集まるため、奇数枚と偶数枚の合わせ材で構成して差し込み合った下弦材の交差部に、束をあててビスで固定する方法としている。

January 7, 2020

縦格子型耐力壁

建物の外壁の計画では、外部への眺望や採光・換気のための窓と、耐震耐風のための耐力壁が取り合う。また、外壁は建物の顔になる場合が多いことから、耐力壁を設けるにしても、意匠性の高いものを配置したいケースは多い。このような背景から、透過性・意匠性・耐震性の高い耐力壁として、ディメンションランバーを主体にした縦格子形耐力壁を考案した。縦格子は日本の伝統的な意匠であり、建具や欄間など、古来から様々なデザインに取り入れられている。縦格子形耐力壁は、隙間を設けながら2インチ材を縦に並べた縦格子ユニットをつくり、その上下左右に設けた縦横の枠材を介して軸組に取り付ける。縦枠材を軸組の柱にビスで止め付けるため、ビス打ちのスペースとして縦格子ユニットと縦枠材の隙間を大きく設けている。また、縦格子ユニットは横枠材にホゾ差しとし、横枠材はドリフトピンやビスで横架材に接合する。格子ユニットのレイアウトは様々なものが考えられ、耐力壁の性能と美観をコントロールすることも可能である。縦格子形耐力壁に加わる水平力は、横架材→横枠材→縦格子ユニット→横枠材→土台の順にせん断力として伝達される。せん断力の伝達は、横架材と横枠材間はドリフトピンまたはビス接合、横枠材と縦格子ユニット間はホゾ接合の支圧によってなされる。縦格子ユニットがせん断力を負担するとユニット自体が回転しようとするが、これを上下の横枠材で拘束し、横枠材に生じるせん断力は更に外側にある横架材と縦枠材を介して柱に伝達させる。この際、縦格子ユニットの両端は大きな圧縮・引張軸力を負担するため、ユニット両端だけ404材を使う。404材と横枠材の接合はLSB接合等によって一定の引張耐力を持たせられると耐力壁としての性能は更に向上すると考えられる。縦格子ユニットは、隣接するディメンションランバー同士のせん断力の伝達はビスによってなされるが、１本の構造用ビスで３材のディメンションランバーを貫通させ、より少ない本数でせん断性能を向上させる。

January 7, 2020

山形トラス梁

日本は降雨が多いため、一定の勾配もった屋根、特に建物幅が大きくなる場合は切妻屋根が多い（片流れ屋根だと一方の屋根高さが過大になり不経済になるからである）。屋根勾配を最低３～４寸勾配以上確保できる場合、軒レベルより上に高さ方向のスペースが生まれるため、大スパンを支持できるトラスを配置することができる。トラス梁の形状は様々なものが考えられるが、切妻屋根に最もフィットするのは、屋根面に沿って上弦材を、軒レベルに水平に下弦材を配置する山形トラス梁である。この山形トラス梁は、常時鉛直荷重に対して、上弦材には主に圧縮力および曲げせん断力、下弦材には主に引張力が生じる。このため、トラスの構成で特にポイントになるのは、上弦材の曲げ応力の低減と、引張力を負担する下弦材の継手のディテール、そして、一節点に多数の部材が集まることによる接合部の混雑の解消である。主に圧縮力および曲げ・せん断力を負担する上弦材は、数枚の2インチ材を材厚分だけ離して合わせて束ねた挟み梁形式とし、棟位置で屈折させることにより山形フレームをつくる。上弦材の端部から頂部までの寸法が2インチ材の最大定尺20フィートを超える場合は、中間にラップ形式の継手を設ける。上弦材の横座屈は、屋根面にOSBや構造用合板などで構面をつくることで抑える。主に引張力を負担する下弦材は、上弦材と同様に数枚の2インチ材を挟み梁形式で構成する。下弦材をスパン全長に引き通すため、2インチ材をラップ形式の継手で連結していく。以上の構成によって屋根の外形と軒レベルの水平ラインとで大きな三角形ができるが、上弦材の材長が大きい場合は、屋根荷重によって上弦材の曲げ応力と変形が過大になってしまう。そこで、三角形の内部をフィンクトラスで構成することとした。上弦材の中間部を圧縮束で支持し、この圧縮束を下弦材と頂部付近から降ろしてきた吊束で釣り合わせるシステムである。圧縮束には座屈しにくい４インチ材、引張となる吊束は2インチ材を用いている。上下弦材や吊束を複数の挟み梁形式とし、各接合部で奇数材と偶数材で交差するように部材構成を工夫することで接合部の混雑を解消でき、構成材の数を変えることで荷重やスパンの大小に対応させることができる。更に、仕口や継手部分にはせん断面が多くできるため、多面せん断による効率的な応力伝達が可能になる。接合部には構造用ビスを用いれば簡易なディテールで実現できる。上弦材と圧縮束の仕口は、上弦材の隙間に先端を枘加工した圧縮束を差し込みビス留めする。圧縮束と吊束と下弦材の接合部では、まず吊束と下弦材を挟み梁形式で接合し、圧縮束を交点から少し偏心させて吊束に挿し込むディテールとしている。これによって吊り束には曲げモーメントが生じるため、材せいをアップしている。吊束と上弦材の接合部も吊束を偏心させて上弦材に挿し込むことで接合部の混雑を解消している。

January 7, 2020

ラーメンフレーム

間口の狭い敷地では細長い平面形状になりやすく、かつ道路側に採光のための大きな窓を設け、室内の部屋も間口幅一杯に確保するような計画が一般的である。このような平面計画で問題になるのが、短手方向の水平力（地震、風）に対する水平耐力要素をどう確保するかである。木造では水平耐力要素を一般的には耐力壁にするが、このような平面計画では、短手方向の水平力を負担できる十分な量の耐力壁を配置することが難しいことがよくある。木造はRC造や鉄骨造と逆で、耐力壁形式が一般的でラーメン形式が特殊とされる。木造ラーメンが特殊とされるのは、柱と梁の接合部でモーメントを効率よく伝達できるモーメント抵抗接合をつくるのが難しいとされているからである。なぜなら、柱梁接合部では、木材の繊維方向が直交して取り合うことと、組み立ててつくるために隙間によるガタが生じやすいからである。このような背景のもと、ディメンションランバーを用いたラーメンフレームを考案した。ディメンションランバーの２インチ材は幅広で薄いという寸法的特徴を持つことから、柱と梁を複数枚の２インチ材で構成し、それらを交差させてできるパネルゾーン部にビスを打つことでモーメント抵抗接合をつくるものである。接合面積を広く確保できるためビスを多数打てることに加え、多面せん断による効率的な応力伝達が可能になる。このラーメンフレームを910～1000㎜程度の間隔で並べることで、短手方向の水平力を負担させる。この構造の課題は柱の座屈である。柱の構成部材が38㎜厚のディメンションランバーであるため、柱の圧縮軸力や曲げモーメントによって弱軸方向に座屈しやすくなる。これに対する解決方向は複数考えられる。例えば、２インチ材間の38㎜の隙間に、同じく２インチ材の飼木を挟み、ビスや接着剤等で止め付けて、柱を合成化する方法がある。あるいは、隣り合うフレーム同士を桁で連結して構造用合板を張ることで合板耐力壁を構成し、直交方向となる長手方向の水平力を負担させるとともに、柱の弱軸方向の座屈を抑える方法もある。

January 7, 2020

サスペンアーチ梁

一定の長さにカットしたディメンションランバーを軸方向に折線状に繋いだ上下弦材でレンズ形状をつくり、相互に束で連結することでできるサスペンアーチ梁。上下弦材は、例えば、２材と３材、３材と４材というように、奇数と偶数の部材ユニットを交互に配置し挿し込んでビス止めし、ユニット相互に角度を少し設けることで折線の部材をつくっていく。鉛直荷重に対して、上弦材には圧縮軸力・曲げモーメント・せん断力、下弦材には引張軸力が生じる。上下弦材は端部で打ち消し合うことでつり合い、スラストを生じさせないため、支持構造を合理化できる。積雪や風圧による偏荷重に対しては、束をラチス状に配置することによって梁全体に曲げ剛性・耐力を持たせて抵抗させる。束には引張軸力だけでなく圧縮軸力が生じるため、座屈抑制のために角材を使っている。上下弦材を複数の合わせ材の構成とすることで、上下弦材と束との接合部の混雑を解消するとともに、荷重やスパンの大小に対応させる。上下弦材の継手は挟み材方式とビスで構成し、ディメンションランバーの多面せん断により軸力やせん断力を伝達させる。上下弦材と束の仕口は、上下弦材それぞれの隙間に先端を枘加工した束を差し込みビス留めし、２面せん断で応力を伝達する。

January 7, 2020

OSBレシプロ格子梁

外周の柱や壁を支点、OSB充腹梁をユニットとしてこれを卍形状に構成したレシプロカル構造である。荷重を直交２方向に均等に流すこと合理性が生まれるため、辺長比が小さい正方形に近い平面形状の部屋を架け渡すのに適している。上下面がフラットなため、陸屋根だけでなく、高さ方向にスペースが確保しにくい中間階の床にも使える。 OSBを縦使いとして梁として用いようとする場合、梁せいは910㎜、1220㎜を確保できるが、材長が最大3050㎜であることから、単純梁形式ではこれ以上のスパンを架け渡すことができない。また材厚が9㎜と薄いため、曲げモーメントによる横座屈が課題となる。この構造的課題は、レシプロカル構造と格子構造を組み合わせたレシプロカル格子構造によって解決することができる。即ち、スパンより短いユニットを両端ピン接合で繋いでいっても、レシプロカル構造の仕組みによって、架構全体としてモーメントを伝達することが可能になる。また、ユニット横座屈については、格子構造によって、一方のユニットが直交して取り付くユニットによって水平方向の変形を一定間隔で拘束するため、座屈拘束の効果が生まれる。ユニットは、小断面の受材でつくった下地にOSBを両面から釘やビスで止めつけて製作する。このユニット同士は、一方のユニット端を直交するユニット中間の側面でジョイントされるが、この部分は、直交ユニットの側面に受材をビス止めしておいて、これに取り付いてくるもう一方のユニットの２枚のOSBで受材を挟んでビスや釘止めして接合する。レシプロカル構造では組み立てのための手順や取り付け方向が課題になるが、この方法であればスムーズに組み立てることができる。