杉板を用いた折り曲げアーチ架構の開発研究 [ PDF

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(1)杉板を用いた折り曲げアーチ架構の開発研究. 牟田隆一 1. はじめに. ものとし、居住性を考慮した上で、標準寸法は内法ス. 1.1 研究背景・目的. パン 3,640mm、内法高さ 2,740mm を想定している。. 近年、木の特性であるめり込みを評価することが可. 3. 構法概要. 能となったことをうけ、建築分野の柱と梁を基本とし. 制作手順を示す ( 図２)。本架構は工場で制作され. た伝統的な仕口加工技術 ( 貫、相欠き ) に対して構造、. た 2 種類のアーチ部材と床材とで構成されている。. 構法的研究がなされてきた。しかし日本には建築分野以外にも伝統的な木加工技術は多く見られる。その一つに桶、樽、船に用いられる曲げ加工技術が挙げられる。これらは木のしなやかさを利用した、ある種のシェル構造を形成している。曲げ加工を建築に応用することができれば、意匠的に人に優しい印象を与えるとともに、構造的にも木のしなやかさを再評価することにもつながる。特に幅厚比が大きい板材は、柔軟性に富. 図 1 仮設店舗イメージ. み、木材の乾燥が容易で早い。. 1. 部材作製（工場制作）. そこで、新しい木材の活用法として、建築材料で一般的に流通する杉板材を素材として用い、平面状態で. 櫛状パーツ. 組んだ部材を折り曲げて、ストレスをかけることで自. ボルト接合. 櫛状パーツ. ボルト接合. 立するアーチ形状の構造体 ( 以下本研究では折り曲げ【アーチ部材】. アーチ架構と称す ) を考案した。本架構の開発にあたりその基本的な考え方を示す。. 櫛状パーツ. (1) 曲面構造体である。(2) 入手容易な杉の一般製材品を材料としている。(3) 単純な加工のみで制作される。 (4) 折りたたみ可能な架構である。. 櫛状パーツ. 【床材】. 2. アーチ架構建方（現地組立） ①アーチ部材の折り曲げ. 従って本研究は、折り曲げアーチ架構の開発を目的 ②チェーンブロックによる引き寄せ. とし実建築への適用可能性を考察する。 1.2 研究方法. 3 つの流れで実建築への適用可能性を考察する。. チェーンブロック ③ワイヤーによる仮固定. ①構法の概要と曲げ加工試験 , ②水平加力試験（押し加力及び引き加力試験、頂部引き加力試験）, ③建方試験 ①から本架構の特徴を、②から軽量構造物において支配的である風荷重への耐力と頂点仕口の挙動を明ら. ワイヤーによる固定. かにし、③から施工上の要点を考察する。. ④床材の取り付け. 2. 建物の用途. 本架構は住宅や、屋根架構など、様々な用途に利用床板. 可能であると考えているが、折りたたみ可能な構造体であることから、仮設店舗や屋台といった利用法も考. 櫛状パーツ【床材】. えられる ( 図 1)。アーチ架構を形成するにあたり、使. 図 2 折り曲げアーチ架構制作手順. 用部材は一般的に流通している寸法で 4m を超えない 33-1. 櫛状パーツ【床材】.

(2) どちらの部材も板材を櫛状に組み合わせたパーツ ( 以. 形状ⅰ). 下櫛状パーツ ) で構成されている。工場制作された. 4,150. アーチ部材は、運搬後、現場にて構造体を形成する。. 形状ⅱ). 3.1 櫛状パーツ. 櫛状パーツは、外材、内材、床材の 3 組制作する。. 6,790. いずれの場合も設計寸法長に切断した杉材を並べ、通し材を重ねて木ネジで接合するのみである ( 図３)。【内材】. 【外材】. 【床材】通し材（内材）外材. w1. 4,000. w2. w1. w1. w2. 3,700.5. 3,600. 内材. w2. w（w 1 2）＝290.5（320.5） w（w 1 2） =200(200） t=20 t=30. w（w 1 2） =170(200) t=30. 形状ⅲ). 図 3 櫛状パーツの種類と寸法. 3.2 アーチ部材. アーチ部材は、櫛状パーツの外材と内材、通し材 ( 足元 ) を重ねて端部をボルト接合する ( 図 4)。端部のみ接合しているので、アーチ部材は 4,150mm から. 形状ⅳ) 3,640. 6,790mm まで可動する部材となる。従ってアーチ部材は , 組み立て後全長 4,150mm、厚 80mm となり、ボルト接合(φ12). 通し材（足元）. 通し材（外材）. 外材内材. 4,000. 通し材（内材）. 組み立て前. 図 5 アーチ部材の形状変化. の部材長さ. ン 4,695mm から設計値の 3,640mm まで足元を引寄. (4,000mm). せるのに必要な引張力は、0.85kN であった（図７）。. とほとんど. 3,200mm で載荷を終了したが、試験体の状況から、. 変わらない. まだスパンを狭めることができるように推定される。. 状態で収ま. 曲げ加工中、頂部の内材と外材の接点は、ほとんど移動せず、安定していた。. る。. 図 4 アーチ部材. 内材に圧縮力が働くた. 3.3 アーチ部材の形状変化と曲げ加工試験. め、通し材 ( 内材 ) と外 ①床材を挿入する. アーチ部材は、アーチ架構を形成するにあ. 合にも関わらず、安定す. たり、図５のような形. ると考えられる。. 状変化を伴う。形状ⅲ）から引張力を加える過図 6 曲げ加工試験状況. ②床板を接合し、ワイヤーを取り外す. 程での応力と変形の. 3.3 床材. 床材は、アーチ部材の復元力へ抵抗するためのたが. 関係を曲げ加工実験により求めた（図６）。初期スパ. 箍として働き、最終的な ③アーチ部材の復元力により、床板がかみ合う。アーチ架構のスパンを決. 1.2. 定する。仮固定の段階で. 1. は設計値より曲げ、アー. 荷重 P(kN). 0.85 0.8 0.6. 3,640. ④内法寸法が設計値の3,640ｍｍとなる. 0.4. 設計値：3640 0 4695. チ部材の復元力により床材が締め固められ安定する ( 図 8)。. 0.2 0. 材の接点の位置は、未接. 200 4495. 400 4095. 600 800 1000 4395 3895 3695 変位 (mm) スパンL（mm）. 1200 3495. 1400 3295. 3.4 小結. 載荷終了：3200. 1600 3095. ⑤残りの床板を接合する. 図 7 曲げ加工試験結果. 図８床の取り付け. 33-2. 以上より本構法の特徴として以下 3 点が挙げられる。 ① 板材を組み.

(3) 合わせた単純な櫛状パーツによって構成される。②. 常の木造軸組特有のスリップ型履歴曲線とは異なり、. アーチ部材は、折りたたみ可能であり建設時に折り曲. 水平力が 2 ヶ所で緩やかな勾配となる階段状の曲線. げることで立体化する。意匠的に曲面の空間が得られ. となっている ( 網かけ範囲 )。これは外材に直接加力. るとともに、曲げることで、未接合の頂点が安定する. していることが影響しており、網かけ以外の範囲では. 木材の弾性を生かした架構である。③床材は櫛状パー. アーチ部分の局所的な変位が架構全体の変位より卓越. ツにより自由にスパンの変更ができる。経年変化に. しているためと考えられる。. 伴いアーチ部材をさらに引寄せる必要が生じた場合に. 4.4 考察. は、床板の一部を取り外し床材をスライドさせ再度、. 福岡市における本架構の風荷重は 1.36kN となる. 床板をとりつけることでスパンの変更に追従可能である。. が、このとき見かけの変形角は、頂部引き加力時に. 4 水平加力試験. 1/67rad であった。この値は集中荷重によるものであ. 4.1 試験概要. り、実際に風が及ぼす分布荷重ではこれより小さい値. 風が及ぼす分布荷重を等価な集中荷重に置き換え、. を示すことが予想される。しかし実建築の適応を考. 加力試験を行なった。押し加力及び引き加力試験では、. えると変形が大きいため、それに追従する仕上げ材の. 油圧式ジャッキにより見付の面積の 1/2 に強制変位. 検討が必要である。また、アーチ頂点部分の挙動は、. を与え、頂部引き加力試験では試験体の頂部にスリン. 2. グベルトを通し、加力冶具と連結させ、17.8°傾けた油圧ジャッキにより頂部に強制変位を与えた。試験体 4.3 実験結果. 各試験から得られた履歴曲線を図 10- 図 12 に示す。. 水平力（kN）. 1.5. の足元はピン支持とする（図９）。. 1 2.0 1.5 1.0. 0.5. 押し加力試験によって得られた履歴曲線 ( 図 10) は通. 0.5 0. 1/500 1/200 1/100. 1/75. 1/50. -0.5. 0 0. 頂点部引き加力試験. 5. 10. 15. 20. 見かけの変位角（ 10-3）. 図 10 押し加力試験の履歴曲線 -25. 見かけの変位角（ 10-3）. -20. -15. -10. -5. 0 0. 0.5 0. 1/75. -0.5. -0.5. -1.0 -1.5 -2.0. -1. 水平力（kN）. 押し加力試験. 引き加力試験. 1/500 1/200 1/100. -1.5. -2. 図 11 引き加力試験の履歴曲線 -40. -35. -30. 見かけの変位角（ 10-3） -25. -20. -15. 10. 5. 0. 0 -0.5 -1. -2 0 -1.0. 1/500 1/100 1/200. -2.0 -3.0 -4.0. 1/75. 1/50. 1/25. 1/20. 水平力（kN）. -1.5. -2.5 -3 -3.5 -4. 図 9 試験概要. -4.5. 図 12 頂部引き加力試験の履歴曲線. 33-3.

(4) 押し加力及び引き加力試験とも頂点仕口は頂部はほぼ. りアーチ部材への挿入が容易になるとともに、片側同. 変形していないことが実測により確認できた。アーチ. 士が接するので精度よく取り付けが行なえた。中心部. 頂点部分は架構の変形後も剛であると考えられる。. の床板を床材に取り付け後、アーチ部材に仮固定して. 5 建方試験. いたワイヤーを取り外した結果、アーチ部材は復元力. 5.1 建方実験概要. により外側に開き、床材によりアーチ部材は安定した。. ① 材料のカ 5 ト. ② 櫛状パ & ツの制作 + 外材・内材・床材 1. ③ 櫛状パ & ツの接合 + ア & チ部材 1. ④ ア & チ部材の折り上げ. ⑤ ア & チ部材足元の引き寄せ. ⑥ 足元のワイヤ & 固定. ⑦ 床材の挿入・中央部接合. 実験棟施工. ⑧ 足元のワイヤ & 取り外し. ⑨ 基礎施工. ⑩ 基礎へ固定. ⑪ 床板の取り付け. ⑫ 完成. 施工上の要. 床材と基礎と連結後、残りの床板を木ネジで接合した。. 点を確認するため建方実験を行なった。. 図 13 建設プロセス. ⑤. ④. ④. ③. 制作は全て学. ②. ②. 生の手により. ①. ①. 行なった。試中庭施工. ⑤. アーチ部材を折り曲げた状態. 験体の奥行き. は 4,000mm である。作業員は主に 4 ∼ 5 名で運搬時. ③ 中央のユニットから順に引き寄せる. ⑤. など必要に応じて最大 20 名動員した。建設期間は平成 20 年 11 月 4 日∼ 9 日 (6 日間 ) である。パーツ制. ⑤. 作は学内実験棟で、建方実験は学内中庭にて行なった。. ④ ①. 5.2 櫛上パーツの制作. ③ ②. 櫛状パーツは、寸法長の製材を木ネジにより、通し. 設計値より短い 3,500mmまで曲げる. 材と接合した。このとき、曲げ加工時に発生する曲げ. ④ ③ ② ①. モーメントへの抵抗力を高めるため、曲げ引張側が木裏となるように部材の向きを揃えた。部材の反りなど. 図 14 アーチ部材の曲げ加工. により材幅に誤差がある場合には、電動鉋で調整した。. 5.5. 小結. また外材において、応力が最も集中する内材との接点. 単純な加工により建方試験は支障なく完了した。. 部分では節を避ける工夫をした。. アーチ部材の頂点部分は、足元の引き寄せ前後で安定. 結果、寸法に遊びがないため材幅の調整、直角の接. し、部分的に曲げ加工が行なえること、床材が箍とし. 合が困難であり、高い施工精度が求められた。しかし、. て働きアーチ部材が安定することが確認できた。寸法. 施工方法が確立されてからは、作業スピードが上がり、. に遊びがあれば、木材の製材誤差を許容でき、速やか. 同じ作業を約半分の所要時間で完了した。. に建方が進むであろう。. 5.3 アーチ部材の建方. 6. まとめ. 建設場所は四方を建物で囲まれており、移動式ク. 本架構の仕口は、曲げることで安定し、外力に対し. レーンを搬入できないため、替わりに周囲の建物を利. ても剛な接合となる。仕口に接合金物や複雑な加工を. 用しチェーンブロックによって建方実験を行った。. 必要としないことが、折りたたみの可能性や施工性の. チェーンブロックで立ち上げ後、曲げる過程では、. 向上に寄与するものと考えられる。また本架構を構成. 左右 2 本ずつチェーンブロックで足元を引き寄せ、. する櫛状パーツは、製材を並べ木ネジで接合する簡素. たが. ワイヤーで仮固定した。アーチ部材の頂点部分の接合. な組み立てであり、解体. は、未接合でありながらも曲げ加工前後で形状が変化. 時には板材の再利用の可. しないため、通し材 ( 内材 ) がねじれることもなく、. 能性もでてくる。実建築. 曲げ加工が行なえた。その際、全体のバランスを考慮. への適用にあたっては、. し、中央部から順に引き寄せた ( 図 14)。. 変形に追従できる仕上げ. 5.4. 床材建方. やアーチ足元の剛性を高. 床材の挿入は、材幅 200mm の櫛状パーツでは、製材誤差のため困難であった。そこで材幅を片側. 図 15 架構外観. める検討が必要である。. 【参考文献】. 30mm カットした 170mm とし、互いの櫛状パーツ. (1) 日本建築学会 (2006): 木質構造設計規準・同解説許容応力度・許容耐力設計法. のカット部分が向き合うように修正した。このことよ. (2) 建築物の構造関係技術解説書、全国官報販売共同組合、2007. 33-4.

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