(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の木材を強固に一体化して剛性を向上させ、しかも美感や費用等の面でも優れ、広い室内空間の確保や、比較的柔らかい木材の用途拡大等を実現可能な、組み合わせ梁の提供。【解決手段】上側材１１と下側材１２とを積層させて、この上面または底面から連結シャフト１３を複数本打ち込むことで、上側材１１と下側材１２とを一体化させた組み合わせ梁１であり、使用する連結シャフト１３の側周面には、木材中に突き刺さる螺旋凸条１６が形成されている。また連結シャフト１３は、単に垂直方向に打ち込まれるのではなく、中央線２４を基準として逆ハの字状の配置となるよう傾斜している。これによって上側材１１と下側材１２との境界付近に発生する水平方向の荷重を効率よく伝達でき、限られた本数の連結シャフト１３で組み合わせ梁１の構築が可能になり、剛性のほか費用面でも優れており、しかも連結シャフト１３は内部に埋め込み可能で美感にも優れる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側材（１１）の底面と下側材（１２）の上面とを密着させ、下側材（１２）の底面または上側材（１１）の上面から打ち込まれる複数の連結シャフト（１３）によって一体化されている組み合わせ梁であり、
前記連結シャフト（１３）は、回転力を作用させるための頭部（１４）と、該頭部（１４）から同軸に延びる円柱状の脚部（１５）と、該脚部（１５）の側周面に形成してある螺旋凸条（１６）と、から成り、
前記連結シャフト（１３）は垂直方向に対して傾斜しており、且つ中央線（２４）を基準として逆ハの字状に打ち込まれていることを特徴とする組み合わせ梁。
【請求項２】
前記連結シャフト（１３）の傾斜角度は、垂直方向から３０度から６０度の範囲であることを特徴とする請求項１記載の組み合わせ梁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の木材を結合して構成された組み合わせ梁に関する。
【背景技術】
【０００２】
住宅用途などの小規模な建物は、費用や生活環境などで利点の多い木造建築が最も一般的であり、また近年では公共施設や店舗など、住宅より規模の大きい建物においても、木材特有の雰囲気を取り入れたいなどの理由で木造建築が採用されるケースが増えてきている。しかし木材は鉄骨などに比べて強度が劣るため、大型の建物の場合、部材の数量が大幅に増加したり、広い室内空間の確保が難しいという問題がある。そのほか近年、国内において森林荒廃が問題になっているが、その解決手段の一つとして数十年前に大量に植林された杉の需要を拡大することが挙げられている。しかし杉は比較的柔らかく割れやすいため、木造建築の構造材として使用することが難しいという問題がある。
【０００３】
公共施設などの大規模な木造建築では、部材の削減や室内空間の確保のため、梁の剛性を高める必要がある。これに対する簡単な方法は、梁の断面積を大きくすることだが、それには直径の大きい樹木を使用する必要がある。しかしこのような樹木は資源が限られており、購入費用が高騰するほか、貴重な資源の伐採は環境面でも問題がある。そこで複数の木材を接着で一体化した集成材を用いて、大断面の梁を構築することも考えられるが、汎用的な集成材は高さが最大でも３６０ｍｍ程度であり、これを越えると価格が割高になり、さらに４５０ｍｍを越えると生産設備などの制約により入手が著しく困難になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
梁の強度などを計算する際に必要な数値である断面二次モーメントは、その断面形状から算出され、梁に垂直荷重が作用した際の最大変形量は、この数値に反比例する関係がある。この断面二次モーメントは、矩形断面の梁の場合、その高さの三乗に比例して大きくなる性質があり、剛性を大きくするには高さを増すのが最も効果的である。したがって高さが約４００ｍｍを越えるような梁を低コストで生産するには、一般的な木材を上下に積層して構成された組み合わせ梁を使用すると良いが、この梁に荷重が作用した際、個々の木材の境界面で滑りが生じるような構造であれば、その断面二次モーメントは、全断面から計算される理論的な数値ではなく、個々の木材の断面二次モーメントを足し合わせた数値になり、本来の剛性を発揮できない。
【０００５】
梁が理論的な剛性を発揮するには、積層された個々の木材がどのような条件下においても一体化している必要があり、これを実現する方法としては、組み合わせ梁の周囲に金属製の帯を巻き付けたり、ボルトとナットで挟み込むといった方法が考えられる。しかし金属製の帯は外観を著しく損なうなどの問題があり、またボルトとナットによる締結は、緩みや、ボルトとボルト孔との隙間により木材の滑りが許容されるといった問題があり、木材の経年変形の影響を受けず、しかも梁に作用する荷重にも考慮された優れた組み合わせ梁が要求されている。もしこの要求が実現できれば、大規模な木造建築用の大断面の梁や、杉などの軟質な木材を用いた構造材などが製作可能になる。なお主に建築用途で用いられる梁については、下記特許文献などの先行技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１３８３０６号公報
【特許文献２】特開２００４−２７０２１６号公報
【０００６】
本発明はこうした実情を基に開発されたもので、複数の木材を強固に一体化して剛性を向上させ、しかも美感や費用などの面でも優れており、広い室内空間の確保や、比較的柔らかい木材の用途拡大などを実現可能な、組み合わせ梁の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、上側材の底面と下側材の上面とを密着させ、下側材の底面または上側材の上面から打ち込まれる複数の連結シャフトによって一体化されている組み合わせ梁であり、前記連結シャフトは、回転力を作用させるための頭部と、該頭部から同軸に延びる円柱状の脚部と、該脚部の側周面に形成してある螺旋凸条と、から成り、前記連結シャフトは垂直方向に対して傾斜しており、且つ中央線を基準として逆ハの字状に打ち込まれていることを特徴とする組み合わせ梁である。
【０００８】
本発明は、原木を製材によって矩形断面に加工された部材を上下に積み重ねることで剛性を向上した組み合わせ梁であり、上側材とは、水平に横倒しになっている自然な状態において、上に位置している部材を指し、一方の下側材とは、上側材の直下に位置している部材を指している。そして上側材の底面と下側材の上面とは、全域において面接触しており、上側材と下側材とで段差が生じないよう、双方の幅は等しくすることが好ましい。また上側材と下側材とは、連結シャフトによって一体化されるが、この連結シャフトは一定の間隔で複数本を連続的に打ち込んでいき、双方を高密度に結合させる必要がある。なお本発明は、水平に架設され両端が支持される形態の梁を想定しており、片持ち梁には適用されない。
【０００９】
連結シャフトは、上側材と下側材とを一体化するため、双方の接触面を貫いて打ち込まれるもので、ネジ釘を大形化したような外観である。そして連結シャフトは、工具を掛けて全体を旋回できるよう六角断面などに成形されている頭部と、この頭部から同芯で延びている真円断面の脚部と、とから構成されており、さらに脚部の側周面には螺旋凸条が形成されている。この螺旋凸条は、ネジ釘などと同様、脚部の側周面を半径方向に引き延ばすようにして形成され、しかもこれが螺旋状に配置されており、これが木材に食い込むことで、木材と連結シャフトとの間に強い摩擦力が生じて双方が一体化される。なお螺旋凸条は、脚部の全体に形成するのが原則であるが、先端部は施工作業などを考慮して一部省略しても良い。また当然ながら連結シャフトは、下側材の底面または上側材の上面から打ち込む必要があり、頭部の形状を脚部より小さくすると、全体を組み合わせ梁の中に埋め込むこともできる。
【００１０】
請求項において、連結シャフトは垂直方向に対して傾斜しているとは、連結シャフトを単に上側材や下側材の長手方向に直交するように垂直に打ち込むのではなく、垂直方向からある程度の交角を有する斜方向に打ち込んでいることを意味している。また中央線とは、本発明による組み合わせ梁の長手方向における中心を示す仮想線であり、梁を支持している両端部から最も遠い位置にあたり、垂直荷重により最も下方に変位する場所である。
【００１１】
また逆ハの字状に打ち込まれているとは、中央線よりも左側の地点に打ち込まれる連結シャフトは、下側材の底面から左上を向いており、そして中央線よりも右側の地点に打ち込まれる連結シャフトは、下側材の底面から右上を向いていることを意味している。したがって連結シャフトは、中央線を基準としてカタカナのハの字を上下反転させたような形態になる。ただし連結シャフトの使用数や間隔などには制約がなく、また中央線を基準として厳密に左右対称に配置する必要はない。
【００１２】
このように構成することで、連結シャフトのほぼ全体に形成された螺旋凸条は、上側材および下側材の中に突き刺さった状態になり、その接触面積が大きいため、双方の間で生じる摩擦によって連結シャフトが強固に固定され、しかも連結シャフトに作用する荷重を、螺旋凸条全体で効率よく受け止めることができる。そのため上側材と下側材とは、双方の接触面で滑りが生じることがなく、全体が一本の梁となり理論的な断面二次モーメントを発生でき、また連結シャフトに作用する荷重が広く分散されるため強度上も優れている。さらに連結シャフトを垂直方向から傾斜させ、しかも中央線を基準に逆ハの字状に配置することで、梁に垂直荷重が作用した際、弾性変形によって上側材の底面付近に水平方向の引張力が発生するが、この引張力と連結シャフトとの交角が少なくなるため、効率よく連結シャフトを介して下側材に引張力を伝達できる。したがって限られた本数の連結シャフトで高い剛性が確保できる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、連結シャフトの傾斜角度は、垂直方向から３０度から６０度の範囲であることを特徴とする請求項１記載の組み合わせ梁である。梁に垂直荷重が作用した際、上側材の底辺付近には弾性変形による水平方向の引張力が発生するが、これを連結シャフトに効率よく伝達するには、その角度を水平に近づけることが好ましい。しかし角度を水平に近づけると連結シャフトの打ち込みが不可能になる。この相反する二つの要因の調和を図り、連結シャフトの打ち込みを容易に行え、しかも強度を確保するには、前記のような角度の範囲が最適である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明のように、上側材と下側材とを連結シャフトによって一体化することで、連結シャフトの螺旋凸条が上側材および下側材の中に食い込み、連結シャフトが木材と強固に密着するため、経年によって連結シャフトが緩むことを防止でき、安定した強度を長期間維持できる。また連結シャフトは、上側材および下側材の中に完全に埋め込むことができ、外観に与える影響も少なく、木材の自然な風合いを損ねず木造建築の雰囲気を壊すこともない。しかも連結シャフトは垂直方向から傾斜しており、かつ中央線を基準として逆ハの字状に配置されているため、梁に垂直荷重が作用して、上側材の底面付近に水平方向の引張力が発生した際、この引張力と連結シャフトとの交角が少ないため、これを効率よく受け止めて直ちに下側材に伝達でき、限られた本数の連結シャフトによって理論的な強度を確保でき、低コストで強度に優れた組み合わせ梁の提供が可能になる。したがって本発明によって広い室内空間を確保可能な長尺の梁が製作可能になり、また杉などの比較的軟質な木材の強度向上も可能になり、その用途の拡大も実現する。
【００１５】
請求項２記載の発明のように、連結シャフトの打ち込み角度を限定することで、所定の強度が発揮できるほか、連結シャフトを打ち込む際、上側材の上面または下側材の底面からの交角が極端に小さくなることがなく、打ち込みの作業が行いやすいという特徴があり、強度と費用の双方の調和が図られた理想的な組み合わせ梁の提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明による組み合わせ梁１の形状を示すもので、図１（Ａ）は平面図で、図１（Ｂ）は正面図で、図１（Ｃ）は底面図である。組み合わせ梁１は、いずれも木材を矩形断面に製材した上側材１１と下側材１２とから構成されており、上側材１１は文字通り上方に配置されるもので、下側材１２は下方に配置されるものである。なお図中では、上側材１１が下側材１２よりも長尺に描いているが、これは組み合わせ梁１の支持方法によるもので、双方とも同一長にする場合もある。また組み合わせ梁１の高さは、４００ｍｍから６００ｍｍ程度になる場合が多く、上側材１１が下側材１２よりも丈が高い場合が多い。そして上側材１１と下側材１２を一体化するため、連結シャフト１３が下側材１２の底面から斜方向に打ち込まれており、その先端は上側材１１にまで到達している。
【００１７】
連結シャフト１３は細長い円柱状であり、一端には全体を旋回させる工具を掛けるための頭部１４が形成されており、この頭部１４から真円断面の脚部１５が延びており、脚部１５の側周面には、半径方向に突出し且つ螺旋状に脚部１５を取り囲んでいる螺旋凸条１６が形成されている。なお連結シャフト１３は、一般に脚部１５の直径が３０ｍｍ程度であり、螺旋凸条１６は脚部１５から５ｍｍ程度半径方向に突出しており、その全長は組み合わせ梁１の高さに応じて都度決められる。この螺旋凸条１６が上側材１１および下側材１２の中に突き刺さることで、双方の摩擦力によって連結シャフト１３が強固に固定される。また組み合わせ梁１の中央には、中央線２４が仮想されており、ここを基準として連結シャフト１３は左右に各三本が逆ハの字状に配置されている。なお連結シャフト１３は、図１（Ｃ）の底面図のように長手方向における中心に沿って一列だけ配置されているが、組み合わせ梁１の幅が大きい場合には、平行に二列以上配置する場合もある。
【００１８】
図２は、本発明の詳細を示すもので、図２（Ａ）は、連結シャフト１３が打ち込まれた組み合わせ梁１の拡大断面図で、図２（Ｂ）は連結シャフト１３の詳細な形状を示す斜視図である。図２（Ａ）のように連結シャフト１３は、中央線２４から遠ざかるように斜方向に打ち込まれているが、その直径は前記のように３０ｍｍ程度であり、脚部１５が余裕で差し込めるよう、上側材１１と下側材１２のいずれにも下孔１７が事前に加工されている。しかし螺旋凸条１６は下孔１７の中には収容されず、下側材１２などに突き刺さるもので、これによる摩擦で連結シャフト１３が組み合わせ梁１の中に固定される。
【００１９】
図２（Ｂ）のように、連結シャフト１３の一端には、工具を掛けるため周囲が六角形に成形された頭部１４があり、この頭部１４と同軸で細長い円断面の脚部１５が延びている。なお脚部１５の先端は、打ち込み時を考慮して先端断面を絞り込んだ円錐形になっている。また螺旋凸条１６は、脚部１５の側周面のほぼ全域に形成されている。そのほか頭部１４は、脚部１５よりも断面を縮小しており、連結シャフト１３の全体を組み合わせ梁１に埋め込むことも可能である。これによって、下孔１７がある点以外は通常の木材と外観が変わらず、しかも下孔１７の入口を他の木材で塞ぐことも可能である。
【００２０】
図３は、本発明による組み合わせ梁１に垂直荷重が作用した際の力学的状態を説明する側断面図であり、図３（Ａ）は下側材１２に上側材１１を載せただけの状態で、図３（Ｂ）は下側材１２に上側材１１を載せて、上側材１１に垂直荷重が作用した状態で、図３（Ｃ）は上側材１１と下側材１２とを連結シャフト１３で一体化して、上側材１１に垂直荷重が作用した状態を示している。
【００２１】
図３（Ａ）では、垂直荷重が作用していないため、上側材１１と下側材１２のいずれも変形しておらず、双方の長さも等しくなっている。ここで図３（Ｂ）のような垂直荷重が作用すると、その荷重と支点２５との位置の関係から、上側材１１および下側材１２は下方に向けて弾性変形するが、上側材１１は自らの中立軸２１を基準として、これより上方ではその延長を縮めようとする圧縮力が発生し、また下方では、図中の矢印のように延長を延ばそうとする引張力が発生する。そして下側材１２は、上側材１１の変形によって、やはり下方に向けて弾性変形することになるが、上側材１１と下側材１２とは一体化されておらず、境界面で自在に滑ることが可能であり、下側材１２も独自の中立軸２２を持ち、これより上方では、図中の矢印のように延長を縮めようとする圧縮力が発生する。このように上側材１１と下側材１２とが一体化されていないと、個々に独自の中立軸２１，２２を持ちながら弾性変形するため、中立軸からの距離に依存する断面二次モーメントの大幅な増大は期待できない。
【００２２】
しかし図３（Ｃ）のように連結シャフト１３を用いると、上側材１１と下側材１２との自由な滑りを拘束できるため、全体が一つの中立軸２３を基準として弾性変形をするため、断面二次モーメントが大幅に増え、垂直荷重による変形量が少なくなる。しかも連結シャフト１３は、矢印で示す上側材１１の引張力と下側材１２の圧縮力とを相互に伝達させて、これらを打ち消し合わせることで剛性の向上を図っている。もし連結シャフト１３を極力水平に傾斜させるならば、引張力および圧縮力の伝達が、連結シャフト１３のせん断強さではなく、より剛性の高い引張強さに依存できるため、強度の向上が期待でき、しかも螺旋凸条１６の全域を介して荷重を受け止めることが可能になる。したがって連結シャフト１３に作用する荷重が広く分散されるため、木材の破壊や経年変形の危険性を低減できる。なお図中の連結シャフト１３は、内部に埋め込まれているが、実際は施工の都合から一端が外部に露出する。
【００２３】
図４は、本発明の実施形態例を示す側面図である。図４（Ａ）は連結シャフト１３を上側材１１の上面から打ち込んだもので、このように連結シャフト１３の打ち込みは、上下のいずれからも行うことができる。なお連結シャフト１３を傾斜して打ち込むことから、中央近傍では、上側材１１と下側材１２との一体化が不十分になる恐れがあり、垂直方向に延びる補助連結シャフト１８を打ち込む場合もある。また一本の部材だけでは所定の長さが確保できない場合、図４（Ｂ）のように上側材１１を二分割して、長さを増大させることも可能である。この場合、二つの上側材１１は、その接触面を締結させることが望ましい。図４（Ｃ）は組み合わせ梁１の長さをさらに延ばすため、上側材１１に三本、下側材１２に二本の部材を使用したものである。このような形態が実施されるケースは極めて少ないが、強度上の問題がなければ実施は可能である。なお図４（Ｃ）では、連結シャフト１３が三本の部材にまたがることを防止するため、傾斜角度を他と変えているが、傾斜角度は製造設備や部材の形状などの様々な要因で変更することがある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による組み合わせ梁の形状を示すもので、（Ａ）は平面図で、（Ｂ）は正面図で、（Ｃ）は底面図である。
【図２】本発明の詳細を示すもので、（Ａ）は連結シャフトが打ち込まれた組み合わせ梁の拡大断面図で、（Ｂ）は連結シャフトの詳細な形状を示す斜視図である。
【図３】本発明による組み合わせ梁に、垂直荷重が作用した際の力学的状態を説明する側断面図であり、（Ａ）は下側材に上側材を載せただけの状態で、（Ｂ）は下側材に上側材を載せて、上側材に垂直荷重が作用した状態で、（Ｃ）は上側材と下側材とを連結シャフトで一体化して、上側材に垂直荷重が作用した状態を示している。
【図４】本発明の実施形態例を示す側面図であり、（Ａ）は連結シャフトを上から打ち込んだ形態で、（Ｂ）は上側材を二本の部材で構成したもので、（Ｃ）は上側材および下側材とも、複数の部材で構成したものである。
【符号の説明】
【００２５】
１  組み合わせ梁
１１  上側材
１２  下側材
１３  連結シャフト
１４  頭部
１５  脚部
１６  螺旋凸条
１７  下孔
１８  補助連結シャフト
２１  中立軸（上側材）
２２  中立軸（下側材）
２３  中立軸（組み合わせ梁）
２４  中央線
２５  支点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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