一般財団法人 大成学術財団
2021 年度 助成研究梗概書

社寺建築物に用いられる木造軸組架構の耐震性能評価法の構築
香川大学
社寺建築物
木造軸組架構柱－頭貫接合部
静的載荷実験

○宮本慎宏*

柱傾斜復元力静的増分解析

研究の目的
社寺建築物における木造軸組架構は、柱－貫接合部、柱－頭貫接合部、柱傾斜復元力が主な耐震要素である。
このうち柱－頭貫接合部と柱傾斜復元力は社寺建築物特有の耐震要素であり、鉛直軸力によって耐震性能が変化する特徴を持つ。本研究では、社寺建築物における木造軸組架構について、2/3 スケールの試験体を用い、鉛直軸力と耐震要素数をパラメータとした静的載荷実験を実施し、社寺建築物における鉛直軸力の影響を考慮した木造軸組架構の耐震性能評価を目的としている。
研究の内容
試験体は、柱 3 本、頭貫、内法貫、足固貫から構成され、柱 1 本当たり 20kN を載荷した U-2S-20 (図 1 (a))、U-2S-20から内法貫を除き、柱 1 本当たり 20kN を載荷した A-2S20 (図 1 (b))、A-2S-20 から足固貫を除き、柱 1 本あたりそれぞれ 5kN、10kN、20kN を載荷した K-2S-5、10、20 (図 1(c))、各試験体を柱 2 本とした U-1S-20、A-1S-20、K-1S-5、10、20 (図 1 (d)、(e)、(f))、K-1S-5、10、20 の頭貫を切断して柱傾斜復元力のみを耐震要素とした C-1S-5、10、20(図 1 (g)) の計 13 体とした。柱頭には大斗を想定した幅、奥行き 180 mm、成 170 mm の角材を18 mm の木製ダボで接合した。柱－頭貫接合部は柱と頭貫に欠き込みを設けた輪薙ぎ込み、柱－内法貫、足固貫接合部は渡顎楔止めとした (図 2 (a)、(b))。各部材の樹種はヒノキ、ダボはカシを使用した。
図 3 に載荷装置を示す。18 mm の鋼製ダボを取り付けた鉄板を載荷フレームに固定し、柱脚部断面中央に設けたダボ穴と接合した。大斗の上部に深さ 70 mm、奥行き90 mm の欠き込みを中心に設け、幅 600 mm、成 120 mm、奥行き 90 mm の肘木をはめ込んだ (図 2 (c))。大斗と肘木は18 mm の木製ダボで接合し、さらに肘木が大斗の回転に追従するように、Ｌ字金物で側面 2 か所を接合した。肘木には18 mm の穴を 2 か所設け、試験体上部の桁と M16の普通ボルト 2 本で接合し、桁にアクチュエーターを介して水平荷重を与えた。柱の見かけのせん断変形角が 1/200、1/150、1/100、1/75、1/50、1/30、1/20、1/15、1/10 rad ( C1S-5、10、20 のみ 1/15 rad まで ) において正負 3 回ずつの交番加力とした。試験体に作用する荷重はアクチュエーターの先端に取り付けたロードセルで計測した。鉛直軸力は試験体の正面と背面に桁の上部から錘を吊るして載荷し、錘の枚数で鉛直軸力を変化させた。以下、アクチュエーターと反対側の柱から柱 1、2、3 とする。

研究の成果、新知見
図 4 に実験結果を示す。K-2S-10 の正方向は正しく載荷ができなかったため実験データを示していない。K-1S-5、K-2S-5 は 1/50 rad 程度まで荷重が増加し続け、その後はほぼ一定の荷重となった。K-1S-10、20、K-2S-10、20、C1S-5、10、20 は、最大荷重を迎えた後徐々に荷重が低下した。K-1S-5、10、20、K-2S-5、10、20、C-1S-20 は、+1/10 rad 時に柱頭の端部に局所的に鉛直軸力が作用し、柱頭の割裂破壊が生じた (図 5 (a))。A-1S-20、U-1S-20、A2S-20、U-2S-20 は 1/20 rad～1/15 rad 程度まで荷重が増加し続け、+ 1/20rad 以降に生じた内法貫、足固貫の曲げ破壊直後、または曲げ破壊が生じて変形が進んだ後に荷重が低下した (図 5 (b))。
静的載荷実験の試験体における耐震要素に対して、柱傾斜復元力は既往の設計式に基づく評価を行い、柱－頭貫接合部は既往のめり込み理論に基づく評価式を提案し、試験体を再現した解析モデルに評価結果を反映させ、実験結果との比較から各評価法の妥当性を検証した。柱－頭貫接合部と柱－貫接合部のモーメント抵抗は回転バネを頭貫の材端に配置し、柱傾斜復元力は水平バネを柱頭と柱脚の節点間に配置することで表した。柱脚はピン支持とし、柱 2 側の頭貫の材端を加力点とした。鉛直軸力は大斗頂部の節点に付加軸力を与えて再現した。実験結果と解析結果の比較例を図 6 に示す。貫の曲げ破壊による荷重低下が生じるまでの範囲において、解析値は実験値の正方向と負方向の間となった。このことから全ての試験体において解析結果は実験値と概ね一致したことが確認できる。しかし、K-1S-20 の初期剛性は、解析結果が実験値を上回っている。これは試験体の施工精度が要因として考えられる。また、K-1S-20 は負勾配に入ると解析結果が実験値と異なる傾向を示している。これは材料定数のばらつきが要因と考えられる。
今後の予定
本研究では、社寺建築物を想定した柱－頭貫接合部や柱－貫接合部を有する木造軸組架構を対象としたが、今後は木造軸組架構に板壁や土塗壁などの壁要素を追加した場合についても同様の検討を行う予定である。
謝辞
本研究は一般財団法人大成学術財団の助成金による補助を受けて実施されました。実験の実施に際しては香川大学、近畿職業能力開発大学校の学生にご協力いただきました。ここに謹んで深甚なる謝意を表します。

Proposal for Seismic Performance Evaluation Method of WoodenFrame Used for Shrines and Temples

MIYAMOTO Mitsuhiro

大斗

180× 180× 17080× 130745

頭貫50× 90(b) A-2S-20(c) K-2S-5、10、20660

1,900

内法貫495足固 貫柱50× 90

180× 180500

1,400

1,400500

3,800(a) U-2S-20(d) U-1S-20
図１(f) K-1S5、10、20(e) A-1S-20(g) C-1S5、10、20

試験体図面
加力方向-+柱50

22070120
1850

頭貫160180

アクチュエーター

足固貫
内法貫159066 24

1250150100
24568018080

12501550

L字金物
大斗

楔10210(b) 柱－内法貫、足固貫接合部
図２ 接合部詳細図(a) 柱－頭貫接合部

1803載荷装置

8136550.1-1-0.1-0.05-1 00.05

0.1

0-0.08

-0.04

00.04

0.08

20-0.1-0.05

00.05

0.1

-23

荷重 P (kN)

0.05

1

荷重 P (kN)

0

荷重 P (kN)

07

41

1

92

32

荷重 P (kN)錘

図３3-0.05

錘

114-0.1

柱2(c) 大斗－肘木75柱1210

荷重 P (kN)10

肘木Φ18×18100

ダボ穴

30

柱

ロードセル

桁

420

1-0.1-0.05-4-2-5-7-9-6-4-11-8-3-7-13-5

見かけのせん断変形角 θ (rad)見かけのせん断変形角 θ (rad)見かけのせん断変形角 θ (rad)(a)K-1S-5、10、20(b)K-2S-5、10、20(c)C-1S-5、10、20
図４ 実験結果(d)A-1S-20、U-1S-20

76655543

准教授・博士（工学）

荷重(kN)

74343222111000.05

0.1

見かけのせん断変形角(rad)*香川大学創造工学部(e)A-2S-20、U-2S-20

60(a) K-1S-20 柱 1-頭 (b) U-1S-20 柱 2-足貫(-1/10 rad 時)
固貫(-1/10 rad 時)
図５ 破壊性状

見かけのせん断変形角 θ (rad)7荷重(kN)荷重(kN)

見かけのせん断変形角 θ (rad)0.1-5-3-30.05-3-1-2-1 0(a)K-1S-5000.05

見かけのせん断変形角(rad)(b)
図６K-1S-100.100.050.1

見かけのせん断変形角(rad)(c)

K-1S-20

実験結果と解析結果の比較例* Assoc. Prof., Faculty of Eng. and Design, Kagawa Univ., Dr. Eng.