研究概要Research

『木造住宅制振構造標準化を可能にした「DIT制震筋かい金物」の開発』

この開発研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)のA-STEP ステージⅡ シーズ育成タイプの研究開発助成により、商品化にこぎつけることができました。2017年の10月から全国に向けて販売を開始しています。

そして今年度、ダイナミックファスナ® としてモデルチェンジを図ります。
販売開始次第アップしますので、詳細は少々お待ちください。

『CLTを使った新しい木造住宅用構造システム「在来軸組CLTフラットスラブ構法」の開発』

  • 背景

    日本の小規模戸建住宅のほとんどは木造であり、そのうちの75%(およそ40万棟/年)は在来軸組構法と呼ばれる建て方で建設されている。この構法(建て方)は、基本的に柱や梁といった軸材を組み合わせた骨組が建物の自重や積載荷重を負担し、骨組に設けられる筋かいや釘打ちされた合板などの耐力壁で地震力や風圧力といった水平荷重に抵抗するものである。近年は、要求される耐震性能が高まっていることから、多くの耐力壁が設置される傾向にある。断熱性能を向上させるため、開口を少なく、壁を多くする傾向もある。さらに、地震時の揺れを小さく抑えるため、耐力壁は分散して設けることとなっており、近年の在来軸組構法では、柱や壁が多くなり、開放的な空間は実現できなくなった。

  • 目的

  • そこで提案者らは、在来軸組構法の床や屋根といった水平構面を剛なCLT(図1)に置き換える「在来軸組CLTフラットスラブ構法」を提案した(図2)。この構法では、在来の土台及び梁(横架材)をなくして柱を少なくすることが可能であり、耐力壁の配置にも制約が少なくなり、南側を開放するようなプランも可能になる。さらに、CLTの特徴を活かした広いバルコニーが実現でき、遮音性能の向上、工期の短縮も期待できる。図3及び図4に示すような木造住宅を小規模工務店においても建設できるようするため、「在来軸組CLTフラットスラブ構法」の設計法を作成することを目的とする。

    図1 CLT(CLT協会引用)

    図2 在来軸組構法と「在来軸組CLTフラットスラブ構法」の違い

    図3 「在来軸組CLTフラットスラブ構法」で建設可能になる住宅の外観

    図4 「在来軸組CLTフラットスラブ構法」で建設可能になる住宅の内観

  • 本研究開発の内容

  • この「在来軸組CLTフラットスラブ構法」の木造住宅を建設するためには、公的な確認申請手続きの際に特殊な構法とみなされ、構造安全性に関する膨大な検討が建物毎に要求される。そのため、本構法の構造安全性が既存の在来軸組構法と同等かそれ以上であることを実験や解析によって証明し、一般の小規模工務店においても仕様規定で本構法の住宅を建設できるようにする。国内のスギなどから製造されるCLTが、年間40万棟以上建設されている木造住宅に利用されることによって、衰退した日本の林業が活力を取り戻し、さらには温室効果ガスの削減につながることも期待される。

      本構法を実現させるためには、CLT板が既存の在来軸組構法の床や屋根と同等かそれ以上の構造性能を有することを示し、また本構法の設計法(仕様規定)も確立する必要がある。具体的には次のような検討等である。
    1. 鉛直荷重に対する各部の構造的なデータを実験により採取し、設計用の許容値を設定する:CLT板どうしの接合方法の検討、CLT板の二方向曲げ剛性・強度の把握、また各強度の許容値の設定。
    2. 水平荷重に対する各部の構造的なデータを実験により採取し、設計用の許容値を設定する:CLT板どうしの接合部の面内せん断強度および引張強度の把握、また各強度の許容値の設定。
    3. 設計法(仕様規定)を検討する:既存の在来軸組構法の規定に加えて運用するCLT床板の接合方法、分割(割り付け)方法、柱の配置ルール、利用できるCLTの種類とスパンの制限など。
    4. モデル住宅での検証:提案した設計法に基づき、モデル住宅の試設計を行う。そして、この建物を立体モデル化して解析を行いCLT板および接合部に作用する応力を求め、各部の応力が設定した許容値以内であることを確認。
  • これまでの進捗

  • 「在来軸組CLTフラットスラブ構法」における各部の仕様や施工方法について、断熱や防水、内外装の仕様などについて、在来軸組構法と異なる部分を抽出し、本構法用の仕様を検討してきた。そして、CLT床板に作用する鉛直荷重に対して、CLT床板のたわみおよび曲げ応力度を求めるための計算式を新たに確立する必要がある。そのため、5層5プライのCLT床板について、柱の位置を変化させながら、面外方向に集中荷重を載荷し、荷重とたわみ量を計測する実験を開始し、データの採取を進めている(図5~図7)。さらに、CLT床板どうしの面内せん断強度の算定や許容値の設定のために必要となる、CLT床板どうしの面内せん断加力実験に取り掛かっている(図8,図9)。

    図5 CLT床板の面外曲げ実験 

    図6 荷重-たわみ量関係

    図7 FEM解析モデル

    図8 面内せん断実験

    図9 正側加力時の包絡線

『大地震後の継続使用を可能にする木造住宅の次世代耐震設計法の開発』

  • 研究の背景・今までの研究経緯

     小規模な木造住宅の耐震設計の考え方は、現状では、“建物が大地震に遭遇することがあったとしても、倒壊しなければよい”、というものである。静的な設計用地震力に対して、静的な実験に基づいて評価される建物の耐力が上回っていれば、その建物には耐震性があるとされるが、現状の設計法では応答変位が計算できないため、地震に遭遇した場合の建物の損傷は予測できない。近年の大地震が頻発している状況をみると、これでは不十分であり、レベル3相当の巨大地震や、これに続く余震に対しても倒壊せず、継続して使用できることが必要とされている。このような要求性能を満たすためには、“建物が地震に遭遇したとき、構造部材や仕上材がどのぐらいの損傷を受けて、残余耐震性能がどの程度であり、次の地震に対しても安心して使用できるかどうかを正確に評価できる技術”が必要とされている。さらに、耐震補強を行った場合に、どの程度まで耐震性能が回復したかについても評価できる必要がある。
    具体的には、①動的な荷重に対する建物(耐力壁)の耐震性能の再評価、②設計用の地震動が決まった時に、建物の最大応答変位および損傷の予測法の確立、③地震後の建物(耐力壁)の耐力の評価法の開発、が必要である。(小規模な木造住宅では、建物の耐震性能の大部分は耐力壁の耐震性能に依存する。)
    これまで、①に対しては、神戸大学の小型振動台を使用して、いくつかの耐力壁の動的耐震性能を評価し、静的な荷重に対する耐震性能とは異なることを把握したが、一般的に用いられる耐力壁の種類や仕様は多く、未だ十分ではない(図1~図3)。また、②に対しては、小規模な木造住宅の設計を行うのは、構造力学や振動学の知識が十分ではない小規模な工務店が多いことを考慮して、簡易な地震応答予測ソフトの開発を行ってきた(図4)。③に対しては、これからである。

  • 図1振動台実験の状況

    図2 荷重-変位関係

    図3 筋かいの破壊性状

    図4 簡易応答予測ソフト

  • 研究の目的・目標

     本課題の目的は、複数回の地震を経験した小規模な木造住宅の耐震性能と損傷状況の評価を可能にすることである。つまり、「持続可能な木造住宅をつくるための未来の耐震設計法」を構築することである。

    • a. 小型振動台を用いた木造耐力壁の動的耐震性能の評価
      木造住宅の耐力壁(筋かい、合板など)の動的耐震性能を把握するため、振動台実験を行う。これまでは、油圧ジャッキを用いた静的な加力実験によって、静的な耐震性能が評価されてきたが、近年は、小型の振動台が多くの研究機関に普及しており、ここでは、適切なものを選定して借用する。また、ここでの実験の手順を試験法としてとりまとめておくことで、将来、新しい耐力壁が開発されたときには、同じ条件下で動的耐震性能の評価が可能になる。ここでの実験方法が将来的に試験法として一般化する可能性もある。
    • b. 地震時の建物の応答変位および損傷の予測法の開発
      振動台実験の結果を用いて、様々な床面積や耐力壁を持つ2階建木造住宅の地震応答解析を実施し、最大応答変位のデータベースを作成する。そして、これまでに開発した簡易な地震応答予測ソフトのデータベースを更新する。このソフトは、建物の面積や、耐力壁の種類や数を入力すると、地震応答解析によって求めた最大応答変位のデータベースをもとに、AIが最大応答変位と、変位に応じた損傷状況を表示するものである。
    • c. 地震を経験した建物の耐震性能の評価法の開発
      振動台実験の結果をもとに、損傷度に応じて、耐力壁の耐震性能を算出する手法を開発する。具体的には、耐力壁が経験した最大応答変位に応じた耐震性能の低減率を算出し、前項b.の簡易な地震応答解析ソフトに組み込む。これにより、前項b.のソフトで繰り返し解析を行うことで、複数の地震によって、建物の最大応答変位や損傷が変化していく状況が把握できる。