階段コアを耐震要素に取り入れた工法の開発京都大学生存圏研究所 (財)建築研究協会森拓郎清水秀丸信州大学工学部五十田博 2, 44 0 2, 87 8 12 8 2,84 0 2,84 0 23 4 2,87 8 2,44 0 1. はじめに非耐力要素である階段に着目して行った過去の実験 1),2)より、その強度性能が高いことが確認されている。そのため、在来構法と異なり、面材を配する枠組壁工法住宅の階段では、その性能はより高いと考えられ、この階段をコアとした新しい工法の提案が可能ではないかと考えた。本研究では、まず一般に用いられている枠組壁工法の階段単体の耐震性能を明らかにすることを目的として、直線階段と廻り階段を用いてその性能評価を試みた。また、石膏ボードの効果を分離するために石膏ボード単体の壁実験も合わせて実施した。 2. 試験概要負正石膏ボード単位：mm 計 6 枚配置 2.1 試験体概要側板直線階段枠組壁工法直線階段試験体（以下、直線階段試験体）は、平面が 2.73m×1.82m、高さが約 2.70m の 2 構面を 0.91m の間隔で並列配置した間に直線階段を持つ 1 体とした。立面図および加力方向を図 1 に示す。スタッドと梁および土台は SPF 材（38mm×90mm）を使用し、垂直材として扱うスタッド同士は CN65、 91 0 2, 73 0 CN75 によって接合、土台材-スタッド間および図 1 直線階段試験体図（立面）梁材-スタッド間は CN75 を 2 本打設した。また、負正階段を構成する側板を設置する前に、架構の長石膏ボード側板単位：mm 計 10 枚配置手方向に石膏ボード（12mm 厚石膏ボードビス外周@100、中通り@150）を取り付けた。階段を構成する側板は石膏ボードに接着剤（ウレタン樹脂系）で接着し、スタッドへ石膏ボードを介してコーススレッド（L=65mm）により打ち付けた。コーススレッドは、スタッド一ヶ所につき 2～3 本の打ち付けとし、計 36 本とした。廻り階段枠組壁工法廻り階段試験体（以下、 91 0 91 0 91 0 91 0 91 0 廻り階段試験体）は、幅 2.73m、高さ 2.80m の 1,82 0 2,730 折返し階段である。立面図を図 2 に示す。廻り図 2 廻り階段試験体図（立面）階段試験体は、架構および面材・側板の施工方法を直線階段試験体と同様の仕様とし、石膏ボードは試験体長手方向に計 10 枚、短手方向に計 3 枚を設置した。なお、コーススレッドは、スタッド一ヶ所につき 2 本ずつを基本に留め付けた。 2.2 実験方法石膏ボードの亀裂加力方法はタイロッド式による変形角 1/300、 1/200、1/150、1/100、1/60、1/30、1/20rad の正負交番静的 3 回繰返し載荷とし、最終的に引ききりとした。また、試験は、直線階段を京都大学生存圏研究所で、廻り階段を富山県農林水産総合技術センター木材研究所で実施した。石膏ボードの亀裂 3．実験結果写真 1 損傷状況 (左：直線階段右：廻り階段) 3.1 損傷状況損傷状況を写真 1 に示す。どちらの階段も大きく耐力を下げる原因となったのは、写真で示した石膏ボードのせん断破壊であった。また、同様に両試験体にスタッドの抜けなどが見られた。 3.2 荷重－変形関係廻り階段直線階段 60 60 [kN] 直線階段試験体および廻り階段試験体の 40 [kN] 40 荷重変形関係を図 3 に示す。実験結果の比 20 20 較として、石膏ボード耐力壁試験体（石膏 0 0 直線階段ボード 4 枚）を一枚あたりに換算した結果廻り階段 -20 石膏ボード[6P] -20 石膏ボード[10P] を用いて、それぞれの階段で用いられた枚 -40 -40 [rad] 数分にしたものを赤の実線で石膏ボードと [rad] -60 -60 -1/30 -1/60 1/60 1/30 1/20 -1/30 -1/60 1/60 1/30 1/20 して示した。図 3 荷重―変形関係直線階段試験体、廻り階段試験体では、それぞれ最大荷重が 48.6kN、53.7kN と高い耐力を示した。直線階段試験体では、最大耐力に達した後、石膏ボード外周部の損傷により荷重が低下し、1/30rad で最大耐力の約半分の荷重となった。一方、廻り階段試験体では、変形角 1/30rad を越えても、荷重が大きく低下する事なく 50kN 前後の耐力を保ち、高い変形性能を示した。また、廻り階段試験体では、石膏ボード 10 枚分の包絡線と比べ初期剛性にほとんど違いがみられず、最大荷重は 10kN 程度しか上昇しない結果となった。一方、直線階段試験体では、初期剛性および最大耐力共に石膏ボードの性能を大きく上回る結果となった。このことから、直線階段の方が、側板や踏み板などの階段要素による石膏ボードの拘束効果が大きいと考えられる。 3.3 階段の換算壁倍率表 1 換算壁倍率それぞれの階段の耐震性能評価とし換算壁倍率試験体 Pa(kN) て、長手方向について単体としての換算単体総構面長さ石膏ボード排除壁倍率（長さで除さない）による評価を直線階段 29.6 15.1 2.5 7.8 実施し、表 1 に示す。なお、総構面長さ廻り階段 28.9 14.7 1.6 2.5 は試験体の長手方向の総構面長さで単体の値を除したものあり、石膏ボード排除は石膏ボードの壁倍率（本実験値：1.22）を配した石膏ボードの枚数分だけ減じて算出した値である。この結果より、直線階段では総構面長さで除しても合板耐力壁と近い性能を示していること、石膏ボードを排除してもかなり性能を有していることがわかった。また、廻り階段では総構面長さで除した値が石膏ボードの壁よりも高い性能になっていることから階段を配することによる補強効果があることがわかった。ここで、二つの階段に差異が出た点について、廻り階段では直線階段と異なり、耐力上昇が期待できない石膏ボードが 2 枚存在したこと、側板を架構の両端部のスタッドに接合できないために側板に作用する軸力が低くなることなどが挙げられる。 4．まとめ本研究では、枠組壁工法の階段単体の耐震性能として、以下のことがわかった。・枠組壁工法の階段単体の最大耐力は、静的載荷実験から直線階段で 48.6kN、廻り階段で 53.7kN であり、高い水平抵抗能力を有することがわかった。・直線階段では、総構面長さで除しても合板耐力壁と近い性能を示していること、石膏ボードを排除してもかなり性能を有していることがわかった。・廻り階段では、総構面長さで除した値が石膏ボードの壁よりも高い性能になっていることから階段を配することによる補強効果があることがわかった。これらの結果、枠組壁工法の階段単体の性能は、面材の耐力壁としての性能と階段の様々な要素による押さえ込みの効果、及び面材のせん断性能で発現されており、面材の止め付け方や面材と階段要素の止め付け方及び面材のせん断性能の向上によって、その強度性能を上昇させることが可能であることがわかった。今後、これらの可能性について検証し、階段コアの耐力性能向上のための試験を進め、新しい工法の提案につなげていきたい。参考文献 1) 篠澤朋宏、五十田博、村瀬伸吾、森拓郎、清水秀丸、小松幸平：木造軸組構法住宅の窓ガラス入りサッシュ付き壁と階段の静加力実験、日本建築学会学術講演梗概集構造Ⅲ、pp.337-338、2009. 2) 森拓郎、清水秀丸、羽田竜介、西沼裕介、南宗和、五十田博、小松幸平：木造住宅における非構造部材が耐震性能に及ぼす影響その 1 直線階段の静的加力試験による性能評価、日本建築学会学術講演梗概集構造Ⅲ、 pp.443-444、2010.