Microsoft PowerPoint - スギCLT_ダイジェスト版( ) [互換モード]

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そうゆきしげ
5 years ago
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1 スギ CLT の材料特性床構面のせん断性能木造の建築設計に求められる地域材による CLT ( クロスラミネイティドティンバー ) の品質と仕様及び部材の仕様構造モデルの検討と実証試験平成 24 年度林野庁木材利用技術整備等支援事業平成 25 年度 3 月日本 CLT 協会

2 はじめに欧州開発され北米などでも利用が広がっている CLT は日本でも合板集成材 LVL に次ぐ新たな木質材料となる可能性を持つ材料である日本でも今後中層大規模の公共建築物商業建築物や住宅アパート等大きな建物から小さな建物まで多様な建築物に使われることが期待されるしかし日本での CLT についての研究はまだ始まったばかりであり実用化につなげるためには基礎データの収集や研究を行っていくことが必要であるそのため平成 24 年度の林野庁補助事業のうち地域材による CLT の品質と仕様および部材の仕様構造モデルの検討と実証実験では CLT の規格化を見据えた CLT パネルの基礎的性能の把握のための実験と実用化を見据えた床の音響と構面性能の実験の 2 つを主として事業を行った正式な報告書は約 150 ページにわたるがコンパクトに各実験のポイントをつかめる冊子としてこのダイジェスト版を作成した多くの方に見ていただきまた役立てていただきたい日本での CLT の実用化に向けて本事業の成果が役立てられるよう今後とも情報発信を続けていくとともに引き続き多くの方々の助言ご協力をいただければ幸いである平成 25 年 3 月日本 CLT 協会会長中島浩一郎

3 実施体制平成 24 年度林野庁補助事業木材利用技術整備等支援事業木造の建築設計に求められる地域材による CLT (Cross Laminated Timber) の品質と仕様及び部材の仕様構造モデルの検討と実証試験 CLT の木材利用技術整備委員会スギ CLT の材料特性床構面せん断性能独立行政法人森林総合研究所複合材料研究領域宮武敦渋沢龍也平松靖新藤健太構造利用研究領域杉本健一井道裕史長尾博文三浦祥子青木謙治スキ CLT 床の音響試験独立行政法人建築研究所中島史郎広島県立総合技術研究所林業技術センター藤田和彦川元満夫事務局事業主体 CLT 製造銘建工業山佐木材 ( ) 日本 CLT 協会

4 1. 試験の概要目的 CLT の基本的な強度性能をラミナの強度等級区分基準や区分されたラミナの構成が与える影響とともに明らかにする試験項目図 1-1 参照 1. 面外方向の荷重に対する曲げ性能 ( 床 CLT 壁 CLT) 2. 面内方向の荷重に対する曲げ性能 ( 壁まぐさCLT) 3. 面外方向の荷重に対する面外 ( 層内 ) せん断性能 ( 床 CLT 壁 CLT) 4. 面内方向の荷重に対する縦圧縮性能 ( 壁 CLT) 5. 局部的な圧縮に対するめり込み性能 ( 床 CLT 壁 CLT) 6. 面外方向の長期的な荷重に対する性能 ( 床 CLT) 試験体ラミナの仕様 : スギ厚さ 30mm 幅 110mm 連続式グレーディングマシンで測定した曲げヤング係数によるラミナ強度等級区分 ( 表 1-1 参照 ) ラミナたて継ぎ : フィンガー長 15mm 幅はぎ接着なし大板パネル (2.7m 6.0m) を 3 種類のラミナ構成 5 層 5 プライ同一等級構成 5 層 5 プライ異等級構成 7 層 7 プライ同一等級構成 ( 図 1-2 参照 ) で作製たて継ぎ及び積層用接着剤は水性高分子イソシアネート系樹脂接着剤各種強度試験体は大板パネルから所定寸法で所定位置から切断して採取 ( 図 1-3 参照 )

5 層 5 プライ : 同一等級構成 5 層 5 プライ : 異等級構成図 1 1 強度試験項目表 1 1 ラミナの強度等級区分基準値評価項目構成用途区分基準同一等級構成全層用 4~7kN/mm2 強度試験平行層用 6~8kN/mm2 異等級構成直交層用 3~6kN/mm2 長期性能試験同一等級構成全層用 6~7kN/mm2 7 層 7 プライ :

660 面内曲げ強軸 1a2 FJ 配置留意 990 面内曲げ強軸 1a3 FJ 配置留意 1320 面外曲げ強軸 1b1 FJ 配置留意面外曲げ強軸 1b2 FJ 配置留意 1650 面外曲げ強軸 1b3 FJ 配置留意面外曲げ強軸 1b4 FJ 配置留意 1980 2310 圧縮中間柱強軸 1c1 FJ 配置留意層内せん断 ( 逆対称式 ) 1e1

5 5 層 5 プライ : 同一等級構成 5 層 5 プライ : 異等級構成図 1 1 強度試験項目表 1 1 ラミナの強度等級区分基準値評価項目構成用途区分基準同一等級構成全層用 4~7kN/mm2 強度試験平行層用 6~8kN/mm2 異等級構成直交層用 3~6kN/mm2 長期性能試験同一等級構成全層用 6~7kN/mm2 7 層 7 プライ : 同一等級構成図 1 2 ラミナ構成試験体採材パターン 1 1 層 2 層 3 層 4 層 5 層強軸方向弱軸方向 mm 330 面内曲げ強軸 1a1 FJ 配置留意 660 面内曲げ強軸 1a2 FJ 配置留意 990 面内曲げ強軸 1a3 FJ 配置留意 1320 面外曲げ強軸 1b1 FJ 配置留意面外曲げ強軸 1b2 FJ 配置留意 1650 面外曲げ強軸 1b3 FJ 配置留意面外曲げ強軸 1b4 FJ 配置留意圧縮中間柱強軸 1c1 FJ 配置留意層内せん断 ( 逆対称式 ) 1e1 層内せん断 ( 水平 ) 圧縮中間柱強軸 1c2 FJ 配置留意層内せん断 ( 逆対称式 ) 1e2 層内せん断 ( 水平 ) 1d1 1d2 圧縮中間柱強軸 1c3 FJ 配置留意層内せん断 ( 逆対称式 ) 1e3 層内せん断 ( 水平 ) 1d mm 図 1 3 試験体の採材パターンの例強度試験用 5 層 5 プライの場合図 1 4 CLT の関連用語

6 2. 面外曲げ目的 CLT が床屋根等に使用される場合鉛直荷重に対する性能としてもっとも重要となる面外曲げ性能についての知見を収集することを目的とする方法 5 層 5 プライ 7 層 7 プライの CLT を用い試験体幅を 300 または 900mm としスパンは試験体厚さの 18 倍として 3 等分点 4 点曲げ試験を行った加力速度は荷重制御とし破壊時間は 5±2 分であった結果及びまとめ強軸の曲げ強度は 16~20N/mm 2 曲げヤング係数は 3.5~4.0 kn/mm 2 弱軸の曲げ強度は 10 N/mm 2 曲げヤング係数は 1.0~1.5 kn/mm 2 であった比例限度荷重は破壊荷重の 80~90% であった最弱部分の破壊ののちの応力再配分による荷重負担能と塑性変形能は低いものと考えられる測定された面外曲げ性能の変動係数は大きくても 10% 程度の数値を示し曲げ強度曲げヤング係数とも全体的にばらつきは少なかった曲げ試験体の幅が大きいと測定される曲げ性能の平均値は若干低いが有意な差は見られなかった層構成が同じ場合同一等級構成より異等級構成の方が高い異方性を示す 7 層 7 プライの場合 5 層 5 プライと比較して異方性は緩和された

写真 2 1 900mm 幅試験状況写真 2 2 900mm 幅破壊状況図 2 1 300mm 幅異等級構成強軸と弱軸の荷重と変形の関係図 2

プライ異等級 5 層 5 プライ同一 7 層 7 プライ強軸 MOE (kn/mm 2 ) 強軸 MOR (N/mm 2 ) 弱軸 MOE

7 写真 mm 幅試験状況写真 mm 幅破壊状況図 mm 幅異等級構成強軸と弱軸の荷重と変形の関係図 2 2 同一等級構成強軸の幅 300mm と 900mm の相違表 2-1 曲げ性能試験結果 ( 試験体幅 300mm) ラミナ構成同一 5 層 5 プライ異等級 5 層 5 プライ同一 7 層 7 プライ強軸 MOE (kn/mm 2 ) 強軸 MOR (N/mm 2 ) 弱軸 MOE (kn/mm 2 ) 弱軸 MOR (N/mm 2 )

8 3. 面内曲げ ( 強軸弱軸 ) 目的スギ CLT のラミナの積層接着面に平行な荷重に対する性能 ( 面内曲げ性能 ) を明らかにする方法 5 層 5 プライ ( 幅 ( 積層方向 )150 厚さ ( ラミナの幅方向 )300mm 長さ 6000mm) 7 層 7 プライ ( 幅 210 厚さ 300 長さ 6000mm) について強軸弱軸方向の 3 等分点 4 点荷重式面内曲げ試験 ( スパン 5400mm) を行った ( 写真 3-1) 結果面内曲げ強度特性の弱軸に対する強軸の比は 5 層 5 プライの場合同一等級異等級構成に関わらず約 1.5 倍 7 層 7 プライの場合約 1.2 倍であった ( 図 3-1 表 3-1) このことから CLT の面内曲げ強度特性は繊維方向が荷重に直交するラミナの強度特性に依拠していると推察された破壊時の変位は等級構成プライ数に関わらず 80 ~140mm であった ( 図 3-1) 破壊形態は圧縮側まで破断するような破壊であり強軸の試験体ではラミナの FJ 部を含む破壊が主であったまとめ面内曲げ強度の特性には繊維方向が荷重に直交するラミナの強度特性が寄与していることラミナの強度特性から CLT の強度特性が推定可能であることが明らかになった

ラミナ構成 MOE (GPa) MOR (MPa) MOE (GPa) MOR (MPa) 同一等級 5 層 5プライ 2.96 14.

9 表層のラミナの繊維方向表層のラミナの繊維方向写真 3-1 面内曲げ試験 ( 左 : 強軸方向右 : 弱軸方向 ) 図 3-1 同一等級 CLT の面内曲げ試験結果 ( 左 : 強軸右 : 弱軸 ) 表 3-1 面内曲げ試験結果 ( 平均値 ) 強軸弱軸ラミナ構成 MOE (GPa) MOR (MPa) MOE (GPa) MOR (MPa) 同一等級 5 層 5プライ異等級 5 層 5 プライ同一等級 7 層 7 プライ

10 4. 面外 ( 層内 ) せん断 ( 強軸 ) 目的スギ CLT の面外 ( 層内 ) せん断性能を大野式逆対称載荷ならびに短スパンの中央集中 ( 水平せん断 ) 載荷方式による試験を行って評価した方法 5 層 5 プライ試験体における載荷方法を図 4 1 に示す大野式における加圧板幅は 150mm とし加圧板端間のせん断スパン比 (M/Qd) は 5 層 5 プライで層 7 プライで 1.55 としたまた水平せん断式における加圧板端間のせん断スパン比は 5 層 5 プライで層 7 プライで 1.55 とした結果大野式では直交層がせん断破壊した時点で最大荷重に達することからせん断強度の評価に適することがわかった ( 図 4 2~4 3 写真 4 1 参照 ) 水平せん断式ではまずせん断破壊が生じるが最終的には曲げ破壊時に最大荷重に達することからせん断強度を過大に評価することがわかった ( 図 4 4 写真 4 2 参照 ) せん断スパン比が同じ 7 層 7 プライ試験体では大野式と比べて水平せん断式の方が平均約 13% せん断強さが高くなった ( 表 4 1 表 4 2 参照 ) まとめスギ CLT の面外せん断性能はせん断スパン比 1.5 程度の大野式載荷で適切に評価することができた

せん断力 (kn) 70 2e 60 50 40 30 20 5 層 5 プライ同一等級図 4-1 5 層 5 プライ試験体における大野式載荷 (

3 0 0 2 4 6 8 10 変位 (mm) 図 4-2 大野式荷重 - 変形曲線せん断力 (kn) 80 70 13e 60 50 40 30

2 写真 4-1 大野式破壊性状 (7 層 7 プライ ) 写真 4-2 水平せん断式破壊性状 (7 層 7 プライ ) 0 0 2 4 6 8 10

11 せん断力 (kn) 70 2e 層 5 プライ同一等級図層 5 プライ試験体における大野式載荷 ( 上 ) および水平せん断式載荷 ( 下 ) 10 No.1 No.2 No 変位 (mm) 図 4-2 大野式荷重 - 変形曲線せん断力 (kn) e 層 7 プライ同一等級 No.1 No.2 写真 4-1 大野式破壊性状 (7 層 7 プライ ) 写真 4-2 水平せん断式破壊性状 (7 層 7 プライ ) 変位 (mm) 図 4-3 大野式荷重 - 変形曲線せん断力 (kn) d : 最大せん断力曲げ破壊 No.1 No.2 No 変位 (mm) 図 4-4 水平せん断式荷重 - 変形曲線 5 層 5 プライ異等級

12 5. 縦圧縮目的断面構成の異なる CLT について短柱の縦圧縮試験 ( 細長比 λ=20) を行い強度性能を明らかにする方法容量 3000kN の圧縮試験機を用いて上端ピン下端固定にて載荷した標点距離 300mm 間の変形量を測定した ( 写真 5-1) 結果およびまとめヤング係数 (Ec) は 5 層 5 プライの強軸で 3.7~ 4.2kN/mm 2 弱軸で 2.0~3.1kN/mm2 また 7 層 7 プライの強軸で 3.4~3.7kN/mm 2 弱軸で 2.3~2. 5kN/mm 2 であった縦振動法によるヤング係数 (Efr) と実験時に求めたヤング係数 (Ec) とを比較すると 2~13% の差であった圧縮強さは 5 層 5 プライの強軸で 18.8~21.0 N/mm 2 弱軸で 13.1~15.4N/mm 2 7 層 7 プライの強軸で 18.7~18.9N/mm 2 弱軸で 13.4~14.3N/mm 2 であった破壊は節やフィンガージョイントの近傍から生じた強軸と弱軸の圧縮強さを比較すると弱軸が強軸のほぼ 7 割であり試験体の断面積に占める載荷方向と繊維が平行であるラミナの割合に比例した

表 5-1 試験体の寸法および試験体数ラミナ構成試験体寸法 (mm) 試験体数 5 層 5プライ 150 300 865 同一異等級 ( 強軸弱軸 ) 各 6 7 層 7プライ 210 300 1210 同一 ( 強軸弱軸 ) 各 3 1000 荷重 (kn) 写真 5-1 試験の様子 800 600 400 200 0 変位平均変位 1 変位 2 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.

13 表 5-1 試験体の寸法および試験体数ラミナ構成試験体寸法 (mm) 試験体数 5 層 5プライ同一異等級 ( 強軸弱軸 ) 各 6 7 層 7プライ同一 ( 強軸弱軸 ) 各荷重 (kn) 写真 5-1 試験の様子変位平均変位 1 変位変位 (mm) 図 5-1 荷重 - 変位曲線の例表 5-2 縦圧縮試験結果ラミナ構成強軸 E c (kn/mm 2 ) 弱軸 E c (kn/mm 2 ) 強軸 σ c (N/mm 2 ) 弱軸 σ c (N/mm 2 ) 同一 5 層 5 プライ異等級 5 層 5 プライ同一 7 層 7 プライ

14 6. めり込み目的 CLT の作製条件と加圧条件を変化させてめり込み試験を行いめり込み強度性能を明らかにする方法積層数ラミナ構成外層ラミナの方向荷重方向に対する試験体の配置の 4 つのパラメータを組み合わせ ISO に準じてめり込み試験を行った ( 図 6 ー 1 参照 ) 結果めり込み強度は積層数およびラミナ構成にかかわらず弱軸縦使いの試験体の強度性能が最も大きく次いで強軸縦使い強軸平使い弱軸平使いの順であった ( 表 6 ー 1 参照 ) めり込み強度性能には試験体の配置と外層ラミナの方向の影響が大きく積層数とラミナ構成の影響は小さいことがわかった ( 表 6 ー 1 参照 ) まとめめり込み強度性能を決定づけるパラメータはラミナの方向と試験体の配置であり積層数やラミナ構成はめり込み強度性能にはあまり寄与しないことがわかった

15 上面図側面図強軸平使い強軸縦使い強軸平使い強軸縦使い上面図側面図弱軸平使い弱軸縦使い弱軸平使い 5 層 7 層弱軸縦使い図 6 ー 1 めり込み試験体と加圧方法表 6 ー 1 めり込み試験結果 ( 平均値 ) 積層数ラミナ構成外層ラミナの方向試験体の配置めり込み強度 (N/mm 2 ) 5 同一等級強軸平使い同一等級強軸縦使い同一等級弱軸平使い同一等級弱軸縦使い異等級強軸平使い異等級強軸縦使い異等級弱軸平使い異等級弱軸縦使い同一等級強軸平使い同一等級強軸縦使い同一等級弱軸平使い同一等級弱軸縦使い 20.4

16 7. 長期性能 ( 面外曲げ ) 目的長期的かつ継続的に作用する荷重に対する CLT の力学的な性状についての知見を収集することを目的とする方法スパン 2700mm にてスパンの 3 等分点に所定の荷重を載荷しクリープ破壊試験 (DOL 試験 ) とクリープ試験を行ったなお試験体は寸法 150mm ( 厚 ) 300mm( 幅 ) 3000mm( 長 ) スギ (L60) を挽き板とする 5 層構成の CLT とした結果平成 12 年国土交通省告示 1446 号の試験評価法により算出した変形増大係数は 1.61 であった ( 図 7-1 参照 ) Power 則を用いて算出した変形増大係数は 2.23 であった ( 図 7-2 参照 ) 荷重比 80% で載荷した 6 体の試験体のうち 5 体と荷重比 75% で載荷した試験体 3 体のうち 3 体はマディソンカーブで想定している破壊に至る時間以内で破壊することはなかった ( 図 7-3 参照 ) まとめ CLT のクリープ変形は木材に比べて幾分大きくなる可能性がある CLT のクリープ破壊については木材と同等の扱いをしても差し支えない

0.05 0.00 y = -0.0518x + 0.1639 R² = 0.8695 log(d1/dt) -0.05-0.

7-1 相対変位の逆数の対数と時間の対数との関係 ( 例 ) 5 4 相対変位 3 2 1 0 0 50000 100000

100 荷重比 (%) 90 80 70 Madison Curve 60 2 日 13 日 90 日 50

17 y = x R² = log(d1/dt) log(t) 載荷する荷重を求めるために実施した曲げ試験の様子図 7-1 相対変位の逆数の対数と時間の対数との関係 ( 例 ) 5 4 相対変位経過時間 (min) 図 7-2 相対変位と経過時間との関係 ( 例 ) 長期荷重載荷試験の様子 100 荷重比 (%) Madison Curve 60 2 日 13 日 90 日 50 クリープ破壊の様子荷重継続時間 ( 分 ) の常用対数図 7-3 荷重比と荷重継続時間の常用対数との関係

18 8. 床構面のせん断性能目的 CLT パネルを梁桁材にビス留めした実大床構面の水平せん断性能を実験的に検証し存在床倍率評価を行うことを目的とする試験体と試験方法カラマツ集成材で構成した床組 ( 桁行 7.28m 張間 3.64m) に厚さ 135mm の CLT パネル ( 長さ 3.64m 幅 1.82m) を 4 枚並べ 2 種類の仕様でビス留めした仕様 1 はパネル間接合部に斜めビスを用いたタイプ ( 写真 1) 仕様 2 はパネル間接合部に合板スプライン材を用いたタイプ ( 写真 2) であるこの試験体に対し図 1 及び写真 3 に示す方法で水平力を加え試験体に加えられ荷重と各部の変形量を測定した試験結果仕様 12 共に高耐力を発揮しながらも変形性能に優れた性状を示した床倍率の評価を行った結果両仕様共に 13 倍以上の値を示し一般的な施工方法による床倍率 ( 床倍率 3 程度以下 ) の値を大きく上回る結果となったまとめ CLT パネルをビス留めした床構面は非常に高いせん断性能を示し床倍率も極めて高い値を示した

19 図 1 加力方法概略写真 1 仕様 1 で使用したビス ( 上 ) と外周部施工状況 ( 下 ) 写真 3 水平せん断試験の様子表 1 試験荷重と床倍率の算定結果試験荷重 (kn) Py 0.2Pu/Ds 2/3Pmax P(1/150) 写真 2 仕様 2 で使用したビス ( 上 ) とパネル間接合部施工状況 ( 下 ) 基準せん断耐力 (kn/m) 床倍率仕様仕様

20 おわりにスギを用いてラミナ構成の異なる3 種類のCLTを製造し面外曲げ面内曲げ面外 ( 層内 ) せん断縦圧縮めり込み面外曲げの長期荷重に対する性能を実験的に明らかにしたこれらの成果は実大規模の試験体を用いてCLTの諸強度性能を網羅的に検証した非常に貴重なものであり CLTの日本農林規格策定や CLTを用いた建物の構造設計を検討する上で活用されると考えられる関係者のご尽力に謝意を表する

21 執筆者 1. 試験の概要宮武敦 2. 面外曲げ渋沢龍也藤田和彦 3. 面内曲げ平松靖 4. 面外 ( 層内 ) せん断新藤健太 5. 圧縮短柱杉本健一 6. めり込み井道裕史 7. 長期性能面外曲げ中島史郎藤田和彦 8. 床構面のせん断性能青木謙治平成 25 年 3 月

22 裏表紙

平成 26 年度林野庁委託事業 CLT 等新たな製品技術の開発促進事業中高層建築物等に係る技術開発の促進 (CLT 強度データの収集 ) 目次はじめに 1. 試験計画及び試験体の概要 1 2. 層構成が強度性能に与える影響面外曲げ面外せん断面内曲げ

平成 26 年度林野庁委託事業 CLT 等新たな製品技術の開発促進事業中高層建築物等に係る技術開発の促進 (CLT 強度データの収集 ) 目次はじめに 1. 試験計画及び試験体の概要 1 2. 層構成が強度性能に与える影響面外曲げ面外せん断面内曲げ平成 26 年度林野庁委託事業 CLT 等新たな製品技術の開発促進事業のうち中高層建築物等に係る技術開発の促進 (CLT 強度データの収集 ) 成果報告書平成 27 年 3 月独立行政法人森林総合研究所地方独立行政法人北海道総合研究機構一般社団法人日本 CLT 協会公益社団法人日本木材加工技術協会平成 26 年度林野庁委託事業 CLT 等新たな製品技術の開発促進事業中高層建築物等に係る技術開発の促進