用いて一般的な桟積み方法で行った自然乾燥中の 1 本ずつのスギ部材の含水率重量打撃法による一次共振周波数の測定は天井クレーンで1 階床面に降ろして行いそれぞれの供試材の水分状況を考慮して桟積みのローテーションを適宜行い再度 2 階床面で自然乾燥を継続したスギ材の自然乾燥状況を図 2 に示

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かずまさちゅうか
5 years ago
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1 音響打撃法による自然乾燥木材の含水率の推定 Estimation of Moisture Content during Natural Drying of Wood using a Primary Resonance Frequency of the Sound 定成政憲, 藤野栄一, 中村瑞穂 SADANARI Masanori, FUJINO Eiichi, NAKAMURA Mizuho 1 はめに木造在来軸組工法による住宅建築では柱や梁などの部材について約 20% 程度の含水率で納入されることが期待されている一部の大手住宅メーカでは含水率 15% 程度の高温乾燥材を市場に提供しておりこの含水率の問題は解決されたかのように見なす業界人も多いしかし部材内部に高温乾燥による内部割れの発生が多いために在来木造の仕口や継手の加工が困難となるものが多く伝統的な住宅をつくっている大工職人には極めて評判が良くないまた高温乾燥によるスギ部材 ( 市場ではほぼスギのみ ) の鋸屑は通常のものより臭いなどの問題点を指摘する人も多いそのため在来軸組工法を主とする大工職人は木材の自然乾燥に過剰な期待を寄せることになる確かにうまく自然乾燥させた木材はつやがあり素材特有の特徴が見られる木材乾燥を技術面から見れば自然乾燥は地域特有の温度湿度の環境条件に大きく依存するために乾燥割れなどの欠点が多く発生する可能性がある地域固有の乾燥方法であるしかし地域に根ざした工務店や設計士施主などが地元の山の木を自然乾燥させた木材を用いて木造住宅をつくり続けていきたいと熱望していることも事実であるそのためには山側において木材の含水率や強度等級などを適切に管理して地域内で信頼される木材製品を提供し続ける必要がある中小規模の事業所で丸太や製材品の強度等級区分と含水率測定を行うためには音響打撃法と高周波式含水率計を用いるのが最も相応しいと思われるしかし自然乾燥中の大径丸太や長尺材の含水率の測定は桟積みを解体する必要があるため実務的に困難であるところが木材の含水率の低下に伴って音響打撃法による一次共振周波数が上昇するという傾向が実験で確かめられているので 1) これを桟積みされたままの木材の含水率の推定に適応できるものなのかどうかについて着目をしたそこで本報告では本校の 2 号館実習場で 4 寸角材長 4m の 24 本のスギを自然乾燥させ音響打撃法による 1 次共振周波数を測定して含水率の推定の可能性について検討した実験方法 1 自然乾燥に用いたスギ供試材自然乾燥を行ったスギには山梨県産の 4 寸角材長 4m のものを 24 本使用した自然乾燥前の未乾燥のスギ供試材の平均含水率は 86.9 %, 変動係数は平均年輪幅は 4.25 mm 変動係数は嵩比重は変動係数はであったなおスギ供試材の含水率は Kett 社の moco2( 認定番号 : ( 財 ) 日本木材技術センター ) により厚さを最大 (40mm) レンジをスギとして測定した含水率の測定箇所は 4 寸角 4m 材の元口より 50cm の位置 (A(50cm) と表記 ) 元口より 150cm の位置 (B(150cm) と表記 ) 元口より 250cm の位置 (C(250cm) と表記 ) 元口より 350cm の位置 (D(350cm) と表記 ) の一面 4 か所を表面 - 側面 - 裏面 - 側面という順番で 4 面測定したまた木口の含水状況を把握するために元口含水率 ( 木口 ) と末口含水率 ( 木口 ) も測定したスギ供試体 1 本当たりの含水率測定箇所は 18 箇所である含水率測定状況を図 1 に示した自然乾燥方法 24 本のスギ 4 寸角材長 4m 材の自然乾燥は職業能力開発総合大学校東京校 2 号館実習場の鉄骨造構造物の 2 層床面に約 25mm 角の桟木を

用いて一般的な桟積み方法で行った自然乾燥中の 1 本ずつのスギ部材の含水率重量打撃法による一次共振周波数の測定は天井クレーンで1 階床面に降ろして行いそれぞれの供試材の水分状況を考慮して桟積みのローテーションを適宜行い再度 2 階床面で自然乾燥を継続したスギ材の自然乾燥状況を図 2 に示した図 1 高周波式含水率計を用いた含水率測定

(2)Wave Spectra ソフトのトリガー機能を利用して音響データを取り込み Windows の wave ファイルとして保存する (3) 保存された wave ファイルを位置指定して再生し FFT 解析により一次共振周波数を求めるなおこの打撃法によって求められたスギ供試材の一次共振周波数は式

自然乾燥木材の含水率 24 本のスギ材を約 120 日間自然乾燥し乾燥開始時 (0 日 ) 自然乾燥 78 日後自然乾燥 120 日後の試験体の平均含水率の変化を表 1 に示した自然乾燥による仕上がり含水率を約 20% として 120 日後の含水率の値で 2 種類のグループに分類した同表の網掛けの無い No.1, No.5, No.6, No.7, No.8, No.

2 用いて一般的な桟積み方法で行った自然乾燥中の 1 本ずつのスギ部材の含水率重量打撃法による一次共振周波数の測定は天井クレーンで1 階床面に降ろして行いそれぞれの供試材の水分状況を考慮して桟積みのローテーションを適宜行い再度 2 階床面で自然乾燥を継続したスギ材の自然乾燥状況を図 2 に示した図 1 高周波式含水率計を用いた含水率測定一次共振周波数の測定方法音響打撃法を用いた自然乾燥中のスギ 4 寸角材長 4m の一次共振周波数の測定は供試材の木口打撃用の金槌音響マイク及び FFT ソフトフェア (Wave Spectra: フリーソフトウェア ) を用いて行った測定の手順は次の通りである (1)1 本のスギ部材を 2 箇所で支持して元口近傍に音響マイクを保持し他端の末口を金槌で一回打撃する (2)Wave Spectra ソフトのトリガー機能を利用して音響データを取り込み Windows の wave ファイルとして保存する (3) 保存された wave ファイルを位置指定して再生し FFT 解析により一次共振周波数を求めるなおこの打撃法によって求められたスギ供試材の一次共振周波数は式 1に示したように材料の曲げヤング係数を計算するのに用いられるものである E = (2 L f) 2 ρ (GPa) 1 ここで L は材長 (m) f は一次共振周波数 (Hz) ρは密度 (kg/m 3 ) である打撃法による一次共振周波数の測定状況を図 3 に示した図 2 鉄骨造 2 層に桟積みしている状況図 3 打撃法による一次共振周波数の測定および考 1 自然乾燥木材の含水率 24 本のスギ材を約 120 日間自然乾燥し乾燥開始時 (0 日 ) 自然乾燥 78 日後自然乾燥 120 日後の試験体の平均含水率の変化を表 1 に示した自然乾燥による仕上がり含水率を約 20% として 120 日後の含水率の値で 2 種類のグループに分類した同表の網掛けの無い No.1, No.5, No.6, No.7, No.8, No.9, No.11, No.12, No.15, No.17, No.18, No.20, No.22, No.23, No.24 の 15 体の試験体は厚さ 40mm の制限という条件付きの高周波式含水率計によるものであるけれども現状の受け入れ検査に合格するものであるので十分な乾燥がされているグループとした一方同表の網掛けを付けた No.2, No.3, No.4, No.10, No.13, No.14, No.16, No.19, No.21 の

9 体の試験体はまだ十分に乾燥されていないので乾燥が不十分なグループとして分類した日後には含水率は全ての測定箇所で 20% 以下となった表 1 自然乾燥中の試験体の平均含水率の変化含水率 0 日の含 78 日の含 120 日の試験水率 (%) 水率 (%) 含水率 (%) No.1 74.4 25.7 16.8 No.2 85.6 43.7 31.0 No.3 83.9 34.

3 9 体の試験体はまだ十分に乾燥されていないので乾燥が不十分なグループとして分類した日後には含水率は全ての測定箇所で 20% 以下となった表 1 自然乾燥中の試験体の平均含水率の変化含水率 0 日の含 78 日の含 120 日の試験水率 (%) 水率 (%) 含水率 (%) No No No No No No No No No No No No No No No No No No No No No No No No 乾燥がされているグループに分類した含水率分布の結果を試料番号 No.1 を一例として図 4 に示した同図は乾燥開始時自然乾燥 78 日後及び自然乾燥 120 日後の含水率を測定箇所別に整理したものである乾燥開始時には丸太から 4 寸角に製材した後に元口と末口から乾燥した影響が見られ A(50 mm) と D(350mm) の平均含水率はやや低い傾向を示した乾燥 78 日後は桟積みの影響が大きくて裏面の乾燥が遅れているのが分かるしかし最終的な自然乾燥 120 (A) 乾燥開始時 (0 日 ) の含水率分布 (B) 自然乾燥 78 日後の含水率分布 (C) 自然乾燥 120 日後の含水率分布図 4 十分な乾燥がされている No.1 試験体の含水率分布次に乾燥が不十分なグループに分類した含水率分布の結果を試料番号 No.2 をその一例と

4 して図 5 に示した同図の乾燥開始時の含水率は側面 2 において 100% を超えており十分な乾燥がされているグループの No.1 よりも初期含水率が高いことが特徴であるその初期含水率の影響が自然乾燥 78 日後及び 120 日後においても 20% まで含水率が低下しないことの要因であるまた最終的に含水率分布が残ってしまうことも初期含水率の高いスギ材の水分特性である (A) 乾燥開始時 (0 日 ) の含水率分布日本の人工林に占めるスギの割合はヒノキよりも多くスギ材の有効活用が求められているしかし乾燥がされている No.1 試験体 ( 図 4) と乾燥が不十分な No.2 試験体 ( 図 5) の含水率分布の差異が示すようにスギ材は含有する水分量が地域や森林の立地条件によって大きく異なるそのためスギをうまく乾燥させて建築部材にするためには定期的な含水率の測定が必須であるしかし 4 寸角材長 4m のスギ正角材に使用する程度の断面でも乾燥が不十分な No.2 のような含水率分布が発生するので自然乾燥木材の含水率を推定するためには定期的に数カ所の測定をする必要がある正角材平角材の桟積みや丸太の井桁組みによる自然乾燥中の含水率を高周波式含水率計で測定するためには桟積みや井桁組みを一度解体する必要があるこれは実験レベルでは可能であるが実務ではほぼ不可能と考えられるそこで桟積みや井桁組みで自然乾燥されている状況でスギ材の含水率を推定できる簡易な方法が求められている (B) 自然乾燥 78 日後の含水率分布 (C) 自然乾燥 120 日後の含水率分布図 5 乾燥が不十分な No.2 試験体の含水率分布スギ材の含水率と一次共振周波数十分な乾燥がされたグループ 24 本のスギ材のなかで十分な乾燥がされたグループに分類した 15 体の平均含水率の変化を直線で近似した結果を図 6 に示したスギ材の自然乾燥は既往の研究成果より 2) 乾燥初期の恒率乾燥期間を除けば下に凸の曲線となるしかし今回の研究では音響打撃法による 1 次共振周波数と含水率の傾向を調べることを目的としているのでかなり大胆な簡略化として直線で近似することを試みた乾燥開始時から自然乾燥 120 日後までの 1 日当たりの含水率低下係数は %/ 日 (No.1) %/ 日 (No.5) %/ 日 (No.6) %/ 日 (No.7) %/ 日 (No.8) %/ 日 (No.9) %/ 日 (No.11) %/ 日 (No.12) %/ 日 (No.15) %/ 日 (No.17) %/ 日 (No.18) %/ 日 (No.20) %/ 日 (No.22) %/ 日 (No.23) %/ 日 (No.24) 平

5 均値は %/ 日である初期含水率が約 80% 程度の自然乾燥が容易な 4 寸角材長 4m のスギ材の 1 日当たりの含水率低下係数は平均値の %/ 日をとりあえず採用しておきたい 1 日当たりの一次共振周波数増加係数を計算すると次の結果が得られた Hz/ 日 (No.1) Hz/ 日 (No.5) Hz/ 日 (No.6) Hz/ 日 (No.7) Hz/ 日 (No.8) Hz/ 日 (No.9) Hz/ 日 (No.11) Hz/ 日 (No.12) Hz/ 日 (No.15) Hz/ 日 (No.17) Hz/ 日 (No.18) Hz/ 日 (No.20) Hz/ 日 (No.22) Hz/ 日 (No.23) Hz/ 日 (No.24) 平均値は Hz/ 日であるここで形式的に平均値の含水率低下係数と一次共振周波数の増加係数の除算を行うと %/ 日 Hz/ 日 =0.642 %/Hz という係数が得られるこの係数を使って 4 寸角材長 4m のスギ材の自然乾燥中の含水率を式 2の実験式で推定できる可能性がある図 6 乾燥の容易なグループの含水率変化次に同じ試験体の音響打撃法による一次共振周波数の変化を直線で近似した結果を図 7 に示した MC = Ma Δf (%) 2 ここで MC は自然乾燥中の推定含水率 (%) Ma は桟積み前の高周波式含水率計で測定した初期含水率 (%) Δf は桟積み前に測定した一次共振周波数 (fa) を基準とした自然乾燥中に測定された一次共振周波数 (fd) との増加量 (fd-fa)(hz) である図 7 乾燥の容易なグループの一次共振周波数 1 日当たりの含水率低下係数と同様な方法で乾燥が不十分なグループ乾燥が不十分なグループに分類した 9 本のスギ材の平均含水率の変化を直線で近似した結果を図 8 に示した乾燥開始時から自然乾燥 120 日後までの 1 日当たりの含水率低下係数は %/ 日 (No.2) %/ 日 (No.3) %/ 日 (No.4) %/ 日 (No.10) %/ 日 (No.13) %/ 日 (No.14) %/ 日 (No.16) %/ 日 (No.19) %/ 日 (No.21) 平均値は %/ 日であるスギ材の試験体数が 9 体とやや少ない結果であるが乾燥の容易なグループの含水率低下係数と比べるとやや大きな値となったがほぼ近似的な値とみることも十分に可能である

6 (No.14) Hz/ 日 (No.16) Hz/ 日 (No.19) Hz/ 日 (No.21) 平均値は Hz/ 日である乾燥が容易なグループのデータ操作と同様に平均値の含水率低下係数と一次共振周波数の増加係数の除算を行うと %/ 日 Hz/ 日 =0.709 %/Hz という係数が得られるこの係数を使って 4 寸角材長 4m のスギ材の自然乾燥中の含水率を式 3の実験式で推定できる可能性がある MC = Ma Δf (%) 3 ここで MC, Ma, Δf は式 2と同じである図 8 乾燥が不十分なグループの含水率変化同じ 9 体の試験体の一次共振周波数の変化を直線近似した結果を図 9 に示した図 9 乾燥が不十分なグループの一次共振周波数自然乾燥中の 1 日当たりの一次共振周波数増加係数は Hz/ 日 (No.2) Hz/ 日 (No.3) Hz/ 日 (No.4) Hz/ 日 (No.10) Hz/ 日 (No.13) Hz/ 日自然乾燥中の曲げヤング係数の定木材の機械強度等級区分法の一つとして音響打撃法が中小規模の事業所で用いられている材料の曲げヤング係数 (E) は式 1で既に示したように試験体の長さ (m) 密度(ρ)= 重量 (kg) / 体積 (m 3 ) 及び一次共振周波数 (Hz) を測定すれば容易に計算が可能であるただし木材の曲げヤング係数を自然乾燥のどの時点で測定をして強度等級区分をするのが良いかについては実務においてしばしば話題になることがあるそこで乾燥が容易なグループと乾燥が不十分なグループの試験体の一次共振周波数と密度及び試験体長さを用いて計算した曲げヤング係数の変化を図 10 と図 11 にそれぞれ示した乾燥が容易なグループの曲げヤング係数の変化は試験体 No.6 が自然乾燥 120 日後で 1.5 倍となりやや信頼性を損なう結果となったしかしその他の 14 体の試験体の曲げヤング係数の計算結果はほぼ等しいものと見ることが可能であるまた乾燥が不十分なグループについては自然乾燥 120 日後の試験体 10 の曲げヤング係数の計算値が小さな値となっているがその他の 8 体についてはほぼ同じであるしたがって自然乾燥中の曲げヤング係数の計算は乾燥開始前から終了時までのどの期間においても可能であることが分かる一般的には自然乾燥のための桟積みや井桁組みの前に正角材

7 平角材や丸太の重量と長さ及び体積の測定と同時に一次共振周波数を測定して曲げヤング係数を計算しておくことが最も良い作業方法であると考えられるこの方法を採用することによって測定した初期値をメモリすることで式 2 と式 3を用いた自然乾燥中の含水率の推定が可能である図 10 乾燥が容易なグループの E の変化おりに私たちが住んでいる地域の森の木を使って木造住宅を建て続けていくためには地域固有の木材の含水率管理と強度等級区分を適切に行った商品を市場に提供していく必要がある長尺材や丸太を桟積みや井桁組みにして自然乾燥をしている過程では高周波式含水率計による測定は作業効率が悪く実務的ではないそこで木材の含水率低下にともない一次共振周波数が増加するという関係に着目して 4 寸角材長 4m のスギ材を自然乾燥して音響打撃法により含水率の推定が可能かについて検討したその結果次のようなことが分かった 1) スギ材については初期含水率が自然乾燥の乾燥経過に大きく影響することが分かった 2) スギ材の自然乾燥 120 日後の含水率が約 20% 以下に達しているかを判定基準として二つのグループに分類した含水率が約 20% 以下に達した乾燥が容易なグループはいつくかの例外もあるが初期含水率が約 80% 前後あるいはそれ以下であった一方乾燥が不十分なグループは全て初期含水率が 80% 以上であった 3) 初期含水率が 80% 近傍については検討を要するが初期含水率が 80% 未満の 4 寸角材長 4m のスギ材については2 式で 80% を超えるものについては3 式で含水率の簡易な推定が可能である 4) 音響打撃法による曲げヤング係数は木材の水分状態にあまり関係なくどの含水状態で計算してもほぼ等しい結果が得られる 1) 定成政憲 : 山梨県産アカマツ丸太の水中処理について日本木材学会宮崎大会乾燥部門 ) 寺沢眞 : 木材乾燥のすべて海青社 2004 改訂増図 11 乾燥が不十分なグループの E の変化補版 P

2.2 天然乾燥及び人工乾燥方法の検討コナラについて, 天然乾燥における含水率等の推移を調査したまた, 併せて人工乾燥スケジュールを検討し, それによる仕上がり状態を確認した天然乾燥試験試験体寸法は, 調査を行った事業体からの聞き取りを基に, 角材は 65 mm角と 75 mm角,

2.2 天然乾燥及び人工乾燥方法の検討コナラについて, 天然乾燥における含水率等の推移を調査したまた, 併せて人工乾燥スケジュールを検討し, それによる仕上がり状態を確認した天然乾燥試験試験体寸法は, 調査を行った事業体からの聞き取りを基に, 角材は 65 mm角と 75 mm角, 県産広葉樹の木材加工技術の開発 - 木材の乾燥 - 皆川豊玉川和子 *¹ 要旨本県で資源の充実しつつある広葉樹の利用拡大に向けて課題とされている乾燥試験に取り組んだもので, コナラの天然乾燥試験では, 木材水分計による含水率測定の結果, 当初の含水率が, 平均で 51%( 最大 67%) であったものが,2か月後には 21% まで,10 か月後には 12% まで,15 か月後には 11% まで減少した