木材の繊維方向が摩擦特性に与える影響の実験的考察
石井 卓磨
1. はじめにいかった点を考慮し, 試験目的である木材表面と接す

森林資源の利活用を目的とした木質構造に対する規る面とは反対の引抜板表面にテフロンを固定し, さら制緩和の開始から 10 年が経過し, CLT や木質ラーメにテフロンをもう一層設ける仕様を採用している.

ン構造に代表される新たな材料・技術を採用した木造

図 1 に併記した鉛直荷重 N は, 後述する木材試験建築は, 着実に増加している. このような開発研究に

片各方向の材料試験の結果に基づき定めるもので, 各おいて, シミュレーション解析は本来, 重要な役割を試験条件の長期圧縮強度に対し, その 10 %, 30 %,占めるが, 木質構造, 特にその接合部周辺を正確にモ50 %, 100 % の 4 段階を設定する. これらの荷重は試デル化する手法は未だ確立されていない. 以上を背景

験機のフィードバック制御により一定荷重を保持するに, 本研究ではそれらシミュレーション解析に不可欠が, 制御には限界がある点にも留意する必要がある.
計測項目は, 圧縮荷重 N とロードセルによる引抜な摩擦特性に着目し, その基本的な力学的性質を木材

荷重 F の他, 接触面の相対変位の計測を目的に, 引抜表面の性状と照らし合わせて調べたものである.
摩擦特性の 1 つである凝着項と木材表面との対応板とその直上の木材の水平方向の移動量も計測した.

関係を調べた先行研究として, 山川らによる検討が挙2.2 試験計画・方法と木取りげられる 1) . 当該研究では, 試験・評価の方法など, 木木材は, 部材内の不均質性から 1 つの木材内でも材表面の摩擦を調べる基本的な方針を示しており, 本特性が異なるため, 比較対象となる試験シリーズを可研究でもそれらを踏襲する. 本論では特に, 試験方法能な限り近接した位置で採取する必要がある. 本研究を再度見直し改良した他, 木材の異方性が摩擦特性にでは, 繊維方向の影響を考慮するため, 図 2 に概要を与える影響を詳しく調べた結果を述べる.

示すように試験片を採取した.

2. 木材の異方性を考慮した摩擦試験
2.1 摩擦試験の試験方法と計測項目
本研究では, 図 1 に示す試験装置 1) を用いて摩擦試験を実施した. この試験装置は, 木材と引抜板と称する鋼材面の摩擦特性を調べるもので, 圧縮荷重 Nにより定めた面圧を接触面に作用させる. その後, マ
ニュアル制御により図 1 の右側にある高ナットを回転させ, それと連動する水平方向の強制変位に要する荷重をロードセルで計測するものである.
図 2

木材各方向の試験片の木取りすべての試験片は, 木理通直な断面 125 mm 角の二方柾のスギ製材から切り出したもので, まず 125mm 角の立方体を用意し, 木口面, 板目面, 柾目面を試験条件にできるよう断面 30 mm × 30 mm, 長さ 27mm の試験片 32 体を採取した. 試験体採取にあたり,切断面に影響を与える切断の条件も検討し, 検討の結果, 先行研究で採用していた鋸速度を 5.0 m / s, 自動
図 1

摩擦試験装置の基本構成

送り装置の送り速度を 10.0 mm / s の条件では, 鋸のこの装置は, 先行研究 1) で懸念された点を改善した変形による試験片の加工精度が不十分と考え, 鋸速度

もので, 鋼板－テフロン間の摩擦の影響が比較的大きを 15.0 m / s, 送り速度を 1.0 mm / s とした.
58-1

採取した 32 体は, すべて異なる試験条件を設定す

摩擦試験の結果を図 3 に示す.

るもので, 先に述べた圧縮荷重 4 段階に加え, 木材の0.25繊維方向における摩擦特性を調べるため , 摩擦面 30.20.1980.175

種類 × 滑動方向 2 種類を試験変数とした. さらに

0.150.1440.112

テフロン静摩擦係 μｔ0.1

板目面では, 早材と晩材の表面積が特性に影響を与え0.0850.0860.0810.05ると考え, 板目面を合計 2 種類製作し, 圧縮荷重 4圧縮荷重 N [kN]0段階 × 摩擦面 4 種類 × 滑動方向 2 方向 = 32 体

05101520である. 試験体の呼称はこれら試験条件と対応させ,

図 3 テフロンの摩擦係数の圧縮荷重の関係

摩擦面（L：木口, R：板目, T：柾目）滑動方向（L：繊

図 3 より, 圧縮荷重が概ね 2 kN 以下の領域で最大

維方向, R：年輪半径方向, T：年輪接線方向）ハイフン

μ t = 0.2 程度の摩擦係数となるのに対し, それより圧（－）圧縮荷重（10 %, 30 %, 50 %, 100 %）を順に並縮荷重が大きい領域では安定して, μ t = 0.08 程度であべるものとし, 例えば LR-10 % は, 接触面を木口とると判断される. 標準的なテフロンの摩擦係数が, 0.03する R 方向への滑動を調べたもので, そのときの圧~ 0.10 と知られていることを踏まえると, 小さい圧縮縮荷重 N は L 方向の長期圧縮強度の 10 % である

荷重下では, 試験精度や製品の加工精度により, 全面ことを意味する.

が接触する条件ではなかったものと推察される.

2.3 木材の機械的性質と試験条件

3.2 摩擦特性の評価方法
試験結果の一例として LR-30 % の試験結果より, 摩試験条件を定める根拠とした, 木材各方向の機械的擦係数を求めた結果を時刻歴にして図 4 に示す.

性質として, 材料試験により得られた圧縮強度等の物性を表 1 にまとめて示してある.
表 1

摩擦係数 µ試験片の基本物性と圧縮強度

摩擦面密度
ρ [g/cm³]

平均年輪間隔含水率l [mm]u [%]重量w [g]

圧縮強度σc [N/mm²]

L方向0.441.3713.110.7345.6

R方向0.44ー12.610.652.5T方向

2 回目

0.2

1 回目
Time [sec.]

0.100.441.40

13.5

10.71

5 回目

4 回目

3 回目

5101.915

図 4202530354045

摩擦係数の時刻歴

この他 , 摩擦試 験の相 手とな る引 抜板 の表面は #図 4 では, 摩擦試験の開始時を時刻歴 0 として表1200 相当の粗さとした. これは比較的平滑な鋼材表示したものである. 同図より, 各試験の開始に合わせ面の仕上げで, 先行研究に見られた掘り起こし項の摩て摩擦係数が増加, その後急激に低下し, 10 s の空白擦を極力生じさせないためである. 参考として表 2期間に応力緩和が生じることがわかる. このように求に, 鋼材表面の算術平均粗さと最大粗さを示す.

めた摩擦係数から静摩擦係数を評価する. 木材の引抜

表 2 鋼材の表面粗さ指標

板の相対変位は, 接触面に作用する圧縮荷重により,算術平均粗さ [μm]最大高さ粗さ [μm]

木材が変位しない場合, 木材が試験途中に滑動する場

2.3

440.8

合, 木材が滑動しない場合の 3 種類の挙動を示した.

3. 試験結果に基づく摩擦特性の評価

先行研究で見られた掘り起こし摩擦による影響が小さ

3.1 テフロンの摩擦係数の評価くなったことによってより簡素な結果として, これら

本研究で実施した摩擦試験は, 図 1 に示す通り引の挙動を順に取り上げ, 静摩擦係数の評価方法を述べ

抜板に対する 2 面摩擦で, テフロン間に生じる摩擦係る. 該当する摩擦係数の時刻歴を図 5 に示す.

数 μ t の影響をロードセルの計測値である引抜力 F0.2

摩擦係数 μを圧縮荷重 N で割った値より差し引き,𝐹
𝜇 = − 𝜇𝑡
𝑁

静摩擦係数

1.9μs

変位［mm］

摩擦係数1.7

木変位0.18鋼材変位(1)1.50.16として木材各方向の摩擦係数 μ を評価する. ここで1.30.14は, テフロンの摩擦係数 μ t を調べるため, 本試験装0.1249.4置を用い, 別途テフロンのみが滑動面となる条件で,Time [sec.]
49.5

49.649.749.8

49.9

5050.150.2

50.3

1.150.4(a) 木材が変位しなかった場合の試験結果

圧縮荷重 N を変動させ, 試験を実施した. テフロンの58-2

0.2

摩擦係数 μ静摩擦係数

1.6μs0.4

変位［mm］

0.35

摩擦係数

0.18

木変位

0.31.4鋼材変位

0.250.160.140.2

1.20.150.120.1
19.4

19.5

19.619.719.8

19.92020.120.220.3

摩擦係数 μ摩擦係数

μp145数が 0.25 に収束していくことが確認できる.

0.02

柾目面に対する静摩擦係数の結果は, 木口面と比べて0.5大きい値となり, 摩擦方向や繰り返し回数に関係なくTime [sec.]
19.63と初期の摩擦係数が減少し, 繰り返しによって摩擦係
0.719.52

まず, 木口面に関して結果を見ると荷重が大きくなる

0.04

019.4

板目面

図 6 各摩擦面の静摩擦係数

1.10.9鋼材変位

柾目面

繰り返し回数[回]

0

摩擦係数
木変位

木口面-50%, 100%

0.05

120.4

変位［mm］

木口面-10%, 30%0.1

Time [sec.](b) 木材が試験中に滑動する場合の試験結果
0.06

摩擦係数 µ19.719.8

19.9

2020.120.2

20.3

0.320.4

一定の値をとることが確認できた. 板目面に関しては(c) 木材が滑動しない場合の試験結果

木口面, 柾目面よりも値が大きく, 繰り返しによる増図 5 静摩擦係数の決定
図 5 (a) より, 木材は変位せず, 引抜板の変位開始と共に, 摩擦係数がピークに達することが分かる. これは明らかに滑動開始であるため, このような結果が得られた場合, 摩擦係数のピークを静摩擦係数 μs として評価した.

加も見られなかった. 続いて, 板目面 RL-10 ~100 %に関して, 2 体の試験片を板目面 1 ・板目面 2 として5 回の摩擦係数を平均したものを荷重ごとに分けて図7 に示す.

図 5 (b) より, 摩擦係数の遷移は木材が変位しなか

板 目面１静摩擦係数 µった場合と酷似した挙動を示しており, 木材の変位が0.4停止し, 引き抜き板との相対変位が生じた時刻に摩擦0.3係数がピークに達することが分かる. この点から, こ0.325
0.285

0.3390.308

板 目面２0.3030.2710.2540.264

RL-50 %

RL-100 %0.2のような結果が得られた場合も, 摩擦係数のピークを静摩擦係数 μs として評価した. これに対し, 図 5 (c)0.1に示すように, 木材と引抜板に相対変位が生じない場

0RL-10 %合も見られた. 同図の結果では, 変位が停止する直前

RL-30 %にピークが見られるが, これは引き抜き速度が低下し

図 7 板目面 1・2 の静摩擦係数の差異た影響による摩擦力の低下と推察される. このような

図 7 より, 各荷重で板目面 2 の静摩擦係数が大きい結果が見られた場合は継続して行った摩擦の繰り返しことが読み取れる. 含水率に関しては板目面 2 の方による摩擦係数の増加が見られた. そのため, 静摩擦が高く, その分摩擦係数が大きくなることが推測でき係数に達する前の木材のせん断応力に関与するものと,る. ここで木材表面の違いで摩擦特性を整理する.

ここでは純粋な静摩擦係数として評価せずこのときの結果を μp として記録した. ここで木口面に関しては以上の３種類で静摩擦係数の評価を行うが, 柾目面,板目面に対しては圧縮荷重が小さく, 先述したような明白な評価をすることが難しかったことを言及しておく.
3.3 静摩擦係数の分析
摩擦試験の繰り返しによる静摩擦係数の遷移を、木

図 8 板目面の表面の様子

口面は 50% 以上と 50 % 未満, 加えて板目面, 柾目

図 8 から, 晩材の表出面積として, RL-100 % が酷似面で平均してまとめた結果を図 6 に示す.

しており, 純粋な含水率の差によって摩擦係数に差が生じたと考えられ, 他の 3 つの試験片の静摩擦係数の差異は別の要因が影響を及ぼしたと考えられる. RL58-3

10 %, RL-50 % に関して板目面 2 の方が晩材の面積が大きい荷重において, 静摩擦係数の増大とフーリエ解大きいことにより摩擦係数が増大したと推察できるが,析における年輪に対応する空間周波数の振幅の減少がRL-30 % については晩材の面積の差は見られなかっ比例関係にあり, 摩擦により晩材部分が平滑化していた. 以上の木材表面と摩擦係数との関係をフーリエ解き, 晩材部分の真実接触面積が増えたことによって摩析によって細かく検討する.

擦係数が増加するという考察の妥当性が確認できる.

4.

また、大きな圧縮荷重をかけた時の初期の摩擦抵抗が静摩擦係数と木材表面の対応関係本研究でも先行研究に倣って木材表面のフーリエス小さい理由について, 塑性変形による応力の低下によペクトルによる評価を行った. 木材試験片の両端からるものと考えられる. 本来, 木材表面の静摩擦係数は1.5 mm のデータを除去した 27 mm の範囲において,真実接触部分におけるせん断抵抗によって決定される切断面・圧縮面・摩擦面ごとにアンサンブル平均を求べきであるが, 木材内部のせん断応力がせん断強さにめた. まず, LR-10 %, LR-100 % の解析結果を図 9 に達した場合, 木材の塑性変形によってせん断抵抗及び示す.

表面の摩擦力に頭打ちが発生する. 一定の圧縮荷重からそれ以上摩擦力が大きくなることはなくなるが, 圧0.120.12

振幅

荷重 10 %

[mm²]

0.10.1

切断面

0.08

振幅
[mm²]

圧縮面

0.06

摩擦面

0.040.040.020.02

空間周波数 [mm-1]00.1

数が低減すると推察される. 柾目面も表面の状態は木

切断面

0.08

圧縮面

0.06

縮荷重は大きくなるので結果として算出される摩擦係

荷重 100 %が大きい. これは, 圧縮荷重が木口面より小さいという条件が影響して静摩擦係数が大きくなったと推察さ

10れ, 木材表面の現象としては木口面と同じ考察が可能

空間周波数 [mm-1]01

口面と酷似しているが, 木口面と比較して静摩擦係数摩擦面0.1110である.

(a) LR-10 %(b) LR-100 %図 9 木口面のフーリエ解析結果

板目面に関しては, 木材の表面特性が木材表面の凹凸,晩材の表出面積によって決定されると考察できる. 図

木口面に関しては空間周波数 0.4 ~ 0.8 mm-1 の範囲

7, 8 より, RL-100 は摩擦係数の差が小さく, RL-10 %、にピークが認められ, 年輪間隔と対応している. これ

RL-50 % では晩材の表出面積に比例して板目面 2 のは先行研究で確認されており, ピークの振幅において,静摩擦係数が増大している. RL-30 % では図 10 より

LR-100 % の方が摩擦後の振幅の減少が大きいことが摩擦時における凹凸の程度が大きくなっており, 摩擦確認できる. 次に, 板目面 1・2 の RL-30 % の解析結時の表面の変化によって真実接触面積が減少し摩擦係果を図 10 に示す.

数が小さくなったことが試験片の差異が開いた要因と0.40.40.350.3

振幅

荷重 30 %0.35[mm²]0.3

切断面考えることができる.
振幅[mm²]荷重 30 %0.25

圧縮面

0.25

圧縮面

0.2

摩擦面0.2摩擦面

0.150.150.10.1

空間周波数 [mm-1]

0.055. まとめ

切断面

本研究では, 木材の異方性が摩擦特性に与える影響を解釈した. 得られた知見を整理すると次のとおりである.
・木口面では木材が滑動しない場合に木材のせん断変空間周波数 [mm-1]0.05形による引抜荷重の上限が影響し、荷重が大きいほど

000.1

1

100.1

110

静摩擦係数は小さく評価される.

(a) 板目面１(b) 板目面２
図 10 RL-30 % の解析結果

・木口面では凝着摩擦による晩材の真実接触面積の増加に伴って静摩擦係数が増加する先行研究の考察の妥

図 10 より, 板目面 1 における摩擦時に表面形状が大きく変化していることが確認できる. 試験後に表当性を確認できた.

面を観察すると摩擦方向に対して晩材の手前で晩材に・板目面では木材表面における晩材の表出面積と表面引っかかるように凹んでいる様子が確認された.の凹凸が静摩擦係数に影響している.

先述した摩擦試験結果とフーリエ解析結果をもとに各摩擦面の摩擦特性を整理する. 木口面について, 先

参考文献

行研究より木材表面の摩擦特性には晩材が強く影響し1)ていることが考察されていた. 本試験でも図 6, 9 より,
58-4

山川僚太, 佐藤利昭：接触面圧で変化する表面性状を考慮した木材と鋼材の摩擦特性-木材表面の摩擦に関する研究-, 日本建築学会構造系論文集, pp.549-550, 2019.3