広島工業大学紀要研究編
第 ₅₃ 巻（₂₀₁₉）67 – 74

論文

ガラス繊維強化プラスチックを用いた木材接合部の強度性能と木造耐震壁への補強効果
岩井哲*（平成₃₀年₁₁月 ₁ 日受付）

Load-carrying capacity of timber joints using Glass-Fiber Reinforced Plastics
and evaluation to strengthen timber earthquake-resisting walls
Satoshi IWAI
(Received Nov. 1, 2018)

Abstract
This study aims to investigate load-deformation capacity of wooden frame walls including with threesets of crossed diagonal timber members under earthquake, in order to use earthquake-resistantimprovement of the existing wooden houses. The diagonal members like braces bear only axially compressive force and are expected to perform ductility. For reinforcement of tensile force, Glass Fiber
Reinforced Plastics (GFRP) is used to resist in the structural frame. Two sets of experiments were conducted to investigate the strength of a glass fiber anchor for fixing a glass fiber sheet. One is column-tobeam connection test and the other is wooden frame wall test. For connection, 12 specimens were tested
parametrically to check strength and variations due to construction work. For wall test, the stable loadcarrying capacity is confirmed with wall magnification factor (wall proof strength) exceeding 4.0.
Key Words: Glass-Fiber Reinforced Plastics, timber frame, static loading test, failure property, earthquake resistant improvement

トを固定するためのファイバーアンカーについて強度を確

₁ ．研究目的

認する実験をパラメトリックに行い，施工におけるばらつ

本研究は，短い木造軸組材を斜材に用いて三段組みの筋かい構造とし，既存建物の耐震改修用に使用することを目きを確認した。更に壁体に用いて，耐震補強性能の向上を図った結果を報告する。

指したものである。斜材は，架構に接合せず引張力を負担

₂ ．実験［ ₁ ］計画―GFRP の強度性能評価させないで，圧縮めり込みのみを負担させるものとし，粘, ₂）で， ₂ シリーズの木造軸組壁りを期待する。文献 ₁ ）₂.₁

ファイバーアンカー

実験の結果を報告している。ここでは，壁倍率（壁耐力）

ガラス繊維シートはガラスを融解し，繊維状にしたものが₄.₀を超えて安定した耐震性能を確保できる構法を目指しを糸のように紡いで作られる。ガラス繊維強化プラスチッている。本研究は，引張補強に対して，ガラス繊維シート

クはガラス繊維シートをエポキシ樹脂で固めた複合材であをエポキシ樹脂系接着剤で塗り固めたガラス繊維強化プラる。写真 ₁ に示すファイバーアンカーとガラス繊維シート

スチック（Glass Fiber Reinforced Plastics；以下，GFRP とは同素材で作られている。GFRP を木材やコンクリートに称する）を用いて抵抗させるものである。特に，繊維シー固定する際は，母材に径 ₁₀ mm 深さ ₅₀ mm の孔をあけ，* 広島工業大学工学部建築工学科
─ 67 ─

岩井

写真 ₁
表₁

哲

ファイバーアンカー（左）とガラス繊維シート（右）ガラス繊維シートおよび GFRP の材料性能比較
部材の概要

引張強度 （N/mm₂）₂

ガラス繊維シート＊GFRP
実験値₃₂₄₀₅₇₅

鋼材
普通コンクリート（SS₄₀₀） Fc＝₁₈（N/mm₂）
₄₅₀₁.₈

スギ

ヒノキ

ガラス

エポキシ樹脂₄₄₅₇₅₅₇₄₉₀₀

圧縮強度 （N/mm ）

－－

₄₅₀

₁₈₃₆₄₀弾性係数 （kN/mm₂）

₇₂.₄

₂₆.₁

₂₀₅

₁₈₇₀₈₀₆₅

₃.₁₈

－

－

－

₅.₀（％）

₀.₄

₀.₅₂.₅

終局伸び
密度₄.₅（％）（g/cm₃）

＊備考

図₁

試験体

₂.₅₅₂.₂（％） ₂₁（％） ₀.₂₂（圧縮）（％）－₇.₉₂.₃

繊維厚さ ₀.₃₆ mm

左：DD（土台がスギ材），ED（土台がヒノキ材），右：構造用合板付 FD（土台がスギ材・ヒノキ材）

ファイバーアンカーを繊維シートの編み目の間に絡めて，FD（土台がスギ材・ヒノキ材）の ₄ 種，各 ₂ 体で，DD・束部をエポキシ樹脂で埋め込んで固める。表 ₁ に文献資料

ED にはファイバーアンカーを ₁ 本と ₂ 本の ₂ 種を比較実験₃ ）から得られるガラス繊維シートおよび GFRP の材料性した。FD はファイバーアンカーを ₂ 本のみとした。すべて

能を，鋼材，普通コンクリート，木材と比較して示す。

長ほぞを用いており，ファイバーアンカー束部の埋込みは，断面の深さ途中までであるが，込栓のような形態となる。

₂.₂試験体実験［ ₁ ］では，ファイバーアンカー並びに GFRP 自体

₂.₃

載荷・計測方法の強度と変形性能を調べることを目的とした。試験体は，₁₀₀₀ kN の万能試験機を用い，図 ₂ に示すように径 ₁₂全₁₂体である。図 ₁ に示すように土台に垂直に柱材を立て，mm の鋼棒を介して試験体を引張加力した。柱軸方向に単長さ ₄₀₀ mm にわたって片面のみを GFRP で接合して繋げ調引張載荷し，引張強度，剛性，伸び性能を確認した。荷た。柱と土台は ₁₀₅ mm 角材である。柱は E₇₀（ヤング係

重は ₅₀ kN 用ロードセルで，伸びは ₅₀ mm 計測用の変位数規格）のスギ材，土台は同じく E₇₀のスギ材とヒノキ材計 ₂ 本で計測した。柱上部は D ボルト（径 ₃₀ mm）を用の ₂ 種を用いた。試験体は，図 ₁ の左の DD（土台がスギいて，土台部は ₂₂ mm 厚の平鋼に M₁₂のアンカーボルト材），ED（土台がヒノキ材），右の ₉ mm 厚の構造用合板付で角座金を介して固定した。

─ 68 ─

ガラス繊維強化プラスチックを用いた木材接合部の強度性能と木造耐震壁への補強効果
表₂試験体名 土台材種
DD₁DD₂DD₃DD₄
ED₁ED₂ED₃ED₄FD₁FD₂FD₃

図₂FD₄載荷計測方法

実験結果一覧

ファイバー
最大耐力 初期剛性
合板補強
アンカー数（kN） （kN/mm）

スギ
₁ヒノキなし
スギ
₂ヒノキ
スギ
₂あり

ヒノキ

₃ ．実験［ ₁ ］結果と考察
₃.₁

荷重－変位関係

実験から得られた荷重－変位関係を図 ₃ に示す。GFRP の厚みは₁₂体の平均が ₄.₂₁ mm で，最小が ₃.₆₃ mm，最大は ₅.₆₂ mm であった。施工の差と考えられる GFRP 厚みの差は約 ₂ mm である。図 ₃ の左の図はスギ土台のものである。ファイバーアンカーを，DD₁と DD₂は ₁ 本で固定したもの，ED₁と ED₂は ₂ 本で固定したものである。それぞれ₂ 体ずつ実験したが，試験体差が大きく，ファイバーアン

図₄

最大引張耐力の比較

カーの ₁ 本と ₂ 本の差は明確ではない。中の図はヒノキ土台のものである。ファイバーアンカーを，DD₃と DD₄は ₁ 本で固定したもの，ED₃と ED₄は ₂ 本で固定したものである。
ヒノキ土台の場合は，ファイバーアンカーの ₁ 本と ₂ 本の差が見られ， ₂ 本の方が初期の強度も高い。土台が堅いとファイバーアンカーの差は明瞭になっていると見ることができる。右の図は構造用合板付きのヒノキ土台のもので，ファイバーアンカーはいずれも ₂ 本とした。土台のスギ材（FD₁, ₂）とヒノキ材（FD₃, ₄）の差は，ここではあまり明確ではない。全試験体について，実験結果一覧を表 ₂ に，

図₅

初期剛性の比較

図 ₄ に最大引張耐力を，図 ₅ に初期剛性を比較して示す。

図 ₃ 荷重－変位関係
左：スギ土台，DD₁, ₂（アンカー ₁ 本），ED₁, ₂（アンカー ₂ 本），
中：ヒノキ土台 DD₃, ₄（アンカー ₁ 本），ED₃, ₄（アンカー ₂ 本），
右：FD 構造用合板付（ファイバーアンカー ₂ 本，土台は FD₁, ₂がスギ材，FD₃, ₄がヒノキ材）
─ 69 ─

₂₁.₈

₃₆.₆

₃₀.₄

₄₈.₇

₂₅.₄

₇₃.₃

₂₃.₂

₅₇.₇

₃₀.₈

₆₆.₉

₂₄.₆

₈₁.₇

₃₂.₆

₆₁.₄

₃₀.₅

₁₀₇.₈

₂₈.₆

₁₀₇.₃

₂₈.₇₇₄.₄₃₃.₄₈₇.₈₃₇.₇₈₅.₁

岩井

写真 ₂

破壊性状

哲

ほぞ部抜け（左），樹脂部剝落初期（右）図₆

写真 ₃₃.₂

水平材のひび割れ（左）と鉛直材の割裂（右）

図₇

破壊性状

壁試験体

水平材（中桟）のファイバーアンカーの留め方

いだ。 ₃ 体とも裏面に ₉ mm 厚の構造用合板を釘打ちした。

試験体の破壊は，多くの場合，長ほぞ部が抜け出す形と斜材の交差部には相欠きを設けて組んでいる。接合金具は，なった。荷重－変位関係の初期の立ち上がりから，変位 ₁

上部梁と柱には羽子板金物を，段組間の水平材（中桟）とmm あたりで，破壊音が発生するとともに，瞬時，耐力が柱には GFRP とかど金物を，土台と柱には GFRP とホール低下する。この時，柱と土台の境あたりで GFRP の樹脂部ダウン金物を用いた。部材は，柱と斜材には E₇₀のスギ材が白く浮いて剥離する様子が見られる（写真 ₂ ）。その後，を使用した。土台は通常の仕様に従ってヒノキ材を使用し試験体 DD と ED では，変位 ₁₀ mm 程度まで荷重は徐々にた。試験体 ₃ 体の違いは，引張を受ける水平材のファイ上昇し，土台部の GFRP の樹脂部がほぼ全面で白くなり，バーアンカーの数を変えた点にある。試験体 B₆₀-P₀₀は剥離したような状態で，長ほぞ部が抜け出し，荷重の急激GFRP を全く使用していない。他の試験体には，図 ₇ に示な下降を生じ破壊した。最大耐力の ₂ 割以上減の段階で，すようにアンカー ₁ 本（試験体 B₆₀-PG₁），アンカー ₂ 本実験を停止した。試験体 FD では，構造用合板により，最（試験体 B₆₀-PG₂）を埋め込んだ。B₆₀-PG₁と -PG ₂で，柱大耐力も初期剛性も高くなるが，逆に変位の伸びは期待で脚と土台を留めるファイバーアンカーはどちらも ₂ 本を用きなくなる。

いた。

₄ ．実験［ ₂ ］計画―木造耐震壁の補強性能評価
₄.₁

₄.₂

載荷・計測方法

載荷は「柱脚固定式の鉛直構面の面内せん断試験」₄︶ の試験体木造耐震壁の試験体は，既報₁, ₂）の壁体実験にならい，方法に従って，試験体上部の梁に油圧ジャッキで繰り返し

図 ₆ に示すような幅 ₉₁₀ mm，高さ ₂,₇₃₀ mm とし，断面加力を与えた。載荷装置ならびに試験体の設置状況を図 ₈が ₆₀×₁₀₅ mm の斜材を ₃ 段組とする合計 ₃ 体を計画した。に示す。

柱と土台の断面を ₁₀₅×₁₀₅ mm とし，載荷用の上部梁は断柱頭部と柱脚部での水平変位の差による見かけの層間変面を ₁₀₅×₂₄₀ mm とした。 ₃ 段の斜材は，挿入するだけで形角で±₁/₄₅₀，₁/₃₀₀，₁/₂₀₀，₁/₁₅₀，₁/₁₀₀，₁/₇₅，₁/₅₀，留め付けず，端部を ₅.₅ mm 厚の三角形の合板で落下を防₁/₁₅ rad において，同一変形振幅で正負繰り返しを各 ₃ 回

─ 70 ─

ガラス繊維強化プラスチックを用いた木材接合部の強度性能と木造耐震壁への補強効果も高い耐力に相当する値が得られた。また短期基準せん断
耐力 P₀はいずれも終局耐力 Pu・(₀.₂/Ds) で決定される形となった。木造住宅では壁倍率₅.₀以上は使用できないとしても今後の耐震壁補強の利活用に向く可能性はある。
破壊性状

₅.₂

試験体の最終破壊状況を写真 ₄ に，破壊状況の詳細を写
真 ₅ に示す。壁試験体の破壊は ₃ 体とも，基本的に引張載荷時の柱脚のホールダウン金物のビス部の引き抜きずれ破図₈壊による。GFRP は，構造用合板とともに壁の耐力上昇に載荷計測方法

表₃行った。載荷の最終は最大荷重に達した後，最大荷重の耐力と壁倍率（太字は耐力の最小値を示す）
試験体名

B₆₀-P₀₀

B₆₀-PG₁

B₆₀-PG₂

₁₂.₅₃

₂₀.₈₈

₁₃.₉₆₈₀％まで低下するか，層間変形角が ₁/₁₀ rad を超えて，油降伏耐力 Py kN

圧ジャッキのストロークの限度に達するまでとした。

初期剛性 K kN/rad₁₁₁₀

₁₈₄₁₂₃₁₅

終局耐力 Pu kN

₂₁.₅₈

₂₆.₅₆

₂₂.₀₄

最大荷重 Pmax kN

₂₃.₄₉

₂₉.₀₄₂₅.₅₀

構造特性係数 Ds

₀.₄₇

₀.₃₅

₀.₃₅

終局耐力 Pu・(₀.₂/Ds) kN

₉.₁₁

₁₅.₂₅

₁₂.₆₃

Pmax ・₂/₃ kN

₁₅.₆₆

₁₉.₃₆

₁₇.₀₀

特定変形（₁/₁₂₀ rad）時の耐力

₁₀.₇₂

₁₇.₆₈

₁₇.₈₄

短期基準せん断耐力 P₀ kN

₉.₁₁

₁₅.₂₅₁₂.₆₃を表 ₃ に示す。壁倍率は変動係数₂₀％として，B₆₀-P₀₀は短期許容せん断耐力 Pa kN

₈.₂₆

₁₃.₈₁

₁₁.₄₄₄.₆₃，B₆₀-PG₁は₇.₇₄，B₆₀-PG₂は₆.₄₁となった。いずれ壁倍率（変動係数₂₀％）

₄.₆₃

₇.₇₄₆.₄₁₅ ．実験［ ₂ ］結果と考察
水平荷重－層間変形角履歴特性と壁倍率評価

各試験体の水平荷重－層間変形角の履歴曲線を図 ₉ に，最終破壊させた引き側の荷重－変形角曲線より作成した完全弾塑性近似を図₁₀に示す。壁倍率に関わる評価値の一覧

30202020101010-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0荷重

kN
荷重

0-0.04kN

30

kN

30-0.04

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0-0.040.00-10-10-20-20-20-30-30

0.02

0.040.06

せん断変形角 rad

せん断変形角 rad

試験体 B₆₀-P₀₀

試験体 B₆₀-PG₁

試験体 B₆₀-PG₂

水平荷重－層間変形角曲線3025252520202010500.020.040.060.08kN
15荷重-変形角曲線
第Ⅰ直線
第Ⅱ直線
第Ⅲ直線
第Ⅳ直線
第Ⅴ直線
完全弾塑性近似

1050荷重荷重-変形角曲線
第Ⅰ直線
第Ⅱ直線
第Ⅲ直線
第Ⅳ直線
第Ⅴ直線
完全弾塑性近似

荷重kN

kN

30150.08-30

せん断変形角 rad

300.00-0.02-10

図₉荷重-0.02

荷重

₅.₁

15荷重-変形角曲線
第Ⅰ直線
第Ⅱ直線
第Ⅲ直線
第Ⅳ直線
第Ⅴ直線
完全弾塑性近似

10500.00

0.02

0.04

0.060.08

せん断変形角 rad

せん断変形角 rad

0.04
せん断変形角 rad

試験体 B₆₀-P₀₀

試験体 B₆₀-PG₁

試験体 B₆₀-PG₂

図₁₀

完全弾塑性近似と降伏耐力及び終局耐力─ 71 ─

0.00

0.02

0.060.08

岩井（a）B₆₀-P₀₀

哲（b）B₆₀-PG₁写真 ₄

試験体の最終破壊状況

写真 ₅

試験体の破壊状況の詳細（a）B₆₀-P₀₀（b）B₆₀-PG₁（a）B₆₀-P₀₀（b）B₆₀-PG₁
図₁₁

荷重－層間変形角の履歴ループ曲線
─ 72 ─（c）B₆₀-PG₂（c）B₆₀-PG₂（c）B₆₀-PG₂

ガラス繊維強化プラスチックを用いた木材接合部の強度性能と木造耐震壁への補強効果貢献したが，最終の破壊は柱脚部において生じた。GFRP
補強のない B₆₀-P₀₀に比べて，GFRP と構造用合板を併用した B₆₀-PG₁と B₆₀-PG₂は初期剛性，耐力ともに増大している。ファイバーアンカーの数の効果は，明確には現れていない。中桟の GFRP 補強が，壁の最終破壊にあまり関わらなかったためである。試験体 B₆₀-PG₂は，初期剛性が試
験体 B₆₀-PG₁よりも高く現れたが，最大耐力後の荷重の低下は急で早かった。
₅.₃

履歴曲線のループ形状と履歴吸収エネルギー

各試験体について，荷重－層間変形角曲線の ₁/₂₀₀ rad，

図₁₃

累積吸収エネルギーの比較

₁/₁₀₀ rad，₁/₅₀ rad の時の履歴ループを，それぞれの層間変形角折り返し点での荷重と変位で無次元化表示したもの

材間に隙間ができ，筋かいの抵抗がなくなる荷重の低い過を図₁₁に比較して示す。GFRP 補強のない試験体 B₆₀-P₀₀

程では滑りが生じているためである。荷重－層間変形角曲は明確な逆 S 字の形状になっている。これは大変形時に部線で囲まれるループ面積から算定した履歴吸収エネルギーを図₁₂に示す。図の横軸は繰り返し回数を，縦軸はエネルギー吸収量を示す。縦棒グラフは ₁ サイクル毎のエネルギー吸収量を，折れ線グラフはその累積エネルギー吸収量を表す。 ₃ つの試験体の累積エネルギー吸収の推移を比較して図₁₃に示す。GFRP 補強のない試験体 B₆₀-P₀₀はエネルギー吸収量が大変形域で小さい。一方で，試験体 B₆₀-PG₁，B₆₀-PG₂のエネルギー吸収量はほとんど変わらない推移となった。

₆ ．結論

₁ ）ファイバーアンカーで固定する GFRP（ガラス繊維強化プラスチック）は初期弾性範囲で ₁₀ kN 程度，終局時には ₂₀ kN 程度の強度を支持できる。ファイバーアン
カー数の ₁ 本と ₂ 本の差は明確ではないが，スギ土台と，ヒノキ土台で GFRP の耐力差は若干生じた。固定する材が堅いとファイバーアンカーの数の差が現れる傾向がある。
₂ ）初期剛性と耐力を確保する方法として，引張を受ける接合部位において GFRP と構造用合板を併用することは効果に明瞭に現れている。
₃ ）短い木造軸組材を斜材に用いた三段組み構造を，GFRPと構造用合板を併用した ₂ 体の木造壁の壁倍率は₇.₇₄と₆.₄₁となった。また構造用合板のみで GFRP 補強を施さない木造壁も壁倍率は₄.₆₃となった。本研究の軸組壁を耐震改修用として利用するのに，壁倍率で₄.₀を超える比較的高い耐力値が得られた。短期基準せん断耐力 P₀ はい
ずれも，塑性域までの粘りを期待できる終局耐力 Pu・(₀.₂/Ds) で決定される形となった。

謝図₁₂

辞

本研究は広島工業大学・学生であった浅原風月・原田亘

履歴吸収エネルギー
─ 73 ─岩井哲

基・草田樹・術勢将秀・濵田将磨の諸君に，平成₂₉年度卒

壁体の水平力載荷実験，広島工業大学紀要研究編，第業研究の課題として取り組んで戴いた。また広島県立総合₅₁巻，pp. ₁-₈（₂₀₁₇）.

技術研究所林業技術センター

林業研究部の藤田和彦氏に₂ ）岩井

哲：木造段組筋かい壁の耐力と変形性能評価，は，実験の実施に関して多大な支援と協力を戴いた。ダイ

日本建築学会中国支部研究報告集，第₃₈巻，No. ₂₅₀,

ナテク株式会社のアブドゥーラ・バセム氏には GFRP 資材

pp. ₂₈₁-₂₈₄（₂₀₁₅）.
₃ ）an AEGION®company：「FYFE®」．の提供を戴いた。ここに記し深甚の謝意を表します。

文₁ ）岩井₄）（財）日本住宅・木材技術センター：木造軸組工法住宅

献の許容応力度設計（₂₀₀₈）．

哲：短い軸組斜材を組み込んだ木造耐震改修用

─ 74 ─