はじめに・⽊質ラーメン構造

⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

平⾯⾃由度の⾼い開放的な空間を構成可能

⼀般的な⽊造ラーメン 接合部に⾦物を利⽤
剛性の⾼い⾦物を介して応⼒が伝達されるため、⾦物と接する部分に応⼒が集中局所的な損傷がシステム全体の耐⼒を決定

芝浦⼯業⼤学

⼩澤雄樹

研究代表者らは、これまで柱梁の接触⾯に設けた溝同⼠を嚙合わせることで応⼒を伝達するシステムを提案
・ボルトはプレストレスを導⼊するために利⽤→初期ガタの無い接合部を実現可能
・⾦物を介さず、⽊材から⽊材へ直接応⼒が伝達
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

ボルトの初期張⼒
ﾌﾟﾚｽﾄﾚｽ

繊維直交⽅向に応⼒を受ける側の溝に損傷が集中
繊維⽅向
繊維直交⽅向
損傷エリア

接合部に溝を⽤いたシステム

芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

圧縮⽊材とは⽊材の細胞壁間にある空隙を圧縮により消失させることで⾼密度化し、⽊材の強度や材⾯の硬さなどの性能向上を図る技術

接触⾯

溝形状の詳細0%溝パターンの例

溝の⽅向と損傷エリア

⽊材の繊維直交⽅向の材料性能の低さがさらなる性能改善を⽬指す上で障壁となっていた。
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

圧縮⽊材の細胞壁の様⼦

30%

50%

圧縮率の異なる圧縮⽊材
提供：名古屋⽊材株式会社

⽇本国内では⼩物などに使われることが多く、構造材としての利⽤は殆どない。
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

4

研究の⽬的研究の⽅法

圧密加⼯技術により⾼強度化した⽊質ピースを接合部に組み込むことで構造性能の向上を図った新しいタイプの⽊質ラーメン構造を提案する。

(1) 圧縮⽊材に関する予備調査
海外視察、関連する実験の概要(2) 簡易法による圧縮⽊材製造と材料実験
マイクロ波照射、材料実験(3) ⾼圧⽔蒸気プレス法による圧縮⽊材の構造特性
⾼圧⽔蒸気プレス法、圧縮率と強度・ヤング係数の関係
圧密加⼯した接合ピース(4) 接合部曲げ実験
終局時までの挙動の確認、既往研究との⽐較(b)今回提案するシステム(a)既往のシステム
⽊造ラーメンのための仕⼝の開発(5) 接合部の⾮線形解析
接触を考慮した⾮線形解析、実験結果との⽐較

応⼒の集中する接合部をパーシャルに強化することで、⾼剛性かつ材料効率の良いシステムの実現が可能になる。
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

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⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

圧縮⽊材に関する予備調査

圧縮⽊材の製造⼯程• 海外視察(1)可塑化

芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

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⽊材の微⼩細胞構造を破壊せず座屈させるために、軟化処理を施すことであり、薬品を⽤いた化学処理や、マイクロウェーブオーブンを⽤いた加熱や⾼圧⽔蒸気を⽤いた加熱などの物理処理によって達成される。

訪問先：ドレスデン⼯科⼤学
Prof. Peer Haller
Head of Chair Institute of Steel and Timber Construction(2)圧縮成形
主には平板プレスとロールプレスがあるが、今回は平板プレスを⽤いる。

(3)形状固定

⽊材が変形回復しないよう永久固定することである。圧縮変形を与えた⽊材は乾燥状態では⼀時的に固定されるが、吸⽔により弾性回復を⽰す。
⼀般的に熱処理や⽔蒸気処理の⾼温圧締によって⾏われる。

海外視察の様⼦
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ロールプレス7

⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

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圧縮⽊材の製造⽅法

⾼強度LVLパネルを⽤いた実験
参考：
Richard Knoll, Experimentelle und analytische Untersuchungen an einer
Rahmenverbindung aus Brettschichtverd ichtetem Holz und stabförmigen
Verbindungsmitteln、Diploma Thesis TU Dresden, 2019

本研究では圧縮⽊材の製造⽅法として、以下の2種類を検討する。
①簡易法

既往研究
⾼強度LVL②⾼圧⽔蒸気プレス法①簡易法
可塑化のための熱処理にマイクロウェーブオーブンを⽤いる⽅法であり、⽊材を加熱後ただちに圧縮成形⽤の治具にセットし、圧縮試験機等で圧縮処理する⽅法である。汎⽤のオーブンを利⽤するため、⼤型の⽊材は成形できないが、⼩部材であれば極めて容易に圧縮⽊材製造が可能である。

⾼強度LVLパネルの製造②⾼圧⽔蒸気プレス法
プレス部を内蔵した⼤型の耐圧容器内で(1)可塑化と(2)圧縮処理及び(3)形状固定の⼀連のプロセスを連続的に⾏う⽅法である。可塑化には⾼圧⽔蒸気を⽤い、⼗分な処理を⾏うことで、安定的な品質の圧縮⽊材を得ることが可能である。

既往研究と⾼強度LVLパネルを使った実験の⽐較

⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

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簡易法による圧縮⽊材の作成

⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

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縦圧縮試験結果

実験パラメータ⼀覧

縦圧縮実験結果

脆性的な破壊性状の例

簡易法による製造のまとめ
圧縮試験機と汎⽤のマイクロウェーブオーブンさえあれば、極めて簡易に製造可能である。
ただし、材料の均質性と、終局時に脆性的な破壊性状を⽰す点で課題を残す。

Panasonic NE-711G（業務⽤）

圧縮⽊材製造⽤治具
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究使⽤したﾏｲｸﾛｳｪｰﾌﾞｵｰﾌﾞﾝ
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⾼圧⽔蒸気プレス法による圧縮⽊材

電⼦顕微鏡による細胞壁の観察作成した圧縮⽊材試験体を薄く切り出し、電⼦顕微鏡により断⾯の細胞壁の状況を観察した。

(1)可塑化(2)圧縮処理(3)形状固定の⼀連のプロセスを連続的に⾏うことが可能
ただし、材料費は⾼価

⾼圧⽔蒸気プレス法による圧縮⽊材の製造⼯程（名古屋⽊材HPより）
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

JEOL/JSM-6010LV(a)圧縮率0%(c)圧縮率50%(b)圧縮率40%
電⼦顕微鏡で観察された細胞壁の様⼦

⾛査電⼦顕微鏡

細胞壁が座屈変形して畳み込まれ、空隙が減少している様⼦が観察される。
13

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⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

8040％

縦圧縮強さ[N/mm2]

繊維⽅向

繊維⽅向

0％

6050
40

圧縮率50%では、過圧密状態となり強度が低下

3020100%

0.40.50.650％

縦圧縮試験結果（応⼒度―ひずみ関係）

繊維直交⽅向

0％
40％

50%

平均値

0.70.8密度[g/cm3]

0.9

11.1

16252015

密度とヤング係数は強い相関

1050%

40%

50%

平均値

0.9

100.4

0.5

0.6

0.70.8密度[g/cm3]

1.1

2.5

14
横圧縮強さ[N/mm2]

繊維直交⽅向横圧縮試験結果まとめ

40%0

縦圧縮ヤング係数[kN/mm2]

3070

12108

密度と強度は強い相関

6420%

40%

50%

平均値

0.9100.40.50.60.70.8
密度[g/cm3]

1.1

横圧縮ヤング係数[kN/mm2]

縦圧縮試験結果まとめ14

ばらつきが⼤きい2.0

密度とヤング係数は強い相関

1.5
1.00.50%

40%

50%

平均値

0.9

10.00.4

0.50.60.70.8密度[g/cm3]

1.150％

密度-圧縮強さ関係

横圧縮試験結果（応⼒度―ひずみ関係）
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⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

密度-圧縮ヤング係数関係
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接合部曲げ実験

柱梁接合部曲げ実験概要

繊維⽅向• 圧縮⽊材パネルと柱梁⺟材の接着

正負交番繰り返し載荷
溝が⼒を受ける向き

使⽤接着剤：
⽔性⾼分⼦ーイソシアネート系接着剤(a)主材と架橋剤を配合し、200〜300g/m2を圧縮⽊材パネルにローラーで塗布する。

ビーアイボンド5340W+H50(b)硬化を始める時間内ですばやくパネルと⺟材を順番に重ねていく。

ステップ数
⾒かけの変形⾓(c)60分以上圧締を⾏い、治具を外す。その後、1週間養⽣。

芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

00.05

0.1

M-θ

-50-0.1-0.05

0-5000.05

0.1

M-θ

-5-0.05

00.05

0.1

0-5包絡線-10
回転角[rad]

0.05

0.1

M-θ

回転角[rad]

10M-180-P50-50-0.05

0.2

M-θ

-5-105-0.1

0.15

包絡線

10M-180-P50-2
モーメント[kN・m]モーメント[kN・m]

10-0.05

0-0.1

00.05

0.1

0.150.2

M-θ

-5

包絡線

包絡線

-10回転角[rad]接合部曲げ実験結果（モーメント―回転⾓関係）
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

2.4

3.6

4.8

7.2

9.6

0.04

0.06

0.08

0.120.166789101/50

1/30

1/20

1/15

1/12

1/6

14.4

2436

4860

120

0.24

0.4

0.6

0.8

1.0

1.0

押切り

18

P40、P50共に溝が根元から剥離するような破壊が発⽣

最⼤M：7.53kN･m

654

1割程度の耐⼒低下

P40 に 対 し て P50 は 、・最⼤M： 1.07倍・回転剛性： 1.06倍

32
1P50平均
P40平均

0.01

0.02

0.03 0.04 0.05 0.06
接合部回転角［rad］

0.07

平均化した包絡線による⽐較

0-10
回転角[rad]

変形量[mm]
載荷速度[mm/s]

70-0.05

1/300 1/200 1/150 1/100 1/75

05-0.1

5

最⼤M：8.90kN･m

85-10
回転角[rad]5-0.10.19包絡線-10回転角[rad]P50

0.05M-θ

包絡線

M-180-P50-1

実験結果まとめモーメント［kN・m］

0-0.0554

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⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

10M-180-P40-5
モーメント[kN・m]

M-180-P40-2

5-0.1

17モーメント[kN・m]

P40モーメント[kN・m]

M-180-P40-1

103

接合部曲げ実験の実験装置概要と載荷スケジュール

回転⾓1/6まで押切り
10モーメント[kN・m]

実験結果

2

載荷スケジュール

パネルと⺟材の接着の様⼦
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

1190.08

破壊性状の例（柱側が破壊した場合）

・両者の実験結果は⾮常に類似している。
・終局時には最⼤耐⼒時より1割強程度の低下を⽰すものの、急激な耐⼒低下は⽣じなかった。
・破壊性状そのものはやや脆性的であるものの、接合部全体としては靭性をたもったまま挙動することが分かる。
⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

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20

既往研究との⽐較

接合部の⾮線形解析

繊維⽅向9

⽊材のめり込みと溝斜⾯の接触・滑り摩擦を考慮した接合部の⾮線形解析を⾏う。

モーメント［kN・m］

87・使⽤ソフト：汎⽤有限要素法プログラム「Abaqus」

65

溝が⼒を受ける向き

43

回転⾓の差

21(a)今回のモデル

P40平均
TypeB平均TypeB（カラマツ集成材）

000.010.020.03 0.04 0.05 0.06
接合部回転角［rad］

荷重P50平均0.07

接合部パネル0.08

既往研究との⽐較

P40の耐⼒・剛性は既往研究と同等程度、P50は若⼲上昇
さらなる剛性・耐⼒の向上を図るために(b)次回実施予定のモデル

繊維⽅向と溝の向きを直交させたモデルについては、2022年10⽉後半より実施予定。

解析の諸条件

繊維⽅向と溝の関係
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⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

解析モデル
21

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溝部分の解析の様⼦
接触条件の設定

ステップ2：24mmの強制変位• 初期増分値0.01 最⼩1E-5 最⼤1

⾃動増分機能を⽤いる

⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への応⽤に関する研究

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22

解析結果まとめ

接触接線⽅向：ペナルティ法 摩擦係数0.5
接触⽅向：：剛接触
接着箇所：結合拘束を⽤いて並進・回転⾃由度を結合• ステップ1：ボルト荷重8kN

接合部パネルの各方向の設定
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23

解析結果と実験結果の比較• 実験結果と解析結果はよく⼀致→ モデルの妥当性を確認• 解析⼿法は溝形状や溝配置の検討に有効→ 今後、最適な溝形状・配置を検討

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まとめ

課題と今後の予定

本研究では圧密加⼯技術により製造された圧縮⽊材パネルを⽤いた⽊質ラーメン構造の新しい接合⽅法を提案し、その有効性を実験的・解析的に検証した。
その結果、以下の知⾒を得た。

• 曲げ実験結果は靭性的な挙動を⽰したが、今回の実験ではパネルの溝を繊維と並⾏な⽅向としたため、剛性・耐⼒の向上と⾔う点では課題を残した。
今後、繊維直交⽅向に溝を掘った場合の実験を実施予定である。

• 圧縮⽊材を製造⽅法として①簡易法は容易に製造可能であるが、材料が脆性的になり易い点で課題を残した。⼀⽅、②⾼圧⽔蒸気プレス法は、剛性、強度共に⽐較的安定した性能を⽰した。

• 今回実施した数値解析⼿法により、より有効な溝形状・溝配置について検討していく。

• 圧縮率40％、50％共に、圧縮なしの試験体と⽐較して剛性・強度共に⼤幅に向上した。ただし、圧縮率50％では過圧密状態となり、40%と⽐較して縦圧縮強度が低下する傾向が⾒られた。

最後にコロナ禍で研究期間の1年延⻑を認めていただき、3年間の研究期間となりました。⽊材圧密加⼯技術の⽊質ラーメン構造への適⽤に向けて、多⾯的に検討することが出来、今後の展開に繋がる有意な知⾒を得られました。

• 接触・摩擦を考慮した⾮線形解析により、実験結果を精度よく再現可能である。
• 本⼿法は応⼒の集中する接合部を局所的に強化することが出来、現時点では⽐較的⾼価な圧縮⽊材を効率的に利⽤可能である。
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芝浦⼯業⼤学 ⼩澤雄樹

助成頂いたことにあらためて感謝申し上げます。
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