欠点がスギ製材の曲げ破壊に与える影響に関する実験的考察
川口
はじめに

1.

太一

壊性状に及ぼす影響に着目するため, 各試験体の試験

国内に限らず脱炭素社会の実現に向けた活動が活発前後の状態を正確に調べることに重きを置き, 試験体化する中, 我が国でも 2021 年に木材のさらなる利用毎に次のスケジュールで一連の試験を実施した. まず,を促す政策がとられ, 建築物における木材利用は今後

試験体の A ～ D 面に対し, 図 1 に示すように, 材さらに加速するものと考えられる. 一方, 高層化・大規軸方向に撮影範囲をマーキングし, 個別に写真を撮影模化が進む昨今の木質構造において, 他の構造材料とした. その後, 重量測定と共に, 同じく図 1 に示す位同等の信頼性を確保するためには, 独自の強度体系等置で含水率を計測した後, 後述する曲げ試験を実施しを整理していく必要があると考える.

た. 曲げ試験では, 破壊まで試験をするが, マーキング

木材は天然材料であるが故, 材料内が不均質で欠点に従い, 試験後にも一対の範囲で試験体の写真を撮影と呼ばれる明らかに性質の異なる部分も内包する. 曲した. なお, 含水率測定には高周波容量式の水分計をげ強度に限定しても, 節が強度に与える影響 1) の他,用い, A 面と C 面の材軸方向 3 箇所の平均値を当該

人工乾燥による内部割れ 2) も, 今後その評価が求めら試験体の含水率として評価した.

れる重要な要素と言える. 本研究はこれらを背景に,末国内の主要樹種であるスギ材を対象に, 曲げ破壊に影⑧A面⑦⑥⑤④③②響を及ぼす要因を調べたものである. 本報では特に,

B面

①D面

節と内部割れに着目し, CT スキャンと曲げ試験の結果240360360

360360360360C面240を照合して分析を進めた結果について述べる.

含水率測定位置

2.

部材内の情報を補完した実大曲げ試験

図 1 写真撮影の範囲と含水率の計測位置

2.1試験体の概要

2.3

元

実大曲げ試験

本研究では, 熊本県北部の樹齢 43 ～ 66 年のスギ実施した曲げ試験は, 等曲げ区間を設けた 4 点曲げ植林地より, 長さ 4 m の直材を伐採・選定し, それを試験である. 載荷装置は最大荷重 100 kN , ストロー製材して試験体とした. 得られた丸太は 30 本で, まク変位 ±150 mm の油圧ジャッキで, フィードバッず丸太を断面 135 mm 角に製材した上で, 標準的なク制御によって載荷点の変位が一定速度となるもので乾燥スケジュール 3) で人工乾燥を行った.

その後, 曲ある. ここでは載荷速度 = 0.05 mm / sec とし, 試験体げ試験に用いる試験体として, 断面 120 mm 角, 長さの破壊が視認できた時点で試験を終了とした. 今回の約 2640 mm に再度製材した.

シリーズでは, 試験体が破壊に至るまでに最も短い場

これら 30 本の試験体について, 乾燥前の含水率が低い順に S－1 , S－2 , …と試験体番号を付し, 人工乾合で 14 min 以上の載荷時間を要した. 試験体セッテ
ィングの概要と計測箇所を図 2 にまとめる.

燥後に内部割れや節等の欠点に関する情報を得るため,ジャッキ, ロードセル

CT スキャンを利用し, 個別の部材断面毎に木材内部載荷用梁の情報を補完した. 以降では, CT スキャンの際に上面とした面を A 面とし, 元側の木口面から見て時計回り鋼板+テフロン2枚+
L9 L10鋼板

元に各面を B , C , D 面と呼ぶ. なお試験体は CT スキ

L8 L7

ピン

末ャン後, 曲げ試験まで約 10 か月間, 概ね 20 ℃程度の空調環境下にて保管したが, 恒湿環境ではないため,この期間に一部の割れが進行した可能性もある.
2.2

M1, 2M3, 4
L1, 2720

L3, 4720L5, 6720

L：レーザー変位計 M：接触式変位計

試験スケジュール

本研究で実施する試験では, 木材内部の割れ等が破61-1

図 2 試験体のセッティングと計測位置

図 2 に示すように, 試験条件のうち特に載荷点の拘グループに分類した試験結果の分析

3.2

束には配慮し, 4 点全てでピンと試験体の間にテフロ試験結果として, まず各試験体の荷重－変形関係とンシート 2 枚を挟んだ鋼板を配置した. これは, 材軸して, 部材中央のたわみと載荷荷重の関係を 3.1 節で方向の変形を可能な限り拘束しないためで, 厳密には分類したグループ毎に色分けして図 4 に示す. ここで,テフロンの摩擦分の拘束効果を持つことになる.

中央たわみはレーザー変位計 3, 4 の平均値からめり

計測項目は, 同じく図 2 に表記した変位計による計こみ変位を差し引いた値である.

測がメインで, これらにより支持点等の回転角やめり

図 4 の結果より, まず (a) とした全体の結果より,込み量を求められる. この他, ロードセルによる荷重特に傾きに着目すればグループ間に明瞭な差異は認め計測と確認用にジャッキのストロークも記録した. まられないことから, 各グループの剛性に大きな偏りはた, 今回は破壊性状に着目するため, 曲げ試験中の試ないものと推察される. 一方, (b) ～ (d) としたグルー

験体の様子を 3 方向から映像として記録した.

プ別に描いた結果を相互に比較すると, 横軸の中央た3.

試験結果と欠点が曲げ破壊に与える影響の分析

わみが破壊時にグループⅠが最も短く, 次いでグルー

3.1

破壊部付近の欠点に基づくグループ分け

プⅡ, グループⅢの順に延びている様子が窺える. す試験結果を分析する上で, まず試験中の映像と試験なわち欠点の影響がより強いほど, 試験体が脆性的な後の写真から破壊位置を特定し, その位置の CT 画像破壊を呈していることが示唆される.

を基に, 次のグループⅠ～Ⅲに分類し, 以降の分析を

この傾向を具体的に調べるため, 破壊時の中央たわ進める. 図 3 に, グループ分けの基準となる, CT 画みのみを整理した結果を図 5 にまとめて示してある.

像から分かる断面内の欠点の様子を示す. グループⅠ

図 5 の結果より, 結果は大きくバラつくが平均値に着は, 図 3 (a) のように破壊部付近に内部割れと節の両目すると, グループⅠとⅡで約 5 mm, グループⅡと者が認められた場合で, 計 11 体がこれに該当した.

Ⅲで約 10 mm で, 絶対変位が 50 mm 程度と考えれグループⅡは図 3 (b) のように内部割れのみが確認さば, これらはれた試験体で 13 本, グループⅢは図 3 (c) のようには有意差があると判断される.

内部割れや節などの欠点が確認できなかった試験体で90

計 5 本であった．なお, S－3 は破壊位置の CT 画像

1 割 ～ 2 割に相当し, グループ間にCentral
maximumdeflection[mm]80が不足していたため, 以降のグループからは除外し,Group ⅠGroup ⅡGroup Ⅲ

Average of group Ⅲ = 65.3 mm

70単独の試験体として扱った.

Average of group Ⅱ = 56.8 mm6050
Average of group Ⅰ = 51.2 mm

40Specimen number30(a)節, 内部割れ有 (b)内部割れ有0(c)欠点無し

図 3 破壊部の欠点の様子
6060

Load[kN]

5010156060

Load[kN]

504040403030303020202020101010Central deflection [mm]01020304050(a) 全体

60708090

Central deflection [mm]001020302530405060708090

Load[kN]

5040020

図 5 破壊時の中央たわみと欠点毎のグループの関係

Load[kN]

50510

Central deflection [mm]00(b) グループⅠ10203040506070(c) グループⅡ8090

Central deflection [mm]0010203050607080(d) グループⅢ

図 4 欠点に基づくグループ別の試験結果（載荷荷重－中央たわみの関係）

61-24090次に, 曲げ強度に与える影響として, 各試験で得ら木材において密度には個体差があることに加え, 断れた最大荷重をこれまでの結果と同様, グループ毎に面内でも差がある. 曲げ破壊は, 一般に断面下端部のまとめて結果を図 6 に示す.

引張破壊が先行するため, その密度が曲げ破壊に影響

60Group Ⅰ

Maximum load[kN]Group Ⅱすると推察されるが, 下端部のみの密度を計量するこGroup Ⅲとは難しい. ここでは, 下端部密度の大小関係を示す

50

Average of group Ⅲ = 43.4 kN

代替指標として年輪間隔を用い, 曲げ破壊に影響を与える要因となるかを調べる. まず密度と年輪間隔の関40係を調べるため, 各試験体について図 1 における破線位置での CT 画像を取り出し, それを全乾密度順に並Average of group Ⅱ = 41.2 kN

30

Average of group Ⅰ = 39.4 kNべた. 全乾密度 ρ は, 曲げ試験前に計測した測定重量w , 平均含水率 u , 材長 L , 断面積 A を用いて下式

Specimen number

200510152025より評価する.

30𝑤
1𝜌= 𝑢×𝐴𝐿+1100

図 6 破壊時の最大荷重と欠点毎のグループの関係
図 6 より基本的には, 先の分析結果と同様, 最大荷重についてもグループの序列が確認できるが, 図 5 に(1)

表 1 に全乾密度の小さい方, 大きい方から各 5 試示した結果に比して明瞭ではない. この分析では, ヤ

験体ずつにおける中央付近 3 枚の CT 画像を示す.

ング係数の差異を考慮していないため, 木材の個体差

表 1 全乾密度順の試験体中央付近の CT 画像の影響が強いと考えられるが, それらの影響を明確に(a) 全乾密度が小さい方試験体番号分離することは難しく, 以降では CT スキャンの結果をより詳しく調べ, 分析を進めるものとする.
4.

木材内部の情報を含めた総合考察

4.1

知見の整理と基本的な分析方針

S-3

S-5

S-27

S-15

S-7

全乾密度
[g/cm³]

0.403

0.411

0.414

0.4140.414

試験体番号

S-2

S-11

S-12

S-21

S-17

0.457

0.461

0.463

0.467

0.468

元側

中央

これまでの分析結果より, 欠点を有する試験体はより脆性的に破壊し, 欠点の種類としては内部割れの影
響より節の影響が大きいと推察された. しかし, この末側傾向と外れる試験体も存在し, これは木材の個体差の影響によるものと考えられる. 以降では, これらの試
験体を対象に, 密度および髄の位置の差異による曲げ(b) 全乾密度が大きい方破壊への影響を分析する.
4.2

密度の差異による曲げ破壊への影響

元側

一般に木材は密度が大きいほど強度が高いとされ,本試験でも図 7 に示す通り, その傾向が見られた.
中央

60

Maximumload
[kN]

50

末側

40
全乾密度[g/cm³]

表 1 より全乾密度が大きいほど年輪間隔が狭くな

30

Apparent density [g/cm³]
200.450.500.55

図 7 最大荷重と見かけ密度の関係

0.60っていることが見て取れ, この傾向は全体的にも言えることだった. このことから下端部の年輪間隔が狭いと材の強度が高まると考えられる.
61-3

図 9 より髄と破壊部との距離と最大荷重には弱い髄の位置の差異による曲げ破壊への影響

4.3

表 1 の CT 画像より, 髄の位置には個体差がある負の相関が見られることから, 髄の位置が下端部に近ことが分かる. 一般に髄付近はヤング係数が低いと考いほど材の強度が高くなると考えられる. しかし, グえられているため, 髄位置の違いにより試験体毎に断ループⅠでは材端部で小さく壊れる破壊形状が多かっ面内でヤング係数のばらつきの様子が異なる. これがたため, これにより髄と破壊部との距離が大きくなっ各試験体断面内の応力分布に差異を生じさせ, 曲げ破ている可能性を考慮する必要がある.

壊に影響を与えると予想される.

4.4

そこで, 図 8 に示す方法で髄の座標および破壊部の位置を特定し, 点と直線の距離の式により求まる髄と木材の個体差による曲げ破壊への影響

3 章で述べた傾向と外れた試験体の破壊位置でのCT 画像を表 2 に示す.

破壊部の距離と最大荷重の関係を図 9 に示す.

表 2 破壊位置での CT 画像
グループⅠY

S-23

グループⅡ
S-30

S-7S-11グループⅢ
S-24

S-19髄の座標の算出

Xx'y'=×1 00=×1 00

ここまでの分析で下端部の年輪間隔が狭い, またはH髄が下端部に近いと材の強度が高まると推察されるが,B

表 2 より, S－30 , S－7, S－24 は, 材の強度が高くな

b’h’るような特徴は見られず, S－19 に関しても材の強度が低くなるような特徴は見られない. 一方, S－23 は破壊位置の特定

=

=×1 0

髄の位置が下端部に近く, S－11 は下端部の年輪間隔×1 0が狭いため, これにより材の強度が高くなった可能性はあるが, 平均より特段に異なるわけではないため,点と直線の距離の式()=+下端部の密度や髄の位置が欠点の有無以上に曲げ破壊に影響を与える決定的な要因であるとは言い難い.

+

5.

+

まとめ
本報では, CT スキャンにより木材内部の情報を補完hℓ:++したスギ試験体を対象に, 曲げ破壊に内部割れや節等=0の欠点が与える影響を分析した. 検討の結果, 欠点はb
図 8 髄と破壊部の距離の求め方

曲げ強度の低下以上に, 脆性的な破壊に寄与する傾向が明らかとなった. また, 欠点の種類としては内部割

55

Maximumload[kN]50

れよりも節の方がその影響が大きいという傾向が見られた. 一方, これらの傾向と合致しない試験体につい45ても検討を行い, 不明な点は残るものの, 髄位置と破40壊箇所の関係などの新たな知見が得られた. 今後はさ35らに分析を深める計画である.

30

Distance between the pithand the broken spot [mm]2530507090

図 9 髄と破壊部の距離と最大荷重の関係

110参考文献1)
2)
3)

61-4

畑山よし男：有節材の強度推定に関する研究, 林業試験場研究報告，
第 326 号,pp.69-169,2011.3
農林水産省：接着重ね材の日本農林規格, 農林水産省告示第 179 号,第 4 条, 第 8 項, 材料, 2019.1
石川県林業試験場 石川ウッドセンター：安心・安全な乾燥材の生産・利用マニュアル, 前田印刷株式会社, pp.88,2012