中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発
構造研究グループ
荒木 康弘

国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

地球温暖化問題2020年度における日本の温室効果ガス排出削減目標

13億５千万t-CO2（注１）

国内排出量の削減（注２）

森林吸収源
△3.8％

基準年排出量△2.8％以上

国際的算入上限値（2013～2020
年平均3.5％（1990年比））の達成に向けた取組により確保

約13億t-CO2（注４）2005年度

http://www.jccca.org/chart/chart01_01.html

2020年度（目標）

http://www.rinya.maff.go.jp/j/kikaku/hakusyo/26hakusyo_h/all/a22.html

温室効果ガスの削減が地球規模で必要
国立研究開発法人 建築研究所

2
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

COP17（第17回 気候変動枠組条約締約国会議:H23）
第2約束期間：住宅等の木材に貯蔵されている炭素量の変化を（2013～2018） 温室効果ガス吸収・排出量として計上可能

温室効果ガス削減に、木材の利用が貢献
木材利用促進の一つ：木造の中層・大規模化
http://www.rinya.maff.go.jp/j/sin_riyou/ondanka/20141117_topics5.html
国立研究開発法人 建築研究所

3
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

木造建築物の中層・大規模における課題（H23当初）
材料

構造

防火

①木造建築物の高さ・規模に関する防火上制限に関する知見が整備されていない②中層・大規模木造建築物の防火設計法（スプリンク
ラー、燃えしろ設計）の知見が整備されてない③木質系部材の防・耐火性能を評価するための試験法が整備されていない
重点研究課題「木材の利用促進に資する中層・大規模

海外で中層・大規模木造建築物の構造材として使用されるロスラミネーテッドティンバー（CLT）や単板積層板（LVB）等の新木質構造材料に対する材料認定の枠組・材料強度が整備されていない①中層木造建築物の構造設計のための設計技術が整備されていない②中層木造建築物の設計に関連する規基準が明確ではない

CLT木造建築物の設計・評価技術の開発」（H23～25）

国立研究開発法人 建築研究所

60
135

Forte (10F, Melbourne）

85

B種LVL

135

重点研究課題「CLT等を構造材とする木造建築物の普及促進に資する設計法の開発」 （H26～27）
4
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

講演内容
１．材料分野の取り組み●CLTの材料強度の考え方の紹介
２．構造分野の取り組み●CLT工法の概要の紹介●集成材構造に関する検討の紹介●枠組壁工法に関する検討の紹介●木質混構造建築物に関する検討の紹介
３．防火分野の取り組み（概要）４．炭素収支の評価に関する検討の紹介
５．今後の展望国立研究開発法人 建築研究所

5
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLT（Cross Laminated Timber）●ひき板の層を各層で互いに直交するひき板（ラミナ）ように積層接着したパネル及び工法●1996年に欧州で開発され、海外では6～10階建のマンション、中・大規模商業施設・公共施設、一般住宅等様々な建築物で使用●CLTの日本農林規格が2014年1月に施行⇒CLT工法を一般的な方法で設計するためには、材料強度等を定める必要
森林総合研究所等の関係機関と協力して検討
国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute6

中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLTの特徴国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute7中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

構造計算に必要な各方向の材料特性値と算定方法 例：5層5プライ方向
xxyyrzrz
rxryxzyzxy

応力
圧縮（最外層弱軸）引張（最外層弱軸）
圧縮（最外層強軸）
引張（最外層強軸）
面内曲げ（強軸）
面内曲げ（弱軸）
面外曲げ（強軸）
面外曲げ（弱軸）
面外せん断（強軸）
面外せん断（弱軸）
面内せん断

算定方法

等価断面法
（合板・集成材で用いられている理論）

強軸

Z
X

検討方向（Y）と最外層ラミナの繊維方向（Y）が同じ
Z
弱軸

X

幅はぎ接着されていないCLTの接着層の変形を考慮したせん
断強度算定式国立研究開発法人 建築研究所

8Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会計算式の例（圧縮・面外曲げ）
応力

圧縮

強軸・弱軸
強軸

弱軸

強軸
面外曲げ（積層方向）

弱軸

国立研究開発法人 建築研究所

計算式

𝐴𝐴𝐴𝐴
𝑘𝑘5𝑡𝑡ℎ𝐹𝐹𝑐𝑐 = 𝜎𝜎𝑐𝑐_𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝐴𝐴𝑂𝑂

σC_oml ：最外層ラミナの圧縮強度（N/mm2）
AA ：等価断面の断面積（mm2）AA = Σ(EiAi) / E0 より算定（図2）。 EiはI層ラミナの弾性係数、Aiはi層の断面積。
AOは最外層の ラミナの弾性係数）。直交層弾性係数は0。
A0：実断面の断面積（mm2）k5th：95%下側許容限界値算出係数（3/4）

𝐼𝐼𝑣𝑣𝑣𝑣
𝐹𝐹𝑏𝑏𝑂𝑂 = 𝜎𝜎𝑏𝑏_𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑘𝑘𝑏𝑏 𝑘𝑘5𝑡𝑡ℎ𝐼𝐼𝑣𝑣𝑣𝑣

σb_oml：最外層ラミナの曲げ強度（N/mm2）
IvA ：等価断面のI（mm4） IvA = Σ（EiIi+EiAiZi2）/E0により算定（EiはI層ラミナの弾性係数、Iiはi層の断面二次モーメント、Aiはi層の断面積、Ziは全層一体時の中立軸とi層ラミナ重心の距離、E0は最外層ラミナの弾性係数）。直交層の弾性係数は0。
Iv0 ：実断面の断面二次モーメント（mm4）9Building Research Institutekb ：面外曲げ強度調整係数（0.65）

中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLT各方向の応力と算定方法の例１
圧縮強度の計算例（最外層強軸）①外層ラミナ強度圧縮強度σc_oml×k5th
等級M60A⇒16.2N/mm2（下限値）

60E
300mm

■Mx60 5層5プライ②実断面A0：300×150=45,000mm2
30E

30mm

150mm

直交層は0とする③等価断面AA：
60E/60E×300×30×2+30E/60E×300×30=22,500mm2

𝐴𝐴𝐴𝐴
𝐹𝐹𝑐𝑐 = 𝜎𝜎𝑐𝑐_𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑘𝑘5𝑡𝑡ℎ =16.2×22,500/45,000=8.1 N/ mm2
𝐴𝐴𝑂𝑂
国立研究開発法人 建築研究所

10Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLT各方向の応力と算定方法の例2
圧縮強度の計算例（最外層弱軸）①第2層ラミナ強度σc_oml×k5th
等級M30A⇒1１.6mm2（下限値）

60E
300mm

■Mx60 5層5プライ②実断面A0：300×150=45,000mm2
30E③等価断面AA：
30E/30E×300×30×2=18,000mm2
30mm

150mm

直交層は0とする

𝐴𝐴𝐴𝐴
𝐹𝐹𝑐𝑐 = 𝜎𝜎𝑐𝑐_𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑘𝑘5𝑡𝑡ℎ =11.6 ×18,000 / 45,000 =4.64N/ mm2
𝐴𝐴𝑂𝑂

国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLT各方向の応力と算定方法の例3
面外曲げ強度の計算例（最外層強軸） ■Mx60 5層5プライ
中立軸z60E①外層ラミナ強度σb_oml ×k5th
等級M60A⇒20.0（下限値）

300mm②実断面の断面二次モーメントI0：
300×1503 / 12 = 84,375,000mm4
30E

30mm

150mm

③

直交層は0とする

𝐼𝐼𝑣𝑣𝑣𝑣
𝐹𝐹𝑏𝑏𝑂𝑂 = 𝜎𝜎𝑏𝑏_𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑘𝑘 𝑘𝑘=20.0×66,487,500 / 84,375,000×0.65＝10.2
𝐼𝐼𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑏𝑏 5𝑡𝑡ℎ
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12Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

実験値と計算値の比較（平均値同士）（基準となる数値は更にバラツキ係数を考慮）
圧縮
3025252015スギ（強）
スギ（弱）10ヒノキスギ（強）5実験値（N/mm2）

実験値（N/mm2）

引張3020ヒノキスギ（強）
50510152025

ヒノキスギ（弱）0300352530

2015スギ（強）

10スギ（弱）ヒノキスギ（強）
ヒノキスギ（弱）00510152025

計算値（N/mm2）

国立研究開発法人 建築研究所

30

実験値（N/mm2）

30551015202530

計算値（N/mm2）

計算値（N/mm2）
面内曲げ実験値（N/mm2）

スギ（弱）10ヒノキスギ（弱）0スギ（強）

15

面外曲げ2520スギ(強)15スギ（弱）10ヒノキスギ（強）
ヒノキスギ(弱)5ヒノキ(強軸)005101520253035

データ提供：森林総合研究所
13Building Research Institute

計算値（N/mm2）

中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発平成２７年度建築研究所講演会

直交層を考慮する場合直交層のEを平行層のEの1/30とする（CLT HandBook）

Q.直交層の考慮/非考慮でどれ位異なる？
（圧縮）①1～2%（面外曲げ）①1%

②5～6%

③10%

②5%

③10%

直交層：最外層の1/30のヤング係数として計算してみましょう
国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

講演内容
１．材料分野の取り組み●CLTの材料強度の考え方の紹介
２．構造分野の取り組み●CLT工法の概要の紹介●集成材構造に関する検討の紹介●枠組壁工法に関する検討の紹介●木質混構造建築物に関する検討の紹介
３．防火分野の取り組み（概要）４．炭素収支の評価に関する検討の紹介
５．今後の展望国立研究開発法人 建築研究所

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Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

Cross Laminated Timber (CLT)製造・施工●大きなパネル形状の製品を工場生産●工場で生産した壁パネル、床パネル、屋根パネル等を現場に搬入し、組み立てる。一種のプレファブ●パネル間は、長ビス、金物＋ビス、ホールドダウン
金物、タイダウン金物等で接合
16
国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

海外の事例

国内の事例

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Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLTの普及に向けたロードマップ
林野庁・国土交通省
パブリックコメント

CLTを用いた木造建築基準の高度化推進事業の事業主体との共同研究で検討
国立研究開発法人 建築研究所

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Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLT工法：3つの構造形式
小幅パネル工法

大版パネル工法1

大版パネル工法2

垂れ壁部分

垂れ壁部分

垂れ壁パネル
無開口壁
パネル

無開口壁部分腰壁パネル
無開口壁・垂れ壁・腰壁パネルで構成
無開口壁の上下4隅に引張金物
無開口壁・垂れ壁・腰壁パネル
相互を接合金物等で緊結

構面の構成

腰壁部分

・有開口/無開口大版パネルで構成
・無開口壁部分の４隅に引張金物

無開口壁部分

腰壁部分

・有開口/無開口大版
パネルで構成・構面の４隅に引張金物を配置

計算
ルート

ルート1以上

ルート2以上特徴

変形性能の高い架構

小幅・大版1より変形性能は低い

国立研究開発法人 建築研究所

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Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

CLT工法の規模と構造計算ルート
限界耐力
計算

規模

1次設計

保有水平
耐力計算

60m以下*1*1 防火上：4階建が限界（1時間耐火告示）
損傷限界耐力Qd
損傷限界変形角γdの検定

許容応力度等
計算

許容応力度
計算

3階以下、高さ31m以下

3階以下、高さ13m以下、軒高9m以下

15kN/m程度

短期：無開口壁15kN/m程度として計算
長期：床、壁等の検定

部材・接合部の存在応力が短期許応力度を超えない事
15kN/m2次設計

備考

安全限界耐力Qs
安全限界変形角γsの検定

Qu≧Qun(= Ai･Fes･Rt･Z･Ds･Σwi)

Pa ≧FL+FE×Rf
程度
Pa：部材・接合部
短期許容耐力FL：長期荷重
FE：短期荷重
Rf：応力割増し率
15kN/mFh:
建告1457号に基づき算出（γ1=0.2）

Ds：①CLT工法、②壁パネルサイズ、③仕様規定で異なる

Rf：①CLT部材・1階壁脚部引張接合部②その他の引張・せん断接合部で異なる

国立研究開発法人 建築研究所

仕様規定に従い省略①階高、②腰壁・垂れ壁高さ・長さ③無開口壁長④接合部仕様程度

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Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

ルート１以上、ルート2以上で可能な架構（1-1）垂れ壁・腰壁有り（1-2）垂れ壁のみ（2）垂れ壁・腰壁（高さ不足）有り（3）垂れ壁の代わりに梁（6）垂れ壁の片側を直交壁で支持（8）垂れ壁の両側を直交壁により支持(10-1）連続壁 ○(10-2）連続壁（スリット入り）

国立研究開発法人 建築研究所（1-3）腰壁のみ（1-4）垂れ壁・腰壁無し（4）垂れ壁・腰壁（幅不足）有り（1-4）垂れ壁・腰壁無し（無開口壁は鉛直支持のみ）（5）耐力壁が片側のみ*ルート１：①階高、②腰壁・垂れ壁
高さ・長さ③無開口壁長④接合部仕様の制限有り(11-1）大版壁（幅が２ｍ以上） ルート2以上

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平成２７年度建築研究所講演会

集成材構造に関する検討
多様な架構・接合形式。中高層化には大地震時の安全性確保のために重要な崩壊機構に関する検討が不十分

引きボルト式接合

鋼板挿入ドリフトピン接合

LSB接合

合わせ梁接合GIR接合

ブレース構造国立研究開発法人 建築研究所

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Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

集成材構造に関する検討
集成材構造接合部の靭性保証設計の提案<引きボルト式接合の例>想定される5つの破壊モード① Mut 引きボルトの引張破壊②Mus 座金から梁木口へのせん断破壊③Muk 梁座金の繊維方向圧縮による木部降伏④ Muc 柱の曲げ破壊⑤ Mub 梁の曲げ破壊
Mut ≦ min(Muk,Mus, Muc, Mub)
確率密度

接合金物:5%上限値
Mut

国立研究開発法人 建築研究所

木質材料:5%下限値

min(Muk,Mus, Muc, Mub)
23
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接合部靭性保証設計を用いた集成材構造試設計3階建（45分準耐火）

4階建（１時間耐火）

5階建(W部分：１時間耐火)

1F：RC
規模

平面：7.2m×14.4m、階高3.1m

耐震

長

構造用合板耐力壁要素

短引きボルト式接合集成材フレーム

国立研究開発法人 建築研究所

24
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平成２７年度建築研究所講演会

3階建

4階建

5階建(1FRC)

柱:2-120×500
梁:2-120×600
ボルト：M20(SNR490B)

柱:2-150×500
梁:2-150×600
ボルト：M22(SNR400B)

柱:2-150×500
梁:2-150×600
ボルト：M22(SNR400B)

柱:2-120×500
梁:2-120×600
ボルト：M20(SNR490B)

柱:2-150×500
梁:2-150×750
ボルト：M22(SNR490B)

柱:3-150×500
梁:3-150×750
ボルト：M22(SNR490B)

最上階柱梁

規準階柱梁

国立研究開発法人 建築研究所

25
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枠組壁工法に関する検討（日本ツーバイフォー協会と共同研究）
６階建モデルに作用する外力
必要許容耐力：27kN/m（14倍）

必要保有耐力：48kN/m
必要許容耐力：32kN/m （16倍）
必要保有耐力：56kN/m

必要許容耐力：26kN/m （13倍）
必要保有耐力：45kN/m
国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

６階建実現に必要な設計技術の開発1
高強度耐力壁に関する設計技術

タイダウン接合に関する設計技術
②

①
耐力壁端部
最大軸力

③

④
⑤
⑥⑦

枠材

上下・縦枠：D.Fir-L甲種2級306

面材

カラマツ構造用合板2級
12mm厚、両面張り

釘接合部

外周：CN75@50mm千鳥
中間：：CN75@200mm

国立研究開発法人 建築研究所

許容：364kN
保有：638kN

設計時における確認事項①ボルトネジ－ナット部②座金の曲げ③木材のめり込み④枠材の曲げ
⑤枠材のめり込み⑥タイダウンの引張⑦タイダウンアンカー部分

Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

６階建実現に必要な設計技術の開発2
開口低減係数に関する検討

耐力壁両側に金物設置

開口係数適用時
r=

B

DCEH

JI

K

AWall

AOpennings
FGL

M

LWall
L full − hight

国立研究開発法人 建築研究所

11+ α

α=

∑A

β=

∑LβOpennings

AWall
full − hight

LWall：有開口耐力壁の全面積（開口部も含む）：有開口耐力壁の開口部面積：有開口耐力壁の全長（開口部も含む）：有開口耐力壁に含まれる無開口壁の長さ28Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

平面混構造に関する検討<平面混構造の構造設計方法案>

一層については検討済み

B
Span=7.2m A.R=0.5

Span=10.8m A.R=0.5

180

Span=7.2m A.R=1

Span=10.8m A.R=1160

Span=7.2m A.R=2

Span=10.8m A.R=2200

Span=7.2m A.R=0.5

Span=10.8m A.R=0.5

180

Span=7.2m A.R=1

Span=10.8m A.R=1160

Span=7.2m A.R=2

Span=10.8m A.R=2L

140Disp(mm)

RC部分
ルート1200120100806040200

RC部分
ルート3140Disp(mm)①RC造コア部分の設計方法②ねじれに十分抵抗できる構造とするためのRC造部分の規定③水平構面に一様な性能を持たせるための規定④木造部分の鉛直構面耐力要素に対する、RC造と木造部分のアスペクト比、重量比に関する規定⑤捩れがほぼ無視できる構造の場合の部材・接合部の検定方法

120
100
80
6040
200

多層について検討
国立研究開発法人 建築研究所

29
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平成２７年度建築研究所講演会

平面混構造の構造設計方法の妥当性検証
抽出：
モデル化

想定する3層平面混構造建築物
解析ケース

国立研究開発法人 建築研究所

30
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

平面混構造の構造設計方法の妥当性検証②層間変形角と水平震度(L=24m)＜計算の流れ＞③負担割合と水平震度(L=24m)

最大層間変形角とRC部のせん断力負担割合①RC造コア部分設計②木造水平構面の設計（左図利用）③RCと木造部分の鉛直構面負担割合（右図利用）④応力解析・接合部設計⑤接合部を考慮した応力・変形計算
国立研究開発法人 建築研究所

31
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

講演内容
１．材料分野の取り組み
２．構造分野の取り組み
３．防火分野の取り組み●国内外の木造建築物の防火規制の考え方に関する検討●実建物の火災条件を考慮した耐火試験評価方法の検討●LVL及びCLTの燃えしろ設計のための検討（基準整備促進事業の事業主体との共同研究で検討）●木造3階建学校の防火基準に関する検討（木造建築基準の高度化推進事業との共同研究で検討）

４．炭素収支の評価に関する検討の紹介
５．今後の展望国立研究開発法人 建築研究所

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Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

炭素収支の評価に関する検討●木造建物に使用される木材製品を対象とし、製品の製造と輸送に係るCO2排出量、製品原料に占める地域産原料と非地域産原料の内訳を、事業者が簡便に算出する手法とツールを開発・栃木県内の事業者で試行●中層木造建築物を構成しる木材製品の炭素収支（製造・輸送に係るC02排出量と木材製品の炭素固定量の差）の算定事例を作成
地域産材（栃木県内流通の製材品）の炭素収支（炭素固定量－炭素排出量）
約160kg-C/m3
延べ床面積約1500m2の6階建ての集合住
宅の製材に関する炭素収支は約24ton-Cの炭素固定
国立研究開発法人 建築研究所

Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

近年の中層・大規模木造建築に関する動向
年

関連法令

国内中層木造

海外中層木造2010 公共建築物の木材の利用促進に関する法律

国内初4階建枠組壁工法建物（2006）

Murray Grove(9F U.K.,2009)2011

国内初4階建軸組工法建物

Bridport House (8FU.K.,2011)2012

木造5階建集合住宅(1F:RC)
2×4 5階建店舗併用住宅(1F:RC)

2013
2014

Forte (10F,Melbourne)
Via Cennia diCambiamento(Milano, Italy,9F)

中層木造建築物のより一層の普及の検討
Banyan Warf
(10F U.K.)
我が国での木造高層化の可能性
木3学校の準耐火構造

2015

に関する規定・木造耐火構造の例示仕様追加

2016

CLT材料・構造方法告示(2016年早期)Trafalgar Place(10F U.K.)

5階建CLT建物(1F:RC)
6階建2×4実験建物

国立研究開発法人 建築研究所

34
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

2012

Forte(10F)

日本の技術力を示す時
From: Earthquake Response Monitoring and Seismic Performance of Five Storied Timber Pagoda, Proceeding of
the 13th WCEE, Paper, 2004
国立研究開発法人 建築研究所

35
Building Research Institute中層・大規模木造建築物の普及に資する設計・評価法の開発

平成２７年度建築研究所講演会

ご清聴ありがとうございました

国立研究開発法人 建築研究所

36
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