関東森林研究論 文72-1(2021)

積雪による傾斜地のスギ苗の曲げストレス
宮下彩奈 1 ・勝島隆史 2
１ 森林総合研究所 森林災害・被害研究拠点
２ 森林総合研究所 十日町試験地
要旨：本研究ではスギ苗木を用いて, 雪の荷重による幹の変形の大きさや破壊の危険性, また, これらの傾斜による違いを明らかにすることを目的とした。0, 10, 20 度の傾斜地に植栽した３年生裸苗に対し, 根元に２枚のひずみゲージを貼り付け, 降雪期間の幹ひずみおよび倒伏方向を記録した。また, 同様の３つの傾斜を持たせた合板にスギ苗を固定し, 人工降雪機を用いた曲げひずみのモニタリングを行った。結果から, スギ苗木は, 積雪期初期の冠雪によってすでに強度を失うような大きさの雪圧を経験していることが示唆された。予測に反し, 野外および実験ともにひずみの大きさと斜面傾斜角には相関がなかった。むしろ, 20 度程度の傾斜ならば冠雪による倒伏や幹の変形によるストレスは小さい可能性が示唆されたが, さらなる試験による検証が必要である。
キーワード：最大応力, 雪害，弾性係数，ひずみゲージ, 曲げヤング率

Bending stress of juvenile Japanese cedar by snow accumulation
Ayana MIYASHITA1, Takafumi KATSUSHIMA2
Center for Forest Damage and Risk Management, Forestry and Forest Research Institute 1
Tohkamachi Experimental site, Forestry and Forest Research Institute 2
Abstract: To understand mechanical stress of junior Japanese cedar by snow fall, we measured trunk strain and estimated risk oftrunk failure for individuals set at different slope inclines. We used strain gauges for monitoring bending strain and direction oflodging for the seedlings which were planted field sites of 0, 10, and 20 degrees slope incline, respectively, during one snowfall
season. We also conducted a similar experiment by artificial snow fall machine using seedlings set at plywood having slope inclineof 0, 10, or 20 degrees. Observed strain indicates that in a snowy region Japanese cedar tree can experience mechanical stress which
is near the maximum strength of the species early in the season. Interestingly, results of both field site experiment and artificial snow
fall experiment indicate that there is no relationship between slope incline and strain or mechanical stress, rather, that the maximum
slope gives the smallest mechanical stress in the case of that slope incline is 20 degrees at most. However, further observation isneeded to conclude the result.
Key-word: Maximum stress, Modulus of elasticity, Snow damage of forest, Strain gauge, Young's modulus in flexure

Ⅰ 背景を明らかにした例はほとんどない。そこで本研究では,多雪地においてもスギは林業で重要な樹種であり, 雪スギ苗が幼齢期に受ける雪の物理的影響を解明することによる幹折れ・根返り・根曲がりは経済的損失をもたらを目的に, ①降雪期間中の幹の変形の計測と斜面傾斜のす。多雪地のスギ苗木は幼齢期から冠雪や斜面積雪によ影響の検討, ②人工降雪機による斜面傾斜の影響の検討,る幹の変形・根抜けなどの影響を繰り返し受け続け, そ③スギ苗木の曲げ強度の推定を行った。これらの結果かのことが根曲がりの形成をもたらすと考えられる(３)。

ら積雪による力学的ストレスの大きさおよびパターンをしかし, 観察的記録は多いが, スギに限らず生きた樹木明らかにするとともに, 斜面傾斜の効果を考察した。

に対する雪の物理的ストレスの計測例は極めて少ない(ただし２,４,５)。特に１齢級の苗木において雪の荷重にⅡ 材料と方法

よる幹の変形の大きさや, それによる幹の変形および破１．調査地 上記①の試験は, 森林総合研究所十日町壊の危険性, および, 植栽地の斜面傾斜角度の影響など試験地（新潟県十日町市）において, 2018 年 12 月から翌－93 －（受理日 2021 年 1 月 26 日）

ある。スギ１個体に対し, 幹の同じ高さの円周上 90 度の位置に２枚のゲージを貼り, 出力値をベクトル合成して幹の変形量を求めるとともに倒伏方向を計算した。ひずみゲージはスギ苗の樹皮及び形成層を取り除いたうえで接着剤を用いて木部に直接圧着し, ２枚ずつネットワークモジュール（NSW-024C; 同社）に接続した。０度斜面の５台のネットワークモジュールおよび 10 度, 20 度斜面の計 10 台のネットワークモジュールは, それぞれ１台のロガーコントローラー（MD-111; 同社）に接続し, 出力を記録した。測定間隔は 30 分とした。
３．試験②：人工降雪機による斜面傾斜の影響の検討
０, 10, 20 度の傾斜を持たせた合板に①と同様の３年生ス
ギ裸苗の地上部を２本ずつ, 角材と釘を用いて固定した（図－２）。人工降雪機により, 降雪 16 h,待機 24 h, 降水量５ mm h-1 の条件で試験を行い, ①と同様の計測によ
図－１. 試験①の調査地および計測方法. (a) 傾斜

り冠雪～埋雪過程でのひずみの大きさと苗の倒伏方向を10 度および 20 度の畑. (b) 同０度の畑. (c) ひずみゲ計測し比較した。
試験はスギ苗を取り換えて２度行った。
２．試験③：スギ苗木の曲げ強度の推定 ひずみ計測

ージと計測の模式図.
(a)値からスギ苗木の力学的ストレスを推定するため, 曲げ

Experimental field of slope incline 10 and 20試験を行って比例限度応力および最大応力発生時の引張degrees, (b) that of 0 degree, (c) schema of strain

側のひずみ量を計測した。また，弾性係数を計測した。

gauge and the measurement.

この試験は小型の試料では行えないため, 気象条件の近Fig.

1Studysiteandmeasurement.

い新潟県魚沼市に自生するスギを用いて計測を行った。
試験は３点曲げ試験により行い, 供試木は７本, 中央部分の直径は２－８cm だった。
Ⅲ 結果と考察１．降雪期間中の幹の変形パターンと斜面傾斜の影響
図－２. 降雪試験の様子 (a) 各傾斜を持たせた合板の上に苗を固定したところ(b) 試験中の様子
Fig. 2 Pictures of artificial snow-fall experiment

幹ひずみの変化は降雪パターンとよく一致しており,12 月末頃までは冠雪による倒伏と融雪による解放の繰り返しがみられた（図－３）。また, 12 月末以降には積雪は根雪になり, 積雪重量とともにひずみも直線的に増４月にかけて行った。試験地内に斜面傾斜０, 10, 20 度の加した。１月には多くのひずみゲージで破損がみられ,畑を用意し, 試験用の苗を植栽した（図－１）。②の試験測定限界に達した個体も多くみられた。苗の倒伏方向には防災科学技術研究所の人工降雪設備（山形県新庄市）

ついても, 全体に積雪状況との一致が見られた（図－４）。

を利用し, 2019 年６月に行った。③の試験は森林総合研

冠雪が発生すると, ある程度決まった方向へ倒れ, 解放究所にて 2018 年 11 月に実施した。

されるとランダムな状態になり, 本格的に雪が積もると２．試験① ３年生のスギ裸苗（樹高約 50 cm, 根元直また一定の方向に倒れる様子が観測された。斜面傾斜 20径約２cm）を各斜面用に 10 個体用意し, 内５個体の根元度の個体では, 冠雪での倒伏以後, 倒伏方向に大きな変にひずみゲージ（FLA-２–11–５L, 東京測器研究所）を貼化がなかった（図－４矢印）。それに対し, 他の斜面で特付した。ひずみゲージは材料の変形量を高分解能で計測にひずみ値が限界を超えてしまった個体では, 真横付近可能な小型センサーである。出力値は µε で, 10,000 µε がから斜面下方への変化がみられた。今回の結果では, 傾１% の変形に相当する。引張変形時に正, 圧縮変形時に斜０度のスギ個体も「下方」を向いたものがあったが, こ負の出力が得られる。ただし, ロガーの設定等の制限にの植栽地は同方向に 10 m ほど行くと傾斜しており, よより, 本試験における測定値の上限はおよそ 36,000 µε でり広い範囲での積雪動態に影響された可能性がある。

－94 －関東森林研究72-1(2021)

図－３. ひずみ計測結果 (a) 計測期間中の十日町試験地の積雪深の推移 (b)パネル (a) のうち積雪期初期の部分を抜粋したもの (c) 試験期間中のスギ苗各個体のひずみの変化（１本の線が１個体のひずみの変化を示す）
Fig. 3 Result of strain measurement. (a) Change in snow depth and weight during the experimental period atTohkamachi station and (b) those of early in the season, (c) pattern of strain observed for each seedling (a lineshows an individual).

図－４. 苗の倒伏方向の変化 (2019 年１月 24 日までの結果抜粋, １本の線が１個体のひずみの変化を示す）
Fig. 4 Pattern of lodging direction of each seedling.
０度や 10 度の斜面で, ひずみ測定値が最大値を突破れた個体で必ずしもひずみが大きいわけではなかったした個体が多かったのに対し, 傾斜 20 度ではひずみの（図－５c, d）。ただし, 野外での測定と異なり, 試験後の最大値はより小さかった（図－３）。大きな力がかかるこ個体はどの傾斜でも比較的立った状態のままであった。とで早々に根抜けをおこし, 幹への力が解放された可能

今回の試験では, 何らかの要因で傾斜が急なほど冠雪性が考えられる（ただし, 次節参照）。20 度斜面では, 斜時に倒伏しづらかったと考えられる。例えば, 樹冠の冠面積雪発達後のひずみの増加率が平均して最も大きかっ雪が斜面上側の積雪と一体化したことなどが挙げられる。

たが, 他の傾斜地と比較して有意差はなかった。また, 冠

ただし, 試験における降雪の設定は一般的な野外の降雪雪時のひずみの大きさも傾斜とは関係なかった。に比べると穏やかな条件であったため, 野外条件下で今２．人工降雪による幹ひずみの斜面傾斜の影響 十日町試験地での結果と同様, この試験でも 20 度斜面でひ回の結果にどの程度の再現性があるかについては, 今後の検証が必要である。

ずみの平均値が最も小さかった（図－５a, b）。今回の試

３．スギの強度と雪によるストレス 試験の結果から

験では根元が固定されていたため, 根抜けによる幹の曲ひずみ量約 10,000 µε がスギ生木の比例限度応力, 約げの解放は起こりえない。一方, 今回の結果では, 積雪後30,000 µε が最大応力発生時に相当することが分かったに苗木の倒伏方向が下方へ変化したのは傾斜がある場合（図－６）。図３(c) の結果と比較すると, 降雪期初期ののみであり, 十日町試験地での結果と違って下方へ流さ

冠雪で早くも半数の個体は弾性限界を突破しうる変形を－95 －図－５. 人工降雪試験の結果 (a) ひずみ計測値 1 回目 (b)同 2 回目 (c) 倒伏方向の変化 1 回目(d) 同 2 回目Fig. 5 Result of artificial snow fall experiment. (a) strain patter of first test and (b) second test, (c) lodging
direction for first test and (d) second test. A line shows an individual.
うな雪圧を経験していることがわかった。本試験の結果
からは 20 度までの斜面傾斜の効果は不明瞭であったが,この程度の傾斜ならば, むしろ冠雪による倒伏や幹の変形によるストレスは小さい可能性が示唆された。しかし,これを結論付けるにはさらなる検証が必要だといえる。
謝辞：本研究を行う上で, 安達聖氏（防災科研・新庄）ならびに当施設のスタッフの方々に大変お世話になりました。この場を借りてお礼申し上げます。
引用文献(１) IDO, H., NAGAO, H., KATO, H., and MIURA, S. (2012)

図－６. 比例限度応力発生時および最大応力の 85%

Strength properties and effect of moisture content on theならびに 95%発生時のスギ試験体のひずみ値

bending and compressive the grain of sugi (Cryptomeria

Fig. 6 strain values at proportional limit and 85 orjaponica) round timber. Journal of Wood Science 59(1), 67–72

95 % of maximum stress was observed.

(２) MIYASHITA, A., MINAMINO, R., SAWAKAMI, K.,おこしたことがわかる。
さらに, 斜面積雪の発達時には,KATSUSHIMA, T., and TATENO, M. (2020) Monitoring

破壊強度を突破しうる変形をおこしていると示唆された。

bending stress of trees during a snowy period using strain

本試験で得られたスギの弾性係数は, およそ２GPa 程gauges. Bulletin of Glaciological Research 38: 25-38度であり, 文献値（生材）の 1/2 ~ 1/3 以下であった(１)。

(３) 四手井 綱英 (1950) 幼齢林の雪害（昭和 21 年～22

このように非常に曲がりやすい性質は, 積雪による力学

年及昭和 22 年～23 年の調査より）. 林業試験場研究報

的ストレスを受け流すのに有利であるのかもしれない。

告 58: 1-24
(４) 高橋 喜平・片岡 健次郎・佐藤 正平 (1968) 立木にⅣ まとめ加わる雪圧（第１報）. 林業試験場研究報告 210: 155 -174.

ひずみゲージを用いた計測でスギ苗木が積雪期間中に(５) 山野井 克己 (2006) 低木広葉樹林における斜面積受ける力学的ストレスの大きさや経時変化が明らかにな

雪の安定度と雪崩防止に関する研究. 博士論文（新潟大り, その結果, 多雪地のスギは幼齢期から強度を失うよ学）.

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