大スパンを実現する
木材と鋼材とを組合わせた複合梁材とその継手構造
岡山大学
学術研究院環境生命自然科学学域（工）
木質構造設計学准教授

福本 晃治
2023年9月26日

CO2排出量と吸収量
全森林によるCO2吸収量は4,800万トン

1,600
百万t(CO2換算量）

1,400
1,200
1,000

58

55

53

54

53
48
1,301 1,265 1,249
1,235 1,191
1,161

46

48

1,101 1,122

森林のCO２吸収量は減少傾向

800600

国内のCO2排出量は11億7,000万トン

400
20002014

2015
排出量

2016

2017

2018

2019

2020

2021

森林によるCO2吸収量

国立環境研究所 温室効果ガスインベントリデータより福本が作成
https://www.nies.go.jp/gio/archive/ghgdata/jqjm1000001rdd27-att/L5-7gas_2023_gioweb_ver1.0.xlsx

1

人工林の年齢構成
長野県内の森林における年二酸化炭素吸収量（地位級Ⅲ）

t-CO2/年･ha

2520

スギ

15ヒノキ

10500

林野庁：森林・林業白書（令和4年度）より

人工林は50歳～60歳の木が多い一方で、若い木が育てられていない。

2040
材齢6080

長野県「森林の里親促進事業」CO₂吸収量等算定基準」（令和4年）より福本が作成

人工林に多いスギ・ヒノキ・カラマツは20歳以降、CO2の吸収量が減少する
大きな課題
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森林資源の循環利用

森林資源は、植える⇒育てる⇒収穫する⇒適材適所で使う、という循環が必要
林野庁：森林・林業白書（令和4年度）より3

木材の自給率
国内の木材自給率：
41.1％

国内の木材生産量：
3,372万㎥

林野庁：森林・林業白書（令和4年度）より

木材の自給率、生産量は徐々に高くなっているが、やや頭打ちになっている。
4

中大規模木造の状況

林野庁：森林・林業白書（令和４年度）より「Port Plus」（写真：福本晃治）

4階建て以上の中大規模建築、非住宅建築の木造化は未だ進んでいない5木質構造の大規模化

高層化
木質構造の大規模化は、主に、「高層化」と「大スパン化」の流れがある
しかし、「大スパン化」は木質構造梁の継手接合部が弱点となり、難点となっている

大スパン化
図作成：福本研究室

6

木質構造の大スパン化の課題「昭和電工武道スポーツセンター」（写真：福本晃治）

トラス・アーチ構造
課題

屋根の形状が制約される高さが増える
フラットな面を作りにくい
部材点数が多い7

木質構造の大スパン化の課題「岡山大学 共育共創コモンズ OUX」（写真：福本晃治）

梁構造

課題

接合部運べる長さ（12m)での分割が必要
接合部の強度が弱点となりやすい
耐荷重を確保しにくい8

木質ハイブリッド構造
木質構造の大規模化の方法として、「ハイブリッド構造」が注目されており、本技術は一つの部材の中で、複数の材料を組み合わせた「合成構造」に該当する。

立面混構造
Vertical Mixed Structure

平面混構造
Planar Mixed Structure

合成構造
Composite Structure
図作成：福本研究室

9木質構造の新しい大スパン化
スプライスプレート
及びHTB

T形鋼

木ビスM12（L=120)

CLT
木ビスM12（L=120)

スプライスプレート
及びHTB
図作成：福本研究室

T形鋼

木材の上下を鋼材で挟みこみ、ビスで固定し合成構造を構築。
更に、継手接合部は鋼構造と同様の接合とする
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木材と鋼材の合成梁の考え方「重ね梁」を鋼材と木材の組合せでCLTをせん断部材として使う
継手における高耐力、高剛性を有する「剛接合」の実現

木質材料で12mを超える大スパン梁を可能に
図作成：福本研究室

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CLT（直交集成板）の活用
板厚方向は繊維直交(R)方向

どちらの方向にも繊維方向(L)が存在する。
強度・弾性係数：L >> R > T
繊維方向
（L方向）

応力1/20～1/10

放射方向
（R方向）
接線方向
（T方向）

ひずみ

図作成：福本研究室

木材特有の「異方性」が少ないCLTを活用できる（ＣＬＴ以外の木材でも適用可）

12研究開発の流れ
構造解析モデルの構築

剛性評価式の適用性や、曲げ試験の再現性を確認し、構造解析モデルの妥当性を検証する。

図作成：福本研究室

M12ビス 要素試験

接手と要素試験によるM12ビスの構造性能を反映した解析解析モデルにより合成梁の構造性能を把握。

実験計画

要素試験により、M12ビスの構造性能を把握する。(せん断・引張耐力、剛性)

合成梁の予測解析
フィードバック

剛性・耐力・破壊モードの評価
継手接合部の性能評価
条件を変え複数体実施

合成梁の曲げ試験
構造性能評価設計手法の確立

実用化

現在実施中
今後、複数種の実験を予定
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構造実験 試験体
鋼板 SN400

CLT S90-7-7

12×210mm

600×210mm

M12ビス
𝜙12mm,長さ120mm,100mmピッチ

10m

継手接合部を2か所設定

高力ボルト及びスプライスプレート寸法は1/2.5スケール
25mスパンを想定

M12ビス

鋼板
12mm

LSB
CLT

図作成：福本研究室

ガセットプレート

ベースプレート

高力ボルト及びスプライスプレート14

予測解析（解析モデル）
P(kN)

鋼板 SN400

P(kN)

線要素

ベースプレート SN400
ガセットプレート及びスプライスプレート
CLT S90-7-7

線要素

板要素

板要素(異方性)
弱軸

強軸

CLT 弾性係数
強軸 5.14𝑘𝑁⁄𝑚𝑚
弱軸 3.85𝑘𝑁⁄𝑚𝑚
積層 0.90𝑘𝑁⁄𝑚𝑚

図作成：福本研究室

試験体を構造解析モデルにより再現して、実験結果の予測、分析を実施
15

予測解析（想定タイプ）
木材（CLT）のみ木材（CLT）＋鋼材の合成梁

木材（CLT）＋鋼材の合成梁＋継手接合部

図作成：福本研究室

構造実験 実施済

合成効果や、継手接合部の有無の影響を解析的に予測
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予測解析結果
・試験体Wと比べて初期剛性が4.3倍となった。

450

荷重 2P (kN)

400・試験体WSと比較すると初期剛性はほぼ同じで、継手接合部による構造性能の低下が起きなかった。

350300250200・積雪のような重荷重を考慮しても十分余裕がある。

150100WWSWSJ

𝑘5000𝑘50

100150

梁中央の鉛直たわみ δ (mm)200

鋼板の合成効果により、これまでになかった高剛性、高耐力の木質梁が実現できそう。

4.3倍
図作成：福本研究室

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構造実験の状況
P=240kN
（24t）
P/2

P/2

中央部変形約200mm（写真：福本研究室）

継手接合部での変形が急変せず連続している

18

構造結果と予測解析の比較
CLTの曲げ破壊

300

継手鋼材の降伏荷重P(kN)

250

解析

200実験

150
100
500050100150
δ(mm)200250300

・初期剛性は予測と一致した。
・鋼材で曲げ耐力が決定し、木材の破壊は大変形時に発生。
図作成：福本研究室

・ただし、鋼材で耐力が決まっているにも関わらず、解析結果より耐力が低くなった。⇒詳細な分析中、木材に問題無し。
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想定される用途
・大スパン、大空間を要するスポーツ施設やアリーナの屋根構造・オフィス、店舗等の床を支える梁・橋梁等の土木構造物

長さが12mを超えるような梁部材への適用
20tトレーラで運搬できる部材長さ

20実用のイメージ
深い積雪にも耐える
12m

CLTであれば、曲線に機械加工が可能
25m
ロー&ワイドなフォルム

大きな跳出し梁も可能

パース：中西正佳建築設計事務所作成

継手接合部で運べる寸法に分割

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実用化に向けた課題
 構造性能評価の精度を向上させるための課題
スパンや部材性能の違い、継手の有無による影響の実験的評価
木材と鋼材の応力分担と剛性増大率の定量化
継手接合部における鋼材の降伏挙動の解明
長期荷重化における変形増大（クリープ）の評価
耐火性能確保のためのディテール開発

 コスト低減のための更なる合理化
ビス本数や鋼材寸法の最適化
継手接合部の合理化
耐火被覆の合理化
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企業への期待 現状の課題は、鋭意検討中、追加の構造実験も予定
数種類の実験を追加し、その違いを解明することで構造的挙動を詳細に解明し合成梁システムの合理化と、一般的な設計手法の確立を目指す。

 プロジェクトを通じた実践的な課題解決とブラッシュアップ
実際の建築物に適用していくことで、現在、見えていない実践的な課題を抽出し、更なるブラッシュアップを図る。現状、適用予定プロジェクト1件あり。

 耐火性能確保のための検証
耐火性能は、現状の建築基準法に基づいて設定しているものの、加熱実験による耐火性能の検証が望ましい。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：複合梁材及びその継手構造：特願2022-172400：岡山大学：福本 晃治24

お問い合わせ先
岡⼭⼤学
研究推進機構知的財産本部

ＴＥＬ︓086-251-8417
e-mail︓chizai@okayama-u.ac.jp
URL︓https://www.orsd.okayama-u.ac.jp/

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