坂下　一則
はしじめに

(2)くまもと県産材総合展示ＰＲ事業

(3)木とのふれあい環境整備推進事業

2）導入実績

(4)くまもと木の住まいづくり推進事業

2）建築の条件

1）組織

2）事事内容

● さまざまに木を活かす

おわりに

1．はじめに

3.結果と考察

1.はじめに
建築基準法改正など法律の整備に伴い、性能規定化がすすみ、木材の性能表示への要求が高まっている。 ー方、スギ材の生産量は増えており、資源の有効利用を考えるうえで、梁や桁に利用することは、 ーつの有望な手法と考えられる。そこで、梁や桁材生産に適したスギ原木の生産状況を把握することを目的に、原木市場で原木の縦振動法によるヤング係数（以下Ef）を調査した。
2.調査方法
調査は県内の原木市場の協力で、出材されたスギ原木のうち、熊本県内での生育が確認された中目直材の中から、無作為に抽出し調査した。調査は13市場で、延べ21回、2852本の原木について行った。 1回の調査本数は、38 ～ 251本である。材長は41本が3 m材で、残りはすべて4 m材であった。なお、林齢、品種については把握していない。原木の材長、末口周囲長、元口周囲長、重量、末口年輪数、固有振動数を測定し、縦振動ヤング係数を算出した。固有振動数の測定には、ポータブルFFTアナライザー AD3527（株式会社エー・アンド・デイ）を用いた。 3.結果と考察調査結果を表1に示す。Efの平均値は6. 65GPaであった。表２にEfと他の調査項目との相関を表す。Efと平均年輪幅の間には負の相関、密度との間には正の相関がみられたが、最も高い相関がみられたのは細りで、細りが大きくなるとEfが小さくなる傾向を示した（図１）。表2
Efを算出する際に必要な密度の値は、元・末口周囲長と材長から求めた材積で、重量を除して求
10めた。よって、根張りが大きな１番玉の場合、元口周囲長の測定位置によっては材積を過剰に評価し、その結果、Efを本来より過小に評価する可能性も考えられる。また、同様に１番玉の細りを過大に評価する可能性も考えられる。以上のことから、元口周囲長の測定は元口側の幹形状をよく観察して行っており、今回のEf測定精度は高いと考える。よって、図１に示した細りとEfとの関に負の相関があると推察された。 Efを調査地域別に区分し、各平均値、信頼度75%の５％下限値（以下５％下限値）などを表３に、地域毎の分布状況を図２に示す。
Efの平均値は、最大値がＦ地域の7. 61GPa、最小値がＧ地域の6. 12GPaであった。各地域の平均値の差に関してt検定を行ったところ、AとF、CとD、 CとG地域では有意差は見られなかったが、他の地域間では危険率１％または５％で差がみられた。次に、地域毎のEfの変動係数を比較してみると、 B、E地域び変動係数は、地域全体（2852本）の値(22.56%)に比べ、小さい値となった。その理由として、Ｂ地域は、２回の調査が同一市場で行われたことと、地域の特性として調査した原木は単一品種の割合が高いことがあげられる。ただし、E地域に木科学情報 vol. 10, No. 4  (2003)ついては、その理由は明らかでない。この２地域の５％下限値は、他の地域よりも高めとなっている。逆に変動係数の大きなA地域は、３市場で調査しており、調査した品種数が多いことも影響していると考えられる。また、Ｆ地域は１市場での調査であったが、この市場は地域外からも集荷しており、その影響も受けていると考えられる。なお、５％下限値は3. 93GPa以上で、大きな差は見られなかった。次に、根張りの有無で原木を１番玉と２番玉とに仕分け、各Efの分布について、本数割合、平均値、５％下限値を図３に示す。Efの平均値、５％下限値ともに、２番玉が大きい値を示した。また、区分したときの変動係数は、1番玉、2番玉ともに21.1%となり、差がみられなかった。これらから、強度性能の高い原木の選別法として、 Efの測定と根張りの有無や細りを考慮することで精度が増すと考えられる。今後は、強度性能に加えて、密度や心材色などから乾燥性も検討していきたいと考えている。 1 ）木質構造研究所（1997）木材強度データの確率・統計手法. 2 ）池田元吉ほか:横架材に適したスギ丸太の選別方法. 木科学情報 Vol.5, No.2, p. 34-35 (1998)本数@ AD %
木材は多くが構造物の構成部材（例えば梁や桁）として使用されていますが，木質構造物に組み込まれた木材の力学的状態を知ることは困難です。従って，構成部材の力学的状態を把握し，構造安全性を評価することは非常に重要となります。さらに,非破壊的に評価ができるとなれば,非常に有効な手段となります。本研究では木材の音弾性現象を把握し、その現象を木材の応力測定に応用することを目的としています。音弾性は応力を受けた状態にある材料に超音波を伝播させると，応力により伝播速度が僅かに変化する現象です。この現象を利用した音弾性応力測定は構造物や部材に外力が負荷して生じる負荷応力のみならず，何らかの原因で部材内部に発生した残留応力も非破壊で測定できる有力な手法です。音弾性応力測定には，まだ解決すべき問題点は残されていますが，金属材料の分野では信頼性の高い測定法であると評価が高まり，音弾性応力測定の実用化が近いと期待されています。 3.1 木材の音弾性現象リ手始めとして応力軸に対して直交する方向に超音波を伝播させ，超音波音速に及ぼす応力の影響について検討しました。具体的には木材の繊維方向に圧る方向（木材の半径方向）に超音波を伝播させました。これは実際に構造物の梁や桁などの構成部材の内部応力を音弾性法により測定するとき，応力軸に対して直交する方向に超音波を伝播させるのが測定操作上合理的であると考えられるからです。図1に圧縮応力下の音弾性実験の様子を示します。超音波音速の計測は,縦波・横波を用いてシングアラウンド法により測定しました。超音波センサーは周波数0.5MHz,直径1  in. の圧電型素子によるものを用いました。シングアラウンド法は超音波の送受信を繰り返して伝播時間を積算し，平均値を求める方法です。シングアラウンドの回数を増やすことで，測定精度が上がることになります。本研究では繰り返し回数を10000回としました。図2に圧縮応力-ひずみ-横波音速の関係（ベイヒバ)を示します。横波音速は負荷初期から圧縮応力・ 12ひずみの増大ともに，直線的に減少していくことが分かります。また,弾性限度を越えるあたりから,音速は応力の増加とともに大きく減少しています。図3に引張応力-ひずみ-横波音速の関係（ベイヒバ）を示します。横波音速は，圧縮応力下の場合とは異なり，引張応力に対して負荷初期から応力の増加とともに増加し，30MPa付近で最大となり，その後減少していく傾向が見られました。金属材料では一般的に応力と音速の関係は直線関係を示します。木材では音速が応力下で増加から減少に転じるという金属材料では見られない木材特有の現象が得られました。音弾性法では音速変化率（( V - V 。) / V 。)と応力(σ)は比例関係にあり，式（1)のように表されます。このとき,比例定数(K)は音弾性定数と呼ばれ,音弾性現象を応力測定に応用する際に非常に重要になります。ここで，Vはある応力レベルでの音速，Vは初期音速（無応力状態での音速）を表しています。
音弾性定数（K）は，ひずみゲージ法による応力測定におけるヤング率に相当する木材固有の値です。音弾性定数が定数として決定できれば,音速を測定することにより，木材中の応力状態を推定することが可能になります。式（1）を用いて音弾性定数を決定しました（表1）。音弾性定数は金属材料よりも１～２桁ほど大きく，木材中を伝播する超音波の音速は応力に対して，敏感に反応することが示されました。
3.2 繰り返し荷重下における木材の音弾性現象³³木材は構造材料として使用中に静的・動的を含めて様々な力を受けると考えられ，負荷履歴をもった状態で構造物を構成しているのが一般的です。そこで，木材の音弾性現象に対する繰り返し荷重の影響について検討しました。弾性範囲内の静的繰り返し圧縮荷重を作用させた木科学情報 vol. 10, No. 4  (2003)ときの応力–ひずみ–横波音速の関係の一例(ホオ)を図４に示します。音速は応力の増大とともに直線的に減少し，応力を減少させると図中の矢印に示すように同じ経路を折り返して音速は増加しました。また，両者は直線関係を保ちながら繰り返し回数を重ねるごとに徐々に図中の右方に移動し、その増加幅は繰り返しを重ねるにつれ僅かに小さくなっていく傾向が見られました。これについては木材の粘弾性的性質にも一因があると考えられますが，現在のところ不明であり，検討中です。以上のように，繰り返し荷重下における応力と音速の関係は同一の現象を繰り返し，再現性が認められました。 3.3音弾性法とひずみゲージ法との比較木材に音弾性法による応力測定の適用を考慮する際に，音弾性法の感度を把握しておくことが必要です。現在，応力測定に一般的に利用されているひずみゲージ法との比較を試みました。ひずみゲージは抵抗体材料が，ひずみを受けるとその電気抵抗（R）が変化するという性質を利用しており，式（2）が成立します。
ここで，比例定数Kgはゲージ率で，抵抗線の材料によって異なりますが，一般的に２～４です。一方,音弾性法においては式（3）が成り立ちます。
式（2）と式（3）を比較すると，音弾性定数（K）にヤング率（E）を乗じたKEは,ひずみゲージ法の場合のゲージ率（Kg）に相当すると考えることができます。例えば，KE値はベイヒバでは0. 87,  ヒノキでは0. 93となりました。ちなみにアルミニウム,軟鋼2）ではそれぞれ1. 10,  0. 63となります。以上のことから、応力測定における音弾性効果の程度というものは、ひずみゲージによる効果と同程度のものであることが分かりました。前章で述べましたように，音弾性法は木材の応力測定法として適用できる可能性が示されました。しかし，この方法では，いくつかの問題点がありました。具体的には，式（1）からは応力の種類（圧縮か引張）の判別が困難であること，初期音速（Vo)が必要であることがあげられます。そこで，新たに複屈折音弾性法という手法の導入を検討しました。超音波横波が応力状態にある弾性体中を伝播するとき，互いに直交する2つの主応力方向に偏向した横波は音速差を生じます（図5）。この現象を複屈折音弾性効果と呼び，相対音速差が主応力差に比例することを利用した応力測定法が複屈折音弾性法です。この方法は初期音速（V ）を知ることなく，互いに直交する2つの横波音速（V 1 , V 2 ）を測定するだけで，材料内の応力状態，特に主応力差（σι-σι）を推定できる有用な手法です。ここでは，複屈折音弾性法による応力解析において重要となる組織異方性と複屈折音弾性定数を求めました。図6に相対音速差（(V, - V, ) / V, ),すなわち音響異方性と圧縮応力の関係（ホオ）を示します。ここで，V rはV ,とV ,の平均音速です。音響異方性は圧縮応力の増加とともに減少し，負の直線関係が見られました。このとき，直線の傾きは複屈折音弾性定数(Ca), y切片を組織異方性（α）と呼び,複屈折音弾性則は価できます。図6から決定した組織異方性と複屈折音弾性定数の平均値は表2のようになります。組織異方性の値は大きいほど異方性が大きいことを表しており,木材は金属材料よりも大きい異方性を持つことが確認できました。また，複屈折音弾性定数の符号は応力の種類に関係なく同じ符号を示しました。これは,応力の種類（圧縮か引張）を決定するのに非常に重要となります。すなわち音響異方性と組織異方性との差が正であれば,応力状態は引張,負であれば,圧縮ということになります。応力の種類が決定できることは，木材の応力測定に複屈折音弾性法を適用する際に非常に有利な点となります。また,これらの複屈折音弾性現象を利用し,モデ
ル実験として曲げモーメントを作用させた木材梁の応力分布の推定について検討しました。その結果,複屈折音弾性法により求めた応力値は，比較として求めたひずみゲージ法による測定値や材料力学による理論計算値と概ね一致することも確認しました。本研究は木材の応力測定法として，音弾性法適用の可能性を検討しました。木材中を伝播する超音波音速は応力に対して敏感に反応し，応力測定の可能性を見いだしました。その反面，測定操作上の僅14かなことでも誤差が生じてしまう可能性もあり，測定技術の向上と確立が望まれます。繰り返し応力下の音弾性実験では音弾性現象の再現性を確認し，荷重履歴を持つ木材に対しても音弾性法の適用が可能であることが示されました。新たに導入した複屈折音弾性法では、応力の種類の判断ができることが分かりました。これは，従来の音弾性法で困難とされてきた問題点を克服するものであり、木材の応力測定に音弾性法の適用を考える場合に大きな進歩であり，今後の音弾性法の木材の応力測定への適用の道が拓けたと言えます。参考文献1) M. Hasegawa, Y. Sasaki : J Wood Sci.46,102–108 (2000) 2）岩清水幸夫：超音波テクノ、2, 19-22(1990) 3) Y. Sasaki, M. Hasegawa:Wood Fib Sci, 35, 110-119 (2003) 4) M. Hasegawa, Y. Sasaki : J Wood Sci, 50 (2004) (in press) 5）村上芳則他:日本機械学会論文集A編, 55, 910–916  (1989) (はせがわ　ますみ　九州大学大学院農学研究院) ●  日本木材学会九州支部会員総覧2003に関す●支部に関する問い合わせ先の変更るお詫び2004年4月より下記の通り担当者が変わります。前号に同封しました「九州支部会員総覧2003」 •支部全般に関わることについて、掲載漏れ、間違い等がございました。総務　堤　祐司（九州大学大学院農学研究院）ここに深くお詫び申し上げます。 E-mail: y-tsutsu@agr.kyushu-u.ac.jp Tel: 092-642-4282 ・会費、入退会・勤務先変更など会員情報に関わる・・・掲載漏れ・・・・・・・・かわの　あきお　河野　昭雄こと〒 860–0082   熊本市池田4–22–1会計　小名俊博（九州大学大学院農学研究院）崇城大学  工学部建築学科E-mail: ona@agr.kyushu-u.ac.jp TEL : 096-326-3111内3230 Tel: 092-642-2989 Fax : 096-325-8321 kawano@arch. sojo-u. ac. jp教授・・・ふりがなの間違い・・・ （誤）すみもとまさゆき(正)すみもとまさし住本 昌之[編集後記]木科学情報１１巻１号をお届けします。“21世紀の木材資源－その利用から研究まで－”では、熊本県林業振興課の坂下一則氏に寄稿いただきました。また新シリーズ“産学官連携研究紹介”では、九州大学の近藤隆一郎先生の研究室で進められている研究を紹介していただきました。トピックスは、九州大学の長谷川益己先生に執筆していただきました。その他研究論文２編を掲載しております。お忙しい中ご執筆頂いた方々に厚くお礼申し上げます。最後にここ数回寄稿数が減っております。皆様のご協力を改めてお願い申し上げます。（古賀信也） 〔各種問い合せ先※４月まで〕 ●支部全般に関わること（総務　松村順司） E-mail: matumura@agr.kyushu-u.ac.jp Tel: 092-642-2980 ●会費、入退会に関わること（会計　藤本登留） E-mail: fujipon@agr.kyushu-u.ac.jp Tel: 092-642-2985 ●支部ホームページhttp://rinsan.wood.agr.kyushu-u.ac.jp