力学的エネルギー解析に基づく古材および生物劣化材の木材耐久性評価

• Project/Area Number: 23K20260
• Project/Area Number (Other): 20H02296 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 23010:Building structures and materials-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 山崎 真理子 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (70346170)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森 拓郎 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (00335225)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2020: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: 木材 / 力学性能 / 生物劣化 / 耐久性評価 / 古材 / 力学的耐久性 / 経年劣化 / XRD測定 / 疲労試験

Outline of Research at the Start

木造建築の維持管理および新築木造建築物の長寿命化において，木材の耐久性を把握することは非常に重要である．木材の経年による力学的変性は負荷方向によって異なり，またある時期を超えると低下することが知られている．しかし，部材としての残存寿命や力学的変性のメカニズムについては未だ確定的な知見が得られていない．本研究の目的は，木材の力学的耐久性とそのメカニズムを古材化と生物劣化の両面から検討することである．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，木材の耐久性を検討するために，表１に示す実験群（古材・熱処理材（人為的な古材モデル）・生物劣化材・複合劣化材を設定し，以下に示す２種 類の研究を行う計画である．（A）力学的耐久性評価：劣化処理剤の疲労試験および衝撃試験とエネルギー解析（木材バルクの耐久性試験）①木材の繊維の引き抜きが起こる曲げ試験（建築物 のはり材に作用する負荷様式）と②細胞壁内の空洞を圧縮する部分横圧縮試験（接合部に作用する負荷様式）である．これらについて，下記の研究計画を立てた．・静的試験ならびに疲労試験を実施し，疲労試験より得られたサイクル毎の応力－ひずみ曲線より，剛性・残存ひずみ・ひずみエネルギーの経時変化を解析 すること．・両試験から各種劣化によるエネルギー吸収能の低下量を求めること．・これらより，古材化によるエネルギー吸収能の低下を定量評価すること．・ 残存エネルギー吸収能と合わせて耐久性の評価法を導出すること．・さらに，これに及ぼす生物劣化の影響を明らかにすること．これまでに，古材に関する予定の実験を終え、熱処理（曲げ疲労）および強制腐朽（部分横圧縮）について実験を開始した。いずれも順調に遂行している．（B）劣化／経年使用による力学的変性の機構解明：細胞壁内のセルロースの力学挙動の把握（内部構造の力学応答）：この課題については次の研究段階を予定した．・測定装置の改良と細胞壁2次壁各層の測定方法の確認・古材実験・熱処理実験．これまでに，実験を終了し，現在解析を行っており，順調に進んでいる．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定の研究期間をあと1年としており、実験はほぼ順調に進んでいる。強制腐朽については、初期劣化材の曲げ疲労試験も開始している。初期劣化の試験体調整にやや課題を残したが、この点については来年度改良試験を行う予定であり、供試材の準備は終えている。また、細胞壁内のセルロース鎖の力学挙動について，新材，古材，熱処理材の実験を終了し、解析を進めている．単軸応力下におけるセルロース(004)面の 力学挙動を解析したところ，古材の特徴は，新材と比べて引張と圧縮の両荷重に対して遅延した応答を示す点にあることを見出した．圧縮荷重では，セルロースは最大ひずみが増加し，セルロースの配向角の変動が有意に増加したことから，座屈的な蛇行挙動を示す可能性が示唆された。これらの結果は，木材の経年変化 による細胞壁中のヘミセルロース含量の減少に基づいて説明することができる。すなわち，細胞壁中の非晶質物質が，細胞壁レベルで木材の力学的挙動に影響を 及ぼしていることが示唆された。

Strategy for Future Research Activity

来年度、予定の研究期間を終了する。実験としては初期劣化材の曲げ疲労試験を行い、劣化状況が力学挙動に及ぼす影響を詳細に検討する予定である。細胞壁中のセルロースの力学挙動について、予定の試験を終了しており、解析を進めている。これらの実験研究の全体を総括し、経年使用された木材の力学的耐久性とその発現機構について知見を考察する。

Research Products

• [Journal Article] Synchrotron X-ray measurements of cellulose in the cell wall of aged wood under uniaxial loading (2023)
  • Author(s): Erina Kojima, Mariko Yamasaki, Chang-Goo Lee, Yasutoshi Sasaki
  • Journal Title: Holzforschung Volume: - Issue: 4 Pages: 260-269
  • DOI: 10.1515/hf-2022-0127
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] XRD investigation of mechanical properties of cellulose microfibrils in S1 and S3 layers of thermally modified wood under tensile loading (2021)
  • Author(s): Kojima, E., Yamasaki, M.*, Lee, C. G., Imaeda, K., Sugimoto, T., Sasaki, Y.
  • Journal Title: Wood Science and Technology Volume: 55 Issue: 4 Pages: 955-969
  • DOI: 10.1007/s00226-021-01263-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Energetic Investigation of Aging Effect on Mechanical Behavior in Wood by Means of XRD Measurement. (2020)
  • Author(s): Imaeda, K., Yamasaki, M., Kojima, E., Lee, C., Sugimoto, T., Sasaki, Y.
  • Journal Title: International Journal of Architectural Heritage Volume: online Issue: 1 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1080/15583058.2020.1743793
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Erina Kojima, Mariko Yamasaki, Koki Imaeda, Chang-Goo Lee, Takanori Sugimoto & Yasutoshi Sasaki (2020)
  • Author(s): Erina Kojima, Mariko Yamasaki, Koki Imaeda, Chang-Goo Lee, Takanori Sugimoto & Yasutoshi Sasaki
  • Journal Title: Journal of Materials Science Volume: 55(12) Issue: 12 Pages: 5038-5047
  • DOI: 10.1007/s10853-020-04346-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synchrotron X-ray measurements of cellulose in wood cell wall layers of Pinus densiflora in the transmission and reflectance modes. Part 2: results with axial loading. (2020)
  • Author(s): Lee, C., Yamasaki, M., Kojima, E., Sugimoto, T., Sasaki, Y.
  • Journal Title: Holzforschung. Volume: online Issue: 6 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1515/hf-2019-0222
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 築150年醤油蔵のアカマツ解体材の実大曲げ強度性能 (2024)
  • Author(s): 髙井香織、山崎真理子、小島瑛里奈、井道裕史、加藤英雄、大塚亜希子
  • Organizer: 第74回日本木材学会大会
• [Presentation] 経年使用された構造部材の実大曲げ強度性能の評価 (2024)
  • Author(s): 髙井香織、山崎真理子、小島瑛里奈、井道裕史、加藤英雄、大塚亜希子
  • Organizer: 日本材料学会東海支部第18回学術講演会
• [Presentation] 腐朽木材の部分横圧縮疲労挙動とピロディン貫入深さの関係 (2023)
  • Author(s): 今津真央、李煐哲、山崎真理子、井上涼、有木彩乃、森拓郎
  • Organizer: 日本材料学会東海支部第18回学術講演会
• [Presentation] 強制腐朽した木材の実大部分横圧縮疲労挙動 (2023)
  • Author(s): 今津真央、李煐哲、山崎真理子、森拓郎
  • Organizer: 2023年度 日本建築学会大会学術講演
• [Presentation] 木材の部分横圧縮挙動に及ぼす腐朽の影響 (2023)
  • Author(s): 今津真央、李瑛哲、山崎真理子、井上涼、有木彩乃、森拓郎
  • Organizer: 日本材料学会東海支部第17回学術講演会
• [Presentation] 経年使用された木材のビスの一面せん断挙動 (2023)
  • Author(s): 田子儀、山崎真理子
  • Organizer: 日本材料学会東海支部第17回学術講演会
• [Presentation] ベイマツ強制腐朽材の実大部分横圧縮ーその1 静的挙動ー (2023)
  • Author(s): 李瑛哲、今津真央、山崎真理子、井上涼、有木彩乃、森拓郎
  • Organizer: 第73回日本木材学会大会
• [Presentation] ベイマツ強制腐朽材の実大部分横圧縮ーその2 疲労挙動ー (2023)
  • Author(s): 今津真央、李瑛哲、山崎真理子、井上涼、有木彩乃、森拓郎
  • Organizer: 第73回日本木材学会大会
• [Presentation] ビスの一面せん断に及ぼす経年使用の影響 (2023)
  • Author(s): 田子儀、山崎真理子
  • Organizer: 第73回日本木材学会大会
• [Presentation] 古材の細胞壁S1およびS3層内における力学挙動 (2023)
  • Author(s): 小島瑛里奈、山崎真理子、佐々木康寿
  • Organizer: 第73回日本木材学会大会
• [Presentation] ヒノキ古材の実大部分横圧縮挙動 (2022)
  • Author(s): 田子儀、山崎真理子
  • Organizer: 第71期日本材料学会学術講演会
• [Presentation] 屋外暴露された風化木材の実大部分横圧縮疲労挙動 (2022)
  • Author(s): 李瑛哲、浅野太智、田子儀、山崎真理子
  • Organizer: 第71期日本材料学会学術講演会
• [Presentation] 実大部分横圧縮疲労挙動に基づく風化木材の疲労限度予測 (2022)
  • Author(s): 李瑛哲、田子儀、山崎真理子
  • Organizer: 2022年度 日本建築学会大会学術講演
• [Presentation] 実大部分横圧縮疲労挙動に及ぼす古材化の影響 (2022)
  • Author(s): 田子儀、山崎真理子
  • Organizer: 2022年度 日本建築学会大会学術講演
• [Presentation] 使用中の既存木造建築物における木質部材の力学調査 (2021)
  • Author(s): 浅野太智，山崎真理子，小島瑛里奈，今枝紘樹，筧清澄，寺本武司
  • Organizer: 日本材料学会第７０期学術講演会
• [Presentation] 熱処理を施した木材の古材化におけるエネルギー論的アプローチ (2021)
  • Author(s): 佐野百香，山崎真理子，勝又遥菜，今枝紘樹
  • Organizer: 日本材料学会第７０期学術講演会
• [Presentation] 表面風化材の実大部分横圧縮挙動 (2021)
  • Author(s): 浅野太智，山崎真理子，田子儀，松本瑛哲
  • Organizer: 2021年度日本木材学会中部支部大会
• [Presentation] 表面風化スギ実大材の部分横圧縮疲労限度 (2021)
  • Author(s): 浅野太智，山崎真理子，田子儀，李瑛哲
  • Organizer: 日本材料学会東海支部第16 回学術講演会
• [Presentation] 経年使用されたヒノキ実大材の部分横圧縮疲労限度 (2021)
  • Author(s): 田 子儀，浅野太智，李瑛哲，山崎真理子
  • Organizer: 日本材料学会東海支部第16 回学術講演会
• [Presentation] スギ実大材の部分横圧縮挙動に及ぼす自然風化の影響 (2021)
  • Author(s): 浅野太智，山崎真理子，田子儀，李瑛哲
  • Organizer: 第72回日本木材学会大会
• [Presentation] ヒノキ実大材の部分横圧縮挙動に及ぼす経年使用の影響 (2021)
  • Author(s): 田 子儀，浅野太智，李瑛哲，山崎真理子
  • Organizer: 第72回日本木材学会大会
• [Presentation] 熱処理木材細胞壁中セルロース鎖の引張変形過程の把握 (2021)
  • Author(s): 小島瑛里奈，今枝紘樹，Lee Chang Goo，山崎真理子，杉本貴紀，佐々木康寿
  • Organizer: 第71回日本木材学会大会
• [Presentation] 木質材料内部の力学挙動測定 (2021)
  • Author(s): 今枝紘樹，小島瑛里奈，山崎真理子，杉本貴紀，佐々木康寿
  • Organizer: 第71回日本木材学会大会
• [Presentation] 繰り返し負荷作用下における木材細胞壁内セルロース鎖の力学挙動 (2020)
  • Author(s): 今枝紘樹，小島瑛里奈，山崎真理子，杉本貴紀，佐々木康寿
  • Organizer: 日本材料学会 第６９期学術講演会
• [Presentation] 引張荷重下における木材バルクの早晩材部のXRD分離測定 (2020)
  • Author(s): 小島瑛里奈，今枝紘樹，山崎真理子，杉本貴紀，佐々木康寿
  • Organizer: 日本材料学会 第６９期学術講演会
• [Presentation] 引張荷重下におけるXRD法を用いた木質材料内部の力学挙動測定 (2020)
  • Author(s): 今枝紘樹，小島瑛里奈，山崎真理子，杉本貴紀，佐々木康寿
  • Organizer: 日本材料学会 東海支部 第15回学術講演会