Development of CLT standard unit structures and practical structural analysis models for the popularisation of timber medium and high-rise buildings

• Project/Area Number: 23K22902
• Project/Area Number (Other): 22H01632 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 23010:Building structures and materials-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 前田 匡樹 東北大学, グリーンクロステック研究センター, 教授 (30262413)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2024: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
• Keywords: CLT（直交積層板） / ユニット化 / 都市木造建築 / ハイブリッド構造 / 構造解析

Outline of Research at the Start

再生可能でCO2を固定する木材の建築分野への使用を増やすことは、地球温暖化を防止し、持続可能な社会を実現するために有効な手法となりうる。そこで、木造建築の割合が少なく、鉄筋コンクリート造や鉄骨構造が主流の中構造建築を木造・木質化するために、CLT（直交積層板）を用いて鉄骨とのハイブリッド構造を開発し、これを普及させるために、接合法やCLT壁の構造性能、構造設計法を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、CLT標準ユニットを用いた中層木造建築のプロトタイプを開発して、カーボンニュートラルに貢献するために、以下の研究開発を行った。(1) 鉄骨梁とCLTパネルを組み合わせたハイブリッド構造システムとすることで、部材サイズの標準ユニット化する。(2) 中層建築に必要な耐力・剛性を有する接合システムを開発する。(3) 実用的な構造解析モデルの開発する。以上により、材料生産・施工の合理化・省力化によるコスト縮減を実現し、RC構造や鉄骨構造など競争力のある中層木造建築の普及につなげる。
課題① 引張とせん断力を負担する接合部の開発：　鋼板とボルトを用いた接合部を、CLTパネルの4隅に配置して、曲げモーメントとせん断力の両方を負担させる工法の要素実験を行い、破壊性状や構造性能に関するデータを収集し、構造設計法を検討した。
課題② 鉄骨梁とCLT壁パネルを用いたハイブリッド構造システム：　架構との接続が容易で、パネルの耐力・剛性を発揮させるために、鉄骨梁とCLT壁によるハイブリッド構造システムを提案した。(a)鉄骨フレームタイプと(b)鉄骨床・梁タイプの２種類について検討して、CLTパネル幅とボルト本数をパラメータとした部分架構実験を行い構造性能と施工の両面について構造性能を検討した。
課題③ 実用的な構造解析モデルの開発：　RC造や鉄骨造の構造設計で一般的に用いられる一軸曲げばねモデルにより、CLT壁の復元力特性をモデル化する方法を検討する。従来型の引きボルト接合に関しては、断面の曲げ解析理論に基づき、一軸曲げばねモデルで十分に評価できることを示しており、これを、①で提案する新しい接合部にも適用できるように拡張した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

開発するハイブリッド構造のシステムを検討し、接合部の要素実験による破壊モード、CLTパネル幅を変数とした部分架構実験、CLT壁を変化させた設計建物の解析を行うなど順調に研究が進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

課題① 引張とせん断力を負担する接合部の開発：2023年度まで実験結果や分析結果に基づき、より広範なパラメータを対象とした接合部要素実験を行い、接合部の剛性・強度の評価法、構造設計法の検討を行う計画である。
課題② 鉄骨梁とCLT壁パネルを用いたハイブリッド構造システム：　2023年度に実施したCLTパネル幅を変化させた部分架構実験における復元力特性、破壊性状、応力伝達機構を詳細に分析し、本構造システムの構造性能評価法を検討する。CLT壁と鉄骨架構のハイブリッドシステムの優位性をより効果的に発揮させる方策について検討し、構造システムを改良する。改良した構造システムについて、部分架構実験を行い、構造性能の評価法に関するデータを取得する。
課題③ 実用的な構造解析モデルの開発：　接合部実験、部分架構実験結果に基づき、CLT壁の復元力特性をモデル化し、架構全体の構造解析を実施する。提案するハイブリッド構造の架構のプロトタイプを数種類試設計し、静的荷重増分解析で構造性能を確認するとともに、地震応答解析によりエネルギー吸収能力（構造特性係数Ds）を評価する方法を検討し、構造設計法を確立するための基礎データを収集する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チャルマース工科大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] チャルマース工科大学(スウェーデン)
• [Journal Article] DEVELOPMENT OF STEEL PLATE-BOLT JOINT SYSTEM FOR CLT HYBRID STRUCTURES: STRUCTURAL PERFORMANCE EVALUATION AND COMPONENT-LEVEL EXPERIMENT (2024)
  • Author(s): ALJUHMANI Ahmad Ghazi、MATSUMOTO Naoyuki、MINEGISHI Arata、GOTO Yutaka、MAEDA Masaki
  • Journal Title: AIJ Journal of Technology and Design Volume: 30 Issue: 74 Pages: 106-111
  • DOI: 10.3130/aijt.30.106
  • ISSN: 1341-9463, 1881-8188
  • Year and Date: 2024-02-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PROPOSAL OF HYBRID STRUCTURE USING CLT WALLS AND STEEL FRAMES AND VERIFICATION OF SEISMIC PERFORMANCE BY FRAME TEST (2024)
  • Author(s): MINEGISHI Arata、TAKAHASHI Rina、ALJUHMANI Ahmad Ghazi、TSUDA Kazuki、MATSUMOTO Naoyuki、MAEDA Masaki
  • Journal Title: Journal of Structural Engineering B Volume: 70B Issue: 0 Pages: 67-74
  • DOI: 10.3130/aijjse.70B.0_67
  • ISSN: 0910-8033, 2436-6285
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] DEVELOPMENT OF A SIMPLIFIED AND PRACTICAL ANALYTICAL MODEL FOR STRUCTURAL DESIGN OF CLT BUILDINGS (2023)
  • Author(s): MINEGISHI Arata、ATSUZAWA Eito、MAEDA Masaki、MATSUMOTO Naoyuki
  • Journal Title: Journal of Structural and Construction Engineering (Transactions of AIJ) Volume: 88 Issue: 814 Pages: 1665-1673
  • DOI: 10.3130/aijs.88.1665
  • ISSN: 1340-4202, 1881-8153
  • Year and Date: 2023-12-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] CLTパネルと鉄骨によるハイブリッド構造システムの提案 その1 CLT耐震壁と鉄骨架構による4階建てオフィス建築の検討 (2022)
  • Author(s): 峯岸新，髙橋里菜，津田和輝，Ahmad Ghazi Aljuhmani， 松本直之，後藤豊，前田匡樹
  • Organizer: 日本地震工学会年次大会2022
• [Presentation] CLTパネルと鉄骨によるハイブリッド構造システムの提案 その2 CLT壁柱と鉄骨梁による4階建て集合住宅建築の検討 (2022)
  • Author(s): 髙橋里菜，峯岸新，津田和輝，Ahmad Ghazi Aljuhmani， 松本直之，後藤豊，前田匡樹
  • Organizer: 日本地震工学会年次大会2022
• [Presentation] CLTパネルと鉄骨によるハイブリッド構造システムの提案 その3 提案する構造システムの資材製造段階における環境性能の検討 (2022)
  • Author(s): 津田和輝，髙橋里菜，峯岸新，Ahmad Ghazi Aljuhmani， 松本直之，後藤豊，前田匡樹
  • Organizer: 日本地震工学会年次大会2022