2014 Fiscal Year Annual Research Report
木質材料のフロンティア「CLT」を用いた高耐力・高靱性な構面の開発とその評価法
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25712018
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北守 顕久 京都大学, 生存圏研究所, 助教 (10551400)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | CLT / 耐震 / 木造建築 / 建築構造 / 接合部 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
国産材活用やカーボンストック面で極めて有用であり、欧州で盛んになりつつあるクロス・ラミネイティド・ティンバー（以下CLT)による木造建築構法は、地震国でかつ山がちな地形の我が国においては、靱性の確保や輸送性の点から、小幅パネルを組み合わせた構法が開発され、実用化が進められている。一方で、より現場施工性の良い合理的な構法の必要性が指摘され、また耐震性能面で建物の安全性を担保する粘り強さの問題解決が必要である。そこで直交積層効果というCLT独特の材質性能を評価し、これを最大限に活かした新たな接合法とそれを用いたCLT構法を提案することを試みた。すなわち、L型に加工されたCLT部材を用い、これをドリフトピン接合具で結合することで門型フレームを構成する方法である。
これまでCLT-ドリフトピン接合部について実験および解析による性能評価を行った。粘り強さを生み出すメカニズムを力学モデルの構築とCLT特有の材料特性の評価の両面から検討した。特に材料特性について、ドリフトピンの面圧と､部材のせん断強度を予測する算定式を構築した。また、CLTの材質特性特に壁体として重要な面内曲げ・せん断特性の評価を行った。単体の壁パネルからなる鉛直構面の水平載荷試験を行い、CLTの材料特性値と柱脚接合部の力学モデルから耐力壁全体の挙動を推定する算定式を導き、試験値の挙動を精度良く推定した。さらにL型T型のCLT部材の面内せん断試験を行い、その破壊性状について検討を行っている。特に隅角部における応力集中の影響について解析的評価を行っている。このL型部材を耐力構面に用い、ドリフトピンを用いて接合する構法について検討し、これまでの研究で得られた接合性能をバネモデルとして用いた非線形フレームFEM解析を行い、耐力壁性能を有効に発揮しうる接合部配置やパネル形状について、解析的検討を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年において本研究の目的を高耐力・高靱性なCLT耐力構面を開発する事と定め、用いる接合法等の仕様に軌道修正を行った。この目的に沿った、接合部性能の評価や、CLTパネル自体の面内せん断材質特性の評価、接合部との取り合いに必要な材質特性の評価は順調に進んでいる。一方で、面内曲げ強度における大きなばらつきもたらす原因については、いまだ究明の途上である。また、複数の接合具を用いた際に生じる不可測な破壊についても原因を明らかとする必要がある。
これまでの検討で、少数で大きな耐力性能を持たせるべくCLTパネル形状を工夫し、L型部材とすることで接合部近辺に作用するモーメントとせん断力を相対的に小さく設計することで、より合理的な構面を構成できる可能性を見出した。L型部材を用いる構法を想定し、単体部材の面内せん断性能の評価を行っており、特に圧縮・引張・繰り返しの加力方向の違いによって耐力性能の差異が大きいことが明らかとなった。破壊性能に影響する応力集中の影響などの評価を有限要素モデルや弾性床上の梁理論を応用した力学モデルによって解明するための検討を行っている。また、破壊の原因としてラミナ層間で生じるローリングシアによる破壊モードが見出され、その影響を正当に評価しうる力学モデルの構築に向けた実験・検討を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である本年は、L型CLTパネルとドリフトピン接合部を組み合わせた門型架構構法について、応用的な実験と解析的検討を行って、設計手法の確立に向けた最終的なとりまとめを行う。同時に、これまでの検討で不十分であったと思われる補足的な要素性能の評価を継続して行う予定である。
対象とするCLT鉛直構面構法とは、CLTの構成・寸法に応じたせん断モデルによってバネ定数の推定が可能なドリフトピンを接合具とし、これを柱脚・柱頭の接合部に任意の個数配置し、モーメント伝達の有利な位置で部材を繋ぐL型のCLT部材および中間部材を用いて構成された門型構面である。隅角部における脆性的なCLT部材の破壊が生じる前に、各所の接合部において靱性的な先行破壊が生じる事を前提として、粘り強い性能を発揮しうる。任意の部材の形状や接合具の配置、構面のスパン・高さの寸法バランス等をパラメータとし、非線形有限要素解析を継続して行い、耐力と靱性の安全性の担保に必要な条件を検討する。また、実大の検証実験を実施する。これらより、設計用の構面耐力評価式を構築する。
その他これまでの内容を補足するため、以下の構造要素の研究を実施する。
①部材・接合部試験：１）逆対称曲げせん断試験法などによる端部せん断に対するドリフトピン接合部の挙動の評価、２）複数本打ちドリフトピン接合部の破壊性状の解明、３）L型CLT部材のコーナー破壊の検証のための要素試験
②L型部材のコーナー接合部の解析： L型部材コーナー部付近での応力集中に伴う曲げ破壊挙動に着目した解析を行う。3次元有限要素法解析によって内部応力分布の影響を明らかとすると同時にローリングシアを考慮した耐力評価式の構築を試みる。
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| Causes of Carryover |
CLTは比較的高価でありまた構面試験を想定して大量の材料を使用予定であったため、試験体としての材料購入費を多く申請していたが、実際には材料・接合の面で課題が多く見出されその検討に多くを費やし、結果として予想よりも材料使用量が少なく済んだ。このため、大がかりな構面試験を翌年に繰り越すこととし、その材料購入予算を保存した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
上に述べたように、本年度は実大構面試験を実施予定のため、材料費が前年度よりも多くかかる見込みである。また、脆性的な破壊性状の多い試験を繰り返したため､試験装置に不具合が生じてきており、大がかりな修理が必要である。さらに高耐力の接合部を評価する為に試験装置の容量を増加させるためのコントロールアンプを導入するつもりであり、その購入費としたい。
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