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ホーム   木材を活かした構造デザインの可能性/山田憲明    第6回:プレストレスト木構造の可能性
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  • 第6回:プレストレスト木構造の可能性
山田 憲明

(やまだ のりあき
/ Noriaki Yamada)

1973年
東京都生まれ
1997年
京都大学 工学部建築学科卒業
1997年
増田建築構造事務所
2012年
2012年
山田憲明構造設計事務所を設立
2013年
早稲田大学大学院 非常勤講師


■主な受賞

2005年
第1回ものづくり日本大賞 ※共同受賞
伝統構法による大規模木造天守の復元技術

第7回国土技術開発賞最優秀賞 ※共同受賞
伝統構法による大規模木造天守の復元技術


2011年
第22回JSCA賞作品賞
国際教養大学図書館棟の構造設計


2012年
第7回日本構造デザイン賞
東北大学大学院環境科学研究科エコラボの構造設計


2019年
第14回木の建築賞 木の建築大賞 ※共同受賞
南小国町役場


2020年
第15回木の建築賞 木の建築大賞 ※共同受賞
茂木町まちなか交流館 ふみの森もてぎ

第23回木材活用コンクール 農林水産大臣賞(最優秀賞)※共同受賞
昭和電工(大分県立)武道スポーツセンター

第23回木材活用コンクール 国土交通大臣賞(最優秀賞)※共同受賞
住友林業筑波研究所新研究棟


2021年
2021年日本建築学会賞(作品)
※中村拓志氏と共同受賞
上勝ゼロ・ウェイストセンター



■主な著書(いずれも共著)

『構造ディテール図集』(オーム社 、2016年、共著)

『ヤマダの木構造』(エクスナレッジ 、2017年、単著)

『構造設計を仕事にする』(学芸出版社、 2019年、共著)

『ひとりで学べる中層木造建築(ラーメン構造等)の構造設計演習帳』(日本建築センター 2020年、共著)

第6回:プレストレスト木構造の可能性

1. プレストレスによる摩擦接合の優位性と「木の組積造」の可能性

第1回で述べたように、全ての構造物は、何らかの「素材」が、何らかの方法で「接合」され、特定の「かたち」を取ることで成立しているが、この接合の応力伝達には、支圧力・摩擦力・接着力・粘着力・磁力等、多様な方法が使われている。木構造で使われる接合のほとんどは嵌合やボルト等の支圧による方法で、稀にGIRのように接着力による方法も用いられる。摩擦による方法は鋼構造の高力ボルト摩擦接合、PC構造の圧着接合として多用されているが、木構造の接合ではほとんど用いられていない(一部、通し貫によるモーメント抵抗接合などで摩擦を期待した設計もある)。摩擦接合の長所は、接合する部材相互の形状が突合せや密着でよいため加工が簡易なうえディテールがシンプルになること、施工上のクリアランスを設けながらも高い接合に剛性と耐力が得られること、更にこれらの長所により組立・建方が容易になることが挙げられる。その一方で、摩擦抵抗力を確実に発現させるためには接合面においてそれに見合った圧縮力が生じている必要があり、圧縮力の担保は設計上も施工上も極めて重要である。そしてこの圧縮力のコントロールにはプレストレスが有効である。プレストレスの技術は、上述の鋼構造の高力ボルト摩擦接合やPC構造の圧着接合の根幹をなすものであり、プレストレスなしにはこれらの接合は成立しない。

一方、木造や組積造のように小サイズの素材要素(石、土、木等)を集積して構築していく構造は、材料調達・運搬・設置が容易である一方、接合箇所が膨大になるため、接合部の加工、金物の製作、組立や建方に多大な労力が必要になる。ここにプレストレスの技術を使って木造・組積造とプレストレスの各々の長所を増やし短所を消すことで、材料調達・運搬・設置が容易でありながら、組立や建方が楽で、剛性・耐力・復元力の高い組積造のような木構造が実現できないだろうか。

かつてウルグアイの建築家・構造エンジニアであるエラディオ・ディエステは、煉瓦造という素材同士が離間しやすい性質を持ち、構造の一体性の確保や構造解析が困難な構造にプレストレスの圧着を使って驚異的な煉瓦造の大空間を実現した。国内でも目地の劣化した歴史的な煉瓦造倉庫の壁をプレストレスで一体化して強固な壁体に改修した事例もあり、集積した素材を一度に一体化する方法としてプレストレスは極めて有用である。このプレストレスの技術を用いて「木の組積造」を実現した事例として、住友林業筑波研究所新研究棟を以下に紹介する。

2. 住友林業筑波研究所新研究棟における開発と実践

2.1 ポストテンション構法採用の経緯とデザインコンセプト

PC構造のプレストレスの導入方法はPC鋼棒をコンクリート打設前に緊張するプレテンションとコンクリート打設後に緊張するポストテンションに大別されるが、木造や組積造のように既製部材で構築する構造に採用する場合は、自ずとポストテンションとなる。ポストテンションを用いたプレストレスト木構造の技術開発は、ニュージーランド・カンタベリー大学のアンディ・ブキャナン(Andy Buchanan)教授が以前より取り組んでおり、日本では住友林業がブキャナン教授から特許を取得している。

住友林業グループにおける現在の研究拠点は、1991年に茨城県つくば市に設立された筑波研究所であり、同グループの技術の中枢として様々な人材と設備が充実した研究拠点であり続けている。これまでも植物の品種改良、建材の開発、木造住宅にかかわる研究開発など、多種多様な技術開発を手掛けてきている。研究本館と呼ばれるオフィス・研究棟の老朽化、所員数の増加に対処すべく、新研究棟の増築計画が2016年からスタートした。

新研究棟は、技術開発の拠点となるだけでなく、その成果を体感できるパビリオンとしての役割を期待されおり、研究所としてのスペックはもちろんのこと、研究開発が誘発かつ継続されるように、施設建設のプロジェクト自体に新規性と汎用性を持たせる必要があった。特に、近年は上述の経緯から、プレストレスト木構造としてポストテンション構法の研究開発と実践に取り組んでおり、実施建物の第1弾として2015年に耐火検証棟を同敷地内に完成させている。このような背景から、プロジェクト初期に設計者であるle style h / Atelier Asami Kazuhiro、および住友林業木化推進部と打ち合わせを重ね、新研究棟の構造計画に関する次の3つのコンセプトを共有した。

1) 耐火検証棟に使った木造ポストテンションの考え方と技術をさらに発展させるような普遍的な技術を研究開発し、構造に使う。

2) 快適な研究環境を確保できる高い開放性と遮音性を持たせる。

3) 木構造を木あらわしにして内部空間の構成要素とする。

以下に、上記コンセプトを実現するために行った建物の構造計画と研究開発を紹介する。

2.2 建物の構造計画

本建物は、軒高14.5m、最高高さ15.8mの構造規模から、法的に防耐火では1時間準耐火建築物以上、耐震設計ではルート2以上が必要となるが、木造の主要構造部の木あらわしと大地震時の詳細設計を目的として、燃えしろ設計(45㎜厚)とルート3(重要度係数1.25)を採用している。

平面は、中央に南北に細長い3層吹抜けのアトリウム空間、その両側に執務空間が配置される。この地上からトップライトまで連なるアトリウムは、太陽光や自然通風のための道であるとともに、建物全体の視覚的なつながりを持たせる重要な建築要素である。北西および南東の隅部は、倉庫・機械室・便所・EV等の小部屋が集約され閉じたコアを形成している。それに対してオフィス・ギャラリー・会議室といった大部屋は外壁側やアトリウム側にも開口が大きく設けられた開放的な空間となっている。特に、大部屋に面する外壁は全てサッシとなっており全面壁が存在しない。

先述のように構造計画における最大の課題は、外壁面およびアトリウムへの開放性を持たせながら、木造ポストテンションの技術を使い、審美性も備える水平耐力要素の仕様と配置をいかに決定していくかであった。計画初期には、設計チーム内で構造システムのアイディア出しと検討を繰り返したが、建築と構造の双方で満足できる案になかなか辿り着かなかった。

ブレークスルーとなったのは、透過性と高耐力を有する耐力壁をポストテンションの技術を活かして開発しようという考えに至ったことである。即ち、組積造のように小さいサイズの木質ブロックを少しずつずらしながら隙間を設けて積層し、ポストテンションで一気に圧着することで、「LVL市松状ブロック耐力壁」という汎用性のある新しいプレストレスト木構造の仕組みを構築しようとするものである。接合面間のせん断力を摩擦力で伝えられるため、接合面のディテールも極めて簡素になる。

木造ポストテンションの技術を有効に活かして性能の高い耐力壁を実現するにはブロックの積み方が重要である。さまざまな積層パターンを検討した結果、市松模様(以下、LVL市松状ブロック耐力壁【図1】)を採用した。鉛直・水平力を効率よく伝達できることに加え、PC鋼棒を開口部分で連結できるためカプラーによるブロックの断面欠損量を少なくでき、竣工後のメンテナンスも容易になるからである。PC鋼棒は基礎梁内に設けた開口から耐力壁頂部まで引き通し、両端部の座金で定着される。油圧ジャッキによるPC鋼棒の緊張作業は、建方時には耐力壁頂部で、竣工後のメンテナンス時には基礎梁内開口部で行うことを想定した。この透過性のあるLVL市松状ブロック耐力壁をアトリウム沿いに配置することで、アトリウム周りの開放性を確保しつつ、南北方向の水平力の大部分を負担させることとした。一方、北西および南東隅部のコア部分は小部屋廻りに多数の全面壁が存在するため、ここに隙間なくブロックを積層していく耐力壁(以下、LVLマッシブ型耐力壁【図2】)を配置し、南北方向水平耐力の一部と、東西方向の全水平力を負担させることにした。つまり、水平耐力要素が北西と南東のコア部分とそれらを繋ぐアトリウムに、平面的に見てS字状に集約されることによって、大部屋部分の外壁に全開口が設けられるようになった(【図3】)。

次に課題となったのは床の構造である。木造とはいえ、研究所として階間の遮音性能を確保する必要があることに加え、隅部の耐震コアは南北方向に約30mも離れているため東西方向の地震時に中間部分の水平力を構造用合板による木造の水平構面でコアまで伝達させるのは難しいと考えられた。そこで水平構面性能と遮音性能を向上させるため、床にRC造スラブ(t=80mm)を設けることとした。またRC造スラブと協働して床を支持するためにスラブ下にCLTパネル(t=90mm)を設け、スラブ打設時の型枠と天井の役割を兼ねさせた(【図4】)。

大部屋では短手方向でもスパンが最大9.1mとなることから、CLTパネルを支持する小梁(BxD=120x700~850mmの2材合わせ、対称異等級カラマツ集成材)を1,820mm間隔に配置し、アトリウム側ではLVL市松状ブロック耐力壁とそれらをつなぐ大梁、外壁側では小柱で支持した。小梁にしゃくりを設けてCLTパネルを落とし込む納まりにすることで、小梁天とCLTパネル天を揃え、小梁天端に設けたラグスクリューがRC造スラブに直接のみ込まれるようにし、小梁とRCスラブのT形複合梁としてのたわみ抑制と振動数構造を期待している(小梁単独でもたわみ許容値および10Hz以上の振動数を満足させている)。水平構面の外周縁部分には面内力の伝達時に大きな軸力が生じるため、一般には外壁ライン上には梁が必要になるが、RC造スラブ内の配筋量を増すことで外周梁をなくし、1,820mm間隔で並ぶ小梁と小柱で構成されるL形フレームが強調されるデザインに整えた。

【図1】LVL市松状ブロック耐力壁

【図2】LVL積層マッシブ耐力壁

【図3】S字状に配置された水平耐力要素

【図4】床の構造

2.3 LVL市松状ブロック耐力壁

構造計画と平行して必要性能を睨みながらLVL市松状ブロック耐力壁の研究開発を進めた。建物の全水平力を集約させるため、耐力壁の水平耐力・剛性・変形性能が高いほど、空間の開放性を高められる。例えば、1階は、1基当り約500kNの短期許容耐力(壁倍率換算で500kN/(1.96kN/m x 4.5m)≒60倍、両端の小柱芯間4.5mで計算)を持たせられれば、南北方向に2列の配置としてLVL市松状ブロック耐力壁を片側6基、合計12基を配置するだけでよい。

LVL市松状ブロック耐力壁の力学的な機構として、ブロック間の応力伝達は、せん断力は摩擦力で、モーメントは各ブロックのロッキングによる支圧力によってなされる(【図5】)。これらの耐力はブロックの圧縮軸力に依存することから、この大きさをプレストレスでコントロールすることとした。また耐力壁を上階の梁で曲げ戻すことも考えられるが、耐力壁に局部的な曲げモーメントを生じさせると挙動が不明瞭になることと、大地震時にはロッキングによる耐力壁両端のアンカーボルトを降伏させてエネルギー吸収した方が合理的であることから、上階梁とはピン接合に近いディテールにし、独立壁形式とした。ブロックには大きなせん断力と圧縮力を負担させることから、厚さ・幅とも大きいサイズが製造可能、かつ強軸方向の圧縮強度が高い木質材料として、住友林業の完全子会社であるニュージーランドのネルソン・パイン・インダストリーズ社製のラジアータパインLVL(120E-1級)を採用した。

耐力壁、特に市松タイプの設計に必要な基本データと挙動の把握するために、住友林業筑波研究所と協働して次の試験を行った。

【試験1】LVL木口面の縦圧縮(支圧)試験(積層面に平行および直交方向)

【試験2】LVL単体ブロックの面内せん断試験(実大スケール)LVL木口面の摩擦試験を兼ねる

【試験3】LVL市松状ブロック耐力壁の面内せん断試験(1/2スケール)

【試験4】LVL幅矧ぎ部の接着層水平せん断試験

【試験1】では、LVLの木口面の支圧部が母材の圧縮基準強度以上になることを確認した。【試験2】では、ブロックを市松状に積層した場合に部分的な支圧でも応力伝達が確実になされることを確認した。その一方で、上下のブロックの支圧面の際でLVLが縦方向に割裂しやすいことがわかった。また、LVLとLVL、LVLと鋼板の支圧部での摩擦係数μは、平均0.3程度となることを確認した。【試験3】では、変形進行・降伏・終局時の挙動などを把握した。さらに、燃えしろ層としてブロック表面に貼ろうとしていたLVLの板材(実断面で45mm厚)の繊維方向をブロックと直交させることで、【試験2】でみられたLVLの割裂を防止できることもわかった。また静止摩擦力を超えるせん断力が加わると接合面で滑りを起こすが、それらは微小で幾何学的な影響を及ぼすには至らないことも確認した。【試験3】では、LVL幅矧ぎ接着部の強度が母材を上回ることを確認した。

次に実験の挙動を再現するために、摩擦のせん断と浮き上がりのバネ、アンカーボルトおよび柱脚金物の圧縮と引張、PC鋼棒、ホールダウン金物など、詳細なモデル化による解析を行った。このモデルで荷重増分解析を行ったところ、概ね実験と合う結果が得られたため、この解析方法を実施設計に使うことにした(【図6】)。

【図5】LVLブロック間の支圧力と摩擦力の伝達機構

【図6】実験と解析の荷重-変形関係の比較

2.4 建物の構造設計と施工方法

開発した耐力壁を実施設計のプロセスで本研究所の構造に組み込んでいった。詳細な仕様は、火災時の耐力壁の座屈、ブロックのせん断耐力・支圧耐力・摩擦抵抗力、アンカーボルトの降伏タイミングといった力学的な観点に加え、PC鋼棒の通線・接続・緊張といった施工性など、多項目に配慮しながら決定した。LVL市松状ブロック耐力壁では、LVLの原板サイズが厚さ300mm x 幅1,220mmであることから、通線孔の加工や運搬、建方が容易になるように、ブロックサイズを厚さ300mm x 幅1,200mm x 高さ1,200mmとし、これをずらしながら積層して幅4,840mmのスタンスのある耐力壁とした(【図7】)。ブロック両面に45mm厚の燃えしろ層としてLVLを接着して火災時の座屈対策をするとともに、繊維方向を直交させて割裂防止にも寄与させた(【写真1】)。LVL積層マッシブ耐力壁では、同様に厚さ300mmのLVLを幅矧ぎ接着し、幅2,000・2,400・3,000mmの3種類とし、高さ2,400mmのブロックとした。接合面のディテールは、建方の効率化のために位置決めのダボのみを設けたシンプルなものである。

両タイプとも、柱脚部分には降伏によってエネルギー吸収させるためのアンカーボルトを設け、これと連結するためのホールダウン金物として耐力壁両端に全層に渡って溝形鋼や平鋼を設けてラグスクリューで接合した。アンカーボルトは基礎梁内に鞘管を設け、降伏後に交換可能なディテールとしている。

油圧ジャッキによるPC鋼棒の緊張は、上述したように作業性を鑑み上部で行うこととした。LVL市松状ブロック耐力壁では、開口部分の中間高さでPC鋼棒をカプラーで連結し、座金はU字型の飼木を定着板に使い、上層ユニット設置後にジャッキで上から引っ張ると飼木が緩むことによって抜けるようにしている(【写真2】)。LVL積層マッシブ耐力壁では、開口がないことからブロック中間高さに連結部を設けるとジャッキスペースのためにブロックの欠損量が過大になるため、ブロック天端にU字形の定着板を設け、同様に上層のブロックを緊張後に抜けるようにしている(【写真3】)。万が一の竣工後の緊張力弛緩に備え、基礎梁内に開口を設けてピット内でPC鋼棒を締め直しできるようにしている。またこれによって基礎梁せいを大きく確保し、基礎梁からの片持ちとなる耐力壁の全転倒モーメントを柱脚部で強固に拘束できるようにしている。

解析のモデル化では、実験後の解析と同様に詳細な単体LVL壁のモデルでのFEM増分解析を行い、壁の復元力特性を算出した(【図8】)。1次設計では、この初期剛性を用いて建物全体のフルモデルを作成して長期と短期の検討を行った。2次設計では、この復元力特性を足し合わせて建物全体の保有水平耐力およびDsを算定し、南北方向約0.45、東西方向約0.40とした。耐力壁と大梁の接合部、水平構面等は、1次設計で用いたフルモデルにおける応力をDs/Ciで割り増して保有耐力時の応力とし、これが降伏耐力を上回らないように設計することで、耐力壁以外の部分が先行破壊しないことを確認した。

以上により、2.1で示したデザインコンセプトを、プレストレスを用いた「木の組積造」によって実現した。

【図7】LVL市松状ブロック耐力壁の構成とディテール

【写真1】割裂防止にも寄与する繊維方向を直交させて接着した厚45㎜の燃えしろ層

【写真2】上層ブロック緊張後に除去可能なU字型飼木による定着板

【写真3】上層ブロック緊張後に除去可能なU字型座金による定着板

【図8】LVL市松状ブロック耐力壁の荷重増分解析

【写真4】LVL市松状ブロック耐力壁の組立

【写真5】外観

【写真6】1階内観

【写真7】アトリウム

【写真8】夜景

建築データ

建築名称:住友林業筑波研究所新研究棟
所在地:茨城県つくば市
竣工:2019年
建築主:住友林業株式会社
建築設計:le style h / Atelier Asami Kazuhiro
住友林業株式会社 木化推進部一級建築事務所
(現、住友林業株式会社 建築市場開発部一級建築事務所)
構造設計:山田憲明構造設計事務所
主要用途:事務所
建物規模:延床面積2,532.40m²
構造規模:木造地上3階

参考文献

新建築 2019年10月号
建築技術 2019年11月号
日経アーキテクチュア 2020年7月9日号
日経BPブック ディテールの教科書 2020年