第2回：木材の特性と木構造の基礎知識を知る

地震が発生すると、必ず木造住宅の被害が報道される。そのためか「木造は弱い」という印象を持っている人も少なくない。しかし、正しい知識を持って設計し建築されていれば、決して他の構造に劣るものではない。報道されることはないが、被害の少ない木造建築も多い。また近年の実大実験等でも、それは証明されている。

木構造は鉄骨やコンクリートに比べ軽いというメリットがある。しかし、自然素材のため強度や収縮率にバラツキが出ることもあり、材の特性を生かして用いることが求められる。

ここでは、まずは木材に関する基礎知識を簡単に説明したい。

1 木構造とRC造・S造の違い

主な構造材料の特徴

建物の構造体を形成する材料はさまざまだが、代表的なものは、木、コンクリート、鉄の3つである。

木材は強度が低く、脆い壊れ方をする材料で、比重はとても軽い。

コンクリートは、セメントに砂利・砂・水などを混ぜて固めたもので、強度は高いが脆い壊れ方をする。特に、圧縮力に対しては強いが、引張力に対しては弱い。そして、比重は重い。

鉄は、強度が高く粘り強い材料である。しかし、比重がとても重いため、部材の厚みを薄くして軽量化を図り使用している。このように、構造用に成形された鉄材のことを鋼材という。

構造体としての特徴

建物の主な構造形式は、木造（W造）、鉄筋コンクリート造（RC造）、鉄骨造（S造）の3つである（【図1～3】）。

木造は、長さ4m程度の木材どうしをかみ合わせて骨組みをつくる。個々の部材は脆いが、接合部を有することで非常に粘り強い構造体となる。建物重量は軽い。構造体の剛性が低いので、揺れやすく（ゆっくり揺れる）、柔らかい建物となる。

RC造は、コンクリートの中に補強鉄筋を入れて骨組みをつくる。鉄筋を組み立てた後に型枠を組み、その中に液体状のコンクリートを流し込んで固めることで骨組みが一体化する。建物重量は重い。構造体の剛性が高いので、揺れにくく（小刻みに揺れる）、かたい建物となる。

S造は、H形やロ形の鋼材を組み合わせて骨組みをつくる。接合部は溶接かボルト接合で、どちらも構造体としての一体性は高い。建物重量はやや軽い。構造体は剛性・靱性ともに高いため、やや揺れやすい建物となる。

中地震時の層間変形角の制限値は、木造は1/120だが、RC造・S造は1/200である。このことからも、木造の建物としての粘り強さがうかがえる。

【図1～3】出典：「世界で一番やさしい木構造増補改訂カラー版」エクスナレッジ

2 木材最大の特徴は異方性

異方性による収縮と強度

木材は工業材料である鋼材やコンクリートと違い、その方向によって特性が異なる。これは、木材が有する最大の特性で、「異方性」という。

木材には繊維、半径、接線の3方向がある（【図4】）。同一部材であっても、この方向によって乾燥収縮や強度・ヤング係数は異なる。

【図4】出典：「世界で一番くわしい木構造」エクスナレッジ

①乾燥収縮

乾燥収縮とは、木材が乾燥時に収縮する現象をいい、接線方向が最も収縮しやすい（【図5】）。したがって、b・fのような柾目板では、樹皮側の厚みが心側よりも薄くなる。また、dのように木表と木裏をもつ通常の板では、樹皮に近い木表側の収縮率が大きいため、木表側に反りが生じる。角材のときも同様に収縮する。

②強度

強度は、荷重のかかる方向が繊維に平行であるほど高く、直角方向は低い（【図6】）。ただし繊維に直角方向に圧縮したときは「めり込み」となるため、粘りのある破壊性状となる。

【図5～6】出典：「世界で一番やさしい木構造増補改訂カラー版」エクスナレッジ

3 含水率とクリープ変形

含水率とは

含水率とは、木材そのものの重さに対する水分の比率をいう（【図7】）。木材中に含まれる水分には、個々の細胞の間を自由に動くことのできる「自由水」と、細胞壁中にある「結合水」の2種類がある。

そのうち、自由水の量は重量の増減に影響するだけだが、結合水の変化は体積の増減や木材の性質に大きな影響を及ぼす。ちなみに、自由水がなくなり、結合水で細胞が飽和している状態を「繊維飽和点」、完全に水分がなくなった状態を「全乾状態」という。

また、木材は長期間放置しておくと、外気の湿度に対応して、内部の水分を放出したり吸収したりして平衡状態を保とうとする。このときの含水率を「平衡含水率」といい、日本では樹種にかかわらず15％前後の値を示す。

木材を使用する際は十分に乾燥した材（乾燥材）を使用するのが望ましいが、その理由は以下のとおりである。

①腐朽を防ぐ

②シロアリによる食害を防ぐ

③狂い・割れを少なくする

④クリープ変形を少なくする

このうち、①と②は断面欠損の防止を、③と④は寸法安定性の確保を主な目的としている。

クリープ変形とは

木材に長期間一定の荷重が作用したとき、たわみが徐々に増加する現象をクリープという（【図8】）。クリープ変形、クリープ現象などと呼ぶこともある。木材の場合、施工時の含水率と、使用個所における温湿度がクリープに影響を与える。たとえば、【図9】はベイマツの未乾燥材と乾燥材によるクリープの試験結果であるが、初期変形1に対して、乾燥材は2～2.5倍、未乾燥材は3.5～4倍弱にもなることが分かる。

なお、建築基準法では、木造の長期荷重による変形の増大係数を2として設計を行うよう規定している（平12建告1459号）。

【図7～9】出典：「世界で一番やさしい木構造増補改訂カラー版」エクスナレッジ

その他、樹種の性質や木材の欠点と強度などの特性を考慮した“実務で使える”基礎知識を、「世界で一番やさしい木構造」、「世界で一番くわしい木構造」、「ゼロからはじめる建築知識 05木構造」(以上、エクスナレッジ)「住まいを守る耐震性入門」(風土社)に掲載されているので、そちらをご覧いただきたい。