木材と鉄筋コンクリート等の複合建築物に関する構造技術の開発

独立行政法人建築研究所構造研究グループ　河合直人

講演内容

Ⅰ 　「木質複合建築構造技術の開発」　　　　プロジェクトの概要

Ⅱ 　同プロジェクトの検討内容・成果Ⅲ 　今後の技術開発課題

Ⅰ 　「木質複合建築構造技術の開発」　　プロジェクトの概要

• 平成１１年に５カ年の建設省総プロとしてスタート。

• 最終年度（ H15 ）　　国交省総プロ「木材活用型低環境負

荷　　建築構造技術の開発」　　独法建研課題「木質複合建築構造技

術　の開発」

補 強 部 材（F R P、金 属 等 ）

木 材

集 成 材

ボ ル ト

集 成 材 集 成 材

鉄 板

ボ ル ト

技術開発の対象木質ハイブリッド部材 木質ハイブリッド構

造鋼板等

鋼板、 FRP等

集成材 集成材

ボルト等

ボルト等

集成材

背　　景

• 地球環境問題（ CO2 削減）• 建築基準法の性能規定化 • 民間における木質複合部材の開発状況

CO2　二酸化炭素

O2　酸素

　 　 　 樹 齢 の 成 長（二 酸 化 炭 素 の 固 定 ）

　 　 　 　 建 物 の 使 用 期 間（固 定 した 二 酸 化 炭 素 の 保 存 ）

　 　 　 樹 本 の 再 成 長（二 酸 化 炭 素 の 再 固 定 ）樹齢の成長

（ CO2 の吸収）

CO2

O2

建物内に固定された炭素の保存

森林における CO

2 の再固定

技術開発の目的• 木質ハイブリッド部材、接合部及び木質ハ

イブリッド構造の構造性能と防火性能に関して、性能評価法と設計法を開発する。

• 技術的課題としては ; - 高性能の部材、接合部等の開発 , - 木質ハイブリッド部材の耐力・剛性評価 , - 木質ハイブリッド構造の地震時挙動 , - 火災安全性の実現方策 , 等。

国土交通省 国総研

独法建研

検討体制

研究調整委員会

共同研究

公益法人　建築センター , 建築業協会 , 　構造技術者協会 , 住木センター , 　ツーバイフォー協会 , 等

全体構造 WG

森林総研

防火分科会

防災科研 大学研究協力

各部構造 WG

複合システム WG

部材・構造耐火性能 WG 木質システム W

G

構造分科会

共同住宅試設計 WG 区画火災制御 WG

Ⅱ 　プロジェクトの検討内容と成果

（１）防火性能に関する検討（２）構造性能に関する検討（３）試設計（４）研究成果のまとめ

現行建築基準法における耐火建築物に対する要求

• 階数４以上の建築物は、主要構造部を耐火構造とすることが要求される

• 耐火建築物は火災の後も建ち続けなければならない。

• １時間耐火構造の部材の試験では、１時間の加熱後、炉内に３時間放置して鉛直荷重支持能力が保たれることを確認する。　

要求耐火時間

建築物の部分

非損傷性

遮熱性 遮炎性最上階・最上階から 2～ 4の階

最上階から 5～ 14の階

最上階から 15以上の階

壁

間仕切壁

耐力壁 1時間 2時間 2時間

1時間

―非耐力壁 ―

外壁

耐力壁 1時間 2時間 2時間1時間非耐力壁

(延焼部分)

―

非耐力壁(上記以外)

― 30分間 30分間

柱 1時間 2時間 3時間 ― ―床 1時間 2時間 2時間 1時間 ―はり 1時間 2時間 3時間 ― ―屋根 30分間 ― 30分間階段 30分間 ― ―

現行基準法における耐火時間の要求

木材活用型の耐火構造の部材の提案

　　「燃え止まり部材」　　「被覆系部材」

　　　耐火試験の実施　　　燃え止まるメカニズム

耐火試験の概要• 試験体

– 個数：　原則として加熱面ごとに２体– 形状と大きさ：　原則として実際と同一

壁　　３ × ３　ｍ　以上床　　４ × ３　ｍ　以上柱　　３　ｍ　以上はり　４　ｍ　以上

• 炉内温度　（ ISO834 ）

2018log345 10 tT

試験条件

非損傷性

–壁、柱最大軸方向収縮量　　ｈ /100 　 (mm)　〃　　　収縮速度　 ３ｈ /1000 (mm/

分 )

–床、はり、屋根最大たわみ量　　 L2/400ｄ (mm) 最大たわみ速度 L2/9000ｄ (mm/

分 )

ｈ：初期高さ、 L ：支点間距離、ｄ：圧縮縁から引張り縁までの距離　 (mm)

判定条件

遮熱性：　壁、床裏面の温度上昇 　平均　 140K 以下

　　 最大 180K 以下遮炎性：　壁、床、屋根

非加熱側へ火炎が噴出しないこと非加熱面への発炎がないこと損傷を生じないこと

• 準不燃材料以外を含む場合– 加熱終了後も（加熱時間の 3倍時間）、

再燃焼などによる温度上昇、それに伴う崩壊などの危険がないことを確かめる

判定条件

耐火試験の例柱　 1 時間耐火　燃え止まり型（試

験体）H 形鋼 300×300×10/15

集成材（ベイマツ） 60mm 被覆

　

炉外に取り出した時点で燃焼なし、鋼材の最高温度は約110℃

　

柱　 1 時間耐火　燃え止まり型（加熱終了後）

各部詳細

　• 各部詳細の検討　　外壁と床の取り合い、最下階の床、軒裏、　　防火区画の貫通部、防火戸などの防火設備、

　　バルコニー、その他• 防火被覆の留意点室内から見てすきまなく連続部材の接合部分も連続耐火構造以外の部材との取り合い

防火被覆は室内から見てすきまなく連続させる防火被覆は室内から見てすきまなく連続させる

防火被覆の留意点サッシ

外壁の屋外側耐 火 被 覆

屋内側の耐 火 被 覆

床 (上 面 )の耐 火 被 覆

床 (下面 )の耐 火 被 覆

取合 い部 は隙間 なく耐 火 被 覆 材 で覆う

屋内側の耐 火 被 覆

取合 い部 は隙間 なく耐 火 被 覆 材 で覆う

RW-1

RW-2 RW-3

コンセントボックス廻りの耐火試験

他の耐火建築物の可能性• 構造レベルの複合　による耐火建築物

• スプリンクラーの利用 可燃物の燃焼の制御 木材の着火の防止 炭化の抑制

（２）構造性能に関する検討

• 各部構造に関する検討• 全体構造に関する検討• 複合システムに関する検討• 木質システムに関する検討

各部構造に関する検討

• 部材・接合部等の耐力・剛性評価

• 耐力・剛性に及ぼす影響因子• 部材・接合部設計の考え方• 接着耐久性の評価法

実験例：炭素繊維シート補強部材の曲げ試験

炭素繊維シート

集成材（補強なし）

200

補強なし

補強あり

変位 (mm)0 100

40

80

荷重

(kN

)

接着耐久性の評価法• 木質ハイブリッド構造には、耐力剛

性の高い接着接合が有効。• 接着耐久性の確保方策、評価法の確

立が課題• 木材と他材料の接着について基礎的

な実験を実施。• 接着耐久性の評価の考え方を整理し、標準試験法・評価法を提案した。

構造システムに関する検討• 地震時挙動及び設計用地震力• 床の面外の力学的挙動• 静的地震力に対する応力算出方法• 構造物全体の長期的挙動• 限界耐力計算適用上の課題• 構造性能評価の原則

地震時挙動及び設計用地震力

• 立面的な複合システムについて、 Ai 分布の妥当性、剛性率による地震力割増しの必要性を検討

せん断力係数の分布形

せん断力係数の分布形

層

複合システムに関する構造的検討• 複合システム（木＋ＲＣ等の平面的複

合構造システム）の構造設計指針の内容検討

• 複合システムの振動台　　実験を実施• 設計の自由度を拡大　　するための割裂強度　　算定式の提案

複合システムの振動実験

振動実験

複合システムの試設計例（中田・山辺・杉本）

木質システムに関する構造的検討• Ｈ形鋼を用いた接合部の開発• 木質システムに有効な高性能耐力壁及び連層壁システムの開発及び性能評価

• ホテルの試設計（ツーバイフォー協会）• 狭小間口対応の試設計（木住協）

木質システム・　木質ハイブリッド部材で

構成される構造システム・　木質構造の異種構造どう

しの複合構造

（３）共同住宅の試設計

• 耐火構造となる５階建て共同住宅の試設計を以下の２ケースにつき実施

• １階Ｓ造、２～５階は燃え止まり部材（内部Ｈ形鋼・外部集成材）によるラーメン構造

• １階Ｓ造、２～５階を燃え止まり部材の柱梁＋壁式構造

共同住宅の試設計

断面図 柱梁接合部詳細

（４）研究成果のまとめ

• 構造部材に木材を活用した４階以上の建築物が現行基準法で建設可能であることを示し、実用化の段階に入った。

• 成果物として、以下の文書をとりまとめた。

　　「木質複合建築物の性能評価の原則」　　「木質複合建築物の設計・施工指針」

Ⅲ 　今後の技術開発課題

• 平面的複合システムの耐震設計法：　　地震時挙動と設計用静的地震力　　簡易な耐震設計法の開発• 燃え止まり部材の製造方法の改善：　　隙間を充填するタイプの接着剤の使用　　耐火性能の確認　　国産材を用いた燃え止まり部材の開発• 燃え止まり部材による合理的な設計法