JP3043313B2 - 鋼補剛集成材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集成材と鋼材とを
貼り合わせて一体化することにより、集成材単体に不足
している曲げ剛性を鋼材によって補強するようにした鋼
補剛集成材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】木材は軽量な強度部材として知られてお
り、特に集成材は、大型構造部材に成形できることか
ら、橋梁などの建築物の構造材として利用されるように
なっている。集成材を構造材として利用する場合、梁部
材のような曲げ荷重を受ける部材に利用されることが多
いが、その場合、応力は表層部のみ大きくなるため、表
層部に高強度部材を配する複合材が提案されている。表
層部に配する高強度部材には、高強度木材（ボンゴシ材
等）やＦＲＰなどを用いるものは実用化されているが、
理想強度を与えるものとして鋼板を配するものが提案さ
れている。なお、いわゆるベニヤ板（ＬＶＬ：Laminate
d Veneer Lumber ）が複数の長尺の薄板を互いに繊維方
向が直交するように接着して、割れにくい１枚の板とし
たものであるのに対して、集成材は、複数の木材をその
繊維方向を互いに平行にして接着し、一つの材としたも
ので、通常、間伐材などの比較的長さが短く、比較的大
きな四角断面を有する木材を集成した、構造用材料とな
るものである。一般的に、長手方向に長い集成材とする
には、木材の長手方向の端部をそれぞれジグザグの凹凸
状に形成し、この凹凸部同士を接着するようにしてお
り、このジグザグ状接着部を「フィンガージョイント
部」と呼んでいる。

【０００３】従来の鋼補剛集成材としては、集成材の荷
重の作用する面側全体を鋼板によってサンドウィッチ状
に挟み込むようにしたものがある。すなわち、集成材と
上下の２枚の鋼板とを接着剤を介して一体化したもので
ある。このような構成の鋼補剛集成材の曲げ試験片の例
を、図５に示す。なお、同図は比較対照用の集成材の
みの場合で、同図ａは同図中の断面線Ａ１−Ａ１に
沿う断面を示し、同図は上述のような集成材の上下両
面に鋼板を貼り付けた場合で、同図ａは同図中の断
面線Ａ２−Ａ２に沿う断面を示し、同図は集成材の下
面に鋼板を貼り付け、上面に鋼床版を貼り付けた場合
で、同図ａは同図中の断面線Ａ３−Ａ３に沿う断面
を示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の鋼補剛集成材には、計算上の曲げ破断強度
の１／２程度の強度しか得られないことがあるという問
題点がある。すなわち、上述のような各種の試験片に対
して、図５中に示すような２箇所の位置にそれぞれ荷重
Ｆ／２を掛けて曲げ試験をした結果は、図６の荷重−変
位線図に示すように、補剛無しの集成材（図中の符号
は図５のものと対応させてある）と比較して、鋼補剛集
成材及びは、曲げ剛性が向上しているが、素材の許
容応力から算定される設計荷重に対しては１．２倍程度
のものにすぎず、素材の強度から算出される予想破断強
度の１／２程度の小さい値しか得られていない。本発明
は、このような課題を解決することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の鋼補剛
集成材では、なぜ理想強度が得られないのかという点に
関して調査研究し、その成果に基づいて得られたもので
ある。すなわち、曲げ試験状況を注意深く観察した結
果、従来の鋼補剛集成材においては、まず鋼板近くのフ
ィンガージョイント部に亀裂が発生し、その後直ちに木
材の繊維方向に亀裂が伝播し、破壊に到っていることが
わかった。一方、通常の集成材においては、表層部のフ
ィンガージョイント部に亀裂が発生しても、直ちには繊
維方向への亀裂伝播は発生せず、その後、曲げ変形が進
行すると多くの亀裂が発生し、亀裂同士が連結すること
により、破壊に到ることがわかった。一般に集成材は、
フィンガージョイント部が弱点になることはよく知られ
ているが、鋼補剛集成材の場合、フィンガージョイント
部に発生した亀裂が容易に木材の繊維方向に伝播するこ
とが強度低下の原因と推定された。木材の繊維方向への
亀裂の伝播は、負荷応力条件から見て、曲げ荷重条件下
の剪断応力によるものと考えられる。従って、曲げによ
る引張り応力が最大になる表層部の剪断応力を小さくす
ることが鋼補剛集成材の強度向上につながることを発見
し、本発明に到った。

【０００６】本発明は、集成材の鋼材貼り付け側の面に
所定形状の溝を形成し、この溝に埋め込むように鋼材を
接着して一体化することにより、上記課題を解決する。
すなわち、本発明の請求項１記載の鋼補剛集成材は、複
数の木材をその繊維方向を平行にして接着してなる集成
材（１）と、集成材（１）の繊維方向と平行な両側表面
に、その繊維方向に沿って形成された溝（１ａ）と、溝
（１ａ）にはめ込み接着された鋼材（補剛鋼材３）であ
って、鋼補剛集成材（４）の高さ寸法（Ｈ）に対する鋼
材（３）部を除外した非加工部高さ寸法（ｎ）の割合
は、３：１以上とすると共に、集成材（１）の幅寸法
（ｗ）に対する鋼材（３）の幅寸法（ｖ）の割合は、
４：１以下としたことを特徴としている。また、請求項
２のものは、上記溝（１ａ）は、集成材（１）の上記表
面の中心に沿って配置されていることを特徴としてい
る。

【０００７】また、請求項３のものは、上記溝（１ａ）
は、集成材（１）の上記表面に複数設けられていること
を特徴としている。なお、かっこ内の符号などは、実施
の形態の対応する部材を示す。

【０００８】本発明の鋼補剛集成材においては、荷重を
受けて集成材の表層に亀裂が発生しても、鋼材によっ
て、この亀裂の進展が拘束されるので、それ以上亀裂が
大きくならなくて済む。また、集成材の荷重を受ける面
は、部分的に鋼材によって覆われているだけなので、最
大引張応力となる位置と、最大剪断応力となる位置とが
一致しないことになり、従来の鋼補剛集成材よりも剪断
応力が大幅に軽減される。従って、ほぼ計算どおりの曲
げ破断強度を得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施の形態を示
す。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
集成材１の図中上下両面の中央部には、集成材１の繊維
方向に沿って、それぞれ断面「コ」字状の溝１ａ，１ａ
が形成されている。溝１ａ，１ａの各面には、エポキシ
系の接着剤２が塗布されており、この溝１ａ，１ａ内に
四角柱状の補剛鋼材（鋼材）３，３がそれぞれはめ込ま
れて、集成材１に接着されている。すなわち、集成材
１、接着剤２、及び補剛鋼材３，３によって、一体の鋼
補剛集成材４が構成されている。この実施の形態におい
ては、鋼補剛集成材４の高さ寸法Ｈに対する集成材１の
非加工部高さ寸法ｎの割合は、約２：１としてあるが、
少なくとも３：１以上とすることが望ましい。

【００１０】補剛される鋼材（補剛鋼材３，３）と、木
材（集成材１）との面積比は、当然のことながら、鋼材
の部分を大きくするほど強度は高くなる。しかし、その
分重量が大きくなるばかりでなく、鋼材と木材との接着
部の負荷が大きくなるため、有利でなくなる。木材の強
度σ_W 、ヤング率Ｅ_W 、断面積Ｓ_W 、鋼材の強度σ_S、
ヤング率Ｅ_S 、断面積Ｓ_S とすると、経験的には以下の
範囲が適切である。 σ_W×Ｅ_W×Ｓ_W ≦ σ_S×Ｅ_S×Ｓ_S 本発明による鋼補剛集成材４は、曲げ部材として使用さ
れるため、補剛鋼材３は、できるだけ集成材１の外面側
に配する（集成材１の非加工部の高さ寸法ｎを小さくす
る）方が理論強度が高くなり、有利である。一方、フィ
ンガージョイント部の亀裂の伝播は、溝１ａの寸法が深
いほど阻止できるが、ｎ／Ｈを１／３以下にしても亀裂
伝播阻止の効果があまり向上しないことがわかった。ま
た、鋼補剛集成材４の幅寸法ｗに対する補剛鋼材３の幅
寸法ｖの割合は、約４：１としてあるが、これは最大値
であって、これより大きい比率にならないようにするこ
とが望ましい。このような関係寸法とすることにより、
荷重を受けた場合に、従来の鋼補剛集成材と比べて、集
成材１自体の強度を維持しながら、しかも、後に詳しく
説明するように、最大引張応力となる位置と、最大剪断
応力となる位置とが明確に異なり、これらが一致しない
ようにすることができる。

【００１１】次に、この実施の形態の作用を説明する。
鋼補剛集成材４に荷重が作用した場合に、引張りや圧縮
に対しては、集成材１及び補剛鋼材３が受け持つが、剪
断に対しては、最大引張応力となる位置と、最大剪断応
力となる位置とが明確に異なっているため、補剛鋼材３
が剪断力のほとんどを支持することになり、集成材１に
作用する剪断力を小さくすることができる。従って、本
発明の鋼補剛集成材４においては、従来のものが破断す
るような負荷条件のもとでも、剪断による集成材１の破
断を防止することができ、ほぼ理論どおりの曲げ破断強
度を得ることができる。

【００１２】

【実施例】図２に示すような試験材を製作して曲げ試験
を行った。同図（ａ）は、試験材の長さ寸法及び荷重の
作用位置を示す図であり、同図（ｂ）は従来の鋼補剛集
成材の横断面形状を示し、同図（ｃ）は本発明の鋼補
剛集成材の横断面形状を示す。この鋼補剛集成材に
おいては、補剛鋼材３は、薄板状のものとされている。
曲げ試験の結果は、図３の荷重−変位線図に示す。な
お、図中右側の縦軸の目盛りは、大型試験に換算したも
のを示し、図６の縦軸の目盛りに対応するものである。
図３から明らかなように、従来の鋼補剛集成材（設計
耐力１５７０ｋｇｆ）のものが１．５倍程度の破断強度
であったのに対して、本発明の鋼補剛集成材（設計耐
力１５２０ｋｇｆ）のものは２．７倍の破断強度（従来
のものの約２倍）であり、ほぼ理想強度が得られている
ことがわかる。

【００１３】また、曲げ試験後の試験材を観察すると、
図４（ａ）に示すように、集成材１の表面に亀裂が発生
しても、集成材１の中心側が補剛鋼材３によって拘束さ
れているため、亀裂の中心方向への進展を防止している
ことがわかる。これは、集成材１の荷重を受ける面は、
部分的に補剛鋼板３によって覆われているだけなので、
図示のように、引張応力の最大位置と剪断応力の最大位
置とがずれることになり、集成材１に作用する剪断応力
が大幅に軽減されるからである。

【００１４】なお、従来の鋼補剛集成材においては、図
７に示すような荷重Ｆが作用した場合に、せん断応力が
鋼板外面側ほど小さく鋼板内面側ほど直線的に増大する
一方、集成材部では最大で一定となり、略「コ」字状の
応力分布となるが、その際、フィンガージョイント部に
応力集中が発生し、この部分の表層側で亀裂が発生する
こと、曲げ荷重に伴う変形により、補剛鋼板との貼り合
わせ面（集成材の表層）に全面的に剥離が発生するこ
と、集成材が補剛鋼板によって拘束された状態であり、
図示のように、引張応力の最大位置と剪断応力の最大位
置とが一致しているため、比較的小さい荷重において
も、この表層に入った亀裂から容易に内部に亀裂が進展
し破断に到ること、などが原因となって理想強度を得る
のが困難になっていたものと考えられる。

【００１５】なお、集成材のみの場合は、図８に示すよ
うに、せん断応力が表層側では小さく中心側ほど大きい
放物線状となり、また、集成材の最弱部であるフィンガ
ージョイント部は引張応力が弱く、この部分の表層側で
亀裂が発生するが、この部分は上述のように剪断応力が
小さいため、それ以上の内部への亀裂の進展は防止され
る。従って、ある程度変形が進んだ後、内部の亀裂から
木材の繊維方向に亀裂が進展し、面破断するに到る。以
上のことから、集成材のみの場合に、従来、フィンガー
ジョイント部の弱点があまり問題にならなかったのは、
引張応力の最大位置と剪断応力の最大位置とが一致する
ような荷重状態のケースが少なかったためであると考え
られる。

【００１６】なお、上記実施の形態の説明においては、
荷重を受ける側の面に、集成材１の繊維方向を長手方向
とする溝１ａを１つ（上下に各１）形成し、これに補剛
鋼材３をはめ込み接着するものとしたが、集成材１の強
度を維持できる範囲であれば、１つの面に複数の溝１ａ
を形成し、各溝１ａに補剛鋼材３をはめ込み接着するよ
うにしてもよい。

【００１７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
と、鋼補剛集成材に荷重が作用した場合に、引張応力の
最大位置と剪断応力の最大位置とが一致しないようにで
きるので、鋼材によって剪断力のほとんどを支持するこ
とができ、集成材に作用する剪断力を従来よりも大幅に
軽減することができる。従って、荷重により集成材の最
弱部であるフィンガージョイント部の表層に亀裂が発生
したとしても、この部分から剥離したり、亀裂が内部に
進展するようなことがなく、ほぼ理想どおりの曲げ破断
強度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すもので、同図（ａ）
は、鋼補剛集成材の長手方向の正面図、同図（ｂ）は、
その側面図である。

【図２】鋼補剛集成材の試験片の寸法を示すもので、同
図（ａ）は、鋼補剛集成材の長手方向の正面図、同図
（ｂ）は、従来の鋼補剛集成材の側面図、同図（ｃ）
は、本発明の鋼補剛集成材の側面図である。

【図３】図２に示す試験片による荷重−変位線図であ
る。

【図４】本発明の鋼補剛集成材に図示のような荷重を作
用させた場合の引張応力と剪断応力との関係を示す図で
ある。

【図５】従来の集成材のみ、鋼補剛集成材の試験片の例
で、同図は集成材のみのもので、ａはその側面図、
同図は上下の面全面に補剛鋼板を接着したもので、
ａはその側面図、同図は、上面の全面に鋼床版を接着
し、下面の全面に補剛鋼板を接着したもので、ａはそ
の側面図である。

【図６】図５に示す試験片による荷重−変位線図であ
る。

【図７】図５の符号（上下の面全面に補剛鋼板接着）
の試験片の引張応力と剪断応力との関係を示す図であ
る。

【図８】図５の符号（集成材のみ）の試験片の引張応
力と剪断応力との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 集成材 １ａ 溝 ２ 接着剤 ３ 補剛鋼材（鋼材） ４ 鋼補剛集成材 Ｈ 鋼補剛集成材の高さ ｈ 補剛鋼材の高さ ｎ 集成材の非加工部の高さ ｖ 補剛鋼材の幅 ｗ 鋼補剛集成材の幅

フロントページの続き (72)発明者 佐々木 貴信 秋田県能代市字海詠坂11番地１ 秋田県 立農業短期大学付属 木材高度加工研究 所内 (72)発明者 熱海 明彦 北海道室蘭市茶津町４番地 株式会社日 本製鋼所内 (72)発明者 小野 信市 北海道室蘭市茶津町４番地 株式会社日 本製鋼所内 (56)参考文献 特開 平11−10611（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−44044（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−89716（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B27M 3/00 E04C 3/18

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の木材をその繊維方向を平行にして
   接着してなる集成材（１）と、 集成材（１）の繊維方向と平行な両側表面に、その繊維
   方向に沿って形成された溝（１ａ）と、 溝（１ａ）にはめ込み接着された鋼材（３）と、からな
   る鋼補剛集成材であって、 鋼補剛集成材（４）の高さ寸法（Ｈ）に対する鋼材
   （３）部を除外した非加工部高さ寸法（ｎ）の割合は、
   ３：１以上とすると共に、集成材（１）の幅寸法（ｗ）
   に対する鋼材（３）の幅寸法（ｖ）の割合は、４：１以
   下とした鋼補剛集成材 。
2. 【請求項２】 請求項１記載の鋼補剛集成材において、 上記溝（１ａ）は、集成材（１）の上記表面の中心に沿
   って配置されている鋼補剛集成材。
3. 【請求項３】 請求項１記載の鋼補剛集成材において、 上記溝（１ａ）は、集成材（１）の上記表面に複数設け
   られている鋼補剛集成材。