JP5179970B2

JP5179970B2 - 木材強度評価方法及び構造物の改修診断方法

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Publication number: JP5179970B2
Application number: JP2008168618A
Authority: JP
Inventors: 楠　　寿博; 長仁木林
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: JP2010008258A

Description

本発明は、木造構造物の改修の要否判定に用いられる木材強度評価方法及び構造物の改修診断方法に関する。

木造構造物の改修工事の増加に伴い、改修工事前に対象構造物の健全性（改修要否）を診断することが求められている。特に、使用されている構造部材（木材）をできるだけ残して改修工事を行いたい場合では、劣化状況を踏まえた構造部材の強度性能（例えば圧縮強度）の把握が必要となる。しかし、構造部材の強度性能まで含めた健全性の評価方法は確立されていない。

木材の劣化状況のみを客観的に評価する方法の例としては、ピン打込み深さ測定法、超音波測定法、釘引き抜き抵抗測定法が挙げられる。ピン打込み深さ測定法は、一定の力で木材にピン（長さ４ｃｍ、または、７ｃｍ）を打込み、木材内部へのピンの貫入深さにより健全性を判断するものである。超音波測定法は、木材を挟んだ２つのセンサ間の超音波伝播時間を測定し、伝播速度の大小から健全性を判断するものである。釘引き抜き抵抗測定法は、一定の力で打込んだ釘の引き抜き抵抗力から健全性を判断するものである。

一方、他の評価方法として、木材の腐朽評価方法が挙げられる（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１の木材劣化診断方法では、評価対象木材をインパクトハンマーで打撃して、得られた計測波形から打撃速度と最大打撃力を求めて劣化度を診断している。特許文献２の木材腐朽評価方法では、評価対象木材の一部を試料片として採取し、培地とともに密封容器に収容して、所定期間経過後に密封容器内から発生する水素の濃度に基づいて木材の腐朽度を評価している。

しかし、上記評価方法は、いずれも構造部材の劣化部分を特定するのみで、当該構造部材の強度性能まで把握するものではなかった。
特開２００２−２５７７００特開２００４−２８６５９０

本発明は、評価対象木材の圧縮強度を評価することができる木材強度評価方法及び構造物の改修診断方法を得ることを目的とする。

本発明の請求項１に係る木材強度評価方法は、ドリルを評価対象木材の互いに直交する２方向から交差しないように貫入させ、得られた２つの抵抗値を平均した平均抵抗値と、予め得られている木材へのドリル貫入時の平均抵抗値と木材の圧縮強度値との関係式とに基づいて、評価対象木材の圧縮強度値を求める。

上記構成によれば、木材について、ドリル貫入時の平均抵抗値と、圧縮強度値との相関データによって、予め関係式が求められている。そして、評価対象木材にドリルを貫入して得られた抵抗値を関係式に代入するだけで、評価対象木材の圧縮強度の予測値が得られる。これにより、従来、劣化箇所の有無のみしか分からなかった評価対象木材で、圧縮強度測定を行わずに、圧縮強度を評価することができる。

上記構成によれば、木材の繊維方向、半径方向、及び接線方向の互いに直交する方向で、ドリル貫入時の抵抗値に多少のばらつきがあっても、平均化することで、方向による測定値のばらつきを低減することができる。

本発明の請求項２に係る構造物の改修診断方法は、請求項１に記載の木材強度評価方法で得られた評価対象木材の圧縮強度値と、木材の基準圧縮強度値とを比較して、前記評価対象木材を備えた構造物の改修の要否を診断する。

上記構成によれば、評価対象木材にドリルを貫入して抵抗値を測定することにより、評価対象木材をほとんど破損することなく圧縮強度値が推定でき、この圧縮強度値を用いて、構造物の改修の要否まで容易に診断可能となる。

本発明は、上記構成としたので、評価対象木材の圧縮強度を評価することができる。

本発明の木材強度評価方法及び構造物の改修診断方法の実施形態を図面に基づき説明する。ここでは、ドイツのInstrumenta_Mechanik_Labor_GmbH社製で、型式IML-RESI_F300のドリル貫入抵抗測定機レジストグラフ（Resistograph:登録商標）を用いた評価方法について説明する。

図１に示すように、レジストグラフ１０は、評価対象木材Ｔに向かう方向を長手方向とする略直方体状の箱体からなる本体部１２と、本体部１２の底面側に設けられ、測定者が把持して本体部１２を支持する把持部１４とを有している。

本体部１２の内側には、評価対象木材Ｔに向かう方向を軸方向とするドリル２２と、ドリル２２の回転駆動（矢印Ｒ方向）及び直進駆動（矢印Ｘ方向）を行う駆動部（図示省略）が収納されている。ドリル２２は、直径１．５ｍｍの鋼鉄製シャフトの先に３ｍｍ幅の錐が付いた特殊合金ドリルである。また、ドリル２２は、本体部１２の評価対象木材Ｔと対向する面に形成された開口を通って、評価対象木材Ｔに向けて移動可能となっている。

また、本体部１２の内側には、ドリル２２を評価対象木材Ｔに貫入させたときに受ける内部抵抗（貫入抵抗）を測定して数値化する測定部（図示省略）と、測定部で得られた測定値を記憶するための記憶部（図示省略）とが設けられている。なお、測定部で測定されたドリル２２の貫入抵抗は、記憶部に記憶されるだけでなく、本体部１２の上部に設けられたチャートレコーダ１８に波形グラフとして出力される。

ドリル２２の評価対象木材Ｔへの貫入時の座標分解能は０．１ｍｍとなっている。なお、ドリル２２の長さは、上記型式では３００ｍｍとなっているが、用途に応じてレジストグラフ１０の型式を選択することで、４００ｍｍ、５００ｍｍが選択できる。また、ドリル２２が移動する前述の開口の周囲３箇所には、評価対象木材Ｔに当接される円錐状の楔部２０が設けられている。

一方、把持部１４の底部には、充電器が接続され、レジストグラフ１０の駆動部に電源供給を行うバッテリー部１６が設けられている。また、把持部１４には、測定者が把持部１４を把持して押すことでＯＮ、ＯＦＦが切り替わり、レジストグラフ１０の動作開始又は動作停止を行うスイッチ２４が設けられている。

レジストグラフ１０は、評価対象木材Ｔの硬さに応じて２種類の測定レベル（レベル１、レベル２）が選択可能となっている。概ねレベル１は針葉樹木材、レベル２は広葉樹木材が対象となっている。

図２には、レジストグラフ１０を用いて、測定厚さ１００ｍｍの木材にドリル２２を貫入させたときの貫入抵抗値の測定結果の一例がグラフで示されている。なお、図２のグラフは、得られたデータをスムージング処理して表示しているため、滑らかな曲線となっているが、実際のグラフは、上下に貫入抵抗値がばらついたものとなる。

グラフの横軸は、評価対象木材Ｔの表面からのドリル２２の貫入深度であり、縦軸は、ドリル２２貫入時に測定される貫入抵抗値である。なお、横軸の１目盛りは１０ｍｍに相当するが、縦軸の１目盛りは単位が設定されたものではなく、ドリル２２の貫入抵抗を相対的に比較するための値として用いられている。

図２のグラフは、劣化の無い健全木材について測定したものである。ここで、複数のピークが見られる貫入深度は木材の年輪に相当する位置であり、当該位置が硬いことを表している。なお、腐朽等による劣化部分がある木材を用いたときは、劣化部分の貫入深度において、貫入抵抗値がゼロか、ゼロに近い状態のまま推移するため、劣化箇所を判定することが可能である。

次に、試験片の作成方法について説明する。なお、この試験片は、レジストグラフ１０（図１参照）による貫入抵抗と、後述する圧縮強度との相関データを得るために準備するものである。

図３（ａ）には、試験片を得るために選定された解体時の木造構造物３０の大梁３２が示されている。ここで、大梁３２は、べいまつの集成材で構成されており、腐朽領域Ａ（図の網掛け領域）と、腐朽領域Ａに比べて健全（腐朽が比較的進んでいない状態）と思われる健全領域Ｂとが存在しているものとして説明する。

腐朽領域Ａの有無の判断は、貫入抵抗測定等により行う客観的な方法による判断でなくともよく、目視、打診、触診、臭覚といった経験的な判断で行ってもよい。これは、健全領域Ｂの貫入抵抗値に比較して低い貫入抵抗値が得られればよいためである。ここで、試験片を得るため、腐朽領域Ａ及び健全領域Ｂを含む直方体状のブロック３４を大梁３２から切り出す。

続いて、図３（ｂ）に示すように、切り出されたブロック３４は、さらに複数のブロック３６、３８に切り分けられ、さらに、ブロック３６、３８を構成する各ラミナの層毎に、接着層を含まないように、板材３６Ａ〜３６Ｅ、板材３８Ａ〜３８Ｅが切り出される。切り出された板材３６Ａ〜３６Ｅ、板材３８Ａ〜３８Ｅの厚さは２０〜２５ｍｍとなっている。

続いて、図３（ｃ）に示すように、個々の板材３６Ａ〜３６Ｅ、板材３８Ａ〜３８Ｅを短冊切りにして、棒状材４０Ａ〜４０Ｅを作成する。そして、各棒状材４０Ａ〜４０Ｅの腐朽領域Ａ及び健全領域Ｂから、それぞれ２０ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍの試験片を切り出す。なお、この試験片は、同じ部位で隣接した２枚を１セットとして切り出し、一方を第１試験片４２、他方を第２試験片４４とする。

ここで、貫入抵抗と圧縮強度の相関に着目した理由について説明する。貫入抵抗は、ドリル２２を木材に貫入したときの貫入しにくさを表している。このため、ドリル２２の貫入抵抗は、一般に木材の密度が高くなるほど大きくなる。一方、木材の圧縮強度は、一般に木材の密度が高くなるほど大きくなる。

これらの関係から、貫入抵抗が大きいときは圧縮強度も大きく、貫入抵抗と圧縮強度はほぼ比例関係として評価出来ると考えられる。この関係式を予め測定により求めておけば、現地での測定が容易な貫入抵抗から、現地での測定が困難な圧縮強度が予測できると考えた。

次に、第１試験片４２を用いた貫入抵抗測定方法について説明する。

図４に示すように、木材は、繊維方向（矢印Ｌ方向）、半径方向（矢印Ｒ方向）、接線方向（矢印Ｔ方向）の互いに直交する３軸を有する。木材の強度的性質は、これらの軸方向によって大きく異なるが、さらに年輪として認識される色の濃い夏材部（夏から初秋にかけて成長した部分：晩材ともいう）と、色の薄い春材部（春から初夏にかけて成長した部分：早材ともいう）で強度的性質が異なっている。

この木材の強度的性質の異方性を考慮して、第１試験片４２へのドリル２２（図１参照）の貫入方向を２方向（矢印Ｄ１、Ｄ２方向）とする。なお、矢印Ｄ１方向と矢印Ｄ２方向は、平面視にて略直交となるように設定している。また、図４において、ａ＝ｂ＝２０ｍｍ、ｃ＝４０ｍｍとなっている。

第１試験片４２の貫入抵抗測定では、まず、レジストグラフ１０（図１参照）のドリル２２を第１試験片４２の側面（Ｌ−Ｒ面）に垂直で、且つなるべく断面中心を通るように矢印Ｄ１方向に貫入して、貫入抵抗測定を行う。

続いて、矢印Ｄ１方向の測定によって形成された貫通穴と交差せず、第１試験片４２の側面（Ｌ−Ｔ面）に垂直で且つなるべく断面中心を通るように、ドリル２２を矢印Ｄ２方向に貫入して貫入抵抗測定を行う。得られた測定データは、それぞれ積分平均され、Ｄ１、Ｄ２方向の平均貫入抵抗値（Ｘ１、Ｘ２とする）が得られる。

ここで、実際には、図４のような貫入方向と年輪方向の関係になるとは限らず、年輪方向が各試験片の断面に対して様々な角度をとることになる。この角度の影響、即ち角度の違いによる測定値のばらつきを低減するため、略直交する２方向（Ｄ１、Ｄ２方向）の平均貫入抵抗値Ｘ１、Ｘ２をさらに平均して平均抵抗値Ｍを得る。Ｍ＝（Ｘ１＋Ｘ２）／２である。この平均抵抗値Ｍを第１試験片４２の貫入抵抗値として用いる。

なお、試験片としてべいまつを用いているため、レジストグラフ１０の測定感度は、基本的にレベル１を用いればよいが、ここではレベル２の測定感度でも測定を行う。

次に、第２試験片４４を用いた圧縮強度測定方法について説明する。

圧縮強度測定は、ＪＩＳ−Ｚ２１０１（木材の試験方法）に準じた試験方法により行う。なお、第２試験片４４の長手方向は繊維方向と平行となっており、圧縮強度値σは、第２試験片４４の横断面積をＡ[ｍｍ^２]、最大荷重をＰｍ[Ｎ]として、σ＝Ｐｍ／Ａ[Ｎ／ｍｍ^２]で求める。

次に、貫入抵抗と圧縮強度の関係式を求める方法について説明する。

第１試験片４２で得られた平均抵抗値Ｍを横軸とし、第２試験片４４で得られた圧縮強度値σを縦軸として、複数の第１試験片４２及び第２試験片４４で得られたデータを用いて回帰分析を行う。これにより得られた回帰式（一次回帰直線）を貫入抵抗と圧縮強度の関係式とする。なお、参考として、５％下限直線についても求める。

ここで、図５には、木材の貫入抵抗と圧縮強度の関係式を求める上記の手順をまとめたフローチャートが示されている。図５において、まず、ステップＳ１として、腐朽した構造物又は健全な構造物の木材から試験片を切り出す。続いて、ステップＳ２として、試験片を第１試験片４２と第２試験片４４に切り分ける。

続いて、ステップＳ３では、第１試験片４２の貫入抵抗をレジストグラフ１０で測定する。一方、ステップＳ４では、第２試験片４４の圧縮強度を圧縮試験により測定する。

続いて、ステップＳ５として、貫入抵抗測定の平均抵抗値Ｍと、圧縮強度値σとの複数の相関データから一次回帰式を求める。これらの手順を事前に行うことにより、レジストグラフ１０（図１参照）の貫入抵抗と圧縮強度の関係式を準備する。

ここで、図６、図７に、例として、レジストグラフ１０のレベル１、レベル２測定におけるｎ＝１０４（組）の平均抵抗値Ｍと圧縮強度値σの測定データを示す。なお、図６、図７は、レジストグラフ１０の感度設定をレベル１、２として、同一の第１試験片４２を貫入抵抗測定したものであって、測定数ｎ＝１０４（共用）である。また、圧縮強度値は、レベル１、レベル２共に、第２試験片４４で得られた圧縮強度値を用いている。

図６及び図７の図中に記載した回帰式により、ドリル２２の貫入抵抗に対する評価対象木材Ｔの圧縮強度を算定（推定）することができる（図中のＲは相関係数である）。なお、試験片（第１試験片４２、第２試験片４４）は、完全に腐朽劣化したものばかりでなく、健全部分を多く含むもの、あるいは、試験片全体がほとんど健全であるものも含まれるが、健全部分の有無に関わらず、求められた平均抵抗値に対して当該部分の圧縮強度は一義的に決まる。このため、本実施形態の測定結果は、健全材にも適用が可能である。

また、図６、図７は、べいまつの構造用集成材の試験片を用いた測定結果であるが、上記のように求められた平均抵抗値に対して圧縮強度が一義的に決まるので、樹種の違い（軟らかいもの、堅いもの）によって、これらの関係式が大きく異なることは無いものと考える。このため、他樹種を用いてもドリル２２の貫入抵抗と圧縮強度の関係が得られると考える。特に、レジストグラフ１０のレベル２の感度を用いれば、比較的堅い部類の木材の健全性評価に適用が可能となる。

図６、図７の測定に用いたｎ＝１０４組の試験片の含水率は、抵抗式含水率計を用いて測定したところ、１１〜１４％となっていた。これは、木材が劣化していても、採集（切り出し）した時点で既に乾燥しているためと思われる。

次に、本発明の実施形態の作用について説明する。ここでは、図５のフローチャートに従って、予め貫入抵抗と圧縮強度の関係式（回帰式）が準備されているものとする。

図８には、木材の強度評価方法及び構造物の改修診断方法のフローチャートが示されている。まず、ステップＳ１として、改修診断が必要とされた現地の木造構造物の評価対象木材Ｔにレジストグラフ１０（図１参照）のドリル２２を貫入して、平均抵抗値Ｍ（評価抵抗値）を得る。ここで、ドリル２２の貫入は、評価対象木材Ｔの互いに直交する２方向について行い、得られた２つの抵抗値の平均値を評価抵抗値とする。

続いて、ステップＳ２として、貫入抵抗値と圧縮強度の関係式に評価抵抗値を代入し、評価対象木材Ｔの圧縮強度値σを求める。なお、貫入抵抗と圧縮強度の関係式は、基本的に一次回帰式を用いるが、５％下限の直線式を用いることも可能である。

続いて、ステップＳ３として、ステップＳ２で得られた評価対象木材Ｔの圧縮強度値σと木材の基準圧縮強度値とを比較して、評価対象木材Ｔを備えた現地の木造構造物の改修の要否を診断する。ここでは、木材の基準圧縮強度値として、平成１２年建設省告示第１４５２号の木材の基準強度Ｆｃ（圧縮強度）を用いる。なお、基準強度Ｆｃは樹種、区分、等級によって異なるので、評価対象木材Ｔの樹種、区分、等級に合わせて設定する。

例えば、本実施形態で用いたべいまつの甲種構造材一級では、Ｆｃ＝２７．０[Ｎ／ｍｍ^２]となっている。これにより、前述の回帰式で得られた圧縮強度値σが２７．０[Ｎ／ｍｍ^２]より小さい値のときは、現地の評価対象木材が交換または補強が必要と診断する。また、得られた圧縮強度値σが２７．０[Ｎ／ｍｍ^２]以上のときは、交換又は補強は不要と診断する。

以上説明したように、本発明の木材強度評価方法及び構造物の改修診断方法によれば、木材について、レジストグラフ１０のドリル２２貫入時の平均抵抗値Ｍと、圧縮強度値σとの相関データによって、予め回帰式が求められている。そして、評価対象木材Ｔにドリル２２を貫入して得られた評価抵抗値を回帰式に代入するだけで、評価対象木材Ｔの圧縮強度の推定値が得られる。これにより、従来、劣化箇所の有無のみしか分からなかった評価対象木材Ｔで、サンプルを採取して強度試験を行うことなく圧縮強度を評価することができる。

また、木材の繊維方向、半径方向、及び接線方向の互いに直交する方向で、ドリル２２貫入抵抗値に多少のばらつきがあっても、平均化することで、方向による測定値のばらつきを低減することができる。

さらに、評価対象木材Ｔにドリル２２を貫入して平均抵抗値Ｍを測定するだけで圧縮強度値σが推定でき、得られた圧縮強度値σと木材の基準強度とを比較して現地の木造構造物の改修の要否まで診断可能となるので、改修診断が容易となる。

また、貫入抵抗値の測定では、評価対象木材Ｔに直径３ｍｍ程度の穴が形成されるのみで、穴の周囲にもともと存在する節や傷、表面汚れ等に混ざり、穴がほとんど認識されないため、非破壊検査に近い状態で強度推定及び改修診断が行える。

また、評価対象木材Ｔが大断面の部材であっても、簡単な現地測定の結果から、部材内部を含めて精度良く圧縮強度を推定できるので、現地で評価対象木材Ｔを切り出して実験室で試験を行う場合に比べて、解体、搬送、実験等のコストが不要となる。さらに、評価対象木材Ｔの強度推定を短時間で行えるので、耐震補強の計画、実施が迅速に行える。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。

評価対象木材Ｔの樹種は、べいまつに限らず、杉、ひのき、からまつなどの各種針葉樹や、けやき、栗などの各種広葉樹を含め、レジストグラフ１０での測定が可能な木材のほとんどを対象とすることが出来る。

本実施形態では、貫入抵抗値と圧縮強度値の相関データ数ｎ＝１０４としたが、これに限らず、任意にデータ数を設定できる。精度良い回帰式を得るという観点からは、ｎ数は多いほど望ましく、且つ貫入抵抗値の分布が広くなるように試験片を準備する必要がある。

本発明の実施形態に係るレジストグラフの概略図である。本発明の実施形態に係るレジストグラフで得られるドリルの貫入深度に対する貫入抵抗値のグラフである。（ａ）〜（ｃ）本発明の実施形態に係る試験片の切り出し方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係る試験片の斜視図である。本発明の実施形態に係る木材の貫入抵抗と圧縮強度の関係式の作成方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る試験片をレジストグラフのレベル１の感度で測定したときの平均抵抗値と圧縮強度の関係を示すグラフである。本発明の実施形態に係る試験片をレジストグラフのレベル２の感度で測定したときの平均抵抗値と圧縮強度の関係を示すグラフである。本発明の実施形態に係る木材の強度評価方法及び構造物の改修診断方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０レジストグラフ
２２ドリル（ドリル）
４２第１試験片（第１試験片）
４４第２試験片（第２試験片）
Ｔ評価対象木材（評価対象木材）

Claims

ドリルを評価対象木材の互いに直交する２方向から交差しないように貫入させ、得られた２つの抵抗値を平均した平均抵抗値と、
予め得られている木材へのドリル貫入時の平均抵抗値と木材の圧縮強度値との関係式とに基づいて、評価対象木材の圧縮強度値を求める木材強度評価方法。
請求項１に記載の木材強度評価方法で得られた評価対象木材の圧縮強度値と、木材の基準圧縮強度値とを比較して、前記評価対象木材を備えた構造物の改修の要否を診断する構造物の改修診断方法。