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平成 25 年 6 月 25 日 2×4 製材 JAS 原案作成委員会資料 森林総合

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平成 25 年 6 月 25 日 2×4 製材 JAS 原案作成委員会資料 森林総合
資料4(第2回原案作成委員会 H25.6.25)
平成 25 年 6 月 25 日
2×4 製材 JAS 原案作成委員会資料
森林総合研究所 加藤英雄
1.国産樹種の強度特性値(基準強度)に関する検討
国産樹種のスギ、ヒノキ、カラマツについて目視等級区分の強度特性値(信頼水準 75%における 95%
下側許容限界値)を検討するため、寸法形式 204 について得られた実験結果に基づいて樹種および目視
等級ごとに ASTM D 1990-07 に従って強度特性値を算出した。特性値算出に際して、平成 21 年度林野
庁補助事業2X4住宅部材の開発事業、長野県林業総合センターが技術協力した平成 21 年度地域木造住
宅市場活性化推進事業(国土交通省)
、北海道立総合研究機構林産試験場の道産材を用いた枠組壁工法
用製材の性能評価と利用技術の開発、平成 24 年度林野庁補助事業内装木質化等住宅部材試験開発等支
援事業で得られた結果の一部を用いた。なお、強度データの調整方法及び特性値の算出方法は次の通り
である。
(1)含水率の調整
実験結果の強度を含水率 15%に調整した。なお、調整範囲は、含水率 10〜23%とし、23%以上は 23%、
10%未満は 10%と見なした。
1)曲げ強度(MOR)
、縦引張り強度(UTS)、縦圧縮強度(UCS)の調整
MOR≦16.6N/mm2、UTS≦21.7N/mm2、USC≦9.6N/mm2 のときは調整しなかった。
MOR>16.6N/mm2、UTS>21.7N/mm2、USC>9.6N/mm2 のときは次式で調整した。
S2 = S1 + ( S1 - B1 ) / ( B2 - M1 )×( M1 - M2 )
ここで、S1、S2:それぞれ含水率 M1、M2 における特性値(N/mm2)
M1、M2:それぞれ含水率 1、含水率2(%)
B1、B2:表 1 の含水率定数
表 1 ASTM D 1990-07 における含水率定数
値
B1
B2
度
16.6
40
縦 引 張 り 強 度
21.7
80
縦
9.6
34
1.857
0.0237
特
曲
性
げ
圧
強
縮
強
度
曲 げ ヤ ン グ 係 数
1
2)曲げヤング係数の調整
曲げヤング係数は、次式で調整した。
S2 = S1 ( B1 - B2 M2 ) / ( B1 - B2M1 )
ここで、S1、S2:それぞれ含水率 M1、M2 における曲げヤング係数(kN/mm2)
M1、M2:それぞれ含水率 1、含水率2(%)
B1、B2:表 1 の含水率定数
(2)強度特性値の算出結果
強度特性値(以下、下限値)を算出した等級は、JAS 規格の甲種枠組材の特級、1 級、2 級、3 級、
およびスギ、カラマツについては年輪幅を品質基準から除いた場合の 2 級(以下、②級と称す)とした。
なお、試験体の等級区分は、原則的にグレーダによる判定に基づいて区分し、これらの情報がない場合
には試験体から測定された節径や年輪幅等によって区分した。
スギの目視等級区分における下限値の算出結果を表 2 に示した。分布の適合度を示す検出力は、正規
分布または対数正規分布が各強度で高かった。また、検出力の高い分布で②級の曲げ強度の下限値を 2
級のそれと比較すると、減少率は最大で 6.2%だったが、それでも現行の 2 級の曲げ基準強度
(16.8N/mm2)より 30%程度高い値となった。
ヒノキの目視等級区分における下限値の算出結果を表 3 に示した。分布の適合度を示す検出力は、縦
圧縮強度と縦引張り強度では正規分布または対数正規分布が高く、曲げ強度では正規分布またはワイブ
ル分布が高かった。ヒノキの 2 級の曲げ強度の下限値を現行の 2 級の曲げ基準強度(18.0N/mm2)に比
べると、スギと同様、30%程度高い値となった。ただし、スギの曲げ強度が特級と 2 級との間でそれほ
ど大きな違いがないのに対し、
ヒノキは特級の曲げ強度の下限値は 2 級のそれの約 1.5 倍の値であった。
カラマツの目視等級区分における下限値の算出結果を表 4 に示した。分布の適合度を示す検出力は、
正規分布または対数正規分布が各強度で高かった。また、検出力の高い分布で②級の下限値を 2 級のそ
れと比較すると、曲げ強度の減少率が 4%程度であったのに対し、縦引張りについては 19.5%だった。
2
表 2 スギの目視等級区分における下限値の算出結果
荷重
縦
圧
縮
縦
引
張
り
曲
げ
甲種等級 データ数
特級
1級
2級
3級
②級
特級
1級
2級
3級
②級
特級
1級
2級
3級
②級
636
170
307
172
479
732
284
409
156
565
776
275
369
213
582
正規
14.8
18.0
18.5
18.6
18.7
15.3
14.7
13.8
13.9
13.5
25.6
22.3
23.2
20.4
21.9
下限値
対数 ワイブル
正規 (NPE)
17.1
18.2
21.1
20.5
20.3
20.8
19.9
19.1
20.3
20.1
18.1
17.9
16.9
17.0
16.6
16.5
15.4
14.7
16.2
15.6
27.9
27.6
24.3
23.6
24.7
23.1
22.1
20.6
23.6
21.6
正規
55%
100%
54%
100%
42%
28%
51%
50%
100%
32%
46%
100%
100%
81%
100%
検出力
対数
ワイブル
正規
2P
3P
100%
32%
41%
75%
30%
39%
100%
29%
34%
83%
48%
53%
100%
20%
23%
100%
14%
19%
100%
24%
30%
100%
28%
37%
58%
55%
72%
100%
18%
23%
100%
19%
23%
50%
51%
67%
30%
48%
51%
100%
48%
55%
52%
44%
59%
検定
結果
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
表 3 ヒノキの目視等級区分における下限値の算出結果
荷重
縦
圧
縮
縦
引
張
り
曲
げ
甲種等級
n
特級
1級
2級
3級
特級
1級
2級
3級
特級
1級
2級
3級
154
149
252
71
593
264
309
195
585
230
300
195
正規
28.4
25.0
25.1
24.2
19.0
15.4
12.9
10.4
34.4
24.6
22.5
20.8
下限値
対数 ワイブル
正規
正規 (NPE)
29.9
30.1 66%
27.0
28.5 67%
26.3
26.6 58%
24.4
23.6 100%
22.8
23.2 30%
18.1
19.3 47%
16.4
17.0 53%
14.1
13.6 97%
35.0
32.7 70%
26.6
23.5 89%
24.6
22.1 82%
21.5
18.8 100%
3
検出力
対数
ワイブル
正規
2P
3P
100%
32%
35%
100%
30%
33%
100%
22%
25%
80%
85%
81%
100%
18%
24%
100%
34%
37%
100%
37%
48%
100%
73%
88%
43%
100% 100%
61%
100%
97%
40%
100%
99%
52%
71%
86%
検定
結果
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
表 4 カラマツの目視等級区分における下限値の算出結果
荷重
縦
圧
縮
縦
引
張
り
曲
げ
甲種等級
n
特級
1級
2級
3級
②級
特級
1級
2級
3級
②級
特級
1級
2級
3級
②級
123
108
107
157
264
156
147
150
152
302
154
141
154
146
300
正規
24.6
23.0
20.8
20.8
20.5
15.3
11.5
11.2
8.1
9.1
20.0
18.9
12.9
13.4
12.9
下限値
対数 ワイブル
正規 (NPE)
26.6
23.5
24.0
24.1
22.3
23.0
21.4
20.6
21.6
21.4
19.4
19.0
15.9
16.2
14.9
15.1
10.2
9.3
12.0
11.2
23.8
21.9
22.7
23.6
17.7
18.5
16.4
15.7
17.0
16.9
4
正規
100%
87%
80%
84%
53%
49%
54%
45%
100%
100%
61%
71%
42%
80%
30%
検出力
対数
ワイブル
正規
2P
3P
100%
33%
35%
100%
51%
55%
100%
41%
45%
100%
42%
44%
100%
21%
23%
100%
29%
37%
100%
36%
47%
100%
22%
27%
48%
77%
78%
97%
59%
69%
100%
41%
51%
100%
48%
61%
100%
29%
38%
100%
45%
56%
100%
13%
15%
検定
結果
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
【参考】
204 材の強度試験方法と測定項目
(1)曲げ試験
スパン(支点間距離)を材せい(長辺)の 21 倍の 3 等分点 4 点荷重方式で実施した。したがって、204
材のスパンは 1869mm とした。なお、試験中、荷重をロードセルによって測定するとともに、スパン中央
部に設置した変位計によって全スパンに対するたわみを測定した。
(2)縦圧縮試験
材長を 204 材では 225mm(λ=20.5)、206 材では 325mm(λ=29.6)とし、短柱縦圧縮試験を実施した。
(3)縦引張り試験
チャック間距離を長辺の 9 倍、すなわち 204 材では 801mm、206 材では 1260mm として縦引張り試験を
実施した。
なお、すべての試験体について、各試験終了後、厚さ 20mm 程度の含水率測定用試験体を採取し、全
乾法により含水率を求めた。
各試験よって測定した各項目は以下の表 A のとおりである。また、試験体のサンプリング地域は、
表 B の通りである。
表 A 各強度試験で測定した項目
試験の種類
測定項目
曲げ強度、曲げヤング係数、密度、中央部の最大単独節、、中央部の最大集中
節径、材縁部の最大単独径、材縁部の最大集中節径、繊維傾斜、平均年輪幅、
含水率
曲げ試験
縦引張り試験
縦引張り強度、密度、中央部の最大単独節、、中央部の最大集中節径、材縁部
の最大単独径、材縁部の最大集中節径、繊維傾斜、平均年輪幅、含水率
縦圧縮強度、密度、中央部の最大単独節、、中央部の最大集中節径、材縁部の
縦圧縮試験 最大単独径、材縁部の最大集中節径、繊維傾斜、平均年輪幅、含水率(曲げ試
験体と同値)
せん断試験 せん断強度、密度、含水率(曲げ試験体と同値)
表 B 試験体のサンプリング地域
樹 種
サンプリング地域
ス ギ
秋田、福島、栃木、埼玉、三重、和歌山、岡山、徳島、熊本、大分、宮崎、鹿児島
ヒノキ
栃木、長野、三重、和歌山、岡山、愛媛
カラマツ
北海道、岩手、長野
5
2
スギ、ヒノキ、カラマツの甲種枠組材,乙種枠組材に関する新たな基準強度の試算
(2)で算出した対数正規分布の下限値を用いて、スギ、ヒノキ、カラマツの各等級の基準強度の算
定を試みた。また、スギ、カラマツの2級の下限値は、目視等級区分の年輪幅の基準見直しを想定して
②級のデータから算出した値を採用した。
各強度の特級および 2 級を除く等級の下限値の計算は、ASTM
D1990-07 にしたがい次の式で行った。ただし、スギの甲種枠組材の縦圧縮強度の場合、特級の下限値
が2級より小さかったため、1級と2級の基準強度は、特級と同じとした。また、スギの甲種枠組材の
縦引張り強度と曲げ強度の場合、1級の Grade Quality Index を 55 として算出した。
基準強度の試算結果を表 5 に示した。
(曲げ・縦引張り強度)
1級
:(特級の実験値+2 級の実験値)/2×0.85
3級
:2 級の実験値×0.58
コンストラクション:(2 級)×0.76
(縦圧縮)
スタンダード
:
(2 級)×0.42
ユーティリティ
:
(2 級)×0.20
1級
:(特級の実験値+2 級の実験値)/2×0.95
3級
:2 級の実験値×0.61
コンストラクション:(2 級)×1.14
スタンダード
:
(2 級)×0.94
ユーティリティ
:
(2 級)×0.61
6
表 5 枠組壁工法用製材のスギ、ヒノキ、カラマツに関して試算した基準強度
樹種
試算した基準強度
(N/mm 2 )
縦圧縮
縦引張り
曲げ
等級
甲種
スギ
乙種
甲種
ヒノキ
乙種
甲種
カラマツ
乙種
特級
1級
2級
17.1
17.1
17.1
18.1
17.1
16.2
27.9
25.7
23.6
3級
10.4
9.4
13.7
コンストラクション
スタンダード
ユーティリティ
19.5
16.1
10.4
12.3
6.8
3.2
17.9
9.9
4.7
特級
1級
29.9
26.6
22.8
16.3
35.0
24.8
2級
3級
26.0
15.9
15.5
9.0
23.4
13.6
コンストラクション
スタンダード
29.7
24.4
11.8
6.5
17.8
9.8
ユーティリティ
15.9
3.1
4.7
特級
1級
26.6
19.4
23.8
22.9
13.3
17.4
2級
21.6
12.0
17.0
3級
13.2
6.9
9.9
コンストラクション
24.7
9.1
12.9
スタンダード
20.3
5.0
7.1
ユーティリティ
13.2
2.4
3.4
7
【参考】
表B
「2×4 製材の JAS 規格」甲種枠組材及び乙種枠組材に対応した基準強度
樹種群
区 分
甲種
Dfir-L
乙種
甲種
Hem-Tam
乙種
甲種
Hem-Fir
乙種
甲種
S-P-F
乙種
甲種
W Ceder
乙種
等級
特級
1級
2級
3級
コンストラクション
スタンダ−ド
ユ−ティリティ
特級
1級
2級
3級
コンストラクション
スタンダ−ド
ユ−ティリティ
特級
1級
2級
3級
コンストラクション
スタンダ−ド
ユ−ティリティ
特級
1級
2級
3級
コンストラクション
スタンダ−ド
ユ−ティリティ
特級
1級
2級
3級
コンストラクション
スタンダ−ド
ユ−ティリティ
8
基準強度(N/mm
Fc
Ft
Fb
25.8 24.0 36.0
22.2 16.2 24.6
19.2 15.0 21.6
11.4 8.4 12.6
21.6 11.4 16.2
17.4 6.6 9.6
11.4 3.0 4.2
18.0 13.8 29.4
15.0 8.4 18.0
12.6 6.6 13.8
7.2 3.6 8.4
14.4 4.8 10.2
11.4 3.0 5.4
7.2 1.2 3.0
24.0 22.2 34.3
20.4 15.0 23.4
18.6 12.6 20.4
10.8 7.2 12.0
19.8 9.6 15.6
16.8 5.4 9.0
10.8 2.4 4.2
20.4 16.8 30.0
18.0 12.0 22.2
17.4 11.4 21.6
10.2 6.6 12.6
18.6 8.4 16.2
15.6 4.8 9.0
10.2 2.4 4.2
15.0 14.4 23.4
12.6 10.2 16.8
10.2 10.2 16.2
6.0 6.0 9.6
11.4 7.2 12.0
9.0 4.2 6.6
6.0 1.8 3.6
2
)
Fs
2.4
2.1
2.1
1.8
1.8
3
新しい機械等級区分法(E-rate)の導入に関する検討
製材の日本農林規格(以下、製材 JAS とする)で規定している機械等級区分構造用製材の格付け方
法(以下、E-rate とする)を枠組壁工法構造用製材の日本農林規格(以下、枠組 JAS とする)に導入
することを仮定し、曲げ強度の基準値を試算した結果を表 6 に示した。なお、ここで、各等級の名称お
よびヤング係数の範囲は機械等級区分構造用製材と同様とした。
表 6 各樹種における曲げ強度の等級別の基準値
等級
E50
E70
E90
E110
E130
E150
スギ
構造用製材
算出値
24.0
15.9
29.4
23.3
34.8
30.6
40.8
37.6
46.2
44.9
51.6
51.9
曲げ強度の基準値(N/mm2)
ヒノキ
構造用製材
算出値
13.8
22.2
11.3
30.6
23.2
38.4
34.4
46.8
46.2
55.2
57.4
カラマツ
構造用製材
算出値
13.8
22.2
10.6
30.6
19.1
38.4
27.2
46.8
35.6
55.2
43.7
基準値の算定方法
本算定に使用した強度データは、2 の国産材の基準強度の試算で用いたものと同じである。
まず、ASTM D 1990-07 に従って曲げヤング係数と曲げ強度を含水率 15%に調整した。次に、調整
した曲げヤング係数と曲げ強度との関係を回帰モデル y = a・x + b とし、単回帰分析によって、傾き a、
y 切片 b、標準誤差 Se 求めた。求めた a、b、Se から各曲げヤング係数の水準 MOE における曲げ強度
の信頼水準 75%の許容限界値 TL を次式で算出した。なお、MOE の値は、製材 JAS と同じ各等級の曲
げヤング係数の中央値とした。
TL = b + a・MOE –K・Se
ここで、K は信頼限界係数 K で、ここでは試験体数 n が∞と仮定し、K=1.645 とした。
その結果、
① スギの曲げ強度の基準値は、E150 以外は現行の機械等級区分構造用製材よりもやや低く、その差は
およそ1等級程度だった。
② ヒノキの曲げ強度の基準値は、スギと同様で、現行の機械等級区分構造用製材よりもやや低く、そ
の差はおよそ1等級程度だった。
③ カラマツの曲げ強度の基準値は、現行の機械等級区分構造用製材よりも低く、その差はおよそ 2 等
級分程度だった。
9
表 7 スギの回帰分析の結果概要
回帰統計
項目
相関係数 r
決定係数 R 2
標準誤差 Se
観測数 n
0.62
0.39
8.01
1640
係数
切片
X値1
項目
切片
X値1
標準誤差
11.12
3.67
t
0.94
0.11
P-値
11.80
32.11
0.00
0.00
分散分析表
自 由度
回帰
残差
合計
1
1638
1639
変動
分散
66197.94
105190.9
171388.8
66197.94
64.21909
観測された分散比
1030.814
有意 F
7.4E-176
100
y = 3.67x + 11.12
R² = 0.39
曲げ強度(N/mm2)
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
見かけの曲げヤング係数(kN/mm2)
16
18
図 1 スギの見かけの曲げヤング係数と曲げ強度との関係並びに機械等級区分の基準値
黒線:回帰直線、青線:信頼水準 75%の下側許容限界値、
赤線:製材の日本農林規格の機械等級区分構造用製材の等級に対応した曲げの基準強度
10
表 8 ヒノキの回帰分析の結果概要
回帰統計
項目
相関係数 r
決定係数 R 2
標準誤差 Se
観測数 n
0.68
0.46
9.98
1311
切片
X値1
項目
切片
X値1
係数
標準誤差
-12.99
5.90
1.91
0.18
t
P-値
-6.80
33.25
0.00
0.00
分散分析表
自 由度
回帰
残差
合計
1
1309
1310
変動
分散
109984.2
130249
240233.2
109984.2
99.5027
有意 F
観測された分散比
1105.3386
3.223E-176
100
y = 5.90x - 12.99
R² = 0.46
曲げ強度(N/mm2)
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
見かけの曲げヤング係数(kN/mm2)
16
18
図 2 ヒノキの見かけの曲げヤング係数と曲げ強度との関係並びに機械等級区分の基準値
黒線:回帰直線、青線:信頼水準 75%の下側許容限界値、
赤線:製材の日本農林規格の機械等級区分構造用製材の等級に対応した曲げの基準強度
11
表 9 カラマツの回帰分析の結果概要
回帰統計
項目
相関係数 r
決定係数 R 2
標準誤差 Se
観測数 n
0.70
0.49
9.22
515
切片
X値1
項目
切片
X値1
係数
標準誤差
-3.444
4.238
1.855
0.190
t
P-値
-1.857
22.286
0.064
0.000
分散分析表
自 由度
回帰
残差
合計
1
513
514
変動
分散
42210.89
43600.03
85810.92
42210.89
84.99031
有意 F
観測された分散比
496.65538
1.8817E-77
100
y = 4.24x - 3.44
R² = 0.49
曲げ強度(N/mm2)
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
12
14
見かけの曲げヤング係数(kN/mm2)
16
18
図 3 カラマツの見かけの曲げヤング係数と曲げ強度との関係並びに機械等級区分の基準値
黒線:回帰直線、青線:信頼水準 75%の下側許容限界値、
赤線:製材の日本農林規格の機械等級区分構造用製材の等級に対応した曲げの基準強度
12
【参考】
表 C 「製材の日本農林規格」機械等級区分構造用製材に対応した基準強度
樹 種
等級
基準強度
2
(N/mm )
Fc
E50
あかまつ,べいまつ,ダフ
リカからまつ,べいつが,
えぞまつ及びとどまつ
からまつ,ひのき及びひば
すぎ
Ft
-
Fb
Fs
-
-
E70
9.6
7.2
12.0
E90
16.8
12.6
21.0
E110
24.6
18.6
30.6
E130
31.8
24.0
39.6
E150
39.0
29.4
48.6
E50
11.4
8.4
E70
18.0
13.2
E90
24.6
18.6
E110
31.2
23.4
E130
37.8
28.2
E150
44.4
33.0
E50
19.2
14.4
13.8 目視等級
構造用製
22.2
材にした
30.6 がって、
38.4 樹種ごと
の基準強
46.8
度とす
55.2 る。
24.0
E70
24.0
18.0
29.4
E90
28.2
21.0
34.8
E110
32.4
24.6
40.8
E130
37.2
27.6
46.2
E150
41.4
31.2
51.6
13
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