63-1
一般的な木造建築に起因する環境負荷の低減に向けた
改修による長寿命化と材料再利用に関する研究
大場 文絵 １． 研究の背景と目的 現在，地球規模で，天然資源の枯渇，環境破壊など の環境問題が深刻化し，先進国はもちろん発展途上国 においても持続可能な発展が望まれている．わが国で は，産業廃棄物の最終処分場等の新規立地は困難な状 況で，その残余容量は逼迫している．特に建設産業は， 産業廃棄物の排出量，最終処分量ともに全体の約 2 割 を占めており，先導的な役割が求められている．天然 資源が極めて少ないわが国も，持続可能な発展のため に 3R の取り組みを充実させ，廃棄物などの循環資源が 適正かつ有効に利用・処分される「循環型社会」を構 築する必要がある． このような中，例えば米国では，建築発生木材を再 び市場に戻す試みなど，さまざまな取り組みが進んで いる．わが国でも建設リサイクル法の運用など，行政 による対策が講じられている1)が，コンクリート塊やア スファルト・コンクリート塊に比べ，木材の再資源化 率はいまだに比較的低く，木造建築が多い国として改 善の余地があると考えられる． 本研究では，一般的な木造建築に起因する環境負荷 の低減を目指し，改修による建築物の長寿命化に役立 つ構造解析法の検討や，解体材料のカスケード利用に 関する検討を行った． ２．一般的な木造建築に起因する環境負荷の低減を阻 害する要因 2.1 製材から使用までの問題点と課題 日本の建築用木材の流通は，現在はプレカット工場 を通じた流通が主であり，木材再利用の拡大が可能か 否かは，プレカット工場の協力が得られるか否かに大 きく左右される．既に用いられた木材を，再び資材と して利用するためには，プレカット工場での再加工が 一番効率のよい手段である．だが，中古木材の場合， 変形や金具の残留状況から，機械での加工が困難なた め，プレカット工場での再加工もうまくいっていない． プレカット工場では現在，一度市場に出回った材のリ ユースより，加工不良品のリユース，工場で発生した 短材や鋸屑の回収・再利用に力を入れている． プレカット工場に限らず，木材の再加工やリユース の規模を拡大するには，金具の除去や，材のサイズを ある程度一定にするための規格化，中古木材の需要の 拡大などが課題といえる． 2.2 木造建物の長寿命化を図る上での問題点と課題 木造建築では，階数が 2 以下で，延べ床面積が 500m2 以下の住宅などの小規模な構造物では，建築基準法に 定める柱の最小寸法の規定，地震や風に対する構造耐 力上必要な壁または軸組みの所要量などの条件を満た せば，特に構造計算を行わずに建築してよいことにな っている2)．また，既存の木造建築に関する，改修や改 築の体系，劣化診断の方法およびメンテナンスの適正 な時機の検討が十分でないことも，木造建築の長寿命 化を促進するシステムの構築を妨げる要因となってい る． 2.3 建物の解体，建材のリユース・リサイクルを行う 上での問題点と課題 リユースやリサイクルのための材の品質を考慮した 場合，回収材の割れ・欠損・釘の残留などは，極力抑 える必要がある．また，そのような欠陥がある材をリ ユースするには，欠損部分や金具のある箇所を切りと るなどの適切な処置をする必要がある．コスト面では， 解体や材の補修に人件費や時間がかかること，作業が 煩雑になること，資材の保管場所の確保が必要である ことなどが課題である． 米国では，解体した建材を非営利団体に寄付するこ とで，税控除が受けられるという制度がある．この税 控除制度を利用することで，解体の際に利益が生まれ ている．また，米国の非営利団体では，解体した建材 を，ホームセンターのような小売店で販売している． これらの建材は，加工を釘や装飾を除くなどの最小限 に限定することで，コストを抑えている．また，建物 の解体の際，ボランティアの協力を得ることで人件費 を削減している．加えて，建材としての品質が確保で きないような材を，DIY 向けにカスケード利用し，古 材の需要を確保している． 2.4 建材の処分を行う上での問題点と課題 日本では建設リサイクル法によって，「建設発生木 材については工事現場から 50km 以内に再資源化施設63-2 がない場合は縮減（単純焼却処分）をしてよい」と規 定されている．縮減が容認されていること，再資源化 施設の普及が遅れており，材の運送費用がかかること などが，木材の再資源化を阻害していると考えられる． ３．築 50 年を超える教会建築の保全に向けた取組 3.1 劣化状況調査により得られた腐食の被害傾向 木造建築の長寿命化には，適切なメンテナンスを定 期的に行うことが必要である．また，適切なメンテナ ンスを行うためのコストや時間を最小限にするには， 腐食被害の傾向を把握することが有効である．腐食被 害の傾向を得るため，築 50 年を超えた洋風木造建築で ある，鹿児島市から移築中のザビエル聖堂（写真 1）と 福岡の浄水通りカトリック教会（写真 2）を対象に劣化 状況調査を行った結果，以下の傾向が得られた3)． ・ 土台や床下は，高湿度のため腐朽しやすい ・ 外部に面している柱や梁は，雨漏り・表面被覆によ る高湿度・内外の温度差による結露などから，腐朽 被害が多い ・ 屋根部分（特に野地板）の被害が多い ・ 材の接合部や隅角部は，外部からの影響・湿度のた まりやすさから，被害が発生しやすい ・ トラスなどの内部は，外部からの影響を受けにくい ため，劣化の進行が遅い 以上の劣化傾向から木造建築の長寿命化には，土台， 外部に面している屋根・柱・梁，表面被覆のある箇所， 材の接合部および隅角部を重点的に管理することが有 効と考えられる． 3.2 木造住宅の耐震診断 国土交通省監修の「木造住宅の耐震診断と補強方法」 4)では，以下の 3 つの診断法が提案されている． (1)誰でもできるわが家の耐震診断 (2)一般診断法 (3)精密診断法 さらに，(3)の精密診断法については以下の 4 つに分 類される． (3-1)保有耐力診断法（精密診断法 1） (3-2)保有水平耐力計算による方法（精密診断法 2） (3-3)限界耐力計算による方法（精密診断法 2） (3-4)時刻歴応答計算による方法（精密診断法 2） (1)は一般ユーザーを，(2)は建築士および建築関係者 を，(3)は建築士をそれぞれ診断者として想定している． (2)では，対象建物を重量により 3 種類に分類し，床 面積を元に，必要耐力を算定する．重量による区分が 大まかであるため，詳細な診断が困難であるという問 題点がある．また，劣化度により耐力を低減する診断 が含まれているが，劣化があるかないかという判断基 準しかないため，精度があまり期待できない．安全側 に診断されるが，「倒壊の可能性がある」という判定に なりやすいため，精密診断が必要となるケースが多い． (3-1)については，構造体の詳細な工法を知る必要が あり，また，重量の算出をする際に，材料によって重 量を細かく分類できないという問題点がある．精密診 断法 2 に関しては，留意点がいくつかある以外は特に 細かい規定はなく，診断者の判断に委ねられていると もいえる． 一方，「大阪府 木造住宅の限界耐力計算による耐震 診断・耐震改修に関する簡易計算マニュアル」5)で提案 されている耐震診断法は以下の手順による． 1)各階の復元力特性の作成 2)変形モードの算出 3)一質点系への縮約 4)応答値の算出 この方法で耐震診断を行う場合，対象建築物を平屋 モデルに置換するか，一質点系に縮約する必要がある． したがって，この耐震診断法を 1 階建て部分と 2 階建 て部分が共存する建物に適用するには，1 階建て部分と 2 階建て部分を切り離して考える必要があるが，その場 合，切り離した部分間での力の伝達と変形の連続性が 不明瞭になってしまう． このように，1 階建て部分と 2 階建て部分が共存する 木造建築についても，可能な限り共通の方法で耐震診 断を行うには，本節で述べた診断法では不十分である と考えられる． 3.3 浄水通りカトリック教会の構造解析 3.3.1 解析対象 1 階建て部分と 2 階建て部分が共存する木造建築の 耐震診断を行うための検証を行った．解析対象とした 建築物は，1951 年に福岡市に建堂された地上 2 階，高 さ 8.49ｍの教会堂で，洋風木造建築である．平面図を 図 1 に示す． 写真 1 ザビエル聖堂外観 写真 2 浄水通教会外観
63-3 3.3.2 静的荷重増分解析 解析の手順を図 2 に示す．まず，部材の復元力特性 を決定し，それをもとに静的荷重増分解析を行い，層 せん断力と層間変形の関係を求めた．荷重増分解析に は，構造計画研究所製静的立体弾塑性解析プログラム RESP-F3 を使用した．耐震要素として，モルタル塗り 壁と木造架構を考慮した．モルタル塗り壁と木造架構 を柱要素に線材置換した立体モデルにより荷重増分解 析を行い，安全限界耐力（保有水平耐力）を算出した． 架構は，各層床レベルを剛床と仮定した立体骨組みモ デルとする．ただし，図 1 の B の部分は吹き抜けとな っているため，2 階床レベルに床の設定は行っていない． モルタル塗り壁の復元力特性の決定は，「大阪府 木造 住宅の限界耐力計算による耐震診断・耐震改修に関す る簡易計算マニュアル」等5)6)を参考にし，開口のスパ ンの分の耐力を壁の耐力から低減した．木造架構の復 元力特性の決定は静的解析により行った．解析には， 文献 7)に付属する解析プログラムを使用した．部材の 耐力は，モルタル塗り壁は曲げ弾塑性，木造架構は曲 げ弾性とする．木造架構を曲げ弾性とした根拠として， 荷重増分解析において得られた層せん断力を，木造架 構のみが負担していると仮定して水平荷重を分配した 場合に，木造架構が降伏しないことを確認した．なお， 図 1 の B の部分は，C の 2 階床レベルの階高 3.21m の 位置で上下に分け，A，B の 3.21m より下部および C の 1 階部分を 1 層目とし，B の 3.21m より上部と C の 2 階部分を 2 層目として復元力特性を算出した． 次に，荷重増分解析の結果を用いて，建物の復元力 特性をトリリニア型のスケルトンカーブにモデル化し た．モデル化の方法としては，第 1 折点と第 3 点を指 定した後，包絡面積が等しくなるように第 2 折点を指 定した．なお，本解析では第 3 折点を各解析モデルの 1 層での層間変位が階高の 1/15 となる点とした．荷重増 分解析で得られた復元力特性を図 3 に示す． 3.3.3 時刻歴応答解析 最後に時刻歴応答解析を行い，入力地震波に対する 建物の応答を調べた．入力地震波は，解析によく用い られる観測地震波形のうち EL CENTRO 波，TAFT 波， HACHINOHE 波の 3 波を使用した．観測波の最大速度 は，レベル 1 で 25cm/sec，レベル 2 で 50cm /sec とした． 図 1 浄水通りカトリック教会 平面図 A:1 階建て部分（H = 3.21m） B:1 階建て部分（H = 8.49m） C:2 階建て部分（H1 = 3.21m H2= 5.28m） X Y 図 2 解析フロー 外力 層せん断力－層間変位関係 各層の復元力特性 入力地震動に対する建築物の応答 静的荷重増分解析 時刻歴応答解析 部材の復元力特性 復元力特性の設定 DISPLACEMENT (TOTAL) SH EA R ( TOTAL ) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 x10 (cm)1 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 x10 (t)1 ZS1 ZS2 DISPLACEMENT (TOTAL) S HEAR (TO T A L ) 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 x10 (cm)1 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 x10 (t)1 ZS1 ZS2 Y 方向 復元力特性 X 方向 復元力特性 図 3 復元力特性 図 4 X 方向層せん断力－層間変形角 1/15rad 1/30rad 1/120rad 図 5 Y 方向層せん断力－層間変形角
○EL CENTRO NS 25kine
△TAFT EW 25kine
□HACHINOHE NS 25kine
●EL CENTRO NS 50kine ▲TAFT EW 50kine
■HACHINOHE NS 50kine
1層 2層
○EL CENTRO NS 25kine
△TAFT EW 25kine
□HACHINOHE NS 25kine
●EL CENTRO NS 50kine ▲TAFT EW 50kine
■HACHINOHE NS 50kine 1層 2層 0 20 40 60 80 100 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 層せん 断力( kN ) 層間変形角（rad) 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 層せん 断力（ ｋ N ) 層間変形角(rad)
63-4 外力分布は設計用地震層せん断力分布とした． 時刻歴応答解析の解析条件を以下に示す． a) 履歴特性は原点指向型とする． b) 解析手法はニューマークβ法（β=0.25）による直 接積分法とし，解析方向は X，Y の 2 方向とする． c) 減衰タイプは一般に広く利用されている剛性比例 減衰を用いた．減衰定数は 0.03 とする． 解析には，構造計画所製 質点系振動解析プログラム RESP-M2 を使用した．なお，時刻歴応答解析の際，各 層をそれぞれ質点に変換して，建物全体の応答を算出 しているが，荷重増分解析の際と同様に，1 層目・2 層 目を区分している． 荷重増分解析により得られた層せん断力－層間変形 角関係を図 4 および図 5 に示し，時刻歴応答解析を行 った結果を各図中にプロットした． 層間変形角の最大応答値は，X 方向がレベル 1 で 1/31rad，レベル 2 で 1/16rad，Y 方向がレベル 1 で 1/34rad， レベル 2 で 1/16rad となっている．木造建築の損傷限界 変位は 1/120rad，安全限界変位は 1/15rad である．ただ し，最大応答変位が 1/30rad を超える建物は，軸組を構 成する耐震要素によって倒壊の恐れがあるため，1/30 ～1/15rad は条件付きの安全限界範囲とされている．今 回の解析で，対象建築物は損傷限界以内にはおさまら なかったが，軸組を構成する耐震要素の変形能力が大 きければ，安全限界の範囲内におさまることが明らか になった．さらに精密な診断を行うには，材の劣化や 小屋組の剛性，基礎への固定状況などを実状により近 づける必要がある． ４．木造建築構成材のリユース 4.1 木材のリユースに向けた問題点 2 章で述べたように，回収材の割れ・欠損・釘の残留 などは，木材のリユースの阻害要因となる．また，3 章で述べたように，土台や外部に面した材などは，腐 食が発生する可能性が高い．腐食のある材は，リユー スの対象とすることは難しく，材の寸法を考慮する前 に，腐食の状態をチェックする必要がある． 4.2 カスケード利用の検討と提案 材の断面および長さ8)，腐食や欠損の有無，再利用時 に受ける応力などを考慮した結果，図 6 に示すような 手順でカスケード利用を行うことが効率的と考えられ る． ５．まとめ 本論文では，一般的な木造建築に起因する環境負荷 の低減に向け，その阻害要因を抽出した．また，築 50 年を超えた木造教会建築の劣化状況調査を通じ，重点 的にメンテナンスを行う必要のある箇所を考察した． 加えて，現行の木造建築の耐震診断法では診断が困 難であった事例に関する耐震診断法を検討した． さらに，木造建築構成材のリユースに向け，カスケ ード利用の促進のための検討と提案を行った．得られ た知見を以下に示す． 1. 木造建築の長寿命化のために，重点的に管理するこ とが有効と考えられる箇所は，土台，外部に面して いる屋根・柱・梁，表面被覆のある箇所，材の接合 部および隅角部である． 2. 木造耐震診断法の要素復元力特性と，解析プログラ ムによる静的荷重増分解析・時刻歴応答解析により， これまで耐震診断が困難だった 1 階建て部分と 2 階 建て部分が共存する木造建築に関する耐震診断を， 提案する方法で実施できる可能性が確認された． 3. 断面，長さおよび再利用時に受ける応力などを考慮 したカスケード利用法の提案を行った． 謝辞 本論文の研究にあたり，桃李舎の桝田洋子氏，鹿児島大学名誉 教授の土田充義先生，冨士産業株式会社代表取締役の塚本要二郎 氏には多大なるご助力を賜りました．また，ザビエル聖堂再生プ ロジェクトの関係各位には調査にあたり，多大なご協力を賜りま した．末尾ながらここに記してお礼を申し上げます． 参考文献 1) 大場文絵：日米における木造建築構成材のリユースの現状に関 する調査研究，平成 20 年度九州大学学士論文，2009 年 2) 佐治泰次，松藤泰典：建築構法，理工学社，2005 年 4 月 3) Fumie Ooba : Consideration of Long-term Conservation of the
General Wooden Structures in Japan-Deterioration Research of Churches Aged over 50 Years-, Journal of Habitat Engineering vol.2 No.2, pp135-144, September 2010. 4) 財団法人 日本建築防災協会：木造住宅の耐震診断と補強方 法，2006 年 9 月 5) 社団法人大阪府建築士会：大阪府 木造住宅の限界耐力計算に よる耐震診断・耐震改修に関する簡易計算マニュアル，平成 22 年 10 月 6) 木造軸組構法建物の耐震設計マニュアル編集委員会：伝統工法 を活かす木造耐震設計マニュアル，学芸出版社，2006 年 6 月 7) 藤谷義信，藤井大地，野中哲也：パソコンで解く 骨組の静的・ 動的・弾塑性解析，丸善株式会社，平成 13 年 3 月 8) 杉山英男：デザイナーのための木構造，1994 年 4 月 図 6 カスケード利用のフローチャート 断面 45×105～120×120 通し柱 元の長さ約 7m 管柱 元の長さ約 3.2m 圧縮筋交い 元の長さ約 3.6～4m 真づか 元の長さ約 2.3～4m ◎間柱 長さ約 1.3～1.6m 断面 30×30～45×45、30×120 (筋かいなしの場合 3.2m) ☆小屋束 長さ約 0.9～7.2m 断面 90×90～105×105 ※腐朽が予想される材 ＊欠損が予想される材 ☆短材として利用される材 ◎強度が重要視されない材 曲げ 圧縮 ☆火打ち梁 長さ約 1.3m 断面 90×90～105×105 ☆※火打ち土台 長さ約 1.3m 断面 90×90～105×105 ☆床づか 長さ約 0.3～0.8m 断面 90×90～105×105 カット後 約 2.4～2.8m（開口・垂れ壁等なしの時） 約 2.2m（ドアなどの出入り口あり） 面外曲げ ◎胴縁 長さ約 2～3.65m 断面 18×45～45×45 断面 90×90～165×420 ＊大梁 元の長さ約 1.8～5.4m ＊小梁 元の長さ約 1.8～4.5m 桁 元の長さ約 3～4m 胴差し 元の長さ約 3～4m 棟木 元の長さ約 3～4m 大引き 元の長さ約 3.6～4m 母屋 元の長さ約 3～4m ☆◎窓まぐさ 長さ約 1.8m 断面 50×140 ☆◎窓台 長さ約 1.8m 断面 50×140 ろく梁 元の長さ約 9m 断面 105×105~120×120 合掌材 元の長さ約 5～9m 断面 105×105～120×150 ※2 階床根太 長さ約 1.8～4m 断面 45×105 ※1 階床根太 長さ約 1.8～4m 断面 45×45 ほぞ穴を避けて カット後 約 1.8m 釘などを避けて カット後 約 3～4m ※野地板 長さ約 2m 断面 15×105 ※垂木 長さ約 3～4m 断面 45×45～45×75
