PDF Clt 床版を用いた林道橋の補修設計と解析 - 北海道大学

CLT 床版を用いた林道橋の補修設計と解析

岡本涼太郎

¹

・佐々木貴信

²

・澤田 圭

³

・大橋義徳

⁴

・宮内輝久

⁵

・加藤貴博

⁶

1非会員 北海道大学大学院 農学院（〒060-8589 札幌市北区北9条西9丁目）

E-mail: [email protected]

2正会員 北海道大学大学院 教授 農学研究院（〒060-8589 札幌市北区北9条西9丁目）

E-mail: [email protected] (Corresponding Author)

3非会員 北海道大学大学院 講師 農学研究院（〒060-8589 札幌市北区北9条西9丁目）

E-mail: [email protected]

4非会員 北海道立総合研究機構林産試験場（〒071-0198 旭川市西神楽1線10号）

E-mail: [email protected]

5非会員 北海道立総合研究機構林産試験場（〒071-0198 旭川市西神楽1線10号）

E-mail: [email protected]

6非会員 （株）ダイヤコンサルタント 北海道支社（〒001-0010 札幌市北区北10条西2丁目13-2） E-mail:[email protected]

CLT（直交集成板）はその軽さの特徴から土木分野への利用も期待されている。例えば、既設橋梁の劣 化したコンクリート床板を取替える際に、軽量なCLTで代替することができれば、コンクリート床板の増 厚に伴う重量増加に対応するための鋼桁の補強が不要となり、安価に改修を行うことができる可能性があ る。本研究では、床版取替の補修工事が計画されている北海道内の林道橋を対象に、CLT床版への取替え にの可能性について、有限要素法を用いた解析により検討した。

Key Words: cross laminated timber, floor slab, repair, finite element method

1.

はじめに

近代木橋の材料として用いられている集成材は，木材 のひき板（ラミナ）の繊維方向を平行にして積層接着し た長尺の木質材料であるのに対し，直交集成板（

CLT

：

Cross Laminated Timber

）は，ラミナの繊維方向が直交する ように積層接着した木質材料であり，コンクリートスラ ブのような厚みのある大きな板を製造することができる ことから，中大規模建築に対応した新たな木質材料とし て注目されている．わが国では

2013

年に

CLT

の製造規 格となる

JAS

（日本農林規格）¹⁾が制定され，

2016

年に は設計に必要となる基準強度に関する建築基準法告示が 整備されるなど，国をあげて

CLT

の普及に向けた取り 組みがなされている．北海道でも，北見市の集成材工場 が

2017

年に

JAS

認定を受け，道産

CLT

の生産を開始し ている．

CLT

はコンクリート並みの強度を持ちながら重量が

1/5

以下と軽量で，その軽さの特徴から輸送面や施工面 における優位性があり，建築分野だけでなく土木分野へ

の利用も期待されている．例えば，既設橋梁の劣化した コンクリート（

RC

）床版を取替える際に，軽量な

CLT

で代替することができれば，改修時にコンクリート床版 の増厚に伴う重量増加に対応するための鋼桁の補強が不 要となり，工事費を抑えられる可能性がある²⁾．北海道 内の道有林に

1980

年に架設された林道橋は施工後

41

年 を経過しており，使用部材の経年劣化等により，現在，

補修工事が計画されている．この林道橋（

H

形鋼橋梁）

には床版に角材を敷並べた木床版が使用されており，こ れを一般的な

RC

床版へ取替えた場合，死荷重が増加し 補修が困難であることから，

CLT

床版の採用が検討され ている．本研究では，本橋の上部工に注目し，汎用有限 要素解析ソフトウェアを用いて，

CLT

床版を支持する縦 桁の構造を変化させて，支持条件と変形や応力の関係を 観察し，最適な改修構造について考察した．

2.

対象橋梁

対象橋梁は，北海道赤平市の道有林の林道橋であり，

橋長

6.8m

，幅員

3.8m

，設計荷重

88kN

の

H

形鋼を用いた 桁橋構造である．図-1，図-2および図-3に現橋の断面図 および写真を示す．

2

本の主桁（

H400

×

300

）を繋ぐ横 桁（

H300

×

200

）上に配置された

7

本の縦桁（

H200

×

100

） と主桁上部の枕板（製材

100

×

250

）で厚さ

100mm

の木 床版（角材が橋軸方向に並ぶ）を支持する構造である．

また，床版上面には木舗装として厚さ

40mm

の製材が幅 員方向に敷並べられ，アスファルト舗装等は敷設されて いない．橋梁点検の結果では，これらの部材のうち，縦 桁と木床版、舗装のための製材が腐食・腐朽等により要 補修（取替え）の判定がなされている．

図-1 対象橋梁の断面図

図-2 現橋の調査状況

図-3 現橋の構造

3.

モデル解析

汎用有限要素解析ソフトウェア

COMSOL Multiphysics®

Version 5.6

を用いて，

CLT

床版を用いた対象橋梁の補修 案の検討を行った．補修案では主桁上の枕板（図-1）を コンクリートとすることとした．また，鋼材およびコン クリート部材は等方性材料とし，

CLT

は

3

軸直交異方性 材料として解析した．各材料の材料定数を表

-1

に示す．

なお，

CLT

は改修後に確保する幅員や既往の研究²⁾を参 考に，長さ

4.2m

×幅

1.13m

×厚さ

180mm

，異等級構成の

5

層

5

プライ（

Mx60-5-5

）¹⁾のスギ

CLT

を仮定した．スギ

CLT

の材料定数に関して，強軸方向の曲げヤング係数

（Ex）と弱軸方向の曲げヤング係数（Ey）は

CLT

強度デ ータ収集事業³⁾において求められた実験値を用い，その 他の定数は実験値をもとに木質構造設計規準・同解説⁴⁾ を参考に算出した．ここで，

CLT

の強軸方向は，外層ラ ミナの繊維方向であり，床版は

CLT

を橋軸方向に敷並 べる設計とするため，床版支間方向（幅員方向）が強軸 方向となる（図-4）．鋼材、コンクリートについては道 路橋示方書・同解説⁵⁾および林道必携 ⁶⁾の値を参考にし た．解析では，木床版を

CLT

床版に変更した補修後の 対象橋梁を

3D

モデル化し，床版上面に設計活荷重の後 輪荷重を載荷し（図-4），その応答値の最大応力度と

CLT

床版の設計許容応力度を比較した．

CLT

床版の許容 応力度は，

CLT

関連告示等解説書に示される方法により 強軸方向，弱軸方向の曲げ強度をそれぞれ算出し，これ らに各種調整係数を乗じることで算定した（表-2）．

表-1 使用部材の材料定数

CLT RC 鋼材

密度（kN/m³） ρ 4.5 23.0 77.0

ヤング係数

（N/mm²）

Ex 6,000

25,000 200,000 Ey 2,160

Ez 240 せん断弾性係数

（N/mm²）

Gxy 272

11,000 79,000 Gyz 144

Gxz 400 ポアソン比

νxy 0.016

0.20 0.30

νyz 0.016 νxz 0.016

表-2 CLTの許容応力度 スギCLT

Mx60-5-5

幅員方向

（強軸方向）

橋軸方向

（弱軸方向）

曲げ強度 10.4 N/mm² 2.0 N/mm²

荷重継続期間影響

係数（長期） 1.1

3 含水率影響係数 0.85

許容応力度 3.24 N/mm² 0.62 N/mm²

図-4 CLT床版と載荷位置

(1) 予備解析

前述のように，床版支間方向（幅員方向）が

CLT

の 強軸方向となり，橋軸方向がヤング係数の低い

CLT

の 弱軸方向となる（図-4）．一般的な

RC

床版の場合，橋 軸方向への床版の連続性は保たれているが，

CLT

床版の 場合，橋軸方向に並ぶ

CLT

が縦桁のみで支持されたと きに，ヤング係数の低い

CLT

の弱軸方向の影響で，と なり合う

CLT

床版の連続性が問題となる可能性が考え られる．そこで，予備解析として，

CLT

床版一枚を取り 出し，強軸方向のみを縦桁で支える二辺支持モデルと，

強軸方向を縦桁で，弱軸方向を横桁でそれぞれ支える四 辺支持モデルを作成し，支持条件の違いによる応力と変 位の比較を行った．

図-5に示すように

A

タイプでは

CLT

の強軸方向を

1.2m

間隔の

4

本の主桁で単純支持し，

B

タイプでは主桁での 支持に加えて，

CLT

の弱軸方向を主桁と同じ上面高さの 横桁で支持することを想定したモデルを作製した．

3

等 林道橋の設計活荷重の後輪荷重

88kN

（表-3）⁵⁾を床版上 面に載荷し，二つのタイプの変位および曲げ応力の応答 値を比較した．

A. 二辺支持 B. 四辺支持

図-5 二辺支持と四辺支持

(2) 全体モデル解析

対象となる橋梁は図-1に示したように橋長

6.8m

，幅員

3.8m

の桁橋で，

2

本の主桁，

6

本の現行横桁，その上に

7

本の縦桁（何れも

H

形鋼）が並んでいる構造である（図 -3）．補修案では，既設の縦桁と木床版を撤去し，新た

に設置する縦桁に

CLT

床版を幅方向に

6

枚敷並べる設計 とした．図-6に示すように，現橋の縦桁を残したまま

CLT

床版を支える二辺支持タイプ（Ⅱ-1），縦桁を減ら し幅員方向に追加横桁を追加し

CLT

床版を四辺全てで 支える四辺支持タイプ（Ⅳ

-1

），また，さらに縦桁を減 らした構造で二辺支持と四辺支持の

2

つのタイプ（Ⅱ

-2

，

Ⅳ-2）の

4

つのタイプの解析モデルを作成した．ここで，

追加した追加横桁の断面寸法は縦桁と同じ（

H200

×

100

） とし，現行横桁と追加横桁の位置関係を図

-7

に示す．各 部材の材料定数，部材同士の境界条件等を設定し，各タ イプの

3D

モデルをソリッド要素で作製した（図-8）．

解析では，床版と鋼桁，枕板と鋼桁，鋼桁同士は剛結合 で設定した．また，自重による死荷重および，設計活荷 重による一組の後輪荷重を最も不利になる位置に載荷し た．なお，設計荷重は林道規定に示される橋格別の設計 荷重（表-3）を用いた．解析後，

4

つのタイプの構造の 違いによる変位の比較や，応答値と許容値の比較を行っ た．

図-6 全体モデル

図-7 鋼桁の位置関係（Ⅱ-2タイプ）

1,130

4,200 180

載荷幅：500×200

（単位：mm）

Ⅱ-1 二辺支持 Ⅳ-1 四辺支持

Ⅱ-2 二辺支持 Ⅳ-2 四辺支持

現行横桁

(H300×200)

追加横桁

(H200×100)

縦桁

(H200×100)

図-8 全体モデルのメッシュ分割

表-3 設計活荷重

橋格 1等林道橋 2等林道橋 3等林道橋

設計荷重 245kN 137kN 88kN

後輪荷重 98kN 54.9kN 36.5kN

4.

解析結果

(1) 予備解析

CLT

床版一枚を取り出し，強軸方向のみを縦桁で支え る二辺支持モデル（

A

タイプ）と，強軸方向を縦桁で，

弱軸方向を横桁でそれぞれ支える四辺支持モデル（

B

タ イプ）の解析結果（変位分布）を図-9および図-10に示 す．

これらの結果を，載荷位置に着目して，

CLT

の幅方向 の中央位置での強軸方向（幅員方向）の鉛直変位分布を 比較した結果を図-11に示す．同様に荷重載荷位置に着 目して，弱軸方向（橋軸方向）の鉛直変位分布を比較し た結果を図-12に示す．これらのグラフより、四辺支持 のほうが鉛直変位が小さいことが分かる。また，支持さ れていない

CLT

の弱軸方向の鉛直変位が0.3mm程度生 じていることが分かる．0.3

mm

という差は実用上あまり 問題のない程度と考えられるが，今回の予備解析は床版 中央部分に荷重を載荷したものであり，

CLT

の境界部分 に当たる床版端部に荷重が載荷された場合，さらに大き な鉛直変位が生じることが予想される．そのため，隣接 する

CLT

の境界部分において鉛直変位の差が生じ，床 版の連続性が保てない可能性がある．したがって，これ らの予備解析の結果から四辺支持の必要性が示唆された．

表

-4

に両タイプの最大変位および最大応力の結果を示す．

最大変位は支間長（

L=1.2m

）に対して

L/700

程度と十分 小さいことが分かり，最大応力は両タイプの支持条件の 違いによる大きな差はないという結果になった．

図-9 Aタイプ（二辺支持）の変位分布

図-10 Bタイプ（四辺支持）の変位分布

図-11 幅方向中央の幅員方向鉛直変位

図-12 載荷位置での橋軸方向鉛直変位

-1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

0 0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6

鉛直変位(mm)

ｘ座標(m) 二辺支持(A-type) 四辺支持(B-type)

-1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

0 0.28 0.56 0.84 1.12

鉛直変位(mm)

ｙ座標(m) 二辺支持(A-type) 四辺支持(B-type)

単位：mm

単位：mm

表-4 予備解析結果 Type

最大応力（N/mm²）

最大変位

（mm） 弱軸方向

（橋軸方向）

強軸方向

（幅員方向）

A 3.02 8.36 1.71

B 3.20 8.26 1.64

(2) 全体モデル解析

全体モデル解析における結果の一例として，Ⅳ-1タイ プ（四辺支持，図-6）の

CLT

床版全体の鉛直変位分布を 図-13に示す．また，各タイプの鉛直変位を，載荷位置 に着目して，強軸方向（幅員方向）の分布で比較した結 果を図-14に示す．縦桁が最も多い既設の構造のⅡ

-1

タイ プ（二辺支持）が変位が最も小さく，Ⅱ

-2

タイプ（二辺 支持）の変位が最も大きく（Ⅱ

-1

タイプの

35

％増）なっ た．また，縦桁を減らし，追加横桁を加えたⅣ-1タイプ の変位は，Ⅱ-1タイプと同等であり，Ⅱ-2タイプと同じ数 の縦桁に追加横桁を加えたⅣ

-2

タイプの変位はⅡ-1タイ プの

26

％大きかった．

図-13 Ⅳ-1タイプ（四辺支持）の変位分布

図-14 幅員方向鉛直変位

4

つのタイプの最大応力の結果を表

-5

に示す．表中に 示した許容値は，表

-2

に示した

CLT

の設計用許容応力度 である．

3

等林道橋に相当する設計荷重

88kN

ではⅡ-1タ イプおよびⅣ

-1

タイプで許容値を満たしたが，

2

等林道 橋の設計荷重

137kN

および

1

等林道橋の設計荷重

245kN

では橋軸（弱軸）方向で許容値を上回る結果となった．

最大変位については，最も変位の大きかったⅡ

-2

タイプ でも支間長（

L=6.6 m

）に対して

L/1400

程度と十分小さ い結果になった．

既設の対象橋梁は設計荷重

88kN

の

3

等林道橋である

が，

137kN

やそれ以上の設計荷重に耐えられるようにす

るには、

CLT

の樹種や床版厚，層構成を変えることで対 応可能である．今回の解析では，

5

層

5

プライ（

Mx60-5- 5

）¹⁾のスギ

CLT

を想定したが，

CLT

の層構成と曲げ強度 の関係は表

-6

のようになり，要求される強軸および弱軸 方向の曲げ強度に対して対応する層構成を選択可能であ る．またカラマツのような曲げヤング係数の高い樹種で あれば，上位等級の

Mx90

といった

CLT

の選択も可能で あり，設計の自由度は比較的高いと考えられる．

表-5 全体モデル解析結果

設計

荷重 Type

最大応力（N/mm²） 弱軸方向

（橋軸）

強軸方向

（幅員）

88kN

Ⅱ-1 0.56 0.99

Ⅳ-1 0.53 0.85

Ⅱ-2 0.73 1.56

Ⅳ-2 0.79 1.45

137kN

Ⅱ-1 0.75 1.44

Ⅳ-1 0.78 1.21

Ⅱ-2 1.09 2.33

Ⅳ-2 1.18 2.16

245kN

Ⅱ-1 1.18 2.42

Ⅳ-1 1.34 2.02

Ⅱ-2 1.94 4.13

Ⅳ-2 2.10 3.84

許容値 0.62 3.24

は，許容値を越えるもの

表-6 CLTの層構成と曲げ強度 層構成

曲げ強度 N/mm² 強軸 弱軸

5層5プライ 10.4 2.0

5層6プライ 11.7 3.5

7層7プライ 8.9 3.8

9層9プライ 7.9 3.2

単位：mm

-2.8 -2.6 -2.4 -2.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1

0 1.05 2.1 3.15 4.2

鉛直変位(mm)

x座標(m)

二辺支持(Ⅱ-2) 四辺支持(Ⅳ-2) 二辺支持(Ⅱ-1) 四辺支持(Ⅳ-1)

5.

まとめ

直交集成板（

CLT

）の橋梁床版への利用の有用性を明 らかにすることを目的として，補修工事が計画されてい る小規模林道橋を対象として，汎用有限要素解析ソフト ウェアを用いた試設計を行った．

CLT

床版を支持する縦 桁や横桁の構造を変化させて，支持条件と変形や応力の 関係を観察し，最適な改修構造について考察した．本研 究で得られた結果を以下に示す．

・主桁や縦桁のみで支持される二辺支持構造では，強軸 方向に並ぶ

CLT

パネルの境界部分において鉛直変位の 差が生じ，床版の連続性が保てないため，四辺支持の必 要性が示唆された．

・

CLT

床版のたわみは，二辺支持構造の方が大きい傾向 があったが．縦桁数が多い場合は同等であった．

・

CLT

床版の応力は設計荷重が大きくなると，仮定した

CLT

の等級では橋軸方向で許容値を満たさなかった．た だし，

CLT

の層構成や樹種などを変更することで，上位 の設計荷重への対応は可能であると考えられた．

謝辞：本研究は

JSPS

科研費

21H01412

の助成を受けたも のです。

REFERENCES

1) 農林水産省：JAS 3079 日本農林規格，直交集成板，

2019. [Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries:

JAS(Japanese Agricultural Standards) 3079, Cross Lami- nated Timber, 2019.]

2) 荒木昇吾，佐々木貴信，林知行：CLTを用いた既設 橋梁の床版取替えに関する一考察，土木学会年次学 術講演会，70th,V-393, 2015. [Araki, S., Sasaki, T. and Hayashi, T.: A study on Replacement of Floor Slab of Ex- isting Bridge Using CLT, Proceedings of the 70th Annual Conference of the Japan Society of Civil Engineers, V-393, 2015. ]

3) 平成27年度林野庁委託事業 CLT等新たな製品・技 術の開発・普及事業（CLT 強度データ収集）成果報 告 書 ，2016. [Development and dissemination of new products and tech-nology (CLT strength data collection) results report, 2016.]

4) 日本建築学会：木質構造設計規準・同解説－許容応 力度・許容耐力設計法－，丸善，2006. [Architectural Institute of Japan: Standard for Structural Design of Tim- ber Structures, 2006.]

5) 日本道路協会：道路橋示方書・同解説Ⅰ共通編，

p.17, 2012. [Japan Road Association: Dorokyo-shihosyo &

Doukaisetsu I Kyotsu-hen, p.17, 2012.]

6) 林野庁：平成 23 年版林道必携，技術編，日本林道 協会，2011. [Forestry Agency: Heisei 23 Edition Rindo- Hikkei, Gijutsu-hen, Japan Forest Road Association, 2011.]

(Received September 15, 2022) (Accepted November 7, 2022)

REPAIR DESIGN AND ANALYSIS OF THE FOREST ROADWAY BRIDGE USING CLT FLOOR SLABS

Ryotaro OKAMOTO, Takanobu SASAKI, Kei SAWATA, Yoshinori OHASHI, Teruhisa MIYAUCHI and Takahiro KATO

To develop a new application for cross-laminated timber (CLT) in the civil engineering field, we focused

on floor deck materials used for bridges and considered using CLT floor slabs to replace the floor slabs of

existing bridges. When bridges are modified to meet modern design loads, in some cases, the primary gird-

ers require reinforcement owing to increased reinforcement concrete (RC) floor slab thickness. If the RC

floor slabs can be replaced with CLT floor slabs of similar cross-sections, as CLT floor slabs have lesser

weight, the modifications can be completed without reinforcing the girder. In this study, the feasibility of

using CLT slabs is investigated for an existing forest roadway bridge in Hokkaido, where floor slab re-

placement work is planned, by analysis using the finite element method.