クロスラミネーテッドティンバー

直交集成板（CLT）は、少なくとも3層^[2]の無垢材（つまり、1本の丸太から切り出された木材）を接着して作られたエンジニアリングウッド^{[1]パネル製品のサブカテゴリです。 [3]}各層の板は通常、隣接する層に対して垂直に配置され、各板の広い面に、通常は外側の層が同じ方向になるように対称的に接着されます。奇数層が最も一般的ですが、偶数の構成もあります（その場合は対称構成になるように配置されます）。通常の木材は異方性材料であり、力が加えられる方向に応じて物理的特性が変わります。木の層を直角に接着することで、パネルは両方向でより優れた構造剛性を実現できます。合板に似ていますが、積層（またはラメラ） が明確に厚くなっています。

CLTは、すべての積層材が同じ方向に配向された製品である集成材（グルラムと呼ばれる）とは異なります。 ^[4]

CLTに似た最初の特許は、1920年代にフランク・J・ウォルシュとロバート・L・ワッツがワシントン州タコマで初めて開発しました。^[5]しかし、多くの情報源は、最初の特許がフランスで特許を取得した1985年までさかのぼります。^{[6] [7]}その後、1994年にゲルハルト・シックホーファーがCLTに関する博士論文研究を発表し、オーストリアで重要な進歩がありました。研究中に開発した理論を利用して、シックホーファーは3つの小さな製材所および製材業者協会と協力し、CLTの生産を開始しました。政府からの資金援助を受けて、彼らはテスト用のCLTプレスを手作業で構築し、最初の数枚のパネルを作成することができました。同時に、水ベースの圧力を使用する最初のプレスシステムが市場に登場し、シックホーファーと彼のチームはCLTで当初可能と考えられていた可能性を超えて考えることができました。数年にわたる徹底的な研究の後、シッコファーは、商用製品向け材料の承認を担当するオーストリア政府およびEU政府機関に結果を提出し、1998年12月に承認されました。その後すぐに、グリーンビルディングへの推進が顕著になり、ドイツやその他のヨーロッパ諸国で生産とプロジェクトの大幅な増加が見られました。CLTは北米で普及が遅れていましたが、近年は勢いを増し始めています。^{[6] [8] [9] [10]}

2002年、オーストリアはシックホファーの研究を利用して、初の国家CLTガイドラインを作成した。国際欧州技術評価（ETA）は、2006年にCLTの特性と設計を規制し始めた。ヨーロッパでCLTを標準化する取り組みは2008年に始まり、2015年までにCLTの最初のヨーロッパ製品規格であるEN 16351が承認された。また、2015年には、CLTがANSI/APA PRG 320 ^[11]に従って国際建築基準に組み込まれ、米国防火協会（NFPA）はCLTおよびその他の人工木材の火災安全性に関する規格の研究開発を開始した。^[12] 2021年のIBC改訂版には、マスティンバー建築用の3つの新しい建設タイプ、タイプIV-A、タイプIV-B、タイプIV-Cが含まれていた。これらの新しいタイプにより、マスティンバーを使用した建物を以前よりも高く、より広い面積に建てることができるようになった。^[13]

CLTの製造は、一般的に9つのステップに分かれています。主な木材の選択、木材のグループ化、木材の削り取り、木材の切断、接着剤の塗布、パネルのレイアップ、組み立てプレス、品質管理、マーキングと出荷です。^{[2] : 77–91}

一次木材の選定中、木材は水分含有量 (MC) チェックと目視による等級分けを受けます。用途によっては、構造テスト (E レーティング) も実施される場合があります。水分含有量チェックが行われるのは、通常使用される木材は MC が 19% 以下で納品される可能性があるためですが、CLT 用の木材は収縮による内部応力を避けるために製造中に約 12% の MC を持つ必要があるためです。このテストは、隣接する木材の MC 差が 5% を超えないようにするためにも行われます。MC チェックを行うには、さまざまな手持ち式またはライン上の装置を使用できます。表面レベルだけでなく木材内部の水分含有量をチェックするため、一部の装置は他の装置よりも正確です。このような装置の精度を向上させるためのさらなる研究開発が進行中です。製造施設の温度も、このプロセス全体を通じてチェックされ、維持され、木材の品質が確保されます。目視による等級分けは、木材の反りが接着ラインが耐えられる圧力に影響を与えないように行われます。また、木材の衰え、樹皮による欠陥、丸太の湾曲による木材の欠損によって、利用可能な接着面が大幅に減少しないことも保証します。製品がEクラスのCLTと見なされるには、垂直層については視覚的な等級付けを考慮し、平行層はE評価（木材の平均剛性）によって決定する必要があります。垂直層と平行層の両方に視覚的な等級付けが使用されている場合、製品はVクラスに分類されます。^[2]

木材の選択結果を使用して、グループ化のステップでは、さまざまなカテゴリの木材がグループ化されるようにします。主要強度方向と副次強度方向に使用される木材は、主に MC と視覚的等級に基づいてグループ化されます。主要強度方向内では、パネルの制限を決定できるように、すべての木材が同じエンジニアリング特性を持っている必要があります。同様に、副次強度方向のすべての木材は、単一の特性セットを持っている必要があります。高品質の木材をグループ化して、ファスナーの有効性を最大化するためにファスナーを取り付ける領域用に確保することもできます。美観上の理由から、一部の木材はパネルの最外層が視覚的に魅力的になるように取っておかれます。^[2]どちらのカテゴリにも当てはまらない木材は、合板や集成材などの別の製品に使用される場合があります。

かんながけの工程では、木材の表面を改良して酸化を抑え、接着剤の効果を高めます。表面を平らにするため、上面と下面は約 2.5 mm、側面は 3.8 mm 削られます。^[14]木材の幅に許容範囲があるために端が接着されていない場合は、上面と下面のみがかんながけされます。木材全体の乾燥のばらつきにより、かんながけによって木材全体の水分含有量が増加する可能性があります。このような場合は、接着の適合性を評価し、再調整が必要になる場合があります。^[2]

次に、木材は用途と特定の顧客のニーズに応じて特定の長さに切断されます。平行層と垂直層の両方に同じ仕様が必要な場合は、縦方向層から切り取った部分を使用して横方向層を作成することができます。

接着剤の塗布は、木材の表面に影響を与える問題を回避するために、プレーニングの直後に行われます。接着剤の塗布は、ほとんどの場合、スルーフィードプロセスまたはサイドバイサイドノズルのいずれかの方法で行われます。スルーフィードプロセスでは、押出機ヘッドが気密システムで木材に沿って接着剤の平行糸を分配し、接着強度に影響を与える可能性のある接着剤の空気ギャップを回避します。これは通常、フェノールレゾルシノールホルムアルデヒド（PRF）またはポリウレタン反応性（PUR）接着剤に使用されます。PUR接着剤の場合、木材の層に霧を吹き付けて硬化を促進することができます。サイドバイサイドノズルオプションは、通常、事前に形成されたCLT層に予約されており、木材の長さに沿って移動して接着剤を塗布するビームに沿ってノズルを設置することで機能します。追加の製造コストを回避するために、接着剤は通常、木材の上面と下面のみに塗布されますが、必要に応じてエッジ接着を行うことができます。^[2]

次にパネルのレイアップが行われ、組み立てプレスの準備として個々の木材を並べます。ANSI/APA PRG 320 に従って、層間の表面積の少なくとも 80% を結合して、結合を効果的にする必要があります。この基準を満たすために、メーカーは木材を並べる最も効率的な方法を見つける必要があります。接着剤を塗布してから圧力をかけるまでの時間は組み立て時間と呼ばれ、使用する特定の接着剤の目標時間内に収まる必要があります。

組立プレスは、真空プレスまたは油圧プレスのいずれかを使用して接着プロセスを完了します。真空プレスでは、約 14.5 ポンド/平方インチ (0.100 MPa) の圧力が発生しますが、反りや表面の凹凸に対処するには必ずしも十分ではありません。これに対応するために、木材の収縮リリーフを縦方向に切断することができます。これらのリリーフは、木材の応力を解放し、乾燥によるひび割れのリスクを減らします。ただし、接着領域とパネルの強度に大きな影響を与えないように、最大​​幅と深さが必要です。真空プレスを使用すると、一度に複数の CLT パネルをプレスでき、曲面要素にも使用できるため、状況によってはより有利になる場合があります。^[15]一方、油圧プレスは、40 ～ 80 ポンド/平方インチ (280 ～ 550 kPa) のより大きな圧力を発生させ、パネルの特定の面に適用します。このため、パネルは垂直方向と側面の両方のクランププレスを受ける必要がある場合があります。^[2]

組み立てプレスが完了すると、CLT パネルは品質管理機械加工にかけられます。サンダーを使用して、各パネルを 1 mm の許容差で希望の厚さに研磨します (プロジェクトで指定されている場合はそれ以下)。次に、CLT パネルは多軸数値制御マシンに移動され、ドア、窓、スプライス、接続部を精密にカットします。この段階で必要な軽微な修理はすべて手作業で行われます。

ANSI/APA PRG 320 の要件を満たし、正しい製品が指定、配送、設置されたことを確認するために、CLT パネルにはさまざまな情報を識別するためのマークを付ける必要があります。これには、等級、厚さ、工場名、機関名またはロゴ、ANSI/APA PRG 320 シンボル、製造業者の指定、およびカスタム パネルの場合は上部のスタンプが含まれます。これらのマークは、8 フィート (2.4 m) 以下の間隔で刻印する必要があります。これにより、長いピースが現場に配送され、切断されたときにも、必要な情報が表示されます。さらに、荷重の主な方向と接続を受け入れるように設計されたゾーンを示すマークを追加できます。輸送中および建設中は、CLT パネルを天候から保護して、構造的完全性を維持する必要があります。^[2]

建築材料としての CLT には、次のような数多くの利点があります。

• 設計の柔軟性– CLTは壁、床、屋根に使用できるため、建設において多くの用途があります。パネルのサイズも、現場での保管と輸送によってのみ制限されるため、簡単に変更できます。^[2]
• 環境への配慮– CLTは、効率的に管理された森林から採取された木材であれば、再生可能で環境に優しく、持続可能な素材です。 ^{[16] [3]}
• 炭素回収– CLTは木材から作られているため、炭素を隔離します。炭素が隔離される量はさまざまな要因によって左右されますが、多くの研究により、建設現場でCLT（他の人工木材と組み合わせて）を使用すると、純炭素排出量を大幅に削減できることが示されています。^[17]
• プレファブリケーション– CLTパネルは現場に輸送される前に完全に製造されます。これにより、他の材料と比較して建設時間が短縮され、スケジュールが短縮され、コスト削減、事故リスクの低減、近隣への混乱の軽減などの利点が得られます。^{[3] [18]}
• 断熱– CLTパネルは、熱伝導率（U）が約0.3458 W/m ² K^{であるため、建物に気密性と優れた断熱性を提供します。[19]}他の一般的な建築材料のU値は0.4〜2.5 W/m ² K^{の範囲です。 [20]}木材のさまざまな層は熱質量としても機能し、建物のエネルギー使用量を削減するのに役立ちます。 ^[21]
• 軽量– CLTは従来の建築材料よりも大幅に軽量であるため、基礎はより小さな荷重を支えるように設計でき、したがって材料の使用量も少なくて済みます。現場でCLTパネルを移動して設置するために必要な機械も、より重い建築材料を持ち上げるために必要な機械よりも小型です。^[2]これらの特徴により、請負業者は、そうでなければより重いプロジェクトを支えることができないような敷地にCLT建物を建てることができます。これにより、建設が特に狭い場合や、敷地の周囲に他の既存の構造物があるためにアクセスが難しい場合の埋め立てプロジェクトを容易にすることができます。^[18]
• 強度と剛性– CLT製品は、垂直層により、平面内外の強度と剛性が比較的高い。この補強は鉄筋コンクリートスラブに匹敵し、パネルの割れに対する耐性を高めます。CLTは地震の力に対しても優れた性能を発揮することが実証されています。^[2]
• 火災安全性– 木材は本質的に可燃性であるため、CLT は D クラスの火災評価を受けています。それにもかかわらず、CLT は一度火災が発生すると耐える能力で高い評価を受けています。これは REI 90 に分類されており、火災発生時に 90 分間必要な耐荷重性を維持し、完全性要件を満たすことができることを示しています。^[22]これにより、保護されていない鋼鉄よりも全体的な火災安全性が向上します。保護されていない鋼鉄は、火災に 15 分間さらされただけで耐荷重性を失います。^[23]

CLT にはいくつかの欠点もあります。

• コスト– CLTは北米では比較的新しい素材であるため、太平洋岸北西部など一部の地域でのみ生産されています。CLTパネルを長距離輸送するには、追加の初期費用がかかります。^[24] また、一部の情報源によると、CLTの生産コストは、システムの新しさと現在の需要の不足により、他の一般的な建築材料よりも高いとされています。^[25]
• 実績が限られている– CLTは北米の多くの人々にとって新しい事業であり、材料に関する知識と経験が不足しているため、CLTプロジェクトを引き受けるエンジニアや請負業者の数が限られる可能性があります。また、マスティンバープロジェクトの建築基準はコンクリートや鉄鋼ほど整備されておらず、これも開発者がCLTの採用をためらう原因となっています。^[26] CLTについてはかなりの量の技術研究が行われてきましたが、新しい実践と結果を建築業界に統合するには時間がかかります。これは、確立された実践から逸脱することを拒む経路依存の文化があるためです。^[27]特に、CLTに関する研究が、それを実装する機会のある人々に必ずしも届いていない場合です。^[21]
• 音響– CLTだけでは必要な遮音等級を満たしません。これらの要件を満たすには、分離石膏ボードなどの追加要素をCLTパネルと組み合わせて使用​​する必要があります。CLTパネルの厚さを増やしたり、2枚目のパネルを追加したりして（空気層を作る）ことで、遮音性が向上し、基準を満たすようになりました。^{[2] [28]}
• 振動– 床の振動性能をテストするための現在の標準化された方法は、軽量で固有振動数が大きいため、CLT 床には適用できません。均一に分散された荷重下でのたわみを見ると、CLT 床の振動性能をある程度把握できますが、これは設計者の判断に大きく依存しており、質量特性の影響は無視されています。CLT 床の振動性能を完全にテストするには、新しいテスト方法を開発する必要があります。^[2]

CLT は世界中でさまざまな構造物に使用されています。

2016年9月、ロンドンのチェルシー・カレッジ・オブ・アーツに、広葉樹CLTパネルを使用した世界初の木造メガチューブ構造物が建設された。長さ115フィート（35メートル）の「スマイル」は、建築家アリソン・ブルックスが設計し、アラップ社がアメリカ広葉樹輸出協会と共同でロンドン・デザイン・フェスティバルのために設計した。この構造物は、中央が床に接する笑顔の形をした湾曲したチューブで、最大60人を収容できる。^[29]

2009年に建設されたロンドンのハックニーにある住宅ビル、シュタットハウスは、階段やエレベーターシャフトを含め、CLTフレームのみを使用して建設された最初の建物でした。9階建て、高さ30メートルで、建設当時は世界で最も高いCLTビルでした。^[30]

2012年、オーストラリアのメルボルンにあるアパート複合施設「フォルテ・リビング」は、CLTのみで作られた世界一高い合板ビルとなった。この建物は10階建てで、高さは32メートル強である。このプロジェクトに必要な759枚のCLTパネルは、オーストリアで栽培・収穫されたヨーロッパトウヒを使って製造された。^[31]

2022年、ウィスコンシン州ミルウォーキーのアセントMKEビルは、CLTコンポーネントを使用した最も高い高層ビルとなりました。25階建て、高さ86.6メートルのアセントは、コンクリート、スチール、マスティンバーのコンポーネントを使用しています。CLTは主に各階のスラブを作成するために使用されました。^[32]

カナダ、ケベック州ミスティシニにあるミスティシニ橋は、ウーパアチカス峠に架かる長さ160メートルの橋です。スタンテック社が設計し、2014年に完成したミスティシニ橋は、地元産のCLTパネルと接着積層木材桁を橋の主要構造部材として使用しています。^[33]この橋は、第48回年次コンサルティングエンジニアリング会社協会（ACEC）の交通部門の全国優秀賞やエンジニアリング・ア・ベター・カナダ賞など、数々の賞を受賞しました。^[34]

Exploded Viewは、 2022年12月現在設計段階にある完全なCLT橋です。2020年にポール・コックスエッジ氏によって最初に提案されたこの橋は、南アフリカのケープタウンにあるリースベーク川^{[アップデート]}を渡ります。コックスエッジ氏は、この地域の侵入種であるユーカリの木からCLTを製造することを計画しています。^[35]

グレンウッドは、オレゴン州スプリングフィールドの大規模再開発計画の一部であるCLT駐車場です。2022年12月現在建設中です^{[アップデート]}が、完成すると4階建てで360台の駐車スペースが確保されます。CLTを雨から守りつつ露出を保つために、ガラスパネルを重ねて作ったファサードが設置されます。^[36]

オープン・プラットフォームとJAJA Architectsは、デンマークのオーフスにパーク・アンド・プレイ・ガレージを建設する計画で、2020年のデザインコンペで優勝した。ガレージは構造にCLTを使用しているだけでなく、プランターやその他の緑でガレージを囲み、車を駐車する場所以上のスペースとしての利用を促進している。6階建てで700の駐車スペースがあり、充電ステーションや相乗り専用スポットなど、環境に優しい交通手段を促進するために特別に設計されているものもある。この施設は、2050年までにカーボンニュートラルを達成するという国の目標達成を支援するために設計された。 ^[37]

CLTは、モジュラー建築にも適した候補として特定されています。^[38]シリコンバレーを拠点とするモジュラー建築の新興企業Katerraは、 2019年にワシントン州スポケーンに23,000平方メートル（250,000平方フィート）のモジュラー建築CLT工場を開設しました。 ^{[39]また、一部の政治家は、}シアトルなどの都市の住宅危機に対処するために、プレハブモジュラーCLT建築の使用を求めていました。^[40]

ダイソン研究所ビレッジは、ダイソン工学技術研究所のキャンパス内学生寮として、2019年にイギリスのマルムズベリー郊外に建設されました。このビレッジは、ロンドンの建築家ウィルキンソンエアによって、モントリオールのハビタット67をモデルに、積み重ねられたワンルームマンションモジュールとして設計されました。ポッドはCLTで構築され、各ポッドはアルミニウムで包まれています。^[41]

新しく再生可能な建築材料として、クロスラミネーテッドティンバー（CLT）の適用需要が大幅に増加しています。しかし、CLTの機械的特性は十分に調査されていません。このセクションでは、主にCLTの圧縮強度と地震挙動に関する研究について説明します。圧縮強度セクションでは、CLT層の数とCLTパネルの開口部の形状の影響を分析します。一方、CLTの地震挙動は、材料の地震せん断容量を評価する振動台テストを通じて評価されます。

^{機械的特性の要約は、Pinaら[42]}とSatoら^[43]の研究に基づいています。

直交集成板（CLT）は、持続可能性、費用対効果、施工の容易さなど、数多くの利点があるため、建設業界で人気が高まっている人工木材製品です。機械的特性、特に圧縮強度は、CLTパネルの設計と施工時に考慮すべき重要な要素です。CLTパネルの層数は圧縮強度に直接影響し、層数が多いほど一般的に強度が高くなります。ただし、CLTパネルの一定の厚さを維持する場合、層数が多いほど座屈容量は低くなります。^[42]さらに、CLTパネルの開口部の形状も圧縮強度に影響し、開口部が大きいほど強度が低下します。また、荷重方向に対して垂直に向いた長方形の開口部は、荷重方向と平行に向いた開口部と比較して、重要な荷重変化を受けた場合の容量低下に対する感度が低くなります。^[42]最適な機械的特性を実現するには、CLTパネルの設計と施工時に層数と開口部の形状の両方を慎重に検討することが重要です。

クロスラミネーテッドティンバー（CLT）の地震時の挙動は、活発な研究開発が行われている分野です。研究によると、CLTは高い剛性と強度、延性とエネルギー消散能力により、優れた地震性能を発揮することがわかっています。^[43]

クロスラミネーテッドティンバー（CLT）は、責任を持って伐採できる再生可能な木材から作られているため、持続可能であると考えられています。CLTの生産は環境に優しく、コンクリートや鉄などの従来の材料よりも温室効果ガスの排出量が少なく、エネルギー消費も少なくなります。CLTは二酸化炭素を吸収して貯蔵するため、建物の二酸化炭素排出量を削減するのに役立ちます。 ^[44]軽量でプレハブの設計により、廃棄物が最小限に抑えられ、建設効率が向上します。最後に、CLTは耐久性があり長持ちし、100年以上の寿命が見込まれているため、持続可能な建設の有望な選択肢となっています。

• 圧縮強度の研究では、商用ソフトウェア ANSYS 15.0 を使用して有限要素フレームワーク内で数値的に実装された計算均質化手順を使用しています。この研究の目的は、全体の厚さを維持しながら個々の層の厚さを変化させることによって、クロスラミネートティンバー (CLT) 壁の座屈強度を決定することです。ANSYS は、設定された厚さの壁に臨界座屈荷重を適用し、各層の厚さを変更するために使用されます。この研究では、CLT 壁の座屈抵抗強度が、壁の合計の厚さと層の数という 2 つの物理的特性によって影響を受けることが実証されています。さらに、この研究では、開口部の形状、荷重方向、開口部の位置を分析することにより、壁の開口部が壁の強度に与える影響を調査しています。^[42]
• 耐震強度研究では、幅の狭いせん断壁と高延性引張ボルトで構成された対象構造物に対して振動台試験を実施した。この構造物は、日本の建築基準法で規定されている強震動に対して良好な挙動を示し、鉛直荷重に対する支持要素であるせん断壁に圧縮破壊が発生したにもかかわらず、1995年の神戸地震にも耐えたことが示された。数値モデルから算出された層せん断耐力と要素試験（接合部など）は安全に評価された。^[43]

• 線形弾性構成則は計算時間を短縮すると想定されます。
• 木材は乾燥した状態にあると想定されます。
• 異なる層間のインターフェースは滑りがなく完全に結合されています。
• すべてのモデルで単純支持境界条件が使用されます。
• 開口部には長方形の切り抜きのみが考慮されます。
• ANSYS を使用して 20mm 立方体の SOLID186 メッシュ要素を実行しました。

クロスラミネーテッドティンバー (CLT) では線形弾性挙動が想定されることが多いですが、実際にはそのパフォーマンスは必ずしも線形ではなく、非線形のコンテキストで研究する必要があります。さらに、異なる層間の接続は必ずしも完全に結合しているわけではなく、木材の水分含有量は時間の経過とともに変化します。さらに、さまざまな開口部の形状が CLT 強度に与える影響についてはさらに調査する必要があり、境界条件は必ずしも単純にサポートされているわけではありません。実際のアプリケーションで CLT の動作とパフォーマンスを研究する際には、これらの要因を考慮することが重要です。

• エンジニアリングウッド
• ブレットスタペル
• 集成材
• 積層ベニア材
• グリーンビルディング
• プライスクレーパー
• 木材
• 合板

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