集成材

集成材は、一般的にグルラムと呼ばれ、耐久性のある耐湿性構造用接着剤で接着された寸法木材の層で構成され、すべての木目が縦軸と平行になるように設計された構造用木材製品の一種です。北米では、積層材を提供する材料は、ラミネートストックまたはラムストックと呼ばれます。

集成材建築の原理は、1860年代にイギリスのサウサンプトンの学校、キング・エドワード6世カレッジの集会室で生まれたと考えられています。^[2]しかし、最初の特許は1901年にドイツのワイマール出身の大工、オッ​​トー・カール・フリードリヒ・ヘッツァーがこの建築方法の特許を取得したときに生まれました。スイスで承認されたヘッツァーの特許は、複数の積層材を接着してまっすぐな梁を作成する方法を探求したものでした。1906年に彼はドイツで集成材の湾曲部分に関する特許を取得しました。ヨーロッパの他の国々もすぐに特許を承認し始め、1922年までに集成材は14か国で使用されていました。

この技術を米国に初めて持ち込んだのはマックス・ハニッシュ・シニアで、彼は1906年にヘッツァー社と提携し、1923年に米国に移住しました。資金援助がなかったため、ハニッシュが米国で初めてグルーラムを使用することができたのは1934年になってからでした。ウィスコンシン州ペシュティゴの学校とコミュニティジムのプロジェクトは、製造業者を見つけるのが困難だったため開始までに時間がかかりましたが、最終的にはトンプソン・ブラザーズ・ボート製造会社がプロジェクトを引き受けました。しかし、ウィスコンシン州産業委員会は、グルーラムを扱った経験がなかったため、アーチを拒否しました。妥協案として、構造を強化するためにボルト、ラグ、金属ストラップ、アングルと組み合わせてアーチを使用できるようになりました。補強は不要でしたが、1934 年後半にようやく着工し、有効スパン 20 メートル (64 フィート) の 3 ヒンジ アーチ 4 スパンが完成しました。このプロジェクトのパートナーシップにより、ハニッシュ家とトンプソン家の両家が所有する集成材建設会社、ユニット ストラクチャーズ社が設立されました。

1936 年、Unit Structures は、集成材アーチの製造に使用される成形装置と集成材アーチ自体の両方の特許を取得しました。2 番目のプロジェクト (今回は森林製品研究所 (FPL) 向け) により、Unit Structures は建築家やエンジニアに対して集成材部材の強度と剛性を証明する機会を得ました。屋根に 14.3 トン (31,500 ポンド) の土嚢を置いて実施した実物大の荷重テストでは、設計仕様を 50% 上回りました。記録されたたわみもシステムに有利でした。結果が公表されるまでにはしばらく時間がかかりましたが、このテストにより、Unit Structures は集成材を使用して建築を続けることができました。この頃、ヨーロッパでは、合板ウェブと集成材フランジを備えた I 型断面が人気となり、アメリカでは長方形断面が標準になりました。I 型断面は木材を節約できるため、木材コストは高かったものの、労働集約的で、アメリカでは高価だったため、ヨーロッパにとっては有利でした。グルーラムシステムは西海岸の人々の興味をそそり、多くの企業がそれに取り組み始めました。

1942年、完全に耐水性のフェノールレゾルシノール接着剤の導入により、グルーラムは接着層の劣化を心配することなく屋外の露出した環境で使用できるようになり、適用可能な市場が拡大しました。第二次世界大戦の真っ最中、戦争のために鋼鉄が必要になったため、グルーラム建築はより普及しました。1952年、大手のエンジニアードウッドおよび無垢材製造業者が協力して、業界の標準化とその使用促進を支援するためにアメリカ木材建設協会（AITC）を設立しました。^[3]グルーラムの最初の米国製造規格は、 1963年に商務省によって発行されました。それ以来、グルーラム製造は米国内およびカナダに広がり、橋梁などの他の構造物にも使用されています。現在はANSI規格A190.1で標準化されています。^[4]

集成材の製造は、通常、木材の乾燥と等級分け、木材を接合してより長い積層体を形成する、層の接着、仕上げと加工の 4 つのステップに分かれています。集成材の製造に使用される木材は、事前に乾燥された状態で製造業者に送られる場合があります。水分レベルを確認するには、手持ち式またはライン式の水分計が使用されます。製造工程に入る木材は、使用する接着剤に応じて、水分含有量が 8% から 14% である必要があります。^[5]このしきい値を超える木材は再乾燥されます。

乾燥した木材の端の節は取り除かれ、次に木材は等級に基づいてグループ分けされます。製材に通常使用される長さよりも長い集成材を作成するには、木材を端接合する必要があります。このための最も一般的な接合は、特殊なカッター ヘッドを使用して両端を切断する長さ 1.1 インチ (2.8 cm) のフィンガー ジョイントです。構造用樹脂 (通常は RF 硬化メラミン ホルムアルデヒド(MF) または PF 樹脂) を連続するボード間の接合部に塗布し、連続 RF 硬化システムを使用して端部圧力で硬化させます。樹脂が硬化した後、木材は長さに合わせて切断され、接着用に滑らかな表面になるように各面が削られます。

かんながけが終わると、接着剤押出機で木材に樹脂を塗布します。この樹脂は、ほとんどの場合フェノール レゾルシノール ホルムアルデヒドですが、PF 樹脂またはメラミン 尿素 ホルムアルデヒド(MUF) 樹脂も使用できます。直線梁の場合、樹脂加工木材は、機械または油圧システムによって層が一緒にプレスされるクランプ ベッドに特定のレイアップ パターンで積み重ねられます。湾曲梁の場合、木材は湾曲した形で積み重ねられます。これらの梁は、圧力が解放される前に室温で 5 ～ 16 時間硬化されます。圧力と RF 硬化を組み合わせると、硬化に必要な時間を短縮できます。

梁の広い側面は、板の間に押し出された樹脂を取り除くために、やすりがけまたはかんながけされます。狭い上面と下面も、望ましい外観を実現するために必要に応じてやすりがけされます。角も丸くされることがよくあります。外観の仕様によっては、節穴をパテで埋めたり、より細かくやすりがけしたり、シーラー、仕上げ剤、またはプライマーを塗布したりするなどの追加の仕上げが必要になる場合があります。^[6]

20世紀初頭に集成材が建築材料として導入されたとき、カゼイン接着剤（防水性はあるがせん断強度が低い）が広く使用されていました。カゼイン接着剤を使用した接合部は、木材に固有の応力により剥離が発生しました。冷間硬化型合成樹脂接着剤は1928年に発明されました。「カウリット」などの尿素ホルムアルデヒド樹脂接着剤は安価で使いやすく、防水性があり、高い接着強度を実現します。樹脂接着剤の開発は、集成材建築の幅広い使用に貢献しました。^[7]

集成材にフィンガージョイントを使用することで、集成材の梁や柱を大規模に生産できるようになりました。集成材のフィンガージョイントは、接着のための広い表面積を提供します。自動フィンガージョイントマシンは、尖ったジョイントを切断し、接続して圧力をかけながら接着することで、同じ断面を持つ天然木に匹敵する高い負荷に耐えることができる、強くて耐久性のあるジョイントを実現します。^[8]

コンピュータ数値制御（CNC）により、集成材を高精度で珍しい形に切断することができます。CNC工作機械は最大5軸を利用でき、アンダーカットやくり抜き加工が可能です。費用対効果の高いCNC機械は、ルーターなどの機械工具を使用して材料を彫刻します。^[9]

建設にグルーラムを使用する利点:

• サイズと形状 -多数の小さな木材を積層して1つの大きな構造部材にすることで、集成材の寸法は製材のように木のサイズではなく、輸送と取り扱いによってのみ制限されます。これにより、原生林に頼るのではなく、二次林や植林地から伐採された小さな木を使用することもできます。^[10]また、集成材はさまざまな形状で製造できるため、構造要件を犠牲にすることなく建築家に芸術的な自由を提供します。^[11]
• 汎用性 -集成材のサイズと形状は非常に多様なので、梁としても柱としても使用できます。^[11]
• 強度と剛性 -集成材はコンクリートや鋼鉄に比べて強度と重量の比率が高い。また、集成材は木材の欠陥が部材の強度に与える影響を軽減し、製材よりも強度が増す。 [12]  また、集成材は鋼鉄よりも横ねじり座屈に対する耐性が高いことが証明されている。 [ ^{13 ]}
• 環境に優しい -集成材は、積層工程により、鉄筋コンクリートや鋼鉄よりもはるかに長いスパン、重い荷重、複雑な形状に木材を使用できることから、鉄筋コンクリートや鋼鉄よりも含有エネルギーがはるかに低い。製造に必要な含有エネルギーは、同等の強度の鋼鉄の6分の1である。 ^[14]また、集成材は木材製品であるため、自然に炭素を隔離し、大気中に放出されるのを防ぎます。^[15] 集成材の製造に使用される木材が持続可能な方法で管理された森林から来ている限り、集成材は再生可能な資源です。^[16]
• 火災安全性 -集成材は木材で作られているため、本質的に可燃性ですが、火災が発生した場合、炭化層が形成され、部材の内部が保護されるため、部材の強度が一定期間維持されます。^[17]

• 材料費 -集成材は高軸荷重時にはコンクリートよりも高価になる可能性があるが、これは場所や材料の入手可能性/豊富さに依存する。^[15]集成材梁はHEA鋼梁よりも安価な場合があるが、大きな差ではない。^[13]
• 湿気 -集成材は、特に橋梁プロジェクトで使用される場合、湿気の変化の影響を受けやすく、強度に影響を与える可能性があります。湿潤/乾燥サイクルに何度もさらされた集成材の曲げ強度は劇的に低下する可能性があります（ある研究では43.5%低下）。^[18]
• 寸法 -鋼鉄や鉄筋コンクリートと比べると、集成材では同じ荷重を支えるために通常より大きな部材が必要です。集成材の部材の断面積と高さは、鋼鉄のものより大幅に大きいです。^[13]コンクリートと比べると、集成材の柱は軸荷重が小さい場合は小さくなりますが、軸力が大きくなるとコンクリートの柱の断面積は小さくなります。^[15]
• 生分解性 -木材製品である集成材は生分解性が懸念される。リスクの高い地域では、集成材を保護するための対策を講じる必要がある。^[19]

大型スタジアムの屋根は、広スパンの集成材梁がよく使用されます。この梁の利点は、材料が軽量で、長さや断面が大きいものを提供できることです。プレファブリケーションが常に採用されており、構造エンジニアは設計の初期段階で大型部材の配送と組み立ての方法を指定する必要があります。

ポストファイナンスアリーナは、最大85メートルに達するグルーラムアーチを使用したワイドスパンのスポーツスタジアム屋根の例です。この構造は1967年にベルンで建設され、その後改装および拡張されました。イースタンケンタッキー大学のアラムナイコロシアムは、1963年に建設され、世界最大のグルーラミネートアーチを使用しており、スパンは93.967メートル（308フィート3）です。+1 ⁄ 2 インチ)。

2010年バンクーバー冬季オリンピックのスピードスケート競技用に建設されたリッチモンド・オリンピック・オーバルの屋根は、世界最大級のクリアスパンの木造構造となっている。屋根には、2,400立方メートルのダグラスファーの集成材が集成材の梁に使用されている。屋根が壁を越えて張り出した部分の張り出しは、合計34本のイエローシダーの集成材の柱で支えられている。^[20]

カリフォルニア州アナハイムにあるアナハイムアイススケートリンクは、ディズニー開発会社と建築家フランク・ゲーリーによって、1995年に黄色の松の大きな二重曲線集成材の梁を使用して建設されました。 ^[21]

集成材は、歩道橋、森林橋、高速道路橋、鉄道橋に使用されています。 圧力処理された集成材や、天然の耐久性のある樹種から製造された木材は、橋や水辺の構造物を作るのに適しています。木材は、道路の凍結防止に使用される塩による腐食に対して自然に耐性があります。

北米の集成材橋の 1 つに、1967 年に建設されたサウスダコタ州ブラックヒルズのキーストーン ワイ橋があります。2001 年に完成したノルウェーのダ ヴィンチ橋は、ほぼ完全に集成材で建設されています。カナダのブリティッシュ コロンビア州バーナビーのキングスウェイ歩行者橋は、支柱用の現場打ちコンクリート、アーチ用の構造用鋼と集成材、ポスト テンション プレキャスト コンクリート歩行床、アーチと歩行床を接続するステンレス鋼の支持棒で建設されています。

集成材は、教会、校舎、図書館などの多目的施設の建設に使用されています。カリフォルニア州オークランドのクリストス・ザ・ライト大聖堂はその一例であり、生態学的および美的効果を高めるために集成材を使用しています。この大聖堂は、 1989年のロマ・プリエタ地震後に使用できなくなった聖フランシス・デ・サレジオ大聖堂の代わりとして建てられました。2,010平方メートル（21,600平方フィート）、高さ34メートル（110フィート）の魚の形の建物は、集成材の梁とガラスの外皮で覆われた鋼棒の骨組みでフレームを形成しています。鋼または鉄筋コンクリートのモーメントフレームを使用した従来の建設方法を考慮すると、この集成材と鋼の組み合わせのケースは、建設において経済性と美観を実現する高度な方法と見なされています。^[22]

2019年に火災で焼失したパリのノートルダム大聖堂の尖塔の再建では、伐採したオーク材の代わりに集成材が構造材として提案された。^{[23] [24]}

グルーラムは、中間の支持材を必要とせずに広い空間を張ることができるため、公共施設で広く使用されています。この特性は、機能的かつ視覚的に印象的な、開放的で風通しの良い室内空間を作り出すのに特に役立ちます。インドネシアのサラティガにあるロカメル サンセット滝は、結婚式場の建設にグルーラムが使用されている注目すべき例の 1 つです。これらの構造物にグルーラムを使用すると、次のような利点があります。

美的魅力: グルーラムは温かみのある自然な外観を提供し、結婚式場のロマンチックで穏やかな雰囲気を高めます。露出した木製の梁は、エレガントなアーチや複雑なパターンに加工することができ、空間の視覚的な魅力を高めます。

構造強度: グルーラムは強度と重量の比率が高いため、視界を遮る柱やその他の支柱のない、広く開放的な空間を作ることができます。これは、式典を遮るものなく見渡せることが望ましい結婚式場には特に重要です。

デザインの多様性: グルーラムは、従来の無垢材では実現が難しい曲線や角度など、さまざまな形状に成形できます。この多様性により、建築家は建築の美しさが際立つ、ユニークで象徴的なウェディング チャペルを設計できます。

持続可能性: グルーラムは持続可能な建築材料であり、多くの場合、持続可能な方法で管理された森林から調達されます。結婚式場におけるグルーラムの使用は、環境に配慮した建築慣行への高まりつつある傾向と一致しています。

2019年、グルーラムを使用した世界で最も高い建造物は、ノルウェーのブルムンダルにある18階建ての複合施設「ミョストールネット」でした。^[25] 2022年には、ウィスコンシン州ミルウォーキーのアセントMKEビルが26階建て、高さ86メートルを超えてそれを上回りました。^[26]

フランスのポンピドゥー・センター・メス美術館の屋根は、六角形のユニットを形成するように交差する16キロメートルの集成材で構成されています。表面積は8,000平方メートルで^、さまざまな曲線と反対の曲線を特徴とする不規則な形状の屋根は、中国の帽子に似ています。^[27]

2005年、スウェーデンのルンド大学の研究者らは、スカンジナビア諸国で集成材構造の破損が多数あることを発見した。研究者らは、建設上の欠陥または設計ミスが原因であると結論付けた。^{[28] 2002年1月、コペンハーゲンの}シーメンス・ベロドローム競技場 の屋根が崩壊したが、これは集成材トラスの接合部がダボ留め具の箇所で破損したためである。^{[28] 2003年2月、フィンランドの}ユヴァス​​キュラ で新築された展示ホールの屋根が崩壊した。建設中に集成材の接合部にあるダボの指定数が欠落していたか、間違った位置に取り付けられていたことが判明した。^[28]

2016年にノルウェーのショーアで発生したペルコロ橋の崩落は、接合部の応力の設計上の誤算が原因でした。^[29]この事故の後、集成材構造の道路橋13本が検査されましたが、軽微な欠陥しか見つかりませんでした。^[要出典]

2022年8月15日、ノルウェーのグドブランスダーレンにあるトレテン橋が、2台の車両が通行中に崩落した。この橋は集成材と鋼鉄で作られており、2012年に建設され、設計寿命は「少なくとも100年」とされていた。崩落の原因はすぐには明らかにならなかったが、2016年の検査（上記参照）で、1つの接合部にダボが短すぎることが判明した。^{[30] [31] [32]}

• ファイバーボード
• 私は梁
• メゾナイト
• 配向性ストランドボード
• パララム
• パーティクルボード

• グルーラム梁の修理/補強 - 記事 (STRUCTURE 誌、2006 年 9 月号に掲載)、Gary W. Gray PE および Paul C. Gilham PE
• ティンバーエンジニアリングヨーロッパグルーラム
• カナダ木材協会グルーラム