集成材

接合部に使用されるプレートを備えたグルーラムブレース
屋根構造のグルーラムフレーム

集成材（グルーラムと略されることが多い）は、寸法木材を層状に重ね、耐湿性構造用接着剤を用いて各層の木目が部材の長さ方向に平行になるように接着することで作られる構造用エンジニアリングウッド製品です。こうして作られた部材は、直線部材から、建築構造物に使用されるアーチやフレームなどの曲線部材まで、様々なサイズと形状で製造できます。

北米では、積層材に使用される木材は一般的にラミネーティングストック（またはラムストック）と呼ばれます。グルーラムは、木材を準備・等級分けし、板を接合してより長い積層板を作成し、接着剤を塗布して管理された条件下で層をプレスし、硬化した部材を構造および外観の仕様に合わせて仕上げるという工程を経て製造されます。

グルーラムは、屋根システム、公共の建物、橋梁など、長いスパンとプレハブ構造部材の利点を活用する用途に使用され、確立された建築および製品基準を満たすように製造されています。

シェフィールド・ウィンターガーデンのグルーラムアーチ

歴史

ケンブリッジ大学教育学部の湾曲したグルーラムフレームの建物。[ 1 ]

グルーラム建築の原理は、1860年代、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にまで遡ると考えられています。[ 2 ]最初の特許は1901年にドイツのワイマール出身の木工職人、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登場しました。スイスで承認されたヘッツァーの特許は、複数の積層板を接着してまっすぐな梁を作成する方法を探求していました。1906年、彼はドイツでグルーラムの曲線部分に関する特許を取得しました。すぐにヨーロッパの他の国々でも特許が承認され始め、1922年までにグルーラムは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グルーラム材を使用できたのは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地域のジムのプロジェクトは、製造業者がなかなか見つからず、開始までに時間がかかりましたが、最終的にトンプソン・ブラザーズ・ボート製造会社がこの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、グルーラム材の使用経験がなかったため、アーチを却下しました。妥協案として、構造を補強するためにボルト、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すれば使用できることになりました。補強工事は不要であったものの、1934年後半にようやく着工し、3ヒンジアーチ4スパン、有効径間20メートル（64フィート）の建物が完成しました。このプロジェクトにおける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グルーラム建築会社、ユニット・ストラクチャーズ社が設立されました。

1936 年、ユニット ストラクチャーズは、グルーラム アーチの製造に使用する成形機とグルーラム アーチ自体の両方の特許を取得しました。2 つ目のプロジェクト、このときは森林製品研究所 (FPL) 向けのプロジェクトで、ユニット ストラクチャーズは建築家やエンジニアに対してグルーラム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とって有利でした。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、このテストのおかげで、ユニット ストラクチャーズはグルーラムを使用した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グルーラム フランジを特徴とする 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 型断面は木材のコストを節約できるため、木材のコストは高かったものの、より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気に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、適用市場が拡大しました。第二次世界大戦中、戦争遂行のために鋼材が必要になったため、グルーラム建築はより広く普及しました。1952年、エンジニアードウッドと無垢材の大手製造業者が協力して、業界の標準化と使用促進を目的として、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。グルーラムはANSI規格A190.1で標準化されています。[ 4 ]

製造業

木材の乾燥と等級分け

グルーラム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納品される場合があります。手持ち式またはライン式の水分計を使用して水分レベルを確認します。製造工程に投入される木材は、使用する接着剤に応じて、8%から14%の水分含有量を維持する必要があります。[ 5 ]この基準値を超える木材は再乾燥されます。乾燥木材の端部の節は除去されます。その後、木材は等級に基づいて分類されます。

木材を接合してより長い積層体を形成する

製材で一般的に使用される長さよりも長い集成材を作るには、木材を端継ぎする必要があります。最も一般的な継ぎ目は、長さ1.1インチ（2.8cm）のフィンガージョイントで、両端を特殊なカッターヘッドで切断します。構造用樹脂（通常はRF硬化メラミンホルムアルデヒド（MF）樹脂またはPF樹脂）を、連続する板の接合部に塗布し、連続RF硬化システムを用いて端面圧力下で硬化させます。樹脂が硬化した後、木材は長さに合わせて切断され、接着面を滑らかにするために両側がプレーナー加工されます。

層を接着する

かんながけ後、接着剤押出機で木材に樹脂を塗布します。この樹脂はフェノール・レゾルシノール・ホルムアルデヒドが最も一般的ですが、PF樹脂やメラミン・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、樹脂処理された木材はクランプベッドに所定のレイアップパターンで積み重ねられ、機械式または油圧式システムによって層が圧縮されます。曲り梁の場合、木材は曲がった形状に積み重ねられます。これらの梁は、圧力が解放される前に室温で5～16時間養生されます。加圧とRF養生を組み合わせることで、養生に必要な時間を短縮できます。

仕上げと製造

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、研磨またはかんな掛けが施されます。狭い上面と下面も、必要に応じて研磨され、望ましい外観を実現します。角は丸みを帯び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、より細かい研磨を施したり、シーラー、仕上げ剤、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 ]

技術開発

樹脂接着剤

20世紀初頭に集成材が建築材料として導入された当時、カゼイン接着剤（防水性はあるもののせん断強度が低い）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。1928年には、常温硬化型合成樹脂接着剤が発明されました。「カウリット」をはじめとする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ています。樹脂接着剤の開発は、集成材建築の普及に貢献しました。[ 7 ]また、今日では、生木（高水分含有）を接着してこのような集成材を製造する技術も存在します。[ 8 ] [ 9 ]

指の関節

グルーラム材を用いたフィンガージョイントの使用により、グルーラム材の梁や柱を大規模に生産することが可能になりました。グルーラム材のフィンガージョイントは、接着面積が広く、接合が容易です。自動フィンガージョイント機は、先端の尖ったジョイントを切断し、接合後、圧力をかけて接着することで、強度と耐久性に優れた接合部を実現し、同じ断面を持つ天然木に匹敵する高い荷重に耐えることができます。[ 10 ]

コンピュータ数値制御

コンピュータ数値制御（CNC）技術により、集成材を高精度で特殊な形状に切断することが可能です。CNC工作機械は最大5軸に対応しており、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工作機械は、ルーターなどの機械工具を用いて材料を彫刻します。[ 11 ]

利点

建設現場でグルーラムを使用する利点:

  • サイズと形状 -複数の小さな木材片を積層して一つの大きな構造部材を形成することで、グルーラム材の寸法は製材のように樹木自体のサイズではなく、輸送と取り扱いによってのみ制限されます。これにより、原生林に頼ることなく、二次林や植林地から伐採された小径木を使用することも可能になります。[ 12 ]グルーラムは様々な形状で製造できるため、建築家は構造要件を犠牲にすることなく、芸術的な自由度を得ることができます。[ 13 ]
  • 汎用性 -グルーラム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することができます。[ 13 ]
  • 強度と剛性 -グルーラムは、コンクリートや鋼鉄に比べて高い強度対重量比を有しています。また、グルーラムは木材の欠陥が部材の強度に与える影響を軽減するため、製材よりも強度が高くなります。[ 14 ]  また、グルーラム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ます。[ 15 ]
  • 環境に優しい -グルーラムは、積層工程により、鉄筋コンクリートや鉄鋼よりもはるかに長いスパン、より重い荷重、より複雑な形状に使用できるため、鉄筋コンクリートや鉄鋼に比べて内包エネルギーがはるかに低い。グルーラムの製造に必要な内包エネルギーは、同等の強度を持つ鉄鋼の6分の1である。 [ 16 ]また、グルーラムは木材製品であるため、自然に炭素を固定し、大気中への放出を抑制します。 [ 17 ]グルーラム部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調達されている 限り、グルーラムは再生可能な資源です。[ 18 ]
  • 火災安全性 -グルーラム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、しばらくの間、部材の強度が維持されます。[ 19 ]

デメリット

  • 材料費 -グルーラムは、高い軸荷重がかかる場合にはコンクリートよりも高価になる可能性がありますが、これは場所や材料の入手可能性/豊富さによって異なります。[ 17 ]グルーラム梁は、場合によってはHEA鋼梁よりも安価になることがあります。しかし、大きな差はありません。[ 15 ]
  • 湿気 -グルーラムは、特に橋梁プロジェクトで使用される場合、湿度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。グルーラムを複数回の湿潤/乾燥サイクルにさらすと、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%）。[ 20 ]
  • 寸法 -鋼材と比較すると、集成材は一般的に同じ荷重を支えるためにより大きな部材を必要としますが、集成材の部材サイズは鉄筋コンクリートと同程度になる場合があります。同じ機能を果たすには、集成材の断面積と高さは鋼材よりもはるかに大きくなります。[ 15 ]鉄筋コンクリートと比較すると、集成材の相対的なサイズは適用される荷重によって異なります。[ 17 ]
  • 生分解性 -木材製品であるグルーラムは、生分解性に関して懸念があります。リスクの高い地域では、グルーラムを保護するための対策を講じる必要があります。[ 21 ]

アプリケーション

スポーツ構造

リッチモンド・オリンピック・オーバル

大型スタジアムの屋根は、広スパングルーラム梁の一般的な用途です。この材料の利点は、軽量であることと、長尺・大断面材を供給できることです。プレファブリケーション工法が必ず採用されるため、構造エンジニアは設計の初期段階で大型部材の搬入・組立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一例です。この建物は1967年にバーンで建設され、その後改修と拡張が行われています。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ムアーチが使用され、そのスパンは93.967メートル（308フィート3）に達します。+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会場としてブリティッシュコロンビア州で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木造構造を特徴としています。屋根には、2,400立方メートルのダグラスファー材が集成材梁に使用されています。屋根が壁を越えて張り出した部分の張り出し部分は、合計34本のイエローシダー集成材柱で支えられています。[ 22 ]

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年に黄色の松材の大きな二重曲線集成材の梁を使って建設されました。[ 23 ]

橋

オランダ、スネークの交通量の多いアコヤグルーラム橋
ケベック州モンモランシー川にかかるグルーラム橋

グルーラムは、歩道橋、森林橋、高速道路橋、鉄道橋などに使用されてきました。 圧力処理されたグルーラム材、または天然の耐久性を持つ樹種から製造された木材は、橋梁や水辺の構造物に適しています。木材は、道路の凍結防止に使用される塩分による腐食に対しても天然の耐性があります。

北米でグルーラム材が使用されている橋としては、サウスダコタ州ブラックヒルズにあるキーストーン・ワイ橋が挙げられます。この橋は1967年に建設されました。ノルウェーのダ・ヴィンチ橋は2001年に完成し、ほぼ全体がグルーラム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にあるキングスウェイ歩道橋は、支柱に現場打ちコンクリート、アーチに構造用鋼とグルーラム材、ポストテンション方式のプレキャストコンクリート製歩行床、そしてアーチと歩行床を繋ぐステンレス鋼製の支持棒で構成されています。

宗教施設

集成材で作られた光のキリスト大聖堂の内部

グルーラムは、教会、校舎、図書館などの多目的施設の建設に使用されます。カリフォルニア州オークランドの光のキリス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グルーラムを使用しています。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コ・デ・サレジオ大聖堂の代わりとして建設されました。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）の魚の尾の形をした建物は、集成材の梁とガラスの外皮で覆われた鉄筋の骨組みでフレームを形成しています。鉄骨または鉄筋コンクリートのモーメントフレームによる従来の建設方法を考慮すると、このグルーラムと鉄骨の組み合わせのケースは、建設において経済性と美的効果を実現する高度な方法と見なされています。[ 24 ]

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。[ 25 ] [ 26 ]

公共の建物

グルーラムは、中間支柱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、機能性と視覚的な魅力を兼ね備えた、開放的で風通しの良い空間を創り出す上で特に役立ちます。インドネシア、サラティガのサンセットフォールズ・ガーデンにある、結婚式場としてもよく利用されるロカ・メル・ボールルームは、グルーラムの顕著な応用例です。このような構造物へのグルーラムの使用には、いくつかの利点があります。

美的魅力：グルーラムは温かみのある自然な外観で、舞踏会やウェディングチャペルのロマンチックで落ち着いた雰囲気を高めます。露出した木製の梁は、優雅なアーチや複雑な模様に仕上げることができ、空間の視覚的な魅力を高めます。

集成材を使用したロカ・メル・ボールルームの内装

構造強度：グルーラムは高い強度対重量比を有しており、眺望を遮る柱やその他の支柱のない、広々とした開放的な空間を実現できます。これは、遮るもののない眺望が求められる建物において特に重要です。

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、様々な形状に成形できます。この多様性により、建築家は建築美が際立つ、ユニークで象徴的なウェディングチャペルを設計することができます。

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ています。グルーラムの使用は、環境に配慮した建設手法への高まりつつあるトレンドと一致しています。

他の

ミョースターネット、ミョーサ湖畔。

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階建ての複合用途ビル「ミョストールネット」だった。[ 27 ] 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、このビルを上回った。[ 28 ]

フランスのポンピドゥー・センター・メス美術館の屋根は、16キロメートルの集成材が交差して六角形のユニットを形成している。屋根面積は8,000平方メートルで、様々な曲線と反曲線を特徴とする不規則な形状は、中国の帽子を思わせる。[ 29 ]

失敗

2005年、スウェーデンのルンド大学の研究者たちは、スカンジナビア諸国でグルーラム構造物の破損が多数発生していることを発見しました。彼らは、建設上の欠陥または設計ミスが原因であると結論付けました。[ 30 ] 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落しました。グルーラムトラスの接合部がダボ留め具の箇所で破損したためです。[ 30 ] 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落しました。建設中に、グルーラム材の接合部で指定された数のダボが欠落していたか、誤った位置に取り付けられていたことが判明しました。[ 30 ]

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。[ 31 ]この事故の後、グルーラム構造の道路橋13橋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。

2022年8月15日、ノルウェーのグドブランズダーレンにあるトレッテン橋が、2台の車両が通行中に崩落しました。この橋は集成材と鋼材で造られ、2012年に建設され、設計寿命は「少なくとも100年」とされていました。崩落の原因はすぐには明らかになりませんでしたが、2016年の検査で、接合部の1つにダボが短すぎることが判明しました。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

参照

参考文献

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