Computational Analysis of Cross-Laminated Timber (CLT) Under Elevated Temperatures

技術要約：高温下における直交集成集成材（CLT）の計算解析

問題提起
直交集成集成材（CLT）は、その持続可能性、寸法安定性、およびプレファブリケーションの利点により、建設分野で指数関数的な成長を遂げている。しかし、火災条件下における熱機械的挙動に関する包括的な理解が不足していることが、その広範な適用を妨げている。木材は自然に内部コアを断熱する保護炭化層を形成するが、CLTの性能は、その直交積層構造、接着特性、および熱橋（サーマルブリッジ）として機能し得る金属コネクタ（ネジ、釘）の使用により複雑である。高温にさらされると、金属接続部が抵抗力を失い、システム全体の構造を損なう可能性がある。ユーロコード5などの現行の設計基準は、炭化に関する計算手法を提供しているが、異なる層の厚さ、熱伝導、および接続の完全性の間の相互作用については、さらなる検証が必要である。

手法
本研究では、Ansysソフトウェアを用いた計算シミュレーションを用い、火災暴露下におけるCLT床パネルの熱機械的挙動を分析した。研究では、以下のパラメータを用いて有限要素法（FEM）を用いた：

• 試験体: 3つのパネル構成（P1、P2、P3）を用い、それぞれ3層、5層、7層とした。総厚さはそれぞれ10 cm、16 cm、22 cmである。パネルは、ポリウレタン系接着剤を使用したPinus spp.（強度区分C24）を用いてモデル化された。
• 形状および荷重: パネルの寸法は40x60 cmである。一様分布荷重（自重および偶発荷重を考慮）を適用し、パネルの厚さによってわずかに変化させた（6.19から6.86 kN/m²）。
• コネクタ: HBS ø 10TX80 ネジを使用し、10 cm間隔で配置した。鋼材と木材の間の機械的相互作用と熱伝達をシミュレートするため、鋼材と木材の間に結合接触を仮定した。
• 火災暴露: シミュレーションはISO 834-1標準の温度－時間曲線に従った。パネルは、60分間（3600秒）の間に200°Cから1200°Cの範囲の温度にさらされた。
• 解析段階: 2段階の逐次解析を行った。まず、温度分布を決定するための過渡熱解析を行い、次に、得られた温度場を取り入れて変位と応力を評価する機械的解析を行った。
• モニタリング: パネルの厚さ方向に沿って9つの節点を定義し（外部、内部、および中央）、温度勾配と熱浸透を追跡した。

主な結果

• 熱浸透および炭化: 温度の上昇に伴い、断面内部への熱伝達が観察された。3層パネル（P1）は顕著な熱浸透を示し、内部温度は45分時点で炭化閾値（約300°C）に達した。対照的に、5層（P2）および7層（P3）のパネルは限定的な熱進化を示した。炭化した外層が効果的に内部コアを断熱し、内部温度を大幅に低く保った（例：P3の内部点は、外部が1200°Cに達しても70°C未満であった）。
• コネクタ温度: 金属ネジは熱橋として機能したが、周囲の層の数がスクリューの温度に大きく影響した。P1では、ネジの温度は最大162.3°Cに達した。P2およびP3では、最大ネジ温度はそれぞれ126.3°Cおよび175.9°Cであった（注：P3の最高値は火災に最も近い先端部で発生したが、本文では一般にP1の方が高い内部干渉を示すと記されている）。極めて重要なことに、すべてのケースにおいて、ネジの温度はコネクタの特性を維持するための限界とされる200°Cの閾値を下回っていた。ただし、間接的な熱的影響が依然として機械的容量に影響を与える可能性があることが本研究で指摘されている。
• 変位: 火災誘発荷重の下で、すべてのパネルは時間の経過とともに線形な変位を示した。P1（3層）は最大のたわみを示し、P2よりも6.3%、P3よりも8.2%大きな変位を示した。P1の最大垂直変位は6.15x10⁻¹ mmであったのに対し、P3は最小の動きである5.33x10⁻¹ mmを示した。
• ネジの動き: 固定支持条件のため、ネジの水平および垂直方向の変位は最小限であった。最大水平変動は10⁻² mmのオーダーであった。垂直変位は、曲げ応力により、外側のネジでは「引き抜き」効果が見られ、内側のネジでは内側への動きが見られ、P1が再び最大の変位を示した。

意義および結論
本研究は、CLTパネルの層の厚さと層数を増やすことが、火災条件下における熱機械的性能を大幅に向上させることを結論付けている。より厚い構成（5層および7層）は、優れた断熱性能を提供し、熱伝達を遅らせ、金属接続部が構造的完全性を損なうような臨界温度に達することを防ぐ。

本研究は、CLTパネルが炭化によって断面減少を起こす一方で、多層構造が薄い構成よりも構造的安定性をより良く維持することを検証している。知見は、より厚いCLT部材が、火災暴露中の木材の剛性と強度の低下を軽減し、接続部の破壊の開始を遅らせることを示唆している。しかし、著者らは、熱的応答は火災の強度と持続時間に強く依存するという立場を維持している。本研究は、炭化層の断熱特性とパネル厚増加による保護作用に関する実験的観察と一致するデータを提供することで、挙動を予測する上での計算シミュレーションの有用性を裏付けている。