「集成材の特徴・構造用集成材・造作用集成材・製造方法・接着剤・品質保証・歴史・代表的な建造物例」についてまとめています。

 

また、各章ごとに詳細記事のリンクもご用意しています。

集成材の基礎をゼロから学べる人におすすめです。

 

 

集成材とは、原料となる丸太から、2〜４cm程度の厚さに切り出される『ひき板』（ラミナという）や板材を乾燥させて、厚さ、幅及び長さの方向に接着剤を塗布し加圧して製造される木質材料です。

 

木材本来の強度を保持しつつ、割れや反り、曲がりを最小限に抑え、長尺で大きな断面の梁や板材を作ることが可能です。

また、高い安定性や加工性を持ち合わせており、建築材や家具、船舶、車両など様々な分野で使用されています。

 

集成材は主に構造用集成材と造作用集成材に分類されます。
構造用集成材は、柱、梁など構造物の骨組みに用いられます。

造作用集成材は、住宅の内装材や家具、カウンター、階段の手すりなどに用いられています。

 

 

 

 

集成材には以下のような特徴があります。

 

1. 強度を確保し、加工しやすい
2. 耐久性が高い
3. 断熱性が高い
4. 環境に優しい

 

それぞれ詳しく解説していきます。

 

強度を確保し、加工がしやすい

集成材は、製造過程において木材の節、割れなどの欠点を除去し強度のばらつきを減らすことが可能です。また、幅、厚さ、長さを自由に接着し調整できるので加工しやすい特徴があります。

 

構造用集成材は、製造時に材料であるひき板(ラミナ)を目視及び機械的方法により強度等級区分(グレーディング)しています。

必要に応じて適当な強度のひき板を組み合わせて接着集成するので、強度性能の安定した長尺で大きな断面の部材を供給することが可能です。

構造用集成材は、強度性能が表示されており信頼性の高い部材と言えます｡

 

耐久性が高い

集成材は天然の木材と比べて反り、狂い、割れが少ない特徴があります。

天然の木材は水分を多く含んでいるため、乾燥が不十分な場合は狂いや割れ、反りが生じてしまいます。

しかし、集成材の製造工程ではひき板の段階で乾燥装置を使い、含水率を15%以下まで乾燥することができ、木が乾燥する時に起こる曲がり割れを少なくすることができます。又複数枚のひき板を1つに接着することで、お互いの反りや曲がりなどの欠点を分散させることできるので反り、狂い、を小さくすることが可能です。

 

耐火性能が高い

集成材は燃えますが、断面が大きくなると表面が焦げて炭化層ができ、酸素の供給が絶たれ燃える勢いを弱める性質があります。

このように木材の内部が燃えにくい構造であるため、木造住宅はすぐに焼け落ちることがない特性があります。

 

環境に優しい

集成材を住宅に利用することで木材中の炭素を長期間にわたって固定することにつながります｡また､集成材は鉄などの資材に比べて､製造や加工に要するエネルギーが少ないため製造･加工時の二酸化炭素の排出量を抑制することができます｡

 

さらに､木材のエネルギー利用は､大気中の二酸化炭素濃度に影響を与えない｢カーボンニュートラル｣な特性を有しており､化石燃料の代わりに木材を利用することにより､化石燃料の燃焼による不可逆的な二酸化炭素の排出を抑制します｡

 

このように､集成材利用は地球温暖化の防止につながります｡

集成材には「構造用集成材」と「造作用集成材」に分類することができます。

 

構造用集成材

構造用集成材とは、等級区分したひき板（ラミナ）を集成接着したものです。

寸法、断面積によって大断面、中断面、小断面に分類されています。

 

大断面集成材は、体育館、学校、寺院、教会等の大型木造施設など、優れた強度性能、耐火性能などが求められる建物に欠かせない材料です。

 

中断面、小断面集成材は、主に木造住宅の柱、梁、桁などに使用されています。

また、表面の美観を目的として化粧薄板を貼り付けた「化粧ばり構造用集成材」があります。主に在来軸組工法の住宅の柱材などに使用されています。

 

【構造用集成材の日本農林規格】

構造用集成材の大断面、中断面、小断面は日本農林規格で定められています。

大断面集成材：構造用集成材のうち、短辺が15㎝以上、断面積が300㎠以上のものをいう

中断面集成材：構造用集成材のうち、短辺が7.5㎝以上、長辺が15㎝以上のものであって、大断面集成材以外のものをいう

小断面集成材：構造用集成材のうち、短辺が7.5㎝未満又は長辺が15㎝未満のもの

参考：構造用集成材の日本農林規格 （平成８年１月２９日農林水産省告示第１１１号） 〔最終改正：平成１５年２月２７日農林水産省告示第２３５号〕

 

以下に詳しく解説しています。

 

大断面集成材

大断面集成材とは、複数の木材を接着剤などを使って接合して、大きな横断面積を持つ木材を作り出す材料です。単一の木材よりも強度や剛性が高く、曲げ強度や耐震性能に優れています。

 

大断面集成材は、接合する木材の種類や形状、接着剤の種類や強度などによって性能が異なります。接着剤にはイソシアネート系やレゾシノール系が多く使用されています。また、防腐処理や防火処理などの加工が施されることもあります。

 

大断面集成材の使用用途は、大型の建築や橋梁、造船、鉄道車両、輸送用コンテナなどの構造物や、木造住宅の柱や梁などの部材として広く使用されています。

 

中断面集成材

中断面集成材とは、複数の薄板材を接着剤などで接合して、大きな横断面積を持つ木材を作り出す材料です。

加工性や柔軟性に優れ、曲線や複雑な形状にも対応することができる特徴があります。

 

中断面集成材は、建物の骨組みに使用されています。曲げ木材として使われることもあり、例えば、アーチ形状の建築部材などに利用されています。

また、中断面集成材には、無垢材に比べてヒビ割れや反りが少ない特徴も併せ持っています。

 

中断面集成材の製造方法には、薄板材を接着剤で貼り合わせる方法や、薄板材を高周波で熱圧着する方法などがあります。接着剤は、イソシアネート系（ウレタン系、水ビ系）、フェノール系、メラミン系、エポキシ系、レゾシノール系などが使用されています。

 

小断面集成材

小断面集成材とは、複数の木材を接着剤で接合したもので、小さな断面積を持つ木材質材料です。

小断面集成材は単一の木材よりも強度や剛性が高く、歪曲に対する耐久性があり、一般的に直方体形状や角材などの形状で製造されます。

 

小断面集成材は、主に柱材で、垂木、母屋木などの建築材で利用されます。

 

小断面集成材の製造方法には、複数の木材を接着剤で繋ぎ合わせる方法や、木材を削り出して接着剤で接合する方法があります。

接着剤には、イソシアネート系（ウレタン系、水ビ系）、フェノール系、メラミン系、エポキシ系、レゾシノール系などが使われています。

 

小断面集成材の特徴は以下の通りです。

・強度や剛性は、接着剤の接着強度や木材の選択、接着面の加工精度などによって大きく影響される

・無垢材に比べて歪曲に対する耐久性や変形に強い

 

化粧ばり構造用集成材

化粧ばり構造用集成材とは、外見を美しくするために、表面に木目や色合いが美しい木材を貼り合わせた構造用集成材のことを指します。

一般的に、化粧ばり構造用集成材は、内部に強度を持つ樹種を使用し、表面に美しい木材を貼り合わせた構造材で、建築物の構造材として使われます。

化粧板の貼り合わせには、基本的に水ビ系接着剤がよく使用され、美しさと強度を両立することができます。また、化粧板には、天然木材のほか、人工的に加工された木材や合成材料が使用されることもあります。

 

化粧ばり構造用集成材は、高い耐久性と美観性を兼ね備えており、木造建築物や内装材などに広く使用されています。また、外観の美しさを重視した建築物やインテリアに適しているため、近年では木質建材の需要が高まる中で、注目を集めています。

 

造作用集成材

造作用集成材とは、ひき板（ラミナ）を素地のまま集成接着し、素地の持つ美観をそのまま「あらわし」にしたものです。

※「あらわし」とは、柱や梁など、構造材が見える状態で内装を仕上げる方法を指す、木造の建築用語です。

 

主に構造物等の内部造作（階段材、壁面材、カウンター材、床材）に用いられます。

また、表面の美観を目的として化粧薄板を貼り付けた「化粧ばり造形用集成材」があります。

 

化粧ばり造作用集成材

化粧ばり造作用集成材とは、アート作品や建築物などの外観表面を美しく仕上げるための、特殊な加工が施された造形用集成材のことです。

通常の造作用集成材に比べて、美観性や耐久性が高く、建築物の外観を美しく仕上げるために使用されています。

 

化粧ばり造作用集成材の製造方法は、主に石膏やセメント、ポリマー、セラミックスなどの素材を特殊な加工方法で集成加工します。

造作用集成材の場合は強度が重視されますが、化粧ばり造作用集成材は、美観性に加えて耐久性も重要視されます。

このため、表面の仕上げには、石粉、石灰、パール、樹脂、ガラス繊維などの材料を混ぜたり、表面にコーティングすることで、美しい質感や光沢を与えています。

また、防水や耐候性を高めるために、表面に特殊な加工を施したり、塗装を施したりすることもあります。

 

化粧ばり造作用集成材は、建築物の外観装飾や庭園、公園、テーマパークなどのアート作品制作に使用されています。

建築物の場合は、装飾パネルやカーテンウォール、フラットなサイディング、各種アイコニックなフォルム等に利用されます。

集成材はひき板（ラミナ）を乾燥させ、ラミナ同士をフィンガージョイントで縦方向につなぎ、接着剤で固定し製造されています。

製造工程について詳しく解説します。

 

製造方法

引用元：日本集成材工業協同組合　構造用集成材ができるまで

構造用集成材は以下のような工程で製造されています。

 

1. 丸太からラミナを鋸挽き
2. 人工乾燥
3. ラミナのグレーディング
4. ラミナのヤング係数に拠って等級区分する
5. 節等の欠点除去
6. ラミナの縦継ぎ
7. プレーナー掛け
8. 中・高等級ラミナのみ保証荷重試験
9. 接着剤塗布
10. 積層、圧締、接着剤硬化
11. 構造用集成材の完成

 

①丸太からラミナを鋸挽き

 森林で育った原木丸太を伐採し、製造工場で厚さ2㎝〜3.5㎝、幅7.5㎝〜20㎝、長さはさまざまなラミナと呼ばれる挽き板を製材します。

 鋸で板を挽くという行為が重要で、大型のナイフで丸太を剥いて単板を採る合板などとは材料の使い方が根本的に異なります。

 

②人工乾燥

 伐採直後のラミナは、地震の重さの２倍近い重量の水分を含んでいるので、高温の空気の中にラミナを置いてその大部分の水分を蒸発・乾燥させて、含水量を12%程度にまで低下させます。
 

③ラミナのグレーディング

 ラミナをグレーディングマシンと呼ばれる連続的に曲げたわみを与えることのできる機械を通してたわみを連続的に測定し、たわみ量の大小に応じてラミナをいくつかのグループに区分します。（このようなグループを等級区分といいます。）
 

④ラミナのヤング係数の拠って等級区分する

 

 外部から区別できるように、等級別に異なる色を吹きつけて仕分けします。

 

⑤節等の欠点除去

 等級ごとに、ラミナに存在する節や腐れ、その他の欠点を除去します。
会社によっては、木材内部の欠点を高速で自動的に検知できる機械を通して、欠点を瞬時に発見し、その後欠点を自動的に除去する工程を導入しています。

 

⑥ラミナの縦継ぎ

 等級ごとに、短くなったラミナをフィンガージョイントと呼ばれる接着接合法によって再度一本の長いラミナに縦接合します。

 

 【フィンガージョイント】

・ フィンガージョイントとは、材料の木口端部をカッターで手の指状（フィンガー）に加工して、その加工部に接着剤を塗ってはめ合せ、圧締接着して長い材料を作る方法です。

フィンガー加工を施すことで、材料の損失が比較的少なく、また接着剤の塗布面積が広くなるので接着強度を高めることができます。

 

⑦プレーナー掛け

 等級ごとにフィンガージョイントで接合されたラミナをプレーナー（木材の表面を薄く切削する自動鉋盤）に通して平滑な表面に仕上げます。

 

⑧中・高等級ラミナのみ保証荷重試験

 低位等級のラミナはそのまま利用するが、大きな力を受ける可能性の高い高・中位等級ラミナについては、フィンガージョイントの強度性能を検査するため、決められた荷重を掛けて接合が破壊しないことを確かめる保障荷重試験を行います。

 

⑨接着剤塗布

 ベルトコンベアーの上を流れていくラミナの表面に接着剤を均等に塗布します。

 

⑩積層、圧締、接着剤硬化

 製造基準等で決められた通り、高位等級ラミナを外層に、それより内側に中位等級のラミナを、そして残りの内層部分には低位等級なラミナを配して積層・圧締・接着剤を硬化させます。

 

⑪構造用集成材の完成

 1日間圧締状態を保持した後、圧締圧を解放し、接着剤で汚れた集成材表面を移動式ベルトサンダーや、幅広び回転式プレーナーで綺麗に加工した後、美しい木肌の集成材が完成します。

 

詳しくは「集成材（木を超えた木）開発の建築史」  小林幸平（著）で解説しています。

 

集成材に使われる樹種

構造用集成材に使われる樹種には、スギ、スプルース、ヒノキ、オウシュウアカマツ、カラマツ、ダフリカカラマツなどがあり、樹種・構成によって強度が異なります。

 

それぞれの特徴を以下にまとめました。

 

1. スギ：主に日本で栽培されている針葉樹で、耐久性や曲げ強さに優れているため、建築用途に広く使用されています。また、軽くて柔らかく、加工にも適していることから、家具や文房具などにも使用されます。
2. スプルース：北欧や北米などで栽培されている針葉樹で、軽くて柔らかく、乾燥や加工にも適しています。建築用途には強度不足があるため、主に家具や音響機器、紙などの製造に使用されます。
3. ヒノキ：主に日本で栽培されている広葉樹で、耐久性や防虫性に優れているため、建築用途に広く使用されています。また、木目が美しく、香りもよいことから、家具や造作材などにも使用されます。
4. オウシュウアカマツ：ヨーロッパ原産の針葉樹で、建築用途に適した強度を持っています。また、耐久性や曲げ強さにも優れているため、構造用途や造船用途にも使用されます。
5. カラマツ：北海道や東北地方などで栽培されている針葉樹で、曲げ強さや接着性に優れているため、建築用途や橋梁用途に広く使用されています。また、木目が美しく、色合いもよいことから、家具や内装材にも使用されます。
6. ダフリカカラマツ：主にアフリカ大陸で栽培されている針葉樹で、強度や耐久性に優れています。建築用途や橋梁用途、船舶用途などに使用されます。

 

集成材の品質保障

 JAS（Japanese Agricultural Standardの略称で｢日本農林規格｣）規格では、外面の品質だけではなく接着性能、強度性能、ホルムアルデヒト放散量などについて、試験方法と適合基準が定められています。

 

集成材の品質保証には、以下のような方法があります。

 

1. 製造工程での品質管理

集成材は製造過程での品質管理が重要です。製造工程において、木材の選別、接着剤の量、圧着時間、圧着温度などを管理し、高品質の集成材を生産することができます。

1. 製品テスト

製品テストは、集成材の強度、剛性、膨張率、縮率、湿度変化に対する耐性などを評価することで、品質保証を行います。製品テストは、国際規格や国内規格に準拠して実施されます。

1. 製品認証

製品認証は、第三者機関による評価によって、集成材の品質を確認する方法です。製品認証を受けることによって、集成材の品質や性能が保証され、顧客に対して信頼性の高い製品を提供することができます。

1. 品質保証体制の確立

品質保証体制の確立は、集成材の品質を維持するために必要な取り組みです。品質管理システムの導入やトレーサビリティの確保など、品質保証体制を確立することで、製品の品質管理がより効率的に行えます。

 

 

 これらの方法によって、集成材の品質保障が確保され、高品質な製品が提供されています。また、検査に合格した集成材だけJASマークを表示することができ、使用者に対する品質を保障することができます。

 集成材に使用する接着剤は、その集成材の特性や使用目的に応じて異なります。使用目的や特性に応じて、適切な接着剤を選択することが重要です。

 

 集成材を使用する環境条件に応じ、接着剤の要求性能の程度を示す区分として、使用環境A、B、Cの区分があります。

 

 使用環境A：構造用集成材の含水率が長期間継続的に又は断続的に19％を超える環境、直接外気にさらされる環 境、太陽熱等により長期間断続的に高温になる環境、構造物の火災時でも高度の接着性能を要求さ れる環境その他の構造物の耐力部材として、接着剤の耐水性、耐候性又は耐熱性について高度な性 能が要求される使用環境をいう。

 

 使用環境B：構造用集成材の含水率が時々19％を超える環境、太陽熱等により時々高温になる環境、構造物の火 災時でも高度の接着性能を要求される環境その他の構造物の耐力部材として、接着剤の耐水性、耐 候性又は耐熱性について通常の性能が要求される使用環境をいう。

 

 使用環境C：構造用集成材の含水率が時々19％を超える環境、太陽熱等により時々高温になる環境その他の構造 物の耐力部材として、接着剤の耐水性、耐候性又は耐熱性について通常の性能が要求される使用環境をいう。

 

 構造用集成材に使用されている水性高分子イソシアネート系、レゾシノール系、接着剤の特徴は以下の通りです。

 

水性高分子イソシアネー ト系接着剤

 水性高分子ーイソシアネート系接着剤の場合は、主剤と架橋剤としてイソシアネート化合物を混合して使用します。架橋剤を混合することにより耐水性能が向上する接着剤です。

基本的には水が揮散して固まるタイプの接着剤なので、温度と接着剤中の水分量が作業性に大きく関与するので集成材を製造する際には考慮が必要です。

 

レゾルシノール樹脂接着剤

 レゾルシノール樹脂系接着剤は、主剤と硬化剤の反応により硬化するタイプの接着剤で、効果が発揮されるまで温度と時間を必要とします。圧締時間が長いという欠点は貼り合わせる時間を長く取れるメリットに変換することができるので、断面積の大きな集成材や湾曲したものを製造する際に、30〜60分の作業時間を確保することができます。

 

 最近では、生産性を向上させる為に1時間程度の圧締時間で製造できるレゾルシノール樹脂系の接着剤もあります。

 

 レゾルシノール樹脂系の接着剤の注意点は、一定以上の温度がないと硬化しないことです。気温の低下する冬は、材料の温度が低いと硬化時間が伸びるので温度管理が重要になります。

 

しかし、温度を高めることで硬化時間が早くなるためホットプレスや高周波加熱を用い強制的に接着剤の温度を上げ、硬化を促進し圧締時間の短縮を図ることが出来ます。

 

ホットプレスを用いる場合は、集成材の中央部まで熱が到着するには時間がかかる為、早く中心部まで加熱する方法として高周波加熱が用いられています。

レゾルシノール樹脂接着剤と水性高分子イソシアネー ト系接着剤ともに使用する際は専門家のアドバイス、製造元の推奨事項を参考にしてください。

 

 木材接着に関する基礎知識は、[木材接着の科学] （著）竹野友康で詳細に要約解説しています。レゾルシノール樹脂接着剤と水性高分子イソシアネー ト系接着剤ともに使用する際は専門家のアドバイス、製造元の推奨事項を参考にしてください。

現代的な接着積層集成材に関する最初の特許は、1906年にドイツのカール・フロイドリッヒ・オットー・ヘッツアーによって取得されました。

 

特許書類には「3枚の木材の板もしくは必要に応じてそれ以上の木材の板を長手方向に積層し、水では剥がれない接着剤を用い、圧力をかけて湾曲一体化された骨組みを構成する」と説明されており、まさに現代的接着積層集成材と呼ぶのにふさわしい内容です。

 

これらの技術は第一次世界大戦後にアメリカに伝わり、マックス・ハニッシュ郷の手によりさまざまな改良を重ねられ、現在の構造用集成材に使用されている最も信頼性の高いレゾルシノール樹脂接着剤の開発に至ることになりました。

 

日本における構造用集成材建築は1951年「森林記念館」が始めての建築と言われています。1957年〜1968年はベビーブームの影響を受けて、学校や体育館など大断面集成材の需要がありました。しかし、法令上の防火規制強化の流れを受けて1960年代〜1980年代最初のころまでは、集成材建築着工数はほとんどゼロであったという記録があります。

 

集成材構造建築物の新たな発展が始まったのは1980年代に入り規制緩和が行われてからです。

「燃え代設計」が可能となったことで、大規模な集成材構造建築物を大いに促すことになりました。

 

【燃え代設計とは】

・大断面木造と表裏一体の関係にあった大断面構造用集成材の場合は、燃焼が予想される表面に「25mmの燃え代層」を付加することによって、毎分0.8mm程度は集成材表面が焼け焦げて炭化は進むものの、単価の及ばない内部は元の健全な性能を維持して、およそ３０分間程度は建物の自重や長期的な荷重に耐えることができる設計のこと。

 

 

実は、集成材に関する歴史はかなり古く16世紀まで遡るとされています。

現代の接着積層集成材の出発点になった16世紀に生まれた積層アーチ屋根については『集成材＜木を越えた木＞開発の建築史』で要約しています。

 集成材はブリッジ、高層ビル、大規模レジャー施設、公園、船舶など集成材の特性を活かして様々な建造物に利用されています。

 

代表的な建造物は以下の通りです。

 

【建造物例】

・高山市立国府小学校南舎（岐阜県高山市）平成21年竣工

・明治大学黒川農場本館（神奈川県川崎市）平成24年竣工

・学校法人白梅　会津保育園(福島県会津若松市)平成23年竣工

・秋田県立第一中学校武道場（秋田県大館市）平成22年竣工

・埼玉県立武道館主道場（埼玉県上尾市）平成15年竣工

・浜松市立清竜中学校屋内運動場（静岡県浜松市）平成18年竣工

・悠遊健康村病院リハビリ棟（新潟県長岡市）平成9年竣工

・檮原木橋ミュージアム（高知県梼原町）平成22年竣工　

・雲の上のギャラリー（高知県梼原町）平成22年竣工

・海の博物館（三重県鳥羽市）平成４年竣工

・環境省上高地ビジターセンター（長野県松本市）平成13年竣工

・ＪＲ高知駅（高知県高知市）平成20年竣工

・大館樹海ドーム（秋田県大館市）平成9年竣工

 

またこちらの記事に最新の集成材を使用した大型建造物についての記事をまとめています。

参考記事：日経アーキテクチュア 木造第3世代製材VS集成材

 

集成材まとめ

この記事では「集成材の特徴・構造用集成材・造作用集成材・製造方法・接着剤・品質保証・歴史・代表的な建造物例」について解説しました。

 

ポイントをまとめておきます。

 

・集成材とは、断面寸法の小さい木材を接着剤で結合させて再構成することで作られる木質材料です

・集成材は主に構造用集成材と造作用集成材に分類される

・集成材は強度を確保し、加工しやすい、耐久性が高い、断熱性が高いという特徴がある

・構造用集成材とは、等級区分したひき板（ラミナ）を集成接着したもので、主に木造住宅の柱、          梁、桁などに使用されています

・造形用集成材とは、ひき板（ラミナ）を素地のまま集成接着し、素地の持つ美観をそのまま
  「あらわし」にしたもので、主に構造物等の内部造作に用いられる

・集成材はひき板（ラミナ）を乾燥させ、ラミナ同士をフィンガージョイントで縦方向につなぎ、接      着剤で固定し製造される。

・構造用集成材に使われる樹種には、スギ、スプルース、ヒノキ、オウシュウアカマツ、カラマツ、     ダフリカカラマツなどがある。

・構造用集成材に使用されている接着剤には、レゾルシノール樹脂接着剤と水性高分子イソシアネー      ト系接着剤がある

・現代的な接着積層集成材に関する最初の特許は、1906年にドイツのカール・フロイドリッヒ・オッ     トー・ヘッツアーによって取得されました

・日本における構造用集成材建築は1951年「森林記念館」が始めての建築と言われています

 

集成材関連書籍要約・資料リンク一覧

 

各書籍要約・引用元リンク一覧

 

・集成材の日本農林規格

・構造用集成材の日本農林規格 （平成８年１月２９日農林水産省告示第１１１号） 〔最終改正：平成１５年２月２７日農林水産省告示第２３５号〕

・日本集成材工業協同組合　構造用集成材ができるまで

・「集成材（木を超えた木）開発の建築史」  小林幸平（著）

・[木材接着の科学] （著）竹野友康

・日経アーキテクチュア 木造第3世代製材VS集成材

・木材の基礎科学（日本材木加工技術協会）

・今さら人に聞けない木のはなし（著）林知之

・プロでも意外に知らない木の知識