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新島襄旧邸の「炭素繊維による木造床の構造補強」

　新島襄旧邸は1871(明治11)年に建設された新島襄の私邸で、京都御所の東に位置す る和洋折衷の木造二階建て住宅です。（京都市上京区寺町通丸太町上る松蔭町）
　1991年7月に財団法人建築研究協会が、学校法人同志社の研究委託を受け、京都市 指定文化財新島襄旧邸の解体修理工事事業の一環として、同建物2階の木造床梁の構造 補強法に関する研究を行いました。
　これは、既存梁に炭素繊維を貼付け補強し、その力学的挙動ならびに耐力を構造実験 により検討したものです。 　実験の実施ならびに解析は、京都大学工学部建築系教室・金多潔教授が担当し、1991 年7月29日〜同年9月27日の期間に現場施工まで行われ、1992年4月に報告書が出 されました。
　入手した資料に基づきこの実験の概要をお知らせいたします。
木造住宅の樹脂を用い た補強例として参考になれば幸いです。

1. 本建物の構造と問題点

　「新島襄旧邸」の2階の木造床には、伝統的な和風の構法と異なり、米国の開拓時代 から用いられた、風船構造（balloon structure）に類似した構法が採用されてる」 と、同報告書には述べられています。
　これは下記の特徴があります。
�@ 根太、大引は用いられていない。
�A 天井・床板を大梁に釘打ちし、2階の床面全体を箱状に組んでいる。
�B 2階の大梁は胴差しにホゾ入れされているが、胴差しは2枚割りとして通し柱に釘 打ちしている。

　これらは、複雑な形状のホゾを用いることなく、断面の小さい規格材と薄板を、釘だ けを使って組立てていることなど、今日の“ツーバイフォー工法”と共通点が多い、と 言われています。
　本建物は、柱と屋根小屋組構造は伝統的な和風構造とし、2階床に風船構造の手法を 採用した擬洋式建築となっているらしく、しかし、
�@ 構造材には通常用いられない樅（モミ）材を使用。
�A 部材には割れや節など欠点が多い。
�B スパンの割に断面が小さい。（最大スパン約5ｍに対し、使用断面は幅2寸・成8寸・ 梁間隔2尺）などの理由で大梁の耐力及び剛性が不足しており、人が歩行する際の 床の振動が大きいことが指摘されていました。

　 以上の観点から床の剛性改善を主目的として、炭素繊維板による木造梁の構造補強 について検討されたものです。

2. 実験方法

�@ 木造梁試験体の形状・寸法は下図1の通りです。（旧材・新材）

図１　木造梁試験体の形状・寸法


木造梁試験体断面寸法（単位 : mm）

試験体の種類	ａ	ｂ	ｃ	ｄ	繋ぎ材
旧材−１	59	57	260	310	床板→杉（厚8分）粗貼 天井板→合板（厚12mm） 中間繋ぎ材→檜＋鎹
新材−１	59	59	236	307
新材−２	60	58	238	305

�A 炭素繊維補強板（CF板）

・ トレカクロスC06603BL（東レ織物品番）
・ 使用硬化液：熱硬化性ビスフェノール系エポキシ樹脂 ・ 積層数
：一方向に5プライ ・ 形状寸法は下図2の通りです。

図２　補強用の炭素繊維板の形状寸法 (mm)

部番＼記号	Ｂ	Ｃ	Ｎ	Ｌ
１	19	75	40	3000
2	15	75	32	2400

部番	名　称	形　格
１	炭素繊維板	80×3000×5
２	炭素繊維板	80×2400×5

東レ(株)提供資料より転載

�B 接着剤
　木材とCF板との接着には下記の接着剤が用いられました。
・ 使用材料：エポキシ樹脂系接着剤　ショーボンドKS-1（主剤・硬化剤2液 混合タイプ）硬化時間60分／養生温度30℃
　木造梁とCF板の貼付けは
イ）木ねじ止め――千鳥止め 図３ａ
ロ）木ねじ止め――全ねじ止め 図３ｂ
ハ）木ねじ止め+エポキシ樹脂接着併用

図３ａ　CF板補強試験体の詳細　(NEW-B1:千鳥打ち)

図３ｂ　CF板補強試験体の詳細　(NEW-B2:全面打ち)



以上3通りで行なわれました。

�C 載荷方法は下図4の通りです。
解析方法は、「炭素繊維板補強による梁の曲げ剛性EIの変化を把握」する観点 から、弾性範囲での単調載荷試験が用いられました。

図４　載荷方法 (mm)


3.実験結果

3-1荷重〜中央たわみ関係
CF板補強により梁の曲げ剛性が約70％向上しました。補強により剛性は改善さ れました。

3-2曲げ剛性の比較
　　実験で得られた、各試験片の曲げ剛性の実測値。
イ） （新材）無補強の平均値：11.6×105cm4
ロ） （新材）CF補強の平均値：20.3×105cm4
　　　　　　補強比20.3／11.6＝1.75
ハ） （旧材）無補強の平均値：13.7×105cm4
ニ） （旧材）CF補強の平均値：20.6×105cm4
　　　　　　補強比20.6／13.7＝1.50

3-3最大耐力
　　CF板による補強材と無補強材の終局までの荷重〜中央たわみ関係では、無補強 の新材の終局耐力は約6.7tonであるのに対し、補強材のそれは約10.6 tonで、約 60％の向上が認められました。

3-4補強によるたわみの変化について
　　実験で得られたEIの実測値（梁2連当り）は下記の通りです。
イ） 補強前
たわみより求めた場合　8.1〜11.0×105ｔcm2
曲率　　　　　　　　 10.9〜13.7×105ｔcm2 ロ）
補強後 たわみより求めた場合　12.3〜17.0×105ｔcm2
曲率　　　　　　　　 19.2〜22.2×105ｔcm2
以上により構造設計用のEIは安全側を評価するため、たわみから求めた値を参考 に次の値が採用されました。
・無補強の梁　　10.0×105ｔcm2
・補強後の梁　　15.0×105ｔcm2

4.木造梁のたわみの検討
　無補強時においては設計荷重時で木構造基準のたわみ制限を約46％超過してい ましたが、炭素繊維板（CF板）で補強することにより同基準を満足し得るように なりました。

　計算書（省略）
　・無補強時　　　δ＝2.44cm＞L／300＝1.67　NG
　・補強時　　　　δ＝1.63cm＜L／300＝1.67　OK


参考文献）
「（学）同志社　新島襄旧邸　炭素繊維による木造床の構造補強について」〔京都大学 工学部建築系教室　教授工学博士　金多　潔・助手工学博士　西澤　英和／（財）建築 研究協会1992年4月〕



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