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Computational Mesoscale Design of Cementitious Materials

Research Project

Project/Area Number 21H01403
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 22010:Civil engineering material, execution and construction management-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

大野 元寛  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (30821970)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Keywordsメタマテリアル / セメント系材料 / 3Dプリンティング / ジェネレーティブデザイン / メソスケール
Outline of Research at the Start

本研究は、セメント系材料を用いた部材・構造物における数~数十cmスケールの内部構造をデザインすることで、材料自体の性能を超えた新たな機能や価値の創出を目指す。複雑な内部構造を有する構造体の作製には、セメント系材料の3Dプリンティング技術を活用する。3Dプリント可能な高靭性繊維補強モルタルを開発し、材料自体の延性・靭性を高めることで、構造スケールで獲得可能な力学性能の範囲を拡げる。また、内部構造のデザイン案は人工知能と計算機を活用して自動生成し、3次元動的非線形構造解析システムによる数値解析で評価する。生成-評価のサイクルを回し、狙った力学特性が得られる解をヒューリスティックに探索する。

Outline of Annual Research Achievements

2022年度は、複雑な内部構造を有するセメント硬化体の作製技術の開発を行った。比エネルギー吸収を高められる内部構造を、2021年度に開発したメソスケールデザイン手法を用いて設計した。その複雑な内部構造をセメント系材料で実現するため、①樹脂の3Dプリンタで作製した型枠を用いた方法と②セメント系材料の3Dプリンティング技術による直接造形の両者を試みた。前者では、水溶性樹脂のフィラメントや低温フィラメントを用いることで脱型を容易にし、複雑な内部構造を高精度かつ迅速に作製可能にした。作製した供試体を力学試験に供し、設計で意図したエネルギー吸収の向上傾向が見られることも確認した。一方、供試体の破壊形態については、当初の想定に反し、力学試験の境界条件が結果に及ぼす影響が大きく、より大型の供試体を用いた検証実験が不可欠であることが判明した。そこで、②において、国内の3Dコンクリートプリンティング事業者と連携し、大型3Dプリンタを用いた供試体の造形を行った。作製した大型供試体の実験結果から、積層されたモルタルフィラメントの界面が弱部となる場合、設計とは異なる挙動になりうることが明らかとなった。これらの成果は、2件の国際学会にて発表した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

樹脂の3Dプリンタで作製した型枠を用いた方法については、当初の予定通り、複雑な内部構造の高精度かつ迅速な製作を可能にした。また、作製した供試体の力学試験から、載荷の際の境界条件が構造体の破壊形態に及ぼす影響について、新たな知見を得ることができた。セメント系材料の3Dプリンティング技術による直接造形については、国内の3Dコンクリートプリンティング事業者と連携することで、大型3Dプリンタを用いた供試体の造形を可能にした。ただし、当該3Dプリンタでは繊維含有量の高いモルタルを吐出することが現状難しく、材料側のさらなる改良が必要であることも判明した。これらの知見は2023年度に予定している「メソスケールデザイン手法と作製技術の改良」に活かすことができる。以上を総合的に勘案し、おおむね順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は、大型メタマテリアル構造体の作製および力学試験を継続し、得られた知見をフィードバックすることで、メソスケールデザイン手法と構造体作製技術の改良を行う。材料に関する改善策として、フレッシュモルタルのチキソ性を高める混和剤・混和材を用いることで、高繊維含有量でも優れた吐出性・積層性を獲得できるようにする。モルタルフィラメント界面がメタマテリアルの巨視的な構造性能に及ぼす影響については、界面の力学特性をモデル化して数値解析手法に統合することで、的確な評価を可能にする。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Simulation and learning-driven design for architected cement-based materials2023

    • Author(s)
      Ohno Motohiro、Pierre Maxime、Imagawa Koichi、Ishida Tetsuya
    • Journal Title

      Journal of Building Engineering

      Volume: 65 Pages: 105768-105768

    • DOI

      10.1016/j.jobe.2022.105768

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] An Experimental Study on Energy Absorption Capability of Cast and 3D Printed Architected Cement-based Materials2023

    • Author(s)
      Imagawa Koichi、Ohno Motohiro、Ishida Tetsuya
    • Journal Title

      E3S Web of Conferences

      Volume: 445 Pages: 01013-01013

    • DOI

      10.1051/e3sconf/202344501013

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] コンクリート3Dプリンティング技術の可能性と将来展望2022

    • Author(s)
      石田哲也, 木ノ村幸士, 大野元寛
    • Journal Title

      土木構造・材料論文集

      Volume: 38 Pages: 5-18

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Development of Cementitious Metamaterial with Compressive Strain Hardening Characteristics2022

    • Author(s)
      Nishijo Keisuke、Ohno Motohiro、Ishida Tetsuya
    • Journal Title

      RILEM Bookseries

      Volume: 37 Pages: 139-144

    • DOI

      10.1007/978-3-031-06116-5_21

    • ISBN
      9783031061158, 9783031061165
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Experimental validation of computational design of cement-based mechanical metamaterials2023

    • Author(s)
      Koichi Imagawa, Motohiro Ohno, Tetsuya Ishida
    • Organizer
      3rd ZHITU Symposium on Advances in Civil Engineering
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An Experimental Study on Energy Absorption Capability of Cast and 3D Printed Architected Cement-based Materials2023

    • Author(s)
      Koichi Imagawa, Motohiro Ohno, Tetsuya Ishida
    • Organizer
      4th International Conference on Green Civil and Environmental Engineering
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Simulation-and-learning Driven Design of Cementitious Mechanical Metamaterials2023

    • Author(s)
      Tetsuya Ishida, Motohiro Ohno, Maxime Pierre
    • Organizer
      ACI / JCI 6th Joint Seminar
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] セメント系メタマテリアルの力学性能に関する実験的検討2022

    • Author(s)
      今川晃一、大野元寛、石田哲也
    • Organizer
      第66回理論応用力学講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of Cementitious Metamaterial with Compressive Strain Hardening Characteristics2022

    • Author(s)
      Keisuke Nishijo, Motohiro Ohno, Tetsuya Ishida
    • Organizer
      3rd RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication (Digital Concrete 2022)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 圧縮ひずみ硬化特性を有するセメント系材料のメタマテリアル技術の開発2021

    • Author(s)
      大野元寛、西條圭祐、石田哲也
    • Organizer
      土木学会第76回年次学術講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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