Development of Structural Reinforcement Method for Irregular Timber Frame Structure Using 3D Measurement and AM Technologies

Research Project

Project/Area Number	21K18762
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 23:Architecture, building engineering, and related fields
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	福島佳浩東京大学, 生産技術研究所, 助教 (60883105)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	今井公太郎東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20262123) 松本直之東北大学, 工学研究科, 助教 (30814389) 伊東優東京大学, 生産技術研究所, 特任研究員 (90839523)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000) Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000) Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywords	AM技術 / 三次元計測 / 木造架構 / 構造補強 / 建造物保存 / ジャイロイド / CFRP / モニタリング
Outline of Research at the Start	伝統的な木造建築物は、丸太材のように、必ずしも形状が整っていない（「不整斉な」）部材で構成されていることが多い。ストック型社会への移行に向けて、そのような建築物の構造補強に対する要求も増えているが、不整斉な部材からなる建築物に対して規格化された部材を用いて構造補強を行なうと、形状の齟齬が大きいために、様々な不具合が生じる。そこで本研究では、三次元計測技術とAM（付加製造）技術を用いて、意匠性・施工性・構造性能を高いレベルで実現できる構造補強設計手法の開発を目的とする。また、築129年の木造建築物を対象として、提案手法の実証実験を行なう。
Outline of Annual Research Achievements	【現地調査】実証実験を行う実大木造建築物について、現況把握を目的とした調査を継続して実施した。三次元計測については、補強箇所として想定している構面について、多数の画像から三次元形状を復元するフォトグラメトリ技術を用いたスキャンを実施した。昨年度実施したレーザ型3Dスキャナと比べると、マーカ貼付を要しない分、簡便ではあるものの精度は劣る傾向にあるが、両モデルを重ねて比較したところ、構造補強目的としては十分な精度を有していることが確認できた。モニタリングについては、計測によって得られた加速度および温湿度のデータを分析したところ、建物の固有振動数の季節変化がみられた。固有振動数の変化は温湿度から算出される平衡含水率と線形関係にあり、既往研究と同様に、平衡含水率が小さくなるほど固有振動数が小さくなる傾向が確認された。今回の分析は夏季のデータがメインであったため、次年度は通年での季節変化の傾向および構造補強前後における振動特性の変化を検証する予定である。また、モニタリングの運用安定化を図るため、計測システムの更新を行った。【補強方法の検討】昨年度実施した実測調査に基づき、構造解析モデルを作成した。木造住宅倒壊解析ソフトウェアwallstatを用いて、構造補強候補部位の強度・剛性をパラメタとしたパラメトリックスタディを行い、構造補強効果に関する事前検討を実施した。検討の結果、昨年度実験を行ったジャイロイド構造を用いて垂れ壁部分を補強する案と、吹き抜け部分の水平剛性を引張材を用いて向上させる案が補強内容の候補として挙がり、次年度に実大木造建物にて実証実験を行う予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 【現地調査】複数の三次元計測技術を用いて実測調査を行い、伝統木造建築物を計測する上での各計測方法の利点・欠点を確認できた。特に、補強対象として想定している垂れ壁架構については、レーザ型スキャナでは全体の三次元計測を実施するために多くの手間を要するが、フォトグラメトリ技術を用いることで、要求精度を満たしつつ、垂れ壁架構全体の三次元形状データを取得することができた。モニタリングについては、夏季において、既往研究と同様に平衡含水率と固有振動数の関係に明確な線形関係がみられたため、安価なMEMSセンサを用いて伝統木造建築物の挙動をある程度まで診断できることが確認できた。また、これまでに設置していた計測システムでは、計測中にデータ欠落などの不具合がみられたが、センサやサーバを入れ替えシステムを刷新したことで、比較的安定的に計測が継続できるようになった。【補強方法の検討】建物全体に関する補強方法の検討については、実測調査に基づいて作成した解析モデルを用いて検討が進められている。部分架構に関する補強部材形状の具体的な検討については、三次元計測結果に基づき、現在検討中である。また、簡易試験体を用いた補強効果の確認については、試験体形状の検討までは終了しており、令和5年度に試験を実施する予定である。
Strategy for Future Research Activity	【補強部材の検討】ジャイロイド構造を用いた垂れ壁構面の補強については、簡易試験体を用いた実験的な検討を実施する。構造補強効果の確認が主であるが、意匠や光環境の検討も並行して実施し、最終的な補強部材形状を決定する。吹き抜け部分については、引張材と木部材の接合部に3Dプリント部材を用いることを想定し、部材形状の検討を実施する。【実大木造建築物を用いた実証実験】簡易試験体を用いた実験で得られた結果を建物全体の構造解析モデルにフィードバックし、建物全体に対する補強効果を確認する。三次元計測によって得られた実物の形状に合わせて補強部材を作成し、対象建物に設置した上で、設置前後のモニタリングデータについて季節変化の影響を考慮した比較を行い、振動特性の変化を定量的に確認する。また、構造解析モデルを用いた事前検討とモニタリングデータを用いた検討の比較を行うことで、既存建物の構造補強における設計時の想定と実況の対応について確認する。