2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K07515
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
吉原 浩 島根大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (30210751)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 構造用木質系複合材料 / 破壊力学特性 / 弾性特性 / 応力－ひずみ特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，大型の構造物に木質系複合材料を利用する機会が非常に増えてきたが，木質系複合材料を使用した構造物の安全性を保証するためにもその力学特性を適切に評価することは重要で，その中でも木質系複合材料の破壊力学特性を適切に評価することが特に重要である。そこで本研究では，構造用木質系複合材料の破壊力学特性にについて詳細に検討し，その力学特性値を適切に評価できる試験法および試験条件の確立を目指すこととした。また，破壊力学特性に大きく影響を与える木質系複合材料の弾性特性および応力－ひずみ特性についても検討を加えることとした。本年度は以下の点について市販の木材素材，合板および中密度繊維板を使用して検討し，十分な成果を得ることができた。
(1) 木材素材の面内せん断モード（モードII）におけるき裂進展抵抗曲線（R曲線）をより広い範囲で測定できる偏心３点曲げENF試験（3EENF試験）を開発し，その妥当性を検討した。その結果，荷重点を適切な範囲に設定することにより従来よりもより広範囲でR曲線を求めることができた。
(2) 鈍い欠陥（円孔）を持つ木材素材を圧縮試験し，その強度特性をpoint stress criterionによって解析した。その結果，木材は鈍い欠陥に対する感度が鈍いが，その強度特性はpoint stress criterionによって適切に予測できることがわかった。
(3) 木材素材に鍵型のノッチを切って４点曲げ試験を行い，その強度特性をpoint stress criterionおよび線形破壊力学によって解析した。その結果，ノッチの方向が木材繊維と直交している場合はpoint stress criterionで，木材繊維方向と一致している場合は線形破壊力学によって適切に予測できることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２７年度は市販の木材，合板，中密度繊維板および単板積層材を使用し，試験体形状や試験方法を様々に変えて破壊じん性試験などの力学試験を行うことでこれらの材料の破壊力学特性評価を実施することを予定していた。また，鋭いき裂が存在する材料の強度特性である破壊力学特性のみならず，鈍いき裂が存在する場合の強度特性についても検討を試みた。その結果，
(1) 木材素材の面内せん断モードの破壊力学特性について，偏心３点曲げENF試験（3EENF試験）を独自に提案することができた。
(2) 木材素材に鈍いき裂を導入した場合，その強度特性の解析にpoint stress criterionや線形破壊力学の理論が有効であることがわかった。
(3) 上下に鍵型のノッチを切った中密度繊維板の非対称４点曲げショートビームシア試験を行い，面内せん断特性を測定した。その結果，ノッチ底の距離を適切に決定することによって精度よく面内せん断特性が得られる可能性が示唆された。
(4) 繊維傾斜をもつ合板の縦振動試験を行い，ヤング率の測定を試みた。その結果，試験体の幅が広いほど適切にヤング率が測定できることがわかった。また，こうした傾向は木材素材の傾向と相反していた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は市販の木材素材と木質系複合材料（合板および中密度繊維板）を使用した。これは実際に使用されている木材および木質系複合材料の破壊力学特性値を正確に評価する方法の確立を重視したためである。しかし，木質系複合材料の力学特性をより精緻に解明するためには，原材料として使用されている木材素材および接着剤などの弾性特性や強度特性値を把握し，これらの原材料を使用して製造された複合材料の破壊力学特性を評価することが不可欠である。したがって，今後は原材料の力学特性をあらかじめ測定した後に木質系複合材料を製造し，原材料から予測される破壊力学特性と実際に製造された複合材料の破壊力学特性を比較する。そのときに生じる差異について，複合則や積層理論などの単純な理論解析のみならず，有限要素法解析を併用して解明することを予定している。また，木質系複合材料を実用的に使用する場合，単純な応力状態におかれることはほとんどなく，複雑な応力場で使用されることがほとんどである。そこで，今後はさまざまな混合モード破壊じん性試験を行う予定である。以上，単一モードで得られた結果と併せ，構造用木質系複合材料の破壊力学特性評価法の確立を目指す。また，破壊力学特性に及ぼす寸法効果についても検討を加える予定である。
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| Causes of Carryover |
原材料から複合材料を製造して試験するという計画は，当初今年度に実施する予定であったが，木質系複合材料の力学特性評価に関する評価方法の検討例があまり多くなかったため，今年度は市販の木材素材と木質系複合材料を使用し，多数の評価項目を掲げて検討した。したがって，上述したような木質系複合材料の製造に必要な原材料の費用，製造された木質系複合材料の力学特性評価に必要な消耗品および謝金等を翌年度以降に使用することとなった。また，旅費や学会参加費も当初の予定よりも少なかった。以上のことにより次年度使用額が生じることとなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
まず市販の構造用木質系複合材料（合板，中密度繊維板および単板積層材）を使用し，単一モード（開口，面内せん断および面外せん断）における破壊力学特性を評価する。次いで木材素材の弾性特性および強度特性を明らかにした後，これらの木材素材を使用して同様の構造用木質系複合材料を製造する。複合材料の製造に際しては，同樹種および異樹種の複合化や使用する接着剤および積層構成などの製造条件を様々に変える予定である。こうして製造された構造用木質系複合材料を用いて，市販の木質系複合材料と同様に単一モードにおける破壊力学特性を評価する。原材料の破壊力学特性から複合材料の破壊力学特性を複合則や積層理論および有限要素法解析から予測して実際に製造された複合材料の破壊力学特性と比較し，差異の生じる原因について検討する。また，さまざまな寸法や形状で複合材料を加工し，破壊力学特性に及ぼす影響について検討する。
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