Development of Modular Steel Construction to Promote Reclaiming and Reusing Structural Steel

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19F19360
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 岡崎 太一郎 北海道大学, 工学研究院, 教授 (20414964)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): XU FEI 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2019-11-08 – 2022-03-31
• Keywords: 建築構造 / 鋼構造 / リユース / 塑性変形 / ひずみ時効 / モジュール構造

Outline of Annual Research Achievements

建築用鋼材は、建築物の供用期間が終了した時点でも、当初の性質をほとんど維持していると考えられるが、実際の建築物では、解体後に回収された鋼材はスクラップに回される。そこで本研究は、解体される建築物から採取した鋼部材を、新設建築物に再利用するための基礎技術を開発することを目的に掲げる。鋼材の再利用は、建築構造物の環境性を向上するうえで、極めて意義が大きい。具体的には、まず、供用中に地震被害を受けた鋼部材の残存耐震性能を、視覚検査や簡易材料検査によって同定する方法を開発する。次いで、鋼部材の再利用を前提とした、新しい建築用モジュール構造を開発する。前者については、代表的な鋼材について、塑性履歴とひずみ時効を受けたあと鋼材の力学的特性がどのように変わるかを、構造実験と微細構造分析（走査電子顕微鏡やX線回析）によって定量化する。鋼材の化学的組成の情報を、この実験結果と組み合わせて、地震被害を受けた鋼部材の残存性能を予測可能する手法の開発を試みる。後者については、直方体方ユニットを組み合わせる形式のモジュール構造を想定して、塑性変形を意図的に集中する特殊接合部を考案して、地震被害を受けたあとの残存性能を精密に検証する。最後に、提案するモジュール構造について、構造設計法と、個々の要素や部材の再利用限界を提示する。初年度は、代表的な建築用鋼材（H形鋼2種、鋼板3種）から切り出した標準引張試験片について、単調載荷または繰返し載荷による予ひずみを与えたあと、ひずみ時効が充分に発現された3ヵ月後に載荷を再開する、二段階実験の計画を立案した。パイロット試験を実施し、微細構造分析を実施する体制を整えた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

代表的な建築用鋼材（H形鋼2種、鋼板3種）から切り出した標準引張試験片について、単調載荷または繰返し載荷による予ひずみを与えたあと、ひずみ時効が充分に発現された3ヵ月後に載荷を再開する、二段階実験の計画を立案した。この実験によって、鋼材の化学的組成、塑性変形を受ける前・後の微細構造、ひずみ時効と機械的特性の関連を、体系的に検証する計画である。繰返し載荷試験方法を確立し、利用可能な分析機器を特定するなど、一定の成果は得られたが、研究分担者の着任が予定より遅れたこと（11月末に来日）、コロナウィルスの蔓延で、研究活動を自粛せざるを得なくなったことで、進捗は遅れ気味である。

Strategy for Future Research Activity

昨年度に引続き、塑性変形と歪時効を経たあと、機械的特性がどのように変化するかを体系的に検証する。標準材料試験片に所定の単調載荷または繰返し載荷を与え、常温で3ヶ月程度養生したあと、載荷を再開する、二段階実験を多数実施する。実験前・一段階目のあと・二段階目のあとの微細構造と転位密度を、電子走査線顕微鏡やX線結晶構造解析で分析する。このデータに基づいて、鋼材の化学組成と塑性変形履歴をパラメータに、鋼部材あるいは鋼構造建築物の残存性能を評価する方法を開発する。もう一方で、従来の鋼構造と同等の耐震性能を備えつつ、鋼部材の再利用性を高めた、新しいモジュール構造を開発する。提案するモジュール構造は、地震時に予想される塑性変形を、接合部の一部に集中し、その他の部位を弾性に無損傷にとどめることとともに、組立と解体が容易であることが特徴である。このモジュール構造の構造性能を左右する柱梁接合部について、標準材料試験片の実験と同様に、二段階または三段階で繰返し載荷実験を実施する。一連の実験結果を再現する数値解析の開発、三次元画像解析に基づく定量的な形状変化と残存性能の関連付け、なども可能な範囲で試みる。