2021 Fiscal Year Research-status Report
弾性および塑性領域を対象とした構造教育用ツールの開発
| Project/Area Number |
19K03042
|
|---|
| Research Institution | Gifu City Women's College |
|---|
Principal Investigator |
服部 宏己 岐阜市立女子短期大学, その他部局等, 教授 (50510476)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 建築構造設計 / 教育 / 可視化 / 塑性領域 / デジタル画像相関法 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
一昨年度および昨年度は、近年開発されたデジタル画像相関法(デジタル撮影された微小な変形画像を比較することによって、ひずみ量などを解析し分布を図化する技術、以下DICという)による画像解析値とFEM解析値を比較し、単一材料（コンクリートを模擬した樹脂材料）においては、両者の間に比較的良い相関性があり、DICを構造教育ツールに適用することが可能であることを示した。
今年度は、実際の建築構造物で扱われる鉄筋コンクリート（鉄筋とコンクリートの複合材料）においても、構造教育ツールにDICを適用できるかの検討を行った。
複合材料を選定する上で、試験体の母材には、2液性の樹脂材を使用し、模擬鉄筋（アクリル、引張強度73N/mm2）の1/10程度の強度になるよう、主剤と硬化剤の比率を85:100として製作した。試験体寸法は、これまでの実験と同様に、高さ（20,40,80mm）×180mm(長さ)×10 mm (厚さ)とし、模擬鉄筋（3×1mm）は接着剤で母材の表面に貼り付けた。また、実験方法もこれまでと同様に、単純梁形式とした架構の中央に集中載荷して行った。
その結果、以下の知見を得た。1) 試験体高さ20mmでは、FEM解析画像と比較しDIC画像のひずみが小さい傾向が見られた。2) 試験体高さに関わらず、縁応力2N/mm2時と4N/mm2時のDIC画像に違いが見られ、4N/mm2時（ひずみ約0.02）であれば鮮明な画像が得られる。3) 今回用いたヤング係数が小さい樹脂梁(ポリクリスタル、119N/mm2)では、得られる内部ひずみ分布が鮮明であり、かつ人力で変形させることができるため、教育ツールに適している。4) 今回提示した樹脂部材とDIC解析により、RC造の教育ツールの制作が可能であると考えられる。
これらの結果をまとめ、2022年度日本建築学会大会（北海道）学術講演梗概集に投稿した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和3年度の研究計画では、最も基本的な建物架構の試験体を作成し、振動台を用いた動的載荷実験を行い、応答性状について、DICによる画像とFEM解析による画像との比較検証を行うこととしている。また、動画・画像を元に、塑性領域ではどのような応力分布になるかを示すことにより、視覚的に分かりやすい構造教育用支援ツールの制作を試みるとしている。
令和2年度までの研究実績では、単一材料の試験体に対してDICが適用できることを明らかにしたが、次の段階として上述した動的の検討を行う前に、実際の建築構造物で扱われる鉄筋コンクリート（鉄筋とコンクリートの複合材料）においてもDICの適用が可能であるかの検討が必要であると考え、令和3年度は、鉄筋とコンクリートの模擬材料として、それぞれアクリルと樹脂材を用いた試験体による検討を行った。その結果、最も基本的な単純梁架構において、DICを構造教育ツールに適用することは可能であることを示したが、具体的なツールを作成するまでには至っていない。問題点の一つとして、鉄筋に働く応力を可視化する際に、試験体が小さいことにより明確に表示できないことが挙げられる。弾塑性範囲および動的な載荷実験についての検討も必要であることを挙げ、これらは、今後の課題として提示した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度の実験では、鉄筋とコンクリートの模擬材料として、それぞれアクリルと樹脂材を用い、模擬鉄筋（アクリル）のサイズは高さ3mmとしている。その結果、アクリルのサイズ（高さ）が小さいことによりDICによる解析画像が明確に表示できないことが分かった。また、FEM解析においても、要素を分割する数に限りがあり、模擬鉄筋に働く応力を明確に表示できないことが分かった。そこで、令和4年度は、試験体をこれまでの2倍のサイズとすることにより、DIC解析およびFEM解析それぞれに生じる問題を解決し、鉄筋コンクリート梁の鉄筋に働く応力を明解に表示できる構造教育ツールの制作を試みる。また、模擬鉄筋（アクリル）が塑性領域になった場合においてもDICの適用性について検討する。これらの静的載荷時の弾塑性時の挙動が明らかになることによって、動的載荷時のツールを含め効果的な種々の構造教育ツールの開発に繋げることができるものと思われる。
|
| Causes of Carryover |
令和3年度は、FEM解析ソフトおよびデジタル画像相関法の画像解析ソフトを購入する予定であったが、どちらも無料で使用することができたため購入を見送った。令和4年度は、FEM解析ソフトについては、無償版は要素数に限りがあるため、要素数の多い有償版を購入する予定である。また、デジタル画像相関法の画像解析ソフトについては、現状ではひずみ分布しか表示できないため、応力分布が表示できるソフトの開発を依頼し、完成次第購入する予定である。
|
