2021 Fiscal Year Research-status Report
様々な欠陥を持つ木材・木質材料の変形と強度特性を包括的に予測可能な評価法の確立
| Project/Area Number |
20K06165
|
|---|
| Research Institution | Shimane University |
|---|
Principal Investigator |
吉原 浩 島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 教授 (30210751)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 木材 / 木質材料 / 欠陥 / 変形特性 / 強度特性 / 実験的評価 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，無欠点材料から様々な性状の欠陥が含まれる材料の変形および強度特性を包括的に予測できる木材および木質材料独自の新しい評価法を確立することであり，以下の①から③について明らかにすることを目的としている。① 木材および木質材料の変形および強度特性の評価における従来の力学理論の適用性② 木材および木質材料に様々な大きさ，形状の欠陥が様々な位置に含まれた際の変形および強度特性（異方性や木質材料を構成する材料の影響など）③ 木材および木質材料が，実際の構造物で想定される複合応力状態に置かれた場合の変形および強度特性
このうち当該年度では
（１）従来より評価が難しいとされていた木材木口面のせん断弾性係数ならびにせん断強さの測定について検討した。試験体としてベイツガを使用した。木口面が側面になるように試験体を調整し，その上下に円孔およびスリットを入れて非対称４点曲げ試験を実施し，せん断力に起因する破壊を優先的に発生させることによってせん断弾性係数ならびにせん断強さの測定を試みた。また，側面にテーパを切った試験体で同様の試験を試み，円孔とスリットを持つ試験体から得られた結果と比較した。その結果，いずれの試験体も適切にせん断弾性係数が評価できることがわかった。また，円孔を持つ試験体では円孔縁における応力集中の影響によってせん断強さが小さく評価されたのに対し，テーパを持つ試験体では応力集中の影響を低減してせん断強さを求めることが可能であることがわかった。
（２）圧縮から曲げに変形様式が遷移する座屈について採り上げ，特に細長比の大きい木材や板紙の座屈試験から適切に座屈荷重を評価する方法について検討した。その結果，「荷重点変位から算出された試験体中央部のたわみを荷重で除した値の最小値」を以て座屈発生の臨界荷重とすることを提案することができた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和３年度は木材素材および木質材料のひとつである板紙を使用し，試験体の様々な位置に円孔やテーパを導入し，強度および変形特性について検討することを予定していた。その結果，①上下に円孔とスリットを導入した試験体の非対称４点曲げ試験を行い，木材木口面のせん断強さの評価を試みた。円孔縁間の距離を適切に設定することで木口面のせん断強さの測定が適切に得られることがわかった。②①で得られた結果を踏まえ，上下に円孔とスリットを導入した試験体ならびに側面にテーパを切った試験体の非対称４点曲げ試験を行い，木材木口面のせん断弾性係数やせん断強さを含むせん断特性全般の評価を試みた。その結果，側面にテーパを切ることで応力集中の影響を排除してより適切にせん断特性が得られることがわかった。③細長比の大きな木材の座屈試験を実施し，座屈荷重の評価を試みた。その結果，「荷重点変位から算出された試験体中央部のたわみを荷重で除した値の最小値」が簡便で客観的に得られることから，座屈発生の臨界荷重とすることを提案した。④③で提案した方法を用いて板紙の座屈荷重の評価を試みた。その結果，上述した方法が板紙の座屈荷重の予測でも有効であることが示唆された。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度は上下に円孔およびスリットを施した試験体および側面にテーパを切った試験体の非対称４点曲げ試験することで木材の木口面のせん断応力－せん断ひずみ関係やせん断弾性係数およびせん断強さなどの評価を試み，一定の成果を得ることができた。しかし，他の方法で得られたせん断特性との比較が十分ではなく，今後は他の方法で得られた結果と比較検討を繰り返すことで木口面のせん断特性の評価方法の確立を目指す。また，座屈特性の評価については細長比の大きな木材や板紙に限定されており，実用上重要性の高い中間柱の座屈挙動の解明が不十分である。また，円孔等の欠陥を含んだ試験体の座屈挙動の解明はまだ不十分である。したがって，今後は欠陥が含まれる試験体についても座屈挙動の解析を実施し，欠陥の性状と座屈の評価の関連について解明を試みる予定である。さらに，ここまでの研究では欠陥の形状を円孔あるいは鋭いき裂に限定しているが，今後は欠陥の形状や大きさを様々に変化させ，それらが木材や木質材料の力学特性にどのように影響するかについて検討を加える予定である。
|
| Causes of Carryover |
（理由）
昨年度より引き続くコロナ禍による外出自粛のため，当初計画していた研究打ち合わせおよび成果発表のための出張および大学院生に依頼予定であった試験が実施できなくなったために次年度使用額が発生した。
（使用計画）
今後は木材素材ならびに木質材料（中密度繊維板，合板および板紙）を使用し，欠陥性状が異なる試験体における変形特性および強度特性を評価する。変形特性についてはさまざまな大きさや形状を有する材料の「みかけ」の粘弾性特性の変化について振動試験の結果から解析し，欠陥性状や位置の影響について検討する。さらに鈍い欠陥を有する材料の強度特性について有限要素法ならびに実際の実験によって精査し，破壊力学や局所応力理論の有効性について検討する。また，昨年度は円孔およびスリットを施した試験体および円孔を持たないテーパ付き試験体の非対称４点曲げ試験から木材の木口面のせん断特性の実験的評価を試みたが，今年度は非対称なスリットを有する試験体の圧縮せん断および引張せん断試験を実施し，昨年度までに得られた実験結果と比較することによって適切にせん断特性が評価できる試験方法の確立を目指す。今後コロナ禍の収束状況に応じて出張および試験依頼が可能となると予想されるため，以上の計画に必要な研究補助依頼および研究打ち合わせや成果発表に伴う旅費として助成金を使用することを計画している。
|
