2015 Fiscal Year Research-status Report

応力を可視化する構造教育用実験ツールおよびCAIシステムの開発

Research Project

Project/Area Number	26350301
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)	2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords	建築構造設計 / 構造教育 / 可視化 / 応力発光材料
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、応力発光材料を用いて、建築構造の理解を飛躍的に高める教育用ツールを開発することを目的としている。平成26年度は、応力発光材料とエポキシ樹脂を混練した試験体を用いて曲げ載荷実験を行い、発光画像の階調値とFEM解析によって求めた主応力の関係を詳細に比較検討した。また、応力発光材料とエポキシ樹脂を混練して鉄筋を模した棒状の模擬鉄筋を作製し、コンクリートを模した透明なエポキシ樹脂の中に配置することによってRC梁模擬試験体を製作し載荷実験を行なった。これまでの実験では、エポキシ樹脂を基材とした試験体の応力発光状況の検討に限られており、模擬実験ツールへの適用性をより拡張するためには、その他の材料を基材とした試験体でも実験的に検討する必要がある。そこで、平成27年度は、応力発光材料を塗布したモルタル試験体を用い、その発光状況について検討した。まず実験1として、無筋モルタル試験体の圧縮試験により、圧縮応力度による応力発光状況を確認した。次に実験2として、模擬鉄筋(M3の長ネジボルト)を配筋したモルタル試験体(RM試験体)の曲げ試験により、曲げ応力度が応力発光状況に及ぼす影響について検討した。その結果、圧縮試験では、初期の不均一な応力度分布が荷重の増大とともに均一化している様子を面的に捉えられることを示した。また、曲げ試験では、曲げひび割れおよびせん断ひび割れの発生を検出でき、応力発光材料を塗布したモルタル試験体においても、その応力分布は可視化できることを示唆することができた。これらの結果は、「建築構造設計を対象とした構造教育に関する研究 (その７：応力発光材料を塗布したモルタル試験体に生じる応力分布の可視化に関する検討)」と題して2016年度日本建築学会大会（九州）に投稿した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 平成26年度の研究結果により、応力発光材料は主応力に対して発光することから、せん断力が卓越するような試験体においては注意を要することがわかった。また、どのように試験体を作製するかにおいては、応力発光材料とエポキシ樹脂を混練して作製したものの他に、例えば3Dプリンターで作製した硬化した材料の表面に応力発光材料を塗布した試験体を用いることにより、試験体形状の自由度が増すものと考えられ、平成27年度はこのように作製した試験体を用いて、圧縮載荷や曲げ載荷などの種々の載荷実験を行い、昨年度までに得られた結果と比較検討し、その違いを明らかにすることを想定していた。しかしながら、これまでの実験では、エポキシ樹脂を基材とした試験体に限定して応力発光状況の検討を行っており、模擬実験ツールへの適用性をより拡張するためには、剛性の異なるその他の材料を基材とした試験体でも実験的に検討する必要があると考えた。そのため平成27年度は、材料の剛性が大きく異なるモルタルに応力発光材料を塗布した試験体を用い、その発光状況について検討した。剛性の異なる試験体の発光状況を明らかにすることによって、より効果的な構造教育用ツールの開発に繋げることができるものと思われる。
Strategy for Future Research Activity	平成27年度の研究では、剛性の大きいモルタルに応力発光材料を塗布した試験体を用いて、圧縮試験および曲げ試験を行い、モルタル試験体においても、その応力分布は可視化できることを示唆することができた。平成28年度の研究計画は、有開口壁のせん断機構など、構造教育を対象とするのみでなく、更に発展させて、実験的研究で扱われるあらゆる架構形状の応力分布を発光画像によって数値化できる研究用ツールを開発することとしている。そこで、当初平成27年度に予定していた、様々な形状を作ることができる3Dプリンターを用いて試験体を作製し、応力発光材料の適用性を検討する。使用する3Dプリンターは比較的安価で広く普及している熱溶融積層方式（FDM法）のものを採用する。また、使用する材料は、ABS樹脂またはPLA樹脂とする。これらはエポキシ樹脂と比較し剛性が小さいが、平成27年度の研究から、剛性が異なっても応力分布の可視化は可能であると思われる。実験要因としては、3Dプリンターの作製方法により、積層方向（縦・横）、積層ピッチ、充填率などが挙げられ、それらの違いが発光状況に及ぼす影響について検討する。 3Dプリンターは、例えば有開口壁ラーメン架構や複層ラーメン架構などの様々な形状の架構モデルを作製することができる。3Dプリンターを使用した研究用ツールの作製が可能となれば、実験的研究で扱われるこれらの複雑な架構に対して、その応力分布をFEM解析などに頼ることなく可視化した画像によって数値化することが可能となる。
Causes of Carryover	当初は、平成27年度に行う載荷実験で使用する治具を購入する予定であったが、岐阜工業高等専門学校の試験機を借用することにより実験を行うことができたため平成27年度は購入する必要がなくなった。
Expenditure Plan for Carryover Budget	平成28年度には新たに実験を行う必要があり、そのための治具を購入する予定である。