火災を経験した建築構造用鋼材の変形能力とそれに基づく骨組の耐震性能の評価

研究課題

研究課題/領域番号	22K04401
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分23010:建築構造および材料関連
研究機関	東京都市大学
研究代表者	焦瑜東京都市大学, 建築都市デザイン学部, 准教授 (40632493)
研究分担者	山田哲東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60230455)
研究期間 (年度)	2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円) 2024年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円) 2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円) 2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード	火災後地震 / 建築構造用鋼材 / 加熱冷却 / 塑性変形性能 / 繰り返し載荷実験 / 加熱冷却後鋼材の耐力 / 加熱冷却後鋼材の変形能力 / 鋼材の変形能力 / 鋼構造骨組の耐震性能 / 加熱冷却条件 / 推定受熱温度
研究開始時の研究の概要	建設中又は使用期間中の鋼構造建物に火災が起こる可能性が考えられる。この場合、延焼した箇所の部材が加熱され、鎮火後冷却される。加熱履歴に伴い、引張試験による鋼材の機械的性質が変化する。火災を経験した鋼材の繰り返し変形能力は不明であり、温度、加熱・冷却時間が各種鋼材の繰り返し塑性変形能力への影響を解明することは、建物の安全を考える上で必要である。本研究では、「温度・加熱・冷却時間」をパラメータとして、加熱後冷却を施したTMCP鋼を含む建築構造用鋼材の繰り返し載荷実験を行い、加熱冷却条件が鋼材の履歴挙動及び繰り返し変形能力に及ぼす影響を明らかにした上、部材と骨組の変形能力を把握する。
研究実績の概要	鋼構造の耐震性能に関する研究の一環として、小歪振幅から大歪振幅を受ける建築構造用鋼材の極低サイクル疲労性能を調べた研究が行われたが、加熱冷却された鋼材の塑性変形性能を調べる研究はほとんど行われていない。本年度の実験では、一般構造用鋼材SS400を対象に、加熱冷却後の塑性変形性能を調べる。実験では、火災―鎮火の過程を想定し、試験片の前期処理として、SS400鋼板を熱処理専用の加熱炉による加熱し、水冷してから、軸方向の繰り返し載荷を行った。火害診断指針に示される火害等級の境界温度となる100℃、300℃、500℃、720℃の4段階の目標温度で試験片を加熱した。また、加熱しない常温状態（RT）の試験片も用意した。各目標温度まで鋼板の加熱を行い、30分間温度を維持した後、冷水をかけて急激に冷却させた。加熱した鋼板に加熱冷却後の鋼板が明らかな反りや曲げ変形をしていないことも確認した。そして、加熱冷却後の鋼板より試験片を製作し、小振幅から大振幅までの繰り返し載荷実験を行った。ここで、鋼材の塑性変形能力を調べるため、５段階の温度段階で加熱冷却させた試験片をそれぞれに、真歪±2％、±4％、±6％、±8％、±10％、±12％の一定振幅繰返し載荷実験を行う。以上のパラメーターを設定し、計30本の試験片の繰返し載荷実験を行い、それぞれの鋼材の歪振幅と破断までの繰返し回数の関係を調べた。実験結果より、720℃以外の温度段階で加熱冷却させた試験片は、両対数グラフ上では、各目標温度の試験片が破断するまでの破断回数-歪振幅の関係はほぼ同一直線関係を示すことがわかる。異なる加熱温度による塑性変形能力の違いがほぼ見られなかった。しかし、720℃で加熱冷却された試験片は、破断寿命が他の温度より短くなったことが分かった。今後、異なる強度レベルの鋼種についても調べる予定である。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由計測装置（MTS伸び計）の入荷待ちで3ヶ月以上かかりましたが、概ね順調に進めています。
今後の研究の推進方策	本研究では、一度加熱冷却させたSS400鋼材の繰り返し載荷実験を行い、火災―鎮火過程を経験したSS400鋼材の塑性変形能力を調べた。その結果、加熱冷却歴及び加熱目標温度の違いがSS400鋼材の塑性変形能力へ及ぼす影響がほとんどないことがわかった。今年度は、異なる強度レベルの鋼種（高層、超高層建物に使われる高強度鋼材SN490、SA440）についても同じ手法で調べる。試験片の製作はすでに完了し、現時点ではSN490シリーズの実験を行っている。