| 研究課題/領域番号 |
23K22903
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01633 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分23010:建築構造および材料関連
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| 研究機関 | 宇都宮大学 |
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研究代表者 |
中野 達也 宇都宮大学, 地域デザイン科学部, 准教授 (00361361)
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| 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)
聲高 裕治 京都大学, 工学研究科, 教授 (80343234)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2024年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
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| キーワード | 柱梁接合部 / 亀裂 / 破断 / 構造実験 / 有限要素法解析 / 梁端接合部 / 柱端接合部 / 溶接部 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
地震時に大きな力が作用する柱梁接合部は鋼構造骨組の急所である。これまでに経験した地震で亀裂が発生している場合，次の巨大地震で破断に進展し，倒壊など建物全体の大きな被害に繋がることも危惧されるが，どこの箇所に，どのような条件で亀裂が発生し，損傷がどれくらい累積したら破断に至るのかはわかっていない。
本研究では，新築建物の設計に活用できる「大きな被害に繋がりやすい条件」を提示する【予防】と共に，既存建物の安全性検証に活用できる「経験地震による累積損傷および破断に至るまでの残存寿命の診断法」を構築する【対策】。
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| 研究実績の概要 |
本研究では，鋼構造柱梁接合部（梁端接合部および柱端接合部）の亀裂発生感度と累積損傷・変形性能の関係を体系的な実験・解析により定量化することを目的としている．研究２年目の令和５年度は，繰返し履歴を考慮できる有限要素法解析プログラムとして「MSC MARC」を新たに導入し，パラメトリック解析を実施するための各種の整備を行った．また，梁端接合部に関する構造実験の試験体を製作した．
梁端接合部については，前年度の検討から，エンドタブ形式（固形／スチール）が歪集中係数に及ぼす影響は，スカラップの有無と組み合わせた複合的な評価が必要であることが判明した．そもそもエンドタブ形式の影響を受ける梁端フランジ幅端部には溶接部が存在し，形状不連続だけでなく材料不連続も有する評価が難しい部位である．そこで問題を明快にするために，材料不連続のないスカラップ底からの破断に焦点をあて，断面寸法および載荷履歴などをパラメータとした事前解析を実施し，構造実験のパラメータを確定させた上で計６体の試験体を製作した．また，最新の亀裂発生評価指標であるロード角パラメータの算定に必要となる様々な形状の機械試験を計画し，パラメータ同定のための解析モデルを構築した．
柱端接合部については，パラメトリック解析に先立って解析モデルの簡略化に取り組んだ．せん断曲げを受ける角形鋼管角部の材端部における応力・歪状態を，２Ｄソリッド要素の軸対称モデルで再現できることを示し，ポアソン効果による変形拘束を考慮した解析モデルの構築に成功した．年度末には，溶接止端部の寸法および材料特性分布（母材と溶接金属の強度比）に関するパラメトリック解析に着手しており，解析結果が出揃えば，延性亀裂発生条件に基づく塑性変形性能と各影響因子の関係を定量的に評価できる見込みが得られた．
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| 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
梁端接合部については，エンドタブ形式の影響を受ける梁端フランジ幅端部を調査対象から除外し，スカラップ底からの破断に焦点をあてることで，学術的な目標は変えずに進捗を当初計画にのせることができた．構造実験の実施が２ヶ月ほど遅れているが，パラメータ同定のため有限要素法解析が進んでいる．
柱端接合部については，解析プログラムを変更した影響で停滞が生じたが，解析コスト削減のための取り組みが当初計画には無かった学術的価値のある研究に繋がり，当初計画を上まわる成果が得られた．
以上のとおり，梁端接合部に関する検討は若干遅れ気味ではあるが，柱端接合部に関する検討が進んでおり，総合的にみておおむね順調に進展しているといえる．
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| 今後の研究の推進方策 |
梁端接合部については，製作が完了した計６体の構造実験を実施する．実験では亀裂発生時期を捉えるために，マイクロスコープによる観察・動画記録のほか，画像相関法による３Ｄ計測を行う．また，解析モデルの構築が先行している様々な形状の機械試験片を梁材から採取・製作し，引張試験を実施すると共にパラメータ同定および分析を行う．
柱端接合部については，ポアソン効果による変形拘束を再現できる簡易解析モデルを使用して，溶接止端部の寸法および材料特性分布に関する網羅的なパラメトリック解析を実施し，延性亀裂発生条件に基づく塑性変形性能と各影響因子の関係を定量的に評価した上で，延性亀裂発生を防止するための溶接部への要求性能を提示する．
なお，最新の亀裂発生評価指標を適用するための各種機械試験と，国際会議への渡航費用が当初計画に比べて激増したため，３年目に計画していた柱角部溶接部の要素実験は中止する．ただし，最終的な研究成果に対する影響は限定的であり，当初目標は達成できる見込みである．
得られた研究成果を取りまとめて，学会発表および論文投稿などを行う．
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