2018 年度実施状況報告書

火災高温時における建築鋼構造の鋼材ひずみ速度の詳細検討と耐火設計の高度化

研究課題

研究課題/領域番号	18K04429
研究機関	名古屋大学
研究代表者	尾崎文宣名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (40434039)
研究期間 (年度)	2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード	耐火 / 鋼構造 / ひずみ速度 / 崩壊温度
研究実績の概要	本研究課題の主目的は、建築耐火分野において、今まで詳細な検討・評価されてこなかった「高温時鋼材のひずみ速度」と「鋼部材・構造全体の火災時終局強度」の関係を解明するために、ひずみ速度に着目した高温素材引張試験、鋼部材の高温載荷実験と数値解析を新たに実施し、これより火災時におけるひずみ速度変化が部材終局耐力・変形性能に及ぼす影響を検討し、ひずみ速度の視点から鋼材の高温時機械的性質～部材実耐力・実変形性能の関係を新たに明らかにすることである。本研究成果は、建築耐火実務設計で利用可能な設計強度と各種部材耐力に反映させることで鋼構造耐火設計を高度化し、また部材崩壊までのひずみ速度の実態が解明されることで、JISに規定された現行高温素材試験の画一的なひずみ速度設定値が持つ工学的意味と問題点を明らかにし、現行試験法の抜本的改革も視野に入れた建築耐火向け新試験法の開発と提案を目指す。本年度においては、建築火災の対象部材温度(常温～800℃)に対して、引張ひずみ速度を数段階に変化させた高温鋼材引張試験を実施した。本実験結果より、既往のひずみ速度依存型の応力～ひずみ関係の一般的な定式化を図り、耐火設計でも利用可能な応力～ひずみ関係式の新提案を行った。さらに荷重一定・温度漸増の模型鋼梁の3点曲げ載荷加熱実験を実施し、部材の崩壊温度を明らかにした。本実験では、荷重比、加熱速度をパラメータに設定し、加熱速度や荷重比が異なる場合の鋼梁の耐火性能(崩壊温度)を明らかにした。得られた実験結果については、ひずみ速度の影響を考慮した非線形弾塑性解析結果との比較を行った。解析結果と実験結果の傾向は概ね一致するものの、数値解析における鋼材応力～ひずみ関係のモデル化が不十分な箇所もあり、全般的に解析の崩壊温度が低くなっている。これは次年度の検討課題となる。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 1: 当初の計画以上に進展している理由ひずみ速度の影響を考慮した高温時応力～ひずみの定式化と素材試験が順調に進んだため、加熱部材実験を当初の計画から約半年前倒しで実施した。最初の1年で、鋼部材の耐火性能の解明、鋼素材の高温特性の定式化、および数値解析モデルの提案がほぼ完了することができた。
今後の研究の推進方策	前述の通り、数値解析における鋼材応力～ひずみ関係のモデル化が不十分な箇所もあり、全般的に解析の崩壊温度は、実験結果と比べて低くなっている。今後はさらなる数値解析モデルの改良が必要と考えている。次年度は、模型鋼梁に対する温度一定・荷重漸増実験を追加で実施する。これにより載荷速度を変化させた場合の鋼梁の高温耐力・変形性能を明らかにする。さらに模型鋼柱の高温座屈実験を行うことで、ひずみ速度の検討を行う。加熱速度および荷重を変化させた鋼柱の座屈実験を行い、崩壊温度に対してひずみ速度がどのような影響を及ぼすかを検討する。さらに鋼柱の高温座屈に対する数値解析モデルを構築することで、実験結果と解析結果の比較を行う。