KIMURA, Kei

木村, 慧

Japanese

Nagoya Repository

1/4  別紙４     主 論 文 の 要 旨  論 文 題 目 ひずみ速度を考慮した高強度鋼梁の耐火性能評価 (Evaluation on fire resistant performance of high-strength steel beams considering strain rate) 氏 名 木村 慧  論 文 内 容 の 要 旨  鋼材は，コンクリートや木材などの他素材に対して強度と剛性が高く，建築物に広く用いられている．日本に代表される地震国では建築物に耐震性能が要求されるため，高層建築物や大スパン構造に適用される鋼部材の断面は，非地震国のそれより大きくなる傾向を示す．また国内建築分野では，建設労働人口の減少や建設コスト上昇に対して生産性向上へのニーズが強く，カーボンニュートラルという新基軸が顕在化してきており，鋼材使用量の低減が求められている．高強度鋼は，これらの課題に対する有効な解決手段の一つである．建築分野においても幅広い強度レベルの高強度鋼が開発されており，例えば国内では，基準強度が 235N/mm2 である普通鋼に対して，その 3 倍以上に相当する 880N/mm2 級の高強度鋼も実用化済みである．また，非地震国が大部分を占める欧州においても，高強度鋼の使用が徐々に増え，Eurocode 3 Part 1-12 には降伏強度が 700N/mm2 である高強度鋼が含まれている． 建築物に要求される構造性能の一つとして，耐火性能が挙げられる．鋼材は高温で強度と剛性が低下するため，鋼部材の耐火性能を確保し，火災時における建築物の崩壊を防止する必要がある．したがって，鋼材の高温応力－ひずみ関係は，火災加熱を受ける鋼部材や鋼架構の挙動を評価する鋼構造耐火設計の根幹であり，欧州の Eurocode 3 Part 1-2 と日本の鋼構造耐火設計指針はその実用的な数式表現を与えている．特に Eurocode の高温応力－ひずみ関係は，有限要素解析を含む数値解報告番号 ※      第     号 学位報告４ 2/4  析に基づく耐火性能評価を可能とし，実建物の耐火設計や耐火研究開発に用いられている．Eurocode 3 Part 1-2 では 460N/mm2 級鋼，鋼構造耐火設計指針では325N/mm2 級鋼までの高温応力－ひずみ関係が定義されており，これらを上回る高強度鋼の高温特性に関する実験データが蓄積されてきている．また高強度鋼部材の火災時挙動に関する研究例も存在し，今後，高強度鋼を用いた耐火設計例は増加が期待される． 近年，高温となった鋼材におけるひずみ速度依存性に着目した研究が行われ，ひずみ速度が速くなると高温強度が上昇することが指摘されている．これら研究の主目的は，実火災条件における鋼材の有効降伏強度を把握し，ひずみ速度を考慮した高温応力－ひずみ関係を提案することである．これにより，火災加熱を受ける鋼部材が崩壊する際のひずみ速度を考慮した終局耐力評価が可能となる．その結果，火災加熱を受ける鋼部材は，より大きな荷重を支持できる，あるいは崩壊温度が上昇するため耐火被覆を薄くできる．特に，耐火被覆厚さを低減することで，省材料・工期短縮・低コスト化が図れることに加え，意匠性の向上や有効スペースの拡大などの価値を享受できる．建築分野における高強度鋼の更なる普及と，火災加熱を受ける鋼架構の崩壊現象を踏まえた耐火設計の高度化を踏まえると，ひずみ速度を考慮した高強度鋼部材の耐火性能評価手法の開発が望まれる． ただし，鋼材の高温時ひずみ速度依存性を考慮した既往研究の大部分は高温素材引張試験によるものであり，また基準強度が 600N/mm2 を超える高強度鋼を対象とした実験データは限られている．また，試験片形状やひずみ速度は試験毎に異なるため，研究結果を直接比較することは困難であり，鋼材の常温時における設計基準強度の違いが，高温時のひずみ速度依存性に及ぼす影響は不明である．加えて，ひずみ速度が鋼部材の高温挙動に与える影響を検証した研究は極めて少なく，実大部材を用いた実験検証例は皆無である．したがって，火災加熱を受ける鋼部材を対象として，ひずみ速度を考慮した鋼材の高温特性と鋼部材の高温挙動の関係性は明らかでない．このような状況のもとでは，火災初期から高温崩壊に至る鋼部材のたわみ挙動を精緻に評価することは不可能であり，耐火被覆厚さの低減による様々なメリットは享受できない． 本研究では，火災加熱を受ける高強度鋼梁を対象として，(1)種々の高強度鋼が有する高温時のひずみ速度依存性を体系的に調査し，(2)実大鋼梁の時刻歴火災応答を精度良く再現可能な数値解析手法を提示することで，(3)ひずみ速度を考慮した耐火性能評価を実施する．これらの取組みを通じて，ひずみ速度を考慮した耐火設計手法の実適用に向けた基礎知見を提供することを本研究の目的とする． 第 1 章では，研究の背景を述べ，既往の研究成果を整理した．ひずみ速度を考慮学位関係 3/4  した高強度鋼梁の耐火性能を評価するための課題は上記の通りである． 第 2 章では，建築構造用高強度鋼の高温時ひずみ速度依存性を明らかにした．鋼材の基準強度，試験温度，ひずみ速度を変数とした高温素材引張試験を実施し，高強度鋼の強度レベルと高温時ひずみ速度依存性の関係を系統的に調査した．高強度鋼の高温応力－ひずみ関係に基づくと，特に 500℃以上の高温域において，ひずみ速度が上昇すると高温強度が顕著に上昇した．また，1%ひずみ時応力で定義した有効降伏強度の低下は，基準強度が 385 および 630N/mm2 の高強度鋼に比べて440N/mm2 の高強度鋼のほうが緩やかであり，600 および 700℃における有効降伏強度は高ひずみ速度下で顕著に上昇した．さらに，得られた試験結果に基づき，Eurocode をベースとしてひずみ速度を考慮した強度残存率を提示した．最適化手法である DE を用いて提案したひずみ速度依存性を含む高温強度残存率は，高温素材引張試験結果と良い一致を示した．加えて，鋼材の組織観察を実施しひずみ速度依存性のメカニズムを分析することで，ひずみ速度依存性を考慮した耐火設計実用化に向けた技術的裏付けを提供した．鋼材の組織観察結果より，鋼材が高温時に高ひずみ速度で変形すると，結晶粒が引張方向に伸長し粒内の方位差が大きくなった．このとき，粒界すべりより粒内変形が卓越しひずみ硬化が発現したため，高温強度が上昇したと考えられる． 第 3 章では，建築構造用高強度鋼梁の高温時ひずみ速度依存性を明らかにした．第 2 章と同じ高強度鋼を用いた溶接組立 H 形鋼梁を対象として，部材温度と荷重速度を変数とした高温部材曲げ実験を実施し，ひずみ速度が実大部材の高温挙動に及ぼす影響を検証した．部材温度 600℃および 700℃のいずれにおいても，初期剛性は荷重速度に依らない一方，梁たわみ量が大きくなるに連れて，荷重速度が速いほど梁の耐力が大きくなった．最大荷重に到達後は，荷重速度の低下とともに耐力が低下した．また，梁の限界たわみ時の耐力に着目した場合，荷重速度が 0.05 kN/secから 1.00 kN/sec に上昇すると 600℃では耐力が 1.30 倍，700℃では耐力が 1.51 倍となった．荷重速度は高温時における実大梁部材の荷重支持能力に大きな影響を及ぼすことを実証した． 第 4 章では，第 3 章の実験結果を再現可能な高温面内解析手法を提示した．最適化手法である DE によって係数を同定したひずみ速度鋭敏性を用いることで，任意の温度，ひずみ，ひずみ速度における応力を算出可能な応力－ひずみ関係を提示した．700℃以下の温度域においては，前記の応力－ひずみ関係と高温素材引張試験結果は概ね一致した．また，この応力－ひずみ関係に基づき，梁材軸方向の曲げモ学位関係 4/4  ーメント分布に対するたわみ曲線を積分する解析手法を用いて，温度一定・荷重漸増条件でのひずみ速度依存性を考慮した高温面内解析モデルを構築した．前記解析モデルより得られる荷重－変形関係は，高温部材曲げ実験の最大耐力レベルまでの高温弾塑性挙動を概ね捉えることができた．そして，実験では得難い，鋼梁に生じるひずみやひずみ速度を高温面内解析によって評価可能である．梁の限界たわみ時のひずみはおよそ 1～2%，ひずみ速度はおよそ 0.3～7.5%/min であった．いずれも既往の研究成果と整合しており，第 2 章で実施した高温素材引張試験におけるひずみ速度設定の妥当性を確認できた．さらに，梁材軸方向のひずみおよびひずみ速度分布を分析した．部材温度に依らず，荷重速度が速くなると最大ひずみは小さくなる一方，最大ひずみ速度は大きくなることを把握した．すなわち，第 3 章で実施した実大鋼梁の高温部材曲げ実験において，荷重速度が速くなるとひずみ速度が上昇したと考えられる． 第 5 章では，第 4 章で確立した数値解析手法を，梁断面内の温度差に起因する中立軸位置の移動を考慮して，荷重一定・温度漸増条件でのひずみ速度を考慮した高温面内解析モデルに拡張した．前記解析モデルを用いた解析結果と既往実験結果を比較し，鋼材の高温応力－ひずみ関係や鋼部材の断面内温度分布を適切に評価することで両者が概ね一致することを把握した．高温面内解析より得られた崩壊時のひずみ速度は 0.3～0.5%/min 程度，中立軸は上フランジ側に 50mm 程度移動した．また，第 2 章で実施した 3 種類の高強度鋼を対象とする高温素材引張試験結果に基づき，最適化手法である DE によってひずみ速度鋭敏性の係数を同定した．そして，鋼材種別，断面内温度分布，外力条件，ひずみ速度依存性の有無を解析変数とした高温面内解析により，高強度鋼梁の高温挙動を評価した．各変数が崩壊時間や崩壊温度，ひずみやひずみ速度に及ぼす影響を把握すると共に，ひずみ速度を考慮することで崩壊温度が約 20℃上昇することを把握した．高温面内解析より得られる崩壊温度解析値は，ひずみ速度 7.5%/min における有効降伏強度の残存率から崩壊温度を算定することでより精度良く評価できる可能性がある． 以上，本論文では，高強度鋼を対象とした高温素材引張試験と高温部材曲げ実験による火災時挙動の把握に加えて，実験結果に基づいた高温面内解析により素材と部材の高温特性を結びつけることで，ひずみ速度を考慮した耐火設計手法を提示した．本研究成果を活用することで，火災初期から高温崩壊に至る高強度鋼梁の高温挙動を精緻に評価することが可能となり，耐火被覆の低減による省材料・工期短縮・有効スペース拡大などのメリットを享受できると考える． 学位関係 

ひずみ速度を考慮した高強度鋼梁の耐火性能評価

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ひずみ速度を考慮した高強度鋼梁の耐火性能評価

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