2 ×材を用いた木・鋼ハイブリッド部材の剛性評価

秋田大学 7018835 田村陸 指導教員青木由香利

1. はじめに 近年、温暖化対策がカーボンニュートラルの考え のもと講じられているなか土木分野においても温暖 化対策への尽力が求められている。そこで木材の特 性である炭素固定に注目して橋梁などの土木構造物 への木材の利用を考える。しかし、コンクリートや 鋼材の普及に伴い土木構造物への使用率が減少して きた歴史のある木材を使用するとなったときに懸念 されるのは強度や耐久性などの面で他材料に劣って いるところである。従って木材の弱点を補完するよ うな鋼材との複合部材を木・鋼ハイブリッド部材と し解析にかけて剛性評価を行い実用できるかどうか 検討する。 2. 解析手法とモデル ハイブリッド部材は図-1 のように重ね合わせら れる木材の板に、使用する鋼材の径にあったくぼみ を掘り鋼材を挟む形で接着して作ることを想定して いる。実際の接着に関してはエポキシ樹脂で接着す ることを想定しているが本研究のモデル作成におい ては考慮していない。 図–1 ハイブリッド部材の構成

使用する木材として、サイズ規格が決められた材の入手の容易さと木材と鋼材の組み合わせを試しやすいということから 2 ×材を採用した。 2 × 材は SPF 材で作られていていることより木材の材料定数としてヤング率 E = 6MP a、ポアソン比 ν = 0.4、密度 0.45g/cm^{3} を用いた。また、鋼材の材料定数としてはヤング率 E = 200MP a、ポアソン比ν = 0.3 を用いた。

今回は 2 ×材の規格表-1 でいう 2 × 4 材と 2 × 6 材を想定した。またそれぞれに対して丸鋼の直径を 10mm から 20mm まで 2mm ずつ変化させ、さらに入れる鋼材の本数を 2 × 4 において 1 本と 2 本、 2 × 6 において 2 本と 4 本のように変えてモデルを作成した。図-2

図–2-a 2 × 4, 丸鋼 1 本図–2-b 2 × 4, 丸鋼 2 本

図–2-c 2 × 6, 丸鋼 2 本図–2-d 2 × 6, 丸鋼 4 本

図–2 解析モデル断面表–1 2 ×材 断面規格表

サイズ呼び方断面サイズ 2 × 4 ツーバイフォー 38mm × 89mm 2 × 6 ツーバイシックス 38mm × 140mm 2 × 8 ツーバイエイト 38mm × 184mm

本研究ではそれぞれのモデルに対して曲げ、圧 縮、座屈の解析を行って部材の剛性や強度を評価し ていくが今回は曲げ解析に焦点を絞って結果、考察 に進む。 3. 解析結果 以下の図-3 図-4 図-5 は単純梁各モデルにおいて 100kN の集中荷重をかけて曲げ解析を行った結果 得られた、たわみ、載荷断面の上面と下面の応力の 変位をグラフにしたものである。どの図においても 2 × 4 は左側の y 軸、 2 × 6 は右側の y 軸に沿って プロットしてある。 図–3 たわみの変位グラフ 図–4 応力 (上面) の変位グラフ 図–5 応力 (下面) の変位グラフ図-3 よりどの 2 ×材と鋼材の本数の組み合わせ でも鋼材の直径が大きくなるにつれてたわみは小さ くなった。また 2 × 4 と 2 × 6 をそれぞれ見てみ るとどちらにおいても鋼材の本数が多いほうがたわ みの変位量が大きいことが分かる。 応力に関しては図-4 と図-5 を見比べてみると、 上面と下面どちらにおいてもたわみの変位と同じよ うに鋼材の直径が大きくなるにつれて増減してい る。しかし、それぞれの図で見てみると 2 × 4 と 2 × 6 で変位の仕方が逆になるという結果が上面と下 面どちらでも得られた。 4. 考察 まずたわみについて考えると、図-3 の変位の仕 方から本数が多いほど、また鋼材の直径が大きいほ どたわみが抑えられることが分かるがこれは断面 2 次モーメントから考えても妥当だといえるだろう。 しかしたわみが抑えられるのに伴って部材の重量も 増えていることと木材のかぶりの厚さを考慮すると 単に鋼材の本数を増やして直径を大きくするという わけにもいかないだろう。 次に応力について考えると、 2 × 4 と 2 × 6 では 2 × 6 の方が応力が小さくなっているが、これは断 面サイズの違いによる断面係数の差の影響だと思わ れる。応力のグラフで問題なのが 2 × 4 と 2 × 6 において上面と下面どちらにおいても変位の仕方が 違うところである。具体的に図-4、図-5 から読み 取ると、 2 × 4 では鋼材の直径が大きくなるにつれ て応力が大きくなっているのに対して 2 × 6 では 小さくなっている。考えられる理由としては、図-2 を見て分かるように、 2 × 4 と 2 × 6 の重ねる板の 違いから、断面の半分で上面と下面に分けた時、半 面に含まれる鋼材断面の大きさから応力への影響の 違いが生じると思われる。従って 2 × 6 では鋼材 断面に応力が集中していっているため木材部分の断 面の応力が小さくなっていっているのではないだろ うか。