建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University 教科書 pp.107-132 pp.176-180 Tohoku University 金属材料の分類 炭素量 ： 展性： 硬度 ： 融点 金属材料 錬鉄（鉄） 鉄類 鋳鉄（銑鉄） 少 大 小 高 多 小 大 低 合金鋼：炭素以外にNi・Cr・Mo・Mn等を加え 機械的性質や耐食性を向上 非鉄金属：銅やアルミ、錫、鉛、亜鉛などの鉄（Fe）以外の 金属とその合金 建築材料 #1 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #2 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University 鉄類の分類 錬鉄（鉄） 鋳鉄（銑鉄） 鉄鋼材料の特徴 小 大 2. 他の材料（木・コンクリート）と比較して強く（強度が高い）、 硬い（剛性・ヤング係数が大きい） 3. 最終的な破断までに 低 4. 溶接・圧延・曲げ加工など様々な成形ができる 種類 炭素量[%] 引張強さ[MPa] 伸び[%] 用途 極軟鋼 0.15未満 320～360 30～40 薄鉄板・リベット等 軟鋼 0.15～0.28 380～420 21～36 建築用棒鋼・型鋼等 半軟鋼 0.28～0.40 440～550 22～32 建築用材・軌道等 硬鋼 0.40～0.50 580～700 14～26 軸類・歯車・工具等 最硬鋼 0.50～0.60 650～1000 11～20 スプリング・鋼線等 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 教科書 p.108 1. 豊富な原材料があり、大量生産のプロセスが確立されて 経済的に良質な材料を入手し易い 炭素量 ： 展性 ： 硬度 ： 融点 少 大 小 高 多 Tohoku University 建築材料 #3 5. 熱に弱く、一定以上の温度になると強さ、硬さがともに急 激に低下する 6. 7. スクラップを原料とするリサイクルが確立している 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #4 1 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University 製鉄 Tohoku University 鉄鋼製造プロセス 教科書 p.126 図 3.3.18 法（主に鉄骨などの主要架構） 圧 延 主な製品 レール 鋼矢板 製 銑 鉄鉱石（酸化鉄）およびコークス・石灰石を溶鉱炉で溶解 酸素を除去して（還元して）銑鉄を得る 形鋼 連続鋳造設備 鉄鉱石 ペレット 条鋼圧延機 製 鋼 焼結鉱 コークス 線材 石灰石 線材圧延機 直送 転炉で不純物（硫黄・珪素・燐）の除去と炭素量の調整を行い、 鋳型に注がれて鋳造され半製品になる 厚材 圧延 ビレット 銑鉄 棒鋼 厚板圧延機 転炉 ホット・コイル 参考URL http://www.nssmc.com/company/tour/vr_tour.html/ （熱延薄板） ブルーム 熱間ストリップ圧延機 法（主に小型型鋼や異型鉄筋） コールド・コイル （冷延薄板） スラブ 電気炉 冷間ストリップ圧延機 スクラップをアーク放電によって溶解、副原料（合金鉄など）を 添加して成分調整を行って製造 溶接鋼管製造設備 高炉 参考URL http://sc-smn.jst.go.jp/playprg/index/2307 建築材料 #5 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 造塊 分塊圧延機 密度 [g/cm3] 炭素鋼 融点 [˚C] 比熱 [J/kg ˚C] 1500 510 教科書 p.116 熱伝導率 [W/m ˚C] 熱膨張係数 [×10-6/˚C] 11.7 コンクリー ト 約2.3 － 1050 1.4～1.5 7～13 木材 （杉） 0.3～0.4 － 1260 0.12 3～6 ※繊維方向 35～60 ※繊維と直交 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #7 鍛接鋼管 継目無鋼管 加熱炉 継目無鋼管設備 鋳鋼製品 建築材料 #6 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University 炭素鋼の物理的性質 めっき用鋼板 溶接鋼管 均熱炉 Tohoku University 他の材料との比較 材 種 密 度 弾性係数 圧縮強度 引張強度 曲げ強度 [t/m3] [GPa] [MPa] [MPa] [MPa] せん断強 度[MPa] 針葉樹 （スギ） 0.3～0.4 7～8 25～42 50～75 30～75 4～9 広葉樹 （カシ） 0.7～1.0 16～18 70～80 220～250 120～140 コンク リート 2.3 20～56 18～36 1.8～3.6 鋼鉄 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 3～6 16～18 5.4～10.8 220～360 220～360 127～208 建築材料 #8 2 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University 炭素鋼の機械的性質 教科書 p.118 Tohoku University 鋼材・製品 JIS G 3505 軟鋼線材 JIS H 8610 電気亜鉛めっき P：比例限界 E：弾性限界 Y： B： Z：破断 ひずみ硬化域 降伏棚 JIS G 3136 建築構造用圧延鋼材 （SN材） （塑性域） 弾性域 図 3.3.10 JIS G 3112 鉄筋コンクリート用棒鋼 建築材料 #9 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal JIS G 3352 デッキプレート 建築材料 #10 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University JIS規格 教科書 p.110～111 鉄筋コンクリート用棒鋼（鉄筋） JIS G 3112 鉄筋コンクリート用再生棒鋼 JIS G 3117 種類 熱間圧延 丸鋼 熱間圧延 異形棒鋼 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 種類の記号 または 耐力[MPa] Tohoku University JIS規格 降伏点または 耐力[MPa] 引張強さ[MPa] 伸び[%] 235以上 410～510 21以上 275以上 490～610 19以上 SM400A 245以上 400～510 18以上 SM400B 235以上 400～510 22以上 SM490A 315以上 490～610 21以上 SM520B 355以上 520～640 19以上 SN400A 235以上 400～510 21以上 SN490B 325～445 490～610 21以上 種類の記号 [MPa] 伸び[%] SR235 235以上 380～520 20 / 22以上 SR295 295以上 440～600 18 / 19以上 SD295A 295以上 440～600 16 / 17以上 SD295B 295～390 440以上 16 / 17以上 SD345 345～440 490以上 18 / 19以上 SD390 390～510 560以上 16 / 17以上 SD490 490～625 620以上 12 / 13以上 建築材料 #11 一般構造用圧延鋼材 （SS材）JIS G 3101 溶接構造用圧延鋼材 （SM材）JIS G 3106 建築構造用圧延鋼材 （SN材）JIS G 3136 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 教科書 p.112～113 建築材料 #12 3 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University 鉄鋼材料の熱的性質 教科書 p.123 建築材料 #13 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University 鉄鋼材料の熱的性質 教科書 p.123 建築材料 #14 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University 疲労破壊 教科書 p.121 加重形式 ：片持梁回転曲げ 試験機 ：”Rapid”シェンク 繰返し速度：6,000rpm 降伏応力以下の応力で 多数回の繰り返しを受けた 材料の脆性的な破断 Tohoku University 鉄の腐食 酸化反応（⇔還元反応） 空気 工学的にはN=2×106 で破壊しない応力 応力集中や材質の 不均質で著しく低下 教科書 p.124 Fe2+ カソード アノード 2e- 図 3.3.13 錆：Fe2++2OH- →Fe(OH)2 4Fe(OH)2+2O2 →４FeOOH+2H2O 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 水 O2+2H2O+4e→4OH- 建築材料 #15 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal ※ FeOOH・・・ Fe2O3・H2O 2 （水和酸化鉄） 建築材料 #16 4 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University 腐食電池 Tohoku University 防食方法 ・適切な選択： 耐食性の金属の使用、均質な材料 イオン化傾向 K, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, (H), Cu, Ag, Pt, Au 大（卑側） 小（貴側） Zn H2↑ ・環境処理： 水分や酸素、塩素等の有害成分を除去 Cu 2H+ ・表面の保護被覆： 塗料や耐食性の大きい金属で被膜を作る水分や酸素を 遮断するが、不完全な場合は腐食を促進する場合がある 2eZn2+ ・適切な設計・用途：異種金属や非金属と接触させない 凹凸等を設けず、過度なひずみを生じさせない ボルタ電池 H2SO4（電解質） 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #17 建築材料 #18 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University 防食方法 Tohoku University めっき ・適切な選択： 耐食性の金属の使用、均質な材料 亜鉛めっき：トタン （ ・適切な設計・用途： 貴金属 と接触させない 凹凸等を設けず、過度なひずみを生じさせない ピンホール ・環境処理： 水分や酸素、塩素等の有害成分を除去 金めっき （ ・表面の保護被覆： 塗料や耐食性の大きい金属で被膜を作る。 を遮断するが、不完全では腐食を促進する場合がある 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 卑金属 型被膜） 建築材料 #19 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 腐食電池 貴金属 型被膜） 赤錆 卑金属 建築材料 #20 5 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University 金属材料の分類 合金鋼 炭素量 ： 展性： 硬度 ： 融点 炭素鋼 錬鉄（鉄） 少 大 小 高 鋳鉄（銑鉄） 構造用合金鋼： JIS G 4053等 より 鋼鉄（鋼） 鉄類 Tohoku University 多 小 大 低 合金鋼：炭素以外にNi・Cr・Mo・Mn等を加え 機械的性質や耐食性を向上 以外に5%以下のNi、Cr、Mn等の金属を加える 組成 Mo C 引張強さ [MPa] 降伏点 [MPa] 伸び [%] 特徴 － 0.13～ 0.48 780～ 980以上 635～ 835以上 12～18 以上 引張強さは大きいが 伸びが小さく脆い 0.5～ 1.0 － 0.12～ 0.40 740～ 930以上 590～ 785以上 12～22 以上 強さ・硬さにすぐれる 用途が広い 0.4～ 3.5 0.30～ 1.20 0.12～ 0.50 830～ 1080以上 685～ 930以上 12～20 以上 衝撃力に強い 切削が容易 － 0.9～ 1.5 0.30～ 0.45 0.13～ 0.48 830～ 1030以上 685～ 885以上 12～18 以上 溶接性がよい 薄鋼板としても十分な強度 － － － 0.15～ 0.28 370～ 550 240～ 350 25 一般的な鋼材・鉄筋など Ni Cr Cr 鋼 － 0.9～ 1.2 Ni-Cr 鋼 1.0～ 3.5 Ni-Cr-Mo 鋼 0.4～ 4.5 Cr-Mo 鋼 炭素鋼 (軟鋼) 非鉄金属：銅やアルミ、錫、鉛、亜鉛などの鉄（Fe）以外の 金属とその合金 その他、ピアノ線（PC鋼線に使用）等 構造物の長大化・高層化、部材の縮小や軽量化に寄与 建築材料 #21 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University 合金鋼 建築材料 #22 Tohoku University ステンレス鋼 東京カテドラル聖マリア大聖堂 ステンレス鋼（JIS G 4321等） • 設計者：丹下健三 • 竣工年：1964年・2007年に大規模改修 • 所在地：東京都 ・耐食性を向上させるためにクロムを10% 以上含有させた合金鋼 ・クロムが酸素と結合して表面に を作るために錆びにくい ・ 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal にすぐれ主に意匠材料や 水廻りなどに使用される 建築材料 #23 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #24 6 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University ステンレス鋼 Tohoku University アルミニウム合金 ・ アルミナ（Al2O3）を電解して製造される。展性・延性に富み加 工性が高い 参考URL：http://sc-smn.jst.go.jp/playprg/index/2275 ・ 鉄鋼と比較して ・ 100℃程度から軟化をはじめ、600℃程度で溶融する ・ 表面が酸化することで不動態被膜を形成し、耐久性を得る。 しかし、塩分、酸、アルカリに弱く、接触面などで腐食し易い。 通常部材では積極的に陽極酸化被膜を施す（アルマイト） 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #25 建築材料 #26 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University アルミニウム合金 Tohoku University アルミニウムの機械的性質 ・ アルミナ（Al2O3）を電解して製造される。展性・延性に富み加 工性が高い 参考URL：http://sc-smn.jst.go.jp/playprg/index/2275 材料の 種類 ・ 鉄鋼と比較して 炭素鋼 （S45C） 345 銅 （C1020-Ｏ） 鋼板 （SS400） ・ 100℃程度から軟化をはじめ、600℃程度で溶融する ・ 表面が酸化することで不動態被膜を形成し、耐久性を得る。 しかし、塩分、酸、アルカリに弱く、接触面などで腐食し易い。 通常部材では積極的に陽極酸化被膜を施す（アルマイト） 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #27 引張強さ 耐力 （Ｎ/ｍｍ2） （Ｎ/ｍｍ2） 伸び （％） 比重 570 20 7.71 233 83 55.5 8.96 400 245 17 7.85 純チタン (TP340) 340 215 23 7.51 ステンレス鋼 (SUS304) 520 206 40 7.93 アルミニウム (A5052-H34） 260 215 10 2.68 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 教科書 p.118 図 3.3.10 P：比例限界 E：弾性限界 Y：降伏点 B：引張強さ Z：破断 (b) アルミニウムの 応力－ひずみ線図 建築材料 #28 7 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University アルミニウム Tohoku University アルミニウムのリサイクル http://1.bp.blogspot.com/_EnJC-O_ry1Q/Sot9w7NIM7I/AAAAAAAAAJU/orTZgcrEAQc/s1600-h/090808_07.jpg モジュールに則ったアルミ材として、高さ・幅は 自由に組み上げる 住宅の構造の大部分をアルミで組み上げること で、将来的なリサイクル性に配慮 素材製造 容器製造 ボトリング キャップ・ダンボールなど 全輸送 スチール⽸ アルミ⽸ ガラスびん PETボトル 0% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 飲料容器ライフサイクルエネルギー消費の内訳 http://4.bp.blogspot.com/_EnJCO_ry1Q/Sot9wnRwSYI/AAAAAAAAAJM/L2WaqvHr4e4/s1600-h/090808_08.jpg 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 10% 出典：LCAのすべて，(社)未踏科学技術協会・エコマテリアル研究会，工業調査会，p.11，(1995) 建築材料 #29 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal Tohoku University 非鉄金属 建築材料 #30 Tohoku University チタン ミレニアムパーク野外音楽堂 銅(Cu)：展性に富み、加工し易い。屋根板材、樋など • 設計者：フランク・O・ゲーリー • 竣工年：2005年 • 所在地：アメリカ, シカゴ アルミニウム(Al)：軽くて強く、加工し易い。サッシなど 亜鉛(Zn)：強さ・延性・耐食性大。めっきに使用 → トタン板 すず(Sn)：展性が大で耐食。めっきに使用 → ブリキ板 鉛(Pb)：軟質で展性・延性大。密度が大きく遮蔽材料に はんだ：すずと鉛の合金。融点が約180℃と非常に低い ニッケル(Ni)：耐食性があり、めっきや合金として使用 チタン(Ti)：耐食性が非常に高い。屋根材や海洋構造物など 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #31 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #32 8 建築材料 #6, 7 22, 29. May 2013 Tohoku University Tohoku University 銅・銅合金 チタン • 鉄鋼よりも柔らかく（ヤング係数で60%程度）、 融点も1000℃程度で加工し易い • 鉄鋼よりも耐久性に優れる。乾燥空気中では腐食しないが、 高湿度下では徐々に腐食して緑色の塩基性酸化銅被膜を 生じる • 色調が美しく、意匠性が高い > 銅と亜鉛の合金 → > 銅と錫の合金 → 建築材料 #33 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 建築材料 #34 Tohoku University コールテン鋼（耐候性鋼板） 菅野美術館 • 設計者：阿部仁史 • 竣工年：2006年 • 所在地：宮城県塩釜市 22, 29. May, 2013｜#6, 7 Metal 適量のCu、Cr、Niなどの合金元素を含有し、大気中での適度な 乾湿の繰り返しにより表面に が鋼材表面を保護しさびの進展が時間の 経過とともに次第に抑制される 日本鉄鋼連盟ウェブサイトより http://www.jisf.or.jp/business/tech/bridge/high/taiko.html 建築材料 #35 9
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