日経 HiRMEl EttMSTRUETl回 H OTOPiCS〉 新材料 プレス トレス ト・コンクリー ト金 岡 先行 して実用 化 されてい る実績 のあ よ り線、炭素繊維、アラミ ド繊維、 る素材 だ。171え ば、医療業界 では歯 竹――。 コ ンクリー トの引張力 を担 や巻 き爪な どの矯正用治具 に使 われ う代名詞 である鉄筋 の代替材 とし て、 これまで多 くの材料が研究・開 てい る。我 々の身近 で も、眼鏡 のフ 発され、適用が模索されてきた。 テナ、ブラジャーのワイヤ として製 吸収 しながら復元する。地震などに よる巨大な外力には、この超碑働 米国で今、鉄筋 の代替部材 として 新たに名乗 りを上げているのが、形 品化 されてい る。 果が大きな力を発揮する。 】 嬬己 憶合金 (Shape A/1emory Alloy、 SMA)だ 。西海岸 のワシン トン州 地震後もすぐに車が走れるように 現状の橋では一般的に、地震時に 損傷 はあっても大 1参 事 につなが りか レー ムや携帯電話の引 き出 し式ア ン SMAは 、加 熱 す る と元 に戻 る シア トル市 で、 米 国連邦 道路庁 「形状 記 1意 効果」と、加 えた力 を取 (FHWA)が 建設 中 の 高速道路橋 り除 くと元 に戻 る「超弾1生 効果」と 「SR99」 へ の適用が決 まってい る。 い う二つの特性を持つ。橋の部材 と SMAは 、イタリアにある世界遺産 しては、後者の超弾性効果を利用す る。その効果 はSMAと 鉄筋の応力 の大聖堂などで耐震補強材 として使 われた実績がある。土木構造物への 適用は、世界初 と言われている。 もっともSMAは 、ほかの業界で ■ 形状記憶合金と鉄筋の変形挙動のイメージ の応力を加えた後 に除去すると残留 変形が残 り、曲がったまま元に戻 ら ない。一方、形状言 ]滝念笙 は、カロ え エ ー た応力を取 り除けば、 ネルギ を ねない倒壊だけは防く J生 能が求めら れる。 一方、SMAの 橋が 目指す水準は、 さらに上だ。米国ネバ ダ大学土木環 境 工 学科 のサ イ ー ド・M・ サ イー ― ひずみ曲線 を比較すると分か りや すい (左 下の図を参照)。 デイ教授 は、 「形状記1意 合金 を使 っ ｀ た橋 は、地震後す くに供用で きる性 能を持つ″ 点が従来のものと違 う」と 鉄筋の場合、]普 性域を超えるほど 話す。同教授は、SMAを 橋梁 の耐 ■ 形状 記 憶合 金 を使 った橋 のイメージ [形 状 記憶 合 金 ] 応力 [鉄 筋 ] [現 状 の基 準 で造 つた橋 ] 地 震 時 の倒 壊 は 防げるものの、 その まま供 用できない ほどの損傷を受け るケースがある ひすみ [形 状 記憶 合金 を用い て遣 つた橋 ] 形状記憶 合 金 繊維 補 強 コンクリート 形状記憶合金の 「超 弾 性 効 果 」 で、地震の繰り返 しの揺れで生じる 残 留 変 形 などを 回避できる。地震 時の損傷がほとん どなく、地震後す ぐの供用が可能 ・M・ サイーディ米国ネバ 53ベ ージまで、 特記以夕ヽはサイード ダ大学教授の資料や取材をもとに本誌が作成 取材をもとに本誌が作成 2015 8 10 1 1NllKKEI CONSTRUCT10N 1 51 ■ 高速道路橋「SR99」 の概要 [縦 断田] 門 ギ ︲ ︲ 可動支承 ﹄ 屯 這 形状 記憶合 金 を 採用する橋 脚 [B‐ B断 面 図 ] [C‐ C断 面 図 ] 鉄筋 コンクリート桁 .8 ニッケル・テタン F//状 記憶合金ゅ30mm 鉄筋 ■ 0 郷 中 震部材 に適用 しようと、10年 以上 にわた つて研究 を継続 して きた。 SR99の 完成予想図。3径 問 の桁橋で、 橋長 は約122m。 完成すれば高速道路 の出 田部の橋になる とフーチ ングや、橋脚 と桁それぞれ SR99へ の採用 に向けた実験 に関与 の付 け根部分 の どち らか、またはそ の両方 に配置す る。配置箇所 は橋 の し、設計 ガイ ドラインの作成 も担 っ ている。 構造形式 によつて異 なる。 SR99の 場合 、基礎が長 い杭形式 のため、力が掛 か りやす い範囲 は、 SMAの 使用長は橋脚幅ほどで十分 目指す水準が高いとは言え、従来 の設計方法 を大 きく変 えるわけでは 「SMAは 主筋の一部 と置 き換 ない。 えるだけ」と、サイーデイ教授 は説 明す る。 置き換える範囲は、地震による角 度変化の大 きい橋脚の一端だ。橋脚 52 1 NIKKE100NSTRUCT10N 1 2015 8 10 橋 脚 と桁 の付 け根 にな る。そ のた め、 そ の 範 囲 にSMAを 配 置 した (上 図参照 )。 SMAに 置 き換 える量 は微 々たるもので、橋脚 の幅 ほどの 長 さで良い。 鉄筋 とSN/1Aの 接合 には、機械式 継 ぎ手 を採用す る。SMAは 鉄 よ り もさびに くい ほか、黒種金属 の電位 差で腐食の生 じる恐れはないことが 実験で判明 している。 鉄筋の一部 をSh/1Aに 変更するだ けで、地震で壊れない橋が完成す る わけではない。サイーデイ教授 は、 「SMAと 繊 維補 強 コ ン ク リー ト (ECC)と の組み合わせが重要だ」と 指摘する。通常のコンクリー トと比 べて、数倍のじん性 を持つビニロン 繊維補強 コンクリァ トを、Sh/1Aの 配筋部を覆うように打設する。地震 の揺れに対 してコンクリー トカ派Jが れにくく、巨大地震に耐えうる構造 体 になる。 OTOPiCS〉 新材料 ■ 振 動 台 実験 による残 留変 形 度 振動台の上に試験体を 載 せて揺 らす振動台実 験機。上部を固定して、 水 平方 向に加 振する。 下のグラフが実験結果 残留変形 ︵ ％︶ 4 6 8 橋脚の傾き(%) る最大の水平変位の割合を傾きとし つ ま り、日本でのレベル2地 震動 て表 したのが横軸で、加振後の傾 き 具合が縦軸だ。SMAを 使用 した試 験体 は鉄筋 コンクリー トと比べ て、 に相当す るタト カが生 じても、SMA を使 った橋 は地震後の残留変形力討ま ぼない に等 しい。大 きな地震 の場 デイ教授 とワシ ン トン州交通局が共 大 きな揺れで も加振後の傾 きがほと んどない。 合、橋脚 とフーテングの境 目のコン クリー トは割れることが想定される ECCを 使 用 1994年 に米国 カリフォルニ ア州 「たい した損傷 ではないの ものの、 で 発 生 した ノ ー ス リ ッジ 地 震 で、供用 しながらの修復で対応でき る」とサイーディ教授は話す。 阪神大震災並みでも残留変形なし 前例 の ない技術が実構造物 で適用 されたのは、発注者 で あるFHWA が橋 の革新的な研究 。開発事業 を公 募 した こ とに端 を発 す る。サ イ ー 同 で 応 募 し、SA/1Aと す る案が選ばれた。 実構造物へ の適用 を前提 と して、 試験体 を作 って振動台試験を実施 し た ところ、鉄筋 とSMAと で損壊 伏 況に大 きな違 いが現れた。上のグラ フがその結果 だ。 加振 した際に、橋脚 の高 さに対す は、米国の設計基準で建 設 した橋脚が最大で4∼ 50/0傾 いた。 (A/16.7)で 読者 に馴染みの深 い95年 の阪神大 震災 (M7.3)が 米国で発生 したと仮 総工費の上昇率は30/0ほ ど サイーデイ教授は、SMAな どを 定すれば、最大の傾 きは6∼ なるとい う。 あらゆる橋に採用するために、一般 的な設計ガイ ドラインの作成に着手 70/0に 2016 8 10 1 NIKKEICONSTRUCT10N 1 53 OTOPiCS〉 新材料 「形状記憶合金の応答特 してい る。 1生 は、 しっかりとオ 甲さえる必要があ る。ただし、職料 が変わるだけなの で、橋全体 としての設計方法がほぼ 変 わらないのは大 きな強みだ」と、 サイーデイ教授 は主張する。 一方、普及への障壁 と言われてき たのが コス トの問題 だ。例 えば、 SR99で 使 うニ ッケル・チタンの形 状記憶合金 の単価 は、鉄筋 の約 90 倍 と言われている。 それで もSR99の 建設 に要す る総 工費 は、SMAを 使 わない場合 と比 べ て、30/0ほ どしか上昇 しない。今 回は橋脚上端部のみへ のSMA配 置 の供用が要求 される構造物では、検 討 の俎上 に載 って もおか しくない費 「形状記憶合金には、変形回復機 能やエネルギー吸収機能以外 に、変 用 だ。 性能 を落 とさず に、材料費 を大幅 形が大きくなった際、荷重の伝達を 。建築物への 抑制す る機能がある」 に下げる研究 も進 む。東北大学や京 SMAの 適用について、サイーデイ 都大学、古河 テクノマ テ リアル (神 教授 と共同で研究 を進める京都大学 大学院建築学専攻の荒木慶一准教授 奈川県平家市 )が 共同開発 中の銅系 の SMAだ 。 ニ ッケル・チ タ ン合 金 と比べ て、単価 を数分 の 1程 度 に抑 る銅系 の SMAの 製造 は既 に実現 し の揺れが橋の上部 に伝達するのを抑 制できるため、上部構造の軽量化に てお り、実験で性能な ども確認 して つなが り、経済的な設計が可能にな えられる。補強筋並みの直径 を有す Vヽ る。 橋全体 の経済設計も可能 に SMAの 特性 をさらに生かす こと だが、下端部 にも配置 した場合 で も、サイーデイ教授の試算では、総 がで きれ ば、現状 の橋 の設計音麟 厚 工費の4∼ をよ り経済的 に見直す ことも夢 では 50/0の 上昇率 に抑 えられ ｀ る。緊急輸送道路など、地震後す く [キ は指摘する。 「この機能 を有効に使えば、地震 ない。 る」(荒 木准教授)。 SR99の 現場 では、2016年 3月 か ら橋脚 を建設する予定だ。コス ト問 題 に対する解決 の道筋 も見 えて き た。 国内 で もSA/1Aと ECCを 使 っ た土木構造物が造 られる日は、そう 遠 くないかもしれない。 ーマンの声]繊 維補強コンクリートで覆うのがカギ 形状記憶合金 (SMA)は 、材料科学分 野の研究者が開発 した素材だ。医療分野 では、動脈硬化の治療のために血管を広 げる管 として採用されるなど、既に広 く 使われて いる。SMAと して実績のある ニ ッケル・チタン合金を、建設分野の橋 に応用 した。 SMAを 橋脚 の部材 と して使 う際 は、 繊維補強 コンク リー ト(ECC)と 一緒 に 組み合わせる ことが重要なポイン トだ。 日本のクラレが開発 したビニ ロン繊維を 使用 している。 SMAで 強化 しても地震で コンク リー トが剥 がれて しまつては意味がないの で、SMAの 周 りは全て ECCで 覆う必要 がある。 配置する SMAの 長さは、橋脚 の幅ほ 54 1 NIKKEICONSTRUCT10N 1 2015 8 10 どだ。そのため、プ ロジ ェク トに応 じ て、寸法 に合わせた SMAを 製作する必 要がある。鉄筋 との接合には、一般的な 機械式継 ざ手 を使用。SMA側 のね じ切 り部を加工するな ど工夫 している。 米国シア トル市の高速道路橋「SR99」 の現場では、SMAや ECCの 実橋へ の採 用に当た つて、その構造物特有 の問題を 確認するた めの実験 を実施 した。さ ら に、実験で得たデータを集めて、設計ガ イ ドラインの作成にも関与 している。 SMAを 使 つた橋 の実現に向けて手一 杯なので、ほかの土木構造物へ の適用は 今のところ考えていない。ただ し、日本 の研究者やエ ンジエアか ら、SMAを 構 造物へ 使 つてみたい という要望があれ ば、ぜひ協力 したい。(談 ) ネバダ大学 土木環境工学科教授 ・M・ サイード サイーディ
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