繰返し塑性変形とひずみ時効を経た建築構造用鋼材の残存耐震性能
中川
1．はじめに建築物が解体される際に、鋼材はスクラップとして回収され、ほぼ完全にリサイクルされるが、リサイクル過程は莫大なエネルギー消費と二酸化炭素排出を伴い、環境負荷が大きい。リサイクルに替わって、鋼材をリユースできれば、持続可能社会の展開に大きく貢献できる。
リユースの実現にあたっては、鋼材の塑性変形のあと、時間を経て発現するひずみ時効を考慮する必要がある。そこで、Yang1)、谷口 2)は 3 種の建築構造用鋼材に対し、(1)試験片の単調引張試験，(2) 試験片の繰返し載荷試験，(3)梁の繰返し曲げ載荷試験を推進してきた。本論は、(2)と(3)で新たに実施した実験を報告する。
2．既往の研究
ひずみ時効とは、塑性変形を受けて、一定期間を経た金属の機械的性質が、当初と変わったものになる現象である。
一般に、1) 降伏棚の再出現、2) 降伏強度及び引張強度の上昇、3) 靭性の低下、がみられる。
Yang1)は，SS400，SN400B，SN490B の JIS 1A 号試
験片について、30 日または 90 日の養生期間をおいて二段階で単調引張試験を実施し、全窒素（TN）と自由窒素（FN)がより多い SS400 で，他の 2 種より顕著にひずみ時効が発現することを確600
認した。
400

春香

まで予ひずみを与えた後の、二段階目の載荷で得た応力-ひずみ関係を示す。試験体が座屈変形したために、振幅 3.0％または 3.5％で試験を終了した。はじめの引張過程で、降伏棚が再出現し、予ひずみが大きいほど、降伏強度が高くなっていた。
図 2 に、累積塑性ひずみと、各振幅の正・負最大応力の関係を示す。累積塑性ひずみ𝐶 は、下式で定義される。
𝐶 =∑(1)𝜀

ここに、N はサイクル数、𝜀 は第 i サイクルの塑性ひずみ増分である。ひずみ時効の影響がなくなり、予ひずみがな
い試験体 1-C と同じ履歴に回帰するまでに必要な累積塑性ひずみは、B パターンよりも A パターンで大きく、予ひずみ量が大きいほど大きい傾向があった。
表1
試験体名
1-C
1-CA11-CA2
1-CB11-CB2

試験体一覧

載荷則
一段階繰返し二段階繰返し A
二段階繰返し B

予ひずみ[%]
01212600

σu

400

応力 [N/mm2]

応力最大値 [N/mm2]

応力 [N/mm2]

応力最大値 [N/mm2]

σy3．JIS 1A 号試験片
σy200200の繰返し載荷試験
表 1 に、試験体一00
覧を示す。試験片は-200-200Yang1) と 同 一 の-σy-σy-400-400
SS400 鋼材、H-500-σu
1-CA1
1-CB1
1-C×200×10×16 の-600-600-4-3-2-10123400.5
1
フランジから切り
ひずみ [%]
累積塑性ひずみ出した。工学ひずみ(a)(a)で制御し、引張からはじめて、振幅 0.5%600600から 2 サイクル毎にσu4004000.5％ずつ漸増する
σyσy200200繰返し履歴を与えた。予ひずみ過程が00ない一段階載荷と、-200-20090 日の養生期間を-σy-σy-400あけた二段階載荷-400-σuを実施した。後者に
1-CA2
1-CB2
1-C-600-600-4-3-2-10
1234
は、次の振幅から継00.51
ひずみ [%]
累積塑性ひずみ
続する A パターンと、最初から再開す(b)(b)
る B パターンがあ 図 1 予ひずみ 2%とひずみ時効を経たあとの応力図 2 応力最大値-累積塑性ひずみ関係：(a)予ひった。
ひずみ関係：(a) A パターン、(b) B パターン
ずみ 1%、(b)予ひずみ 2%
図 1 に、振幅 2%

Residual Performance of Structural Steel after Cyclic Plastic Deformation and Strain Aging
NAKAGAWA Haruka

4．梁の繰返し曲げ実験
柱梁接合部を模したト字形部分架構の構成で，梁の繰返し曲げ試験を実施した。梁断面は、H-500×200×10×16、鋼材種は Yang1)と同一の SS400、SN400B、SN490B であった。試験体一覧を表 2 に示す。米国規準が、柱梁接合部の検証のために規定する載荷履歴に基づいて、層変形角で制御した。振幅 0.02 rad までの予ひずみ過程のあと、90 日の養生期間をあけ、載荷履歴を最初から再開する B パターンの二段階載荷を実施した。ただし、後段では、谷口 2)が実施した、過程がない一段階載荷と、A パターンの二段階載荷の結果を合わせて議論する。
図 3 に、二段階目の載荷で得た履歴を、梁端モーメントと層変形角の関係で示す。いずれの試験体も、材料試験に基づく全塑性モーメント Mp を超えて弾性挙動を示し、振幅 0.15 rad で降伏しはじめた。ただ、振幅 0.05 rad の２サイクルを終了するまで、Mp 以上の耐力を保持した。
図 4 に、累積塑性回転角（定義は式(1)と同様）と、各振幅の最大モーメントの関係を、一段階載荷の場合と比較する。鋼材種 SS400 では、二段階載荷の開始から、累積塑性回転角が 0.038 rad を超えるまで、一段階載荷の場合よりモーメントが大きかった。しかし、鋼材種 SS400B とSS490B では、二段階載荷の開始から実験終了まで、一段階載荷の場合よりもモーメントが低いままであった。

5．まとめ
繰返し塑性変形とひずみ時効を経た鋼材のリユース性を把握するために、一連の実験を実施している。JIS 1A 号
試験片の繰返し載荷試験から、以下の知見を得た。
・ 予ひずみが大きいほど、ひずみ時効を経たあとの降伏強度が高くなる。
・ 二種類の繰返し載荷のうち、次の振幅から継続するパターンの方が、最初から再開するパターンよりも、ひずみ時効の影響がなくなるまでに要する累積塑性ひずみが大きかった。
梁の繰返し曲げ実験から、以下の知見を得た。
・ 累積塑性回転角の観点からみると、鋼材種別に関わらず、ひずみ時効は、梁の繰返し載荷挙動に目立った影響を及ぼさなかった。
鋼材種 SS400B と SS490B は、試験片の繰返し載荷試験を未実施である。実験を継続し、さらに考察を進める。
参考文献
1) Shaoqi Yang: Residual Performance of Structural Steel after
Plastic Deformation and Strain Aging, Master’s thesis
Graduate School of Engineering Hokkaido University,
September 20192) 谷口佳代:繰返し塑性変形とひずみ時効を経た鋼梁の残存耐震性能 北海道大学工学部学士論文 2020.3

(c)

(b)

(a)

図3

モーメント-層間変形角関係： (a) B1-CB2、 (b) B2-CB2 、(c) B3-CB2表2
試験体名
B1-C
B1-CB2B2-C
B2-CB2B3-C
B3-CB2

鋼材種

試験体一覧
載荷パターン

予ひずみ量[rad]-0B0.02-0B0.02

SS400
SN400B
SN490B-0B

0.02

モーメント最大値 [kNm]

1200

Mp

4000-400-Mp

-800

B1-C
B1-CB2-1200
00.2

0.4

0.60.8

11.2

累積塑性回転 [rad]

(a)

1200

1200

800

Mp

4000-400-Mp

-800

B2-C
B2-CB2

-1200
00.2

0.4

0.6

0.8

累積塑性回転 [rad]

(b)
図41

モーメント最大値 [kNm]

モーメント最大値 [kNm]

800

800

Mp

4000-400-Mp

-800

B3-C
B3-CB2-1200

1.2

00.20.4

0.6

0.8

1

累積塑性回転 [rad](c)累積塑性回転と最大モーメント：(a) B1-C と B1-CB2、(b) B2-C と B2-CB2、(c)B3-C と B3-CB2

1.2