形状記憶合金

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。
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■ 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