2. - 日本建築学会

2016年日本建築学会賞(論文)
CO2排出量の削減を目指した鋼構造の
リユースに関する研究
山口大学 大学院創成科学研究科 教授 藤田正則
論文構成
１.はじめに
２.鋼材ストックとCO2排出量
３.リユースのための鋼構造技術
４.リユースのための鋼構造の部材性能と
その評価
５.リユースを想定した鋼構造技術の応用
６.まとめ
2
１．はじめに
研究背景
地球環境問題
・CO2排出 ：地球温暖化
・廃棄物 ：生態環境の破壊
・資源枯渇：未来世代の貧困
地球環境建築
長寿命化
省資源・循環
自然共生
継承
省エネルギー
鋼構造における対応:
・建物レベル：長寿命化
・部材レベル：リユース，リデュース
・材料レベル：リサイクル
長寿命化が最も重
要であるが，物理的，
意匠的，社会的，あ
るいは経済的な要
因により，解体しな
ければならない建物
は多く存在する。
3
１．はじめに
研究目的
■何故，リユースか？
・鋼材：資源循環型材料
鉄鉱石を主とする高炉
鉄スクラップを主とする電炉が共存
リサイクルの循環の流れは確立
・リサイクルにおいてCO2が発生
・スクラップの手間・価格
・リユースは解体・輸送・修復の
みで，溶融を伴わない
一歩進んだ資源循環：鋼構造のリユース
4
１．はじめに
鋼構造の部材リユース
部材継手
丁寧な解体・加工
柱・大梁・小梁など
リユース部材の採取
リユース部材
5
１．はじめに
部材リユースのための条件
１)リユース部材の品質が明確になっていること。
２)リユース部材を使用した設計法が確立されてい
ること。
３)部材の施工・解体が容易であること。
４)リユース部材が新材と同様に安定して供給でき
ること。
■地球環境(CO2排出量の削減・資源の保全)
■生活環境(建設・解体時の騒音・振動・粉塵の抑制)
■建築生産環境(部材調達期間の短縮など)
6
１．はじめに
リユース部材の種類
リユース部材
既存建物から採取された部材
・リユースを想定した建物
・リユースを想定していない建物
既存建物から採取予定の部材
工場・作業場，倉庫，事務所などの主要構造部
材のうち，その大部分を占めるJIS規格品の一般
構造用圧延鋼材や溶接構造用圧延鋼材など
7
2. 鋼材ストックとCO2排出量
8,000
ton(千)
7,000
合計
細幅
中幅
広幅
6,000
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000
061
19
62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84
85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04
20
圧延Ｈ形鋼の生産量
年度
・圧延Ｈ形鋼は１億８千万トン以上国内にストック
・30年程度で解体されるとすると、毎年600万トンがスクラップ
・このうち、20％程度、毎年120万トンがリユース材の潜在市場
8
２．鋼材ストックとCO2排出量
鋼材の循環系フロー
リユース部材
鋼材の製造
高炉鋼
電炉鋼
リサイクル回数（i =1・・・m ）
原料採取・輸送
高　炉
銑鉄
転　炉
粗鋼
連続鋳造
半製品
回収・一次処理
スクラップ
加　工
設　計
施　工
電 気 炉
解
粗鋼
体
維持管理
連続鋳造
半製品
圧　延
圧　延
高　炉　鋼
（圧延Ｈ形鋼等）
電　炉　鋼
（圧延Ｈ形鋼等）
廃　棄
リユース
保
リサイクル
管
リユース回数( j =1・・・n ）
鋼材の循環系フロー
9
２．鋼材ストックとCO2排出量
CO2排出量原単位とリユース回数
CO2排出量原単位
W：リユース，リサイクルを
行う循環系における鋼材
のCO2排出量
A ：転炉鋼の製造に伴うCO2
排出量の原単位
B ：電炉鋼の製造に伴うCO2
排出量の原単位
C ：リユースフローの循環に
伴うCO2排出量の原単位
γ：鋼材の回収率
n:リユース回数
n
n
n

i
i  
i 
W   A  B  1    C  2    / 1    
i 1
i 1
i 1

 

10
２．鋼材ストックとCO2排出量
データベースの活用
輸送費
保管費
柱・梁のせい(mm)
800
700
合計
設計
600
保管
保管費
輸送費
500
加工
加工
登録
アクセス
*1
DB
DB
解体
登録
情報管理
ストックヤードの数
ストックヤードの輸送費・保管費
情報管理
柱_温暖地域
梁_温暖地域
柱_積雪地域
梁_積雪地域
300
情報管理
施工
維持管理
リユースフロー
新材料
400
200
10
15
20
25
30
35
スパン(m)
リユース部材の採取の対象
建物のデータベース化
(工場用途の例，軒高:7m)
ストックヤード
新材料
加工工場
建設現場
(解体現場)
リユース部材
リユース部材
ストックヤード
ストックヤードの設置方法
リユース部材
1981年以降に竣工
1981年以前に竣工
11
２．鋼材ストックとCO2排出量
リユース部材の選定法
溶接無しの場合
溶接1回の場合
切断
切断
製品
製品
製品
端材
製品
溶接箇所
溶接される材は
端材
1000mm以上
リユース部材の選定法（線形計画法）:
端材量が少なくなるような部材の組み合わせパ
ターンを選定する。
12
２．鋼材ストックとCO2排出量
リユース部材の選定法
最少の使用量で最大の製品量を選択：
(組み合わせパターンの選択回数を決定)
H450,H440
H500,H594
H588,H700
など
Maximize: Z = (製品の総長さ)－c (材料の総長さ)
n

i 1
i 1
t
j 1
j 1
  L j Aij  c l j aij  xi
n
A x
s
ij i
 NM j
xi  0
(1 j  s )
n
a x
i 1
ij i
 Nm j
(1 j  t )
( 1  i  n)
s : 製品グループの部材総数
Lj : Mjの部材長さ(mm), l j : mj の部材長さ(mm)
Aij : 部材の組み合わせパターンsiにおいて作られる製
品グループMj に割り当てられる製品の個数
aij : 部材の組み合わせパターンsiにおいて材料グルー
プmjで使用される材料の個数
xi：部材の組み合わせパターンsiを選択する回数
c：単位長さ当たりの製品に対する材料の相対的価値
（0<c<1)
線形計画法の
利用
H450
H440
H588
H700
柱：新材
梁：リユース部材
13
３. リユースのための鋼構造技術
丁寧な解体工法の提案とその適用
・柱・梁・床など部材の施工が容易
・解体時の部材の分離・回収が容易
解体時に部材に有害な変形や過剰
な残留応力が生じないようにする。
機械式解体工法
丁寧な解体工法
14
３．リユースのための鋼構造技術
丁寧な解体工法の提案とその適用
解体計画
機械切断
溶断工法
仮設工事
丁寧な解体工法
内装解体
外装解体
鉄骨造の解体
柱・梁を機械切断
梁・柱を溶断
基礎・土間の解体
分別・回収処理
部材継ぎ部を切断
部材リユース
部材継部における
高力ボルトの切除
損傷の無い部材を
採取
騒音・振動・粉塵の発生が少ない。
(生活環境の向上 )
15
3. リユースのための鋼構造技術
丁寧な解体工法のフロー
壁材の撤去
解体された部材
母屋材の撤去
大梁の揚重
ボルトの撤去
大梁の撤去
16
３. リユースのための鋼構造技術
非破壊試験による部材の性能評価
■引張強さの推定(硬度の計測)
■化学成分の評価(固体発光分光分析)
将来，採取
予定の部材
炭素当量
Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 (%)
溶接割れ感受性組成
Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B (%)
超音波硬度計による計測
(1)
(2)
可搬式の固体発光分光分析 17
４.リユースのための鋼構造の部材性能とその評価
梁
H-496x199x9x14(SS400)
600
曲げ応力度(N/mm2)
リユース部材
新材
300
柱
0
-300
-600
-0.05
-0.025
0
0.025 0.05
梁部材角(rad.)
1976年竣工の建物より
採取した部材を梁に使用
18
４.リユースのための鋼構造の部材性能とその評価
食違いを有する部材性能の比較
300 荷重(kN)
250
H-500x200x10x16
(SS400)
200 荷重(kN)
200
100
150
0
100
50
0
0
5
10
0
0.1
0.2
歪(%)
拡大図
食違い:0mm
食違い:2mm
食違い:5mm
15
20
25
歪(%)
食違い(3mm)
500
食違い:0mm
食違い:3mm
荷重歪曲線(t=16mm)
250
食違い試験片の機械的性質
試験
体名
降伏耐力
C-2
C-5
引張強さ
伸び
破断箇所
JIS
実験値
JIS
実験値
JIS
実験値
N/mm 2
N/mm 2
N/mm 2
N/mm 2
%
%
C-0
301
245以上
315
289
463
400～510
487
450
荷重(kN)
17以上
0
-250
26
熱影響部近傍
22
熱影響部近傍
21
熱影響部近傍
降伏耐力・引張強さ・伸びは
JIS規格を満たす。
-500
-0.05
-0.025
0
0.025
0.05
部材角(rad.)
柱梁接合部実験 19
４.リユースのための鋼構造の部材性能とその評価
使用された部材の機械的性質・化学成分および加工
解体された部材
部材の機械的性質
部材の 試験体 採取
種類
位置
名 *1
記号
JIS *3
--
AF-1 *2
H496-A
AF-2
1976年
ウ エブ
AW-1
竣工の
AW-2
フ ラ ン ジ BF-1 *2
建物
H496-B
BF-2
ウ エブ
BW-1
BW-2
CF-1
フ
ラ
ン
ジ
1993年 H175
CF-2
竣工の
CF-3
フ ラ ン ジ DF-1
建物
H200
DF-2
フランジ
鋼種
リユース解体
降伏耐力 引張強さ
(N/mm 2 )
(N/mm 2 )
SS400 245以上 400～510
259
461
264
451
SS400
295
461
294
460
256
453
265
460
SS400
290
453
290
462
294
439
SS400
297
430
316
431
304
445
SS400
303
442
伸び
(％)
6<t *4 <16 16<t<50
17以上
--------29
32
30
29
28
21以上
27
28
37
39
28
26
35
36
------
リユース加工
部材継ぎ溶接
部材の切断
ボルト孔の加工
ガセットプレート・スチフナ・取付金物等の切除及びその仕上げ
製品検査
判定
試験体名
リユース部材
材料手配
リユース部材:材料検査
新材：材料検査
(ミルシート)
工作設計
JIS
*1
S
0.05以下 0.05以下
(性能評価シート)
リユース部材
の加工
新材の加工
プロダクトモデルによる
部材の適合、照査
承認
現寸・けがき
化学成分(％)
P
スクラップ処理
設計図書
工作図
部材の化学成分
開口部の補強
Mn
C
Si
Cu
Sn
--
--
--
--
--
N
--
--
--
--
H500 *2
0.008
0.024
0.52
0.16
0.15
H496-A
0.027
0.013
0.72
0.23
0.04
0.04 <0.01
0.0030
H496-B
0.027
0.015
0.73
0.23
0.04
0.04 <0.01
0.0032
H175
0.018
0.015
0.34
0.12
0.12
0.24
0.04
0.0104
H200
0.027
0.020
0.54
0.09
0.17
0.26
0.01
0.0134
加工
切断
曲げ
穴あけ
組立
溶接
仕上げ
製品検査
溶接検査
加工フロー
塗装
塗装検査
現場加工
20
５．リユースを想定した鋼構造技術の応用
鋼木質複合構造システム(CSTS)の提案
損傷制御構造
柱梁接合部:半剛接合
部材の施工・解体が
容易であること。
鋼と木質材料の接合法 :
接触接合
鋼：リユース
600 Load(kN)
400
複合部材の継手
は半剛接合
(鋼どうしの継手
は剛接合)
200
0
-200
-400
-600
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Axial strain(%)
制振部材
座屈拘束ブレース
21
５. リユースを想定した鋼構造技術の応用
CSTS部材の性能評価
150 荷重(kN)
接着接合
125
■最大曲げ耐力Mc
100
75
ボルト接合
・・・(1)
50
接着接合
ボルト接合
接着接合+ボルト接合
接触接合
25
0
0
10
20
30
40
50
60
変形(mm)
荷重変位関係(曲げ実験)
接着接合
ボルト接合
接触接合
β：低減係数，hw：木質材料のせい
σw：木質材料の曲げ強度
Ec Ic：CSTS部材の曲げ剛性
Ew：木質材料の曲げ弾性係数
鋼と木質材料の接合法
(木質材料どうしは全て接着接合)
接着＋ボルト
接触接合
22
５. リユースを想定した鋼構造技術の応用
CSTS部材の性能評価
294 kN
300 Load(kN)
■初期剛性Kc
200
・・・(2)
68%
100
Α:低減係数(=0.8)
Es：鋼の曲げ弾性係数，Is：鋼の断面2次モーメント
Ew：木質材料の曲げ弾性係数
Iw：木質材料の断面2次モーメント
Gs：鋼のせん断弾性係数，As：鋼の断面積
Gw：木質材料のせん断弾性係数
Aw：木質材料の断面積
l：支点間距離，kc：せん断補正係数(=1.2)
0
-100
-200
-300
-40
-20
0
20
40
60
Deflection(mm)
鋼と木質材料の解体・分離が容易
50 面外変形(mm)
スパン中央
H形鋼のみ
CSTS梁
40
30
20
10
0
-10
破壊状況( CSTS梁：接触接合)
0
50
100 150 200 250 300
測定位置(mm)
実験終了後の解体状況
23
５. リユースを想定した鋼構造技術の応用
鋼木質複合構造システム(CSTS)の設計法
SPL-16×200×450
座屈拘束ブレースの設計
START
HTB-F10T-M22
H-506×201×11×19
スチフナ
t=18
一次設計
建物規模，クライテリ
アの設定
SPL-9×210×410
外ダイアフラム
t=19
二次設計
GPL-24
SPL-13×156×310
HTB-F10T-M20
時刻歴応答解析にて
クライテリアの確認
END
スチフナ
t=20
55°
64
長期荷重に対する
主架構の設計
座屈拘束ブレース
集成材
被り厚さ70
設計フロー
角形鋼管
カバー取付部品
柱
圧延Ｈ形鋼
スギ集成材
スギ集成材
(ディテール例)
梁
24
５. リユースを想定した鋼構造技術の応用
鋼の降伏先行の条件
s
M y  Mw
bw hw3  w (hw  2t 2 )
Is 
12(hw s  y  (hw  2t 2 ) w )
鋼の降伏耐力:sMy
木質材料の最大耐力:Mw
・・・(3)
横座屈細長比λb
le he
b 
 10
2
be
最大曲げ耐力時の応
力の模式図
・・・(4)
le：CSTS部材の有効座屈長さ
he：CSTS部材の等価材せい
be：CSTS部材の等価材幅
参考文献：木質構造設計規準・同解説，日本建築学会，2011.3
25
６．まとめ
１)鋼材の循環系フローにおいてリユースを導入した場
合のCO2排出量の算定法とデータベースの活用法を
示した。
２)丁寧な解体工法を提案し，損傷の少ない鋼構造部材
が採取できることを検証した。非破壊試験による材
質の推定，耐火被覆を有する部材の下地調整の方法
などのリユースのための鋼構造技術を提案・検証し
た。
３)使用された部材の柱梁接合部実験，素材試験などを
行い，その破壊性状および復元力特性は新材と概ね
同様の傾向を示すことを明らかにした。
４)リユースを想定した鋼構造技術の応用の一つとして，
鋼と木質材料からなる解体・分離が容易な鋼木質複
合構造システムの提案・分析・評価を行った。 26
謝辞
一連の研究の多くは，岩田衛先生(神奈川大学教授)との共同
研究です。実験には村井正敏氏(元 神奈川大学技官)，前田親範
氏(前田親範一級建築事務所)より多大なご協力を頂きました。
和田章先生(東京工業大学名誉教授)には，本研究のきっかけと
なりましたシステムトラスにおける情報技術の利用と損傷制御
構造に関してご指導を頂き，以降の研究の礎となっています。
2009年に山口大学へ赴任し，多くの学生諸氏と研究を発展させ
ることができました。山口大学の藤田研究室学生諸氏，神奈川
大学の岩田研究室学生諸氏のご協力とご支援に深くお礼申し上
げます。
「鋼構造環境配慮設計指針(案) -部材リユース- ，日本建築学
会」の作成にあたって，学会における小委員会および鋼構造運
営委員会などの委員の方々より，多くの貴重なアドバイスを頂
きました。深く感謝申し上げます。
27
論文リスト
[1] Masanori FUJITA, Mamoru IWATA :Reuse System of Building Steel Structures, Structure & Infrastructure Engineering,
Vol.4, No.3, Taylor & Francis, pp.207-220, 2008.6
[2]岡本康司，藤田正則，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -二酸化炭素排出量の推定-，日本建築学会環境
系論文集，第75巻，第652号，pp.535-542，2010.6
[3] Masanori Fujita, Mamoru Iwata:The reuse management model of building steel structures，International ECCE
Conference Euroinfra 2009, Current State and Challenges for Sustainable Development of Infrastructure, CD11p,
2009.10
[4]藤田正則，文蔵亮介，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -リユース材のストック- ，日本建築学会環境系
論文集，第617号，pp.95-101，2007.7
[5]藤田正則，前田親範，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -ストックヤードの設置方法の提案- ，日本建築
学会環境系論文集，第579号，pp.105-110，2004.5
[6]藤田正則，前田親範，小河利行，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -データベースの構築方法の提案- ，
日本建築学会環境系論文集，第587号，pp.93-98，2005.1
[7]藤田正則，岡本康司，中村裕幸，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -ICタグを利用したリユースビジネ
スモデルの提案-，日本建築学会環境系論文集，第74巻，第638号，pp.531-537，2009.4
[8]藤田正則，山下拓三，関戸宏幸，小河利行，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -リユース材の適用シ
ミュレーション-， 日本建築学会環境系論文集，第612号，pp.111-117，2007.2
[9]藤田正則，田中繁樹，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -低層鉄骨造の丁寧な解体方法-， 日本建築学会
環境系論文集，第604号，pp.109-114，2006.6
[10]藤田正則，渋谷 敦，岩田 衛：耐火被覆を有する建築鋼部材のリユースに関する施工実験 ，日本建築学会技術報告集，第
18巻，第39号，pp.795-799，2012.6
[11]藤田正則，前田親範，村井正敏，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -サステナブルビル構造の試施工
によるリユースの検証- ，日本建築学会環境系論文集，第75巻，第656号，pp.923-928，2010.10
[12]藤田正則，増田知也，山本正幸，岩田 衛：リユースを想定した鋼構造部材の性能評価 -材質の推定例-，日本建築学会技術
報告集，第20巻，第44号，pp.45-48，2014.2
[13] Masanori Fujita, Tomoya Masuda :Application of Various NDT Methods for the Evaluation of Building Steel
Structures for Reuse，Materials 2014, 7, pp.7130-7144, ISSN 1996-1944, 2014.10
[14]藤田正則，前田親範，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -リユース材の構造性能-，日本建築学会環境
系論文集，第600号，pp.83-89，2006.2
[15]藤田正則，文蔵亮介，岩田 衛：建築鋼構造のリユースシステムに関する研究 -リユース材の加工とその性能評価-，日本建
築学会環境系論文集，第620号，pp.97-102，2007.10
28
[16] Masanori Fujita, Mamoru Iwata :Reuse Dismantling and Performance Evaluation of Reusable Members , Journal of
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