JP2005105697A

JP2005105697A - 強化繊維樹脂プレート及びそれを用いた構造物の補強方法

Info

Publication number: JP2005105697A
Application number: JP2003341174A
Authority: JP
Inventors: Akio Sakamoto; 明男坂本; Yutaka Sanokawa; 豊佐野川
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】主筋方向の補強と配筋方向の補強とを同時に行い、十分な補強強度を確保する。
【解決手段】構造物に接着して補修、補強を行う強化繊維樹脂プレートにおいて、少なくとも２本の平行に配した主筋１１と、これらと交差して少なくとも２本の配筋１２を積層してなり、主筋１１と配筋１２の交差部は、構造物との接着面が空隙なく一体に接合されてなる井桁状強化繊維樹脂プレート１を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は強化繊維樹脂プレートを用いた構造物の補強に関し、特に主筋方向と配筋方向とを同時に補強できる強化繊維樹脂プレート及びそれを用いた構造物の補強方法に関する。

一般的に、構造物は鉄等の金属、木材、コンクリート等で構成されており、経年劣化による耐力の低下もさることながら、建造時の設計基準によっても大きく強度が異なっている。また、先の阪神・淡路大震災においては、昭和５６年施行の新耐震設計法の基準を満たす建築物の被害が軽微であったとの経験から、新耐震基準での見直しが行われ、既存の構造物についても新耐震基準への適合が求められている。

既存の建造物の場合、取り壊し、新たに建造すれば新耐震基準を満たした建造物も得られるが、建造に長期間を要し、その費用も多大である。したがって、通常は、著しく劣化していない限りは、補修、補強工事が実施される。

また、耐震補強ばかりではなく、載荷規制緩和に伴う道路床版・桁などの補強対策も急務であり、さらにはトンネル、高架、橋などからのコンクリート剥落防止対策にも関心が高まっている。

補修、補強工事に際して、鉄鋼材などを用いて補強する方法もあるが、材料自体の重量が重いため、施工に際して重機の使用が必要であり、また、構造物自体の重量の増加をきたし、好ましくない。更に、補強材自体が錆等により劣化し易いという問題もある。

そこで、このような鉄鋼材に代わる材料として、最近では強化繊維を用いた修復、補強材が注目されている。特に強化繊維として炭素繊維は、鉄鋼材と比較して強度で約１０倍、比重が約１／５と、高強度でありながら軽量であり、しかも腐食しないという特性を有している。このため、施工に際して重機の使用が不要となり、施工作業も短時間に簡単に行え、さらに補修、補強すべき構造物の重量も大きく増加しないという利点がある。

ただし、炭素繊維も万能というわけではなく、繊維長の方向への引張応力には優れているものの、圧縮応力は低く、このような特性を活かした曲げ補強や剪断補強などの補修、補強工事に適用される。

強化繊維を用いた補修・補強工事では、まず、補強すべき個所の不陸修正等を行った後、必要によりプライマー層を形成し、強化繊維シートまたは強化繊維プリプレグシートを貼り付け、熱硬化性樹脂を含浸し、または予め含浸されていた熱硬化性樹脂を加熱硬化させることで、補修・補強面に繊維強化樹脂（ＦＲＰ）プレートへ転化させ、当該表面へ固着させる。また、加熱硬化の工程を省く目的で、予め硬化させたＦＲＰプレートを貼り付ける工法も知られている。

このようなＦＲＰプレートを用いて鉄筋コンクリート製の床版等の広い面積において曲げモーメントの掛かる部分を補強する場合、鉄筋コンクリートの主鉄筋方向に所定の間隔で帯状のＦＲＰプレートを配して貼り付けるのと同時に、主鉄筋と直交して配されている配鉄筋方向にも帯状のＦＲＰプレートを配する場合がある。

通常は、主鉄筋方向にまずＦＲＰプレートの繊維長方向を合わせて貼り付けた後、配鉄筋方向に沿ったＦＲＰプレートを重ね合わせている。このため、重ね合わせ部において、図に示すように空隙ができやすく、補強強度が損なわれる場合があった。

一方、格子体を用いたコンクリート構造物の補強方法として、トンネル内壁からのコンクリート剥落防止材等の従来の金網製剥落防止材の代替品として格子網目構造を用いる補強工法も知られている。

一般的に、このような格子体は、各格子自体の幅はさほど広くなく、接着剤のみでは十分な接着力が得られないため、格子交差部近傍をアンカーボルトで止めて固定する工法が主として実施されている。しかしながら、幅の狭い格子体に貫通してアンカーボルトを打ち付けると貫通している部分の筋の繊維が切断され、ＦＲＰ材本来の強度が失われる。これに対して、特許文献１（特開２００２−３８６５５号公報）では、格子体の所定間隔毎に帯板を複合したＦＲＰ格子材が開示されている。このように帯板を複合しておくことで、帯板部分を接着樹脂によりコンクリート構造物に貼り付けることができ、また、帯板を利用してアンカーボルトによる取り付けが実施可能となる。

しかしながら、ＦＲＰプレートを曲げモーメントの掛かる部分の補強に使用する場合、全体にわたって掛かる応力を分散させる必要があり、構造物との全体的な接着強度を保持する必要がある。したがって、上記のような格子体を曲げモーメントの掛かる部分の補強に使用しようとすれば、アンカーボルトによる取り付けを密にしなければならなくなる。また、上記特許文献１では、厚みと幅がほぼ同じである格子筋を組み合わせ、格子筋の交差部分の厚さが他の部分の厚さと等しくなるように成形硬化されていることを特徴としているが、厚さを均一化するためには、交差部分にかける圧力をそれだけ高くする必要があり、交差部分において強化繊維がつぶれ、繊維長方向への応力の分散力が低下する場合がある。

特開２００２−３８６５５号公報

本発明の目的は、主鉄筋方向と配鉄筋方向との二方向の補強が効果的に実施できる強化繊維樹脂プレート及びそれを用いた構造物の補強方法を提供することにある。

本発明は、構造物に接着して補修、補強を行う強化繊維樹脂プレートにおいて、少なくとも１本の扁平状の主筋と、これと交差して少なくとも１本の扁平状の配筋を積層してなり、主筋と配筋の交差部は、構造物との接着面が空隙なく一体に接合されてなる強化繊維樹脂プレートに関する。特に２本以上の主筋と２本以上の配筋とを組み合わせて井桁状に成形したものが好ましい。

本発明の強化繊維樹脂プレートにおいては、前記主筋または配筋の一部に屈曲部を有するように成形された強化繊維樹脂プレートや、前記主筋が所定のＲ形状に湾曲させて成形されてなる強化繊維樹脂プレートも提供される。

また本発明よれば、主鉄筋と配鉄筋を組み合わせて骨材とした鉄筋コンクリート製構造物に対し、強化繊維樹脂プレートを用いて補強するに際して、本発明の強化繊維樹脂プレートを用い、主鉄筋方向に前記強化繊維樹脂プレートの主筋を、配鉄筋方向に前記強化繊維樹脂プレートの配筋を配置した強化繊維樹脂プレートを貼り付けることを特徴とする構造物の補強方法が提供される。

本発明によれば、主筋方向と配筋方向とに予め一体に成形された強化繊維樹脂プレートを用いることで、交差部に空隙が生じず、十分な補強強度を確保できると同時に、貼り付け作業時間を短縮することができる。

また、構造物補強面に合わせた形状に予め成形しておくことで、更に接着性が良好となり、強化繊維樹脂プレートの反発力による浮き上がりを防止することもできる。

本発明で使用する繊維強化樹脂プレート（ＦＲＰプレート）は、強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、その他有機繊維等が使用できるが、中でも炭素繊維が好ましく使用できる。これらのＦＲＰプレートは、繊維を一方向に配し、熱硬化型の樹脂を含浸・硬化させて得られる。

使用する強化繊維の強度は特に限定されるものではなく、その用途に応じて適宜選択することができる。例えば、炭素繊維の場合は、ＪＩＳＫ７０７３に準拠した炭素繊維強化プラスチックの引張試験方法において、標準品（Ｓタイプ）では、１．５２×１０⁵Ｎ／ｍｍ²以上、中弾性品（Ｍタイプ）では１．９６×１０⁵Ｎ／ｍｍ²以上、高弾性品（Ｈタイプ）では２．９４×１０⁵Ｎ／ｍｍ²以上の引張弾性率を有する材料を使用する。

ＦＲＰプレートは、例えば、一方向に引き揃えられた繊維に樹脂を含浸させたプリプレグシートを、所望の補強強度が得られるように所要枚数同一方向に積層して、この積層体を加圧・加熱して樹脂を硬化させることにより得られるが、本発明のＦＲＰプレートは、少なくとも１本の主筋となるプリプレグシート積層体に、配筋となるプリプレグシート積層体を交差させて重ね合わせた後、これらを加圧・加熱して樹脂を硬化させることにより一体に成形されたＦＲＰプレートが得られる。

本発明では、主筋方向及び配筋方向のそれぞれに必要な補強強度が得られるように積層体を形成するが、主筋方向のプリプレグシートと配筋方向のプリプレグシートとを交互に積層してそれぞれ所定の厚みになるように組み合わせる方法でも良い。また、主筋と配筋に使用する炭素繊維は同じ弾性率であっても、異なる弾性率のものを組み合わせることもできる。特に、本発明のＦＲＰプレートでは、主筋に対して、配筋に求められる補強強度は低くても良いため、配筋側を薄く形成したり、幅を狭くしたり、炭素繊維などの繊維強度を種々選択できる場合には、主筋側に高弾性強度品を使用し、配筋に標準強度品を使用してもよい。

また、本発明では、主筋、配筋共に扁平状のプレートを用いる。ここで、扁平状とはその厚み対して幅が広いものであり、例えば、厚みが１〜２０ｍｍであれば、幅２５〜１００ｍｍ程度のものが使用できる。また、主筋、配筋のそれぞれの長さは、補強個所に合わせて任意に設定できる。

図１は、本発明のＦＲＰプレートを井桁状に組み合わせた一例を示す斜視図であり、同図では、平行に配した２本の主筋１１に対して、直交する方向に２本の配筋１２を配置した例を示しているが、主筋及び配筋の本数は、それぞれ２本以上であれば特に制限はなく、任意に組み合わせることが可能である。しかしながら、補強材自体が大型化して製造や輸送が困難となったり、取り付け作業が煩雑化したりするおそれがあるため、通常は、２本の主筋に対して、２本乃至１０本程度の配筋を組み合わせて使用するのが好ましい。また、主筋に組み合わせる配筋は、主筋と直交するように交差させる以外に、様々な角度で組み合わせることができ、＃状や菱形状に組み合わせても良い。

また、主筋同士の間隔、配筋同士の間隔も、構造物の補強に合わせて任意に設定できるが、通常、主筋同士の間隔は２００ｍｍ〜５００ｍｍ、配筋同士の間隔は２００ｍｍ〜１０００ｍｍ程度の間隔で組み合わせればよい。また、２本以上を組み合わせる場合、同間隔であっても異なる間隔であっても良い。

構造物との貼り合わせ面は、図２に示すように、一体に成形されていることで、主筋１１と配筋１２の交差部において従来技術におけるような空隙が存在せず、また、段差もないため、接着不良を起こすこともない。

また、図５に示すような床版下面の補強に際して、床版補強面が平坦でない場合もある。この例では床版３１は橋桁３２の近傍でその厚みが厚くなるように形成されているため、ＦＲＰプレート３３による補強面の一部で屈曲している。このような部分に通常の板状のＦＲＰプレートを貼り付けると、ＦＲＰプレートの反発力により屈曲部で浮き上がりやすく、接着剤が固化するまで十分な押さえつけを必要とし、また、応力が掛かった場合にこの屈曲部に力が集中しやすく、母材破壊による剥離が生じて十分な補強強度が得られなくなる場合がある。

そこで、本発明では、この井桁状ＦＲＰプレートに予めこの屈曲部の形状に合わせた屈曲形状に成形しておくことで、貼り付け時に浮き上がることもなく、また、応力が掛かった場合にも応力が分散され、屈曲部からの剥離を防止することができる。図６には、これに適した井桁状ＦＲＰプレートの斜視図を示すが、図５に示したように、主鉄筋３４方向に屈曲部が形成される場合、主筋３３１の一部に屈曲部３３３を設け、それに任意の間隔で配筋３２２が配置されている。もちろん、配鉄筋方向に屈曲部が形成される場合は、配筋３２２に屈曲部３３３を設けることもできる。

また、コンクリート製トンネル天板の補強には、従来、コンクリート剥落防止のためにネット状のＦＲＰ補強材が使用されることがあったが、本発明では、剥落防止のみならず、断層ずれ等による天板破壊の補強に備えて、本発明の井桁状ＦＲＰプレートによる補強を提案している。通常、コンクリート製トンネル天板は、図７に示すようにアーチ状に形成して、コンクリート材に常に圧縮応力が掛かるようにすることで強度を保っているが、地震等による断層のずれが生じるとそのずれ方向に沿って破壊が生じる場合がある。このような湾曲したトンネル壁面の補強を行う場合に、平板状のＦＲＰプレートを貼り付けていくと、その反発力により、中央部が浮き上がり、押さえつけて貼り付ける必要がある。そこで、本発明では、図８に示しように、ＦＲＰプレート４１の主筋４１１を予めこの湾曲形状に合わせて湾曲させ、これに配筋４１２を配したものを使用することで、貼り付け作業が容易となる。

次に、本発明のＦＲＰプレートを用いる構造物の補強方法について説明する。

本発明のＦＲＰプレートを用いた構造物の補強では、特に構造物の梁や床版等において特に大きな曲げ応力の掛かる部分においてその効果を発揮する。

施工に当たっては、補強すべき個所の下地処理を行う。例えば、既存コンクリートに対して補強する場合、下地処理では、ＦＲＰプレートを取り付ける既存コンクリート表面の仕上げ、脆弱コンクリート、ゴミ・汚れ等をブラストやディスクサンダー掛けでＦＲＰプレート幅よりもやや広い範囲を除去した後、ひび割れ等の修復（樹脂注入）等を行い、コンクリート表面の健全性を確保する。また、仕上げ材の除去に伴う凹凸や不陸はポリマーセメントモルタル等で補修しておく。

次に、構造物とＦＲＰプレートとの接着性を良好にするため、プライマー塗装を行う。使用する接着剤によっては、この工程を省略することもできる。

このようにプライマー塗布を行った構造物表面に接着剤を塗布する。一方、ＦＲＰプレートにも専用の治具を用いて接着剤を台形状に塗布する。接着性を向上させるため、プレートの接着面をサンドペーパー、グラインダー等で目荒らししておくことが望ましい。構造物とＦＲＰプレートとの間に空隙が残らないようにローラー等を用いて押さえる。このとき、接着剤がＦＲＰプレートの両側から押し出されるまで押さえ、はみ出した接着剤は硬化する前に除去する。また、ＦＲＰプレートの表面にも接着剤が付着する場合はこれも除去しておくのが望ましい。

ここで、使用する接着剤としては、ＦＲＰプレートと補強すべき構造物とを十分に接着でき、所望の補強効果を持続し得る接着剤であれば特に限定されるものではないが、コンクリート補強については、従来使用されてきたエポキシ系接着剤が使用できる。接着剤の使用量は、下地の状態等によって異なるが、通常、５０ｍｍ幅のＦＲＰプレートの接着では、０．３〜０．５ｋｇ／ｍ程度を目安として使用される。

本発明では、構造物の主鉄筋方向に主筋補強部材を、配鉄筋方向に配筋補強部材を配置する際に、予めこれらを井桁状に一体に成型したＦＲＰプレートを使用するため、一度の貼り付け作業で実施でき、また、交差部の接着面が空隙なく平坦に形成されているため、貼り付け不良による補強不足を補うことができる。

また、既設コンクリートにおいては、単に貼り合わせただけでは端部の母材破壊による剥離が生ずることもあり、このような場合には、端部に対して従来公知の剥離防止手段を設けても良い。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

実施例１
主筋に長さ２０００ｍｍ、幅５０ｍｍの繊維方向を一方向に引き揃えた炭素繊維プリプレグシートを所定数積層した主筋となる積層体を２枚平行に約２５０ｍｍの間隔をあけて配置し、この上に長さ５００ｍｍ、幅５０ｍｍのプリプレグシートからなる積層体を５本、前記主筋と直交する方向に約３００ｍｍの間隔をあけて積層し、これを上部より気圧プレスして、加熱硬化させることにより、井桁（はしご状）炭素繊維プレートを作製した。この炭素繊維プレートの各厚みは１．２ｍｍ厚であり、交差部は約２ｍｍの厚みであった。また、交差部の接着面には空隙なく平坦に形成されていた。

補強されるコンクリート製床版面を下地処理した後、前記はしご状炭素繊維プレートの貼り付け面にプライマー層を塗布形成し、接着剤（コニシ（株）製、商品名「ボンドＥ−２３７０Ｍ」）を所定厚さに塗布し、炭素繊維プレートの貼り付け面にも同様に接着剤を塗布した。この炭素繊維プレートを位置合わせして貼り付け、ローラーを用いてコンクリート面と炭素繊維プレートとの間に空隙が生じないように十分に押さえ込み、はみ出た接着剤を除去した。この作業を繰り返し、主筋方向に計１０本の主筋となるように５個のはしご状炭素繊維プレートを貼り付けた。
作業は短時間で完了し、十分な補強強度が確保できた。

比較例
幅５０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの長尺状の一方向強化炭素繊維プレートから、２０００ｍｍの長さを切り出し、実施例１と同様に下地処理したコンクリート製床版の主鉄筋方向に所定の間隔をあけて１０本接着し、更にこの上に配筋方向に５本の炭素繊維プレートを接着して補強を行った。主筋プレートと配筋プレートとの交差部には空隙が生じており、十分な補強効果が得られなかった。また、全作業を完了するのに、数時間必要であった。

実施例２
実施例１と同様に主筋のプリプレグシートの積層体と、配筋のプリプレグシートの積層体とを井桁状に組み合わせた後、主筋の一部から所定の角度で折り曲げ、屈曲部を形成し、この状態を保持したまま、加圧加熱して硬化させ、屈曲部を有する井桁状炭素繊維プレートを製造した。

炭素繊維プレートの屈曲部と構造物の屈曲部とを合わせて貼り付けることで、構造物の補強工事を実施したが、屈曲部での浮き上がりがなく、簡単に施工することができた。

本発明の井桁状ＦＲＰプレートの概略斜視図である。図１のＡ−Ａ’線での断面図である。床版の鉄筋配置構造と補強方法を説明する図である。従来技術における問題点を説明する断面図である。橋梁床版下部の補強状態を示す図である。本発明の井桁状ＦＲＰプレートの他の実施形態を示す図である。トンネル内壁の補強状態を示す図である。本発明の井桁状ＦＲＰプレートの更に別の実施形態を示す図である。

符号の説明

１井桁状ＦＲＰプレート
１１主筋
１２配筋
２１床版
２２主鉄筋
２３配鉄筋
２４ＦＲＰプレート
２５空隙
３１橋梁床版
３２橋桁
３３ＦＲＰプレート
４１ＦＲＰプレート

Claims

構造物に接着して補修、補強を行う強化繊維樹脂プレートにおいて、少なくとも１本の扁平状の主筋と、これと交差して少なくとも１本の扁平状の配筋を積層してなり、主筋と配筋の交差部は、構造物との接着面が空隙なく一体に接合されてなる強化繊維樹脂プレート。
少なくとも２本の主筋に対して、少なくとも２本の配筋を組み合わせて井桁状に成形してなる請求項１に記載の強化繊維樹脂プレート。
前記強化繊維樹脂プレートの一部に屈曲部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の強化繊維樹脂プレート。
前記主筋が所定のＲ形状に湾曲して成形されてなる請求項１または２に記載の強化繊維樹脂プレート。
主鉄筋と配鉄筋を組み合わせて骨材とした鉄筋コンクリート製構造物に対し、強化繊維樹脂プレートを用いて補強するに際して、請求項１乃至４の何れか１項に記載の強化繊維樹脂プレートを用い、主鉄筋方向に前記強化繊維樹脂プレートの主筋を、配鉄筋方向に前記強化繊維樹脂プレートの配筋を配置した強化繊維樹脂プレートを貼り付けることを特徴とする構造物の補強方法。