JP2006057433A - 構造クラック、ひび割れ補強等対応のクロス状繊維シートによる補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 部材に加わる外力及び内部応力によるひび割れや構造クラックの補強や防止、部材同士の接合及び補強が有効的かつ簡易的に可能で、さらに低コストにて行える補強構造を提供する。
【解決手段】 長手方向に対し斜めクロス状に編んだ繊維補強材と接着剤を用い、部材のひび割れや構造クラックの補強及びその防止、さらに部材同士の接合及び補強を施せる補強構造とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、部材の乾燥や温度変化及び劣化等によるひび割れ及び応力による構造クラックの補強や防止、さらに部材面同士の接合及び補強対応に斜めクロス状に編んだ繊維シートを用いた補強構造を提供するものである。

従来から利用されている高引張強度を有する繊維素材であるアラミド、炭素、ガラスなどを素材としたシート状の補強材は、公共の大型建造物などの耐震補強に多く用いられ、これらの繊維シートと接着剤を用いて接着し、補強工事を行っていることで認知された補強材である。
従来のシート状繊維のものは、シートの長手方向に対して一方向（長手方向）繊維又は二方向（縦横方向）繊維が主流で、斜めクロス状に編んだものでの接着補強や接着接合に用いられた例はない。
（例えば下記文献参照）
特開２００３−２５３８９１公開特許公報 名称「コンクリート構造物の補修方法」

比較的小規模な木造軸組・軽量鉄骨・木質や鋼鈑、コンクリート製パネル等の工法の場合、その建物に作用する外力（地震や風圧力）に対し、その建物の構造の違いにより力の伝達方法が異なる。工法・構造の違いにより、外力がその建物構造を構成する建築部材を伝わって複雑な方向へ伝達され、建築部材内に生じる応力の方向や大きさにより、建築部材が物理的破壊することに対して、従来の一方向繊維又は二方向繊維シートの補強方法では、全ての建築工法の建築部材に対して簡易的に対応する方法や手段がなかなかない。

従来の繊維シートと接着剤を用いて建築部材を補強する場合、水平荷重又は鉛直荷重に対しては有効であるが、建物に加わる地震等の水平力による斜め方向の合力又は反力に対し有効に働くとはいえず、その建築工法の構造により複雑な力の流れが生じている。

例えば木造軸組工法の筋交いによる耐力壁端部の接合を金物や釘で行った場合、建物に地震等の水平力Ｐが加わった時、水平力Ｐは左右のくり返し加力となって加力方向が変わり、筋交いには圧縮又は引張力が作用し、耐力壁端部の柱、横架材では左右斜め方向にこの圧縮・引張力を受け、木部材の接合金物補強部に亀裂が生じ、さらに割裂破壊や筋交いが金物からはずれたりして建物が倒壊するおそれがある。従来の繊維シートを用いて柱と横架材の接合及び補強を施しても、耐力壁の回転により生じる垂直方向より少し斜めの引張力となるため、繊維シートの繊維方向が垂直及び水平方向では斜めの応力に対応しずらく本来の１００％の耐力効果が得られず、繊維シートの破断や剥離を生じやすい。

建造物を含めたあらゆる部材のひび割れ（乾燥や温度変化による部材の収縮・膨張で生じる亀裂、経年劣化による亀裂）や構造クラック（部材に応力が作用したとき、その部材の許容変形量を超えたときに生じる亀裂）の従来の補強方法は、亀裂部分のＶ字カットを行い、拡大させた亀裂にエポキシ樹脂などを注入し、その後一方向や二方向の繊維シートと接着剤を用いて接着補強しているが、その亀裂部に生じている複雑な応力の方向や大きさに追従出来ず、亀裂幅のさらなる拡大や亀裂の延長が止められず、これらの亀裂を有効的に防ぐ手だても無かった。
建造物では地盤や風等による常時微動で、建物の防水性能、断熱・気密性能等を損なうことも多く発生している。
さらに、コンテナボックスや車両、船舶、飛行機など、骨組みに面状外装部材を用いた場合においても骨組みと面状外装部材の止めつけ部分等で上記ひび割れや構造クラックによる同様の問題を有している。

以上のことから、本発明は下記のことができるものを提供しようとするものである。
Ａ．シート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、部材の乾燥等によるひび割れや構造クラックを有効的に補強することができる補強構造。
Ｂ．シート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、部材の乾燥等によるひび割れや構造クラックを有効的に防止することができる補強構造。
Ｃ．シート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、多面体や球体を組み立てる時、その部材面同士の接合部を長手方向に沿って有効的に接合及び補強することができる補強構造。
Ｄ．シート状の繊維補強材において、シートの長手方向を軸に±４５°の斜めクロス状を中心に多様な角度の編み方のものを適応箇所に用い、部材の乾燥等によるひび割れや構造クラックを補強、防止、さらに部材の面同士で接合及び補強を有効的に行うことができる補強構造。

請求項１に記載のシート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、部材の乾燥等によるひび割れや構造クラックを補強することを特徴とする補強構造であって、斜めクロス状に編んだ繊維補強材と接着剤を用い、その亀裂を跨いで長手方向に沿って接着補強する。

請求項２に記載のシート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、部材の乾燥等によるひび割れや構造クラックを防止することを特徴とする補強構造であって、斜めクロス状に編んだ繊維補強材と接着剤を用い、亀裂の発生しやすい箇所の亀裂を防止し、さらに部材同士の接合耐力の弱い箇所の補強として接着補強する。

請求項３に記載のシート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、多面体や球体を組み立てる時、その部材面同士の接合部を長手方向に沿って接合及び補強することを特徴とする補強構造であって、斜めクロス状に編んだ繊維補強材と接着剤を用い、その部材面同士の接合部を跨いで長手方向に沿って接着接合及び接着補強する。

請求項４に記載のシート状の繊維補強材において、シートの長手方向を軸に±４５°の斜めクロス状を中心に多様な角度の編み方のものを適応箇所に用い、部材の乾燥等によるひび割れや構造クラックを補強、防止、さらに接合することを特徴とする補強構造であって、繊維方向の角度を変えた斜めクロス状に編んだ繊維補強材と接着剤を用い、その部材が受ける応力の方向に適したクロス繊維方向の角度を変えた繊維シートを選定し、接着接合及び接着補強する請求項１から請求項３の補強構造。

本発明は、上記「発明が解決しようとする課題」の項で指摘した課題を解決しようとするものである。

実施の形態について図を参照して説明する。ただし、本発明は以下の各実施例に限定されるものではなく、例えばこれら実施例以外の別用途の部材に本補強構造を適宜選択して用いることができるのは勿論のことである。

長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材の素材は、アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維やアクリル繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維等の化学繊維及びこれらを組み合わせて編んだもの、及び金属系繊維等をこれらの繊維にさらに加えて編んだものを用いるとより効果的である。また、これらの斜めクロス状に編んだ繊維補強材をあらかじめ合成樹脂等で含浸させたプリプレグでなるシート状ものを用いることも可能とする。

図１は、乾燥によるひび割れによる亀裂１を生じた木製梁２の請求項１記載の補強構造による一実施例を示している。図２は、その部分の拡大図で、木材繊維方向の略水平に生じた亀裂１に、長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材Ａ（以下斜めクロス繊維シートという）を亀裂を跨いで亀裂の長手方向に沿って接着剤を用いて補強されている。亀裂幅が大きい場合は先に亀裂内に接着剤を注入してから行うことは勿論のことである。さらに図３は斜めクロス繊維シートＡの正面図を示し、この場合の繊維方向Ａ１は、斜め±４５°となっている。
図２にて、この場合の補強構造を説明すると、太い矢印は亀裂部に生じる応力１１の大きさと方向を示し、この応力１１と、斜めクロス繊維シートＡの繊維方向Ａ１の細い矢印の略斜め±４５°の両方向の、応力１１より小さい分力１２とを、理想的な斜めクロス繊維シートＡで負担することができる。この補強構造により亀裂幅の拡大を防止するせん断補強することができ、さらに亀裂の延長を防止する曲げ補強も同時に可能となるため、梁に掛かる鉛直荷重に対しても斜めの繊維が有効的に働く。
従来の一方向繊維シートでの補強では、略水平方向の亀裂１に沿って長手方向に繊維シートを貼り、積載荷重等の鉛直荷重による亀裂延長の曲げ応力に対する補強と、亀裂１の略垂直方向に亀裂長さ以上数枚の繊維シートを貼り、亀裂幅拡大のせん断応力に対する補強を行っている。しかし、数枚の繊維シートが重なり合って貼られるため、シート枚数や接着剤が多く必要となり、施工にも時間を要し、見た目も良くない。
本補強構造によれば、１回の施工で補強を終えることができるので労力と材料費が軽減されコストダウンと工期短縮となる。
さらに、従来の一方向繊維シートと併用して斜めクロス繊維シートＡと重ね貼りすることで、補強耐力を増強させることができるのは勿論のことである。
ここでは木製梁での補強構造を説明しているが、鉄筋コンクリートや鉄骨鉄筋コンクリート造建物などの梁等の構造クラックにも適用できることは勿論のことである。

ここで、木造軸組建築物の筋交いを用いた耐力壁端部の補強を金物や釘で補強した場合の力の流れを例に説明すると、図４に示す軸組に地震等の水平力Ｐが左側より加わった時、この力は加力側柱頭に取り付けた筋交いに圧縮力Ｐ１が生じる。この場合加力側柱脚部では引張力（引抜き力）Ｐ２ｙが働く。しかし、図５、図６に示すように、実際には柱脚がピン接合のため柱に生じる引張力は垂直方向Ｐ２ｙではなく、耐力壁の回転により生じる垂直より少し斜めの引張力Ｐ３となる。さらに水平力Ｐは地震等により左右にくり返し加力方向が変わり、耐力壁端部の柱などでは、左右斜め両方向に耐力壁の回転により生じるこの引張力Ｐ３が作用し、金物や釘で柱と固定された横架材の割裂１や筋交いの破断・はずれ等により建物が破壊するおそれがある。

図７、図８は、耐力壁の回転により生じる垂直より少し斜めの引張力Ｐ３に対応する斜めクロス繊維シートＡであり、この場合の繊維方向Ａ２は±４５°より角度を小さくクロス状に編んだ図９の正面図に示す斜めクロス繊維シートＡを用いて横架材の亀裂防止及び部材の接合を施す補強構造となっている。
この補強構造により、従来の繊維シートでの問題点である斜めの応力に対応しずらく本来の１００％の耐力が得られず、繊維シートの破断や剥離を生じやすいことが解消される。
さらに、従来の一方向繊維シートと併用して斜めクロス繊維シートＡと重ね貼りすることで、柱と横架材の接合耐力を増強させることができるのは勿論のことである。
ここでは、柱と横架の接合部で説明しているが、これに限定されるものではなく、あらゆる部材の接合部の斜めに生じる応力に対して用いることができるのは勿論のことである。

図１０は、建物の部材の一つである基礎３の亀裂１に対する補強及び防止を示す全体図で、図１１は基礎の床下換気口３１部分の拡大図を示し、図１２は軟弱地盤で杭３３を用いた場合の杭基礎の曲げモーメント３４を示す図である。図１２の場合、基礎コーナーや基礎同士の交わる部分での上端より斜め下方向に亀裂１が生じやすく、さらに杭３３間の中央下端より上方向にも亀裂１が生じやすい。
図示していないが、地盤沈下や地震等で、特に無鉄筋の基礎のコーナー部や基礎同士の交わる部分及び床下換気口周り等の構造的弱点となる部分に応力が集中して亀裂１が発生する。この構造クラック防止と基礎の構造的弱点補強のため、基礎上端部から下の長手方向全周に斜めクロス繊維シートＡと接着剤で接着補強する。又は、コーナー部だけの略水平Ｌ字状に部分的基礎補強や亀裂防止も有効である。さらに、地盤面Ｇｌより下側にも長手方向全周に斜めクロス繊維シートＡと接着剤で接着補強する。又は、コーナー部だけの略水平Ｌ字状、さらに杭３３間の中央下端部の部分的基礎補強や亀裂防止にも有効である。
床下換気口３１周りの基礎補強及び亀裂防止方法としては、図１０に示す床下換気口３１下端略水平方向の基礎補強や下端と両側略垂直方向の基礎補強と亀裂防止、図１１に示す両下端より略斜め±４５°方向の基礎補強及び亀裂防止が考えられる。この図１１の補強構造は、すでに亀裂が生じた場合、亀裂長手方向に沿って略斜め±４５°方向に施す亀裂補強にも適している。これらの補強構造を施した後、接着剤が固まる前に砂等をトッピングし、接着剤と仕上げ材の付着性を高めて基礎のモルタル３２等の仕上げを容易にすることができる。
さらに、従来の一方向繊維シートと併用して斜めクロス繊維シートＡと重ね貼りすることで、補強耐力を増強させることができるのは勿論のことである。
図示では基礎の外周より基礎補強及び亀裂防止を施しているが、基礎内部からの補強や防止を施せることは勿論のことである。
これらの補強構造は、杭基礎や鉄筋コンクリート基礎及び無筋コンクリート基礎における補強に対して有効なものとなり、さらに、既存基礎や新設基礎にも適用できるのは勿論のことである。

図１３は、建築物４の基礎３と壁、１階壁と２階壁、２階壁と妻壁部分などの接合部に略水平方向に斜めクロス繊維シートＡを施した例と、壁と壁のコーナー部、壁の開口４１の両端略垂直方向などに斜めクロス繊維シートＡを施した例と、さらに構造用合板等の面材の面剛性をさらに高めるために、１枚の面材表面に×印状に斜めクロス繊維シートＡを施した例、及び屋根の開口４１の四隅に正面Ｌ字状に斜めクロス繊維シートＡを施した例を示す。この場合、屋根の開口４１を図示しているが建物内部床の開口部にも同じように、開口四隅に正面Ｌ字状に斜めクロス繊維シートＡを施すことができるのは勿論のことである。
近年、木造軸組工法においてもツーバイ工法やパネル工法のように、床・壁・屋根それぞれの面剛性を構造用合板等を用いて高める構法が多く行われるようになった。
これらの面剛性を高めた工法に、それぞれの面同士の接合部に斜めクロス繊維シートＡを施こすことで、全ての工法や構造での複雑な力の伝達や部材内に生じるあらゆる応力方向に対応でき、建築部材が物理的破壊することに対する補強構造を簡易的に対応することができる。
さらに、従来の一方向繊維シートと併用して斜めクロス繊維シートＡと重ね貼りすることで、接合・補強耐力を増強させることができるのは勿論のことである。
また、建造物では地盤や風等による常時微動で，建物の防水性能等を損なうことや表面剥離が多く発生しているが、この補強構造を用いることにより、防水層や断熱・気密層の破断防止、剥離防止となり、建物の初期性能が維持できる。

図１４は、多面体の中の立方体における一実施例を示し、それぞれの面で構成される立方体５の接合部５１を跨いで長手方向に斜めクロス繊維シートＡと接着剤により面部材の接合と補強が、荷造り用のガムテープのように簡単に施工できる。
図１５は、球体であるドーム６の曲面体の接合部６１に斜めクロス繊維シートＡを施した面部材の接合と補強を示したものである。
これらの補強構造を用いて、ミニハウスなど床、壁、屋根などをパネル化したものを組立るとき、斜めクロス繊維シートＡと接着剤で接合と補強することで簡単に組立と接合及び補強ができる。また、ボックス状のコンテナやスチール製物置、さらに車両、船舶、飛行機など、骨組みに強度を必要とする外装面部材を止めつける場合で、その外装面部材同士を一体化する接合及び補強を施すことも可能である。
図示ではこれらの外側より接合及び補強を施しているが、状況に応じて内部からの接合及び補強を施せることは勿論のことである。
さらに、従来の一方向繊維シートと併用して斜めクロス繊維シートＡと重ね貼りすることで、接合・補強耐力を増強させることができるのは勿論のことである。

産業上の利用の可能性

Ａ．従来の金物などでの接合や補強を斜めクロス繊維シートを施すことで簡略化できるため手間が省け、全体の工期短縮とコストダウンとなる。
Ｂ．従来の一方向繊維シートでは繊維方向を変えて二重に重ね貼りをしなければ同様の効果がえられず、さらに斜め方向にも対応させると四重の重ね貼りとなりシート接着施工にも時間と材料コストを要したが、斜めクロス繊維シート１回（一方向繊維シート併用の場合は２回）の施工で済むため大幅なコストダウンと工期短縮となる。
Ｃ．斜めクロス繊維シートを面材接合部に長手方向に接着接合及び補強することで、外力によるあらゆる方向の応力に対して斜めクロス繊維が有効に働くこととなり、その面材の強度や厚さ、さらに面材を受ける骨組みなども小さくすることができ、接合のための特殊な金具なども不要となるので、建物以外のミニハウスやコンテナ、簡易プレハプ、物置等、さらに、ドームや車両、船舶、飛行機等、あらゆる部材の接合と補強に用いることが可能で、軽量化とコストダウンが図れる。
さらに、車両、船舶、飛行機等に用いた場合、常時微動や圧力などによる骨組みと外装部材の止め付けのゆるみ、止め付け部の外装部材の破損などや、飛行機事故で問題となった隔壁の金属疲労等をも防ぐことができる有益な補強構造である。
Ｄ．斜めクロス繊維シートは、荷造り用のガムテープのように計画した製品化も可能で、アイテムしだいでは誰でも簡単に施工でき、しかも部材の割れの補強・防止やその部材自体の補強及び接合部などの面同士の接合・補強と、あらゆる分野への適応範囲は限りなく広い。産業上の利用において、各分野での用途開発の可能性が高い有益な発明である。

本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、ひび割れ補強を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、ひび割れ補強を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートの正面図である。 本発明の実施形態に係わる木造軸組の外力Ｐによる力の流れ等を説明する図である。 本発明の実施形態に係わる木造軸組の外力Ｐによる力の流れ等を説明する図である。 本発明の実施形態に係わる木造軸組の外力Ｐによる力の流れ等を説明する図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、繊維方向の角度を変えて接着接合及び接着補強を説明する図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、繊維方向の角度を変えて接着接合及び接着補強を説明する図である。 本発明の実施形態に係わる繊維方向の角度を変えた斜めクロス繊維シートの正面図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、基礎における補強及び亀裂防止を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、基礎における補強及び亀裂防止を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、基礎における補強及び亀裂防止を説明する図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、建物における補強構造を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、多面体における補強構造を説明する斜視図である。 本発明の実施形態に係わる斜めクロス繊維シートによる補強構造で、球体における補強構造を説明する斜視図である。

符号の説明

Ａ 斜めクロス繊維シート
Ａ１ ±４５°の繊維方向
Ａ２ 角度を変えた繊維方向
１ 亀裂
１１ 亀裂部に生じる応力
１２ 応力による分力
２ 梁
３ 基礎
３１ 床下換気口
３２ 基礎仕上げモルタル
３３ 杭
３４ 杭基礎の曲げモーメント
４ 建築物
４１ 開口部
５ 多面体
５１ 多面体の接合部
６ 球体
６１ 球体の接合部

Claims (4)

1. シート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、部材のひび割れや構造クラックを補強することを特徴とする補強構造。
2. シート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、部材のひび割れや構造クラックを防止することを特徴とする補強構造。
3. シート状の繊維補強材において、シートの長手方向に対して斜めクロス状に編んだ繊維補強材を用い、多面体や球体等を組み立てる時、その部材面同士の接合部を長手方向に沿って接合及び補強することを特徴とする補強構造。
4. シート状の繊維補強材において、シートの長手方向を軸に±４５°の斜めクロス状を中心に多様な角度の編み方のものを適応箇所に用い、部材のひび割れや構造クラックを補強、防止、さらに部材の面同士で接合及び補強することを特徴とする請求項１から請求項３の補強構造。

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