JP2006070668A - 鋼構造物の補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼構造物において、その鋼材からなる柱と梁の接合部に対する、従来にはない新規な補強方法を提供すること。
【解決手段】鋼材からなる柱と梁の接合部において、前記鋼材からなる柱材に、強化用繊維シートを２周回以上、該柱材の長さ方向の少なくとも一部分において巻き付けて補強することを特徴とする鋼構造物の補強方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼構造物の補強方法に関し、さらに詳しくは、少なくとも鋼管柱などに代表される鋼材からなる柱と梁の接合部に対する効果的な補強を行い、建物、建造物などにおける鋼構造物に耐震性を与えることのできる鋼構造物の補強方法に関するものである。

耐震性が十分でないと思われる既存の建物・建造物や、新規に建造された建物・建造物に対し、地震に対する耐久性を付与する耐震補強方法としては、従来は、建物・建造物自体の耐力を高くすることを目的として、建物・建造物の柱梁架構内などに耐震壁や補強ブレース等を増設して補強すること等が一般に行われている。

また、近年では、制震性を与えることを目的として、建物内部に対し制震壁や制震装置を設置することも行われる。

特に、阪神・淡路大震災の発生以降、既存の建物・建造物に対して補強を行って耐震性を与えることができる方法についての研究が活発になった。

例えば、既存の鉄筋コンクリートもしくは鉄骨鉄筋コンクリート構造物の柱・梁接合部の耐震補強構造として、補強材として、帯状の鋼板の他に炭素繊維、アラミド繊維、またはガラス繊維、合成繊維のシートを用い、その補強材の１つまたは複数を組み合わせて既存のコンクリート、もしくは鉄骨鉄筋コンクリート構造物における柱・梁接合部にコンクリートの増し打ちを行うことなく、同柱・梁接合部の上下に上述の補強材シートを巻装するという提案がされている（特許文献１）。

しかし、かかる提案のものでは、補強されるものは、鉄筋コンクリートもしくは鉄骨鉄筋コンクリート構造物の柱・梁接合部であり、コンクリートを有さない鋼構造物についての補強については言及がされていないものであった。

また、建物内部を施工することなく既存建物の耐震補強を図ることができる既存建物の耐震補強方法を提供することを目的として、建物本体の上部に当該建物本体よりも重量及び剛性が小さくかつ耐力が低いフレーム構造物を設置することにより、該フレーム構造物が地震時に既存建物よりも大きく揺れ、エネルギー吸収することにより既存建物揺れを低減させるという建物の制震・耐震補強方法についての提案がされており（特許文献２）、その請求項３においては、該フレーム構造物は、一般鋼材または少なくとも一部が極低降伏点鋼材が使用された鉄筋コンクリート造または鉄骨鉄筋コンクリート造からなり、かつ、柱の全部または一部に炭素繊維が巻き付けてあるという制震・耐震補強方法についての提案がされている（特許文献２、請求項３）。

しかし、かかる提案のものでは、補強されるものは、建物本体の上部に設置されて当該建物本体よりも重量および剛性が小さくかつ耐力が低いというフレーム構造物であり、特に、本発明において被補強対象とするような、少なくとも鋼材からなる柱と梁の接合部ではないものである。

上述したような点に鑑み、本発明の目的は、鋼構造物において、その鋼材からなる柱と梁の接合部に対する、従来にはない新規な補強方法を提供することにある。

上述した目的を達成する本発明の鋼構造物の補強方法は、以下の（１）の構成からなる。
（１）鋼材からなる柱と梁の接合部において、前記鋼材からなる柱材に、強化用繊維シートを２周回以上、該柱材の長さ方向の少なくとも一部分において巻き付けて補強することを特徴とする鋼構造物の補強方法。

また、かかる本発明の鋼構造物の補強方法において、具体的に好ましい態様として、以下の(2) 〜(9) の具体的構成を有するものである。
（２）強化用繊維シートが、該シート長さ方向と実質的に平行に配列されている繊維の目付が６００〜７２００ｇ／ｍ² の範囲内のものであることを特徴とする上記(1) 記載の鋼構造物の補強方法。
（３）前記強化用繊維シートが、合成繊維、ガラス繊維、炭素繊維またはアラミド繊維を少なくても含んで構成されているものであることを特徴とする上記(1) または(2) 記載の鋼構造物の補強方法。
（５）前記鋼材からなる柱材に強化用繊維シートを巻き付けるとともに、該強化用繊維シートに樹脂を含浸させて硬化をさせ、繊維強化プラスチックシート化させて補強を行うことを特徴とする上記(1) 、(2) または(3) 記載の鋼構造物の補強方法。
（５）強化用繊維シートが、柱・梁接合部の直上または直下において、柱材の軸方向に対して繊維軸方向が直角方向になるように巻き付けられて補強することを特徴とする上記(1) 、(2) 、(3) または(4) 記載の鋼構造物の補強方法。
（６）前記鋼材が、横断面形状が丸形あるいは角形の鋼管柱であることを特徴とする上記(1) 、(2) 、(3) 、(4) または(5) 記載の鋼構造物の補強方法。
（７）鋼材からなる柱と梁の接合部が、溶接により接合されたものであることを特徴とする上記(1) 、(2) 、(3) 、(4) 、(5) または(6) 記載の鋼構造物の補強方法。
（８）鋼材が鋼管であり、かつ柱と梁が溶接により接合されており、かつ該接合がノンダイヤフラム形式にてなされているものであることを特徴とする上記(1) 、(2) 、(3) 、(4) 、(5) または(6) 記載の鋼構造物の補強方法。
（９）鋼構造物が、既存構造物であることを特徴とする上記(1) 、(2) 、(3) 、(4) 、(5) 、(6) 、(7) または(8) 記載の鋼構造物の補強方法。

本発明によれば、鋼構造物において、その鋼材からなる柱と梁の接合部に対する従来にはない新規な補強方法が提供される。

以下、更に詳しく本発明の鋼構造物の補強方法について、説明する。

本発明の鋼構造物の補強方法は、少なくとも鋼材からなる柱と梁の接合部において、前記鋼材からなる柱材に、強化用繊維シートを２周回以上、該柱材の長さ方向の少なくとも一部分に巻き付けて補強することを特徴とするものである。

特に、少なくとも鋼材からなる柱と梁の接合部を対象とするのは、通常は、該接合部は溶接法により接合されているが、一般に溶接法により得られる接合強度にはバラつきが存在するので、そうした少なくとも鋼材からなる柱と梁の接合部を補強することが有効なのである。

巻き付ける強化用繊維シートは、特に限定されるものではないが、一般的には、該シート長さ方向と実質的に平行に配列されている繊維の目付が６００〜７２００ｇ／ｍ² の範囲内のものであるものがよい。該長さ方向と実質的に並行に発列されている繊維が、シート巻き付きによる有効な補強効果を発揮することができるのであり、例えば、角形の鋼管などの角型鋼材の場合は、横断面で見たとき角コーナー部分はわずかな曲面を呈しており、該該角型鋼材からなる柱が変形した場合には該角コーナー部に応力が集中する傾向にあり、繊維シートの目付が６００ｇ／ｍ² よりも小さいときには繊維シートが破断してしまい、所期の補強効果を十分に得ることができなくなるからである。また、目付が７２００ｇ／ｍ² よりも大きい場合には、使用する量の割には補強効果が効果的に増加するものでもなく、一般に目付が７２００ｇ／ｍ² 程度までが実際的である。本発明者らの知見によれば、上述した範囲の目付で強化用繊維シートを使用することにより、該強化用繊維シート全体で引張り耐力として、繊維の種類によっても異なるが、概して約５８８ｋＮ／ｍ（６０ｔ・ｆ／ｍ）〜約１１７６０ｋＮ／ｍ（１２００ｔ・ｆ／ｍ）を補強効果として得ることができる。

強化用繊維シートは、合成繊維、ガラス繊維、炭素繊維またはアラミド繊維が含まれて構成されているものであることが望ましい。これら繊維は、強度が高く一般に優れた補強効果を発揮することができるからである。

本発明方法において、柱材に対して、強化用繊維シートを２周回以上、該柱材の長さ方向の少なくとも一部分において巻き付けて補強するとは、柱材の長さ方向の全体に対して該繊維シートを巻き付けて補強するという必要は必ずしもなく、長さ方向の少なくとも一部分において巻き付けて補強すればよいという意味である。

もちろん、本発明では長さ方向の全部において巻き付けて補強する場合も含んでいるものであるが、要部、例えば、好ましくは梁せいの５０％〜１００％の範囲に巻き付ければ、かなり高い本発明の効果が得られるので、少なくとも一部に巻き付ければ良いという意味であり、特に、既存建造物などの鋼構造物に対して補強をするという場合には、長さ方向の全部に対して巻き付けることが難しかったり、極端な作業の困難性、費用増を招くことなどもあって部分的に巻き付けることが好ましいものである。

強化用繊維シートの巻き付けは、２周回以上は柱材に対して巻き付けることが重要であり、本発明者らの知見によれば、少なくとも２周回巻き付けなければ、該強化用繊維シートによる高い補強効果を得ることは難しい。本発明者らの知見によれば、特に好ましくは、２周回を巻いた後さらに巻き長さ２０ｃｍ以上を巻き重ねることである。

本発明において、巻き付けられる上記少なくとも２周回は、１枚のシートで連続して巻かれていなくてもよい。すなわち、１周分巻かれた後に適宜のシート長さでいったん切れて、その後、更に２周回目が巻かれて全体として２周回以上を構成していてもよいものである。図３は、好ましい強化用繊維シートの巻き方の例として周回の状態をモデル的に示したものであり、 （ａ）は、２周回した後に更に巻き長さ２０ｃｍを巻き重ねているものの例、（ｂ）は、１周回した後に更に巻き長さ２０ｃｍを巻き重ねていったんシートが切れた後、さらに、もう１周回巻き更に巻き長さ２０ｃｍを巻き重ねた例を示したものである。図３において、２は柱材であり、５、５′は、強化用繊維シートである。

強化用繊維シートの巻き付けは、柱・梁接合部の直上または直下において、柱材の軸方向に対して繊維軸方向が直角方向になるように巻き付けられて補強することが好ましい。地震などの際には、該柱・梁接合部の直上または直下において最も柱に対して破壊する力が作用するからである。

本発明の補強方法では、強化用繊維シートを巻き付けただけでも補強効果が得られるが、その効果を長期間にわたり維持させるという目的で、該強化用繊維シートを部分的に巻き付け中に、あるいは巻き付けた後に、該強化用繊維シートに樹脂を含浸させ、さらに該樹脂を硬化させて繊維強化プラスチックシート化させて補強をすることが、半永久的に補強効果を維持し得る点で望ましい。

本発明の補強方法は、鋼材からなる柱材は、その横断面形状は特に限定されるものではなく、例えば丸型、角型、Ｈ型、Ｉ型、山型、コの字型などのいずれでもよいが、特に、丸型あるいは角型の鋼管柱であるときに、高い補強効果が得られるので好ましい。丸型あるいは角型の鋼管の場合には、横断面全周囲に対して、強化用繊維シートを全周にわたり密着させて巻き付けることができるからである。

その点、Ｈ型鋼や山形鋼の場合等では、強化用繊維シートを２周回以上巻き付けたとしても、そのままでは鋼材の全周表面に該繊維シートが密着するわけではなく、空間部が発生するので、得られる補強効果が劣る場合がある。従って、そのようなＨ型鋼や山形鋼の場合等には、強化用繊維シートを２周回以上巻き付けたときに生ずる空間部を埋めるような手法をとるのがよく、例えば、適当サイズの大きさのコの字型鋼を該空間部に挟み込んで巻き付ける（コの字型の背の部分が、外周側をなすようにして挟む）などの手法をとって空間部が生じないような工夫をするのがよい。

本発明の方法は、前述のとおり、鋼材からなる柱と梁の接合部が溶接法により接合されているものである構造物に対して実施することが効果的である。

鋼材からなる柱と梁の接合は、ノンダイヤフラム形式、内ダイヤフラム形式あるいは通しダイヤフラム形式などのいずれにて接合されているものであってもよいが、ダイヤフラム形式のものは内ダイヤフラム形式あるいは通しダイヤフラムのいずれも、ある程度耐震性は高いので、特に本発明の補強方法は、ノンダイヤフラム形式にて接合されている構造物に対して採用すると効果的で好ましいものである。

本発明の補強方法は、既存の鋼構造物に対して採用するのが、築造後の年月の経過とともに弱くなってきた鋼構造物に高い補強効果を与えることができる点で特に好ましい。むろん、被強化構造物は既存のものだけに限られず、新築時に該構造物に対して行っても好ましいものである。

以下、図面などに基づいて本発明にかかる鋼構造物の補強方法について説明をする。

図１は、本発明の鋼構造物の補強方法を説明するための概略モデル斜視図であり、角型鋼管である鋼材からなる柱材２と、Ｈ型鋼梁からなる梁３が溶接４により接合されてなる接合部１において、該柱材２に対して、強化用繊維シート５を２周回以上、巻き付けて補強した状態を示したものである。

図１においては、柱・梁接合部１の直上部６と直下部７の２箇所において、該巻き付けを行っている状態を例示している。通常、このような接合部における接合は、ダイヤフラムを用いないノンダイヤフラム形式によって、かつ、Ｈ型鋼などからなる梁が、鋼製柱材の側面に対して隅肉溶接により接合されることによりなされていることが多いものである。

特に、既存鋼構造物では多くあり、そのような隅肉溶接により接合されている接合部に対して本発明方法を採用するのがより効果的である。

図１に示したとおりの構造の鋼構造物の柱・梁接合部に対して、本発明方法に従いアラミド繊維シートを用いて補強をした場合（実施例１）、特に補強をしない場合（比較例１）、リブプレート式の補強を行った場合（比較例２）について、比較をする試験をした。

試験は、図１に示したように、角型鋼管である鋼材（断面形状２００ｍｍ×２００ｍｍ×肉厚１２ｍｍ、材長１６８０ｍｍ）からなる柱材２と、Ｈ型鋼梁（２５０ｍｍ（Ｈ型の高さ）×１２５ｍｍ（Ｈ型の幅）×６ｍｍ（ウェブ部厚さ）×９ｍｍ（フランジ部厚さ）、材長１８００ｍｍの２本）からなる梁３が、隅肉溶接４により接合されてなる柱・梁接合部を用い、柱に対しては一定の軸力をかけて、くり返し漸増曲げ試験を行った。具体的には、梁両端に設置したオイルジャッキにより変位を加えるが、梁両端の変位の増加分が等しくなるようにして段階的に、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍと変位（梁長さ方向）を増加させながらに繰り返し荷重を加えていき、試験終了は、梁端の溶接部近傍に亀裂が発生して荷重低下が起こるまでとした。

なお、比較例２のリブプレート式の補強は、三角リブ（１００ｍｍ×１００ｍｍ）８を３枚準備して図２に概略を示したように接合部に対し溶接により補強接合させたものである。このリブプレート式の補強効果が従来方法においては最も優秀なものであり、本発明方法は、このリブプレート式の補強効果と同レベル程度以上の補強効果を得ることを目標しているものでありる。

本発明による実施例１は、アラミド繊維シート（目付１２００ｇ／ｍ² 、幅１０ｃｍ）を３層積層（３周回）して、図１のように接合部の直上と直下に巻き付けたものであり、エポキシ樹脂を含浸させて硬化させ補強材としたものである。

試験は、梁に梁端の接合部近傍に亀裂が生じたときの梁に加わった荷重と、そのときの変位（梁長さ方向）を求めた。

その結果、本発明の実施例１では、亀裂が生じたときの梁に加わった荷重が６０ｋＮ、変位１３０ｍｍであった。

これに対して、比較例１では、同荷重が４８ｋＮ、同変位６０ｍｍであり、また、比較例２では、同荷重が６５ｋＮ、同変位９０ｍｍであった。

すなわち、本発明方法により補強された鋼構造物は、柱・梁溶接部近傍の亀裂に至るまで荷重６０ｋＮまで耐え、また変位１３０ｍｍまで耐えることができた。したがって、比較例１の場合と比べて、耐震補強効果が明確に得られていることがわかり、また、比較例２の従来方式で最高レベルのものに比して、同荷重ではほぼ同等であり、同変位では約１．４倍と優れていた。

このことは、繰り返し荷重を付加する試験時において柱材の局部変形が良好に抑えられていることによると解されるものであった。

図１は、本発明の鋼構造物の補強方法を説明するための概略モデル斜視図である。 図２は、リブプレート式の補強を行った比較例２で採用したリブプレートの使用方法を図示したものである。 図３は、好ましい強化用繊維シートの巻き方の例として周回の状態をモデル的に示したものであり、（ａ）は、２周回した後に更に巻き長さ２０ｃｍを巻き重ねているものの例、（ｂ）は、１周回した後に更に巻き長さ２０ｃｍを巻き重ねていったんシートが切れた後、さらに、もう１周回を巻いて更に巻き長さ２０ｃｍを巻き重ねした例を示したものである。

符号の説明

１：接合部
２：柱材２
３：梁
４：溶接
５、５′：強化用繊維シート
６：柱・梁接合部の直上部
７：柱・梁接合部の直下部
８：リブプレート

Claims (9)

1. 鋼材からなる柱と梁の接合部において、前記鋼材からなる柱材に、強化用繊維シートを２周回以上、該柱材の長さ方向の少なくとも一部分において巻き付けて補強することを特徴とする鋼構造物の補強方法。
2. 強化用繊維シートが、該シート長さ方向と実質的に平行に配列されている繊維の目付が６００〜７２００ｇ／ｍ² の範囲内のものであることを特徴とする請求項１記載の鋼構造物の補強方法。
3. 前記強化用繊維シートが、合成繊維、ガラス繊維、炭素繊維またはアラミド繊維を少なくても含んで構成されているものであることを特徴とする請求項１または２記載の鋼構造物の補強方法。
4. 前記鋼材からなる柱材に強化用繊維シートを巻き付けるとともに、該強化用繊維シートに樹脂を含浸させて硬化をさせ、繊維強化プラスチックシート化させて補強を行うことを特徴とする請求項１、２または３記載の鋼構造物の補強方法。
5. 強化用繊維シートが、柱・梁接合部の直上または直下において、柱材の軸方向に対して繊維軸方向が直角方向になるように巻き付けられて補強することを特徴とする請求項１、２、３または４記載の鋼構造物の補強方法。
6. 前記鋼材が、横断面形状が丸形あるいは角形の鋼管柱であることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の鋼構造物の補強方法。
7. 鋼材からなる柱と梁の接合部が、溶接により接合されたものであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の鋼構造物の補強方法。
8. 鋼材が鋼管であり、かつ柱と梁が溶接により接合されており、かつ該接合がノンダイヤフラム形式にてなされているものであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の鋼構造物の補強方法。
9. 鋼構造物が、既存構造物であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の鋼構造物の補強方法。

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