JP2007113346A - 組紐状炭素繊維を使用したコンクリート構造物の剪断補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】施工後に中規模の地震等が発生した場合にも、コンクリートへのひび割れ等の導入の確認が容易であり、かつ剪断破壊に対して効果的な補強方法を提供する。
【解決手段】コンクリート構造物の表面上に、らせん状または縞状に、組紐状炭素繊維含有補強材料を所定間隔で巻き付けることを特徴とするコンクリート構造物の剪断補強方法が提供され、通常の紐状炭素繊維補強（図５Ｃ，Ｄ）と比較して、組紐状炭素繊維補強（図５Ｂ）では、大きな変位まで炭素繊維が破断することなく持ち堪えている。
【選択図】図５

Description

本発明は、コンクリート製の梁や柱、あるいは、橋脚、煙突等のコンクリート構造物の補強方法に関し、特に剪断破壊に対する補強方法に関する。

コンクリート製の梁や柱、あるいは、橋脚、煙突等の既設コンクリート構造物は、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、既設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。

既設構造物の場合、取り壊し、新たに建造すれば新耐震基準を満たした構造物も得られるが、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、耐震補強工事が実施される。

このような耐震補強工事として、鋼製のワイヤーを柱などのコンクリート構造物に巻き付ける方法が知られている。しかし、鋼製ワイヤーは重量が大きいために、施工性に劣り、また、錆の発生等、長期耐久性に問題があった。

一方、軽量で、長期耐久性を有するという観点から、強化繊維を用いた補強材料を使用した補強方法が知られている。強化繊維を用いた補強工事では、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、強化繊維シートを貼り付け、常温硬化性樹脂を含浸し、硬化させることで、補修・補強面に繊維強化樹脂（ＦＲＰ）板へ転化させ、当該表面へ固着させる。また、予め硬化させたＦＲＰ板を貼り付ける工法も知られている。

しかしながら、このような方法で施工した場合、施工後は強化繊維板でコンクリート表面が覆われてしまうため、例えば、中規模の地震が発生した場合に、コンクリートにひび割れ等が発生していないかどうかの診断が非常に困難である。また、繊維強化シートを巻き付ける場合、袖壁等の障害物があると施工が困難であり、袖壁等の考慮した成形品を用いる工法も知られてはいる（例えば、特許文献１（特開２００３−１２００４２号公報））が、特別に成形品を製造するために、高価となる。あるいは、袖壁以外の部分に強化繊維シートを貼り付け、袖壁部にアンカーを通してシートを固定する方法などが提案されている。

特許文献２（特開昭６２−２４４９７７号公報）及び特許文献３（特開昭６２−２４２０５８号公報）には、コンクリート製既存柱の耐震補強方法として、高強度長繊維ストランドをスパイラル状に捲回する工法が示されている。また、特許文献４（特開２０００−７３５８６号公報）には、ＦＲＰ補強テープを用いて袖壁等の障害物があっても補強テープを捲き回す部分の袖壁に開口を設けて捲き回す方法が開示されている。また、特許文献５（特開２００２−１１５４０３号公報）には、同様に壁付きコンクリート柱を補強するにあたり、壁に柱の長手方向に間隔をあけて複数の貫通孔を形成し、該各貫通孔を通して柱の外周に強化繊維ストランドの束を巻き付けることが提案されている。このような、ストランドやテープ等を用いて補強すれば施工後の確認も可能である。

しかし、いずれも強化繊維として炭素繊維を用いているが、炭素繊維は、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、破断歪みが１．５％程度であることから、強度の向上と靱性の改善は図れるが、地震等の高速荷重が作用すると広い領域で一度に強化繊維が破断してしまうという問題がある。

破断歪みを解消するために、特許文献６（特開２０００−１９２６７１号公報）には、ガラス繊維を強化繊維として用いた補強部材を使用する方法が提案されており、特開２００１−３２９０７１には、炭素繊維と炭素繊維よりも伸び率が大きい繊維とを複合した補修用ＦＲＰが提案されている。しかし、これらはいずれもシート状の補強材を提供するものでしかない。又、ガラス繊維は水との接触によりアルカリ性を呈することから、コンクリートとの相性が悪いという問題もある。さらに、アラミド繊維などの伸びのある有機系強化繊維は、破断ひずみが大きいものの、吸湿性があり膨潤するので、雨がかかったり、湿度の高い環境下では、長期耐久性において問題がある。
特開２００３−１２００４２号公報 特開昭６２−２４４９７７号公報 特開昭６２−２４２０５８号公報 特開２０００−７３５８６号公報 特開２００２−１１５４０３号公報 特開２０００−１９２６７１号公報

本発明の目的は、施工後に中規模の地震等が発生した場合にも、コンクリートへのひび割れ等の導入の確認が容易であり、かつ剪断破壊に対して効果的な補強方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、袖壁等の障害物がある柱等のコンクリート構造物であっても、簡易に施工できる補強方法を提供することにある。

上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、本発明者らは、強化繊維として耐環境性に優れ、長期に安定な炭素繊維を用い、これを組紐状に構成することで、炭素繊維をそのまま使用するよりも破断伸度が格段に向上し、又、所定間隔をあけて巻き付けることにより、ひび割れ等の導入の確認が容易となる、剪断破壊に対して効果的な補強方法が提供できることを見いだした。

すなわち、本発明は、コンクリート構造物の表面上に、らせん状または縞状に、組紐状炭素繊維含有補強材料を所定間隔で巻き付けることを特徴とするコンクリート構造物の剪断補強方法に関する。

本発明によれば、炭素繊維を組紐状にして用いることにより、破断伸度が格段に向上し、より大きな変形まで補強部材が持ち堪えることができるため、コンクリート構造物の剪断破壊を効果的に防止することができる。

＜組紐状炭素繊維含有補強材料＞
「組紐」とは、基本的に経糸のみで構成されるもので、経糸、緯糸から構成されている「織物」、ループの連続から構成されている「編物」とは異なる。

「ストランド」は、一般的は、溶融ノズルから引き出した長繊維フィラメントを収束させた束であり、また、ヤーンを２本以上撚り合わせたものをいうこともある。さらに、「ロープ」あるいは「紐」はこのストランドを撚り合わせたものであるが、組紐とは異なる。

本発明で使用する組紐（「打ち紐」とも呼ばれる）とは、機械製造されるもので、大きく分けて８打（ヤツウチ）、１６打（ジュウロクウチ）、金剛打（コンゴウウチ）、その他多数打ち紐に分類される。又、扁平な形状に組む平打ちと、丸く組む丸打ちとがある。図１に、丸打ちにした組紐側面の概略図を示す。

使用する強化繊維は、炭素繊維を使用するが、ガラス繊維、アラミド繊維、その他有機繊維等を問題のない範囲で混合して使用することができ、その用途に応じて適宜選択することができる。使用する炭素繊維としては、例えば、ＪＩＳ Ｋ ７０７３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。

さらに本発明では、このように組んだ組紐に熱硬化性樹脂を含浸して組紐状強化複合材料とする。含浸する樹脂は、常温硬化型あるいは熱硬化型のエポキシ樹脂、ポリエステル系樹脂などの熱硬化性樹脂、メチルメタクリレート等のラジカル反応系樹脂などが使用できる。特に、常温硬化型のエポキシ系樹脂を用いるのが好ましく、例えば、コニシ（株）製の商品名「ボンドＥ２５００」シリーズなどが使用できる。

＜補強方法＞
本発明では、組紐状補強材料を柱などのコンクリート構造物の周囲に所定の間隔で巻き付けて補強を行う。その際、下地の確認が容易な範囲で、十分な剪断補強効果が得られる間隔とすればよい。又、巻き方によっても効果が異なるため、一概に限定できないが、組紐状炭素繊含有補強材料の幅（Ｗ）と隣接する組紐状炭素繊含有補強材料の間隔（Ｌ）の比Ｗ／Ｌが０．０５以上０．３以下とするのが好ましい。比Ｗ／Ｌが０．０５未満では、間隔が広すぎ、補強材料の曲げ破壊よりも剪断破壊が先行し、十分な剪断補強効果が得られない場合がある。比Ｗ／Ｌが０．３以下で十分な補強効果が得られるため、それ以上密に巻くことはコスト高となる。又、柱の曲げ応力は、柱の中間部ほど大きくなるため、中間部を密に、柱の固定端側では粗に巻くこともできる。

袖壁付きの柱などの場合は、従来例と同様、図２に示されるように、袖壁２中の補強筋を避けて柱１との境界部に貫通孔３を形成し、この貫通孔３を通して、組紐状補強部材４を柱１に巻き付け、所定の方法により定着する。図２では、金属パイプ５を用いて定着した例を示している。又、柱等の断面が矩形の場合、角部に面取り処理を施し、Ｒ形状を形成しておくことが好ましい。あるいは、柱の平面部に半円状の部材を取付、矩形の柱を円柱状に見立て、その上から補強部材を巻き付ける方法でも良い。さらに、表面の美観を保持するために、補強部材を巻き付けた表面に仕上げ用モルタルを塗ったり、塗料などを吹き付けたりして仕上げを行うことができる。又、巻き付け部の柱に浅い溝を穿設し、該溝に補強部材を埋め込むように巻回した後モルタル等で埋め込むことで、柱の外観形状を保持したままで補強することもできる。袖壁に穿設した貫通孔もモルタル等で埋め戻しておけばよい。

又、補強部位には補強部材とコンクリートとの接着性を向上するため、プライマー処理を施すことは好ましい態様である。プライマーとしては、補強部材への含浸樹脂と同様に、常温硬化型あるいは熱硬化型のエポキシ樹脂、ポリエステル系樹脂などの熱硬化型接着剤などが好ましく使用できる。例えば、コニシ（株）製商品名「ボンドＥ８００」シリーズなどのプライマーが好ましい。

補強効果を確認するために、以下の試験方法により評価を行った。
＜試験体＞
試験体は図３に示すように、２４０ｍｍ×１７０ｍｍ×２１００ｍｍのＲＣ梁を使用した。試験体の作成には、木製型枠を使用し、コンクリート打設後７日間で脱型した後、屋内で養生を行った。この試験体のコーナー部はＲ＝４０ｍｍの面取りを行ったのち、炭素繊維による補強を行った。

＜補強部材＞
使用した炭素繊維は、東レ製商品名「トレカＴ700Ｓ-12Ｋ」（引張強度＝4900MPa、引張弾性率＝230GPa、TEX=800g/km）を使用し、組紐には、５本７束で組み上げ、幅15mm、重量30g/mとした。又、同じ炭素繊維を用いて、幅30mm、重量10g/mの直線状の紐を作製した。

このように作製した組紐及び紐に、エポキシ系樹脂（コニシ（株）製商品名「ボンドE2500」）を含浸し、補強部材を作製した。各作製された補強部材の物性を下記表１に示す。

上記表１に示すように、組紐とすることで、引張強度、引張弾性率は若干低下するものの、破断歪みが格段に向上していることが分かる。

＜載荷試験＞
試験体の補強区間全面にプライマー（コニシ（株）製商品名「ボンドE810L」）を塗布し、螺旋状（スパイラル巻）または縞状（フープ巻）に補強部材を巻き付けた。スパイラル巻については、端部において、２周巻き付けることにより定着を行い、フープ捲については、ＣＦ組紐はアルミパイプ中にＣＦ組紐を通し、樹脂で固定する方法、ＣＦ紐については重ね継ぎ手で固定する方法で定着した。載荷試験は、ＣＦ組紐、ＣＦ紐を施工後、室温で７日間養生した後に実施した。巻き付けの態様について、図４に示す。又、各組合せについて表２に示す。

計測は、載荷荷重をロードセルで、試験体の変位を変位計で、ひずみをひずみゲージでそれぞれ測定した。変位測定位置を図４（ａ）に、各試験体のひずみ測定におけるひずみゲージ設置位置を図４（ｂ）〜（ｃ）に示す。計測は試験体が破壊に至るまで荷重を付与して実施した。破壊時の挙動について、表３に示す。又、変位と荷重との関係について、図５に組紐フープ巻（図５Ｂ）と、紐フープ巻（図５Ｃ）、紐スパイラル巻（図５Ｄ）の場合を示す。

図５から明らかなとおり、何れの試験体においても、未補強の試験体において剪断ひび割れの発生が見られた約８０ｋＮ付近から炭素繊維のひずみが発生している。炭素繊維を組紐状で使用することにより、大きな変位まで炭素繊維が破断することなく持ち堪えていることが確認された。

組紐状炭素繊維補強部材の概略側面図を示す。 袖壁付き柱の補強方法を説明する断面図を示す。 実施例で使用した試験体（コンクリート柱）を説明する図である。 載荷試験及び補強部材の巻き付け方法を説明する図である。 通常の紐と、組紐との効果の差異を説明する図である。

符号の説明

１ コンクリート柱
２ 袖壁
３ 貫通孔
４ 補強部材
５ 連結用金属パイプ

Claims (3)

1. コンクリート構造物の表面上に、らせん状または縞状に、組紐状炭素繊維含有補強材料を所定間隔で巻き付けることを特徴とするコンクリート構造物の剪断補強方法。
2. 前記組紐状炭素繊含有補強材料の幅（Ｗ）と隣接する組紐状炭素繊含有補強材料の間隔（Ｌ）の比Ｗ／Ｌが０．０５以上０．３以下であることを特徴とする請求項１記載のコンクリート構造物の剪断補強方法。
3. 前記コンクリート構造物が袖壁付きの柱状構造物であり、補強すべき柱状構造物と隣接する袖壁に貫通孔を形成し、該貫通孔に補強材料を通して補強することを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート構造物の剪断補強方法。