JP2008151329A - Ｆｒｐ構造物の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＦＲＰ構造物に過大な荷重を掛けない構成とすることによって、輸送車両に搭載されるＦＲＰ大型構造物や、産業用に用いられるＦＲＰ回転体構造物、遊戯施設などに用いられるＦＲＰ構造物の接合強度や信頼性を確保可能な接合構造を提供するものである。
【解決手段】本発明は、金属部材を介するＦＲＰ構造物と金属構造物との接合構造において、前記金属部材が、ねじ固定用の孔を設けられた固定金具と、ボルト固定用の孔を設けられた取付け座とを有し、前記金属部材の固定金具が、そのねじ固定用の孔を貫通し、前記ＦＲＰ構造物の内部に埋め込まれたヘリサートねじと螺合するねじによって前記ＦＲＰ構造物に固定され、前記金属部材の取付け座が、そのボルト固定用の孔を貫通し、前記金属構造物の内部に達するボルトによって前記金属構造物に固定された接合構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（以下、「ＦＲＰ」と言う）構造物と金属構造物の接合方法に関する。

ＦＲＰ構造物と金属構造物、あるいは、ＦＲＰ構造物同士の接合方法としては、これらの両者を直接ボルトで締結する方法、ＦＲＰ構造物に金属板を当てその上からボルトで締結する方法（特許文献１）、あるいはＦＲＰ構造物の中に金属材からなる接合部材を埋設して、この接合部材を介してボルトで締結する方法（特許文献２）などが知られている。
特開平６−２６１０９号公報 特開２０００−３３６７７７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、締結される金属構造物とＦＲＰ構造物の間に、ＦＲＰが介在するため、ＦＲＰ構造物と金属構造物の間に僅かな隙間があったり、何れかの構造物が変形していたりすると、弾性率の低いＦＲＰ構造物に応力が集中し、ＦＲＰ構造物に亀裂が発生するなどの問題があった。また、変形などが無くてもＦＲＰを介して金属構造物と締結すると、ＦＲＰはクリープを起こし、ボルトが緩み定期的な増し締めが必要となり、特に、大型ＦＲＰ構造物や動的荷重の加わる輸送車両構造物、回転ＦＲＰ構造物等においては、メンテナンス上の課題となっている。

また、特許文献２の方法では、接合強度や信頼性を確保するために、金属材からなる接合部材を、接合する方向に対して、ＦＲＰ構造物の内部に深く埋設する必要がある。このため、接合しようとするＦＲＰ構造物と金属構造物の形状や接合の方向等によっては、接合部材を十分に深く埋設することができず、その結果、接合強度や信頼性を確保することができない問題があった。

このような問題のある例として、図４に示すように、車両の屋根である金属構造物２に、パンタグラフカバーであるＦＲＰ構造物１を接合する場合が挙げられる。この場合、車両の屋根とパンタグラフカバーの接合方向は図の上下方向となるが、パンタグラフカバーの接合箇所は板状であり、上下方向に十分な厚みのある形状ではない。このため、接合方向である上下方向に対して、接合部材をＦＲＰ構造物１の内部に深く埋設することができず、特許文献２の方法では、接合強度や信頼性を確保することができない。

一方、図４に示すように、パンタグラフカバーであるＦＲＰ構造物１の内側に金属板１４を当て、このＦＲＰ構造物１をボルト１１やねじ１３で締め付けることによって、車両の屋根である金属構造物２に接合した場合、上述したように、弾性率の低いＦＲＰ構造物１に応力が集中し、亀裂やクリープが生じる問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、ＦＲＰ構造物に過大な荷重を掛けない構成とすることによって、輸送車両に搭載されるＦＲＰ大型構造物や、産業用に用いられるＦＲＰ回転体構造物、遊戯施設などに用いられるＦＲＰ構造物の接合強度や信頼性を確保可能な接合構造を提供するものである。

本発明は、以下に関するものである。
（１） 金属部材を介するＦＲＰ構造物と金属構造物との接合構造において、前記金属部材が、ねじ固定用の孔を設けられた固定金具と、ボルト固定用の孔を設けられた取付け座とを有し、前記金属部材の固定金具が、そのねじ固定用の孔を貫通し、前記ＦＲＰ構造物の内部に埋め込まれたヘリサートねじと螺合するねじによって前記ＦＲＰ構造物に固定され、前記金属部材の取付け座が、そのボルト固定用の孔を貫通し、前記金属構造物の内部に達するボルトによって前記金属構造物に固定された接合構造。
（２） （１）において、金属部材の固定金具が、そのねじ固定用の孔を貫通し、前記ＦＲＰ構造物の内部に埋め込まれたヘリサートねじと螺合するねじによってＦＲＰ構造物に固定されるとともに、ＦＲＰ製のオーバレイによって被覆されることによって前記ＦＲＰ構造物に埋め込まれた接続構造。
（３） （１）または（２）において、金属部材の取付け座が、固定金具が固定されたＦＲＰ構造物の他の部分よりも突出しており、この突出した取付け座が金属構造物に接触した状態で接合されることにより、ＦＲＰ構造物の他の部分が金属構造物に接触しない接合構造。
（４） （１）から（３）の何れかにおいて、ＦＲＰ構造物に固定された金属部材の固定金具の面積が、取付け座のボルト固定用の孔を貫通し金属構造物の内部に達するボルトの断面積の３０〜５０倍である接合構造。
（５） （２）から（４）の何れかにおいて、ＦＲＰ製のオーバレイを行なう領域は、少なくとも固定金具の一部を含み、この固定金具の端部から外側へ略５０ｍｍ以上大きい領域までであり、オーバレイの厚さはＦＲＰ構造物の本体と同等である接合構造。

本発明によれば、ＦＲＰ構造物に過大な荷重を掛けない構成とすることによって、輸送車両に搭載されるＦＲＰ大型構造物や、産業用に用いられるＦＲＰ回転体構造物、遊戯施設などに用いられるＦＲＰ構造物の接合強度や信頼性を確保可能な接合構造を提供することができる。

本発明で使用されるＦＲＰ構造物は、内外装材や建築用などの構造物としての用途に使用できるものであればよく、大型ＦＲＰ構造物や動的荷重の加わる輸送車両構造物、回転ＦＲＰ構造物等に使用されるものが挙げられる。また、例えば、図１に示すように、車両の屋根である金属構造物２に設置されるパンタグラフカバー等のＦＲＰ構造物１が挙げられる。

ＦＲＰとしては、例えば、一般的なＦＲＰである、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維などに、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、または、ポリプロピレン、ナイロン、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂を含浸させたものを、ハンドレイアップ、プレス成型、トランスファー成型、射出成型などの成型方法によって成型したものが使用できる。また、鋼板やアルミニウム板等の金属板をＦＲＰに埋め込んだり、金属板とＦＲＰを張り合わせたりした複合材としてのＦＲＰ成型品も使用できる。

本発明で使用される金属構造物は、ＦＲＰ構造物とともに構造物を構成するものであり、建築物や車両、遊戯施設などで使用されるものが挙げられる。例えば、図１に示すように、パンタグラフカバーであるＦＲＰ構造物１を取付ける車両の屋根等の金属構造物２が挙げられる。この金属構造物２の材料としては、鉄やアルミニウム、チタン等をプレス成型したり、組み立てたりして得られる構造物が使用できる。

図２および図３に示すように、本発明で使用される金属部材３は、これをねじ１３やボルト１１等によって、ＦＲＰ構造物１、および、金属構造物２の両者に固定することによって、ＦＲＰ構造物１と金属構造物２とを接合するものである。つまり、ねじ１３やボルト１１等のように、それ自体が固定や接合の機能を有するものではなく、ねじ１３やボルト１１等によって、ＦＲＰ構造物１および金属構造物２の両者に固定されることにより、結果的にＦＲＰ構造物１と金属構造物２とを接合する機能を有するものである。この金属部材３として、例えば、鉄やアルミニウム、チタン製の金属板等をプレス成型等によって、成型したものが使用できる。

ＦＲＰ構造物１と金属構造物２との接合は、この金属部材３を介して行なわれる。つまり、ＦＲＰ構造物１と金属構造物２とは、直接接着剤等で接着されたり、直接ねじ１３やボルト１１で固定されるのではなく、ＦＲＰ構造物１が金属部材３に固定された上で、この金属部材３を金属構造物２に固定することで行なわれる。これにより、ＦＲＰ構造物１と金属構造物２との接合は、取り扱い上も一般的に経験のある金属同士を直接固定する接合となるため、輸送車両や回転体のように振動、風圧など大きな外力が加わる構造物のように、接続部分の信頼性確保の観点から、接続部分の強度確保、固定ボルトの緩み、長期的に安定した接続形態が要求されるものの接合に適用することが可能となる。

金属部材３は、ＦＲＰ構造物１、および、金属構造物２の両者にそれぞれ固定される構成を有するものであればよく、例えば、図２および図３に示すように、ねじ固定用の孔７を設けられた固定金具６と、ボルト固定用の孔５を設けられた取付け座４とを有するものが挙げられる。固定金具６は、取付け座４の周囲に設けられ、取付け座４よりも肉厚が薄く大きな金属板を有する。固定金具６と取付け座４とは一体成型または溶接等により、一体化したものであるのが、接合強度や信頼性を確保する上で望ましい。

金属部材３に設けられた固定金具６は、金属部材３をＦＲＰ構造物１に固定するために用いるものである。図１に示すように、固定金具６には、ねじ固定用の孔７が設けられ、固定金具６は、このねじ固定用の孔７を貫通し、ＦＲＰ構造物１の肉盛部１０に埋め込まれたヘリサートねじ１２と螺合するねじ１３によって、ＦＲＰ構造物１に固定される。

ここで、ヘリサートねじ１２は、ＦＲＰや樹脂成型物等の比較的軟質な材料に埋め込んで、雌ねじを形成するものであり、金属製のヘリサートねじ１２を使用することで、ＦＲＰや樹脂成型物等の内部に、金属製の強固な雌ねじを形成することができる。これにより、ねじ１３を締め付けることによって、固定金具６とＦＲＰ構造物１との接合が、金属同士の接合によって構成できる。このため、ねじ１３を締め付ける際の過大な応力はＦＲＰ構造物１に直接加わらないため、ＦＲＰ構造物１に亀裂が入ったり、クリープを起こしてねじの緩みが生じるのを抑制できる。

図１に示すように、固定金具６は、ねじ固定用の孔７からＦＲＰ構造物１の内部に貫通させたねじ１３とともに、オーバレイ９によって被覆されることによってＦＲＰ構造部１に埋め込まれる。オーバレイ９の材料としては、ＦＲＰ構造物１との接着強度や信頼性の観点から、同様の材質のＦＲＰ材料を使用する。なお、オーバレイ９が無くても接着強度や信頼性が十分確保可能な場合は、オーバレイ９を省略してもよい。

固定金具６をＦＲＰ構造物１に固定するために使用するねじ１３は、上述したヘリサートねじ１２に螺合するものであればよく、通常のねじやボルト等を用いることができる。つまり、オーバレイ９を行なう場合は、固定金具６のＦＲＰ構造物１への固定は、ヘリサートねじ１２に螺合するねじ１３とオーバレイ９との併用、または、ヘリサートねじ１２に螺合するボルトとオーバレイ９との併用となる。オーバレイ９を行わない場合は、固定金具６のＦＲＰ構造物１への固定は、ヘリサートねじ１２に螺合するねじ１３、または、ボルト等のみとなる。

また、ねじ１３が無くても接着強度や信頼性が十分確保可能な場合は、固定金具６のねじ固定用の孔７、および、ＦＲＰ構造物１に埋め込んだヘリサートねじ１２に螺合するねじ１３による固定は不要である。この場合は、オーバレイ９のみによって、固定金具６をＦＲＰ構造物１に固定する。

金属部材３の固定金具６の形状は、厚さに対して面積が大きい板状であればよく、円形、楕円形、三角形、四角形、多角形、等が使用できるが、固定金具６の製作、取り付け方法などの容易さの観点から、四角形が好ましい。

金属部材３の固定金具６の表面形状は、凹凸や孔を形成するようにすることで、オーバレイ９を形成したＦＲＰの樹脂がこの凹凸や孔に入り込み、固定金具６とオーバレイ９を形成したＦＲＰとの接着強度が向上し、剥離し難くなる点で望ましい。

金属部材３に設けられた取付け座４は、金属部材３を金属構造物２に固定するために用いるものである。図２および図３に示すように、取付け座４には、ボルト固定用の孔５が設けられ、固定金具６は、取付け座４のボルト固定用の孔５を貫通し、金属構造物２の内部に達するボルト１１によって、金属構造物２に固定される。

図１に示すように、金属部材３の取付け座４が、固定金具６が埋め込まれたＦＲＰ構造物１の他の部分よりも、図１の下方側に突出しており、この突出した取付け座４が金属構造物２に接触した状態で接合されることにより、ＦＲＰ構造物１の他の部分が金属構造物２に接触しない接合構造とする。つまり、金属部材３の取付け座４が突出しており、この突出した部分が金属構造物２の表面に当接しており、それ以外の部分であるオーバレイ９で覆われた固定金具６やＦＲＰ構造物１は、金属構造物２に接触しない接合構造とする。

これにより、取付け座４に設けられたボルト固定用の孔５を貫通し、金属構造物２の内部に達するボルト１１を締め付けることによって、ＦＲＰ構造物１と金属構造物２とを接合した場合でも、ボルト１１を締め付ける力は、金属材料である取付け座４と金属構造物２にかかるだけであり、直接ＦＲＰ構造物１に加わることはないため、締め付けによる過大な圧縮力によってＦＲＰ構造物１がクリープを起こし、ボルト１１が緩むのを抑制することができる。そして、ＦＲＰ構造物１に埋め込まれた取付け座４を有するＦＲＰ構造物１は、金属構造物２と接合されて、鉄道車両や自動車、船舶機械部品の回転体などの大型構造物として使用することが可能となる。

金属部材３の取付け座４の突出量は、ＦＲＰ構造物１と金属構造物２とが接触しない突出量であればよく、０．２〜１．０ｍｍが好ましい。この突出量が、０．１ｍｍ以下の場合は、ＦＲＰ構造物１の自重により撓み等により、ＦＲＰ構造物１と金属構造物２とが直接接触して、ボルト１１で締め付けた際、ＦＲＰ構造物１に過大な圧縮力が加わることがある。また、０ｍｍ以下、つまり取付け座４がＦＲＰ構造物１の他の部分と面一で突出していない場合は、ボルト１１で締め付けられた過大な圧縮力によりＦＲＰ構造物１がクリープを起こし、ボルト１１が緩む傾向がある。

オーバレイ９によって埋め込まれる固定金具６の面積は、取付け座４のボルト固定用の孔５を貫通し、金属構造物２の内部に達するボルト１１の断面積の３０倍〜５０倍程度が好ましい。この面積が略３０倍未満では、固定金具６とＦＲＰ構造物１との接続強さがＦＲＰ構造物１自体よりも低くなるために、固定金具６の周辺のＦＲＰ構造物１に集中応力が発生する傾向がある。さらに、略２０倍を下回ると、この応力集中が顕著になり、ＦＲＰ構造物１に埋め込まれた固定金具６の周辺に亀裂が発生する場合がある。

ＦＲＰ製のオーバレイ９を形成する領域は、固定金具６の上部、および、固定金具６の端部から外側へ略５０ｍｍ以上大きい領域までであり、オーバレイ９の厚さは、ＦＲＰ構造物１の本体８と同等とする。これにより、固定金具６をオーバレイ９で被覆した箇所に応力が集中し、この部分でＦＲＰ構造物１が剥離したりするのを抑制でき、接続強度と信頼性を確保する上で望ましい。

ＦＲＰ製のオーバレイ９を形成した後、２０〜４０℃で、６〜８時間放置することにより、ＦＲＰ製のオーバレイ９を硬化させるのが望ましい。放置の際の温度が１０℃以下では、硬化が遅れ十分な強さが得られない傾向がある。また、４０℃以上では、樹脂の硬化時間が早く作業途中で発熱などして、十分な強さが得られない傾向がある。

本発明に係るＦＲＰ構造物と金属構造物の接続構造の実施例を、以下に示す。

図２および図３に示すように、ＦＲＰ構造物１と金属構造物２を接合するための金属部材３は、取付け座４の周囲に、取付け座４の部分よりも肉厚が薄く面積の大きな四角形の金属板を固定金具６として溶接により取付けた。この固定金具６には、ＦＲＰ構造物１との固定を行なうためのねじ固定用の孔７を設けた。

図２および図３に示すように、金属部材３の取付け座４は、円柱状とし、この円柱の高さ方向、即ち厚さ方向に貫通するように、金属構造物２との固定を行なうためのボルト固定用の孔５を設けた。

図１に示すように、金属部材３の固定金具６を、このねじ固定用の孔７を貫通し、ＦＲＰ構造物１の肉盛部１０に埋め込まれたヘリサートねじ１２に螺合するねじ１３によって、ＦＲＰ構造物１に固定した。さらに、固定金具６の上に、ＦＲＰ構造物１と同様の材質であるＦＲＰを用いてオーバレイ９を形成して、固定金具６をＦＲＰ構造物１に埋め込んだ後、２０〜４０℃で、６〜８時間放置することにより、ＦＲＰ製のオーバレイ９を硬化させた。

オーバレイ９を形成した領域は、固定金具６の上部、および、固定金具６の端部から外側へ略５０ｍｍまでの範囲とした。また、このオーバレイ９によって埋め込まれる固定金具６の面積は、取付け座４のボルト１１の断面積の４０倍程度とした。

図１に示すように、金属部材３の取付け座４が、固定金具６が埋め込まれたＦＲＰ構造物１の他の部分よりも、図１の下方側に略０．５ｍｍ突出するようにした。

図１に示すように、金属構造物２にボルト固定用の孔５を設けてこの孔の内壁にねじ溝を形成しておき、金属部材３の取付け座４のボルト固定用の孔５の位置を、金属構造物２のボルト固定用の孔５の位置に合せた後、取付け座４のボルト固定用の孔５を貫通し、金属構造物２の内部に達するようにボルト１１を締め付けることによって、取付け座４と金属構造物２とを固定した。

図１に示すように、このとき、ＦＲＰ構造物１の他の部分よりも突出した取付け座４だけが金属構造物２に接触した状態で接合され、ＦＲＰ構造物１の他の部分が金属構造物２に接触しない接合構造となった。そして、ボルト１１の締め付けによって、ＦＲＰ構造物１が変形したり、亀裂が入ったりすることはなく、また、放置してもボルト１１の緩みは生じなかった。

本発明の実施例であるＦＲＰ構造物と金属構造物の接合構造を示す断面図である。 本発明の実施例に使用する金属部材の平面図である。 本発明の実施例に使用する金属部材の断面図である。 従来のＦＲＰ構造物と金属構造物の接合構造を示す断面図である。

符号の説明

１…ＦＲＰ構造物、２…金属構造物、３…金属部材、４…取付け座、５…ボルト固定用孔、６…固定金具、７…ねじ固定用孔、８…ＦＲＰ本体、９…オーバレイ、１０…肉盛部、１１…ボルト、１２…ヘリサートねじ、１３…ねじ、１４…金属板、１５…ナット

Claims (5)

1. 金属部材を介するＦＲＰ構造物と金属構造物との接合構造において、
   前記金属部材が、ねじ固定用の孔を設けられた固定金具と、ボルト固定用の孔を設けられた取付け座とを有し、
   前記金属部材の固定金具が、そのねじ固定用の孔を貫通し、前記ＦＲＰ構造物の内部に埋め込まれたヘリサートねじと螺合するねじによって前記ＦＲＰ構造物に固定され、
   前記金属部材の取付け座が、そのボルト固定用の孔を貫通し、前記金属構造物の内部に達するボルトによって前記金属構造物に固定された接合構造。
2. 請求項１において、
   金属部材の固定金具が、そのねじ固定用の孔を貫通し、前記ＦＲＰ構造物の内部に埋め込まれたヘリサートねじと螺合するねじによってＦＲＰ構造物に固定されるとともに、ＦＲＰ製のオーバレイによって被覆されることによって前記ＦＲＰ構造物に埋め込まれた接続構造。
3. 請求項１または請求項２において、
   金属部材の取付け座が、固定金具が固定されたＦＲＰ構造物の他の部分よりも突出しており、この突出した取付け座が金属構造物に接触した状態で接合されることにより、ＦＲＰ構造物の他の部分が金属構造物に接触しない接合構造。
4. 請求項１から請求項３の何れかにおいて、
   ＦＲＰ構造物に固定された金属部材の固定金具の面積が、取付け座のボルト固定用の孔を貫通し金属構造物の内部に達するボルトの断面積の３０〜５０倍である接合構造。
5. 請求項２から請求項４の何れかにおいて、
   ＦＲＰ製のオーバレイを行なう領域は、少なくとも固定金具の一部を含み、この固定金具の端部から外側へ略５０ｍｍ以上大きい領域までであり、オーバレイの厚さはＦＲＰ構造物の本体と同等である接合構造。

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