JP2010031612A - 鋼構造物の補強構造および鋼構造物の補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＦＲＰ帯板を鋼構造物に接着剤を使用して貼付けて補強する際、ＣＦＲＰ帯板の層内破壊が生じることや、接着剤と該ＣＦＲＰ帯板の界面で破壊することなく、ＣＦＲＰ帯板を補強体として使用することを可能にする鋼構造物の補強構造と補強方法の提供。
【解決手段】鋼構造物の平面部にＣＦＲＰ帯板を接着剤層を介して接合した鋼構造物の補強構造であり、ＣＦＲＰ帯板の接合面がＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７〜５．０μｍである表面粗さを有する鋼構造物の補強構造、又、鋼構造物の平面部にＣＦＲＰ帯板を接着剤層を介して接合して鋼構造物を補強するに際し、ＣＦＲＰ帯板として該帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７〜５．０μｍである表面粗さのものを使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼構造物の補強構造および鋼構造物の補強方法に関し、さらに詳しくは、既に構造体として築造された既存鋼構造物である鋼製の柱、梁や小梁、山形鋼ブレース材、トラス材あるいは鉄塔の主材や斜材等の断面不足に伴う剛性不足や耐力の不足を補うため、その鋼材の表面にＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）帯板を、接着剤を用いて接着接合させて補強する工法に関し、特に補強性能を高める方法に関するものである。

ＣＦＲＰ帯板による鋼構造物への接着補強では、ＣＦＲＰ帯板の接着性能を最大限に引き出すことが重要な課題である。

しかし、この課題を解決するための検討にあたって、以下のような問題が明らかになった。

（１）コンクリート構造物の補強のための接着用として製品化され、特に接着時の強度を高めるために、工場での製造時に機械的に帯板表面に目粗し処理を施したＣＦＲＰ帯板は、補強対象が鋼構造物である場合には、その目粗し処理がかえって悪影響を及ぼし、早期にＣＦＲＰ帯板の層内破壊を生じること、
（２）目粗し処理工程を全く通さずに、表面加工を何も施さないＣＦＲＰ帯板は、該ＣＦＲＰ帯板の十分な強度を発揮する前に、接着剤とＣＦＲＰ帯板の界面で破壊すること、
という２つの問題があった。

既存の鋼構造物に対して補強する技術として、本発明者らは、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提案した（特許文献１）。

しかし、この特許文献１記載の発明は、繊維シートを鋼材の柱などに巻き付けるものであり、鋼構造物に対してＦＲＰ帯板を貼り付けることにより補強をするというものではなかった。特に、既存の鋼構造物に対して該鋼構造物の構造などを破壊・解体することなく、手段自体は簡易な方法で補強するという点では、柱などの構造体に対しその全周を強化繊維で巻くという手法は、実行面では困難なケースもありまた作業性が良くないときなどには常に良い結果が得られるというものではなかった。

また、鋼構造物中の圧縮力または圧縮力と曲げモーメントが同時にかかる鋼材の表面に、補強用ＦＲＰ板を接着剤を用いて貼り付けて補強するという鋼構造物中の鋼材の補強方法について提案をした（特許文献２）。

しかし、この提案にかかるものは、その使用されたＦＲＰ板による補強効果が十分高いレベルで達成できていないと解さざるを得ない場合が度々生じ、いまだ改善の余地があると考えられるものであった。

特に、コンクリート構造体の補強用として従来から提案されてかつ用いられているＣＦＲＰなどのＦＲＰ帯板の提案がある（特許文献３）。しかし、そのようなコンクリート構造体の補強用として用いられているＣＦＲＰ帯板を鋼構造物の補強用として使用しても、コンクリート構造物に対して得られていた補強効果と同様のレベルでの効果は得られないと判断せざるを得ないものだった。

特開２００６−７０６６８号公報 特開２００６−１６１４６３号公報 特開２０００−３１８０７１号公報

本発明の目的は、上述したような点に鑑み、特に、ＣＦＲＰ帯板を用いて、それを鋼構造物に貼り付けて補強をする際に、ＣＦＲＰ帯板の層内破壊が生じることなく、また、接着剤を使用して貼付ける場合にその接着剤とＣＦＲＰ帯板の界面で破壊することがなく、極めて高い補強効果を得つつ使用することを可能にする鋼構造物の補強構造と鋼構造物の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構造は、以下の（１）の構成からなる。

（１）鋼構造物の平面部にＣＦＲＰ帯板を接着剤層を介して接合した鋼構造物の補強構造であり、該ＣＦＲＰ帯板の接合面が、該ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものであることを特徴とする鋼構造物の補強構造。

また、かかる本発明の鋼構造物の補強構造において、より具体的に好ましくは、以下の（２）〜（７）のいずれかの構成からなる。

（２）前記ＣＦＲＰ帯板が、厚さ１〜５ｍｍ、幅２０〜２００ｍｍであることを特徴とする上記（１）記載の鋼構造物の補強構造。

（３）前記ＣＦＲＰ帯板が、ヤング係数１５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ 、引張強度１０００〜３０００Ｎ／ｍｍ^２ 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構造。

（４）前記ＣＦＲＰ帯板の複数枚が接着剤層を介して積層され、該積層されたＣＦＲＰ帯板が前記鋼構造物の平面部に接合されていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。

（５）前記積層されたＣＦＲＰ帯板の複数枚が、ヤング係数が相違するものを含んでいることを特徴とする上記（４）記載の鋼構造物の補強構造。

（６）前記相違するヤング係数をもつＣＦＲＰ帯板のうち、小さい方のヤング係数が１５０〜２５０ｋＮ／ｍｍ^２ 、大きい方のヤング係数が２５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ であることを特徴とする上記（５）記載の鋼構造物の補強構造。

（７）前記ヤング係数が小さいＣＦＲＰ帯板が、ヤング係数の大きいＣＦＲＰ帯板よりも、鋼構造物側に使用されていることを特徴とする上記（５）または（６）記載の鋼構造物の補強構造。

また、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（８）の構成からなる。

（８）鋼構造物の平面部にＣＦＲＰ帯板を接着剤層を介して接合して鋼構造物を補強するに際して、前記ＣＦＲＰ帯板として、該ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものを使用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、より具体的に好ましくは、以下の（９）〜（１４）のいずれかの構成からなる。

（９）前記ＣＦＲＰ帯板として、引抜き成型法で製造された後、その片面に幅方向中心線平均粗さを０．７０〜５．０μｍとする目粗し処理を施し、該目粗し処理面を接合面にして使用することを特徴とする上記（８）記載の鋼構造物の補強方法。

（１０）外力付与によって折れ曲がろうとする鋼材の引張り力受け側と、外力付与によって圧縮しようとする鋼材の圧縮力受け側の、それぞれの鋼構造物の平面部に前記ＣＦＲＰ帯板を接合することを特徴とする上記（８）または（９）記載の鋼構造物の補強方法。

（１１）前記ＣＦＲＰ帯板として、複数枚のＣＦＲＰ帯板が接着剤層を介して積層されたものであり、該ＣＦＲＰ帯板の鋼構造物と接合される面が、該ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものを使用することを特徴とする上記（８）〜（１０）のうちいずれかに記載の鋼構造物の補強方法。

（１２）前記積層されたＣＦＲＰ帯板の複数枚が、ヤング係数が相違するものを含んでいることを特徴とする上記（１１）記載の鋼構造物の補強方法。

（１３）前記相違するヤング係数をもつＣＦＲＰ帯板のうち、小さい方のヤング係数が１５０〜２５０ｋＮ／ｍｍ^２ 、大きい方のヤング係数が２５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ であることを特徴とする上記（１２）記載の鋼構造物の補強方法。

（１４）前記ヤング係数が小さいＣＦＲＰ帯板が、ヤング係数の大きいＣＦＲＰ帯板よりも、鋼構造物側に使用されていることを特徴とする上記（１２）または（１３）記載の鋼構造物の補強方法。

請求項１にかかる本発明の鋼構造物の補強構造によれば、平面状のＣＦＲＰ帯板を用いて、それを鋼構造物に貼り付けて補強をする際に、ＣＦＲＰ帯板の層内破壊が生じることなく、また、接着剤を使用して貼り付ける場合には、その接着剤とＣＦＲＰ帯板の界面で破壊することがなく、極めて効果的にＣＦＲＰ帯板を補強体として使用することを可能にする鋼構造物の補強構造を提供することができる。

請求項８にかかる本発明の鋼構造物の補強方法によれば、ＣＦＲＰ帯板を用いて、それを鋼構造物に貼り付けて補強をする際に、ＣＦＲＰ帯板の層内破壊が生じることなく、また、接着剤を使用して貼り付ける際には、その接着剤とＣＦＲＰ帯板の界面で破壊することがなく、極めて効果的にＣＦＲＰ帯板を補強体として使用することを可能にする鋼構造物の補強方法を提供することができる。

以下、更に詳しく本発明について説明する。

図１は、本発明にかかる鋼構造物の補強構造の１例を示す斜視図であり、鋼構造物１の平面部（図１では底面部）にその長さ方向と平行に、２枚のＣＦＲＰ帯板２を２列の状態で接着剤層３を介して接合した鋼構造物の補強構造を示し、そのＣＦＲＰ帯板２の接合面（接合される側の面）が、その長さ方向中心線平均粗さ（Ｒａ）または幅方向中心線平均粗さ（Ｒａ）のうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものであることを特徴とする。

鋼構造物の平面部は、ある程度の面積を有する平面的なＣＦＲＰ帯板が接合可能な程度の平面状部分であればよく、多少の曲率や多少の凹凸形態は有していてもよいものである。

ＣＦＲＰ帯板２の接合面の該中心線表面粗さは、０．７０μｍよりも小さくても、あるいは５．０μｍよりも大きくても接着強度が低下し、十分な補強効果を得ることがむずかしい。前記表面粗さの好ましい範囲は、長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が１．０〜４．０μｍである。

本発明で採用するこの中心線平均粗さの範囲レベル（Ｒａ：０．７０〜５．０μｍ）は、通常のＣＦＲＰ帯板としてその生産工場での生産工程上がりの範囲レベルよりも大きく、一方でまた、従来、前述した特許文献３に記載されるように、コンクリート構造物補強用のＣＦＲＰ帯板として提案されているものの中心線平均粗さの範囲レベル（Ｒａ：１０．０〜１００．０μｍ）と比較すると、それよりも格段と小さいものである。このような特異な範囲レベルにあるＣＦＲＰ帯板を被補強対象物としての鋼構造物に、以下に説明する接着剤層を介して接合し補強することが本発明では重要である。

接着剤層３は、明確な単独の層を形成するように、ある程度の接着剤層厚さを呈することが肝要であり、好ましくは厚さ０．５〜３．５ｍｍの範囲内であり、本発明は、特にその接着剤層３と鋼構造物１との接着強度およびその接着剤層３とＣＦＲＰ帯板２との接着強度の２つの接着界面での強度に注目し、中でも、後者の強度に着目してＣＦＲＰ帯板の表面粗さが重要な要因となるという知見を得たのである。接着剤は、従来からＦＲＰ板の接合などのために使用されているエポキシ系、ウレタン系、変性エポキシアクリレート系などのものが使用できる。接着剤層が０．５ｍｍよりも薄くなると、接着の際に、界面に空気泡が入り込みやすくなり接着強度が低下する方向であり、また、３．５ｍｍよりも厚くなると、該接着剤層の厚みの影響により補強効果が低下する方向なので望ましくない方向である。ただ、鋼構造物の被接合面が一部に凹凸を有する場合などは、そうした凹凸の影響で厚さが３．５ｍｍレベルを超える部分があっても差し支えない。

また、好ましくは、ＣＦＲＰ帯板２が、厚さ１〜５ｍｍ、幅２０〜２００ｍｍであるものである。帯板の寸法が大きいと、接着作業時に界面に空気泡が入りやすくなり、いったん空気泡が入ると高い接着強度が得られないからである。

また、好ましくは、ＣＦＲＰ帯板２が、ヤング係数１５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ 、引張強度１０００〜３０００Ｎ／ｍｍ^２ であることであり、これらを満足することにより高い補強効果が得られる。

ＣＦＲＰ帯板は、その内部に炭素繊維糸条が平行に配列されて、あるいはチョップされた炭素繊維が分散されて合成樹脂が含浸されて、帯状の板を形成しているものであり、特に、炭素繊維糸条が無撚りで引き揃えられただけの状態で内部に存在する構成のものがよい。また、合成樹脂は、熱硬化性樹脂であることが好ましい。帯板は、長尺のまま巻かれた状態で貯蔵や運搬が可能なように、ある程度の可撓性を有するように形成されているものがよい。

また、ＣＦＲＰ帯板は、その複数枚が接着剤層を介して積層され、該積層されたＣＦＲＰ帯板が前記鋼構造物の平面部に接合されているようにしてもよく、その場合、複数枚の使用により、より高い補強効果を得ることができる。ＣＦＲＰ帯板の複数枚を、接着剤層を介して積層させて使用する場合、ＣＦＲＰ帯板の相互間の接合も、上述した厚さの接着剤層を介して、かつ接合する面の表面粗さを、該ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものにして使用することが好ましい。

このように複数のＣＦＲＰ帯板を用いて、それを積層して使用する場合には、積層されたＣＦＲＰ帯板の複数枚が、ヤング係数が相違するものを含んでいるようにして構成することが好ましい。

特に、本発明者らの知見によれば、相違するヤング係数をもつＣＦＲＰ帯板のうち、小さい方のヤング係数が１５０〜２５０ｋＮ／ｍｍ^２ の範囲内にあり、大きい方のヤング係数が２５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ の範囲内にあるものであることが好ましい。また、積層の仕方は、ヤング係数が小さいＣＦＲＰ帯板が、ヤング係数の大きいＣＦＲＰ帯板よりも鋼構造物側に使用されるようにして積層構造を構成することが好ましい。その方が鋼構造物に加わる外部からの力に対して耐えることができるからであり、具体的には、曲げや圧縮力を受ける梁や柱などに荷重を加えたとき、梁や柱の最外縁に大きな引張力が働くが、帯板の補強材を積層した場合には、梁や柱に最も近い１層目に最も大きな引張または圧縮に伴うせん断応力が生じ、補強材を引きはがそうとする。この引きはがしたりＣＦＲＰ帯板の層内でせん断破壊しようとするこれらの力に対して、特にヤング係数の小さい方の帯板を鋼構造物側に使用すると、剥離しようとする力あるいは層内でせん断破壊しようとする力に対して抵抗力の高い補強効果が得られるのである。

また、本発明では、接合される鋼構造物とＣＦＲＰ帯板の間に、緩衝材として、ガラス繊維補強プラスチック（ＧＦＲＰ）などの他のＦＲＰシートあるいはＦＲＰ帯板を適宜に介在させてもよい。ＣＦＲＰ帯板を複数枚積層して使用するときも、同様にその相互間に該緩衝材を使用してもよい。

本発明において鋼構造物１を構成する鋼材は、その被接合面の横断面形状は、ＣＦＲＰ帯板が接合可能な平面状部分を有するものであればよく、特に限定されないが、例えば、角型、Ｈ型、Ｉ型、山型、コの字型などの柱状材、梁材等が高い補強効果が得られるので好ましい。

ＣＦＲＰ帯板の接合面の長さ方向または幅方向の中心線平均粗さが０．７０〜５．０μｍを満足するようにしてＣＦＲＰ帯板を製造するに際しては、一般的には、表面が平坦なＣＦＲＰ帯板を引抜き成型法で製造した後、その片面に幅方向中心線平均粗さを０．７０〜５．０μｍとする目粗し処理を施し、該目粗し処理面を接合面にして使用するのである。目粗し処理は、例えば、幅方向中心線平均粗さが０．７０〜５．０μｍを満足するように、少なくとも１個のローラ表面に所望の平均粗さとなるように転写用凹凸模様が付与された一対のプレスローラの間を通過させる、あるいは所望の平均粗さとなる粗さ（メッシュ）のサンドペーパーが装着あるいは添着されたサンドローラーあるいはサンドポリシャーで処理する等の手段により製造することができる。

鋼構造物にＣＦＲＰ帯板を接合するに際しては、その鋼構造物に外力が付与されることにより折れ曲がろうとする引張り力受け側と、外力が付与されることにより圧縮しようとする圧縮力受け側の、それぞれの鋼構造物の平面部にＣＦＲＰ帯板を接合することが好ましい。炭素繊維の配列に方向性がある場合には、そのそれぞれの力が付与される方向に対して、炭素繊維の配列方向が平行になるようにして接合することがより効果的である。

圧縮力を受ける側に貼るときは、鋼材にかかる圧縮力方向と繊維長軸方向とがほぼ平行になるようにしてＣＦＲＰ帯板を貼り付けることが、高い補強効果を得る上で最も好ましい。ＣＦＲＰ帯板を貼り付ける箇所は、特に限定するものではないが、圧縮力が加わって座屈する可能性があると考えられる箇所に貼り付けるのがよく、例えば、図３に示したように、補強対象鋼材の表の面または／および裏の面に対して、繊維長さ方向が圧縮力の方向と平行になるようにして用いて、ある程度の長さで平坦部を有する被補強鋼構造物の部分に全面的あるいは部分的に貼り付けることが好ましい。表の面や裏の面だけでなく、側面に対しても貼り付けることが可能な場合には、側面に貼り付けてもよい。図３において、１が被補強対象物たる鋼構造物、２がＣＦＲＰ帯板、４がＣＦＲＰ帯板２が接合される鋼ブレース、５が鋼柱、６が鋼梁、７がガセットプレート、８が床である。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

なお、本発明において、ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さと幅方向中心線平均粗さは、以下のようにして測定したものである。

（１）長さ方向中心線平均粗さ（Ｒａ）、幅方向中心線平均粗さ（Ｒａ）：
ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さ、幅方向中心線平均粗さは、株式会社ミツトヨ製サーフテスト装置ＳＪ−３０１を使用して、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で規定される中心線平均粗さ（Ｒａ）を測定した値である。長さ方向中心線平均粗さ（Ｒａ）はＣＦＲＰ帯板の長手方向に沿って該測定装置の検出部を水平に置いた状態で測定した値であり、幅方向中心線平均粗さ（Ｒａ）はＣＦＲＰ帯板の幅方向に沿って該測定装置の検出部を置いた状態で測定した値であり、それぞれ、測定条件は、カットオフ値は０．８ｍｍ、区間数５、評価長さ４．０ｍｍにて実施し、３回測定した平均値を算出し求めた。

実施例１〜６、比較例１〜７〔静的曲げ試験〕
図２に示したような全長２４００ｍｍの細幅系Ｈ型鋼（高さ２４８ｍｍ×幅１２４ｍｍ×ウエブ厚さ５ｍｍ×上下フランジ厚さ８ｍｍ）を使用し、その下フランジ面にＣＦＲＰ帯板（長さ１８００ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ２ｍｍ）を貼付けて補強した試験体について、支持点Ａ−Ａ間の距離を２０００ｍｍとして、その中央で荷重Ｐを負荷して静的曲げ試験を行って本発明の効果を確認した。

なお、ブランク品を除いて、試験体には中心線表面粗さのレベルが同一あるいは相違するＣＦＲＰ帯板をそれぞれ２層積層として、Ｈ型鋼の下フランジの底面に長さ方向に、２列並列に貼付けて測定を行った。並列は、図１に示したように側端をＨ型鋼の下フランジと帯板接合面とで合わせて行った。

なお、Ｈ型鋼を単独で試験に供した場合には、本発明による十分な補強効果が得られているか確認できる以前に、Ｈ型鋼の上フランジの局部座屈が生じて破壊されてしまうため、上フランジ上面の中央に板厚８ｍｍ、幅１０４ｍｍの鋼板Ｂを溶接して上フランジを強化した。静的曲げ試験の支点Ａは、図２に示したように２０００ｍｍの距離をおいた。

補強に使用したＣＦＲＰ帯板は、炭素繊維糸条が帯板長さ方向に引揃え配列されて樹脂（エポキシ樹脂）含浸されているものであり、ヤング係数が１６７ｋＮ／ｍｍ^２ 、引張強度が２４００Ｎ／ｍｍ^２ の高強度タイプ（以下、ＴＬと呼称する）、ヤング係数が２８５ｋＮ／ｍｍ^２ 、引張強度が１５００Ｎ／ｍｍ^２ の中弾性タイプ（以下、ＭＬと呼称する）の２種を使用した。

鋼材と接合されるＣＦＲＰ帯板の接合面側の表面の粗さは、ＣＦＲＰ帯板を製造した後に、サンドペーパーのメッシュを変更したサンドローラーを用いて、目粗し処理することにより調整した。

各実施例、比較例の詳細は、表１に記載したとおりである。また、接着剤層は、接着剤としてエポキシ樹脂系接着剤を使用し、接着剤層の厚さはそれぞれ１．０ｍｍとした。

試験は、破壊が生じるまで単調に載荷していき、最大耐力とその時の中央部での変位量を測定し、また、最終破壊形状についての種類分けをした。最終破壊形状の種類は、（１）層内破壊（ＣＦＲＰ帯板内部での面内せん断破壊）、（２）界面破壊（ＣＦＲＰ帯板と接着剤層の界面上での破壊）、（３）接着破壊（接着剤層での破壊）、の３種類であり、補強効果的に好ましい破壊種類は、接着破壊であり、層内破壊または界面破壊は材料または表面粗さに問題があったものと解されるものである。

ＭＬ、ＴＬをそれぞれ貼り付けた試験体の特徴は、補強材料の剛性が異なるため前者の中央変位が小さい。ＭＬとＴＬとを組み合わせて使用したものにおいては、鋼構造物（Ｈ型鋼）にＴＬ、ＭＬの順番で貼り付けた方が、逆の場合よりも効果が大きいのは、Ｈ型鋼下フランジの応力集中をヤング係数の小さい材料で緩和する効果があるためと考えられる。

この結果からわかるように、本発明によれば、曲げに対する耐力と変位は１０〜４０％程度向上し、また、ＣＦＲＰ帯板の靭性が大きいものを使用することにより、破壊形態を層内破壊から接着破壊に移行することが確認でき、ＣＦＲＰ帯板を使用したことによる補強効果が高度に得られていることがわかる。

実施例７〜８、比較例８〜９〔圧縮試験〕
実施例７〜８、比較例８〜９は、圧縮力がかかる鋼材の補強として本発明を採用した場合に関する実施例と比較例である。

ＣＦＲＰ帯板として、長さが１２８０ｍｍ、幅が５０ｍｍ、厚さ２ｍｍのものを４枚ずつ準備した。該ＣＦＲＰ帯板は、炭素繊維糸条が帯板長さ方向に引揃え配列されてエポキシ樹脂が含浸されているものであり、ヤング係数が１６７ｋＮ／ｍｍ^２ 、引張強度が２４００Ｎ／ｍｍ^２ の高強度タイプ（ＴＬ）、ヤング係数が２８５ｋＮ／ｍｍ^２ 、引張強度が１５００Ｎ／ｍｍ^２ の中弾性タイプ（ＭＬ）の２種を使用した。

鋼材と接合されるＣＦＲＰ帯板の接合面側の表面の粗さは、ＣＦＲＰ帯板を製造した後に、サンドペーパーのメッシュを変更したサンドローラーを用いて、目粗し処理することにより調整した。詳細は表３に示したとおりである。

これらのＣＦＲＰ帯板を、山形鋼材（Ｌ字型鋼材、鋼材長さ１３００ｍｍ、Ｌ字型断面の１辺の幅：５０ｍｍ、同Ｌ字型断面の他の１辺の幅：５０ｍｍ、同肉厚：４ｍｍ）の交差する板面方向下において、Ｌ字型を形成する２つの外面側の計２面に対して、２層構造にして、エポキシ樹脂接着剤を用いて貼り付けた。貼り付けは、ＣＦＲＰ帯板中の繊維長さ方向が山形鋼材の長さ方向と平行になるように貼り付け、接着剤層の厚さは１．０ｍｍである。図４がそのＣＦＲＰ帯板２を貼り付けた後の外観斜視モデル図であり、９が山形鋼材である。

試験は、ＣＦＲＰ帯板２を貼り付けた山形鋼材９に対して圧縮力を両端側から加え、圧縮力に対する耐久性について各種物性値の測定結果から判断した。圧縮力を両端側から加えるに際しては、図５にモデル図を示したように、山形鋼材９の両端に方形の鋼板１０（２００ｍｍ×１８０ｍｍ）を山形鋼の図心に一致させて溶接し、両端には試験体弱軸回りに回転するピンが取り付けられているものを使用し、上記鋼板１０を介してオイルジャッキを用いて山形鋼材に対してゆっくりと静的に圧縮荷重を加えた。

圧縮試験は、山形鋼が座屈するか、貼り付けたＣＦＲＰ帯板が剥がれるか、あるいは貼り付けたＣＦＲＰ帯板が破壊するか、のいずれかの事象が発生するまで行った（いずれかの事象が発生したら、その時点で圧縮終了とした）。

評価データは、圧縮開始から上記の圧縮終了時点までの間で、最大荷重、該最大荷重時の変位量（山形鋼材の長さ方向の中央部の変位量（中央変位））、最大中央変位量、残留変位量、破壊したときは破壊時の変位量のそれぞれを測定した。

各実施例、比較例の詳細は、表４に記載したとおりである。

この結果からわかるように、本発明によれば、圧縮荷重に対する耐力と変位は１０〜２０％程度向上し、また、ＣＦＲＰ帯板の靭性が大きいものを使用することにより、破壊形態を層内破壊から接着破壊に移行することが確認でき、ＣＦＲＰ帯板を使用したことによる補強効果が高度に得られていることがわかる。

図１は、本発明にかかる鋼構造物の補強構造の１例を示す斜視図である。 図２は、実施例で用いた試験方法を説明する側面図である。 図３は、本発明にかかる鋼構造物の補強構造の他の１例を示す斜視図である。 図４は、本発明にかかる鋼構造物の補強構造の他の１例を示す斜視図である。 図５は、実施例で用いた試験方法を説明する側面図である。

符号の説明

１ 鋼構造物
２ ＣＦＲＰ帯板
３ 接着剤層
４ 鋼ブレース
５ 鋼柱
６ 鋼梁
７ ガセットプレート
８ 床
９ 山形鋼材
１０ 鋼板

Claims (14)

1. 鋼構造物の平面部にＣＦＲＰ帯板を接着剤層を介して接合した鋼構造物の補強構造であり、該ＣＦＲＰ帯板の接合面が、該ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものであることを特徴とする鋼構造物の補強構造。
2. 前記ＣＦＲＰ帯板が、厚さ１〜５ｍｍ、幅２０〜２００ｍｍ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構造。
3. 前記ＣＦＲＰ帯板が、ヤング係数１５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ 、引張強度１０００〜３０００Ｎ／ｍｍ^２ 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構造。
4. 前記ＣＦＲＰ帯板の複数枚が接着剤層を介して積層され、該積層されたＣＦＲＰ帯板が前記鋼構造物の平面部に接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。
5. 前記積層されたＣＦＲＰ帯板の複数枚が、ヤング係数が相違するものを含んでいることを特徴とする請求項４記載の鋼構造物の補強構造。
6. 前記相違するヤング係数をもつＣＦＲＰ帯板のうち、小さい方のヤング係数が１５０〜２５０ｋＮ／ｍｍ^２ 、大きい方のヤング係数が２５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ であることを特徴とする請求項５記載の鋼構造物の補強構造。
7. 前記ヤング係数が小さいＣＦＲＰ帯板が、ヤング係数の大きいＣＦＲＰ帯板よりも、鋼構造物側に使用されていることを特徴とする請求項５または６記載の鋼構造物の補強構造。
8. 鋼構造物の平面部にＣＦＲＰ帯板を接着剤層を介して接合して鋼構造物を補強するに際して、前記ＣＦＲＰ帯板として、該ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものを使用することを特徴とする鋼構造物の補強方法。
9. 前記ＣＦＲＰ帯板として、引抜き成型法で製造された後、その片面に幅方向中心線平均粗さを０．７０〜５．０μｍとする目粗し処理を施し、該目粗し処理面を接合面にして使用することを特徴とする請求項８記載の鋼構造物の補強方法。
10. 外力付与によって折れ曲がろうとする鋼材の引張り力受け側と、外力付与によって圧縮しようとする鋼材の圧縮力受け側の、それぞれの鋼構造物の平面部に前記ＣＦＲＰ帯板を接合することを特徴とする請求項８または９記載の鋼構造物の補強方法。
11. 前記ＣＦＲＰ帯板として、複数枚のＣＦＲＰ帯板が接着剤層を介して積層されたものであり、該ＣＦＲＰ帯板の鋼構造物と接合される面が、該ＣＦＲＰ帯板の長さ方向中心線平均粗さまたは幅方向中心線平均粗さのうち大きい方が０．７０〜５．０μｍである表面粗さを有するものを使用することを特徴とする請求項８〜１０のうちいずれかに記載の鋼構造物の補強方法。
12. 前記積層されたＣＦＲＰ帯板の複数枚が、ヤング係数が相違するものを含んでいることを特徴とする請求項１１記載の鋼構造物の補強方法。
13. 前記相違するヤング係数をもつ複数のＣＦＲＰ帯板のうち、小さい方のヤング係数が１５０〜２５０ｋＮ／ｍｍ^２ 、大きい方のヤング係数が２５０〜４５０ｋＮ／ｍｍ^２ であることを特徴とする請求項１２記載の鋼構造物の補強方法。
14. 前記ヤング係数が小さいＣＦＲＰ帯板が、ヤング係数の大きいＣＦＲＰ帯板よりも、鋼構造物側に使用されていることを特徴とする請求項１２または１３記載の鋼構造物の補強方法。

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