JP2011032749A - Ｆｒｐ部材の接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】施工の合理化を図ることができ、かつ、接合部における十分に高い剛性と強度を維持できるようにしたＦＲＰ部材の接合構造を提供する。
【解決手段】ＦＲＰからなる被接合部材同士またはＦＲＰからなる被接合部材とＦＲＰとは異なる材料からなる被接合部材を添接板とボルトまたはリベットにより機械的に接合する構造であって、添接板の少なくとも一つが、被接合部材の表面に接しかつ互いに直交する面を２つ以上有する立体形状に形成されており、添接板の少なくとも一端部に、逆テーパー形状の端面が形成されているいることを特徴とするＦＲＰ部材の接合構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＲＰ部材の接合構造に関し、特に構造部材として用いられる梁や桁の接合構造に関する。

一般に、土木・建築物などで使用される梁や桁などの鋼部材の接合では、溶接接合や、部材上下面や側面を平板状の添接板で挟み込んで、ボルトやリベットで部材を締める機械式接合が用いられている。

一方、ＦＲＰ部材の接合では、鋼部材の接合に準じて、添接板を使った機械式接合方法が用いられている。さらに、添接板だけでは、接合部付近で部材剛性が低下するおそれがある場合には、接着接合と併用されることもある。

従来の接合構造では、例えばＩ形桁やＨ形桁における接合の場合、フランジとウエブの添接板は各々に設置されるため、ボルトやリベットの配置が制限される場合があり、設計、施工の合理化が図りにくい。

施工の合理化策として、特許文献１に開示の方法が知られている。この特許文献１に開示の接合方法では、被接合部材の接合端部の全表面を包み込むようにカバーする接合用部材を用いているが、この接合用部材は特殊加工となることや製作精度が要求されることとなるため、経済性が悪くなる。また、軸方向に延びる桁同士の接合である主桁同士の接合のみの適用とならざるを得ず、軸方向に延びる桁と軸直角方向に延びる桁を接合する主桁−横桁接合への適用は困難となっている。

また、従来の接合構造をＦＲＰ部材に適用した場合、部材に荷重が作用すると、添接板の端部においてＦＲＰ部材に応力集中が発生し、この部分でＦＲＰ部材が母材強度に比べ低い強度で破壊するおそれがある。したがって、このような従来の接合構造では、ＦＲＰ部材自体の強度を十分に活かすことができない。

さらに、ＦＲＰ部材の接合構造として、特許文献２に開示の構造が知られている。該接合構造では、ＦＲＰ部材内部に設置された別材料の接合部材を介して接合を行い、ＦＲＰ部材の強度低下を防止する構造としている。また、接合部材にテーパー部を設けることによって応力集中の発生を抑制することも示されている。しかし、桁や梁などのように、曲げが起きて大きく変形する場合があるような部材では、該特許文献２が示す接合部材構造では、その端部がＦＲＰ部材に接触して引っ掛かり易くなるおそれもあり、確実にＦＲＰ部材の強度低下を防止できる構造とはなっていない。

特開平６−１４６４０５号公報 特開２０００−３３６７７７号公報

そこで本発明の課題は、少ない添接板数にて、現場での位置決めを容易化して、施工の合理化を図ることができ、かつ、接合部における十分に高い剛性と強度を維持できるようにしたＦＲＰ部材の接合構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るＦＲＰ部材の接合構造は、ＦＲＰからなる被接合部材同士またはＦＲＰからなる被接合部材とＦＲＰとは異なる材料からなる被接合部材を添接板とボルトまたはリベットにより機械的に接合する構造であって、前記添接板が、被接合部材の表面に接しかつ互いに直交する面を２つ以上有する立体形状に形成されていることを特徴とする構造からなる。

添接板を上記のような立体形状に形成することにより、平板状の添接板のみを用いる場合に比べて添接板の総数が減り、施工の合理化を図ることができる。また、立体的な添接板を用いることによって、接合部の設計上ボルトまたはリベットを設置することができなかった位置においても、所望のボルトまたはリベットを設置することが可能となり、設計の自由度が向上する。さらに、立体的な添接板によって、接合部における剛性や強度を高めることが可能となり、フェールセーフ設計を提供することもできる。

上記接合構造においては、好ましくは、上記添接板の少なくとも一端部に、該端部の先端側にいくにつれ被接合部材の表面との距離が大きくなる逆テーパー形状の端面が形成されていることが求められる。このような逆テーパー形状の端面を形成しておくことにより、従来構造で問題となっていた局所的な応力集中を回避あるいは緩和可能となり、接合部における強度低下の防止を図ることが可能となる。

この逆テーパー形状の端面を有する構造は、上述のような立体形状の添接板に限定されずに適用可能であり、それによって特有の作用、効果が得られる。すなわち、もう一つの本発明に係るＦＲＰ部材の接合構造は、ＦＲＰからなる被接合部材同士またはＦＲＰからなる被接合部材とＦＲＰとは異なる材料からなる被接合部材を添接板とボルトまたはリベットにより機械的に接合する構造であって、前記添接板が、少なくとも一端部に、該端部の先端側にいくにつれ被接合部材の表面との距離が大きくなる逆テーパー形状の端面を有する形状に形成されていることを特徴とする構造からなる。

添接板端部にこのような逆テーパー形状の端面を形成しておくことにより、上述したように、添接板端部における応力集中を緩和し、端部を起点とする被接合部材母材破壊強度の低下とばらつきの防止が可能となる。逆テーパー形状の端面は、添接板の端部（端縁）全体に形成してもよいし、一部（例えば、被接合部材の表面に近い側の一部）に形成してもよい。

上記逆テーパー形状の端面を有する構造においては、逆テーパー形状の端面と被接合部材の表面との間に、被接合部材および添接板とは異なる材料の緩衝材が介在されていることが好ましい。このように被接合部材母材と逆テーパー形状部の間に緩衝材を挿入することにより，隙間に入り込む水分などを遮断することができ，環境による劣化を防止できる。また、添接板端部における応力集中の緩和度合の向上も可能であり、被接合部材母材破壊強度の低下の防止に寄与できる。後述の試験結果に示すように、この緩衝材に接着剤を使用して、緩衝材が被接合部材と添接板との間の接着層を兼ねている構造とすることも可能である。

上記逆テーパー形状部に設置する緩衝材の材質としては、ゴム、ウレタン系やシリコン系の樹脂などが考えられ、ヤング係数が５ＧＰａ以下で，容易に変形に追従できるものが好ましい。被接合部材母材と添接板に接着接合を併用する場合は、それに使用する接着剤と同じ接着剤としてもよい。

上記のような本発明における添接板は、ＦＲＰからなる被接合部材としての主桁同士の接合に用いられることもできるし、被接合部材としての主桁とそれとは別の横桁の接合に用いられることもできる。したがって、前述した一部の従来構造のように、適用形態が、主桁同士の接合に限定されることはない。

また、本発明における添接板は、とくに、被接合部材としてのＨ形またはＩ形の開断面部材の接合に用いられて好適なものであるが、もちろん、少なくとも一方が箱形の閉断面部材の場合の接合にも適用できる。すなわち、本発明において、被接合部材の形態は、実質的に何ら限定されない。

本発明において、添接板自体の材質としては、汎用の鋼板を採用でき、とくに防錆等を考慮すると、ステンレス鋼板が好ましい。

このように、本発明に係るＦＲＰ部材の接合構造によれば、添接板を所定の立体形状に形成することより、少ない添接板数にて、現場での位置決め等を容易化して短時間での施工を可能とし、施工の合理化を図ることができる。また、立体形状の添接板を用いた接合により、接合部における十分に高い剛性と強度を確保できる。

また、添接板端部に所定の逆テーパー形状の端面を形成しておくことにより、添接板端部における応力集中を緩和し、端部を起点とする被接合部材母材破壊強度の低下とばらつきを防止し、接合部における強度の向上を図ることができる。とくにこの部分において被接合部材母材との間に緩衝材を介在させることにより、隙間に入り込む水分などを遮断して環境による劣化を防止できるとともに、応力集中を一層効果的に緩和して、母材破壊強度の低下の防止に寄与できる。

本発明の一実施態様に係るＦＲＰ部材の接合構造の斜視図である。 図１の接合構造における立体形状の添接板の斜視図（Ａ）および横断面図（Ｂ）である。 図２の変形例に係る立体形状の添接板の斜視図（Ａ）および横断面図（Ｂ）である。 本発明の別の実施態様に係るＦＲＰ部材の接合構造における、接合前の被接合部材の斜視図（Ａ）、接合後の接合構造の斜視図（Ｂ）、添接板の斜視図（Ｃ）および添接板の展開図（Ｄ）である。 本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰ部材の接合構造における、接合前の被接合部材の斜視図（Ａ）、接合後の接合構造の斜視図（Ｂ）、添接板の斜視図（Ｃ）および添接板の展開図（Ｄ）である。 逆テーパー形状端面形成による効果確認試験の結果を示す初期はく離荷重の比較特性図である。 継目部（０ｍｍ）における添接板表面のひずみと荷重の関係を示す比較特性図である。 継目部から１５５ｍｍ（端部付近）における添接板表面のひずみと荷重の関係を示す比較特性図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１および図２は、本発明の一実施態様に係るＦＲＰ部材の接合構造を示している。本実施態様では、被接合部材としてのＦＲＰ部材からなり、Ｉ形またはＨ形断面の主桁１同士を、主桁１のフランジ部上下に配置される平板状の鋼板（例えば、ステンレス板）からなる添接板２、２と、主桁１のウエブ部側部に配置される立体形状の鋼板（例えば、ステンレス板）からなる添接板３、３とを用いて、複数のボルト４（または、リベット）により機械的に接合する構造を示している。主桁１のウエブ部側部に配置される立体形状の添接板３は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、例えば折り曲げ加工された横断面コ字状の部材に形成され、主桁１のウエブ部の表面に接する部分と、主桁１のフランジ部の内面側の表面に接する部分とが一体的に形成されており、必要な数のボルト孔５が穿設されている。

添接板２、３の、主桁１の長手方向（軸方向）の両端部においては、該端部の軸方向先端側にいくにつれ被接合部材としての主桁１の表面との距離が大きくなる逆テーパー形状の端面６が形成されている。この逆テーパー形状の端面６と主桁１の表面との間には、被接合部材および添接板とは異なる材料の、断面三角形状の緩衝材７（例えば、接着剤からなる緩衝材）が介在されている。

なお、上記実施態様では、立体形状の添接板３は全体が一体に形成されているが、例えば図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、添接板片３ａ、３ｂに分割された構成としてもよい。分割構成とすることにより、主桁１に対して添接板片の各面を接触、位置合わせし易くなり、接合作業をより容易化することが可能である。

このように構成された上記実施態様に係る接合構造においては、立体形状の添接板３（または、３ａ、３ｂ）を用いることにより、平板状の添接板のみを用いる場合に比べて添接板の総数を減らすことができ、かつ、被接合部材１の表面に接し互いに直交する面を２つ以上有する立体形状に予め形成されていることにより、現場での位置決めが容易になって短時間での施工が可能となり、施工の合理化を図ることができる。また、接合部の設計上ボルトまたはリベットの設置が困難な箇所が存在する場合にあっても、添接板を予め所定の立体形状に形成しておくことによって、フランジ下面とウエブ側面の添接板が立体的に連続化されることから、ボルト孔またはリベット孔の縁側距離が確保でき、設計の自由度が向上する。また、立体形状の添接板自体、立体形状により平板の場合よりも高い剛性、強度を持つことができるので、接合後の接合部における剛性や強度を高めることが可能となり、フェールセーフ設計を提供することもできるようになる。

また、添接板２および添接板３（または、３ａ、３ｂ）の端部に、逆テーパー形状の端面６が形成されていることにより、従来構造で問題となっていた局所的な応力集中が緩和可能となり、接合部における強度低下の防止を図ることが可能となる。とくに、逆テーパー形状の端面６と被接合部材１の表面との間に、所定の緩衝材７が介在されていることにより、隙間に入り込もうとする水分などを遮断することができ，環境による劣化を防止できる。また、緩衝材７の設置により、添接板端部における応力集中の緩和度合も一層向上されるので、被接合部材母材破壊強度の低下の防止に寄与できる。

本発明に係るＦＲＰ部材の接合構造は各種形態を採ることができ、図４、図５は、上述の実施態様とは別の実施態様を示している。図４に示す実施態様においては、図４（Ａ）に示すような被接合部材としてのＦＲＰ部材からなり、Ｉ形またはＨ形断面の主桁１１と横桁１２との接合において、図４（Ｂ）に示すように、平板形状の添接板１３と、分割構成とされた立体形状の添接板片１４ａ、１４ｂとを使用し、ボルト１５（またはリベット）による機械的な接合が行われる。図４（Ｃ）に示すように、添接板１３、１４ａ、１４ｂには、複数のボルト孔１６が穿設されており、各添接板１３、添接板片１４ａ、１４ｂの先端部には、前述の実施態様と同様、逆テーパー形状の端面１７が形成されている。この端面１７と主桁１１、横桁１２の表面との間には、被接合部材および添接板とは異なる材料の、断面三角形状の緩衝材１８（例えば、接着剤からなる緩衝材）が介在されている。図４（Ｄ）は、各添接板１３、添接板片１４ａ、１４ｂの展開図を示しており、本実施態様では、とくに立体形状の添接板片１４ａ、１４ｂは展開図に示す形状の素材を折り曲げ加工することにより形成されている。

図５に示す実施態様においては、図５（Ａ）に示すような被接合部材としてのＦＲＰ部材または金属部材で、箱形の閉断面部材からなる横桁２１と、ＦＲＰ部材からなり、Ｉ形またはＨ形断面の主桁２２との接合において、図５（Ｂ）に示すように、平板形状の添接板２３と、分割構成とされた立体形状の添接板片２４ａ、２４ｂとを使用し、ボルト２５（またはリベット）による機械的な接合が行われる。図５（Ｃ）に示すように、添接板２３、添接板片２４ａ、２４ｂには、複数のボルト孔２６が穿設されており、各添接板２３、添接板片２４ａ、２４ｂの先端部には、前述の実施態様と同様、逆テーパー形状の端面２７が形成されている。この端面２７と横桁２１、主桁２２の表面との間には、被接合部材および添接板とは異なる材料の、断面三角形状の緩衝材２８（例えば、接着剤からなる緩衝材）が介在されている。図５（Ｄ）は、各添接板２３、添接板片２４ａ、２４ｂの展開図を示しており、本実施態様では、とくに立体形状の添接板片２４ａ、２４ｂは展開図に示す形状の素材を折り曲げ加工することにより形成されている。

図４、図５に示した実施態様においても、図１、図２、図３に示した実施態様同様の、立体形状の添接板片２４ａ、２４ｂによる作用、効果、逆テーパー形状の端面２７の形成、さらには緩衝材２８の介在による作用、効果が得られる。

これらの作用、効果のうち、逆テーパー形状の端面による効果を次のように試験によって検証してみた。

（１）試験条件
桁：ＦＲＰ部材からなり、Ｉ形断面の主桁同士の接合
接合方法：ブラインドリベット（７列、ＳＵＳ３０４）
緩衝材：エポキシ樹脂接着剤（シーカデュア）
添接板：主桁の上下フランジ部に折り曲げにより立体的に加工した添接板を使用（厚さ ：６ｍｍ、５ｍｍ、ＳＵＳ３０４）

（２）試験方法
上フランジ上の添接板端部と下フランジ下の添接板端部にそれぞれ逆テーパー加工したものと、テーパー加工しなかったものの２ケースについて、破壊まで載荷実験を行って、主に、初期はく離強度を比較した。

（３）試験結果と考察
試験結果の一部として、図６（Ａ）、（Ｂ）に、添接板の長手方向に対する初期はく離強度を算定した結果を示す。初期はく離強度は、図７（Ａ）、（Ｂ）（継目部（０ｍｍ）における添接板表面のひずみと荷重の関係）、図８（Ａ）、（Ｂ）（継目部から１５５ｍｍ（端部付近）における添接板表面のひずみと荷重の関係）に示すように、添接板表面に設置されたひずみゲージの値が急変する箇所と定義した。これらの図より、圧縮側、引張側ともに、テーパー端面形成の効果により初期はく離強度が増加することが確かめられる。特に、はく離強度が低かった引張側の端部では、約４０％増加すること、また、引張側の継目部に対しても大幅に初期はく離強度が向上していることが確認できる。

今回の試験では、２ケースとも接着層の初期はく離が進行した後、接着層が完全にはく離した。さらに、リベットのみの状態となり荷重が上昇するが、７列ではリベット強度が比較的高いため、最終的には母材の圧縮破壊となった。したがって、テーパー端面形成の効果は、主に、初期はく離強度の向上であり、初期はく離強度が設計上の制限値となることから、テーパー端面形成による向上効果は設計上極めて有用である。

本発明に係る接合構造は、少なくとも一方がＦＲＰ部材からなる被接合部材を添接板を用いて機械的に接合する、あらゆる接合形態に適用可能である。

１、１１、２２ 被接合部材としての主桁
２、３、１３ 添接板
３ａ、３ｂ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ 添接板片
４、１５、２５ ボルト
５、１６、２６ ボルト孔
６、１７、２７ 逆テーパー形状の端面
７、１８、２８ 緩衝材
１２、２１ 被接合部材としての横桁

Claims (9)

1. ＦＲＰからなる被接合部材同士またはＦＲＰからなる被接合部材とＦＲＰとは異なる材料からなる被接合部材を添接板とボルトまたはリベットにより機械的に接合する構造であって、前記添接板が、被接合部材の表面に接しかつ互いに直交する面を２つ以上有する立体形状に形成されていることを特徴とするＦＲＰ部材の接合構造。
2. 前記添接板の少なくとも一端部に、該端部の先端側にいくにつれ被接合部材の表面との距離が大きくなる逆テーパー形状の端面が形成されている、請求項１に記載のＦＲＰ部材の接合構造。
3. ＦＲＰからなる被接合部材同士またはＦＲＰからなる被接合部材とＦＲＰとは異なる材料からなる被接合部材を添接板とボルトまたはリベットにより機械的に接合する構造であって、前記添接板が、少なくとも一端部に、該端部の先端側にいくにつれ被接合部材の表面との距離が大きくなる逆テーパー形状の端面を有する形状に形成されていることを特徴とするＦＲＰ部材の接合構造。
4. 前記逆テーパー形状の端面と被接合部材の表面との間に、被接合部材および添接板とは異なる材料の緩衝材が介在されている、請求項２または３に記載のＦＲＰ部材の接合構造。
5. 前記緩衝材が、被接合部材と添接板との間の接着層を兼ねている、請求項４に記載のＦＲＰ部材の接合構造。
6. 前記添接板が、ＦＲＰからなる被接合部材としての主桁同士の接合に用いられる、請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ部材の接合構造。
7. 前記添接板が、被接合部材としての主桁と横桁の接合に用いられる、請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ部材の接合構造。
8. 前記添接板が、被接合部材としてのＨ形またはＩ形の開断面部材の接合に用いられる、請求項１〜７のいずれかに記載のＦＲＰ部材の接合構造。
9. 前記添接板が鋼板から構成されている、請求項１〜８のいずれかに記載のＦＲＰ部材の接合構造。

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