JP2015178765A - 鋼製中空円筒構造物の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】現場において溶接等の熱を加えて鋼製タンク等の鋼製円筒構造物自身に損傷を与えること無く、早期かつ簡易的に座屈耐力を向上させることができる鋼製円筒構造物の補強構造を提供する。【解決手段】中空の鋼製円筒構造物を補強する構造であって、中空の鋼製円筒構造物の側板面に、とくに周方向に連続繊維シートが配置された繊維強化プラスチックが設置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、貯水タンクや石油備蓄タンク等の中空の鋼製円筒構造物の補強構造に関するものである。

一般的に鋼製円筒構造物としての鋼製タンクは、外径（Ｄ）に対して肉厚（ｔ）は非常に薄く、Ｄ／ｔ＞１００の薄肉構造物に類されている。また、鋼製タンクには、タンク内面に樹脂がライニングされ、また外面には塗装が施されており、構造物を長期的に使用する為に耐食処理が施されているものも多い。

鋼製タンクに地震力がかかると、鋼製タンクの内容物が交互に揺られ、大きな水平力が側板全体に繰り返し発生する。タンク側板内に当初設計で考慮された以上の応力が発生すると、側板を構成する鋼材は降伏し、急激かつ局所的に水平方向へ側板が膨らむ変形が進み、タンクが局部塑性座屈（例えば、象の脚座屈と呼ばれる座屈）を起こし、タンク本来の貯蔵機能が損失することになる。近年発生した新潟県中越沖地震や東北地方太平洋沖地震等の大規模地震時においては、屋外で液体を貯蔵する既設の鋼製タンクの座屈損傷が多数報告されており、鋼製タンクの局部塑性座屈に対する補強が必要となっている。

鋼製タンクの局部塑性座屈に対する補強としては、側板の取替えや補強材の追加等の方法が実施されているが、いずれも溶接等を伴う方法であり、鋼製タンク側板にかかる溶接の熱によって薄肉の側板が変形したり、ライニングした樹脂が破損するなど、鋼製タンク本体への影響が懸念されている。また、石油や可燃物貯蔵用のタンクなどには溶接は採用出来ず、現実にはタンクの補強は困難とされていた。さらに、補強工事だけに留まらず、タンク塗装のやり直し等の付帯工事も必要となるため、必然的に工事規模が大きくなり、工期および経済性の面で問題があった。

近年、溶接に代わって繊維強化プラスチックで中空円筒構造物を補強する研究開発が報告されている。例えば特許文献１に記載されている技術は、鋼管構造物の長柱鋼管に対してポリプロピレン樹脂繊維を使い座屈に対して補強するものである。しかし、この技術は、長柱鋼管の部材座屈、すなわちオイラー座屈（弾性座屈）を対象としたものであり、本発明が対象とする局部塑性座屈のような塑性座屈に対して補強することを示したものではない。

特許文献２に記載されている技術は、中空の金属部材の外周に金属製のシート状部材を巻き付けることで、シート状部材が中空の金属部材に作用する曲げ応力を負担することができるため、手間をかけずに、曲げクリープ強度を向上するものである。しかし、この技術は、常に高温高圧に曝される鋼管のクリープ劣化に対して補強することが主目的であり、本発明が対象とする局部塑性座屈を抑制する技術ではない。

特許文献３に記載されている技術は、プレストレスコンクリート（ＰＣ）で構築されたタンクの補強を示したものであるが、経年によって腐食劣化したＰＣ鋼材に発生する応力を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で緩和することが目的となっている。また、この技術は、肉厚も厚くなる為、座屈、特に本発明が対象とする局部塑性座屈の補強を対象としたものではない。

非特許文献１に記載されている技術は、鋼製橋脚の耐震補強として、座屈変形の発生の抑制を目的としたものである。高架橋の鋼管橋脚を模して、Ｄ／ｔ＝６２．５の円形断面鋼管に鉛直方向に炭素繊維シート１層、周方向に炭素繊維シート３〜８層を貼り付けた上に、内部にコンクリートを充填した鋼管を、土台の上に片持ち梁式で柱を設置し、頂部に水平荷重をかけて実験を実施しており、充填コンクリート直上の鋼製断面に局部塑性座屈は生じさせずに、基部への変形モードを移行させた結果となっている。つまり、該技術は、内圧のかかる薄肉構造かつ完全なる中空構造の耐震補強ではなく、鋼管軸方向の鋼材応力を緩和させながら鋼管橋脚の変形を別モードへ移行させる橋脚特有の補強技術であり、かつ炭素繊維シートの補強量が多積層になる為、短工期かつ経済的に鋼製タンクを補強することは困難である。

非特許文献２に記載されている技術は、非特許文献１同様に高架橋の鋼管橋脚を対象に曲げ補強を目的としたものであり、炭素繊維シートを鋼管長軸方向に向かって全周に貼り付ける補強方法である。炭素繊維シートによって曲げによる鋼材の応力を緩和し、降伏を遅らせるものであり、補強対象並びに目的が異なるため、短工期かつ経済的に鋼製タンクの補強効果が発揮できるとは言い難い。

特開２００６−２４９８８５号公報 特開２０１３−９１９１５号公報 特開２００８−１９０１９８号公報

炭素繊維シートを橋脚鋼管柱周方向に貼付けした耐震補強法に関する実験的研究（平成１４年９月） ＣＦＲＰにより補強された鋼管の曲げ挙動（２０００年１１月)

本発明の課題は、従来技術が有する前記した問題点を解決し、現場において溶接等の熱を加えて鋼製タンク等の鋼製円筒構造物自身に損傷を与えること無く、早期かつ簡易的に座屈耐力を向上させることができる鋼製円筒構造物の補強構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る鋼製円筒構造物の補強構造は次の構成を有する。すなわち、
（１）中空の鋼製円筒構造物を補強する構造であって、前記中空の鋼製円筒構造物の側板面に繊維強化プラスチックが設置されていることを特徴とする鋼製円筒構造物の補強構造。
（２）前記鋼製円筒構造物が、少なくとも底板と該底板上に立設された側板とを備えているとともに、円筒状もしくは略円筒状または断面が長円状の形状を有し、外径（Ｄ）と側板厚（ｔ）の比Ｄ／ｔが、Ｄ／ｔ≧１００を満たし、かつ、構造物高さ（Ｈ）と外径（Ｄ）の比Ｈ／Ｄが、０．２５≦Ｈ／Ｄ≦２．０を満たす、（１）に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（３）地震時において前記鋼製円筒構造物の側板に局部塑性座屈が生じることが予想される側板面に前記繊維強化プラスチックが設置されている、（１）または（２）に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（４）前記鋼製円筒構造物が容器構造である、（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（５）前記繊維強化プラスチックが、前記鋼製円筒構造物の側板のうち、少なくとも内面もしくは外面のいずれかに設置されている、（１）〜（４）のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（６）前記繊維強化プラスチックが、前記鋼製円筒構造物の側板の周囲を少なくとも部分的に覆っている、（１）〜（５）のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（７）前記繊維強化プラスチックが、連続する繊維で構成される連続繊維シートと、該連続繊維シートに現場で含浸される樹脂とから構成される、（１）〜（６）のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（８）前記連続繊維シートの繊維方向として、少なくとも、中空の鋼製円筒構造物の周方向を含む、（７）に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（９）前記連続繊維シートが、炭素繊維を含む、（７）または（８）に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
（１０）前記鋼製円筒構造物の側板面に設置される前記繊維強化プラスチックの設置面積の少なくとも１０％が、前記側板面に対して非接着の絶縁された状態にある、（１）〜（９）のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。

本発明によれば、中空の鋼製円筒構造物の側板面に繊維強化プラスチックを設置することによって、特に繊維強化プラスチックにおける炭素繊維シート等の連続繊維シートを水平方向に巻き立てることによって、水平方向および側板法線方向に発生する変形を押し止め、鉛直方向へ負担する荷重を増大させて、構造物の鉛直方向耐力を向上させることができ、薄肉の鋼製タンク等の鋼製円筒構造物の局部塑性座屈現象を抑制することが可能となる。

しかも、鋼製タンク等の鋼製円筒構造物自身を機械加工や溶接によって形状・物性を変化させることがなく、補強を必要とする部位に軽量な繊維強化プラスチックを設置すればよく、かつ補強後も重量増加が殆どないため、基礎などへの負担もなく、短工期かつ安価に施工することが可能となる。

さらに、薄肉で補強が可能となる為、補強後も外観形状に影響を及ぼすことが殆どなく、美観を損なうことはない。

鋼製円筒構造物としての、２種類の側板厚みを有する既設の貯水用鋼製タンクの斜視図である。 本発明に基づく繊維強化プラスチックで補強された貯水用鋼製タンクの斜視図である。 本発明に基づく繊維強化プラスチックで補強された貯水用鋼製タンクの斜視図である。 本発明に基づく繊維強化プラスチックで部分的に補強された貯水用鋼製タンクの部分断面図である。 本発明の補強構造に基づいて作られた試験体の強度実験の変位計測位置並びにひずみゲージの貼付位置を示す説明図である。 本発明に基づいて作られた試験体の強度実験結果を示す荷重−軸方向変位の関係図である。 本発明に基づいて作られた試験体の強度実験結果を示す荷重−軸方向ひずみ関係の図である。 本発明に基づいて作られた試験体の強度実験結果を示す荷重−周方向ひずみの関係図である。 本発明に基づいて作られた試験体の強度実験結果を示す荷重−軸方向変位の関係図である。 本発明に基づいて作られた試験体の強度実験結果を示す応力度−鋼管内側軸方向ひずみの関係図である。 本発明に基づいて作られた試験体の強度実験結果を示す応力度−鋼管外側軸方向ひずみの関係図である。 本発明に基づいて作られた試験体の強度実験結果を示す応力度−周方向ひずみの関係図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明の耐震構造が望まれる中空の鋼製円筒構造物は、例えば、少なくとも底板と該底板上に立設された側板とから構成される、円筒状もしくは略円筒状または断面が長円状の形状を有する鋼製タンクを対象としたものである。この鋼製タンクの形状においては、外径（Ｄ）と側板厚（ｔ）の比Ｄ／ｔが、Ｄ／ｔ≧１００を満たし、かつ、構造物高さ（Ｈ）と外径（Ｄ）の比Ｈ／Ｄが、０．２５≦Ｈ／Ｄ≦２．０を満たしていることが好ましい。

図１は、中空の鋼製円筒構造物として、２種類の側板厚み（厚みの異なる側板２ａおよび２ｂ）を有する既設の貯水用鋼製タンク１を示している。図２、図３及び図４は、本発明に基づく繊維強化プラスチックで補強された貯水用鋼製タンクの説明図である。

地震が発生すると、水平方向の揺れによって、図１で示す貯水用鋼製タンク１に貯留されている貯留水３に水平方向の慣性力（動水圧）並びに貯水用鋼製タンク１自身の慣性力（地震時せん断力）が発生し、側板２ａおよび２ｂには地震時の応力が発生する。特に貯水用鋼製タンク１の下側に位置する側板２ａには、側板２ｂ以上に貯留水３の静水圧も加わっており、側板２ａが保有する鋼材の降伏応力以上の応力が発生すると、象脚のように水平方向に側板２ａが膨らむ局部塑性座屈（いわゆる象脚座屈）を生じ、本座屈が進行することによって側板にひび割れなどが生じる。その結果、内容物を保持することが困難となる。

この局部塑性座屈を防止する為に、本発明による補強構造が提案される。具体的な補強構造は、局部塑性座屈を生じる上記側板２ａの位置に、連続繊維シート（例えば、炭素繊維シート）を、その繊維方向が貯水用鋼製タンク１の周方向となるように設置し、現場で少なくとも１層の連続繊維シートに樹脂（例えばエポキシ系樹脂）を含浸・硬化させて、側板２ａの周囲に繊維強化プラスチック７（例えば、炭素繊維強化プラスチック）を形成することで補強することからなる。

なお、繊維強化プラスチックの種類の選択によっては、鋼製タンク周囲に比較的剛性の高いシートで拘束して鋼製タンクが膨らむ変形を抑制させることによって耐力を増加させて地震時の慣性力に抵抗する方法と、鋼製タンク周囲に、剛性より伸びを優先するシートで拘束することで、鋼製タンクの耐力を保持しつつ、膨らむ変形を許容し、靭性を向上させて地震時の慣性力に抵抗する方法を選択することが出来る。さらに前記比較的剛性の高いシートと剛性より伸びを優先するシートとを組み合わせることによって、前記方法の中間の効果を得ることも出来る。

以下、本発明による補強構造の形成を具体的に説明する。
初めに、図４に示すとおり、下地処理４として、貯水用鋼製タンク１の表面をディスクグラインダーもしくはサンドブラスターを使って、表面にある錆や塗装を除去し、ケレンする。補強範囲は側板２ａであるが、下地処理４は、１段目と２段目の側板厚の変化位置２ｃから５ｃｍ程度離隔した範囲まで処理する。これは、繊維強化プラスチックとの境界に水滴が付着した場合、母材である鋼材を腐食させる恐れがあるため、プライマー５およびパテ６の範囲を広くし、絶縁範囲を確保するものである。また、鋼材が薄肉でディスクグラインダーによる摩擦熱で鋼材が変形する場合は、サンドブラスターやショットブラストなどを用いることが好ましい。塗膜・錆等の取り残しや段差は接着不良の、また段差１ｍｍ以上の突起などが有る場合は繊維破断の原因となるので確実に取り除く。そして次のプライマー５を塗布する為に、アセトン等で十分に接着面（下地処理４の全面）を清掃し、油分などを取り除く。

次に下地処理４を施した面に、次に塗るパテ６と下地処理した貯水用鋼製タンク１の表面の馴染み（濡れ性）を良くするためにプライマー５を塗布する。プライマー５はエポキシ系とすることが好ましいが、気温５度以下での施工を行う場合はアクリル系、もしくはＭＭＡ（メタクリル酸）系を用いてもよい。ただし、本発明で使用するプライマー５、パテ６及び繊維強化プラスチック７を構成する含浸接着樹脂７ｂの種類は、統一するものとし、エポキシ系、アクリル系もしくはＭＭＡ系から選定するものとする。プライマー５を例えば０．１ｋｇ／ｍ^２となるようにローラー等を使って上側から塗布し、硬化するまで養生する。

次にプライマー５を塗布した面の上から、含浸接着樹脂とプライマー５の馴染み（濡れ性）の向上と、繊維強化プラスチック７の接着面を平滑にするためにパテ６を塗布する。パテ６は例えば１．０〜１．５ｋｇ／ｍ^２となるように鏝等を使って平坦に塗布し、硬化するまで養生する。なお、樹脂接着面に段差がある場合は、段差が１ｍｍ以内となるように、１／１０以下のすり付け処理を行う。

次にパテ６の上から、繊維強化プラスチック７の補強範囲に含浸接着樹脂７ｂを下塗りとしてムラなく均一に下塗りを行う。その後、下塗りした面に連続繊維で構成される連続繊維シート７ａを、繊維方向が貯水用鋼製タンク１の周方向に巻き立てるように設置する。角度は、水平方向を０°とすると、０°±１０°の範囲内とすることが好ましい。その後、連続繊維シート７ａを含浸ローラーや脱泡ローラーを使って、繊維方向に沿ってしごき、樹脂の含浸を行う。その後、含浸させた連続繊維シート７ａの上から含浸接着樹脂７ｂを上塗りし、再度含浸を実施し、ゴムヘラ等で樹脂表面を平滑化させる。そして、樹脂が硬化するまで養生させる。連続繊維シート７ａを２層以上積層する場合は、含浸接着樹脂７ｂの下塗り、連続繊維シート７ａ設置、含浸、含浸接着樹脂７ｂの上塗りを繰り返す。また、含浸接着樹脂７ｂの下塗り、上塗りの比率は、下塗り：上塗り＝５〜７：５〜３とすることが好ましい。

ここで、連続繊維シート７ａとしては、ガラス繊維シート、アラミド繊維シート、炭素繊維シート、高密度ポリエチレンシート、バサルト繊維シートなどを用いることが可能であるが、高剛性、高強度、高耐久性を考慮すると炭素繊維シートを用いるのが良い。炭素繊維シートの中でも、鋼材が降伏後も側板の剛性を保ちながら強度を維持できる、弾性率が２３０ｋＮ／ｍｍ^２以上で、引張強度が２４００Ｎ／ｍｍ^２以上の炭素繊維で構成される一方向の炭素繊維シートを用いることが最適である。

さらに鋼製タンクの耐力を増加させて地震時の慣性力に抵抗させたい場合は、弾性率が３５０ｋＮ／ｍｍ^２以上で、かつ破断伸度が０．３％以上の炭素繊維シートを用い、他方、鋼製タンクの靭性を向上させて地震荷重に抵抗させたい場合は、弾性率が２３０ｋＮ／ｍｍ^２以上で、かつ破断伸度が１．４％以上の炭素繊維シートを用い、かつ耐力を若干向上させながら変形を若干許容させたい場合は、前記炭素繊維シートの種類の組み合わせで用いることが適切である。

また、側板２ａ、プライマー５、パテ６、繊維強化プラスチック７と各層が形成されるが、各層間が完全に接着されている必要はなく、貯水用鋼製タンク１に設置される繊維強化プラスチック７が、設置面積の少なくとも１０％が非接着で絶縁されていてもよい。また、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を設置する範囲は、貯水用鋼製タンク１の補強設計から必要な範囲を補強すればよく、図３に示すように貯水用鋼製タンク１の側板２ａを部分的に補強してもよく、図２に示すように必要に応じて貯水用鋼製タンク１の側板２ａの全面を補強してもよい。

最後に、繊維強化プラスチック７に保護層８が必要な場合は、アクリルもしくはウレタン塗装を実施する。

（１）試験体
シームレス鋼管のＳＴＫＭ１３Ａ（外径２６７．４ｍｍ、肉厚１０ｍｍ、高２００ｍｍ）から削り出し、外径Ｄ２６２ｍｍ、肉厚ｔ２ｍｍ、高さ２００ｍｍに加工した、Ｄ／ｔ＝１３１となる鋼管試験体９を用いて、圧縮試験を行い、象脚座屈に対する補強効果を確認した。試験で用いた鋼管試験体９を表１に示す。

また、補強に使用する材料に関して、炭素繊維シートは、東レ（株）製中弾性型トレカクロスＵＭ４６−３０Ｇと東レ製（株）高強度型トレカクロスＵＴ７０−３０Ｇを用いた。

また、使用した樹脂はエポキシ系とし、プライマーはコニシ（株）製Ｅ８１０ＬＳを、パテはコニシ（株）製Ｅ３９５Ｓを、含浸接着樹脂はコニシ（株）製Ｅ２５００Ｓを用いた。

鋼管試験体９は、無補強のものと、東レ（株）製トレカクロスＵＭ４６−３０Ｇを１層、繊維方向が水平になるように鋼管周方向に補強したもの（以下、ＵＭと称す）と、東レ（株）製トレカクロスＵＴ７０−３０Ｇを１層、繊維方向が水平になるように鋼管周方向に補強したもの（以下、ＵＴと称す）と、東レ（株）製トレカクロスＵＭ４６−３０Ｇを１層、繊維方向が水平になるように鋼管周方向に補強するが、パテとトレカクロスの間は、ポリ塩化ビニリデンフィルム（厚み２μｍ）を挟み、接着を完全剥離させ絶縁したもの（以下、ＮＢと称す）の４水準である。表１に試験体の一覧表を示す。

次に試験体の作製について説明する。始めに、下地処理として、鋼管試験体９の表面を、サンドブラスターを使ってケレンした。補強範囲は鋼管試験体９の高さ２００ｍｍのうち、上下耐圧版１０に挟み込むための溝分を考慮し、補強範囲は、鋼管試験体９の全周に高さ１９０ｍｍとした。

次にプライマー５を塗布する前に、アセトン等で十分に接着面（補強範囲）を清掃し、油分などを取り除いた。

次に０．１ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、プライマー５を、塗布ローラーを使って均一に塗布し、２３℃の室内で、硬化するまで養生した。

次にプライマー５を塗布した面の上から、１．０ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、パテ６を、プラスチック製ヘラを使って均一・平坦に塗布し、２３℃の室内で、硬化するまで養生した。

次にパテ６の上から、補強範囲に、０．５ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、含浸接着樹脂を、下塗りとしてムラなく均一に塗布した。その後、下塗りした含浸接着樹脂面に炭素繊維シートを、繊維方向が鋼管試験体９の周方向となるように巻き立て、また炭素繊維シート端部は、一体化して輪になるように、１００ｍｍ長さが重なるように継ぎ手した。炭素繊維シートをジュラコン製ネジ切含浸ローラーで、炭素繊維シート全面に万遍なく押して、含浸接着樹脂が滲み出るのを待った後に、炭素繊維シートを、前記含浸ローラーを使って、繊維方向に沿ってしごき、含浸を行う。そして、含浸させた炭素繊維シートの上から０．３ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、含浸接着樹脂を上塗りし、再度含浸を実施し、ゴムヘラ等で樹脂表面を平滑化させた。そして、２３℃の室内で、硬化するまで養生した。そして、鋼管試験体９周囲に炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰと称す）を形成し、試験体ＵＭ及びＵＴを製作した。

なお、試験体ＮＢについては、パテ硬化後に、ポリ塩化ビニリデンフィルム（旭化成（株）製サランラップ(登録商標)）を鋼管試験体９周囲に巻き立て、その上からＣＦＲＰを形成し、製作した。つまり、該ポリ塩化ビニリデンフィルムによって、鋼管とＣＦＲＰを一切接着させずに、絶縁された状態を形成した。これら試験体の一覧表を表１に示す。

（２）圧縮試験
図５に示すように、鋼管試験体９の上下を耐圧版１０で挟み、前川試験製作所製アムスラー型万能試験機（最大圧縮能力１０００ｋＮ）を使って鋼管軸方向荷重１４を掛けた。また、試験中は、上下耐圧版の変位を測定するために、変位計１１ａ、１１ｂを設置し、鋼管試験体９の側面には、軸方向ひずみを測定する軸方向ひずみゲージ１２と周方向ひずみを測定する周方向ひずみゲージ１３を設置し、荷重、変位、ひずみを測定した。

（３）試験結果
最大荷重、最大荷重上昇率および最大荷重時の破壊モードを表２に示す。試験体ＵＭ、ＵＴ、ＮＢとも無補強より最大荷重は増加し、１３〜２１％の座屈補強効果が現れている。また、破壊モードについて、無補強試験体では、鋼管下側から３０ｍｍ位置付近で周方向に膨らみながら、最大荷重に達したと同時に軸対称局部塑性座屈を生じた。しかし、ＵＭ、ＵＴ、ＮＢ試験体では最大荷重に達したと同時にＣＦＲＰが破断となった。試験結果の一覧表を表２に示す。

次に図６に、荷重−軸方向変位関係の曲線を、図７に荷重−軸方向ひずみ関係の曲線を、図８に荷重−周方向ひずみ関係の曲線を示す。無補強試験体では、鋼管の降伏・剛性低下と同時に最大荷重に達し、その後は軸方向の変位を増加しながら荷重は低下した。しかし、ＣＦＲＰで補強された鋼管試験体では、荷重は増加し、剛性低下後も荷重は僅かに上昇している。そして最大荷重到達後には、無補強試験体同様、軸方向の変位を増加しながら荷重は低下した。

（１）試験体
シームレス鋼管のＳＴＫＭ１３Ａ（外径２６７．４ｍｍ、肉厚１０ｍｍ、高２００ｍｍ）から削り出し、外径Ｄ２６２ｍｍ、肉厚ｔ１．５ｍｍ、高さ２００ｍｍに加工した、Ｄ／ｔ＝１７４となる鋼管試験体９を用いて、圧縮試験を行い、象脚座屈に対する補強効果を確認した。試験で用いた鋼管試験体９を表３に示す。

また、補強に使用する材料に関して、炭素繊維シートは、東レ（株）製中弾性型トレカクロスＵＭ４６−３０Ｇと東レ製（株）高強度型トレカクロスＵＴ７０−３０Ｇを用いた。

また、使用した樹脂はエポキシ系とし、プライマーは東レＡＣＥ（株）製ＡＵＰ４０Ｓを、パテは東レＡＣＥ（株）製ＡＵＦ６０Ｓを、含浸接着樹脂は東レＡＣＥ（株）製ＡＵＲ８０Ｓを用いた。

鋼管試験体９は、無補強のもの（以下、ＢＬ２と称す）と、東レ（株）製トレカクロスＵＭ４６−３０Ｇを１層、繊維方向が水平になるように鋼管周方向に補強したもの（以下、ＵＭ２と称す）と、東レ（株）製トレカクロスＵＴ７０−３０Ｇを１層、繊維方向が水平になるように鋼管周方向に補強したもの（以下、ＵＴ２と称す）の３水準である。表３に試験体の一覧表を示す。

次に試験体の作製について説明する。始めに、下地処理として、鋼管試験体９の表面を、サンドブラスターを使ってケレンした。補強範囲は鋼管試験体９の高さ２００ｍｍのうち、上下耐圧版１０に挟み込むための溝分を考慮し、補強範囲は、鋼管試験体９の全周に高さ１９０ｍｍとした。

次にプライマー５を塗布する前に、アセトン等で十分に接着面（補強範囲）を清掃し、油分などを取り除いた。

次に０．１ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、プライマー５を、塗布ローラーを使って均一に塗布し、２３℃の室内で、硬化するまで養生した。

次にプライマー５を塗布した面の上から、１．０ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、パテ６を、プラスチック製ヘラを使って均一・平坦に塗布し、２３℃の室内で、硬化するまで養生した。

次にパテ６の上から、補強範囲に、０．５ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、含浸接着樹脂を、下塗りとしてムラなく均一に塗布した。その後、下塗りした含浸接着樹脂面に炭素繊維シートを、繊維方向が鋼管試験体９の周方向となるように巻き立て、また炭素繊維シート端部は、一体化して輪になるように、１００ｍｍ長さが重なるように継ぎ手した。炭素繊維シートをジュラコン製ネジ切含浸ローラーで、炭素繊維シート全面に万遍なく押して、含浸接着樹脂が滲み出るのを待った後に、炭素繊維シートを、前記含浸ローラーを使って、繊維方向に沿ってしごき、含浸を行う。そして、含浸させた炭素繊維シートの上から０．３ｋｇ／ｍ^２の塗布量で、含浸接着樹脂を上塗りし、再度含浸を実施し、ゴムヘラ等で樹脂表面を平滑化させた。そして、２３℃の室内で、硬化するまで養生した。そして、鋼管試験体９周囲にＣＦＲＰを形成し、試験体ＵＭ２及びＵＴ２を製作した。

（２）圧縮試験
図５に示すように、鋼管試験体９の上下を耐圧版１０で挟み、前川試験製作所製アムスラー型万能試験機（最大圧縮能力１０００ｋＮ）を使って鋼管軸方向荷重１４を掛けた。また、試験中は、上下耐圧版の変位を測定するために、変位計１１ａ、１１ｂを設置し、鋼管試験体９の側面には、軸方向ひずみを測定する軸方向ひずみゲージ１２と周方向ひずみを測定する周方向ひずみゲージ１３を設置し、荷重、変位、ひずみを測定した。

（３）試験結果
最大荷重、図９の荷重−変位曲線から剛性が半分まで失われた時の剛性低下時荷重、剛性低下時荷重から最大荷重までの伸びおよび剛性低下時荷重から最大荷重を超え剛性が低下するまでの変形量を表４に示す。試験体ＵＭ２、ＵＴ２ともＢＬ２より最大荷重は増加し、７〜１０％の座屈補強効果が現れている。一方、剛性低下時荷重後から最大荷重までの伸びを見ると、試験体ＵＭ２で２．５倍、ＵＴ２で１．４倍の効果を示している。さらに剛性低下時荷重から最大荷重を超えて、再び剛性が低下する時点までの変形量を見ると、試験体ＵＭ２で４．１倍、ＵＴ２で５．４倍を示し、炭素繊維シート補強によって局部塑性座屈を抑制しながら変形を続け、エネルギーを吸収できていることを確認できた。

次に図９に、荷重−軸方向変位関係の曲線を、図１０に荷重を試験体断面積で除した平均圧縮応力度−鋼管内側軸方向ひずみ関係の曲線を、図１１に荷重を試験体断面積で除した平均圧縮応力度−鋼管外側軸方向ひずみ関係の曲線を、図１２に平均圧縮応力度−周方向ひずみ関係の曲線を示す。ＢＬ２では、鋼管の降伏・剛性低下後に僅かに荷重は増えて最大荷重に達し、その後は軸方向の変位を増加しながら急激に荷重は低下した。しかし、ＣＦＲＰで補強された鋼管試験体では、荷重は増加し、剛性低下後も荷重は上昇している。そして最大荷重到達後には、無補強試験体同様、軸方向の変位を増加しながら荷重は低下したが、ＵＴ２の降下の度合いはＵＭ２に比べ極めて緩やかである。また、図１２より、周方向の補強により軸方向のひずみ量にはほとんど変化がないが、弾性率の高いＵＭ２では、周方向のひずみは抑えられており、補強効果が見て取れる。

以上、実施例１、実施例２のように、上記試験により、周方向のＣＦＲＰ補強のため、軸方向の剛性向上はしていないが、軸方向の鋼管の降伏を遅らせる効果があることを確認できた。

また、実施例１における試験体ＮＢのように接着層を絶縁した場合においても、ＣＦＲＰを周方向に巻き立てることによって最大荷重および鋼管の降伏を遅らせることは可能であることがわかった。

これまで、軸方向にＣＦＲＰを補強することで鋼材の応力緩和を行い、鋼材の降伏を遅らせ、強度を向上させる知見は多いが、今回のように軸方向に補強していなくても線形的に鋼材の降伏を遅らせることができた。ＣＦＲＰの拘束効果によって降伏応力度が上昇し，座屈強度が向上しているものと考える。

ただし、本発明は、軸方向の補強、特に軸方向への強化繊維の配向(例えば、連続繊維シートの繊維方向が軸方向であるもの)を排除するものではなく、その繊維方向が少なくとも中空の鋼製円筒構造物の周方向とされていれば、上記のような優れた効果が得られる。

本発明は、既設の鋼製タンクの補強だけではなく、新設の鋼製タンク、更には、食品・醸造用プラント設備の金属製円筒容器、ロケットの外殻にも適用可能である。また、鋼製に限らずプラスチック製などの薄肉シェル構造への補強にも展開可能である。

１ 中空の鋼製円筒構造物としての貯水用鋼製タンク
２ａ １段目側板
２ｂ ２段目側板
２ｃ １段目と２段目の側板厚の変化位置
３ 貯留水
４ 下地処理
５ プライマー
６ パテ
７ 繊維強化プラスチック
７ａ 連続繊維シート
７ｂ 含浸接着樹脂
８ 保護層
９ 鋼管試験体
１０ 耐圧版
１１ａ 上側耐圧版の変位計
１１ｂ 下側耐圧版の変位計
１２ 鋼管試験体の軸方向ひずみゲージ
１３ 鋼管試験体の周方向ひずみゲージ
１４ 鋼管軸方向荷重

Claims (10)

1. 中空の鋼製円筒構造物を補強する構造であって、前記中空の鋼製円筒構造物の側板面に繊維強化プラスチックが設置されていることを特徴とする鋼製円筒構造物の補強構造。
2. 前記鋼製円筒構造物が、少なくとも底板と該底板上に立設された側板とを備えているとともに、円筒状もしくは略円筒状または断面が長円状の形状を有し、外径（Ｄ）と側板厚（ｔ）の比Ｄ／ｔが、Ｄ／ｔ≧１００を満たし、かつ、構造物高さ（Ｈ）と外径（Ｄ）の比Ｈ／Ｄが、０．２５≦Ｈ／Ｄ≦２．０を満たす、請求項１に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
3. 地震時において前記鋼製円筒構造物の側板に局部塑性座屈が生じることが予測される側板面に前記繊維強化プラスチックが設置されている、請求項１または２に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
4. 前記鋼製円筒構造物が容器構造である、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
5. 前記繊維強化プラスチックが、前記鋼製円筒構造物の側板のうち、少なくとも内面もしくは外面のいずれかに設置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
6. 前記繊維強化プラスチックが、前記鋼製円筒構造物の側板の周囲を少なくとも部分的に覆っている、請求項１〜５のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
7. 前記繊維強化プラスチックが、連続する繊維で構成される連続繊維シートと、該連続繊維シートに現場で含浸される樹脂とから構成される、請求項１〜６のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
8. 前記連続繊維シートの繊維方向として、少なくとも、中空の鋼製円筒構造物の周方向を含む、請求項７に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
9. 前記連続繊維シートが、炭素繊維を含む、請求項７または８に記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
10. 前記鋼製円筒構造物の側板面に設置される前記繊維強化プラスチックの設置面積の少なくとも１０％が、前記側板面に対して非接着の絶縁された状態にある、請求項１〜９のいずれかに記載の鋼製円筒構造物の補強構造。
    

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