JP2016186209A - 炭素繊維強化プラスチック線材シート及び鋼構造物の補強方法 - Google Patents
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Abstract
Description
炭素繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、
前記炭素繊維強化プラスチック線材の中の所定の前記炭素繊維強化プラスチック線材は、該線材の両端に端子電極が付設されており、該線材の電気抵抗が計測可能とされた炭素繊維強化プラスチック線材センサである、
ことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック線材シートが提供される。
互いに隣接する前記炭素繊維強化プラスチック線材は、互いに空隙(g)=0.05〜3.0mmだけ近接離間して配置されている。
少なくとも一層の繊維シートは請求項1〜5のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シートであり、
前記炭素繊維強化プラスチック線材シートの前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗を計測することにより、前記補強された鋼構造物の補強状態の検知を行う、
こと特徴とする鋼構造物の補強方法が提供される。
前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値をR、初期抵抗値をRoとしたとき、下記式で表わされるRcrを電気抵抗変化率とすると、
Rcr=(R−Ro)/Ro
(1)前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値(R)を計測し、前記電気抵抗変化率(Rcr)が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が増大している領域に対応する前記補強された鋼構造物に亀裂が発生したか、又は、亀裂の進展があったか、又は、鋼構造物に腐食劣化が進行したかのいずれかであると判断し、また、
(2)前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値(R)を計測し、前記電気抵抗変化率(Rcr)が減少している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が減少している領域にて前記補強された鋼構造物から前記繊維シートの剥離が生じたと判断する。
(1)前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値(Ro)から推定電気抵抗増加率αを求め、次に、
(2)前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗理論値(Roth)の時の推定電気抵抗増加率βを求め、
(3)実験から得られた前記炭素繊維強化プラスチック線材センサのひずみ−電気抵抗変化率関係をプロットし、ひずみxiが発生したときの電気抵抗変化率の値を、前記推定電気抵抗増加率α及び前記推定電気抵抗増加率βに基づき得られる比を用いて、算出し、補正する。
少なくともシート軸方向へと一方向に引き揃えた強化繊維を含む強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであるか、
強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであるか、
強化繊維を一方向に引き揃えた強化繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートであるか、又は、
強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートである。
図1(a)、(b)に、本発明に係る炭素繊維強化プラスチック線材シート(「ストランドシート」と称することもある。)1の一実施例を示す。本発明の炭素繊維強化プラスチック線材シート1は、図5を参照して後述するように、鋼構造物100を補強するために、鋼構造物100の表面に接着剤105にて接着される。
Rcr=(R−Ro)/Ro=△R/Ro (1)
にて表わされる。
次に、本発明に従った鋼構造物の補強方法について説明する。被補強対象物である鋼構造物としては、鋼橋、鋼建造物における鋼製の桁、梁、更には、機械装置の鋼製部材などのような土木、建築、機械装置などの鋼構造物などが考えられる。本発明によれば、斯かる鋼構造物を構成する鋼部材の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化することによって鋼構造物が補強される。
図5(a)、(b)に示すように、必要に応じて、鋼構造物100の被補強面(即ち、被接着面)101の脆弱部101aを、ディスクサンダー、サンドブラスト、スチールショットブラスト、ウォータージェットなどの研削手段50により除去し、鋼構造物100の被接着面101を下地処理する。
下地処理した面102にプライマー103、例えば、エポキシ変性ウレタン樹脂プライマーを塗布する(図5(c))。プライマー103としては、エポキシ変性ウレタン樹脂系に限ることなくMMA系樹脂など、被補強鋼構造物100の材質、繊維シート接着剤105などに合わせて適宜選定される。
図5(d)、(e)に示すように、下地処理された被補強鋼構造物100の上に接着剤105を塗布し、この面に、本実施例では、本発明に従って構成される、上記図1(a)、(b)を参照して説明した、炭素繊維強化プラスチック線材センサ2Sを備えた炭素繊維強化プラスチック線材シート1が接着される。このとき、炭素繊維強化プラスチック線材シート1は、曲げモーメント及び軸力を主として受ける部材(構造物)に対しては、曲げモーメントにより生じる引張応力或いは圧縮応力の主応力方向に強化繊維の配向方向を概ね一致させて接着する。
従来、鋼構造物を構成する鋼部材の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化することによって鋼構造物を補強することが行われている。しかしながら、従来の補強方法では、繊維シートを貼付して補強された鋼構造物は、その後の鋼構造物の被補強面の状態を確認することができない。本発明は、斯かる従来の問題点を解決することができる。
先ず、炭素繊維強化プラスチック線材センサ2Sのひずみ(ε)と電気抵抗変化率(Rcr)との関係について説明する。
ε=P/EA
ε:ひずみ
E:弾性係数
P:引張荷重
A:ストランドシート1枚に含まれるストランドの断面積
と概ね一致した。
Roth=ρ×(L/As) (2)
Roth:初期抵抗理論値
ρ:体積抵抗率
L:電気抵抗測定区間の長さ
As:炭素繊維強化プラスチック線材センサ1本当たりの断面積
詳しくは後述するが、初期抵抗値Roと電気抵抗増加率の関係について言えば、初期抵抗が大きくなるにつれ、増加率も増加する傾向にある。従って、各炭素繊維強化プラスチック線材センサ2Sの初期抵抗が異なる場合、増加率を一定にするため、補正する必要がある。
y=(0.4864Ro−1.387)×10-5 (3)
本試験では、鋼構造物に発生する亀裂を模擬して、鋼板に一部切断加工を行い、炭素繊維強化プラスチック線材シートを接着し、補強効果が達成されているか、及び、炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗を計測することにより切断加工部が検出できるかを検討した。
図17(a)、(b)に、本実験で使用した、一部切断加工した鋼板100を示す。鋼板中央に幅方向に長さ30mm、切断幅2mmの切断部110を形成した。鋼板としてはSS400を使用した。鋼板の材料特性は上記表4に示す通りであった。この鋼板100に、図18(a)〜(c)に示すように、本実験の供試体としての、上記実施例で説明した図1(a)、(b)に示す構成の炭素繊維強化プラスチック線材シート1を接着した。本試験では、鋼板100の両面に炭素繊維強化プラスチック線材シート1を1枚づつ貼付した。
鋼板100に炭素繊維強化プラスチック線材シート1を接着した試験片100Sに対して、試験片100Sの端から100mmをチャックで摘み、アムスラー式万能試験機を用いて、引張試験を行った。また、炭素繊維強化プラスチック線材センサ2Sの端子電極20をプローブで掴み、電気抵抗を測定した。
2 炭素繊維強化プラスチック線材(ストランド)
2S 炭素繊維強化プラスチック線材センサ(計測ストランド)
3 線材固定材(横糸、メッシュ支持体シート、可撓性帯材)
10 繊維シート
20 端子部材(端子電極)
100 鋼構造物
105 接着剤
Claims (13)
- 鋼構造物の表面に接着剤にて接着して鋼構造物を補強するための炭素繊維強化プラスチック線材シートであって、
炭素繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した炭素繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、
前記炭素繊維強化プラスチック線材の中の所定の前記炭素繊維強化プラスチック線材は、該線材の両端に端子電極が付設されており、該線材の電気抵抗が計測可能とされた炭素繊維強化プラスチック線材センサである、
ことを特徴とする炭素繊維強化プラスチック線材シート。 - 前記炭素繊維強化プラスチック線材は、直径(d)が0.5〜3mmの略円形断面形状であるか、又は、幅(w)が1〜10mm、厚み(t)が0.1〜2mmとされる略矩形断面形状であり、
互いに隣接する前記炭素繊維強化プラスチック線材は、互いに空隙(g)=0.05〜3.0mmだけ近接離間して配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。 - 隣り合った前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの間には、前記端子電極を有さない炭素繊維強化プラスチック線材が配置されないか、又は、前記端子電極を有さない炭素繊維強化プラスチック線材が1〜10本の範囲内で配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。
- 前記炭素繊維は、ピッチ系又はPAN系の炭素繊維であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。
- 前記マトリクス樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂とされ、前記熱硬化性樹脂は、常温硬化型若しくは熱硬化型のエポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、アクリル樹脂、MMA樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、光硬化型樹脂であり、又、前記熱可塑性樹脂は、ナイロン又はビニロンであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シート。
- 鋼構造物の表面上に強化繊維を含む繊維シートを一層又は複数層、接着剤にて接着して一体化する鋼構造物の補強方法において、
少なくとも一層の繊維シートは請求項1〜5のいずれかの項に記載の炭素繊維強化プラスチック線材シートであり、
前記炭素繊維強化プラスチック線材シートの前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗を計測することにより、前記補強された鋼構造物の補強状態の検知を行う、
こと特徴とする鋼構造物の補強方法。 - 前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値をR、初期抵抗値をRoとしたとき、下記式で表わされるRcrを電気抵抗変化率とすると、
Rcr=(R−Ro)/Ro
前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値(R)を計測し、前記電気抵抗変化率(Rcr)が増大している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が増大している領域に対応する前記補強された鋼構造物に亀裂が発生したか、又は、亀裂の進展があったか、又は、鋼構造物に腐食劣化が進行したかのいずれかであると判断することを特徴とする請求項6に記載の鋼構造物の補強方法。 - 前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値をR、初期抵抗値をRoとしたとき、下記式で表わされるRcrを電気抵抗変化率とすると、
Rcr=(R−Ro)/Ro
前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの電気抵抗値(R)を計測し、前記電気抵抗変化率(Rcr)が減少している領域が発生したとき、該電気抵抗変化率が減少している領域にて前記補強された鋼構造物から前記繊維シートの剥離が生じたと判断することを特徴とする請求項6に記載の鋼構造物の補強方法。 - (1)前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗値(Ro)から推定電気抵抗増加率αを求め、次に、
(2)前記炭素繊維強化プラスチック線材センサの初期抵抗理論値(Roth)の時の推定電気抵抗増加率βを求め、
(3)実験から得られた前記炭素繊維強化プラスチック線材センサのひずみ−電気抵抗変化率関係をプロットし、ひずみxiが発生したときの電気抵抗変化率の値を、前記推定電気抵抗増加率α及び前記推定電気抵抗増加率βに基づき得られる比を用いて、算出し、補正する、
ことを特徴とする請求項6〜8のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。 - 前記鋼構造物に接着される、前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の繊維シートは、強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維などの無機繊維;ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維;アラミド、PBO(ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール)、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維;が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することを特徴とする請求項6〜9のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
- 前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の前記繊維シートは、少なくともシート軸方向へと一方向に引き揃えた強化繊維を含む強化繊維を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであることを特徴とする請求項6〜10のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
- 前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の前記繊維シートは、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートであることを特徴とする請求項6〜10のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
- 前記炭素繊維強化プラスチック線材シート以外の前記繊維シートは、強化繊維を一方向に引き揃えた強化繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートか、又は、強化繊維にマトリクス樹脂が含浸され、硬化された連続した繊維強化プラスチック線材を複数本、長手方向にスダレ状に引き揃え、線材を互いに線材固定材にて固定した繊維シートに樹脂を含浸して、前記樹脂が硬化された樹脂含浸硬化繊維シートであることを特徴とする請求項6〜10のいずれかの項に記載の鋼構造物の補強方法。
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