JP2018053682A - 鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で効率よく座屈補強を行うことができ、しかも火気を使用することなく、補強にかかる施工効率を向上させることができる。
【解決手段】長尺な山形鋼部材２０と、山形鋼部材２０の内角側に添わせて配置される長尺の角型鋼管３０と、山形鋼部材２０及び角型鋼管３０の両方の周囲に巻き付けて固化された状態で設けられた補強シート１０と、を備え、補強シート１０は、包帯状のシート材１１と、シート材１１を固化させるために付着された接着剤１２と、を備えた構成の鉄骨補強構造を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法に関する。

従来、例えばトラス構造からなる鉄骨構造の既存の構造物において、鉄骨を補強することによる耐震補強を行う場合があり、構造種別と必要耐力に応じて様々な工法が採用されている。このような鉄骨の補強方法としては、既設の鉄骨に対して補強用の鋼材を溶接することによる補強方法が主流となっていた。しかし、既存の構造物が例えば工場等の施設の場合であれば、工場を稼働させた状態、すなわち工場を停止させずに補強工事が行えるとともに、溶接、すなわち火気を使用しない方法が求められていた。

そこで、溶接を使用する補強工法を用いない補強構造として、例えば特許文献１、２に示されるように既存の鉄骨部材の周囲を覆うように補強鋼材をボルト接合により設けるものが知られている。
また、溶接による火気を使用しない補強構造として、鋼管などの既設の鉄骨部材の内側にモルタルを充填することで座屈補強を行う方法も知られている。

特開２００２−１８０５３５号公報 特開２０１２−７３０３号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示されるような従来の補強構造では、ボルト接合を行うため、既設の鉄骨部材にボルト孔を設ける必要があり、そのボルト孔による母材（既設の鉄骨部材）に断面欠損が生じることとなり、補強効率の点で課題があった。
また、補強鋼材による補強や鋼管にモルタルを充填する補強の場合には、補強材料の大型化や重量の増大化という問題があり、さらにそれに伴う施工性が低下することから、その点で改善の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構造で効率よく座屈補強を行うことができ、しかも火気を使用することなく、補強にかかる施工効率を向上させることができる鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄骨補強構造は、鉄骨部材の周囲を補強シートで覆うことにより座屈補強される鉄骨補強構造であって、前記補強シートは、前記鉄骨部材に巻き付けられるシート材と、前記シート材を固化させる接着剤と、を備え、前記シート材が前記鉄骨部材の周囲に巻き付けられた状態で、前記シート材が前記接着剤によって固化されていることを特徴としている。

また、本発明に係る鉄骨補強方法は、上述した補強シートで前記鉄骨部材の周囲を覆うことにより座屈補強される前記鉄骨補強構造を施工するための鉄骨補強方法であって、 前記シート材を前記鉄骨部材の周囲に巻き付ける工程と、巻き付けた前記シート材を接着剤で固化する工程と、を有することを特徴としている。

また、本発明に係る鉄骨補強方法は、上述した補強シートで前記鉄骨部材の周囲を覆うことにより座屈補強される前記鉄骨補強構造を施工するための鉄骨補強方法であって、前記シート材に前記接着剤を含浸させる工程と、前記接着剤が含浸された前記シート材を前記鉄骨部材の周囲に巻き付ける工程と、を有することを特徴としている。

本発明では、既設の鉄骨部材に所定厚さで巻き付けたシート材が接着剤によって固化された状態となり、鉄骨部材と補強シートとが一体化された構造となるので、座屈耐力を向上させることができる。そして、本発明の鉄骨補強構造は、シート材を巻き付ける工程と、シート材を接着剤で固化する工程による簡単な作業によって補強できるので、施工効率を向上させることができるうえ、施工時における溶接による火気の使用が不要となる利点がある。
さらに、本発明では、補強部材としてシート材を使用するため、軽量であり、且つ補強部材の大型化を防ぐことができるので、取り扱いが容易となる。このような構成により、既設の鉄骨構造を例えば構造物の機能を活かしたまま補強することが可能となる。

また、本発明では、補強にボルトを使用することがないので、既設の鉄骨部材に断面欠損が生じることもない。
さらに、鉄骨補強構造の施工において、予めシート材に接着剤を含浸させたテープ状の部材を製作しておくことで、施工現場ではそのテープ状に形成された補強シートを鉄骨部材の周囲に巻き付けるといった簡単な作業により施工することができる。

また、本発明に係る鉄骨補強構造は、前記鉄骨部材には補強用鋼材が添設され、前記シート材は、前記鉄骨部材及び前記補強鋼材の周囲に巻き付けられていることが好ましい。

このような構造によれば、補強用鋼材が鉄骨部材に添設された状態で補強シートによって覆われた補強構造となるので、補強用鋼材が付加されることにより断面性能を高めることができる。しかも、補強用鋼材と鉄骨部材とは添わせただけで接合、又は接着されない構造となるので、施工が簡単であり、鉄骨部材の断面欠損が生じることもなく、好適な補強構造となる。

また、本発明に係る鉄骨補強構造は、前記シート材は、前記接着剤が含浸可能な隙間を有する繊維状の部材からなることが好ましい。

この場合には、シート材の繊維状の隙間に接着剤が含浸されるので、シート材が接着剤によって確実に固化された状態となる。さらに例えば炭素繊維シートのようにシート材自体でも強度を有する部材を用いることで、補強シートとして、シート材と接着剤のそれぞれ強度を組み合わせた座屈耐力をもたせることができる。

また、本発明に係る鉄骨補強構造は、前記シート材は、複数層に積層されていてもよい。

本発明では、シート材自体の強度を増大させることができる。また、異なる材質の層により構成することも可能であるので、例えば積層される中間層を接着剤が含浸し易い発泡部材とし、補強性能を高めた構成とすることも可能である。

本発明の鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法によれば、簡単な構造で、鉄骨部材の断面欠損等がなく効率よく座屈補強を行うことができる。
また、本発明では、補強シートで鉄骨部材を覆うだけの構成となるので、火気を使用することがなくなり、補強にかかる施工効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態による鉄骨補強体の構成を示す一部破断した斜視図である。 図１に示す鉄骨補強体の断面図である。 図１に示す鉄骨補強体の側面図であって、（ａ）は鉄骨部材の長手方向全体にわたって補強シートが設けられた図、（ｂ）は鉄骨部材の長手方向に間隔をあけて部分的に補強シートが設けられた図である。 鉄骨補強体の断面性能を向上させる補強効果を説明するための図であって、鉄骨補強体の断面図である。 第２の実施の形態による鉄骨補強体の断面図である。 第２の実施の形態の変形例による鉄骨補強体の断面図である。 第３の実施の形態による補強シートの断面図である。 第４の実施の形態による鉄骨補強体の断面図である。

以下、本発明の実施の形態による鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１及び図２に示すように、本実施の形態の鉄骨補強体１（鉄骨補強構造）は、例えばトラス構造の上弦材・下弦材やラチス材等の既存の鉄骨部材（山形鋼部材２０）を補強する際に、補強シート１０で山形鋼部材２０を覆うように設けられることで座屈耐力を向上させる補強構造となっている。

本第１の実施の形態では補強する鉄骨部材として、Ｌ字断面の山形鋼部材２０が採用されている。すなわち、鉄骨補強体１は、長尺な山形鋼部材２０と、山形鋼部材２０の内角側に添わせて配置される長尺の角型鋼管３０（補強用鋼材）と、山形鋼部材２０及び角型鋼管３０の両方の周囲に巻き付けて固化された状態で設けられた補強シート１０と、を備えている。

角型鋼管３０は、高さ寸法が、山形鋼部材２０の一辺の長さ寸法と略一致している。そして、山形鋼部材２０の二辺２０ａ、２０ａによって形成される内角側に角型鋼管３０の角部を合わせるようにして添設されている。

補強シート１０は、包帯状のシート材１１と、シート材１１を固化させるために付着された接着剤１２と、を備えている。すなわち補強シート１０は、シート材１１を接着剤１２によって鉄骨材（山形鋼部材２０及び角型鋼管３０）に対して一体的に固定する構成となっている。そして、シート材１１も、接着剤１２が付着された状態となり、接着剤１２と同等以上の剛性及び強度となっている。なお、シート材１１は、接着剤１２が含浸可能な隙間を有する繊維状の部材であることが好ましく、シート材１１自体の強度に加え、接着剤１２が含浸することで強度が得られる。

シート材１１の材質としては、山形鋼部材２０の座屈を抑える補強性能を有し、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、グラスウール等を用いることができる。
接着剤１２としては、例えば、エポキシ樹脂系、ウレタン樹脂系、ポリウレタン樹脂系、アクリル樹脂系、フェノール樹脂系、シリコン樹脂系、変成シリコン樹脂系等が挙げられる。なお、接着剤として、適宜な固化材を混合した材料であってもよい。例えばアクリルにセメントを混合することでコンクリートと同等の強度が得られる。

補強シート１０は、山形鋼部材２０及び角型鋼管３０に対して複数回巻き付けることで、所望の補強厚ｔに形成することができる。
なお、補強シート１０として、シート材１１と接着剤１２は別体で設けられ、補強時にシート材１１を山形鋼部材２０に巻き付けながら接着剤１２を付着させることで一体的に固定した構成とすることができる。あるいは、予めシート材１１に接着剤１２を含浸させて形成されたテープ状のものを山形鋼部材２０に巻き付けることにより構成される補強シート１０であってもよい。

補強シート１０は、図３（ａ）に示すように山形鋼部材２０の全体にわたって巻き付けることも可能であるし、図３（ｂ）に示すように山形鋼部材２０の長手方向Ｘに適宜な間隔をあけて所定長さだけ巻き付けることも可能である。

このように構成される鉄骨補強体１を施工する際の鉄骨補強方法としては、シート材１１を山形鋼部材２０及びこれに添設された角型鋼管３０の周囲に巻き付け、巻き付けたシート材１１を接着剤１２で固化することにより、山形鋼部材２０の周囲を補強シート１０で覆った構造で補強することができる。このとき、シート材１１は山形鋼部材２０及び角型鋼管３０に対して所定の補強厚ｔとなるまで複数回巻き付ける。そして、接着剤１２を付着するタイミングとしては、シート材１１を例えば１周巻き回す毎でもよいし、あるいは所定の補強厚ｔが確保されて巻き付けが完了したタイミングであってもかまわない。

また、他の鉄骨補強方法としては、先ずシート材１１に接着剤１２を含浸させてテープ状、或いは包帯状の補強シート１０を製作しておく。これは、予め工場等で製品として製造されるものであってもかまわない。そして、製造された補強シート１０を施工現場に搬入して、接着剤１２が含浸されたシート材１１を山形鋼部材２０の周囲に巻き付けることで、山形鋼部材２０の周囲を補強シート１０で覆った構造で補強することができる。なお、この場合には、現場で補強シート１０を山形鋼部材２０に巻き付けた後でシート材１１に含浸されている接着剤１２が固化することが望ましいため、例えば巻き付ける前の製品の段階では含浸されている接着剤１２が固化しないよう保護テープ等の保護材を設けておき、使用時に剥がすようなものが好ましい。

次に、上述した鉄骨補強体１の断面性能を向上させる補強効果に関して、計算例の一例を用いて説明する。
なお、ここでは図４に示すように既存の鉄骨部材として角型鋼管部材２１を使用し、図２に示す補強用鋼材（角型鋼管３０）が省略された構成の鉄骨補強体１Ａを用いて説明する。つまり、鉄骨補強体１Ａは、角型鋼管部材２１の全周にわたってシート材１１が巻き付けられて接着剤１２で固化された構成となっている。なお、本補強効果の説明では、補強シート１０を接着剤１２として計算した。
そして、補強シート１０による補強が無い場合と、補強シート１０による補強が有る場合を、オイラーの弾性座屈荷重式を用いて比較した。

先ず、角型鋼管部材２１における座屈耐力を算出する。
角型鋼管部材２１はＳＴＫＲ４００（規格）で、縦横寸法が１００ｍｍ、厚さが４．５ｍｍのものを使用する。鋼材のヤング係数Ｅｓが２０５，０００（Ｎ／ｍｍ²）、短期許容応力度Ｆｓが２３５（Ｎ／ｍｍ²）、断面積Ａｓが１，６６７（ｍｍ²）、このときの材料軸耐力は、Ａｓ×Ｆｓ＝３９１，７４５（Ｎ）≒３９（ｔｏｎ）となる。さらに、断面２次モーメントＩｓが２、４９０，０００（ｍｍ⁴）、そして座屈長さＬを５，０００（ｍｍ）と仮定する。このような条件で、角型鋼管部材２１における座屈耐力は、（１）式より略２０（ｔｏｎ）となる。
π²×Ｅｓ×Ｉｓ／Ｌ²＝２０１，５００（Ｎ） ・・・（１）

次いで、接着剤１２における座屈耐力を算出する。
接着剤１２は、補強厚ｔを２０ｍｍとし、以下のような一般的な物性値と仮定して採用する。ヤング係数Ｅａが鋼材の略１／１０で２０，０００（Ｎ／ｍｍ²）、短期許容応力度Ｆａが鋼材（角型鋼管部材２１）の略１／１０で略２０（Ｎ／ｍｍ²）、断面積Ａａが９，８００（ｍｍ²）であり、このときの接着剤軸耐力は、Ａａ×Ｆａ＝１，９６０，０００（Ｎ）≒２００（ｔｏｎ）となる。さらに、断面２次モーメントＩａが２３，６８０，０００（ｍｍ⁴）であるから、接着剤１２における座屈耐力は、（２）式より略２０（ｔｏｎ）となる。
π²×Ｅａ×Ｉａ／Ｌ²＝１８７，０００（Ｎ） ・・・（２）

したがって、角型鋼管部材２１と接着剤１２の累計座屈荷重は、略４０（ｔｏｎ）となる。つまり、接着剤１２、すなわち補強シート１０で補強することにより、既存の角型鋼管部材２１に対して２倍の耐力となる。

次に、上述した鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法の作用について、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施の形態では、既設の山形鋼部材２０に所定厚さで巻き付けたシート材１１が接着剤１２によって固化された状態となり、山形鋼部材２０と補強シート１０とが一体化された構造となるので、座屈耐力を向上させることができる。
そして、鉄骨補強体１は、シート材１１を巻き付ける工程と、シート材１１を接着剤１２で固化する工程による簡単な作業によって補強できるので、施工効率を向上させることができるうえ、施工時における溶接による火気の使用が不要となる利点がある。
さらに、本実施の形態では、補強部材としてシート材１１を使用するため、軽量であり、且つ補強部材の大型化を防ぐことができるので、取り扱いが容易となる。このような構成により、既設の山形鋼部材２０を例えば構造物の機能を活かしたまま補強することが可能となる。

また、本実施の形態では、補強にボルトを使用することがないので、既設の山形鋼部材２０に断面欠損が生じることもない。
さらに、鉄骨補強体１の施工において、予めシート材１１に接着剤１２を含浸させたテープ状の部材を製作しておくことで、施工現場ではそのテープ状に形成された補強シート１０を鉄骨部材の周囲に巻き付けるといった簡単な作業により施工することができる。

また、本実施の形態では、角型鋼管３０が山形鋼部材２０に添設された状態で補強シート１０によって覆われた補強構造となるので、角型鋼管３０が付加されることにより断面性能を高めることができる。
しかも、角型鋼管３０と山形鋼部材２０とは添わせただけで接合、又は接着されない構造となるので、施工が簡単であり、山形鋼部材２０の断面欠損が生じることもなく、好適な補強構造となる。

また、例えばシート材１１として接着剤が含浸可能な隙間を有する繊維状の部材を使用することで、シート材１１の繊維状の隙間に接着剤１２が含浸されるので、シート材１１が接着剤１２によって確実に固化された状態となる。さらに例えば炭素繊維シートのようにシート材１１自体でも強度を有する部材を用いることで、補強シート１０として、シート材１１と接着剤１２のそれぞれ強度を組み合わせた座屈耐力をもたせることができる。

上述のように本実施の形態による鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法では、簡単な構造で、鉄骨部材２０の断面欠損等がなく効率よく座屈補強を行うことができる。
また、本実施の形態では、補強シート１０で鉄骨部材２０を覆うだけの構成となるので、火気を使用することがなくなり、補強にかかる施工効率を向上させることができる。

次に、本発明の鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。

（第２の実施の形態）
図５に示すように、第２の実施の形態の鉄骨補強体１Ｂ（鉄骨補強構造）は、一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂがそれぞれの一辺２０ａ、２０ａ同士を対向させた状態で接合され、これら一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂの周囲を補強シート１０で覆うことにより座屈補強される構造である。補強シート１０は、一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂに巻き付けられるシート材１１と、シート材１１を固化させる接着剤１２と、を備えている。この場合には、山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂの長手方向の全体にわたって補強シート１０で補強されている。
また、図６に示す変形例による鉄骨補強体１Ｃ（鉄骨補強構造）は、山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂの頂部２０ｂ同士を対向させた状態で接合され、これら一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂの周囲を補強シート１０で覆うことにより座屈補強される構造である。

（第３の実施の形態）
図７に示す第３の実施の形態は、補強シート１０において、シート材１１が複数層に積層された構成となっている。すなわち、表裏面に繊維シートからなる表層１１Ａ、１１Ｂを設け、これら表層１１Ａ、１１Ｂに挟持されて積層される中間層１１Ｃを接着剤１２が含浸し易い発泡部材とし、補強性能を高めた構成とすることも可能である。
この場合には、シート材１１自体の強度を増大させることができ、かつ接着剤１２の含浸機能も高めることができる。

また、図７に示すシート材１１の表層１１Ａと１１Ｂの繊維密度を変えて、接着剤１２の浸透性を変えることにより、補強シート１１の片側のみ接着性を高めることも可能である。
さらに、接着剤の硬化を確実にコントロールするために、２液反応型の接着剤を用いる場合には、例えば、２液別々の補強シートを作成し、補強作業時に密着含浸させる方法や、２液を２層構造のシートにし、２液の境界となる膜を、特殊な加圧や変形などで破壊できる材料を用いることにより、２液混合反応による接着剤の硬化を自由にコントロールすることも可能である。

（第４の実施の形態）
図８に示す第４の実施の形態による鉄骨補強体１Ｄ（鉄骨補強構造）は、図６に示す第２の実施の形態の変形例の鉄骨補強体１Ｃにおいて、一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂと補強シート１０との間に形成される内部空隙にモルタル等の充填材４０を充填した構造である。この場合、一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂの周囲を補強シート１０で覆った状態、すなわち補強シート１０のシート材１１が一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂに対して接着剤１２によって一体的に固化した後、山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂの長手方向の開口から充填材４０を流し込む、或いは適宜な圧力を与えて注入することで施工される。
第４の実施の形態では、一対の山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂと補強シート１０との間に形成される空隙が密実になるので、一体性が高められ、座屈強度も向上させることができる。

以上、本発明による鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では、既設の鉄骨部材として山形鋼部材２０Ａ、２０Ｂや角型鋼管部材２１を対象としているが、これらに制限されることはなく、例えば溝形鋼やＨ形鋼、あるいは円筒状の鋼管等、他の形状、組み合わせの鉄骨部材であってもかまわない。
また、本発明の鉄骨補強構造、及び鉄骨補強方法は、上述した実施の形態のように既設の鉄骨部材であることに限定されることはなく、新設の構造物の鉄骨部材の補強にも適用することも可能である。

また、上述した第１の実施の形態では、鉄骨部材である山形鋼部材２０に補強部材であう角型鋼管３０を添設した構成となっているが、補強部材は省略することも可能であるし、角型鋼管３０である必要もなく、他の形状の補強部材であってもよい。さらに鉄骨部材に対する補強部材の添設位置についてもとくに制限されることはない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１、１Ａ〜１Ｄ 鉄骨補強体（鉄骨補強構造）
１０ 補強シート
１１ シート材
１２ 接着剤
２０、２０Ａ、２０Ｂ 山形鋼部材（鉄骨部材）
２１ 角型鋼管部材（鉄骨部材）
３０ 角型鋼管（補強用鋼材）
４０ 充填材

Claims (6)

1. 鉄骨部材の周囲を補強シートで覆うことにより座屈補強される鉄骨補強構造であって、
   前記補強シートは、前記鉄骨部材に巻き付けられるシート材と、前記シート材を固化させる接着剤と、を備え、
   前記シート材が前記鉄骨部材の周囲に巻き付けられた状態で、前記シート材が前記接着剤によって固化されていることを特徴とする鉄骨補強構造。
2. 前記鉄骨部材には補強用鋼材が添設され、
   前記シート材は、前記鉄骨部材及び前記補強鋼材の周囲に巻き付けられていることを特徴とする請求項１に記載の鉄骨補強構造。
3. 前記シート材は、前記接着剤が含浸可能な隙間を有する繊維状の部材からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄骨補強構造。
4. 前記シート材は、複数層に積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の鉄骨補強構造。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の補強シートで前記鉄骨部材の周囲を覆うことにより座屈補強される前記鉄骨補強構造を施工するための鉄骨補強方法であって、
   前記シート材を前記鉄骨部材の周囲に巻き付ける工程と、
   巻き付けた前記シート材を接着剤で固化する工程と、
   を有することを特徴とする鉄骨補強方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の補強シートで前記鉄骨部材の周囲を覆うことにより座屈補強される前記鉄骨補強構造を施工するための鉄骨補強方法であって、
   前記シート材に前記接着剤を含浸させる工程と、
   前記接着剤が含浸された前記シート材を前記鉄骨部材の周囲に巻き付ける工程と、
   を有することを特徴とする鉄骨補強方法。

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