JP2021025341A - 連結部材付きｆｒｐ製構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材に、断面欠損を生じさせることなく他部材を接合可能な、連結部材付きＦＲＰ製構造部材を提供すること。【解決手段】連結部材付きＦＲＰ製構造部材１０は、建物の柱梁架構に用いる繊維強化プラスチック製の大梁１１の外周面に、小梁２と接合するための金属製の連結部材１２が取り付けられている。本発明によれば、大梁１１に貫通孔を設けてこの大梁１１に連結部材をボルト固定した場合と比べて、大梁１１を断面欠損させることがなく、また、大梁１１に連結部材を溶接固定した場合と比べて、大梁１１の母材を傷めたりすることがない。したがって、繊維強化プラスチック製の大梁１１を比較的簡単に小梁２に接合できる。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材に連結部材が取り付けられた連結部材付きＦＲＰ製構造部材に関する。

従来より、建物の構造部材として繊維強化プラスチックを用いることが提案されている（特許文献１〜３参照）。
特許文献１には、繊維強化プラスチック部材と、その繊維強化プラスチック部材に設けられるコンクリート部材との接合構造が示されている。繊維強化プラスチック部材には、繊維強化プラスチック部材に一体化されてコンクリート部材に埋設される繊維強化プラスチック接合部が設けられている。

特許文献２には、棒状の構造部材をハブに連結して構成されたトラス構造の屋根が示されている。構造部材は、繊維強化プラスチック製の円筒状の構造用筒体と、構造用筒体の両端面に設けられた連結用の仕口とを備える。
特許文献３には、最も外側に位置する外側層、外側層に隣り合う強化層、外側層との間に強化層を挟む内側隣接層を備える構造用集成材が示されている。強化層は、並設された複数本の角状材と強化繊維シートを備えている。

特開平９−３１７０８４号公報 特開２０００−３４８０２号公報 特開２０１０−２２１５１４号公報

本発明は、繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材に、断面欠損を生じさせることなく他部材を接合可能な、連結部材付きＦＲＰ製構造部材を提供することを課題とする。

本発明者らは、建物の柱部材や梁部材などの構造部材として、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製構造部材に、他部材と接合するための連結部材が接合された連結部材付きＦＲＰ製構造部材を発明した。具体的には、本発明者らは、ＦＲＰ製構造部材の外周に、断面略コの字形状または断面半円環状の連結部材を接着することで、ＦＲＰ製構造部材に貫通孔を設けた場合やＦＲＰ製構造部材に溶接した場合のようにＦＲＰ製構造部材に断面欠損を生じさせることなく、連結部材をＦＲＰ製構造部材に取り付け可能である点に着眼し、本発明に至った。
第１の発明の連結部材付きＦＲＰ製構造部材（例えば、後述の連結部材付きＦＲＰ製構造部材１０）は、建物の柱梁架構に用いる繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材（例えば、後述の大梁１１、１１Ｇ）の外周面に、他部材（例えば、後述の小梁２）と接合するための金属製の連結部材（例えば、後述の連結部材１２、１２Ａ〜１２Ｈ）が取り付けられていることを特徴とする。

第２の発明の連結部材付きＦＲＰ製構造部材は、前記連結部材は、前記ＦＲＰ製構造部材に接合されるＦＲＰ接合部（例えば、後述のＦＲＰ接合部２０、２０Ｆ、２０Ｇ）と、前記他部材に接合される他部材接合部（例えば、後述の他部材接合部３０、３０Ａ〜３０Ｅ、３０Ｇ、３０Ｈ）と、を備えており、前記ＦＲＰ接合部は、前記ＦＲＰ製構造部材の外周の少なくとも一部に内接する接合面（例えば、後述の２１、２１Ｆ、２１Ｇ）を有し、前記他部材接合部は、前記他部材と接合するための貫通孔（例えば、後述の貫通孔３５）および／または係止部（例えば、後述の係止部３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｇ、３２Ｈ）が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材の外周面に、他部材と接合するための金属製の連結部材を取り付けた。よって、ＦＲＰ製構造部材に貫通孔を設けてこの貫通孔を利用してＦＲＰ製構造部材に連結部材をボルト固定した場合や、ＦＲＰ製構造部材に連結部材を溶接固定した場合のように、ＦＲＰ製構造部材に断面欠損を生じさせることなく、繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材に他部材を接合できる。

第３の発明の連結部材付きＦＲＰ製構造部材は、前記他部材接合部と前記ＦＲＰ製構造部材との間には、隙間（例えば、後述の隙間Ｓ）が設けられることを特徴とする。

この発明によれば、他部材接合部とＦＲＰ製構造部材との間に隙間を設けた。よって、地震時には、他部材に作用した力は、他部材接合部からＦＲＰ接合部に伝達され、さらにＦＲＰ接合部からＦＲＰ製構造部材に伝達される。よって、他部材に作用した力が、直接、ＦＲＰ製構造部材に伝達されないので、ＦＲＰ製構造部材に局所的に応力が集中するのを防いで、ＦＲＰ製構造部材の損傷を防止できる。

本発明によれば、繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材に、断面欠損を生じさせることなく他部材を接合可能な、連結部材付きＦＲＰ製構造部材を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る連結部材付きＦＲＰ製構造部材が用いられたＦＲＰ構造の斜視図である。 図１に示すＦＲＰ構造の側面図である。 図１に示すＦＲＰ構造の縦断面図である。 図１に示す連結部材付きＦＲＰ製構造部材の連結部材の斜視図である。 載荷加熱試験に用いる連結部材付きＦＲＰ製構造部材の縮小模型試験体の側面図である。 図５の縮小模型試験体のＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図である。 図５に示す縮小模型試験体の連結部材の斜視図である。 図５に示す縮小模型試験体の載荷加熱試験の試験結果である。 本発明の第２実施形態に係る連結部材の斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る連結部材の斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る連結部材の斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る連結部材の斜視図である。 本発明の第６実施形態に係る連結部材の斜視図である。 本発明の第７実施形態に係る連結部材の斜視図である。 図１４に示す連結部材の分解斜視図である。 本発明の第８実施形態に係る連結部材の斜視図である。 本発明の第９実施形態に係る連結部材の斜視図である。

本発明は、建物の柱梁架構の柱部材や梁部材として用いる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製構造部材と、このＦＲＰ製構造部材に設けた連結部材と、で構成される連結部材付きＦＲＰ製構造部材である。本発明は、ＦＲＰ製構造部材に他部材を接合するために、構造部材の上部に断面略コの字形状または断面半円環状の接合部材を取り付けたものである。本発明では、連結部材の形状および他部材との接合手段（ボルト接合、係止）に応じて、第１実施形態〜第９実施形態がある。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る連結部材付きＦＲＰ製構造部材１０が用いられたＦＲＰ構造１の斜視図である。図２および図３は、ＦＲＰ構造１の側面図および縦断面図である。
ＦＲＰ構造１は、所定方向に延びる連結部材付きＦＲＰ製構造部材１０と、この連結部材付きＦＲＰ製構造部材１０に接合されて連結部材付きＦＲＰ製構造部材１０に交差する方向に延びる他部材としての小梁２と、を備える。
連結部材付きＦＲＰ製構造部材１０は、繊維強化プラスチックからなる断面矩形状のＦＲＰ製構造部材としての大梁１１と、大梁１１の外周面に設けられて小梁２が接合される金属製の連結部材１２と、を備える。

図４は、連結部材１２の斜視図である。
連結部材１２は、大梁１１の上部に跨がって設けられた断面略コの字形状のＦＲＰ接合部２０と、ＦＲＰ接合部２０に設けられて小梁２が接合される他部材接合部３０と、を備える。
ＦＲＰ接合部２０は、大梁１１の外周の上部に内接する接合面２１を有している。ＦＲＰ接合部２０の接合面２１は、大梁１１の上部の側面および上面にエポキシ系接着剤で接着されている。ＦＲＰ接合部２０の接合面２１は、大梁１１とＦＲＰ接合部２０との接着面積を増加させて接着強度を高めるため、図２および図３に示すように、大梁１１の中間高さより下方まで延びていることが好ましい。

他部材接合部３０は、ＦＲＰ接合部２０の上端に設けられた底板部３１と、底板部３１に立設された係止部３２および一対の補強部３３と、を備える。
底板部３１は、矩形状の板材であり、その長さ方向両端面は、ＦＲＰ接合部２０の両端面よりも寸法ｔだけ突出している。小梁２は、この底板部３１の上に載置されている。また、底板部３１の底面と大梁１１との間には、隙間Ｓが形成されている。
係止部３２は、大梁１１の長さ方向に延びる矩形状の板材である。
一対の補強部３３は、係止部３２の大梁１１の長さ方向両端に設けられて、大梁１１の梁幅方向に延びる矩形状の板材である。この一対の補強部３３は、小梁２の側面に当接して挟み込んでいる。

［載荷加熱試験］
本発明の実証実験として、図５に示すような連結部材付きＦＲＰ製構造部材の縮小模型試験体４０を製作して、この縮小模型試験体４０の火災時における構造性能の確認を行った（載荷加熱試験）。なお、図５では、単板積層材５３の表示が省略されている。
具体的には、縮小模型試験体の梁スパン中央部の２点に鉛直荷重を加えて、この状態で、縮小模型試験体の下方に設置した複数のバーナーにより、ＩＳＯ標準加熱温度曲線に従い３０分間の加熱を行った。そして、加熱開始から加熱終了後約１５０分経過時まで、梁中央位置の鉛直たわみ量を計測するとともに、試験体の損傷状況を目視で確認した。
図６（ａ）は、図５の縮小模型試験体４０のＡ−Ａ断面図であり、図６（ｂ）は、図５の縮小模型試験体４０のＢ−Ｂ断面図である。
縮小模型試験体４０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の梁４１と、梁４１の２箇所に設けられた金属製の連結部材４２と、を備える。
梁４１は、断面ロの字形状の本体５０と、この本体５０の上に設けられた突出部５１と、を備える。梁４１の突出部５１には、一対のアルミニウム合金製のアングル材５２が設けられ、この一対のアングル材５２には、梁４１の本体５０を覆う難燃性の単板積層材（ＬＶＬ）５３が設けられている。
ここで、梁４１のＣＦＲＰの許容応力度を以下の表に示す。

ここで、梁４１の全長は７２００ｍｍである。また、梁４１の本体５０は、１６２ｍｍ×７８ｍｍ×４ｍｍ×６ｍｍであり、突出部５１は、１２０ｍｍ×６ｍｍである。アングル材は、Ｌ−１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍであり、単板積層材（ＬＶＬ）５３は、３５ｍｍの厚さである。

梁４１の２箇所には、突出部５１が設けられておらず、連結部材４２が設けられている。
連結部材４２は、図７に示すように、梁４１の本体５０に跨がって設けられた断面略コの字形状のＦＲＰ接合部６０と、ＦＲＰ接合部６０の上に設けられた直方体形状の塊部６１と、を備える。

以上の縮小模型試験体４０について、両端を支持した状態で連結部材４２の塊部６１の上に、他部材を想定して約１１．５ｋＮの荷重をかけながら、８５０℃になるまで３０分間加熱して、載荷加熱試験を行った。具体的には、支点間距離を６８００ｍｍ、連結部材（力点）間距離を２０００ｍｍとした。
図８は、載荷加熱試験の試験結果を示す。この試験結果は、横軸が経過時間であり、縦軸が梁中央の鉛直たわみ量である。図８に示すように、時間の経過にほぼ比例して梁中央の鉛直たわみ量が大きくなっている。よって、炭素繊維強化プラスチック製の梁４１に連結部材４２を介して荷重を加えたことで、梁４１と連結部材４２との接合部分に局所的に応力が集中せず、梁４１が連結部材４２と分離せず屈曲もしていないことが判る。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）連結部材１２を大梁１１の上部に接着した。よって、大梁１１に貫通孔を設けてこの大梁１１に連結部材をボルト固定した場合と比べて、大梁１１を断面欠損させることがなく、また、大梁１１に連結部材を溶接固定した場合と比べて、大梁１１の母材を傷めたりすることがない。したがって、繊維強化プラスチック製の大梁１１を比較的簡単に小梁２に接合できる。

（２）連結部材１２を断面略コの字形状として、大梁１１の上部の三面に内接させたので、連結部材１２と大梁１１との接着面積を広く確保して、連結部材１２を大梁１１に確実に取り付けることができる。また、連結部材１２を大梁１１の上部に接着したので、大梁１１が上載荷重により曲げ変形した場合であっても、大梁１１の上部の変形量が下部より小さくなり、大梁１１と小梁２との接着状態を維持できる。
（３）連結部材１２を金属製の簡素な構造とした。金属はコンクリートより剛性が高く加工が比較的容易であるので、平鋼や鋼管を使用して容易に連結部材１２を製作できる。よって、この金属製の連結部材１２を介して小梁２が大梁１１に接合されるため、小梁２に生じた応力や変形が大梁１１にスムーズに伝達される。

（４）地震時には、小梁２に作用した水平力が連結部材１２を介して大梁１１に伝達されるが、このとき、他部材接合部３０に大梁１１の幅方向に延びる補強部３３を設けたので、連結部材１２の曲げ剛性が向上する。

（５）連結部材１２の底板部３１と大梁１１との間に隙間Ｓを設けた。よって、地震時には、小梁２に作用した力は、連結部材１２の他部材接合部３０に伝達され、その後、ＦＲＰ接合部２０を介して大梁１１に伝達される。よって、小梁２に作用した力が、直接、大梁１１に伝達されないので、大梁１１に局所的に応力が集中するのを防いで、大梁１１の損傷を防止できる。

〔第２実施形態〕
図９は、本発明の第２実施形態に係る連結部材１２Ａの斜視図である。
本実施形態では、係止部３２Ａが一対の三角形状の板材である点が、第１実施形態と異なる。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（５）の効果に加えて、以下の効果がある。
（６）連結部材１２Ａの係止部３２Ａを、矩形状の板材ではなく、一対の三角形状の板材とした。よって、連結部材１２Ａの係止部３２Ａを跨いで配置される小梁２の断面欠損を低減できる。

〔第３実施形態〕
図１０は、本発明の第３実施形態に係る連結部材１２Ｂの斜視図である。
本実施形態では、係止部３２Ｂが、板材ではなく２本のスタッド材である点が、第１実施形態と異なる。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（５）の効果に加えて、以下の効果がある。
（７）連結部材１２Ｂの係止部３２Ｂを板材ではなくスタッド材とした。よって、この連結部材１２Ｂに接合される小梁２がコンクリート造である場合、係止部を板材とした場合とは異なり、特定の方向に限らず、水平面内の全方向に対して等しくせん断抵抗力を確保できる。

〔第４実施形態〕
図１１は、本発明の第４実施形態に係る連結部材１２Ｃの斜視図である。
本実施形態では、他部材接合部３０Ｃは、底板部、係止部、および補強部を備えておらず、ボルト接合部３４を備える点が、第１実施形態と異なる。
ボルト接合部３４は、ＦＲＰ接合部２０に立設されて、大梁１１の長さ方向に延びる矩形状の板材である。このボルト接合部３４には、ボルトが挿通可能な貫通孔３５が設けられている。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（３）、（５）と同様の効果がある。

〔第５実施形態〕
図１２は、本発明の第５実施形態に係る連結部材１２Ｄの斜視図である。
本実施形態では、他部材接合部３０Ｄが直方体状の底板部３１Ｄを備える点が、第４実施形態と異なる。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（５）と同様の効果がある。

〔第６実施形態〕
図１３は、本発明の第６実施形態に係る連結部材１２Ｅの斜視図である。
本実施形態では、底板部３１Ｅの長さ方向両端面が、ＦＲＰ接合部２０の両端面と面一である点が、第１実施形態と異なる。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（５）と同様の効果がある。

〔第７実施形態〕
図１４は、本発明の第７実施形態に係る連結部材１２Ｆの斜視図である。図１５は、連結部材１２Ｆの分解斜視図である。
本実施形態では、連結部材１２ＦのＦＲＰ接合部２０Ｆが分割可能である点が、第１実施形態と異なる。
すなわち、連結部材１２ＦのＦＲＰ接合部２０Ｆは、大梁１１の外周に全周に亘って内接する接合面２１Ｆを有しており、第１ＦＲＰ接合部２２と第２ＦＲＰ接合部２３とに分割可能である。第１ＦＲＰ接合部２２は、他部材接合部３０と一体化されており、この他部材接合部３０の底板部３１には、第１ＦＲＰ接合部２２の上部を貫通する雌ねじ部３６が形成されている。また、第２ＦＲＰ接合部２３の上部にも、雌ねじ部３７が形成されている。
この連結部材１２Ｆでは、第２ＦＲＰ接合部２３の上部を第１ＦＲＰ接合部２２の上部に重ねて、他部材接合部３０の底板部３１の上からボルト３８を雌ねじ部３６、３７に螺合することで、第２ＦＲＰ接合部２３が第１ＦＲＰ接合部２２に固定され、ＦＲＰ接合部２０Ｆが大梁１１の外周を全周に亘って覆うことになる。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（５）と同様の効果がある。

〔第８実施形態〕
図１６は、本発明の第８実施形態に係る連結部材１２Ｇの斜視図である。
本実施形態では、大梁１１Ｇが断面円形状であり、ＦＲＰ接合部２０Ｇが断面半円環形状である点が、第１実施形態と異なる。
また、本実施形態では、他部材接合部３０Ｇは、ＦＲＰ接合部２０Ｇの上面に立設された係止部３２Ｇと、係止部３２Ｇの両端に設けられた扇形状の補強部３３Ｇと、を備える。本実施形態によれば、上述の（１）〜（５）と同様の効果がある。

〔第９実施形態〕
図１７は、本発明の第９実施形態に係る連結部材１２Ｈの斜視図である。
本実施形態では、係止部３２Ｈが板材ではなく、２本のスタッド材である点が、第８実施形態と異なる。
また、本実施形態では、補強部３３Ｈは、ＦＲＰ接合部２０Ｇの大梁１１Ｇの長さ方向両端に設けられている。
本実施形態によれば、上述の（１）〜（５）、（７）と同様の効果がある。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、また、上述の各実施形態では、ＦＲＰ製構造部材を大梁１１、１１Ｇとしたが、これに限らず、ＦＲＰ製構造部材を柱とし、他部材を梁や床スラブとして、柱と梁や床スラブとの接合部分に金属製の連結部材を取り付けてもよい。

１…ＦＲＰ構造 ２…小梁（他部材）
１０…連結部材付きＦＲＰ製構造部材 １１、１１Ｇ…大梁（ＦＲＰ製構造部材）
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ、１２Ｇ、１２Ｈ…連結部材
２０、２０Ｆ、２０Ｇ…ＦＲＰ接合部 ２１、２１Ｆ、２１Ｇ…接合面
２２…第１ＦＲＰ接合部 ２３…第２ＦＲＰ接合部
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｇ、３０Ｈ…他部材接合部
３１、３１Ｄ、３１Ｅ…底板部
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｇ、３２Ｈ…係止部 ３３、３３Ｇ、３３Ｈ…補強部
３４…ボルト接合部 ３５…貫通孔 ３６、３７…雌ねじ部 ３８…ボルト
４０…試験体 ４１…梁 ４２…連結部材
５０…本体 ５１…突出部 ５２…アングル材 ５３…単板積層材
６０…ＦＲＰ接合部 ６１…塊部

Claims (3)

1. 建物の柱梁架構に用いる繊維強化プラスチック製のＦＲＰ製構造部材の外周面に、他部材と接合するための金属製の連結部材が取り付けられていることを特徴とする連結部材付きＦＲＰ製構造部材。
2. 前記連結部材は、前記ＦＲＰ製構造部材に接合されるＦＲＰ接合部と、前記他部材に接合される他部材接合部と、を備えており、
   前記ＦＲＰ接合部は、前記ＦＲＰ製構造部材の外周の少なくとも一部に内接する接合面を有し、
   前記他部材接合部には、前記他部材と接合するための貫通孔および／または係止部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の連結部材付きＦＲＰ製構造部材。
3. 前記他部材接合部と前記ＦＲＰ製構造部材との間には、隙間が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の連結部材付きＦＲＰ製構造部材。

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