JP2022053652A - 鋼材接合部の補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰにより補強するに際し、従来のような手法では必要定着長を確保できない部位がある場合にあっても、好ましいＦＲＰ定着構造を実現でき、ＦＲＰに発生した力を適切に被定着部材へ伝達することが可能な鋼材接合部の補強構造を提供する。【解決手段】幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰの接着により補強する構造であって、幅の狭い鋼材１の表面上に該表面から幅の広い鋼材２の表面上に延びるようにシート状のＦＲＰ１が設けられ、該ＦＲＰ１の鋼材２の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたシート状のＦＲＰ２が設けられている鋼材接合部の補強構造。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材接合部の補強構造に関し、とくに、幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰ（繊維強化プラスチック）の接着により補強する構造に関する。

例えば鉄骨造建築物において、地震時の水平変形に対する十分な耐力と塑性変形能力を持たせるために、柱間をつなぐブレース（筋交い）が多用されている。柱や梁にはガセットと呼ばれる平板が溶接され、ブレースはこのガセットとボルトで摩擦接合されているのが一般的である。しかし、既存建物においては、接合部、すなわちガセットがボルト孔による断面欠損によって地震力に抵抗できる接合耐力を保有しておらず、早期にブレースやガセットが破断することがあることが分かっている。

既存建物の耐震性能を上げるために、既存ブレースを肉厚になるように当て板を溶接する方法や、ガセットに取り替える方法が採られている。当て板の溶接や、取替え・再設置する場合、切断や溶接などで高熱を発する工事を要する。しかし、工場などのように火気の取り扱いを容易にできないような建物や場所では、この方法は採用されにくい。

近年、軽量かつ高剛性・高強度な繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、とくに炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を補強材として用いた接着補強・補修方法が開発され、既存建物の耐震補強に採用されてきた。ＣＦＲＰと構造物との一体化は接着であり、簡単に施工でき、かつ火気不要な工事となることもあって、溶接が安易にできないような既設建物への適用もされている。

ＣＦＲＰ補強材に用いられる炭素繊維（ＣＦ）シートには、通常、炭素繊維を一方向に配向させた一方向材が用いられている。ＣＦは異方性材となるため、一方向ＣＦシートは強化繊維方向には強力な補強効果を示すが、繊維直角方向には補強効果を示さない。そのため、ＣＦＲＰで補強する場合、補強が必要な方向に繊維方向を合わせて補強される。そして補強効果を効率的に発揮する範囲はＣＦシートの補強幅に限られる。また、ＣＦＲＰで補強するためには、ＣＦＲＰが負担した補強力を十分にＣＦＲＰが定着された被定着部材へ伝達するための必要定着長を確保することが重要となる。

しかし、スペースが限られるガセットのように必要定着長の確保が困難な場合、確保できた定着長に相当する力しかＣＦＲＰで負担できなくなるため、期待する補強効果を得られないことがある。そこで、定着長を確保するための手段として特許文献１に記載の手法や、ＣＦＲＰに流れる力を分散させるための手段として特許文献２に記載の手法が提案されている。

特開２００７－２５４９５３号公報 特開２０１４－２２７７４３号公報

ところが、ブレースとガセットの接合部のように、幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰにより補強する場合、とくに必要定着長の確保が困難な場合、特許文献１や特許文献２に記載の手法をそのまま適用することはできない。

そこで本発明の課題は、幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰにより補強する構造であって、従来のような手法では必要定着長を確保できない部位がある場合にあっても、好ましいＦＲＰ定着構造を実現でき、ＦＲＰに発生した力を適切に被定着部材へ伝達することが可能な鋼材接合部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、本発明は以下の構成を採用する。
（１）幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰの接着により補強する構造であって、幅の狭い鋼材１の表面上に該表面から幅の広い鋼材２の表面上に延びるようにシート状のＦＲＰ１が設けられ、該ＦＲＰ１の鋼材２の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたシート状のＦＲＰ２が設けられていることを特徴とする、鋼材接合部の補強構造。
（２）ＦＲＰ２の幅はＦＲＰ１の幅よりも大きい、（１）に記載の鋼材接合部の補強構造。
（３）ＦＲＰ２は、少なくとも鋼材２の幅方向におけるＦＲＰ１の幅を超えた部位において、鋼材２に接着されている、（２）に記載の鋼材接合部の補強構造。
（４）ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１を構成するシートの外面に配置された部分を有する、（１）～（３）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（５）ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１を構成するシートと鋼材２の表面との間に配置された部分を有する、（１）～（４）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（６）ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１を構成する少なくとも２枚のシートの間に配置された部分を有する、（１）～（５）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（７）ＦＲＰ１は、鋼材１の長手方向と同じ強化繊維方向のシートで構成されている、（１）～（６）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（８）ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１の長手方向に対して強化繊維が±４５°に配向されたシートで構成されている、（１）～（７）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（９）ＦＲＰ１の鋼材２の表面上に延びる部位の先端部は、厚みが徐々に減少するテーパー部に形成されている、（１）～（８）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（１０）鋼材同士の接合部が、鋼材１の端部と鋼材２の端部を重ねることにより構成されている、（１）～（９）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（１１）鋼材同士の接合部が、鋼材１の端面と鋼材２の端面を突き合わせることにより構成されている、（１）～（９）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（１２）ＦＲＰ１およびＦＲＰ２の強化繊維に炭素繊維が含まれている、（１）～（１１）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（１３）ＦＲＰ１およびＦＲＰ２のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂からなる、（１）～（１２のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
（１４）ＦＲＰ１およびＦＲＰ２の鋼材への接着に、エポキシ系接着剤が使用されている、（１）～（１３）のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。

本発明によれば、幅の異なる鋼材同士の接合部に対する補強用ＦＲＰとして、ＦＲＰ１に特定のＦＲＰ２を付加することにより、優れたＦＲＰ定着構造の実現が可能となり、ＦＲＰに発生した力を適切に被定着部材へ伝達することが可能となって、好ましい鋼材接合部の補強構造を提供することができる。

また、例えば、幅の異なる鋼材同士の接合部としての既存のブレースとガセットの接合部をＦＲＰにより補強する場合、ボルト孔で欠損したガセット断面を少なくともＦＲＰ１で補強できるとともに、ＦＲＰ２によりＦＲＰ１からガセットとブレースを繋ぐための接着応力を低下させてＦＲＰ１の剥離強さを向上でき、既設ガセットとブレースの接合耐力を向上させることができる。

本発明の一実施態様に係る鋼材接合部の補強構造を示しており、図１（Ａ）は概略平面図、図１（Ｂ）は概略縦断面図である。 本発明の別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造を示しており、図２（Ａ）は概略平面図、図２（Ｂ）は概略縦断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造を示しており、図３（Ａ）は概略平面図、図３（Ｂ）は概略縦断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造を示しており、図４（Ａ）は概略平面図、図４（Ｂ）は概略縦断面図である。

以下に、本発明について、実施の形態とともに、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明に係る鋼材接合部の補強構造は、幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰの接着により補強する構造であって、幅の狭い鋼材１の表面上に該表面から幅の広い鋼材２の表面上に延びるようにシート状のＦＲＰ１が設けられ、該ＦＲＰ１の鋼材２の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたシート状のＦＲＰ２が、つまり、強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたクロスを有するシート状のＦＲＰ２が設けられていることを特徴とするものである。

図１は、本発明の一実施態様に係る鋼材接合部の補強構造１００を示している。図１に示す鋼材接合部の補強構造１００では、鋼材同士の接合部１は、幅の狭い鋼材１（２）の端部と幅の広い鋼材２（３）の端部を重ねることにより構成されている。この接合部１に対し、幅の狭い鋼材１（２）の表面上に該表面から幅の広い鋼材２（３）の表面上に延びるようにシート状のＦＲＰ１（４）が設けられており、ＦＲＰ１（４）は、本実施態様では、鋼材１（２）の表面および鋼材２（３）の表面に直接接着されている。ＦＲＰ１（４）は、本実施態様では、鋼材１（２）の長手方向と同じ強化繊維方向のシートで構成されている。また、本実施態様では、ＦＲＰ１（４）は、鋼材１（２）および鋼材２（３）の両面に対しそれぞれ設けられているが、片面に設けられる場合も本発明に含まれる。さらに、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の先端部は、厚みが徐々に減少するテーパー部５に形成されている（但し、本実施態様ではＦＲＰ１（４）の両先端部にテーパー部が形成されている）。

上記ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の略全部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたクロスを有するシート状のＦＲＰ２（６）が設けられている。本実施態様では、ＦＲＰ２（６）における強化繊維の配向方向は自身が延びる方向に対して±４５°に設定されており、この強化繊維の配向方向は、本実施態様では、ＦＲＰ１（４）の強化繊維方向（本実施態様ではＦＲＰ１（４）の長手方向でかつ鋼材１（２）の長手方向）に対しても±４５°の配向方向となっている。

ＦＲＰ２（６）の幅はＦＲＰ１（４）の幅よりも大きく設定されている。このＦＲＰ２（６）は、少なくとも鋼材２（３）の幅方向におけるＦＲＰ１（４）の幅を超えた部位において、鋼材２（３）に直接接着されている。このように、ＦＲＰ２（６）は、ＦＲＰ１（４）を構成するシートの外面に配置された部分を有し、その部分でＦＲＰ１（４）に直接接着されているとともに、ＦＲＰ１（４）の幅を超えた部位において、鋼材２（３）に直接接着されている。

上記ＦＲＰ１（４）およびＦＲＰ２（６）の強化繊維としては、とくに限定されず、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等の使用が可能であるが、鋼材接合部の補強という観点からは、補強効果の大きい炭素繊維が含まれていることが好ましい。

また、ＦＲＰ１（４）およびＦＲＰ２（６）のマトリックス樹脂としても、とくに限定されず、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも使用可能であるが、例えば既存の鋼材接合部に対し、現場で加熱により樹脂を硬化させて容易に補強構造を完成させるという観点からは、熱硬化性樹脂の使用が好ましい。熱硬化性樹脂の種類は特に限定されず、一般に使用されているもの、例えばエポキシ樹脂を採用すればよい。

さらに、ＦＲＰ１（４）およびＦＲＰ２（６）の鋼材への接着に用いる接着剤も、とくに限定されず、一般に使用されているもの、例えばエポキシ系接着剤が使用されればよい。ＦＲＰ１（４）とＦＲＰ２（６）との接着には、同様の接着剤を用いてもよく、現場で加熱施工する場合には、ＦＲＰ１（４）およびＦＲＰ２（６）のマトリックス樹脂同士の接合を利用してもよい。

図１に示したような鋼材接合部の補強構造１００においては、幅の異なる鋼材２，３同士の接合部１に対する補強用ＦＲＰとして、従来と同様のＦＲＰ１（４）に加えて、とくに鋼材２（３）の上方部位において、ＦＲＰ１（４）よりも広幅で±４５°の強化繊維配向方向のＦＲＰ２（６）を、ＦＲＰ１（４）の外面から鋼材２（３）の表面にわたって設けることにより、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）への定着構造として、ＦＲＰ１（４）自身の定着部に加え該ＦＲＰ１（４）に接合されたＦＲＰ２（６）のＦＲＰ１（４）よりも広幅部分の定着部が付加されることになり、ＦＲＰ１（４）の延在方向における定着長が取りづらい場合にあっても、補強効果の高い優れたＦＲＰ定着構造の実現が可能となり、ＦＲＰに発生した力、とくにＦＲＰ１（４）に発生した力を適切に被定着部材である鋼材２（３）へ伝達することが可能となって、好ましい鋼材接合部の補強構造を実現することができる。

また、図１（Ｂ）の下側部位に示したように、鋼材２（３）の外面側に接着されたＦＲＰ１（４）に対し、ＦＲＰ１（４）よりも広幅で±４５°の強化繊維配向方向のＦＲＰ２（６）を、ＦＲＰ１（４）の外面から鋼材２（３）の表面にわたって延びるように設けることにより、既存の接合部１にボルト孔による断面欠損部が存在する場合にあっても、ＦＲＰ２（６）によりＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）への接着を補強でき、結果的に、ＦＲＰ１（４）から鋼材同士を繋ぐ方向における接着応力を低下させてＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）からの剥離強さを向上することができ、鋼材同士の接合耐力を向上させることができる。

さらに、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の先端部が、厚みが徐々に減少するテーパー部５に形成されていることにより、このテーパー部５上にテーパー部５を覆うように設けられた広幅のＦＲＰ２（６）の鋼材２（３）の表面への着地点が、テーパー部５の先端に近づくほどＦＲＰ１（４）の幅方向端面に近づくことになり、結果的にＦＲＰ２（６）の鋼材２（３）への接着が安定するとともに接着力が向上される。その結果、ＦＲＰ２（６）を付加することによるＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）への定着の補強効果が増大されることになり、一層好ましい鋼材接合部の補強構造を実現することができる。

図２は、本発明の別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造２００を示している。図２に示す鋼材接合部の補強構造２００では、鋼材同士の接合部１１は、幅の狭い鋼材１（２）の端面と幅の広い鋼材２（３）の端面を突き合わせることにより構成されている。この接合部１１に対し、幅の狭い鋼材１（２）の表面上に該表面から幅の広い鋼材２（３）の表面上に延びるようにシート状のＦＲＰ１（４）が設けられており、ＦＲＰ１（４）は、本実施態様では、鋼材１（２）の表面および鋼材２（３）の表面に直接接着されている。

ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の略全部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたクロスを有するシート状のＦＲＰ２（６）が設けられている。本実施態様では、ＦＲＰ２（６）における強化繊維の配向方向は自身が延びる方向に対して±４５°に設定されており、この強化繊維の配向方向は、本実施態様では、ＦＲＰ１（４）の強化繊維方向（本実施態様ではＦＲＰ１（４）の長手方向でかつ鋼材１（２）の長手方向）に対しても±４５°の配向方向となっている。その他の構成は図１に示した実施態様に準じる。このような形態においても、図１に示した実施態様におけるのと同様の作用、効果が得られる。

図３は、本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造３００を示している。図３に示す鋼材接合部の補強構造３００では、図１に示した実施態様に比べ、自身が延びる方向に対して強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたクロスを有する広幅のシート状のＦＲＰ２（６）は、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の略全部に対し、その外面側に設けられるのではなく、ＦＲＰ１（４）の内面側において、ＦＲＰ１（４）を構成するシートと鋼材２（３）の表面との間に設けられ、ＦＲＰ２（６）の略全面にわたって鋼材２（３）の表面に直接接着されている。

このように、ＦＲＰ２（６）が、ＦＲＰ１（４）の内面側に、つまり、ＦＲＰ１（４）の内面と鋼材２（３）の表面との間に設けられる場合においても、ＦＲＰ１（４）よりも広幅のＦＲＰ２（６）を付加することにより、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）への定着の補強効果が増大され、好ましい鋼材接合部の補強構造を実現することができる。但し、この形態の場合、ＦＲＰ１（４）の先端部をテーパー部５に形成したことにより、ＦＲＰ２（６）の鋼材２（３）への接着安定化および接着力向上効果は望めないが、ＦＲＰ１（４）の先端部における応力集中緩和効果は望める。

図４は、本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造４００を示している。図４に示す鋼材接合部の補強構造４００では、ＦＲＰ１（４）を構成するシートが少なくとも２組に分割され、ＦＲＰ２（６）は、ＦＲＰ１（４）を構成する少なくとも２枚のシートの間に配置された部分を有する。図４に示す実施態様では、さらにＦＲＰ２（６）は、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、ＦＲＰ１（４）の鋼材２（３）の表面上に延びる部位の略全部に対し、その最外面側、つまり最外層のＦＲＰ１（４）を構成するシートの外面と、最内面側、つまり最内層のＦＲＰ１（４）を構成するシートと鋼材２（３）の表面との間にも、設けられている。

このような形態においては、分割されたＦＲＰ１（４）を構成するシート間に挟まれたＦＲＰ２（６）を有することにより、ＦＲＰ１（４）とＦＲＰ２（６）との応力伝達がより円滑に行われ、鋼材同士を接合する方向（鋼材延在方向）におけるＦＲＰ１（４）による鋼材同士の接合耐力を一層向上させることができる。その他の作用、効果は図１および図３に示した実施態様に準じる。

本発明に係る鋼材接合部の補強構造は、とくに、既存の幅の異なる鋼材同士の接合部を補強する場合に有効であり、より具体的には、既存のブレースとガセットとの接合部に好適である。

・ １１ 鋼材同士の接合部
２ 鋼材１
３ 鋼材２
４ ＦＲＰ１
５ テーパー部
６ ＦＲＰ２
１００、２００、３００、４００ 鋼材接合部の補強構造

Claims (14)

1. 幅の異なる鋼材同士の接合部をＦＲＰの接着により補強する構造であって、幅の狭い鋼材１の表面上に該表面から幅の広い鋼材２の表面上に延びるようにシート状のＦＲＰ１が設けられ、該ＦＲＰ１の鋼材２の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±（３０°～６０°）に配向されたシート状のＦＲＰ２が設けられていることを特徴とする、鋼材接合部の補強構造。
2. ＦＲＰ２の幅はＦＲＰ１の幅よりも大きい、請求項１に記載の鋼材接合部の補強構造。
3. ＦＲＰ２は、少なくとも鋼材２の幅方向におけるＦＲＰ１の幅を超えた部位において、鋼材２に接着されている、請求項２に記載の鋼材接合部の補強構造。
4. ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１を構成するシートの外面に配置された部分を有する、請求項１～３のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
5. ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１を構成するシートと鋼材２の表面との間に配置された部分を有する、請求項１～４のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
6. ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１を構成する少なくとも２枚のシートの間に配置された部分を有する、請求項１～５のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
7. ＦＲＰ１は、鋼材１の長手方向と同じ強化繊維方向のシートで構成されている、請求項１～６のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
8. ＦＲＰ２は、ＦＲＰ１の長手方向に対して強化繊維が±４５°に配向されたシートで構成されている、請求項１～７のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
9. ＦＲＰ１の鋼材２の表面上に延びる部位の先端部は、厚みが徐々に減少するテーパー部に形成されている、請求項１～８のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
10. 鋼材同士の接合部が、鋼材１の端部と鋼材２の端部を重ねることにより構成されている、請求項１～９のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
11. 鋼材同士の接合部が、鋼材１の端面と鋼材２の端面を突き合わせることにより構成されている、請求項１～９のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
12. ＦＲＰ１およびＦＲＰ２の強化繊維に炭素繊維が含まれている、請求項１～１１のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
13. ＦＲＰ１およびＦＲＰ２のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂からなる、請求項１～１２のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
14. ＦＲＰ１およびＦＲＰ２の鋼材への接着に、エポキシ系接着剤が使用されている、請求項１～１３のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。

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