JP4817891B2 - Ｃｆｒｐ製矢板 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製矢板に関し、とくに、岸壁用矢板等に用いて好適な軽量かつ高強度のＣＦＲＰ製矢板に関する。

ＣＦＲＰは、鋼材等に比べて軽量で高強度であり、航空機部材等に利用されている。しかし、社会基盤構造物に対しては要求性能やコストの制約から採用された事例は限られている。岸壁などで使用される矢板には、従来、鋼製やコンクリート製のものが用いられていたが、いずれも海水により長期的には劣化することが知られている。また、これら従来の矢板は、とくに重量が大きいので取扱い性や施工性が良いとは言えず、取扱い性や施工性向上の目的で軽量なＦＲＰ製矢板の検討も始められつつある（例えば、特許文献１、２、３）。しかし、従来のＦＲＰ製矢板は、仮設工事用の比較的長さの短い用途を対象としており、単体では強度が無いため、腹起こし材との併用が前提となっている。
特開平１０−１８３６０４号公報 特開平１０−３１７３６６号公報 実用新案登録３０１３０６７号公報

そこで本発明は、従来の鋼製やコンクリート製矢板の代替品としてＣＦＲＰ製矢板を提案するものであり、本発明の課題は、十分な高強度特性を発揮しつつ軽量性を発揮でき、耐久性や取扱い性、施工性に優れ、岸壁用等に十分に実用的に使用し得るＣＦＲＰ製矢板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ＣＦＲＰ製矢板は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる矢板であって、ＣＦＲＰにおける炭素繊維の体積含有率が４０％以上であり、矢板の横断面形状が、フランジ部と、該フランジ部の端部に接続されたウェブ部とを有し、フランジ部には矢板軸方向に加えて該矢板軸方向に実質的に直交する矢板横方向にも炭素繊維が配向されており、ウェブ部には矢板軸方向に加えて該矢板軸方向に対して±４５度方向にも炭素繊維が配向されていることを特徴とするものからなる。

すなわち、ＦＲＰは、一般に剛性や強度に優れた軽量な材料として知られており、強化繊維としてはアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ＰＢＯ繊維（ポリベンゾビスオキサゾール）などがあるが、本発明に係る矢板では、特に強度や曲げ剛性に優れ、強化繊維の含有率も制御しやすいＣＦＲＰ製部材とされる。マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が好ましく、中でも、耐候性や接着性に優れるエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が好ましい。ただし、矢板には主に曲げモーメントが作用するので、例えば曲げ応力が多く作用する外内面には炭素繊維を強化繊維として使用し、曲げ応力があまり発生しない中立面にはガラス繊維を強化繊維として使用したハイブリッド構成としてもよい。

この本発明に係るＣＦＲＰ製矢板においては、矢板の曲げ剛性を確保するために炭素繊維を矢板軸方向に配向することが必要であるが、炭素繊維の配向方向としては、矢板軸方向とそれ以外の方向を含む構成とすることができる。この場合、矢板軸方向に配向されている炭素繊維の割合が５０％以上であることが好ましい。

また、本発明においては、矢板の横断面形状として、フランジ部と、該フランジ部の端部（とくに、両端部）に接続されたウェブ部とを有する形状を採用する。

そして、フランジ部における矢板横方向に配向されている炭素繊維の割合としては、１５〜４０％の範囲にあることが好ましく、より好ましくは２０〜３０％の範囲（例えば、２５％程度）である。ウェブ部における±４５度方向に配向されている炭素繊維の割合としては、１５〜４０％の範囲にあることが好ましく、より好ましくは２０〜３０％の範囲（例えば、２５％程度）である。

また、本発明に係るＣＦＲＰ製矢板においては、矢板の横断面形状においてフランジ部の中央部に凹みが設けられている構成とすることもできる。

さらに、矢板に中空部が設けられている構成、例えば、矢板のフランジ部に中空部が設けられている構成を採用することもできる。

このような本発明に係るＣＦＲＰ製矢板は、岸壁用として使用される場合には、比較的長尺のものが要求されることから、引き抜き成形により成形されることが好ましい。

本発明に係るＣＦＲＰ製矢板によれば、所定量以上の炭素繊維を含有した高強度のＣＦＲＰを用いることにより、矢板に要求される高い曲げ強度等の機械的特性を十分に発現することができ、また、従来の矢板に比べて部材使用量が低減でき、大幅な軽量化が可能となる。その結果、取扱い性、施工性を大幅に向上できる。とくに、軽量であるため工期が短く、従来の施工機械を転用することができる。また、ハンドレイアップなど施工現場で可能な成形方法とすれば、搬送に伴う分割や現場での接合も不要となる。

また、錆などの劣化が無いため、優れた耐久性を発現できる。さらに、震災等が発生した場合にあっても、ＣＦＲＰは塑性変形を伴わないため、震災後の復旧も土を埋め戻すだけで済む。

以下に、本発明について、望ましい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。
図１は、従来および本発明に係る矢板共通に採用可能な、岸壁における矢板を用いた施工の標準的な一例を示している。図１において、１は岸壁部、２は計画水深（計画海底部）、３は設計水深（設計海底部）、４は潮位が高いときの海面、５は潮位が低いときの海面、をそれぞれ示している。このような岸壁部１に対して、矢板６が設けられ、矢板６の下部側は土中に埋設される（根入れ）。矢板６の海とは反対側には、現地盤高７に対して裏込石８が適宜敷設される。また、矢板６の海とは反対側には、矢板６に対して適当な距離を離して、鋼管杭９が地表１０下に埋設されている（本実施態様では、逆Ｖ字型に埋設されている）。矢板６の上端部または該上端部に連結された腹起こし材１１と、鋼管杭９の上端部に連結された上端部材１２との間には、高張力鋼からなるタイロッド１３が張設されており、タイロッド１３を介して矢板６が鋼管杭９に支持されるようになっている。１４は、地表１０部に敷設された支持部材、１５は堤防材を示している。

このような岸壁用矢板６として、従来の鋼製やコンクリート製矢板に代えて本発明に係るＣＦＲＰ製矢板が使用される。したがって、使用するＣＦＲＰ製矢板は、基本的な全体形状は従来鋼材品と同一とすることができ、曲げ強度は従来鋼材品より高くなるように設計を行い、部材厚は従来鋼材品以下とすることが好ましい。

ＣＦＲＰ製矢板の上下端には保護材を取り付けてもよい。上端に取り付ける保護材は、打設の外力から矢板を保護する役目を果たし、下端に取り付ける保護材は、土中に石などに当たった場合を想定して矢板を保護する役目を果たすことができる。

ＣＦＲＰ製矢板の長さは３０ｍ程度まで対応可能であるが、一般的には従来のＵ型鋼矢板で想定の１５ｍ前後を対象とすればよい。ＣＦＲＰ製矢板は軽量材料のため、成形方法を適宜選択することにより長尺の矢板が製作可能である。とくに、引き抜き成形により、長尺のＣＦＲＰ製矢板が製作可能である。また、施工現場でのハンドレイアップ成形も可能である。

ＣＦＲＰ製矢板における炭素繊維の強度（ハイブリッド構成の場合は内外面に用いる）は、引張強度で３ＧＰａ以上のものが好ましい。これにより従来品よりも大幅な薄肉化が可能となる。そして、従来品と基本的に同一断面形状にすることにより、施工機械を転用することが可能となる。

ＣＦＲＰ製矢板のＣＦＲＰの炭素繊維の体積含有率ＶＦは、ハンドレイアップを想定すると４０％以上、引き抜き成形を想定すると５０％以上であることが好ましい。

そして、矢板には主に曲げモーメントが作用するため、ＣＦＲＰを構成する炭素繊維は、０°方向（矢板軸方向）が中心となり、０°方向の炭素繊維の割合が５０％以上であることが好ましい（後述の試設計では７５％）。

ＣＦＲＰ製矢板の形状、とくにその横断面形状は、例えば図２の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように形成できる。これらの例では、ＣＦＲＰ製矢板２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、フランジ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃとその両端部に接続され両端部から斜めに延びるウェブ部２３ａ、２３ｂ、２３ｃで構成されている（いわゆる、Ｕ字型矢板）。

フランジ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃでは座屈耐力を向上させるために９０°方向（矢板横方向：矢板軸方向と直交する方向）の炭素繊維が１５〜４０％含まれている（後述の試設計では２５％）。また、ウェブ部２３ａ、２３ｂ、２３ｃではせん断耐力を向上させるために±４５°方向の炭素繊維が１５〜４０％含まれている（後述の試設計では２５％）。つまり、図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれに示したＣＦＲＰ製矢板においても、０°方向の炭素繊維に加えて、前記割合にて、フランジ部には９０°方向の炭素繊維が含まれ、ウェブ部には±４５°方向の炭素繊維が含まれていることが好ましい。

図２（Ｂ）に示すＣＦＲＰ製矢板２１ｂでは、さらに、フランジ部２２ｂの中央部に凹み２４が設けられており、これによって座屈耐力がより向上されている。

図２（Ｃ）に示すＣＦＲＰ製矢板２１ｃでは、さらに、フランジ部２２ｃに中空部２５が設けられており、中空部２５を通して水を流すことにより、矢板先端より水を噴出させながら施工するウォータージェット工法による施工が可能となっている。ウェブ部２３ｃに、あるいはフランジ部２２ｃとウェブ部２３ｃの両方に中空部を形成してもよい。

なお、図示は省略するが、上記のようなＵ字型ＣＦＲＰ製矢板の他に。管状のＣＦＲＰ製矢板の形成も可能である。

次に、上記のようなＣＦＲＰ製矢板を用いた矢板式岸壁の試設計を行った結果について説明する。

（ＣＦＲＰ物性の検討）
従来の矢板代替製品のＣＦＲＰはＰＡＮ系の炭素繊維をエポキシ樹脂で固めたもので、ハンドレイアップなどにより成形される。主に軸方向の曲げモーメントが作用するため、繊維方向は矢板軸方向が主となるが、座屈や土圧による外力に対し、横方向にも繊維を配向する。炭素繊維の物性は東レ（株）製”トレカ”（登録商標）Ｔ７００Ｓを適用し、複合則により算定した。その結果設定されたＣＦＲＰの軸方向物性を表１に示す。ここで、繊維配向は軸方向：横方向＝３：１、体積繊維含有率は４０％、繊維の剛性利用率９５％、繊維の強度利用率８０％として与えている。

（検討対象構造）
検討の対象とした岸壁の基本諸元は、港湾構造物設計事例集（沿岸開発技術研究センター、１９９９年４月発行）を参考に設定した。図１に示した標準断面（従来の鋼管矢板ＳＫＹ４９０使用）に対して、ＣＦＲＰ材のＵ字型矢板および管状矢板に置き換えた断面を検討した。その際、ＣＦＲＰのＵ字型矢板は鋼材の矢板ＦＳＰ−ＩＶ（幅400 mm、高さ170 mm、板厚15.5 mm）と同一断面に、また、管状矢板は鋼管矢板に対して直径を1,100 mmと変更せず、肉厚を６mmに半減している。このようにして設定された矢板の諸元を表２にまとめた。

（試設計の結果）
設計に用いる外力条件は、前述の港湾構造設計事例集のとおりである。また、設計震度は0.19としている。設計の対象は前面矢板のみとし、タイ材、控え工および矢板継ぎ手は検討していない。

仮想ばり法により算定した前面矢板の断面力をロウの方法による簡便法で補正した結果、常時および地震時の最大曲げモーメントは、それぞれM₁=1060.7 kN・m/m およびM₂=2155.2 kN・m/m となった。採用する矢板断面は、この最大曲げモーメントによる応力度が許容値を超えないように決定した。なお、矢板の材料が鋼材（鋼矢板、鋼管矢板）の場合には、矢板の腐食を考慮し、腐食後の断面性能により照査を行うこととした。検討結果を表３に示す。ここで、常時の許容応力度はＣＦＲＰ引張強度の１／３として与えている。

矢板の根入れ長は、鋼材がDL-27.0 mに対してＣＦＲＰでは断面剛性が小さいことから、DL-25.5 mで満足することになった。したがって、矢板長は1.5 m程度低減することができる結果となった。また、いずれの矢板を用いても応力度は許容値以下となり、所要の根入れ長を満足すれば断面は成立する結果となった。その結果、表２に示したように、矢板壁１m当たりの矢板質量はＵ字型矢板については１８％に、管状矢板では９％となっており、大幅な軽量化が実現された。

このように、矢板式岸壁を対象として本発明に係るＣＦＲＰ材の適用性を検討した結果、鋼矢板および鋼管矢板をＣＦＲＰで代替した部材は強度上の要求性能を満足し、軽量化や高強度化などの効果が十分期待できることが明らかとなった。

本発明に係るＣＦＲＰ製矢板は、従来鋼製やコンクリート製矢板が用いられていたあらゆる対象に適用でき、とくに岸壁用矢板として好適なものである。

岸壁における矢板を用いた施工の標準的な一例を示す概略断面図である。 本発明に係るＣＦＲＰ製矢板の形状例を示す横断面図である。

符号の説明

１ 岸壁部
２ 計画水深（計画海底部）
３ 設計水深（設計海底部）
４ 潮位が高いときの海面
５ 潮位が低いときの海面
６ 矢板
７ 現地盤高
８ 裏込石
９ 鋼管杭
１０ 地表
１１ 腹起こし材
１２ 上端部材
１３ タイロッド
１４ 支持部材
１５ 堤防材
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ＣＦＲＰ製矢板
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ フランジ部
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ ウェブ部
２４ 凹み
２５ 中空部

Claims (7)

1. 炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる矢板であって、ＣＦＲＰにおける炭素繊維の体積含有率が４０％以上であり、矢板の横断面形状が、フランジ部と、該フランジ部の端部に接続されたウェブ部とを有し、フランジ部には矢板軸方向に加えて該矢板軸方向に実質的に直交する矢板横方向にも炭素繊維が配向されており、ウェブ部には矢板軸方向に加えて該矢板軸方向に対して±４５度方向にも炭素繊維が配向されていることを特徴とするＣＦＲＰ製矢板。
2. 炭素繊維の配向方向として、矢板軸方向とそれ以外の方向を含み、矢板軸方向に配向されている炭素繊維の割合が５０％以上である、請求項１に記載のＣＦＲＰ製矢板。
3. フランジ部における矢板横方向に配向されている炭素繊維の割合が１５〜４０％の範囲にある、請求項１または２に記載のＣＦＲＰ製矢板。
4. ウェブ部における±４５度方向に配向されている炭素繊維の割合が１５〜４０％の範囲にある、請求項１〜３のいずれかに記載のＣＦＲＰ製矢板。
5. 矢板の横断面形状においてフランジ部の中央部に凹みが設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載のＣＦＲＰ製矢板。
6. 矢板に中空部が設けられている、請求項１〜５のいずれかに記載のＣＦＲＰ製矢板。
7. 引き抜き成形により成形されている、請求項１〜６のいずれかに記載のＣＦＲＰ製矢板。

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