JP5088624B2 - 柱状体の補強構造および接合構造 - Google Patents

Description

本発明は、構造物の柱や梁等に使用される柱状体の補強構造および接合構造に関する。

従来、建築物の柱や梁の補強構造として、柱や梁の周囲を補強板で被覆することでその剛性を高めたものが一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。この補強構造の場合、被覆した補強板の厚さ分だけ、柱や梁の断面が大きくなり、建物内の有効スペースが縮小されるといった欠点があるうえ、柱や梁の全周面に補強板を設けることから、施工にかかる時間が増大する現状がある。
これに対して、ほかの柱梁の材料に例えばアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維などの高強度繊維材料から形成される部材や、それら高強度繊維材料をコンクリートに混入させた高強度繊維補強コンクリートを使用し、柱梁の断面を増大させることなく強度の向上を図ることができ、或いは柱の断面を縮小することで軽量化させて生産性の向上を図るようにした構造のものがある。
特開２０００−３４５６１４号公報

しかしながら、従来の梁や柱などに高強度繊維材料を使用した部材では、その軸方向（長手方向）に圧縮力（荷重）がかかると、比較的小さな荷重であっても部材の両端部に破壊が生じるという問題があった。そのため、高強度繊維材料のもつ高強度特性を十分に発揮させることができないという現状となっている。
また、高強度繊維材料からなる部材に対して溶接をすることができないといった欠点があり、好適な接合方法がないことから、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、高強度繊維材料の特性を十分に発揮させるようにした柱状体の補強構造および接合構造を提供することを目的とする。
また、本発明のほかの目的は、高強度繊維材料を使用した柱状体の接合を確実に行える柱状体の補強構造および接合構造を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る柱状体の補強構造では、高強度繊維材料を使用した柱状体の補強構造であって、柱状体における圧縮力が作用する軸方向の端部には、端部の外周側に間隔をあけて取り囲むようにして配置される外周リングと、外周リングおよび端部の間の隙間を埋める充填材と、柱状体の端部内側に充填された硬化材とから構成されていることを特徴としている。

また、本発明に係る柱状体の接合構造では、高強度繊維材料を使用した柱状体の接合構造であって、柱状体における圧縮力が作用する軸方向の端部には、端部の外周側に間隔をあけて取り囲むようにして配置される外周リングと、外周リングおよび端部の間の隙間を埋める充填材と、柱状体の端部内側に充填された硬化材とが備えられ、軸方向に隣接する柱状体どうしは、それぞれの外周リングどうしを固定させて接合されていることを特徴としている。

本発明では、柱状体における圧縮力が作用する軸方向の端部と外周リングとが充填材によって互いに一体化された構造となり、さらに、柱状体における端部内側に硬化材が充填された構造となっているため、圧縮力によって生じる柱状体の破壊が両端部の位置から軸方向中央部の位置となり、柱状体の端部補強を備えていない構造で同じ部材からなる柱状体と比較して、端部破壊が防止され、圧縮力に対する剛性を高めることができる。そして、柱状体どうしを接合する場合には、例えば外周リングの材料として高強度繊維材料でない鋼材等を使用し、充填材として例えば石膏等を使用することで、接合される両柱状体の外周リングどうしを、ボルト締結や溶接等の固定手段を用いて固定することができる。
また、柱状体の端部のみに硬化材を充填させた構造とすることが可能であるので、柱状体の重量を軽くすることができ、運搬が容易となることから、例えば工場などで製作した柱状体を現場に運び込んで組み立てるといった簡略化された作業のとなり、施工の効率化が図れるとともに、工期の短縮を図ることができる。

また、本発明に係る柱状体の補強構造では、柱状体は、中空筒状体であり、その筒状端部の内側に硬化材が充填されていることが好ましい。
本発明では、柱状体が中空形状であり、その筒状端部の内側にのみ硬化材を充填し、その端部周囲に充填材を介して外周リングを設けることで、柱状体の軸方向に作用する圧縮力に対応することができる。そして、柱状体が中空であるので、その部材量を減少することができ、高強度繊維材料の使用量を削減することが可能となるので、材料コストの低減を図ることができる。また、柱状体の重量を軽くすることが可能となることから、工場などで製作した柱状体を現場に運び込んで組み立てるといった簡略化された作業となり、施工の効率化が図れるとともに、工期の短縮を図ることができる。

また、本発明に係る柱状体の補強構造では、柱状体の端面には、軸方向に直交する平面を有する補強板が設けられていることが好ましい。
本発明では、柱状体と充填材を介して取り付けられる外周リングとをより強固に一体化させることができ、剛性を高めることが可能となるので、柱状体の軸方向に作用する圧縮力に対してより一層確実に対応することができる。

本発明の柱状体の補強構造および接合構造によれば、柱状体における圧縮力が作用する軸方向の端部と外周リングとが充填材によって互いに一体化され、且つ、柱状体における端部内側に硬化材が充填された補強構造することで、圧縮力に対する剛性を高めることができ、高強度繊維材料からなる柱状体の特性を十分に発揮させることができる。
また、外周リングに鋼材などを使用し、その外周リングを利用してボルトや溶接等の固定手段によって高強度繊維材料を使用した柱状体どうし、或いは高強度繊維材料を使用した柱状体と他の部材とを確実に接合することができるので、例えば梁どうし間の柱状体を複数に分割した長さ寸法の短い部材を使用することができ、運搬や施工がし易くなり生産性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態による柱状体の補強構造および接合構造について、図１乃至図５に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態による柱の補強構造を示す立面図、図２は図１に示すＡ−Ａ線断面図、図３は図１に示す補強構造の立断面図、図４は試験例１による高強度繊維材からなる柱の圧縮強度試験結果を示す図、図５は試験例２による高強度繊維材からなる柱の圧縮強度試験結果を示す図である。

図１の符号１は建物の柱（柱状体）、符号２は梁を示している。つまり、この建物は、梁２、２どうしの間において二本の柱１（１Ａ、１Ｂ）が軸方向（上下方向）に直列に連結された構造となっている。柱１Ａ、１Ｂは、断面視正方形で中空筒状体をなし、例えばアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維などの高強度繊維材料を樹脂とを混合させたシート状の材料を複数積層させた部材により形成されている。
梁２、２は、鉄筋コンクリート製の部材が採用されている。そして、柱１Ａ、１Ｂは、接合される梁２、２から軸方向に圧縮力が作用する状態となっている。

図１及び図２に示すように、各柱１Ａ、１Ｂの軸方向の両端部１ａ、１ａには、周囲から取り囲む端部補強部材３、３が設けられている。端部補強部材３は、柱１の外周側に間隔をあけて配置される外周リング４と、この外周リング４および柱１の端部１ａとの間の隙間を埋める充填材５とからなる。そして、柱１の端部内側（筒状端部の内側）には硬化材６が充填され、柱１の端面１ｂには軸方向に直交する平面を有する補強板７が設けられている。

図２および図３に示すように、外周リング４は、鋼板を環状に形成させたものであり、その内径寸法が柱１の外径寸法より大きい寸法となっている。そして、本実施の形態では、外周リング４の内周縁部４ａにボルト孔４１ａを形成した複数（図２では４つ）の固定片４１、４１、…が溶接などの固定手段により固着されている。そして、外周リング４は、固定片４１が固定されている側を柱１の軸方向中心側に向けて配置されている。
充填材５は、例えば石膏、モルタル、エポキシ樹脂などの材料が採用され、柱１の端部１ａと外周リング４との付着力を高めるためのものである。

硬化材６は、モルタルやコンクリートなどが採用され、その充填範囲は柱１に取り付けられた端部補強部材３の厚さ寸法の範囲に相当する。そのため、両端部１ａ、１ａを除いた柱１内は、中空部１ｃが形成された状態となっている。
補強板７は、円盤形状の鉄板からなり、その外径寸法が端部補強部材３（外周リング４）の外径寸法とほぼ一致する大きさをなし、柱１に設けられた端部補強部材３、３の上下外側面に配置されて外周リング４に溶接などで固定されている。なお、補強板７には、上述した固定片４１、４１、…に対応する位置にボルト孔（図示省略）が形成されている。

そして、図３に示すように、軸方向（上下方向）に連結される柱１Ａ、１Ｂどうしは、それぞれの端部補強部材３、３どうし（或いは、外周リング４、４どうし）を補強板７、７を介して当接させ、固定片４１のボルト孔４１ａ（図２参照）にボルト８を挿通させ、端部補強部材３、３、および補強板７、７の厚さ方向にボルト締結することによって接合されている。そして、柱１Ａ、１Ｂと梁２、２との接合も同様に、端部補強部材３（或いは、外周リング４）が補強板７を介して梁２に対してボルト８によって接合されている。

このように、柱１の補強構造は、柱１における圧縮力が作用する軸方向の端部１ａと外周リング４とが充填材５によって互いに一体化された構造となり、さらに、柱１における端部補強部材３が配置される内側に硬化材６が充填された構造となっている。そのため、圧縮力によって生じる柱状体１の破壊が両端部１ａ、１ａの位置から軸方向中央部１ｄの位置となり、端部補強部材３を備えていない構造で同じ部材からなる柱と比較して、端部破壊が防止され、圧縮力に対する剛性を高めることができる。

また、柱１が中空形状であり、その筒状端部の内側（端部内側）にのみ硬化材６を充填させた構造であるので、柱１の部材量を減少することができ、高強度繊維材料の使用量を削減することが可能となるので、材料コストの低減を図ることができる。そして、柱１の重量を軽くすることが可能となり、運搬が容易となることから、例えば工場などで製作した柱１を現場に運び込んで組み立てるといった簡略化された作業のとなり、施工の効率化が図れるとともに、工期の短縮を図ることができる。

そして、柱１Ａ、１Ｂどうしを接合する場合には、本実施の形態のように外周リング４の材料として高強度繊維材料でない鋼材等を使用し、充填材５として例えば石膏等を使用することで、接合される両柱１Ａ、１Ｂの外周リング４、４どうしを、ボルト締結や溶接等の固定手段を用いて固定することができる。

さらに、本補強構造では、柱１の端面１ｂ補強板７を設ける構成なので、柱１と充填材５を介して取り付けられる外周リング４とをより強固に一体化させることができ、剛性を高めることが可能となり、柱１の軸方向に作用する圧縮力に対してより一層確実に対応することができる構造となっている。

（試験例１）
次に、上述した端部補強部材３、硬化材６、および補強板７（これらを補強構造という）によって補強された高強度繊維部材からなる柱１の剛性（圧縮強度）を確認するために、次のような試験を行った。
本試験では、上述した図１に示す補強構造を備えた柱状体（これを第１試験体Ａ（実施例）とする）と、補強構造を備えていない柱状体（これを第２試験体Ｂ（比較例）とする）とのそれぞれに対して圧縮強度試験を実施した。

すなわち、実施例による第１試験体Ａの補強構造を除いた柱状体は、高強度繊維材料である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなり、１辺が４０ｍｍの正方形をなす断面形状で、高さ寸法が８０ｍｍに形成された角柱体を使用した。そして、柱状体の軸方向（長手方向）の両端部に備えられる端部補強部材３の外周リング４は、鋼板からなり、その外径寸法が７０ｍｍ、厚さ寸法が３ｍｍ、高さ寸法１０ｍｍのものを使用した。そして、外周リング４と柱状体の端部との間の隙間には、充填材５として石膏が充填されている。

一方、比較例による第２試験体Ｂは、第１試験体Ａにおける補強構造を備えていない柱状体のみの構造であり、高強度繊維材料である炭素繊維強化プラスチックからなり、１辺が４０ｍｍの正方形をなす断面形状で、高さ寸法が８０ｍｍに形成された角柱体を使用した。

本試験例１による圧縮強度試験には、アムスラー試験機（図示省略）を使用し、ひずみゲージを各試験体Ａ、Ｂの柱状体の軸方向略中央側面の位置（下端から４０ｍｍの位置）に貼り、その値をデータロガーで収録した。そして、ひずみ計測方法は、実施例による第１試験体Ａと比較例による第２試験体Ｂとのそれぞれの両端部側からその軸方向（長手方向）に荷重（圧縮力）を与え、各第１、第２試験体Ａ、Ｂの平均ひずみを計測して破壊状態を確認した。その計測結果が図４に示すグラフであり、横軸が平均ひずみ、縦軸が荷重（ｋＮ）であり、白丸の点が実施例（第１試験体Ａ）、黒丸の点が比較例（第２試験体Ｂ）を示している。

図４に示す圧縮強度試験の結果、比較例では、端部破壊が発生するときの第２試験体Ｂの平均ひずみが略２５００μ（μ＝１０^−６）であり、そのときの荷重が略１４０ｋＮとなっていることがわかる。これに対して、実施例では、最大値を示した平均ひずみが略６３００μであり、そのときの荷重が略２８０ｋＮとなっていることが確認できる。すなわち、実施例の第１試験体Ａは、比較例の第２試験体Ｂに比べて２倍以上の荷重（圧縮力）に耐え得ることを確認することができる。

（試験例２）
次に、試験例２について説明する。試験例２は、上述した試験例１で使用した補強構造を備えた第１試験体Ａ（実施例）と、補強構造を備えない第２試験体Ｂ（比較例）のそれぞれにおいて部材の繊維配向を変えて、それぞれに対して試験例１と同様に圧縮強度試験を実施した。繊維配向は、９：１、２：１、１：１の３種類とした。各試験体Ａ、Ｂの寸法、試験方法は、試験例１と同様である。図５および表１は、計測結果を示したグラフであり、繊維配向に対する最大圧縮応力（Ｎ／ｍｍ^２）を示したものである。

図５および表１に示す圧縮強度試験の結果、補強構造を備えた第１試験例Ａは、それぞれの繊維配向において５５０Ｎ／ｍｍ^２以上の最大圧縮応力となり、補強構造を備えていない第２試験例Ｂより１００Ｎ／ｍｍ^２以上大きな値を示していることが確認できた。また、繊維配向の違いによる比較では、１：１が最も大きく６０５Ｎ／ｍｍ^２を示し、９：１と２：１はほぼ同じ数値となった。

上述のように本実施の形態による部材の補強構造および接合構造では、柱１における圧縮力が作用する軸方向の端部１ａと外周リング４とが充填材５によって互いに一体化され、且つ、柱１における端部内側に硬化材６が充填された補強構造することで、圧縮力に対する剛性を高めることができ、高強度繊維材料からなる柱１の特性を十分に発揮させることができる。
また、外周リング４に鋼材などを使用し、その外周リング４を利用してボルト８による固定手段によって高強度繊維材料を使用した柱１、１どうし、或いは高強度繊維材料を使用した柱１と梁２とを確実に接合することができるので、梁２、２どうし間の柱１Ａ、１Ｂを複数に分割した長さ寸法の短い部材を使用することができ、運搬や施工がし易くなり生産性の向上を図ることができる。

以上、本発明による柱状体の補強構造および接合構造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、端部補強部材３の形状、大きさ、厚さ寸法などはとくに制限されることはなく、柱１の大きさなどの条件に応じて任意に設定することができる。例えば、本実施の形態では外周形状が円形をなす外周リング４を採用しているが、この形状に限定されることはなく、例えば外周形状が四角形等の多角形状であってもよい。
そして、本実施の形態では梁２、２どうしの間に配置される柱１Ａ、１Ｂを２本としているが、この数量に制限されることはなく、１本、或いは３本を連結させることができる。
また、本実施の形態では柱１の端面１ｂに補強板７を設けた構造となっているが、補強板７を設けない構造であってもかまわない。

また、本実施の形態では柱１の内部が中空部１ｃ（図３参照）となっているが、このような構造に限定されることはなく、例えば図６に示すように、柱１の内部をモルタル或いはコンクリートなどの硬化材９で充填させた構造であってもかまわない。要は、柱１の端部１ａの内側に硬化材６が充填されていればよいのである。
さらに、本実施の形態では柱１Ａ、１Ｂどうしの接合をボルト８で締結する構造としているが、これに限定されることはなく、例えば図７に示すように補強板７、７どうしの側面に切欠部７ａを形成して溶接（溶接部Ｗ）することにより柱１Ａ、１Ｂどうしを接合する構造であってもかまわない。また、外周リング４、４どうしを溶接するようにしてもよい。

本発明の実施の形態による柱の補強構造を示す立面図である。 図１に示すＡ−Ａ線断面図である。 図１に示す補強構造の立断面図である。 試験例１による高強度繊維材からなる柱の圧縮強度試験結果を示す図である。 試験例２による高強度繊維材からなる柱の圧縮強度試験結果を示す図である。 本実施の形態の変形例による柱の補強構造の一部を示す立断面図である。 本実施の形態の変形例による柱どうしの接合構造を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 柱（柱状体）
１ａ 端部
１ｃ 中空部
１ｄ 軸方向中央部
２ 梁
３ 端部補強部材
４ 外周リング
５ 充填材
６ 硬化材
７ 補強板
８ ボルト

Claims (4)

1. 高強度繊維材料を使用した柱状体の補強構造であって、
   前記柱状体における圧縮力が作用する軸方向の端部には、
   前記端部の外周側に間隔をあけて取り囲むようにして配置される外周リングと、
   該外周リングおよび前記端部の間の隙間を埋める充填材と、
   前記柱状体の端部内側に充填された硬化材と、
   から構成されていることを特徴とする柱状体の補強構造。
2. 前記柱状体は、中空筒状体であることを特徴とする請求項１に記載の柱状体の補強構造。
3. 前記柱状体の端面には、前記軸方向に直交する平面を有する補強板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の柱状体の補強構造。
4. 高強度繊維材料を使用した柱状体の接合構造であって、
   前記柱状体における圧縮力が作用する軸方向の端部には、前記端部の外周側に間隔をあけて取り囲むようにして配置される外周リングと、該外周リングおよび前記端部の間の隙間を埋める充填材と、前記柱状体の端部内側に充填された硬化材とが備えられ、
   前記軸方向に隣接する前記柱状体どうしは、それぞれの前記外周リングどうしを固定させて接合されていることを特徴とする柱状体の接合構造。

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