JP5788837B2 - 炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法 - Google Patents
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Description
一方で、コンクリート構造物あるいは鋼構造物の補強箇所に対して鋼材を接合することによらない補強構造として、炭素繊維シート(CFRP)を用いた補強工法が知られている。この場合、疲労破壊が生じる部分をシート状の炭素繊維を貼り付ける補強であり、簡単に且つ短時間で疲労寿命を延ばし、亀裂の進展を遅らせることができる。
特許文献1は、引張力の作用する鋼部材において、端部が階段状に重なるように複数枚接着させたものであり、階段状に重なった端部を覆うカバーシートを最外層から鋼板にかけて接着させた鋼構造物の補強構造について開示されている。
また、所定長さの炭素繊維シートを補強範囲に配列させて使用する場合には、長さ方向に隣接する炭素繊維シート同士の間に継目部が形成されることになり、この継目部もまた端部と同様に剥がれ易いという問題があった。
また、炭素繊維材の貼る位置と重ね合わせ枚数(補強量)とを設定することによる補強となるので、貼り付ける作業そのものは従来と同様に簡単に且つ短時間で行うことができ、手間やコストの増大を抑えることが可能な補強方法となる利点がある。
さらに、被補強部材の最大温度変化量に基づく疲労剥離曲線を用いて、接着する炭素繊維材の拘束により被補強部材に発生する圧縮残留応力を考慮した補強を行うことができ、設計応力の低減を見込むことができる。
図1および図2に示すように、本第1の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法は、天井クレーン(図示省略)の走行レールを支持する梁材1(被補強部材)の適宜な箇所に炭素繊維シート3(炭素繊維材)を貼り付けることで、疲労破壊を遅らせるための補強を施すものである。
なお、重ね合わされる炭素繊維シート3のうち、梁材1(下フランジ12)に接着されるものを1層目とし、さらに重ね合わせられる順に2層目、3層目、…として以下説明する。
図3乃至図7、図10、図11に示すように、鋼構造物補強方法は、安全率αをもたせた梁材1(下フランジ12)の疲労設計曲線Sを算出する工程(ステップS1)と、炭素繊維シート3の端部(3a、3b、3c、3d)における接着部材2の疲労剥離曲線Tを算出する工程(ステップS2)と、疲労設計曲線Sおよび疲労剥離曲線Tを重ね合わせたときの交点Pを接着部材2の端部の設計応力σ0(σ01、σ02、σ03、σ04)として算出する工程(ステップS3)と、梁材1の補強後の目標補強応力Δσ’を算出する工程(ステップS4)と、目標補強応力Δσ’が設計応力σ0の範囲となるように、炭素繊維シート3の端部位置(外側端部3a、3c)、及び補強量を設定する工程(ステップS5〜S10)と、を行うものである。
また、前記補強量は、各層における炭素繊維シート3同士の突き合せ部(継目部3b、3d)の補強量であって、この突合せ部における断面積Ac(幅と重ね合わせ枚数の積)に相当している。
つまり、1層目の炭素繊維シート3による疲労剥離曲線T1、T2は、梁材1に対する接着部材2の疲労剥離状態を示しており、2層目以上の炭素繊維シート3による疲労剥離曲線T3、T4は、梁材1側に配置される炭素繊維シート3に対する接着部材2の疲労剥離状態を示している。
目標補強応力Δσ’は、(1)式に示す疲労曲線式より算出する。ここで、mは疲労設計曲線の傾きを表す指数、Δσは補強前の応力、Δσfは2×106回応力繰返し数での基本許容応力範囲である。そして、例えば、一例として、m=3(直応力を受ける継手)、Δσ=180、Δσf=65(F等級を想定)とすると、補強前の設計繰り返し回数N(回)は(2)式より91479回となる。そして、補強後の設計繰返し回数を例えば2倍(N×2)とすると、188358回となる。補強後の目標補強応力Δσ’は、(1)式を変形した(3)式より143N/mm2となる。
具体的に補強量は、(4)式、(5)式、(6)式に基づいて得られる(7)式より、設定する補強応力σs’となるように炭素繊維シート3の補強量Acを算出する。
ここで、補強部のひずみをε’、補強部の鋼材である梁材1と炭素繊維シート3の応力をそれぞれσs’、σc’とする。そして、梁材1のヤング率をEsとし、炭素繊維シート3のヤング率をEcとし、図8(a)〜(c)及び図9に示すように、梁材1の断面積をAs=b×Hとし、炭素繊維シート3の断面積をAc=a×tとし、無補強部の応力をσ=P/Asとする。
ここで、梁材1の断面において、符号Hは鋼材の高さ寸法、符号b上は上フランジ11の幅寸法、符号b下は下フランジ12の幅寸法、符号tf上は上フランジ11の厚さ寸法、符号tf下は下フランジ12の厚さ寸法、符号twはウェブ13の厚さ寸法を示している。また、炭素繊維シート3において、符号aは幅寸法、符号tは厚さ寸法である。そして、符号Xnは上フランジ11から中立軸Oまでの距離であり、設計モーメントをMとする。
設計モーメントMに対し、下記を満たすεtを算出し、(11)式より補強後の下フランジ12の応力σ3を求める。そして、この応力σ3が設計応力以下となるように補強量Ac(a,t)を決定する。
具体的にステップS8では、目標補強応力Δσ’が第2設計応力σ02を以下の場合(ステップS8:Yes)には、ステップS9へ進む。そして、目標補強応力Δσ’が第2設計応力σ02を超える場合(ステップS8:No)には、ステップS5へ戻り、目標補強応力Δσ’が第2設計応力σ02以下となるように補強量を変更する。
ここまでが1層目における炭素繊維シート3の端部位置(外側端部3a)と補強量の設定方法となる。
つまり、2層目の炭素繊維シート3の場合、ステップS9において、1層目の炭素繊維シート3で補強した下フランジ12における応力分布を用い、目標補強応力Δσ’がステップS3で求めた2層目の炭素繊維シート3の外側端部3cにおける第3設計応力σ03以下となるように端部位置、すなわち炭素繊維シート3の外側端部3cの位置を設定する。さらに、ステップS10において、目標補強応力Δσ’がステップS3で求めた2層目の炭素繊維シート3の継目部3dにおける第4設計応力σ04以下となるように炭素繊維シート3による補強量を設定する。そして、3層目以上の炭素繊維シート3も、ステップS9〜S10を行う。
また、炭素繊維シート3の貼る位置と重ね合わせ枚数(補強量)とを設定することによる補強となるので、貼り付ける作業そのものは従来と同様に簡単に且つ短時間で行うことができ、手間やコストの増大を抑えることが可能な補強方法となる利点がある。
図12に示すように、第2の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、例えば補強対象の天井クレーンが製鋼工場の溶鋼鍋を吊り下げる用途で用いられる場合であって、その天井クレーンの被補強部材である梁材に繰り返し荷重と熱の影響が同時に及ぶ場合に前記梁材1を補強する方法である。つまり、上述した繰り返し荷重による疲労を考慮した補強方法に加え、輻射熱等の熱の影響を考慮し、上記第1の実施の形態の補強手順フローの一部のステップに2段階の熱補正(第1熱補正、第2熱補正)を加えた補強方法である。
次いで、図4に示すように安全率αをもたせた疲労設計曲線Sを算出するとともに(ステップS1)、図5に示すように接着部材2の、炭素繊維シート3の端部(3a、3b、3c、3d)における疲労剥離曲線T(図13参照)を算出する(ステップS2)。
このステップS14の段階では、図13に示すように、常温時の接着部材2の疲労剥離曲線Tは、最大温度tmaxによって補正された第1熱補正疲労剥離曲線T’による第1熱補正と、最大温度変化量Δtによって補正された第2熱補正疲労剥離曲線T’’による第2熱補正と、の2段階の熱補正がなされることになる。
熱影響による梁材1の最大温度変化量Δtによって、その梁材1に発生するひずみをε2とすると、鋼材の熱ひずみにより接着部材2に発生するせん断力は、鋼材に引張応力Es×ε2を作用させたときのせん断力と同様である。そのため、熱影響により鋼材に仮想の引張応力σssΔtを付加させたとみなすことができる。そして、熱影響を考慮したときの接着部材2が負担するせん断力は、鋼材応力σ3S=σ3+σSSΔtのときのせん断力と同じである、ことを考慮して接着部材2の疲労曲線を算出する。つまり、下フランジ12の応力σ3に対し、接着部材2の疲労寿命は前記鋼材応力σ3Sに相当し、この鋼材応力σ3Sのときの疲労寿命に置き換えることができる。同様に、任意の応力σyに対して、接着部材2の疲労寿命はσy=σy+σSSΔtであることから、第2熱補正疲労剥離曲線T’’を算出することができる。
続いて、ステップS8において、見直しによってステップS4で求めた目標補強応力Δσ’が1層目の炭素繊維シート3の継目部3bにおける第2設計応力σ02以下となるように炭素繊維シート3による補強量を設定する。このとき、目標補強応力Δσ’が第2設計応力σ02を以下の場合(ステップS8:Yes)には、ステップS9へ進む。そして、目標補強応力Δσ’が第2設計応力σ02を超える場合(ステップS8:No)には、再度、ステップS5へ戻り、目標補強応力Δσ’が第2設計応力σ02以下となるように補強量を変更する手順となる。
なお、ステップS9以降の手順は、上記第1の実施の形態と同様となるので、ここでは詳しい説明を省略する。
天井クレーンが吊り荷である溶鋼鍋の熱の影響を受ける共用時において、鋼材に対して炭素繊維材が未接着となる場合に、鋼板単体のみの熱ひずみε1は(16)式により求められる。そして、鋼材に対して炭素繊維材が接着される場合(線膨張係数=0)には、鋼板に作用する残留応力σΔtが(17)式の関係となる。なお、ε2は、鋼材に炭素繊維材が接着した場合における鋼材のひずみであり、Esは鋼材のヤング率である。
また、力のつり合いより、(18)式、及び(19)式が求められる。
先ず、最大温度変化量Δtにより鋼材に発生する残留応力σΔtは、上述した(16)式、(17)式、(18)式に基づいて導かれる(20)式に基づいて算出される。
さらに、本第2の実施の形態では、梁材1の最大温度変化量Δtに基づく第2熱補正疲労剥離曲線T’’を用いて、梁材1の熱膨張の影響を考慮した接着部材2の疲労による界面剥離を予測することができ、且つ接着する炭素繊維材の拘束により鋼材に発生する圧縮残留応力を考慮した補強を行うことができる。
このように、熱の影響を考慮した炭素繊維材を用いた補強を行うことができるので、防熱板等による防熱対策の要否検討が可能になる。
例えば、上述した実施の形態では梁材1のH形鋼の下フランジ12の下面12aを補強対象(炭素繊維シートの貼り付け面)としているが、これに限定されることはなく、下フランジ12の上面であっても良いし、上フランジ11やウェブ13であっても良い。さらには、H形鋼に限定されることはく、CT鋼や溝形鋼等の鋼部材への補強であっても良い。そして、補強面は平坦である必要はなく、本実施の形態のようにシート状の炭素繊維材を使用することで、凹凸や突起物を有する被補強部材を対象とすることも可能である。
また、天井クレーンを支持する梁材1を補強対象としているが、例えば橋梁など、他の鋼構造であっても勿論かまわない。
2 接着部材
3 炭素繊維シート(炭素繊維材)
3a 1層目の外側端部
3b 1層目の継目部
3c 2層目以上の外側端部
3d 2層目以上の継目部
S 疲労設計曲線
S’ 基準疲労設計曲線
T、T1〜T4 疲労剥離曲線
σ0(σ01、σ02、σ03、σ04) 設計応力
Δσ’ 目標補強応力
α 安全率
Claims (8)
- 被補強部材の引張力が作用する部分に炭素繊維材を接着部材を介して複数層に段差状に重ね合わせて貼り付けて補強する炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法であって、
安全率をもたせた被補強部材の疲労設計曲線を算出する工程と、
前記炭素繊維材の端部における前記接着部材の疲労剥離曲線を算出する工程と、
前記疲労設計曲線および前記疲労剥離曲線を重ね合わせたときの交点を前記接着部材の端部の設計応力として算出する工程と、
前記被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、
前記目標補強応力が前記設計応力の範囲となるように、前記炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、
を有することを特徴とする炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。 - 1層目の前記炭素繊維材の端部位置を設定した後、
2層目以上の前記疲労設計曲線と前記疲労剥離曲線との交点を算出し、互いに重なり合う炭素繊維材同士を接着する接着部材の端部の設計応力を算出する工程と、
前記被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、
該目標補強応力が前記2層目以上の設計応力の範囲となるように、前記2層目以上の炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。 - 前記炭素繊維材の端部は、各層の長さ方向の両端に位置する外側端部と、長さ方向に配列される前記炭素繊維材同士の継目部と、からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
- 前記炭素繊維材の前記外側端部の端部位置は、
前記目標補強応力に基づいて補強後の応力分布図を作成し、該応力分布図を用いて前記目標補強応力が前記外側端部における前記設計応力以下となるように設定されることを特徴とする請求項3に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。 - 前記炭素繊維材の前記継目部の端部位置は、
前記目標補強応力が前記継目部における前記設計応力以下となるように設定されることを特徴とする請求項3又は4に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。 - 前記炭素繊維材は、シート状に形成された炭素繊維シートであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
- 前記疲労剥離曲線は、被補強部材の最大温度によって熱補正されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
- 前記補強量は、被補強部材の最大温度変化量によって熱補正された疲労剥離曲線に基づく設計応力を用いて算出されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
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