JP5990003B2 - 構造体およびこの補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造体およびこの補強方法に関する。

従来、コンクリート造の構造体の耐震補強構造として、炭素繊維シートからなる補強材を補強部位の表面に沿って巻き付けるようにして貼り付けて構造体と一体化させる構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。この耐震補強構造によれば、補強材の剛性によって耐震性能を向上させることができる。
また、炭素繊維シートによる補強材では、構造体の表面にエポキシ樹脂等からなるプライマーが塗布され、そのプライマー層の上に炭素繊維シートが貼り付けられた補強層の強度などの物性によって構造体のコンクリート剥離を防止することができる。

特開平１１−３２４３４３号公報

しかしながら、上記した従来の耐震補強構造では、炭素繊維シートの破断伸びが小さい（炭素繊維シート：約１４％）ので、巨大地震や大きな衝撃によって構造体が大変形すると、補強材やそれを構造体に接合する接合材が破断してエネルギー吸収性能を発揮することができないおそれがある。このため、上記した従来の耐震補強構造では、巨大地震や大きな衝撃に対応できないという問題がある。
また、仮に巨大地震や大きな衝撃によってコンクリート構造物が破壊されると、内部の鉄筋が破断していなくても破壊されたコンクリート片が崩れ落ちて被害が甚大となる。
つまり、コンクリート構造物の躯体表面のコンクリートが剥がれ、このコンクリート片が散逸することとなる。そのため、コンクリート構造物が建物の場合には、散逸するコンクリート片が落下したり、側壁自体の形状が保持できなくなり、側壁の自立性も失われて建物が倒壊するという二次的な被害が発生するという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、巨大地震や大きな衝撃の際にもエネルギー吸収性能を発揮することができ、また、仮に構造体が破壊されたとしても構造体から生じるコンクリート片等の散逸を防止することができる構造体およびこの補強方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る構造体では、コンクリート造の構造体の補強部位の表面を被覆するように補強材を前記構造体に対して一体に設けて前記補強部位が補強される構造体であって、前記補強材は、補強部位の表面に貼り付けられる炭素繊維シートと、該炭素繊維シートの表面に被覆され、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物であるポリウレア樹脂からなる補強塗膜と、からなり、前記補強塗膜は、引張強度が１０〜２５ＭＰａ、破断伸びが２００％以上の物性を有し、前記炭素繊維シートの表面に２〜８ｍｍの塗布厚で被覆されてなり、前記炭素繊維シートとともに前記構造体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、前記補強塗膜によって前記構造体の形状が保持され、最終的な変形量が減少することを特徴としている。

また、本発明に係る構造体の補強方法では、上述した構造体の補強方法であって、構造体の補強部位の表面に炭素繊維シートを貼り付ける工程と、炭素繊維シートの表面に前記補強塗膜を被覆する工程と、を有することを特徴としている。

本発明では、イソシアネートアミンとの化学反応により形成された化合物であるポリウレア樹脂からなる補強塗膜が、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂であり、例えば１０〜２５ＭＰａ程度の高強度と例えば２００％以上の大きな破断伸び（伸び変形性能）を有する。また、構造体の補強部位の表面に炭素繊維シートを貼り付けることで、構造体の耐力を向上させることができる。
すなわち、構造体の耐力を炭素繊維シートで行い、変形に対する粘り強さを補強塗膜で行うことができる。そのため、炭素繊維シートとともに構造体の変形が塑性域に達しても、補強塗膜が構造体の大変形に追従して伸び変形するので、補強塗膜によって構造体の変形に応じたエネルギー吸収性能が発揮される。したがって、巨大地震や大きな衝撃による荷重に対応することが可能な構造を設けることができる。

仮に、上記巨大地震などの荷重を受けることにより構造体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、補強塗膜は伸びることはあっても破断せず、補強塗膜によって構造体の表面が被覆された状態が維持される。これにより、構造体のコンクリート片の散逸が防止され、また、構造体が転倒したり崩壊したりせずに自立した形状が保持される。
しかも、補強塗膜は変形抵抗を有しているので、構造体に衝撃が加わって撓み変形したときに、補強塗膜の変形抵抗力によって構造体を元の形状に戻す力が働く。その結果、構造体は、一旦大きく撓み変形した後に若干戻され、最終的な変形量が小さく抑えられる。

また、本発明の構造体によれば、構造体に補強塗膜を吹き付けや塗布することによって形成されるので、容易に且つ安価に施工することができ、既設の構造体においても容易に施工できる。

また、本発明に係る構造体では、補強塗膜は、構造体のうち２面以上に設けられていることが好ましい。

これにより、構造体の２面以上が補強塗膜によって包み込まれた状態となり、その効果（ラッピング効果）により、上記した形状保持がより効果的に発揮される。

また、本発明に係る構造体では、補強塗膜は、構造体の表面全体に設けられていることが好ましい。
これにより、構造体の表面全体が補強塗膜によって包み込まれた状態となり、その効果（ラッピング効果）により、上記した形状保持がより一層効果的に発揮される。

本発明の構造体およびこの補強方法によれば、巨大地震や大きな衝撃の際にもエネルギー吸収性能を発揮することができ、仮に構造体が破壊されたとしても、その構造体のコンクリート片の散逸を防ぎ（局所破壊防止）、転倒したり崩壊したりせずに自立した形状を保持（全体破壊防止／形状保持）することができる。そのため、コンクリート片等の散逸に伴う二次的な被害を抑えることが可能となる。

本発明の実施の形態による補強材によって補強された補強体の構成を示す一部破断斜視図である。 図１に示す補強材によって補強された補強体の断面図である。 ポリウレア樹脂の力学的特性を示す図である。 実施例１による試験結果を示す図である。 実施例２による試験結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態による構造体およびこの補強方法について、図面に基づいて説明する。

本実施の形態では、図１に示すように、建物の躯体や津波対策用の防護壁などからなる鉄筋コンクリート造の構造体１を補強する補強材１０について説明する。ここで、本実施の形態の構造体１は、所定厚さ寸法を有する長尺で６面を有する箱型構造であって、この長手方向の両端面を除いた表面（４つの表面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）全周にわたって補強材１０で補強された構造である。
補強材１０は、構造体１の４つの表面１ａ〜１ｄに巻き付けられて貼り付けられるシート状の炭素繊維シート２と、その炭素繊維シート２のさらに表面に被覆された靭性の高い樹脂製の補強塗膜３と、からなる二層構造となっている。

炭素繊維シート２は、炭素繊維を一方向又は二方向に配列したシートであって、構造体１の躯体表面に対してエポキシ樹脂を用いて炭素繊維シートに樹脂を含浸させながら接着し、ＣＦＲＰ（強化プラスチック）化され、構造体１の耐力を増強させるものである。なお、炭素繊維シート２は、構造体１の表面に対して１回巻き、或いは２回巻きであってもよい。

補強塗膜３は、構造体１の表面全体を所定の塗布厚（例えば図２に示す厚さ寸法Ｄは４ｍｍ）をもって被覆するように設けられている。

上記した補強塗膜３は、構造体１の表面に吹き付けやローラーなどで塗布される樹脂製の塗膜であって、イソシアネートと、ポリオール及びアミンのうちの少なくとも一方からなる硬化剤との化学反応により形成された化合物からなる。例えば、補強塗膜３としては、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物であるポリウレア樹脂を用いることができる。

具体的に補強塗膜３は、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂からなる。例えば、ポリウレア樹脂の場合には、図３に示すような力学的特性を有している。ここで、補強塗膜３を構成する合成樹脂としては、例えば引張強度が鉄筋の十分の一程度の２０ＭＰａ程度（１０〜２５ＭＰａ）であって、破断伸びが２００％以上の物性を有する樹脂からなり、例えば「スワエールＡＲ−１００（登録商標：三井化学産資株式会社製）」が用いられる。なお、補強塗膜３の厚さ寸法Ｄは、２ｍｍ以上であることが好ましい。

ここで、構造体１に補強材１０を被覆する施工方法としては、塗布するコンクリート表面（ここでは、符号１ａ〜１ｄの４表面）を十分に清掃して塵等を取り除いた後、エポキシ樹脂を用いて炭素繊維シート２に樹脂を含浸させながら接着する。その後、炭素繊維シート２の表面にプライマーを塗布した後、ポリウレア樹脂を所定厚さだけ塗布する。これにより、構造体１の表面に炭素繊維シート２と補強塗膜３の二層からなる補強材１０が形成される。なお、プライマーの塗布は省略することも可能である。

次に、上記した構成からなる構造体の作用について、具体的に説明する。
図１および図２に示すように、本実施の形態では、補強塗膜３が、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂であるため、構造体１の耐力を炭素繊維シート２で行い、変形に対する粘り強さを補強塗膜３で行うことができる。そのため、炭素繊維シート２とともに構造体１の変形が塑性域に達しても、補強塗膜３が構造体１の大変形に追従して伸び変形するので、補強塗膜３によって構造体１の変形に応じたエネルギー吸収性能が発揮される。したがって、巨大地震や大きな衝撃による荷重に対応することが可能な構造を設けることができる。

仮に、上記巨大地震などの荷重を受けることにより構造体１の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、補強塗膜３は伸びることはあっても破断せず、補強塗膜３によって構造体１の表面が被覆された状態が維持される。これにより、構造体１のコンクリート片の散逸が防止され、また、構造体１が転倒したり崩壊したりせずに自立した形状が保持される。
しかも、補強塗膜３は変形抵抗を有しているので、構造体１に衝撃が加わって撓み変形したときに、補強塗膜３の変形抵抗力によって構造体１を元の形状に戻す力が働く。その結果、構造体１は、一旦大きく撓み変形した後に若干戻され、最終的な変形量が小さく抑えられる。

また、構造体１に補強塗膜３を吹き付けや塗布することによって形成されるので、容易に且つ安価に施工することができ、既設の構造体においても容易に施工できる。

また、補強塗膜３が構造体１のうち２面以上（ここでは４面１ａ〜１ｅ）に設けられているので、その４面１ａ〜１ｅが補強塗膜３によって包み込まれた状態となり、その効果（ラッピング効果）により、上記した形状保持がより効果的に発揮される。

上述のように本実施の形態による構造体およびこの補強方法では、巨大地震や大きな衝撃の際にもエネルギー吸収性能を発揮することができ、仮に構造体１のコンクリートが破壊されたとしても、その構造体１のコンクリート片の散逸を防ぎ（局所破壊防止）、転倒したり崩壊したりせずに自立した形状を保持（全体破壊防止／形状保持）することができる。そのため、コンクリート片の散逸に伴う二次的な被害を抑えることができる。

次に、上述した実施の形態による構造体およびこの補強方法の効果を裏付けるために行った試験例（実施例１、２）について以下説明する。

（実施例１）
実施例１では、コンクリート製の円柱供試体を使用し、その供試体の外周面に炭素繊維シートおよびポリウレア樹脂を塗布して補強した試験体１と、炭素繊維シートのみで補強した試験体２と、補強無しの試験体３とに対して、載荷装置を使用して各試験体の中心軸方向を圧縮方向とする圧縮試験を行い、各試験体１、２、３の変形状態（亀裂や剥離）を確認した。

各試験体１〜３は、直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円柱状の構造体であり、４週強度で３０Ｎ／ｍｍ^２のコンクリートを使用している。載荷条件としては、試験体１〜３を中心軸線方向を上下方向に向けて配置し、上方より準静的な０．０００１ｍ／ｓの速度で載荷した。
ここで、試験体１は炭素繊維シートを供試体の外周面に２回巻き付け、さらにその表面に塗布厚８ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体２は炭素繊維シートを供試体の外周面に２回巻き付けたものである。

図４は、上記試験体１〜３において、横軸を載荷点の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸を荷重Ｐ（ｋＮ）とした曲げ試験結果を示している。
図４に示すように、降伏時の荷重（耐力）を比較すると、炭素繊維シートとポリウレア樹脂で補強した試験体１は、略８４０ｋＮとなり、補強無しの試験体３の略２９０ｋＮの荷重と比べて約３倍となり、炭素繊維シートのみの補強である試験体２の略６５０ｋＮの荷重と比べて約１．３倍となった。また、変形量（靭性）を比較すると、試験体１は、略１２．８ｍｍとなり、試験体３の略２ｍｍの変形量と比べて６倍以上となり、試験体２の略６．３ｍｍの変形量と比べて約２倍となった。このとき、試験体１は、降伏後の耐力の低減も急激には起こらず、しかも、残存耐力を高めることを確認することができた。
また、試験体２、３では、コンクリート片が周囲に飛散したが、試験体１ではコンクリート片の飛散はほとんど確認できない状態であった。

このように炭素繊維シートにポリウレア樹脂を塗布することにより拘束効果（ラッピング効果）が得られ、構造部材の部分的な圧壊はあるものの、コンクリート片の発生を抑制（局所破壊防止）し、破壊をもたらす引張りやせん断に対してポリウレア樹脂のライニングが受け持つことで構造部材本体の形状保持（全体破壊防止）し、コンクリート片の飛散をさせないという効果があることが確認された。

（実施例２）
次に、実施例２では、上記実施例１における試験において、試験体１、２に使用する炭素繊維シートに代えて、より優れた強度を有するダイニーマ（東洋紡績株式会社製、登録商標）繊維シートを用い、上記実施例１と同様の試験を行い、変形状態（亀裂や剥離）を確認した。なお、試験体１は、その表面に塗布厚８ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものである。試験体２は、試験体１のポリウレア樹脂は、ダイニーマ繊維シートを供試体の外周面に１回巻き付けたものである。

図５に示すように、降伏時の荷重（耐力）を比較すると、ダイニーマ繊維シートとポリウレア樹脂で補強した試験体１は、略３９０ｋＮとなり、補強無しの試験体３の略２９０ｋＮの荷重と比べて約１．３倍となり、ダイニーマ繊維シートのみの補強である試験体２の略３５０ｋＮの荷重と比べて約１．１倍となった。また、変形量（靭性）を比較すると、試験体１は、略１１．１ｍｍとなり、試験体３の略２ｍｍの変形量と比べて約５．５倍となり、試験体２の略８．８ｍｍの変形量と比べて約１．３倍となった。このとき、試験体１は、降伏後の耐力の低減も急激には起こらず、しかも、残存耐力を高めることを確認することができた。また、試験体２、３では、コンクリート片が周囲に飛散したが、試験体１ではコンクリート片の飛散はほとんど確認できない状態であった。
これにより、本実施例２においても、上記実施例１と同様にダイニーマ繊維シートにポリウレア樹脂を塗布することによっても拘束効果（ラッピング効果）が得られることが確認された。

以上、本発明による構造体およびこの補強方法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、本実施の形態では構造体として建物の躯体や津波対策用の防護壁などからなる鉄筋コンクリート製のものを本発明の構造体の適用対象としているが、これに限定されることはなく、他の形態の板状構造に適用することも可能である。例えば、床版、防液堤、ロックシェッド、スノーシェッド、橋梁高欄、桟橋などのコンクリート製の構造体や、石積み橋脚、石積み擁壁などの石積み構造、或いは橋梁の鋼桁（鋼構造、合成構造）、鋼製の橋脚、鋼製のタンク等の構造体の適用対象とすることができる。

また、本実施の形態では、構造体１のうち長手方向の両端面には補強材１０を施していないが、これに限定されず、構造体１の表面全体にわたって補強材１０により補強することも可能であり、また、対向する２面（例えば図２において符号１ａ、１ｃの２面）のみに補強材１０を設ける構成であってもかまわない。

さらに、炭素繊維シートと補強塗膜との範囲が必ずしも互いに対応している必要はない。例えば、６面を有する構造体において、そのうち所定の２面に炭素繊維シートを設け、全面（６面）に対して補強塗膜で被覆するようにしてもよい。

さらにまた、補強塗膜３において、例えばガラス片やガラス繊維、ガラスフリット等を分散させてなる不燃性を有する混入材を、ポリウレア樹脂に混入させることも可能である。あるいは混入材として、例えばコンクリート、煉瓦、瓦、石綿スレート、鉄鋼、アルミニウム、モルタル、漆喰等のガラス以外の不燃材料であっても良い。

また、上記した実施の形態では、補強塗膜３として、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物からなるポリウレア樹脂が用いられているが、本発明は、イソシアネートとポリオールとの化学反応により形成された化合物からなるポリウレタン樹脂を補強塗膜として用いることも可能であり、また、イソシアネートとポリオールとアミンとの化学反応により形成された化合物からなる樹脂を補強塗膜として用いることも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 構造体
２ 炭素繊維シート
３ 補強塗膜
１０ 補強材

Claims (4)

1. コンクリート造の構造体の補強部位の表面を被覆するように補強材を前記構造体に対して一体に設けて前記補強部位が補強される構造体であって、
   前記補強材は、
   補強部位の表面に貼り付けられる炭素繊維シートと、
   該炭素繊維シートの表面に被覆され、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物であるポリウレア樹脂からなる補強塗膜と、
   からなり、
   前記補強塗膜は、引張強度が１０〜２５ＭＰａ、破断伸びが２００％以上の物性を有し、前記炭素繊維シートの表面に２〜８ｍｍの塗布厚で被覆されてなり、
   前記炭素繊維シートとともに前記構造体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、前記補強塗膜によって前記構造体の形状が保持され、最終的な変形量が減少することを特徴とする構造体。
2. 前記補強塗膜は、前記構造体のうち２面以上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
3. 前記補強塗膜は、前記構造体の表面全体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の構造体の補強方法であって、
   前記構造体の補強部位の表面に前記炭素繊維シートを貼り付ける工程と、
   該炭素繊維シートの表面に前記補強塗膜を被覆する工程と、
   を有することを特徴とする構造体の補強方法。

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