JP6301075B2

JP6301075B2 - 鋼材の補修構造

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Publication number: JP6301075B2
Application number: JP2013136211A
Authority: JP
Inventors: 聖志山田; 幸大松本; 信之山口; 和徳相見; 敬志大津; 孝洋松井; 勝山田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Toyohashi University of Technology NUC; Toray Industries Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Toyohashi University of Technology NUC; Toray Industries Inc
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: JP2014029108A

Description

本発明は、鋼材の補修構造に関し、とくに、メッキ被覆された鋼材の補修に好適な補修構造に関するものである。

各種構造物を構成する鋼材が経年により腐食・減肉して、鋼構造物の劣化が社会的課題となっている。

その対策として、繊維系補修材を使った補修技術が研究・開発されてきたが、多くの補修技術は、外表面が腐食した鋼材への適用を目的としたものである（例えば、特許文献１）。

しかし、近年、鋼管などの閉断面形状を有する鋼材の内部腐食が明らかになってきているが、このような閉断面鋼材では、腐食防止を目的に全表面（全外表面）にメッキ被覆が施されているものが多い。

上記特許文献１は、減肉した部分を不陸調整材で埋めて均した後に、プライマーを塗布後にＣＦシート（炭素繊維シート）を貼り付け、プライマー乾燥後に合成樹脂からなる接着剤を塗布・硬化して補修する技術である。この補修技術は、Ｉ型やＨ型などの開断面鋼材や外面が腐食した閉断面鋼材には適用できるが、内面が腐食した閉断面鋼材では適用不可能である。さらに、メッキ被覆された鋼材についての記載はなく、メッキ被覆を一種の塗装と捉えた場合、ＣＦシートを貼り付ける前に塗装を全撤去することとしている。つまり、メッキ被覆を剥ぎ取る工程が入り、工期が長くなる。

また、メッキ被覆された鋼材の補強技術として特許文献２が提案されている。本技術は、補強シート接着面となる部位のメッキを鋼材から完全に剥ぎ取り、その部位にプライマー塗布後、繊維シートを貼設して含浸・硬化させ、補強するものである。つまり、メッキを剥がす手間もあり、施工期間が長くなる。また、鋼管内部が腐食した場合の補修を示唆した技術ではない。

更に、通常、亜鉛メッキの場合には鋼母材と合金層を形成するため、メッキの完全な除去のためにはこの合金層とともに母材の一部の除去を必要とすることになる。

このように、内部腐食した閉断面鋼材の補修技術はなく、従来は顕著に腐食・減肉した閉断面鋼材は、取替えを実施してきた。しかし、供用している構造物の鋼材を取り替える場合、仮設材の設置など多くの工程が加わって長期施工となることや、供用不可となる場合もあり、経済性が悪いという課題がある。

特開２００５−７６２３０号公報特開２００１−３０３７１５号公報

そこで本発明の課題は、腐食部を直接補修できない鋼材、とくに内面が腐食した閉断面鋼材に対し容易にかつ効果的に補修が可能であり、該補修により鋼材の剛性や降伏強度を腐食劣化前に戻すことが可能な、また、鋼材自体にメッキ被覆がなされている場合にあっても基本的にメッキを剥がすことなく容易に短期間で補修可能な鋼材の補修構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る鋼材の補修構造は、腐食した鋼材の補修構造において、鋼材の腐食した面の裏面側にメッキが被覆されており、そのメッキ面上に、前記腐食により断面欠損した前記鋼材の曲げ剛性を補うために、曲げ剛性Ｅ _ＦＩ _Ｆを有し、かつ、次式（１）を満足するＦＲＰ（繊維強化プラスチック）が設置されていることを特徴とするものからなる。ＦＲＰの設置は、例えば接着によることができる。
Ｅ _ＳＩ _ＳＬ ≦Ｅ _ＦＩ _Ｆ（１）
ここで、
Ｅ _Ｓ：鋼材の弾性率
Ｉ _ＳＬ：断面欠損した鋼材減肉部の断面２次モーメント
Ｅ _Ｆ：ＦＲＰの弾性率
Ｉ _Ｆ：補修により付加されるＦＲＰの断面２次モーメント

上記ＦＲＰは、強化繊維とマトリックス樹脂から構成されるものである。用いられる強化繊維としては、とくに限定されず、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサゾール（ＰＢＯ）繊維および高強度ポリエチレン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の強化繊維を用いることができ、強化繊維は連続繊維であることが好ましい。中でも引張弾性係数が２３０ＧＰａ〜６４０ＧＰａの範囲にある炭素繊維を使用することが好ましい。炭素繊維は高価ではあるが、連続繊維の中でも強度および弾性率に優れるため好ましい。また、マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ビニルエステル系樹脂、フェノール系樹脂および不飽和ポリエステル系樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂を用いることができ、中でも、耐久性、強度発揮特性および鋼材への接着性に鑑みて、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂とするのが好ましい。また、鋼材の表面に塗布するプライマーについて、ＦＲＰを構成するマトリックス樹脂と同じ系統とする。

上記のような本発明に係る鋼材の補修構造においては、鋼材の腐食した面の裏面側にＦＲＰが設置されるので、腐食部が直接補修できない部位に発生している場合にあっても、その裏面側に、つまり、設置の容易な、または設置上障害のない裏面側にＦＲＰを設置して適切に鋼材を補剛、補修することが可能になり、設置したＦＲＰにより鋼材の剛性、強度を実質的に腐食劣化前に戻すことが可能になる。

また、本発明に係る鋼材の補修構造では、上記腐食した面の裏面側にメッキが被覆されており、そのメッキ面上に上記ＦＲＰが設置されている構造とされている。すなわち、メッキで被覆されている面側では基本的には母材である鋼材の腐食は進まないと考えられるので、この面側にＦＲＰを設置し、反対面側に発生している腐食に対して鋼材を補修、補強するのである。この補修構造では、基本的にメッキを剥がす必要がなく、例えば、メッキ表面の汚れを除去したり弱層部を目粗して補修したりした上にＦＲＰを設置すればよい。メッキを剥がす手間が不要であるので、施工期間が短く、短期間で所望の補修が可能になる。さらに、劣化した母材である腐食層或いは母材自体の一部を除去することはない。

また、このようにＦＲＰが設置されている上記メッキ面には、算術平均表面粗さが０．１〜３０μｍの範囲となるように目粗し加工が施されていることが好ましく、とくに接着による一体性に鑑みると、算術平均表面粗さが０．１〜１０μｍとなるように目粗し加工が施されていることが好ましい。

また、上記ＦＲＰが設置されている面にはプライマー処理が施されていることも好ましい。このプライマーは、ＦＲＰのマトリックス樹脂を兼ねるようにＦＲＰの強化繊維基材中に含浸されることも可能である。

また、本発明に係る鋼材の補修構造は、とくに、腐食した鋼材が閉断面形状（例えば、円形や角形断面形状）を有する場合（とくに、鋼材が鋼管の場合）に好適なものであり、中でも、閉断面形状の内面が腐食した面である場合に好適なものである。閉断面形状の内面が腐食した面である場合には、その腐食部を直接補修することはできないが、本発明に係る構造により、閉断面形状の鋼材の外面にＦＲＰを設置することにより、鋼材を適切に補剛、補修することが可能になり、設置したＦＲＰにより鋼材の剛性、強度を実質的に腐食劣化前に戻すことが可能になる。

このように、本発明に係る鋼材の補修構造によれば、腐食部を直接補修できない鋼材、とくに内面が腐食した閉断面鋼材に対し容易にかつ効果的に所望の補修が可能になり、この補修により鋼材の剛性や強度を効率よく実質的に腐食劣化前に戻すことが可能になる。また、鋼材自体にメッキ被覆が施されている場合にあっても、メッキを剥がすことなく容易にかつ短期間のうちに所望の補修を行うことができるようになる。

内部腐食した鋼管の横断面図である。図１の内部腐食した鋼管の縦断面図である。図１の内部腐食した鋼管に本発明の一実施態様に係る補修構造を適用した場合の横断面図である。図３の補修された鋼管の縦断面図である。断面欠損した鋼管の断面２次モーメント算定のための概念図である。断面欠損した鋼管に補修したＦＲＰの断面２次モーメント算定のための概念図である。本発明による効果を確認するために行った試験に使用した圧縮試験治具の説明図である。本発明による効果を確認するために行った試験に使用した引張試験治具の説明図である。

以下に、本発明について、実施の形態とともに、より具体的に説明する。
本発明に係る鋼材の補修構造は、腐食部を直接補修できない鋼材に好適なものであり、とくに内部腐食して減肉した閉断面鋼材、例えば図１、図２に示すような鋼管１の内面に腐食・減肉部２が発生した場合の補修に好適なものである。

このように内部腐食して減肉した閉断面鋼材や腐食部を直接補修できない開断面鋼材に対して、減肉部の裏側（鋼材外面）でかつＦＲＰ接着範囲となるメッキ被覆部を、例えばサンドペーパーやサンドブラスター等を使ってメッキ表面の汚れや弱層部を目粗し・除去する。その際、前述したように、メッキ被覆表面の算術平均表面粗さが０．１〜３０μｍの範囲となるように目粗しを実施することが好ましいが、接着による一体性に鑑みると０．１〜１０μｍの範囲にすることがより好ましい。

そして、例えばその表面にプライマーを塗布した後に、例えば、連続繊維で構成される強化繊維シートを減肉した剛性に応じた補修量だけ合成樹脂系の接着剤（ＦＲＰのマトリックス樹脂を兼ねる）を使って貼り付ける。

ＦＲＰ設置範囲と補修量について、例えば鋼管１の管軸方向に補修する場合について、図３、４を用いて説明する。内面に腐食・減肉部２が発生した鋼管１の外面の補剛・補修対象領域に対し、例えば、外周全周にわたってプライマー３を塗布した後、例えば、繊維方向が管軸方向となるＦＲＰ４を、腐食・減肉部２が発生した面の裏面側（鋼管１の外面側）に設置し、その上に、全周にわたって繊維方向が管周方向となるＦＲＰ５を設置する。ＦＲＰ４，５は、プライマーや接着剤がＦＲＰのマトリックス樹脂を兼ねるように強化繊維基材中に含浸され、硬化されることによって構成される。鋼管１の管軸方向の補修は主として繊維方向が管軸方向となるＦＲＰ４によって行われ、繊維方向が管周方向となるＦＲＰ５はＦＲＰ４を所定の位置に固定・保持する。

繊維方向が管軸方向となるＦＲＰについて、長軸方向に接着する補強量は、以下の式と、図５（断面欠損した鋼管の断面２次モーメント算定のための概念図）および図６（断面欠損した鋼管に補修したＦＲＰの断面２次モーメント算定のための概念図）を用いて説明する。

式（１）に示すように、減肉した鋼管１の弾性係数と断面２次モーメントを掛け合わせた曲げ剛性分に対して、繊維方向が管軸方向となるＦＲＰの弾性係数と断面２次モーメントを掛け合わせた曲げ剛性が上回るようにする。式（１）における鋼材減肉部の断面２次モーメントは例えば式（２）に示すように、式（１）におけるＦＲＰの断面２次モーメントは例えば式（３）に示すように、求めることができる。管軸方向となるＦＲＰの長軸方向（管軸方向）の範囲は、減肉部縁端部から健全部に向け１００ｍｍ以上とすることが好ましい。管軸方向となるＦＲＰの周方向の設置範囲は、補修量計算で得られた範囲〜全周の範囲内で貼り付ける。

また、繊維シート剥離防止のため、繊維方向が周方向となるＦＲＰを、繊維方向が管軸方向となるＦＲＰの接着範囲に貼り付ける。

上記式において、
Ｅ_Ｓ：鋼材の弾性率
Ｉ_ＳＬ：鋼材減肉部の断面２次モーメント
Ｅ_Ｆ：ＦＲＰの弾性率
Ｉ_Ｆ：ＦＲＰの断面２次モーメント
Ｒｏ：鋼管外面の半径
Ｒｉ：鋼管内面の半径
Ｒｆ：ＦＲＰ外面の半径
ｙ：変数
である。

ＦＲＰの形態としては、例えば、連続繊維そのものやシート状に加工した織物などを現場で樹脂（マトリックス樹脂）を含浸させてＦＲＰを形成させてもよいし、プリプレグあるいは予め樹脂を含浸硬化させたＦＲＰ板を接着剤で貼り付けてもよい。

また、合成樹脂系のプライマーおよび接着剤の系統については、マトリックス樹脂の例示として前述したように、例えばエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、ビニルエステル系樹脂、フェノール系樹脂および不飽和ポリエステル系樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂を用いることができ、耐久性および強度発揮特性の観点から、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂とするのが好ましい。

なお、上記の実施形態の説明は、本発明に係る鋼材の補修構造の一例を示すものであって、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

次に、本発明による効果を確認するために鋼管を用いて行った試験について説明する。
試験に用いる鋼管はφ89.1×3.2の鋼管（STK400）にサンドブラストにて黒皮を除去した後、溶融亜鉛メッキ（HDZ45）を施したものとした。圧縮試験体については、図７に示すように試験体１０の部材長は塑性座屈領域の200mmとした。試験は、試験体１０を試験用治具１１に装着し、それとロードセル１２を球座付き耐圧板１３で挟み込み、圧縮荷重をかけることで圧縮試験を行った。引張試験については、図８に示すように、試験体２０の部材長は圧縮試験同様200mmとし、載荷を行うために鋼管の両端部にＭ３９のネジ切り加工を施したノーズコーン２１を溶接し(完全溶込溶接部２２)、このネジ穴に通した鋼棒を掴み載荷を行った。本発明における内部腐食して減肉した断面欠損部については、その形状・大きさ等様々なものが考えられるが、本試験では、φ14のドリルを使用したルーズホール型の開口にモデル化した。その円周方向大きさについては、断面欠損率によって表し、圧縮試験においては15%、25%の欠損率を、引張試験においては5％、15％、25％の欠損率を採用した。

各試験体における必要な軸方向補修層数は、表１に示すようにした。各試験体について試験を行い、荷重変位関係より軸剛性を算出した。なお、軸剛性は、降伏応力度または剥離時の平均軸応力度をσｙとおき、０．２σｙ〜０．５σｙの範囲の荷重変位関係を用いて最小二乗法で直線近似し算出したものである。試験結果より算出した軸剛性を表２に示す。表２における試験体名は、NG5CL-C01のように表し、NGの後の数字が断面欠損率[%]、CLは部分補修、CAが全周補修、記載が無い場合は補修無である。さらにCが圧縮、Tが引張載荷を意味する。

表２からも分かるように、断面欠損を生じた鋼管に本補修工法を施すことで、部分補修試験体においては20〜40%、全周補修試験体では21〜56%程度、剛性が高く、軸剛性の回復効果が実証されている。ただし、軸剛性に対する補修効果は、引張載荷時に比べ圧縮時の方が低い傾向にある。これは、載荷に伴う応力集中による局部塑性変形に伴い局部座屈が生じることによりＦＲＰの接着面が浮き上がり、補修の効果が十分に寄与しなかったためだと考えられる。これより、圧縮に対しては最外層に周方向ＣＦシートを積層することで局部座屈を拘束することが有効であると考えられる。また、本検証実験の結果から、実験より得られた軸剛性の回復率と複合則を用いた計算より得られた回復率を比較すると、引張については平均すると部分補修・全周補修共に実験値が対応するが、圧縮においては部分補修に関しては圧縮で90%、全周補修に関しては70%であることから、それぞれ10%、30%に相当する層数増大を経験的に用いることで圧縮時の軸剛性の回復が期待できる。これらを踏まえ、ＥＩで積層数を評価することと圧縮時の復元不足を補う追加積層により、軸剛性の復元が可能となる。

このように、断面欠損を有する鋼管に対して曲げ剛性をＣＦＲＰ(炭素繊維強化プラスチック)接着工法で補修し、引張・圧縮試験を実施した結果、1) 欠損を有する鋼管の弾性域における軸剛性は、ＣＦＲＰを接着することにより大幅に改善できること、2) 断面欠損によって生じる曲げ変形の影響についても、補修を施すことにより大幅に改善されることが明らかになった。

本発明に係る鋼材の補修構造は、腐食部等が発生したあらゆる鋼材の補修に適用可能である。

１：鋼管
２：腐食・減肉部
３：プライマー
４：繊維方向が管軸方向となるＦＲＰ
５：繊維方向が管周方向となるＦＲＰ
１０、２０：試験体

Claims

腐食した鋼材の補修構造において、鋼材の腐食した面の裏面側にメッキが被覆されており、そのメッキ面上に、前記腐食により断面欠損した前記鋼材の曲げ剛性を補うために、曲げ剛性Ｅ _ＦＩ _Ｆを有し、かつ、次式（１）を満足するＦＲＰが設置されていることを特徴とする鋼材の補修構造。
Ｅ _ＳＩ _ＳＬ ≦Ｅ _ＦＩ _Ｆ（１）
ここで、
Ｅ _Ｓ：鋼材の弾性率
Ｉ _ＳＬ：断面欠損した鋼材減肉部の断面２次モーメント
Ｅ _Ｆ：ＦＲＰの弾性率
Ｉ _Ｆ：補修により付加されるＦＲＰの断面２次モーメント
前記腐食した鋼材が閉断面形状を有する、請求項１に記載の鋼材の補修構造。
前記ＦＲＰが設置されている前記メッキ面に、算術平均表面粗さが０．１〜１０μｍとなるように目粗し加工が施されている、請求項１または２に記載の鋼材の補修構造。
前記ＦＲＰが設置されている面にプライマー処理が施されている、請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材の補修構造。
前記閉断面形状の内面が腐食した面である、請求項２に記載の鋼材の補修構造。
前記鋼材が鋼管である、請求項１〜５のいずれかに記載の鋼材の補修構造。