JP6473596B2 - 鋼構造物の補強構造 - Google Patents

Description

本発明は、鋼構造物の補強構造に関する。

さらに詳しくは、既に構造体として築造された既存鋼構造物である鋼製の柱、梁や小梁、山形鋼ブレース材、トラス材あるいは鉄塔の主材や斜材等の断面不足並びに欠損に伴う剛性不足や耐力の不足を補うために、その鋼材の一部の表面に対して、炭素繊維強化プラスチック帯板（以下、「ＣＦＲＰ帯板」ということがある）を、接着剤を用いて接着接合させて補強する鋼構造物の補強構造に関する。

特に、補強強度レベルの向上とその補強効果の長期持続性の向上をより高度に達成することができる鋼構造物の補強構造に関するものである。

従来、既存の鋼構造物などの剛性構造物に対して、ＣＦＲＰ帯板などの繊維強化プラスチック板材を、積層構造を構成して貼り付けることにより補強をすることが知られている（特許文献１−６）。

このＣＦＲＰ帯板などの繊維強化プラスチック帯板を鋼構造物へ接着接合することによる補強方式に関して、ある程度柔軟な繊維強化シートを鋼材の柱の周囲に巻き付けるものではないので、そのＣＦＲＰ帯板などの繊維強化プラスチック板材自身が有する性能（剛性・強度）を最大限に引き出すこと、そして、そのＣＦＲＰ帯板が本来有する補強性能(剛性・強度)を十分に発揮させて、該ＣＦＲＰ帯板で補強された該鋼構造物全体の強度レベルをより向上させ、かつその向上された強度レベルの長期持続性を実現することが特に重要なものである。

しかし、ＣＦＲＰ帯板を鋼構造物の梁部材等の曲げ引張側の面などに接着剤を用いて貼り付けた構造を持つ鋼構造物の補強構造を実現しても、そのＣＦＲＰ帯板が本来有する性能(剛性・強度)を十分に発揮させることができない場合があった。

特開２０１０−３１６１２号公報 特開２００２−７０３２７号公報 特開２０１３−９２０１４号公報 特開２００９−１１９６０７号公報 特開２００６−１３２２４５号公報 特開２０１３−４７４４６号公報

上述したような点に鑑み、本発明の目的は、補強のためのＣＦＲＰ帯板を鋼構造物の被補強面に対して接着剤を用いて貼り付けた構造を持つ鋼構造物の補強構造において、そのＣＦＲＰ帯板が本来有する補強性能(剛性・強度)を十分に発揮させて、ＣＦＲＰ帯板で補強された該鋼構造物全体の強度レベルをより向上させ、かつその向上された強度レベルの長期持続性において優れた鋼構造物の補強構造を提供することにある。

上述した目的を達成する本発明の鋼構造物の補強構造は、下記（１）の構成を有する。（１）鋼構造物の一部の表面に対して、少なくとも１枚の炭素繊維強化プラスチック帯板が接着剤層を介して貼り付けられ、一体化されてなる鋼構造物の補強構造であって、該鋼構造物と前記炭素繊維強化プラスチック帯板の間の境界面の該帯板長手方向の両端域において、前記炭素繊維強化プラスチック帯板と前記鋼構造物の表面が直接接合されていない非接合領域をそれぞれ有し、該非接合領域が前記炭素繊維強化プラスチック帯板の切断端面部から該帯板長手方向中央に向け延在していることを特徴とする鋼構造物の補強構造。

また、かかる本発明の鋼構造物の補強構造において、好ましくは、以下の（２）〜（７）のいずれかの構成からなるものである。
（２）前記炭素繊維強化プラスチック帯板が、厚さ１〜５ｍｍ、幅２０〜３００ｍｍであり、前記非接合領域が、該炭素繊維強化プラスチック帯板の全幅にわたり、かつ該炭素繊維強化プラスチック帯板の長手方向に１〜１００ｍｍの長さを呈してなることを特徴とする上記（１）記載の鋼構造物の補強構造。
（３）複数枚の炭素繊維強化プラスチック帯板が積層されてなる積層体が前記鋼構造物の表面の平面部に対して貼り付けられ、前記鋼構造物の補強構造が形成されていることを特徴とする上記（１）または（２）記載の鋼構造物の補強構造。
（４）前記非接合領域が、前記炭素繊維強化プラスチック帯板と前記鋼構造物の表面とが密着しているだけの構造であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。
（５）前記非接合領域に、接着剤の付与時に該非接合領域を覆って該非接合領域を形成させるために使用したマスキング材が残置されてなることを特徴とする上記（１）〜（４）
のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。
（６）前記炭素繊維強化プラスチック帯板と前記鋼構造物の表面とが直接接合されていない非接合領域にシーリング材が充填されていることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。
（７）前記炭素繊維強化プラスチック帯板の積層接合が、鋼構造物の表面に生じた腐食部分を覆ってなされていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。

請求項１にかかる本発明によれば、補強のためのＣＦＲＰ帯板を鋼構造物の被補強面に対して接着剤を用いて貼り付けた構造を持つ鋼構造物の補強構造において、そのＣＦＲＰ帯板が本来有する補強性能(剛性・強度)を十分に発揮させて、ＣＦＲＰ帯板で補強された該鋼構造物全体の強度レベルをより向上させ、かつその向上された強度レベルの長期持続性において優れた鋼構造物の補強構造が提供される。

請求項２〜請求項７のいずれかにかかる本発明の鋼構造物の補強構造によれば、上述した請求項１にかかる本発明の鋼構造物の補強構造の効果を、より明確にかつ具体的に有する鋼構造物の補強方法が提供される。

（ａ）、（ｂ）は、いずれも本発明の鋼構造物の補強構造の一実施態様例を説明するものであり、（ａ）は鋼材に１枚のＣＦＲＰ帯板を貼り付けた構造を持つ鋼構造物の補強構造をモデル的に示したもの、（ｂ）は、（ａ）の円で囲った部分の要部拡大側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、いずれも本発明の鋼構造物の補強構造の一実施態様例を説明するものであり、（ａ）は鋼材に４枚のＣＦＲＰ帯板を貼り付けた構造を持つ鋼構造物の補強構造をモデル的に示したもの、（ｂ）は、（ａ）の円で囲った部分の要部拡大側面図である。 実施例で用いた鋼構造物の補強構造の静的曲げ試験方法を説明する側面図である。

以下、更に詳しく本発明の鋼構造物の補強構造について、説明する。

本発明の鋼構造物の補強構造は、図１（ａ）、（ｂ）に実施態様例を示したように、鋼構造物１の一部の表面に対して、少なくとも１枚の炭素繊維強化プラスチック帯板２が接着剤層３を介して貼り付けられ、一体化されてなる鋼構造物の補強構造であって、該鋼構造物１と炭素繊維強化プラスチック帯板２の間の境界面の該帯板長手方向の両端域において、該炭素繊維強化プラスチック帯板２と該鋼構造物１の表面が直接接合されていない非接合領域４を設けてなることを特徴とする。

図１（ａ）、（ｂ）は、ＣＦＲＰ帯板２が１枚の例を示したものであるが、図２（ａ）、（ｂ）は、ＣＦＲＰ帯板２が複数枚積層されて接合された補強構造を例示しており、全部で４枚のＣＦＲＰ帯板２１、２２、２３、２４が積層されて貼り付けられている例を示している。この図２のような積層構造の場合でも、非接合領域４は、該鋼構造物１とＣＦＲＰ帯板の間の境界面の該帯板長手方向の両端域に設けられるものなので、４枚の該ＣＦＲＰ帯板のうち、最も鋼材１側に位置する（境界面を形成する）ＣＦＲＰ帯板２１の該帯板長手方向の両端域において、上述した非接合領域４が設けられるものである。

ここで、「非接合領域」とは、図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）、（ｂ）に例示したように、鋼構造物１と境界面を形成するＣＦＲＰ帯板（図１で２、図２で２１）の、該帯板の長手方向の両端域において、該ＣＦＲＰ帯板（図１で２、図２で２１）が、鋼材１と、直接、構造用接着剤層によって接着あるいは一体化されていない領域４をいう。ここで、「直接」とは、鋼材−ＣＦＲＰ帯板間で、前記構造用接着剤を付着させないように（非接合領域を形成させるように）マスキング材などの他の部材を中間に介して接着・接合されている構造を除外する意味である。したがって、代表的には、該非接合領域において、鋼材とＣＦＲＰ帯板は、両者が密着しているだけの構造、あるいは、両者がマスキング材を介して間接的に隣接している状態を呈しているものである。

本発明者らは、従来、ＣＦＲＰ帯板を、鋼構造物の梁部材等の曲げ引張側の面などに接着剤を用いて貼り付けた構造を持つ鋼構造物の補強構造を実現しても、そのＣＦＲＰ帯板が本来有する性能(剛性・強度)を十分に発揮させることができない、その結果、補強された鋼構造物全体としても十分な被補強効果を呈さない場合があるという点について、鋭意検討をしたところ、次の知見を得た。すなわち、従来技術におけるその原因は、ＣＦＲＰ帯板を切断加工する際に、どんなに丁寧に切断加工をしても、該ＣＦＲＰ帯板の切断端面部（いわゆる「小口」）で炭素繊維を結合しているマトリックス樹脂にクラックが生じ、その端面部でのクラック部分が起点となってＣＦＲＰ帯板の層内破壊を発生し、これが原因となってＣＦＲＰ帯板の持つ剛性が低下し、強度を発揮できないという知見を得た。

特に、本発明者らの知見によれば、帯板の小口（端面部）まで接合領域があると、大きな剪断応力が小口面に集中し、小口面で炭素繊維を結合しているマトリックス樹脂にクラックが生じ、そのクラックを起点としてＣＦＲＰ帯板の層内破壊を発生するのである。

これに対して、本発明の鋼構造物の補強構造の構成によれば、図１（ｂ）、図２（ｂ）鋼材との接合域の端部Ｃが小口面Ｅと一定の距離をおいて離れていることとなり、（鋼構造物の耐久性に影響を与える）剪断応力が小口面Ｅに集中することがなくなり、補強構造を形成した後、ＣＦＲＰ帯板の層内破壊を発生することが長期間にわたってないのである。この層内破壊が防止できることにより、ＣＦＲＰ帯板の剛性を低下させることなく、耐荷力を向上でき、また補強構造全体の耐変形性能、耐久性などを向上させることができる。

図２に示したような積層構造で補強をする場合は、最も鋼構造物１側に配置されるＣＦＲＰ帯板２１以外のＣＦＲＰ帯板２２、２３、２４については、従来のものと同様に、非接合領域を形成することなく端部まで接着接合されていることがよく、そうすることによりＣＦＲＰ帯板２２、２３、２４はその補強効果を十分に発揮することができる。

ＣＦＲＰ帯板は、厚さ１〜５ｍｍ、幅２０〜３００ｍｍであって、かつ、非接合領域４は、ＣＦＲＰ帯板の全幅にわたり、かつ該ＣＦＲＰ帯板の長手方向（図１、図２中に矢印で示している）に非接合領域長さＬＧが１〜１００ｍｍであることが補強効果を大きく得る上で好ましい。非接合領域長さＬＧは、さらに好ましくは１０〜１００ｍｍであり、最も好ましくは１０〜３０ｍｍである。ＣＦＲＰ帯板の寸法（厚さ、幅）が上述した範囲内であることが好ましいのは、帯板の寸法が大きすぎると、接着作業時に界面に空気泡が入りやすくなり、いったん空気泡が入ると高い接着強度が得られ難くなるからである。非接合領域長さＬＧを所望するとおりにして該非接合領域を形成させるためには、鋼材−ＣＦＲＰ帯板間を、接着剤を使用して接合させる際に、ＣＦＲＰ帯板の両端付近あるいはそれに対応する鋼材の部分に所望する寸法に対応したマスキング材を使用することなどにより達成することができる。

また、ＣＦＲＰ帯板は、長さ９００〜１００００ｍｍのものであることが、該ＣＦＲＰ帯板を接着させて補強効果を得るという点で必要なかつ適度な長さであり、また取り扱い性や加工性の良さからも好ましい。特に好ましくは、長さ９００〜５０００ｍｍのものである。

接着剤層３は、明確な単独の層を形成するように、ある程度の接着剤層厚さを呈することが肝要であり、好ましくは厚さ０．５〜３．５ｍｍの範囲内である。接着剤は、従来からＦＲＰ板の接合などのために使用されているエポキシ系、ウレタン系、変性エポキシアクリレート系などのものが使用できる。接着剤層厚さが０．５ｍｍより薄くなると厚みの管理など施工の難易度が増えて好ましくなく、３．５ｍｍよりも厚いと上向き施工の場合、樹脂の重量で施工直後に剥がれやすくなるので好ましくない。

本発明を実施するに際して、ＣＦＲＰ帯板は鋼構造物の表面の平面部に対して接合されて貼り付けられてなることが好ましい。より長く広い被補強面を確保することができるからである。

ＣＦＲＰ帯板は、図１に示したような１枚の使用でも効果が得られるが、図２に示したように複数枚を積層して使用することが、より高い補強効果を得られるので好ましい。複数枚を使用する場合は、本発明者らの知見によれば、３枚〜４枚程度を積層することが最も実際的で好ましい。複数枚を積層して使用する場合、１枚ずつ積層してもよいし、予め３〜４枚程度積層したものを一度に貼り付けるものでもよい。予め複数枚を積層したものを一度に貼り付けて使用する方法の場合、その予め行われる複数枚のＣＦＲＰ帯板の積層は、該ＣＦＲＰ帯板の出荷工場で行われてもよく、あるいは、施工現場近くの適宜の加工場や作業場で行われてもよい。

複数枚を積層して貼り付け使用する場合、強度や硬度が相違する複数のＣＦＲＰ帯板を組み合わせて積層して使用することも好ましい。強度面や靱性面などの物理的特性をバランス良く構成して、その被補強鋼構造物の性状・特徴に合わせた最適な補強構造を実現することができる可能性があるからである。また、ＣＦＲＰ帯板は、その接合強度を向上させるためにその接合表面を粗く仕上げる、所謂「目粗し処理」を施したものなどを使用してもよい。

さらに、ＣＦＲＰ帯板は１列状に貼り付ける場合だけでなく、２列、３列、………、と複数列を並列的に呈して貼り付けてもよい。鋼構造物の被補強面がある程度広い面積を呈している場合などに対応できるからである。特に、幅のより広いＣＦＲＰ帯板を、１列を呈して貼り付け使用するよりも、幅が細めのＣＦＲＰ帯板を、並列の複数列を呈して貼り付け使用する方が被補強鋼構造物の性状・特徴に合わせた最適な補強構造を実現することができる可能性があるからである。あるいは、被補強鋼構造物の性状・構造に合わせて、直列状に配置された複数列を呈して貼り付けてももちろんよい。

また、非接合領域４には、接着剤の付与時に該非接合領域４を覆って非接合領域を形成させるために使用したマスキング材が残置されてなるものでもよく、そのようにすると、非接合領域４を所望する寸法のもとで確実に形成し維持できる点で好ましい。

また、ＣＦＲＰ帯板と鋼構造物の表面とが直接接合されていない非接合領域４には、該非接合領域４に水などが入り込み腐食することなどを防止するため、シーリング材を充填させることが好ましい。

また、ＣＦＲＰ帯板の接着補強は、鋼構造物の表面に生じた腐食部分を覆ってなされていることが補強効果を顕著に得られる点で好ましい。

実施例１〜７、比較例１〜６
図３にモデルを示したような、以下に詳細を説明する細幅系Ｈ形鋼１(高さＨ＝２５０ｍｍ、幅Ｗ＝１２５ｍｍ、ウェブ厚さｔ１＝６ｍｍ、上フランジ厚さｔ２＝９ｍｍ、下フランジ厚さｔ３＝９ｍｍ)を被補強鋼構造物として使用して、その中央部下フランジ部分にＣＦＲＰ帯板の積層体を補強部材として貼り付け、本発明にかかる鋼構造物の補強構造を構成した（実施例１〜７）。

図３に示したように全長Ｌ（＝４４００ｍｍ）の細幅系Ｈ形鋼１(高さＨ＝２５０ｍｍ、上下フランジ幅Ｗ＝１２５ｍｍ、ウェブ厚さｔ１＝６ｍｍ、上フランジ厚さｔ２＝９ｍｍ、下フランジ厚さｔ３＝９ｍｍ)を使用して、静的曲げ試験に供する。

該細幅系Ｈ形鋼は、その中央部下フランジ部分に腐食による減厚を想定して、長さ方向の中心線ＣＬを中心にして、範囲５００ｍｍの部分の板厚Ｓｔを全幅にわたり６ｍｍとして減厚部分５を設けているものとした（減厚は３ｍｍ）。

その下フランジにＣＦＲＰ帯板２(長さ９００ｍｍ〜１２００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの長方形状の平板)を、１枚１枚積層して貼り付けて補強をして、各試験体とした。積層して貼り付けたＣＦＲＰ帯板は同一長さのものである。

補強に使用したＣＦＲＰ帯板は、炭素繊維糸が帯板長さ方向に引き揃え配列されて、樹脂(エポキシ樹脂)が含侵されているもので、ヤング係数が２８５ｋＮ／ｍｍ² 、引張強度が１５００Ｎ／ｍｍ² の中弾性タイプ(以下、ＭＬと呼称する)と一般に呼称されるものである。

ＣＦＲＰ帯板の積層体は、４枚〜５枚のＣＦＲＰ帯板２(長さ９００ｍｍ〜１２００ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの長方形状の平板)を貼り付けて、４層から５層の積層体を作成した。各実施例の詳細は、表１に記載したとおりのものである。

接着剤層はエポキシ樹脂系接着剤を使用して、その厚さはそれぞれ１．０ｍｍ程度とした。

貼り付け長さ、積層態様、非接合領域４の長さＬＧなどの、各実施例、比較例の詳細は、表１に記載した通りである。

ブランク品を除いて、各実施例、比較例では、ＣＦＲＰ帯板は４〜５層の積層体とされて、Ｈ形鋼の下フランジ底面に長さ方向に２列並列に貼り付けた。貼り付け位置は、上述した減厚部分５に対して、ＣＦＲＰ帯板の各積層体をその中央が細幅系Ｈ形鋼１の中心線ＣＬ上に位置するようにして、２つの載荷点６の間の等曲げ区間に貼り付けた。幅方向では、２列のＣＦＲＰ帯板の長さ方向に延びる端部が、それぞれ該Ｈ形鋼の下フランジ底面の長さ方向に延びる両側端部と実質的に一致するようにして貼り付けた。したがって、２列のＣＦＲＰ帯板積層体の間には２５ｍｍの間隔があるものである。

曲げ試験（静的曲げ試験）は、以下に記載する方法で行ったものである。

〔静的曲げ試験〕
曲げ試験は、図３（ａ）、（ｂ）に示したように、それぞれの試験体について支持点Ａ−Ａ間の距離を４０００ｍｍとして、さらに、その中央２点（２点間の距離を２２００ｍｍとして、その中央が中心線ＣＬ上に位置する２点）の載荷点６で、各々に荷重Ｐを載荷して静的４点曲げ試験を行った。

各試験は、ＣＦＲＰ帯板で補強した各試験体の減厚部以外の断面が降伏する荷重（１２０．４ｋＮ）まで、もしくは、ＣＦＲＰ帯板が破壊するまで荷重を加え、そのときの荷重（破壊荷重）（ｋＮ）と、鋼材の中心線ＣＬ位置での変異量δ（最大変位量）（ｍｍ）を測定した。

各試験体の詳細を表１に示した。また、得られた結果を表２に示した。

表２からわかるように、比較例２、比較例６は破壊荷重が小さく、破壊状況は層内破壊となっている。一方、端部を非接合領域とし、同様に載荷した試験体は降伏荷重を越えるまで破壊は生じなかった。

なお、非接合領域の長さ（ＬＧ長さ）を本実施例で採用した範囲内（１０ｍｍ〜１００ｍｍ）で変更してもほとんど同様のレベルで本発明の効果が得られることが確認できた。

これら結果から、本発明の鋼構造物の補強構造は、ＣＦＲＰ帯板で補強された鋼構造物全体の強度レベルがより向上されていて、かつその向上された強度レベルの長期持続性においても優れた補強構造であると判断することができるものであった。

１：鋼構造物
２、２１、２２、２３、２４：炭素繊維強化プラスチック帯板（ＣＦＲＰ帯板）
３：接着剤層
４：非接合領域
５：Ｈ形鋼の下フランジ底面の減厚部分
Ｃ：ＣＦＲＰ帯板と鋼材の接合域の端部
Ｅ：小口面

Claims (7)

1. 鋼構造物の一部の表面に対して、少なくとも１枚の炭素繊維強化プラスチック帯板が接着剤層を介して貼り付けられ、一体化されてなる鋼構造物の補強構造であって、該鋼構造物と前記炭素繊維強化プラスチック帯板の間の境界面の該帯板長手方向の両端域において、前記炭素繊維強化プラスチック帯板と前記鋼構造物の表面が直接接合されていない非接合領域をそれぞれ有し、該非接合領域が前記炭素繊維強化プラスチック帯板の切断端面部から該帯板長手方向中央に向け延在していることを特徴とする鋼構造物の補強構造。
2. 前記炭素繊維強化プラスチック帯板が、厚さ１〜５ｍｍ、幅２０〜３００ｍｍであり、前記非接合領域が、該炭素繊維強化プラスチック帯板の全幅にわたり、かつ該炭素繊維強化プラスチック帯板の長手方向に１〜１００ｍｍの長さを呈してなることを特徴とする請求項１記載の鋼構造物の補強構造。
3. 複数枚の炭素繊維強化プラスチック帯板が積層されてなる積層体が前記鋼構造物の表面の平面部に対して貼り付けられ、前記鋼構造物の補強構造が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の鋼構造物の補強構造。
4. 前記非接合領域が、前記炭素繊維強化プラスチック帯板と前記鋼構造物の表面とが密着しているだけの構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。
5. 前記非接合領域に、接着剤の付与時に該非接合領域を覆って該非接合領域を形成させるために使用したマスキング材が残置されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。
6. 前記炭素繊維強化プラスチック帯板と前記鋼構造物の表面とが直接接合されていない非接合領域にシーリング材が充填されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。
7. 前記炭素繊維強化プラスチック帯板の積層接合体が、鋼構造物の表面に生じた腐食部分を覆ってなされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鋼構造物の補強構造。

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