JP6794152B2 - 接合構造体 - Google Patents
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このような棒状繊維強化複合材は、鉄骨や木材やコンクリートと接合するために、棒状繊維強化複合材の端部は、管状の継手などを介し定着用治具となる金属製や樹脂製の棒状のボルトなどの端部と接合され、前記ボルトと鉄骨等に設けられている前記ボルトに対応したナット部などを有する接合部と接合したり、鉄骨に溶接にて接合したり、接着剤、紐状物・帯状物などを用い鉄骨や木材などに接合されていた。
鋼鉄製の管状の継手や管状の端部を有する定着冶具(以下、これらを鋼管ともいう。)は重いため、繊維強化複合材と鋼管とを組み合わせた複合材料は、補強する構造物に対し、負荷が大きい。また、鋼管と棒状繊維強化複合材と合成樹脂で接着する場合、樹脂と鋼管、樹脂と棒状繊維強化複合材の接着強度が異なるため、鋼管の内側に螺子を切るなどして凹凸を形成し、合成樹脂と鋼管との接着強度を向上させる必要があり、工程が増えてしまう。さらに、鋼管が目視できる部分に使用される場合は構造物の美観を損なうおそれがあった。
このような構成にすることにより、軽量でありながら優れた引張強さや破断荷重などの引張強度を有し、構造物に対して負荷も小さい、接合構造体とすることができる。また、本発明の接合構造体を用いた構造物の外観の悪化も抑制することが可能である。
また、前記第1部材の端部の素線をバラケさせることができるので、大きさや形状が異なる第2部材を重ねてまたは挿入して配置しやすい。
なお、「重なり部」とは、前記第1部材の端部に前記第2部材が重ねてまたは挿入され配置されることで、前記第1部材と前記第2部材が重なった部分を意味する。
このような構造とすることにより、得られる接合構造体の重なり部の合成樹脂によって覆われている部分(接合部分)が太くなることを抑制し、得られる接合部構造体の外観の美観の低下を抑制する。また、前記第1部材と前記第2部材との接着強度を安定させ、優れた引張強さや破断荷重などの引張強度を発揮でき好ましい。
このような構成にすることにより、前記第1部材と前記第2部材との接着強度をより安定させることができ、得られる接合構造体は、優れた引張強さや破断荷重などの引張強度を発揮することができる。また、前記第2部材の端部が、芯線の周囲に配置された素線でかこまれており、外観品位(意匠性)の観点からも好ましい。
図1Aは、本発明の実施形態1における接合構造体100を示す側面図である。また、図1Bは、接合構造体100の断面図である。
本発明の実施形態における接合構造体100は、芯線となる素線131とその周囲に配置された素線132から構成された棒状繊維強化複合材110からなる第1部材120と、前記第1部材120の端部に挿入されて配置される第2部材140と、第1部材120と第2部材140との重なり部を合成樹脂によって覆って接合する合成樹脂被覆部150とから構成されている。また、素線131の長さが棒状繊維強化複合材110の長さより短くなっており、第1部材120の端部は、第2部材140が挿入されて配置される空隙部を有する。すなわち、第1部材120と第2部材140との重なり部は、第1部材120の端部の空隙部に、第2部材140の端部が挿入され構成されている。第1部材120及び第2部材140、合成樹脂被覆部150を形成する合成樹脂の詳細については後述する。
また、本実施形態においては、合成樹脂被覆部150は、第1部材120と第2部材140との重なり部の全体を覆っているが、重なり部の少なくとも一部を覆っている構成でもよい。
なお、「合成樹脂被覆部150の直径」とは、図1Bに示すように接合構造体100の合成樹脂被覆部150の長さL2方向に垂直な断面の最大の直径をいう。接合構造体100の合成樹脂被覆部150の長さL2方向に垂直に切断した際の断面が円でない場合は、その断面の長径を直径という。
棒状繊維強化複合材110を構成する素線130Aは、繊維材料を束ねてなる繊維束を固化剤により一体化したものである。
用いられる繊維材料としては、例えば、炭素繊維、バサルト繊維、パラ系アラミド繊維、メタ系アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、PBO(ポリパラフェニレンベンズオキサゾール)繊維、ポリフェニレンサルファイド(PPS)繊維、ポリイミド繊維、フッ素繊維、ポリビニルアルコール(PVA繊維)などが使用できる。用いられる繊維材料は、特に、難燃性、強度、耐光性の観点より、炭素繊維またはガラス繊維が好ましい。難燃性の観点からはガラス繊維が好ましい。
炭素繊維束の撚り数は、0〜100回/m、好ましくは2〜50回/mであり、より好ましくは5〜40回/mであり、さらに好ましくは10〜30回/mである。
また、素線130Aの直径が直径0.5〜20mm(より好適には1〜5mm)であると、素線130Aおよび後に説明する棒状繊維強化複合材110がドラムに巻きやすくなり、また、任意の形状に追従するなどのフレキシブル性を高めることができる。
また、この炭素繊維を束ねた炭素繊維束は、炭素繊維メーカーから供給される炭素繊維を3000本(3K)、6000本(6K)、12000本(12K)、24000本(24K)、40000本(40K)、60000本(60K)などに束ねた炭素繊維束を、必要とされる強度に応じて1本、または複数本(2本以上)束ねたものを用いることができる。炭素繊維を束ねた炭素繊維束を複数本束ねる場合の炭素繊維束の本数に特に制限はなく、目的用途に応じで適宜決定されるが、通常、100本以下である。
また、棒状繊維強化複合材110と合成樹脂被覆部150の合成樹脂との接着性に優れるとの観点からは、固化剤として熱可塑性エポキシ樹脂が好ましく用いられる。
棒状繊維強化複合材110の芯材に用いられる炭素繊維束に撚りがかけられたものや、後に説明を行う炭素繊維束の周りが拘束材で覆われている素線130Bでは、炭素繊維束の内部にまで樹脂を含侵させることが困難である。
一方、重合型の熱可塑性エポキシ樹脂は、重合させる前の熱可塑性エポキシ樹脂を有機溶剤で希釈することができるので粘度調整が容易である。
そのため、有機溶媒で希釈した低粘度の樹脂溶液を用いることにより、撚りがかけられている炭素繊維束の内部まで(さらには拘束材で覆われている素線130Bであっても外周の拘束材から内部の炭素繊維束まで)重合前の熱可塑性エポキシ樹脂を含浸させることができる。重合前の熱可塑性エポキシ樹脂を炭素繊維束の内部に含侵させた後、当該重合型の熱可塑性エポキシ樹脂を重合させることにより炭素繊維束と拘束材が熱可塑性エポキシ樹脂で一体化された、強度の優れた素線が得られる。
次に、本発明の他の実施形態の素線130Bについて説明する。
図2は、素線130Bを示す斜視図である。素線130Bは、繊維材料を束ねてなる繊維束2がその周囲に拘束材3aを巻き回して結束され、当該繊維束2と当該拘束材3aとが共に固化剤によって一体化されたものである。
なお、繊維束2がその周囲に拘束材3aを巻き回して結束される構造とすることにより、素線130Bと合成樹脂被覆部150の合成樹脂との接触面積や構造的な抵抗が増加し、棒状繊維強化複合材110と合成樹脂被覆部150の合成樹脂との接着力が向上し、得られる接合構造体100の引張強さ、破断荷重の大きさの観点より好ましい。
拘束材3a以外の基本的構成は、上述した素線130Aと同様であるため、適宜説明を省略する。
また、素線130Bでは、上述した素線130Aと同様に、繊維材料として炭素繊維、特に炭素繊維を芯材として用いたものを例として、詳細に説明を行う。以下、炭素繊維を束ねてなる繊維束を炭素繊維束ともいう。なお、炭素繊維以外の繊維材料を用いたものを除くものではない。
また、拘束材3aで拘束された炭素繊維束2を樹脂(固化剤)溶液にディップした後、ダイスで扱いて余分な樹脂を絞るときに炭素繊維束2の長さ方向に張力がかかるが、炭素繊維束2の外周を拘束材3aによる組紐構造で覆ったものであれば編物のように目が開いてしまうのではなく、目が閉じた状態で組紐の径が細くなる。そのため、内部の炭素繊維束2の露出を抑えつつ、拘束材3aと炭素繊維束2の密着性を高めることができるので、得られる接合構造体100の強度の観点より好ましい。
他の拘束材による結束の例として、1本の拘束材を螺旋状に巻きつけて炭素繊維束を結束したり、炭素繊維束の周囲面に拘束材となる繊維を巻き回して目の粗い筒状の丸編を編んだ編紐状の拘束材によって炭素繊維束を結束したり、繊維等を所定間隔に配置した拘束材によって炭素繊維束を結束したりする形態であってもよい。
一方で、炭素繊維束の保護、素線130Bの形状の安定による強度の安定、外観品位の低下の抑制との観点からは、拘束材を筒状の組紐にして、当該筒状の組紐の内部に炭素繊維束を配置し、炭素繊維束の表面全体を被覆したものが好ましい。
本発明の棒状繊維強化複合材110について説明する。
棒状繊維強化複合材110は、中心に配置された芯線となる1本の素線131を他の6本の素線132が取り囲む構造を有するストランド構造体である。このような構造とすることにより、合成樹脂被覆部150において、棒状繊維強化複合材110と合成樹脂との接触面積や構造的な抵抗が増加し、合成樹脂と棒状繊維強化複合材110との接着力が向上し、得られる接合構造体100の引張強度の向上および安定性の観点より好ましい。
なお、「ストランド構造体」とは、同一径又は異なる直径の2本〜数十本の素線が単層又は多層に引き揃えられた構造、または、同一径又は異なる直径の2本〜数十本の素線が単層又は多層に撚り合わされた構造を意味する。
炭素繊維束×ストランド構造体=S方向×Z方向、S方向×S方向、Z方向×Z方向、Z方向×S方向、のいずれでも可能である。
例えば、炭素繊維を24000本束ねたもの(24k)1本を炭素繊維束として用いた棒状繊維強化複合材110の場合には、ストランド構造体を構成する素線の本数は2本〜50本程度であるとブレース材等の用途として好適である。
なお、芯線を構成する素線の本数はその使用目的に合わせて適宜決定すればよい。
棒状繊維強化複合材110の端部は、空隙部を有することで、第1部材の端部に第2部材の端部を挿入しやすく、また、第1部材120と第2部材140との軸が直線状となり、得られる接合構造体はより優れた引張強さや破断荷重などの引張強度を発揮することができる。
棒状繊維強化複合材の両端部は、同一形状でもよいが、同一形状である必要はなく、一方の端部に空隙部を有し、一方の端部は空隙部を有さない構造でもよい。
ただし、棒状繊維強化複合材110は、少なくとも一方の端部に、第2部材140が挿入されて配置でき、棒状繊維強化複合材110と第2部材との重なり部の少なくとも一部を合成樹脂により覆って接合できる状態にする必要がある。棒状繊維強化複合材110の端部をバラケさせたり、重なり部の内部に合成樹脂が染み込んで接着できるように、重なり部は被覆層がない状態にする必要がある。なお、棒状繊維強化複合材の端部の被覆層を裂いて用いる場合は、重なり部に被覆層が残っていてもよい。
また、不燃性向上の観点からは、前記の全面を覆うように被覆層は、ポリイミド樹脂やシリコーン樹脂や塩化ビニル樹脂を用いた樹脂層を設けるとよい。
また、意匠性の観点からは、全面を覆うように被覆層として着色のための顔料などの着色剤を含む樹脂層を別途設けてもよい。
これらの樹脂層は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂いずれであっても用いることはできるが、固化剤として、熱可塑性樹脂を用いた場合には、被覆層に用いられる樹脂も熱可塑性樹脂が好ましい。
第2部材140は、M8の鋼鉄製のボルトを用いている。
なお、第2部材140としては、第1部材120の端部に挿入されて配置できる構造のものであればよく、例えば、螺子を切った鋼鉄製のボルト(M8、M10、M12の鋼鉄製ボルトなど)等少なくとも一方の端部が棒状となっているものを用いることができる。第2部材140の第1部材に挿入されて配置される端部は、棒状であることが好ましいが、らせん状や、板状であってもよいし、U字状、輪っか状であってもよい。
第2部材は第1部材と同一素材であってもよい。第1部材120の端部に重ねられる第2部材140の端部は、表面が螺子を切るなどして凹凸を有すると合成樹脂被覆部150において、合成樹脂と第2部材140との接着力が向上し、得られる接合構造体100は、優れた引張強度が得られるとの観点から好ましい。
合成樹脂被覆部150の合成樹脂は、ウレタン樹脂である。なお、合成樹脂は、ウレタン樹脂に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲で、合成樹脂は適宜選択できる。合成樹脂被覆部150の合成樹脂として、ウレタン樹脂の代わりに、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、天然ゴム、合成ゴムなどのゴム系、α―オレフィン樹脂、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの合成樹脂を用いてもよい。接着性の観点からはウレタン樹脂またはエポキシ樹脂が好ましく用いられる。
具体的には、多価アルコールのアルキレンオキサイド付加物であるポリオール及びポリイソシアネートを含むウレタン樹脂が好ましい。ポリオールの重量平均分子量は600以下のものがよい。また、多価アルコールとしては、グリセリン、トリメチロールプロパン或いは、ペンタエリトリトールが好ましい。また、耐熱性の観点から、ガラス転移温度(Tg)は70℃以上が好ましく、より好ましくは80℃以上、さらに好ましくは90℃以上である。上限は特にないが、130℃程度である。
図3Aは、本発明の実施形態2における接合構造体101の側面図である。また、図3Bは、接合構造体101の断面図である。なお、図3A、図3Bにおいては、図1と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図3Aに示すように、接合構造体101は、第1部材である棒状繊維強化複合材111と、棒状繊維強化複合材111の端部に重ねて配置される第2部材140と、重なり部の少なくとも一部を合成樹脂により覆って接合する合成樹脂被覆部150からなる。
なお、実施形態1と同様に、本発明の目的を阻害しない範囲で、棒状繊維強化複合材111の素線の種類や本数等は適宜変更できる。また、棒状繊維強化複合材111は、素線を複数本、引き揃えた構成や、芯線がない構成であってもよい。また、棒状繊維強化複合材111は、マルチストランド構造体であってもよい。
図4Aは、本発明の実施形態3における接合構造体102の側面図である。また、図4Bは、接合構造体102の断面図である。なお、図4A、図4Bにおいては、図1と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
棒状繊維強化複合材112は、素線135及び素線137の長さが異なる他は、棒状繊維強化複合材110と同様である。芯線となる素線135は、長さが異なる以外は、素線131と同様である。素線136は素線132と同様である。素線137は、長さが異なる以外は、素線132と同様である。
なお、実施形態1と同様に、本発明の目的を阻害しない範囲で、棒状繊維強化複合材112の素線の種類や本数等は適宜変更できる。また、棒状繊維強化複合材112は、素線を複数本、引き揃えた構成や、芯線がない構成であってもよい。また、棒状繊維強化複合材112は、マルチストランド構造体であってもよい。
以上の構成を有する本実施形態の接合構造体100、101、102は、軽量でかつ優れた強度を有し、意匠性、外観品位の低下を抑制することにより、クレーン車などの重機の入れない場所に建てられた伝統建築物や従来の耐震補強材の質量に耐えることができず耐震補強できなかった伝統建築物の耐震補強を行うことができる。さらに、鉄鋼、鉄筋、木造などの一般の建築物やテーブル、椅子、手すりなどの家具類、植物用の誘引紐、ワーヤー代替物、柵など種々の構造物の補強材や構造材として用いることができる。
また、本実施例における各種データは以下の方法で測定を行った。
素線、棒状繊維強化複合材の直径、重なり部、合成樹脂被覆部の長さ、太さはノギスで測定した。
<質量>
棒状繊維強化複合材および素線を10cmに切断し、電子天秤を用いて質量を測定し、その値を10倍して、1m当たりの質量を求めた。
<密度>
JIS K7112:1999 A法(水中置換法)に準じて測定をおこなった。
<引張強さおよび破断荷重>
引張強さおよび破断荷重は、インストロンジャパンカンパニリミテッドから供給されている5980フロア型高容量万能試験機 型式5985を使用し、2mm/minの条件で測定した(測定環境は室温(約25℃))。試料が破断したときの荷重(kN)を破断荷重とした。試料が破断したときの荷重(kN)を破断荷重とし、破断荷重を棒状繊維強化複合材の長さ方向に垂直に切断した断面積(有効断面積)で割ったものを引張強さ(MPa)とした。
24Kの炭素繊維束(PAN系炭素繊維。東レ株式会社製。T700SC。)を3本束ね、S方向に10回/m撚りをかけたもの1本を炭素繊維束として用い、拘束材としてガラス繊維を用い、製紐機(24打機)を用いて、16打ちの石目打にて、炭素繊維束の外周の全面を組紐状にガラス繊維で拘束した。
重合型の熱可塑性エポキシ樹脂(DENATITE XNR6850V、固形分85質量%、ナガセケムテックス株式会社製)100質量部、
硬化剤(DENATITE XNH6850V、固形分30質量%、ナガセケムテックス株式会社製) 6.5質量部、
メチルエチルケトン(MEK)10質量部
からなる溶液(粘度150mPa・s)にデッピングし、ダイスを通し、余分な溶液を除去するとともに、炭素繊維束の長さ方向に対し垂直に切断した際の断面形状が円形になるように形状を整え、拘束された炭素繊維束に対し、固化剤を付与した。その後、熱処理(150℃、20分間)を行うことで、前記重合型の熱可塑性エポキシ樹脂を重合させて、炭素繊維束と拘束材と熱可塑性エポキシ樹脂(固化剤)を一体化させて素線を得た。
であった。
素線は、室温で直径100cmのドラムに3000m巻きとったところ、折れることなく、スムーズに巻き取ることができた。
得られた実施例1の棒状繊維強化複合材は、直径9mm、密度は1.6g/m3、質量は80g/mであった。破断荷重90kN、引張強さは1800MPa(有効断面積50mm2)であった。
次に、棒状繊維強化複合材の芯材を端部から9cm切り取った。これを第1部材として用いた。
3a 拘束材
100、101、102 接合構造体
110、111、112 棒状繊維強化複合材
120 第1部材
130A、130B 素線
131、133、135 芯線
132、134、136、137 芯線の周囲に配置された素線
140 第2部材
150 合成樹脂被覆部
Claims (5)
- 複数の素線から構成された棒状繊維強化複合材からなる第1部材と、
前記第1部材の端部に重ねてまたは挿入されて配置される第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との重なり部の少なくとも一部を合成樹脂により覆って接合する合成樹脂被覆部と
から構成され、
前記素線が、固化剤により一体化された繊維束を有し、
前記第1部材の端部は、前記第2部材が重ねてまたは挿入されて配置される空隙部を有し、
前記第2部材がボルトであり、
前記固化剤が、重合型の熱可塑性エポキシ樹脂であり、
前記合成樹脂被覆部の長さは10mm〜50cmであり、
前記合成樹脂被覆部の直径が3mm〜500mmであり、
前記重なり部の長さが10mm〜500mmであり、
前記重なり部の直径が2mm〜250mmである
ことを特徴とする接合構造体。 - 前記棒状繊維強化複合材は、芯線とその周囲に配置された素線とを有し、
前記第1部材の端部は、前記第2部材が挿入されて配置される空隙部を有することを特徴とする請求項1に記載の接合構造体。 - 前記棒状繊維強化複合材が炭素繊維を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の接合構造体。
- 前記合成樹脂がウレタン樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の接合構造体。
- 破断荷重が3〜300kNであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の接合構造体。
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