JP7508756B2

JP7508756B2 - ボルト接合部のｆｒｐ補強構造および補強方法

Info

Publication number: JP7508756B2
Application number: JP2020160406A
Authority: JP
Inventors: 孝洋松井; 浩徳前田; 辰郁寺島; 公平鈴木; 壮大佐藤; 幸大松本
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Toray Industries Inc
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Toray Industries Inc
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2024-07-02
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: JP2022053653A

Description

本発明は、ボルト接合部のＦＲＰ（繊維強化プラスチック）補強構造および補強方法に関し、とくに、重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部のＦＲＰによる補強構造および補強方法に関する。

例えば鉄骨造建築物において、地震時の水平変形に対する十分な耐力と塑性変形能力を持たせるために、柱間をつなぐブレース（筋交い）が多用されている。柱にはガセットと呼ばれる平板が溶接され、ブレースはこのガセットとボルトで摩擦接合されているのが一般的である。しかし、既存建物においては、接合部が、とくにブレースが、ボルト孔による断面欠損によって地震力に抵抗できる接合耐力を保有しておらず、早期にブレースが破断することがあることが分かっている。

既存建物の耐震性能を上げるために、既存ブレースが肉厚になるように当て板を溶接する方法や、ガセットを肉厚なものに取り替える方法が採られることがある。しかし、当て板の溶接や、ガセットを取替え・再設置する場合、切断や溶接などで高熱を発する工事を要するが、工場などのように火気の取り扱いを容易にできないような建物や場所では、この方法は採用されにくい。

近年、軽量かつ高剛性・高強度な繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、とくに炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を補強材として用いた接着補強・補修方法が開発され、既存建物の耐震補強に採用されてきた。ＣＦＲＰと構造物との一体化は接着であり、簡単に施工でき、かつ火気不要な工事となることもあって、溶接が安易にできないような既設建物への適用もされている。

ＣＦＲＰによる補強法として、現場で、ドライの炭素繊維（ＣＦ）シートに常温硬化型樹脂を塗布し、含浸ローラー等を使って樹脂を炭素繊維に含浸・硬化させて補強する方法（ハンドレイアップ工法）や、工場で成形したＣＦＲＰ帯板材をパテ状の接着剤で貼り付けて補強する方法（ラミネート工法）が一般的である。近年では、航空機の部材や風車の部材などで使われているＶａＲＴＭ成形（Ｖａｃｕｕｍ－ａｓｓｉｓｔｅｄＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）を応用して、橋梁や建築物を現場で補強する技術が開発されている（ＶａＲＴＭ工法）。例えば、特許文献１には、腐食欠損した既設の鋼構造物に対しＶａＲＴＭ成形を適用することにより、鋼構造物とＦＲＰ材とを一体化して補強する成形・接合技術が示されている。

一般的なボルト接合部の補強の場合、接合部には複数のボルトが整列し、配置されている。ボルトのヘッド部は突起状に出ているため、接合部をまたいでＣＦＲＰ補強をする場合、特許文献２のように、ハンドレイアップ工法を使ってボルトの合間にＣＦ紐を配置する方法が提案されているが、定着力や施工手間、補強量によっては長期施工の可能性がある。一方、ＶａＲＴＭ工法を使う場合、ボルトが障害物となり、ＶａＲＴＭ工法における真空空間を形成する密閉用フィルムを損傷する可能性がある。これを回避するために、ボルトを避けてフィルムを貼ることが考えられるが、そうすると非常に手間がかかり、施工が難しくなることが多い。

特開２０１７－８６０９号公報特開２０１４－２２７７４３号公報

そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、鋼材同士の既設ボルト接合部に対して、ＦＲＰで容易に補強できる補強構造および補強方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用する。
（１）重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部の補強構造であって、既存ボルトを撤去したボルト孔に充填物を挿入し、該充填物を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰが両鋼材に接着されていることを特徴とする、ボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（２）充填物が、重なり合う鋼材を貫通するようにボルト孔に埋設されている、（１）に記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（３）充填物のボルト孔延在方向の両端面は、重なり合う鋼材の外面と面一に配置されている、（１）または（２）に記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（４）充填物が、金属、樹脂、木、ゴム、鉱物、セラミックのいずれか、またはこれらを任意に組み合わせた混合物からなる、（１）～（３）のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（５）充填物が、既存ボルトからその頭部を鋼材の外面に合わせて切断、除去した既存ボルトの胴部からなる、（１）～（３）のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（６）両鋼材にわたって延びるＦＲＰの少なくとも一端部は、厚みが徐々に減少するテーパー部に形成されている、（１）～（５）のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（７）ＦＲＰの強化繊維に炭素繊維が含まれている、（１）～（６）のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（８）ＦＲＰのマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂からなる、（１）～（７）のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
（９）重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部を補強する方法であって、既存ボルトを接合部から撤去した後、空いたボルト孔に充填物を挿入し、該充填物を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰを両鋼材に接着することを特徴とする、ボルト接合部のＦＲＰ補強方法。
（１０）重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部を補強する方法であって、既存ボルトの頭部を、鋼材の外面に合わせて切断、除去し、既存ボルトの胴部をボルト孔内に残存させた状態にて、ボルト孔を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰを両鋼材に接着することを特徴とする、ボルト接合部のＦＲＰ補強方法。

本発明によれば、重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部を補強するに際し、既存ボルトを撤去したボルト孔に充填物を挿入し、該充填物を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰが両鋼材に接着されるので、既存ボルト撤去後も、鋼材１と鋼材２の位置および位置関係がすれることなく、その状態のままＦＲＰにより補強でき、補強施工後の補強対象部の精度は問題なく確保できるとともに、施工も極めて簡単に行うことができる。

また、既存ボルトは基本的に撤去されるので、ボルト、特にボルト頭部を避けてＦＲＰを配置する手間は不要であり、ＦＲＰの配置上の精度や配置されるＦＲＰの精度を気にせず容易に施工ができる。しかも、ＦＲＰやその強化繊維を、容易に鋼材の外面に合わせて配置することが可能となり、強化繊維を該外面上で所望の直線状態に維持することが可能となり、安定した補強効果を得ることができる。

さらに施工時において、既存ボルトが撤去されたボルト孔内には充填物が挿入されてボルト孔が実質的に埋められているので、該充填物が挿入されたボルト孔を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰが設けられる際、ＦＲＰが局部的に変形してボルト孔内に侵入することが阻止される。その結果、ＦＲＰの局部的変形に伴う強化繊維配向の乱れが防止され、所定の強化繊維配向方向により期待される補強効果が、期待通りに安定して得られることになる。

とくに、高剛性の充填物を採用する場合、重なり合う鋼材同士に外力などが作用することで生じる位置関係のずれに対して、充填物の支圧力と接着されたＦＲＰとの双方で抵抗することができ、補強効果が向上することになる。

本発明の一実施態様に係るボルト接合部のＦＲＰ補強構造を示しており、図１（Ａ）は概略平面図、図１（Ｂ）は概略縦断面図である。

以下に、本発明について、実施の形態とともに、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明に係るボルト接合部のＦＲＰ補強構造は、重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部の補強構造であって、既存ボルトを撤去したボルト孔に充填物を挿入し、該充填物を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰが両鋼材に接着されていることを特徴とするものである。本発明に係るボルト接合部のＦＲＰ補強方法は、重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部を補強する方法であって、既存ボルトを接合部から撤去した後、空いたボルト孔に充填物を挿入し、該充填物を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰを両鋼材に接着することを特徴とする方法である。また、本発明に係るボルト接合部のＦＲＰ補強方法は、重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部を補強する方法であって、既存ボルトの頭部を、鋼材の外面に合わせて切断、除去し、既存ボルトの胴部をボルト孔内に残存させた状態にて、ボルト孔を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰを両鋼材に接着することを特徴とする方法である。

図１は、本発明の一実施態様に係るボルト接合部のＦＲＰ補強構造１００を示している。図１に示すボルト接合部のＦＲＰ補強構造１００においては、端部が重なり合う鋼材同士、つまり鋼材１（符号１）と鋼材２（符号２）をボルト（図示略）により繋いだ既存のボルト接合部３が補強されるが、既存ボルトを撤去したボルト孔４に充填物５が挿入され、該充填物５を被うように両鋼材１、２にわたって延びるＦＲＰ６が両鋼材１、２に接着される。本実施態様では、ＦＲＰ６は、両鋼材１、２の両面側に設けられており、両鋼材１、２の両面側に接着されている。また、ＦＲＰ６は、本実施態様では、両鋼材１、２にわたって延びるシート状（帯状）のＦＲＰからなり、少なくとも、両鋼材１、２の長手方向に延びる強化繊維を有している。

充填物５は、本実施態様では、ボルト接合部３において重なり合う両鋼材１、２を貫通するようにボルト孔４に埋設されている。充填物５のボルト孔４延在方向の両端面は、重なり合う各鋼材１、２の外面と面一になるように配置されていることが好ましい。

充填物５の材質としては、ボルト孔４内に充填可能なものであれば特に限定されず、金属、樹脂、木、ゴム、鉱物、セラミックのいずれか（例えば、樹脂粒や砂等）、またはこれらを任意に組み合わせた混合物（例えば、金属混入樹脂等）等が例示できる。また、充填物５として、既存ボルトからその頭部を鋼材の外面に合わせて切断、除去した既存ボルトの胴部、つまり頭部が切断、除去され、ボルト孔４内に残存された既存ボルトの胴部を使用することもできる。あるいは、既存ボルトを撤去したボルト孔４に、所定長の、元々頭部の無い寸切りボルトを挿入してもよく、単なる鋼棒を挿入してもよい。

両鋼材１、２にわたって延びるＦＲＰ６の（本実施態様では、両鋼材１、２の両面側に設けられたＦＲＰ６のいずれもの）少なくとも一端部は、本実施態様では両端部が、厚みが徐々に減少するテーパー部７に形成されている。テーパー部７に形成することにより、ＦＲＰ６の端部応力集中の緩和が可能となり、ＦＲＰ６の端部の各鋼材１、２への定着の安定化をはかることが可能になる。

ＦＲＰ６の強化繊維としては、特に限定されず、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等の使用が可能であるが、強度的に高い補強効果が得られる面からは、炭素繊維が含まれていることが好ましい。強化繊維の配向方向としては、上記実施態様では、両鋼材１、２の長手方向とされることが好ましく、その場合、ＦＲＰ６として、両鋼材１、２の長手方向を繊維配向方向とする一方向材を用いることができる。もちろん、この一方向材に加え、例えば±４５°を繊維配向方向とするクロス材を併用（例えば、積層して併用）することもできる。

ＦＲＰ６のマトリックス樹脂としても、特に限定されず、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも使用可能であるが、現場での施工容易性、例えば現場で樹脂を加熱によりあるいは常温で容易に硬化できる面からは、熱硬化性樹脂からなることが好ましい。

ＦＲＰ６を各鋼材１、２に接着する接着剤についても、特に限定されず、一般に使用されているもの、例えばエポキシ系接着剤が使用されればよい。

上記のようなボルト接合部のＦＲＰ補強構造１００とその補強方法においては、既存のボルト接合部３を補強するに際し、既存ボルトを撤去したボルト孔４に充填物５が挿入された状態で、該充填物５を被うように両鋼材１、２にわたって延びるＦＲ６Ｐが両鋼材１、２に接着されるので、既存ボルト撤去後にあっても、両鋼材１、２の位置および位置関係がすれることはなく、所定の位置および位置関係のままＦＲＰ６により補強でき、補強施工後の補強対象部の精度は問題なく高精度に確保され、施工も極めて簡単に効率よく行われる。

また、既存ボルトは基本的に撤去され、特にボルト頭部の無い状態でＦＲＰ６を配置できるので、従来のようにボルトを避けてＦＲＰを配置する手間のかかる作業は不要であり、ＦＲＰ６は、配置する際の精度や配置されるＦＲＰ６の形状等の精度を気にせず容易に施工することが可能になる。また、特にボルト頭部の無い状態での施工であるから、ＦＲＰ６やその強化繊維を、容易に各鋼材１、２の外面に合わせて配置することが可能となり、強化繊維を該外面上で所望の直線状態に維持することが可能となって、安定した補強効果が得られる。

さらに、施工時において、既存ボルトが撤去されたボルト孔４内には充填物５が挿入されてボルト孔４が実質的に充填物５で埋められているので、ＦＲＰ６が設置される際、ＦＲＰ６が局部的に変形してボルト孔４内に侵入する（ボルト孔４内にめり込む）ことが阻止される。その結果、ＦＲＰ６の局部的変形に伴う強化繊維配向の乱れが防止され、目標とした所定の強化繊維配向方向が確保されて、ＦＲＰ６により期待される補強効果が、期待通りに安定して得られることになる。すなわち、この既存ボルトを撤去したボルト孔４に挿入される充填物５は、ＦＲＰ６のボルト孔４内への侵入を阻止する機能も有しており、それによって強化繊維配向の乱れが防止されて所望の補強効果がより確実に得られることになる。

本発明に係るボルト接合部のＦＲＰ補強構造および補強方法は、とくに、重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部の補強に有効である。

１鋼材１
２鋼材２
３ボルト接合部３
４ボルト孔
５充填物
６ＦＲＰ
７テーパー部
１００ボルト接合部のＦＲＰ補強構造

Claims

重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部の補強構造であって、既存ボルトを撤去したボルト孔に充填物を挿入し、該充填物を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰが両鋼材に接着されていることを特徴とする、ボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
充填物が、重なり合う鋼材を貫通するようにボルト孔に埋設されている、請求項１に記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
充填物のボルト孔延在方向の両端面は、重なり合う鋼材の外面と面一に配置されている、請求項１または２に記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
充填物が、金属、樹脂、木、ゴム、鉱物、セラミックのいずれか、またはこれらを任意に組み合わせた混合物からなる、請求項１～３のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
両鋼材にわたって延びるＦＲＰの少なくとも一端部は、厚みが徐々に減少するテーパー部に形成されている、請求項１～４のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
ＦＲＰの強化繊維に炭素繊維が含まれている、請求項１～５のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
ＦＲＰのマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂からなる、請求項１～６のいずれかに記載のボルト接合部のＦＲＰ補強構造。
重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部を補強する方法であって、既存ボルトを接合部から撤去した後、空いたボルト孔に充填物を挿入し、該充填物を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰを両鋼材に接着することを特徴とする、ボルト接合部のＦＲＰ補強方法。
重なり合う鋼材同士をボルトにより繋いだ既存のボルト接合部を補強する方法であって、既存ボルトの頭部を、鋼材の外面に合わせて切断、除去し、既存ボルトの胴部をボルト孔内に残存させた状態にて、ボルト孔を被うように両鋼材にわたって延びるＦＲＰを両鋼材に接着することを特徴とする、ボルト接合部のＦＲＰ補強方法。