JPH07166648A - トラス部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＦＲＰ製梁材と接合部材とを備えた軽量で強
度の高いトラス部材を提供する。 【構成】 繊維強化プラスチック製の梁材２と、梁材の
両端に配置される接合部材３とを備え、梁材を構成する
補強繊維の少なくとも50％が軸方向に対して０°〜±２
０°の角度に配向され、梁材のマトリックス樹脂がフェ
ノール樹脂であるトラス部材１と、金属層と繊維強化プ
ラスチック層とを含む筒形の梁材と、梁材の両端に配置
される接合部材とを備え、繊維強化プラスチック層を構
成する補強繊維の少なくとも８０％が軸方向に対して０
°〜±２０°の角度に配向され、繊維強化プラスチック
層を構成するマトリックス樹脂がフェノール樹脂である
トラス部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は大型建築物等に用いる繊
維強化プラスチック（以下、「ＦＲＰ」という）製のト
ラス部材に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】体育館
やドーム型競技場等の大型建築物の屋根部分はトラス構
造で造られることが多く、そのような建築に使われるト
ラス部材は、筒形の梁材の両端にノードジョイントと呼
ばれる継手と連結するための接合部材を取り付けた構造
になっている。また、梁材の横断面形状はこの断面に於
ける異方性がなく、作用する応力がいずれの方向にも均
等に伝達されるように、円筒形のものが多用されてい
る。

【０００３】ところで、従来これらのトラス部材は、
“トモエトラス”（製品名，株式会社巴組鉄工所製）に
見られるようにほとんど炭素鋼や低合金鋼等の金属で作
られている。しかしながら、炭素鋼や低合金鋼は簡単に
製造することができるものの、材料の比強度が低いため
にトラス部材としての重量も重くなり、構造体としての
大型化には限界があった。また、重いために組み立て作
業時の取り扱い性も極めて悪いという問題があった。

【０００４】これに対して、構造物を軽量化する手法と
して、アルミ合金等の比較的軽量な金属を用いることも
一般的に行われているが、強度が低く特に高温における
強度低下が大きいこと等から、飛躍的な軽量化にはつな
がらない。本発明の目的は、従来のトラス部材の上述し
た問題点を解決し、ＦＲＰ製梁材と接合部材とを備えた
軽量で強度の高いトラス部材を提供するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用】上記目的を達成
するため本発明の第一の発明によれば、繊維強化プラス
チック製の梁材と、該梁材の両端に配置される接合部材
とを備え、前記梁材を構成する補強繊維の少なくとも５
０％が軸方向に対して０°〜±２０°の角度に配向さ
れ、かつ、前記梁材のマトリックス樹脂がフェノール樹
脂のトラス部材としたものである。

【０００６】また、上記目的を達成するため本発明の第
二の発明によれば、金属層と繊維強化プラスチック層と
を含む筒形の梁材と、該梁材の両端に配置される接合部
材とを備え、前記繊維強化プラスチック層を構成する補
強繊維の少なくとも８０％が軸方向に対して０°〜±２
０°の角度に配向され、かつ、前記繊維強化プラスチッ
ク層を構成するマトリックス樹脂がフェノール樹脂のト
ラス部材としたものである。

【０００７】好ましくは、前記梁材は、全長の少なくと
も８０％において、繊維強化プラスチック層の厚さを、
金属層の厚さの0.５〜５倍とする。さて、梁材は軽量化
するためにＦＲＰで構成されている。この梁材を構成す
るマトリックス樹脂には、フェノール樹脂を用いること
が好ましい。トラス部材は体育館やドーム型競技場の屋
根などに多く用いられるため、フロアで火災が発生した
場合、天井付近は最大約２００℃になると推定される
が、フェノール樹脂は常温での強度に対して２００℃で
の強度保持率が比較的高いからである。これに対してエ
ポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂では、高温での強
度低下が著しく使用に耐えない。また、フェノール樹脂
は燃えにくく、燃焼による有毒ガスが発生しにくいため
に難燃性の要求される場合にも適している。

【０００８】さらに好ましくは、梁材の最外層に不燃材
料からなる保護層を設けるとよい。このように、梁材を
不燃物で覆うと、梁材の難燃性がさらに向上する。不燃
材料には、金属やセラミックなどを用いることができ、
金属箔の接着やメッキ、溶射、コーティングなどの方法
で梁材の最外層に形成することができる。補強繊維は、
ガラス繊維やアラミド繊維、あるいは２種類以上の補強
繊維を複合させたハイブリッド構成等にしてもよいが、
強度や剛性、耐熱性が高く、密度が低いことから炭素繊
維を用いることが好ましい。

【０００９】この梁材の横断面形状は円筒や矩形等の筒
体、Ｈ型やＬ型等の型材の形状から適当なものを選択す
ればよいが、この断面に於ける異方性を避けたい場合に
は、円筒型のものを用いることが好ましい。補強繊維
は、横断面の形状等により最適構成は異なるが、トラス
構造の場合、荷重がほぼ軸方向に限定されることから、
軸方向に対して０°〜±２０°に配した層を少なくとも
５０％含んでいると、軸方向強度や剛性が高くなって好
ましい。梁材の断面形状が筒体の場合は、補強繊維を０
°〜±２０°に配した層に加え、±７５°〜９０°に配
した層を５〜２０％含むと、局部座屈が起こりにくくな
って好ましい。梁材の断面形状が型材形状の場合、さら
に±３０°〜±６０°の配向を持つ層を１５％以上加え
ると剪断座屈が防止できて好ましい。

【００１０】梁材を構成するＦＲＰの繊維体積含有率
（以下、「ＶP 」という）は、４５〜６５％が好まし
い。ＶP が４５％より小さくなると補強繊維の強度や弾
性率が十分に生かされず、ＶP が６５％を超えると接着
力が低下し、層間剥離やクラック等が生じ易くなる。ま
た、梁材は、いろいろな方法によって成形することがで
きる。例えば、公知のフィラメントワインディング法や
シートワインディング法、プルトルージョン法、レジン
トランスファーモールディング法等を用いて成形するこ
とができる。

【００１１】ＦＲＰ製の梁材と接合部材との接合には、
リベット、ボルト、ピン等を用いた機械的接合、接着に
よる接合、圧入等による摩擦力を利用した接合等いろい
ろな方法があり、これらを併用してもよい。また、この
接合部分は構造的に最も弱い部分であるので、接合部分
の厚みを他の部分に比して厚くして補強しておくとよ
い。

【００１２】また、梁材と接合部材との接合強度をさら
に向上させるためには、梁材は金属層とＦＲＰ層を含む
筒体からなるハイブリッド構造にするとよい。すなわ
ち、梁材自体の強度や剛性は金属層とＦＲＰ層で保持さ
れるが、接合部材との接合は金属層を利用して、溶接等
により接合することができる。本発明のトラス部材に使
用する梁材を構成する金属層は、種々の材料が使用で
き、例えば、炭素鋼、低合金鋼、アルミ合金やチタン合
金などが挙げられるが、軽量であることからアルミ合金
やチタン合金を使用することが好ましい。

【００１３】ＦＲＰ層については前述のように炭素繊維
を補強繊維とすることが好ましく、マトリックス樹脂は
フェノール樹脂がよい。またＦＲＰ層の構成は、軸方向
に対して０°〜±２０°に配した層をＦＲＰ層の８０％
以上含んでいると、軸方向の強度、剛性が高くなり好ま
しい。本発明においては金属層とのハイブリッド構成と
なっているために、局部座屈に対して有効な周方向弾性
率が確保されており、ＦＲＰ層のほとんどを軸方向に配
することができるからである。

【００１４】また、ＦＲＰ層の厚みは、金属層の厚みの
0.５〜５倍、より好ましくは、0.５〜３倍の間に設定す
ると、軸方向と周方向の強度、弾性率がバランスして好
ましい。ＦＲＰ層の厚みが金属層の厚みの0.５倍より小
さくなり、金属層が厚くなると、金属層の重さによって
トラス部材の重量が重くなり、ＦＲＰを使用したことに
よる軽量化メリットが活かされなくなる。一方、ＦＲＰ
層の厚みが金属層の厚みの５倍を越えると、ＦＲＰ層の
特性が卓越し、梁材をＦＲＰ層と金属層とで構成したハ
イブリッド効果がなくなり座屈が起こりやすくなる等の
不具合が生じる。

【００１５】金属層とＦＲＰ層の長さについては、金属
層と接合部材との接合を溶接で行う場合、溶接時の熱を
避けるためにＦＲＰ層を若干短くしておいてもよいが、
梁材の全長の８０％以下になると、軽量化や強度の点に
おいて、本発明の利点を活かせなくなる。補強繊維に炭
素繊維を用いる場合には、金属層とＦＲＰ層の間に、薄
いＧＦＲＰ層や不織布を含む接着剤等の絶縁層を設けて
おくことが好ましい。これは炭素繊維のように導電性の
ある補強繊維と金属層が接触した場合、電位差により電
流が生じ、電食と呼ばれる腐食現象が金属層に発生する
からである。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２に基
づいて詳細に説明するが、トラス部材は左右対称に形成
されているので、左半のみについて図示してある。図１
は、本発明のトラス部材の第一の実施例を説明するもの
で、トラス部材１は、円筒形の梁材２、接合部材３及び
連結部材４を備えている。

【００１７】梁材２は、炭素繊維にフェノール樹脂を含
浸させたＦＲＰからなる筒形の部材で、両端部の肉厚が
中間部分よりも厚く成形され、梁材２を構成する炭素繊
維の少なくとも50％が梁材２の軸方向に対して０°〜±
20°の角度に配向されている。また、最外層には保護層
６が設けられている。接合部材３は、梁材２の両端に内
嵌させて接着される炭素鋼からなるカップ状の部材で、
底壁３ａの中央に連結部材４を挿通する挿通孔３ｂが形
成されている。

【００１８】連結部材４は、一端に扁平な頭部４ａ、他
端にねじ部４ｂが形成されたボルトで、ねじ部４ｂを挿
通孔３ｂに挿通して、頭部４ａを底壁３ａに係止し、ピ
ンで係合した六角スリーブ５を介して接合部材３に取り
付けられる。また、図２は、本発明のトラス部材の第二
の実施例を説明するもので、トラス部材１０は、円筒形
の梁材１１、接合部材１２及び連結部材１３を備えてい
る。

【００１９】梁材１１は、金属パイプ１１ａにＦＲＰ層
１１ｂを形成した円筒形の部材である。ＦＲＰ層１１ｂ
は、炭素繊維をフェノール樹脂で含浸したもので、炭素
繊維の少なくとも８０％は軸方向に対して０°〜±２０
°の角度に配向されている。また、最外層には保護層１
５が設けられている。接合部材１２は、梁材１１の両端
に内嵌させて溶接されるアルミ合金からなるカップ状の
部材で、底壁１２ａの中央に連結部材１３を挿通する挿
通孔１２ｂが形成されている。

【００２０】連結部材１３は、一端に扁平な頭部１３
ａ、他端にねじ部１３ｂが形成されたボルトで、ねじ部
１３ｂを挿通孔１２ｂに挿通して、頭部１３ａを底壁１
２ａに係止し、ピンで係合した六角スリーブ１４を介し
て接合部材１２に取り付けられる。以上のように構成さ
れる本発明のトラス部材１，１０及び鋼管製の従来のト
ラス部材をそれぞれ製造し、圧縮試験に基づく比強度を
比較した。

【００２１】実施例１ フィラメントワインディング法によりＦＲＰ製の梁材を
成形した。すなわち、東レ株式会社製炭素繊維“トレ
カ”Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋを６本引き揃え、フェノール
樹脂に含浸しながら、外径７０mm、長さ４００mmのマン
ドレルにその軸方向に対して±８５°の角度で３層、±
５°の角度で４層、両端部には±４５°で６層巻き付け
た。

【００２２】しかる後、マンドレルを回転させながら８
０℃で２時間、９０℃で１２時間、１５０℃で２時間加
熱してフェノール樹脂を硬化させ、マンドレルを引き抜
き、両端部を切断、中央部外径７４mm、両端部外径７８
mm、内径７０mm、長さ300 mmのＦＲＰ製の梁材を得た。
このとき、±５°層と±８５°層の厚みの比率は３：１
で、炭素繊維の少なくとも５０％が軸方向に対して０°
〜±２０°の角度に配向しており、梁材の重量は0.２５
Kgであった。

【００２３】次に、ＦＲＰ製の梁材の両端部に接合部材
をはめ込んで接着し、図１に示す構成のトラス部材を得
た。このトラス部材の圧縮試験を行った結果、荷重２５
tonで破壊され、単位重量当りの強度（比強度）は3.５
×１０7 mmであった。 実施例２ 外径７２mm、内径７０mm、長さ３１０mm、厚さ１mmのア
ルミ合金製パイプの両端部に接合部材を溶接し、このパ
イプの外側に東レ株式会社製炭素繊維“トレカ”Ｔ７０
０ＳＣ−１２Ｋを引き揃え、フェノール樹脂を含浸させ
たプリプレグを軸方向に配向させて１mmの厚さまで巻き
つけた。

【００２４】さらに、前記プリプレグの上にポリエステ
ルテープを周方向に巻きつけ、回転させながら８０℃で
２時間、９０℃で１２時間、１５０℃で２時間加熱して
フェノール樹脂を硬化させた後、ポリエステルテープを
剥ぎ取って、図２に示す構成のトラス部材を得た。トラ
ス部材は、炭素繊維の少なくとも８０％が軸方向に対し
て０°〜±２０°の角度に配向していた。このトラス部
材の重量から予め測定してあった接合部材の重量を差し
引いて梁材の重量を求めたところ、梁材の重量は0.３０
Kgであった。

【００２５】このトラス部材について圧縮試験を行った
結果、荷重３１ tonで破壊され、比強度は3.１×１０7
mmであった。 比較例１ 外径７４mm、内径７０mm、長さ３００mmの鋼管の両端部
に接合部材を溶接し、トラス部材を得た。このときの鋼
管の重量は1.０７Kgであった。

【００２６】実施例１と同様にして圧縮試験を行った結
果、トラス部材は荷重２３ tonで破壊され、比強度は6.
４×１０6 mmであった。これから、比較例１のトラス部
材は実施例１，２のトラス部材に比べて比強度が低く、
重量が極めて大きかった。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
第一の発明は、繊維強化プラスチック製の梁材と、該梁
材の両端に配置される接合部材とを備え、前記梁材を構
成する補強繊維の少なくとも５０％が軸方向に対して０
°〜±２０°の角度に配向され、かつ、前記梁材を構成
するマトリックス樹脂がフェノール樹脂であるトラス部
材であり、また、本発明の第二の発明は、金属層とＦＲ
Ｐ層とを含む筒形の梁材と、該梁材の両端に配置される
接合部材とを備え、前記ＦＲＰ層を構成する補強繊維の
少なくとも８０％が軸方向に対して０°〜±２０°の角
度に配向され、かつ、前記ＦＲＰ層を構成するマトリッ
クス樹脂がフェノール樹脂であるトラス部材なので、軽
量で高い強度を得ることができる。従って、本発明のト
ラス部材は、大型の建築物等のトラス構造を軽量化する
トラス部材として使用することができる。

【００２８】また、本発明の第二の発明に係るトラス部
材では、梁材は、全長の少なくとも８０％において、Ｆ
ＲＰ層の厚さを金属層の厚さの0.５〜５倍としたので、
ＦＲＰ層と金属層とからなる梁材の強度が向上するう
え、梁材と接合部材との間を溶接等によって接合でき、
梁材と接合部材との間の接合強度が一層高まる。さら
に、梁材の最外層に不燃材料からなる保護層を設ける
と、梁材の難燃性がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の発明に係るトラス部材の左半を
示す縦断面図である。

【図２】本発明の第二の発明に係るトラス部材の左半を
示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ トラス部材 ２ 梁材 ３ 接合部材 ４ 連結部材 ５ 六角スリーブ ６ 保護層 １０ トラス部材 １１ 梁材 １１ａ 金属パイプ １１ｂ ＦＲＰ層 １２ 接合部材 １３ 連結部材 １４ 六角スリーブ １５ 保護層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中辻 照幸 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 杉崎 健一 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維強化プラスチック製の梁材と、該梁
   材の両端に配置される接合部材とを備え、前記梁材を構
   成する補強繊維の少なくとも５０％が軸方向に対して０
   °〜±２０°の角度に配向され、かつ、前記梁材のマト
   リックス樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とする
   トラス部材。
2. 【請求項２】 金属層と繊維強化プラスチック層とを含
   む筒形の梁材と、該梁材の両端に配置される接合部材と
   を備え、前記繊維強化プラスチック層を構成する補強繊
   維の少なくとも８０％が軸方向に対して０°〜±２０°
   の角度に配向され、かつ、前記繊維強化プラスチック層
   を構成するマトリックス樹脂がフェノール樹脂であるこ
   とを特徴とするトラス部材。
3. 【請求項３】 前記梁材は、全長の少なくとも８０％に
   おいて、繊維強化プラスチック層の厚さが、金属層の厚
   さの0.５〜５倍である、請求項２のトラス部材。
4. 【請求項４】 前記梁材は、その最外層に不燃材料から
   なる保護層を有する、請求項１乃至３のトラス部材。