WO2007145277A1 - 炭素繊維を使用した鉄筋コンクリート製柱状構造物のじん性補強方法 - Google Patents

炭素繊維を使用した鉄筋コンクリート製柱状構造物のじん性補強方法 Download PDF

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toughness
carbon fiber
reinforcement
columnar structure
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Hideyuki Komaki
Yoshihiro Fukuda
Masanori Nakata
Yasuhiro Mori
Toru Kakio
Satoshi Nakase
Suminori Takeyama
Ryoichi Sato
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Nippon Oil Corporation
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    • E04G2023/0251—Increasing or restoring the load-bearing capacity of building construction elements by using fiber reinforced plastic elements

Definitions

  • the present invention relates to a reinforcing method using carbon fibers of a concrete column or a concrete columnar structure such as a pier and a chimney, and particularly relates to a reinforcing method for improving dust performance.
  • a reinforcing method using a reinforcing material using reinforcing fibers is known.
  • a primer layer is formed if necessary, a reinforcing fiber sheet is attached, and a room temperature curable resin is impregnated. By curing, it is converted into a fiber reinforced resin (FRP) plate on the repair / reinforcement surface and fixed to the surface.
  • FRP fiber reinforced resin
  • Non-Patent Document 1 shows the construction method and construction guidelines for the purpose of expanding and applying the seismic reinforcement method using a carbon fiber sheet to a railway elevated column.
  • a reinforcement method There are three methods: shear reinforcement for the purpose of improving the shear strength of members, toughness reinforcement for the purpose of improving the toughness of members, and bending reinforcement for the purpose of improving the bending strength of members.
  • FIG. 13 shows a state in which concrete in a reinforced concrete column is agglomerated in the plastic hinge region.
  • the reinforcement is generally performed in such a way as to constrain and prevent the agglomerated concrete from escaping outside in the plastic hinge region. Therefore, even in the case of toughness reinforcement by winding the carbon fiber sheet, it is reinforced by covering with a reinforcing material without any gap.
  • the adjustment process of the step, the protrusion, the unevenness, etc. is an essential process for obtaining sufficient adhesion, the process becomes complicated, the cost is increased, and the construction period is increased. It is also a cause of the prolongation of life.
  • FIG. 14 shows a ground treatment when there is a large step, and it is necessary to repair by filling up the upper part of the step with mortar and so on so that the lower part is continuous with the shaved surface. is there.
  • carbon fiber shearing is performed by smoothing with an epoxy putty after curing the finger on the primer-coated surface after performing the removal process. It is said that it must be arranged so that it is in close contact with the column surface.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. Sho 62-244977
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open Publication No. Sho 62-2420578
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-73586
  • Patent Document 4 Japanese Laid-Open Patent Publication No.
  • Non-Patent Document 1 “Aseismic Strengthening Method for Railway Viaduct Columns with Carbon Fiber Sheets' Construction Guidelines” 3rd Edition, Railway Technical Research Institute, issued on July 4, 2003
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 62-244977
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 62-242058
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-73586
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-115403
  • the object of the present invention is to achieve the dust performance satisfying the new earthquake resistance standard by optimizing the winding interval of the reinforcing material with a carbon fiber amount equal to or less than that of the conventional sheet attaching method.
  • the purpose is to provide a toughening method that can reduce the cost and duration of treatment, and that it is easy to confirm the introduction of cracks into concrete even when a medium-scale earthquake occurs after construction.
  • the present invention provides a reinforcing method for preventing brittle fracture of a concrete structure without breaking the reinforcing fiber even when it reaches the end.
  • the upper and lower end force of the reinforced concrete columnar structure is 2D (D indicates the height of the column cross section), and the carbon fiber-containing reinforcing material is applied to the end of the columnar structure.
  • the present invention relates to a method for reinforcing the toughness of a columnar structure made of reinforced concrete, characterized in that the winding interval (P) is 5 cm or more and the winding is reinforced with a predetermined interval so that PZD is 1Z3 or less.
  • carbon fibers are wound at predetermined intervals, and stress applied to the concrete structure is dispersed throughout the structure, thereby reinforcing the predetermined deformation performance with a small amount of reinforcing fibers. Since the members can withstand the end, the reinforcing bars in the final section seen with the conventional carbon fiber sheet reinforcement will not protrude, and the reinforcing fiber will not break when the amount of reinforcement is small. The dust performance of things can be greatly improved.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a method of winding a reinforcing member, in which (a) shows a striped state and (b) shows a spirally wound state.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the winding width W of the reinforcing member and the winding interval P, where (a) is a band-shaped reinforcing member and (b) is a string-shaped reinforcing member. Indicates.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a braided carbon fiber reinforcing member.
  • FIG. 4 is a diagram showing a reinforcing method combining a toughness reinforcing method and a shear reinforcing method according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a test body (concrete column) used in an example.
  • FIG. 6 is a graph showing a load-displacement curve of specimen No. 1 (without reinforcement).
  • FIG. 7 is a graph showing a load-displacement curve of specimen No. 2 (band, 5 cm pitch).
  • FIG. 8 is a graph showing a load-displacement curve of specimen No. 3 (band, 10 cm pitch).
  • FIG. 9 is a graph showing a load-displacement curve of specimen No. 4 (band, 10 cm pitch).
  • FIG. 10 is a graph showing a load-displacement curve of specimen No. 5 (braid, 10 cm pitch).
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the shear margin and the toughness rate.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a toughness reinforcement section and a shear reinforcement section of a column member.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the destruction situation at the end of the RC pillar.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the base processing (step processing) in the conventional method (sheet method). Explanation of symbols
  • the shear margin is the ratio of the shear strength to the bending strength, and is expressed by (V′a / M).
  • V is the design reinforcement shear strength of the column member
  • a is the shear span
  • M is the design reinforcement bending strength of the column member.
  • T is the critical displacement that can hold the strength P of the yield point (the horizontal load when the axial tensile bar of the specimen uy yields)
  • ⁇ limit is the yield point displacement ⁇ (the axial tensile bar of the specimen) Is the value divided by the horizontal displacement at the time of yield.
  • Non-Patent Document 1 shows an evaluation formula related to the design reinforcement toughness rate of the toughness reinforcement by the carbon fiber sheet and the shear margin.
  • Design shear resistance of column members V is the share of concrete V and the share of shear reinforcement
  • u cd V is the sum of the share of the carbon fiber sheet V and the reinforced concrete columns to be reinforced are the same sd CFd
  • the contribution to the bending resistance of the carbon fiber sheet in the structural reinforcement is smaller than the contribution to the shear resistance, so the shear margin changes depending on the amount of reinforcement of the carbon fiber sheet. Therefore, if the same carbon fiber sheet is used, the lower the shear margin, the smaller the amount of carbon fiber used.
  • the toughness reinforcing method of winding the present invention at intervals, a high toughness performance can be obtained with a small shear margin. Therefore, when designing toughness reinforcement, the toughness margin is low. Even if designed, sufficient toughness reinforcement is possible. That is, the amount of carbon fiber used can be reduced. Particularly in the present invention, a reduction in the amount of carbon fiber can be expected when the design toughness ratio is low.
  • the carbon fiber-containing reinforcing material is wound around the toughness reinforcing section at a predetermined interval to be reinforced.
  • the portion where the reinforcing material is wound and the portion where the reinforcing material is not wound are alternated because the reinforcing material is wound around the entire toughness reinforcing section.
  • the conventional method of reinforcing all sections by rolling up a carbon fiber sheet was thought to have little effect on suppressing the start of buckling of the main reinforcing bars (for example, “Study on deformation performance of carbon fiber upright reinforced piers”).
  • the concrete engineering annual papers, Vol. 22, No. 3, 2000, p235-240) can completely predict the effect that the method of the present invention can suppress the protrusion (buckling) of the main rebar. There is no effect.
  • conventional all-zone reinforcement by winding a carbon fiber sheet especially when the plastic hinge region of 1.5D or less from the base is subjected to large strain and force is applied, and the reinforcing bar protrudes and there are few reinforcing members.
  • the reinforcing member was cut by the protrusion, resulting in brittle fracture of the member. For this reason, even when the design toughness rate is low, a large amount of carbon fiber is required in consideration of safety.In the present invention, high toughness performance can be obtained with a small amount of reinforcement, and the reinforcing bars protrude from the end. As a result, it has an excellent effect of preventing brittle fracture.
  • FIG. 1 As a method of winding with a predetermined interval, as shown in FIG. There are a method of winding in stripes in a direction perpendicular to the axis (hoop winding) (Fig. (A)), and a method of winding obliquely in the direction of the column axis of the column. It can also be spirally wound (spiral winding) (Fig. (B)). Even in the case of spirally winding in an oblique manner, as shown in FIG. 4 (b), it is desirable that the start portion and the end portion are wound in a direction perpendicular to the material axis direction in order to facilitate fixation. .
  • the main bars arranged in the direction of the material axis and the reinforcing bars arranged at predetermined intervals so as to surround the main bars are arranged.
  • the stirrups should be placed at a pitch of DZ2 or less.
  • the reinforcing material is wound so that the PZD is 1Z3 or less. If the pitch P is too narrow, there will be no difference from full-surface reinforcement, and the effect of the present invention cannot be obtained. Therefore, reinforce with a pitch of 5cm or more.
  • FIG. 2 shows the relationship between the winding width W of the reinforcing member and the reinforcing pitch P.
  • FIG. 4 (a) shows a case where the width of the reinforcing member coincides with the winding width W.
  • FIG. 4B shows a case where the reinforcing member is reinforced with a reinforcing member having a member width narrower than the winding width W of the reinforcing member, and here, a case where the reinforcing member is reinforced with a string-like member is shown.
  • the winding width W of the carbon fiber-containing reinforcing material may be a width in which a gap is formed between the reinforcing members at the pitch P.
  • the minimum pitch is 5 cm, it may be narrower than that, for example, 3 cm.
  • the cross-sectional height H may be determined so that the aspect ratio represented by WZH is 1 or more, preferably 1.5 or more when the cross-sectional height H is the winding width W.
  • the width W is in the range of l to 10 cm and less than the WZP force. Furthermore, it is more preferable that the width W is 2 to 5 cm, and the pitch is narrower within the specified range of the present invention.
  • Examples of the carbon fiber-containing reinforcing material used in the present invention include a band of carbon fiber sheets oriented in one direction, strands in which carbon fiber filaments are converged, loops and strings in which strands are twisted, and carbon. Braids made by braiding fiber filaments can be used.
  • the braid used in the present invention (also referred to as "spun string”) is manufactured by machine, and is roughly divided into 8 strokes, 16 strokes, and Kongo. And many others. Also, there are flat punching assembled into a flat shape and round punching assembled into a round shape.
  • Figure 3 shows a schematic diagram of the side of the braid that is rounded. In particular, when braid is used, as shown in the examples described later, a very high toughness ratio can be achieved with a small shear margin.
  • the reinforcing fiber to be used is carbon fiber, but glass fiber, aramid fiber, other organic fibers, etc. can be mixed and used within the range where there is no problem, and is selected appropriately according to the application. be able to.
  • the carbon fiber used is, for example, 2.45 X 10 5 N / mm 2 for high-strength type and 4.40 X for medium-elastic type in the tensile test method of carbon fiber reinforced plastic in accordance with JIS K 7073.
  • the high modulus type using a material having a tensile modulus of 6. 40 X 10 5 NZmm 2.
  • a reinforcing material such as carbon fiber is impregnated with a thermosetting resin to obtain a reinforcing material.
  • a resin to be impregnated room temperature curing type or thermosetting type epoxy resin, thermosetting resin such as polyester type resin, radical reaction type resin such as methyl metatalylate, etc. can be used.
  • a room temperature curing type epoxy resin for example, the product names “Bond E2500” series and “Bond ⁇ 206” series manufactured by Konishi Co., Ltd. can be used.
  • the carbon fiber-containing reinforcing material is reinforced by winding it around a concrete structure such as a pillar at a predetermined interval.
  • a concrete structure such as a pillar
  • the amount of reinforcement is calculated from the yield seismic intensity and equivalent natural period of the structure, and the design plasticity ratio (design toughness ratio) is obtained.
  • design toughness ratio design toughness ratio
  • the design toughness ratio may be relatively low, taking into account the breakage of the reinforcing fibers due to the protrusion of reinforcing bars at the end, the compensation calculated from the evaluation formula can be used.
  • the reinforcement amount calculated by the evaluation formula force has an effect more than sufficient, and even the reinforcement amount smaller than the reinforcement amount calculated by the evaluation formula force High toughening effect.
  • the present invention can achieve a toughness ratio of 7 with a shear margin of 2.2, so that the amount of reinforcement can be reduced using this as a guide.
  • the reinforcing method between the shear reinforcement sections excluding the toughness reinforcement section is not particularly limited, and a conventional method can be applied.
  • a method of reinforcing the shear reinforcement portion with an interval For example, as shown in Fig. 4, toughness reinforcement sections are toughened by the method of the present invention, and in the shear reinforcement sections excluding the toughness reinforcement sections, the pitch is increased or the number of laminations is reduced. Thus, the amount of reinforcement can be reduced and shear reinforcement can be performed.
  • the corner portion When the cross section of the pillar or the like is rectangular, it is preferable to chamfer the corner portion to form an R shape. Furthermore, in order to maintain the aesthetics of the surface and further improve the durability of the reinforcing member, it is possible to finish by applying a finishing mortar or spraying paint on the surface around which the reinforcing member is wound. . Further, it is possible to reinforce the column while keeping the external shape of the column by forming a shallow groove in the column of the winding portion, winding the reinforcing member in the groove and embedding with a mortar or the like.
  • the reinforcing portion is subjected to a primer treatment in order to improve the adhesion between the reinforcing member and the concrete.
  • a thermosetting adhesive such as a room temperature curing type or a thermosetting type epoxy resin or a polyester type resin can be preferably used, as in the case of the impregnating resin on the reinforcing member.
  • a primer such as the product name “Bond ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 800” series manufactured by Koshi Co., Ltd. is preferred.
  • the specimen is RC with a stub part of 1200mm x 1200mm x 500mm and a pillar part of 300mm x 300mm x 1000mm (main bar 13: 12—D19, band bar 14: 6 ⁇ @ 200) Column 11 was used.
  • the width was 15 mm and the weight was 30 g / m.
  • the same carbon fiber was used for the band, and a linear band having a width of 30 mm and a weight of 30 g / m was produced.
  • the braid and band thus produced were impregnated with epoxy resin (trade name “Bond 2500” manufactured by Koshi Co., Ltd.) to prepare a reinforcing member.
  • Table 2 shows the physical properties of each of the produced reinforcing members.
  • the stub part was fixed to the reaction force floor with a PC steel rod, and the specimen was loaded vertically with a constant axial force corresponding to a compressive stress of lN / mm 2 at the top and horizontally at a column height of 800 mm. Positive and negative alternating loads were repeated.
  • the load was measured with a load cell, and the displacement of each specimen was measured with a displacement meter.
  • the measurement was carried out by applying a load until the specimen was destroyed or until the limit of the deformation performance of the testing machine (15 ⁇ ).
  • Table 3 shows the behavior at the end of the test.
  • Figures 6 to 10 show load-displacement curves showing the relationship between displacement and load.
  • FIG. 11 shows the relationship between the shear margin and the maximum dust performance experimental value.
  • Figure 11 also shows the evaluation formula for the design reinforcement toughness ratio of Non-Patent Document 1.
  • the test specimens (No. 2 to 4) using the CF band obtained results almost comparable to the maximum dust performance designed with the carbon fiber sheet.
  • the result was far superior to the maximum dust performance designed with the carbon fiber sheet.
  • the main reinforcing bar did not protrude at the end, and the CF reinforcing material did not break or brittle. In any case, confirmation of the surface state after the test was easy.
  • the amount of carbon fiber necessary to satisfy the toughness rate of the experimental value is calculated as shown in the following table. From the results of No. 4, it was confirmed that the amount of carbon fiber was reduced when the maximum dust performance was acceptable. In actual construction of full-scale reinforcement with carbon fiber sheets, considering the fact that more carbon fibers are used in consideration of sheet breakage due to protruding reinforcing bars, the method of the present invention A reduction effect higher than this value can be expected. In addition, No. 5 using braided CF confirmed the effect of reducing the carbon fiber content.

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Abstract

　新耐震基準を満たすじん性能を、補強材の巻き付け間隔を最適化することにより、従来よりも強化繊維の使用量を少なくしコストを低減させ、さらに施工後に中規模の地震等が発生した場合にも、コンクリートへのひび割れ等の導入の確認が容易であるじん性補強方法を提供するため、鉄筋コンクリート製柱状構造物１の上下端部から２Ｄ（Ｄは柱断面高さを示す）以下のじん性補強区間に炭素繊維含有補強材料２を柱状構造物の端部より巻き付け間隔(Ｐ)が、５ｃｍ以上であり、Ｐ／Ｄが１／３以下となるように所定間隔を空けて巻き付け補強する。

Description

明 細 書
炭素繊維を使用した鉄筋コンクリート製柱状構造物のじん性補強方法 技術分野
[0001] 本発明は、コンクリート製の柱、あるいは、橋脚、煙突等のコンクリート製柱状構造 物の炭素繊維を用いた補強方法に関し、特にじん性能を向上させる補強方法に関 する。
背景技術
[0002] コンクリート製の柱、あるいは、橋脚、煙突等の既設コンクリート構造物は、経年劣 化による耐力の低下もさることながら、建造時の設計基準によっても大きく強度が異 なっている。また、先の阪神 '淡路大震災においては、日本国において昭和 56年（1 981年)施行の新耐震設計法の基準を満たす建築物の被害が軽微であつたとの経 験から、新耐震基準での見直しが行われ、既設構造物についても新耐震基準への 適合が求められている。
[0003] 既設構造物の場合、取り壊し、新たに建造すれば新耐震基準を満たした構造物も 得られるが、建造に長期間を要し、その費用も多大である。したがって、通常は、著し く劣化して 、ない限りは、耐震補強工事が実施される。
[0004] このような耐震補強工事として、鋼板接着工法 (鋼板を柱に巻き付ける補強工法） が知られている。しかし、鋼板は重量が大きいために、施工性に劣り、また、鲭の発生 等、長期耐久性に問題があった。
[0005] 一方、軽量で、長期耐久性を有すると!、う観点から、強化繊維を用いた補強材料を 使用した補強方法が知られている。強化繊維を用いた補強工事では、まず、補強す べき個所の不陸修正等を行った後、必要によりプライマー層を形成し、強化繊維シ ートを貼り付け、常温硬化性榭脂を含浸し、硬化させることで、補修 ·補強面に繊維 強化榭脂 (FRP)板へ転化させ、当該表面へ固着させる。また、予め硬化させた FRP 板を貼り付ける工法も知られて 、る。
[0006] 非特許文献 1には、炭素繊維シート利用による耐震補強工法を鉄道高架柱に拡大 適用することを目的に、その工法及び施工指針が示されている。補強工法としては、 部材のせん断耐力の向上を目的としたせん断補強、部材のじん性能の向上を目的と したじん性補強、部材の曲げ耐力の向上を目的とした曲げ補強の 3種の工法に分け られている。
[0007] 炭素繊維シートにより耐震補強を行う場合、柱中央部のせん断補強と柱上下端部 のじん性補強を組み合わせて行うのが一般的である（図 12参照)。せん断補強の補 強区間は柱高さ Lの全区間に及ぶのに対し、じん性補強は、柱上下端部の柱幅 D ( 柱断面高さ）の 2倍 (2D)の区間に行う。
[0008] 図 13は、塑性ヒンジ領域において鉄筋コンクリート製柱におけるコンクリートが粒塊 化した状態を示している。従来のじん性補強における補強方法は、塑性ヒンジ領域に おいて粒塊化したコンクリートが外に逃げ出すのを拘束封じ込むように補強するのが 一般的である。従って、炭素繊維シート巻き立てによるじん性補強においても、隙間 なく補強材料で覆って補強されて ヽる。
[0009] また FRPを所定量全面に貼り付けた場合、過去の実験例においては、終局時に塑 性ヒンジ領域となる基部の鉄筋のはらみ出しにより強化繊維が破断し、コンクリート構 造物が脆性的に破壊することが知られている。特に FRPの補強量が少ない時、強化 繊維の破断は顕著に発生する。
[0010] このように、新耐震基準を満たすじん性能を達成するためには、極めて多くの FRP を積層する必要があり、コスト的に現実的ではなぐ採用事例も数少ない。
[0011] また、このような方法で施工した場合、施工後は強化繊維板でコンクリート表面が覆 われてしまうため、例えば、中規模の地震が発生した場合に、コンクリートにひび割れ 等が発生して 、な 、かどうかの診断が非常に困難である。
[0012] また、炭素繊維シートによる全面巻き付けでは、段差や突起、不陸等の調整処理は 、十分な接着性を得るために必須の処理であり、工程が煩雑となり、コスト増、施工期 間の長期化等の原因ともなつている。
[0013] たとえば、図 14は、大きな段差がある場合の下地処理を示すもので、段差上部を 肖 IJり取り、下部は削り取つた面に連続するようにモルタル等を詰めて補修する必要が ある。また、型枠目違い等による小さな段差についても、肖 ijり取り処理を行った後、プ ライマ塗布面の指触硬化後にエポキシ系パテ等を用いた平滑処理により炭素繊維シ 一トが柱表面に密着するように整えなければならな 、とされて 、る。
[0014] 特許文献 1 (特開昭 62— 244977号公報)及び特許文献 2 (特開昭 62— 242058 号公報には、コンクリート製既存柱の耐震補強方法として、高強度長繊維ストランドを スパイラル状に捲回する工法が示されている。また、特許文献 3 (特開 2000— 7358 6号公報）には、 FRP補強テープを用いて袖壁等の障害物があっても補強テープを 捲き回す部分の袖壁に開口を設けて捲き回す方法が開示されている。また、特許文 献 4 (特開 2002— 115403号公報）には、同様に壁付きコンクリート柱を補強するに あたり、壁に柱の長手方向に間隔をあけて複数の貫通孔を形成し、該各貫通孔を通 して柱の外周に強化繊維ストランドの束を巻き付けることが提案されて 、る。このよう な、ストランドやテープ等を用いて補強すれば施工後の確認も可能である。
[0015] これら特許文献 1〜4に記載の工法は、いずれもコンクリート構造物のせん断補強 につ 、て検討したものであり、新耐震基準を満たすじん性能にっ 、て何ら言及され ていない。
非特許文献 1：「炭素繊維シートによる鉄道高架橋柱の耐震補強工法設計'施工指 針」第 3版、（財)鉄道総合技術研究所、平成 15年 (2003年) 7月 4日発行
特許文献 1：特開昭 62— 244977号公報
特許文献 2：特開昭 62— 242058号公報
特許文献 3：特開 2000 - 73586号公報
特許文献 4：特開 2002— 115403号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] 本発明の目的は、新耐震基準を満たすじん性能を、補強材の巻き付け間隔を最適 化することにより、従来のシート貼り付け工法と同等或いは少ない炭素繊維量で達成 でき、また、下地処理のコスト、期間を低減させ、さらに施工後に中規模の地震等が 発生した場合にも、コンクリートへのひび割れ等の導入の確認が容易であるじん性補 強方法を提供することにある。さらに終局に達しても強化繊維が破断することなくコン クリート構造物の脆性的な破壊を防ぐ補強方法を提供する。
課題を解決するための手段 [0017] 上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、本発明者らは、強化繊維として耐環 境性に優れ、長期に安定な炭素繊維を用い、これを所定間隔をあけて巻き付けるこ とにより、強化繊維の必要量を低減させ、かつ、従来の炭素繊維シートによる全区間 補強に見られた終局時の鉄筋はらみ出しを防止し、かつひび割れ等の導入の確認 が容易となる補強方法が提供できることを見いだした。
[0018] すなわち、本発明は、鉄筋コンクリート製柱状構造物の上下端部力も 2D (Dは柱断 面高さを示す)以下のじん性補強区間に炭素繊維含有補強材料を柱状構造物の端 部より巻き付け間隔 (P)が、 5cm以上であり、 PZDが 1Z3以下となるように所定間隔 を空けて巻き付け補強することを特徴とする鉄筋コンクリート製柱状構造物のじん性 補強方法に関する。
発明の効果
[0019] 本発明によれば、炭素繊維を所定間隔をあけて巻きつけ、コンクリート構造物にか 力る応力を構造物全体に分散させることにより、少ない強化繊維量で所定の変形性 能まで補強部材が持ち堪えることができ、かつ従来の炭素繊維シートによる全区間 補強に見られた終局時の鉄筋はらみ出しや、補強量が少な 、場合の強化繊維の破 断も生じることがなくなるため、コンクリート構造物のじん性能を大きく向上させること ができる。
[0020] また、所定の間隔を空けて巻き付けることにより、特に段差等があつたとしても大が 力りな下地処理が不要となり、コストの低減、施工期間の短縮を図ることができる。 図面の簡単な説明
[0021] [図 1]補強部材の巻き付け方法を説明する図であり、（a)は縞状に、（b)は螺旋状に 巻いた状態を示す。
[図 2]補強部材の巻き付け幅 Wと巻き付け間隔 Pとの関係を説明する図であり、 (a)は 帯状の補強部材を用いた場合、 (b)は紐状の補強部材を用いた場合を示す。
[図 3]組紐状炭素繊維補強部材の概略側面図を示す。
[図 4]本発明によるじん性補強方法とせん断補強方法とを組み合わせた補強方法を 示す図である。
[図 5]実施例で使用した試験体 (コンクリート柱)を説明する図である。 [図 6]試験体 No. 1 (無補強時)の荷重一変位曲線を示すグラフである。
[図 7]試験体 No. 2 (帯、 5cmピッチ）の荷重—変位曲線を示すグラフである。
[図 8]試験体 No. 3 (帯、 10cmピッチ）の荷重一変位曲線を示すグラフである。
[図 9]試験体 No. 4 (帯、 10cmピッチ）の荷重一変位曲線を示すグラフである。
[図 10]試験体 No. 5 (組紐、 10cmピッチ）の荷重—変位曲線を示すグラフである。
[図 11]せん断余裕度とじん性率との関係を示すグラフである。
[図 12]柱部材のじん性補強区間とせん断補強区間を説明する図である。
[図 13]RC柱の終局時の破壊状況を説明する図である。
[図 14]従来工法 (シート工法）における下地処理 (段差処理)を説明する図である。 符号の説明
[0022] 1、 11 鉄筋コンクリート (RC)柱
2 補強部材
12 スタブ
13 主筋
14 帯筋
P ピッチ
W 巻き付け幅
H 巻き付け高さ
発明を実施するための最良の形態
[0023] 本発明において、じん性補強に関して使用する用語は、非特許文献 1の記載に準 拠するものである。せん断余裕度とは、曲げ耐カに対するせん断耐力の比であり、 ( V 'a/M )で表される。ここで、 Vは柱部材の設計補強せん断耐力、 aはせん断スパン 、 Mは柱部材の設計補強曲げ耐カである。じん性率； zは、降伏点の耐カ P (供試体 u y の軸方向引張鉄筋が降伏したときの水平荷重)を保持できる限界変位 δ limitを降伏点 変位 δ (供試体の軸方向引張鉄筋が降伏したときの水平変位)で除した値である。
y
非特許文献 1には、炭素繊維シートによるじん性補強の設計補強じん性率 はせん 断余裕度に関連する評価式が示されて ヽる。
[0024] 柱部材の設計せん断耐カ Vは、コンクリートの分担分 V 、せん断補強筋の分担分
u cd V 、炭素繊維シートの分担分 V の和であり、補強される鉄筋コンクリート柱が同じ sd CFd
であれば、設計せん断耐カ Vは炭素繊維シートの分担分 V によって増減する。じ u CFd
ん性補強における炭素繊維シートの曲げ耐カに対する寄与分は、せん断耐カに対 する寄与分より小さいため、炭素繊維シートの補強量に応じてせん断余裕度が変化 することになる。従って、同じ炭素繊維シートを使用するのであれば、せん断余裕度 が低いほど炭素繊維使用量が少なくなる。
[0025] 本発明の間隔を空けて巻き付けるじん性補強方法では、少な 、せん断余裕度にお いて高いじん性能が得られることから、じん性補強設計に際して、あら力じめ低いせ ん断余裕度に設計しても十分なじん性補強が可能となる。すなわち、炭素繊維の使 用量を低減できることになる。特に本発明では、炭素繊維量の削減は、設計じん性 率が低い場合に期待できる。
[0026] 本発明では、じん性補強区間に対し、炭素繊維含有補強材料を所定の間隔を空け て巻き付けて補強する。つまり、じん性補強区間全面に補強材料を巻き付けるので はなぐ補強材料を巻き付ける部分と巻き付けない部分とが交互になる。この結果、 部材に力かる力が適度に分散し、終局時に鉄筋のはらみ出し自体を防止することが できる。従来の炭素繊維シート巻き立てによる全区間補強方法では、主鉄筋の座屈 の開始を抑制する効果はあまりないと考えられていた (たとえば、「論文 炭素繊維卷 立て補強橋脚の変形性能に関する検討」コンクリート工学年次論文集、 Vol. 22, N o. 3, 2000, p235-240参照）が、本発明の工法により主鉄筋のはらみ出し (座屈）が 抑制できるという効果は、全く予測し得ない効果である。従来の炭素繊維シート巻き 立てによる全区間補強では、特に基部から 1. 5D以下の塑性ヒンジ領域に大きなひ ずみとなって力が加わり、鉄筋のはらみ出しが生じており、補強部材が少ない場合に はそのはらみ出しにより補強部材が切断され、部材の脆性的破壊をもたらしていた。 そのため、設計じん性率が低い場合にも安全性を考慮して多くの炭素繊維量が必要 であったが、本発明では少ない補強量で高いじん性能が得られると共に、終局時の 鉄筋はらみ出しが防止される結果、脆性的な破壊をも防止できるという優れた効果を 有するものである。
[0027] 所定の間隔を空けて巻き付ける方法としては、図 1に示すように、 RC柱の材軸方向 に直角な方向に縞状に巻き付ける方法 (フープ巻き）（同図（a) )、柱の材軸方向に斜 めに巻き付ける方法があり、斜めに巻き付ける場合には、長尺の補強材料を使用し て螺旋状に巻き付ける (スパイラル巻き)こともできる（同図 (b) )。なお、斜めに螺旋状 に巻き付ける場合においても、同図 (b)に示すように、開始部と終端部とは、固定を 容易にするために材軸方向に直角な方向に巻き付けるのが望ま 、。
[0028] 鉄筋コンクリート製柱では、材軸方向に配される主筋と、この主筋を取り巻くように所 定間隔で配される帯筋とが配筋されている。帯筋は、旧建築基準においても DZ2以 下のピッチで配筋することが規定されていた。本発明では、この帯筋よりも狭いピッチ で帯状に炭素繊維含有補強材料で補強する必要がある。本発明では PZDが 1Z3 以下となるように補強材料を巻き付ける。また、ピッチ Pがあまりに狭くなりすぎると、全 面補強と差がなくなり、本発明の効果が得られなくなる。従って、 5cm以上のピッチで 補強を行う。
[0029] 補強部材の巻き付け幅 Wと補強ピッチ Pとの関係を図 2に示す。同図 (a)は、補強 部材の幅が巻き付け幅 Wに一致する場合を示すもので、ここでは炭素繊維シート帯 の例を示している。同図（b)は補強部材の巻き付け幅 Wよりも狭い部材幅の補強部 材で補強した場合を示しており、ここでは、紐状の部材で補強した場合を示している 。炭素繊維含有補強材料の巻き付け幅 Wは、上記ピッチ Pにおいて補強部材間に隙 間が形成される幅とすればよい。たとえば、最小ピッチの 5cmとする場合は、それより も狭い幅、たとえば 3cmの幅とすればよい。ここで、所定の補強量を得るために、ピッ チを広くとると各縞の断面を大きくする必要がある。このため、巻き付け幅 Wを広げる 力 断面高さ Hを高く（積層数を増やす)する必要がある。断面高さ Hが巻き付け幅 W において、 WZHで表されるアスペクト比が 1以上、好ましくは 1. 5以上となるように幅 Wと高さ Hを決定すればよい。炭素繊維シート帯を用いる場合、幅 lcm〜： LOcmの範 囲内であって、 WZPが 1Z2以下となる帯をその部材幅で所用枚数使用するのが望 ましぐまた、組紐等の場合も、巻き付け幅 Wが l〜10cmの範囲内であって、 WZP 力 以下となるように所定数巻き回して巻き付けるのが望ましい。さらには、幅 Wを 2〜5cmとし、本発明の規定の範囲内でより狭ピッチとすることがより好ましい。
[0030] <補強材料 > 本発明で使用する炭素繊維含有補強材料としては、一方向に配向した炭素繊維シ 一トの帯や、炭素繊維フィラメントを収束させたストランド、ストランドを撚り合わせた口 ープ及び紐、さらには炭素繊維フィラメントを組み打ちした組紐などが使用できる。
[0031] 本発明で使用する組紐（「打ち紐」とも呼ばれる）とは、機械製造されるもので、大き く分けて 8打 (ャッゥチ）、 16打 (ジユウ口クウチ）、金剛打 (コンゴゥゥチ）、その他多数 打ち紐に分類される。又、扁平な形状に組む平打ちと、丸く組む丸打ちとがある。図 3に、丸打ちにした組紐側面の概略図を示す。特に、組紐を用いると、後述する実施 例に示すように、少な 、せん断余裕度で極めて高 、じん性率を達成することができる
[0032] 使用する強化繊維は、炭素繊維を使用するが、ガラス繊維、ァラミド繊維、その他 有機繊維等を問題のない範囲で混合して使用することができ、その用途に応じて適 宜選択することができる。使用する炭素繊維としては、例えば、 JIS K 7073に準拠 した炭素繊維強化プラスチックの引張試験方法において、高強度タイプでは、 2. 45 X 105N/mm2、中弾性タイプでは 4. 40 X
Figure imgf000010_0001
高弾性タイプでは 6. 40 X 105NZmm2の引張弾性率を有する材料を使用する。
[0033] さらに本発明では、炭素繊維等の強化繊維に熱硬化性榭脂を含浸して補強材料と する。含浸する榭脂は、常温硬化型あるいは熱硬化型のエポキシ榭脂、ポリエステル 系榭脂などの熱硬化性榭脂、メチルメタタリレート等のラジカル反応系榭脂などが使 用できる。特に、常温硬化型のエポキシ系榭脂を用いるのが好ましぐ例えば、コニ シ (株)製の商品名「ボンド E2500」シリーズ、「ボンド Έ206」シリーズなどが使用でき る。
[0034] <補強方法 >
本発明では、炭素繊維含有補強材料を柱などのコンクリート構造物の周囲に所定 の間隔を空けて巻き付けて補強を行う。補強量は、非特許文献 1のじん性補強設計 に示されているように、構造物の降伏震度、等価固有周期から設計塑性率 (設計じん 性率)を求め、非特許文献 1の設計補強じん性率の評価式に準拠して、安全側に設 計される。従来の全区間補強では、終局時の鉄筋はらみ出しによる強化繊維の破断 を加味して、設計じん性率が比較的低くても良い場合でも、評価式から計算される補 強量よりも多めに補強する必要があるが、本発明では評価式力 計算される補強量 で十分以上の効果を有しており、評価式力 計算される補強量よりも少ない補強量で も高いじん性補強効果を示す。後述の実施例に示すように、本発明ではせん断余裕 度 2. 2でじん性率 7を達成できることから、これを目安に補強量の低減を図ることがで きる。
[0035] 鉄筋コンクリート製の柱をじん性補強するには、非特許文献 1に記載されるように、 柱の上下端部から 2Dのじん性補強区間に対して施工を行う。 2Dのじん性補強区間 を越えてせん断補強区間に及んだとしても問題はないが、せん断補強を行うには、じ ん性補強の補強量ではオーバースペックとなるため、無駄となる。たとえば、 3cm幅 の炭素繊維シートを用いてその部材幅を巻き付け幅 Wとし、 10cmピッチで補強する 場合、じん性率 10を達成するには約 5層のまき付けが必要となる力 必要なせん断 性能を達成するには、同じピッチでまき付けを行うと約 0. 2層となる。つまり、 25倍も 補強量が異なっている。しかしながら、本発明においても、従来と同様に、じん性補 強とせん断補強とを併せて行うことは好ま ヽ。じん性補強区間を除くせん断補強区 間の補強方法は、特に限定されるものではなぐ従来の方法が適用できる。特に、柱 全体に応力を分散させるためには、せん断補強部分にも間隔を空けて補強を行うェ 法を適用することが好ましい。たとえば、図 4に示すように、じん性補強区間に対して は本発明の工法によるじん性補強を施し、じん性補強区間を除くせん断補強区間に は、ピッチを広げたり、積層回数を減らすなどして補強量を減らしてせん断補強を行 うことができる。
[0036] 又、柱等の断面が矩形の場合、角部に面取り処理を施し、 R形状を形成しておくこ とが好ましい。さらに、表面の美観を保持したり、補強部材の耐久性をさらに向上する ために、補強部材を巻き付けた表面に仕上げ用モルタルを塗ったり、塗料などを吹き 付けたりして仕上げを行うことができる。又、巻き付け部の柱に浅い溝を穿設し、該溝 に補強部材を埋め込むように卷回した後モルタル等で埋め込むことで、柱の外観形 状を保持したままで補強することもできる。なお、本発明では、従来のシート貼り付け 工法において行われていた段差処理等の大が力りな下地処理は不要となるため、そ のような段差のある構造物に対しては、その分、ェ期及びコストの低減が図れる。 [0037] 又、補強部位には補強部材とコンクリートとの接着性を向上するため、プライマー処 理を施すことは好ましい態様である。プライマーとしては、補強部材への含浸榭脂と 同様に、常温硬化型あるいは熱硬化型のエポキシ榭脂、ポリエステル系榭脂などの 熱硬化型接着剤などが好ましく使用できる。例えば、コ-シ (株)製商品名「ボンド Έ8 00」シリーズなどのプライマーが好ま U、。
実施例
[0038] 以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に 限定されるものではない。なお、以下の実施例においては、補強効果を確認するた めに、以下の試験方法により評価を行った。
[0039] <試験体>
試験体は図 5に示すように、符号 12で示されるスタブ部分 1200mm X 1200mm X 500 mm、柱部分 300mm X 300mm X 1000mm (主筋 13 : 12— D19,帯筋 14 : 6 φ @200)の RC柱 11を使用した。試験体の作成には、鋼製型枠を使用し、コンクリート打設後 7 日間で脱型した後、屋内で養生を行った。この試験体のコーナー部は R= 20mmの 面取りを行ったのち、炭素繊維による補強を行った。
[0040] <補強部材>
使用した炭素繊維は、東レ製商品名「トレ力 T700S-12K」（引張強度 =4900MPa、 引張弾性率 =230GPa、 TEX=800g/km)を使用し、組紐には、 5本 7束で組み上げ、 幅 15mm、重量 30g/mとした。又、帯には同じ炭素繊維を用いて、幅 30mm、重量 30g/ mの直線状の帯を作製した。
[0041] このように作製した組紐及び帯に、エポキシ系榭脂（コ -シ (株)製商品名「ボンド Έ2 500」）を含浸し、補強部材を作製した。各作製された補強部材の物性を下記表 2〖こ 示す。
[0042] [表 1]
Figure imgf000012_0001
[0043] <載荷試験 > 試験体の補強区間全面にプライマー (コ -シ (株)製商品名「ボンド、E810L」）を塗布 し、縞状 (フープ卷）に補強部材を巻き付けた。補強部材の巻き付け量は、 （財)鉄道 総合技術研究所「炭素繊維シートによる鉄道高架橋柱の耐震補強工法 設計，施工 指針」に準拠 (設計式は μ =2.8+1.15 X (Vu'a/Mu))して決定した。載荷試験は、 C F組紐、 CF帯を施工後、室温で 7日間養生した後に実施した。各組合せについて表 3に示す。
[0044] 試験体はスタブ部分を PC鋼棒によって反力床に固定し、頂部に圧縮応力 lN/mm2 に相当する一定軸力の鉛直載荷を加え、柱高さ 800mmの位置で水平方向に正負交 番繰返し載荷を行った。
[0045] [表 2]
Figure imgf000013_0001
[0046] 計測は、載荷荷重をロードセルで、試験体の変位を変位計で柱各所の変位を測定 した。計測は試験体が破壊に至るまで、あるいは試験機の変形性能の限界（15 δ ) まで荷重を付与して実施した。試験終了時の挙動について、表 3に示す。又、変位と 荷重との関係を示す荷重—変位曲線を、図 6〜10にそれぞれ示す。
[0047] [表 3] せん 取大 設計 水平耐カ
5 a I"取大
断余 じん性能 水平耐カ 実験値 破壊形態 図 体 じん性能
裕度 実験値 (kN) (kN)
No.1 0.5 ― 1 20 1 31 せん断破壊 図 6
No.2 1 0.1 1 4 1 5以上 1 74 1 95 曲げ, CF破断無し 図 7
No.3 8.5 1 2.6 1 1 1 74 1 98 曲げ, CF破断無し 図 8
No.4 2.2 5.4 7 1 74 21 0 曲げ, CF破断無し 図 9
No.5 5.0 8.5 1 5以上 1 74 1 93 曲げ, CF破断無し 図 1 0
[0048] 図 11に、せん断余裕度と最大じん性能実験値との関係を示す。図 11には、非特許 文献 1の設計補強じん性率の評価式もあわせて示す。図 11から明らかなとおり、 CF 帯を使用した試験体 (No. 2〜4)では、炭素繊維シートで設計した最大じん性能とほ ぼ匹敵する結果が得られた。組紐状 CFを使用した試験体 (No. 5)では、炭素繊維 シートで設計した最大じん性能より格段に優れた結果となった。また本発明を適用し た試験体 (No. 2〜5)では、いずれも終局時に主鉄筋のはらみ出しは見られず、 CF 補強材の破断、脆性的な破壊は生じな力つた。また、何れの場合も試験後の表面状 態の確認が容易であった。
[0049] 実験値のじん性率を満足するために必要な炭素繊維量を仕様書評価式力 計算 すると下表のとおりとなる。 No.4の結果からは、最大じん性能が低くても良い場合に は、炭素繊維量の削減効果が確認できた。なお、炭素繊維シートによる全面補強の 実際の施工にあたっては、終局時の鉄筋のはらみ出しによるシート破断を考慮して、 さらに多くの炭素繊維が使用されることを考慮すれば、本発明の方法では、この数値 以上の削減効果が期待できる。また、組紐状 CFを用いた No. 5でも、炭素繊維量の 削減効果が確認された。
[0050] [表 4]
Figure imgf000015_0001

Claims

請求の範囲
[1] 鉄筋コンクリート製柱状構造物の上下端部力 2D (Dは柱断面高さを示す)以下の じん性補強区間に炭素繊維含有補強材料を柱状構造物の端部より巻き付け間隔 (P) 力 5cm以上であり、 PZDが 1Z3以下となるように所定間隔を空けて巻き付け補強 することを特徴とする鉄筋コンクリート製柱状構造物のじん性補強方法。
[2] 前記炭素繊維含有補強材料として、幅 (W)が lcm〜： LOcmの範囲内であって、 W ZPが 1Z2以下となる炭素繊維を一方向に配向した炭素繊維シート帯を用い、その 部材幅で所用枚数巻き付けることを特徴とする請求項 1に記載の鉄筋コンクリート製 柱状構造物のじん性補強方法。
[3] 前記炭素繊維含有補強材料として、組紐状炭素繊維含有補強材料を用い、所定 数巻き回して幅（W)が lcm〜10cmの範囲内であって、 WZPが 1Z2以下となるよう に巻き付けることを特徴とする請求項 1に記載の鉄筋コンクリート製柱状構造物のじ ん性補強方法。
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