(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-24
(45)【発行日】2024-07-02
(54)【発明の名称】鋼材接合部の補強構造
(51)【国際特許分類】
E04G 23/02 20060101AFI20240625BHJP
E04B 1/58 20060101ALI20240625BHJP
E04B 1/24 20060101ALI20240625BHJP
【FI】
E04G23/02 D
E04B1/58 503F
E04B1/24 Z
(21)【出願番号】P 2020160405
(22)【出願日】2020-09-25
【審査請求日】2023-06-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000003159
【氏名又は名称】東レ株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000130374
【氏名又は名称】株式会社コンステック
(73)【特許権者】
【識別番号】304027349
【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学
(74)【代理人】
【識別番号】100091384
【氏名又は名称】伴 俊光
(74)【代理人】
【識別番号】100125760
【氏名又は名称】細田 浩一
(72)【発明者】
【氏名】松井 孝洋
(72)【発明者】
【氏名】前田 浩徳
(72)【発明者】
【氏名】寺島 辰郁
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 公平
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 壮大
(72)【発明者】
【氏名】松本 幸大
【審査官】櫻井 茂樹
(56)【参考文献】
【文献】特開2007-254953(JP,A)
【文献】特開2013-092014(JP,A)
【文献】特開2004-084404(JP,A)
【文献】特開2002-357001(JP,A)
【文献】特開2003-328500(JP,A)
【文献】特開2005-097854(JP,A)
【文献】特開2001-248231(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B32B 1/00-43/00
E04G23/00-23/08
E04B 1/24、1/58
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
幅の異なる鋼材同士の接合部をFRPの接着により補強する構造であって、幅の狭い鋼材1の表面上に該表面から幅の広い鋼材2の表面上に延びるようにシート状のFRP1が設けられ、該FRP1の鋼材2の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±(30°~60°)に配向されたシート状のFRP2が設けられて
おり、鋼材同士の接合部が、鋼材1の端部と鋼材2の端部を重ねることにより構成されていることを特徴とする、鋼材接合部の補強構造。
【請求項2】
FRP2の幅はFRP1の幅よりも大きい、請求項1に記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項3】
FRP2は、少なくとも鋼材2の幅方向におけるFRP1の幅を超えた部位において、鋼材2に接着されている、請求項2に記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項4】
FRP2は、FRP1を構成するシートの外面に配置された部分を有する、請求項1~3のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項5】
FRP2は、FRP1を構成するシートと鋼材2の表面との間に配置された部分を有する、請求項1~4のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項6】
FRP2は、FRP1を構成する少なくとも2枚のシートの間に配置された部分を有する、請求項1~5のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項7】
FRP1は、鋼材1の長手方向と同じ強化繊維方向のシートで構成されている、請求項1~6のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項8】
FRP2は、FRP1の長手方向に対して強化繊維が±45°に配向されたシートで構成されている、請求項1~7のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項9】
FRP1の鋼材2の表面上に延びる部位の先端部は、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1~8のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項10】
FRP1およびFRP2の強化繊維に炭素繊維が含まれている、請求項1~
9のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項11】
FRP1およびFRP2のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂からなる、請求項1~
10のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【請求項12】
FRP1およびFRP2の鋼材への接着に、エポキシ系接着剤が使用されている、請求項1~
11のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋼材接合部の補強構造に関し、とくに、幅の異なる鋼材同士の接合部をFRP(繊維強化プラスチック)の接着により補強する構造に関する。
【背景技術】
【0002】
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。柱や梁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、すなわちガセット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、早期にブレースやガセットが破断することがあることが分かっている。
【0003】
既存建物の耐震性能を上げるために、既存ブレースを肉厚になるように当て板を溶接する方法や、ガセットに取り替える方法が採られている。当て板の溶接や、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。しかし、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。
【0004】
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。
【0005】
CFRP補強材に用いられる炭素繊維(CF)シートには、通常、炭素繊維を一方向に配向させた一方向材が用いられている。CFは異方性材となるため、一方向CFシートは強化繊維方向には強力な補強効果を示すが、繊維直角方向には補強効果を示さない。そのため、CFRPで補強する場合、補強が必要な方向に繊維方向を合わせて補強される。そして補強効果を効率的に発揮する範囲はCFシートの補強幅に限られる。また、CFRPで補強するためには、CFRPが負担した補強力を十分にCFRPが定着された被定着部材へ伝達するための必要定着長を確保することが重要となる。
【0006】
しかし、スペースが限られるガセットのように必要定着長の確保が困難な場合、確保できた定着長に相当する力しかCFRPで負担できなくなるため、期待する補強効果を得られないことがある。そこで、定着長を確保するための手段として特許文献1に記載の手法や、CFRPに流れる力を分散させるための手段として特許文献2に記載の手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開2007-254953号公報
【文献】特開2014-227743号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところが、ブレースとガセットの接合部のように、幅の異なる鋼材同士の接合部をFRPにより補強する場合、とくに必要定着長の確保が困難な場合、特許文献1や特許文献2に記載の手法をそのまま適用することはできない。
【0009】
そこで本発明の課題は、幅の異なる鋼材同士の接合部をFRPにより補強する構造であって、従来のような手法では必要定着長を確保できない部位がある場合にあっても、好ましいFRP定着構造を実現でき、FRPに発生した力を適切に被定着部材へ伝達することが可能な鋼材接合部の補強構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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)幅の異なる鋼材同士の接合部をFRPの接着により補強する構造であって、幅の狭い鋼材1の表面上に該表面から幅の広い鋼材2の表面上に延びるようにシート状のFRP1が設けられ、該FRP1の鋼材2の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±(30°~60°)に配向されたシート状のFRP2が設けられていることを特徴とする、鋼材接合部の補強構造。
(2)FRP2の幅はFRP1の幅よりも大きい、(1)に記載の鋼材接合部の補強構造。
(3)FRP2は、少なくとも鋼材2の幅方向におけるFRP1の幅を超えた部位において、鋼材2に接着されている、(2)に記載の鋼材接合部の補強構造。
(4)FRP2は、FRP1を構成するシートの外面に配置された部分を有する、(1)~(3)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(5)FRP2は、FRP1を構成するシートと鋼材2の表面との間に配置された部分を有する、(1)~(4)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(6)FRP2は、FRP1を構成する少なくとも2枚のシートの間に配置された部分を有する、(1)~(5)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(7)FRP1は、鋼材1の長手方向と同じ強化繊維方向のシートで構成されている、(1)~(6)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(8)FRP2は、FRP1の長手方向に対して強化繊維が±45°に配向されたシートで構成されている、(1)~(7)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(9)FRP1の鋼材2の表面上に延びる部位の先端部は、厚みが徐々に減少するテーパー部に形成されている、(1)~(8)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(10)鋼材同士の接合部が、鋼材1の端部と鋼材2の端部を重ねることにより構成されている、(1)~(9)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(11)鋼材同士の接合部が、鋼材1の端面と鋼材2の端面を突き合わせることにより構成されている、(1)~(9)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(12)FRP1およびFRP2の強化繊維に炭素繊維が含まれている、(1)~(11)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(13)FRP1およびFRP2のマトリックス樹脂が熱硬化性樹脂からなる、(1)~(12のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
(14)FRP1およびFRP2の鋼材への接着に、エポキシ系接着剤が使用されている、(1)~(13)のいずれかに記載の鋼材接合部の補強構造。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、幅の異なる鋼材同士の接合部に対する補強用FRPとして、FRP1に特定のFRP2を付加することにより、優れたFRP定着構造の実現が可能となり、FRPに発生した力を適切に被定着部材へ伝達することが可能となって、好ましい鋼材接合部の補強構造を提供することができる。
【0012】
また、例えば、幅の異なる鋼材同士の接合部としての既存のブレースとガセットの接合部をFRPにより補強する場合、ボルト孔で欠損したガセット断面を少なくともFRP1で補強できるとともに、FRP2によりFRP1からガセットとブレースを繋ぐための接着応力を低下させてFRP1の剥離強さを向上でき、既設ガセットとブレースの接合耐力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】本発明の一実施態様に係る鋼材接合部の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。
【
図2】本発明の別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造を示しており、
図2(A)は概略平面図、
図2(B)は概略縦断面図である。
【
図3】本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造を示しており、
図3(A)は概略平面図、
図3(B)は概略縦断面図である。
【
図4】本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造を示しており、
図4(A)は概略平面図、
図4(B)は概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
本発明に係る鋼材接合部の補強構造は、幅の異なる鋼材同士の接合部をFRPの接着により補強する構造であって、幅の狭い鋼材1の表面上に該表面から幅の広い鋼材2の表面上に延びるようにシート状のFRP1が設けられ、該FRP1の鋼材2の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±(30°~60°)に配向されたシート状のFRP2が、つまり、強化繊維が±(30°~60°)に配向されたクロスを有するシート状のFRP2が設けられていることを特徴とするものである。
【0015】
図1は、本発明の一実施態様に係る鋼材接合部の補強構造100を示している。
図1に示す鋼材接合部の補強構造100では、鋼材同士の接合部1は、幅の狭い鋼材1(2)の端部と幅の広い鋼材2(3)の端部を重ねることにより構成されている。この接合部1に対し、幅の狭い鋼材1(2)の表面上に該表面から幅の広い鋼材2(3)の表面上に延びるようにシート状のFRP1(4)が設けられており、FRP1(4)は、本実施態様では、鋼材1(2)の表面および鋼材2(3)の表面に直接接着されている。FRP1(4)は、本実施態様では、鋼材1(2)の長手方向と同じ強化繊維方向のシートで構成されている。また、本実施態様では、FRP1(4)は、鋼材1(2)および鋼材2(3)の両面に対しそれぞれ設けられているが、片面に設けられる場合も本発明に含まれる。さらに、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の先端部は、厚みが徐々に減少するテーパー部5に形成されている(但し、本実施態様ではFRP1(4)の両先端部にテーパー部が形成されている)。
【0016】
上記FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の略全部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±(30°~60°)に配向されたクロスを有するシート状のFRP2(6)が設けられている。本実施態様では、FRP2(6)における強化繊維の配向方向は自身が延びる方向に対して±45°に設定されており、この強化繊維の配向方向は、本実施態様では、FRP1(4)の強化繊維方向(本実施態様ではFRP1(4)の長手方向でかつ鋼材1(2)の長手方向)に対しても±45°の配向方向となっている。
【0017】
FRP2(6)の幅はFRP1(4)の幅よりも大きく設定されている。このFRP2(6)は、少なくとも鋼材2(3)の幅方向におけるFRP1(4)の幅を超えた部位において、鋼材2(3)に直接接着されている。このように、FRP2(6)は、FRP1(4)を構成するシートの外面に配置された部分を有し、その部分でFRP1(4)に直接接着されているとともに、FRP1(4)の幅を超えた部位において、鋼材2(3)に直接接着されている。
【0018】
上記FRP1(4)およびFRP2(6)の強化繊維としては、とくに限定されず、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、鋼材接合部の補強という観点からは、補強効果の大きい炭素繊維が含まれていることが好ましい。
【0019】
また、FRP1(4)およびFRP2(6)のマトリックス樹脂としても、とくに限定されず、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、例えば既存の鋼材接合部に対し、現場で加熱により樹脂を硬化させて容易に補強構造を完成させるという観点からは、熱硬化性樹脂の使用が好ましい。熱硬化性樹脂の種類は特に限定されず、一般に使用されているもの、例えばエポキシ樹脂を採用すればよい。
【0020】
さらに、FRP1(4)およびFRP2(6)の鋼材への接着に用いる接着剤も、とくに限定されず、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。FRP1(4)とFRP2(6)との接着には、同様の接着剤を用いてもよく、現場で加熱施工する場合には、FRP1(4)およびFRP2(6)のマトリックス樹脂同士の接合を利用してもよい。
【0021】
図1に示したような鋼材接合部の補強構造100においては、幅の異なる鋼材2,3同士の接合部1に対する補強用FRPとして、従来と同様のFRP1(4)に加えて、とくに鋼材2(3)の上方部位において、FRP1(4)よりも広幅で±45°の強化繊維配向方向のFRP2(6)を、FRP1(4)の外面から鋼材2(3)の表面にわたって設けることにより、FRP1(4)の鋼材2(3)への定着構造として、FRP1(4)自身の定着部に加え該FRP1(4)に接合されたFRP2(6)のFRP1(4)よりも広幅部分の定着部が付加されることになり、FRP1(4)の延在方向における定着長が取りづらい場合にあっても、補強効果の高い優れたFRP定着構造の実現が可能となり、FRPに発生した力、とくにFRP1(4)に発生した力を適切に被定着部材である鋼材2(3)へ伝達することが可能となって、好ましい鋼材接合部の補強構造を実現することができる。
【0022】
また、
図1(B)の下側部位に示したように、鋼材2(3)の外面側に接着されたFRP1(4)に対し、FRP1(4)よりも広幅で±45°の強化繊維配向方向のFRP2(6)を、FRP1(4)の外面から鋼材2(3)の表面にわたって延びるように設けることにより、既存の接合部1にボルト孔による断面欠損部が存在する場合にあっても、FRP2(6)によりFRP1(4)の鋼材2(3)への接着を補強でき、結果的に、FRP1(4)から鋼材同士を繋ぐ方向における接着応力を低下させてFRP1(4)の鋼材2(3)からの剥離強さを向上することができ、鋼材同士の接合耐力を向上させることができる。
【0023】
さらに、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の先端部が、厚みが徐々に減少するテーパー部5に形成されていることにより、このテーパー部5上にテーパー部5を覆うように設けられた広幅のFRP2(6)の鋼材2(3)の表面への着地点が、テーパー部5の先端に近づくほどFRP1(4)の幅方向端面に近づくことになり、結果的にFRP2(6)の鋼材2(3)への接着が安定するとともに接着力が向上される。その結果、FRP2(6)を付加することによるFRP1(4)の鋼材2(3)への定着の補強効果が増大されることになり、一層好ましい鋼材接合部の補強構造を実現することができる。
【0024】
図2は、本発明の別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造200を示している。
図2に示す鋼材接合部の補強構造200では、鋼材同士の接合部11は、幅の狭い鋼材1(2)の端面と幅の広い鋼材2(3)の端面を突き合わせることにより構成されている。この接合部11に対し、幅の狭い鋼材1(2)の表面上に該表面から幅の広い鋼材2(3)の表面上に延びるようにシート状のFRP1(4)が設けられており、FRP1(4)は、本実施態様では、鋼材1(2)の表面および鋼材2(3)の表面に直接接着されている。
【0025】
FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の略全部に対し、自身が延びる方向に対して強化繊維が±(30°~60°)に配向されたクロスを有するシート状のFRP2(6)が設けられている。本実施態様では、FRP2(6)における強化繊維の配向方向は自身が延びる方向に対して±45°に設定されており、この強化繊維の配向方向は、本実施態様では、FRP1(4)の強化繊維方向(本実施態様ではFRP1(4)の長手方向でかつ鋼材1(2)の長手方向)に対しても±45°の配向方向となっている。その他の構成は
図1に示した実施態様に準じる。このような形態においても、
図1に示した実施態様におけるのと同様の作用、効果が得られる。
【0026】
図3は、本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造300を示している。
図3に示す鋼材接合部の補強構造300では、
図1に示した実施態様に比べ、自身が延びる方向に対して強化繊維が±(30°~60°)に配向されたクロスを有する広幅のシート状のFRP2(6)は、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の略全部に対し、その外面側に設けられるのではなく、FRP1(4)の内面側において、FRP1(4)を構成するシートと鋼材2(3)の表面との間に設けられ、FRP2(6)の略全面にわたって鋼材2(3)の表面に直接接着されている。
【0027】
このように、FRP2(6)が、FRP1(4)の内面側に、つまり、FRP1(4)の内面と鋼材2(3)の表面との間に設けられる場合においても、FRP1(4)よりも広幅のFRP2(6)を付加することにより、FRP1(4)の鋼材2(3)への定着の補強効果が増大され、好ましい鋼材接合部の補強構造を実現することができる。但し、この形態の場合、FRP1(4)の先端部をテーパー部5に形成したことにより、FRP2(6)の鋼材2(3)への接着安定化および接着力向上効果は望めないが、FRP1(4)の先端部における応力集中緩和効果は望める。
【0028】
図4は、本発明のさらに別の実施態様に係る鋼材接合部の補強構造400を示している。
図4に示す鋼材接合部の補強構造400では、FRP1(4)を構成するシートが少なくとも2組に分割され、FRP2(6)は、FRP1(4)を構成する少なくとも2枚のシートの間に配置された部分を有する。
図4に示す実施態様では、さらにFRP2(6)は、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の少なくとも一部に対し、本実施態様では、FRP1(4)の鋼材2(3)の表面上に延びる部位の略全部に対し、その最外面側、つまり最外層のFRP1(4)を構成するシートの外面と、最内面側、つまり最内層のFRP1(4)を構成するシートと鋼材2(3)の表面との間にも、設けられている。
【0029】
このような形態においては、分割されたFRP1(4)を構成するシート間に挟まれたFRP2(6)を有することにより、FRP1(4)とFRP2(6)との応力伝達がより円滑に行われ、鋼材同士を接合する方向(鋼材延在方向)におけるFRP1(4)による鋼材同士の接合耐力を一層向上させることができる。その他の作用、効果は
図1および
図3に示した実施態様に準じる。
【産業上の利用可能性】
【0030】
本発明に係る鋼材接合部の補強構造は、とくに、既存の幅の異なる鋼材同士の接合部を補強する場合に有効であり、より具体的には、既存のブレースとガセットとの接合部に好適である。
【符号の説明】
【0031】
・ 11 鋼材同士の接合部
2 鋼材1
3 鋼材2
4 FRP1
5 テーパー部
6 FRP2
100、200、300、400 鋼材接合部の補強構造