JP3553865B2 - 鋼製構造物の補強方法及び鋼製構造物補強用緩衝材層 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、強化繊維シート及び／又は繊維強化プラスチック板等の強化繊維含有材料による梁、柱、煙突、管等の鋼製構造物の補強方法、及びそれに用いる緩衝材層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、既設の鋼製建築物等の鋼製構造物等においては、構造部材の経年変化による劣化のために、設計時の性能を保持できなくなった構造物や、より優れた性能を必要とされる構造物が散見されるようになってきた。そのため、これらの構造物を補強、補修することが行われている。具体的にいえば、耐震性能の向上を目的とした補強や、構造部材の劣化に対する補修、あるいは構造物の機能性の向上を目的とした補強などが実施されている。
【０００３】
このような鋼製構造物に対する補強技術として、鋼製構造物の表面に強化繊維シート及び／又は繊維強化プラスチック板等の強化繊維含有材料を貼り付け、この強化繊維含有材料と鋼製構造物とを一体化させる補強方法が考えられる。
【０００４】
このような補強方法を施した鋼製構造物では、破断しにくく高い引張強度を有する強化繊維含有材料と鋼製構造物とが一体となっている限り、強化繊維含有材料に基づく高い補強効果を得ることができる。しかしながら、構造物に負荷がかかり変形が発生すると、強化繊維含有材料が、破断する前に剥離して強化繊維含有材料と鋼製構造物との一体性が失われ、それにより補強効果を失い構造物が破壊することが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、強化繊維含有材料層による鋼製構造物の補強方法において、強化繊維含有材料層の剥離を防止でき、強化繊維含有材料層の有する強度を最大限に利用した、十分な補強を簡便に行う鋼製構造物の補強方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、鋼製構造物の表面上に、緩衝材層を介して、マトリックス樹脂を含む強化繊維含有材料層を一体的に設ける工程を含み、前記緩衝材層の２３℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、２３℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2であり、且つ前記緩衝材層の引張最大荷重時伸びが、前記強化繊維含有材料層に含まれるマトリックス樹脂より大きいことを特徴とする鋼製構造物の補強方法が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、前記緩衝材層が樹脂５０〜１００質量％と充填材０〜５０質量％とを含み、前記樹脂が、硬化させた際の２３℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２である樹脂であることを特徴とする前記鋼製構造物の補強方法が提供される。
【０００９】
さらに、本発明によれば、前記緩衝材層が、５℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、５℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２の緩衝材層であり、前記樹脂が、硬化させた際の５℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２の樹脂であることを特徴とする前記鋼製構造物の補強方法が提供される。
【００１０】
さらに、本発明によれば、前記補強方法に用いる緩衝材層であって、２３℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、２３℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする鋼製構造物補強用緩衝材層が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の補強方法では、鋼製構造物の表面上に、特定の緩衝材層を介して強化繊維含有材料層を設ける工程を含む。
【００１２】
前記緩衝材層の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂、又はこれらの組み合わせ等を含有するものを挙げることができる。前記熱硬化性樹脂としては例えばエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できる。前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できる。
前記緩衝材層の材料として樹脂を用いる場合、当該樹脂を単独で硬化させた際の２３℃での引張弾性率が、０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２、さらに好ましくは０．５〜１０Ｎ／ｍｍ２である樹脂を用いることが好ましい。前記引張弾性率は、ＪＩＳ Ｋ７１１３に従い測定することができる。
前記緩衝材層中の前記樹脂の含有割合は、５０〜１００質量％、好ましくは５９〜９８質量％、さらに好ましくは７０〜８０質量％とすることができる。
【００１３】
前記緩衝材層は、前記樹脂に加えて、緩衝材層形成に際して適切な粘度範囲を維持したりたれを防止すること等により構造物への塗布作業を良好にするために、本発明の目的を損なわない範囲で適宜充填材、揺変性付与剤等を含有することもできる。
【００１４】
該充填材としてはカーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、珪酸、珪酸塩、無機顔料として知られる鉛白、鉛丹、黄鉛、二酸化チタン、ストロンチウムクロメート、チタニウムイエロー、その他の顔料等が挙げられる。前記緩衝材層中の前記充填材の含有割合は、０〜５０質量％、好ましくは１〜４０質量％、さらに好ましくは１０〜２０質量％とすることができる。
【００１５】
該揺変性付与剤としては有機系のものと無機系のものがあるが、無機系のものが好ましく、ヒュームドシリカ、層状粘度鉱物、膨潤性マイカ、合成スメクタイト、ベントナイト、カーボンブラック、ヘクトライト等を使用することができる。
【００１６】
前記緩衝材層中の前記揺変性付与剤の含有割合は、０〜５０質量％、好ましくは１〜４０質量％、さらに好ましくは１０〜２０質量％とすることができる。
【００１７】
前記緩衝材層の２３℃での引張最大荷重時伸びは、１０〜２００％、好ましくは１０〜１００％である。さらに、前記緩衝材層は、強化繊維含有材料層に含まれるマトリックス樹脂又は強化繊維含有材料層の貼り付けに用いるマトリックス樹脂より大きい引張最大荷重時伸びを有することが特に好ましい。また、前記緩衝材層の引張強度は、２３℃において、０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２である。前記緩衝材の引張最大荷重時伸び及び引張強度は、ＪＩＳ Ｋ７１１３に従い測定することができる。
【００１８】
前記緩衝材層の２３℃での引張最大荷重時伸び及び引張強度を上記の範囲内とすることにより、強化繊維含有材料層の剥離を防止し、強化繊維含有材料層の有する強度を最大限に利用することができる。
【００１９】
前記緩衝材層は、さらに、５℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、５℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２であり、且つ前記樹脂が、当該樹脂を単独で硬化させた際の５℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２、好ましくは０．５〜１０Ｎ／ｍｍ２であることが好ましい。このように低温においても上記材料特性を維持できる緩衝材層を用いることにより、寒冷な使用条件下においても良好な補強効果を得ることができる。
前記緩衝材層としては、市販品のものを用いることができる。例えば、東邦アーステック社製のＥＥ５０、ＥＥ５０Ｗ、ＥＥ６０等を用いることができる。
【００２０】
前記緩衝材層の材料は、前記鋼製構造物の表面に、直接若しくは必要に応じて設けるプライマー層等の他の層を介して、層として設けることができる。層の厚さは、特に限定されないが、通常１００〜２０００μｍ、好ましくは２００〜１０００μｍの厚さとすることができる。
【００２１】
前記緩衝材層は、必要に応じて、表面即ち強化繊維含有材料層側の面を物理的あるいは化学的処理により改質し、強化繊維含有材料層との密着性を向上させることができる。該物理的処理としては研磨、サンドペーパー等による目粗し、又は超音波処理等を挙げることができ、化学的処理としては、表面を一部酸化、官能基付加させる方法等を挙げることができる。より具体的には例えばコロナ処理、プラズマ処理、酸化剤処理等を挙げることができ、これらの処理は、特に前記緩衝材層の材料がポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等である場合に好ましく適用することができる。
【００２２】
前記緩衝材層の形成方法としては、（ｉ）液状の緩衝材層の原料を、形成しようとする面上に塗布した後硬化させる方法、又は（ｉｉ）フィルム状等の形状に成形された前記緩衝材層を貼付する方法等を挙げることができる。
【００２３】
前記（ｉ）の方法により緩衝材層を形成する場合は、緩衝材層の原料として、硬化させた際に前記特定の引張最大荷重時伸び及び引張強度を呈するものを用いる。具体的には例えば、前に列挙した各種の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂からなるもの、又はこれらに前記充填材、揺変性付与剤等を加えたものを挙げることができる。かかる樹脂としては、熱硬化性樹脂、特に常温硬化性の熱硬化性樹脂が、作業性が良好であるため好ましい。また、２液混合型の樹脂も好ましい。
【００２４】
緩衝材層の原料として常温硬化性の熱硬化性樹脂を含むものを用いる場合、２０℃における可使時間が好ましくは３０分間〜５時間、さらに好ましくは３０分間〜２時間のものが作業性の点で望ましい。また２０℃における塗膜硬化時間が好ましくは１時間〜２４時間、さらに好ましくは１時間〜１２時間のものが作業工程の点で望ましい。緩衝材層の原料の設計強度発現時間は、２０℃において通常１〜２０日、好ましくは１〜７日であることが望ましい。緩衝材層の原料の粘度はＪＩＳＫ６８３３測定法で２０℃において通常５０〜１００００００ｍＰａ・ｓ、好ましくは５０００〜３０００００ｍＰａ・ｓであることが、塗布作業上望ましい。
【００２５】
前記緩衝材層の原料の塗布は、緩衝材層の原料をローラー刷毛やゴムベラ、金ゴテ等で、緩衝材層の厚みが通常１００〜２０００μｍ、好ましくは２００〜１０００μｍとなるように均一に塗布することにより行うことができる。
【００２６】
塗布した緩衝材層の原料の硬化は、熱硬化性樹脂を含む場合は、構造物表面に塗布後に熱ロールやドライヤー等で硬化温度まで加熱して行うことができるが、特に常温硬化性の熱硬化性樹脂を含む場合は、単に常温で、前記設計強度発現時間にわたり放置することにより硬化させることもできる。
【００２７】
前記（ｉｉ）の方法により緩衝材層を形成する場合は、前記緩衝材層の原料として、熱可塑性樹脂や可撓性の熱硬化性樹脂を使用することが好ましい。前記成形された緩衝材層の厚さは、通常１００〜２０００μｍ、特に２００〜１０００μｍとすることが好ましい。前記成形された緩衝材層を貼付する方法としては通常知られた方法を適宜使用することができ、例えば熱による融着、接着剤による接着等が使用できる。前記接着剤としては、緩衝材層の強度以上の接着強度で貼着することができるものを用いることが好ましく、具体的には例えば、前記緩衝材層の材料と同一材料系のものを用いることが好ましい。
【００２８】
本発明の補強方法で用いる前記強化繊維含有材料層は、強化繊維を含む。前記強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、又はこれらの組み合わせ等を挙げることができる。特に、軽量で且つ耐食性があることから、炭素繊維が好ましい。前記炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維あるいはＰＡＮ系炭素繊維あるいはこれらの組み合わせを用いることができる。
該炭素繊維は、高弾性率のものを要求される場合には通常日本グラファイトファイバーＸＮ６０などのピッチ系炭素繊維が使用され、高強度が要求されるときには通常東レＴ７００ＳＣ、東邦レーヨンＵＴ５００、三菱レーヨンＴＲ３０などのポリアクリロニトリル系炭素繊維が使用される。
【００２９】
前記強化繊維は、二次元織物、一方向織物、一方向材等として、前記強化繊維含有材料層中に設けることができる。
【００３０】
前記強化繊維含有材料層としては、具体的には、強化繊維シート及びマトリックス樹脂を含む繊維強化プラスチック板を用いることができる。
前記強化繊維シートの目付は、通常１００〜８００ｇ／ｍ２であることが好ましく、強化繊維糸条の一束当たりのフィラメント数は１０００〜１００００本が好ましく、引張強度は２０００〜５０００Ｎ／ｍｍ２、引張弾性率２００〜１００×１０３Ｎ／ｍｍ２のものが好ましい。
【００３１】
前記強化繊維シートとしては、具体的には例えば、経糸及び緯糸の一方が前記強化繊維であり、他方が熱可塑性樹脂含有繊維（熱可塑性樹脂からなる繊維、又は任意の繊維に熱可塑性樹脂や熱可塑性繊維が付着した繊維）からなる補助糸であり、該経糸と該緯糸とが前記熱可塑性樹脂含有繊維中の熱可塑性樹脂により固着されたクロス状のシート、あるいは前記強化繊維を一方向に並べ、熱可塑性樹脂を含有する網目状の格子を重ね、これらを前記熱可塑性樹脂含有繊維中の熱可塑性樹脂により固着したシート等が使用できる。
【００３２】
前記強化繊維シートとしては、強化繊維糸条が多数本並列して配列しているものを挙げることができる。特に、以下に具体的に説明するものを挙げることができる。
【００３３】
例えば、図４に示すもの等の、前記強化繊維糸条がたて方向に配列し、かつ、補助糸が前記強化繊維糸条に交錯してよこ方向に配列している強化繊維シートを挙げることができる。図４においては、強化繊維糸条４はたて方向に並行に配列し、よこ方向の補助糸５と交錯し、一方向性強化繊維織物を形成している。
【００３４】
また例えば、図５に示すもの等の、前記強化繊維糸条が実質的に屈曲せずに糸条群を構成し、該糸条群の両面側に前記強化繊維糸条と交差するよこ方向補助糸群が位置し、それらよこ方向補助糸群と、前記強化繊維糸条群に並行するたて方向補助糸群とが織組織をなして前記強化繊維糸条群を一体に保持している強化繊維シートを挙げることもできる。図５においては、実質的に屈曲を有しない強化繊維糸条４を一方向に互いに並行且つシート状に引き揃えてなる糸条群イのシート面の両側によこ糸補助糸５の糸条群ハが位置し、それらよこ糸補助糸群と、強化繊維糸条群と並行するたて方向補助糸６の糸条群ロとが織組織をなして糸条群を一体に保持し、一方向性強化繊維織物を形成している。
【００３５】
さらに例えば、図６に示すもの等の、二方向性強化繊維織物であるシートを挙げることもできる。図６においては、たて方向に多数本の強化繊維糸条４が並行に配列し、よこ方向にも強化繊維糸条７がたて方向の強化繊維糸条４と直交するように並行に配列した、二方向性強化繊維織物が形成されている。たて方向の強化繊維糸条４とよこ方向の強化繊維糸条７とは交互に交錯し、平組織を形成している。
【００３６】
さらに例えば、図７に示すもの等の、前記強化繊維糸条がバインダーで支持体に接着されてなるシートを挙げることもできる。図７においては、たて方向に多数本の強化繊維糸条４が並行に配列し、これら強化繊維糸条は、その片側に位置しているメッシュ状の支持体８とバインダー９によって接着されている。バインダーの材質としては、特に限定されないが、後述するマトリックス樹脂の材料と同様のものを用いることができる。バインダーの付着量は、強化繊維重量１００重量部に対して３〜７重量部とすることができる。
【００３７】
前記各種の強化繊維シートの例において、強化繊維糸条４は、補助糸５と、低融点ポリマー等からなる固着部材１０により固着されていてもよい。前記低融点ポリマーの材質は、特に限定されないが、ナイロン、共重合ナイロン、ポリエステル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ポリウレタン、又はこれらの組み合わせ等を挙げることができる。特に、共重合ナイロンが好ましい。
【００３８】
前記補助糸５の材質としては、ガラス繊維が好ましい。
【００３９】
前記繊維強化プラスチック板としては、二次元織物、一方向織物、一方向材等の形態の前記強化繊維シートにマトリックス樹脂を含む材料を含浸し、加熱硬化して板状に成形したもの等を挙げることができる。
【００４０】
前記繊維強化プラスチック板に含まれるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はこれらの組み合わせ等を使用することができる。前記熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用でき、前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できるが、密着性の良好なものが望ましい。
【００４１】
本発明の補強方法において、前記強化繊維含有材料層は、前記緩衝材層を介して前記鋼製構造物の表面上に設ける。ここで前記強化繊維含有材料層は、前記緩衝材層表面に直接設けてもよく、必要に応じて下塗り層等の他の層を介して設けても良い。また、本発明の補強方法では、前記強化繊維含有材料層上に、必要に応じてさらに上塗り層、仕上げ層等の他の層を設けることができる。具体的には例えば、強化繊維含有材料層の強化繊維シートの貼付に先立ち下塗り層としてマトリックス樹脂を塗布し、強化繊維シートの貼付後に上塗り層としてマトリックス樹脂を塗布することにより、強化繊維シートとマトリックス樹脂とが複合した層を形成し、高い強度を得ることができる。また、強化繊維含有材料層として繊維強化プラスチック板を用いた場合、接着剤を用いて緩衝材層表面に繊維強化プラスチック板を貼付することができる。
【００４２】
前記強化繊維含有材料層の厚さは、特に限定されない。また、前記強化繊維含有材料層としては、その破断時伸びが好ましくは０．５〜３．０％、特に好ましくは０．６〜２．０であるものを用いることができる。
【００４３】
本発明の補強方法を適用する前記鋼製構造物としては、特に限定されないが、柱、梁、煙突、管等の各種の構造物を挙げることができ、既設の建築物のみならず、工場等で生産する型鋼、鋼管等、建築物となる前の構造物をも含む。また、本発明において、補強とは、劣化していない鋼製構造物の補強のみならず、劣化した鋼製構造物の補修をも含む。
【００４４】
本発明の補強方法の具体的な施工方法としては、前記鋼製構造物の表面上に、前記プライマー層、前記緩衝材層、前記下塗り層、前記強化繊維含有材料層、上塗り層、仕上げ層等の各層を、順次形成する方法が挙げられる。これら各層のうち、緩衝材層及び強化繊維含有材料層は必須に形成され、他の層は必要に応じて形成することができる。これらの各層の形成は、通常は、鋼製構造物の表面に近い層から順に形成することができるが、緩衝材層及び強化繊維含有材料層を含む複合物を予め形成し、それを鋼製構造物の表面に貼りつけることによって行うこともできる。
【００４５】
前記強化繊維含有材料層として強化繊維シート層を用いた場合の本発明の補強方法の例を、図１に示す施工例を参照して、以下により具体的に説明する。
【００４６】
まず、必要に応じて、鋼製構造物の表面１１に対し、洗浄等の前処理を行う。
【００４７】
前記洗浄の方法としては、ディスクサンダー、サンドブラスト、高圧洗浄、ウエス、有機溶剤等で取り除く方法等を用いることができる。
【００４８】
前記洗浄等を必要に応じて施した後、必要に応じて強化繊維含有材料層の貼付位置等の参照とするための墨出しを行うことができる。
【００４９】
次に、構造物表面にローラー刷毛等でプライマーを塗布し、乾燥させ、プライマー層１２を形成する工程を行う。
【００５０】
前記プライマーとしては、構造物表面及び緩衝材層との接着性が良好なもの、例えば溶剤型エポキシ樹脂あるいは無溶剤型エポキシ樹脂等を使用することができる。前記プライマーの混合粘度は、２０℃において通常１〜１００００ｍＰａ・ｓ、好ましくは１０〜５０００ｍＰａ・ｓであることが、作業性の点で好ましい。
【００５１】
前記プライマーの塗布に際しての使用温度は、通常−１０℃〜５０℃であることが好ましい。前記プライマーの塗布量は、通常０．０１〜１ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．１〜０．５ｋｇ／ｍ２であることが望ましい。
【００５２】
前記プライマーを乾燥させる時間は、２０℃において通常１〜２４時間、好ましくは１〜１２時間であることが望ましい。
【００５３】
プライマー層１２を形成した後、その上に緩衝材層１３を、上に述べた方法等により形成し、さらに必要に応じて緩衝材層表面を物理的あるいは化学的処理により改質し、次に、必要に応じて下塗り層１４としてのマトリックス樹脂材料等を塗布する工程を行う。
【００５４】
前記マトリックス樹脂材料としては、熱硬化性樹脂、常温硬化性樹脂、又はこれらの組み合わせ等を含むものを使用することができるが、作業性の点で常温硬化性樹脂を含むものが好ましい。前記熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用でき、前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できるが、緩衝材との密着性の良好なものが望ましい。
【００５５】
前記マトリックス樹脂材料は、前記樹脂に加えて、塗布に際して適切な粘度範囲を維持したりたれを防止するために、本発明の目的を損なわない範囲で適宜充填材、揺変性付与剤等を含有することもできる。
【００５６】
該充填材としてはカーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、珪酸、珪酸塩、無機顔料として知られる鉛白、鉛丹、黄鉛、二酸化チタン、ストロンチウムクロメート、チタニウムイエロー、その他の顔料等が挙げられる。
【００５７】
該揺変性付与剤としては有機系のものと無機系のものがあるが、無機系のものが好ましく、ヒュームドシリカ、層状粘度鉱物、膨潤性マイカ、合成スメクタイト、ベントナイト、カーボンブラック、ヘクトライト等を使用することができる。
【００５８】
前記マトリックス樹脂材料中の前記充填材及び／又は揺変性付与剤の含有割合は、１〜２０質量％であることが好ましい。
【００５９】
前記マトリックス樹脂材料として前記常温硬化性樹脂を含むものを用いる場合、２０℃における可使時間が好ましくは３０分間〜５時間、さらに好ましくは３０分間〜２時間のものが作業性の点で望ましい。また２０℃における塗膜硬化時間が好ましくは１時間〜２４時間、さらに好ましくは１時間〜１２時間のものが作業工程の点で望ましい。
【００６０】
前記マトリックス樹脂材料の設計強度発現時間は２０℃において通常１〜２０日、好ましくは１〜７日であることが望ましい。また、粘度は２０℃において通常１０〜１０００００ｍＰａ・ｓ、好ましくは１００〜５００００ｍＰａ・ｓであることが、含浸性及び脱泡性がよいため望ましい。
【００６１】
前記下塗り層としてのマトリックス樹脂材料を塗布する工程は、前記マトリックス樹脂材料をローラー刷毛やゴムベラ等で、塗布量が通常０．１〜２ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．２〜１ｋｇ／ｍ２の範囲となるように均一に塗布することにより行うことができる。
【００６２】
次に、下塗り層１４上に、強化繊維シート１５を貼り付ける工程を行う。本工程は、下塗り層１４の塗布直後に強化繊維シートを前記墨出し位置に沿って貼り付け、好ましくはシートの表面を強化繊維方向に、さらに好ましくはシートの中心部から端部に強化繊維方向に沿ってゴムベラ、熱ロール、脱泡ロール等でしごき、マトリックス樹脂材料を強化繊維の中に含浸させ、且つ強化繊維中の空気を追い出し平滑に仕上げることにより行うことができる。
【００６３】
前記強化繊維シート１５の貼り付け工程の際、シートの長さが長すぎると作業が困難であるため、強化繊維シートを適度の長さに切断し、継ぎ重ねて貼り付けることができる。この場合、強度を確保するために、継ぎ重ね部分は、強度を確保する方向に１００ｍｍ以上重なるよう貼り付けることが好ましい。
【００６４】
次に、強化繊維シート上に、上塗り層１６としてのマトリックス樹脂材料等を塗布する工程を行う。本工程は、前記下塗り工程で使用したものと同様のマトリックス樹脂材料等を用い、ローラー刷毛やゴムベラ等で通常０．０５〜２ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．１〜１ｋｇ／ｍ２の塗布量により均一に塗布することによって行うことができる。
【００６５】
前記各工程において、繊維の膨れ、皺、よれ等が発生したら直ちに修正することが好ましい。また、汚れの付着、降雨等からの保護を十分に行うことが好ましい。
【００６６】
最後に、仕上げ工程を行う。本工程は、上塗り層上に、ウレタン樹脂あるいはフッ素樹脂等の耐候性塗料又はポリマーセメント系材料を塗布し保護層１７を形成することによって行うことができる。
【００６７】
以上において説明した施工例では、１層の強化繊維シートのみを設けたが、本発明の補強方法では、２層以上の強化繊維シートを設けることもできる。２層以上の強化繊維シートは、前記下塗り工程、強化繊維シートの貼り付け工程、及び上塗り工程を必要な回数だけ繰り返すことにより設けることができる。
【００６８】
次に、前記強化繊維含有材料層として繊維強化プラスチック板を用いた場合の本発明の補強方法の例を、図２に示す施工例を参照して説明する。
【００６９】
まず、図１に示した施工例と同様に、必要に応じて、鋼製構造物の表面３１の前処理、墨出し、プライマー層３２の形成、層表面の不陸の調整等を行った後、緩衝材層３３を形成し、必要に応じて緩衝材層表面の改質及び下塗り層（図示せず）の塗布を行った後、接着剤を用い、前記緩衝材層３３の面上に前記繊維強化プラスチック板３５を貼り付け、さらにその上に仕上げ層（保護層）３７を形成することにより、本発明の補強方法を行うことができる。
【００７０】
繊維強化プラスチック板３５を貼り付けるための接着剤としては、緩衝材層と繊維強化プラスチック板との接着強度が十分に緩衝材の引張強度以上になるような接着剤を用いることが好ましい。
【００７１】
該接着剤としては、熱硬化性樹脂、常温硬化性樹脂等の樹脂を含むものを使用することができるが、作業性の点で常温硬化性樹脂を含むものが好ましい。前記熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用でき、前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できる。前記接着剤は、前記樹脂に加えて、塗布に際して適切な粘度範囲を維持したりたれを防止するために、本発明の目的を損なわない範囲で適宜充填材、揺変性付与剤等を含有することもできる。
【００７２】
該充填材としてはカーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、珪酸、珪酸塩、無機顔料として知られる鉛白、鉛丹、黄鉛、二酸化チタン、ストロンチウムクロメート、チタニウムイエロー、その他の顔料等が挙げられる。
【００７３】
該揺変性付与剤としては有機系のものと無機系のものがあるが、無機系のものが好ましく、ヒュームドシリカ、層状粘度鉱物、膨潤性マイカ、合成スメクタイト、ベントナイト、カーボンブラック、ヘクトライト等を使用することができる。
【００７４】
前記接着剤中の前記充填材及び／又は揺変性付与剤の含有割合は、１〜２０質量％であることが好ましい。
【００７５】
前記接着剤として前記常温硬化性樹脂を含むものを用いる場合、２０℃における可使時間が好ましくは３０分間〜５時間、さらに好ましくは３０分間〜２時間のものが作業性の点で望ましい。また２０℃における塗膜硬化時間が好ましくは１時間〜２４時間、さらに好ましくは１時間〜１２時間のものが作業工程の点で望ましい。
【００７６】
前記接着剤は、ローラー刷毛やゴムベラ等で、塗布量が通常０．０５〜３ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．２〜２ｋｇ／ｍ２の範囲になるよう均一に塗布することができる。
【００７７】
以上において説明した施工例では、１層の繊維強化プラスチック板のみを設けたが、本発明の補強方法では、２層以上の繊維強化プラスチック板を設けることもできる。２層以上の繊維強化プラスチック板は、前記接着剤により繊維強化プラスチック板を貼り付ける工程を必要な回数だけ繰り返すことにより設けることができる。
【００７８】
【発明の効果】
本発明の補強方法は、鋼製構造物の表面上に特定の緩衝材層を介して強化繊維含有材料層を設けるので、鋼製構造物と強化繊維含有材料層とを安定に一体化させ、強化繊維含有材料層の剥離を防止でき、強化繊維含有材料層の有する強度を最大限に利用した、十分な補強を簡便に行うことができる。従って、柱、梁、煙突、管等の既存の鋼製構造物の補強、補修等に適用でき、構造物の強度やエネルギー吸収性能を向上させることができる。
【００８０】
【実施例】
以下において実施例及び比較例を参照して本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８１】
【実施例１】
鋼製の試験体に、緩衝材層及び強化繊維シート層を用いた本発明の補強方法を適用し、その補強方法を試験した。
【００８２】
試験体として図３に示す２００ｍｍ×１００ｍｍ×２０００ｍｍの寸法を有し、載荷点及び支点部分を５．５ｍｍ厚の鋼板２２で補強した梁用のＩ鋼２１を使用した。この試験体の底面２３の、長さ１６００ｍｍ（中央部）、幅全面にわたり、エポキシ系のプライマーを塗布しプライマー層（図示せず）を形成した後、エポキシ系の緩衝材（エポキシ樹脂、商品名トーホーダイトＥＥ５０、株式会社東邦アーステック製、硬化時における２３℃での引張最大荷重時伸び９５％（ＪＩＳＫ７１３１により測定）、引張強度１．４Ｎ／ｍｍ２（ＪＩＳ Ｋ７１３１により測定）、５℃における引張最大荷重時伸び６５％、引張強度６．５Ｎ／ｍｍ２）を膜厚が５００μｍとなるように塗布し緩衝材層２４を形成し、さらに強化繊維シート２５（商品名ＨＴ３００、日石三菱（株）製）を、強化繊維の方向が長手方向となるよう、エポキシ系の常温硬化樹脂により、５層重ねて接着させて貼り付けた。
【００８３】
強化繊維シートを貼り付けた後１週間以上養生した後、図３に示す通り支点２６を当て、支点間距離１８００ｍｍの単調載荷を負荷し、静的載荷試験を実施した。測定された破壊荷重及び最大変位を表１に示す。
【００８４】
【実施例２】
鋼製の試験体に、緩衝材層及び繊維強化プラスチック板を用いた本発明の補強方法を適用し、その補強方法を試験した。
【００８５】
試験体として、実施例１で用いたものと同一の梁用のＩ鋼を用いた。また繊維強化プラスチック板としては、ＴＵプレートＴＹＰＥ−Ｓ（商品名、日石三菱株式会社製）を用いた。
【００８６】
前記試験体の底面の、長さ１６００ｍｍ（中央部）、幅全面にわたり、実施例１で用いたものと同一のエポキシ系プライマーを塗布しプライマー層を形成した後、エポキシ系の緩衝材（エポキシ樹脂、商品名トーホーダイトＥＥ５０、株式会社東邦アーステック製、硬化時における２３℃での引張最大荷重時伸び９５％（ＪＩＳ Ｋ７１３１により測定）、引張強度１．４Ｎ／ｍｍ２（ＪＩＳ Ｋ７１３１により測定））を膜厚が５００μｍとなるように塗布し緩衝材層を形成し、さらに前記繊維強化プラスチック板を、強化繊維の方向が長手方向となるよう、実施例１と同一のエポキシ系の常温硬化樹脂により接着させて、５枚重ねて貼り付けた。
【００８７】
繊維強化プラスチック板を貼り付けた後１週間以上養生した後、図３に示す通り支点間距離１８００ｍｍの単調載荷を負荷し、静的載荷試験を実施したところ、良好な補強効果が得られた。
【００８８】
【表１】
【００８９】
【比較例１】
実施例１で用いたものと同一の試験体であって、何ら補強を施さなかったものについて、実施例１と同様の静的載荷試験を行った。結果を表２に示す。
【００９０】
緩衝材層を形成しなかった以外は、実施例１と同様の静的載荷試験を行った。結果を表２に示す。
【表２】
平成１５年１２月３日付で株式会社ＮＩＰＰＯコーポレーションの出願人名義変更届を提出し、平成１５年１２月４日付で株式会社ＮＩＰＰＯコーポレーションの代理人選任届を提出しました。
【図面の簡単な説明】
【図１】緩衝材層及び１層の強化繊維シート層を設けた本発明の補強方法の施工例を模式的に示す断面図である。
【図２】緩衝材層及び１枚の強化繊維プラスチック板を設けた本発明の補強方法の施工例を模式的に示す断面図である。
【図３】実施例１及び２において行った本発明の補強方法の適用及び補強効果の試験における載荷の態様を説明する模式図である。図３Ａは試験体を側面から見た立面図であり、図３Ｂは試験体を長さ方向に垂直な面に沿って切断した断面図である。図３中において、長さを示す数値の単位は全てｍｍである。
【図４】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートの例を示す斜視図である。
【図５】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートの別の例を示す斜視図である。
【図６】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートのさらに別の例を示す平面図である。
【図７】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートのさらに別の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
４：たて方向の強化繊維糸条
５：よこ方向の補助糸
６：たて方向の補助糸
７：よこ方向の強化繊維糸条
８：支持体
９：バインダー
１０：固着部材
イ：炭素繊維糸条群
ロ：たて方向の補助糸群
ハ：よこ方向の補助糸群
１１，３１：鋼製構造物表面
１２，３２：プライマー層
１３，３３：緩衝材層
１４：下塗り層
１５：強化繊維シート
３５：繊維強化プラスチック板
１６：上塗り層
１７，３７：仕上げ層（保護層）
２１：試験体
２２：補強用の鋼板
２３：試験体底面
２４：緩衝材層
２５：強化繊維含有材料層（５層）
２６：支点
【発明が属する技術分野】
本発明は、強化繊維シート及び／又は繊維強化プラスチック板等の強化繊維含有材料による梁、柱、煙突、管等の鋼製構造物の補強方法、及びそれに用いる緩衝材層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、既設の鋼製建築物等の鋼製構造物等においては、構造部材の経年変化による劣化のために、設計時の性能を保持できなくなった構造物や、より優れた性能を必要とされる構造物が散見されるようになってきた。そのため、これらの構造物を補強、補修することが行われている。具体的にいえば、耐震性能の向上を目的とした補強や、構造部材の劣化に対する補修、あるいは構造物の機能性の向上を目的とした補強などが実施されている。
【０００３】
このような鋼製構造物に対する補強技術として、鋼製構造物の表面に強化繊維シート及び／又は繊維強化プラスチック板等の強化繊維含有材料を貼り付け、この強化繊維含有材料と鋼製構造物とを一体化させる補強方法が考えられる。
【０００４】
このような補強方法を施した鋼製構造物では、破断しにくく高い引張強度を有する強化繊維含有材料と鋼製構造物とが一体となっている限り、強化繊維含有材料に基づく高い補強効果を得ることができる。しかしながら、構造物に負荷がかかり変形が発生すると、強化繊維含有材料が、破断する前に剥離して強化繊維含有材料と鋼製構造物との一体性が失われ、それにより補強効果を失い構造物が破壊することが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、強化繊維含有材料層による鋼製構造物の補強方法において、強化繊維含有材料層の剥離を防止でき、強化繊維含有材料層の有する強度を最大限に利用した、十分な補強を簡便に行う鋼製構造物の補強方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、鋼製構造物の表面上に、緩衝材層を介して、マトリックス樹脂を含む強化繊維含有材料層を一体的に設ける工程を含み、前記緩衝材層の２３℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、２３℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2であり、且つ前記緩衝材層の引張最大荷重時伸びが、前記強化繊維含有材料層に含まれるマトリックス樹脂より大きいことを特徴とする鋼製構造物の補強方法が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、前記緩衝材層が樹脂５０〜１００質量％と充填材０〜５０質量％とを含み、前記樹脂が、硬化させた際の２３℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２である樹脂であることを特徴とする前記鋼製構造物の補強方法が提供される。
【０００９】
さらに、本発明によれば、前記緩衝材層が、５℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、５℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２の緩衝材層であり、前記樹脂が、硬化させた際の５℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２の樹脂であることを特徴とする前記鋼製構造物の補強方法が提供される。
【００１０】
さらに、本発明によれば、前記補強方法に用いる緩衝材層であって、２３℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、２３℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする鋼製構造物補強用緩衝材層が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の補強方法では、鋼製構造物の表面上に、特定の緩衝材層を介して強化繊維含有材料層を設ける工程を含む。
【００１２】
前記緩衝材層の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の樹脂、又はこれらの組み合わせ等を含有するものを挙げることができる。前記熱硬化性樹脂としては例えばエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できる。前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できる。
前記緩衝材層の材料として樹脂を用いる場合、当該樹脂を単独で硬化させた際の２３℃での引張弾性率が、０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２、さらに好ましくは０．５〜１０Ｎ／ｍｍ２である樹脂を用いることが好ましい。前記引張弾性率は、ＪＩＳ Ｋ７１１３に従い測定することができる。
前記緩衝材層中の前記樹脂の含有割合は、５０〜１００質量％、好ましくは５９〜９８質量％、さらに好ましくは７０〜８０質量％とすることができる。
【００１３】
前記緩衝材層は、前記樹脂に加えて、緩衝材層形成に際して適切な粘度範囲を維持したりたれを防止すること等により構造物への塗布作業を良好にするために、本発明の目的を損なわない範囲で適宜充填材、揺変性付与剤等を含有することもできる。
【００１４】
該充填材としてはカーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、珪酸、珪酸塩、無機顔料として知られる鉛白、鉛丹、黄鉛、二酸化チタン、ストロンチウムクロメート、チタニウムイエロー、その他の顔料等が挙げられる。前記緩衝材層中の前記充填材の含有割合は、０〜５０質量％、好ましくは１〜４０質量％、さらに好ましくは１０〜２０質量％とすることができる。
【００１５】
該揺変性付与剤としては有機系のものと無機系のものがあるが、無機系のものが好ましく、ヒュームドシリカ、層状粘度鉱物、膨潤性マイカ、合成スメクタイト、ベントナイト、カーボンブラック、ヘクトライト等を使用することができる。
【００１６】
前記緩衝材層中の前記揺変性付与剤の含有割合は、０〜５０質量％、好ましくは１〜４０質量％、さらに好ましくは１０〜２０質量％とすることができる。
【００１７】
前記緩衝材層の２３℃での引張最大荷重時伸びは、１０〜２００％、好ましくは１０〜１００％である。さらに、前記緩衝材層は、強化繊維含有材料層に含まれるマトリックス樹脂又は強化繊維含有材料層の貼り付けに用いるマトリックス樹脂より大きい引張最大荷重時伸びを有することが特に好ましい。また、前記緩衝材層の引張強度は、２３℃において、０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２である。前記緩衝材の引張最大荷重時伸び及び引張強度は、ＪＩＳ Ｋ７１１３に従い測定することができる。
【００１８】
前記緩衝材層の２３℃での引張最大荷重時伸び及び引張強度を上記の範囲内とすることにより、強化繊維含有材料層の剥離を防止し、強化繊維含有材料層の有する強度を最大限に利用することができる。
【００１９】
前記緩衝材層は、さらに、５℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、５℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２であり、且つ前記樹脂が、当該樹脂を単独で硬化させた際の５℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ２、好ましくは０．５〜１０Ｎ／ｍｍ２であることが好ましい。このように低温においても上記材料特性を維持できる緩衝材層を用いることにより、寒冷な使用条件下においても良好な補強効果を得ることができる。
前記緩衝材層としては、市販品のものを用いることができる。例えば、東邦アーステック社製のＥＥ５０、ＥＥ５０Ｗ、ＥＥ６０等を用いることができる。
【００２０】
前記緩衝材層の材料は、前記鋼製構造物の表面に、直接若しくは必要に応じて設けるプライマー層等の他の層を介して、層として設けることができる。層の厚さは、特に限定されないが、通常１００〜２０００μｍ、好ましくは２００〜１０００μｍの厚さとすることができる。
【００２１】
前記緩衝材層は、必要に応じて、表面即ち強化繊維含有材料層側の面を物理的あるいは化学的処理により改質し、強化繊維含有材料層との密着性を向上させることができる。該物理的処理としては研磨、サンドペーパー等による目粗し、又は超音波処理等を挙げることができ、化学的処理としては、表面を一部酸化、官能基付加させる方法等を挙げることができる。より具体的には例えばコロナ処理、プラズマ処理、酸化剤処理等を挙げることができ、これらの処理は、特に前記緩衝材層の材料がポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等である場合に好ましく適用することができる。
【００２２】
前記緩衝材層の形成方法としては、（ｉ）液状の緩衝材層の原料を、形成しようとする面上に塗布した後硬化させる方法、又は（ｉｉ）フィルム状等の形状に成形された前記緩衝材層を貼付する方法等を挙げることができる。
【００２３】
前記（ｉ）の方法により緩衝材層を形成する場合は、緩衝材層の原料として、硬化させた際に前記特定の引張最大荷重時伸び及び引張強度を呈するものを用いる。具体的には例えば、前に列挙した各種の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂からなるもの、又はこれらに前記充填材、揺変性付与剤等を加えたものを挙げることができる。かかる樹脂としては、熱硬化性樹脂、特に常温硬化性の熱硬化性樹脂が、作業性が良好であるため好ましい。また、２液混合型の樹脂も好ましい。
【００２４】
緩衝材層の原料として常温硬化性の熱硬化性樹脂を含むものを用いる場合、２０℃における可使時間が好ましくは３０分間〜５時間、さらに好ましくは３０分間〜２時間のものが作業性の点で望ましい。また２０℃における塗膜硬化時間が好ましくは１時間〜２４時間、さらに好ましくは１時間〜１２時間のものが作業工程の点で望ましい。緩衝材層の原料の設計強度発現時間は、２０℃において通常１〜２０日、好ましくは１〜７日であることが望ましい。緩衝材層の原料の粘度はＪＩＳＫ６８３３測定法で２０℃において通常５０〜１００００００ｍＰａ・ｓ、好ましくは５０００〜３０００００ｍＰａ・ｓであることが、塗布作業上望ましい。
【００２５】
前記緩衝材層の原料の塗布は、緩衝材層の原料をローラー刷毛やゴムベラ、金ゴテ等で、緩衝材層の厚みが通常１００〜２０００μｍ、好ましくは２００〜１０００μｍとなるように均一に塗布することにより行うことができる。
【００２６】
塗布した緩衝材層の原料の硬化は、熱硬化性樹脂を含む場合は、構造物表面に塗布後に熱ロールやドライヤー等で硬化温度まで加熱して行うことができるが、特に常温硬化性の熱硬化性樹脂を含む場合は、単に常温で、前記設計強度発現時間にわたり放置することにより硬化させることもできる。
【００２７】
前記（ｉｉ）の方法により緩衝材層を形成する場合は、前記緩衝材層の原料として、熱可塑性樹脂や可撓性の熱硬化性樹脂を使用することが好ましい。前記成形された緩衝材層の厚さは、通常１００〜２０００μｍ、特に２００〜１０００μｍとすることが好ましい。前記成形された緩衝材層を貼付する方法としては通常知られた方法を適宜使用することができ、例えば熱による融着、接着剤による接着等が使用できる。前記接着剤としては、緩衝材層の強度以上の接着強度で貼着することができるものを用いることが好ましく、具体的には例えば、前記緩衝材層の材料と同一材料系のものを用いることが好ましい。
【００２８】
本発明の補強方法で用いる前記強化繊維含有材料層は、強化繊維を含む。前記強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、炭化珪素繊維、又はこれらの組み合わせ等を挙げることができる。特に、軽量で且つ耐食性があることから、炭素繊維が好ましい。前記炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維あるいはＰＡＮ系炭素繊維あるいはこれらの組み合わせを用いることができる。
該炭素繊維は、高弾性率のものを要求される場合には通常日本グラファイトファイバーＸＮ６０などのピッチ系炭素繊維が使用され、高強度が要求されるときには通常東レＴ７００ＳＣ、東邦レーヨンＵＴ５００、三菱レーヨンＴＲ３０などのポリアクリロニトリル系炭素繊維が使用される。
【００２９】
前記強化繊維は、二次元織物、一方向織物、一方向材等として、前記強化繊維含有材料層中に設けることができる。
【００３０】
前記強化繊維含有材料層としては、具体的には、強化繊維シート及びマトリックス樹脂を含む繊維強化プラスチック板を用いることができる。
前記強化繊維シートの目付は、通常１００〜８００ｇ／ｍ２であることが好ましく、強化繊維糸条の一束当たりのフィラメント数は１０００〜１００００本が好ましく、引張強度は２０００〜５０００Ｎ／ｍｍ２、引張弾性率２００〜１００×１０３Ｎ／ｍｍ２のものが好ましい。
【００３１】
前記強化繊維シートとしては、具体的には例えば、経糸及び緯糸の一方が前記強化繊維であり、他方が熱可塑性樹脂含有繊維（熱可塑性樹脂からなる繊維、又は任意の繊維に熱可塑性樹脂や熱可塑性繊維が付着した繊維）からなる補助糸であり、該経糸と該緯糸とが前記熱可塑性樹脂含有繊維中の熱可塑性樹脂により固着されたクロス状のシート、あるいは前記強化繊維を一方向に並べ、熱可塑性樹脂を含有する網目状の格子を重ね、これらを前記熱可塑性樹脂含有繊維中の熱可塑性樹脂により固着したシート等が使用できる。
【００３２】
前記強化繊維シートとしては、強化繊維糸条が多数本並列して配列しているものを挙げることができる。特に、以下に具体的に説明するものを挙げることができる。
【００３３】
例えば、図４に示すもの等の、前記強化繊維糸条がたて方向に配列し、かつ、補助糸が前記強化繊維糸条に交錯してよこ方向に配列している強化繊維シートを挙げることができる。図４においては、強化繊維糸条４はたて方向に並行に配列し、よこ方向の補助糸５と交錯し、一方向性強化繊維織物を形成している。
【００３４】
また例えば、図５に示すもの等の、前記強化繊維糸条が実質的に屈曲せずに糸条群を構成し、該糸条群の両面側に前記強化繊維糸条と交差するよこ方向補助糸群が位置し、それらよこ方向補助糸群と、前記強化繊維糸条群に並行するたて方向補助糸群とが織組織をなして前記強化繊維糸条群を一体に保持している強化繊維シートを挙げることもできる。図５においては、実質的に屈曲を有しない強化繊維糸条４を一方向に互いに並行且つシート状に引き揃えてなる糸条群イのシート面の両側によこ糸補助糸５の糸条群ハが位置し、それらよこ糸補助糸群と、強化繊維糸条群と並行するたて方向補助糸６の糸条群ロとが織組織をなして糸条群を一体に保持し、一方向性強化繊維織物を形成している。
【００３５】
さらに例えば、図６に示すもの等の、二方向性強化繊維織物であるシートを挙げることもできる。図６においては、たて方向に多数本の強化繊維糸条４が並行に配列し、よこ方向にも強化繊維糸条７がたて方向の強化繊維糸条４と直交するように並行に配列した、二方向性強化繊維織物が形成されている。たて方向の強化繊維糸条４とよこ方向の強化繊維糸条７とは交互に交錯し、平組織を形成している。
【００３６】
さらに例えば、図７に示すもの等の、前記強化繊維糸条がバインダーで支持体に接着されてなるシートを挙げることもできる。図７においては、たて方向に多数本の強化繊維糸条４が並行に配列し、これら強化繊維糸条は、その片側に位置しているメッシュ状の支持体８とバインダー９によって接着されている。バインダーの材質としては、特に限定されないが、後述するマトリックス樹脂の材料と同様のものを用いることができる。バインダーの付着量は、強化繊維重量１００重量部に対して３〜７重量部とすることができる。
【００３７】
前記各種の強化繊維シートの例において、強化繊維糸条４は、補助糸５と、低融点ポリマー等からなる固着部材１０により固着されていてもよい。前記低融点ポリマーの材質は、特に限定されないが、ナイロン、共重合ナイロン、ポリエステル、塩化ビニリデン、塩化ビニル、ポリウレタン、又はこれらの組み合わせ等を挙げることができる。特に、共重合ナイロンが好ましい。
【００３８】
前記補助糸５の材質としては、ガラス繊維が好ましい。
【００３９】
前記繊維強化プラスチック板としては、二次元織物、一方向織物、一方向材等の形態の前記強化繊維シートにマトリックス樹脂を含む材料を含浸し、加熱硬化して板状に成形したもの等を挙げることができる。
【００４０】
前記繊維強化プラスチック板に含まれるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はこれらの組み合わせ等を使用することができる。前記熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用でき、前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できるが、密着性の良好なものが望ましい。
【００４１】
本発明の補強方法において、前記強化繊維含有材料層は、前記緩衝材層を介して前記鋼製構造物の表面上に設ける。ここで前記強化繊維含有材料層は、前記緩衝材層表面に直接設けてもよく、必要に応じて下塗り層等の他の層を介して設けても良い。また、本発明の補強方法では、前記強化繊維含有材料層上に、必要に応じてさらに上塗り層、仕上げ層等の他の層を設けることができる。具体的には例えば、強化繊維含有材料層の強化繊維シートの貼付に先立ち下塗り層としてマトリックス樹脂を塗布し、強化繊維シートの貼付後に上塗り層としてマトリックス樹脂を塗布することにより、強化繊維シートとマトリックス樹脂とが複合した層を形成し、高い強度を得ることができる。また、強化繊維含有材料層として繊維強化プラスチック板を用いた場合、接着剤を用いて緩衝材層表面に繊維強化プラスチック板を貼付することができる。
【００４２】
前記強化繊維含有材料層の厚さは、特に限定されない。また、前記強化繊維含有材料層としては、その破断時伸びが好ましくは０．５〜３．０％、特に好ましくは０．６〜２．０であるものを用いることができる。
【００４３】
本発明の補強方法を適用する前記鋼製構造物としては、特に限定されないが、柱、梁、煙突、管等の各種の構造物を挙げることができ、既設の建築物のみならず、工場等で生産する型鋼、鋼管等、建築物となる前の構造物をも含む。また、本発明において、補強とは、劣化していない鋼製構造物の補強のみならず、劣化した鋼製構造物の補修をも含む。
【００４４】
本発明の補強方法の具体的な施工方法としては、前記鋼製構造物の表面上に、前記プライマー層、前記緩衝材層、前記下塗り層、前記強化繊維含有材料層、上塗り層、仕上げ層等の各層を、順次形成する方法が挙げられる。これら各層のうち、緩衝材層及び強化繊維含有材料層は必須に形成され、他の層は必要に応じて形成することができる。これらの各層の形成は、通常は、鋼製構造物の表面に近い層から順に形成することができるが、緩衝材層及び強化繊維含有材料層を含む複合物を予め形成し、それを鋼製構造物の表面に貼りつけることによって行うこともできる。
【００４５】
前記強化繊維含有材料層として強化繊維シート層を用いた場合の本発明の補強方法の例を、図１に示す施工例を参照して、以下により具体的に説明する。
【００４６】
まず、必要に応じて、鋼製構造物の表面１１に対し、洗浄等の前処理を行う。
【００４７】
前記洗浄の方法としては、ディスクサンダー、サンドブラスト、高圧洗浄、ウエス、有機溶剤等で取り除く方法等を用いることができる。
【００４８】
前記洗浄等を必要に応じて施した後、必要に応じて強化繊維含有材料層の貼付位置等の参照とするための墨出しを行うことができる。
【００４９】
次に、構造物表面にローラー刷毛等でプライマーを塗布し、乾燥させ、プライマー層１２を形成する工程を行う。
【００５０】
前記プライマーとしては、構造物表面及び緩衝材層との接着性が良好なもの、例えば溶剤型エポキシ樹脂あるいは無溶剤型エポキシ樹脂等を使用することができる。前記プライマーの混合粘度は、２０℃において通常１〜１００００ｍＰａ・ｓ、好ましくは１０〜５０００ｍＰａ・ｓであることが、作業性の点で好ましい。
【００５１】
前記プライマーの塗布に際しての使用温度は、通常−１０℃〜５０℃であることが好ましい。前記プライマーの塗布量は、通常０．０１〜１ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．１〜０．５ｋｇ／ｍ２であることが望ましい。
【００５２】
前記プライマーを乾燥させる時間は、２０℃において通常１〜２４時間、好ましくは１〜１２時間であることが望ましい。
【００５３】
プライマー層１２を形成した後、その上に緩衝材層１３を、上に述べた方法等により形成し、さらに必要に応じて緩衝材層表面を物理的あるいは化学的処理により改質し、次に、必要に応じて下塗り層１４としてのマトリックス樹脂材料等を塗布する工程を行う。
【００５４】
前記マトリックス樹脂材料としては、熱硬化性樹脂、常温硬化性樹脂、又はこれらの組み合わせ等を含むものを使用することができるが、作業性の点で常温硬化性樹脂を含むものが好ましい。前記熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用でき、前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できるが、緩衝材との密着性の良好なものが望ましい。
【００５５】
前記マトリックス樹脂材料は、前記樹脂に加えて、塗布に際して適切な粘度範囲を維持したりたれを防止するために、本発明の目的を損なわない範囲で適宜充填材、揺変性付与剤等を含有することもできる。
【００５６】
該充填材としてはカーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、珪酸、珪酸塩、無機顔料として知られる鉛白、鉛丹、黄鉛、二酸化チタン、ストロンチウムクロメート、チタニウムイエロー、その他の顔料等が挙げられる。
【００５７】
該揺変性付与剤としては有機系のものと無機系のものがあるが、無機系のものが好ましく、ヒュームドシリカ、層状粘度鉱物、膨潤性マイカ、合成スメクタイト、ベントナイト、カーボンブラック、ヘクトライト等を使用することができる。
【００５８】
前記マトリックス樹脂材料中の前記充填材及び／又は揺変性付与剤の含有割合は、１〜２０質量％であることが好ましい。
【００５９】
前記マトリックス樹脂材料として前記常温硬化性樹脂を含むものを用いる場合、２０℃における可使時間が好ましくは３０分間〜５時間、さらに好ましくは３０分間〜２時間のものが作業性の点で望ましい。また２０℃における塗膜硬化時間が好ましくは１時間〜２４時間、さらに好ましくは１時間〜１２時間のものが作業工程の点で望ましい。
【００６０】
前記マトリックス樹脂材料の設計強度発現時間は２０℃において通常１〜２０日、好ましくは１〜７日であることが望ましい。また、粘度は２０℃において通常１０〜１０００００ｍＰａ・ｓ、好ましくは１００〜５００００ｍＰａ・ｓであることが、含浸性及び脱泡性がよいため望ましい。
【００６１】
前記下塗り層としてのマトリックス樹脂材料を塗布する工程は、前記マトリックス樹脂材料をローラー刷毛やゴムベラ等で、塗布量が通常０．１〜２ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．２〜１ｋｇ／ｍ２の範囲となるように均一に塗布することにより行うことができる。
【００６２】
次に、下塗り層１４上に、強化繊維シート１５を貼り付ける工程を行う。本工程は、下塗り層１４の塗布直後に強化繊維シートを前記墨出し位置に沿って貼り付け、好ましくはシートの表面を強化繊維方向に、さらに好ましくはシートの中心部から端部に強化繊維方向に沿ってゴムベラ、熱ロール、脱泡ロール等でしごき、マトリックス樹脂材料を強化繊維の中に含浸させ、且つ強化繊維中の空気を追い出し平滑に仕上げることにより行うことができる。
【００６３】
前記強化繊維シート１５の貼り付け工程の際、シートの長さが長すぎると作業が困難であるため、強化繊維シートを適度の長さに切断し、継ぎ重ねて貼り付けることができる。この場合、強度を確保するために、継ぎ重ね部分は、強度を確保する方向に１００ｍｍ以上重なるよう貼り付けることが好ましい。
【００６４】
次に、強化繊維シート上に、上塗り層１６としてのマトリックス樹脂材料等を塗布する工程を行う。本工程は、前記下塗り工程で使用したものと同様のマトリックス樹脂材料等を用い、ローラー刷毛やゴムベラ等で通常０．０５〜２ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．１〜１ｋｇ／ｍ２の塗布量により均一に塗布することによって行うことができる。
【００６５】
前記各工程において、繊維の膨れ、皺、よれ等が発生したら直ちに修正することが好ましい。また、汚れの付着、降雨等からの保護を十分に行うことが好ましい。
【００６６】
最後に、仕上げ工程を行う。本工程は、上塗り層上に、ウレタン樹脂あるいはフッ素樹脂等の耐候性塗料又はポリマーセメント系材料を塗布し保護層１７を形成することによって行うことができる。
【００６７】
以上において説明した施工例では、１層の強化繊維シートのみを設けたが、本発明の補強方法では、２層以上の強化繊維シートを設けることもできる。２層以上の強化繊維シートは、前記下塗り工程、強化繊維シートの貼り付け工程、及び上塗り工程を必要な回数だけ繰り返すことにより設けることができる。
【００６８】
次に、前記強化繊維含有材料層として繊維強化プラスチック板を用いた場合の本発明の補強方法の例を、図２に示す施工例を参照して説明する。
【００６９】
まず、図１に示した施工例と同様に、必要に応じて、鋼製構造物の表面３１の前処理、墨出し、プライマー層３２の形成、層表面の不陸の調整等を行った後、緩衝材層３３を形成し、必要に応じて緩衝材層表面の改質及び下塗り層（図示せず）の塗布を行った後、接着剤を用い、前記緩衝材層３３の面上に前記繊維強化プラスチック板３５を貼り付け、さらにその上に仕上げ層（保護層）３７を形成することにより、本発明の補強方法を行うことができる。
【００７０】
繊維強化プラスチック板３５を貼り付けるための接着剤としては、緩衝材層と繊維強化プラスチック板との接着強度が十分に緩衝材の引張強度以上になるような接着剤を用いることが好ましい。
【００７１】
該接着剤としては、熱硬化性樹脂、常温硬化性樹脂等の樹脂を含むものを使用することができるが、作業性の点で常温硬化性樹脂を含むものが好ましい。前記熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、メチルメタクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用でき、前記熱可塑性樹脂としてはナイロン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はこれらの組み合わせ等が使用できる。前記接着剤は、前記樹脂に加えて、塗布に際して適切な粘度範囲を維持したりたれを防止するために、本発明の目的を損なわない範囲で適宜充填材、揺変性付与剤等を含有することもできる。
【００７２】
該充填材としてはカーボンブラック、炭酸カルシウム、タルク、珪酸、珪酸塩、無機顔料として知られる鉛白、鉛丹、黄鉛、二酸化チタン、ストロンチウムクロメート、チタニウムイエロー、その他の顔料等が挙げられる。
【００７３】
該揺変性付与剤としては有機系のものと無機系のものがあるが、無機系のものが好ましく、ヒュームドシリカ、層状粘度鉱物、膨潤性マイカ、合成スメクタイト、ベントナイト、カーボンブラック、ヘクトライト等を使用することができる。
【００７４】
前記接着剤中の前記充填材及び／又は揺変性付与剤の含有割合は、１〜２０質量％であることが好ましい。
【００７５】
前記接着剤として前記常温硬化性樹脂を含むものを用いる場合、２０℃における可使時間が好ましくは３０分間〜５時間、さらに好ましくは３０分間〜２時間のものが作業性の点で望ましい。また２０℃における塗膜硬化時間が好ましくは１時間〜２４時間、さらに好ましくは１時間〜１２時間のものが作業工程の点で望ましい。
【００７６】
前記接着剤は、ローラー刷毛やゴムベラ等で、塗布量が通常０．０５〜３ｋｇ／ｍ２、好ましくは０．２〜２ｋｇ／ｍ２の範囲になるよう均一に塗布することができる。
【００７７】
以上において説明した施工例では、１層の繊維強化プラスチック板のみを設けたが、本発明の補強方法では、２層以上の繊維強化プラスチック板を設けることもできる。２層以上の繊維強化プラスチック板は、前記接着剤により繊維強化プラスチック板を貼り付ける工程を必要な回数だけ繰り返すことにより設けることができる。
【００７８】
【発明の効果】
本発明の補強方法は、鋼製構造物の表面上に特定の緩衝材層を介して強化繊維含有材料層を設けるので、鋼製構造物と強化繊維含有材料層とを安定に一体化させ、強化繊維含有材料層の剥離を防止でき、強化繊維含有材料層の有する強度を最大限に利用した、十分な補強を簡便に行うことができる。従って、柱、梁、煙突、管等の既存の鋼製構造物の補強、補修等に適用でき、構造物の強度やエネルギー吸収性能を向上させることができる。
【００８０】
【実施例】
以下において実施例及び比較例を参照して本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００８１】
【実施例１】
鋼製の試験体に、緩衝材層及び強化繊維シート層を用いた本発明の補強方法を適用し、その補強方法を試験した。
【００８２】
試験体として図３に示す２００ｍｍ×１００ｍｍ×２０００ｍｍの寸法を有し、載荷点及び支点部分を５．５ｍｍ厚の鋼板２２で補強した梁用のＩ鋼２１を使用した。この試験体の底面２３の、長さ１６００ｍｍ（中央部）、幅全面にわたり、エポキシ系のプライマーを塗布しプライマー層（図示せず）を形成した後、エポキシ系の緩衝材（エポキシ樹脂、商品名トーホーダイトＥＥ５０、株式会社東邦アーステック製、硬化時における２３℃での引張最大荷重時伸び９５％（ＪＩＳＫ７１３１により測定）、引張強度１．４Ｎ／ｍｍ２（ＪＩＳ Ｋ７１３１により測定）、５℃における引張最大荷重時伸び６５％、引張強度６．５Ｎ／ｍｍ２）を膜厚が５００μｍとなるように塗布し緩衝材層２４を形成し、さらに強化繊維シート２５（商品名ＨＴ３００、日石三菱（株）製）を、強化繊維の方向が長手方向となるよう、エポキシ系の常温硬化樹脂により、５層重ねて接着させて貼り付けた。
【００８３】
強化繊維シートを貼り付けた後１週間以上養生した後、図３に示す通り支点２６を当て、支点間距離１８００ｍｍの単調載荷を負荷し、静的載荷試験を実施した。測定された破壊荷重及び最大変位を表１に示す。
【００８４】
【実施例２】
鋼製の試験体に、緩衝材層及び繊維強化プラスチック板を用いた本発明の補強方法を適用し、その補強方法を試験した。
【００８５】
試験体として、実施例１で用いたものと同一の梁用のＩ鋼を用いた。また繊維強化プラスチック板としては、ＴＵプレートＴＹＰＥ−Ｓ（商品名、日石三菱株式会社製）を用いた。
【００８６】
前記試験体の底面の、長さ１６００ｍｍ（中央部）、幅全面にわたり、実施例１で用いたものと同一のエポキシ系プライマーを塗布しプライマー層を形成した後、エポキシ系の緩衝材（エポキシ樹脂、商品名トーホーダイトＥＥ５０、株式会社東邦アーステック製、硬化時における２３℃での引張最大荷重時伸び９５％（ＪＩＳ Ｋ７１３１により測定）、引張強度１．４Ｎ／ｍｍ２（ＪＩＳ Ｋ７１３１により測定））を膜厚が５００μｍとなるように塗布し緩衝材層を形成し、さらに前記繊維強化プラスチック板を、強化繊維の方向が長手方向となるよう、実施例１と同一のエポキシ系の常温硬化樹脂により接着させて、５枚重ねて貼り付けた。
【００８７】
繊維強化プラスチック板を貼り付けた後１週間以上養生した後、図３に示す通り支点間距離１８００ｍｍの単調載荷を負荷し、静的載荷試験を実施したところ、良好な補強効果が得られた。
【００８８】
【表１】
【比較例１】
実施例１で用いたものと同一の試験体であって、何ら補強を施さなかったものについて、実施例１と同様の静的載荷試験を行った。結果を表２に示す。
【００９０】
緩衝材層を形成しなかった以外は、実施例１と同様の静的載荷試験を行った。結果を表２に示す。
【表２】
【図面の簡単な説明】
【図１】緩衝材層及び１層の強化繊維シート層を設けた本発明の補強方法の施工例を模式的に示す断面図である。
【図２】緩衝材層及び１枚の強化繊維プラスチック板を設けた本発明の補強方法の施工例を模式的に示す断面図である。
【図３】実施例１及び２において行った本発明の補強方法の適用及び補強効果の試験における載荷の態様を説明する模式図である。図３Ａは試験体を側面から見た立面図であり、図３Ｂは試験体を長さ方向に垂直な面に沿って切断した断面図である。図３中において、長さを示す数値の単位は全てｍｍである。
【図４】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートの例を示す斜視図である。
【図５】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートの別の例を示す斜視図である。
【図６】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートのさらに別の例を示す平面図である。
【図７】本発明の補強方法に用いる、強化繊維シートのさらに別の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
４：たて方向の強化繊維糸条
５：よこ方向の補助糸
６：たて方向の補助糸
７：よこ方向の強化繊維糸条
８：支持体
９：バインダー
１０：固着部材
イ：炭素繊維糸条群
ロ：たて方向の補助糸群
ハ：よこ方向の補助糸群
１１，３１：鋼製構造物表面
１２，３２：プライマー層
１３，３３：緩衝材層
１４：下塗り層
１５：強化繊維シート
３５：繊維強化プラスチック板
１６：上塗り層
１７，３７：仕上げ層（保護層）
２１：試験体
２２：補強用の鋼板
２３：試験体底面
２４：緩衝材層
２５：強化繊維含有材料層（５層）
２６：支点
Claims (15)
- 鋼製構造物の表面上に、緩衝材層を介して、マトリックス樹脂を含む強化繊維含有材料層を一体的に設ける工程を含み、前記緩衝材層の２３℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、２３℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2であり、且つ前記緩衝材層の引張最大荷重時伸びが、前記強化繊維含有材料層に含まれるマトリックス樹脂より大きいことを特徴とする鋼製構造物の補強方法。
- 前記緩衝材層が樹脂５０〜１００質量％と充填材０〜５０質量％とを含み、前記樹脂が、硬化させた際の２３℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2である樹脂であることを特徴とする請求項１記載の鋼製構造物の補強方法。
- 前記緩衝材層が、５℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、５℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2の緩衝材層であり、前記樹脂が、硬化させた際の５℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2の樹脂であることを特徴とする請求項２記載の鋼製構造物の補強方法。
- 前記緩衝材層の厚さが１００〜２０００μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の補強方法。
- 前記強化繊維含有材料層が、多数本並行して配列した強化繊維糸条を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の補強方法。
- 前記強化繊維糸条がたて方向に配列し、かつ、補助糸が前記強化繊維糸条に交錯してよこ方向に配列している請求項５記載の補強方法。
- 前記強化繊維糸条が実質的に屈曲せずに糸条群を構成し、該糸条群の両面側に前記強化繊維糸条と交差するよこ方向補助糸群が位置し、それらよこ方向補助糸群と、前記強化繊維糸条群に並行するたて方向補助糸群とが織組織をなして前記強化繊維糸条群を一体に保持している請求項５記載の補強方法。
- 前記強化繊維含有層が、二方向性強化繊維織物を含む請求項１〜４のいずれか１項記載の補強方法。
- 前記強化繊維含有材料層が、強化繊維糸条をバインダーで支持体に接着したシートを含む請求項１〜４のいずれか１項記載の補強方法。
- 前記強化繊維含有材料層が、互いに直交する強化繊維糸条を固着部材により接着しているシートを含む請求項１〜４のいずれか１項記載の補強方法。
- 前記強化繊維糸条とよこ方向補助糸との交点が固着部材により接着されている請求項６又は７記載の補強方法。
- 補助糸がガラス繊維である請求項６又は７に記載の補強方法。
- 請求項１〜１２のいずれか１項記載の補強方法に用いる緩衝材層であって、２３℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、２３℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2であることを特徴とする鋼製構造物補強用緩衝材層。
- 樹脂５０〜１００質量％及び充填材０〜５０質量％を含み、前記樹脂が、硬化させた際の２３℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2である樹脂であることを特徴とする請求項１３記載の緩衝材層。
- ５℃での引張最大荷重時伸びが１０〜２００％、５℃での引張強度が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2の緩衝材層であり、前記樹脂が、硬化させた際の５℃での引張弾性率が０．１〜５０Ｎ／ｍｍ2の樹脂であることを特徴とする請求項１４記載の緩衝材層。
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