JP6034174B2 - Frp製の構造物及びこれを用いた建築土木構造物 - Google Patents
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Description
これに対してFRP成形品の場合は、大きな耐荷重強度が必要とされる部位には前記の如くコンクリートなどと一体加工して用いられ、また、大きな耐荷重強度が要求されない例えば屋外に設置される歩行路の手摺りのような部位には、複数のFRP成形品を互いに接続するなどして所定の寸法形状に加工した構成部品が用いられることはあるが、所定の耐荷重強度を有する構成部品として、鋼材や木材のように、所定寸法の標準品として成形されたFRP成形品同士を接続或いは連結一体化した構成のものが用いられることはない。
また、建築土木分野に限らず、FRP成形品は、成形された形態のままで各種の構成部品として用いられ、成形後にその強度を高めたり補強したりする加工処理がなされることはない。
FRP成形品を構造物の構成部品として用いれば、軽量であるため施工性に優れ、耐水性や耐食性が良好なため施工後の維持管理が容易であるなどの利点があるものの、施工する構造物毎でその設置部位に対応した加熱成形金型を構成する必要がある分、構成部品の加工コストが嵩むことは避けられず、また、加熱成形金型の構成上、部材の断面高さなど成形寸法が制限されてしまう。
また、本発明によれば、高剛性の構造物を専用の加熱成形金型を使用することなく、標準品として量産されるFRP形材を組み合わせて所望の大きさ及び形状に形成することができるので、構造物や構造部品の設計の自由度が増し、構造物全体の施工コストを低廉に抑えることが可能である。
前記PAN系炭素繊維を含有する補強材に代えて、FRPブロック体の上面にアラミド繊維を含有する補強材を接着し、下面に炭素繊維を含有する弾性率が高い補強材を接着してFRP製の構造物を構成してもよい。
具体的には、前記構成の構造物において、FRPブロック体の上面に接着される補強材の弾性率が82Gpa以上且つ引張強度が1440N/mm2以上であり、下面に接着された補強材の弾性率が350Gpa以上且つ引張強度が1200N/mm2以上に設定して構成すれば、構造物の弾性率が向上して上方から荷重を受けた際に生ずるたわみが小さく抑えられ、構造物の剛性を高めることができる。
FRPブロック体は、FRP形材の上面に軸方向を揃えて同じ断面形状のFRP形材を複数段に積み重ね、或いは軸方向を揃えて同じ断面形状のFRP形材を複数列に並べ、その上面に同じ断面形状のFRP形材を複数段に積み重ね、互いに上下又は左右に接合して重なり合うFRP形材外面同士を接着固定して、適宜な高さ及び幅に形成することができる。FRP形材同士を接着する接着剤は、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いることができる。
例えば、炭素繊維又はアラミド繊維と樹脂とを複合化する方法として、細かく切断した繊維をプラスチック中に均一に混入させる方法や、繊維に方向性を持たせたままプラスチックに浸潤させる方法などを挙げることができる。より具体的には、プラスチック中に炭素繊維又はアラミド繊維を含浸させた薄いシート状の含浸体からなるプリプレグを作製しておき、このプリプレグを積層して加熱溶融一体化しなる構成の樹脂複合材を挙げることができる。
前記炭素繊維としては、例えばポリアクリロニトリル系炭素繊維(PAN系)、レーヨン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、或いはポリビニルアルコール系炭素繊維などの前駆体繊維を用いることができる。中でも、アクリルニトリル重合体或いはその共重合体から得られるポリアクリロニトリル系炭素繊維(「PAN系炭素繊維」)とピッチ系炭素繊維が好ましい。アラミド繊維としては、芳香族ポリアミド繊維を用いることができる。
また、マトリックス樹脂としては、エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエーテル、ポリ(メタ)アクリレート、ポリウレタン、メラミン、マレイミド、ポリイミド等の重合・硬化型やポリオレフィン、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポミアミドイミド、ポリカーボネート、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂のうちの一種類、或いはこれらのうちの二種類以上の混合樹脂を用いることができる。
FRPブロック体の表面に重ね合せた補強材の接着や薄肉の補強材同士の接着は、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いて行うことができる。
本発明のFRP製の構造物を建築土木構造物の構成部品に使用した場合、軽量なため施工性に優れるとともに荷重を支える他の構成部品の負荷が軽減され、また、高剛性であるため補強材などの部材を削減することが可能となり、さらに、耐水性や耐食性が良好なため施工後の維持コストが低減され、前記施工コストも含めたトータルコストの低廉化を実現することができる。
また、同図(C)に示されるように、FRP形材21を上下両面に補強材3,4を貼り合つけて被覆一体化することによりその剛性が高められ、剛性を高めたFRP形材21を単独で構成部品として用いてもよい。
また、前記補強材3,4は、上方からの荷重を受けて圧縮方向の力が作用するFRPブロック体2の上面2aには強度が大きいPAN系炭素繊維を含有する補強材3、又はアラミド繊維を含有する補強材3を用い、また、引張り方向の力が作用するFRPブロック体2の下面2bには、弾性率が高いピッチ系炭素繊維を含有する炭素繊維強化プラスチックからなる補強材4を用いて、それぞれの面に重ねて接着一体化させることが好ましい。
橋梁6は、図6に示されるように、10mの間隔を開けて設置した支持材9,9上に同一構成の八本の主桁8を架設し、これら主桁8上で、GFRP製の床板71上にアスファルトの舗装面72を敷設してなる床版7を支持する構成とした。
FRP形材21として、端面がロ型正方形を呈する四辺が100mm×100mm、肉厚5mmm、長さ10mの成形寸法のGFRP形材(商品名「プラアロイ」(登録商標);AGCマテックス株式会社製)を用い、これを図7(A)に示されるように四段に積み重ね、重なり合う上下のFRP形材21同士を接着一体化してFRPブロック体2を形成し、このFRPブロック体2の上面2aに厚み4mmの炭素繊維強化プラスチック製の高強度プレートの補強材3、下面2bに厚み4mmの炭素繊維強化プラスチック製の高弾性プレートの補強材4をそれぞれ貼り合せて同図(B)に示される構造体1を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
高強度プレートの補強材3は、PAN系炭素繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率170GPa、引張強度2400N/mm2の炭素繊維強化プラスチック(商品名「eプレート 高強度グレード」;三菱樹脂株式会社製)を用い、高弾性プレートの補強材4は、ピッチ系炭素繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率450GPa、引張強度1200N/mm2の炭素繊維強化プラスチック(商品名「eプレート 高弾性グレード」;三菱樹脂株式会社製)を用いた。
実施例1の構造物1の外周面に、前記図3に示されるように、その全長に亘って周方向に炭素繊維シート5を巻き付け、これに接着樹脂を含浸させ、構造物1の表面に貼り付けて構造物11を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
炭素繊維シート5は、弾性率230GPa、引張強度3400N/mm2の高強度炭素繊維シート(商品名「リペラーク」(登録商標);三菱樹脂株式会社製)を用いた。
FRPブロック体2の下面2bに貼り付ける補強材4として、ピッチ系炭素繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率350GPa、引張強度1200N/mm2の炭素繊維強化プラスチックを用いる以外は、実施例1と同様にして構造物1を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
FRPブロック体2の下面2bに貼り付ける補強材4として、ピッチ系炭素繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率700GPa、引張強度1200N/mm2の炭素繊維強化プラスチックを用いる以外は、実施例1と同様にして構造物1を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
FRPブロック体2の上面2aに貼り付ける補強材3として、アラミド繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率82GPa、引張強度1440N/mm2のアラミド繊維強化プラスチックを用いる以外は、実施例1と同様にして構造物1を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
実施例5の構造物1の外周面に、前記図3に示されるように、その全長に亘って周方向にアラミド繊維シート5を巻き付け、これに接着樹脂を含浸させ、構造物1の表面に貼り付けて構造物11を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
アラミド繊維シート5は、弾性率118GPa、引張強度2060N/mm2のものを用いた。
実施例1の構造物1を形成する工程で作製されたFRPブロック体2を主桁8に用いる構成とした。
FRPブロック体2の下面に貼り付ける補強材4として、前記PAN系炭素繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率170GPa、引張強度2400N/mm2の炭素繊維強化プラスチックを用いる以外は、実施例1と同様にして構造物1を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
FRPブロック体2の上面に貼り付ける補強材3として、前記ピッチ系炭素繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率450GPa、引張強度1200N/mm2の炭素繊維強化プラスチックを用いる以外は、実施例1と同様にして構造物1を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
FRPブロック体2の下面に貼り付ける補強材4として、ピッチ系炭素繊維を含有するプラスチック板であって、弾性率200GPa、引張強度1200N/mm2の炭素繊維強化プラスチックを用いる以外は、実施例1と同様にして構造物1を形成し、これを主桁8に用いる構成とした。
ここで、図6に示されるように橋梁5を構成した場合、床版7と八本の主桁8の単位体積重量から1mあたりの重量は約4.14kN/mと算出され、また、橋軸方向の1m当たりの群集荷重を10kN/mに設定する。橋梁全体では、その自重が約41.4kN、群集荷重が100kNとなり、両値を加算した荷重が各主桁8全体に等分布で加わるものとした。
応力度の測定部位は、主桁8の床版7が接合する上側部分と、支持材9が接合する下側部分とし、それぞれの側のFRPブロック体2と補強材3,4の内部に発生する応力を算出した。
また、主桁8に用いる場合にこれを構成する各部材の応力許容値を設定し、これと前記算出された応力値とを比較した。
主桁8の発生応力と、その許容値との比較結果を図8の図表1と図9の図表2にそれぞれ示す。両図表1,2において、発生応力が許容値よりも小さいものは○、大きいものは×を記してある。
法上規定される主桁に生ずるたわみの許容値は25mmであるが、図表1に示されるように、実施例1〜6の主桁8の構成では許容値の範囲内にたわみの発生量を抑えることが可能であることを確認できた。
主桁に発生するせん断力は71.0kNであるが、実施例2と実施例6の主桁8の構成では、発生せん断力よりも大きなせん断耐力が付与されることを確認できた。
実施例2と実施例6の主桁8のように、構造物1の外周に炭素繊維シートを貼り付けた構成のものでは、FRP製の構造物1に十分なせん断耐力を具備させることが可能であることを確認できた。
Claims (7)
- 複数のFRP形材が軸方向を揃えて上下複数段に積み重ねられ、且つ互いに重なり合うFRP形材の外面同士が接着固定されてFRPブロック体が形成され、このFRPブロック体の上下両面に、それぞれ炭素繊維強化プラスチックからなる補強材が重ねられて接着された構成を有するFRP製の構造物。
- FRPブロック体の上面にPAN系炭素繊維を含有する補強材、下面にピッチ系炭素繊維を含有する補強材がそれぞれ接着された構成を有することを特徴とする請求項1に記載のFRP製の構造物。
- 複数のFRP形材を上下複数段に積み重ね、且つ互いに重なり合うFRP形材の外面同士を接着固定してFRPブロック体が形成され、このFRPブロック体の上面にアラミド繊維強化プラスチックからなる補強材、下面に炭素繊維強化プラスチックからなる補強材がそれぞれ重ねられて接着された構成を有するFRP製の構造物。
- FRPブロック体の上面に接着された補強材の弾性率が82Gpa以上且つ引張強度が1440N/mm2以上であり、下面に接着された補強材の弾性率が350Gpa以上且つ引張強度が1200N/mm2以上であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のFRP製の構造物。
- 外周面に炭素繊維シート、炭素繊維ストランド又はアラミド繊維シートの何れかが接着された構成を有することを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のFRP製の構造物。
- FRPブロック体を構成するFRP形材の断面形状がロ形、I形、H形の何れかであることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載のFRP製の構造物。
- 請求項1〜6の何れかに記載のFRP製の構造物を用いて構成された建築土木構造物。
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