JP7194634B2 - 繊維強化プラスチック部材及び繊維強化プラスチック複合構造 - Google Patents
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Description
また、特許文献3には、炭素繊維を含む少なくとも2種類の補強繊維を有するFRP形材であって、炭素繊維の少なくとも一部が形材の長手方向に配列されていることを特徴とするFRP形材が開示されている。FRP形材は、横断面の形状は長手方向にほぼ均一で、I形、H形を成している。FRP形材は、例えば、構造物の骨材や枠材、梁、ビーム、支柱等に使用される。
しかし、接着剤は、特に上記のように繊維強化プラスチック部を構造材として使用して他の部材を支持するような場合においては、長期使用時の耐久性や耐火性が明らかではなく、信頼性に欠ける。
また、ボルト接合の場合においては、繊維強化プラスチック部に貫通孔を設けることにより、繊維強化プラスチック部に断面欠損が生じる。繊維強化プラスチック部においては、貫通孔を設けることで、貫通孔により生じる欠損部を差し引いた実際の断面積を、貫通孔を含めた断面積で除算した値である欠損断面積比として算出される値以上に、大きく耐力が低下する。すなわち、繊維強化プラスチック部と他の部材をボルト接合する場合においては、繊維強化プラスチック部の剛性が低下する可能性がある。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、構造物の柱梁架構に用いられる、繊維強化プラスチック部と他の構成材を接合させた繊維強化プラスチック部材であって、前記繊維強化プラスチック部は、FRP構造部と、前記FRP構造部の外周面に設けられるFRP非構造部と、を備え、前記FRP非構造部には貫通孔が開設されており、前記他の構成材は、前記貫通孔を挿通するリベット、ボルトまたはダボを介在させて、前記繊維強化プラスチック部に固定されていることを特徴とする繊維強化プラスチック部材を提供する。
上記のような構成によれば、繊維強化プラスチック部はFRP構造部とFRP非構造部を備え、他の構成材は、FRP非構造部に形成された貫通孔を挿通するリベット、ボルトまたはダボを介在させることにより、繊維強化プラスチック部に接合されている。すなわち、リベット、ボルトまたはダボによる接合に用いられる貫通孔は、他の構成材を支持する構造材としての機能が期待されるFRP構造部ではなく、これの外周面に設けられたFRP非構造部に開設されているため、FRP構造部に貫通孔の開設による断面欠損は生じない。したがって、繊維強化プラスチック部の剛性を損なわずに、繊維強化プラスチック部と他の構成材とを接合可能である。ここでいう、他の構成材とは、繊維強化プラスチック部の周囲に設ける木質部、合金部、他FRP部などの外装材などである。
上記のような構成によれば、FRP構造部から外方へ突出するようにFRP非構造部が設けられ、当該FRP非構造部が他の構成材と接合されていることで、FRP構造部に断面欠損部を設けることなく繊維強化プラスチック部と他の構成材を接合された繊維強化プラスチック部材を実現できる。
特に、FRP構造部とFRP非構造部とが一体成型されているため、これらの間で応力をスムーズに伝達できる。
上記のような構成によれば、繊維強化プラスチック部はFRP構造部とFRP非構造部を備え、屋根部は、FRP非構造部に形成された貫通孔を介して、リベット接合またはボルト接合されている。すなわち、リベットまたはボルトによる接合に用いられる貫通孔は、屋根部を支持する構造材としての機能が期待されるFRP構造部ではなく、これの外周面に設けられたFRP非構造部に形成されているため、FRP構造部に貫通孔の開設による断面欠損は生じない。したがって、繊維強化プラスチック部の剛性を損なわずに、FRP構造部と屋根部とを接合可能である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本実施形態における繊維強化プラスチック(以下、FRPと呼称する)梁部材を用いた繊維強化プラスチック複合構造の模式的な側面図である。FRP梁部材(FRP部材)10は、建物1の屋外に設置されている。建物1は、上部構造1aと、下部構造1bとを有している。上部構造1aは、下部構造1bの上方に設けられている。上部構造1aは、下部構造1bよりも水平面内における設置面積が小さく、これによって、下部構造1b上には、上部構造1aが設けられた以外の部分にルーフ部4が設けられている。
FRP梁部材10は、建物1のルーフ部4上に設置されている。FRP梁部材10は、後に詳細に説明する梁3と、その上方に設けられる屋根部8を備えている。梁3は、複数本の支柱5A~5Fに支持されている。本実施形態において、支柱5A~5Fは、ルーフ部4及びルーフ部4上に敷設された鉄製の下地材4s上に設けられている。支柱5A~5Fのうち、上部構造1aに最も近い支柱5Aは、鉛直上下方向に延びている。支柱5Aに対し、上部構造1aから離れる側の2本の支柱5B、5Cは、上方に向かって上部構造1a側に傾斜して延びている。ルーフ部4上において、上部構造1aから最も離れた側の2本の支柱5D、5Eは、上方に向かって上部構造1aから離間する方向に傾斜して延びている。支柱5Fは、支柱5Dの中間部分から、上方に向かって上部構造1aに向かう方向に傾斜して延びている。
梁3は、これらの支柱5A~5F上に設けられている。梁3は、上部構造1a側から離間するにしたがって、漸次上方に延びるよう、湾曲して設けられている。
このような支柱5A~5F及び梁3は、図1の紙面に直交する方向に間隔をあけて複数組が設けられている。屋根部8は、これら複数本の梁3上に設けられている。
まず、図2、図3を用いて、FRP部11を説明する。図3(a)は、FRP部11の斜視図であり、図3(b)は、FRP部11の側面図である。
FRP部11は、例えば炭素繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維等の強化繊維に樹脂を含浸させて成形されたFRPにより形成されている。
FRP部11は、FRP構造部12とFRP非構造部13を備えている。FRP構造部12は、長尺に形成され、その中心軸に交差する断面形状が、中空の矩形状をなしている。すなわち、FRP構造部12は、上下方向に間隔をあけて設けられた上板部12a、下板部12bと、これらを連結する一対の側板部12cを備えている。側板部12cは、図2に示されるようにFRP構造部12を断面視したときに、上板部12aと下板部12bの各々の側端部に接合されて上下間でこれらを連結するように設けられている。これら上板部12a、下板部12b、及び一対の側板部12cによって、FRP構造部12の胴体部12dが形成され、この胴体部12dの中央には、上板部12a、下板部12b、及び一対の側板部12cによって囲われた中空部Sが形成されている。
図2に示されるように、FRP構造部12の胴体部12dは、梁3の長さ方向に延びる中心軸に交差する断面において、梁3の中央部に内蔵(埋設)されている。すなわち、FRP構造部12の胴体部12dは、梁3の外部に露出していない。
突出体13pの各々には、第1貫通孔13sと第2貫通孔(貫通孔)13tが設けられている。これらの貫通孔13s、13tは、第1貫通孔13sが第2貫通孔13tの下方に位置するように、互いに間隔をあけて開設されている。
他の構成材20については、後に説明する。
第1接合部材14は、鉛直板部14a、上側板部14b、及び下側板部14cを備えている。鉛直板部14aは、突出体13pの上端よりも上方から、突出体13pの第1貫通孔13sよりも下方へと上下方向に延在するように、突出体13pに密着して設けられている。鉛直板部14aには、突出体13pの第1貫通孔13s、第2貫通孔13tの各々と対応する位置に、これらと連通するように、第1貫通孔14s及び第2貫通孔14tが設けられている。
上側板部14b及び下側板部14cは、鉛直板部14aの、突出体13pに密着した表面とは反対側の表面に、鉛直板部14aから外方へと垂直に立ち上がり、かつFRP構造部12の上板部12aと略平行となるように、設けられている。上側板部14bは、第1貫通孔14sと第2貫通孔14tの間の位置に設けられている。下側板部14cは、鉛直板部14aの下端に設けられている。下側板部14cは、上側板部14bよりも、鉛直板部14aから外側端部までの長さが短くなるように形成されている。
上側板部15b及び下側板部15cは、鉛直板部15aの、突出体13pに密着した表面とは反対側の表面に、鉛直板部15aから外方へと垂直に立ち上がり、かつFRP構造部12の上板部12aと略平行となるように、設けられている。上側板部15bは、第1接合部材14の上側板部14bと同等の位置に設けられている。下側板部14cは、鉛直板部15aの下端に設けられている。下側板部15cは、上側板部15bよりも、鉛直板部15aから外側端部までの長さが短くなるように形成されている。
第1接合部材14の上端14gには、長尺の上側支持部材17が、梁3の長さ方向に延在するように設けられて接合されている。上側支持部材17は、長さ方向に延在する中心軸を挟んで設けられた2つの支持板部17bを備えており、これら2つの支持板部17bの各々が第1接合部材14と第2接合部材15の各々の上方に位置するように、上側支持部材17は突出体13pを跨って設けられている。
上側支持部材17の支持板部17bの各々と、第1接合部材14及び第2接合部材15の上側板部14b、15bとの間に、屋根を構成するパネル材18が挟持されて固定されている。
上板部21は、第1接合部材14の上側板部14bと下側板部14cの間の間隔と、及び第1接合部材15の上側板部15bと下側板部15cの間の間隔と略同等の厚さとなるように形成された、長尺の板材である。上板部21の各々は、梁3の長さ方向に延びるように位置づけられて、第1接合部材14の上側板部14bと下側板部14cの間、及び第1接合部材15の上側板部15bと下側板部15cの間に挿入されている。上板部21の内側表面21aは、第1接合部材14及び第2接合部材15の表面に当接するように設けられている。上板部21の外側表面21bは、第1接合部材14及び第2接合部材15の下側板部14c、15cの外側端部よりも外側に位置するように、上板部21は形成されている。
上板部21は、第1接合部材14及び第2接合部材15の各々に開設された貫通孔14u、15uを挿通するようにビス24がねじ込まれて、第1接合部材14及び第2接合部材15の各々に固定されている。
上板部21には、第1接合部材14及び第2接合部材15の各々の第1貫通孔14s、15sに対応する位置に、貫通孔21sが開設されている。これら第1貫通孔14s、15sと、第1貫通孔13s、及び各上板部21の貫通孔21sは、互いに連通しており、ダボ25がこれらを挿通するように設けられている。ダボ25は、ダボ25の両端が各上板部21の外側表面21bよりも外側に位置するような長さに形成されている。
このように上板部21に接合されたときに、側板部22の外側表面22bが、第1接合部材14及び第2接合部材15の外側端部よりも内側に位置するように、かつ、側板部22の下端がFRP構造部12の下板部12bよりも下方に位置するように、側板部22は形成されている。
下板部23も、上板部21、側板部22と同様に長尺の板材であり、梁3の長さ方向に延びるように設けられている。下板部23は、各側板部22の内側表面22aと接して側板部22間の空間を閉塞するように設けられて、図示されないビスやダボなどにより、側板部22に固定されている。
このようにして、FRP部11のFRP構造部12は、他の構成材20に囲繞されている。
繊維強化プラスチック製の梁部材を対象に、FRP材のボルト継手部の接合部性能と、梁部材のせん断性能について、要素実験を行い、性能確認を行った。
初めに、本実施形態として用いたFRP部11の有効性に関する実験及びその結果を説明する。まず、FRP材にボルト継手部を設けた場合の継手性能に関する実験結果を説明する。本実験においては、FRP材として、含浸樹脂炭素繊維シートを積層し、オートクレーブで熱硬化させることにより成形したCFRP材を使用した。実験としては、CFRPの板材を製作し、1枚の板材を中板として、2枚の添板で挟んでボルト接合し、中板と添板に対して逆方向に引っ張る2面せん断試験と、1枚の中板と1枚の添板をボルト接合して同様に引っ張る1面せん断試験を実施した。中板としては、厚さが4mmのものと6mmのものを用意した。ボルトは、片側からの締め付けが可能なワンサイドボルトを使用し、トルクが15Nmに達するまで締め付けた。各試験について、3つの試験体を作成して試験を実施した。
図4は、FRP材のボルト継手部の各試験体と、試験体ごとの破断時の最大荷重、及び破壊形態の比較表である。図5(a)は、中板の厚さが6mmの2面せん断試験の場合における、中板と添板の変位と荷重の関係を示すグラフであり、図5(b)は3つの試験体の中の1つにおける、試験結果後の写真である。また、図6(a)は、中板の厚さが6mmの1面せん断試験の場合における、中板と添板の変位と荷重の関係を示すグラフであり、図6(b)は3つの試験体の中の1つにおける、試験結果後の写真である。
これら図4~図6に示されるように、FRP材にボルト継手部を設けた1面、2面せん断試験結果では、材軸方向にせん断力が加わった場合は、FRP材の上下板の間の中板のボルト孔部分が拡大するはしぬけ破断で最大耐力に達した。また、ボルト継手部と直交方向にせん断力が加わった場合は、試験体のボルト孔のへり部分でへりあき破断で発生し、最大耐力に達した。本実験結果から、FRP材にボルト継手部を設けた場合、ボルト破断ではなく、母材であるFRP材のボルト孔部が拡大して最大耐力に至る点と、最大耐力後は急激に荷重負担能力が低下する点が確認された。
よって、FRP材と他の構成材(木質部、合金部、他FRP部)を接合する場合は、FRP構造部と接合させない接合方法が好ましく、本発明の実施形態によるFRP非構造部での接合方法を発明するに至った。
図8は、試験結果となる、せん断力と変位の関係を示すグラフである。図9は、CFRP梁材100の上面中央に設けた3軸ひずみゲージのロゼット解析結果を示すグラフである。図10は、図7に示されるCFRP梁材100に関する試験結果をまとめた表である。特に図9に示されるように、素材試験におけるせん断剛性の結果である3167N/mm2に対し、ロゼット解析から求まるせん断剛性は4834N/mm2と、1.34倍となった。
これら図8~図10に示されるように、維強化プラスチック梁試験体のせん断結果では、実験結果のせん断力と変位(部材角)の関係(実線)、及び実験結果のせん断応力とせん断ひずみの関係(実線)ともに、初期剛性については、梁断面を構成する繊維強化プラスチック材の剛性から推定されるロゼット解析結果(図8、図9の点線)の初期剛性と粗一致する実験結果であった。また、実験結果では、維強化プラスチック梁試験体のウェブ部分がせん断破壊して最大耐力に達した。実験結果の耐力実験値44.8kNは、耐力計算値36.6kNを約1.22倍上回り、優れたせん断耐力を示した。
上記のように、繊維強化プラスチック梁の構造性能確認実験等を行い、本発明による繊維強化プラスチック部材の構造性能に関する有効性を確認した。
上記のような構成によれば、ダボ25による接合に用いられる貫通孔13sは、他の構成材20を支持する構造材としての機能が期待されるFRP構造部12ではなく、これの外周面12eに設けられたFRP非構造部13に開設されているため、FRP構造部12に貫通孔13sの開設による断面欠損は生じない。したがって、FRP部11の剛性を損なわずに、FRP部11と他の構成材20とを接合可能である。
上記のような構成によれば、FRP構造部12から外方へ突出するようにFRP非構造部13が設けられ、当該FRP非構造部13が他の構成材20と接合されていることで、FRP構造部12に断面欠損部を設けることなくFRP部11と他の構成材20が接合されたFRP梁部材10を実現できる。
特に、FRP構造部12とFRP非構造部13とが一体成型されているため、これらの間で応力をスムーズに伝達できる。
上記のような構成によれば、FRP部11はFRP構造部12とFRP非構造部13を備え、屋根部8は、FRP非構造部13に形成された第2貫通孔13tを介して、ボルト接合されている。すなわち、ボルト16による接合に用いられる第2貫通孔13tは、屋根部8を支持する構造材としての機能が期待されるFRP構造部12ではなく、これの上面12eに設けられたFRP非構造部13に形成されているため、FRP構造部12に貫通孔の開設による断面欠損は生じない。したがって、FRP部11の剛性を損なわずに、FRP部11と屋根部8とを接合可能である。
例えば、FRP部11の断面形状は矩形状に限られないし、突出体13pの位置もFRP構造部12の上面12eにおける幅方向中央近傍に限られない。FRP部11の様々な変形例を、図11に示す。
図11(a)のFRP部11Aにおいては、上記実施形態と同じ形状のFRP構造部12Aを備えているが、FRP非構造部13Aの配置が上記実施形態とは異なり、突出体13pは、FRP構造部12Aの側板部12cが上方へ延在するように、上板部12aの幅方向両端部に設けられている。
図11(b)のFRP部11Bにおいては、FRP構造部12Bの上板部12a及び下板部12bが、上記実施形態よりも幅が広く設けられており、FRP構造部12Bの断面形状は略正方形状となっている。FRP非構造部13Bに関しては、上記実施形態と同様に、突出体13pが上板部12aの幅方向中央近傍から上方へ延在するように設けられるとともに、下板部12bの幅方向中央近傍から下方へ延在するように設けられている。また、突出体13pは、上板部12a及び下板部12bの各々が、両側方へ延在するように、側板部12cの上端と下端にも設けられている。
図11(c)のFRP部11Cにおいては、FRP構造部12Cの断面形状が円筒形状となるように形成されている。FRP非構造部13Cは、突出体13pがFRP構造部12Cの上端から上方へ延在するように設けられている。
図12(a)のFRP部11Dにおいては、FRP構造部12Dは、上下方向に間隔をあけて設けられた、幅の短い一対のフランジ部12fと、これらフランジ部12fどうしを連結するウェブ部12gと、を備えており、断面形状がI形状となるように形成されている。FRP非構造部13Dの突出体13pは、ウェブ部12gが上方へ延在するように、上側のフランジ部12fの幅方向中央近傍に設けられている。
図12(b)のFRP部11Eにおいては、FRP構造部12Eは、1つのフランジ部12hと、このフランジ部12hの上方へと延在するように設けられたウェブ部12iと、を備えており、断面形状がT形状となるように形成されている。FRP非構造部13Eの突出体13pは、ウェブ部12iが上方へ延在するように、ウェブ部12iの上端に設けられている。
図12(c)のFRP部11Fにおいては、FRP構造部12Fは、上下方向に間隔をあけて設けられた、FRP部11Dのフランジ部12fよりも幅の長い一対のフランジ部12jと、これらフランジ部12jどうしを連結するウェブ部12kと、を備えており、断面形状がH形状となるように形成されている。FRP非構造部13Fの突出体13pは、ウェブ部12kが上方へ延在するように、上側のフランジ部12jの幅方向中央近傍に設けられている。
上記以外にも、FRP部11が十分な強度を有するようであれば、その形状は上記に限られない。これらの場合において、FRP構造部12の内部は、上記実施形態のように中空であってもよいし、中実に、すなわち空間の無いように形成されていてもよい。
同様に、上記実施形態では、繊維強化プラスチック部を構成するFRP構造部の断面形状は、中空の矩形状であったが、密実な矩形状、I形状、T形状、H形状、円筒形状の何れかに形成されたものであってもよい。
また、上記実施形態においては、FRP部11は他の構成材として屋根部8を支持していたが、これに限られない。FRP部11に接合され、かつFRP部11が支持する他部材8は、例えば床スラブであってもかまわない。
また、上記実施形態においては、突出体13pの第2貫通孔13tと、第1接合部材14及び第2接合部材15の第2貫通孔14t、15tを挿通するように、ボルト・ナット16が緊締され、これにより屋根部8はFRP部11にボルト接合されていたが、これに限られない。例えば、突出体13pの第2貫通孔13tと、第1接合部材14及び第2接合部材15の第2貫通孔14t、15tを挿通するようにリベットが設けられ、屋根部8はFRP部11にリベット接合されていてもかまわない。
また、上記実施形態においては、突出体13pの第1貫通孔13sと、第1接合部材14及び第2接合部材15の第1貫通孔14s、15sを挿通するように、ダボ25が設けられ、これにより他の構成材20はFRP部11に接合されていたが、これに限られない。例えば、図14には、他の構成材20Hが接合部材30を介してFRP部11の突出体13pに接合された形態であるFRP梁部材10Hが示されている。接合部材30は、2枚の鋼板30a、30bが垂直に接合された、断面L字形状の鋼材である。一方の鋼板30aは、突出体13pに沿うように設けられて、鋼板30aに設けられた貫通孔30sと突出体13pの第1貫通孔13sとを挿通するボルト31により、突出体13pに固定されている。他の構成材20Hは、ビス32により、他方の鋼板30bに接合されている。このように、他の構成材20Hは、貫通孔13sを挿通するボルト31を介在させて、FRP部11に固定されていてもよい。この場合において、他の構成材20Hは、ボルト31ではなく、リベットにより固定されていてもかまわない。
さらに、上記実施形態では、FRP梁屋根構造2は、FRP梁部材10がFRP部11と他の構成材20で形成されていたが、その構成に限定することなく、FRP梁部材10はFRP部11のみで形成されていてもよい。
3 梁 13t 第2貫通孔(貫通孔)
5 支柱 14 第1接合部材
8 屋根部 (他部材) 14s、15s 第1貫通孔
10、10H FRP梁部材(繊維強化プラスチック部材)
11、11A~11G FRP部 14t、15t 第2貫通孔
12、12A~12G FRP構造部 15 第2接合部材
12e 上面(外周面) 16 ボルト・ナット(ボルト)
13、13A~13G FRP非構造部 20、20H 他の構成材
13p 突出体 25 ダボ
13s 第1貫通孔(貫通孔) 31 ボルト
Claims (3)
- 構造物の柱梁架構に用いられる、繊維強化プラスチック部と他の構成材を接合させた繊維強化プラスチック部材であって、
前記繊維強化プラスチック部は、FRP構造部と、
前記FRP構造部の外周面に設けられるFRP非構造部と、を備え、
前記FRP非構造部には貫通孔が開設されており、
前記他の構成材は、前記貫通孔を挿通するリベット、ボルトまたはダボを介在させて、前記繊維強化プラスチック部に固定され、
前記FRP構造部は横方向に延在して設けられ、前記FRP非構造部は、前記FRP構造部から上側外方へ突出するように、前記FRP構造部と一体成型された突出体であり、前記FRP構造部に沿って断続的に設けられていることを特徴とする繊維強化プラスチック部材。 - 前記FRP構造部は、前記他の構成材に囲繞されていることを特徴とする請求項1に記載の繊維強化プラスチック部材。
- 構造物の柱梁架構に用いられる、繊維強化プラスチック部と他部材を接合させた繊維強化プラスチック複合構造であって、
前記繊維強化プラスチック部は、FRP構造部と、前記FRP構造部の外周面に設けられるFRP非構造部と、を備え、
前記FRP構造部は横方向に延在して設けられ、前記FRP非構造部は、前記FRP構造部から上側外方へ突出するように、前記FRP構造部と一体成型された突出体を備え、前記突出体は、前記FRP構造部に沿って断続的に設けられ、
前記繊維強化プラスチック部と前記他部材は、前記突出体に開設された貫通孔を介して、リベット接合またはボルト接合されていることを特徴とする繊維強化プラスチック複合構造。
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