JP6830763B2 - 耐震補強材 - Google Patents
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Description
また、寺社、仏閣、古民家、駅舎をはじめとした伝統的建築物では、外観の美観を維持しながら、耐震性を高める必要がある。そのため、一般の建築物に施されているような大きな鉄骨を用いた補強などは好まれず、あまり目立たない接合部についての金具などの検討がなされている(例えば、特許文献1参照。)。
一方で、鋼板等を巻き付けるなどの耐震補強が行える建物物はまだよいが、補強が行えない建築物もある。たとえば、鋼板や鋼鉄製などの耐震補強材の質量が大きいため、伝統建築物自体がその耐震補強材の質量に対し、耐えることができないものが挙げられる。このような問題は、特に建築物の屋根や梁部などの建築物の上層部に耐震補強材を用いる際に問題となる。
また、鋼板や鋼鉄製の筋交などは、その質量が大きいため、重機を用いて工事現場への搬入や施工が必要となるが、伝統的な建築物が建てられている場所は、重機の乗りいれができない個所も多々あり、特に、高層の建築物にてこのような事項が問題となり、とくに改善が望まれている。
よって、本発明は、軽量でかつ強度があり、伝統建築物の外観品位の悪化を抑制することが可能な耐震補強材を提供することを目的とする。
<1>繊維強化複合材からなる継手であり、少なくとも一方の端部に中空部を有する継手と、前記継手の中空部に挿入され、接合された第1の棒状繊維強化複合材とを有し、前記第1の棒状繊維強化複合材が、固化剤により一体化された繊維束を含む素線を撚り合わせたストランド構造体、または、前記ストランド構造体を撚り合わせたマルチストランド構造体である耐震補強材。
<2>前記継手と前記第1の棒状繊維強化複合材とが接着剤で接合されている<1>に記載の耐震補強材。
<3>前記継手は、前記第1の棒状繊維強化複合材が接合されていない他の一方の端部にも中空部を有し、当該他の一方の端部の中空部に、第2の棒状繊維強化複合材または金属製の材料が挿入され、接合された<1>または<2>に記載の耐震補強材。
<4>前記継手の密度が、1.0〜5.0g/cm3である<1>から<3>のいずれかに記載の耐震補強材。
<5>前記継手の質量が、50〜5000g/mである<1>から<4>のいずれかに記載の耐震補強材。
<6>前記第1の棒状繊維強化複合材の密度が、1.0〜2.5g/cm3である<1>から<5>のいずれかに記載の耐震補強材。
<7>前記第1の棒状繊維強化複合材の質量が、2〜150g/mである<1>から<6>のいずれかに記載の耐震補強材。
<8>前記第1の棒状繊維強化複合材の引張強さが、100〜5000MPaである<1>から<7>のいずれかに記載の耐震補強材。
<9>破断荷重が、3〜300kNである<1>から<8>のいずれかに記載の耐震補強材。
<10>全体の質量が、5kg以下である<1>から<9>のいずれかに記載の耐震補強材。
図1は本発明の実施の形態における耐震補強材の端部を示す斜視図である。
図1に示すように、本発明の実施形態における耐震補強材10は、繊維強化複合材からなる継手11と、継手11に接合された棒状繊維強化複合材12とからなる。継手11は、少なくとも一方に中空部11aを有する。棒状繊維強化複合材12は、この継手11の中空部11aに挿入されて接合される。
また、継手11が繊維強化複合材であるため、金属に比べて軽く、得られる耐震補強材10も軽い物が得られる。
また、継手11と棒状繊維強化複合材12の接着には、もちろん接着剤と凹凸を有するものを併用して接合してもよい。
また、継手11の一方に金属製の材料を接合して用いる場合には、当該金属製の材料は、柱や梁に溶接やボルト、釘、ワイヤー、プレートなどを用いて直接接続するように用いることにより、建築物の負荷が軽減される。
また、継手11は、一方の端部付近、また、両方の端部付近などの一部が中空であって、他の部分は中空で無い物であってもよいし、一方の端から他方の端まで貫通している管状物であってもよい。
継手の長さが20cm未満の場合、46kNの荷重がかかると、継手の内層と外層の間で滑りが発生するなどして、継手が破壊されるおそれがある。46kN破断荷重に耐える耐震補強材の場合には継手の長さは、好ましくは25cm以上がよい。
また、その際の棒状繊維強化複合材12の継手11への挿入長さは8cm以上が好ましい。より好ましくは10cm以上、さらに好ましくは12cm以上がよい。挿入長さが8cm未満の場合、46kNの荷重がかかった場合に、棒状繊維強化複合材12が、継手11から抜けるおそれがある。
また、継手11の他の一方に一般的なM12の鋼材製のボルトを挿入する場合には、その挿入長さは6cm以上であるとよく、8cm以上であるとより好ましい。挿入長さが6cm未満の場合、M12の鋼材製ボルトが継手11から抜けるおそれがある。
また、一定以上の力がかかった場合に、耐震補強材10が壊れるようにして、建築物に免震性を付与する場合には、継手11と棒状繊維強化複合材12や継手11に接続された部材との少なくとも一方が、一定の力以上で継手11から抜けるようにしたり、継手11が破壊されるような強度としたり、他の部材として極低降伏鋼を用いるなどしてもよい。
本実施形態の継手11は、棒状繊維強化複合材12と他の部材とを接合するための部材であって、繊維強化複合材からなり、少なくとも一方が開放された中空状の中空部11aを有する柱状物である。
継手11の密度は1.0〜5.0g/cm3であるとよい。上限値は、好ましくは4.0g/cm3以下であるとよく、より好ましくは3.0g/cm3以下、さらに好ましくは2.0g/cm3以下であるとよい。密度が5.0g/cm3以下であれば軽い耐震補強材10が得られる。
一方、下限値は、好ましくは1.3g/cm3以上であるとよく、より好ましくは1.5g/cm3以上であるとよい。密度が、1.0g/cm3以上であると耐震補強材10として十分な強度を有するものを得ることができる。
用いられる繊維材料としては、例えば、炭素繊維、バサルト繊維、パラ系アラミド繊維、メタ系アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、PBO(ポリパラフェニレンベンズオキサゾール)繊維、ポリフェニレンサルファイド(PPS)繊維、ポリイミド繊維、フッ素繊維、ポリビニルアルコール(PVA繊維)などが使用できる。用いられる繊維材料は、特に、難燃性、強度、耐光性の観点より、炭素繊維またはガラス繊維が好ましい。難燃性の観点からはガラス繊維が好ましい。また、得られる耐震補強材10の破断強度の向上の観点からは、棒状繊維強化複合材12に用いられる繊維材料と同じものを用いるとよい。
固化剤として、具体的には、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66、ナイロン12、ナイロン42等)、ABS樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、不飽和ポリエステル、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂、レゾルシノール樹脂などが挙げられるが、これに制限されない。接着性の観点からは熱可塑性エポキシ樹脂が好ましい。また、棒状繊維強化複合材12にて用いた樹脂と同様のものが接着性の観点から好ましい。
なお、継手11として、具体的にはAGCマテックス株式会社から提供されているプラアロイ(登録商標)などを用いることができる。
なお、本実施形態の継手11の製造方法は、上記の製造方法に限定されるものではない。
本実施形態の棒状繊維強化複合材12は、繊維材料を束ねてなる繊維束を固化剤により一体化したものである。
用いられる繊維材料としては、例えば、炭素繊維、バサルト繊維、パラ系アラミド繊維、メタ系アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、PBO(ポリパラフェニレンベンズオキサゾール)繊維、ポリフェニレンサルファイド(PPS)繊維、ポリイミド繊維、フッ素繊維、ポリビニルアルコール(PVA繊維)などが使用できる。用いられる繊維材料は、特に、難燃性、強度、耐光性の観点より、炭素繊維またはガラス繊維が好ましい。難燃性の観点からはガラス繊維が好ましい。また、耐震補強材の引張強度の観点からは、継手に用いられる繊維材料と同じものを用いるとよい。
炭素繊維束の撚り数は、0〜100回/m、好ましくは2〜50回/mであり、より好ましくは5〜40回/mであり、さらに好ましくは10〜30回/mである。
また、棒状繊維強化複合材12の長さ方向に垂直に切断した際の断面は、円形状、扁平状等任意であってもよいが、円形状が好ましい。得られる棒状繊維強化複合材12の強度が安定するとともに、後に説明を行う棒状繊維強化複合材12−1や棒状繊維強化複合材12−2のストランド構造体やマルチストランド構造体とする場合にも、安定したストランド構造体を得ることができる。
また、棒状繊維強化複合材12の直径が直径0.5〜20mm(より好適には1〜5mm)であると、棒状繊維強化複合材12および後に説明する棒状繊維強化複合材12−1、棒状繊維強化複合材12−2(ストランド構造体やマルチストランド構造体)がドラムに巻きやすくなり、また、任意の形状に追従するなどのフレキシブル性を高めることができる。
また、この炭素繊維を束ねた炭素繊維束は、炭素繊維メーカーから供給される炭素繊維を3000本(3K)、6000本(6K)、12000本(12K)、24000本(24K)、40000本(40K)、60000本(60K)などに束ねた炭素繊維束を、必要とされる強度に応じて1本、または複数本(2本以上)束ねたものを用いることができる。炭素繊維を束ねた炭素繊維束を複数本束ねる場合の炭素繊維束の本数に特に制限はなく、目的用途に応じで適宜決定されるが、通常、100本以下である。
好適な具体例としては、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66、ナイロン12、ナイロン42等)、ABS樹脂、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、ポリフェニレンオキサイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリカーボネート樹脂、レゾルシノール樹脂などが挙げられるが、これに制限されない。
また、継手11と棒状繊維強化複合材12とを接着剤を用いて接合した場合の接着性に優れるとの観点からは、固化剤として熱可塑性エポキシ樹脂が好ましく用いられる。
棒状炭素繊維複合材12の芯材に用いられる炭素繊維束に撚りがかけられたものや、後に説明を行う棒状炭素繊維複合材12−1のように炭素繊維束の周りが拘束材で覆われているものでは、炭素繊維束の内部にまで樹脂を含侵させることが困難である。
一方、重合型の熱可塑性エポキシ樹脂は、重合させる前の熱可塑性エポキシ樹脂を有機溶剤で希釈することができるので粘度調整が容易である。
そのため、有機溶媒で希釈した低粘度の樹脂溶液を用いることにより、撚りがかけられている炭素繊維束の内部まで(さらには拘束材で覆われている棒状炭素繊維複合材12−1であっても外周の拘束材から内部の炭素繊維束まで)重合前の熱可塑性エポキシ樹脂を含浸させることができる。重合前の熱可塑性エポキシ樹脂を炭素繊維束の内部に含侵させた後、当該重合型の熱可塑性エポキシ樹脂を重合させることにより炭素繊維束と拘束材が熱可塑性エポキシ樹脂で一体化された、強度の優れた棒状炭素繊維複合材12が得られる。
本発明の他の実施形態の棒状繊維強化複合材について説明する。図2は棒状繊維強化複合材の第1変形例を示す図である。
図2に示す棒状繊維強化複合材12−1は、繊維材料を束ねてなる繊維束2がその周囲に拘束材3aを巻き回して結束され、当該繊維束2と当該拘束材3aとが共に固化剤(図示せず。)によって一体化されたものである。
なお、繊維束2がその周囲に拘束材3aを巻き回して結束される構造とすることにより、棒状繊維強化複合材12−1と接着剤との接触面積や構造的な抵抗が増加し、継手11と棒状繊維強化複合材12−1との接着力が向上し、得られる耐震補強材の引張強さ、破断荷重の大きさの観点より好ましい。
拘束材3a以外の基本的構成は、上記棒状繊維強化複合材12と同様であるため、適宜説明を省略する。
また、棒状繊維強化複合材12−1では、棒状繊維強化複合材12と同様に、繊維材料として炭素繊維、特に炭素繊維を芯材として用いたものを例として、詳細に説明を行う。以下、炭素繊維を束ねてなる繊維束2を炭素繊維束2ともいう。なお、炭素繊維以外の繊維材料を用いたものを除くものではない。
また、棒状繊維強化複合材12−1を棒状炭素繊維複合材12−1ともいう。なお、炭素繊維以外の繊維材料を用いたものを除くものではない。
また、拘束材3aで拘束された炭素繊維束2を樹脂(固化剤)溶液にディップした後、ダイスで扱いて余分な樹脂を絞るときに炭素繊維束2の長さ方向に張力がかかるが、拘束材3aが組紐構造であれば編物のように目が開いてしまうのではなく、目が閉じた状態で組紐の径が細くなる。そのため、内部の炭素繊維束2の露出を抑えつつ、拘束材3aと炭素繊維束2の密着性を高めることができるので、得られる耐震補強材の強度の観点より好ましい。
他の拘束材による結束の例として、1本の拘束材を螺旋状に巻きつけて炭素繊維束を結束したり(図示せず。)、図3に示すように、炭素繊維束2の周囲面に拘束材3bとなる繊維を巻き回して目の粗い筒状の丸編を編んだ編紐状の拘束材3bによって炭素繊維束2を結束したり、図4に示すように、繊維等を所定間隔に配置した拘束材3cによって炭素繊維束2を結束したりする形態であってもよい。
一方で、炭素繊維束2の保護、棒状繊維強化複合材12−1の形状の安定による強度の安定、外観品位の低下の抑制との観点からは、図5に示すように、拘束材3dを組紐状にして、炭素繊維束2の表面全体を被覆することが好ましい。
本発明の他の実施形態の棒状繊維強化複合材12−2について説明する。図6は棒状繊維強化複合材の第2変形例を示す図である。
棒状繊維強化複合材12−2は、上記の棒状繊維強化複合材12および棒状繊維強化複合材12−1のいずれか一方または両方を芯線として用い、これらを複数本、引き揃えたり、撚り合せたりして形成したストランド構造体である。
例えば、図6に示すように、棒状繊維強化複合材12−2が、上記の棒状繊維強化複合材12−1を7本備えてなり、中心に配置された1本の棒状繊維強化複合材12−1を他の6本の棒状繊維強化複合材12−1が取り囲む構造を有するストランド構造とすることにより、継手11と棒状繊維強化複合材12−2の接合において、棒状繊維強化複合材12−2と接着剤との接触面積や構造的な抵抗が増加し、継手と棒状繊維強化複合材12−2との接着力が向上し、得られる耐震補強材の引張強度の向上および安定性の観点より好ましい。
炭素繊維束×ストランド構造体=S方向×Z方向、S方向×S方向、Z方向×Z方向、Z方向×S方向、のいずれでも可能である。
例えば、炭素繊維を24000本束ねたもの(24k)1本を炭素繊維束として用いた棒状炭素繊維複合材12または棒状炭素繊維複合材12−1の場合には、ストランド構造体を構成する芯線の本数は2本〜50本程度であるとブレース材等の用途として好適である。
なお、棒状炭素繊維複合材12−2として、前記ストランド構造体をさらにより合せた、マルチストランド構造体であってもよい。
また、棒状繊維強化複合材12−2は、ストランド構造体やマルチストランド構造体の外周の全面を覆うように別途層(繊維材料からなる筒状体や樹脂層等)が設けられていてもよい。
ストランド構造体やマルチストランド構造体は撚られた芯線と芯線の間に埃等が付着しやすいが、これらの埃の付着を抑制することができる。
また、不燃性向上の観点からは、前記の全面を覆うように別途層は、ポリイミド樹脂やシリコーン樹脂や塩化ビニル樹脂を用いた樹脂層を設けるとよい。
また、意匠性の観点からは、全面を覆うように別途層として着色のための顔料などの着色剤を含む樹脂層を別途設けてもよい。
これらの樹脂層は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂いずれであっても用いることはできるが、固化剤として、熱可塑性樹脂を用いた場合には、別途層に用いられる樹脂も熱可塑性樹脂が好ましい。
また、本実施例における各種データは以下の方法で測定を行った。
棒状繊維強化複合材体および継手の直径(外径、内径)はノギスで測定した。
<質量>
棒状繊維強化複合材および継手を10cmに切断し、電子天秤を用いて質量を測定し、その値を10倍して、1m当たりの質量を求めた。また、実施例で得られた耐震補強材全体の質量も天秤を用いて測定した。
<密度>
JIS K7112:1999 A法(水中置換法)に準じて測定をおこなった。
引張強さおよび破断荷重は、インストロンジャパンカンパニリミテッドから供給されている5980フロア型高容量万能試験機 型式5985を使用し、2mm/minの条件で測定した。試料が破断したときの荷重(kN)を破断荷重とし、破断荷重を棒状繊維強化複合材の長さ方向に垂直に切断した断面積(有効断面積)で割ったものを引張強さ(MPa)とした。耐震補強材は、場所により太さが異なり、場所により断面積が異なるため破断荷重のみを測定した。
なお、耐震補強材の破断荷重を測定するため、継手に接続された棒状繊維強化複合材の継手から出ている部分を22cmの長さとなるように切断し、ねじを切った鋼管(長さ20cm、内径18mm、外径27mm)に当該棒状繊維強化複合材の継手に接続されていない端部を挿入し、ウレタン系接着剤を用いて鋼管と接合した。棒状繊維強化複合材の鋼管内に接合された長さは20cmであった。
当該鋼管と実施例1に記載の耐震補強材のボルト部を試験機のつかみ部分でつかみ引張強さおよび破断荷重を求めた。
当該鋼管を試験機のつかみ部分でつかみ棒状繊維強化複合材の引張強さおよび破断荷重を求めた。
24Kの炭素繊維束(PAN系炭素繊維。東レ株式会社製。T700SC。)を3本束ね、S方向に10回/m撚りをかけたもの1本を炭素繊維束として用い、拘束材としてガラス繊維を用い、製紐機(24打機)を用いて、8打ちの石目打にて、炭素繊維束の周りの全面を組紐状にガラス繊維で拘束した。
重合型の熱可塑性エポキシ樹脂(DENATITE XNR6850V、固形分85質量%、ナガセケムテックス株式会社製)100質量部、
硬化剤(DENATITE XNH6850V、固形分30質量%、ナガセケムテックス株式会社製) 6.5質量部、
メチルエチルケトン(MEK)10質量部
からなる溶液(粘度80mPa・s)にデッピングし、ダイスを通し、余分な溶液を除去するとともに、炭素繊維束の長さ方向に対し垂直に切断した際の断面形状が円形になるように形状を整え、拘束された炭素繊維束に対し、固化剤を付与した。その後、熱処理(150℃、20分間)を行うことで、前記重合型の熱可塑性エポキシ樹脂を重合させて、炭素繊維束と拘束材と熱可塑性エポキシ樹脂(固化剤)を一体化させて棒状繊維強化複合材を得た。
棒状炭素繊維複合材は、室温で直径100cmのドラムに3000m巻きとったところ、折れることなく、スムーズに巻き取ることができた。得られた棒状炭素繊維複合材を芯線として用いた。
得られた実施例1の棒状繊維強化複合材は、直径9mm、密度は1.6g/m3、質量は80g/mであった。破断荷重90kN、引張強さは1800MPa(有効断面積50mm2)であった。
なお、棒状繊維強化複合材の継手内に挿入され接着剤で接合された部分は15cmであった。また。ボルトの継手内に挿入され接着剤で接合された部分は、11cmであった。
また、破断荷重47kN(ボルト部が破断)であった。
また、今回の破断荷重と同等の強度を有する棒状の鋼材(実施例1に用いた鋼材製のボルト)のみからなる耐震補強材8mでは、その全体の質量が5.6kg以上となる。当該耐震補強材を20本まとめて運搬すると112kgとなり、重機なしには運搬できない。
3a〜3d 拘束材
10 耐震補強材
11 継手
11a 中空部
12,12−1,12−2 棒状繊維強化複合材(棒状炭素繊維複合材)
Claims (6)
- 繊維強化複合材からなる継手であり、両方の端部に中空部を有する管状物である継手と、
前記継手の一方の端部の中空部に挿入され、接合された第1の棒状繊維強化複合材と、
前記継手の他の一方の端部の中空部に挿入され、接合された金属製の材料とを有し、
前記第1の棒状繊維強化複合材が、固化剤により一体化された繊維束を含む芯線を撚り合わせたストランド構造体、または、前記ストランド構造体を撚り合わせたマルチストランド構造体であり、
前記継手と、前記第1の棒状繊維強化複合材および前記金属製の材料とが接着剤で接合されており、
前記接着剤がウレタン系接着剤であり、
前記固化剤が熱可塑性エポキシ樹脂であり、
破断荷重が、3〜300kNであり、
全体の質量が、5kg以下である耐震補強材。 - 前記継手の密度が、1.0〜5.0g/cm3である請求項1に記載の耐震補強材。
- 前記継手の質量が、50〜5000g/mである請求項1または2に記載の耐震補強材。
- 前記第1の棒状繊維強化複合材の密度が、1.0〜2.5g/cm3である請求項1から3のいずれか1項に記載の耐震補強材。
- 前記第1の棒状繊維強化複合材の質量が、2〜150g/mである請求項1から4のいずれか1項に記載の耐震補強材。
- 前記第1の棒状繊維強化複合材の引張強さが、100〜5000MPaである請求項1から5のいずれか1項に記載の耐震補強材。
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