JP4242300B2 - 連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法 - Google Patents

Description

本発明は、面部材を補強するのに好適な連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法に関する。

図１０に示すように、ＲＣ（鉄筋コンクリート）面部材（壁部材）５０に面外方向（厚さ方向）Ｘの一定以上のせん断力が加わると、面部材５０にせん断ひび割れ５１が発生し、このせん断ひび割れ５１を境として面部材５０の上下部分が、左右に位置ずれするおそれがある。

そこで、従来は、図１１に示すように、面部材５０の表面にコンクリート５２を増設するか、或いは面部材５０の表面に鉄板５３を接着することによって、面部材５０の補強を行っていた。

また、図１２に示すように、面部材５０にボルト５４を貫通させ、このボルト５４の頭部５５とナット５６で面部材５０に固定することにより、面部材５０を補強することも行われていた。

しかしながら、従来の面部材の補強方法では、次のような問題があった。すなわち、面部材５０の表面にコンクリート５２を増設する方法（図１１参照）では、トンネルやボックスカルバートのように、作業スペースを広くとれない場所では、作業が困難になるという問題があった。

また、面部材５０の表面に鉄板５３を接着する方法（図１１参照）では、トンネルやボックスカルバートのように、狭い場所で作業を行う場合、鉄板５３を小さく分割して搬入し、これを狭い場所で溶接する必要があり、ケーブルの溶接火花からの養生などを含めて作業が困難になり、また溶接煙の発生などの問題があった。

更に、面部材５０にボルト５４を貫通させて固定する方法（図１２参照）では、面部材５０の両側で作業する必要があり、地中に埋設されたボックスカルバートのように外周側に作業スペースがないような場合には、適用できないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、作業スペースが狭い場所でも容易に作業でき、しかもコンクリート構造物の片側で全ての作業ができ、且つ補強効果のある連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法の提供を課題とする。

本発明は、前記課題を解決するため、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、コンクリート構造物の表面に連続繊維シートを貼付し、前記連続シートを前記表面に貼付する前又は後に、前記連続繊維シートを樹脂含浸させ、前記連続繊維シートを構成する各繊維の少なくとも二箇所を、固定手段によって前記コンクリート構造物に固定することを特徴とする。

本発明では、コンクリート構造物の表面が連続繊維シートによって拘束されているので、コンクリート構造物に面外方向（厚さ方向）のせん断力が作用してせん断ひび割れが発
生したときに、せん断ひび割れの上下の部分が面外方向に位置ずれするのを抑制できる。

また、連続繊維シートは小さく丸めて搬送でき、現場での溶接作業も不要なので、狭い場所でも容易に作業できる。更に、コンクリート構造物の片面に連続繊維シートを貼り付けて固定手段で固定するだけなので、コンクリート構造物の片側で全ての作業を完了できる。

ここで、上記連続繊維シートは、例えば縦横各１枚、合計２枚以上積層するのが好ましい。この場合は、局所的な応力集中を緩和する効果が期待できる。

前記連続繊維シートを構成する各繊維は、前記コンクリート構造物の表面に発生するせん断ひび割れに対して、連続繊維シートの最大強度を有効に活用できる略直交する方向に配置するのが望ましい。

前記連続繊維シートは、炭素繊維、アラミド繊維、又はガラス繊維などを使用できる。これらの連続繊維は、一方向若しくは二方向に繊維を配したもの、シートタイプは、プリプレグタイプ、織物タイプ、又はドライシートタイプ等何れでも良い。これらのシートは市販されており、入手が容易である。

前記補強繊維シートは、前記コンクリート構造物の一方の表面にのみ貼付し、固定手段で固定することによって、十分な補強効果を得ることができる。

前記連続繊維シートが貼り付けられた前記表面が、前記コンクリート構造物の他の表面に略直交している場合は、前記表面と前記他の表面との交差部にＬ型材を用いた固定手段を用いることが望ましい。

この場合は、Ｌ型材によって交差部の両側の面が拘束されるので、補強繊維シートを貼付した表面に面外方向の力が作用したときに、交差部の両側のコンクリート構造物における水平方向の変位を抑え、且つ交差部を基点としたせん断亀裂（ひび割れ）が発生するのを抑制できる。

前記固定手段は、前記補強シートの表面を押さえる板部材と、前記板部材を前記コンクリート構造物に固定するアンカーとで構成できる。この場合は、固定手段の構成を簡略化できると共に、多数の繊維を一箇所につき一枚の板部材で固定できる。

前記連続繊維シートの一方の端部を、前記Ｌ型材によって前記表面に固定できる。この場合は、各繊維を固定する板給材の数を減少できる。

前記連続繊維シートとしては、炭素繊維シート、アラミド繊維シート、ガラス繊維シートなどを例示できるが、これ以外の連続繊維シートも使用できる。また、前記コンクリート建造物としては壁部材を例示できるが、柱、床などにも本発明を適用できる。

更に、前記コンクリート構造物としては、地中に埋設されたボックスカルバートを例示でき、このボックスカルバートの側壁の内面に前記連続繊維シートを貼り付けて、固定手段で固定することにより、ボックスカルバートを補強できる。

ボックスカルバートの外周側は土などに囲まれているが、本発明ではその内側から内壁面に連続繊維シートを貼り付けて、固定手段で固定するだけで補強できる。

なお、上記の各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可
能である。

以上説明したように、本発明によれば、コンクリート構造物の表面に連続繊維シートを貼り付け、固定手段で固定するだけなので、溶接作業などが不要であり狭い場所でも容易に作業できる。

また、コンクリート構造物の片側で全ての作業を完了できるので、コンクリート構造物の片側に作業スペースがない場合でも、その反対側で全ての作業を完了できる。

以下、本発明に係る実施形態を添付した図１から図９に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る第１実施形態の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法を示す。

ここでは、コンクリート構造物である面部材（壁部材）１０の表面１１に、含浸接着樹脂などで連続繊維シート１２を貼付し、前記連続繊維シート１２を表面１１に貼付する前、又は後に、前記連続繊維シート１２に樹脂含浸させてＦＲＰ化し、この連続繊維シート１２を構成する各繊維１６（図２参照）の少なくとも二箇所、本例では四箇所を、固定手段１３によって面部材１０に固定する。

本例では、連続繊維シート１２として、炭素繊維によって構成された一方向シートを用いたが、アラミド繊維、ガラス繊維など他の繊維を使用することもできる。連続繊維シート１２は、そのせん断破壊耐力がコンクリートよりも高いものを使用する。

また、本例では、固定手段１３が、帯状のプレート１４と、面部材１０内に先端が埋設されたアンカー１５とで構成され、プレート１４を所定間隔をおいて設けたアンカー１５で面部材１０に固定するものを用いたが、これ以外の適宜な固定手段を使用できる。

プレート１４は、図２に示すように、連続繊維シート１２の全幅と略同一の長さを有しているが、プレート１４を所定間隔を置いて設けたアンカー１５で面部材１０に固定するものであれば、長手方向に複数に分割したものでも良い。即ち、プレート１４とアンカー１５の配置は、連続繊維シート１２が面部材１０に固定される様々な態様が含まれる。

プレート１４の連続繊維シート１２と接触する側の角部には、図３に示すように、丸みＲが設けられている。これにより、連続繊維シート１２がプレート１４の角部で切断されるのを防止できる。

また、図２に示すように、アンカー１５は、面部材１０に作用するせん断力の大きさなどの条件に応じて、適宜な数を適宜な間隔で設置する。また、アンカー１５は、拡径アンカー以外に樹脂アンカー、機械式アンカー、などを用いることもできる。

連続繊維シート１２を構成する各繊維１６は、面部材１０の表面１１に発生すると想定されるせん断ひび割れ１７に対して交差する方向に配置される。本例では、各繊維１６が、せん断ひび割れ１７に略直交する方向に配置されている。

また、面部材１０の一方の表面１１に連続繊維シート１２を固定手段１３で固定するだけで、十分な補強効果を得ることができる。

このように、本発明の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法においては、面部材１０の表面１１が連続繊維シート１２によって拘束されているので、面部材１０のせん断耐力が向上する。

これにより、面部材１０に面外方向（厚さ方向）Ｘのせん断力が作用して、表面１１にせん断ひび割れ１７が発生した場合でも、せん断ひび割れ１７の両側の部分が互いに反対方向に位置ずれするのを抑制できる。

また、連続繊維シート１２の各繊維１６が、面部材１０に発生すると予想されるせん断ひび割れ１７に対して交差する方向、本例では略直交する方向に配置されているので、せん断ひび割れ１７が発生した際に各繊維１６には引張力が作用する。これにより、連続繊維シート１２の特性、すなわち引張力に対する耐力が高いという特性を十分に活用できる。

更に、連続繊維シート１２の各繊維１６が、面部材１０に作用したせん断力によって発生すると予想されるせん断ひび割れ１７の両側で固定手段１３によって固定されているので、面部材１０にせん断力が発生しても連続繊維シート１２が面部材１０の表面１１から剥離するのを防止できる。これにより、連続繊維シート１２の補強効果が向上する。

また、連続繊維シート１２として使用した一方向プリプレグは、強度が高いだけでなく、一般に市販されているので、入手が容易であるため、工期の短縮及びコストダウンが可能である。

また、繊維補強シート１２は、面部材１０の表面１１にのみ貼り付けて固定するだけで十分な補強効果を得られるので、作業工数の低減及びコストダウンが可能になる。

なお、連続繊維シート１２を、面部材１０の両面に貼り付けて固定することもできる。この場合は、面部材１０の補強効果が更に高くなる。

更に、本発明は、小巻き可能な繊維補強シート１２の貼り付けと、アンカー１５の打ち込みをするだけであり、溶接作業を必要としないので、狭い場所でも作業できる。

また、面部材１０の表面１１側だけで補強作業を完了できるので、面部材１０の反対側に作業スペースがない場合でも、適用できる。

従って、本発明は、面部材を持つコンクリート構造物の補強に好適である。

（第２実施形態）
図４は、本発明に係る第２実施形態の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法を示す。なお、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付けて詳細な説明を省略する。

この第２実施形態においては、略Ｌ字型のコンクリート構造物２０の補強を行う場合について説明する。

コンクリート構造物２０は互いに直交する縦部材２１と横部材２２を有している。この場合は、まず、第１実施形態と同様に縦部材２１の一方の表面２１ａに、含浸接着樹脂などで連続繊維シート１２を貼り付ける。次に、連続繊維シート１２を固定手段１３で固定する。

固定手段１３は、連続繊維シート１２の下端から所定の寸法だけ上側の部分にのみ設ける。

次に、縦部材２１と横部材２２の交差部２６にＬ型材、本例では、アングル２３を配置する。このアングル２３は、縦部材２１に貼り付けられた連続繊維シート１２の上に配置する。

そして、アングル２３の両辺部を、アンカー２４，２５によって縦部材２１及び横部材２２に固定する。すなわち、連続繊維シート１２の下端部は、アングル２３及びアンカー２４によって、縦部材２１の表面２１ａに固定される。

図５に示すように、アングル２３の連続繊維シート１２と接触する角部に丸みＲが設けられている。

この第２実施形態においては、縦部材２１と横部材２２の両方にアングル２３が固定されているので、縦部材２１の水平方向変位を抑制でき、且つ、縦部材２１と横部材２２の交差部２６を基点としたせん断ひび割れが発生するのを抑制できる。これによって、縦部材２１のせん断破壊耐力の向上を図ることができる。従って、本発明は、トンネル、ボックスカルバートなどの補強に好適である。

（第３実施形態）
図６は、本発明に係る第３実施形態の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法を示す。なお、上記と同一の部分には同一の符号を付けて詳細な説明を省略する。

この第３実施形態では、逆Ｔ字状のコンクリート構造物３０を補強する場合について説明する。コンクリート構造物３０は、横部材３１の中央に縦部材３２が立設されている。

縦部材３２の一方の表面３３には、複数枚の連続繊維シート１２が含浸接着樹脂などで積層されて貼り付けられている。また、横部材３１と縦部材３２の交差部３４には、アングル３５が固定されている。

連続繊維シート１２の下端部は、固定手段１３とアングル３５によって縦部材３２に固定されている。

また、連続繊維シート１２の各繊維１６は、図７に示すように、横部材３１の上面３６に対して交差する方向、本例では略垂直方向に配置する。

図８は、連続繊維シート１２を縦部材３２の表面３３に貼り付ける際の施工方法を示す。ここでは、まず、縦部材３２の表面３３に下地処理４０を行い、その上にプライマー４１を塗布する。

プライマー４１の表面に凹部がある場合は、この凹部内にエポキシパティ４２を塗布して不陸修正工を行い、その後、エポキシパティ４２の全面に含浸・接着樹脂４３を下塗りする。続いて、連続繊維シート１２を貼り付け、その上に含浸・接着樹脂４４を上塗りする。この上に、順次連続繊維シート１２を貼り付ける。

この第３実施形態においては、連続繊維シート１２が複数枚、本例では３枚積層されているので、連続繊維シート１２が一枚の場合に比べて補強強度が高くなる。連続繊維シート１２の積層枚数が多いほど、補強強度も高くなる。

（第４実施形態）
図９は、本発明に係る第４実施形態の連続繊維シートを用いたボックスカルバートの補強方法を示す。

ここでは、地中に埋設されたボックスカルバート４５の側壁４６の内面４７に連続繊維シート１２を貼り付け、この連続繊維シート１２をプレート１４及びアンカー１５によって、側壁４６に固定する。なお、図９中の符号４８は、地盤である。

この第４実施形態では、ボックスカルバート４５の内側で補強作業を全て完了できるので、地盤４8の掘削作業などをする必要がなく、工事期間の短縮及びコストダウンが可能になる。

なお、連続繊維シート１２の上下両端部は、アングル（図示せず）を介して側壁４６に固定することもできる。

また、炭素繊維シートを面部材に貼り付けて固定すると共に、面部材（壁部材）と直交する他の部材との交差部にアングルを設置して固定し、面部材にせん断力を加えた結果、次の効果が確認された。

１．炭素繊維シートの効果
炭素繊維シートの効果は以下の通りであった。

（１）壁内面の曲げ補強効果を持ち、載荷初期において、曲げ耐力を向上させて壁内面からの曲げひび割れの発生を遅らせ、その結果、曲げひび割れから誘発されるせん断ひび割れの発生を遅らせることができる。

（２）壁外面に発生したひび割れ及びせん断ひび割れが上下のアンカーボルト間を水平方向に進展して、壁内面に至ることを抑制し、当該部でのせん断ひび割れの成長を抑制することができる。

（３）壁内面の主筋に沿うひび割れの進展による被りコンクリートの付着破壊と剥落を抑え、その結果、被りコンクリートの剥落部で発生する、曲げ圧縮破壊、及び主筋の座屈を遅らせることができる。

（４）炭素繊維シートは、壁内面の主筋が座屈して壁が破壊する直前まで、壁に発生する曲げモーメントによる引張応力と圧縮応力を負担することができる。

（５）繊維目付量３００ｇ／ｍ²の炭素繊維シート４枚の積層貼り付けは、載荷初期にひび割れの発生を遅らせる効果、および、壁表面に発生した曲げひび割れ、及びせん断ひび割れが上下のアンカーボルト間を壁内面に向かって水平方向に進展することを抑制する効果がある。

（６）繊維目付量３００ｇ／ｍ²の炭素繊維シート８枚の貼り付けは、曲げひび割れの発生を遅らせる効果、及び、壁外面に発生したまげひび割れ及びせん断ひび割れが上下のアンカーボルト間を水平方向に進展して壁内面に至ることを抑制する効果が、同４枚を貼付した場合の効果に比して、高いことを確認した。

２．壁内面に配置したアンカーの効果
壁内面に貼付した炭素繊維シートをコンクリート表面に固定する鋼板とアンカーボルト
の効果は、以下の通りであった。

（１）壁内面から鋼板（幅６５ｍｍ×厚さ６ｍｍ×長さ１０００ｍｍ）を介して、ケミカルアンカー（直径１６ｍｍ×長さ１００ｍｍ、直径２５ｍｍ×長さ１９５ｍｍ）を一定の間隔（縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ）で配置し、又は拡径アンカー（直径１３ｍｍ×長さ２８０ｍｍ）を一定の間隔（縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍ）で配置した結果、壁内面の被りコンクリートの剥落と主筋の座屈を防止できることを確認した。

この結果、壁の破壊モードを、補強前において壁内面での被りコンクリート剥落と主筋座屈の先行から、補強後において壁外面（表面）での被りコンクリート剥落と主筋座屈の先行へ移行させることができる。

３．アングルの効果
（１）作用水平力による壁内面方向への水平移動によるせん断ひび割れ幅の拡大を抑止し、これによって壁内外面での被りコンクリートの剥落と主筋の座屈を遅らせることができる。

（２）アングル（一辺１２０ｍｍ×一辺１２０ｍｍ×長さ１０００ｍｍ）をフーチングに固定するために配置した鉛直方向ケミカルアンカー（直径１６ｍｍ×長さ１３０ｍｍ、間隔１２５ｍｍ）は、作用水平力による壁内面方向への水平移動によるせん断ひび割れの拡大を抑止した。

また、フーチング内へ進展しアンカーボルト下端を通るせん断ひび割れは、壁内面の下端に曲げ引っ張りが作用するときにおいて、上下方向に開口してアンカーボルトを浮き上がらせ、その結果、アングルによる鉛直方向の引っ張り抵抗を減少させて、炭素繊維シートがアングルから剥離する進行度を緩和した。

（３）アングル（一辺１２０ｍｍ×一辺１２０ｍｍ×厚さ８ｍｍ×長さ１０００ｍｍ）をフーチングに固定するために配置した。鉛直方向アンカー（直径２５ｍｍ×長さ１９５ｍｍ、間隔１２５ｍｍ、又は直径１６ｍｍ×長さ２４０ｍｍ、間隔１２５ｍｍ）は、作用水平力による壁内面方向への水平移動によるせん断ひび割れの拡大を抑止し、同時に、せん断ひび割れが鉛直方向アンカーボルトの下端を通って、フーチング内へ進展することを抑止する効果をもたらしたといえる。

せん断破壊した壁体が内側へ大きく水平移動して構造物が急激に破壊することを抑止する目的で、壁下端に接して基部フーチングに設置したアングル、および、これをフーチングに固定するために使用したアンカーボルトの効果は、以下の通りであった。

（４）せん断破壊した壁体が内側へ大きく水平移動して構造物が急激に破壊することを抑止する。

第１実施形態に係る連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法を示す概念図である。 図１のＡ矢視図である。 第１実施形態に係るプレートの端部に設けられた丸みを示す概念図である。 第２実施形態に係る連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法を示す概念図である。 第２実施形態に係るアングルの端部に設けられた丸みを示す概念図である。 第３実施形態に係る連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法を示す概念図である。 図６のＢ矢視図である。 第３実施形態に係る連続繊維シートの貼り付け施工の手順を示す概念図である。 第４実施形態に係るボックスカルバートの補強方法を示す概念図である。 面部材に面外方向の力が加わったときに発生するせん断ひび割れを示す概念図である。 従来例に係る面部材の補強方法を示す概念図である。 従来例に係る面部材の補強方法の別の例を示す概念図である。

符号の説明

１０ 面部材
１１ 表面
１２ 連続繊維シート
１３ 固定手段
１４ プレート
１５ アンカー
１６ 繊維
１７ せん断ひび割れ
２０ コンクリート構造物
２１ 縦部材
２１ａ 表面
２２ 横部材
２３ アングル
２４ アンカー
２６ 交差部
３０ コンクリート構造物
３１ 横部材
３２ 縦部材
３３ 表面
３４ 交差部
３５ アングル
３６ 上面
４０ 下地処理
４１ プライマー
４２ エポキシパティ
４３，４４ 接着樹脂
４５ ボックスカルバート
４６ 側壁
４７ 内面
４８ 地盤
５０ 面部材
５１ せん断ひび割れ
５２ コンクリート
５３ 鉄板
５４ ボルト
５５ 頭部
５６ ナット

Claims (9)

1. コンクリート構造物の表面に連続繊維シートを樹脂を用いて貼付し、
   前記連続繊維シートを前記表面に貼り付ける前又は後に、前記連続繊維シートを樹脂含浸させ、
   前記連続繊維シートを構成する各繊維の少なくとも二箇所を、固定手段によって前記コンクリート構造物に固定する連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法であって、
   前記連続繊維シートを構成する各繊維は、前記コンクリート構造物の表面に発生すると想定されるせん断ひび割れに対して交差する方向に配置され、
   前記各繊維は前記せん断ひび割れを挟んだ二箇所を前記固定手段によって前記コンクリートに固定することを特徴とする連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
2. 前記連続繊維シートは２枚以上積層されていることを特徴とする請求項１に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
3. 前記連続繊維シートは、炭素繊維、アラミド繊維、又はガラス繊維などの連続繊維からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
4. 前記補強繊維シートは、前記コンクリート構造物の一方の表面にのみ貼り付けることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
5. 前記連続繊維シートが貼り付けられた前記表面は、前記コンクリート構造物の他の表面に略直交して設けられ、
   前記表面と前記他の表面との交差部にＬ型材が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
6. 前記固定手段は前記連続繊維シートの表面を押さえる板部材と、前記板部材を前記コンクリート構造物に固定するアンカーとを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
7. 前記連続繊維シートの一方の端部が、前記Ｌ型材によって前記表面に固定されていることを特徴とする請求項５に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
8. 前記コンクリート建造物は壁、床、天井などの面部材を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。
9. 前記コンクリート構造物はボックスカルバートであり、前記連続繊維シートは、前記ボックスカルバートの側壁における内面に貼り付けられることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の連続繊維シートを用いたコンクリート構造物の補強方法。

Images