(57)【要約】【課題】本発明はコンクリートなどで製作される構造物の補強材として構造物が軟性破壊されるように考案された混成ＦＲＰ補強材に関するものである。【解決手段】これのために本発明は内部芯材をくるむように配置された繊維補強ポリマー体を含む構造物の補強材として、前記内部芯材は繊維補強ポリマー体より降伏強度が低い中空管に形成され、前記繊維補強ポリマー体は内部芯材まわりを繊維補強ポリマー材質の縒られた糸（Ｙａｒｎ）を利用して全体的に内部芯材を螺旋形態でくるむように配置される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部芯材をくるむように配置された繊維補強ポリマー体を含む構造物の補強材として、
前記内部芯材は繊維補強ポリマー体より降伏強度が低い中空管に形成され、
前記繊維補強ポリマー体は内部芯材のまわりを繊維補強ポリマー材質の縒られた糸（Ｙａｒｎ）を利用して全体的に内部芯材を螺旋形態でくるむように配置されることを特徴とする混成繊維補強ポリマー補強材。
【請求項２】
前記中空管は繊維補強ポリマー管、金属管及び非金属管のうちいずれか一つで作られることを特徴とする請求項１記載の混成繊維補強ポリマー補強材。
【請求項３】
前記中空管は両端部から内部に充填材で充填され、充填されていない部分は中空に形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の混成繊維補強ポリマー補強材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鉄筋コンクリート構造物を含む構造物の内部または外部に設置されて構造物に作用する外部荷重に対して構造物が軟性破壊挙動するように機能する構造物用ＦＲＰ補強材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のコンクリート構造物においてコンクリートは圧縮には強いが引張には弱いので、引張応力が発生する部位に通常、鉄筋を配置させて引張応力を負担するようにしている。  即ち、コンクリートに作用する引張応力を鉄筋が負担するようにすることで、コンクリートと鉄筋、それぞれの材料的特性を最大に利用するコンクリート構造物の設計及び製作方法が利用されている。
このようなコンクリート構造物に使用される鉄筋は圧縮強度及び引張強度が大きくて、比較的に加工しやすい物性を有するので、コンクリート補強材として幅広く活用され、外部荷重によって降伏された後、追加的な応力の負担なしに変形率が増加する軟性的破壊挙動の特性を現わすので、コンクリートに配される鉄筋量を調節してコンクリート構造物の脆性破壊を防止することができる。
【０００３】
このような長所にもかかわらず、鉄筋はコンクリート被覆の損傷などの理由から外部に露出される場合、腐食が進行して構造物の耐久性が低下する恐れがあり、構造物の安全に深刻な影響をかけるだけではなく、相当の重量のため運び及び設置に多くの努力と費用が要求される問題があった。
【０００４】
よって、このような鉄筋を代替することができるコンクリート構造物の補強材の開発が要求されつつあり、このような要求を満足させることができるものの一つとして繊維強化ポリマー（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）で製造された補強材（以下「ＦＲＰ補強材」と称する）である。
前記 ＦＲＰ補強材は軽量であり、腐食されず、強度が大きくて、絶縁性が優秀であるのでコンクリート補強材として多様な形態で開発され、実用化されている。 一般に、ＦＲＰ補強材に使われる複合繊維は炭素繊維、アラミド繊維、ガラスファイバーなどがある。
特にコンクリート構造物用補強材として利用される ＦＲＰ補強材の場合、その利用形態及び適用対象によって多様な適用工法が開発され、それに当たるものにはシート型、板（ｌａｍｉｎａｔｅ）型及び鉄筋のようなバー（Ｂａｒ 又は Ｒｏｄ）型 ＦＲＰ補強材などがある。
【０００５】
例えば、「特許文献１」特開昭６４−２９２７６号公報には、樹脂含浸したガラスロービングを配して引抜成型する際、ガラスロービング層の外側に樹脂硬化により一体化される有機繊維を捲層し、この有機繊維層に樹脂を含浸せしめ、金属により所定のＦＲＰパイプを引抜成型し、この ＦＲＰパイプの外側にブナのつき板を捲層点着した ＦＲＰ製バーが記載されている。
しかし、このようなＦＲＰ補強材の材料的、構造的な長所にもかかわらず、外部荷重による破壊までの挙動を図示した応力（σ）-変形率（ε） グラフである図 1のように、炭素繊維を利用した炭素繊維ＦＲＰ補強材（Ａ）、アラミド繊維を利用したアラミド繊維ＦＲＰ補強材（Ｂ）及びガラス・ファイバーを利用したガラス・ファイバーＦＲＰ補強材（Ｃ）、それぞれは弾性挙動区間（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３）を経由して降伏（Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３）以後には脆性的な破壊挙動（応力曲線の急落）を示し、その利用において最大の障害物として指摘されて来た。
【特許文献１】特開昭６４−２９２７６号公報
【０００６】
そこで、望ましい混成 ＦＲＰ補強材（Ｄ）の応力（σ）-変形率（ε）のグラフである図 ２のようにＦＲＰ補強材の脆性的な挙動を防止し、軟性的な挙動を確保することができる混成ＦＲＰ補強材（Ｈｙｂｒｉｄ   Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）に関する技術開発が試みされた。 即ち、ＦＲＰ補強材の応力（σ）-変形率（ε）のグラフで混成ＦＲＰ補強材（Ｄ）の場合のように弾性挙動区間（Ｅ）では所定の傾きを有する直線形態で挙動するが、混成ＦＲＰ補強材の降伏（Ｙ）以後、塑性変形区間（Ｐ）には応力の変化がほとんどない水平線の形態で外部荷重に対して挙動する混成ＦＲＰ補強材の技術開発が試みされた。
図３は前記軟性的な挙動を確保することができる従来の混成ＦＲＰ補強材に関する技術を図示する。
前記、図３の混成ＦＲＰ補強材（１０）は炭素繊維などで内部が満たされた一方向内部芯材（Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｒｅ）を配置し、そのまわりに破断伸度が大きいアラミド繊維（またはガラス・ファイバー、１１）のような外部補強繊維（Ｅｘｔｅｒｉｏｒ Ｙａｒｎ）を螺旋形でくるむように形成されるＦＲＰ 補強バー（１０）である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図３に図示された従来の混成ＦＲＰ補強バー（１０）の場合、破断伸率の小さな内部芯材（１２）が外部荷重によって先に破断された後、螺旋形で縒られた外部補強繊維（１１）が反復的に部分的な破断及びスリップ（ＳｌｉＰ）が発生されながら追後応力を負担する形態の力学挙動に伴うので、図４のように 前記弾性変形区間（Ｅ）から塑性変形区間（Ｐ）へ行く段階で急激な応力曲線の下降が発生して全体的な混成ＦＲＰ補強材の破壊挙動が軟性破壊挙動の形態にならないので、図２のように望ましい混成ＦＲＰ補強材（Ｄ）として利用するには適当ではないという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためのもので、本発明はコンクリートなどで製作される構造物の補強材として、混成ＦＲＰ補強材の降伏（Ｙ）以後、塑性変形区間（Ｐ）を通しながら急激な応力変化なしに、ほとんど水平線形態に挙動して、外部荷重に対して軟性破壊挙動の様相を示す混成ＦＲＰ補強材を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は混成ＦＲＰ補強材として内部芯材（１１０）をくるむように配置された繊維補強ポリマー体（１２０）を含んで構成するが、前記繊維補強ポリマー体（１２０）より降伏強度が低い内部芯材（１１０）がまず、外部荷重によって降伏状態に到逹すると、追加的な応力の負担なしに内部芯材の変形率が大きくなって混成ＦＲＰ補強材が軟性的に挙動するようにし、さらに内部芯材（１１０）の降伏後には繊維補強ポリマー体（１２０）が外部荷重を負担するが螺旋形で縒られる繊維補強ポリマー体（１２０）が直径方向に内部芯材（１１０）に圧力を増加させて内部芯材（１１０）が坐屈などによって断面積（または直径）が減少されると繊維補強ポリマー体（１２０）も直径方向に変形を起こして追加的な応力の負担なしに変形率のみ大きくなることによって、結局、内部芯材の降伏及び内部芯材の断面積減少によって繊維補強ポリマーが追加的な応力の負担なしに変形率が増加されて混成ＦＲＰ補強材が外部荷重に対して軟性的に挙動するようにする。
図５は前記内部芯材（１１０）と繊維補強ポリマー体（１２０）で構成された本発明の混成ＦＲＰ補強材（１００）が外部荷重を受ける場合の力学的な挙動（破壊挙動）を第１段階乃至第４段階に分けて図示した応力-変形率グラフである。
【０００９】
第1段階は内部芯材（１１０）の降伏強度より小さな外部荷重が加えられることに伴って内部芯材（１１０）及び繊維補強ポリマー体（１２０）が線形で挙動（一定な弾性係数を有する）する直線形態の線形区間である。最終頂点（Ａ）にあたる応力が内部芯材の降伏強度である。
第２段階は内部芯材（１１０）が降伏する段階として内部芯材が降伏するに伴って追加的な応力の負担なしに、内部芯材の変形率が増加される区間である。最終頂点（Ｂ）にあたる応力は内部芯材が坐屈などによって直径方向に変形を起こす時点になる。
第３段階は内部芯材（１１０）の坐屈などのような物理的な変形によって追加的に繊維補強ポリマー体（１２０）が別途の応力の負担なしに変形が増加される区間である。即ち、内部芯材（１２０）を螺旋形態でくるんでいる繊維補強ポリマー体（１２０）が外部荷重を負担するによって内部芯材（１２０）に直径方向に圧縮応力が伝達され、これによって内部芯材（１１０）が局所的または全面的に坐屈などが発生されて断面積が減少され、これに伴って繊維補強ポリマー体（１２０）の断面積も減少されて繊維補強ポリマー体（１２０）の追加的な応力の負担なしに変形が増加される区間である。
従って、本発明の混成ＦＲＰ補強材（１００）は外部荷重に対して連続的（曲）線形態になって図２の混成ＦＲＰ補強材（Ｄ）のように外部荷重に対する十分な軟性破壊挙動を確保することができるようになる。最終頂点（Ｃ）にあたる応力は内部芯材の坐屈の終了する終点になり、この区間以後には繊維補強ポリマー体（１２０）自体が外部荷重による応力を負担することになる。
第4段階は内部芯材（１１０）の坐屈などのような物理的変形が終わった後、繊維補強ポリマー体（１２０）が外部荷重に対して応力を負担しながら最終的に破断に至る区間である。
即ち、本発明においては従来の混成ＦＲＰ補強材とは違い、内部芯材の物理的な変形によって繊維補強ポリマー体の応力の負担なしに変形が増加される区間を通すようになることで、全体的に図２のように望ましい混成ＦＲＰ補強材の外部荷重に対する応力-変形率曲線（Ｄ）を得ることができ、結果的に外部荷重に対して軟性破壊挙動で作用するようになる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によって降伏及び断面積（または直径）の減少が可能な内部芯材と繊維補強ポリマー体で構成された混成ＦＲＰ補強材を提供することで、既存のＦＲＰ補強材で製作されたバー（Ｂａｒ）、繊維補強板及び補強繊維シートとは違い、十分な軟性破壊挙動を確保することができて構造物の軟性破壊挙動を誘導することができるＦＲＰ補強材を提供することができる。
さらに、本発明の混成ＦＲＰ補強材を鉄筋代替用で利用する場合、鉄筋コンクリート構造物の耐久性を増進させることができ、構造物の補修、補強による経済的損失を節減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の望ましい一実施例をより詳細に説明する。
本発明の混成ＦＲＰ補強材（１００）は内部芯材（１１０）をくるむように配置された繊維補強ポリマー体（１２０）を含む構造物の補強材として、
前記内部芯材（１１０）は繊維補強ポリマー体より降伏強度が低い中空管に形成され、前記繊維補強ポリマー体（１２０）は内部芯材のまわりを繊維補強ポリマー材質の縒られた糸（Ｙａｒｎ）を利用して全体的に内部芯材を螺旋形態でくるむように配置される。
このような本発明のＦＲＰ補強材は混成繊維補強ポリマー補強材（Ｈｙｂｒｉｄ  ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ、以下 「混成ＦＲＰ補強材」）と指称する。  図６は本発明の混成ＦＲＰ補強材（１００）の一部の斜視図として全体的な形状がバー（Ｂａｒ）の形態で構成される。
前記内部芯材（１１０）は混成ＦＲＰ補強材（１００）の中央に配置され、そのまわりに形成された繊維補強ポリマー体（１２０）より降伏強度が低くて外部荷重に対して繊維補強ポリマー体（１２０）より先に降伏されて、追加的な応力の負担なしに変形率が増加される構造用鋼材の材料的な特性を有し、全体的な形状は混成ＦＲＰ補強材の利用形態によって変更できるが、望ましくは管（Ｐｉｐｅ）の形状に形成される。
【００１２】
前記内部芯材（１１０）は繊維補強ポリマー体（１２０）が外部荷重を負担しながら直径方向に発生して伝わる内部圧力によって局所的な坐屈などのようにその断面積が小くなる物理的な変形（直径または厚さの減少などのような断面積減少）が可能だとすると繊維補強ポリマー体（ＦＲＰ）、金属、非金属鋼材を全部含み、円形、四角形などその形状において制限がない。
望ましくはこのような内部芯材（１１０）として中が空いた円型鋼管または横長方向がもっと長い楕円形鋼管を使えば鋼材の材料的な特性及び局所坐屈のような物理的な変形を容易に確保することができるという長所がある。
本発明で内部芯材（１１０）は作用する外部荷重が内部芯材の降伏強度に到逹しながら発生される降伏段階以後、追加的な応力の負担なしに変形率が増加されることで外部荷重に対して混成ＦＲＰ補強材が軟性挙動ができるようにする役割をし、
さらに、その降伏が完了した後、内部芯材（１１０）を取り囲んでいる繊維補強ポリマー体（１２０）が作用する外部荷重を負担する段階で、内部芯材（１１０）は前記繊維補強ポリマー体（１２０）から直径方向に伝達される内部圧力によって、その厚さまたは直径が減少される物理的な変形、即ち、断面積の減少によって内部芯材（１１０）を取り囲んでいる繊維補強ポリマー体（１２０）の断面積が自然に減少されるようにすることで、繊維補強ポリマー体（１２０）が外部荷重によって応力を追加的に負担しなくても変形率が増加されるようにする役割をする。
【００１３】
即ち、本発明の内部芯材（１１０）はその自体の材料的な特性 降伏後応力の負担なしに変形率増加及び物理的な形状変形（伝達される内部圧力による断面積または直径減少）によって混成ＦＲＰ補強材が外部荷重に対する挙動で軟性破壊挙動をするようにする機能を有する。
前記繊維補強ポリマー体（１２０）はＦＲＰ補強繊維として炭素繊維、アラミド繊維またはガラス・ファイバーなどが縒られる糸の形態（Ｙａｒｎ）で内部芯材（１１０）のまわりを全体的に螺旋形で包むように形成される。さらに、前記３種類以上の補強繊維は一つまたは二つ以上の組合で形成されることができる。
このような縒られた糸（Ｙａｒｎ） 形態の補強繊維は単純に長さ方向で直線形態に配置されるのと比べて本発明の混成ＦＲＰ補強材に加えられるせんだん力に、より效率的に対応することができ、等しい量を基準として、より大きい破断伸率を確保することができるという長所がある。
また繊維補強ポリマー体（１２０）は板の形状の内部芯材（１１０）のまわりを全体的に螺旋形で取り囲むように形成されることができ、この場合は混成ＦＲＰ補強材をシートまたは板の形態で本発明を利用する場合である。
即ち、本発明の混成ＦＲＰ補強材（１００）は板（Ｐｌａｔｅ）の形態及びバー（Ｂａｒ）の形態、その他の多くの形態で製作、利用されることができる。
【００１４】
図７は本発明の混成ＦＲＰ補強材（１００）はバー（Ｂａｒ）の形態で所定の長さを有するように製作し、まるで鉄棒または鋼燃線を含む ＰＳＣ（Ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ  Ｃｏｎｃｒｅｔｅ） 鋼材のように両端部が油圧のジャッキのような引張手段によって引張された後、固定手段（２００）によって構造物（３００）に固定された状態を図示する。
【００１５】
この時、前記混成ＦＲＰ補強材（１００）の両端部は固定する手段（２００）を構成するコーン形状のウェッジ（２１０）によって固定具（２２０）に固定される。  本発明の混成ＦＲＰ補強材（１００）の内部芯材（１１０）は中空管形態に形成されて、前記固定時、端部に応力が局所的に集中されて結果的に内部芯材（１１０）の端部の破損される現象が発生する恐れがある。本発明ではそれを防止するため、内部芯材（１１０）の両端部に形成された中空に充填材（１３０）を形成させる。
前記充填材（１３０）は金属製または非金属製の棒を利用するか、或いは比較的に直径が小さな内部芯材の中空管に充填が容易くなるようにゲルの形態で存在していて、時間の経過、または加熱によって硬化される材料を利用することができ、望ましくはフッ素樹脂（ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙ  Ｔｅｔｒａ  Ｆｌｕｏｒｏ  Ｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＦＥＰ（Ｆｌｏｕｒｉｎａｔｅｄ  Ｅｔｈｙｌｅｎｅ  Ｐｒｏｐｈｙｌｅｎｅ）、ＰＦＡ（Ｐｅｒ  Ｆｌｕｏｒｏ  Ａｌｋｏｘｙ））のような材質の充填材を利用することが望ましい。
【００１６】
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明の繊維補強ポリマー体及び内部芯材を含む混成ＦＲＰ補強材はコンクリート構造物を建設する時、鉄筋または鋼燃線を代替することができる補強材として利用され、特にコンクリート構造物（ビーム、桁、補強板など）に引張応力が発生する部分に一定な収容溝を形成させ、収容溝の内部に本発明のＦＲＰ補強材を埋め立てた後、エポキシ樹脂などのような充填材で締めくくったり、コンクリート構造物の下部面に本発明の混成ＦＲＰ補強材を付着させる方式を利用すると、コンクリート構造物に外部荷重が作用して特定部位に引張応力が発生する場合、前記混成ＦＲＰ補強材が引張応力を負担するようになり、その破壊挙動を軟性破壊挙動に誘導することができる。さらに、本発明の混成ＦＲＰ補強材はコンクリート構造物のたわみが発生して、このようなたわみを補償することができる構造物の補強材として利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のＦＲＰ補強材の応力-変形率グラフである。
【図２】従来のＦＲＰ補強材の脆性破壊を防止するために開発しようとする望ましい混成ＦＲＰ補強材の応力-変形率グラフである。
【図３】従来の混成ＦＲＰ補強材の断面図である。
【図４】前記図３の混成ＦＲＰ補強材の応力-変形率グラフである。
【図５】本発明の混成ＦＲＰ補強材の力学挙動が示された応力-変形率グラフである。
【図６】本発明の混成ＦＲＰ補強材の一部の斜視図である。
【図７】本発明の混成ＦＲＰ補強材の両端部に充填材を満たした状態で固定手段によって構造物に固定された状態の切断面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１００  混成ＦＲＰ補強材
１１０  内部芯材
１２０  繊維補強ポリマー体
１３０  充填材
２００  固定手段
２１０  ウェッジ
２２０  固定具
３００  構造物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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