(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強すべき水圧管の形状に合わせて予め成型された繊維強化樹脂(ＦＲＰ)を、当該繊維強化樹脂の開口部を利用して当該水圧管に取り付ける取り付け工程と、
前記取り付け工程の前後にて前記水圧管と前記繊維強化樹脂との間に接着剤を塗布または充填剤を注入する接着剤塗布/充填剤注入工程と、
前記水圧管に対して前記繊維強化樹脂を取り付けた後に前記開口部を閉合する閉合工程と、を有し、
前記繊維強化樹脂は、前記開口部における当該繊維強化樹脂の端部から予め繊維が出されており、
前記閉合工程は、前記繊維に対して機械継手を用いて閉合することを特徴とする水圧管補強方法。
【請求項２】
前記繊維強化樹脂は可撓性を備える非硬化部を一部に備え、
前記取り付け工程は、前記非硬化部を利用して前記繊維強化樹脂を押し広げて前記水圧管に取り付けることを特徴とする請求項１記載の水圧管補強方法。
【請求項３】
前記閉合工程は、前記開口部を覆う補強材を用い、前記繊維強化樹脂に当該補強材をオーバーラップさせて接着させることを特徴とする請求項１記載の水圧管補強方法。
【請求項４】
前記繊維強化樹脂を取り付けて前記開口部を閉合した後、予め成型された他の繊維強化樹脂を当該繊維強化樹脂に取り付ける工程を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の水圧管補強方法。
【請求項５】
補強すべき水圧管の外周に沿う形状にて予め成型された繊維強化樹脂部と、
前記繊維強化樹脂部の端部に設けられ、前記水圧管に当該繊維強化樹脂部を取り付けた後に閉合される閉合部と、を備え、
前記閉合部は、機械継手による閉合に際して用いられる繊維を前記繊維強化樹脂部の前記端部から突出させており、
前記繊維強化樹脂部および閉合された前記閉合部により、前記水圧管に作用する応力に対して当該水圧管を補強することを特徴とする水圧管補強部材。
【請求項６】
前記繊維強化樹脂部が前記水圧管に取り付けられる際に要求される可撓性を備える非硬化部を設けたことを特徴とする請求項５記載の水圧管補強部材。
【請求項７】
補強すべき水圧管の外周に沿う形状にて予め成型され、
前記水圧管に取り付けられる際、押し広げられるために必要な所定の可撓性を有し、
前記水圧管に成型部分を取り付けた後に閉合されて、当該水圧管に作用する応力に対して当該水圧管を補強する水圧管補強のための繊維強化樹脂であって、
前記繊維強化樹脂の端部からは、機械継手による前記閉合に際して用いられる繊維が突出されていること特徴とする繊維強化樹脂。
【請求項８】
前記繊維強化樹脂は、炭素繊維強化樹脂であることを特徴とする請求項７記載の水圧管補強のための繊維強化樹脂。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水圧管の補強方法等に関し、より詳しくは、現場作業を大きく軽減させる水圧管の補強方法等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素(カーボン)やガラス、アラミド等の強化繊維を用いた繊維強化樹脂(ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics)は、高強度、軽量等の特色を生かして、各種スポーツ用品や航空機産業等に広く用いられている。また、近年、建設分野においても、橋脚、地下鉄の中柱、鉄筋コンクリート構造物の柱等の補強材として、例えばカーボン繊維強化樹脂(ＣＦＲＰ)の適用が試みられている。例えば、特開平１０−２８０７０６号公報には、構造物の柱に設けられた２枚の補強鋼板の離間部分に、炭素繊維シートを貼り付け、補強を強化する技術が開示されている。
【０００３】
一方、我が国にて現在運転中の水力発電所では、水圧管として水圧鉄管が広く用いられている。この水圧鉄管の代表的な損傷モードとしては、腐食・磨耗による管胴板厚の減少が挙げられるが、既に余裕厚を割り込んだ水圧鉄管が利用されている場合もあり、延命化手法の確立が強く望まれている。従来、水圧鉄管の老朽化が著しい場合には、取替新設が行なわれることが多かったが、近年における電力需要の伸びの低迷、電力市場の自由化など、電力事業環境が激しい中で、電力事業者からは、より短工期でより安価な延命化手法が要求されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる現状を踏まえ、鉄筋コンクリート部材の補修・補強に数多くの実績があり、自重増加が少なく、耐食性に優れており、更に鋼管と同程度の強度を発揮できるＣＦＲＰを用い、水圧鉄管に対しても鉄筋コンクリート部材と同様に補強することができれば、電力事業者の要求に対する有効な回答となり得る。ここで、炭素シートを水圧鉄管の補修に応用するものとして、文献１(電力土木No.262 1996  酒井研二他著、「炭素繊維の水圧鉄管補修技術への応用」)には、水圧鉄管の表面を清掃した後、炭素繊維シートをエポキシ樹脂により接着し、炭素繊維シートの表面からエポキシ樹脂を含浸、硬化させて、水圧鉄管を補修する技術について示されている。
【０００５】
しかしながら、文献１に示されている補修方法は、従来における一般の橋脚補強と同様であり、補強作業現場にてシートを広げて貼り付け、樹脂を含浸させて硬化(ＦＲＰ化)させている。これでは、樹脂の含浸に手間がかかり、炭素繊維シートの各層ごとに養生期間が必要となることから、現場での施工期間が長期化してしまう。
【０００６】
また、橋脚の作業現場とは異なり、水圧鉄管が設けられている現場は足場も悪く、例えば山場に設けられて鉄管が斜めになり、かつ、その周囲が非常に狭い。そのために、繊維シートの貼り付け時にバラツキが大きくなり、例えば、含浸時に樹脂厚のむら等が生じてしまう。その結果、補強部材としての品質が非常に悪くなり、補強性能の低下を招くこととなる。
【０００７】
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、一般に作業が困難である水圧管の補強工事に際し、現場での工期を大幅に短縮することにある。
また、他の目的は、水圧管における補強部材としての製品品質を飛躍的に向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的のもと、本発明では、現場での作業が困難な水圧管の補強に際し、既に硬化された部分を有するＦＲＰ成型品を工場にて製造し、現場に提供することで、現場作業を大幅に削減し、更に高品質な補強を提供している。即ち、本発明が適用される水圧管補強方法は、補強すべき水圧管(例えば水圧鉄管)の形状に合わせて予め成型された例えば炭素繊維強化樹脂(ＣＦＲＰ)等の繊維強化樹脂(ＦＲＰ)を、この繊維強化樹脂の開口部を利用して、例えば繊維強化樹脂の有する可撓性により繊維強化樹脂を押し広げて水圧管に取り付ける取り付け工程と、取り付け工程の前後にて水圧管と繊維強化樹脂との間に接着剤を塗布または充填剤(接着剤不要)を注入する接着剤塗布/充填剤注入工程と、この水圧管に対して繊維強化樹脂を取り付けた後に、この開口部を繊維強化樹脂の端部から予め出された繊維に対して機械継手を用いて閉合する閉合工程とを有することを特徴としている。
【０００９】
ここで、この繊維強化樹脂の取り付け工程では、繊維強化樹脂の可撓性を利用して押し広げる場合の他、繊維強化樹脂の一部に別に設けられた繊維部や半硬化部等の可撓性を利用して取り付けることが可能である。
【００１０】
また、繊維強化樹脂は、開口部を覆う補強材をオーバーラップさせて接着させることで接合を強化することもできる。これら取り付け、閉合を複数回、繰り返し、複数層からなる繊維強化樹脂により補強を図ることも可能である。
【００１１】
一方、本発明が適用される水圧管補強部材は、補強すべき水圧管の外周に沿う形状にて予め成型された繊維強化樹脂部と、この繊維強化樹脂部の端部に設けられ、機械継手による閉合に際して用いられる繊維を前記繊維強化樹脂部の端部から突出させていると共に、水圧管に繊維強化樹脂部を取り付けた後に閉合される閉合部とを備え、繊維強化樹脂部および閉合された閉合部により、水圧管に作用する応力に対して水圧管を補強することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明は、繊維強化樹脂として把握することができる。即ち、本発明が適用される水圧管補強のための繊維強化樹脂は、補強すべき水圧管の外周に沿う形状にて予め成型され、水圧管に取り付けられる際、押し広げられるために必要な所定の可撓性を有し、水圧管に成型部分を取り付けた後に閉合されて、水圧管に作用する応力に対して水圧管を補強する繊維強化樹脂であって、繊維強化樹脂の端部からは、機械継手による閉合に際して用いられる繊維が突出されていることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における水圧管補強方法が実行される鉄管構造の一例を示す図である。ここでは、水力発電所に設けられる水圧鉄管が示されており、山間の斜面に設けられている。本実施の形態における鉄管構造では、鉄管(水圧鉄管)１がリングガーダ２によって支持されており、全長で数百メートル(例えば約５００ｍ)の構造を有している。鉄管１は、例えば、材質ＳＳ３４相当、板厚が約９ｍｍ(例えば６.３ｍｍ〜１１.１ｍｍ)、内径が１.５ｍ〜２ｍの管であり、リングガーダ２間の長さは各々が１０ｍ〜２０ｍ程度である。
【００１４】
水力発電に用いられる水圧鉄管には内圧が働き、円周方向や管軸方向にひずみが生じる。内圧に対しては円周方向の応力が最も大きく発生し、その応力は水力発電所における水圧によって異なる。無補強の状態における鉄管１の円周方向発生応力σは、内圧をｐ、内径をＤ、鉄管１の板厚をｔsとすると、
σ＝ｐＤ / ２ｔs
で表すことができる。
【００１５】
一方、水力発電に長期間、水圧鉄管を用いると、経過年数に応じて腐食が進む。水圧鉄管の代表的な損傷モードとしては、腐食・磨耗による管胴板厚の減少が挙げられる。この腐食の程度は、設備利用率によっても異なるが、水力発電所の水系によっても腐食の程度が異なる。
【００１６】
このような水圧鉄管における管胴板厚の減少に対し、本実施の形態では、ＰＡＮ系の炭素繊維強化樹脂(ＣＦＲＰ)を鉄管１の表面に接着し、鉄管１の補強を行なう。補強管の発生応力σ'は、上述の文献１によれば、
σ' ＝ λσ
λ ＝ ｔsＥs / (ｔsＥs＋ＮｔTＥT)
で表すことができる。ここで、Ｅsは鉄管１の弾性係数、ｔTはシート一層あたりの厚さ、ＥTはシートの弾性係数、Ｎはシートの補強総数である。
【００１７】
ここで、鉄筋コンクリート部材の補修・補強を含む、一般に行なわれるＣＦＲＰによる補強では、例えば、被補強部材に対する清掃等の下地処理の後、プライマーを塗布し、凹凸の修正である不陸修正、墨出しが行なわれた後、接着剤が塗布される。その後、炭素繊維シートが貼り付けられ、樹脂の含浸、脱泡によるＣＦＲＰ工程が行なわれる。形成されたＣＦＲＰの上に接着剤塗布工程、シート貼り付け工程、ＣＦＲＰ工程が必要回数、繰り返されて、最後に仕上げ工程を経て、補強のための一連の工程が終了する。
【００１８】
このような一般に行なわれているＣＦＲＰによる補強では、樹脂の含浸に手間がかかり、各層ごとに養生期間が必要となることから、現場での施工時間が長くなる。特に、水力発電の現場では、作業のための足場が悪く、長時間の作業を行なうことは困難である。更に、作業現場が山間となることから、炭素繊維シートの貼り付けに必要な広いスペースを確保することができず、従来の工法を適用することができない。本実施の形態では、かかる問題点に対処するために、鉄管１の形状に沿う寸法にてＣＦＲＰ成型品を予め工場にて製作し、現場作業を少なくすることによって、現場の工期短縮と、製品の品質向上を図っている。
【００１９】
図２(ａ),(ｂ)は、本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第１の例を示す図であり、図２(ａ)は工場から出荷される水圧鉄管補強部材の成型品を示し、図２(ｂ)は鉄管１に取り付けられた状態を示している。図２(ａ)に示すように、この第１の例では、開口部(閉合部)１２を有するＣＦＲＰ成型品(繊維強化樹脂部)１１を備え、例えば肉厚２ｍｍで構成される。また製作効率等を考慮して、例えば肉厚約０.５ｍｍシートを４層重ね、工場にてＦＲＰ化されることも好ましい。ＣＦＲＰ成型品１１は、鉄管１の外形形状(鉄管径)を考慮して成型される。例えば内径が１.６ｍの鉄管１であれば、その内径１.６ｍに鉄管１の肉厚(例えば９ｍｍ)を考慮して、ＣＦＲＰ成型品１１の管における内径が決定される。更に、成型品の軸方向の長さは、補強したい鉄管１の形状等に依存するが、１０ｍ〜２０ｍであれば、工場から現場までの運搬・搬送にも支障とならない点で優れている。
【００２０】
開口部(閉合部)１２は、現場にて鉄管１を取り付けるために設けられる。ＣＦＲＰ成型品１１は、現場にて鉄管１を取り付けて覆う必要性から、管としては閉合していないものである。ＣＦＲＰ成型品１１の撓み、即ち、ＣＦＲＰ成型品１１の有する可撓性を利用して、開口部(閉合部)１２が押し広げられ、図２(ｂ)に示すように、接着剤が塗布された鉄管１に取り付けられる。鉄管１と成型品であるＣＦＲＰ成型品１１とは、基本的に接着剤を塗布しておくか、閉合時に注入する充填剤(樹脂)にて接着することができる。
【００２１】
また、図２(ａ)に示すように、開口部(閉合部)１２には、ＣＦＲＰ成型品１１の端部から、複数層からなる繊維１３が突出されている。この繊維１３は、後述するように、例えば、ＣＦＲＰ成型品１１の取り付け後に開口部(閉合部)１２を閉合する際、１層毎に接着剤を用いて重ね合わされ、下層から順番に樹脂が含浸される。この繊維１３を全て接着し、含浸することで、鉄管１の外周をＦＲＰ構造で覆うことが可能となる。このように図２(ａ)に示す水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)によれば、成型品を製作する際の加工性が高く、また、現場での工程を非常に簡素化することができる。
【００２２】
尚、後述する他の例でも同様であるが、ＣＦＲＰ成型品１１の軸方向の端部(図示せず)にも同様な繊維(図示せず)を設け、水圧鉄管補強部材を連結させて同様に閉合することで、軸方向に生じる応力に対しても対処できるように構成することも可能である。また、接着剤としては、エポキシ樹脂やビニールエステル等が用いられる。
【００２３】
図３は、本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第２の例を示す図である。ここでは、工場にて作成された複数のＣＦＲＰ成型品(例えば第１ＣＦＲＰ成型品２１および第２ＣＦＲＰ成型品２２)を現場にて重ね合わせ、それぞれを接着させて補強するものであり、図３では、現場にて取り付けられた状態を示している。即ち、まず、図２に示した第１の例と同様に、鉄管１に接着剤を塗布した後、最も下層となる成型品(図３では第１ＣＦＲＰ成型品２１)を鉄管１にはめ込み、開口部に樹脂を含浸させて閉合する。その後、閉合された成型品(図３では第１ＣＦＲＰ成型品２１)の外側に接着剤を塗布した後、例えば１８０度ずらせた方向から次の成型品(図３では第２ＣＦＲＰ成型品２２)をはめ込み、開口部に樹脂を含浸させて閉合する。
【００２４】
この図３では、説明上、２枚の成型品(第１ＣＦＲＰ成型品２１および第２ＣＦＲＰ成型品２２)だけを示しているが、更に複数枚の成型品を重ねることが可能である。例えば、０.５ｍｍの肉厚の成型品を４層、重ね、ＣＦＲＰとして０.５×４＝２ｍｍの肉厚を得る等である。特に、図２(ａ)に示すような１枚の成型品では、板厚が厚くなり押し広げることができないような場合に、図３に示すような可撓性の高い、薄い肉厚の水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)を複数枚、用いれば、現場での取り付け作業が容易となる。
【００２５】
図４(ａ),(ｂ)は、本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第３の例を示す図である。この第３の例では、ＣＦＲＰ成型品の硬化された部分を分断して可撓性の高い変形可能箇所を設け、鉄管１への取り付け性能を向上させた点に特徴がある。図４(ａ)では、ＣＦＲＰ成型品が備える複数の硬化部３１の間に未含浸部分である繊維部３３を設け、鉄管１にＣＦＲＰ成型品を装着する際に、繊維部３３の可撓性を利用して開口部３２を押し広げるものである。また、図４(ｂ)では、図４(ａ)に示した繊維部３３の代わりに、完全に硬化されていないプリプレグ状態にある未硬化部分である半硬化部３４を設け、半硬化部３４の有する可撓性を利用して開口部３２を押し広げることができるように構成されている。尚、開口部３２の構成は、図２(ａ)に示した開口部１２と同様で構わないが、変形可能箇所が別に設けられていることから、その大きさ(弧の長さ)を小さくすることが可能である。
【００２６】
図４(ａ)に示す例では、鉄管１に取り付けた後、繊維部３３に樹脂を浸み込ませてＦＲＰ化させる。即ち、未含浸部分については、各層の繊維は連続しているので、鉄管１に取り付けた後、現場にて全層をまとめて含浸する。また、図４(ｂ)に示す例では、鉄管１に取り付けた後、現場にて半硬化部３４を例えば加熱することによって硬化させる。この図４(ａ),(ｂ)に示す例によれば、径の大きな鉄管１への適用性に優れ、形状保持が容易であると同時に、現地での取り付け作業が容易となる点に特徴がある。また、図４(ｂ)では、図４(ａ)の繊維部３３だけでは切断の恐れがある場合等に、特に有効である。
【００２７】
図５は、本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第４の例を示す図である。この第４の例では、半割れ等、複数の成型品を組み合わせる点に特徴がある。即ち、図５に示すように、鉄管１の外径に合わせて形成され、鉄管１の外周を何等分かに分断するように設計されたＣＦＲＰ成型品４１を、複数個用いている。この複数個のＣＦＲＰ成型品４１を、例えば接着剤によって鉄管１に取り付ける。その後、ＣＦＲＰ成型品４１の端部にもうけられた繊維４２の部分を接着、含浸させることで、鉄管１に対する補強を図っている。
【００２８】
図５に示す第４の例では、ＣＦＲＰ成型品４１を製造した工場から作業現場までの運搬性が大きく向上する。また、保管等に際しても場所を取らない。更には、可撓性部分に依存せずに鉄管１に取り付けることが可能であり、現場での取り付け作業性を向上させることができる。
【００３０】
次に、成型品における端部の間の閉合について説明する。上述した第１の例〜第４の例では、閉合する成型品の端部から予め繊維を出しておき、現場で樹脂を含浸して閉合する。その閉合時の繊維の連続方法としては、機械的継手による閉合方法、オーバーラップ繊維による閉合方法等が考えられる。
【００３２】
図６(ａ),(ｂ)は、機械継手による閉合方法の一例を示した図であり、同様に、図２〜図５に示した成型品の円周方向における開口部(１２等)を詳細に示したものである。ＣＦＲＰ成型品８１の各層から突出する繊維８２の先に、スナップ等の機械継手８３を設け、各層の各端部ごとに繊維８２を機械継手８３で接続している。図６(ｂ)に示すように、この機械継手８３により接続された繊維８２の間に、樹脂を入れて含浸することで、現場における閉合が可能となる。この機械継手８３によれば、接合部の強度を高く保つことが可能となる。
【００３３】
図７は、オーバーラップ繊維による閉合方法の一例を示した図である。ここでは、６層のＣＦＲＰからなるＣＦＲＰ成型品９１と、その端部から１層おきに繊維が突出している。１層おきとしたのは、例えば織物の場合には、厚みがあり、全ての層を突出させると、その部分だけ厚みが増してしまうためである。図７に示す例では、ラップ区間にて交互に繊維を布設し、１〜２層ごとに含浸している。そして、最後にオーバーラップ繊維９２を接着する。このオーバーラップ繊維９２によるオーバーラップ区間を設けることで、接合部の強度を高めることが可能となる。
【００３４】
尚、通常の水圧鉄管は、周方向の応力が支配的であるため、本実施の形態では、円周方向の補強を中心に説明した。軸方向に補強が必要か否かは、鉄管の種類によって異なり、必要なければ、そのままＣＦＲＰ成型品を沿わせるだけでよい。しかし、軸方向の応力も作用し、これを補強するためには、相応する軸方向補強をＦＲＰを用いて行なうことができる。この軸方向の閉合であるが、図６および図７にて説明したような閉合方法によって閉合する他に、単にオーバーラップのための繊維を含浸させてＦＲＰ化させることによって閉合しても良い。
【００３５】
以上詳述したように、本実施の形態では、工場にて鉄管１の径に合うＦＲＰ成型品を作成し、そのＦＲＰ成型品を鉄管１に取り付けた後の閉合を現場にて行なうように構成した。これによって、山間の急傾斜に設けられた水圧鉄管に対して、現場での作業を大きく削減した状態にて、水圧鉄管の補強を行なうことが可能となる。
【００３６】
尚、上述の説明では、炭素(カーボン)を用いたＦＲＰであるＣＦＲＰの成型品を用いる例を挙げて説明したが、必要に応じて、ガラス(Ｇ)、アラミド、ボロン、炭素珪素、ウィスカー(黒鉛、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックウィスカー、鉄、ニッケル、クロムなどの金属ウィスカー)、ポリエチレン等の繊維からなるＦＲＰによって補強することも可能である。但し、ＣＦＲＰであれば、軽量であると共に高弾性率が得られ、第一に剛性を確保し、第二に強度を確保するといった水圧鉄管の補強目的には、非常に適している。また、必要に応じて、例えば最下層(最内層)に電食防止のＧＦＲＰ、最上層(最外層)に衝撃吸収のためのＧＦＲＰを配置する等、適宜、最適なＦＲＰを選定することも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、一般に作業が困難である水圧管の補強工事に際し、現場での工期を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における水圧管補強方法が実行される鉄管構造の一例を示す図である。
【図２】(ａ),(ｂ)は、本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第１の例を示す図である。
【図３】本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第２の例を示す図である。
【図４】(ａ),(ｂ)は、本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第３の例を示す図である。
【図５】本実施の形態が適用された水圧鉄管補強部材(繊維強化樹脂)の第４の例を示す図である。
【図６】(ａ),(ｂ)は、機械継手による閉合方法の一例を示した図である。
【図７】オーバーラップ繊維による閉合方法の一例を示した図である。
【符号の説明】
１…鉄管(水圧鉄管)、２…リングガーダ、１１…ＣＦＲＰ成型品(繊維強化樹脂部)、１２…開口部(閉合部)、１３…繊維、２１…第１ＣＦＲＰ成型品、２２…第２ＣＦＲＰ成型品、３１…硬化部、３２…開口部、３３…繊維部、３４…半硬化部、４１…ＣＦＲＰ成型品、４２…繊維、８１…ＣＦＲＰ成型品、８２…繊維、８３…機械継手、９１…ＣＦＲＰ成型品、９２…オーバーラップ繊維
【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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