(57)【要約】      （修正有）【課題】長さ約300ｍの2本の湾曲支柱による大屋根の建設費用及び建築物の耐久劣化のメンテナンス費用削減に関して、強化繊維では高張力が非常に大きいが、一方向体であるため、巨大な構造物を作るのが困難であった。工事費用が既存の鋼材からなるボックス構造体に比べて約1/10で、メンテナンスは40年間フリーとなり、さらに工事期間は2年で完成できる方法を提供する。【解決手段】従来の高張力鋼による建設と異なるカーボン繊維及びガラス繊維強化FRP製の発泡コアの積層構造による構造体を採用し、強化繊維ですだれ状の直交異方性強化材を作り、発泡体の表面に積層し、作ったブロックにウレタン発泡などを間に封入して、外部に強化繊維を巻きつけることにより、大型で高強度の構造物を作り上げることが可能となり、大屋根構造体を製作できる。【選択図】図４
2017025554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陸上輸送ができない3＊3＊12m以上も大型FRP構造物の製法において、未硬化樹脂材に膨潤溶解しない例えば塩化ビニールやポリエチレン共重合体などからなる発泡コア材のブロック表面をFRP強化材で積層補強し、補強コア材を必要によって発泡ウレタンなどによる隙間充填と接合を計り、さらに強化繊維の外層積層を繰り返すことで大型構造物を形成することを特徴とする大型FRP構造物の成形法。
【請求項２】
大型構造体の継手部は、大・小ブロックのT型、Y型など必要な支柱をブロックから取り出して、ブロック間の間合には圧縮荷重が大きい場合は前面を強化層で覆い、接合面には必ず20倍以下の発泡倍率による隙間封入を行い、外層を強化材で覆うことで大型構造物継手として、構造物を形成することを特徴とする製作法。
【請求項３】
構造物の基礎部材は必ず円周状の構造物にして、基礎構造物から放射線状に構造材をループして立ち上げ、大型高層構造物を形成するとき、支柱は必ず基礎構造材に連結ループ接続することを特徴とするFRP構造体。
【請求項４】
発泡体ブロックコア材を用いて大型構造材を形成する構造に、内部温度コントロールを行うために、スチーム配管や炭酸ガス注入機能など持たせて内部膨張させることで、構造材表面に内圧引張を作用させることによる強度アップと剛性アップを得る特徴を利用してなる大型FRP構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
デザインコンペ採用の図１、図２に示す2本の湾曲支柱による大屋根、長さ約300ｍの建設費用及び建築物の耐久劣化のメンテナンス費用削減に関して、従来の高張力鋼による建設と異なるカーボン繊維及びガラス繊維強化FRP製の工事実施設計をおこなった結果、工事費用が約1/10 以下で、メンテナンスは40年間フリーとなること、そして工事期間は2年で完成可能となるFRP製大屋根工事実施法を発明した。
【背景技術】
【０００２】
900MPaなど高張力鋼をボックス構造にすることで、大型構造物を形成する従来工法は、約3ｋｍ明石大橋の橋脚や約800mの大型タンカー構造体を構築することができるのは周知であるが、いずれの場合も巨大構造物であるため組立輸送が可能な海洋構造物に限られていた。
一方、全長約60mのボーイング787型機はカーボン繊維強化FRP製で作られるようになり、複合材料の特徴である軽くて強い材料の普及が目覚ましくなった。
その理由は、材料の強度を比較すると高張力鋼材が密度約8で約1000MPaの強度が限界であるのに対して、密度約1.3のカーボンFRPは4000MPaと重量比強度で比較すると、約8/1.3×4000/1000=24.6倍と圧倒的に差が出る。この材料を用いて60m＊60mの大きさの787型航空機同様の設計で300ｍ＊300ｍの約25倍の面積に当たる大型屋根を基本設計して、製作コスト・工事期間の比較を行う。さらに、比強度では約30%劣るが材料価格が5倍安価なガラス繊維強化ＦＲＰでも検討を行う。  FRP材の優位な点は現場で大型構造物を繊維と樹脂を型材に積層することで構築できる特徴である。すなわち、陸送・組立が鋼材に比べて圧倒的に優位となる条件が判明、さらに金属材料などは酸化劣化する（錆びる）がFRPは耐久性に優れ、100年間塗装なども不用なメンテナンスフリー材料である。  耐久性に問題があるのは、開閉式屋根の機械部材と天井半透明シート、空調機や座席・トイレなど流行性が必要な非耐久材のみで、通常40年でリプレス必要と言われている以外はメンテナンスフリーである。
結果として、大屋根に関する工事費は、少なくとも1/10以下の約100億円に短縮され、工期が余裕で約50%削減できる見込みが明らかになった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】独立行政法人 日本スポーツ振興センター、“新国立競技場基本設計条件（案）”、［online］、平成２５年１１月、［平成２７年７月１３日検索］、インターネット＜URL： http://www.jpnsport.go.jp/newstadium/Portals/0/shinchokujokyo/20131211_kihonsekkeijokenan.pdf＞
【発明の概要】
【０００４】
カーボン繊維またはガラス繊維の特徴は、高張力に強いことであるが、他方で一方向性の繊維素材からなるため、必要な強度方向に材料を配置積層する必要がある。すなわち、構造体は中空内圧容器体（航空機の胴体構造などに類似）が最も適する構造である。図１のデザインの鳥観図２から見て、構造体は楕円形状に亀の甲羅をかぶせ、天井開放機能を備えた(1)2対の曲がり梁と(3)4対のサブ曲がり梁を下部の基本フレームとなる(2)楕円フレームに組みこんだ構造を採用している。この構造機能モデルは、図3に示すことができる。メインフレームを構成する300ｍスパンの(1)アーチフレーム、基礎フレームを構成する300ｍの(2)円形フレーム、(1) (2)を直交方向に接続する(3)サブフレーム、(1) (2) (3)フレーム間に固定の半透明ＦＲＰ屋根を、弓型曲がり小梁を用いてＦＲＰコルゲートを固定する等間隔に張り巡らすテンションロープ、さらに中央部には2方向の弓型ループフレームとそのフレームをトロリーで開閉可能なＦＲＰコリゲートまたは、テントシート構造の屋根としている。この構造では(1)の曲がり梁を主体に(2)円形フレームに大・大ジョイント、大・小ジョイントで(3)のサブフレームとも共通の構造形式で一体化、8カ所の荷重作用点で均一な荷重バランスとなる構造形式を採用している。すなわち、それぞれの梁は応力分散がなされ、多方向からの荷重に対応できるように設計されている
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明が解決しようとする課題は300ｍものFRP大型構造物の現場製造法である。図３の部材(1)(2)(3)は全て共通のジョイント構造を持つこと、その基本ボックス構造を構成する構造材が、同様にすべてが共通で繊維強化プラスチック材から構成される。図4は基本となるＦＲＰボックス構造体の詳細構造とＦＲＰ構造体を得るための方法についての説明図である。右から例えば塩化ビニールやポリスチロールなどからなる20〜60倍率に独立発泡した標準の例えば1＊2ｍ立法樹脂体に、すだれ織りした直交異方の強化繊維体に常温硬化型の例えばエポキシ・ウレタン変性ポリエステルなど樹脂を含浸させて、外面積層、プレゲル化した後、ウレタン発泡材など間合に塗布して2ブロックを組み合わせ同様に強化材で一体化、次いで4ブロックを同様にと集合体を大きくして、積層作業は樹脂含浸の繊維体を順次積層して巻きつける手法で、10ｍ＊10ｍ＊300ｍの大型の構造物を構築する。基本的には、再外層の積層は4面それぞれ2回の反転で積層する。つなぎ部以外には積層後の外面からのフィルムバックによる真空付着などは行わないで、作業台をクレーンでつるして連続積層作業を行う。なお、この作業は、雨天時は約20ｍのスライドテント屋根下で行う。また、能率的な積層作業には掃海艇など大型FRP構造体を作るのと同様に自動含浸器や真空バイブレータ層間脱泡機なども用いるとよい。また、15℃以下では遠赤外ヒータなどを必要とするが、超大型構造物も1週間程度で成形できる。部材の成形が終了後に同一現場で大型部材の接合積層を開始する。これには接合間に同様にまずウレタン発泡で一体化、次いで外層を順次積層する。初期に5mm程度を早期硬化するなど（ホットパッチと呼ぶ）して構造物の組立促進を図ることを推奨する。なお、FRP構造物の大型組立の日本における実績は、高さ200ｍを超える煙突、60ｍの掃海艇などであるが、大型造水プラントなどの大型配管では数千トンを超える一体の構造物を製作した実績もあり、技術的には問題はない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の効果をFRP製の大型競技場の性能確認により行う。一般に、大屋根に係る屋根には、短期最大荷重としては積雪がある。他に台風、地震などの荷重があるが、それらは重なり合わないことを前程とした設計がなされる。すなわち、大屋根の場合は、最大荷重は積雪である。通常、最大積雪量は200kg/平方メートル程度を基本とし、以上の積雪は自然落下する傾斜勾配を設ける設計を行うことが要求される。
図5は、図3の構造モデルをさらに簡素化した基本計画用の計算モデルである。荷重条件は、積雪で積層材料はガラス繊維強化FRPである。それぞれの部材(1)(2)(3)の設計条件・荷重条件を示している。ここで、応力計算は、(1)アーチフレームに作用する応力が最大となることから、(1)の応力計算を行う。さらに、100年耐久とするために選択される積層材料の許容応力（必要耐久性能）は、図6−1〜6−2に示す。
【発明の効果】
【０００７】
図6−1から、E−Glassの最大伸度2%、1800MPaの50％Vol、軸対周方向1：2配分の直交異方性強化繊維を用いるとする。この場合の理論破断強度は、600MPaであるが、均一配向ができず、Max450MPaとして設計する。図6−2は、FRPに関する著明な文献を引用した(1)は疲労劣化、(2)は耐食劣化、(3)はクリープ劣化曲線である。広く一般にはAWWA（アメリカ水道管技術標準）の耐久設計基準の図中央の赤破線が示す(1)＊(2)＊(3)が製品の耐久性能であるとの定義が使用されているため、100年後の許容応力は、これらの条件を加味すると劣化が約70%程度考えることが必要と見受ける。すなわち、エラーを考えると、安全率表示では、8倍程度あれば問題なく耐えると考えられる。すなわち、これは溶液がpH2、クリープ100年、疲労108回の耐久能力劣化を想定したら約70%となったことを示すもで、薬液にも荷重も疲労もこれほど過酷な条件とならないことから、必要十分な劣化想定である。
【０００８】
上記の計算書は、図5に示す計算条件で許容応力を求めた結果である。選択された材料の持つ強度450MPaに対して最大積雪時の作用応力は5.3kgf/mm2(約53MPa、破断450MPa)、設計破断値の約12%であることから、残留劣化   すなわち、この設計は概略100年耐久となっていることが明らかである。（参考：造水プラントなど大型構造物では安全率5倍、20%の許容荷重では40年の耐久とされ、多くの実績と信頼がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は競技場屋根のデザイン例。
【図２】図２は外観に必要なフレーム構造。
【図３】図３は各構造材の製造法。
【図４】図４は各構造材の製造法。
【図５】図５は発明の構造体の必要なバランス荷重。
【図６】図６はFRP製の競技場大屋根は鋼材による製作より安価で耐久性。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態は、図６に示す耐久100年の設計条件の実施である。製作コストの推計は鋼材を用いた従来法に比べて、10倍以上の差が得られる。  FRP構造物は耐久性が十分であることを証明したが、最も重要なコストを試算する。図6に示す見積もり金額は、基礎工事を除く屋根上部構造を対象に試算した結果、約100億円あれば実行可能であることが証明される。計算根拠は、このような工事経験から、必要な治具、仮設材、人件費、運搬機、材料費を実績にもともとづき計算した。
すなわち、総重量8000トンの大型FRP構造体工事が約100億円と見積もったのは、\1250/kgの単価のFRP大型工事を意味する。これは国際相場の約２倍の価格であるので、適正な予算と解釈する。
なお、構造材と小梁や弓型曲がり梁やロープなどの取りつけは、ステンレスビョウ止による取付とし、工事用作業台もフックM10の埋設ロックで固定される。なお、開閉屋根など上部メンテナンスには、開口幅の移動ゴンドラの設置を推奨する。
さらに、構造物の防火基準を難燃か準難燃とする検討の必要性もあるが、空間が大きく、その必要性の確認も必要である。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
本発明を実施すれば、公開されている鋼材によるボックス構造体の製作予定価格は約1000〜1500億円などとのこと、さらに開口屋根など除外、ここで検討した結果とあまりにも必要コストが異なる。すなわち、FRP製にすれば１/10以下のコストで工期は2年と約50%短縮できる。
【符号の説明】
【００１２】
MPa  物理単位でメガパスカル。
【図１】
2017025554.tif 000003
【図２】
2017025554.tif 000004
【図３】
2017025554.tif 000005
【図４】
2017025554.tif 000006
【図５】
2017025554.tif 000007
【図６】
2017025554.tif 000008