(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角形鋼管からなる鉄骨材の外周の全体を、強度負担部材となる、炭素繊維強化プラスチック被覆層で覆い、前記被覆層を鉄骨材の横断面の一部ずつを覆う被覆層分割体に分割されたものとし、前記被覆層は、前記角形鋼管からなる鉄骨材の外周における４つの角部をそれぞれ別の前記被覆層分割体で覆うものとし、前記炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられ、かつ鉄骨材に接着剤で接着されたものである炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材。
【請求項２】
角形鋼管からなる鉄骨材の外周の全体を炭素繊維強化プラスチックの補強用の被覆層で覆い、前記被覆層を、鉄骨材の横断面の一部ずつを覆う被覆層分割体に分割されたものとし、前記被覆層は、前記角形鋼管からなる鉄骨材の外周における４つの角部をそれぞれ別の前記被覆層分割体で覆うものとし、前記炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられ、かつ鉄骨材に接着剤で接着されたものである柱。
【請求項３】
前記鉄骨材の内部に熱容量増大用の装填材を充填した請求項２記載の柱。
【請求項４】
角形鋼管からなる鉄骨材の外周の全体を炭素繊維強化プラスチックの補強用の被覆層で覆い、前記被覆層を、鉄骨材の横断面の一部ずつを覆う被覆層分割体に分割されたものとし、前記被覆層は、前記角形鋼管からなる鉄骨材の外周における４つの角部をそれぞれ別の前記被覆層分割体で覆うものとし、前記炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられ、かつ鉄骨材に接着剤で接着されたものである梁。
【請求項５】
請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材において、前記被覆層は、炭素繊維と共に、炭素繊維以外の繊維強化材を混入させた繊維強化プラスチックを用いた繊維強化プラスチック複合鉄骨材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉄骨造の建物における柱や梁等に用いられる建築用の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材、並びに柱および梁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄骨造建物の構造躯体は、形鋼，軽量形鋼，角形鋼管等の鉄骨材のみで製作されている。しかし、鉄骨材は、次のような不利な点がある。
ａ．錆に弱く、錆の発生により耐久性が低下する。
ｂ．熱変形がある。
ｃ．重い。
そのため、従来、錆に対しては塗装を施すことで対処し、また熱変形に対しては、モルタルやプラスター等の耐火被覆を塗布または吹付けにより施して対処している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの塗装や耐火被覆は、錆や熱変形に対処できても、鉄骨材の強度の向上効果は得られない。そのため、鋼材使用量を節減して強度や剛性を確保し、躯体の軽量化を図ることはできない。
【０００４】
この発明の目的は、鉄骨材の錆および熱変形の防止と共に、強度，剛性を確保しながら、軽量化および鋼材使用量の節減が図れる複合鉄骨材を提供することである。
この発明の他の目的は、製造が容易で、かつ上記各機能が得られる複合鉄骨材を提供することである。
この発明のさらに他の目的は、錆，熱変形の防止と共に、強度，剛性を確保しながら、軽量化および鋼材使用量の節減が図れる柱および梁を提供することてある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材は、鉄骨材の外周の全体を、炭素繊維強化プラスチックの被覆層で覆った建築用の複合鉄骨材である。鉄骨材には角形鋼管を使用する。炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、強度負担部材となるものであり、前記被覆層を、鉄骨材の横断面の一部ずつを覆う被覆層分割体に分割されたものとする。この被覆層は、前記角形鋼管からなる鉄骨材の外周における４つの角部をそれぞれ別の前記被覆層分割体で覆うものとする。
炭素繊維強化プラスチックは、軽量で高強度、高弾性率を有し、また耐食性にもすぐれる。さらに低熱膨張率のため寸法安定性にもすぐれるという特性を有している。ガラス繊維やその他の繊維による強化プラスチックと比べても、強度、弾性率において優れる。このため、炭素繊維強化プラスチックを鉄骨材の被覆層として用い、複合鉄骨材とすることにより、防錆性、熱に対する寸法安定性が向上すると共に、軽量で高強度，高剛性の複合鉄骨材となる。これにより、鉄骨材を肉厚の薄いものにするなどして、鋼材使用量を節減でき、鋼材の有効利用率が高められる。
また、鉄骨材が角形鋼管のような閉鎖断面の中空材であると、通常の柱や梁に使用する場合、炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、鉄骨材の外周のみを覆うものとしても、十分な防錆、熱に対する寸法安定効果が期待できる。
この炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材を柱や梁として用いた場合の各状況に応じた機能を考えると、地震等の水平荷重により柱部に最大の応力が発生するときには、鉄骨材と炭素繊維強化プラスチックの複合部材としてその応力に抗し、火災時など炭素繊維強化プラスチックの強度が期待できない場合には、鉄骨材のみで通常の荷重を支持する構造がとれる。
【０００６】
この発明において、前記炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられたものとする。
炭素繊維強化プラスチックは、繊維配向により異方性を有し、繊維方向が強度、弾性率ともに最も大きな値を示し、また熱に対する寸法変化も最も小さい。また、柱や梁では、圧縮荷重や引張荷重は長手方向に作用する。そのため、被覆層の炭素繊維が鉄骨材の長手方向に揃えられたものとすることで、最も効果的に鉄骨材の補強効果が得られる。
【０００７】
この発明において、炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、鉄骨材に接着剤で接着されたものとする。
このように接着するようにした場合、炭素繊維強化プラスチックを鉄骨材と別に製造しておいて、これを後に接着すれば良いため、簡単な設備で、複合鉄骨材を製造することができ、製造が容易である。また、例えば、炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、鉄骨材を心材として引抜成形法によっても鉄骨材に被覆できる。
【００１０】
この発明の柱は、角形鋼管からなる鉄骨材の外周の全体を炭素繊維強化プラスチックの被覆層で覆い、前記被覆層を、鉄骨材の横断面の一部ずつを覆う被覆層分割体に分割されたものとする。また、前記被覆層は、前記角形鋼管からなる鉄骨材の外周における４つの角部をそれぞれ別の前記被覆層分割体で覆うものとし、前記炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられ、かつ鉄骨材に接着剤で接着されたものとする。この柱は、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材を用いたものであっても、また、鉄骨材に、建築現場で建方後、または建方前に炭素繊維強化プラスチックの被覆層を取付けたものであっても良い。
このようにこの発明を柱に適用した場合において、鉄骨材からなる鉄骨材の内部に熱容量増大用の充填材を充填しても良い。この充填材としては、砂や水が使用できる。
このように、熱容量増大用の充填材を充填した場合、柱全体の熱容量の増大により、防火性能が向上する。
【００１１】
この発明の梁は、角形鋼管からなる鉄骨材の外周の全体を炭素繊維強化プラスチックの被覆層で覆い、前記被覆層を、鉄骨材の横断面の一部ずつを覆う被覆層分割体に分割されたものとする。また、前記被覆層は、前記角形鋼管からなる鉄骨材の外周における４つの角部をそれぞれ別の前記被覆層分割体で覆うものとし、前記炭素繊維強化プラスチックの被覆層は、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられ、かつ鉄骨材に接着剤で接着されたものとする。この梁は、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材を用いたものであっても、また、鉄骨材に、建築現場で建方後、または建方前に炭素繊維強化プラスチックの被覆層を取付けたものであっても良い。
【００１２】
この発明の繊維強化プラスチック複合鉄骨材は、前記各構成の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材において、炭素繊維強化プラスチックの被覆層に代えて、炭素繊維と共に、炭素繊維以外の繊維強化材を混入させた混成の繊維強化プラスチックを用いたものであってもよい。炭素繊維以外の繊維強化材としては、例えば、ガラス繊維や、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）等が使用できる。
なお、前記各炭素繊維強化プラスチック、または混成の繊維強化プラスチックの被覆層は、さらに適宜の充填材を配合したものであっても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の基礎となる提案例を図１と共に説明する。この炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材１は、鉄骨材２を炭素繊維強化プラスチック（以下「ＣＦＲＰ」と略称する）の被覆層３で覆ったものである。鉄骨材２は角形鋼管からなり、ＣＦＲＰの被覆層３は、角形鋼管の外周面の全面を覆って設けられる。被覆層３の厚さは、この例では鉄骨材２の板厚よりも厚くしてあるが、要求される強度等に応じて適宜の厚さに設定される。被覆層３のＣＦＲＰは、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられたものである。
被覆層３は、所定形状に成形または切断加工された炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）を接着剤等で鉄骨材１に貼付けたものである。
【００１４】
図２は、この発明の各実施形態を示す。この発明の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材は、図１の提案例において、ＣＦＲＰ材を接着剤で鉄骨材２に貼付けたものであり、ＣＦＲＰ材は、鉄骨材２の横断面の一部ずつを覆うもの、つまり被覆層分割体に分割されたものとする。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、その分割例を示す。このうち、同図（Ａ）は提案例を、同図（Ｂ），（Ｃ）は実施形態を示す。同図（Ａ）の例は、被覆層３を溝形の二つの被覆層分割体であるＣＦＲＰ材３ａに分割したものである。同図（Ｂ）は、被覆層３を、４個の断面Ｌ字状のＣＦＲＰ材３ｂに分割した例を示す。同図（Ｃ）は、被覆層３を、角部の４個のＣＦＲＰ材３ｃと、中間部の４枚の平板状のＣＦＲＰ材３ｄとに分割した例を示す。
図３は、複数のＣＦＲＰ材３Ａを長手方向に貼り継いで被覆層３とした提案例を示す。
なお、これら各ＣＦＲＰ材３ａ〜３ｄ，３Ａは、例えば、引き抜き成形で所定の断面形状に形成されたものである。
【００１５】
ＣＦＲＰの材質例を説明する。ＣＦＲＰの樹脂には、エポキシ系樹脂またはフェノール系樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。炭素繊維には、例えば、レーヨン，ピッチ，ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）等の繊維を炭化させてつくられる繊維等が用いられる。
【００１６】
この構成のＣＦＲＰ複合鉄骨材１は、鉄骨造建物等の構造躯体における柱や梁等に使用される。この場合に、ＣＦＲＰは、耐食性，熱に対する寸法安定性に優れるうえ、圧縮強度、引張強度等の機械的特性にも優れ、また高い弾性率を有している。ガラス繊維やその他の繊維による強化プラスチックと比べても、強度、弾性率において優れる。このため、ＣＦＲＰを鉄骨材２の被覆層３として用い、複合鉄骨材１とすることにより、防錆性，熱に対する寸法安定性が向上すると共に、軽量で高強度，高剛性の複合鉄骨材１となる。これにより、鉄骨材２を肉厚の薄いものにするなどして、鋼材使用量を節減でき、鋼材の有効利用率が高められる。
このＣＦＲＰ複合鉄骨材１を柱や梁として用いた場合の各状況に応じた機能を考えると、地震等の水平荷重により柱部に最大の応力が発生するときには、鉄骨材２とＣＦＲＰ被覆層３の複合部材としてその応力に抗し、火災時などＣＦＲＰの強度が期待できない場合には、鉄骨材２のみで通常の荷重を支持する構造がとれる。
ＣＦＲＰは軽量構造材料であり、一般には航空機関連や、スポーツ，レジャー用品等に使用されているものであるが、このように建築用の複合鉄骨材１に使用することにより、上記のような優れた効果を得ることができる。
なお、ＣＦＲＰを鉄骨材と複合化せずに単独で柱や梁に使用すると、火災時等に強度が得られないことの他に、柱，梁間等の接合を堅固に行うことが難しいという問題があるが、複合鉄骨材とすると、鉄骨材の部分で接合強度が確保することができる。
【００１７】
ＣＦＲＰ複合鉄骨材１を柱または梁として用いる場合に、図４（Ａ）に示すように、鉄骨材２の内部に熱容量増大用の装填材４を充填しても良い。装填材４には砂または水等が用いられる。このように、熱容量増大用の装填材４を充填すると、柱または梁全体の熱容量の増大により、防火性能が向上する。
ただし、このように装填材４を充填できるのは、この実施形態等の場合のように、鉄骨材が閉鎖断面の中空材の場合である。
【００１８】
図４（Ｂ）は、炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材の提案例を示す。この例は、鉄骨材２とＣＦＲＰの被覆層３との間にガラス層５を介在させたものである。このようにガラス層５を介在させた場合、鉄とＣＦＲＰの電位差に起因する電食を防ぐという効果が得られる。
このようなガラス層の介在は、鉄骨材２が角形鋼管である場合に限らず、鉄骨材一般に適用できる。
【００１９】
図５（Ａ）〜（Ｆ）は、各々炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材の他の提案例を示す。
図５（Ａ）は、鉄骨材２が丸形鋼管である場合を示し、外周面の全面にＣＦＲＰの被覆層３が設けられている。
同図（Ｂ）は、鉄骨材２がＨ形鋼（またはＩ形鋼）である場合を示し、断面の全体を覆うようにＣＦＲＰの被覆層３が設けられている。
同図（Ｃ）は、鉄骨材２がＨ形鋼（またはＩ形鋼）であって、ＣＦＲＰの被覆層３を、両フランジ２ａの内外面のみに設け、ウェブ２ｂを露出状態のままとした例を示す。
同図（Ｄ）は、鉄骨材２が山形鋼である場合を示し、断面の全体を覆うようにＣＦＲＰの被覆層３が設けられている。被覆層３は、鉄骨材２の外側面のみに設けても良い。
同図（Ｄ）は、鉄骨材２が溝形鋼である場合を示し、断面の全体を覆うようにＣＦＲＰの被覆層３が設けられている。被覆層３は、同図（Ｆ）のように、鉄骨材２の外側面のみに設けても良い。
なお、図５の各例は、鉄骨材２が重量鉄骨であっても、軽量鉄骨であっても良い。
【００２０】
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、各々炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材のさらに他の実施形態を示す。これらの提案例は、主に鉄骨材２が軽量鉄骨の場合に適用される。同図（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、鉄骨材２は、リップ溝形、Ｚ形、リップ付きＺ形、ハット形等のものであっても良い。ＣＦＲＰの被覆層３は、図示の例では鉄骨材２の断面の全面を覆うように設けられているが、これらの例においても、被覆層３は鉄骨材２の断面の一部を覆うものとしても良い。
また、これら図５および図６の各例においても、ＣＦＲＰの被覆層３は、連続引き抜き成形等で全体が一体に鉄骨材２に被覆されたものであっても、また複数枚のＣＦＲＰ材を鉄骨材２に貼継いだものであっても良い。
【００２１】
【実施例】
つぎに、ＣＦＲＰの被覆層３による強度向上効果を数値例で説明する。
表１に、鉄骨材２となる鋼材およびＣＦＲＰの基本物性を示す。鋼材（スチール）は、弾塑性材料であるが、ＣＦＲＰは完全弾性体である。
【００２２】
【表１】
0004115599.tif 000002
【００２３】
表２は柱の例である。鉄骨材２が角形鋼管（図７（Ａ）参照、Ａ，Ｂは各辺の寸法）である場合につき、鉄骨材２の単独の場合と、図１の実施形態のようにＣＦＲＰの被覆層３を設けた場合とを比較して示す。なお表２は理論値である。表中の長手方向圧縮強さは、角形鋼管の場合は、材料の降伏強度を設計強度、複合角形鋼管の場合は、ＣＦＲＰの破壊歪の５０％を設計歪とした時の値を示す。
表２から、鉄骨材２を単独で使用する場合は、板厚ｔが５mmで、長手方向圧縮強さが２７５００kgに対して、複合化した場合は、鉄骨材２の板厚が３mmであっても、０．６mm厚のＣＦＲＰ被覆層３を設けるだけで、長手方向の圧縮強さが２８０００kgとなり、同等の長手方向圧縮強さを６５％の重量で発現できることが分かる。
また、圧縮剛性についても、ＣＦＲＰ材は他の繊維強化プラスチック材に比べて弾性率が高いので、鉄骨材２の板厚が３mmであっても、２．５mmのＣＦＲＰ被覆層３を設けることで、長手方向圧縮剛性を板厚が５mmの鉄骨材と７３％の重量で同等に出来る。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
表３は床梁の例である。鉄骨材にはＨ形鋼（図７（Ｂ））を用いた。表３から鉄骨材２を単独で使用する場合にはフランジ厚ｔ2 が９mm、ウェッブ厚ｔ1 が６mmのもの（鉄骨材▲１▼）の場合、曲げ剛性が２．２４×１０12Kg・mm2 であるのに対し、複合化することで鉄骨材２の板厚がフランジ・ウェッブとも３mmのもの（鉄骨材▲２▼）であっても重量約５３％で等価剛性に出来ることが分かる。
また、強度については重量約４８％で等強度に出来ることが分かる。
【００２６】
【表３】
0004115599.tif 000004
【００２７】
【発明の効果】
この発明の炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材、並びに柱および梁は、鉄骨材を炭素繊維強化プラスチックの被覆層で覆ったものであるため、鉄骨材の錆および熱変形の防止と共に、強度，剛性を確保しながら、軽量化および鋼材使用量の節減を図ることができる。
特に、炭素繊維が鉄骨材の長手方向に沿うように揃えられたものである場合は、炭素繊維強化プラスチックによる補強効果が大きい。
また、炭素繊維強化プラスチックの被覆層が、鉄骨材に接着剤で接着されたものである場合は、簡単な設備でこの複合鉄骨材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）はこの発明の基礎となる提案例にかかる複合鉄骨材の切欠斜視図、（Ｂ）は同横断面図である。
【図２】  （Ａ）は他の提案例にかかる複合鉄骨材の横断面図であり、（Ｂ），（Ｃ）は、各々この発明の各実施形態にかかる複合鉄骨材の横断面図である。
【図３】  さらに他の提案例にかかる複合鉄骨材の中間省略側面図である。
【図４】  （Ａ），（Ｂ）は各々さらに他の提案例にかかる複合鉄骨材の横断面図である。
【図５】  （Ａ）〜（Ｆ）は、各々さらに他の提案例にかかる複合鉄骨材の横断面図である。
【図６】  （Ａ）〜（Ｄ）は、各々さらに他の提案例にかかる複合鉄骨材の横断面図である。
【図７】  強度比較を行う各鉄骨材の寸法説明図である。
【符号の説明】
１…炭素繊維強化プラスチック複合鉄骨材
２…鉄骨材
３…被覆層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0004115599.tif 000008
【図５】
0004115599.tif 000009
【図６】
0004115599.tif 000010
【図７】
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