FRP シートによる鋼桁腹板の腐食部補修方法に関する基礎的研究
建設工学課程 学部 4 年
指導教官

下鳥 雄萌
長井 正嗣の判定を目的としている．本試験では以下の項目に着1．はじめに鋼構造物は腐食により，性能の低下が生じる．力学目し，比較検討を行った．

性能を回復させるため，ボルトや溶接によって鋼板をA) 無補強鋼板と FRP シート接着による補強効果

添接する当て板補修や，損傷部材を交換する部材交換B) ウレタン樹脂パテの有無による追従性等による補修・補強が行なわれるが，断面欠損，熱影C) 各種繊維シートとウレタン樹脂パテの有無による響等，様々な影響が生じる．そのため，腐食損傷が軽破壊モード

微な箇所は再塗装を行う程度で，補修が行われない場

表-1 FRP シートに用いた繊維と繊維の材料定数合がある．このような状況の中，炭素繊維に樹脂を含繊維の力学特性
シートの力学特性
弾性率 強度 破断ひずみ 厚さ 弾性率 強度 破断ひずみ
GPa MPamm
GPa MPaμμ14,315CU（高強度炭素繊維）
240 4900
20,4170.121 279 3994
3,560
CE（高弾性炭素繊維）
640 3430
5,3590.116 780 2777
22,353G（ガラス繊維）74343046,3510.123 102 2280
23,323P（高強度ポリエチレン）
88
2600
29,5450.1089321693,395
H（ハイブリッド C/G=1:1）
383
0.121 501 1701
CS（炭素繊維ストランドシート）
640 3430
5,359
0.286 745 2810
3,772

浸させ硬化させた炭素繊維強化プラスチック（CFRP）を補修材料として用いる方法が提案されており，十分な補強効果が得られることが既往の研究 1)から明らか

繊維の種類

また，FRP に使用した繊維と材料定数を表-1 に示す．になっている．
CFRP による鋼部材腐食部の補修工法では，断面の垂直応力に対する補強を対象としている．しかしなが4．一軸圧縮座屈試験結果
ここでは，P(高強度ポリエチレン)と CS(高弾性型炭ら，鋼橋では桁端部付近における下フランジ近傍の腹素繊維ストランドシート)の試験結果を取り上げる．

板の腐食が多く 2)，せん断力の卓越による腹板の座屈・P(高強度ポリエチレン)変形に追従できず，端部における剥離の発生が問題とされている．

図-1 に荷重-中央変位，図-2 に荷重-中央ひずみの結果を示す．図中の SM490YB は鋼板単体の値である．

そこで，本研究では，CFRP に限らず，様々な繊維P(高強度ポリエチレン)は最も変形性能が良く，追従による FRP で一軸圧縮座屈試験を行い，座屈変形に追性があったが，耐荷力の向上は微少であり，補強効果従し，補強効果のある FRP シートの選定を目的とした．

は期待できない．
ウレタン樹脂パテの有無による破壊状況の違いは，2．FRP シート接着鋼板の強度評価方法
本研究で用いた鋼材と FRP の合成断面換算法を説明

ウレタン樹脂パテ仕様では FRP の破断のみであったが，する．合成断面の断面性能は，樹脂を無視した繊維シウレタン樹脂パテ無しでは FRP に破断と剥離が生じた．

ートの断面積 AFRP と繊維のヤング係数 E FRP を用いて評また，座屈は試験体中央で生じた．

価する．また，含浸樹脂も評価しないものとすると，パテの有無で FRP 圧縮側のひずみに違いが見られる．

以下の式で表される．
2PVk

ES I V(kl2このことから，座屈変形が進行していくにつれ，ウレ1.0)(1)

こ こ で ， ヤ ン グ 係 数 比 : n E FRP E S ， 合 成 断 面
積 : AV AS 2n AFRP , 合 成 断 面 2 次 モ ー メ ン
ト: I V

IS2n AFRP

図-2 の荷重-中央ひずみを比較すると，ウレタン樹脂タン樹脂パテ仕様の試験体内で，鋼材とウレタン樹脂パテのずれが生じているのではないかと考えられる．
しかし，仮にこのような現象が生じているとしても，

2y FRP ． E S : 鋼材のヤング係数，

AS : 鋼材の断面積， I S : 鋼材の断面 2 次モーメント，
y FRP : FRP 断面中心から中立軸までの距離，l : 試験体長さである．

3．FRP シート接着鋼板の一軸圧縮座屈試験
FRP シート接着鋼板の一軸圧縮座屈試験に対する補強効果･追従性を検証し，各種繊維シートの破壊モード

ウレタン樹脂パテ無しと比較すると若干ではあるが補強効果が期待できることから，本 FEP シートはウレタン樹脂パテ仕様とする方が望ましい．
・CS(高弾性型炭素繊維ストランドシート)
図-3 に荷重-中央変位，図-4 に荷重-中央ひずみの結果を示す．図中の SM490YB は鋼板単体の値である．

初期降伏予想変位

弾性座屈荷重(理論値,合成断面)

12SM490YB
PUPN

緑:繊維の破断ひずみ

SM490YB-C'PU-C'
PN-C'

9

弾性座屈荷重(理論値,鋼材単体)

黒:シートの破断ひずみ

Load(kN)

Load(kN)96633

全降伏予想変位

0040800120160200240-40000-20000

Displacement(mm)

図-1020000

40000

Strain(μ)

図-2

荷重-中央変位(U:パテ有り，N:パテ無し)

荷重-中央ひずみ(U:パテ有り，N:パテ無し)

SM490YB
CSU
CSN

2020

SM490YB-C
CSU-C
CSN-C

SM490YB-C'
CSU-C'CSN-C'

4000

8000

15Load(kN)

15Load(kN)SM490YB-C
PU-C
PN-C

1210105500020406080

100-8000

-4000

図-3

荷重-中央変位(U:パテ有り，N:パテ無し)

CS(高弾性型炭素繊維ストランドシート)は，最も補強効果が期待できる FRP シートであった．

0Strain(μ)

Displacement(mm)図-4荷重-中央ひずみ(U:パテ有り，N:パテ無し)

変形性能が高く追従性が期待できる繊維は，最大荷重時の中央変位から FRP シートが破断(剥離)するまで

図-3 の荷重-中央変位から，大幅な補強効果が期待で165mm 程度の変形性能を有している P(高強度ポリエ

きる反面，追従性は乏しく，ウレタン樹脂パテ無しでチレン)，次いで 105mm 程度の変形性能を有しているは特に,FRP 剥離後の荷重低下が急激である．破壊状況G(ガラス繊維)が挙げられる．秀でた性能を有しているは，ウレタン樹脂パテ仕様では，FRP シート端部で鋼繊維を組み合わせることで，補強効果･変形性能の両者材が座屈し,その近傍で FRP の剥離が生じた．ウレタンを満たせるのではないかと考える．

樹脂パテ無しでも同様に端部で剥離が生じたが，剥離異種繊維シートの組合せを提案する．補強効果と変面積はウレタン樹脂パテ仕様と比較すると大きく，中形性能の両者を満たすためには，繊維の特性を考慮し央部まで一気に剥離した．

た組合せが有効と考える．FRP の積層順は，一層目に図-4 の荷重-中央ひずみを比較すると，両ケースとも変形性能の高い低弾性繊維を接着し，二層目に補強効シートの破断ひずみに達する前に剥離していることが果が期待できる高弾性繊維の FRP を積層で，補強効果わかった．このことから，FRP の繊維に損傷はないとと変形性能の向上が期待される．また，一層目を接着判断できるため，FRP シート貼付け長さを延長する等する際はウレタン樹脂パテ仕様とすることで FRP シーの対策により，剥離を防止すれば FEA からも，さらなト破断後の剥離を防止する．二層目を接着する際は，る補強効果が期待できる．

端部にずらしを設けて応力集中を抑制して FRP シート

6．最適な繊維シートの選定
FRP シート接着鋼板の一軸圧縮座屈試験結果から，耐荷力の向上が期待できる繊維は，鋼単体での弾性座屈荷重から 60%程度の補強効果が得られた CS(高弾性型炭素繊維ストランドシート)，次いで 30%程度の補強効果が得られた CE(高弾性型炭素繊維)が挙げられる．の剥離を防止する．

参考文献
1) 杉浦江，大垣賀津雄，長井正嗣，小林朗：炭素繊維シート（CFRP）を用いた鋼部材部分補修に関する実験研究，
土木学会第 6 回複合構造の活用に関するシンポジウム講
演論文集，pp.48-1 -8-6，2005.
2) 土木学会 鋼構造委員会：鋼構造の残存耐荷性能評価と耐久性向上方策研究小委員会報告書，2007.4