広島工業大学紀要研究編
第 48 巻（2014）61-68

論文

H 形鋼梁に貼付けた CFRP のメカニズム
高松隆夫＊・服部明生＊＊・玉井宏章＊＊＊・藤本信介＊＊＊＊（平成25年10月30日受付）

Fracture mechanism of CFRP bonded on ﬂange of H-shaped steel beam
Takao TAKAMATSU, Akeo HATTORI, Hiroyuki TAMAI and Shinsuke FUJIMOTO（Received Oct. 30, 2013）

Abstract
Three-points-bending tests on H-shaped steel beams are carried out to examine increase of stiffness of the beams that the ﬂange with decrease thickness caused by corrosion is strengthened by
CFRP reinforcing method. The beams with total length of ﬂange bonded CFRP show increase ofstiffness. The beams with partially bonding CFRP show segregation fracture of CFRP. The strains
on edge of CFRP are measured to clarify the fracture mechanism and the strengthening design
method of partially bonding CFRP is proposed to increase the stiffness of the beam with corrosion.
Key Words: CFRP, Three points bending test, Bending stiffness, Fracture mechanism

1

なお，CFRP を貼付けた H 形鋼梁の研究においては，はじめに実験的研究では鋼材の表面状況・養生条件などで CFRP

著者等は，H 形鋼の小梁において常時引張応力が作用すの剥離，荷重にばらつきが出やすいため有限要素解析などるフランジ下面全体に炭素繊維プレート（CFRP）を貼付を用いた解析的研究が精力的に行われている５）。解析結果

１）～４）

。

として，CFRP，接着剤および H 形鋼の応力分布が示され

CFRP を貼付けた H 形鋼梁の３点曲げ実験を行うことでているが，実験ではこれらの応力全てを計測することは困

H 形鋼の剛性向上が確認されており，CFRP を用いた補修難である。

けることによる補修方法の研究・提案を行っている方法は有効であると考えられる。また，CFRP の部分貼付

そこで，CFRP の貼付け長さの異なる試験体を用意する

け，および多層貼付けした場合においても H 形鋼梁の剛ことで剥離荷重のばらつきを考慮し，CFRP および H 形性向上が確認されている。しかしながら，CFRP の部分貼付けでは CFRP が早期に剥離する傾向がある。
そこで本研究では CFRP を部分貼付けした H 形鋼梁の３点曲げ実験を行い，CFRP の破壊メカニズムの解明を図る。また，CFRP 多層貼付けでは，CFRP 端部での急激な剛性の向上を回避するために提案されている CFRP 貼付け端部に段差を設ける貼付け工法（図１）についても検討する５）。
＊＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

東レ建設（株）技術部＊＊＊＊

長崎大学工学部工学科＊＊＊＊

東レ建設（株）技術部

図１― 61 ―CFRP 段差貼付け

高松隆夫・服部明生・玉井宏章・藤本信介

鋼のひずみ計測結果を用いて CFRP 破壊時のひずみ分布を除去し，サンドペーパー #240，#1500 で表面処理を施を多項式近似することにより，CFRP 破壊メカニズムの解した後に CFRP を貼付ける。

明を図る。

2

実験概要

2.1

実験方法

な お， 接 着 剤 は 主 剤 ２： 硬 化 剤 １ の 割 合 で 調 合 し，CFRP 貼付け後，気温５℃以上の環境で７日以上養生する。
試験体一覧を表３に示す。CFRP は中弾性（ML）型を使用する。CFRP は幅 50 ㎜，板厚２㎜，断面積 100 ㎜2で３点曲げ実験を行う。図２に実験装置と変位計測位置をある。
試験体は，CFRP 補強無で断面欠損無の N，断面欠損有の示す。
計測は，油圧ジャッキに取り付けたロードセルにより中N＇と，CFRP1 層で長さの異なる CFRP1/900，CFRP1/1100，

央集中荷重 P を，梁中央部と両端支点に変位計を設置し，CFRP1/1300，CFRP を２層，４層貼付けた CFRP2/900，中央変位から両端支点変位の平均を差し引いて梁中央変位

CFRP4/900 および，２層，４層で CFRP 貼付け端部に段δ をそれぞれ計測する。また，図３に示すひずみゲージ貼差 を 設 け た CFRP2＇/1300，CFRP4＇/1300，CFRP4＇/1100 の付け位置のひずみ ε を計測する。

10 体である。

載荷プログラムは単調載荷とし，CFRP の剥離破壊もし
くは H 形鋼梁の降伏ひずみまで載荷する。
2.2

表１（N/㎜2）σu

伸び（N/㎜2）（N/㎜2）

％

E

材質

試験体

素材特性
σy

鋼板 t=25 ㎜

SN400B

20500027042947.3

鋼板 t=9 ㎜

SN400B

20500030544338.6

鋼構造物のコンクリートスラブ付き小梁を想定した上フラ鋼板 t=6 ㎜

SN400B

20500035044328.7

ンジ厚 25 ㎜，下フランジ厚９㎜の BH-250x125x6x9/25 を

CFRP

ML295700－21690.7

試験体形状を図３に示す。試験体に用いる H 形鋼は，E：ヤング係数使用し，下フランジ中央部に腐食による断面欠損として板厚６㎜の減厚部分（500 ㎜）を設けている。試験体に使用

表２した鋼材の素材特性を表１に示す。接着剤は二液タイプの材質常温硬化型エポキシ樹脂（E258R，コニシ（株）製）を使E258R用する。接着剤の力学特性を表２に示す。CFRP を接着す

エポキシ樹脂E258R 力学特性
E

実験装置概要― 62 ―σcσtσs（N/㎜2）（N/㎜2）（N/㎜2）（N/㎜2）

3000

81.537.3

24.7

E：ヤング係数 σc：圧縮強度σt：引張強度 σs：引張せん断強度

る部分はグラインダー，ベルトサンダーで H 形鋼の黒皮

図２σy：降伏応力度 σu：引張強さ

H 形鋼梁に貼付けた CFRP のメカニズム表３
試験体名

減厚試験体一覧
CFRP 層数

１層目長さ（㎜）

端部段長さ（㎜）

N

無－

－－

N＇

有－

－

－

CFRP4/900

有4900－

CFRP2/900

有2900－

CFRP4＇/1100

有4110050

CFRP4＇/1300

有41300100

CFRP2＇/1300

有21300100

CFRP1/1300

有11300－

CFRP1/1100

有11100－

CFRP1/900

有1900－

3

解析方法

3.1

中央変位

（a）CFRP2/900, CFRP4/900（b）CFRP4'/1100

試験体の中央変位 δ は，フランジ減厚部分と CFRP を考慮した有効断面２次モーメント I’ を用いて次式で表される。なお，減厚部分の外側に貼付けた定着部分の CFRPの補強効果は無視している。

（c）CFRP4'/1300（1）

L ：試験体材長（L＝4,000 ㎜）
L’：減厚部分長さ（L’＝500 ㎜）（d）CFRP2'/1300

E ：ヤング係数
I ：H 形鋼の断面２次モーメントI’：減厚フランジおよび CFRP を考慮した有効断面２次モーメント（e）CFRP1/1300

M：実荷重による曲げモーメント￣：単位荷重による曲げモーメントM

3.2

ひずみ

ひずみゲージ貼付け位置のひずみ ε は，貼付け位置断面の曲げモーメント M と有効断面２次モーメント I’ を用いて 次 式 で 表 さ れ る。 た だ し，I’ の 計 算 に は 定 着 部 分 のCFRP を考慮する。
（2）

y：中立軸からひずみゲージ貼付け位置までの距離（f）CFRP1/1100（g）CFRP1/900
図３― 63 ―

試験体形状

高松隆夫・服部明生・玉井宏章・藤本信介

4

実験結果および考察
表４に実験結果を示す。CFRP の剥離で最大荷重が決定した試験体の破壊状況は，図４に示すような接着剤とCFRP あるいは梁フランジとの界面破壊である。
4.1

曲げ剛性

図５に CFRP 層数別の荷重 P－中央変位 δ 関係の実験値と（1）式を用いた解析値を示す。CFRP 補強無の試験体 N＇と比較すると，CFRP を貼付けた全ての試験体の剛性が向上しており，CFRP を部分的に貼付けた場合におい（a） CFRP1 層ても試験体の剛性を向上させられることがわかる。また，（1）式より求めた中央変位 δ は，CFRP 貼付け範囲を減厚範囲と同じ 500 ㎜で計算しているため若干の差異はあるものの，いずれの試験体にも良好に対応する結果となった。
4.2

最大荷重

CFRP を複数層貼付けた場合における CFRP の剥離の原因を CFRP 貼付け端部での剛性の急激な変化によるものという考えから，CFRP 端部に段差を設け剛性の急激な変 化 を 避 け た CFRP4＇/1100，CFRP4＇/1300，CFRP2＇/1300を用意したが，最大荷重は CFRP2/900，CFRP4/900 と殆ど同値である。また，CFRP を１層貼付けた CFRP1/1300，（b） CFRP2 層

CFRP1/1100，CFRP1/900 ともほぼ同値であることから，CFRP の剥離は剛性の急激な変化が原因ではないと推測され，CFRP の端部に段差を設けた貼付け工法は必ずしも有効でないと考えられる。

（c） CFRP4 層
図５
図４P-δ 関係破壊形状（CFRP1/1100）
表４
試験体名

N
N＇
CFRP4/900
CFRP2/900
CFRP4＇/1100
CFRP4＇/1300
CFRP2＇/1300
CFRP1/1300
CFRP1/1100
CFRP1/900

実験結果

最大荷重
P（kN）

中央変位
δ（㎜）

剛性 P/δ
（N/mm）
N＇ との比

90.8

11.36

7993

70.8

9.23

7671

100.8

11.33

80.5
82.3

破壊状況

破壊位置

1.04

無－

1.00

無－

8898

1.16

界面破壊

CFRP1 層下面

9.51

8465

1.10

無－

9.07

9071

1.18

界面破壊

96.8

10.419407

1.23

界面破壊

86.5

9.898751

1.14

界面破壊

CFRP1 層下面
CFRP1 層下面
CFRP1 層下面

78.0

9.45

8245

1.07

界面破壊

フランジ下面

90.5

11.15

8117

1.06

界面破壊

89.5

11.16

8021

1.05

界面破壊

CFRP 上面CFRP 上面― 64 ―

H 形鋼梁に貼付けた CFRP のメカニズム

4.3

ひずみ

4.4.1

CFRP のひずみ

図６に CFRP1/1100，CFRP1/900 の各荷重におけるひず

CFRP 端部 100 ㎜の範囲のひずみを多項式で近似する。

みゲージ貼付け位置のひずみを示す。CFRP 端部に近づく

CFRP 端部から距離 x の位置におけるひずみ ε を（3）式

につれて CFRP のひずみが小さくなるとともに下フランで仮定する。（3）式は x＝0，ε＝0および x＝100，ε＝ε100

ジ上面のひずみが大きくなっている。なお，図中の点線はを満足する多項式である。

（2）式により求めた CFRP 下面のひずみである。CFRP（3）の端部から 100 ㎜および中央部のひずみは（2）式の値と良好に対応しており，平面保持の仮定が成立していること

ここに，i：正の整数がわかる。

ε100：端部から 100 ㎜の位置におけるひずみ
図７に最大荷重時におけるひずみを示す。図中に（3）4.4

CFRP の剥離破壊式において，ε100 に実験結果を代入した i＝２～８までの

ひ ず み ゲ ー ジ を CFRP 端 部 に 集 中 的 に 貼 付 け た

多項式曲線（ひずみ曲線）を併せて示している。i＝４～

CFRP1/900，CFRP1/1100，CFRP1/1300，CFRP2＇/1300 お６としたひずみ曲線が実験結果をほぼ近似している。図８

よび，CFRP4＇/1300 の CFRP 端部近傍ひずみから CFRPに CFRP1/1300 および CFRP2＇/1300 の各荷重における実の破壊メカニズムの解明を図る。

験値とひずみ曲線（i＝４～６）を示す。各荷重においてひずみの低下は全ての試験体において，図６と同様に端もひずみ曲線が実験値をほぼ近似していることがわかる。

部から 100 ㎜の範囲で発生している。
4.4.2

接着剤のせん断応力度

CFRP の垂直応力度 σ は（3）式を用いて次式で表される。

（a） CFRP1/1100（b） CFRP1/900
図６

ひずみ― 65 ―高松隆夫・服部明生・玉井宏章・藤本信介

（4）
ここに，

EC：CFRP のヤング係数（EC＝2.957×105N/ ㎜2）図９に示す CFRP の微小部分の力の釣合いより，接着剤のせん断応力度 τ は，次式で表される。
（5）（a）CFRP1/900

ここに，t：CFRP 板厚
図 10 に最大荷重時におけるせん断応力度曲線を示す。
（5）式において ε100 に実験結果を代入して求めた曲線である。i ＝６の場合に，端部のせん断応力度が接着剤の引張せん断強度 σs ＝ 24.7N/ ㎜2 にほぼ等しくなる。
（5）式において最大せん断応力度 τmax は端部 x＝0 の位置に作用する。
（6）（b）CFRP1/1100

図 11 に，（6）式を用いて τmax＝σs＝24.7N/ ㎜2 から求めた ε100 を（3）式に代入して求めたひずみ曲線を示している。

i＝6 とした曲線が実験結果のほぼ平均値を示していることがわかる。
以上の結果より，CFRP 端部からの剥離破壊が接着剤の引張せん断破壊に関係していることが推察できる。そのため，以下の方法により剥離破壊を防止できると考えられる。
１）接着剤の引張せん断強度 σs を求める。
２）CFRP 端部近傍のひずみ近似多項式を求める。

（c）CFRP1/1300

３）ひずみ曲線を用いて接着剤のせん断応力度曲線を求める。
４）端部のせん断応力度 τmax が σs に等しくなる時の端部から 100 ㎜の位置の CFRP のひずみ ε100 を求める。
５）端部から 100 ㎜の位置の CFRP ひずみが ε100 以下となるような曲げモーメント M100 を平面保持の仮定 を 用 い て 求 め る。 こ の 点 の 曲 げ モ ー メ ン ト をM100 以下となるように設計する。

５まとめ（d）CFRP2＇/1300

本実験から得られた知見を以下に示す。
（1）フランジ減厚部分に CFRP を貼付けることにより剛性が向上する。
（2）CFRP 貼付け中央部では平面保持の仮定が成立し，減厚部分のみに有効断面２次モーメントを用い（1）式により精度良くたわみを計算できる。
（3）CFRP4 層貼付けにおいて，段状貼付けを採用しても界面破壊を起こす。
（e）CFRP4＇/1300（4）CFRP 端部では平面保持の仮定が成立せず，端部に

図７近づくにつれ CFRP のひずみが小さくなるととも― 66 ―

ひずみ曲線

H 形鋼梁に貼付けた CFRP のメカニズム（a）CFRP1/900（a）CFRP1/1300（b）CFRP1/1100（b）CFRP2＇/1300
図8荷重別ひずみ曲線（c）CFRP1/1300

図9

CFRP 微笑部分の力のつり合い（d）CFRP2＇/1300（e）CFRP4＇/1300
図 11

図 102ひずみ曲線（τmax＝σs＝24.7N/㎜ ）― 67 ―

せん断応力度曲線

高松隆夫・服部明生・玉井宏章・藤本信介に下フランジ上面のひずみが大きくなる。

化に関する基礎的研究 : その３: 補強 H 形鋼はりの載（5）CFRP 端部のひずみ分布は（3）式において i＝６の

荷 試 験， 日 本 建 築 学 会 中 国 支 部 研 究 報 告 集 27，

時にもっとも良好に対応し，せん断応力度分布は（5）式（i＝6）求められる。

pp.225-228，2004.3
２）原伸幸，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，服部明生，
小畑寛行：炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばりの曲げ補強について : その１

今後は，CFRP の層数・長さ・貼付け位置を変化させた試験体の３点曲げ実験および４点曲げ実験を行い，破壊メ

実験方法，日本建築学会中国支部研究報告集 28，pp.161-164，2005.3

カニズムのより正確な評価方法の解明に向けて研究を行う

３）原伸幸，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，服部明生，予定である。

小畑寛行：炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばり

謝の曲げ補強について : その２

辞

実験結果，日本建築学会中国支部研究報告集 28，pp.165-168，2005.3

本実験においては広島工業大学高松研究室卒業研究生お４）服部明生，高松隆夫，玉井宏章，小澤吉幸：フランジ

よび大学院生の皆様に御協力頂きました。また，接着剤は断面欠損部を有する H 形鋼梁の炭素繊維プレート補コニシ株式会社に提供して頂きました。ここに記して謝意

修に関する研究，日本建築学会中国支部研究報告集，を表します。

CD-ROM 論文番号 -239 2013.3
５）宮下剛，石川敏之：多層の CFRP 板が積層された曲【参考文献】げを受ける鋼部材の応力解析，土木学会論文集 A1（構造・地震工学），Vol.69，No.1，pp26-39，2013.

１）原伸幸，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，角田敦，服部明生：連続繊維プレートによる鋼構造建物の長寿命― 68 ―