広島工業大学紀要研究編
第 44 巻（2010）pp.171-176

論文

炭素繊維プレートと鋼との複合材のせん断クリープ特性に関する研究
玉井宏章 *・高松隆夫 *・服部明生 **・小澤

吉幸 ***・山西央朗 ****

（平成21年10月30日受理）

Creep properties of composite plate made of CFRP and steel
Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Akeo HATTORI, Yoshiyuki OZAWA and Teruaki YAMANISHI(Received Oct 30, 2009)

Abstract
We had proposed the rehabilitation technique for secondary steel beam by means of bonding
CFRP plates. For the rehabilitation technique, it is very important to clarify the creep properties of the composite plate made of CFRP and steel plate. Creep tests of the composite plate
made of steel and CFRP plate were performed. Allowable shear stress limit was shown in caseof 18℃ ambient temperature. Also, design data for secondary steel beam, so as to suppress themaximum shear stress in adhesive within allowable stress limit, were shown.
Key Words: CFRP plate, creep, composite plate, rehabilitation

保持できなくなること。

１．はじめに２）炭素繊維プレートの十分な強度を発揮する前に，接着剤とプレートとの界面で破壊すること。

著者等は，炭素繊維プレートを補修材に選定し，これをである。

鋼構造建築物に接着することによって，耐環境性能，耐震また，炭素繊維プレートは種類として高強度型炭素繊維性能を向上させる，耐震補強工法，長寿命化技術の提案・開発をおこなっている１）～５）。

プレートと中弾性型炭素繊維プレートとがあり，小梁，山炭素繊維プレートの接着補強では，炭素繊維プレートと形鋼ブレースの補強には既製品プレートを複数枚貼り付け接着剤の接着性能を最大限に引き出すことは重要なことでて行うことが予想されるため，補強にどの組み合わせが最ある。この観点から，専用接着剤を開発し，各種の接着試適か明らかにする必要もある。

１）

験を行い ，その接着特性を明らかにしたり，炭素繊維プ

本研究ではこれらの問題を解決するため作用せん断応力レートや接着剤の構成方程式や降伏・破壊条件を導き出し，をパラメータとしたエポキシ樹脂接着剤のせん断クリープ

それを用いて，引張せん断接着試験について詳細な有限要試験を行い，クリープを生じない許容せん断応力を求める

２）

素解析を行った 。また，小ばりの曲げ補剛や山形鋼ブレーとともに，鋼小梁の下フランジに複数枚炭素繊維プレートス材の圧縮補強に，この炭素繊維プレート接着工法を適用を接着した場合の補剛効果と接着層に生じる最大せん断応し，その有効性・有用性を示した３）～５）力を算定して補剛設計の基礎資料を提供する。

。

これらの研究で，課題として考えられることは，１）接着剤が長期荷重下で，クリープ変形して接着性能を＊＊＊＊広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

広島工業大学大学院知的機能科学専攻

＊＊＊＊

東レ建設㈱

＊＊＊＊

広島工業大学高性能構造システム開発研究センター― 171 ―

玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸・山西央朗

写真１
図１

試験体図

表１

素材試験結果

表２

図２

試験装置

試験体一覧

接着面脂した後，接着した。尚，接着後は，常温 20°以上で，２．試験の概要７日間以上養生した。

試験体を図１に試験装置を写真１に示す。試験体は９mm

試験機は島津オートグラフ AG-250kN を用い，写真１

板厚の鋼材（SS400）に，２枚の炭素繊維プレート（厚さ２のように鋼板部をくさび型チャックでつかみ，荷重及び室mm，幅 50mm）と挟んで，二液常温硬化エポキシ系接着温が 10kN，18℃と一定として３日間載荷した。

剤で接着したもので，両端部の接着長さ L を変えている。

荷重の計測は，クロスヘッド上部のロードセルから引張用いた接着剤（ボンド E258）と炭素繊維プレートの素材

力 P を，変位の計測は，鋼板と炭素繊維プレートとの間特性を表１に，試験体シリーズを表２に，それぞれ，示す。の相対せん断方向変位を，表裏についてパイ型変位計

試験体は表２に示すように両端部の接着長さを 101.2 と（PI-2）で計測し，それらの平均値 を，また炭素繊維プレー76.5mm，52.1 と 32.3mm 及び 25.7 と 16.0mm とした組のト中央に貼付したひずみゲージを用いて，炭素繊維プレー３つの試験体を用意した。

トのひずみを，それぞれ計測した。これらの計測値から平図２に接着面の詳細を示す。炭素繊維プレートは，高強均的せん断応力，度型炭素繊維プレート（TL）で，鋼材と炭素繊維プレー
トの表面を #240 サンドペーパーで目粗し，アセトンで脱― 172 ―とせん断ひずみ，を次式で求める。

… ………………………………… （1.a）

炭素繊維プレートと鋼との複合材のせん断クリープ特性に関する研究

図３

図４

せん断ひずみ－時刻歴

せん断応力－せん断ひずみ関係に比べて非常に低い。
本節では，炭素繊維プレートを複数層，… ……………………………………… （1.b）

H 形鋼梁下端に接着した場合のせん断応力算定法を示す。
図５に示す複合材の断面を考える。座標を図５のようにここに，W は，接着幅（50mm），L は接着長さt は接着層厚とる。複合材の中立軸位置をy0，曲げ剛性をEI ，y 座標位

炭素繊維材料のクリープと温度依存性は認められている

置の断面の幅とヤング係数を b(y)，E(y) とする。

が，20°～ 60°程度の範囲内であれば，顕著な差異は無いこと

平面保持の仮定が成立するとすれば，曲げモーメント M をが確認されている。炭素繊維プレートは，常温で耐力の 75％受ける断面のひずみ分布 ，応力分布 は次式のようになる。の荷重下において，クリープひずみは無視できるほど小さい。

… ……………………… （2.a）

３．試験結果と考察
クリープ試験結果を図３～４，表３に示す。

… ……………… （2.b）

図３に各試験体の各接着箇所についての平均的せん断ひずみの時刻歴を，図４には同様の箇所の平均的せん断応力

図６の材長 dz の切り出した断面の x 方向の力の釣り合と平均的せん断ひずみの関係を，表３には各接着箇所の接い式を立てる。y 座標位置の水平断面にせん断応力 が生着層厚せん断応力及び，３日後の最大せん断ひずみを示す。

じているとすると，下の部分の釣り合いから次式が成り立これらの結果より，接着長さによらず，せん断弾性係数つ。

はほぼ等しいこと，平均的せん断応力が 3.13N/㎟以下であれば，最大せん断ひずみが 2.5％に留まり一定応力以下で，ひずみが時間とともに増大するクリープ現象は生じないことがわかる。尚，試験開始後 10 時間の時点で，せん断ひずみの低下が見られるが，試験温度には大きな変化はないため，試験誤差と考えられる。
従って，炭素繊維プレートを用いて鋼材を接着被服する… ……………………（3）場合には室温下ではせん断応力を 3.13N/㎟以下としておく必要がある。

ここに，yB は下端部の 座標である。
（2.b）式を（3）式に代入し，次式の関係を考慮すると，（5）４．接着層と炭素プレートのせん断応力4.1式が得られる。

算定方法

接着剤のせん断応力に対するクリープ限界強度は低く，また，中弾性型炭素繊維プレートのせん断強度も引張強度― 173 ―

… ……………………………………（4）玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸・山西央朗
表３

クリープ試験結果

図５

図６

複合材の断面断面内の応力分布

レートのタイプ（中弾性型炭素繊維プレート ML，高強度型炭素繊維プレート TL），接着層数，横列数，補強後の強軸断面２次モーメント，Ix ，圧縮フランジ端からの中立…（5）軸位置，y0 ，圧縮側断面係数，Zc ，引張側断面係数，Zt ，とせん断力 100kN あたりの，接着最内層，炭素繊維プレーここに， は断面の合せん断力である。
さて，図５に示す矩形要素からなる断面を考え，矩形要ト最内層での発生せん断応力度，S.F.を示している。表中

素の幅，厚さ，図心位置とヤング係数を bi ，di ，yi と Ei での Layer ply は，炭素繊維プレートを重ねる枚数・層数で表す。すると，下端から j 番目の要素の上端のせん断力応あり，Row ply は，接着する炭素繊維プレートの列数を示

力 は，次式で求まる。

している。表４には層数による効果を，表５には列数による効果を，それぞれ，示している。
これらの表から，接着層数を増やすと，発生最大せん断
応力 S.F. は大きくなり，逆に接着横列数を増やすと，S.F. は小さくなることとがわかる。また，H-175x90x5x8 の鋼小……………… （6.a）

梁のついて，高強度型炭素繊維プレート TL を１列４層補同様に，下端から j 番目の要素の下端のせん断応力 は，次式となる。

を４m として，許容曲げモーメント M，発生せん断力とクリープ限度せん断力… ……… （6.b）

4.2剛する場合を考える。許容応力 F を 235N/㎟，スパン長 Laを求めると

Ｈ形鋼小梁の補鋼設計用データ

前節で示した計算法を用いて，「S －ラミネート工法
CFRP 帯板接着による鋼梁の補強工法

設計・施工マニュ

７）

アル（案）第２版」 の補強性能表（付録 A.2）を参考に梁のせん断力が 100kN のときの接着最内層，炭素繊維プとなるので，通常の鋼小梁の炭素繊維プレート接着補剛レート最内層のせん断力度を求めた。その結果を表４，表によって生じる接着層の発生せん断力は，常温下の接着樹５に示す。

脂のせん断クリープ限度以下となることがわかる。

表４，表５には，対象とするＨ形鋼の寸法，炭素繊維プ― 174 ―

炭素繊維プレートと鋼との複合材のせん断クリープ特性に関する研究
表４

補剛 H 形鋼梁の断面性能と接着層での発生せん断応力度（層数の効果）

表５

補剛 H 形鋼梁の断面性能と接着層での発生せん断応力度（列数の効果）― 175 ―

玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小澤吉幸・山西央朗

連続繊維プレートと鋼材との接着特性に関する有限要５．まとめ

素 解 析， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 13 巻，pp.537544，2005.11.

炭素繊維プレートと鋼との複合材のせん断クリープ試験を行うとともに，鋼小梁の下フランジに複数枚炭素繊維プ

３）玉井宏章，高松隆夫，原伸幸，灰谷徳治，服部明生：

レートを接着した場合の発生せん断応力を計算し，本接着

炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばりの曲げ補強補剛工法の有用性を検討した。

について，鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp.553530，2005.11.

得られた知見は，以下のように要約できる。
１）室温下で接着層での発生せん断応力を 3.13N/㎟以下と４）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭誠，灰谷徳治，服部明生：
連続繊維プレートによる補強山形鋼ブレース材の圧縮しておけば，クリープは生じない。

補 強 に つ い て， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 13 巻，２）鋼小梁下フランジの炭素繊維プレートの接着層数を増

pp.553-560，2005.11.

やすと，接着層の発生せん断応力は大きくなり，逆に接５）櫻庭誠，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，服部明生：

着横列数を増やすと，発生せん断応力は小さくなる。
３）通常の鋼小梁の炭素繊維プレート接着補剛によって，連続繊維プレートによる補強山形鋼ブレース材の正負生じる接着層の発生せん断応力は，常温下の接着樹脂の交番繰り返し載荷実験，鋼構造年次論文報告集，第せん断クリープ限界度以下となる。

14 巻，pp.437-444，2006.11.
６）玉井宏章，高松隆夫，服部明生，櫻庭誠，白木剛：高強度鋼と炭素繊維プレートとの複合材の基本的力学的

参考文献

特 性， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 15 巻，pp.1-8，2007.11.

１）玉井宏章，高松隆夫，原伸幸，灰谷徳治，服部明生：
連続繊維プレートによる鋼構造建物補強に関する基礎

７）S- ラミネート工法 -CFRP 帯板接着による鋼梁の補強

的 研 究， 鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集， 第 12 巻，pp.239-

工法 - 設計 ･ 施工マニュアル（案）第２版，東レ建設㈱，246，2004.11.

2007.8.

２）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭誠，灰谷徳治，服部明生：― 176 ―