広島工業大学紀要研究編
第 49 巻（2015）43-47

論文

H 形鋼梁に貼付けた CFRP の破壊性状に関する実験的研究
高松隆夫＊・服部明生＊＊・玉井宏章＊＊＊・藤本信介＊＊＊＊（平成26年10月30日受付）

Experimental study on CFRP fracture behavior bonding H-shaped steel beam
Takao TAKAMATSU, Akeo HATTORI, Hiroyuki TAMAI and Shinsuke FUJIMOTO（Received Oct. 30, 2014）

Abstract
An experimental study on H-shaped steel beam bonded CFRP plate is carried out to investigate
CFRP fracture mechanism. Four-points bending tests are employed to clarify load-deformation
curves of the beams strengthened by the CFRP plates partially bonding tension ﬂange. The usualbonding type of specimens show CFRP fracture, but a new bonding type of specimens, that theCFRP plate is bonded without both edges, show no CFRP fracture.
Key Words: CFRP, Four-points bending test, Fracture

１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はじめに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

著者等は，H 形鋼の小梁において常時引張応力が作用すとして，CFRP，接着剤および H 形鋼の応力分布が示されるフランジ下面全体に炭素繊維プレート（CFRP）を貼付ているが，実験ではこれらの応力全てを計測することは困けることによる補修方法の研究・提案を行っている

１）～４）

。

難である。
本研究では，CFRP 端部のひずみ計測を行い CFRP 破CFRP を貼付けた H 形鋼梁の３点曲げ実験および４点曲げ実験を行うことで H 形鋼の剛性向上が確認されており，CFRP を用いた補修方法は有効であると考えられる。また，
CFRP の部分貼付け，および多層貼付けした場合においても H 形鋼梁の剛性向上が確認されている。しかしながら，壊メカニズムの解明を図る。

２実験概要

2.1

実験方法

４点曲げ実験を行う。図１に載荷位置と変位計測位置を

CFRP の部分貼付けでは CFRP が早期に剥離する傾向が示す。

あり，いずれも CFRP の端部から剥離している。
そこで，本研究では４点曲げ実験において，CFRP 端部計測は，載荷装置から求められた荷重の半分を P とし，への影響を軽減する目的で CFRP を端部無接着貼付けとし梁中央部と両端支点に変位計を設置し，中央変位から両端た場合の試験体の実験を行い，CFRP を通常貼付けとした支点変位の平均を差し引いて梁中央変位 δ をそれぞれ計測

場合との比較により，CFRP 破壊メカニズムの解明を図る。

する。また，図２に示すひずみゲージ貼付け位置のひずみ

なお，CFRP を貼付けた H 形鋼梁の研究においては，載荷プログラムは単調載荷とし，CFRP の剥離破壊もし実験的研究では鋼材の表面状況・養生条件などで CFRP＊＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊＊

東レ建設（株） 技術部

博士（工学）＊＊＊＊

長崎大学工学部工学科教授＊＊＊＊

東レ建設（株） 技術部

ε を計測する。

博士（工学）― 43 ―

高松隆夫・服部明生・玉井宏章・藤本信介

図１

載荷および変位計測位置
ṇ㠃

くは H 形鋼梁の降伏ひずみまで載荷する。

୰ᚰ⥺ࡦࡎࡳࢤ࣮ࢪῶཌ⠊ᅖ&)53㈞௜ࡅ⠊ᅖ2.2

試験体

ୗ㠃

試験体形状を図２に示す。試験体に用いる H 形鋼は，

ࠌࠌ 

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

ンジ厚 25 ㎜，下フランジ厚９㎜の BH-250x125x6x9/25 を（a）CFRP4/1100fs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ࠌࠌࠌࠌࠌࠌ



厚６㎜の減厚部分（500 ㎜）を設けている。試験体に使用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

↓᥋╔༊㛫

᥋╔༊㛫

常温硬化型エポキシ樹脂（E258R，コニシ（株）製）を使





（b）CFRP4/1100fnS（100）ࠌࠌࠌࠌࠌࠌ

用する。接着剤の力学特性を表２に示す。CFRP を接着す





る部分はグラインダー，ベルトサンダーで H 形鋼の黒皮を除去し，サンドペーパー #240，#1500 で表面処理を施↓᥋╔༊㛫

᥋╔༊㛫





した後に CFRP を貼付ける。なお，接着剤は主剤２：硬（c）CFRP4/1100fnS（50）ࠌࠌࠌࠌࠌࠌ

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。
᥋╔༊㛫↓᥋╔༊㛫

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 ㎜である。

（d）CFRP4/1100fnS（30）試 験 体 は， 断 面 欠 損 有 の N’ と， 通 常 貼 付 け の CFRP4/ṇ㠃୰ᚰ⥺

1100fs および貼付け端部部分に接着剤を塗布していない

CFRP 4 / 1100 fnS（100）， CFRP 4 / 1100 fnS（50），CFRP 4 /ࡦࡎࡳࢤ࣮ࢪ

1100fnS（30），CFRP4/1100fnS（20），CFRP4/1100fnS（10），ῶཌ⠊ᅖ&)53㈞௜ࡅ⠊ᅖ

CFRP4/1100fnS（0）に よ る ８ 体 で あ る。 な お，CFRP4/ୗ㠃1100fnS は同一の試験体を使用し，無接着部分を糸鋸で切ࠌࠌࠌࠌࠌࠌ

断し長さを調節している。
表１

素材特性

᥋╔༊㛫





（e）CFRP4/1100fnS（20）材質

E（N/㎜2）σy（N/㎜2）

σu（N/㎜2）

伸び鋼板 t=25 ㎜

SN400B

205000

270

429

47.3

鋼板 t=9 ㎜

SN400B

205000

305

443

38.6

鋼板 t=6 ㎜

SN400B

205000

350

443

28.7

CFRP

ML

295700－2169

0.7

E：ヤング係数↓᥋╔༊㛫ࠌࠌࠌࠌࠌࠌ





％
↓᥋╔༊㛫

᥋╔༊㛫





（f）CFRP4/1100fnS（10）ࠌࠌ 



σy：降伏応力度 σu：引張強さ
（g）CFRP4/1100fnS（0）図２― 44 ―試験体形状

H 形鋼梁に貼付けた CFRP の破壊性状に関する実験的研究
表２E

材質E258R

3.2

E258R 力学特性
σcσt

（N/㎜2）（N/㎜2）（N/㎜2）

3000

81.5

37.3

24.7

エポキシ樹脂ひずみゲージ貼付け位置のひずみ ε は，貼付け位置断面σs（N/㎜2）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E：ヤング係数 σc：圧縮強度σt：引張強度 σs：引張せん断強度

CFRP を考慮する。
表３

試験体一覧

試験体減厚

CFRP 層数

接着面長さ（㎜）

無接着面長さ（㎜）

N’

有0－

－

CFRP4/1100fS

有41100－

CFRP4/1100fnS（100）有41100100

CFRP4/1100fnS（50）有4110050

CFRP4/1100fnS（30）有4110030

CFRP4/1100fnS（20）有4110020

CFRP4/1100fnS（10）有4110010

CFRP4/1100fnS（0）有41100－

解析方法

3.1

中央変位

（2）

y：中立軸からひずみゲージ貼付け位置までの距離

４実験結果および考察
表４に実験結果を示す。通常貼付けによる実験では

CFRP の剥離で最大荷重が決定した試験体の破壊状況は，
写真１に示すような CFRP の層内破壊であるが，今回行った端部無接着貼付けによる実験では確認されていない。
4.1

３

ひずみ

曲げ剛性

図３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試験体の中央変位 δ は，フランジ減厚部分と CFRP を性が向上しており，CFRP を部分的に貼付けた場合におい考慮した有効断面２次モーメント I’を用いて次式で表されても試験体の剛性を向上させられることがわかる。また，

る。なお，減厚部分の外側に貼付けた定着部分の CFRP（1）式より求めた中央変位 δ は，CFRP 貼付け範囲を減厚の補強効果は無視している。

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。
（1）L ：試験体材長（L=4,000 ㎜）
L’：減厚部分長さ（L’=500 ㎜）
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

M：実荷重による曲げモーメント
M：単位荷重による曲げモーメント
写真１
表４
試験体荷重 P（kN）

変位 δ（㎜）N’

破壊形状（CFRP4/1100）

実験結果
剛性 P / δ（N/ ㎜）

N’との比破壊状況

破壊位置

111.5

17.81

6261

1.00－

－

CFRP4/1100fS

103.5

14.67089

1.13

層内破壊

CFRP1 層CFRP4/1100fnS（100）

121.3

16.70

7261

1.16－

－

CFRP4/1100fnS（50）

121.1

16.57

7306

1.17－

－

CFRP4/1100fnS（30）

121.7

16.72

7278

1.16－

－

CFRP4/1100fnS（20）

120.8

16.53

7310

1.17－

－

CFRP4/1100fnS（10）

121.1

16.68

7261

1.16－

－

CFRP4/1100fnS（0）

121.1

16.72

7244

1.16－

－

― 45 ―

高松隆夫・服部明生・玉井宏章・藤本信介
180

4.2

㝆అⲴ㔜PyN'150

CFRP 貼付け端部への影響を避けた CFRP4/1100fnS はィ⟬್((1)ᘧ)各実験において解析値における降伏荷重に達しても破壊が

CFRP4/1100fSⲴ㔜P(kN)120

CFRP4/1100fnS(100)

確認されなかった。通常貼付けとした CFRP4/1100fs にお

CFRP4/1100fnS(50)CFRP4/1100fnS(30)90いての最大荷重は降伏荷重を上回ることはないと考えられ

CFRP4/1100fnS(20)るため，CFRP の剥離を回避するには CFRP の切断時にCFRP4/1100fnS(10)

60

最大荷重

CFRP4/1100fnS(0)生じる CFRP の端部における微小亀裂を防止することが30有効であると考えられる。

010152025304.3

ኚ఩δ(䟚)

図３700

600500䜂䛪䜏䝀䞊䝆఩⨨(ੈ)
400300P-δ 関係200

ひずみ

図４に CFRP4/1100fs，CFRP4/1100fnS（100），CFRP4/100070002001000䜂䛪䜏䝀䞊䝆఩⨨(ੈ)
400
300

2001000ᐇ㦂್ P=70kN

200

ᐇ㦂್ P=90kN

400
600

ゎᯒ್ P=50kN
ゎᯒ್ P=70kN

800

ゎᯒ್ P=90kN

1000

1800

（a） CFRP4/1100fs䜂䛪䜏䝀䞊䝆఩⨨(ੈ)
400
300

200100ᐇ㦂್ P=110kN

1600

1600

500

ᐇ㦂್ P=30kN
ᐇ㦂್ P=50kN
ᐇ㦂್ P=70kN
ᐇ㦂್ P=90kN

1400

1400

600

ゎᯒ್ P=30kN
ゎᯒ್ P=50kN
ゎᯒ್ P=70kN
ゎᯒ್ P=90kN
ゎᯒ್ P=110kN

1200

1200

700-2000

ゎᯒ್ P=30kN
䜂䛪䜏ε(μ)800

500

ᐇ㦂್ P=50kN

400
600

600

ᐇ㦂್ P=30kN

䜂䛪䜏ε(μ)5（e） CFRP4/1100fnS（20）0700-200
0200

1000-200ゎᯒ್ P=50kN

0ゎᯒ್ P=30kN
ゎᯒ್ P=50kN
ゎᯒ್ P=70kN
ゎᯒ್ P=90kN
ゎᯒ್ P=110kN

200
400

ゎᯒ್ P=110kN

䜂䛪䜏ε(μ)1000䜂䛪䜏䝀䞊䝆఩⨨(ੈ)
400
300

ゎᯒ್ P=90kN

400

800

500

ゎᯒ್ P=70kN

200

600

600

ゎᯒ್ P=30kN

ᐇ㦂್ P=30kN

600

ᐇ㦂್ P=50kN

800

ᐇ㦂್ P=70kN

1000

ᐇ㦂್ P=90kN

䜂䛪䜏ε(μ)0ᐇ㦂್ P=110kN

1200

ᐇ㦂್ P=110kN

ᐇ㦂್ P=30kN
ᐇ㦂್ P=50kN
ᐇ㦂್ P=70kN
ᐇ㦂್ P=90kN

1400

1200

1600

1400

1800

1600

（f） CFRP4/1100fnS（10）1800（b） CFRP4/1100fnS（100）
600

500

䜂䛪䜏䝀䞊䝆఩⨨(ੈ)
400
300

200

100

0700
-20002001000䜂䛪䜏䝀䞊䝆఩⨨(ੈ)
400
300

200

1000200600

ᐇ㦂್ P=50kN

800

ᐇ㦂್ P=70kN

1000

ᐇ㦂್ P=90kN

1200

ᐇ㦂್ P=110kN

1200

1400

1400

1600
1800

（g） CFRP4/1100fnS（0）（c） CFRP4/1100fnS（50）䜂䛪䜏䝀䞊䝆఩⨨(ੈ)
400
300

200

100

0-200

ゎᯒ್ P=30kN
ゎᯒ್ P=50kN
ゎᯒ್ P=70kN
ゎᯒ್ P=90kN
ゎᯒ್ P=110kN

0
200
400
600
800
1000

䜂䛪䜏ε(μ)500

ゎᯒ್ P=30kN
ゎᯒ್ P=50kN
ゎᯒ್ P=70kN
ゎᯒ್ P=90kN
ゎᯒ್ P=110kN

400

ᐇ㦂್ P=30kN

1800

600

-200

ゎᯒ್ P=70kN

1600

7000

ゎᯒ್ P=50kN

ゎᯒ್ P=110kN
䜂䛪䜏ε(μ)800

500

ゎᯒ್ P=90kN

400600600ゎᯒ್ P=30kN

ᐇ㦂್ P=30kN
ᐇ㦂್ P=50kN
ᐇ㦂್ P=70kN
ᐇ㦂್ P=90kN
ᐇ㦂್ P=110kN

1200
1400
1600
1800

（d） CFRP4/1100fnS（30）図４

ひずみ― 46 ―䜂䛪䜏ε(μ)700

ᐇ㦂್ P=30kN
ᐇ㦂್ P=50kN
ᐇ㦂್ P=70kN
ᐇ㦂್ P=90kN
ᐇ㦂್ P=110kN

H 形鋼梁に貼付けた CFRP の破壊性状に関する実験的研究

1100fnS（50），CFRP4/1100fnS（30），CFRP4/1100fnS（20），ズムには接着部分の断面欠損が関わっていると考え

CFRP4/1100fnS（10），CFRP4/1100fnS（ ０）の各荷重におられる。

けるひずみゲージ貼付け位置のひずみを示す。CFRP 端部に近づくにつれて CFRP のひずみが小さくなる。なお，
図中の点線は（2）式により求めた CFRP 下面のひずみで今後は端部無接着工法により圧縮側での小梁の CFRPによる補強が可能であるかの検討もしていく。

ある。CFRP の端部から 100 ㎜および中央部のひずみは（2）謝

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辞いることがわかる。しかし，CFRP4/1100fnS の各ひずみ

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は端部にマイナス方向のひずみを確認できる。CFRP4/よび大学院生の皆様に御協力頂きました。また，接着剤は1100fnS は端部部分に曲げによる圧縮側のひずみを生じさコニシ株式会社に提供して頂きました。ここに記して謝意せている。

を表します。

4.4【参考文献】CFRP の剥離破壊

端部無接着貼付けによる CFRP4/1100fnS（100），CFRP4/１）原伸幸，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，角田敦，服1100fnS（50），CFRP4/1100fnS（30），CFRP4/1100fnS（20），

部明生：連続繊維プレートによる鋼構造建物の長寿命

CFRP4/1100fnS（10），CFRP4/1100fnS（０）の CFRP 端 部化に関する基礎的研究 : その３: 補強 H 形鋼はりの載近傍ひずみから CFRP の破壊メカニズムの解明を図る。

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

ひずみの低下は全ての試験体において，図４と同様に端pp.225-228，2004.3部から 100 ㎜の範囲で発生している。無接着貼付け長さは ,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ひずみの低下傾向にほとんど影響ないことがわかる。

５の曲げ補強について : その１ 実験方法，日本建築学会

まとめ

中国支部研究報告集 28，pp.161-164，2005.3
３）原伸幸，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，服部明生，

本実験から得られた知見を以下に示す。
（1）端部無接着貼付けにすることにより端部からの

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２ 実験結果，日本建築学

CFRP 破壊を防止することが可能である。
（2）CFRP の剥離は貼付け端部から発生し，端部のひず会中国支部研究報告集 28，pp.165-168，2005.3

み低下に対応している。

４）服部明生，高松隆夫，玉井宏章，小澤吉幸：フランジ（3）CFRP 端部では平面保持の仮定が成立せず，端部に断面欠損部を有する H 形鋼梁の炭素繊維プレート補近づくにつれ CFRP のひずみが小さくなる。

修に関する研究，日本建築学会中国支部研究報告集，（4）端部無接着貼付けの場合，端部のひずみは圧縮ひず

CD-ROM 論文番号 -239 2013.3

みとなる。

５）宮下剛，石川敏之：多層の CFRP 板が積層された曲（5）CFRP4/1100fnS の場合，無接着部分に欠損が生じげを受ける鋼部材の応力解析，土木学会論文集 A １ても破壊が起きなかったため，CFRP の破壊メカニ（構造・地震工学），Vol.69，No.1，pp.26-39，2013.

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