広島工業大学紀要研究編
第 41 巻（2007）pp. 159-167

論文

高強度鋼（780N/mm２ 級）と炭素繊維プレートとの複合建築構造材料の基本的力学特性
玉井 宏章＊ ・高松 隆夫＊ ・櫻庭
灰谷 徳治＊＊＊・服部 明生＊＊＊＊誠＊＊（平成18年10月30日受理）

Mechanical Properties of Composite Materials
with High Strength Steel(780N/mm2 )and CFRP Plate
Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Makoto SAKURABA
Tokuji HAITANI and Akeo HATTORI(Received Oct. 30, 2006)

Abstract
The new high-strength steel (tensile strength is 780N/mm2 ) for steel buildings was developedby a Japanese company. The stronger the steel material becomes, the lighter form of steel
structure can be made. Essentially steel structure has the problem of lack of stiffness in entire
structure. The weak point of high-strength steel may be overcome in the near future because
stronger steel is being developed. To solve the difficulty, we propose the high-strength steel
composite member with high-stiffness materials in this study. High-stiffness carbon-fiberreinforced-plastic (CFRP) plate has 296kN/mm2 in its Young’s Modulus which is greater thansteel one. Although we reported the effectiveness of the normal steel composite member with
CFRP plate, there is no data of composite member in combination with high-strength steel andCFRP plate such as structural performance, bond strength, etc.
In this paper, we report the data from elementary tests such as tensile tests, bending tests,
bond strength tests on composite members to show the possibility of the composite member
made of CFRP plate and high-strength steel.
Key Words: CFRP plate, highstrength steel, compound building structure materials

この材料・工法が開発されれば，鉄・コンクリートと比べ１．は じ め にコストの高い CFRP や高強度鋼を，新構造システム建築

高強度鋼のように材料が高強度化されれば，構造材の物の中で効率的に適用できると考えられる。

断面は軽量化され，軽快なフォルムが得られる反面，鋼構高強度鋼材部分は断面がスレンダーになった分，他の性造の欠点である剛性の不足が問題となる。この点を解決す能低下，例えば，疲労寿命低下，振動障害，継手形状の複る方法として，高剛性の CFRP との複合化が挙げられる。

雑化等が危惧される。炭素繊維プレート（CFRP）と高強＊＊＊

広島工業大学工学部建築工学科＊＊＊

広島工業大学大学院工学研究科土木工学専攻＊＊＊

東レ建設㈱理事＊＊＊＊

東レ建設㈱技術設計部― 159 ―

玉井宏章・高松隆夫・櫻庭
表１

表２

誠・灰谷徳治・服部明生

試験体名称

鋼材と炭素繊維プレートの素材特性

表３

接着剤単体の力学的特性
写真２

試験装置

（a）A 試験体（a）A 試験体

（b）
B 試験体

（b）B 試験体

写真１

図１

試験体

度鋼の複合化は，炭素繊維プレートを貼り付け補剛した効果で，ボルト穴部の疲労強度の向上，仕口・継手の応力伝２．高強度鋼（780N/mm２ 級）と炭素繊維プレートのハイブリッド引張試験

達の緩和，固有振動数の改善などのメリットが考えられる。
しかしながら，炭素繊維プレートと普通鋼（SS400）を組み合わせた効果は確認されているが

１）
，２）

試験体

まず，高強度鋼単体の引張試験を行い，普通鋼との性能，高強度鋼を比較を行う。次いで，炭素繊維プレート（CFRP 帯板）を組み合わせた複合材としての性能や接着特性等は，これま高強度鋼に専用接着剤で接着し，引張試験を行うことによで全く知見がない。そこで，本研究では，まず，新しい構り鋼板の応力低下に関する影響や引張応力下における一体造システムの可能性を探索する上で，力学性能の大きく異化が成立する限界などを把握する。

なる両者の組み合わせによる接着接合に関する要素試験を行い，複合化の効果を定量的に把握する。

2.1

２

試験体

具体的には，高強度鋼（780N/mm 級）と炭素繊維プレー試験体を図１，写真１に，示す。試験体は，板厚９mm

トとのハイブリッド引張試験とハイブリッド曲げ試験を行の普通鋼（SS400）と高強度鋼（HT780）の引張素材試験片に，なった結果について報告する。

板厚２mm，幅 15mm の高強度型及び中弾性型炭素繊維プ― 160 ―高強度鋼（780N/mm２ 級）と炭素繊維プレートとの複合建築構造材料の基本的力学特性（a）A タイプ（b）B タイプ
図２

荷重−ストローク関係（弾性域）

図３

荷重−ストローク関係（弾塑性域）（a）A タイプ（b）B タイプ

レート（TL520, ML520 以降，TL, ML と略して表す）を両20℃でストローク速度を 1.0mm/min と一定とし単調に引面に接着したものである。試験体の形状は，鋼板を塑性化張した。

させる部位を 400mm とし定着部を設けない A タイプと塑

計測は，荷重 : P，伸び（ストローク）: ，及び図１に性化させる部位を 100mm とし両端に 150mm の定着部を設示す炭素繊維プレートの各部 C1 〜 C3 及び鋼材の各部 S1

ける B タイプの２種類を用意した。炭素繊維プレートを接〜 S3 のひずみ，着していない普通鋼（SS400）を S 試験体，高強度鋼（HT780）

荷は，万能試験機（AG-IS 250kN）を用いた。

及びについて行った。載を H 試験体，高強度型炭素繊維プレート（TL）を普通鋼に接着したものを S-TL 試験体，高強度鋼に接着したものを2.3

試験結果と考察H-TL 試験体とした。中弾性型炭素繊維プレートを普通鋼に試験結果を図２〜図５，表４及び写真３に示す。図２及接着したものを S-ML 試験体とし，高強度鋼に接着したもび図３は，各代表的試験体について，荷重：P とチャックのを H-ML 試験体と呼び，それぞれの組合せで形状を A タ

間の伸び： との関係を（a）A タイプ及び（b）B タイプ

イプ，B タイプとしたものを２体づつ，計 24 体を製作する。の試験体形状ごとに分けて，弾性範囲領域及び弾塑性範囲

試験体名称を各試験体の接着層の層厚と併せて表１に示す。

領域について，それぞれ，示す。図４及び図５は，A タイ

接着剤の硬化後における力学的特性及び鋼材と炭素繊維ププ及び B タイプの試験体形状の各代表的試験体について，レートの素材特性を表２及び表３に，それぞれ，示す。

載荷時の荷重：P と炭素繊維プレート及び鋼板の各部 C1

尚，接着は，常温二液硬化型エポキシ樹脂（コニシボン〜 C3, S1 〜 S3 のひずみ及びの間の関係をド E250R）を使用し，炭素繊維プレートと鋼材の接着面示す。表４には，鋼板の降伏荷重 : Py で無次元化した最大を紙ヤスリ（#100）で目粗しした後，接着し室温 20℃以

荷重 : Pu /Py ，鋼板の降伏伸び :上で７日間養生した。各試験体とも打音試験により，接着の状態を確認した結果，異音はなく，接着は完全である。

uyで無次元化した破壊伸び :/ y ，接着剤または炭素繊維プレートが破壊する直前の中央部における鋼板と炭素繊維プレートのひずみ及び破壊性状を示す。 尚，高強度鋼のものは，A タイプで Py=127.1kN，2.2=6.2mm，B タイプで Py=129.3kN，試験概要と計測方法

y試験装置を写真２に示す。載荷プログラムは，室温=5.1mm を， 普 通y鋼のものは A タイプで Py =42.3kN， y =3.6mm，B タイプ― 161 ―

玉井宏章・高松隆夫・櫻庭誠・灰谷徳治・服部明生（a）S 試験体（b）S-TL 試験体（c）S-ML 試験体（d）H 試験体（e）H-TL 試験体（f）H-ML 試験体

図４

荷重−ひずみ関係（A タイプ）（a）S 試験体（b）S-TL 試験体（c）S-ML 試験体（d）H 試験体（e）H-TL 試験体（f）H-ML 試験体

図５で Py =43.7kN，

y

荷重−ひずみ関係（B タイプ）

=3.3mm を 用 い て い る。 写 真 ３ に は，

２）炭素繊維プレートを接着した場合では，荷重−ストローク関係から分かるように，試験体全体の初期軸剛性の上各代表的試験体の破壊状況を示す。

昇はほとんどみられない。一方，荷重−ひずみ関係からこれらの結果から以下のことが分かる。
１）高強度鋼の降伏比は 95.5％と大きく，降伏応力と引張

炭素繊維プレートには，鋼材とほぼ同様のひずみ値が生強さは非常に近い値となり，伸びは，普通鋼と比べ７％じており，その断面では，十分補剛され，軸剛性が上昇と小さい。

している。これは，試験体全体の軸剛性は，未接着部の― 162 ―高強度鋼（780N/mm２ 級）と炭素繊維プレートとの複合建築構造材料の基本的力学特性
表４

引張試験結果（a）A タイプ試験体（b）B タイプ試験体（a）S-TL 試験体（A タイプ）（b）S-ML 試験体（A タイプ）（c）S-TL 試験体（B タイプ）（d）S-ML 試験体（B タイプ）
写真３

各試験体の試験後の破壊状況

軸剛性と CFRP 接着部の軸剛性の直列和で表されるたの上昇率は，鋼材の降伏荷重に対して，普通鋼と高強度め，顕著な剛性上昇ができなかったと考えられる。

型炭素繊維プレート（TL）及び中弾性型炭素繊維プレー

３）全載荷過程を通して弾性に保持される定着部のない

ト（ML）との組み合わせで最大 14％，８％，高強度鋼

A タイプの試験体では，炭素繊維プレートによる強度と TL，ML との組み合わせで，−24％，−22％と低く，― 163 ―

玉井宏章・高松隆夫・櫻庭
表５

誠・灰谷徳治・服部明生

試験体名称

写真４

試験体形状

写真５

図６

試験体概要

図７

高強度鋼と TL の場合では，中央部で鋼板部と炭素繊維プレート部で 2000μ のひずみが生じた後，接着剤と鋼試験装置

試験装置概要３．高強度鋼と CFRP 帯板のハイブリッド曲げ試験板との界面で剥離が生じる。

高強度鋼単体の曲げ試験を行い，普通鋼との性能比較を４）一方，弾性に留まる定着部のある B タイプの試験体行う。さらに炭素繊維プレート（CFRP 帯板）を高強度鋼にでは，炭素繊維プレートによる強度の上昇率は，普通鋼専用接着剤で接着し，曲げ試験を行うことにより，初期段階と TL, ML との組み合わせで，最大 91％，81％，高強の曲げ剛性および曲げ応力下の接着強度・性能を確認する。

度鋼と TL, ML との組み合わせで，最大 43％，３％と比較的大きく，高強度鋼と TL との組み合わせで，中央3.1

試験体部のひずみは，鋼板部と炭素繊維プレート部で 6000μ試験体を図６，写真４にそれぞれ，示す。試験体は，で界面破壊 50％，接着剤自体の凝集破壊 50％で剥離が幅 65mm で長さ 400mm 板厚９mm の鋼板に幅 50mm 長生じた。

さ 280mm 板厚２mm の高強度型及び中弾性型炭素繊維プ５）中弾性型炭素繊維プレート（ML）は高強度型炭素繊レート（TL520, ML520 以降 TL, ML と表す）を接着した維プレート（TL）と比べ，ヤング係数は 1.75 倍と剛性ものである。試験体は，炭素繊維プレートを接着していは高いものの，すべての試験体において，CFRP 層内でない普通鋼（SS400）を S 試験体，高強度鋼（HT780）を破壊が生じていることから，プレート材の強度を上昇さH 試験体，高強度型炭素繊維プレート（TL）を普通鋼にせることが望まれる。

接着したものを S-TL 試験体，高強度鋼に接着したものを６）弾性に保持される定着部が 150mm 程度あれば，高強H-TL 試験体，中弾性型炭素繊維プレートを普通鋼に接着度型炭素繊維プレートを接着することにより強度を降伏したものを S-ML 試験体とし，高強度鋼に接着したものを荷重の 43％上昇させることができる。また，ひずみ値

H-ML 試験体と表した計６種類とし，各種類２体づつ計で 6000μまでは，接着部に剥離は生じない場合がある。

12 体用意した。試験体名称を各２体の試験体の接着層の層厚と併せて，表５に示す。

― 164 ―

高強度鋼（780N/mm２ 級）と炭素繊維プレートとの複合建築構造材料の基本的力学特性
表６

三点曲げ試験結果

尚，接着方法や接着剤は，引張試験と同様とした。
3.2

試験概要と計測方法

試験装置の概要を図７及び写真５に示す。載荷には，引張試験と同様の万能試験機（AGIS 250kN）を用いた。試験は，三点曲げ試験とし，クロスヘッドの下降載荷速度を１mm/min と一定とし，炭素繊維プレート又は接着層に破壊が生じるまで単調に載荷した。
計測は，クロスヘッド上部のロードセルから荷重 : P，ス
トローク :（a）弾性域

及び図６に示す炭素繊維プレートと鋼板の各部 C1 〜 C3，S1 〜 S3 の ひ ず み，，について検長５mm の箔ひずみゲージにより測定した。
また，破壊時荷重の 60％の荷重：P とたわみ： との実
験値から，炭素繊維プレートを接着して複合化した鋼板の平均曲げ剛性を次式により算定した。
………………………………（1）

ここに，L は，半支点間距離（L ＝150mm）である。
3.3

試験結果と考察（b）弾塑性域
図８

試験結果を表６，図８，９，写真６，７に示す。

荷重−中央たわみ関係

図８は，各代表的試験体の荷重 : P と中央たわみ量 :り実設計上剛性は不足しがちとなる。の関係を（a）弾性域と（b）弾塑性域に分けて示す。図９には，各試験体の荷重 : P と各部のひずみ量 :の関係を示

２）炭素繊維プレートを接着することによる曲げ剛性の上す。表６には，各試験体の平均的曲げ剛性，最大荷重，破昇率は，鋼種によらず，高強度型炭素繊維プレート（TL）壊時のたわみ及び，破壊状況を示す。写真６には，破壊しで 74％，中弾性型炭素繊維プレート（ML）で 105％とた試験体の破壊状況を示す。写真７には，15kN 作用時の（a）なる。よって，炭素繊維プレートによって鋼板の曲げにH 試験体，（b）H-TL 試験体の変形を示してある。

よる弾性変形を効率的に抑制できる。
３）一方，炭素繊維プレートを接着することによる曲げ強これらの結果より以下のことが分かる。
１）高強度鋼は普通鋼と比べ，鋼板の曲げ剛性は同一で，度の上昇率は，各鋼種とも概ね高強度型炭素繊維プレー

曲げ耐力は，降伏応力度とほぼ同比率の約３倍となる。

ト（TL）で 120 〜 150％，中弾性型炭素繊維プレート

従って，耐力に対する曲げ剛性の割合は，約１/ ３とな（ML）で，70 〜 120％となる。高強度鋼を用いたものが，― 165 ―

玉井宏章・高松隆夫・櫻庭誠・灰谷徳治・服部明生（a）S-TL 試験体（b）H-TL 試験体（c）S-ML 試験体（d）H-ML 試験体
写真６

各試験体の破壊状況（a）S 試験体（b）S-TL 試験体（c）S-ML 試験体（d）H 試験体（e）H-TL 試験体（f）H-ML 試験体

図９

荷重−ひずみ関係

普通鋼を用いたものと比べ，さほど強度が上昇しないのて，高強度鋼単独の最大曲げ耐力の範囲内で，弾性挙動がは，すべて接着剤と炭素繊維プレートとの界面で破壊が確保でき，かつ曲げ剛性も 70％上昇させることができる。

生じ，中弾性型炭素繊維プレートを用いたものはすべて，５）中弾性型炭素繊維プレートが高強度型炭素繊維プレー炭素繊維プレートの層内で早期に破壊するためである。

トのように層内破壊しないよう性能が改善されれば，有４）高強度鋼と高強度型炭素繊維プレートとの複合化によっ― 166 ―

効な被複合材要素となる。

高強度鋼（780N/mm２ 級）と炭素繊維プレートとの複合建築構造材料の基本的力学特性（a）H 試験体
写真７

４．まと（b）H-TL 試験体
H 及び H-TL 試験体の変形性状（15kN 載荷時）

め

今 後 の 展 望

新しい構造システムの可能性を検索する上で，力学的特高強度鋼は，強度を基準に設計すると応力状態によって性の大きく異なる高強度鋼と炭素繊維プレートを接着しては，１／２〜１／３程度の剛性不足を考えておかなければ複合化した試験体の要素試験（引張試験・三点曲げ試験）ならない。接着で複合化することや高強度材同士を組み合を行い，引張応力，曲げ応力下の接着強度や構造性能を検わせることを敬遠しがちであるが，高強度鋼と炭素繊維プ討した。得られた知見は，以下のように要約できる。

レートの使用ひずみ範囲（〜 1.5％）は，実用可能範囲で○ハイブリッド引張試験よりあると考えられ，相性は良い。特に，超鉄鋼薄肉断面材の１）高強度鋼は，降伏比 95％と非常に大きく伸びも７％手軽な補剛技術として，今後発展し得ると考えられる。と小さいことから，エネルギー吸収を期待しない弾性構研究課題としては，造材料として利用できる。また，引張応力下において，

１）接着強度のばらつきを十分に把握する。

強度に対する剛性の割合が普通鋼の１/ ２となり不足し２）繰返し荷重下の疲労特性。

がちとなる。

３）高温下のクリープ特性。

２）弾性範囲に留まる定着部が十分にあれば，高強度型炭４）せん断応力下の適用性を究明する。

素繊維プレートを接着することにより，接着部位を補剛以上の点が挙げられる。

することができる。また，ひずみ値 6000μまでは，炭素謝繊維プレートには期待できる。
○ハイブリッド曲げ試験により

辞本研究を実施するにあたり，2006 年度玉井研究室卒論

１）高強度鋼は，曲げ応力下において，普通鋼と比べ，曲生の協力を得た。また，本試験を行うにあたり，東レ㈱鈴げ剛性は同一で，曲げ耐力は，約３倍となる。従って，

川研二，中林伊織諸氏には多大な協力を得た。ここに記し強度に対する剛性の割合が普通鋼の１／３となり，引張て謝意を示します。

応力下よりも更に不足する。

参 考 文 献２）炭素繊維プレートを接着することによる鋼板の曲げ剛性の上昇率は，鋼種によらず，高強度型及び中弾性型炭１）玉井宏章，高松隆夫，原伸幸，灰谷徳治，服部明生：

素繊維プレートでそれぞれ，74％及び 105％となり，曲炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばりの曲げ補げによる弾性変形を効率よく抑制できる。

強について，鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp．

３）高強度鋼と高強度型炭素繊維プレートを複合化することにより，鋼単体の最大曲げ耐力の範囲内で，ほぼ弾性

523-530，2005.11.
２）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭挙動が確保でき，かつ曲げ剛性を 70％上昇できる。

誠，灰谷徳治，服部明生：

炭素繊維プレートによる山形鋼ブレース材の圧縮補強について，鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，pp．
553-560，2005.11.

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