広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 143-149

論文

炭素繊維プレートによる補強実大山形鋼ブレースの座屈試験
玉井 宏章 ・高松 隆夫 ・服部 明生 ・小澤 吉幸(平成19年10月31日受理)

Buckling Test on Full-Scale Angle Steel Brace with Bonding CFRP Plates

Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Akeo HATTORI, Yoshiyuki OZAWA(Received Oct.31,2007)

Abstract
To enhance the usage life of existing building, a tensile force strengthening method with bonding
carbon fiber reinforced plastic (CFRP)plate has been developed by the authors.
To enhance the strength and deformation of steel structure member, a rehabilitation technique ofcompressive force strengthening as well as tensile force strengthening is nequired.
This paper reports the result of the loading tests on a full scaled angle steel brace before and after
rehabilitation using bonding CFRP plates.
Theseresults showenhanced compressiveforcecarrying capacityand deformation capacityofbraceby bonding CFRP plates and a proposed rehabilitation is practical and effective for a bracing steelstructure.
Key Words: carbon fiber reinforced plastic plates, rehabilitation angle steel brace, buckling, combined non-linear finite element analysis

レースが座屈により塑性化してもある部分に塑性化が集中

１．はじめにして進行することなく，完全除荷時に生じる残留中央たわ

炭素繊維を鋼構造物に接着して補強する工法が著者らを含めた研究者により開発・実用化されつつあるみ，残留軸縮みは非常に小さいこと，高強度型炭素繊維プ

１)〜５)

。これ

レートを山形鋼外面に２層接着する形式が最も変形性能が３)までに，部材としては，鋼小ばりの曲げ補剛 の他に，山形鋼ブレース材の圧縮補強優れること，等を明らかにした。

４),５)について研究を行っている。

また，文献５では，鉄塔に用いられる山形鋼主材の補強

特に，文献４では，炭素繊維プレートによる鋼構造部材への適用をえ，対象とする強風等の外乱は圧縮・引張をの圧縮補強への可能性を検討するため，山形鋼ブレース材交互に与える繰返し荷重であることをに炭素繊維プレートを様々な形式で接着した模型試験体をの繰返し荷重下に対しての補強効果を明らかにするため，製作し，単調圧縮載荷試験を行って，その最大耐力，軸剛補強した模型山形鋼ブレース材試験体の正負交番漸増繰返性及び塑性変形性能に対する補強効果について検討した。

し載荷実験を行った。その結果，炭素繊維プレートを接着また併せて，適正な炭素繊維プレートの接着形式を調査ししていない断面で，最大引張軸力は決定されること，引張た。その結果，炭素繊維プレートを接着することにより，弾力には，炭素繊維プレートを接着していない部分が塑性化

性軸剛性及び最大圧縮耐力を増大できること，山形鋼ブするので大きな引張軸変形が生じても，接着面下の鋼材の広島工業大学工学部建築工学科
東レ建設㈱ 技術設計部

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慮して，正負交番玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小吉澤幸⒜ NML 2‑1, 2‑2

図１ 試験体の形状
表１ 試験体名称⒝ UTL 2⒞ UTM 2
図２ 各試験体の CFRP 2層接着状況

表２ CFRP の中心線平 粗さ（板幅方向）

図３ 炭素繊維プレートの応力−ひずみ関係

表３ 素材試験結果

2.1 試験体
試験体の形状を図１に，試験体名称を表１に示す。
試験体は，全長 3,400の山形鋼(L-130x130x15,SS400)の両端に板厚 40㎜の鋼板(PL‑550x550x40)をその中 心 を 山
ひずみは弾性範囲内に留まり，炭素繊維プレートを全面に形鋼の図心に一致させて溶接し，山形鋼外面を覆うように接着しておけば，剝離は生じず圧縮側の補強には悪影響し

幅 50㎜厚さ２㎜の炭素繊維プレートを２層としたもの４ないこと等を明らかにした。

列，計８枚(鋼材との接着長さ 3,360㎜)を接着したものでさて，大スパンの鉄骨トラス架構や送電鉄塔では，耐荷ある。

力は，材の座屈強度により決定される。この構造物を一般用いる炭素繊維プレートは，高強度型炭素繊維プレート工法によって，補修・補強するためには，規模の大きい足（TL）と中弾性型炭素繊維プレート（ML,NM L）の２種類場等の仮設構造物を要するという難点がある。本炭素繊維であり，TL 及び M L と表記したものは一面に初期製造目プレートによる接着圧縮補強工法は，幅 50㎜厚さ２㎜の非粗しを行ったもので，NM L は，この初期製造目粗し面を常に軽い板材を火気を利用せず接着するのみの工法なの持って い な い も の で あ る。TL 及 び NML の 炭 素 繊 維 プ

で，大きな足場も不要である。したがって，十分な圧縮補レートの中心線平強が実大試験体で証明されれば，鉄骨トラス架構や送電鉄塔の効果的な補強方法として利用されると粗さ( )を表２に示す。

用意した試験体は，これら炭素繊維プレートや接着面のえられる。

組み合わせを変えたものである。この各試験体の接着状況

そこで本研究では，これまでの模型試験体の実験結果かを図２に示す。

ら得られた良好な接着形式を採用し，実大規模の山形鋼ブ試験体は，中弾性型炭素繊維プレート（NM L）を第１･レース材を補強した試験体を製作し，偏心座屈試験を行っ第２層とも用い，接着面は，#180のサンドペーパーで目粗て，本補強工法の実用性を検証する。

しして接着したものを２体（NM L 2‑1,NM L 2‑2試験体），高強度型炭素繊維プレート（TL）を第１･第２層とも用い，２．試験概要

初期製造目粗し面を外側に向け，もう一方の内側の面は本節では，炭素繊維プレートによる補強実大山形鋼ブ#180サンドペーパーで目粗しして接着したもの（UTL 2

レース材の偏心単調圧縮試験の概要を示す。

試験体），第１層（内側）に高強度型炭素繊維プレート（TL）
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炭素繊維プレートによる補強実大山形鋼ブレースの座屈試験⒜ 平面図

図４ 加力装置の概要⒝ 立面図
図５ 変位計測治具の詳細

写真１ 変位計測治具の概要
表４ 接着剤の力学的特性

図６ 計測諸量の模式図とひずみ測定位置
表５ 山形鋼ブレース材の断面性能

BH‑800x450x26x40,SS490）に，ストローク 500㎜，載荷能力 3,000kN の複胴式油圧ジャッキが設置されている。
試験体の両端には，山形鋼ブレースの弱軸方向に回転するピンがブレース図心から弱軸方向にピン中心を 100㎜偏を第２層（外側）に中弾性型炭素繊維プレート（M L）を用心させて取り付けている。

い，各プレートの初期製造目粗し面を外側に向け，もう一ピンの一方は反力フレームに，ピンの他端はロードセル

方の内側の面は，#180サンドペーパーで目粗しして接着しを介して，ジャッキにボルト接合している。ピン間の有効たもの（UTM 2試験体），及び，比較のため無補強の試験

座屈長さは 4,280㎜である。

体（N 試験体）の５本を用意した。炭素繊維プレート及び試験体が強軸方向に変形しないよう，材長の 1/3の箇所

鋼材の素材試験結果を図３及び表３に示す。

２点を，H 形鋼でテフロンシートを用いて挟み込んだ振れ

尚，接着には，常温二液硬化型エポキシ樹脂接着剤（コニシ止めを取り付けている。

ボンド E 258）を用い，常温 20℃以上で７日間以上養○加力プログラム生した。各試験体の接着の層厚を表１に示す。

加力プログラムは，単調圧縮載荷とし，炭素繊維プレートに破断が生じるまで載荷する。座屈現象を追跡するた

2.2 載荷方法と計測方法

め，加力の制御はストローク変位制御とした。

○加力装置

○計測方法

加力装置の概要を図４，写真１に示す。外形寸法で 9,000

変位計測治具の詳細を図５に，計測諸量の模式図とひず㎜ x 6,000㎜ の □ 型 反 力 フ レーム（BH‑1,000x450x26x40,

み測定位置を図６に，それぞれ示す。
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玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小吉澤幸

図７ 有限要素法解析モデル
図８ 軸力−軸縮み関係

表６ 解析用材料定数

有限要素解析の解析モデルを図７に示す。山形鋼，炭素繊維プレート及び接着剤は完全に接合しているものとし，20節点立体要素で要素分割した。ピン位置に節点を２つ設
け，山形鋼エンドプレート上の各節点を剛リンク要素で接合し，一端をピン支持，一端を材軸方向をローラー支持し計測は，荷重については，ジャッキ先端に取り付けられたロードセルから，材軸方向荷重：て，強制変位を与えて軸力を作用させ，実験と同じ軸縮みを，変位については，を生じさせた後，軸力を０にまで除荷し，残留変形性状も図５に示す変位計支持治具を用いて，試験体表裏の変位計からの平調べる。解析領域は全領域とした。

値として材軸方向ピン間相対変位：δ を，加力

炭素繊維プレートや接着剤は，文献６,７で紹介されてい心から弱軸方向に 175㎜離れた２点に設置した変位計からるように直交異方向材料であり，弾性応力‑ひずみ関係式やエンドプレートにおける材軸方向変位：δ, δ を，ブレー破壊･塑性条件は特別な取り扱いをするべきであるが，ここス材中央点及び中央から 500㎜離れた位置（Ｂ位置）に付けでは簡単化のため，鋼材と同様すべて等方弾性体とし，降た巻込式変位計により横たわみ：δ , δ を計測した。ひず伏条件･破壊条件は Von-M ises の条件を採用する。用いるみについては，材中央（Ｃ位置），左右材端部（Ａ,Ｄ位置）

材料定数を表６に示す。

及び中央から 500㎜離れた位置（Ｂ位置）の断面について，解 析 は，N 試 験 体，NM L 2‑2試 験 体，UTL 2試 験 体，山形鋼断面の表裏計６ヶ所（図６参照）の材軸方向ひずみUTM 2試験体の計４ケースについて行った。

を検長５㎜の箔ひずみゲージにより計測した。ゲージ番号

要 素 分 割 数 は 3,808，節 点 数 は 20,007，全 自 由 度 数 は１及び３の位置のものは無補強試験体を除き，炭素繊維の120,042で，N 試験体で応力集中が生じる箇所を密に分割ひずみであり，それ以外（ゲージ番号 2,1′〜3′）は鋼材のひした。また，20節点立体要素を利用するので，板厚方向のずみである。

分割を２としている。

変位の計測値からエンドプレートの回転角：θを次式で解析プログラムには，広島工業大学情報メディアセン

求めた。
θ＝δ−δ

ここに，ター所有の汎 用 非 線 形 構 造 解 析 ソ ル バー「M SC. Marcver 2005」を用いた。

･･･････････････････････････(1)４．実験･解析結果とそのは θ と θ との計測点間距離（＝350㎜）である。

図８には，無補強試験体のオイラー座屈荷重で無次元化

尚，表５には，山形鋼ブレースの断面性能と，実験結果の整理のためのオイラー座屈荷重値：

察した軸力（を示す。

（δ）と，有効座屈長さで無次元化した軸縮み）の関係を各試験体について示す。図９には，（と有効長さで無次元化した中央横たわみ（δ３．有限要素法解析の概要

から 500㎜離れた点の横たわみ（δ

本工法の補強効果を吟味するため，実験を行った補強山））と，中央）との関係を，N,NML 2‑2, UTL 2,UTM 各試験体ごとに分けて示す。図形鋼ブレース材について複合非線形有限要素法解析を行っ８,９には，有限要素法解析結果を併せて示している。

た。

表７には，実験で得られた最大圧縮軸力，最大中央変位，

本節では，解析方法について述べる。

中央から 500㎜ の 最 大 横 た わ み，残 留 軸 縮 み，破 断 時 の146

炭素繊維プレートによる補強実大山形鋼ブレースの座屈試験

δ,δ⒜ N 試験体δ,δ⒝ NML 2‑2試験体

δ,δ⒞ UTL 2試験体

δ,δ⒟ UTM 2試験体

図９ 軸力−横たわみ関係

CFRP 最大ひずみ，及び破断状況を示す。

限要素法の解析値からも同様の傾向が示唆されている。

図 10には N, NML 2‑2, UTL 2, UTM 2試験体について，B 位置及び C 位置のひずみと（図 10より，N 試験体では最大耐力後，耐力低下に伴っ）との関係を示す。て，Ｃ 位 置 の ひ ず み が 集 中 し て 生 じ る 一 方，NM L 2,

写真２には，N,NML 2及び UTL 2試験体の試験終了後

UTL 2, UTM 2試験体では，Ｂ位置，Ｃ位置とも同等のひの状況を示す。
以下に各項目毎に分けてずみが生じていることがわかる。
察を示す。

以上のことから，炭素繊維プレートを接着する補強によ○最大圧縮耐力り座屈に起因して生じる塑性ひずみ集中を緩和でき，残留図 ８，表 ７ よ り，中 弾 性 型 炭 素 繊 維 を 接 着 す る も の横たわみも軽減しうることがわかる。

（NM L 2, UTM 2試験体）は，最大圧縮耐力を向上させる

有限要素解析値は，塑性変形の局所化による δ ,δ ののに効果的であり，無補強試験体と較べ NM L 2試験体で挙動変化や，残留変位等を良好に再現している。

約 1.40倍，UTM 試験体で約 1.30倍最大圧縮耐力を向上○破壊性状と接着特性させることができる。これは，中弾性型炭素繊維プレート

図 10，写真２，表７より，補強試験体ではすべて，破壊の補強効果が高強度炭素繊維プレートのそれに比べて高い

は接着界面ではなく炭素繊維プレートの中央の軸方向に破のは，炭素繊維プレートの繊維方向のヤング係数が鋼材と断した。破断時の炭素繊維プレートのひずみは，NM L 2試

較べて 1.40倍と高いためである。

験体で 2,000 ，UTL 2試験体で 4,000 ，UTM 2試験体

有効要素解析値の軸力‑軸縮み関係は，実験値のそれと較で 2,600 であり，直下の鋼材は塑性化が生じているにもべ 25〜20％程度軸力が小さいものの，炭素繊維プレート補関わらず，接着剤で破壊が生じていない。このことから，採強にとる耐力上昇の程度を良好に予測している。解析値が用した接着剤は十分な接着性能を有することがわかる。

実験値より低めとなるのは，実験で用いたピンは摩擦力により抵抗曲げモーメントが増大するためと

文献５,６では，中弾性型炭素繊維プレートはせん断強度えられる。

が低く，早期にプレート層内で破壊が生じることを指摘し○残留変形性状

た。中弾性炭素繊維プレートは，弾性剛性は高いが，初期

図９，写真２より，無補強試験体（N 試験体）では，中製造目粗し工程で繊維が傷み，せん断強度が低下すると央部の横たわみ：δ と中央部から 500㎜の位置の横たわえられる。このため，中弾性型炭素繊維プレートの初期製

み：δ との差が大きく，除荷後の残留横たわみが大きい。

造目粗し面を上面とする 接 着 を し た NM L 2, UTM 2試

一方，炭素繊維プレートで補強した試験体の δ と δ の験体は，文献５,６にみられたプレート層内破壊を生じるこ

差は，比較的小さく，除荷時の残留横たわみは小さい。有となく，大きな横たわみ変形に追従したと
147えられる。

玉井宏章・高松隆夫・服部明生・小吉澤幸

表７ 試験結果⒜ N 試験体⒜ N 試験体⒝ NM L 2‑1試験体⒝ NML 2‑2試験体⒞ UTL 2試験体⒞ UTL 2試験体⒟ NML 2‑1試験体(詳細)⒟ UTM 2 試験体
図 10 軸力−ひずみ関係⒠ UTL 2試験体(詳細)写真２ 試験終了後の状況

148

炭素繊維プレートによる補強実大山形鋼ブレースの座屈試験

補強試験体すべてが炭素繊維が幅方向に破断した事実

謝は，すなわち，全強度まで新素材である炭素繊維プレートの優れた性能を利用できた補強が可能であることを示唆し

辞

本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研究ている。

センター」（代表者高松隆夫教授）のプロジェクトの一環として実施されました。実験実施にあたり，2007年度広島

５．まとめ

工業大学工学部建築工学科玉井研究室，高松研究室の学生

炭素繊維プレートによる山形鋼ブレース材に対する圧縮には，多大の協力を得た。ここに記し，謝意を表します。

補強の実用性を検証するため，実大試験体について単調圧文

縮偏心座屈試験を行うとともに，複合非線形有限要素解析を行って，補強効果を吟味した。

献１）El Damatty, A.A., Abushagur, M ., Yousserf, M.A.:

得られた知見は以下のように要約できる。

Experimental and analytical investigation of steel

１）ピン摩擦力の影響で，最大耐力の実験値は，解析値とbeams rehabilitated using GFRP sheets, steel and較べて 1〜2割高くなる。

Composite Sturctures, Vol.13, No 6, pp.421‑438,２）解析値は，炭素繊維接着補強による耐力上昇の程度や2003.3.

塑性変形の局所化による δ ,δ の挙動変化や，残留

２）渡辺憲市，板垣一也，鈴木博之：炭素繊維補強化樹脂変形等を良好に再現している。

版による鋼橋の補強，鋼構造年次論文報告集，第 8巻，３）NM L 2及び UTM 2の接着形式では，最大圧縮耐力はpp.679‑682，2000.11.

約 1.4，1.3倍増大できる。また，塑性率で２までは炭

３）玉井宏章，高松隆夫，原

素繊維は変形に追従する。

伸幸，灰谷徳治，服部明生：

炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばりの曲げ補強

４）無補強試験体では，中央部の横たわみが大きく生じるに つ い て，鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集，第 13巻，pp.

座屈波形となり，残留横たわみも大きい一方，NM L 2，523‑530，2005.11.

UTM 2の形式で炭素繊維を接着すれば，残留横たわ

４）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭みは大幅に軽減できる。

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

５）中弾性型炭素繊維プレートの初期製造目粗し面を上面に つ い て，鋼 構 造 年 次 論 文 報 告 集，第 13巻，pp.とする接着をすれば，炭素繊維プレートは大きな変形

553‑560，2005.11.に追従し，接着界面で破壊することなく，炭素繊維プ

５）櫻庭

レート母材が幅方向に中央で破断する。

誠，玉井宏章，高松隆夫，灰谷徳治，服部明生：

炭素繊維プレートによる補強山形鋼ブレース材の正負

６）NM L 2，UTM 2の接着形式によれば，炭素繊維プレー

交番繰返し載荷実験，鋼構造年次論文報告集，第 14巻，トの強度を十分に引き出す補強が，実大山形鋼ブレー

pp.437‑444，2006.11.

スについても実施できる。

６）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭誠，灰谷徳治，服部明生：

連続繊維プレートと鋼材との接着特性に関する有限要
今後，炭素繊維プレートの異方性や破壊条件を精密に素解析，鋼構造年次論文報告集，第 13巻，pp.537‑544,

し，有限要素法解析により補強山形鋼ブレース材の炭素繊2005.11.

維プレートの破断限界の推定を行う予定である。

７）座古勝，松本金矢：複合材料の挙動解析，朝倉出版，

pp.33‑46，1998.3.

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