広島工業大学紀要研究編
第 41 巻（2007）pp. 151-158

論文

炭素繊維プレートによる接着補強山形鋼ブレース材の繰返し載荷試験
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）

Cyclic Loading Test on Angle Steel Brace with Bonding CFRP Plates
Hiroyuki TAMAI, Takao TAKAMATSU, Makoto SAKURABA,Tokuji HAITANI and Akeo HATTORI(Received Oct. 30, 2006)

Abstract
To enhance the usage life of existing building a tensile force strengthening method withbonding 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 for cyclic force strengthening as well as tensile force strengthening.
This paper reports the result of cyclic loading tests on an angle steel brace before and after
rehabilitation using bonding CFRP plates.These results show enhanced compressive force
carrying capacity and deformation capacity by bonding CFRP plates.
Key Words: CFRP plates, angle steel brace, buckling, cyclic loading testes

験を行って，その最大耐力，軸剛性及び塑性変形性能に対１．は じ め にする補強効果について検討した結果，炭素繊維プレートを高い剛性と強度を有する炭素繊維を鋼構造物に接着補強接着することにより，弾性軸剛性及び最大圧縮耐力を 1.9する様々な方法が著者らを含めた研究者により開発されつ倍及び 3.0 倍に増大できること，山形鋼ブレースが座屈に１）〜６）

つあるより塑性化してもある部分に塑性化が集中して進行するこ。

鋼構造部材には，それら部材断面形状を起因として，本質的に引張力に対しては強度を発揮しうるものの，圧縮力となく，完全除荷時に生じる残留中央たわみ，残留軸縮みは非常に小さいこと，等のことを明らかにした。

に対しては座屈現象が生じ，耐荷力は著しく乏しい場合が鉄塔に用いられる山形鋼主材の補強への適用を考える多い。鋼構造部材の保有する耐力を上げるためには，引張と，対象とする強風等の外乱は圧縮・引張を交互に与える力に対して抵抗性能を上げるのみならず圧縮力についても繰返し荷重であるため，単調圧縮に対する検討のみならず，補強を必要とする。

正負交番の繰返し荷重下に対しての補強効果や疲労特性に

文献６では，炭素繊維プレートによる鋼構造部材の圧縮ついても，検討しておく必要がある。

補強への可能性を検討するため，山形鋼ブレース材に炭素そこで，本研究では，補強した山形鋼ブレース材の正負繊維プレートを接着した試験体を製作し，単調圧縮載荷試

交番漸増繰返し載荷試験と疲労試験を行い，圧縮・引張力＊＊＊＊

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― 151 ―

玉井宏章・高松隆夫・櫻庭誠・灰谷徳治・服部明生
表１

表２
図１

試験体名称

炭素繊維プレートの素材特性

試験体形状

表３

山形鋼ブレース材の素材試験結果（a）TP，MP 試験体試験で補強効果を確認できた試験体を用意した。高強度型

図２（b）TW，MW 試験体

炭素繊維プレート（CFRP（TL））を用いて，山形鋼の外炭素繊維プレートの貼付方法

面全体に２層（４枚，全長 5120mm）接着した TP 試験体，山形鋼の内・外面全体に１層（４枚，全長 5120mm）接着した TW 試験体，炭素繊維プレートとして，中弾性型炭素繊維プレート（CFRP（ML））を用い，TP 試験体及びTW 試験体と同様の貼付方法とした MP 試験体及び MW試験体を各１体ずつ，また比較のため無補強の N 試験体を１体，計５体を用意した。これらの各試験体とも炭素繊維プレートの使用量は同量とした。表１に試験体名称を整理して示す。

図３

炭素繊維プレートの応力−ひずみ関係○素材特性
今回の実験で使用した高強度型炭素繊維プレートを交互に受ける鋼構造部材への炭素繊維プレート接着補強（CFRP（TL）），中弾性型炭素繊維プレート（CFRP（ML））工法の適用限界を調べることを目的とする。の素材試験結果を図３，表２に，山形鋼の１号試験片による引張素材試験結果を表３に，それぞれ示す。

２．山形鋼ブレース材の正負交番漸増繰返し試験2.1

図３には，各炭素繊維プレートの応力：v- ひずみ：f 関係を，山形鋼のそれとともに示す。

試験体

これらの結果から，高強度型及び中弾性型炭素繊維プ○試験体シリーズ
試験体を図１に，炭素繊維プレートの貼付方を図２にそ

レートは鋼と比較して，0.8 及び 1.4 倍のヤング係数と 7.0

れぞれ示す。試験体は，全長 1,300mm の山形鋼（L-50x50x4）

倍及び 5.0 倍の強度を有し，また破断ひずみは，1.52％及の両端に板厚 28mm の鋼板（PL-200x180x28）をその中心び 0.71％と大きいことから，有効な補強材であることがわを山形鋼の図心に一致させて溶接し，山形鋼全面に炭素繊かる。

維プレート（鋼材との接着長 1,280mm）を接着したもの○接着についてである。
炭素繊維プレートとの接着として，文献６）の圧縮補強― 152 ―

接着剤の力学的特性を表４に，各試験体の接着層の層厚炭素繊維プレートによる接着補強山形鋼ブレース材の繰返し載荷試験
表４

接着剤の力学的特性

表５

各試験体の接着層厚

写真１

図４

装置概要

装置概要

図６

変位計及びゲージ位置

図７

計測諸量模式図ようになっている。上端ピンは，ガイドとシリンダーにより水平方向には動かないように固定してある。また，山形鋼ブレース材の全長が有効座屈長さにするため，ピン軸の中心と山形鋼の端部とが一致するようなしくみになっている。尚，試験体設置において，偏心は，座屈現象に大きく図５

ピンの詳細影響を及ぼすので，加力点位置が山形鋼の図心と一致するように，トランシットにより位置決めを行った。

を表５に示す。試験体の接着は，まず山形鋼の表面をディ

計測は，荷重は，オイルジャッキ先端に取り付けたらスクサンダーでミルスケールを完全に除去し，炭素繊維プれたロードセルから，材軸方向荷重：P を，変位は，図レートと山形鋼の接着面を紙ヤスリ（＃ 100）で目粗しし６に示すように試験体の弱軸方向の中央たわみ量：dh をた後，常温二液硬化型エポキシ樹脂接着剤（コニシ

200mm ストロークの変位計により，山形鋼の図心から弱ボン

ド E250R）で接着し室温 20℃以上で７日間養生した。

軸方向に 80mm 離れた２点の上下エンドプレートの材軸方向変位：（da，db），（dc，dd）を 50mm ストロークの変位計

2.2

載荷方法と計測方法により，それぞれ，計測した。また，ひずみは，中央部と今回の実験で用いる試験装置の概要を図４，写真１に，端部との間の無補強試験体と炭素繊維プレートで補強した上端ピンの詳細を図５に示す。試験体の両端に，試験体弱試験体の各部の塑性変形の様子を確認するため，無補強の軸回りに自由に回転することのできるピンが取り付けられ試験体では鋼材表面に，補強した試験体では，炭素繊維プており，上部から 500kN 容量のオイルジャッキにより圧レート表面に試験体中央部の山形断面の先端部から 15mm縮・引張力が作用し，上端のピンが鉛直方向のみ移動すると 40mm の位置に表裏４点，試験体の下端から 325mm の― 153 ―玉井宏章・高松隆夫・櫻庭（a）N 試験体誠・灰谷徳治・服部明生（b）TP 試験体（d）MP 試験体
図８ 荷重（a）N 試験体（c）TW 試験体（e）MW 試験体
軸縮み関係（弾性載荷試験）―（b）TP 試験体（d）MP 試験体（c）TW 試験体（e）MW 試験体

図９ 荷重―材端回転角関係（弾性載荷試験）

ここに，ℓd は，da と db，dc と dd との計測点間距離（＝位置に山形断面の先端部から 15mm と 40mm の位置に表裏４点，計８点の材軸方向直ひずみを，検長５mm の箔ひ160mm）である。

ずみゲージにより計測した（図６参照）。

また，設計の便のため，実験により得られた最大圧縮荷変位の計測値から，試験体の軸縮み：dv と，上下材端回転角（iu，il）を次式により算定した。計測諸量の模式図

重値：Pmax より各試験体の換算細長比：m として次式を用いて，求めた。

を図７に示す。
……………………………………………（2）…………………………………………… （1.a）…………………………………………… （1.b）

ここに，Es，As は，山形鋼ブレースのヤング率及び断面積である。

…………………………………………… （1.c）― 154 ―

炭素繊維プレートによる接着補強山形鋼ブレース材の繰返し載荷試験（a）N 試験体（b）TP 試験体（d）MP 試験体（c）TW 試験体（e）MW 試験体

図 10 荷重―軸縮み関係（弾塑性載荷試験）（a）N 試験体（b）TP 試験体（d）MP 試験体（c）TW 試験体

図 11 荷重（e）MW 試験体
中央たわみ関係（弾塑性載荷試験）―2.3

また，載荷プログラムは，引張側を無補強時の全塑性軸載荷プログラム

載荷プログラムは，無補強試験体の設計強耐力（20kN）を荷重振幅とする正負交番定荷重繰返し載荷試験（弾性載荷試験）と軸方向変位を２mm ずつ漸増させ，各振幅で１回繰返す正負交番漸増振幅繰返し載荷試験（弾塑性載荷試力の 90％の荷重値（82kN）で，圧縮側は，座屈荷重 90％時の軸方向変位（1.6mm）で繰返しを行った。

４．試験結果と考察験）を行った。

正負交番漸増繰返し試験の弾性載荷試験結果を図８，図９に，弾塑性載荷試験結果を図 10 〜 13，表６及び写真１

３．補強山形鋼ブレース材の繰返し疲労試験〜２に，疲労試験結果を図 14 に示す。

定荷重・定振幅を受ける場合の補強山形鋼ブレース材の図８には，無補強試験体の全塑性軸力：Py（ ＝ 91kN） で，疲労特性を確認するため，繰り返し疲労試験を行う。今回

無次元化した荷重：（P/Py）と無補強試験体の降伏軸縮み：の試験では，TP 試験体を用いた。試験体製作，計測方法

dy（ ＝ 1.5mm）で無次元化した軸方向縮み：（dv/dy）との関等は，前節と同様である。

係を，図９には，無補強試験体の全塑性軸力で無次元化し― 155 ―玉井宏章・高松隆夫・櫻庭誠・灰谷徳治・服部明生（b）TP 試験体（a）N 試験体
図 12荷重中央ひずみ関係（弾塑性載荷試験）―（a）N 試験体（b）TP 試験体
図 13 荷重―下部ひずみ関係（弾塑性載荷試験）

表６

弾塑性試験結果た荷重：（P/Py）と上下材端回転角：（iu，il）との関係を示す。
図 10 に は，（P/Py） と（dv/dy） と の 関 係 を， 図 11 に

験体の試験後の破壊状況を，写真３には，N 試験体，TP試験体の試験後の残留変形状況を示す。

は，（P/Py）と座屈長さの半分で無次元化した中央たわみ：（2dh/L）の関係を示す。

表６には，全試験体について，弾性軸剛性，最大圧縮荷重，最大引張荷重，最大軸縮み，最大圧縮荷重から換算し尚，図８〜 11 の右縦軸には，無補強試験体の弾性座屈た細長比，破壊時の中央ひずみの最大値，破壊状況を，そ荷重：Pcr で無次元化した荷重を，図８には，無補強試験

れぞれ示す。また，図 14 には，（P/Py），（P/Pcr）と（dv/dy）体の計算弾性軸剛性から求めた直線を併せ示している。との関係を，1000 回の繰返し荷重を作用させた時の炭素

図 12 及び図 13 には，（a）N 試験体，（b）TP 試験体について，無次元化した荷重：（P/Py）と，中央ひずみ：（fc1，繊維プレート補強した TP 試験体の荷重と軸方向変位を示す。

fc2，fc3，fc4）との関係及び，（P/Py）と下部ひずみ：（fL1，fL2，fL3，fL4）との関係を，それぞれ示す。写真２には，炭素繊維プレート及び接着剤層で破壊した，TW，MP，MW 試― 156 ―

以下に各項目毎に分けて考察を示す。

炭素繊維プレートによる接着補強山形鋼ブレース材の繰返し載荷試験（a）TW 試験体（b）MP 試験体
写真２

図 14（c）MW 試験体

炭素繊維プレートの破壊状況

荷重―軸方向変位関係（1000 回繰返し）○弾性軸剛性（a）N 試験体

図８，９より初期不整や炭素繊維プレートを貼付たため

写真３に生じる心ずれにより，上下材端に初期段階から回転が生（b）TP 試験体試験後の残留変形状態じる傾向にあり，いずれの試験体も軸剛性は，無補強試験体のと比べて大きく下回る傾向にある。しかし，TP 試験○破壊性状体の軸剛性は無補強試験体と比べて大きくなり，また，図

図 11，写真２より，補強試験体を含むすべての試験体９（b）の弾性載荷時の材端回転角が他の試験体とは異なでは，圧縮荷重下において弱軸方向に座屈して，大きな中る挙動を示し，初期不整の影響が，初期段階より顕著に表央たわみが発生する。TW，MP，MW 試験体では，このれていることがわかる。

圧縮荷重時に破壊が生じた。TW 試験体は，外面の炭素繊維プレートと接着剤の界面で，MP 及び MW 試験体では，早期に炭素繊維プレート層内で破壊した。文献６）の試験○最大圧縮耐力
表６より，高強度型炭素繊維プレート及び中弾性型炭素結果と同様に，中弾性型炭素繊維プレートは，プレート層繊維プレートを２枚接着する補強により，最大圧縮耐力を内の破壊が先行するという素材特性がある。MW 試験体無補強試験体と比べて 70％及び 135％増大し，細長比に換の外面は，山形鋼の一辺が 50mm であり，山形頂部に R算して 155 を，120 及び 102 に改善することができる。中がとってあるので，幅 50mm の炭素繊維プレートを貼る

弾性型炭素繊維プレートの補強効果が高強度型炭素繊維プと端部に未接着の領域が２〜３mm 生じる。この面のみ接レートのそれに比べて高いのは，炭素繊維プレートの繊維着界面に破壊が生じることから，接着方法として，プレー方向のヤング係数が鋼材と比べて 1.4 倍と高いためである。

ト全面を鋼材に接着すべきであると考える。

○最大引張耐力○残留変形と接着特性図 10，表６より，補強試験体の最大引張耐力の増加は，

図 12，13 及び写真３より，無補強試験体と炭素繊維プ無補強試験体の全塑性軸力の 10％と小さい。これは，ブレートに破壊を生じなかった TP 試験体との中央たわみ特レース全体の最大引張耐力が，炭素繊維プレートを貼り付性及び中央部下部ひずみ特性を比べると，圧縮荷重下には，けていない材端部の断面で決まるためである。

中央たわみは，同程度生じるものの除荷した時点の中央たわみは，無補強試験体のものは，最大中央たわみの 80％残留するのに対し，TP 試験体は，最大中央たわみの 10％― 157 ―

玉井宏章・高松隆夫・櫻庭誠・灰谷徳治・服部明生

程度しか残留しない。N 試験体は，中央部に正負の曲げひ維プレートを全面に接着しておけば，剥離は生じない。

ずみが繰返し大きく生じ，累積塑性ひずみ量は大きく，ま６）弾性限界に近い荷重を 1000 回程度繰返し作用させてた下部のひずみ値は非常に小さく，中央部にひずみが集中も試験体性状に変化はなく，この程度の繰返しには，している。一方，TP 試験体は，中央部，下部ともに一方問題がない。

向の曲げひずみが生じ，ブレース材全体が座屈波形に応じ謝た変形をしており，中央部の累積塑性ひずみ値は比較的小さい。また上下端部の炭素繊維プレートを接着していない

辞本研究は，広島工業大学「高性能構造システム開発研

部分が引張時に塑性化して，ひずみが集中すること等がわ究センター」（代表者かる。大きな圧縮引張の軸変形させても，TP 試験体の炭究の一環として実施されました。実験実施にあたり，2005

素繊維プレートは，剥離しなかった。中央部のひずみは，年度，2006 年度広島工業大学工学部建築工学科玉井研究

圧縮時で− 700 μ，引張時で 800 μ程度となっている。引室の学生諸君には，多大の協力を得た。ここに記し，謝意

張時には，炭素繊維プレートを接着していない部分で塑性を表します。

化が生じるため，大きな引張軸変形が生じても，接着面下

参 考 文 献の鋼材のひずみは，弾性範囲に留まったため剥離が生じなかったと考えられる。

高松隆夫教授）のプロジェクト研

１）El Damatty, A.A.,Abushagur, M., Yousserf, M.A.
:Experimental and analytical investigation of steel○疲労試験結果

beams rehabilitated using GFRP sheets,

図 14 より，弾性範囲限界に近い荷重が 1000 回作用して, Vol.3, No.6, pp.421-438, 2003. 3.

も同じ履歴を通り，試験体に剛性の低下等がなく，試験体２）渡辺憲市，板垣一也，鈴木博之：炭素繊維強化樹脂版の性状，炭素繊維プレートの接着性能に問題がないことがによる鋼橋の補強，鋼構造年次論文報告集，第８巻，わかる。

pp.679-682，2000．11．

５．まと３）野坂克義，金子大作，古川喬朗，鈴川研二，西出靖：めCFRP 板接着補強において被接着体厚さが補強に与える影響に関する実験的研究，鋼構造論文集，第 10 巻，炭素繊維プレートによるブレース材の繰返し載荷時の補第 38 号，pp.61-68，2003．6．

強効果を検討するため，L-50x50x4 断面の山形鋼ブレースに炭素繊維プレートを接着した試験体を製作し，正負交番

４）Tamai, H., Takamatsu, T., Sumida, A., Haitani, T.,
Hattori, A., Life Prolongation of Steel Building

繰返し載荷試験と疲労試験を行った。

Using Continuous Fiber Reinforced Plastic Plates -得られた知見は以下のように要約できる。

Performance Enhancement of Rehabilitated Beams -,１）中弾性型炭素繊維プレートは，早期にプレート層内で破壊する。

, CDROM, 0533, 2004. 9.

２）炭素繊維プレートを接着していない断面で，最大引張５）玉井宏章，高松隆夫，原

軸力は決定される。

伸幸，灰谷徳治，服部明

３）高強度型炭素繊維プレートを山形鋼外面に２枚接着す

生：炭素繊維プレートによる鋼構造建物小ばりの曲る補強により，圧縮耐力を 80％増加させることがでげ補強について，鋼構造年次論文報告集，第 13 巻，きる。

pp.523-530，2005．11．

４）炭素繊維プレートの全面を鋼材に接着しなければ早期

６）玉井宏章，高松隆夫，櫻庭誠，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に剥離が生じる。
５）引張力には，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，接着面下の鋼材のひずみは，弾性範囲内に留まり，炭素繊― 158 ―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．