炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法
【課題】鋼材からなる被補強部材を補強した炭素繊維材の疲労による界面破壊を考慮した補強とすることで、疲労寿命を効果的に延ばすことができる。
【解決手段】安全率をもたせた梁材１の疲労設計曲線を算出する工程と、炭素繊維シート３の外側端部３ａ、３ｃ、及び継目部３ｂ、３ｄにおける接着部材の疲労剥離曲線を算出する工程と、疲労設計曲線および疲労剥離曲線を重ね合わせたときの交点を接着部材の外側端部３ａ、３ｃ、及び継目部３ｂ、３ｄの設計応力として算出する工程と、梁材１の補強後の目標補強応力を算出する工程と、目標補強応力が設計応力の範囲となるように、炭素繊維シート３の端部位置、及び補強量を設定する工程とを有し、梁材１の引張力が作用する部分に炭素繊維シート３を接着部材を介して複数層に段差状に重ね合わせて貼り付けて補強する鋼構造物補強方法を提供する。
【解決手段】安全率をもたせた梁材１の疲労設計曲線を算出する工程と、炭素繊維シート３の外側端部３ａ、３ｃ、及び継目部３ｂ、３ｄにおける接着部材の疲労剥離曲線を算出する工程と、疲労設計曲線および疲労剥離曲線を重ね合わせたときの交点を接着部材の外側端部３ａ、３ｃ、及び継目部３ｂ、３ｄの設計応力として算出する工程と、梁材１の補強後の目標補強応力を算出する工程と、目標補強応力が設計応力の範囲となるように、炭素繊維シート３の端部位置、及び補強量を設定する工程とを有し、梁材１の引張力が作用する部分に炭素繊維シート３を接着部材を介して複数層に段差状に重ね合わせて貼り付けて補強する鋼構造物補強方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば工場建屋内に設けられるクレーンランウェイガーダーは、Ｈ形鋼からなる梁材であり、天井クレーンの走行レールを支持するため、繰り返し走行することで梁材の下面（下フランジ）に引張力が作用し、溶接部から亀裂が入り、やがて破断するおそれがある。このような疲労破壊を防止する手段として、梁材の下面に補強鋼材を溶接やボルトで接合して補強し、疲労破壊を遅らせる方法が行われている。この場合、重量の大きな鋼材を接合するため、高所作業となる条件では作業に手間がかかり、時間の短縮化が求められていた。
一方で、コンクリート構造物あるいは鋼構造物の補強箇所に対して鋼材を接合することによらない補強構造として、炭素繊維シート（ＣＦＲＰ）を用いた補強工法が知られている。この場合、疲労破壊が生じる部分をシート状の炭素繊維を貼り付ける補強であり、簡単に且つ短時間で疲労寿命を延ばし、亀裂の進展を遅らせることができる。
【０００３】
この場合、炭素繊維シートをコンクリートあるいは鋼材に貼り付けるにあたり接着剤を用いるのが一般的であるが、炭素繊維シートの端部が界面破壊によって剥離するおそれがあった。そのため、複数層にわたって貼り付ける場合は、段差状に貼り付けることや端部を補強することで剥離し難い構造としている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、引張力の作用する鋼部材において、端部が階段状に重なるように複数枚接着させたものであり、階段状に重なった端部を覆うカバーシートを最外層から鋼板にかけて接着させた鋼構造物の補強構造について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３２６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、炭素繊維シートによる補強後に、その接着剤の界面破壊の耐力評価はできるものの、疲労破壊を考慮した補強方法ではないことから、炭素繊維シートの疲労による剥離に着目した補強方法が求められていた。
また、所定長さの炭素繊維シートを補強範囲に配列させて使用する場合には、長さ方向に隣接する炭素繊維シート同士の間に継目部が形成されることになり、この継目部もまた端部と同様に剥がれ易いという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、鋼材からなる被補強部材を補強した炭素繊維材における接着部材の疲労による界面破壊を考慮した補強とすることで、疲労寿命を効果的に延ばすことができる炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、被補強部材の引張力が作用する部分に炭素繊維材を接着部材を介して複数層に段差状に重ね合わせて貼り付けて補強する炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法であって、安全率をもたせた被補強部材の疲労設計曲線を算出する工程と、炭素繊維材の端部における接着部材の疲労剥離曲線を算出する工程と、疲労設計曲線および疲労剥離曲線を重ね合わせたときの交点を接着部材の端部の設計応力として算出する工程と、被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、目標補強応力が設計応力の範囲となるように、炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、を有することを特徴としている。
【０００８】
本発明では、設定した目標補強応力を設計応力の範囲とすることで、少なくとも被補強部材が破壊するまでに接着部材が破壊しない補強、すなわち被補強部材の破壊よりも接着部材の界面破壊による剥離の発生時期を遅らせることが可能な補強となるように、被補強部材に対する炭素繊維材の端部位置及び補強量を設定することができる。そのため、炭素繊維材による補強効果を高め、疲労強度を向上させることができ、被補強部材の疲労寿命を効率的に延ばすことができる。
また、炭素繊維材の貼る位置と重ね合わせ枚数（補強量）とを設定することによる補強となるので、貼り付ける作業そのものは従来と同様に簡単に且つ短時間で行うことができ、手間やコストの増大を抑えることが可能な補強方法となる利点がある。
【０００９】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、１層目の炭素繊維材の端部位置を設定した後、２層目以上の疲労設計曲線と疲労剥離曲線との交点を算出し、互いに重なり合う炭素繊維材同士を接着する接着部材の端部の設計応力を算出する工程と、被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、目標補強応力が２層目以上の設計応力の範囲となるように、２層目以上の炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、を有することが好ましい。
【００１０】
本発明では、鋼材の被補強部材に対して直接貼り付ける１層目の炭素繊維材の端部位置の設定だけでなく、設定した炭素繊維材の補強量に応じて２層目以上の各層の炭素繊維材についても、互いに重なり合う炭素繊維材同士を接着する接着部材の端部の設計応力を算出することで、１層目の炭素繊維材と同様に好適な端部位置を設定することができる。そのため、炭素繊維材同士の界面破壊による剥離の発生を遅らせることができ、これによりさらに補強効果を高め、被補強部材の疲労寿命の向上を図ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材の端部は、各層の長さ方向の両端に位置する外側端部と、長さ方向に配列される炭素繊維材同士の継目部と、からなることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材の外側端部の端部位置は、目標補強応力に基づいて補強後の応力分布図を作成し、応力分布図を用いて目標補強応力が外側端部における設計応力以下となるように設定されることが好ましい。
【００１３】
この場合、目標補強応力に基づいて作成される補強後の応力分布図を使用するといった簡単な方法により、１層目と２層目以上の外側端部の位置を目標補強応力に基づく好適な位置に設定することができる。これにより、接着部材の界面破壊による剥離の発生を確実に遅らせることができる。
【００１４】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材の継目部の端部位置は、目標補強応力が継目部における設計応力以下となるように設定されることが好ましい。
【００１５】
この場合、目標補強応力に基づいて作成される補強後の応力分布図を使用するといった簡単な方法により、１層目と２層目以上の継目部の位置を目標補強応力に基づく好適な位置に設定することができる。もしくは、目標補強応力以下となるように補強量を定めることができる。これにより、接着部材の界面破壊による剥離の発生を確実に遅らせることができる。
【００１６】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材は、シート状に形成された炭素繊維シートであることが好ましい。
【００１７】
この場合、炭素繊維材がシート状をなしているので、被補強部材の補強面の形状に対応させて炭素繊維シートを貼り付けることが可能である。例えば、被補強部材の補強面に凹み、凹凸、或いはボルト等の突起物を有する場合であっても、補強面に炭素繊維シートを確実に貼り付けることができる。
【００１８】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、疲労剥離曲線は、被補強部材の最大温度によって熱補正されることが好ましい。
【００１９】
本発明の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法によれば、輻射熱等の熱の影響を受けた被補強部材の最大温度に基づく疲労剥離曲線を用いることで、被補強部材の熱膨張の影響を考慮した接着部材の疲労による界面剥離を予測することができる。従って、精度が高く且つ効果的な補強を行うことができる。また、熱の影響を考慮して炭素繊維材を用いた補強を行うことができるので、防熱板等による防熱対策の要否検討が可能になる。
【００２０】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、補強量は、被補強部材の最大温度変化量によって熱補正された疲労剥離曲線に基づく設計応力を用いて算出されていてもよい。
【００２１】
この場合には、輻射熱等の熱の影響を受けた被補強部材の最大温度変化量に基づく疲労剥離曲線を用いることで、被補強部材の熱膨張の影響を考慮した接着部材の疲労による界面剥離を予測することができる。従って、精度が高く且つ効果的な補強を行うことができる。また、熱の影響を考慮して炭素繊維材を用いた補強を行うことができるので、防熱板等による防熱対策の要否検討が可能になる。
さらに、被補強部材の最大温度変化量に基づく疲労剥離曲線を用いて、接着する炭素繊維材の拘束により被補強部材に発生する圧縮残留応力を考慮した補強を行うことができ、設計応力の低減を見込むことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法によれば、鋼材からなる被補強部材を補強した炭素繊維材において接着部材の疲労による界面破壊を考慮した補強とすることで、疲労寿命を効果的に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による炭素繊維シートで補強した梁材の側面図である。
【図２】図１に示す梁材の断面図である。
【図３】炭素繊維シートを用いた補強手順のフローを示す図である。
【図４】基準疲労設計曲線を算出するための一例を示す図である。
【図５】安全率をもたせた疲労設計曲線を算出するための一例を示す図である。
【図６】接着部材の疲労剥離曲線を算出するための一例を示す図である。
【図７】図５の疲労設計曲線と図６の疲労剥離曲線とを重ね合わせて設計応力を求めるための図である。
【図８】補強量を算出するための引張を受ける軸力材の図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。
【図９】補強量を算出するための曲げ材の図であって、曲げ材に作用する応力を模式的に示した図である。
【図１０】１層目の炭素繊維シートの外側端部の位置を設定するための応力分布図である。
【図１１】１層目の炭素繊維シートの継目部における補強量を設定するための応力分布図である。
【図１２】第２の実施の形態による炭素繊維シートを用いた補強手順のフローを示す図である。
【図１３】熱補正による疲労剥離曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法について、図面に基づいて説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１および図２に示すように、本第１の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法は、天井クレーン（図示省略）の走行レールを支持する梁材１（被補強部材）の適宜な箇所に炭素繊維シート３（炭素繊維材）を貼り付けることで、疲労破壊を遅らせるための補強を施すものである。
【００２６】
梁材１は、上フランジ１１、下フランジ１２、及びウェブ１３からなるＨ形鋼であり、その上フランジ１１の長さ方向Ｘに沿って走行レールが配設されており、この走行レールに案内されて天井クレーンが走行する。そのため、梁材１の下フランジ１２には、長さ方向Ｘの全体にわたって輪荷重が加わって下向きの曲げ荷重が作用し、下フランジ１２には引張力が作用している。
【００２７】
本実施の形態では、梁材１の引張力が作用する下フランジ１２の下面１２ａに炭素繊維シート３（炭素繊維材）を貼り付けて補強する。そして、下フランジ１２に最も大きな引張力が作用する長さ方向Ｘの中央部において最も補強厚さ寸法が大きくなるように、長さ方向Ｘの両端部から中央に向かうにしたがって漸次段差状となるように複数枚の炭素繊維シート３、３、…が層状に貼り付けられている。炭素繊維シート３と梁材１との貼り付けや、重ね合わされている炭素繊維シート３、３同士の貼り付けには、プライマーや接着剤等の接着部材２が使用されている。
【００２８】
また、炭素繊維シート３は、厚さ寸法が例えば０．１〜１．２ｍｍ程度の市販ものを採用することができ、長さ寸法が例えば３ｍと一定の長さのものを使用し、３ｍ毎に長さ方向Ｘの端部（継目部３ｂ）同士が突き合わされた状態で直線的に配列されている。
なお、重ね合わされる炭素繊維シート３のうち、梁材１（下フランジ１２）に接着されるものを１層目とし、さらに重ね合わせられる順に２層目、３層目、…として以下説明する。
【００２９】
ここで、本実施の形態による炭素繊維シート３として、例えば、高弾性型ストランドシートＦＳＳ−ＨＭ−９００（新日鉄マテリアルズ株式会社製）を採用することができる。この高弾性型ストランドシートは、線材からなる炭素繊維材を拠ったものをシート状に並べて紐部材で連結させた略簾状に形成された部材である。また、炭素繊維シート３は、材軸方向への引張りに強く、例えばヤング係数が２０５〜７００ｋＮ／ｍｍ２で、且つ引張強度が１０００〜３０００Ｎ／ｍｍ２である部材が用いられる。
【００３０】
接着部材２は、無溶剤型エポキシ樹脂からなるプライマーに加えて無溶剤型エポキシ樹脂からなる接着剤が使用される。接着部材２は、例えば引張せん断強度が１０〜２０MＰａである部材が用いられる。また、接着部材２には速硬化タイプの無溶剤型エポキシ樹脂からなる接着剤を使用することも可能である。
【００３１】
次に、上述した梁材１の下フランジ１２を補強するための炭素繊維シート３を用いた鋼構造物補強方法について、図３のフロー図等に基づいて詳細に説明する。
図３乃至図７、図１０、図１１に示すように、鋼構造物補強方法は、安全率αをもたせた梁材１（下フランジ１２）の疲労設計曲線Ｓを算出する工程（ステップＳ１）と、炭素繊維シート３の端部（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）における接着部材２の疲労剥離曲線Ｔを算出する工程（ステップＳ２）と、疲労設計曲線Ｓおよび疲労剥離曲線Ｔを重ね合わせたときの交点Ｐを接着部材２の端部の設計応力σ０（σ０１、σ０２、σ０３、σ０４）として算出する工程（ステップＳ３）と、梁材１の補強後の目標補強応力Δσ’を算出する工程（ステップＳ４）と、目標補強応力Δσ’が設計応力σ０の範囲となるように、炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ａ、３ｃ）、及び補強量を設定する工程（ステップＳ５〜Ｓ１０）と、を行うものである。
【００３２】
さらに、具体的には、１層目の炭素繊維シート３について上述したステップＳ１〜Ｓ８の工程により端部位置及び補強量を設定した後、２層目以上の疲労設計曲線Ｓと疲労剥離曲線Ｔとの交点Ｐを算出し、互いに厚さ方向に重なり合う炭素繊維シート３同士を接着する接着部材２の端部の設計応力σ０３、σ０４を算出し、梁材１の補強後の目標補強応力Δσ’を算出し、目標補強応力Δσ’が２層目以上の設計応力σ０３、σ０４の範囲となるように、２層目以上の炭素繊維シート３の端部位置、及び補強量を設定する（ステップＳ９、Ｓ１０）。
【００３３】
ここで、図１に示すように、炭素繊維シート３の端部は、１層目の長さ方向Ｘの両端に位置する外側端部３ａと、長さ方向Ｘに配列される炭素繊維シート３同士の継目部３ｂと、２層目以上の各層における長さ方向Ｘの両端に位置する外側端部３ｃと、長さ方向Ｘに配列される炭素繊維シート３同士の継目部３ｄと、をいう。
また、前記補強量は、各層における炭素繊維シート３同士の突き合せ部（継目部３ｂ、３ｄ）の補強量であって、この突合せ部における断面積Ａｃ（幅と重ね合わせ枚数の積）に相当している。
【００３４】
図３及び図４に示すように、先ず、ステップＳ１において、梁材１の材質から基準疲労設計曲線Ｓ’（図４の点線）を求める。この基準疲労設計曲線Ｓ’は、横軸を応力繰返し数Ｎ（ｃｙｃｌｅｓ）とし、縦軸を直応力範囲Δσ（ＭＰａ）とした曲線であり、例えば、「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」（日本鋼構造協会編）に基づいた値を使用している。また、梁材１の材質として、Ｆ等級を採用している。
【００３５】
そして、基準疲労設計曲線Ｓ’に安全率αをもたせた疲労設計曲線Ｓ（図４の実線）を算出する。ここでは、図３では、疲労寿命の５倍以上で亀裂が入る過去の実績に基づいて、安全率αを５とした疲労設計曲線Ｓを示している。
【００３６】
次に、図３及び図５に示すように、ステップＳ２では、実験等によって接着部材２の疲労剥離曲線Ｔ（Ｔ１〜Ｔ４）を算出する。なお、図５において、横軸と縦軸は図４と同様であり、符号Ｔ１の曲線は、炭素繊維シート３を長さ方向に配列させた状態で、梁材１の下フランジ１２（図１参照）に貼り付けられる１層目の外側端部３ａを示している。符号Ｔ２の曲線は、隣接する炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｂにおける接着部材２の疲労剥離曲線を示している。さらに、図５の符号Ｔ３の曲線は、２層目以上の炭素繊維シート３の外側端部３ｃを示している。そして、符号Ｔ４の曲線は、２層目以上の炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｄにおける接着部材２の疲労剥離曲線を示している。
つまり、１層目の炭素繊維シート３による疲労剥離曲線Ｔ１、Ｔ２は、梁材１に対する接着部材２の疲労剥離状態を示しており、２層目以上の炭素繊維シート３による疲労剥離曲線Ｔ３、Ｔ４は、梁材１側に配置される炭素繊維シート３に対する接着部材２の疲労剥離状態を示している。
【００３７】
次に、図３及び図６に示すように、ステップＳ３において、ステップＳ１で算出した疲労設計曲線Ｓと、ステップＳ２で算出した疲労剥離曲線Ｔ１〜Ｔ４とを重ね合わせ、それぞれの曲線の交点Ｐ１〜Ｐ４を求め、その交点Ｐ１〜Ｐ４がそれぞれ設計応力σ０（σ０１、σ０２、σ０３、σ０４）となる。
【００３８】
次に、ステップＳ４において、図７に示すように、梁材１（下フランジ１２）の補強後の疲労寿命を設定して目標補強応力Δσ’を算出する。補強後の疲労寿命を決定する。
目標補強応力Δσ’は、（１）式に示す疲労曲線式より算出する。ここで、ｍは疲労設計曲線の傾きを表す指数、Δσは補強前の応力、Δσｆは２×１０6回応力繰返し数での基本許容応力範囲である。そして、例えば、一例として、ｍ＝３（直応力を受ける継手）、Δσ＝１８０、Δσｆ＝６５（Ｆ等級を想定）とすると、補強前の設計繰り返し回数Ｎ（回）は（２）式より９１４７９回となる。そして、補強後の設計繰返し回数を例えば２倍（Ｎ×２）とすると、１８８３５８回となる。補強後の目標補強応力Δσ’は、（１）式を変形した（３）式より１４３Ｎ／ｍｍ２となる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
【数３】
【００４２】
次に、ステップＳ５において、炭素繊維シート３の補強量を算出する。
具体的に補強量は、（４）式、（５）式、（６）式に基づいて得られる（７）式より、設定する補強応力σｓ’となるように炭素繊維シート３の補強量Ａｃを算出する。
ここで、補強部のひずみをε’、補強部の鋼材である梁材１と炭素繊維シート３の応力をそれぞれσs’、σc’とする。そして、梁材１のヤング率をＥｓとし、炭素繊維シート３のヤング率をＥｃとし、図８（ａ）〜（ｃ）及び図９に示すように、梁材１の断面積をＡｓ＝ｂ×Ｈとし、炭素繊維シート３の断面積をＡｃ＝ａ×ｔとし、無補強部の応力をσ＝Ｐ／Ａｓとする。
【００４３】
【数４】
【００４４】
【数５】
【００４５】
次に、図９に示すように、σ１〜σ６は、それぞれ（８）式〜（１４）式より求められる。そして、Ｈ形鋼の梁材１の下フランジ１２の応力（下記σ３）を求め、この応力σ３が設計応力以下となるように補強量Ａｃ（ａ、ｔ）を決定する。
ここで、梁材１の断面において、符号Ｈは鋼材の高さ寸法、符号ｂ上は上フランジ１１の幅寸法、符号ｂ下は下フランジ１２の幅寸法、符号ｔｆ上は上フランジ１１の厚さ寸法、符号ｔｆ下は下フランジ１２の厚さ寸法、符号ｔｗはウェブ１３の厚さ寸法を示している。また、炭素繊維シート３において、符号ａは幅寸法、符号ｔは厚さ寸法である。そして、符号Ｘｎは上フランジ１１から中立軸Ｏまでの距離であり、設計モーメントをＭとする。
【００４６】
【数６】
【００４７】
【数７】
【００４８】
そして、中立軸Oでの力のつり合いにより、（１５）式を満たすようなＸｎ、すなわち中立軸Oの位置を算出する。
設計モーメントＭに対し、下記を満たすεｔを算出し、（１１）式より補強後の下フランジ１２の応力σ３を求める。そして、この応力σ３が設計応力以下となるように補強量Ａｃ（ａ，ｔ）を決定する。
【００４９】
【数８】
【００５０】
次に、図３に示すステップＳ６では、ステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’に基づいて、図１０に示すように横軸を梁材１のスパン２３（ｍ）とし、縦軸を下フランジ応力（Ｎ／ｍｍ２）とした補強後の応力分布図を作成する。そして、ステップＳ７において、この応力分布図の補強後の応力分布（実線）を用いて目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた外側端部３ａにおける第１設計応力σ０１以下（符号ｒの範囲）となるように端部位置、すなわち梁材１の長さ方向で炭素繊維シート３の外側端部３ａの位置を設定する。なお、図１０に示す補強前の応力分布は、破線で示している。
【００５１】
続いて、図３及び図１１に示すように、ステップＳ８において、ステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた１層目の炭素繊維シート３の継目部３ｂにおける第２設計応力σ０２以下となるように炭素繊維シート３による補強量を設定する。このときの継目部３ｂの位置は、最も曲げ応力が大きくなる梁材１の長さ方向Ｘの中央部で設定する。
具体的にステップＳ８では、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を以下の場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）には、ステップＳ９へ進む。そして、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を超える場合（ステップＳ８：Ｎｏ）には、ステップＳ５へ戻り、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２以下となるように補強量を変更する。
ここまでが１層目における炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ａ）と補強量の設定方法となる。
【００５２】
次に、２層目以上の炭素繊維シート３についても、上述した１層目と同様の手順により炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ｂ）と補強量を設定することが行われる。
つまり、２層目の炭素繊維シート３の場合、ステップＳ９において、１層目の炭素繊維シート３で補強した下フランジ１２における応力分布を用い、目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた２層目の炭素繊維シート３の外側端部３ｃにおける第３設計応力σ０３以下となるように端部位置、すなわち炭素繊維シート３の外側端部３ｃの位置を設定する。さらに、ステップＳ１０において、目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた２層目の炭素繊維シート３の継目部３ｄにおける第４設計応力σ０４以下となるように炭素繊維シート３による補強量を設定する。そして、３層目以上の炭素繊維シート３も、ステップＳ９〜Ｓ１０を行う。
【００５３】
このように、上述した補強方法では、設定した目標補強応力Δσ’を設計応力σ０の範囲とすることで、少なくとも梁材１が破壊するまでに接着部材２が破壊しない補強、すなわち梁材１の破壊よりも炭素繊維シート３の界面破壊による剥離の発生時期を遅らせることが可能な補強となるように、梁材１（下フランジ１２）に対する炭素繊維シート３の端部位置及び補強量を設定することができる。そのため、炭素繊維シート３による補強効果を高め、疲労強度を向上させることができ、梁材１の疲労寿命を効率的に延ばすことができる。
また、炭素繊維シート３の貼る位置と重ね合わせ枚数（補強量）とを設定することによる補強となるので、貼り付ける作業そのものは従来と同様に簡単に且つ短時間で行うことができ、手間やコストの増大を抑えることが可能な補強方法となる利点がある。
【００５４】
また、鋼材の梁材１に対して直接貼り付ける１層目の炭素繊維シート３の端部位置の設定だけでなく、設定した炭素繊維シート３の補強量に応じて２層目以上の各層の炭素繊維シート３についても、互いに重なり合う炭素繊維シート３、３同士を接着する接着部材２の端部の設計応力σ０を算出することで、１層目の炭素繊維シート３と同様に好適な端部位置を設定することができる。そのため、炭素繊維シート３同士の界面破壊による剥離の発生を遅らせることができ、これによりさらに補強効果を高めることができ、梁材１の疲労寿命の向上を図ることができる。
【００５５】
しかも、この場合、目標補強応力Δσ’に基づいて作成される補強後の応力分布図を使用するといった簡単な方法により、１層目と２層目以上の外側端部３ａ、３ｃ、および継目部３ｂ、３ｄの位置を目標補強応力Δσ’に基づく好適な位置に設定することができる。これにより、炭素繊維シート３同士の界面破壊による剥離の発生を確実に遅らせることができる。
【００５６】
また、炭素繊維シート３がシート状をなしているので、梁材１の補強面の形状に対応させて炭素繊維シート３を貼り付けることが可能である。つまり、本実施の形態のような梁材１などの被補強部材の補強面に凹み、凹凸、或いはボルト等の突起物を有する場合であっても、補強面に炭素繊維シート３を確実に貼り付けることができる。
【００５７】
上述した本実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、鋼材からなる梁材１を補強した炭素繊維シート３の疲労による界面破壊を考慮した補強とすることで、疲労寿命を効果的に延ばすことができる。
【００５８】
次に、本発明の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
【００５９】
（第２の実施の形態）
図１２に示すように、第２の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、例えば補強対象の天井クレーンが製鋼工場の溶鋼鍋を吊り下げる用途で用いられる場合であって、その天井クレーンの被補強部材である梁材に繰り返し荷重と熱の影響が同時に及ぶ場合に前記梁材１を補強する方法である。つまり、上述した繰り返し荷重による疲労を考慮した補強方法に加え、輻射熱等の熱の影響を考慮し、上記第１の実施の形態の補強手順フローの一部のステップに２段階の熱補正（第１熱補正、第２熱補正）を加えた補強方法である。
【００６０】
具体的に本実施の形態の構造物補強方法について、以下説明する。なお、上述した第１の補強方法と同じフローについては適宜省略する。また、必要に応じて、第１の実施の形態の図面（図１〜図１１）を使用して説明する。
【００６１】
先ず、使用環境における梁材１の温度を測定し、本実施の形態の補強手順で用いる最大温度ｔｍａｘと、最大温度変化量Δｔを決定する（ステップＳ１１）。例えば、使用環境における常温が２５〜３０℃である場合に、最大温度ｔｍａｘが５５〜６０℃となり、最大温度変化量Δｔを３０℃に設定することができる。
次いで、図４に示すように安全率αをもたせた疲労設計曲線Ｓを算出するとともに（ステップＳ１）、図５に示すように接着部材２の、炭素繊維シート３の端部（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）における疲労剥離曲線Ｔ（図１３参照）を算出する（ステップＳ２）。
【００６２】
次に、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で決定した最大温度ｔｍａｘ時における図１３に示す疲労剥離曲線（以下、これを第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’という）を実験により算出する第１熱補正を行う。ここで、図１３に示す疲労剥離曲線Ｔ、第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’、および後述する第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’は、図５の１層目の外側端部３ａを示したものであり、他の端部（炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｂ、２層目以上の炭素繊維シート３の外側端部３ｃ、２層目以上の炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｄ）を省略している。
【００６３】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ１２で求めた第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’と、ステップＳ２で求めた疲労設計曲線Ｓを重ね合わせたときの交点Ｐを接着部材２の端部の設計応力σ０として算出する（図６参照）。そして、ステップＳ４において、梁材１の補強後の目標補強応力Δσ’を算出する（図７参照）。これらステップＳ３及びステップＳ４の具体的な方法は、上述した第１の実施の形態と同様である。
【００６４】
次に、ステップＳ５において、目標補強応力Δσ’が設計応力σ０の範囲となるように、上述の最大温度ｔｍａｘに基づく熱影響を考慮した炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ａ、３ｃ）、及び補強量を設定する。さらに、ステップＳ６では、ステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’に基づいて、補強後の応力分布図を作成する。ここで、ステップＳ５及びステップＳ６の具体的な補強量の算出方法や応力分布図を作成については、上述した第１の実施の形態と同様の方法となるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００６５】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１１で決定した最大温度変化量Δｔによる熱の影響を考慮する場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）には、ステップＳ１４に進む。一方、既に熱の影響を考慮した場合、或いは考慮しない場合（ステップＳ１３：ＮＯ）には、ステップＳ７へ進む。
【００６６】
ステップＳ１４では、最大温度変化量Δｔの影響を考慮した接着部材２の疲労剥離曲線（これを第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’という）（図１３参照）を計算に基づいて算出する第２熱補正を行う。
このステップＳ１４の段階では、図１３に示すように、常温時の接着部材２の疲労剥離曲線Ｔは、最大温度ｔmaxによって補正された第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’による第１熱補正と、最大温度変化量Δｔによって補正された第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’による第２熱補正と、の２段階の熱補正がなされることになる。
【００６７】
ここで、熱影響による最大温度変化量Δｔを考慮した第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’の算出方法にいて、具体的に説明する。
熱影響による梁材１の最大温度変化量Δｔによって、その梁材１に発生するひずみをε２とすると、鋼材の熱ひずみにより接着部材２に発生するせん断力は、鋼材に引張応力Ｅｓ×ε２を作用させたときのせん断力と同様である。そのため、熱影響により鋼材に仮想の引張応力σｓｓΔｔを付加させたとみなすことができる。そして、熱影響を考慮したときの接着部材２が負担するせん断力は、鋼材応力σ３S＝σ３＋σＳＳΔｔのときのせん断力と同じである、ことを考慮して接着部材２の疲労曲線を算出する。つまり、下フランジ１２の応力σ３に対し、接着部材２の疲労寿命は前記鋼材応力σ３Ｓに相当し、この鋼材応力σ３Ｓのときの疲労寿命に置き換えることができる。同様に、任意の応力σｙに対して、接着部材２の疲労寿命はσｙ＝σｙ＋σＳＳΔｔであることから、第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’を算出することができる。
【００６８】
次に、ステップＳ１５では、前記ステップＳ１４で熱補正を行った後、設計応力σ０の見直しが行われる。すなわち、図１４に示す第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’に基づいて上記ステップＳ３と同様に、ステップＳ２で求めた疲労設計曲線Ｓを重ね合わせたときの交点Ｐを接着部材２の端部の設計応力σ０として算出する。そして、見直した設計応力σ０に基づいてステップＳ４に戻り、ステップＳ５により補正量が見直され、ステップＳ６により応力分布図が見直される。この見直しフローによるステップＳ１３では、既に熱の影響を考慮した場合（ステップＳ１３：ＮＯ）となるので、後述するステップＳ７へ進む。
【００６９】
次に、ステップＳ７では、上述した第１の実施の形態と同様で、見直しされた応力分布図の補強後の応力分布（実線）を用いて目標補強応力Δσ’が外側端部３ａにおける第１設計応力σ０１以下（符号ｒの範囲）となるように、端部位置、すなわち梁材１の長さ方向で炭素繊維シート３の外側端部３ａの位置を設定する。
続いて、ステップＳ８において、見直しによってステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’が１層目の炭素繊維シート３の継目部３ｂにおける第２設計応力σ０２以下となるように炭素繊維シート３による補強量を設定する。このとき、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を以下の場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）には、ステップＳ９へ進む。そして、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を超える場合（ステップＳ８：Ｎｏ）には、再度、ステップＳ５へ戻り、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２以下となるように補強量を変更する手順となる。
なお、ステップＳ９以降の手順は、上記第１の実施の形態と同様となるので、ここでは詳しい説明を省略する。
【００７０】
ここで、上述した再びステップＳ５において行われる最大温度変化量Δｔによる補正量の見直し方法は、梁材１（鋼材）と炭素繊維シート３（炭素繊維材）との線膨張係数差により鋼材に残留応力が加わるとともに、接着部材２に付加せん断力が加わることに基づいて算定する。
【００７１】
ここで、熱影響の基本的な概念について説明しておく。
天井クレーンが吊り荷である溶鋼鍋の熱の影響を受ける共用時において、鋼材に対して炭素繊維材が未接着となる場合に、鋼板単体のみの熱ひずみε１は（１６）式により求められる。そして、鋼材に対して炭素繊維材が接着される場合（線膨張係数＝０）には、鋼板に作用する残留応力σΔｔが（１７）式の関係となる。なお、ε２は、鋼材に炭素繊維材が接着した場合における鋼材のひずみであり、Ｅｓは鋼材のヤング率である。
また、力のつり合いより、（１８）式、及び（１９）式が求められる。
【００７２】
【数９】
【００７３】
【数１０】
【００７４】
【数１１】
【００７５】
次に、梁材１（Ｈ形鋼）を炭素繊維材で補強した後の下フランジ１２の応力σ３において、熱影響を考慮した後の下フランジ１２の応力σ３’の算出方法について説明する。
先ず、最大温度変化量Δｔにより鋼材に発生する残留応力σΔｔは、上述した（１６）式、（１７）式、（１８）式に基づいて導かれる（２０）式に基づいて算出される。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
そして、上記より熱影響を考慮した後の下フランジの応力σ３’は、（２１）式により算出される。ここで、前記応力σ３’は設計応力に対して余力ができるため、σ３’≦設計応力の範囲内で補強量の見直しを行う。つまり、この補強量の見直しによれば、鋼材の伸びを炭素繊維材で拘束して圧縮応力が作用することで、鋼材の引張応力（設計応力）を低減することができ、補強量を少なくすることができる。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
次いで、下フランジの応力σ３を算出した時の炭素繊維の補強量Ａｃ(ａ，ｔ)について、補強枚数Nを算出する。 例えば、新日鉄マテリアルズ株式会社製のストランドシートＦＳＳ−ＨＭ−９００であれば、設計厚さが０．４２９ｍｍであり、補強枚数Ｎはｔ／０．４２９の式により算出することができる。
【００８０】
さらに具体的には、補強枚数を１枚ずつ減らした時（補強枚数Ｎ−１の時）の補強後の下フランジの応力σ３(Ｎ−１)を算出する。そして、この応力σ３(Ｎ−１) での熱を考慮した下フランジの応力σ３’ (Ｎ−１) を上記（２０）式により算出し、この応力σ３’ (Ｎ−１) が設計応力以下であるか否かを確認する。このとき設計応力以下であれば、さらに補強枚数Ｎ−２の時のσ３’(Ｎ−２)の確認を行う。このような補強枚数の確認を繰返し行い、設計応力を超えた時の補強枚数Ｎ−ｎ（ｎ＝０，１，２，・・・）を算出することにより、補強枚数Ｎ−(ｎ−１)の時において最少の補強量を算出する。
【００８１】
上述したように本第２の実施の形態では、輻射熱等の熱の影響を受けた梁材１の最大温度ｔｍａｘに基づく第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’を用いることで、接着部材２の熱影響を考慮した疲労による界面剥離を予測することができ、精度が高く且つ効果的な補強を行うことができる。
さらに、本第２の実施の形態では、梁材１の最大温度変化量Δｔに基づく第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’を用いて、梁材１の熱膨張の影響を考慮した接着部材２の疲労による界面剥離を予測することができ、且つ接着する炭素繊維材の拘束により鋼材に発生する圧縮残留応力を考慮した補強を行うことができる。
このように、熱の影響を考慮した炭素繊維材を用いた補強を行うことができるので、防熱板等による防熱対策の要否検討が可能になる。
【００８２】
なお、本第２の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、鋼材が溶鋼鍋による輻射熱を受ける場合に適用しているが、このような用途に限定されることはなく、日射熱を受ける鋼材の補強を適用対象としてもよい。但し、日射熱を受ける被補強部材がクレーンの場合には、クレーンが受ける荷重と熱の影響が同時ではなく、上述したステップＳ１４、１５による第２熱補正（最大温度変化量Δｔに基づく熱補正）が困難な場合には、この第２熱補正を省略してもよい。
【００８３】
以上、本発明による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では梁材１のＨ形鋼の下フランジ１２の下面１２ａを補強対象（炭素繊維シートの貼り付け面）としているが、これに限定されることはなく、下フランジ１２の上面であっても良いし、上フランジ１１やウェブ１３であっても良い。さらには、Ｈ形鋼に限定されることはく、ＣＴ鋼や溝形鋼等の鋼部材への補強であっても良い。そして、補強面は平坦である必要はなく、本実施の形態のようにシート状の炭素繊維材を使用することで、凹凸や突起物を有する被補強部材を対象とすることも可能である。
また、天井クレーンを支持する梁材１を補強対象としているが、例えば橋梁など、他の鋼構造であっても勿論かまわない。
【００８４】
また、本実施の形態の補強方法において、ステップＳ２で算出される接着部材２の疲労剥離曲線Ｔ（Ｔ１〜Ｔ４）は、実験により求められる実験値であって、接着部材の材質や厚さ寸法、或いは炭素繊維材の材質や剛性などの条件に基づいて変化する値である。
【００８５】
なお、上述した本実施の形態の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法を実現するため、上記ステップＳ１〜ステップＳ１０（第２の実施の形態のステップＳ１１〜１５を含む）の手順フローは図示しないコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）によって実行されることが好ましい。そして、そのコンピュータに対し、上記実施の形態の補強手順を実行するためのコンピュータプログラムを供給し、そのコンピュータに格納された該プログラムに従って補強方法を実施することが可能である。
【００８６】
また、上記の場合においては、上記コンピュータプログラム自体が上記の実施の形態の機能を実現することになり、本発明を構成する。そのコンピュータプログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝播させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネット等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体（光ファイバ等の優先回線や無線回線等）を用いることができる。
【００８７】
さらに、上記コンピュータプログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体は本発明を構成する。かかる記憶媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等の各種記録媒体を用いることができる。
【００８８】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 梁材（被補強部材）
２ 接着部材
３ 炭素繊維シート（炭素繊維材）
３ａ １層目の外側端部
３ｂ １層目の継目部
３ｃ ２層目以上の外側端部
３ｄ ２層目以上の継目部
Ｓ 疲労設計曲線
Ｓ’ 基準疲労設計曲線
Ｔ、Ｔ１〜Ｔ４ 疲労剥離曲線
σ０（σ０１、σ０２、σ０３、σ０４） 設計応力
Δσ’ 目標補強応力
α 安全率
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば工場建屋内に設けられるクレーンランウェイガーダーは、Ｈ形鋼からなる梁材であり、天井クレーンの走行レールを支持するため、繰り返し走行することで梁材の下面（下フランジ）に引張力が作用し、溶接部から亀裂が入り、やがて破断するおそれがある。このような疲労破壊を防止する手段として、梁材の下面に補強鋼材を溶接やボルトで接合して補強し、疲労破壊を遅らせる方法が行われている。この場合、重量の大きな鋼材を接合するため、高所作業となる条件では作業に手間がかかり、時間の短縮化が求められていた。
一方で、コンクリート構造物あるいは鋼構造物の補強箇所に対して鋼材を接合することによらない補強構造として、炭素繊維シート（ＣＦＲＰ）を用いた補強工法が知られている。この場合、疲労破壊が生じる部分をシート状の炭素繊維を貼り付ける補強であり、簡単に且つ短時間で疲労寿命を延ばし、亀裂の進展を遅らせることができる。
【０００３】
この場合、炭素繊維シートをコンクリートあるいは鋼材に貼り付けるにあたり接着剤を用いるのが一般的であるが、炭素繊維シートの端部が界面破壊によって剥離するおそれがあった。そのため、複数層にわたって貼り付ける場合は、段差状に貼り付けることや端部を補強することで剥離し難い構造としている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１は、引張力の作用する鋼部材において、端部が階段状に重なるように複数枚接着させたものであり、階段状に重なった端部を覆うカバーシートを最外層から鋼板にかけて接着させた鋼構造物の補強構造について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３２６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、炭素繊維シートによる補強後に、その接着剤の界面破壊の耐力評価はできるものの、疲労破壊を考慮した補強方法ではないことから、炭素繊維シートの疲労による剥離に着目した補強方法が求められていた。
また、所定長さの炭素繊維シートを補強範囲に配列させて使用する場合には、長さ方向に隣接する炭素繊維シート同士の間に継目部が形成されることになり、この継目部もまた端部と同様に剥がれ易いという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、鋼材からなる被補強部材を補強した炭素繊維材における接着部材の疲労による界面破壊を考慮した補強とすることで、疲労寿命を効果的に延ばすことができる炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、被補強部材の引張力が作用する部分に炭素繊維材を接着部材を介して複数層に段差状に重ね合わせて貼り付けて補強する炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法であって、安全率をもたせた被補強部材の疲労設計曲線を算出する工程と、炭素繊維材の端部における接着部材の疲労剥離曲線を算出する工程と、疲労設計曲線および疲労剥離曲線を重ね合わせたときの交点を接着部材の端部の設計応力として算出する工程と、被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、目標補強応力が設計応力の範囲となるように、炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、を有することを特徴としている。
【０００８】
本発明では、設定した目標補強応力を設計応力の範囲とすることで、少なくとも被補強部材が破壊するまでに接着部材が破壊しない補強、すなわち被補強部材の破壊よりも接着部材の界面破壊による剥離の発生時期を遅らせることが可能な補強となるように、被補強部材に対する炭素繊維材の端部位置及び補強量を設定することができる。そのため、炭素繊維材による補強効果を高め、疲労強度を向上させることができ、被補強部材の疲労寿命を効率的に延ばすことができる。
また、炭素繊維材の貼る位置と重ね合わせ枚数（補強量）とを設定することによる補強となるので、貼り付ける作業そのものは従来と同様に簡単に且つ短時間で行うことができ、手間やコストの増大を抑えることが可能な補強方法となる利点がある。
【０００９】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、１層目の炭素繊維材の端部位置を設定した後、２層目以上の疲労設計曲線と疲労剥離曲線との交点を算出し、互いに重なり合う炭素繊維材同士を接着する接着部材の端部の設計応力を算出する工程と、被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、目標補強応力が２層目以上の設計応力の範囲となるように、２層目以上の炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、を有することが好ましい。
【００１０】
本発明では、鋼材の被補強部材に対して直接貼り付ける１層目の炭素繊維材の端部位置の設定だけでなく、設定した炭素繊維材の補強量に応じて２層目以上の各層の炭素繊維材についても、互いに重なり合う炭素繊維材同士を接着する接着部材の端部の設計応力を算出することで、１層目の炭素繊維材と同様に好適な端部位置を設定することができる。そのため、炭素繊維材同士の界面破壊による剥離の発生を遅らせることができ、これによりさらに補強効果を高め、被補強部材の疲労寿命の向上を図ることができる。
【００１１】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材の端部は、各層の長さ方向の両端に位置する外側端部と、長さ方向に配列される炭素繊維材同士の継目部と、からなることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材の外側端部の端部位置は、目標補強応力に基づいて補強後の応力分布図を作成し、応力分布図を用いて目標補強応力が外側端部における設計応力以下となるように設定されることが好ましい。
【００１３】
この場合、目標補強応力に基づいて作成される補強後の応力分布図を使用するといった簡単な方法により、１層目と２層目以上の外側端部の位置を目標補強応力に基づく好適な位置に設定することができる。これにより、接着部材の界面破壊による剥離の発生を確実に遅らせることができる。
【００１４】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材の継目部の端部位置は、目標補強応力が継目部における設計応力以下となるように設定されることが好ましい。
【００１５】
この場合、目標補強応力に基づいて作成される補強後の応力分布図を使用するといった簡単な方法により、１層目と２層目以上の継目部の位置を目標補強応力に基づく好適な位置に設定することができる。もしくは、目標補強応力以下となるように補強量を定めることができる。これにより、接着部材の界面破壊による剥離の発生を確実に遅らせることができる。
【００１６】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、炭素繊維材は、シート状に形成された炭素繊維シートであることが好ましい。
【００１７】
この場合、炭素繊維材がシート状をなしているので、被補強部材の補強面の形状に対応させて炭素繊維シートを貼り付けることが可能である。例えば、被補強部材の補強面に凹み、凹凸、或いはボルト等の突起物を有する場合であっても、補強面に炭素繊維シートを確実に貼り付けることができる。
【００１８】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、疲労剥離曲線は、被補強部材の最大温度によって熱補正されることが好ましい。
【００１９】
本発明の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法によれば、輻射熱等の熱の影響を受けた被補強部材の最大温度に基づく疲労剥離曲線を用いることで、被補強部材の熱膨張の影響を考慮した接着部材の疲労による界面剥離を予測することができる。従って、精度が高く且つ効果的な補強を行うことができる。また、熱の影響を考慮して炭素繊維材を用いた補強を行うことができるので、防熱板等による防熱対策の要否検討が可能になる。
【００２０】
また、本発明に係る炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、補強量は、被補強部材の最大温度変化量によって熱補正された疲労剥離曲線に基づく設計応力を用いて算出されていてもよい。
【００２１】
この場合には、輻射熱等の熱の影響を受けた被補強部材の最大温度変化量に基づく疲労剥離曲線を用いることで、被補強部材の熱膨張の影響を考慮した接着部材の疲労による界面剥離を予測することができる。従って、精度が高く且つ効果的な補強を行うことができる。また、熱の影響を考慮して炭素繊維材を用いた補強を行うことができるので、防熱板等による防熱対策の要否検討が可能になる。
さらに、被補強部材の最大温度変化量に基づく疲労剥離曲線を用いて、接着する炭素繊維材の拘束により被補強部材に発生する圧縮残留応力を考慮した補強を行うことができ、設計応力の低減を見込むことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法によれば、鋼材からなる被補強部材を補強した炭素繊維材において接着部材の疲労による界面破壊を考慮した補強とすることで、疲労寿命を効果的に延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による炭素繊維シートで補強した梁材の側面図である。
【図２】図１に示す梁材の断面図である。
【図３】炭素繊維シートを用いた補強手順のフローを示す図である。
【図４】基準疲労設計曲線を算出するための一例を示す図である。
【図５】安全率をもたせた疲労設計曲線を算出するための一例を示す図である。
【図６】接着部材の疲労剥離曲線を算出するための一例を示す図である。
【図７】図５の疲労設計曲線と図６の疲労剥離曲線とを重ね合わせて設計応力を求めるための図である。
【図８】補強量を算出するための引張を受ける軸力材の図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。
【図９】補強量を算出するための曲げ材の図であって、曲げ材に作用する応力を模式的に示した図である。
【図１０】１層目の炭素繊維シートの外側端部の位置を設定するための応力分布図である。
【図１１】１層目の炭素繊維シートの継目部における補強量を設定するための応力分布図である。
【図１２】第２の実施の形態による炭素繊維シートを用いた補強手順のフローを示す図である。
【図１３】熱補正による疲労剥離曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法について、図面に基づいて説明する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１および図２に示すように、本第１の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法は、天井クレーン（図示省略）の走行レールを支持する梁材１（被補強部材）の適宜な箇所に炭素繊維シート３（炭素繊維材）を貼り付けることで、疲労破壊を遅らせるための補強を施すものである。
【００２６】
梁材１は、上フランジ１１、下フランジ１２、及びウェブ１３からなるＨ形鋼であり、その上フランジ１１の長さ方向Ｘに沿って走行レールが配設されており、この走行レールに案内されて天井クレーンが走行する。そのため、梁材１の下フランジ１２には、長さ方向Ｘの全体にわたって輪荷重が加わって下向きの曲げ荷重が作用し、下フランジ１２には引張力が作用している。
【００２７】
本実施の形態では、梁材１の引張力が作用する下フランジ１２の下面１２ａに炭素繊維シート３（炭素繊維材）を貼り付けて補強する。そして、下フランジ１２に最も大きな引張力が作用する長さ方向Ｘの中央部において最も補強厚さ寸法が大きくなるように、長さ方向Ｘの両端部から中央に向かうにしたがって漸次段差状となるように複数枚の炭素繊維シート３、３、…が層状に貼り付けられている。炭素繊維シート３と梁材１との貼り付けや、重ね合わされている炭素繊維シート３、３同士の貼り付けには、プライマーや接着剤等の接着部材２が使用されている。
【００２８】
また、炭素繊維シート３は、厚さ寸法が例えば０．１〜１．２ｍｍ程度の市販ものを採用することができ、長さ寸法が例えば３ｍと一定の長さのものを使用し、３ｍ毎に長さ方向Ｘの端部（継目部３ｂ）同士が突き合わされた状態で直線的に配列されている。
なお、重ね合わされる炭素繊維シート３のうち、梁材１（下フランジ１２）に接着されるものを１層目とし、さらに重ね合わせられる順に２層目、３層目、…として以下説明する。
【００２９】
ここで、本実施の形態による炭素繊維シート３として、例えば、高弾性型ストランドシートＦＳＳ−ＨＭ−９００（新日鉄マテリアルズ株式会社製）を採用することができる。この高弾性型ストランドシートは、線材からなる炭素繊維材を拠ったものをシート状に並べて紐部材で連結させた略簾状に形成された部材である。また、炭素繊維シート３は、材軸方向への引張りに強く、例えばヤング係数が２０５〜７００ｋＮ／ｍｍ２で、且つ引張強度が１０００〜３０００Ｎ／ｍｍ２である部材が用いられる。
【００３０】
接着部材２は、無溶剤型エポキシ樹脂からなるプライマーに加えて無溶剤型エポキシ樹脂からなる接着剤が使用される。接着部材２は、例えば引張せん断強度が１０〜２０MＰａである部材が用いられる。また、接着部材２には速硬化タイプの無溶剤型エポキシ樹脂からなる接着剤を使用することも可能である。
【００３１】
次に、上述した梁材１の下フランジ１２を補強するための炭素繊維シート３を用いた鋼構造物補強方法について、図３のフロー図等に基づいて詳細に説明する。
図３乃至図７、図１０、図１１に示すように、鋼構造物補強方法は、安全率αをもたせた梁材１（下フランジ１２）の疲労設計曲線Ｓを算出する工程（ステップＳ１）と、炭素繊維シート３の端部（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）における接着部材２の疲労剥離曲線Ｔを算出する工程（ステップＳ２）と、疲労設計曲線Ｓおよび疲労剥離曲線Ｔを重ね合わせたときの交点Ｐを接着部材２の端部の設計応力σ０（σ０１、σ０２、σ０３、σ０４）として算出する工程（ステップＳ３）と、梁材１の補強後の目標補強応力Δσ’を算出する工程（ステップＳ４）と、目標補強応力Δσ’が設計応力σ０の範囲となるように、炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ａ、３ｃ）、及び補強量を設定する工程（ステップＳ５〜Ｓ１０）と、を行うものである。
【００３２】
さらに、具体的には、１層目の炭素繊維シート３について上述したステップＳ１〜Ｓ８の工程により端部位置及び補強量を設定した後、２層目以上の疲労設計曲線Ｓと疲労剥離曲線Ｔとの交点Ｐを算出し、互いに厚さ方向に重なり合う炭素繊維シート３同士を接着する接着部材２の端部の設計応力σ０３、σ０４を算出し、梁材１の補強後の目標補強応力Δσ’を算出し、目標補強応力Δσ’が２層目以上の設計応力σ０３、σ０４の範囲となるように、２層目以上の炭素繊維シート３の端部位置、及び補強量を設定する（ステップＳ９、Ｓ１０）。
【００３３】
ここで、図１に示すように、炭素繊維シート３の端部は、１層目の長さ方向Ｘの両端に位置する外側端部３ａと、長さ方向Ｘに配列される炭素繊維シート３同士の継目部３ｂと、２層目以上の各層における長さ方向Ｘの両端に位置する外側端部３ｃと、長さ方向Ｘに配列される炭素繊維シート３同士の継目部３ｄと、をいう。
また、前記補強量は、各層における炭素繊維シート３同士の突き合せ部（継目部３ｂ、３ｄ）の補強量であって、この突合せ部における断面積Ａｃ（幅と重ね合わせ枚数の積）に相当している。
【００３４】
図３及び図４に示すように、先ず、ステップＳ１において、梁材１の材質から基準疲労設計曲線Ｓ’（図４の点線）を求める。この基準疲労設計曲線Ｓ’は、横軸を応力繰返し数Ｎ（ｃｙｃｌｅｓ）とし、縦軸を直応力範囲Δσ（ＭＰａ）とした曲線であり、例えば、「鋼構造物の疲労設計指針・同解説」（日本鋼構造協会編）に基づいた値を使用している。また、梁材１の材質として、Ｆ等級を採用している。
【００３５】
そして、基準疲労設計曲線Ｓ’に安全率αをもたせた疲労設計曲線Ｓ（図４の実線）を算出する。ここでは、図３では、疲労寿命の５倍以上で亀裂が入る過去の実績に基づいて、安全率αを５とした疲労設計曲線Ｓを示している。
【００３６】
次に、図３及び図５に示すように、ステップＳ２では、実験等によって接着部材２の疲労剥離曲線Ｔ（Ｔ１〜Ｔ４）を算出する。なお、図５において、横軸と縦軸は図４と同様であり、符号Ｔ１の曲線は、炭素繊維シート３を長さ方向に配列させた状態で、梁材１の下フランジ１２（図１参照）に貼り付けられる１層目の外側端部３ａを示している。符号Ｔ２の曲線は、隣接する炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｂにおける接着部材２の疲労剥離曲線を示している。さらに、図５の符号Ｔ３の曲線は、２層目以上の炭素繊維シート３の外側端部３ｃを示している。そして、符号Ｔ４の曲線は、２層目以上の炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｄにおける接着部材２の疲労剥離曲線を示している。
つまり、１層目の炭素繊維シート３による疲労剥離曲線Ｔ１、Ｔ２は、梁材１に対する接着部材２の疲労剥離状態を示しており、２層目以上の炭素繊維シート３による疲労剥離曲線Ｔ３、Ｔ４は、梁材１側に配置される炭素繊維シート３に対する接着部材２の疲労剥離状態を示している。
【００３７】
次に、図３及び図６に示すように、ステップＳ３において、ステップＳ１で算出した疲労設計曲線Ｓと、ステップＳ２で算出した疲労剥離曲線Ｔ１〜Ｔ４とを重ね合わせ、それぞれの曲線の交点Ｐ１〜Ｐ４を求め、その交点Ｐ１〜Ｐ４がそれぞれ設計応力σ０（σ０１、σ０２、σ０３、σ０４）となる。
【００３８】
次に、ステップＳ４において、図７に示すように、梁材１（下フランジ１２）の補強後の疲労寿命を設定して目標補強応力Δσ’を算出する。補強後の疲労寿命を決定する。
目標補強応力Δσ’は、（１）式に示す疲労曲線式より算出する。ここで、ｍは疲労設計曲線の傾きを表す指数、Δσは補強前の応力、Δσｆは２×１０6回応力繰返し数での基本許容応力範囲である。そして、例えば、一例として、ｍ＝３（直応力を受ける継手）、Δσ＝１８０、Δσｆ＝６５（Ｆ等級を想定）とすると、補強前の設計繰り返し回数Ｎ（回）は（２）式より９１４７９回となる。そして、補強後の設計繰返し回数を例えば２倍（Ｎ×２）とすると、１８８３５８回となる。補強後の目標補強応力Δσ’は、（１）式を変形した（３）式より１４３Ｎ／ｍｍ２となる。
【００３９】
【数１】
【００４０】
【数２】
【００４１】
【数３】
【００４２】
次に、ステップＳ５において、炭素繊維シート３の補強量を算出する。
具体的に補強量は、（４）式、（５）式、（６）式に基づいて得られる（７）式より、設定する補強応力σｓ’となるように炭素繊維シート３の補強量Ａｃを算出する。
ここで、補強部のひずみをε’、補強部の鋼材である梁材１と炭素繊維シート３の応力をそれぞれσs’、σc’とする。そして、梁材１のヤング率をＥｓとし、炭素繊維シート３のヤング率をＥｃとし、図８（ａ）〜（ｃ）及び図９に示すように、梁材１の断面積をＡｓ＝ｂ×Ｈとし、炭素繊維シート３の断面積をＡｃ＝ａ×ｔとし、無補強部の応力をσ＝Ｐ／Ａｓとする。
【００４３】
【数４】
【００４４】
【数５】
【００４５】
次に、図９に示すように、σ１〜σ６は、それぞれ（８）式〜（１４）式より求められる。そして、Ｈ形鋼の梁材１の下フランジ１２の応力（下記σ３）を求め、この応力σ３が設計応力以下となるように補強量Ａｃ（ａ、ｔ）を決定する。
ここで、梁材１の断面において、符号Ｈは鋼材の高さ寸法、符号ｂ上は上フランジ１１の幅寸法、符号ｂ下は下フランジ１２の幅寸法、符号ｔｆ上は上フランジ１１の厚さ寸法、符号ｔｆ下は下フランジ１２の厚さ寸法、符号ｔｗはウェブ１３の厚さ寸法を示している。また、炭素繊維シート３において、符号ａは幅寸法、符号ｔは厚さ寸法である。そして、符号Ｘｎは上フランジ１１から中立軸Ｏまでの距離であり、設計モーメントをＭとする。
【００４６】
【数６】
【００４７】
【数７】
【００４８】
そして、中立軸Oでの力のつり合いにより、（１５）式を満たすようなＸｎ、すなわち中立軸Oの位置を算出する。
設計モーメントＭに対し、下記を満たすεｔを算出し、（１１）式より補強後の下フランジ１２の応力σ３を求める。そして、この応力σ３が設計応力以下となるように補強量Ａｃ（ａ，ｔ）を決定する。
【００４９】
【数８】
【００５０】
次に、図３に示すステップＳ６では、ステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’に基づいて、図１０に示すように横軸を梁材１のスパン２３（ｍ）とし、縦軸を下フランジ応力（Ｎ／ｍｍ２）とした補強後の応力分布図を作成する。そして、ステップＳ７において、この応力分布図の補強後の応力分布（実線）を用いて目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた外側端部３ａにおける第１設計応力σ０１以下（符号ｒの範囲）となるように端部位置、すなわち梁材１の長さ方向で炭素繊維シート３の外側端部３ａの位置を設定する。なお、図１０に示す補強前の応力分布は、破線で示している。
【００５１】
続いて、図３及び図１１に示すように、ステップＳ８において、ステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた１層目の炭素繊維シート３の継目部３ｂにおける第２設計応力σ０２以下となるように炭素繊維シート３による補強量を設定する。このときの継目部３ｂの位置は、最も曲げ応力が大きくなる梁材１の長さ方向Ｘの中央部で設定する。
具体的にステップＳ８では、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を以下の場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）には、ステップＳ９へ進む。そして、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を超える場合（ステップＳ８：Ｎｏ）には、ステップＳ５へ戻り、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２以下となるように補強量を変更する。
ここまでが１層目における炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ａ）と補強量の設定方法となる。
【００５２】
次に、２層目以上の炭素繊維シート３についても、上述した１層目と同様の手順により炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ｂ）と補強量を設定することが行われる。
つまり、２層目の炭素繊維シート３の場合、ステップＳ９において、１層目の炭素繊維シート３で補強した下フランジ１２における応力分布を用い、目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた２層目の炭素繊維シート３の外側端部３ｃにおける第３設計応力σ０３以下となるように端部位置、すなわち炭素繊維シート３の外側端部３ｃの位置を設定する。さらに、ステップＳ１０において、目標補強応力Δσ’がステップＳ３で求めた２層目の炭素繊維シート３の継目部３ｄにおける第４設計応力σ０４以下となるように炭素繊維シート３による補強量を設定する。そして、３層目以上の炭素繊維シート３も、ステップＳ９〜Ｓ１０を行う。
【００５３】
このように、上述した補強方法では、設定した目標補強応力Δσ’を設計応力σ０の範囲とすることで、少なくとも梁材１が破壊するまでに接着部材２が破壊しない補強、すなわち梁材１の破壊よりも炭素繊維シート３の界面破壊による剥離の発生時期を遅らせることが可能な補強となるように、梁材１（下フランジ１２）に対する炭素繊維シート３の端部位置及び補強量を設定することができる。そのため、炭素繊維シート３による補強効果を高め、疲労強度を向上させることができ、梁材１の疲労寿命を効率的に延ばすことができる。
また、炭素繊維シート３の貼る位置と重ね合わせ枚数（補強量）とを設定することによる補強となるので、貼り付ける作業そのものは従来と同様に簡単に且つ短時間で行うことができ、手間やコストの増大を抑えることが可能な補強方法となる利点がある。
【００５４】
また、鋼材の梁材１に対して直接貼り付ける１層目の炭素繊維シート３の端部位置の設定だけでなく、設定した炭素繊維シート３の補強量に応じて２層目以上の各層の炭素繊維シート３についても、互いに重なり合う炭素繊維シート３、３同士を接着する接着部材２の端部の設計応力σ０を算出することで、１層目の炭素繊維シート３と同様に好適な端部位置を設定することができる。そのため、炭素繊維シート３同士の界面破壊による剥離の発生を遅らせることができ、これによりさらに補強効果を高めることができ、梁材１の疲労寿命の向上を図ることができる。
【００５５】
しかも、この場合、目標補強応力Δσ’に基づいて作成される補強後の応力分布図を使用するといった簡単な方法により、１層目と２層目以上の外側端部３ａ、３ｃ、および継目部３ｂ、３ｄの位置を目標補強応力Δσ’に基づく好適な位置に設定することができる。これにより、炭素繊維シート３同士の界面破壊による剥離の発生を確実に遅らせることができる。
【００５６】
また、炭素繊維シート３がシート状をなしているので、梁材１の補強面の形状に対応させて炭素繊維シート３を貼り付けることが可能である。つまり、本実施の形態のような梁材１などの被補強部材の補強面に凹み、凹凸、或いはボルト等の突起物を有する場合であっても、補強面に炭素繊維シート３を確実に貼り付けることができる。
【００５７】
上述した本実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、鋼材からなる梁材１を補強した炭素繊維シート３の疲労による界面破壊を考慮した補強とすることで、疲労寿命を効果的に延ばすことができる。
【００５８】
次に、本発明の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法による他の実施の形態について、添付図面に基づいて説明するが、上述の第１の実施の形態と同一又は同様な部材、部分には同一の符号を用いて説明を省略し、第１の実施の形態と異なる構成について説明する。
【００５９】
（第２の実施の形態）
図１２に示すように、第２の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、例えば補強対象の天井クレーンが製鋼工場の溶鋼鍋を吊り下げる用途で用いられる場合であって、その天井クレーンの被補強部材である梁材に繰り返し荷重と熱の影響が同時に及ぶ場合に前記梁材１を補強する方法である。つまり、上述した繰り返し荷重による疲労を考慮した補強方法に加え、輻射熱等の熱の影響を考慮し、上記第１の実施の形態の補強手順フローの一部のステップに２段階の熱補正（第１熱補正、第２熱補正）を加えた補強方法である。
【００６０】
具体的に本実施の形態の構造物補強方法について、以下説明する。なお、上述した第１の補強方法と同じフローについては適宜省略する。また、必要に応じて、第１の実施の形態の図面（図１〜図１１）を使用して説明する。
【００６１】
先ず、使用環境における梁材１の温度を測定し、本実施の形態の補強手順で用いる最大温度ｔｍａｘと、最大温度変化量Δｔを決定する（ステップＳ１１）。例えば、使用環境における常温が２５〜３０℃である場合に、最大温度ｔｍａｘが５５〜６０℃となり、最大温度変化量Δｔを３０℃に設定することができる。
次いで、図４に示すように安全率αをもたせた疲労設計曲線Ｓを算出するとともに（ステップＳ１）、図５に示すように接着部材２の、炭素繊維シート３の端部（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）における疲労剥離曲線Ｔ（図１３参照）を算出する（ステップＳ２）。
【００６２】
次に、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で決定した最大温度ｔｍａｘ時における図１３に示す疲労剥離曲線（以下、これを第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’という）を実験により算出する第１熱補正を行う。ここで、図１３に示す疲労剥離曲線Ｔ、第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’、および後述する第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’は、図５の１層目の外側端部３ａを示したものであり、他の端部（炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｂ、２層目以上の炭素繊維シート３の外側端部３ｃ、２層目以上の炭素繊維シート３、３同士の継目部３ｄ）を省略している。
【００６３】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ１２で求めた第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’と、ステップＳ２で求めた疲労設計曲線Ｓを重ね合わせたときの交点Ｐを接着部材２の端部の設計応力σ０として算出する（図６参照）。そして、ステップＳ４において、梁材１の補強後の目標補強応力Δσ’を算出する（図７参照）。これらステップＳ３及びステップＳ４の具体的な方法は、上述した第１の実施の形態と同様である。
【００６４】
次に、ステップＳ５において、目標補強応力Δσ’が設計応力σ０の範囲となるように、上述の最大温度ｔｍａｘに基づく熱影響を考慮した炭素繊維シート３の端部位置（外側端部３ａ、３ｃ）、及び補強量を設定する。さらに、ステップＳ６では、ステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’に基づいて、補強後の応力分布図を作成する。ここで、ステップＳ５及びステップＳ６の具体的な補強量の算出方法や応力分布図を作成については、上述した第１の実施の形態と同様の方法となるので、ここでは詳しい説明は省略する。
【００６５】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１１で決定した最大温度変化量Δｔによる熱の影響を考慮する場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）には、ステップＳ１４に進む。一方、既に熱の影響を考慮した場合、或いは考慮しない場合（ステップＳ１３：ＮＯ）には、ステップＳ７へ進む。
【００６６】
ステップＳ１４では、最大温度変化量Δｔの影響を考慮した接着部材２の疲労剥離曲線（これを第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’という）（図１３参照）を計算に基づいて算出する第２熱補正を行う。
このステップＳ１４の段階では、図１３に示すように、常温時の接着部材２の疲労剥離曲線Ｔは、最大温度ｔmaxによって補正された第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’による第１熱補正と、最大温度変化量Δｔによって補正された第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’による第２熱補正と、の２段階の熱補正がなされることになる。
【００６７】
ここで、熱影響による最大温度変化量Δｔを考慮した第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’の算出方法にいて、具体的に説明する。
熱影響による梁材１の最大温度変化量Δｔによって、その梁材１に発生するひずみをε２とすると、鋼材の熱ひずみにより接着部材２に発生するせん断力は、鋼材に引張応力Ｅｓ×ε２を作用させたときのせん断力と同様である。そのため、熱影響により鋼材に仮想の引張応力σｓｓΔｔを付加させたとみなすことができる。そして、熱影響を考慮したときの接着部材２が負担するせん断力は、鋼材応力σ３S＝σ３＋σＳＳΔｔのときのせん断力と同じである、ことを考慮して接着部材２の疲労曲線を算出する。つまり、下フランジ１２の応力σ３に対し、接着部材２の疲労寿命は前記鋼材応力σ３Ｓに相当し、この鋼材応力σ３Ｓのときの疲労寿命に置き換えることができる。同様に、任意の応力σｙに対して、接着部材２の疲労寿命はσｙ＝σｙ＋σＳＳΔｔであることから、第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’を算出することができる。
【００６８】
次に、ステップＳ１５では、前記ステップＳ１４で熱補正を行った後、設計応力σ０の見直しが行われる。すなわち、図１４に示す第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’に基づいて上記ステップＳ３と同様に、ステップＳ２で求めた疲労設計曲線Ｓを重ね合わせたときの交点Ｐを接着部材２の端部の設計応力σ０として算出する。そして、見直した設計応力σ０に基づいてステップＳ４に戻り、ステップＳ５により補正量が見直され、ステップＳ６により応力分布図が見直される。この見直しフローによるステップＳ１３では、既に熱の影響を考慮した場合（ステップＳ１３：ＮＯ）となるので、後述するステップＳ７へ進む。
【００６９】
次に、ステップＳ７では、上述した第１の実施の形態と同様で、見直しされた応力分布図の補強後の応力分布（実線）を用いて目標補強応力Δσ’が外側端部３ａにおける第１設計応力σ０１以下（符号ｒの範囲）となるように、端部位置、すなわち梁材１の長さ方向で炭素繊維シート３の外側端部３ａの位置を設定する。
続いて、ステップＳ８において、見直しによってステップＳ４で求めた目標補強応力Δσ’が１層目の炭素繊維シート３の継目部３ｂにおける第２設計応力σ０２以下となるように炭素繊維シート３による補強量を設定する。このとき、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を以下の場合（ステップＳ８：Ｙｅｓ）には、ステップＳ９へ進む。そして、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２を超える場合（ステップＳ８：Ｎｏ）には、再度、ステップＳ５へ戻り、目標補強応力Δσ’が第２設計応力σ０２以下となるように補強量を変更する手順となる。
なお、ステップＳ９以降の手順は、上記第１の実施の形態と同様となるので、ここでは詳しい説明を省略する。
【００７０】
ここで、上述した再びステップＳ５において行われる最大温度変化量Δｔによる補正量の見直し方法は、梁材１（鋼材）と炭素繊維シート３（炭素繊維材）との線膨張係数差により鋼材に残留応力が加わるとともに、接着部材２に付加せん断力が加わることに基づいて算定する。
【００７１】
ここで、熱影響の基本的な概念について説明しておく。
天井クレーンが吊り荷である溶鋼鍋の熱の影響を受ける共用時において、鋼材に対して炭素繊維材が未接着となる場合に、鋼板単体のみの熱ひずみε１は（１６）式により求められる。そして、鋼材に対して炭素繊維材が接着される場合（線膨張係数＝０）には、鋼板に作用する残留応力σΔｔが（１７）式の関係となる。なお、ε２は、鋼材に炭素繊維材が接着した場合における鋼材のひずみであり、Ｅｓは鋼材のヤング率である。
また、力のつり合いより、（１８）式、及び（１９）式が求められる。
【００７２】
【数９】
【００７３】
【数１０】
【００７４】
【数１１】
【００７５】
次に、梁材１（Ｈ形鋼）を炭素繊維材で補強した後の下フランジ１２の応力σ３において、熱影響を考慮した後の下フランジ１２の応力σ３’の算出方法について説明する。
先ず、最大温度変化量Δｔにより鋼材に発生する残留応力σΔｔは、上述した（１６）式、（１７）式、（１８）式に基づいて導かれる（２０）式に基づいて算出される。
【００７６】
【数１２】
【００７７】
そして、上記より熱影響を考慮した後の下フランジの応力σ３’は、（２１）式により算出される。ここで、前記応力σ３’は設計応力に対して余力ができるため、σ３’≦設計応力の範囲内で補強量の見直しを行う。つまり、この補強量の見直しによれば、鋼材の伸びを炭素繊維材で拘束して圧縮応力が作用することで、鋼材の引張応力（設計応力）を低減することができ、補強量を少なくすることができる。
【００７８】
【数１３】
【００７９】
次いで、下フランジの応力σ３を算出した時の炭素繊維の補強量Ａｃ(ａ，ｔ)について、補強枚数Nを算出する。 例えば、新日鉄マテリアルズ株式会社製のストランドシートＦＳＳ−ＨＭ−９００であれば、設計厚さが０．４２９ｍｍであり、補強枚数Ｎはｔ／０．４２９の式により算出することができる。
【００８０】
さらに具体的には、補強枚数を１枚ずつ減らした時（補強枚数Ｎ−１の時）の補強後の下フランジの応力σ３(Ｎ−１)を算出する。そして、この応力σ３(Ｎ−１) での熱を考慮した下フランジの応力σ３’ (Ｎ−１) を上記（２０）式により算出し、この応力σ３’ (Ｎ−１) が設計応力以下であるか否かを確認する。このとき設計応力以下であれば、さらに補強枚数Ｎ−２の時のσ３’(Ｎ−２)の確認を行う。このような補強枚数の確認を繰返し行い、設計応力を超えた時の補強枚数Ｎ−ｎ（ｎ＝０，１，２，・・・）を算出することにより、補強枚数Ｎ−(ｎ−１)の時において最少の補強量を算出する。
【００８１】
上述したように本第２の実施の形態では、輻射熱等の熱の影響を受けた梁材１の最大温度ｔｍａｘに基づく第１熱補正疲労剥離曲線Ｔ’を用いることで、接着部材２の熱影響を考慮した疲労による界面剥離を予測することができ、精度が高く且つ効果的な補強を行うことができる。
さらに、本第２の実施の形態では、梁材１の最大温度変化量Δｔに基づく第２熱補正疲労剥離曲線Ｔ’’を用いて、梁材１の熱膨張の影響を考慮した接着部材２の疲労による界面剥離を予測することができ、且つ接着する炭素繊維材の拘束により鋼材に発生する圧縮残留応力を考慮した補強を行うことができる。
このように、熱の影響を考慮した炭素繊維材を用いた補強を行うことができるので、防熱板等による防熱対策の要否検討が可能になる。
【００８２】
なお、本第２の実施の形態による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法では、鋼材が溶鋼鍋による輻射熱を受ける場合に適用しているが、このような用途に限定されることはなく、日射熱を受ける鋼材の補強を適用対象としてもよい。但し、日射熱を受ける被補強部材がクレーンの場合には、クレーンが受ける荷重と熱の影響が同時ではなく、上述したステップＳ１４、１５による第２熱補正（最大温度変化量Δｔに基づく熱補正）が困難な場合には、この第２熱補正を省略してもよい。
【００８３】
以上、本発明による炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では梁材１のＨ形鋼の下フランジ１２の下面１２ａを補強対象（炭素繊維シートの貼り付け面）としているが、これに限定されることはなく、下フランジ１２の上面であっても良いし、上フランジ１１やウェブ１３であっても良い。さらには、Ｈ形鋼に限定されることはく、ＣＴ鋼や溝形鋼等の鋼部材への補強であっても良い。そして、補強面は平坦である必要はなく、本実施の形態のようにシート状の炭素繊維材を使用することで、凹凸や突起物を有する被補強部材を対象とすることも可能である。
また、天井クレーンを支持する梁材１を補強対象としているが、例えば橋梁など、他の鋼構造であっても勿論かまわない。
【００８４】
また、本実施の形態の補強方法において、ステップＳ２で算出される接着部材２の疲労剥離曲線Ｔ（Ｔ１〜Ｔ４）は、実験により求められる実験値であって、接着部材の材質や厚さ寸法、或いは炭素繊維材の材質や剛性などの条件に基づいて変化する値である。
【００８５】
なお、上述した本実施の形態の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法を実現するため、上記ステップＳ１〜ステップＳ１０（第２の実施の形態のステップＳ１１〜１５を含む）の手順フローは図示しないコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）によって実行されることが好ましい。そして、そのコンピュータに対し、上記実施の形態の補強手順を実行するためのコンピュータプログラムを供給し、そのコンピュータに格納された該プログラムに従って補強方法を実施することが可能である。
【００８６】
また、上記の場合においては、上記コンピュータプログラム自体が上記の実施の形態の機能を実現することになり、本発明を構成する。そのコンピュータプログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝播させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネット等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体（光ファイバ等の優先回線や無線回線等）を用いることができる。
【００８７】
さらに、上記コンピュータプログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体は本発明を構成する。かかる記憶媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等の各種記録媒体を用いることができる。
【００８８】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００８９】
１ 梁材（被補強部材）
２ 接着部材
３ 炭素繊維シート（炭素繊維材）
３ａ １層目の外側端部
３ｂ １層目の継目部
３ｃ ２層目以上の外側端部
３ｄ ２層目以上の継目部
Ｓ 疲労設計曲線
Ｓ’ 基準疲労設計曲線
Ｔ、Ｔ１〜Ｔ４ 疲労剥離曲線
σ０（σ０１、σ０２、σ０３、σ０４） 設計応力
Δσ’ 目標補強応力
α 安全率
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被補強部材の引張力が作用する部分に炭素繊維材を接着部材を介して複数層に段差状に重ね合わせて貼り付けて補強する炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法であって、
安全率をもたせた被補強部材の疲労設計曲線を算出する工程と、
前記炭素繊維材の端部における前記接着部材の疲労剥離曲線を算出する工程と、
前記疲労設計曲線および前記疲労剥離曲線を重ね合わせたときの交点を前記接着部材の端部の設計応力として算出する工程と、
前記被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、
前記目標補強応力が前記設計応力の範囲となるように、前記炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、
を有することを特徴とする炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項２】
１層目の前記炭素繊維材の端部位置を設定した後、
２層目以上の前記疲労設計曲線と前記疲労剥離曲線との交点を算出し、互いに重なり合う炭素繊維材同士を接着する接着部材の端部の設計応力を算出する工程と、
前記被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、
該目標補強応力が前記２層目以上の設計応力の範囲となるように、前記２層目以上の炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項３】
前記炭素繊維材の端部は、各層の長さ方向の両端に位置する外側端部と、長さ方向に配列される前記炭素繊維材同士の継目部と、からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項４】
前記炭素繊維材の前記外側端部の端部位置は、
前記目標補強応力に基づいて補強後の応力分布図を作成し、該応力分布図を用いて前記目標補強応力が前記外側端部における前記設計応力以下となるように設定されることを特徴とする請求項３に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項５】
前記炭素繊維材の前記継目部の端部位置は、
前記目標補強応力が前記継目部における前記設計応力以下となるように設定されることを特徴とする請求項３又は４に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項６】
前記炭素繊維材は、シート状に形成された炭素繊維シートであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項７】
前記疲労剥離曲線は、被補強部材の最大温度によって熱補正されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項８】
前記補強量は、被補強部材の最大温度変化量によって熱補正された疲労剥離曲線に基づく設計応力を用いて算出されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項１】
被補強部材の引張力が作用する部分に炭素繊維材を接着部材を介して複数層に段差状に重ね合わせて貼り付けて補強する炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法であって、
安全率をもたせた被補強部材の疲労設計曲線を算出する工程と、
前記炭素繊維材の端部における前記接着部材の疲労剥離曲線を算出する工程と、
前記疲労設計曲線および前記疲労剥離曲線を重ね合わせたときの交点を前記接着部材の端部の設計応力として算出する工程と、
前記被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、
前記目標補強応力が前記設計応力の範囲となるように、前記炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、
を有することを特徴とする炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項２】
１層目の前記炭素繊維材の端部位置を設定した後、
２層目以上の前記疲労設計曲線と前記疲労剥離曲線との交点を算出し、互いに重なり合う炭素繊維材同士を接着する接着部材の端部の設計応力を算出する工程と、
前記被補強部材の補強後の目標補強応力を算出する工程と、
該目標補強応力が前記２層目以上の設計応力の範囲となるように、前記２層目以上の炭素繊維材の端部位置、及び補強量を設定する工程と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項３】
前記炭素繊維材の端部は、各層の長さ方向の両端に位置する外側端部と、長さ方向に配列される前記炭素繊維材同士の継目部と、からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項４】
前記炭素繊維材の前記外側端部の端部位置は、
前記目標補強応力に基づいて補強後の応力分布図を作成し、該応力分布図を用いて前記目標補強応力が前記外側端部における前記設計応力以下となるように設定されることを特徴とする請求項３に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項５】
前記炭素繊維材の前記継目部の端部位置は、
前記目標補強応力が前記継目部における前記設計応力以下となるように設定されることを特徴とする請求項３又は４に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項６】
前記炭素繊維材は、シート状に形成された炭素繊維シートであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項７】
前記疲労剥離曲線は、被補強部材の最大温度によって熱補正されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【請求項８】
前記補強量は、被補強部材の最大温度変化量によって熱補正された疲労剥離曲線に基づく設計応力を用いて算出されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の炭素繊維材を用いた鋼構造物補強方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−４７４４６（Ｐ２０１３−４７４４６Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５８９７０（Ｐ２０１２−１５８９７０）
【出願日】平成２４年７月１７日（２０１２．７．１７）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄住金マテリアルズ株式会社 (196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月１７日（２０１２．７．１７）
【出願人】（０００００６６５５）新日鐵住金株式会社 (6,474)
【出願人】（３０６０３２３１６）新日鉄住金マテリアルズ株式会社 (196)
【Ｆターム（参考）】
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