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【発明の名称】 構造用複合材料
【発明者】 【氏名】宇野 名右衛門

【氏名】猪瀬 幸太郎

【氏名】笠坊 英彰

【氏名】島村 和夫

【氏名】山本 尚樹
【要約】 【課題】局部座屈を防止して構造材本来の強度まで使用でき、しかも重量増大を招くことのない構造用複合材料を提供すること。

【解決手段】中空鋼材１１の中空部１２に局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の合成樹脂１６を充填するようにしており、充填した合成樹脂により局部座屈が防止でき、中空鋼材本来の強度まで使用できるようになるとともに、リブで座屈を防止するのに比べ、軽量化を図ることができるようになる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】中空鋼材の中空部に局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の合成樹脂を充填してなることを特徴とする構造用複合材料。
【請求項２】前記中空部を、前記中空鋼材の中空部内側に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部としたことを特徴とする請求項１記載の構造用複合材料。
【請求項３】前記中空部を、圧縮荷重が加わる鋼材に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部としたことを特徴とする請求項１記載の構造用複合材料。
【請求項４】前記樹脂が、発泡密度を変えて前記必要最小限の縦弾性係数とされた硬質発泡合成樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の構造用複合材料。
【請求項５】前記中空鋼材を橋脚用中空鋼材としたことを特徴とする請求項１，２，４のいずれかに記載の構造用複合材料。
【請求項６】前記中空鋼材をトラス橋弦材用中空鋼材としたことを特徴とする請求項１，２，４のいずれかに記載の構造用複合材料。
【請求項７】前記中空鋼材を橋梁仮設支持材用中空鋼材としたことを特徴とする請求項１，２，４のいずれかに記載の構造用複合材料。
【請求項８】前記鋼材を橋梁床版用鋼材としたことを特徴とする請求項３または４記載の構造用複合材料。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、構造用複合材料に関し、圧縮荷重による局部座屈を防止でき、しかも軽量化を図ることができるようにしたもので、橋脚用などとして好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から各種構造物用の構造材料として鋼材が用いられる場合も多く、例えば橋脚としても施工に要する期間が短く、地震の多い場所の高架橋などには、鉄筋コンクリート製の橋脚に代え、鋼材を用いた鋼製橋脚が採用されている。
【０００３】このような鋼構造物である鋼製橋脚では、鋼材に局部座屈が生じ、さらに塑性化することも想定して設計することが行われ、局部座屈を防止するため、例えば中空鋼材の内側に補剛板として平板状の板リブを溶接して取り付けることが行われている。
【０００４】また、平板状の板リブより補剛度の高いリブとして鋼材に溶接して取り付けることで閉じられた空間を形成する閉断面リブを用いることも行われているが、用途が限定され、弾性域での使用しか想定しない鋼床版等に限られて使用されているに過ぎない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところが、平板状の板リブにより得られる剛度は小さく、リブの座屈耐力も低く、大地震に耐え得る橋脚とするためには、板リブを大きくする必要があり、板幅、板厚が大きくなって重量も増大し、経済的な設計を行うことができないという問題がある。
【０００６】また、閉断面リブを用いることで補剛板全体の座屈耐力が飛躍的に向上するものの、塑性状態も想定しなければならない橋脚等の用途の構造材では、リブ自体の局部座屈対策のためリブの板厚が増大するとともに、重量も増大し、板リブと同様に経済性が損なわれるという問題がある。
【０００７】さらに、リブに代え、中空鋼材の内部にコンクリートを充填することも行われているが、重量が増大するとともに、使用場所も限られるという問題もある。
【０００８】この発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたもので、局部座屈を防止して構造材本来の強度まで使用でき、しかも重量増大を招くことのない構造用複合材料を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため本願発明者らが局部座屈について解析・検討を重ねたところ、ある中空構造材では、本来の鋼材の強度（降伏応力）に対して局部座屈が生じるため７１％程度の強度までしか使用できないが、この中空構造材の中空部に充填材を充填して局部座屈を防止しようとすると、どの程度の縦弾性係数の充填材が必要かを求めたところ、鋼材の縦弾性係数の１万分の１程度の縦弾性係数の充填材を充填すれば良いことが分かり、この発明を完成したものである。
【００１０】すなわち、構造材の使用条件に応じて局部座屈を防止し得る必要最小限の縦弾性係数の充填材を充填するようにすれば良く、特に硬質発泡合成樹脂を用い、その発泡倍率を変えることで充填材の縦弾性係数を容易に変えることができることに基づくものである。
【００１１】ここで、必要最小限の縦弾性係数とは、局部座屈を防止して鋼材の本来の強度での使用を可能とするのに必要な充填材の最小の縦弾性係数をいい、鋼材への充填に際しては少なくともこの縦弾性係数であれば、これ以上であっても良いことはいうまでもない。
【００１２】このような検討結果に基づく具体的なこの発明の請求項１記載の構造用複合材料は、中空鋼材の中空部に局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の合成樹脂を充填してなることを特徴とするものである。
【００１３】この構造用複合材料によれば、中空鋼材の中空部に局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の合成樹脂を充填するようにしており、充填した合成樹脂により局部座屈が防止でき、中空鋼材本来の強度まで使用できるようになるとともに、リブで座屈を防止するのに比べ、軽量化を図ることができるようになる。
【００１４】また、この発明の請求項２記載の構造用複合材料は、請求項１記載の構成に加え、前記中空部を、前記中空鋼材の中空部内側に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部としたことを特徴とするものである。
【００１５】この構造用複合材料によれば、前記中空鋼材の中空部内側に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部に合成樹脂を充填するようにしており、閉断面の補強材の局部座屈を防止して中空鋼材の本来の強度まで使用できるようになり、平リブで座屈を防止するのに比べ、構造も簡素化でき、軽量化を図ることができるようになる。
【００１６】さらに、この発明の請求項３記載の構造用複合材料は、請求項１記載の構成に加え、前記中空部を、圧縮荷重が加わる鋼材に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部としたことを特徴とするものである。
【００１７】この構造用複合材料によれば、圧縮荷重が加わる鋼材に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部に合成樹脂を充填するようにしており、閉断面の補強材の局部座屈を防止して鋼材の本来の強度まで使用できるようになり、長大橋の鋼床版などでも軽量化を図ることができるようになる。
【００１８】また、この発明の請求項４記載の構造用複合材料は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、前記樹脂が、発泡密度を変えて前記必要最小限の縦弾性係数とされた硬質発泡合成樹脂であることを特徴とするものである。
【００１９】この構造用複合材料によれば、発泡密度を変えて前記必要最小限の縦弾性係数とされた硬質発泡合成樹脂を中空部に充填するようにしており、使用条件により必要な縦弾性係数が変わる場合にも発泡密度の調整で簡単に対応でき、局部座屈を防止して中空鋼材や鋼材の本来の強度まで使用できるとともに、軽量化を図ることができるようになる。
【００２０】さらに、この発明の請求項５記載の構造用複合材料は、請求項１，２，４のいずれかに記載の構成に加え、前記中空鋼材を橋脚用中空鋼材としたことを特徴とするものである。
【００２１】この構造用複合材料によれば、前記中空鋼材を橋脚用中空鋼材とするようにしており、橋脚の軽量化と構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００２２】また、この発明の請求項６記載の構造用複合材料は、請求項１，２，４のいずれかに記載の構成に加え、前記中空鋼材をトラス橋弦材用中空鋼材としたことを特徴とするものである。
【００２３】この構造用複合材料によれば、前記中空鋼材をトラス橋弦材用中空鋼材とするようにしており、トラス橋弦材の軽量化と構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００２４】さらに、この発明の請求項７記載の構造用複合材料は、請求項１，２，４のいずれかに記載の構成に加え、前記中空鋼材を橋梁仮設支持材用中空鋼材としたことを特徴とするものである。
【００２５】この構造用複合材料によれば、前記中空鋼材を橋梁仮設支持材用中空鋼材とするようにしており、橋梁仮設支持材の軽量化と構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００２６】また、この発明の請求項８記載の構造用複合材料は、請求項３または４記載の構成に加え、前記鋼材を橋梁床版用鋼材としたことを特徴とするものである。
【００２７】この構造用複合材料によれば、前記鋼材を橋梁床版用鋼材とするようにしており、橋梁床版の軽量化と構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。まず、具体的な構造用複合材料について説明する前に、中空鋼材について行った座屈解析について説明する。
【００２９】ここでは、図１に示すように、中空鋼材をモデル化してコンピュータでの数値計算による線系座屈解析を行った。この座屈解析には、中空鋼材としてＪＩＳＧ３４６６ ＳＴＫＹ４００の鋼管：３００×３００×４．５×４０００ｍｍを用いた。
【００３０】そして、座屈解析の結果、この中空鋼材では、本来の鋼材の強度（降伏応力）に対して局部座屈耐力が０．７１１であった。
【００３１】そこで、この中空鋼材の中空部に充填材を充填して局部座屈を防止しようとすると、どの程度の縦弾性係数の充填材が必要かを算出した。
【００３２】なお、ここでは、充填材として硬質発泡ウレタン樹脂を用い、この充填材のヤング率（縦弾性係数）を変えて場合の局部座屈耐力について算出した。
【００３３】その結果を示したものが図２であり、図中の横軸のヤング係数比（Ｅc ／Ｅs）は充填材のヤング率（縦弾性係数）Ｅc と鋼材のヤング率（縦弾性係数）Ｅsとの比であり、図中の縦軸の局部座屈耐力（Ｎcr／Ｎy ）は局部座屈強度Ｎcrと鋼材本来の強度Ｎy との比である。
【００３４】この座屈解析結果を示す図２から明らかなように、中空鋼材に充填する充填材のヤング率（縦弾性係数）を大きくすることで、局部座屈耐力を高めることができ、局部座屈が生じない場合である局部座屈耐力（Ｎcr／Ｎy ）を１．００にすることも可能であり、その場合には必要なヤング係数比が１Ｅ-4すなわち鋼材の縦弾性係数の１万分の１の縦弾性係数にすれば良いことが分かる。
【００３５】すなわち、鋼材の縦弾性係数が２．１×１０-6kgf/cm2 であることから、充填材として必要な縦弾性係数は２．１×１０-6kgf/cm2 ÷１０4 ＝２１０kgf/cm2となる。
【００３６】一方、硬質発泡ウレタン樹脂のフォーム密度（g/cm2 ）と曲げ弾性率（kg /cm2 ）の関係を求めたものが図３に示すグラフであり、このグラフから充填材として必要な硬質発泡ウレタン樹脂のフォーム密度は０．０２３６g/cm2 であればよいことになる。
【００３７】したがって、ポリシソシアネートとポリオールとのウレタン化反応による硬質発泡ポリウレタンフォームの発泡密度を調整することで必要な縦弾性係数の充填材を得ることができる。
【００３８】一方、具体的な構造材として使用する場合には、使用する構造物などによって必要な局部座屈耐力が変わることになることから、圧縮荷重が加わる中空鋼材の寸法条件と荷重条件を知り、上記座屈解析と同様にして、局部座屈耐力（Ｎcr／Ｎy ）を１．００にするための中空鋼材の中空部に充填する充填材のヤング係数比を算出し、さらに硬質発泡ウレタン樹脂の曲げ弾性率を求め、必要な硬質発泡ウレタン樹脂のフォーム密度を得て中空鋼材の中空部に充填発泡させるようにすれば良いことになる。
【００３９】このような充填材の縦弾性係数を中空鋼材の使用条件に応じて変える必要があるが、特に硬質発泡合成樹脂を用い、その発泡倍率を変えることで充填材の縦弾性係数を簡単に変えて対応することができる。
【００４０】以上のように、中空鋼材の中空部に局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の合成樹脂を充填して構造用複合材料にすれば、充填した合成樹脂により局部座屈が防止でき、中空鋼材本来の強度まで使用することができ、従来の板リブで座屈を防止するのに比べ、軽量化を図ることができる。
【００４１】また、このような構造用複合材料によれば、中空鋼材の中空部にコンクリートを充填して局部座屈を防止する場合に比べ、必要以上の充填密度にならず、軽量化を図ることができる。
【００４２】さらに、この構造用複合材料によれば、中空部に充填する充填材として硬質発泡合成樹脂を用いるようにしたので、使用条件により必要な縦弾性係数が変わる場合にも発泡密度の調整で簡単に対応でき、特に硬質発泡ウレタン樹脂を用いることで、中空鋼材の内面と樹脂とが接着することから一層有効に局部座屈を防止することができる。
【００４３】次に、このような構造用複合材料による具体例について説明する。図４はこの発明の構造用複合材料の一実施の形態にかかり、（ａ）は鋼製橋脚の左半分の横断面図、（ｂ）は橋脚部分の横断面図、（ｃ）は比較のため示す従来構造の橋脚部分の横断面図である。
【００４４】この構造用複合材料を構成する橋脚用中空鋼材１０では、矩形断面の中空鋼材１１の中空部１２の内側に補強材１３として横断面形状が台形状のリブ１４が溶接によって中空鋼材１１に取り付けてあり、それぞれのリブ１４と中空鋼材１１とで閉断面の空間１５が形成される。
【００４５】そして、それぞれのリブ１４と中空鋼材１１とで形成される閉断面空間１５にそれぞれ局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の充填材１６が充填され、例えば充填材として硬質発泡ウレタン樹脂が充填される。
【００４６】このような構造用複合材料を構成する橋脚用中空鋼材１０では、従来の中空鋼材１１の中空部１２の内側に板リブ１７を溶接して取り付ける場合に比べ、リブ１４の局部座屈を、それぞれのリブ１４と中空鋼材１１とで形成される閉断面空間１５に充填する充填材１６によって防止することができ、このリブ１４により橋脚用中空鋼材１０の局部座屈も防止でき、本来の中空鋼材１１の強度で使用することができるとともに、大幅な軽量化を図ることができ、試算によれば、橋脚１ｍ当りで、重量を１９％削減でき、リブの本数を１６本から１２本に、リブの溶接長さを６４％とリブの塗装面積を２２％削減できる。
【００４７】次に、この発明の他の一実施の形態について図５により説明する。図５はこの発明の構造用複合材料の他の一実施の形態にかかり、（ａ）は橋梁床版の部分横断面図である。
【００４８】この構造用複合材料を構成する橋梁床版用鋼材２０（図４参照）では、板状の鋼材２１の下面２２に補強材２３として横断面形状が台形状のリブ２４が溶接によって鋼材２１に取り付けてあり、それぞれのリブ２４と鋼材２１とで閉断面の空間２５が形成される。
【００４９】そして、それぞれのリブ２４と鋼材２１とで形成される閉断面空間２５にそれぞれ局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の充填材２６が充填され、例えば充填材として硬質発泡ウレタン樹脂が充填される。
【００５０】このような構造用複合材料を構成する橋梁床版用鋼材２０では、リブ２４の局部座屈を、それぞれのリブ２４と鋼材２１とで形成される閉断面空間２５に充填する充填材２６によって防止することができ、このリブ２４により橋梁床版用鋼材２０の局部座屈も防止でき、本来の鋼材１１の強度で使用することができるとともに、大幅な軽量化を図ることができ、特に斜長橋や吊橋などの長大橋のような橋梁床版に圧縮荷重が加わる場合に有効である。これにより、リブ２４の大断面化、薄肉化、軽量化が可能となる。
【００５１】次に、この発明の一実施の形態について図６により説明する。図６はこの発明の構造用複合材料のさらに他の一実施の形態にかかり、（ａ）はトラス橋の部分側面図、（ｂ）は橋梁仮設支持材の正面図、（ｃ）はトラス橋弦材用中空鋼材および橋梁仮設支持材用中空鋼材の横断面図、（ｄ）は参考に示す従来例の横断面図である。
【００５２】この構造用複合材料を構成するトラス橋弦材用中空鋼材３０も橋梁仮設支持材用中空鋼材４０も同一構造であり、同図（ｃ）に示すように、中空鋼材３１の中空部３２に局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の充填材３３が充填され、例えば充填材として硬質発泡ウレタン樹脂が充填される。
【００５３】このような構造用複合材料を構成するトラス橋弦材用中空鋼材３０および橋梁仮設支持材用中空鋼材４０のいずれでも、中空鋼材３１の局部座屈を、中空部３２に充填する充填材３３によって防止することができ、本来の中空鋼材３１の強度で使用することができるとともに、大幅な軽量化を図ることができる。
【００５４】これにより、従来のリブ３４を省略することができるとともに、アングル材３５とこれを連結する連結材３６との溶接構造にすること無く、構造を簡素化することができる。
【００５５】なお、上記実施の形態では、中空鋼材として断面矩形のものを例に説明したが、これに限らず、円形や楕円形等他の断面形状であっても良く、閉断面空間を形成する補強材の断面形状も台形状のものに限らず、半円形や半楕円形等どのような断面形状であっても良く、充填材を充填することができるものであれば良い。
【００５６】また、充填材としては、硬質発泡合成樹脂として硬質発泡ウレタン樹脂を例に説明したが、密度の変更が容易なものであれば、これに限るものでない。
【００５７】さらに、この構造用複合材料の用途も上記実施の形態で説明したものに限らず、圧縮荷重が加わり、局部座屈が問題となる構造用材料として広く用いることができる。
【００５８】
【発明の効果】以上、実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の請求項１記載の構造用複合材料によれば、中空鋼材の中空部に局部座屈を防止する必要最小限の縦弾性係数の合成樹脂を充填するようにしたので、充填した合成樹脂により局部座屈が防止でき、中空鋼材本来の強度まで使用することができるとともに、リブで座屈を防止するのに比べ、軽量化を図ることができる。
【００５９】また、この発明の請求項２記載の構造用複合材料によれば、前記中空鋼材の中空部内側に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部に合成樹脂を充填するようにしたので、閉断面の補強材の局部座屈を防止して中空鋼材の本来の強度まで使用することができ、平リブで座屈を防止するのに比べ、構造も簡素化でき、軽量化を図ることができる。
【００６０】さらに、この発明の請求項３記載の構造用複合材料によれば、圧縮荷重が加わる鋼材に取り付けた閉断面の補強材により形成される中空部に合成樹脂を充填するようにしたので、閉断面の補強材の局部座屈を防止して鋼材の本来の強度まで使用することができ、長大橋の鋼床版などでも軽量化を図ることができる。
【００６１】また、この発明の請求項４記載の構造用複合材料によれば、発泡密度を変えて前記必要最小限の縦弾性係数とされた硬質発泡合成樹脂を中空部に充填するようにしたので、使用条件により必要な縦弾性係数が変わる場合にも発泡密度の調整で簡単に対応でき、局部座屈を防止して中空鋼材や鋼材の本来の強度まで使用することができるとともに、軽量化を図ることができる。
【００６２】さらに、この発明の請求項５記載の構造用複合材料によれば、前記中空鋼材を橋脚用中空鋼材とするようにしたので、橋脚の軽量化と構造の簡素化を図ることができる。
【００６３】また、この発明の請求項６記載の構造用複合材料によれば、前記中空鋼材をトラス橋弦材用中空鋼材とするようにしたので、トラス橋弦材の軽量化と構造の簡素化を図ることができる。
【００６４】さらに、この発明の請求項７記載の構造用複合材料によれば、前記中空鋼材を橋梁仮設支持材用中空鋼材とするようにしたので、橋梁仮設支持材の軽量化と構造の簡素化を図ることができる。
【００６５】また、この発明の請求項８記載の構造用複合材料によれば、前記鋼材を橋梁床版用鋼材とするようにしたので、橋梁床版の軽量化と構造の簡素化を図ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００００９９
【氏名又は名称】石川島播磨重工業株式会社
【出願日】 平成１２年９月２６日（２０００．９．２６）
【代理人】 【識別番号】１００１０４３２９
【弁理士】
【氏名又は名称】原田 卓治 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−９７７４３（Ｐ２００２−９７７４３Ａ）
【公開日】 平成１４年４月５日（２００２．４．５）
【出願番号】 特願２０００−２９１６２８（Ｐ２０００−２９１６２８）