JP2004060406A

JP2004060406A - Ｆｒｐ製構造用部材

Info

Publication number: JP2004060406A
Application number: JP2002224241A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takemura; 竹村　振一; Hideyuki Komaki; 小牧　秀之; Akio Sakamoto; 坂本　明男; Yutaka Sanokawa; 佐野川　豊
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26
Also published as: US20040213952A1

Abstract

【課題】軽量で高剛性、耐腐食性に優れ、高い振動減衰特性を有しかつ製造コストが従来品よりも遥かに低いＦＲＰ製構造用部材を提供する。
【解決手段】強化繊維を含むＦＲＰ製構造用部材が、引張弾性率４００〜８５０ＧＰａの炭素繊維（ａ）を含みかつ、該炭素繊維（ａ）の配向方向が前記部材の長手方向に平行になるように配置されていることを特徴とするＦＲＰ製構造用部材。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維を含有するＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製構造用部材に関し、かかるＦＲＰ製構造用部材は一般構造物、建造物および建設物の各形材、例えば補強材、骨材、枠材、梁、ビーム、支柱、脚、レール、ガイド材、桟、壁材、桁等として使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＦＲＰ製構造用部材には、ガラス繊維またはアラミド繊維など比較的弾性率の低い強化繊維が使用されるか、あるいは特開平９−２０３１５９号公報に記載されるように引張弾性率が１８０〜３００ＧＰａの炭素繊維を使用していたため、構造用部材としての曲げ剛性が劣る場合が多かった。また実用的な曲げ剛性を得るためには部材厚みを増やさなければならないため部材の重量増加および材料コストおよび成形コストの上昇を招くという問題があり、従来の鋼製構造用部材と比べてコスト優位とはならなかった。曲げ剛性改善のため部材（梁）の高さ（横断面方向）を大きくすることにより断面二次モーメントを向上させる方法もあるが、このような部材を成形する金型が大型化し製造コストが増加する問題があった。
【０００３】
また橋梁や建築物などへの使用を考えた場合は、建造物全体としての振動を抑制するために構造用部材に高い振動減衰特性を付与することが重要な課題であるが、従来は振動減衰特性に優れる構造部材は知られてなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は従来の上述した問題点を解決するものであり、軽量で高剛性、耐腐食性に優れるのは勿論のこと高い振動減衰特性を有しかつ製造コストが従来品よりも遥かに低いＦＲＰ製構造用部材を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、強化繊維を含むＦＲＰ製構造用部材が、引張弾性率４００〜８５０ＧＰａの炭素繊維（ａ）を含みかつ、該炭素繊維（ａ）の配向方向が前記部材の長手方向に平行になるように配置されていることを特徴とするＦＲＰ製構造用部材に関する。
【０００６】
前記ＦＲＰ製構造用部材が、更に引張弾性率２００〜４００ＧＰａ未満の炭素繊維（ｂ）を含みかつ、該炭素繊維（ｂ）の配向方向が前記部材の長手方向に平行になるように配置されていてもよい。
【０００７】
前記炭素繊維（ａ）が、部材表面から部材横断面における中立面に向かって部材表面−中立面間の距離の５０％以下の範囲に配置されていることが好ましい。また前記炭素繊維（ｂ）が、部材表面から部材横断面における中立面に向かって部材表面−中立面間の距離の５０％以下の範囲に配置されていることが好ましい。
【０００８】
前記ＦＲＰ製構造用部材が、更に引張弾性率２００〜８５０ＧＰａの炭素繊維（ｃ）を含み、該炭素繊維（ｃ）の配向方向が前記部材の長手方向に対して±４５度になりかつ部材横断面における中立面に垂直な部位に配置されていてもよい。
【０００９】
前記炭素繊維（ａ）〜（ｃ）の総使用量が、ＦＲＰ製構造用部材に使用される強化繊維と炭素繊維の総使用量基準で５〜２５質量％であることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のＦＲＰ製構造用部材の望ましい形態について説明する。
（材料）
本発明で言う強化繊維は、炭素繊維以外の強化繊維を指すものとし、かかる強化繊維としては通常、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維あるいはこれらの混合繊維等が挙げられ、ＦＲＰ製構造用部材に使用することができる。
【００１１】
強化繊維のなかではガラス繊維、アラミド繊維は低コストであるため、大型部材などへ大量に使用する場合に好適であり、また耐食性に優れたＦＲＰを得ることができるので、構造物等として十分な耐久性を付与することが可能となり、さらに軽量化により比強度も高くすることができる。
【００１２】
強化繊維は通常、引張弾性率６０〜１３０ＧＰａ、好ましくは７０〜１３０ＧＰａ、引張強度１５００〜４５００ＭＰａ、好ましくは２５００〜４５００ＭＰａを有し、短繊維あるいは連続繊維として使用することができる。
【００１３】
（強化繊維の使用形態）
強化繊維の使用形態として一方向プリプレグや織物例えば平織り、朱子織、すだれ織りなどを利用するときには、ハンドレイアップ法、オートクレーブ成形法、ＲＴＭ（樹脂注入）成形法、あるいはＲＦＩ（樹脂フィルム注入）成形法により、一方向プリプレグや織物を成形することができる。ボビンや織物を成形する場合にはビームなど長尺成形物の引き抜き成形法を使用することもできる。
【００１４】
強化繊維の配向方向が本発明のＦＲＰ製構造用部材の長手方向に対して平行にすなわち０°に配向するときは、部材の曲げ剛性が向上し、例えばＩ形横断面形状の梁およびＨ形横断面形状の梁などの場合には主にフランジ部分（対向する面）において、前記部材の長手方向に対して平行に強化繊維を配向すると効果的である。「長手方向」とは、横断面に垂直な方向を示す。
【００１５】
ＦＲＰ製構造用部材の長手方向に対して±４５°に配向した強化繊維は、中立面に垂直な部位（例えばＩ形横断面形状の梁やＨ形横断面形状の梁などのウェブなど）に主として使用され、前記部材のせん断変形を抑制することができる。中立面に垂直な部位（例えばＩ形横断面形状の梁やＨ形横断面形状の梁などのウェブ）において強化繊維の配向方向が本発明のＦＲＰ製構造用部材の長手方向に対して９０°であると、前記部材の圧縮強度を向上することができる。本発明で言う「中立面」とは、部材が曲げられた時、伸びも縮みもしない面を意味する。
【００１６】
本発明のＦＲＰ製構造用部材に使用する炭素繊維は、使用部位および炭素繊維の引張弾性率によって炭素繊維（ａ）、炭素繊維（ｂ）および炭素繊維（ｃ）に分けることができる。
【００１７】
炭素繊維（ａ）、炭素繊維（ｂ）および炭素繊維（ｃ）の総使用量は、ＦＲＰ製構造用部材に使用する強化繊維と炭素繊維の総使用量基準で５〜２５質量％、好ましくは５〜２０質量％である。
【００１８】
炭素繊維（ａ）は、引張弾性率４００〜８５０ＧＰａ、好ましくは５００〜８５０ＧＰａ、さらに好ましくは６００〜８５０ＧＰａ、引張強度２０００〜４０００ＭＰａ、好ましくは２５００〜４０００ＭＰａを有することができる。
【００１９】
炭素繊維（ａ）は、その配向方向がＦＲＰ製構造用部材の長手方向に平行にすなわち０°になるように配置され、部材表面から部材横断面における中立面に向かって部材表面−中立面間の距離の５０％以下の範囲に配置されていることが好ましい。
【００２０】
炭素繊維（ｂ）は、引張弾性率２００〜４００ＧＰａ未満、好ましくは３００〜４００ＧＰａ未満、さらに好ましくは３５０〜４００ＧＰａ、引張強度２５００〜６０００ＭＰａ、好ましくは３５００〜６０００ＭＰａを有することができる。
【００２１】
炭素繊維（ｂ）は、その配向方向がＦＲＰ製構造用部材の長手方向に平行にすなわち０°になるように配置され、部材表面から部材横断面における中立面に向かって部材表面−中立面間の距離の５０％以下の範囲に配置されていることが好ましい。
【００２２】
図１にＩ形横断面形状の部材の横断面を示す。図１に炭素繊維（ａ）および炭素繊維（ｂ）の使用例を示すが、これら炭素繊維は、ＦＲＰ製構造用部材の長手方向面を地面と平行にした際に地面に平行な面、例えばＩ形やＨ形横断面形状の部材のフランジ部分１など、に配置され（図１の網掛け部）、前記部材の曲げ剛性の向上に効果的に作用することができる。詳細に説明すると曲げ変形下の中立面は、部材の高さ方向（横断面方向）における中央に存在するが、この場合弾性率の高い炭素繊維を中立面３から離れたフランジ部分などに配置することにより、部材の曲げ剛性を効果的に向上することができるのである。
【００２３】
図２（ａ）、図２（ｂ）および図２（ｃ）それぞれにＨ形、Ｃ形およびＬ形それぞれの横断面形状の部材の横断面を示す。図２に示すようにＣ形横断面形状の部材においては対向する上下のフランジ部分、Ｌ形横断面形状の部材においては地面に平行な下部のフランジ部分に弾性率の高い炭素繊維を配置することが曲げ剛性の向上に効果的である（それぞれ網掛け部に炭素繊維を配置）。
【００２４】
炭素繊維（ｃ）は、引張弾性率２００〜８５０ＧＰａ、好ましくは５００〜８５０ＧＰａ、さらに好ましくは６００〜８５０ＧＰａ、引張強度２０００〜４０００ＭＰａ、好ましくは２５００〜４０００ＭＰａを有することができる。
【００２５】
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）および図３（ｄ）それぞれにＩ形、Ｈ形、Ｃ形およびＬ形それぞれの横断面形状の部材の横断面を示す。炭素繊維（ｃ）は、その配向方向がＦＲＰ製構造用部材の長手方向に対して±４５度になりかつ部材横断面における中立面に垂直な部位、例えばＩ形やＨ形横断面形状の部材のウェブ部分２など、に配置されていることが好ましい（図３の網掛け部）。炭素繊維（ｃ）は、ＦＲＰ製構造用部材のせん断変形による曲げ撓みの抑制という効果を発揮することができる。
【００２６】
特に橋梁や建築物などへのＦＲＰ製構造用部材の使用を考えた場合は、橋梁全体や建造物全体としての振動を抑制するため、ＦＲＰ製構造用部材に高い振動減衰特性を付与することが重要である。
【００２７】
本発明における炭素繊維（ａ）および炭素繊維（ｃ）としては、高い振動減衰特性を有する炭素繊維を使用することができ、高弾性率のピッチ系炭素繊維が好適である。
【００２８】
振動減衰特性の測定方法の一例および振動の抑制に対して有効な対数減衰率の範囲を以下に述べる。図４に、片持ち梁式振動減衰特性測定方法の概略図を示す。
【００２９】
振動減衰特性の測定には、以下の手順で成形した一方向ＦＲＰ成形板を使用した。強化繊維を一方向に引き揃え、エポキシ樹脂を含浸させた強化繊維プリプレグを作製した。これを一方向プリプレグと呼ぶ。一方向プリプレグから、繊維方向長さ３００ｍｍ×幅３００ｍｍの正方形のプリプレグを切り出し、次に強化繊維の配向角度が互いに同一、さらに成形後における板の厚みが２ｍｍとなるように、所定の枚数の一方向プリプレグを積層して積層体を得た。積層体をオートクレーブにより真空加圧成形し、長さ３００ｍｍ×幅３００ｍｍ×厚み２ｍｍの一方向ＦＲＰ成形板を得た。
【００３０】
この一方向ＦＲＰ成形板から、繊維方向長さ２５０ｍｍ×幅１０ｍｍの短冊形試験片をダイヤモンドカッターにより切り出し、振動減衰特性に使用した。
【００３１】
ＪＩＳ−Ｇ０６０２（制振鋼板の振動減衰特性試験方法）準拠の片端固定装置４に、前記試験片８の片端より５０ｍｍまでの範囲を固定することにより、自由部の長さ２００ｍｍの片持ち梁となった（図４）。
【００３２】
自由端より１６０ｍｍ離れた箇所にひずみゲージ５を貼り付け、ひずみゲージとブリッジボックス６とを接続し、さらにブリッジボックスと増幅器７とを接続し、そして増幅器とコンピュータ９とを接続した。一方向ＦＲＰ試験片８の長手方向におけるひずみをサンプリング間隔＝５００μ秒で測定した。自由端を振動させることにより自由振動波形を得た（図５）。図５中、Ｔは周期、ｘは振幅、ｎは振動の繰り返し回数をそれぞれ示す。さらに、下記式１にしたがい対数減衰率Δを算出した。
【００３３】
【数１】

【００３４】
本発明において炭素繊維（ａ）および炭素繊維（ｃ）として使用する炭素繊維は、引張弾性率４００〜８５０ＧＰａ、好ましくは５００〜８５０ＧＰａ、さらに好ましくは６００〜８５０ＧＰａ、引張強度２０００〜４０００ＭＰａ、好ましくは２５００〜４０００ＭＰａを有することに加えて、部材の長手方向におけるひずみ＝５０〜１００μεのときの対数減衰率が０．０１５以上０．０２２以下であるか、または部材の長手方向におけるひずみ＝１００〜２００μεのときの対数減衰率が０．０１７以上０．０２７以下であるか、または部材の長手方向におけるひずみ＝２００〜３００μεのときの対数減衰率が０．０２０以上０．０３０以下である炭素繊維が好ましい。
【００３５】
本発明のようにＦＲＰ製構造用部材に高引張弾性率を有する炭素繊維を使用することにより、かかる炭素繊維が、部材に作用する荷重を負担し部材の強度および剛性を高める作用をもち、かつ部材を軽量化するとともに部材のクリープ変形を抑え、ボルト接合の接合効率を高め、耐環境性（耐酸性、耐溶剤性）、疲労特性を向上させることができる。
【００３６】
本発明のＦＲＰ製構造用部材に使用するマトリックス樹脂は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも使用することができる。熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂およびこれらの２種以上の混合物等を使用することができる。熱可塑性樹脂としては、ＰＥＥＫ、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂およびこれらの２種以上の混合物等を使用することができる。
【００３７】
本発明のＦＲＰ製構造用部材の横断面形状は、図１に示すようにＩ形や、図２に示すようにＨ形、Ｃ形、Ｌ形、その他図示はしていないがＺ形、Ｕ形、Ｔ形、箱形、あるいはフラット形でもよい。
【００３８】
また、前記炭素繊維（ｃ）によりＦＲＰ製構造用部材のせん断変形による曲げ撓みを抑制する場合、図３に示すようにＩ形、Ｈ形、Ｃ形およびＬ形それぞれの形状のビーム断面のなかで、中立面に対して垂直な部位に前記炭素繊維（ｃ）を使用することが効果的である。
【００３９】
（成形方法）
なお、本発明に係るＦＲＰ製構造用部材を製造する方法としては、プルトルージョン法、プルワインド法、フィラントワインディング法、ハンドレイアップ法、ＲＴＭ成形法等、公知のあらゆる成形技術を用いることができる。中でも、フィラメントワインディング法、ＲＴＭ成形法や炭素繊維を含む繊維束を樹脂を含浸させながら一体成形する、引き抜き（プルトルージョン）成形法、プルワインド成形法を用いることが経済的である。また、少量生産や複雑で特殊な構造のＦＲＰ部材を製造する場合には、ハンドレイアップ法が適している。
【００４０】
（用途）
本発明のＦＲＰ製構造用部材は、一般構造物や建造物用の部材として用いられる。一般構造物用ＦＲＰ部材は、各種構造物の骨材や枠材、梁、ビーム、支柱、脚、レール、ガイド材として用いることができる。
【００４１】
また、建造物用部材としては、木造、鉄骨、セメントモルタル、レンガ作りの個人用家屋はもとより、鉄筋コンクリート作りの大型ビル、高層建築ビル、化学工場などの工場、倉庫、車庫、農業用のビニールハウスや園芸ハウス、ソーラーハウス、歩道橋、電話ボックス、移動式の簡易トイレ、シャワー室、ガレージ、テラス、ベンチ、ガードレール、広告塔、小屋、ペット小屋、テント小屋、物置、プレハブ等の小型・簡易建物などあらゆる建造物に使用できる部材が挙げられる。かかる部材の使用例としては、ビルの屋上の貯水槽の補強材、ダクト補強材、プール材、ドアや窓の枠、軒の桟、天井や床の梁、敷居、間仕切り材、側壁材、鴨居、支柱、部屋を仕切るためのパーティションの枠、雨樋、足場等々、多種多様な態様が挙げられる。
【００４２】
【実施例】
実施例１
強化繊維を一方向に引き揃え、これにエポキシ樹脂を含浸させて一方向プリプレグを得た。同様に炭素繊維を含む一方向プリプレグも作製した。これら強化繊維を含む一方向プリプレグと炭素繊維を含む一方向プリプレグを積層して、横断面がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の積層構成は、フランジ、ウェブともに図６に示すように　［＋４５／−４５／９０／０／０／０／０／９０／−４５／＋４５］　＝　［＋４５／−４５／９０／０／０］ｓの１０層構成とし、１層厚み０．５ｍｍ×１０層で部材厚み５ｍｍを得た。ここで「＋４５」や「９０」等各数字は、梁の長手方向に対する繊維の配向角度を示す。
【００４３】
強化繊維としてガラス繊維を、そして２種類の炭素繊維として東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）および日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）をそれぞれ使用した。図６に示すように、フランジの０°層、２層分に炭素繊維Ｔ７００Ｓを含む一方向プリプレグを、フランジの０°層の残りの２層に炭素繊維ＸＮ−８０を含む一方向プリプレグをそれぞれ使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°層、−４５°層、９０°層およびウェブの全層にはすべてガラス繊維を含む一方向プリプレグを使用した。Ｉ形梁はハンドレイアップ法により成形した。なお強化繊維と炭素繊維の体積含有率は５０ｖｏｌ％であった。
【００４４】
図６（ａ）はフランジ部積層構成、図６（ｂ）はウェブ部積層構成をそれぞれ示す。図６中、１０は梁の長手方向に対して繊維が＋４５°に配向したガラス繊維一方向プリプレグ、１１は梁の長手方向に対して繊維が−４５°に配向したガラス繊維一方向プリプレグ、１２は梁の長手方向に対して繊維が９０°に配向したガラス繊維一方向プリプレグ、１３は梁の長手方向に対して繊維が０°に配向した炭素繊維Ｔ７００Ｓ一方向プリプレグ、１４は梁の長手方向に対して繊維が０°に配向した炭素繊維ＸＮ−８０一方向プリプレグ、１５は梁の長手方向に対して繊維が０°に配向したガラス繊維一方向プリプレグをそれぞれ示す。他の図面において同じ符号は同じものを示す。
【００４５】
ＦＲＰ製Ｉ形梁を使用して、自重および等分布荷重の負荷それぞれによるたわみを測定した。梁の寸法は、フランジ幅１００ｍｍ、梁（部材）高さ１００ｍｍ、長さ２０００ｍｍ、部材厚みはフランジ、ウェブともに５ｍｍであった。なおウェブ高さは、９０ｍｍ（＝梁高さ−フランジ厚み×２）であった。
【００４６】
表１に示す通り、実施例１におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は軽量で自重撓みも小さく、高い曲げ剛性を有し、曲げたわみも小さかった。また、以下の手順によりＦＲＰ製Ｉ形梁の振動減衰特性を測定した。
【００４７】
ブリューエル＆ケアー社製ＦＦＴアナライザーであるＴＹＰＥ２０３５（商品名）に、エンデブコ社製モーダルハンマーであるＭＯＤＥＬ２３０２−５（商品名）を接続し、片端に取り付けたワイヤーにより鉛直方向に吊り下げたＩ型梁に、モーダルハンマーでインパクトを与えた。このときの振動をＩ形梁の下端（自由端）に取り付けた加速度ピックアップＴＹＰＥ４３７４で測定し、ハンマーによる入力信号と加速度ピックアップによる加速度信号の関係についてＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析を行い、振動減衰特性を評価した。
実施例１に示すＦＲＰ製Ｉ形梁は、優れた振動減衰特性を有していた。
【００４８】
実施例２
強化繊維を含む一方向プリプレグと炭素繊維を含む一方向プリプレグを積層して、横断面がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の積層構成は、フランジ、ウェブともに図６に示すように　［＋４５／−４５／９０／０／０／０／０／９０／−４５／＋４５］　＝［＋４５／−４５／９０／０／０］ｓの１０層構成とし、１層厚み０．２ｍｍ×１０層で部材厚み２ｍｍを得た。強化繊維としてガラス繊維を、そして２種類の炭素繊維として東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）および日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）をそれぞれ使用した。実施例１の場合と同様、図６に示すように、フランジの０°層、２層分に炭素繊維Ｔ７００Ｓを含む一方向プリプレグを、フランジの０°層の残りの２層に炭素繊維ＸＮ−８０を含む一方向プリプレグをそれぞれ使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°層、−４５°層、９０°層およびウェブの全層にはすべてガラス繊維を含む一方向プリプレグを使用した。Ｉ形梁はハンドレイアップ法により成形し、マトリックス樹脂にはエポキシ樹脂を使用した。なお強化繊維と炭素繊維の体積含有率は５０ｖｏｌ％であった。
【００４９】
ＦＲＰ製Ｉ形梁を使用して、自重および等分布荷重の負荷それぞれによるたわみを測定した。梁の寸法は、フランジ幅１００ｍｍ、梁高さ１００ｍｍ、長さ２０００ｍｍ、部材厚みはフランジ、ウェブともに２ｍｍであった。なおウェブ高さは、９６ｍｍ（＝梁高さ−フランジ厚み×２）であった。
【００５０】
表１に示す通り、実施例１におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は軽量で自重撓みが小さく、高い曲げ剛性を有し、曲げたわみも小さかった。また、実施例１と同様にＦＲＰ製Ｉ形梁の振動減衰特性を評価したところ、実施例２におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は優れた振動減衰特性を有していた。
【００５１】
実施例３
強化繊維を含む一方向プリプレグと炭素繊維を含む一方向プリプレグを積層して、横断面がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の寸法は実施例１と同様とした。強化繊維としてガラス繊維を、そして炭素繊維として日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）をそれぞれ使用した。図７に示すように、フランジの０°層のみに炭素繊維ＸＮ−８０（日本グラファイトファイバー製、引張弾性率７８０ＧＰａ）を含む一方向プリプレグを使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°層、−４５°層、９０°層およびウェブの全層にはすべてガラス繊維を含む一方向プリプレグを使用した。Ｉ形梁はハンドレイアップ法により成形し、マトリックス樹脂にはエポキシ樹脂を使用した。なお強化繊維と炭素繊維の体積含有率は５０ｖｏｌ％であった。図７（ａ）はフランジ部積層構成、図７（ｂ）はウェブ部積層構成をそれぞれ示す。
【００５２】
表１に示す通り、実施例３におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は軽量で自重撓みが小さく、高い曲げ剛性を有し、曲げたわみも小さかった。また、実施例１と同様にＦＲＰ製Ｉ形梁の振動減衰特性を評価したところ、実施例３におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は優れた振動減衰特性を有していた。
【００５３】
実施例４
強化繊維を含む一方向プリプレグと炭素繊維を含む一方向プリプレグを積層して、横断面がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の寸法は実施例１と同様とした。強化繊維としてガラス繊維を、炭素繊維として日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）をそれぞれ使用した。図８に示すように、フランジの０°層、ウェブの＋４５°層および−４５°層に炭素繊維ＸＮ−８０（日本グラファイトファイバー製、引張弾性率７８０ＧＰａ）を含む一方向プリプレグを使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°層、−４５°層および９０°層、ウェブの０°層および９０°層にはガラス繊維を含む一方向プリプレグを使用した。Ｉ形梁はハンドレイアップ法により成形し、マトリックス樹脂にはエポキシ樹脂を使用した。なお強化繊維と炭素繊維の体積含有率は５０ｖｏｌ％であった。
【００５４】
図８（ａ）はフランジ部積層構成、図８（ｂ）はウェブ部積層構成をそれぞれ示す。図８中、１６は梁の長手方向に対して繊維が＋４５°に配向した炭素繊維ＸＮ−８０一方向プリプレグ、１７は梁の長手方向に対して繊維が−４５°に配向した炭素繊維ＸＮ−８０一方向プリプレグをそれぞれ示す。
【００５５】
表１に示す通り、実施例４におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は高い曲げ剛性を有し、曲げたわみは小さかった。また、実施例１と同様にＦＲＰ製Ｉ形梁の振動減衰特性を評価したところ、実施例４におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は優れた振動減衰特性を有していた。
【００５６】
実施例５
ガラス繊維を含む一方向プリプレグ、および炭素繊維を含む一方向プリプレグすなわち炭素繊維として東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）および日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）をそれぞれ使用した一方向プリプレグより、断面形状がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を使用した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の積層構成は、フランジ、ウェブともに　［＋４５／−４５／９０／０／０／０／０／９０／−４５／＋４５］の１０層構成とした。
【００５７】
重量およびコストについて、鋼製梁および従来のガラス繊維のみを使用したＦＲＰ製Ｉ形梁と比較するため、本発明に従い、以下の５種類のＦＲＰ製Ｉ形梁を製作した。
【００５８】
（Ａｌｌ−Ｔ７００Ｓ梁）
フランジ幅３００ｍｍ、フランジ厚み３５ｍｍ、Ｉ形梁全高さ６００ｍｍ、ウェブ厚み２０ｍｍとして、東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）を含む一方向炭素繊維プリプレグを使用し、上記積層構成にしたがい、ＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。梁の長さは１０ｍとし、ハンドレイアップ法により製作した。得られたＦＲＰ製Ｉ形梁の重量は４５００Ｎであり、９８０Ｎ／ｍの等分布荷重試験時におけるたわみは２．０ｍｍ（自重によるたわみを含む）、これにより得られるＦＲＰ製Ｉ形梁の曲げ剛性は、９．３１×１０７　Ｎ・ｍ２　となった。後で述べる鋼製梁と比べて軽量であり、後で述べるＡｌｌ−ＧＦＲＰ梁と比べて軽量かつ低コストであった。
【００５９】
（Ａｌｌ−ＸＮ８０　梁）
フランジ幅３００ｍｍ、フランジ厚み１０ｍｍ、Ｉ形梁全高さ６００ｍｍ、ウェブ厚み７ｍｍとして、日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）を含む一方向炭素繊維プリプレグを使用し、上記積層構成にしたがい、ＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。梁の長さは１０ｍとし、ハンドレイアップ法により製作した。得られたＦＲＰ製Ｉ形梁の重量は１５２０Ｎであり、９８０Ｎ／ｍの等分布荷重試験時におけるたわみは１．５８ｍｍ（自重によるたわみを含む）、これにより得られるＦＲＰ製Ｉ形梁の曲げ剛性は、９．３２×１０７　Ｎ・ｍ２　となった。後で述べる鋼製梁と比べて非常に軽量であり、後で述べるＡｌｌ−ＧＦＲＰ梁と比べて軽量かつ低コストであった。
【００６０】
（Ｔ７００Ｓ／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ）
フランジ幅３００ｍｍ、フランジ厚み４２ｍｍ、Ｉ形梁全高さ６００ｍｍ、ウェブ厚み２８ｍｍとして、東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）を含む一方向炭素繊維プリプレグおよびガラス繊維を含む一方向ガラス繊維プリプレグを使用し、上記積層構成にしたがい、ＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。フランジの長手方向（０°）にのみＴ７００Ｓを含む一方向炭素繊維プリプレグを使用し、他の部分すなわちフランジの＋４５°、−４５°、９０°およびウェブの全層には一方向ガラス繊維プリプレグを使用した。梁の長さは１０ｍとし、ハンドレイアップ法により製作した。得られたＦＲＰ製Ｉ形梁の重量は６４６０Ｎであり、９８０Ｎ／ｍの等分布荷重試験時におけるたわみは２．２７ｍｍ（自重によるたわみを含む）、これより得られるＦＲＰ製Ｉ型梁の曲げ剛性は、９．３２×１０^７Ｎ・ｍ^２となった。後で述べる鋼製梁と比べて非常に軽量であり、後で述べるＡｌｌ−ＧＦＲＰ梁と比べて軽量かつ低コストであった。
【００６１】
（ＸＮ−８０／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ梁）
フランジ幅３００ｍｍ、フランジ厚み１３ｍｍ、Ｉ型梁全高さ６００ｍｍ、ウェブ厚み９ｍｍとして、日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）を含む一方向炭素繊維プリプレグおよびガラス繊維を含む一方向ガラスプリプレグを使用し、上記積層構成にしたがい、ＦＲＰ製Ｉ型染を成形した。フランジの長手方向（０°）にのみＸＮ−８０を含む一方向炭素繊維プリプレグを使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°、−４５°、９０°およびウェブの全層には一方向ガラス繊維プリプレグを使用した。梁の長さは１０ｍとし、ハンドレイアップ法により製作した。得られたＦＲＰ製Ｉ型梁の重量は２１８０Ｎであり、９８０Ｎ／ｍの等分布荷重試験時におけるたわみは１．６８ｍｍ（自重によるたわみを含む）、これより得られるＦＲＰ製Ｉ型梁の曲げ剛性は、９．３１×１０^７Ｎ・ｍ^２となった。後で述べる鋼製梁と比べて非常に軽量かつ低コストであり、後で述べるＡｌｌ−ＧＦＲＰ梁と比べて極めて軽量かつ低コストであった。
【００６２】
（Ｔ７００Ｓ／ＸＮ−８０／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ梁）
フランジ幅３００ｍｍ、フランジ厚み１３ｍｍ、Ｉ型梁全高さ６００ｍｍ、ウェブ厚み９ｍｍとして、東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）または日本グラファイトファイバー製ＸＮ−８０（引張弾性率７８０ＧＰａ）を含む一方向炭素繊維プリプレグおよびガラス繊維を含む一方向ガラスプリプレグを使用し、上記積層構成にしたがい、ＦＲＰ製Ｉ型梁を成形した。フランジの長手方向（０°）のうち２層にＴ７００Ｓを含む一方向炭素繊維プリプレグを使用し、フランジの長手方向（０°）の残りの２層にＸＮ−８０を含む一方向炭素繊維プリプレグを使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°、−４５°、９０°およびウェブの全層には一方向ガラス繊維プリプレグを使用した。梁の長さは１０ｍとし、ハンドレイアップ法により製作した。得られたＦＲＰ製Ｉ型梁の重量は３２２５Ｎであり、９８０Ｎ／ｍの等分布荷重試験時におけるたわみは１．８２ｍｍ（自重によるたわみを含む）、これより得られるＦＲＰ製Ｉ型梁の曲げ剛性は、９．３１×１０^７Ｎ・ｍ^２となった。後で述べる鋼製梁と比べて非常に軽量であり、後で述べるＡｌｌ−ＧＦＲＰ梁と比べて極めて軽量かつ低コストであった。
【００６３】
本発明によるＦＲＰ製Ｉ形梁と比較するため、以下の２種類の従来製法による梁を製作した。
【００６４】
（Ａｌｌ−ＧＦＲＰ　梁）
フランジ幅３００ｍｍ、フランジ厚み８０ｍｍ、Ｉ形梁全高さ７００ｍｍ、ウェブ厚み２５ｍｍとして、ガラス繊維を含む一方向ガラス繊維プリプレグを使用し、上記積層構成にしたがい、ＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。得られるＡｌｌ−ＧＦＲＰ梁は強化繊維としてガラス繊維のみを使用した従来のＦＲＰ製Ｉ形梁である。梁の長さは１０ｍとし、ハンドレイアップ法により製作した。得られたＦＲＰ製Ｉ形梁の重量は１０５４０Ｎであり、９８０Ｎ／ｍの等分布荷重試験時におけるたわみは２．８１ｍｍ（自重によるたわみを含む）、これにより得られるＦＲＰ製Ｉ形梁の曲げ剛性は、９．４４×１０７　Ｎ・ｍ２　となった。これまで記載してきた本発明によるＦＲＰ製Ｉ形梁と比べて重量が大きく、またコストも高かった。
【００６５】
（鋼製梁）
フランジ幅３００ｍｍ、フランジ厚み１０ｍｍ、Ｉ形梁全高さ５００ｍｍ、ウェブ厚み１０ｍｍとして、鋼製梁を製作した。得られた鋼製梁の重量は８２５０Ｎであり、９８０Ｎ／ｍの等分布荷重試験時におけるたわみは２．５３ｍｍ（自重によるたわみを含む）、これにより得られるＦＲＰ製Ｉ形梁の曲げ剛性は、９．３２×１０７　Ｎ・ｍ２　となった。これまで記載してきた本発明によるＦＲＰ製Ｉ形梁と比べて、コストは同等以下であったが、重量が大きい点で極めて不利であった。
【００６６】
図９に示すとおり、コストおよび鋼製梁に対する重量の関係に注目すると、本発明による、Ａｌｌ−Ｔ７００Ｓ　梁、Ａｌｌ−ＸＮ８０梁、Ｔ７００Ｓ／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ　梁、ＸＮ−８０／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ　梁、Ｔ７００Ｓ／ＸＮ−８０／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ　梁はいずれも、従来のＡｌｌ−ＧＦＲＰ梁および鋼製梁と比べて軽量であった。また本発明による、Ａｌｌ−Ｔ７００Ｓ　梁、Ａｌｌ−ＸＮ８０梁、Ｔ７００Ｓ／ＧＦＨｙｂｒｉｄ　梁、ＸＮ−８０／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ　梁、Ｔ７００Ｓ／ＸＮ−８０／ＧＦ　Ｈｙｂｒｉｄ　梁はいずれも、Ａｌｌ−ＧＦＲＰ梁と比べて低コストで成形することが可能であった。
【００６７】
比較例１
強化繊維を含む一方向プリプレグを積層して、横断面がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の寸法は実施例１と同様とした。強化繊維としてガラス繊維を使用した。図１０に示すように、Ｉ形梁のすべての部位にガラス繊維を含む一方向プリプレグを使用した。Ｉ形梁はハンドレイアップ法により成形し、マトリックス樹脂にはエポキシ樹脂を使用した。なお強化繊維の体積含有率は５０ｖｏｌ％であった。図１０（ａ）はフランジ部積層構成、図１０（ｂ）はウェブ部積層構成をそれぞれ示す。
【００６８】
表１に示すように、比較例１におけるＩ形梁は重量が大きく、また曲げ剛性が低いため、自重および等分布荷重の負荷により大きなたわみが発生した。また、実施例１と同様にＦＲＰ製Ｉ形梁の振動減衰特性を評価したところ、比較例１におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は振動減衰特性に関して実施例のＦＲＰ製Ｉ型梁に比べて劣っていた。
【００６９】
比較例２
強化繊維を含む一方向プリプレグと炭素繊維を含む一方向プリプレグを積層して、横断面がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の積層構成は、フランジ、ウェブともに　［＋４５／−４５／９０／０／０／０／０／９０／−４５／＋４５］　＝　［＋４５／−４５／９０／０／０］ｓの１０層構成とし、１層厚み１．２ｍｍ×１０層で部材厚み１２ｍｍを得た。強化繊維としてガラス繊維を、炭素繊維として東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）をそれぞれ使用した。図１１に示すように、フランジの０°層のみに炭素繊維Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）を含む一方向プリプレグを使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°層、−４５°層、９０°層およびウェブの全層にはすべてガラス繊維を含む一方向プリプレグを使用した。Ｉ形梁はハンドレイアップ法により成形し、マトリックス樹脂にはエポキシ樹脂を使用した。なお強化繊維と炭素繊維の体積含有率は５０ｖｏｌ％であった。図１１（ａ）はフランジ部積層構成、図１１（ｂ）はウェブ部積層構成をそれぞれ示す。
【００７０】
Ｉ形梁の寸法は、フランジ幅１００ｍｍ、梁高さ１００ｍｍ、長さ２０００ｍｍ、部材厚みはフランジ、ウェブともに１２ｍｍであった。なおウェブ高さは、７６ｍｍ（＝梁高さ−フランジ厚み×２）であった。
【００７１】
表１に示す通り、比較例２におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は、総たわみに関しては実施例１におけるＦＲＰ製Ｉ形梁と同程度であったが、重量が非常に大きく、成形に要する強化繊維および樹脂の量も多かった。また、実施例１と同様にＦＲＰ製Ｉ形梁の振動減衰特性を評価したところ、比較例２におけるＦＲＰ製Ｉ型梁は振動減衰特性に関して実施例のＦＲＰ製Ｉ型梁に比べて劣っていた。
【００７２】
比較例３
強化繊維を含む一方向プリプレグと炭素繊維を含む一方向プリプレグを積層して、横断面がＩ形のＦＲＰ製Ｉ形梁を成形した。ＦＲＰ製Ｉ形梁の積層構成は、フランジ、ウェブともに　［＋４５／−４５／９０／０／０／０／０／９０／−４５／＋４５］　＝　［＋４５／−４５／９０／０／０］ｓの１０層構成とし、１層厚み０．２ｍｍ×１０層で部材厚み２ｍｍを得た。強化繊維としてガラス繊維を、炭素繊維として東レ製Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）をそれぞれ使用した。図１２に示すように、フランジの０°層のみに炭素繊維Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ）を含む一方向プリプレグを使用し、他の部分、すなわちフランジの＋４５°層、−４５°層、９０°層およびウェブの全層にはすべてガラス繊維を含む一方向プリプレグを使用した。Ｉ形梁はハンドレイアップ法により成形し、マトリックス樹脂にはエポキシ樹脂を使用した。なお強化繊維と炭素繊維の体積含有率は５０ｖｏｌ％であった。図１２（ａ）はフランジ部積層構成、図１２（ｂ）はウェブ部積層構成をそれぞれ示す。
【００７３】
Ｉ形梁の寸法は、フランジ幅１００ｍｍ、梁高さ１００ｍｍ、長さ２０００ｍｍ、部材厚みはフランジ、ウェブともに２ｍｍであった。なおウェブ高さは、９６ｍｍ（＝梁高さ−フランジ厚み×２）であった。
【００７４】
表１に示す通り、比較例３におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は、重量に関しては実施例２と同程度であったが、曲げ剛性が低いため、自重および等分布荷重の負荷により非常に大きなたわみが発生した。また、実施例１と同様にＦＲＰ製Ｉ形梁の振動減衰特性を評価したところ、比較例３におけるＦＲＰ製Ｉ形梁は振動減衰特性に関して実施例のＦＲＰ製Ｉ形梁に比べて劣っていた。
【００７５】
実施例１〜４並びに比較例１〜３それぞれのＩ形梁の諸物性を表１にまとめて示す。
【００７６】
【表１】

【００７７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明は、軽量で高剛性、耐腐食性に優れるのは勿論のこと高い振動減衰特性を有しかつ製造コストが従来品よりも遥かに低いＦＲＰ製構造用部材を提供すことができる。本発明のＦＲＰ製構造用部材の製造コストは試算によると鋼製構造用部材と同等かそれよりも低いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｉ形横断面形状の部材の横断面である。
【図２】Ｈ形、Ｃ形およびＬ形それぞれの横断面形状の部材の横断面である。
【図３】Ｉ形、Ｈ形、Ｃ形およびＬ形それぞれの横断面形状の部材の横断面である。
【図４】片持ち梁式振動減衰特性測定方法の概略図である。
【図５】自由振動波形の図である。
【図６】実施例１および実施例２における一方向プリプレグの積層構成を示す図である。
【図７】実施例３における一方向プリプレグの積層構成を示す図である。
【図８】実施例４における一方向プリプレグの積層構成を示す図である。
【図９】Ｉ形梁の種類別製造コスト比較図である。
【図１０】比較例１における一方向プリプレグの積層構成を示す図である。
【図１１】比較例２における一方向プリプレグの積層構成を示す図である。
【図１２】比較例３における一方向プリプレグの積層構成を示す図である。
【符号の説明】１：フランジ部分、２：ウェブ部分、３：中立面、４：片端固定装置、５：ひずみゲージ、６：ブリッジボックス、７：増幅器、８：一方向ＦＲＰ試験片、９：コンピュータ、１０：＋４５°に配向したガラス繊維一方向プリプレグ、１１：−４５°に配向したガラス繊維一方向プリプレグ、１２：９０°に配向したガラス繊維一方向プリプレグ、１３：０°に配向した炭素繊維Ｔ７００Ｓ一方向プリプレグ、１４：０°に配向した炭素繊維ＸＮ−８０一方向プリプレグ、１５：０°に配向したガラス繊維一方向プリプレグ、１６：＋４５°に配向した炭素繊維ＸＮ−８０一方向プリプレグ、１７：−４５°に配向した炭素繊維ＸＮ−８０一方向プリプレグ。

Claims

強化繊維を含むＦＲＰ製構造用部材が、引張弾性率４００〜８５０ＧＰａの炭素繊維（ａ）を含みかつ、該炭素繊維（ａ）の配向方向が前記部材の長手方向に平行になるように配置されていることを特徴とするＦＲＰ製構造用部材。
前記ＦＲＰ製構造用部材が、更に引張弾性率２００〜４００ＧＰａ未満の炭素繊維（ｂ）を含みかつ、該炭素繊維（ｂ）の配向方向が前記部材の長手方向に平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ製構造用部材。
前記炭素繊維（ａ）が、部材表面から部材横断面における中立面に向かって部材表面−中立面間の距離の５０％以下の範囲に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰ製構造用部材。
前記炭素繊維（ｂ）が、部材表面から部材横断面における中立面に向かって部材表面−中立面間の距離の５０％以下の範囲に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載のＦＲＰ製構造用部材。
前記ＦＲＰ製構造用部材が、更に引張弾性率２００〜８５０ＧＰａの炭素繊維（ｃ）を含み、該炭素繊維（ｃ）の配向方向が前記部材の長手方向に対して±４５度になりかつ部材横断面における中立面に垂直な部位に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のＦＲＰ製構造用部材。
前記炭素繊維（ａ）〜（ｃ）の総使用量が、ＦＲＰ製構造用部材に使用される強化繊維と炭素繊維の総使用量基準で５〜２５質量％であることを特徴とする請求項５に記載のＦＲＰ製構造用部材。