2. JIS K 7019準拠の試験によるせん断特性の評価 2.1

GFRP 溝形材のせん断特性と評価方法に関する実験的検討

東京都 正会員 飯田卓弥 首都大学東京大学院 学生員 石井佑弥 首都大学東京 正会員 中村一史 高速道路総合技術研究所 正会員 古谷嘉康 前田工繊 正会員 中井裕司 日本

FRP

正会員 西田雅之

1.

はじめに

FRPは，軽量性，耐腐食性などの特長を活かして，近年，土

木構造物への適用がすすめられている．しかしながら，適用実 績が少ないことなどもあり，その材料特性は，評価方法を含め て十分な知見が得られているとはいえない．本研究では，引抜 成形されたGFRP溝形材（C75，C100：一方向材）のせん断特 性と評価方法を実験的に検討することを目的として，種々のク ーポン試験と部材の曲げ載荷実験を実施した．

2. JIS K 7019準拠の試験によるせん断特性の評価 2.1

試験方法

本試験では，試験片の形状が試験結果に与える影響を考慮 し，溝形材のウェブの

45°

方向から，図

-1

に示す寸法で

2

種類 の試験片を製作した．つかみ部には，1mmのアルミタブを貼 り付けた．試験条件は，

C75

,

C100

で同一とし，荷重，変位，

ひずみは，データロガー（静ひずみ測定器）により計測した．

ひずみの計測は，試験片中央において表裏に

2

軸ゲージ（ゲ ージ長 3mm）を±90°方向に設置した．本試験では，変位制御

（

1.0mm/min

）で引張載荷した．写真

-1 (a)

に，試験

A

，

B

の セットアップの状況を示す．試験

A

，

B

における評定部長さ は，一部異なるものの，試験方法や治具などは同一である．

2.2

試験結果と考察

図-4 に示す

τ-γ

関係からは，非線形挙動となり，試験片の ばらつきが大きいことがわかる．これは，採取した試験片の 寸法が小さく，連続繊維が切断されていることによるものと 考えられる．また，表

-2

より，

C100

の試験

A

では，結果のば らつきが小さいことがわかる．これは，採取した試験片の寸 法が大きいことによると考えられた．一方，

C75

では，試験 結果のばらつきが大きかった．さらに，試験

B

の結果から，

一方向材では，破壊箇所を限定するような形状に試験片を工 夫しても，試験結果の精度は向上しないことがわかった．

3. ASTM D 5379

準拠の試験によるせん断特性の評価

3.1

試験方法

試験片は，溝形材のウェブから

0°方向に図-2，図-3

に示す ような採取位置，寸法で製作した．写真

-1 (b)

に，セットアッ プを示す．この試験は，試験片の中央にせん断力が作用する ような治具であり，変位制御で圧縮載荷した．荷重，変位，

ひずみの計測方法や試験装置，載荷速度は，

2.と同一とし，ひ

ずみの計測では，試験片中央において表裏に

2

軸ゲージ（ゲ ージ長

3mm

）を

±45°

方向に設置した．

表-1 実施したクーポン試験と試験区分 試験区分 準拠した規格 試験片の形状

A JIS K 7019 矩形 B JIS K 7019 ダンベル型 C ASTM D 5379 矩形(ノッチあり)

(a) 試験A(C75) (b) 試験B(C75)

(c) 試験A(C100) (d) 試験B(C100) 図-1

JIS K 7019

準拠の試験片図

図-2

ASTM D 5379

準拠の試験片図

(a) C75 (b) C100 図-3

ASTM D 5379

準拠の採取位置

(a) JIS K 7019 (b) ASTM D 5379 写真-1 クーポン試験のセットアップ状況 表-

2 JIS K 7019

準拠のクーポン試験結果

せん断弾性係数Gxy(GPa) せん断強度τu(MPa)

No. ave. c.v ave. c.v

C75-45TA 3.17 0.081 26.9 0.109 C75-45TB 3.19 0.132 23.0 0.046 C100-45TA 2.82 0.046 25.0 0.047 C100-45TB 2.93 0.100 25.9 0.099

0 5 10 15 20 25 30 35

0 5000 10000 15000 20000 25000

面内せん断応力τ (MPa)

面内せん断ひずみγ (×10^-6) C75-45TA C75-45TB 弾性係数の評価範囲

0 5 10 15 20 25 30 35

0 5000 10000 15000 20000 25000

面内せん断応力τ (MPa)

面内せん断ひずみγ (×10^-6) C100-45TA C100-45TB 弾性係数の評価範囲

(a) C75 (b) C100 図-4

JIS K 7019

準拠のτ-γ関係

Key Words：GFRP

溝形材，一方向材，せん断強度，せん断弾性係数

連絡先^＊：〒192-0397 東京都八王子市南大沢

1-1 TEL.042-677-1111 内線 4564

土木学会第71回年次学術講演会(平成28年9月)

‑1‑

CS3‑001

3.2

試験結果と考察

表

-3

より，せん断弾性係数の平均値の変動係数は，

C75

では約

8%，C100

では約

11%であった．これは，図-5

に 示すように各採取位置においてせん断特性が異なる値と なったためである．また，図-6の

τ

-

γ

関係より，明確な 破壊が見られないため，せん断強度は

0.2%オフセット強

度により評価した．その結果，せん断強度の平均値は約

39MPa，変動係数は約 6～8%となった．写真は略したが，

破壊形態はせん断力の方向に沿った破壊であった．

4. 溝形材の 3

点曲げ載荷試験によるせん断耐力の評価

4.1

試験方法

試験体は溝形材の断面形状の都合上，二つの溝形材を 背合わせに固定したものとする(図

-7

)．支持条件は，単 純支持とし，変位制御（1.0mm/min）で載荷した．

4.2

試験結果と考察

試験結果を表-4，

τ

-

γ

関係を図-8に示す．弾性係数の評 価範囲において概ね線形な挙動を示した．C75 では，破 壊箇所は，写真

-2

に示すように，せん断支間での繊維配 向に沿った破壊となった．

C100

では，載荷点の破壊が先 行した．また，

C75

について，クーポン試験の結果と比 較すると，

JIS K 7019

の結果は，

3

点曲げ試験の結果より も小さく評価された．これは，一方向に配向された繊維

を

45°方向に切り出して引張載荷するため，破壊形式も

異なり，強度が小さくなったと考えられた．一方，

ASTM D 5379

の結果は，

3

点曲げ試験の結果と概ね一致した．

これは，試験力の方向が

ASTM

準拠の治具では，3点曲 げ試験に近い形式であり，せん断力の作用が再現されて いることによると考えられる．なお，C100 については，

せん断弾性係数では，

C75

と同様の傾向がみられたが，

せん断強度は，やや低い値となった．これは，前述した 載荷点での破壊が影響したためであると考えられる．

5.

まとめ

これらの試験結果より，一方向材の

GFRP

溝形材のせ ん断特性について，以下の知見が得られた．

JIS

に準拠した試験では，試験片の

45°方向の切断縁が

破壊の起点となり，せん断強度が低くなることがわかっ た．したがって，試験片は部材からできるだけ大きな寸 法で採取すれば，試験結果のばらつきを抑えることがで きると考えられた．一方，ASTM に準拠した試験では，

試験片，治具の形状から曲げに伴うせん断力の作用が再 現できているため，3 点曲げ載荷試験によるせん断試験 と近い結果となったと考えられた．以上のことから，一 方向材の

GFRP

溝形材のせん断特性は，ASTMに準拠し た試験により，評価することができるといえた．

参考文献

1)

JIS K 7019

：繊維強化プラスチック―±45°引張試験による面内せん断特性の求め方，

1999.

2)

ASTM D5379 / D5379M – 12：Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method, 2012.

表

-3 ASTM D 5379

準拠のクーポン試験結果 せん断弾性係数

Gxy（GPa）

0.2%オフセット せん断強度τu（MPa）

No. ave. c.v. ave. c.v.

C75 3.99 0.080 38.6 0.058 C100 4.11 0.113 38.5 0.076

0 1 2 3 4 5

せん断弾性係数（GPa)）

採取位置別の結果 最大値 平均値+標準偏差 平均値 平均値-標準偏差 最小値

C100 C75

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

せん断強度（MPa）

採取位置別の結果 最大値 平均値+標準偏差 平均値 平均値-標準偏差 最小値

C100 C75

(a) せん断弾性係数Gxy (b) せん断強度u

図-5

ASTM D 5379

準拠の採取位置別での試験結果

0 10 20 30 40 50 60 70

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

面内せん断応力τ (MPa)

面内せん断ひずみγ (×10^-6) C75 0.2%オフセット線

弾性係数の評価範囲(1500-5500με)

図

-6 ASTM D 5379

準拠の τ-γ 関係

図-7

C75

における

3

点曲げ載荷試験の試験体図 表

-4 3

点曲げ載荷試験結果

(a) C75

No. τu(MPa) Gxy(GPa) Pmax(kN) C75-SP1 41.5 3.62 47.6 C75-SP2 42.1 4.08 48.3 C75-SP3 40.8 3.22 46.8

Ave. 41.5 3.64 47.5

(b) C100

No. τu(MPa) Gxy(GPa) Pmax(kN) C100-SP1 34.5 3.55 54.5 C100-SP2 32.3 4.62 51.1 C100-SP3 28.8 3.72 45.6

Ave. 31.9 3.96 50.4

0 10 20 30 40 50

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

せん断応力τ（MPa）

せん断ひずみγ（×10^-6） C75-SP C100-SP

弾性係数の評価範囲(1500-5500με)

図

-8 3

点曲げ載荷試験のτ

-

γ関係

(a) C75 (b) C100 写真

-2 3

点曲げ載荷試験の破壊の状況 土木学会第71回年次学術講演会(平成28年9月)

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