要点
- 結論から言うと: 一方向引張を受ける平らな底面やスラブにはプレートを、巻付け・曲面・せん断や拘束が関わる箇所にはファブリックを使う—ファブリックは形状に追従できるが、プレートはできないためだ。
- 比較すべきは強度ではなく剛性: 両者は試験基準が異なるため、単純なMPa値の比較は誤解を招く。剛性で見ると、おおよそファブリック3プライでプレート1枚分に相当する(ACI 440.2R’s自身によるワークド・エグザンプル)。
- 品質管理(QC)も異なる: 現場硬化型のファブリックは必須現場試験仕様ACI SPEC-440.12-22の対象となるが、工場引抜成形のプレートは対象外である。
表面が平らで荷重が一方向にかかる場合は炭素繊維プレートを、柱を巻く場合、曲面に沿わせる場合、あるいはせん断耐力を追加したい場合はファブリックを選ぶ。どちらも同じ炭素繊維、同じ設計コードを使用する—違いは、プレートが工場製の剛性ラミネートであるのに対し、ファブリックは現場でプライごとに樹脂を含浸させる点にある。本ガイドはこのトレードオフを定量化し、すべての数値をACI 440.2RまたはFidStrong’sの試験済み製品データに基づいて示す。
プレートかファブリックか—早わかりの答えは?
材料は部材の形状に合わせて選ぶ。プレート(FidStrong FSL)は繊維含有率約65%、密度1.6 g/cm³の引抜成形・事前硬化ラミネートで、ペースト状接着剤で平らに接着する—少ない層数と工場での一貫した品質管理により高い一方向荷重が求められる直線的な梁・スラブの底面に適した効率的な選択肢である。ファブリック(FidStrong FSC)は現場で樹脂を含浸させるドライ織物であり、コーナーや曲面に追従できる—せん断用Uラップや柱の拘束においては唯一の選択肢となる。
| 特性 | CFRPプレート(FSL) | CFRPファブリック(FSC) |
|---|---|---|
| 形態 | 工場引抜成形ラミネート | ドライ織物、現場湿式積層 |
| 弾性係数 | 165 GPa(ラミネート基準) | 240 GPa(正味繊維基準) |
| 引張強度 | 2,800–3,400 MPa(ラミネート) | 4,500 MPa(正味繊維、グレードA) |
| 厚さ | 1.2 / 1.4 / 3.0 mm | 0.11–0.33 mm(1プライあたり) |
| 曲面への追従性 | 不可—平面のみ | 可—コーナーを巻ける(R ≥ 20 mm) |
| 現場品質管理仕様 | 工場設定 | ACI SPEC-440.12-22(プルオフ試験、witnessパネル) |
FSL / FSCの数値:FidStrong製品データ(ASTM D3039)。試験基準が異なる点に注意—詳細は以下参照。
実際にはどちらが強いのか?
これは問いの立て方自体が誤っている。両者は異なる基準で試験されているためだ。ファブリックの強度は正味繊維断面積を基準に報告され(グレードA:平均4,500 MPa、240 GPa)、プレートの強度は硬化後のラミネート全体を基準に報告される(2,800–3,400 MPa、165 GPa)—したがって単純なMPa値同士は比較できない。ACI 440.2Rは、どちらの基準でも単位幅あたりの力は同じになるとしており、その独自の実例は、正しい比較基準は強度ではなく等剛性であると結論づけている。
この基準で見ると数値は具体的だ:FSL14プレート1枚は単位幅あたり軸方向剛性で約231 MN/mを発揮するのに対し、重量級のFSC600Aファブリック1プライでは約78 MN/mにとどまる—つまりプレート1枚分に相当させるにはファブリックが約3プライ必要になる。これが、荷重の大きい平らな底面ではプレートの方が一般に効率的である理由だ:層数が少なく、施工の手間も少なく、繊維の配向は工場段階で一貫している。
プレートが有利になるのはどんな場合か?
プレートが有利なのは、表面が平らで引張が一方向にかかる場合—すなわち梁・スラブ底面の典型的な曲げ補強のケースだ。プレートは1枚で大きな力を発揮できるため、要求の厳しい案件でも層数を減らせる:最も重いグレードであるFSL30(3.0 mm)は、単位幅あたり特性耐力で約8,100 kN/mに達する。繊維の配向と体積含有率は引抜成形により工場段階で固定されるため、現場での樹脂含浸なしに再現性の高い品質が得られる。プレートは所定の長さに切断し、2液性チキソトロピックペースト状接着剤で管理された2–4 mmの接着層厚に接着し、ローラーで押し付けて余剰樹脂を押し出す。
ファブリックが有利になるのはどんな場合か?
ファブリックが有利なのは、形状が平らでない場合すべてだ。硬化前は柔軟なため、柱の周囲を円周方向に巻き付けてコア部を拘束し—軸方向強度と延性を高め—三方向のUラップに折り込んでせん断耐力を追加することもできる。これらはいずれも剛性のあるプレートにはできないことだ。矩形コーナーは、繊維がキンクしないよう、巻付け前に半径20 mm以上に丸める必要がある。ファブリックはまた、アクセスが制約される狭隘箇所や多方向の要求にも適しており、薄いプライを異なる配向で重ねることができる。湿式積層の施工方法については炭素繊維ファブリックの施工方法を、実際の拘束事例については炭素繊維による耐震補強を参照のこと。
両者で必要な品質管理は異なるのか?
異なる—そして、これは発注者側が見落としがちな非対称性だ。ファブリックは現場で硬化するため、必須の施工仕様ACI SPEC-440.12-22の対象となり、1日あたり1,000 ft²につき少なくとも3回のプルオフ試験(> 1.4 MPa / 200 psi、基材内破壊)、±5°の繊維配向許容差、そして5,000 ft²ごとのwitnessパネル引張試験が求められる。プレートは対象外だ:繊維体積率65%と配向は工場での引抜成形時に固定されるため、これらの現場試験は適用されない。ただし両者とも、健全な基材—プルオフ強度 ≥ 1.4–1.5 MPa—を必要とし、使用温度の上限はいずれもTg − 15 °C(Tgは概ね60–82 °C)である。
両者を併用できるか?
多くの場合、可能だ—そしてこれは妥協策ではなく、推奨される納まりである。一般的な設計では、耐力確保のため曲げ引張面に沿ってプレートを接着し、その端部を定着域の剥離を抑えるためにファブリックのストリップやUラップで固定する。FDOTの定着に関する研究では、この“FRP strip/sheet”方式が最上位の推奨方法とされている—特定メーカーに依存せず、最も非破壊的で、試験した中で最も文書化が充実した定着方法だからだ。
よくある質問
炭素繊維プレートとファブリック、どちらが強いのか?
両者は異なる基準で試験されているため、単純なMPa値の比較は公正ではない:FSCファブリックは正味繊維基準で4,500 MPa / 240 GPa、FSLプレートは硬化ラミネート基準で2,800–3,400 MPa / 165 GPaと報告される。ACI 440.2R’s実例が示すとおり、正しい比較対象は強度ではなく等剛性であり—プレート1枚分に相当させるにはおおよそファブリック3プライを要した。
炭素繊維ファブリックは柱に巻き付けられるか?
できる—それがファブリックの中核的な拘束機能である。硬化前は柔軟なFSCファブリックは円周方向に巻き付けてコンクリートコアを拘束し、軸方向強度と延性を高める(ACI 440.2R 第12章)。剛性のあるFSLプレートはこの形状に追従できず、矩形コーナーは巻付け前に半径20 mm以上に丸める必要がある。
施工が速いのはどちらか?
プレートは現場での工程が少ない—所定長さに切断し、ペースト状接着剤を塗布し、押し付けてローラーがけする—だけで、現場での樹脂含浸は不要である。ファブリックはプライマー処理、各プライのウェット・オン・ウェット含浸、そしてACI SPEC-440.12-22の現場品質管理への適合が必要となる。出典データには所要時間の数値的な基準は存在しない;これは工程の比較であり、ストップウォッチによる比較ではない。
ファブリックはプレートより多くの品質管理が必要か?
必要である。現場で硬化するため、ACI SPEC-440.12-22により、1日あたり1,000 ft²につき少なくとも3回のプルオフ試験(> 200 psi、基材モード破壊)、±5°の繊維配向許容差、そして5,000 ft²ごとのwitnessパネル引張試験が義務付けられている。プレート’sの繊維体積率と配向は工場段階で固定されているため、これらはいずれも適用されない。
両者に共通する設計コードはあるか?
ある。ACI 440.2Rは、事前硬化ラミネートと湿式積層ファブリックを単一の枠組みの下で2種類のシステムタイプとして扱い、同一のψf係数(曲げ0.85;せん断フルラップ0.95、Uラップ0.85)と同一の炭素の環境係数(屋内0.95、屋外0.85)を用いる。ファブリックはさらに、別途の必須施工仕様であるACI SPEC-440.12-22の対象にもなる。
プレートとファブリックは同一案件で併用できるか?
できる。そしてよく行われている:曲げ引張面に沿ってプレートを接着し、その端部を定着域の剥離を抑えるためにファブリックのストリップやUラップで固定する。FDOTの定着に関する研究では、この併用による“FRP strip/sheet”方式が、特定メーカーに依存せず最も非破壊的であるとして最上位の推奨方法とされている。
このテーマが初めての方は、まずCFRP補強とは何かから読み、接着樹脂の役割については当社の構造用エポキシ接着剤ガイドを参照されたい。
FidStrongは、ASTM D3039に基づき試験されたFSL炭素繊維プレートおよびFSC炭素繊維ファブリックを、ISO 9001、14001、45001の品質マネジメントシステムの下で製造しており、対応するプレート用接着剤および含浸用エポキシも取り扱う。本記事の設計数値はACI 440.2Rおよび製品データシートに基づく;プロジェクト固有の数値は適用される規準に照らして確認すること。