JP2005171702A - 既設構造物の制震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造により確実に制震性能を向上させることができる構造物の制震構造を提供することを目的とする。
【解決手段】 地表面Ｇａから所定深さに至る範囲に構築された地下構築部分１１を有する季節構造物１０と、前記地下構築部分１１の周囲の地盤を地盤改良して形成された改良地盤２０と、から制震構造Ｋを構成する。前記改良地盤２０は、前記地下構築部分１１と一体化させるとともに、前記改良地盤２０の下端部（２１ａ）は、前記下端部以外の部分（２１ｂ）よりも低強度に形成する
【選択図】 図１

Description

本発明は、制震（制振）性能に優れた各種既設構造物の制震構造に関する。

近年、土木建築の各種構造物に関し、安全性、品質或いはライフサイクルコスト等の観点からその構造性能を高めるために、種々の制震構造が提案されている。
このような耐震構造９０としては、図４に示すように、本体躯体９１の基礎９２の直下を地盤改良９４し、当該本体躯体９１の周辺に剛基礎構造９５を設け、前記本体躯体９１と剛基礎構造９５の間をダンパ９６で接合するとともに、本体躯体９１の所定位置に振動制御装置９７，９８を設置した技術が提案されている（特許文献１）。
特開平７−５４３５７号公報（［０００６］、第１図）

従来の耐震構造９０において、地盤改良（改良地盤）９４自体は、専ら地盤の支持力を増強するために用いられており、地盤改良９４のみでは構造物の振動を低減させることはできなかった。そのため、前記耐震構造９０は、構造物の揺れを吸収するためのダンパ９６及び反力を取るための剛基礎構造９５、アンカー９９などが必要となり、構造が複雑になるという問題があった。また、構造が複雑になることから、施工費や材料費等の建設コストの増大を招いていた。
また、構造物の直下の地盤を改良することは困難であることから、既設構造物の耐震補強においては、構造物の直下の地盤を改良せずに制震性能を向上させることができる制震構造が望まれていた。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、簡易な構造により確実に制震性能を向上させることができる既設構造物の制震構造を提供することを目的とする。

本発明に係る既設構造物の制震構造は、地表面から所定深さに至る範囲に構築された地下構築部分を有する既設構造物と、前記地下構築部分の周囲の地盤を地盤改良して形成された改良地盤と、からなり、前記改良地盤は、前記地下構築部分と一体化されているとともに、前記改良地盤の下端部は、前記下端部以外の部分よりも低強度に形成されていることを特徴とする（請求項１）。

かかる制震構造によれば、既設構造物の地下構築部分の周囲の地盤を地盤改良して形成された改良地盤の下端部は、下端部以外の部分よりも低強度に形成されていることから、地震が発生した場合には、改良地盤の下端部が、下端部以外の部分よりも先に破壊されて、改良地盤とその下部の原地盤（支持地盤）との縁が切れる。

改良地盤とその下部の原地盤との縁が切れると、改良地盤の下部の原地盤から改良地盤に伝わる地震エネルギーは減少する。また、改良地盤は、既設構造物の地下構築部分と一体化されていることから、原地盤から既設構造物の地下構築部分に伝わってくる地震エネルギーによって既設構造物の地下構築部分と一体的に振動する。そのため、構造物の重量が増加したのと等しい効果が得られる。

一般に、構造物の固有周期は、構造物の重量に比例して長期化する。また、構造物は、構造物の固有周期と原地盤（支持地盤）の卓越周期が一致するときに、最も壊れ易い。したがって、本発明により既設構造物の固有周期を長期化させて、既設構造物の固有周期と原地盤の卓越周期を離すことにより、既設構造物の制震性能を向上させることができる。

ここで、既設構造物の地下構築部分の周囲の地盤が、Ｎ値０〜１程度の軟弱な粘性土である場合に、本発明に係る制震構造を適用するのが好適である。

また、地盤改良は、噴射撹拌工法により行うのが好適である。噴射撹拌工法によれば、既設構造物の地下構築部分にほとんど影響を与えずに、既設構造物の地下構築部分の外周壁の近傍に柱状改良体（改良地盤）を構築することができる。

また、改良地盤は、セメント系固化剤を地盤に混入することによって形成されるのが好適である。かかるセメント系固化剤の混入量を調節することにより、改良地盤の強度を容易に調節することができる。また、セメント系固化剤の付着力によって既設構造物の地下構築部分（の外周壁）と柱状改良体とを一体化することができる。

また、改良地盤の下端部以外の部分の強度は、１５ｋｇ／ｃｍ²〜３０ｋｇ／ｃｍ²程度になるように改良するのが好適である。そして、改良地盤の下端部の強度は、０．５ｋｇ／ｃｍ²〜３．０ｋｇ／ｃｍ²程度（下端部以外の部分の強度の１／１０〜１／３０程度）となるように改良するのが好適である。

また、改良地盤全体の重量が、既設構造物の重量の２０％〜１００％程度の重量となるように改良範囲を定めるのが好適である。

また、本発明に係る既設構造物の制震構造は、前記改良地盤の周囲に、地下水の溜まった溝部を備えることが好適である（請求項２）。

かかる既設構造物の制震構造によれば、改良地盤の周囲に、地下水の溜まった溝部を備えることから、改良地盤の側方から地震エネルギーが伝播してくることを防止することができる。そのため、既設構造物の固有周期を一層長期化することができる。
なお、周辺地盤の地下水位が高い（地表面に近い）場合には、改良地盤の周囲を掘削して溝部を形成すると、当該溝部に地下水が湧出するので、かかる地下水を溝部に溜めて利用することができる。

また、本発明に係る既設構造物の制震構造は、前記改良地盤の外側縁部と原地盤との間に、当該原地盤と比較して低強度材料又は高減衰材料が介設されていることが好適である。

かかる既設構造物の制震構造によれば、前記改良地盤の外側縁部と原地盤との間に、当該原地盤と比較して低強度材料又は高減衰材料が介設されていることから、地表面付近の原地盤から改良地盤の外側縁部に伝わろうとする地震エネルギー（地震動）が、低強度材料や高減衰材料によって吸収、又は減衰されるため、改良地盤に伝播し難くなる。そのため、既設構造物の固有周期を一層長期化することができる。

ここで、前記地盤改良領域の外側縁部と前記原地盤との間に介設されている低強度材料又は高減衰材料は、原地盤と地盤改良領域との間に、緩衝領域を形成するために設けるものであり、発泡性樹脂材料（発泡ウレタン等）が好適である。
なお、場合によっては、特別な材料を混合せずに、原地盤の撹拌のみを行い当該原地盤を乱すことにより、原地盤を用いて低強度材料を介設する構造としてもよい。かかる構造によれば、地盤改良をするのみで、既設構造物に制震作用を付与することができる。

また、本発明は、地表面よりも上部に構築された前記既設構造物の地上構築部分に、制震装置が設置されていることが好適である。かかる構造によれば、改良地盤によって地下構築部分の地震応答を低減し、制震装置によって地上構築部分の地震応答を低減することができるため、両者を組み合わせることで大きな制震効果を既設構造物に持たせることができる。

また、制震装置は、制震作用を奏することができる構造となっているものであれば、制震装置の構造、施工箇所等について制限はなく、制震間柱や各種のダンパ等を用いることができる。

本発明によれば、既設構造物の地下構築部分の周囲の地盤を地盤改良して、当該改良地盤と既設構造物の地下構築部分とを一体化するとともに、改良地盤と改良地盤の下部の原地盤との縁を切る（地震時に切れる）ことにより、既設構造物の固有周期を長期化させて、既設構造物の固有周期と原地盤の卓越周期を離間させて、既設構造物の制震性能を向上させることができることから、地盤と既設構造物との間で地震エネルギーを吸収或いは減衰させるダンパなどの特別な装置を設ける必要がない。そのため、地盤改良のみの簡易な構造によって既設構造物の制震性能を向上させることができる。

また、改良地盤の周囲に、地下水の溜まった溝部を備えることにより、改良地盤の周囲の地盤から改良地盤を介して既設構造物に地震エネルギーが伝播することがなくなるため、既設構造物の制震性能を向上させることができる。

また、改良地盤の外側縁部と原地盤との間に、当該原地盤と比較して低強度材料又は高減衰材料を介設することにより、既設構造物の固有周期を一層長期化することができることから、既設構造物の制震性能を一層向上させることができる。また、地表面付近での地震動の影響を低減することができる。

また、地表面よりも上部に構築された前記既設構造物の地上構築部分に、制震装置を設置することにより、大きな制震効果を既設構造物に持たせることができることから、既設構造物の制震性能を一層向上させることができる。

本発明を実施するための最良の一形態（以下「実施形態」という」について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、第１実施形態に係る制震構造Ｋは、既設構造物１０と、この既設構造物１０の内部に設置された制震間柱１５と、既設構造物１０の周囲に構築された改良地盤２０と、を備えている。原地盤Ｇの地表面付近は、支持力の弱い軟弱層Ｗであり、その下部に支持力の強い支持層Ｓが存在する。

既設構造物１０は、略正方形形状断面（平面視）の鉄筋コンクリート構造であり、原地盤Ｇの支持層Ｓ上に直接基礎形式で構築されている。既設構造物１０は、支持層Ｓの上端Ｓａから地表面Ｇａに至る範囲に構築されている地下構築部分１１と、地表面Ｇａよりも上に構築されている地上構築部分１２とからなる。また、地上構築部分１２の架構内の所定位置には、複数の制震間柱１５が設置されており、制震作用を奏するようになっている。

図２（ａ）に示すように、制震間柱１５は、地震時に発生する既設構造物１０（地上構築部分１２）の水平振動を吸収して低減するパッシブ型の制震部材であり、上下の梁部材１３，１３’にそれぞれ剛接合されている上部間柱１６及び下部間柱１７と、当該上部間柱１６及び下部間柱１７の間の中間間柱１８から形成されている。
上部間柱１６及び下部間柱１７は、一般鋼材を材料としたＨ形鋼である。また、中間間柱１８は、純鉄に近い成分を有する極軟鋼（極低降伏点鋼）を材料としたＨ形鋼であり、上部間柱１６及び下部間柱１７と比較して、降伏点が低く、変形性能に富んだ性質を有している。そして、中間間柱１８は、上部間柱１６及び下部間柱１７に対してボルト接合されている。

このような構造により、前記制震間柱１５は、極軟鋼の降伏による履歴減衰を付与する中間間柱１８のエネルギー吸収能力を利用して、既設構造物１０の振動を吸収できるようになっている。すなわち、既設構造物１０の柱や梁が弾性域内で変形する程度の振動が既設構造物１０に入力された場合、柱や梁は地震エネルギーをほとんど消費しないが、図２（ｂ）に示すように、中間間柱１８が塑性変形することにより、地震エネルギーが履歴エネルギーとして消費される。そのため、地震による既設構造物１０の振動が早めに低減される。また、柱や梁が大きく塑性変形するような地震の場合にも、中間間柱１８が先に塑性変形し、地震エネルギーを吸収する。

改良地盤２０は、既設構造物１０の地下構築部分１１の周囲の軟弱地盤（軟弱層Ｗ）を地盤改良して形成されており、地下構築部分１１の外周壁１１ａと一体的に接合されている。この改良地盤２０は、地表面Ｇａから地下構築部分１１の下端よりも深い位置に至るとともに、当該地下構築部分１１の総てを囲繞するように口字形状（平面視）に設けられている。

この改良地盤２０は、原地盤Ｇ（軟弱層Ｗ）の土壌と固化剤（例えば、セメント系固化剤）を撹拌混合することにより形成された複数の柱状体２１から形成されている。この柱状体２１は、隣接する各柱状体２１との間に隙間が生じないように互いに接するように形成されている。これにより、改良地盤２０自体を一体化することができる。また、前記柱状体２１の先端部は、強度が小さい固化剤を使用した低強度改良部２１ａ、それ以外の部分は、前記先端部（低強度改良部２１ａ）と比較して強度が大きい固化剤を使用した高強度改良部２１ｂとなっている。

なお、改良地盤２０の範囲や、制震間柱１５の設置箇所等は、対象とする既設構造物１０に対する応答解析の結果と、原地盤Ｇや周辺領域の状況を基に決定されることになる。

ここで、地盤改良方法等について簡単に説明する。
改良地盤２０は、通常の地盤改良工法を使用して構築することができる、例えば、地盤改良の深度が比較的浅い（２ｍ〜５ｍ程度）場合には表層改良工法を用いることができ、地盤改良の深度が深い場合（５ｍ以上）には深層混合処理工法を用いることができる。また、高圧噴射撹拌工法を利用することもできる。

なお、既設構造物１０の地下構築部分１１に悪影響を与えないように、地下構築部分１１の近傍の地盤を改良するには、原地盤Ｇの内部に固化剤を高圧で噴射して柱状体２１を構築する高圧噴射撹拌工法を用いるのが望ましい。また、その他の工法としては、地下構築部分１１から所定間隔はなれた位置から地盤を表層改良工法や深層混合処理工法により地盤改良し、地盤改良が行われていない部分を掘削し、当該部分に固化剤（或いは、掘削土と固化剤を混合したもの）を充填する方法を用いることもできる。
なお、高圧噴射撹拌工法によれば、セメント系固化剤の付着力により、地下構築部分１１の外周壁１１ａに柱状体２１を固着させて一体化することができるため、外周壁１１ａと柱状体２１との間に何らかの接着剤等を注入等する必要がない。

本発明によれば、既設構造物１０の地下構築部分１１が改良地盤２０と一体化していることから、地震動が作用した場合であっても、液状化現象による当該既設構造物１０の浮き上がり変形が防止されるとともに、改良地盤２０が既設構造物１０に対する減衰要素となることから、当該既設構造物１０の固有振動周期を長周期化させて、地震動の影響を低減させることができる。また、既設構造物１０（地上構築部分１２）自体にも制震作用を奏するように制震間柱１５が設けられていることから、地震動を効果的に低減することができる。

＜第２実施形態＞
つづいて、第２実施形態について、図３を参照して説明する。参照する図面において、第１の実施形態と同一の部材には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。

図３は、第２実施形態に係る制震構造を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。
第２実施形態に係る制震構造Ｋ’は、既設構造物１０と、この既設構造物１０の内部に設置された制震間柱１５と、既設構造物１０の周囲に構築された改良地盤２０と、この改良地盤２０の周囲を掘削して構築された溝部３０と、この溝部３０に溜められた地下水Ｍと、から構成される。すなわち、第２実施形態に係る制震構造Ｋ’は、改良地盤２０の外周部に溝部３０が構築され、当該溝部３０に地下水Ｍが溜められている点が、第１実施形態に係る制震構造Ｋと異なっている。
なお、溝部３０の外周部の地盤が軟弱な場合には、溝部３０が崩れないように、改良地盤５０を構築するとよい。

溝部３０は、クラムシェル等の掘削用重機で原地盤Ｇを掘削することにより構築する。なお、改良地盤２０から適当な間隔を空けて改良地盤５０を構築し、その間を掘削するようにすると、溝が崩壊することがない。

原地盤Ｇの地下水位が地表面Ｇａ近くにある場合は、溝部３０を構築すると、当該溝部３０の底を通って、当該地下水位と同じ位置まで地下水Ｍが自然に上がってくる。したがって、かかる場合には、溝部３０に地下水Ｍを注入する設備を特に備えなくても、溝部３０に地下水Ｍを溜めることができる。

このように、改良地盤２０の周囲に溝部３０を設けて地下水を溜めるようにすれば、改良地盤２０の周囲の地盤から改良地盤２０に伝わる地震エネルギーが少なくなり、制震効果を一層高めることができる。

以上、本発明について、好適な実施形態の一例を説明した。しかし、本発明は、前記実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能である。特に、既設構造物１０は、種々の土木、建築建造物に適用可能であり、その形状及び構造等についても制限はない。

また、図示は省略するが、前記制震構造Ｋにおいて、改良地盤２０の外周部に、発泡ウレタン等からなる緩衝帯３０を構築してもよい。緩衝帯３０は、改良地盤２０の周囲の原地盤Ｇを口字形状に掘削して、所定材料を埋め戻す方法や、前記地盤改良方法と同様にして所定材料を混合撹拌等する（場合によっては、材料を混合せずに、撹拌のみを行い原地盤Ｇを乱してもよい）方法を用いて構築することができる。このようにすると、当該緩衝帯３０によって、既設構造物１０と改良地盤２０の振動を吸収して減衰させることができるため、さらに確実に地表面付近での地震動の影響を低減させることができる。

また、前記制震構造Ｋにおいて、改良地盤２０の柱状体２１は、互いに接するように構築することとしたが、それぞれの柱状体２１がラップするように構築してもよい。

また、前記制震構造Ｋにおいて、既設構造物１０は、支持層Ｓの上端Ｓａに直接基礎形式で構築されているが（図１参照）、既設構造物１０の基礎形式は、直接基礎に限られるものではなく、杭基礎などであってもよい。なお、既設構造物１０の地下構築部分１１は、地下階であってもよいし、基礎自体であってもよい。

第１実施形態に係る制震構造を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。 制震間柱を示す側面図であり、（ａ）は変形前、（ｂ）は変形後の状態を示す。 第２実施形態に係る制震構造を示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。 従来技術として存在する制震構造を示す側面図である。

符号の説明

１０ 既設構造物
１１ 地下構築部分
１２ 地上構築部分
１５ 制震間柱
２０ 改良地盤
２１ 柱状体
２１ａ 低強度改良部
２１ｂ 高強度改良部
３０ 溝部
Ｇ 原地盤
Ｋ，Ｋ’ 制震構造
Ｍ 地下水

Claims (2)

1. 地表面から所定深さに至る範囲に構築された地下構築部分を有する既設構造物と、
   前記地下構築部分の周囲の地盤を地盤改良して形成された改良地盤と、からなり、
   前記改良地盤は、前記地下構築部分と一体化されているとともに、前記改良地盤の下端部は、前記下端部以外の部分よりも低強度に形成されていることを特徴とする既設構造物の制震構造。
2. 前記改良地盤の周囲に、地下水の溜まった溝部を備えることを特徴とする請求項１に記載の既設構造物の制震構造。

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