JP2007270546A - 形状記憶合金を用いた建屋の補強構造および補強方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】建屋の補強に当たり、操業に対する影響を最小限にとどめ、補強工事費を安価に抑えることが可能な補強構造および補強方法を提供すること。
【解決手段】 建屋１における梁部材２の下方に束柱５を設け、束柱５と梁部材２との間に形状記憶合金部材９を備えた伸長部材８が設けられ、形状記憶合金部材９の形状復元作用に伴う伸長部材８の伸長により梁部材２が押し上げられて応力が解放または低減されることを特徴とする。また、ブレースと梁部材との間に形状記憶合金部材９を備えた伸長部材８を設ける。また、梁部材に引張下弦材および形状記憶合金部材９を備えた伸長部材８からなる束材を設けて張弦梁を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建屋の補強を行うに当たり形状記憶合金部材の形状復元作用を利用する補強構造に関する。

従来、既存建屋の補強構造で形状記憶合金部材を使用しない補強構造としては、例えば、特許文献１〜３に開示された構造が知られている。
また、従来の一般的補強構造の例としては図１１〜図１３に示すような構造が知られている。図１１は小規模補強の一例を示し、図１２、図１３は共に大規模補強の例を示す。

まず、図１１に示す小規模補強構造例では、左右の柱材３５、３５間に亘って配設された梁部材４１上に載置された既設設備３６に加えて新設設備４０が追加されることに伴い、既設の梁部材４１に補強部材４１ａを追加取り付けして対応する場合を示す。このような小規模補強の場合、つまり単純補強方法を採り得る場合には、補強工事による操業の一時中断など操業への影響度合いが小さく、補強工事のコストも大きな問題にはならない。

一方、上記図１１と同様の建屋にて行う大規模補強工事では梁部材４１の応力を解放してやる必要が生じる場合がある。その場合には、図１２に示すように梁部材４１の中央部を図示のように仮設の束柱３７および油圧ポンプ４２、油圧ジャッキ４３等により押し上げて梁部材４１の応力を解放し、梁部材４１の全長にわたって補強部材４１ｂを取り付ける。そして、新設設備４４を追加設置し、油圧ジャッキ４３等の仮設部材を撤去する手順をとる。このような大規模補強工事の場合には、油圧ジャッキ４３等の仮設費がかさみ、また仮設用のスペースを確保しなければならず、また、操業の一時中断など操業への影響もあるというデメリットが生じる。

また、図１３に示す大規模補強の別の例では、一旦既設設備３６を取り除いて梁部材４１の応力を解放し、補強部材４１ｃを取り付ける。その後に既設設備３６と新設設備４５を設置する手順をとる。この場合には、既設設備３６を取り除き、復旧するための費用がかかり、場合によって既設設備３６の一時撤去が困難な場合にはこの補強方法は採用不可となってしまう。
特開２０００−２５７２７０号公報 特開平１０−３０３６４号公報 特開平９−１４４０４９号公報

前述のように、梁部材の応力解放が必要となるような大規模補強工事の場合には、操業に対する影響を最小限にとどめ、補強工事費を安価に抑えることが課題となる。本発明は、このような課題を解消することが可能な補強構造および補強方法を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、第１発明では、建屋における梁部材の下に支持部材を設け、該支持部材と梁部材との間に形状記憶合金部材を備えた伸長部材が設けられ、前記形状記憶合金部材の形状復元に伴う伸長部材の伸長により梁部材が押し上げられて応力が解放または低減されることを特徴とする。

第２発明では、第１発明の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造において、梁部材の下に設ける支持部材が束柱であることを特徴とする。
第３発明では、第１発明の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造において、梁部材の下に設ける支持部材がブレースであることを特徴とする。
第４発明では、第１発明の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造において、梁部材の下に設ける支持部材が、両端部が前記梁部材に固定される引張下弦材と、前記梁部材と引張下弦材との間に介在される伸長部材からなる束材であり、梁部材と引張下弦材と束材とにより張弦梁を構成していることを特徴とする。
第５発明では、第１発明〜第４発明のいずれかの形状記憶合金を用いた建屋の補強構造において、伸長部材内にて形状記憶合金部材が、摩擦接合、支圧接合、挟持のいずれかの形態により配設されることを特徴とする。
第６発明の形状記憶合金を用いた建屋の補強方法では、第５発明のいずれかの補強構造を用いて建屋を補強する方法であることを特徴とする。

本発明によると、応力解放が必要となる大規模補強工事に際して、ジャッキアップする工法や既設設備を一時撤去する工法などに比べ操業への影響を最小限に抑えることができると共に、補強工事費を安価にとどめることができ、曲げ応力が高くなる梁中間部、特に梁中央部の負担を格段に軽減できるという効果が得られる。

第１発明によると、梁部材と支持部材との間に設けた伸長部材が、形状記憶合金部材の形状復元に伴い伸長することにより梁部材を押し上げ、梁部材の応力を解放できるので、事前の準備により工事現場での作業に手間がかからず、補強工事が容易かつ安価になるという効果が得られる。また、支持部材と伸長部材は補強後撤去されることはないので、撤去費用が不要になり、さらには、従来のように、油圧ポンプ等の設置スペースが必要でないので、作業スペースをコンパクトにできる効果も得られる。
第２発明によると、柱材近辺に撤去できない既設設備等があって床面や空間に制約がある場合に、束柱を立設するだけの小さな床面スペースがあれば工事可能であるという効果が得られる。
第３発明によると、梁部材の中央部下方に撤去できない既設設備等があって床面や空間に制約がある場合に、ブレースを用いることにより梁部材の応力解放構造を構成可能であり、撤去作業を省略可能となる効果が得られる。
第４発明によると、梁部材の下方全域に撤去できない既設設備等がある悪条件下においても張弦梁を構成することにより梁部材の応力解放構造を構成できる効果が得られる。
第５発明によると、採用する応力解放構造に応じて伸長部材内にて形状記憶合金部材の配設構造を適切に選定可能であるという効果が得られる。
第６発明によると、補強対象の建屋における工事環境条件に応じて形状記憶合金部材を備えた支持部材により適切な補強方法を選定可能であるので第１発明〜第５発明のいずれかによる効果が得られる。

次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は建屋１の補強方法を示す説明図であり、束柱タイプの補強方法とも称すべきものである。まず、この図面を参照して補強方法の概要を説明し、ついで図５以降の図を参照して補強構造の詳細について説明する。

図１（ａ）は補強以前の建屋１の構成を示す。建屋１は左右一対の柱材３とこれらの上端に端部を接合された梁部材２とからなる。梁部材２の中央部には既設設備４が設置されている。図１（ｂ）はこの状態（補強前）で両部材２、３が受ける曲げモーメント７の分布を示す。

梁部材２上に新設設備（図示省略）を追加するのに対応するためにこの建屋１を補強するに当たり、図１（ｃ）に示すように支持部材としての束柱５を梁部材２の中央部の下に立設し、束柱５の頂部に形状記憶合金９（図５参照）を備えた伸長部材８を固定する（図５参照）。図１（ｃ）に示す破線１０は補強方法（補強構造）を制約する既設設備６を示す。このような位置に既設設備６等の制約物がある場合に束柱タイプの補強構造が採用される。

上記の伸長部材８は４個の形状記憶合金部材９と、それらを上下から挟んで配設される取り付け板１１、１１とから構成される（図５参照）。束柱５と伸長部材８とを梁部材２の下方に立設する際には、伸長部材８の上側取り付け板１１と梁部材２との間に所定の僅かな隙間１２を設ける。

形状記憶合金部材９は、あらかじめ、ある臨界温度以下で加工を加えてあり、加熱操作によりある臨界温度を超えると元の形状に戻る性質を持つ。この性質を利用すべく、上記の束柱５と伸長部材８とを立設した後、形状記憶合金部材９をある臨界温度以上の所定の温度に加熱する。加熱を受けた形状記憶合金部材９はある臨界温度以上になると上下方向に伸長し、形状回復する。そしてその形状回復（上下方向に回復伸長）に応じて伸長部材８も伸長する（図１ｄ参照）。

こうして、形状記憶合金部材９の形状回復によって、上記立設時の伸長部材８とその上の梁部材２との間に設けた隙間１２は埋められ、さらに梁部材２を上方へ押し上げる。この押し上げ状態で伸長部材８の上側取り付け板１１を梁部材２に最終的にボルト締めする。束柱５と伸長部材８とが梁部材２の押し上げ部材１３を構成している。

なお、上記の加熱操作前の取り付け時に伸長部材８の上に隙間１２を設けずに、伸長部材８を梁部材２の下に押し込む方法を採ってもよい。

図１（ｅ）は加熱操作後に形状記憶合金部材９が形状回復して梁部材２を上方へ押し上げた後の曲げモーメントの分布を示す。補強により曲げモーメント７の分布は梁部材２中央部で上方へ凸の形状に切り替わり、梁部材２の応力が解放または低減される。束柱５と形状記憶合金部材９を含む伸長部材８とはそのまま継続使用される。図１０（ａ）に束柱タイプの補強構造における束柱５と伸長部材８と梁部材１との関係が拡大して示されている。

図２は図示の既設設備６の制約に対応して支持部材としてのブレース１４を用いたブレースタイプの補強構造を採用した場合の説明図である。さらに、図３は柱材３、３間の全範囲に亘って設置された既設設備６を避けて支持部材としての張弦梁（トラス）１５を構成したトラスタイプの補強構造を採用した場合の説明図である。図２、図３の補強構造における伸長部材８は、以下に示す束柱タイプ（図１）の伸長部材８と同じかまたは同様構造のものを採用できる。

図３では、梁部材２の下に設ける支持部材が、両端部が前記梁部材２に固定される引張下弦材１５ａと、前記梁部材２と引張下弦材１５ａとの間に介在される形状記憶合金部材９を含むと伸長部材８と束材８ａであり、梁部材２と引張下弦材１５ａと伸長部材８と束材８ａとにより張弦梁１５を構成している。前記の引張下弦材１５ａとしては、線状または棒状等の一般の鋼材を使用するとよい。なお、PCケーブルあるいはPC鋼材を使用してもよい。引張下弦材１５ａの両端部は、それぞれ梁部材２の端部に定着金具（図示を省略した）により緊張状態で定着される。

図４（ａ）、（ｂ）は上記の押し上げにより梁部材２の応力を解放する場合の補強効果を、前記の背景技術における単純補強時の補強効果と比較して示す説明図である。

図４（ａ）は単純補強時（応力解放なし）の梁部材２の応力（荷重）を棒グラフで示している。図中の下側水平一点鎖線１６は梁部材２の耐力レベルを示し、上側水平一点鎖線１７は単純補強後に向上した耐力レベルを示す。補強前の梁部材２の応力は左方の棒グラフ１８で示すように、耐力（下側水平一点鎖線１６）に近い状態であり、余力が少ない。この少ない余力部分で追加設備の負荷の何割かを負担する必要があるため、補強による対応に限界がでて、右方の棒グラフ１９（補強後の梁部材２の応力で補強前と変化がない）に上側水平一点鎖線１７で示すように補強による荷重対応領域が小さく、大幅補強が望めない。

これに対し、本実施形態の補強方法を行えば、図４（ｂ）の中央の棒グラフ２０で示すように梁部材２の応力は格段に解放（低減）され、余力は大幅に増加する。これにより右方の棒グラフ２１で示すように、解放低減された応力状態の梁部材２に補強前と同程度の補強材を追加可能となるので、合計耐力を大幅に向上すること（大幅補強）が可能となる。

図５（ａ）、（ｂ）は押し上げ部材１３を構成する伸長部材８の詳細構造を示す。（ａ）は側面図であり、（b）は (ａ)のＡ−Ａ断面図である。図５に示すように、四角形状の取り付け板１１には、等角度間隔をおいて前後左右に十文字状に４箇所に各２枚の平行なブラケット２２が立設固定され、各平行なブラケット２２のすき間に形状記憶合金部材９が隙間無く差し込まれてボルト・ナット２９により強固に締め付けられている。したがって各形状記憶合金部材９は平行なブラケット２２を介して取り付け板１１に摩擦接合されている。形状記憶合金部材９とブラケット２２の摩擦面を介してボルト・ナット２９により一体化されている。すなわち、この形態では、形状記憶合金部材９の両端部は、それぞれブラケット２２間に配置され、その両側面がブラケット２２間に介在されると共に当接されてボルト・ナット２９により強固に締め付けられて、ボルト・ナット２９の締め付け力と、ブラケット２２の側面と形状記憶合金部材９の両側面との摩擦とを利用した接合構造（ボルトの締め付け力を利用した摩擦接合）とされている形態である。

なお、形状記憶合金部材９と平行なブラケット２２とのボルト・ナット２９による接合部には、図６に示すように隙間２３があってもよく、その場合はボルト軸部のせん断耐力を利用する支圧接合構造になり、形状記憶合金部材９の取付け穴２５の内面を支承面（支圧面）としてこれに挿通されるボルト２９の軸部外周側面により支承して、ボルト２９のせん断耐力を利用する接合構造であり、このような形態では、ボルト軸断面を大きくするとよい。このような上下の取り付け板１１、１１が形状記憶合金部材９を挟み込んで上下に対向配置されている。下側の取り付け板１１は４個の取り付け穴部２４にて束柱５の上端部にボルト・ナット３０等により固定され、上側の取り付け板１１は同様に梁部材２にボルト・ナット３０等により固定されるため、束柱５の上端部にボルト挿通孔を有する水平フランジ３１を設けておくとよい。前記のような支圧接合の場合には、ボルト２９に代えてピンでもよい。

図７は板状に加工された単品状態の形状記憶合金部材９の斜視図である。形状記憶合金部材９は４個共、図示のように厚板状に切削成形される。上下各２個の取り付け穴２５にて上記平行なブラケット２２にボルト締めされ、この固定部は形状回復しない(ガスバーナー等により加熱しても加熱しなくても変化しない部分)。中間部９ａのみが加熱操作により形状が回復する範囲である。
例えば、形状記憶合金部材９としては、引っ張り強さ６８０〜１０００ＭＰａ、形状が完全に回復する変態温度３００〜３５０℃、形状回復力１８０ＭＰａ、形状回復ひずみ２．５〜４．０％程度の性能を有する１６％Ｍｎ−５％Ｓｉ−１２％Ｃｒ−５％Ｎｉ−Ｆｅや２０％Ｍｎ−５％Ｓｉ−８％Ｃｒ−５％Ｎｉ−Ｆｅなどの鉄系形状記憶合金を用いるのが好ましい。

図８（ａ）〜（ｃ）は、上記成形されたものとは別に、一般に板状に加工された場合の形状記憶合金部材９について、形状回復の様子を説明する説明図である。（ａ）に示す板状に加工された形状記憶合金部材９を３００℃以下の所定の温度で（ｂ）に示すように上下方向に圧縮し、板厚方向に与ひずみを生じさせる。図中の破線９ｂは圧縮前の板厚状態を示す。このとき体積はほぼ一定のため形状記憶合金部材９は板幅方向（板厚と直角方向）にも変化する。そして、上記図５に示す状態で梁部材２の下に取り付けた後、中間部９ａを加熱する。形状記憶合金部材９の前記中間部９ａは３００〜３５０℃にて上下方向に形状回復して、梁部材２を押し上げる。これにより梁部材２の応力が解放または低減される。なお、ボルトによる接合部は板厚を厚くして与ひずみが与えられないようにし、中間部のみに与ひずみが与えておくのが好ましい。

図９は実施形態２における伸長部材２８の構成を示す。この伸長部材２８は、束柱タイプあるいは張弦梁タイプでも使用可能であるが図示形態ではブレースタイプの補強構造に適用されている。そして、伸長部材２８を構成する形状記憶合金部材２６は図９（ａ）、（ｂ）に示のように角ブロック状に形成され、あらかじめ図９（ｃ）に示すように所定の臨界温度以下の条件下で上下方向に圧縮されて与ひずみを生じた状態（（ｃ）図の中央図に示す。破線は圧縮前の形状を示す）で、上下に対向配置された取り付け板２７、２７に挟持（挟み込まれて支承される）されて配設されている。このとき形状記憶合金部材２６は両取り付け板２７に立設固定され対向するように配置された４個のＬ字形ガイド２７ａ内に固着されない状態でずれ止めされて配設されている。この形態では、形状記憶合金部材２６が上下に対向配置された取り付け板２７、２７間に挟み込まれて支承される形態とされている。前記のＬ字形ガイド２７ａは取り付け板２７に４個設けているが、Ｌ字形ガイド２７ａを形状記憶合金部材２６の対角方向に２個、取り付け板２７に設ける形態でも可能であり、また、前記以外にも、形状記憶合金部材２６の各側面に近接して平板状のガイドを取り付け板２７に設ける形態でもよい。すなわち、形状記憶合金部材２６は２つの部材（取り付け板２７、２７）に挟み込まれて支承される形態でもよい。前記の取り付け板２７に相当する形状記憶合金部材２６の上部または下部を支承する支承部と、好ましくは横方向にずれないように支承する支承部を、予め梁部材２あるいは束柱等に設けている場合には、前記の取付け板２７を省略することができる。すなわち、形状記憶合金部材２６は挟み込まれて支承される形態（挟持される形態）でもよい。

支持部材としてのブレース１４上への伸長部材２８の取り付けに当たっては、図１０（ｂ）に示すように、伸長部材２８の下側の取り付け板２７に、下向きに立設したブラケット２７ｂをブレース１４の頂部１４ａに継ぎ手板等を介してボルト・ナット等により固定する。そして、梁部材２との間に所定の僅かな隙間１２を設けるか、または隙間無しで上側取り付け板２７を梁部材２に取り付けた後、形状記憶合金材２６を加熱する。形状記憶合金部材２６は前述したように３００〜３５０℃にて上下方向に形状回復して梁部材２を押し上げる。こうして、ブレースタイプの補強構造によっても束柱タイプの補強の場合と同様に梁部材２の応力を解放する。

本発明を実施する場合、梁部材としては鋼製梁部材、鉄筋コンクリート梁部材、鋼・コンクリート製の合成構造の梁部材を補強することにより建家を補強するようにしてもよい。

（ａ）は補強前の建屋を示す正面図、（ｂ）は補強前の曲げモーメントの分布図、（ｃ）は押し上げ部材を梁部材の下方に立設した状態を示す正面図、（ｄ）は補強後の曲げモーメントの分布図である。 ブレースタイプの補強構造を示す説明図である。 トラスタイプの補強構造を示す説明図である。 （ａ）は梁部材を単純補強する従来技術の一例を示す説明図、（ｂ）は梁部材の応力を解放する本発明の補強例を示す説明図である。 （ａ）は束柱タイプの補強構造における伸長部材の側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は束柱タイプの補強構造における伸長部材の設計変更例の側面図、（ｂ）は（ａ）のB−B断面図である。 板状形状記憶合金部材の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は板状に加工された形状記憶合金部材の形状回復の様子を説明する説明図である。 （ａ）は角ブロック状形状記憶合金部材を備える伸長部材の一例の側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は束柱タイプの補強構造における束柱と伸長部材と梁部材との関係が拡大して示す図、（ｂ）は角ブロック状形状記憶合金部材を備える伸長部材をブレースタイプの補強構造に用いた実施形態２の側面図である。 従来技術による単純補強構造の一例の説明図である。 従来技術による油圧ジャッキ等を用いた補強構造の一例の説明図である。 従来技術による既設設備を一旦撤去する補強構造の一例の説明図である。

符号の説明

１ 建屋
２、４１ 梁部材
３、３５ 柱材
４、６、３６ 既設設備
５、３７ 束柱（支持部材）
７ 曲げモーメント
８、２８ 伸長部材
８ａ 束材
９、２６ 形状記憶合金部材
９ａ 中間部
１０、９ｂ 破線
１１、２７ 取り付け板
１２、２３ 隙間
１３ 押し上げ部材
１４ ブレース（支持部材）
１５ａ 引張下弦材
１５ トラス（支持部材、張弦梁）
１６ 下側水平一点鎖線
１７ 上側水平一点鎖線
１８、１９、２０、２１ 棒グラフ
２２ 平行なブラケット
２４ 取り付け穴部
２５ 取り付け穴
２７ 取付板
２７ａ ガイド
２７ｂ ブラケット
２９ ボルト・ナット
３０ ボルト・ナット
３１ ボルト・ナット
４０ 新設設備
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ 補強部材
４２ 油圧ポンプ
４３ 油圧ジャッキ
４４，４５ 新設設備

Claims (6)

1. 建屋における梁部材の下に支持部材を設け、該支持部材と梁部材との間に形状記憶合金部材を備えた伸長部材が設けられ、前記形状記憶合金部材の形状復元に伴う伸長部材の伸長により前記梁部材が押し上げられて応力が解放または低減されることを特徴とする形状記憶合金を用いた建屋の補強構造。
2. 梁部材の下に設ける支持部材が束柱であることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造。
3. 梁部材の下に設ける支持部材がブレースであることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造。
4. 梁部材の下に設ける支持部材が、両端部が前記梁部材に固定される引張下弦材と、前記梁部材と引張下弦材との間に介在される伸長部材からなる束材であり、梁部材と引張下弦材と束材とにより張弦梁を構成していることを特徴とする請求項１に記載の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造。
5. 伸長部材内にて形状記憶合金部材が、摩擦接合、支圧接合、挟持のいずれかの形態により配設されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の形状記憶合金を用いた建屋の補強構造により建屋を補強することを特徴とする形状記憶合金を用いた建屋の補強方法。

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