JP2009203741A - 減震構造物およびその構築法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも構造を簡略化しコストを抑えた減震構造物の提供。
【解決手段】上屋１を基礎底盤２上に、粒状減震材からなる減震層３を挟んで乗載してなる減震構造物。上記減震構造物を、上記基礎底盤２を施工し、この上に上記減震層３を施工し、さらにこの上に上記上屋１を施工して構築する減震構造物の構築法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地震による揺れの影響を低減する構造を備えた減震構造物およびその構築法に関する。

一般に、構造物の地震対策構造は、耐震構造（地震力に耐える構造）、免震構造（地震力を基礎や構造系の一部で低減する構造）、制振構造（地震エネルギーを吸収する構造）に分けられ、そのうち、免震構造は、大きく以下の(1)〜(5)に分類される。
(1)積層ゴム体支承（積層ゴム体による）
(2)弾性体支承（金属ばね、空気ばね、コイルばね、弾塑性体等による）
(3)転り支承（ボールベアリングと受け皿、扁平形状の回転体等による）
(4)滑り支承（接触面の摩擦係数を少なくし上部構造を移動可能とする）
(5)複合構造（上記の複合体による）

上記(4)の「滑り支承」に分類される技術としては、たとえば、特許文献１〜６に開示されたようなものがある。

特許文献１に記載されたものは、下部躯体と上部躯体との間に配設されるすべり免震装置であって、これは、平滑板と、この平滑板に一面が摺接するすべり材からなる滑り支承と、すべり材の他面に直接または中板を介して直列に配置される単層ゴム材を具備しているものである。

特許文献２に開示された免震構造は、建物が構築される地盤に形成される地盤側基礎と、建物の下部に形成されるとともに前記地盤側基礎の上に載置される建物側基礎と、それらの間に設けられる摩擦軽減手段とから構成されるもので、その摩擦軽減手段は、互いに重なり合う面を潤滑粉を含有した塗り塗膜によって被覆した受け基板と移動板からなる。

特許文献３に開示された免震支承構造は、滑り支承にドーナツ状の滑り板を設けたもので、地震後生じる残留変位を液圧により解消できるようにしているものである。

特許文献４には、液体で飽和され砂が密封されたサンドアイソレーターと称される装置と、液体圧力コントロール装置と、振動検知センサーと、制御装置から構成される免震装置が開示されている。これは、地震時にはサンドアイソレーターが液状化することで免震層となるようにしたものである。

特許文献５，６には、建物とベタ基礎とを縁切りし、それらの間にシート類を敷いてこれを免震層とした構造物が開示されている。

その他、滑り支承に関するものとしては、すべり面に特定の材料を用いているもの、 滑り支承に加えてさらに減衰機能を付加したもの、特殊な減衰材料を用いて建物を浮かべたもの、すべり面の形状を曲面等として工夫したもの等がある。
特許公開2000-170828 特許公開2007-154455 特許第3169053号公報 特許第2706366号公報 実用新案登録第3126698号 実用新案登録第3129768号

上記特許文献２，５，６に開示された技術は、塗布膜やシートを使用するものであるが、このような材料は長期的な耐久性の検証がなく、さらに、免震の機能維持のためには、恒久的な維持管理が必要となる。

一方、上記特許文献１，３，４は、縁切り部の摩擦係数を低減するために、特殊な構造の装置を用いている。
このような装置は、(a)特殊な構造を採用しているために複雑でコスト高となる、(b)施工直後の免震性能はある程度確保されるが、長期的な免震性能について保障がない、(c)免震性能を維持するために、恒久的な維持管理が必要で維持管理費がかかる、などの問題がある。

すなわち、従来の滑り支承構造は、(i)想定外の極端な地震外力であっても低減することを意図した高級な免震構造で、特殊な材料または複雑な構造を採用しておりコストがかかる、(ii)いつ来るかわからない地震に対して長期的な安定性が保障されていない、(iii)維持管理費がかかり、しかも、これを恒久的に行う必要がある、という問題がある。

地震は自然現象であるから、構造物には想定外の地震外力が加わる可能性があるので、これに対応できる十分な性能を備えることが望ましいが、上記の問題点に鑑みると、機能的にやや劣っても、コストが低くしかも恒久性のある減震工法が望まれている。

地震による被害の形態を調査すると、寺院において、その基礎が縁切りされているために本堂自体の被害が少なかった事例、杭基礎が破損したために上部構造物が無傷であった事例、墓石が移動しているにもかかわらず転倒していない事例などが見られる。
このような事例は、その基礎を含めた全体系の中で、最も弱い部位から破壊が始まり、その部位が破壊してしまうとその部位よりも上には地震波が伝播されにくいという特徴を生かしたもので、一種の免震構造といえるものである。

このように、免震のための構造として縁切りをすることについて検討すると、以下の点が課題となる。
(A)縁切り部が滑り支承となるためには平滑性が必要であり、そのようにベタ基礎を仕上げるのはコストがかかる。
(B)一般にベタ基礎材料にコンクリートなどの剛な材料を用いた場合には、面接触とはならず点接触となり、摩擦係数が安定しない。
(C)点接触となるとがたつきを生じる。

そこで、本発明は、上記(A)〜(C)の課題を解決し、多少性能は低下しても構造を簡略化し構築および維持管理のコストを抑えることのできる減震構造物およびその構築法を提供する。

請求項１記載の本発明は、上屋１を基礎底盤２上に、粒状減震材からなる減震層３を挟んで乗載してなる減震構造物である。

請求項２記載の本発明は、上記減震層３が粘性土、シルト、砂、礫、溶融スラグ、または、これらから選択される２種以上のものを混合した粒状減震材からなる請求項１記載の減震構造物である。

請求項３記載の本発明は、上記減震層３の外周を、破壊または変形しやすい保護材により被覆した請求項１または２記載の減震構造物である。

請求項４記載の本発明は、上記減震層３のせん断抵抗を、上記上屋１の構造中のいずれの部位の強度よりも小さく設定した請求項１，２または３記載の減震構造物である。

請求項５記載の本発明は、上記上屋１の外周に牽引用のフック４を設け、かつ、上記基礎底盤２の上面に、杭５を受入する杭孔６を穿設した請求項１，２，３または４記載の減震構造物である。

請求項６記載の本発明は、請求項１，２，３，４または５記載の減震構造物を、上記基礎底盤２を施工し、この上に上記減震層３を施工し、さらにこの上に上記上屋１を施工して構築する減震構造物の構築法である。

本発明減震構造物は、構造が簡略でありながら、減震の効果を恒久的に奏するから、構築および維持管理のコストを抑えることができる。

本発明減震構造物の構築法は、上記減震構造物を、簡易に低コストで構築することができる。

上屋１を基礎底盤２上に、粒状減震材からなる減震層３を挟んで乗載してなる減震構造物。

上記減震構造物を、上記基礎底盤２を施工し、この上に上記減震層３を施工し、さらにこの上に上記上屋１を施工して構築する減震構造物の構築法。

図１，２に示すように、本実施例の減振構造物は、上屋１を基礎底盤２上に、粒状減震材からなる減震層３を挟んで乗載してなるもので、不連続な弱層であるその減震層３において応力を分断し、基礎底盤２から構造物躯体１に伝達される地震力を減震するようにしたものである。

上記減震層３は、安定的な材料、たとえば、粘性土、シルト、砂、礫等の土質材料または溶融スラグのような人工材料、あるいは、これらから選択される２種以上のものを混合して構成される粒状減震材からなるもので、上屋１へ伝わる地震外力を低減するとともに、上屋１の底面と基礎底盤２の上面との不陸を馴染ませる機能を有する。

上記減震層３は、粒状減震材の粒度組成、粒子形状、締固め程度、締固め含水比、層厚、撒きだし締固め均し方法などにより、滑り性能（せん断抵抗と動摩擦係数）を調整する。

その減震層３の外周は、粒状減震材の吸い出しや劣化などを防止するために破壊または変形しやすい保護材（モルタルやパテ）で被覆して保護する。ただし、保護がなくても機能的には問題がない。

また、たとえばニューマーク法（土塊に作用する加速度から滑り量を予測する方法）とを用いて、地震外力による上屋１の変位量を推定することができるので、その推定変位量と上記滑り性能とをもとに、基礎底盤２および上屋１の寸法および設置位置を決定する。

なお、上記の減震構造物の構築は、基礎底盤２を施工し、この上に減震層３を施工し、さらにこの上に上屋１を施工することにより行う。

この減震構造物は、構造物全体系の中に弱層（減震層３）を設けているので、上屋１には、減震層３のせん断抵抗以上の地震力は伝達されないことになる。
このような構造とすることで、上屋１へ伝達される地震外力を低減させると同時に、上屋１へ伝達されうる地震外力の最大値を既知とすることが可能となるので、上屋１は、その最大値に耐えうる強度のものとすればよく、無闇に強度を大きくする必要が無くなる。
したがって、コストを掛けすぎずに合理的な上屋１の設計が可能になるとともに、予想外の地震外力に対する不安が解消される。

上屋１の構造設計において、地震外力の最大値は、上記減震層３のせん断強度に安全係数を乗ずることにより決定する。この際、減震層３の粒状減震材のせん断抵抗を上屋１の構造中いずれの部位の強度よりも小さく設定することが重要である。

４は、地震によって、基礎底盤２上で当初の位置から変位した上屋１を引き戻す際に使用する、該上屋１の下部外周に複数設けられた牽引用のフックである。
なお、水道管などの配管は、免震構造の構造物と同様にフレキシブルジョイントなどを設け、想定される変形に耐えうる構造とする。

一方、上記底盤２の上面には、杭５を受入支持する複数の杭孔６が穿設されている。

地震後に上屋１の位置が変位した場合には、上記フック４にワイヤー７を掛けて杭５に取り付けた滑車８を介してウインチ９で牽引したり、あるいは杭５に反力をとったジャッキ１０で上屋１の外壁面を押圧して正規の位置まで押し戻す（図２）。
その際には、同一または類似の粒状減震材を敷きながら上部構造を引き戻すのが好ましい。

上記で説明した本発明減振構造物は、主に、中低層の構造物（戸建て住宅、集合住宅、小型店舗、寺、体育館、立体駐車場、学校、中低層のオフィスビルなど）に採用することができる。

以下、本発明の効果を確認するために、上屋と基礎底盤の間に設ける減震層を砂で構成した場合と、テフロン（登録商標）シートで構成した場合の効果を比較した模擬実験結果を示す（図３〜７）。

＜実験条件＞
基礎底盤に相当する振動台に、厚さ１ｃｍ程度の砂を敷き減震層とし、その上に、上屋に相当する１ｍ角の石材（質量約３００ｋｇ）を設置し、模擬地震波（１９９５年兵庫県南部沖地震のＪＭＡ神戸波をスペクトル調整したもの）を入力して上記振動台を振動させ、このときの、振動台自体、および、石材上面の水平加速度（Ｘ方向およびＹ方向）を監視し、石材の振動台に対する滑り挙動を記録した。
また、比較実験として、振動台上にテフロンシートを２枚重ねて敷いて減震層とし、その上に石材を設置した場合の滑り挙動を記録した。

いずれの場合も、震度６弱、震度６強、震度７に相当する振動を順次与えたところ、震度７設定において滑り挙動が発生し、減震の効果が確認された。
振動台と石材の、Ｘ方向の加速度変化を図３に、Ｙ方向の加速度変化を４に示した。また、テフロンシートを減震層とした比較実験時の石材の滑り挙動（Ｘ方向の加速度変化とＹ方向の加速度変化）を、同様に、図５，６に示した。

砂で構成した減震層もテフロンシートで構成した減震層も、減震の効果を奏するが（図３〜６）、テフロンシートで構成したものは、砂で構成した減震層に比べて石材がより滑りやすく、その変位量が大きくなった。
このことから、テフロンシートを減震層に採用して実際の構造物に適用する場合には、変位量が大きくなりすぎるので、別に減衰手段を設ける必要性が示唆された。
一方、砂からなる減震層はテフロンシートに比べ変位量が抑えられるので、実際の構造物に適用した場合、変位が大きくなりすぎることがなく、好ましい。

この減震構造物は、上記の通り、減震層として粒状減震材を用いるので、構造が極めて単純で、低コストでしかも施工が容易なものである。
しかも、その粒状減震材は極めて安定で長期的な耐久性が高いので、恒久的に減震の効果を奏し、しかも、基本的にはメンテナンスフリーとなり、維持コストが低減される。
また、減震層は、粒状減震材の特性に基づいて調整することにより、滑り性能を容易に設定できるものである。

さらに、上屋１側にフック４を備え、基礎底盤２側に杭５を受入支持する複数の杭孔６を設けてあるので、地震により上屋１が変位した場合には、上屋１を、上記フック４にワイヤー７を掛けて杭５に取り付けた滑車８を介してウインチ９で牽引したり、あるいはジャッキ１０で上屋１の外壁面を押圧することにより、容易に正規の位置まで押し戻すことができる。

本発明の実施例に係る減震構造物の側面図である。 その減震構造物の平面図である。 砂で構成した減震層の減震効果（Ｘ方向）の実験結果示す図である。 砂で構成した減震層の減震効果（Ｙ方向）の実験結果を示す図である。 テフロンシートで構成した減震層の減震効果（Ｘ方向）の実験結果を示す図である。 テフロンシートで構成した減震層の減震効果（Ｙ方向）の実験結果を示す図である。

符号の説明

１ 上屋
２ 基礎底盤
３ 減震層
４ フック
５ 杭
６ 杭孔
７ ワイヤー
８ 滑車
９ ウインチ
１０ ジャッキ

Claims (6)

1. 上屋を基礎底盤上に、粒状減震材からなる減震層を挟んで乗載してなることを特徴とする減震構造物。
2. 上記減震層が粘性土、シルト、砂、礫、溶融スラグ、または、これらから選択される２種以上のものを混合した粒状減震材からなることを特徴とする請求項１記載の減震構造物。
3. 上記減震層の外周を、破壊または変形しやすい保護材により被覆したことを特徴とする請求項１または２記載の減震構造物。
4. 上記減震層のせん断抵抗を上記上屋の構造中のいずれの部位の強度よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１，２または３記載の減震構造物。
5. 上記上屋の外周に牽引用のフックを設け、かつ、上記基礎底盤の上面に、杭を受入する杭孔を穿設したことを特徴とする請求項１，２，３または４記載の減震構造物。
6. 請求項１，２，３，４または５記載の減震構造物を、上記基礎底盤を施工し、この上に上記減震層を施工し、さらにこの上に上記上屋を施工して構築することを特徴とする減震構造物の構築法。

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