JP2010101113A - 複合長柱とその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長柱とＰＣ鋼材を組み合わせることにより、長柱に地震力を負担させて、建物の耐震性を向上できるようにすると共に、柱の両側の狭小なスペースにＰＣ鋼材を張り渡すことができるようにした既存建物の耐震改修に好適な複合長柱を提供する。
【解決手段】長柱の両側部に複数段の片持ち梁状の突出部５を設け、これらの突出部５の先端を鉛直方向のＰＣ鋼材６ａ、６ｂで連結し、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂにプレストレスを導入した状態で、当該ＰＣ鋼材６ａ、６ｂの下端を引張力支持機構Ｘに連結する。引張力支持機構Ｘとしては、例えば、永久アンカー、摩擦杭、基礎梁などを用いる。
【選択図】図３

Description

本発明は、長柱（例えば、ホテルにおける天井高さの高いロビーや大型ショッピングセンターにおける天井高さの高い催し広場のようなアトリウム、天井高さの高い劇場や体育館などのような建物の大空間に配置される支持スパンの長い柱）の耐震性能向上技術に関し、詳しくは、長柱とＰＣ鋼材（ＰＣ鋼棒、ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼より線等である。以下、同じ）を組み合わせて、長柱に水平力抵抗機能を付加するようにした複合長柱に関する。

一般に、アトリウムなどでは、細長くて意匠的に優れた長柱架構を構造体に取り入れているが、断面寸法に対して長さの割合が大きい柱は、水平力に対する剛性が非常に低い。そのため、長期荷重を負担するだけの柱として扱われることが多く、地震力に対しては、連層耐震壁、アトリウム以外の柱を太径にする等、他の耐震要素を設けて対処しているのが普通である。

ところで、長柱とＰＣ鋼材を組み合わせて、長柱に水平力抵抗機能を付加するようにした技術としては、斜張橋（橋桁を主塔に斜めのケーブルで支持させた吊り橋）の他、特許文献１に記載の耐震補強架構等が知られている。特許文献１の耐震補強架構は、既存建物の柱と梁からなるフレームの構面外に、フレームの柱に沿って構築され、フレームに接合される長い補強柱と、補強柱を支持する補強基礎との間に、鉛直に対し傾斜して張り渡したＰＣ鋼材とで構成されている。

この耐震補強架構によれば、補強柱単独では、柱が細長い形状であるため、水平力に対する剛性が低いが、補強柱がＰＣ鋼材と協働して地震力（水平力）に抵抗することができる。しかし、ＰＣ鋼材が鉛直に対し傾斜して張り渡されているので、柱の両側にＰＣ鋼材を斜めに張り渡すための広いスペース（鉛直面）が必要であり、斜めに張り渡されたＰＣ鋼材が建物の外壁面を広範囲にわたって覆うことになる。従って、既存建物の外壁面に設けられていた窓や出入り口等の開口の多くがＰＣ鋼材で遮られることになる。

また、この耐震補強架構は、柱の両側にＰＣ鋼材を斜めに張り渡すための広いスペース（鉛直面）を要するため、柱と梁からなるフレームの構面と平行に構築される必要があり、互いに直交する二つの構面に沿って二方向に構築することが困難である。例えば、外壁面に沿った耐震補強架構と、それに直交する耐震補強架構とを構築した場合、直角方向の耐震補強架構においては、柱の片側に斜めに張り渡されたＰＣ鋼材が外壁面から外に大きく張り出し、柱の反対側に斜めに張り渡されたＰＣ鋼材が建物の内部空間に大きく張り出すことになる。

特開２００５−１６３４３２号公報

本発明は、上記の問題点を踏まえてなされたものであって、その目的とするところは、長柱とＰＣ鋼材を組み合わせることにより、長柱に地震力を負担させて、建物の耐震性を向上できるようにすると共に、柱の両側の狭小なスペースにＰＣ鋼材を張り渡すことができるようにした既存建物の耐震改修に好適な複合長柱とその設計方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために本発明が講じた技術的手段は、次の通りである。即ち、請求項１に記載の発明による複合長柱は、長柱の両側部に複数段の片持ち梁状の突出部を設け、これらの突出部の先端を鉛直方向のＰＣ鋼材で連結し、ＰＣ鋼材にプレストレスを導入した状態で、当該ＰＣ鋼材の下端を引張力支持機構に連結してあることを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の複合長柱であって、引張力支持機構が、永久アンカー、摩擦杭、基礎梁のうちの何れかであることを特徴としている。

請求項３に記載の発明による複合長柱の設計方法は、請求項１又は２に記載の複合長柱において、ＰＣ鋼材に導入するプレストレス量を調整することで複合長柱の水平力支持耐力を調整することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、長柱の両側部に設けられた片持ち梁状の突出部の先端がプレストレスの入った鉛直方向のＰＣ鋼材で連結されているので、地震時の水平力（水平方向の交番荷重）による長柱の両方向への揺れ（曲げ）に対して、引張側となる片側のＰＣ鋼材が抵抗することになる。その際、反対側のＰＣ鋼材は圧縮側となるので、曲げ補強に対して無効となるが、ＰＣ鋼材にプレストレスが導入されているので、圧縮側となるＰＣ鋼材も、導入されているプレストレスが抜けるまで地震力を負担できることになり、無効になるのを遅くすることができる。

即ち、長柱の両側部に設けられた複数段の片持ち梁状の突出部の先端を鉛直方向のＰＣ鋼材で連結し、ＰＣ鋼材にプレストレスを導入した状態で、当該ＰＣ鋼材の下端を引張力支持機構に連結することにより、各段の突出部には長期荷重としての曲げモーメントが生じる。この状態で地震力が加わると、引張側の突出部ではＰＣ鋼材の引張力が増して曲げモーメントが増大する一方、圧縮側の突出部ではプレストレスが抜けるにつれて曲げモーメントが減少して行くが、曲げモーメントがゼロになるまで、突出部の曲げ抵抗で地震力を負担することになる。従って、長柱に地震力を負担させて、建物の耐震性を向上することが可能となる。

殊に、請求項１に記載の発明によれば、ＰＣ鋼材が長柱の両側部に設けられた片持ち梁状の突出部の先端から引張力支持機構にわたって鉛直方向に張り渡されているので、柱の両側の狭小なスペース（鉛直面）にＰＣ鋼材を張り渡すことができ、柱の両側にＰＣ鋼材を斜めに張り渡す場合のような広いスペースは不要である。

従って、例えば、既存建物の柱と梁からなるフレームの構面外に、フレームの柱に沿って本発明の複合長柱を構築して、耐震改修した場合、ＰＣ鋼材が柱に沿って張り渡されることになり、外壁面に設けられていた既存の窓や出入り口等の開口をＰＣ鋼材でさほど遮らずに済み、外壁面の外観や機能に大きな変化を与えないので、既存建物の耐震改修として好適である。

尚、ＰＣ鋼材の下端を連結する引張力支持機構としては、原理的には、大重量の錘であってもよいが、請求項２に記載の発明のように、永久アンカー、摩擦杭、基礎梁のうちの何れかであることが、機能の安定性や施工のし易さの観点から望ましい。

請求項３に記載の発明によれば、例えば、ジャッキ等を操作して、ＰＣ鋼材に導入するプレストレス量を調整するだけで複合長柱の水平力支持耐力を調整できるので、複合長柱の水平力支持耐力の調整が容易である。

図１、図２は、アトリウムなどに配置された長柱１ａ、１ｂ、１ｃを有する建物の一例を示す。２は長柱１ａ、１ｂ、１ｃで支持された梁、３は通常の階高を有する建物部分の柱、４は柱３で支持された梁である。前記長柱１ａ、１ｂ、１ｃのうち、長柱１ｂの位置に、本発明に掛かる複合長柱Ａが構築されている。

この複合長柱Ａは、図３に示すように、長柱１ｂの両側部に複数段の片持ち梁状の突出部５を設け、これらの突出部５の先端を鉛直方向のＰＣ鋼材６ａ、６ｂで連結し、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂの下端を下方に引っ張って、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂにプレストレスを導入した状態で、当該ＰＣ鋼材６ａ、６ｂの下端を引張力支持機構Ｘとしての永久アンカー７に連結したものである。７ａはアンカー定着部、７ｂはアンカー頭部であり、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂの下端が連結されている。

上記の構成によれば、図４に示すように、長柱１ｂ単体では、細長い形状であるため、水平力（地震力）に対する剛性が低いが、長柱１ｂの両側部に設けられた片持ち梁状の突出部５の先端がプレストレスの入った鉛直方向のＰＣ鋼材６ａ、６ｂで連結されているので、地震時の水平力（水平方向の交番荷重）による長柱１ｂの両方向への揺れ（曲げ）に対して、引張側となる片側のＰＣ鋼材６ａが抵抗することになる。その際、反対側のＰＣ鋼材６ｂは圧縮側となるので、曲げ補強に対して無効となるが、ＰＣ鋼材６ｂにプレストレスが導入されているので、圧縮側となるＰＣ鋼材６ｂも、導入されているプレストレスが抜けるまで地震力を負担できることになり、無効になるのを遅くすることができる。

モーメント図に基づいて複合長柱Ａの作用を説明すると、図５の（Ａ）に示すように、長柱だけでは地震力Ｑに対し剛性が低いが、図５の（Ｂ）に示すように、長柱の途中に、柱に発生する曲げモーメントを曲げ戻す梁を設けると、地震力Ｑにより、片側の梁には上向きの引張力Ｒ_１が作用し、反対側の梁には下向きの圧縮力Ｒ_１が作用する。

ＰＣ鋼材６ａ、６ｂは引張力を負担でき、圧縮力を負担できない構造部材であるから、地震力Ｑによって梁に下向きの圧縮力Ｒ_１が作用したとき、図５の（Ｃ）に示すように、その反力を引張側のＰＣ鋼材６ａでとり、梁の回転を阻止することになる。圧縮側のＰＣ鋼材６ｂは曲げ補強に対して無効となるが、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂにプレストレスが導入されているので、圧縮側となるＰＣ鋼材６ｂも、導入されているプレストレスが抜けるまで地震力を負担できることになり、無効になるのを遅くすることができる。

即ち、長柱１ｂの両側部に設けられた複数段の片持ち梁状の突出部５の先端を鉛直方向のＰＣ鋼材６ａ、６ｂで連結し、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂにプレストレスを導入した状態で、当該ＰＣ鋼材６ａ、６ｂの下端を引張力支持機構Ｘに連結することにより、図５の（Ｄ）に示すように、各段の突出部５には長期荷重としての所定勾配の曲げモーメントＭが生じる。この状態で地震力が加わると、引張側の突出部５ではＰＣ鋼材の引張力が増して曲げモーメントＭが増大する一方、圧縮側の突出部５ではプレストレスが抜けるにつれて曲げモーメントＭが減少して行くが、曲げモーメントＭがゼロになるまで、突出部５の曲げ抵抗で地震力を負担することになる。

従って、長柱１ｂに地震力を負担させることができ、建物の耐震性を向上することができる。また、ジャッキ等を操作して、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂに導入するプレストレス量を調整するだけで複合長柱Ａの水平力支持耐力を調整できるので、複合長柱Ａの水平力支持耐力の調整が容易である。

しかも、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂが長柱１ｂの両側部に設けられた片持ち梁状の突出部５の先端から引張力支持機構Ｘにわたって鉛直方向に張り渡されているので、柱の両側の狭小
なスペース（鉛直面）にＰＣ鋼材６ａ、６ｂを張り渡すことができ、柱の両側にＰＣ鋼材を斜めに張り渡す場合のような広いスペースは不要である。

尚、図２において、互いに直角な二方向の梁２を支持する長柱１ａ、１ｃの位置に、本発明に掛かる複合長柱Ａを構築する場合、長柱１ａ、１ｃには、周囲四方に片持ち梁状の突出部５を設ける必要がある。この場合、複合長柱Ａは平面視で十字状を呈することになるが、全てのＰＣ鋼材が鉛直方向に張られるので、柱の周囲四方にＰＣ鋼材を斜めに張り渡す場合に比べると、相当な省スペースが可能である。

図６は、本発明の複合長柱Ａを用いて既存建物の耐震改修を行う実施形態を示す。この実施形態は、既存建物Ｂの柱ａと梁ｂからなるフレームの構面外に、フレームの柱ａに沿って柱ａに接合される長柱１を設け、長柱１の両側部には各階の梁ｂに沿わせて複数段の片持ち梁状の突出部５を設け、これらの突出部５の先端を鉛直方向のＰＣ鋼材６ａ、６ｂで連結し、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂにプレストレスを導入した状態で、当該ＰＣ鋼材６ａ、６ｂの下端を引張力支持機構Ｘに連結したものである。

この構成によれば、ＰＣ鋼材６ａ、６ｂが既存建物Ｂの柱ａに沿って張り渡されることになり、外壁面に設けられていた既存の窓や出入り口等の開口をＰＣ鋼材６ａ、６ｂでさほど遮らずに済み、外壁面の外観や機能に大きな変化を与えないので、既存建物の耐震改修として、好適である。因みに、長柱１の両側にＰＣ鋼材を斜めに張り渡した場合、図６に仮想線で示すように、外壁面が広い範囲にわたってＰＣ鋼材で覆われることになる。

尚、以上の実施形態では、引張力支持機構Ｘとして永久アンカー７を用いたが、引張力支持機構Ｘとしては、永久アンカー７に限られるものではなく、摩擦杭や基礎梁にＰＣ鋼材６ａ、６ｂの下端を連結し、摩擦杭や基礎梁によってＰＣ鋼材６ａ、６ｂの引張力を支持するようにしてもよい。片持ち梁状の突出部５は柱に発生する曲げモーメントを曲げ戻す梁であるが床スラブを支持する梁ではない。従って、片持ち梁状の突出部５の上下方向での間隔は、複合長柱の必要とする水平力支持耐力に応じて任意に設定でき、階高に合わせる必要はない。

次に、マルチフレーム解析ソフトを用いて同一条件下で行った本発明の複合長柱と、突出部及びＰＣ鋼材を有しない通常の長柱との比較例を表で示す。表１はＰＣ鋼材にプレストレスを導入することによって、長柱の両側部に設けた片持ち梁状の突出部に発生した長期荷重としての曲げモーメントを示す。

表２は地震力により生じた複合長柱の曲げモーメントを示し、表３は地震力により生じた通常の長柱の曲げモーメントを示す。通常の長柱では柱頭に２５９.２（ｔ-ｍ）の曲げモーメントが発生するのに対し、複合長柱の柱頭では曲げモーメントが１０２．９（ｔ-
ｍ）まで低減している。

表４は地震力により生じた複合長柱の水平変位を示し、表５は地震力により生じた通常の長柱の水平変位を示す。通常の長柱の柱頭では水平変位が４３．７（ｃｍ）であるのに対し、複合長柱の柱頭では水平変位が１３．４（ｃｍ）まで低減している。

長柱を備えた建物の概略側面図である。 長柱を備えた建物の概略平面図である。 本発明に係る複合長柱の立面図である。 本発明に係る複合長柱の作用を説明する図である。 本発明に係る複合長柱の作用を説明するモーメント図である。 本発明に係る複合長柱を用いた既存建物の耐震改修を説明する立面図である。

符号の説明

Ａ 複合長柱
Ｂ 既存建物
Ｘ 引張力支持機構
ａ 既存建物の柱
ｂ 既存建物の梁
１、１ａ、１ｂ、１ｃ 長柱
２ 長柱で支持された梁
３ 通常の階高の建物部分における柱
４ 通常の階高の建物部分における梁
５ 片持ち梁状の突出部
６ａ、６ｂ ＰＣ鋼材
７ 永久アンカー
７ａ アンカー定着部
７ｂ アンカー頭部

Claims (3)

1. 長柱の両側部に複数段の片持ち梁状の突出部を設け、これらの突出部の先端を鉛直方向のＰＣ鋼材で連結し、ＰＣ鋼材にプレストレスを導入した状態で、当該ＰＣ鋼材の下端を引張力支持機構に連結してあることを特徴とする複合長柱。
2. 引張力支持機構が、永久アンカー、摩擦杭、基礎梁のうちの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の複合長柱。
3. 請求項１又は２に記載の複合長柱において、ＰＣ鋼材に導入するプレストレス量を調整することで複合長柱の水平力支持耐力を調整することを特徴とする複合長柱の設計方法。

Images