JP2012140823A - 構造物の免震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】免震装置及びダンパーを必要としない構造物の免震構造を提供する。
【解決手段】構造物の免震構造１０は、構造物１２を杭１４と直接基礎が支持するパイルドラフト基礎とされている。構造物１２の底面は、予め定めた接地圧で地盤１６上に設置されている。杭１４の頭部は構造物１２の基礎部と接合され、下端部は地盤１６の下の支持層１８に根入れされている。即ち、杭１４の鉛直方向の支持荷重Ｐ２と地盤１６の鉛直方向の支持荷重Ｐ３の合計が構造物１２の鉛直荷重Ｐ１となり、杭１４の水平方向の支持荷重Ｈ２と地盤１６の水平方向の支持荷重Ｈ３の合計が、地震時の構造物１２の水平力Ｈ１となっている。地震時に滑動を開始させたい、構造物１２の水平力Ｈ１の滑動開始水平力ＳＨを予め定めておき、構造物１２の接地圧を調整することで、水平力Ｈ１が滑動開始水平力ＳＨ以上のとき、地盤１６上で滑動を開始させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造物の免震構造に関する。

従来、杭と地盤で支持された構造物を免震するには、構造物の下部に免震装置及びダンパーを設置して、免震装置で構造物に伝播される地震力を低減すると共に、ダンパーで構造物の振動を抑制している。しかし、この方法は、免震装置及びダンパーの設置を必要としコストがかかる。
そこで、免震装置を必要としない免震構造が提供されている（特許文献１）。

特許文献１の構造物の免震構造は、図１０に示すように、構造物８１は、杭８３、ダンパー杭８４及び地盤８５で支持されている。杭８３の頭部は構造物８１の下部８２に接合され、杭８３の下端部は支持層８６に根入れされている。杭８３は、格子状に配置され、構造物８１の鉛直荷重を支持層８６に伝える。また、杭８３は、水平剛性が小さくされ、水平力により変形を生じる。

ダンパー杭８４は、構造物８１の長手方向の両端部であり、杭８３に囲まれた位置に設けられている。ダンパー杭８４は長さがＬの短尺とされ、頭部は構造物８１の下部８２に接合され、下端部は支持層８６には達していない。ダンパー杭８４の水平剛性は、杭８３より大きく、入力された地震エネルギーを吸収するダンパーとして作用する。

上述したように、特許文献１の免震構造は、免震装置は必要としていないがダンパーを必要としている。

特開２０００−１２００８３号公報

本発明は、上記事実に鑑み、免震装置及びダンパーを必要としない構造物の免震構造を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る構造物の免震構造は、杭と直接基礎で支持される構造物の免震構造であって、前記杭が負担する地震時の水平力と、前記直接基礎が負担する地震時の水平力を合計した前記構造物が地震時に滑動を開始する水平力が、想定される規模の地震時に前記構造物に作用する水平力より小さく設定されてい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、杭が負担する構造物の水平力と、直接基礎が負担する構造物の水平力を合計した水平力が、予め想定した規模の地震時に構造物に作用する水平力より小さく設定されている。
これにより、構造物に、予め想定した地震力（水平力）が作用したとき、構造物が地盤上で滑動を開始する。構造物の地盤上での滑動により地震エネルギーが吸収されるため、滑動量を適切に設定することで、免震装置及びダンパーを必要とせずに構造物を免震できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構造物の免震構造において、前記杭は、前記地盤に設けられた杭穴に建て込まれ、前記杭の上部の外周面と前記杭穴の内周面の間には隙間が設けられ、前記隙間には泥水、軟弱地盤土又は発泡成形材の少なくともいずれか１つが充填されていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、杭の上部は横方向の移動を許容する泥水、軟弱地盤土又は発泡成形材の少なくともいずれか１つが充填されており、構造物に、滑動開始水平力以上の水平力が加わったとき、杭の上部は構造物と共に移動する。
これにより、構造物と杭が接合された状態で、構造物と杭の接合部を損傷させずに構造物を地盤上で滑動させることができる。また、構造物の振動周期を長周期化できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の構造物の免震構造において、前記杭の頭部と前記構造物の接合部は、前記構造物が前記滑動を開始したとき、変形して前記接合部に発生する曲げモーメントを低減する半剛接合、又は回転して前記接合部に曲げモーメントを発生させないピン接合とされていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、杭の頭部と構造物の接合部が、接合部に発生する曲げモーメントが低減される半剛接合、又は接合部に曲げモーメントが加わらないピン接合とされている。
これにより、構造物を地盤上で滑動させても、杭と構造物の接合部に加えられる曲げモーメントが低減され、又は杭と構造物の接合部に曲げモーメントが加わらないため、杭と構造物の接合部を損傷させない。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の構造物の免震構造において、前記杭の頭部と前記構造物の接合部には、滑り材が設けられていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、滑り材が杭の頭部と前記構造物の接合部に設けられており、構造物に水平力が作用したとき、杭の頭部と構造物の接合部に曲げモーメントが発生しない。
これにより、杭と構造物の接合部を損傷させずに構造物を地盤上で滑動させることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の構造物の免震構造において、前記杭の頭部の径が、前記頭部以外の部分の径より細くされていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、構造物に水平力が加えられたとき、頭部以外の部分の杭径より細くされた杭頭部が、水平力を負担する。
これにより、杭頭部の回転剛性（杭の水平剛性）が小さくなり、その結果、地盤に水平力が流れやすく小さな水平力で滑動させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造物の免震構造において、前記構造物の底面には、前記地盤の地盤面よりも強度の小さな材料で形成された滑り層が設けられていることを特徴としている。

請求項６に記載の発明によれば、構造物の底面には、地盤面よりも強度の小さな材料で形成された滑り層が設けられている。
これにより、構造物の底面と地盤の地盤面の滑動が容易になり、小さな水平力で構造物を滑動させることができる。

本発明は、上記構成としてあるので、免震装置及びダンパーを必要としない構造物の免震構造を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る構造物の免震構造の基本構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る構造物の免震構造の作用を示す概念図である。 本発明の第１の実施の形態に係る構造物の免震構造の作用を示す概念図である。 本発明の第２の実施の形態に係る構造物の免震構造の基本構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る構造物の免震構造の展開例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る構造物の免震構造の基本構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る構造物の免震構造の基本構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る構造物の免震構造の基本構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る構造物の免震構造の基本構成を示す図である。 従来例の構造物の免震構造の基本構成を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１の模式図に示すように、第１の実施の形態に係る構造物の免震構造１０は、構造物１２を、杭１４と、地盤１６上に設けられた直接基礎が支持するパイルドラフト基礎とされている。

構造物１２の直接基礎の底面は、予め定めた接地圧で地盤１６上に設置されている。杭１４の頭部は、構造物１２の基礎部と接合され、杭１４の下端部は、地盤１６の下の支持層１８に根入れされている。

このような構成とすることにより、杭１４の鉛直方向の支持荷重Ｐ２と地盤１６の鉛直方向の支持荷重Ｐ３の合計が構造物１２の鉛直荷重Ｐ１となり、杭１４の水平方向の支持力Ｈ２と地盤１６の水平方向の支持力Ｈ３の合計が、地震時の構造物１２の水平力Ｈ１となっている。

このとき、構造物１２の接地圧を調整し、エネルギー吸収のために地震時に滑動を開始させたい、構造物１２の水平力Ｈ１の滑動開始水平力ＳＨを予め定めておけば、水平力Ｈ１が滑動開始水平力ＳＨに達したとき、地盤１６上で構造物１２が滑動を開始する。
具体的には、下式（１）の条件を満たしたとき構造物１２が滑動を開始する。

αＷ＝μＷraft ＋ Ｈpile ・・・（１）
ここに
Ｗ：構造物の荷重（ ｋＮ ）
α：構造物に作用する地震力の係数
Ｗraft：ラフト底面に作用する鉛直荷重（ ｋＮ ）
μ：ラフト底面と地盤面の摩擦係数
Ｈpile：基礎底面が滑動しない時の杭と基礎底面の水平剛性から決まる杭の水平抵抗力（ ｋＮ ）

なお、構造物１２を支持する杭１４と地盤１６の鉛直荷重分担比を変更することで、接地圧を適正な値に調整することができる。
これにより、構造物１２の底面と地盤１６表面との間の摩擦抵抗を制御し、地震時に基礎底面と地盤を積極的に滑動させることができる。また、構造物１２を滑動させることで、構造物１２に伝達される地震エネルギーを減衰させることができる。

図１（Ｂ）は、地震時の水平力Ｈ１により、構造物１２と地盤１６が相対位置Ｄだけ変位した状態を示す。なお、杭１４の頭部が構造物１２と剛接合されている場合、滑動開始水平力ＳＨより大きい水平力Ｈ１を受けて、杭１４の頭部は変形して相対位置の変位Ｄに追従するため、杭１４の頭部は、後述する半剛接合等で接合されているのが望ましい。

図２、３に構造物１２と地盤１６との間で吸収される地震エネルギーの概念図を示す。図２の横軸Ｘは、構造物１２と地盤１６の相対変位量を示し、縦軸Ｙは、地盤１６のせん断抵抗力を表している。

破線で示す特性Ａは、従来の基礎底面が滑動しない構造物における特性である。構造物１２は、地盤１６上での積極的な滑動が抑制されている。このため、相対変位量Ｘａは小さく、構造物１２と地盤１６の相対変位の増大に比例して、せん断抵抗力が直線的に増加する傾向を示している。また、せん断抵抗力の最大値は大きいな値Ｙａになっている。

実線で示す特性Ｂは、本実施の形態の特性であり、構造物１２に、予め定めた地震力より大きな地震力が作用したとき、構造物１２が地盤上で滑動を開始する。このため、相対変位量Ｘｂは大きく、幅広い変化を示し、地盤１６のせん断抵抗力の最大値Ｙｂは小さな値となっている。

即ち、地震エネルギーの吸収量は、相対変位量Ｘと地盤１６のせん断抵抗力Ｙの積（図２の特性Ａ、Ｂの面積）となるため、特性Ｂで、より多くの地震エネルギーを吸収していることが分かる。この結果、特性Ｂの方が、構造物１２に伝達される地震エネルギーを小さくできる。

図３は、同じく基礎部と地盤との間で吸収される地震エネルギーの概念図を示す。横軸は経過時間（ｓ）であり、縦軸は振動の加速度（ｃｍ／ｓ^２）である。

破線で示す特性Ａは、従来の基礎底面が滑動しない構造物での特性であり、実線で示す特性Ｂは、本実施の形態の特性である。特性Ａの地震開始直後の加速度の最大値αａは、特性Ｂの加速度の最大値αｂより大きい。

即ち、特性Ｂの方が、加速度の最大値が小さく、構造物１２に伝達される地震振動を減衰させることができる。この結果、構造物に与える被害を小さくできるといえる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、免震装置及びダンパーを必要としない構造物の免震構造を、安価に提供できる。
なお、杭１４は、支持層１８に達する支持杭のみでなく、支持層１８に達しない摩擦杭でもよい。

（第２の実施の形態）
図４に示すように、第２の実施の形態に係る構造物の免震構造３０は、構造物１２が杭３４で支持され、杭３４は、地盤１６に設けられた杭穴３２に建て込まれた構成である。

杭３４は既製杭であり、杭穴３２は、杭３４の周囲に隙間ｄを有する大きさで形成されている。杭穴３２の下部の隙間ｄにはコンクリート３６が充填され、杭３４が根固めされている。杭３４の頭部は、構造物１２の基礎部と接合されている。杭穴３２の上部の隙間ｄには、泥水３８が充填されている。

これにより、構造物１２に、滑動開始水平力以上の水平力が加わったとき、杭３４の上部は構造物１２と共に移動する。このとき、杭穴３２の上部の隙間ｄには、泥水３８が充填されているため、構造物１２と杭３４が接合された状態で移動可能となる。このため、構造物１２と杭３４の接合部を損傷させずに、構造物１２を地盤１６上で滑動させることができる。

また、構造物１２の振動周期を長周期化でき、構造物１２に伝達される地震振動を減衰させることができる。
なお、泥水３８の代わりに、軟弱地盤土又は発泡成形材のいずれか１つが充填されていてもよい。

次に、本実施の形態の展開例について説明する。なお、上述した構造物の免震構造３０と構成が同じ部分については同一の番号を付し、相違する部分のみについて説明する。

図５（Ａ）に記載の構造物の免震構造４０は、構造物１２が杭４４で支持され、杭４４は、地盤１６に設けられた杭穴３２に建て込まれた構成である。

杭４４は鋼棒製とされ、杭穴３２に挿入されている。杭穴３２の下方には、杭穴３２の穴径と密着させて既製杭４２が挿入されている。既製杭４２の下部にはコンクリート３６が充填され、杭４４の下部はコンクリート３６に根固めされている。杭４４の頭部は、構造物１２の基礎部２０と接合されている。杭穴３２の上部には、泥水３８が充填されている。

これにより、構造物１２に、滑動開始水平力以上の水平力が加わったとき、杭３４の上部は構造物１２と共に移動する。このとき、杭穴３２の上部の隙間ｄには、泥水３８が充填されているため、構造物１２と杭４４が接合された状態で移動可能となる。このため、構造物１２と杭３４の接合部を損傷させずに、構造物１２を地盤１６上で滑動させることができる。
なお、泥水３８の代わりに、軟弱地盤土又は発泡成形材の少なくともいずれか１つが充填されていてもよい。また、杭４４は、Ｈ形鋼でもよい。

図５（Ｂ）に記載の構造物の免震構造４６は、構造物１２が杭４８で支持され、杭４８は、地盤１６に設けられた杭穴３２に建て込まれた構成である。

杭４８は鋼棒製とされ、杭穴３２の上部に挿入されている。杭穴３２には、杭穴３２の穴径と隙間ｄを開けて既製杭５０が挿入されている。既製杭５０の外周部の下部にはコンクリート３６が充填され、既製杭５０の下部がコンクリート３６で根固めされている。既製杭５０の内部には、頭部までの高さにコンクリート３６が充填され、杭４８の下端部が根入れされている。杭４８の頭部は、構造物１２の基礎部２０と接合されている。杭穴３２の上部、及び既製杭５０の周囲には、泥水３８が充填されている。

これにより、構造物１２に、滑動開始水平力以上の水平力が加わったとき、杭４８は構造物１２と共に移動する。このとき、杭穴３２の上部の隙間ｄには、泥水３８が充填されているため、構造物１２と杭４４が接合された状態で移動可能となる。このため、構造物１２と杭４８の接合部を損傷させずに、構造物１２を地盤１６上で滑動させることができる。
なお、泥水３８の代わりに、軟弱地盤土又は発泡成形材のいずれか１つが充填されていてもよい。また、杭４８は、Ｈ形鋼でもよい。

図５（Ｃ）に記載の構造物の免震構造５２は、構造物１２が杭４４で支持され、杭４４は、地盤１６に設けられた杭穴３２に建て込まれた構成である。

杭４４は鋼棒製とされ、杭穴３２の下方にはコンクリート５４が充填されている。杭４４の下部はコンクリート５４に根固めされ、杭４４の頭部は、構造物１２の基礎部２０と接合されている。杭穴３２の上部には、泥水３８が充填されている。

これにより、構造物１２に、滑動開始水平力以上の水平力が加わったとき、杭４４の上部は構造物１２と共に移動する。このとき、杭穴３２の上部の隙間ｄには、泥水３８が充填されているため、構造物１２と杭４４が接合された状態で移動可能となる。このため、構造物１２と杭４４の接合部を損傷させずに、構造物１２を地盤１６上で滑動させることができる。
なお、泥水３８の代わりに、軟弱地盤土又は発泡成形材のいずれか１つが充填されていてもよい。また、杭４４は、Ｈ形鋼でもよい。

図５（Ｄ）に記載の構造物の免震構造５６は、構造物１２が杭３４で支持され、杭３４は、地盤１６に設けられた杭穴３２に建て込まれた構成である。

杭３４は既製杭とされ、杭穴３２の下部にはコンクリート５４が充填され、杭３４の下部がコンクリート５４に根固めされている。杭３４の頭部は、構造物１２の基礎部２０と接合されている。杭穴３２の上部には、泥水３８が充填されている。

これにより、構造物１２に、滑動開始水平力以上の水平力が加わったとき、杭３４の上部は構造物１２と共に移動する。このとき、杭穴３２の上部の隙間ｄには、泥水３８が充填されているため、構造物１２と杭３４が接合された状態で移動可能となる。このため、構造物１２と既製杭３４の接合部を損傷させずに、構造物１２を地盤１６上で滑動させることができる。
なお、泥水３８の代わりに、軟弱地盤土又は発泡成形材のいずれか１つが充填されていてもよい。

図５（Ｅ）に記載の構造物の免震構造５８は、構造物１２が杭４４で支持され、杭４４は、地盤１６に設けられた杭穴３２に建て込まれた構成である。

杭４４は鋼棒製とされ、杭穴３２の下方にはコンクリート５４が充填され、杭４４の下部がコンクリート５４に根固めされている。杭４４の頭部は、構造物１２の基礎部２０と接合されている。杭穴３２の上部には、泥水３８が充填されている。

これにより、構造物１２に、滑動開始水平力以上の水平力が加わったとき、杭４４の上部は構造物１２と共に移動する。このとき、杭穴３２の上部の隙間ｄには、泥水３８が充填されているため、構造物１２と杭４４が接合された状態で移動可能となる。このため、構造物１２と杭４４の接合部を損傷させずに、構造物１２を地盤１６上で滑動させることができる。
なお、泥水３８の代わりに、軟弱地盤土又は発泡成形材のいずれか１つが充填されていてもよい。また、杭４４は、Ｈ形鋼でもよい。

（第３の実施の形態）
図６に示すように、第３の実施の形態に係る構造物の免震構造６０は、構造物１２が杭１４と地盤１６で支持された構成である。このとき、杭１４の頭部と構造物１２の接合部は、半剛接合とされている。

即ち、構造物１２の基礎部に杭１４の頭部が呑み込まれているが、基礎部の鉄筋と杭１４の鉄筋は連結されていない。これにより半剛接合とされ、地震時により構造物１２が滑動を開始したとき、構造物１２の基礎部と杭１４の頭部の接合部が、破壊される前に変形する。これにより、接合部に発生する曲げモーメントが低減され、杭と構造物の接合部を損傷させない。
この結果、免震装置及びダンパーを必要としない構造物の免震構造を提供できる。
他の構成は、第１の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

なお、杭１４の頭部と構造物１２の接合部をピン接合としてもよい。これにより、構造物１２が滑動を開始したとき、構造物１２の基礎部と杭１４の頭部の接合部が回転して、接合部に曲げモーメントを発生させない。この結果、杭１４と構造物１２の接合部を損傷させない。

（第４の実施の形態）
図７に示すように、第４の実施の形態に係る構造物の免震構造６２は、構造物１２が杭１４と地盤１６で支持された構成である。このとき、杭１４の頭部と構造物１２の接合部に、滑り材６４が設けられている。

滑り材６４は、例えば材質が金属板や樹脂製板等とされ、構造物１２の接合部に埋め込まれている。このとき、滑り材６４の下面が接合部の下面から露出されており、杭１４の頭部と当接される。このとき、杭１４は、構造物１２を支持しているが、連結はされていない。
他の構成は、第１の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

これにより、構造物１２が地震で滑動を開始したとき、構造物１２の基礎部と杭１４の頭部が滑動を開始する。この結果、杭１４と構造物１２の接合部を損傷させずに構造物を地盤上で滑動させることができる。

（第５の実施の形態）
図８に示すように、第５の実施の形態に係る構造物の免震構造６６は、構造物１２が杭６８と地盤１６で支持された構成である。このとき、杭６８は、杭６８の頭部の径Ｄ１が、頭部以外の部分の径Ｄ２より細くされている。

これにより、杭６８の頭部の剛性が小さくなり、小さな水平力で構造物１２を滑動させることができる。
他の構成は、第１の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

これにより、構造物１２が滑動を開始したとき、構造物１２の基礎部と杭１４の頭部は滑動を開始する。この結果、杭１４と構造物１２の接合部を損傷させずに構造物を地盤上でさせることができる。

（第６の実施の形態）
図９に示すように、第６の実施の形態に係る構造物の免震構造７０は、構造物１２が杭１４と地盤１６で支持された構成である。このとき、構造物１２の底面には、滑り層７２が設けられている。滑り層７２は、地盤１６よりも強度の小さな材料（例えばゆるい砂、強度の弱い粘土など）で形成されている。

これにより、構造物１２の底面と、地盤１６の地盤面の滑動が容易になり、小さな水平力で構造物を滑動させることができる。
他の構成は、第１の実施の形態と同じであり、説明は省略する。

これにより、構造物１２が滑動を開始したとき、構造物１２の基礎部と杭１４の頭部は滑動を開始する。この結果、杭１４と構造物１２の接合部を損傷させずに構造物を地盤上で滑動させることができる。

１０ 構造物の免震構造
１２ 構造物
１４ 杭
１６ 地盤
３２ 杭穴
３８ 泥水
６４ 滑り材
７２ 滑り層

Claims (6)

1. 杭と直接基礎で支持される構造物の免震構造であって、
   前記杭が負担する地震時の水平力と、前記直接基礎が負担する地震時の水平力を合計した前記構造物が地震時に滑動を開始する水平力が、想定される規模の地震時に前記構造物に作用する水平力より小さく設定されている構造物の免震構造。
2. 前記杭は、前記地盤に設けられた杭穴に建て込まれ、前記杭の上部の外周面と前記杭穴の内周面の間には隙間が設けられ、前記隙間には泥水、軟弱地盤土又は発泡成形材の少なくともいずれか１つが充填されている請求項１に記載の構造物の免震構造。
3. 前記杭の頭部と前記構造物の接合部は、前記構造物が前記滑動を開始したとき、変形して前記接合部に発生する曲げモーメントを低減する半剛接合、又は回転して前記接合部に曲げモーメントを発生させないピン接合とされている請求項１に記載の構造物の免震構造。
4. 前記杭の頭部と前記構造物の接合部には、滑り材が設けられている請求項１に記載の構造物の免震構造。
5. 前記杭の頭部の径が、前記頭部以外の部分の前記杭の径より細くされている請求項１に記載の構造物の免震構造。
6. 前記構造物の底面には、前記地盤の地盤面よりも強度の小さな材料で形成された滑り層が設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造物の免震構造。
   

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