JP2013522506A - その場で誂えた材料を用いて構造物を強化するシステム - Google Patents

Abstract

構造物を強化するシステムおよび方法は、繊維アンカー（３０） により、構造物（１００）の表面に接続されている玄武岩繊維製品（２０）を含む。繊維製品は、力を拡散させ、構造物の柔軟性を増加させる。繊維製品は、壁、床、柱、梁および屋根を含む多数の構造的要素を一緒に接続できる。繊維製品は、地方的に得られた砂利、凝集体または着色剤の使用によって、構造物の色および質感を適合するように誂えたモルタル（５０）により覆われる。玄武岩繊維の繊維製品は、モルタル（５０）のアルカリ性要素から繊維製品が劣化するのを回避するのに好ましい。

Description

本発明は、一般に、構造物を強化（補強）することに関し、および更にとりわけ、構造物の外観を実質的に変化させずに既存の構造物を強化（補強）するための材料に関する。

世界中の多くの既存の建造物は、それらが、地震、激しい嵐、酸性雰囲気、自動車渋滞に起因した振動または類似の脅威による損傷に対して耐性を有するのを支援するように強化される必要がある。多くのより古い建造物は、とりわけ、大きな圧縮力を取り扱うように設計されたが、横方向の力に耐性がない。

突然の横方向の力に耐性がない建造物は、建造物に住むもしくは建造物で働くまたは建造物を訪れる人々の安全性のために強化される必要がある。いくらかの建造物は、相当に歴史的または芸術的な価値を有しており、災害およびそれら自体のための環境悪化から保護される必要がある。

いくらかの方法が既存の建造物を強化するために存在する。世界中で用いられている方法は、エポキシで注入されている繊維ガラスの繊維製品により構造物を包むことである。この方法は、米国特許第５０４３０３３号、５６４９３９８号、および５６５７５９５号において異なる形態で教示されている。柔軟な（またはダクタイルな、伸縮自在の、ductile）繊維アンカーを用いて構造物の異なる要素を接続する手段は、米国特許第７，２０７，１４９号で教示され、および参照によって本明細書に組み込まれる。

特許第５０４３０３３号、第５６４９３９８号、および第５６５７５９５号の方法は、強化される建造物の居住者および訪問者に対して少ない侵害を伴って有効でありおよび実施可能である。これらの方法に対する欠点は、それらがいかなる場所においても即座に利用可能というわけではないある程度特別な材料を使用するということである。結果として材料は、集中型流通センターから、時折到達するのが困難な遠い場所まで船舶輸送される。重量がある材料の船舶輸送および巡回輸送は、プロジェクトのコストを顕著に増加させる。

包む方法の別の欠点は、市場で即座に利用可能な材料が古い建造物の色および質感とあまり良く適合しないことである。自然の石、現地の土からのレンガから構成されている、または現地の鉱物により作った石膏でコーティングされている多くの建造物が世界中にある。結果として、エポキシおよび繊維ガラスのような上述した方法の材料は、所定の建造物の色または質感と適合しないかもしれない。

上述した方法についての更なる別の欠点は、いくらかの材料、とりわけ、エポキシが従来の石、レンガまたは石膏の構成よりも耐火性が低いことである。建造物の強さを増加する方法が、その耐火性も増加すべきである、または少なくともそれを低下させないことは望ましい。

エポキシまたは他の有機ポリマーの可燃性の欠点を回避するように、繊維製品は、モルタルのような無機硬化性ペーストによりコーティングできる。しかしながら、これは、無機モルタルがアルカリ性でありおよび一般的な繊維ガラスを劣化させる傾向があるという他の欠点をもたらす。特別な耐アルカリ性ガラス繊維製品は利用可能であるが、かなり高価である。これは、構造物の強化のためにモルタルとともにガラス繊維製品を用いることを思いとどまらせる。グラファイトカーボンまたはアラミド繊維の繊維製品はモルタルと適合するが、これらの繊維製品は非常に高価でもあり、あらゆる国において広範に利用可能というわけではない。

本発明は、いくらか地方的に得られる材料を用いて構造物を強化する材料のシステムおよび方法である。システムは、繊維アンカーにより、構造物に取り付けられている繊維製品ラップと、強化される構造物の近くで源から得られた砂粒および凝集体により作られているモルタルの仕上（または最終、finish）層とを含む。

繊維製品は、耐アルカリ性がありおよび無機モルタルと適合する繊維状玄武岩から成る。繊維製品は、典型的には、強くおよび柔軟な織り目の粗い布である。布は、例えば、米国特許第７２０７１４９号で教示されるような繊維アンカーにより、柔軟な状態で構造物に取り付けられている。繊維アンカーは、好ましくは、玄武岩繊維からも作られている。

モルタル仕上材料は、例えば、水とともに混合した後に硬化して固体モルタルを作る焼成鉱物粒子のスラリーのような硬化性液体マトリックスから始まって、混合される。砂粒、凝集体またはその両方を、硬化性液体マトリックスに添加する。砂粒または凝集体は、色および質感をモルタル仕上材料に与える。

強化システムは、本質的に耐火性があり、および構造物に対する火災危険度を増加しない。

地方的に採鉱または切り出（または採石、quarry）された砂粒および凝集体を用いることによって、元の建造物の色および質感と非常に良く適合することはしばしば可能である。強化された構造物の仕上外観は、元の、場合によっては歴史的な概観から相対的に変化しない。さらに、現地の鉱物材料を用いる能力は、遠い場所に材料を船舶輸送するコストを節約する。

モルタル仕上材料のための現地の鉱物を利用することは、玄武岩繊維の繊維製品と繊維アンカーの使用によって可能になる。

図１は、建造物の壁を強化するのに用いるような本発明の強化システムの部分的に切断された上面図である。 図２は、図１の線２−２に沿って切り出された断面図である。 図３は、構造物のエキスパンションジョイントを強化するのに用いるような本発明の強化システムの上面図である。 図４は、図３の線４−４に沿って切り出された断面図である。

図１は、本発明の強化システム１０の部分的に切り出された上面図である。図２は、構造物１００、例えば、建造物の壁１１０などを強化するのに用いるような強化システム１０の図１の線２−２に沿って切り出された断面図である。

強化システム１０は、壁１１０において引き伸ばされている耐アルカリ性繊維製品２０を含む。繊維製品２０を、複数の繊維アンカー３０により、壁１１０に取り付ける。好ましくは、構造物１００と同じ地域から得られる鉱物製品を含むモルタル５０を、繊維製品２０および繊維アンカー３０に広げる。

繊維製品２０は、好ましくは、軽量の、メッシュ状布の、織られたまたは編まれた、例えば玄武岩のような、適度に柔軟な、強い、および耐アルカリ性の繊維である。従来から、構造物は、ガラス繊維から作られている繊維により強化されている。通常のガラス布は、ｐＨ中性である、すなわち、ほとんどアルカリ性でも酸性でもない保護的な仕上材料により覆われる必要がある。モルタルおよびコンクリートのようなセメント質材料を含む多くのアルカリ性または酸性材料は、ガラスを劣化させ、およびそれを弱める。この理由のため、ガラス繊維布を含む構造強化システムは、典型的には、実質的に中性であるエポキシまたはポリウレタンの仕上層も含む。

当然に、良好な柔軟性および高い引張り強さを有する他の耐アルカリ性繊維を、玄武岩の代わりに、繊維製品２０を作るのに用いてよい。繊維製品２０のための特定の繊維の選択は、有用性、強さ、およびコストに基づく各々の用途のために、なされてよい。玄武岩は、現在、好ましい材料であると見出されているが、将来、他の材料が利用可能になり得る。

試験は、繊維製品２０の織組織が３インチまたは４インチの交差と同じ広さの開口を含む場合（１インチの交差が、より典型的な寸法であるけれども）でさえ、システム１０が壁１１０の荷重支持能力を大きく増加させることを示す。正方形または長方形の開口を有する平織りまたは綾織りは、充分な強さおよび柔軟性を適用および提供するのに都合が良いと見出されている。繊維製品２０は、典型的には、玄武岩繊維の多くの別個の薄いフィラメントから成る糸または束から織られている。

繊維製品２０は、強化すべき構造物１００の様々な構造的要素の表面上で引き伸ばされている。別の壁１１０または所定の壁１１０を天井に、または必要に応じて他の組合せに接続するように、繊維製品２０のパネルは、内側角または外側角を覆って包まれ得る。繊維製品２０は、一時的に、適切なクリップ、ステープルまたは接着剤によって壁１１０に取り付けられてよい。

脆弱な材料から作られているまたは天気もしくは環境悪化によって損傷を受けている構造物１００について、メッシュ開口寸法が、小さく、例えば、０．５インチの交差であることは好ましい。

多くの種類の構造的要素は、壁１１０を床または天井に、柱または梁（beam）を天井に、および屋根を壁１１０などに接続するように繊維製品２０を用いることによって強化できる。

強化方法における次の工程は、従来技術がそうであるように、例えば、複数の繊維アンカー３０のような適度に柔軟な接続手段を用いて、繊維製品２０を壁１１０または他の構造物に、外せないように取り付けることである。繊維製品２０内の開口を通過しおよび下にある壁１１０の中に入る孔を開けることによって、繊維アンカー３０は作られている。好ましくは、繊維状玄武岩からも成る所定長さの繊維ロービングは、自由末端が繊維製品２０より上に延在した状態で、開孔内に挿入されている。

例えば、グロウトまたはポリマー状の粘着剤のような埋め戻し材料は、開孔内に押し込まれまたは注入される。ロービングの自由末端は、例えば、接着剤またはモルタルにより、壁１１０の外側表面に対しておよび繊維製品２０に取り付けられている。埋め戻し材料は、繊維アンカー３０が、繊維製品２０を壁１１０に取り付けるいくぶん大きいピンを形成するように、開孔内にロービングを保持する。繊維アンカー３０は、システム１０のための最も好ましい柔軟な接続手段である。なぜなら、繊維アンカー３０は、広範な領域に力を拡散させ、および機械的な留め具がそうし得るように、壁１１０から外れる可能性が低く、または表面接着剤がそうし得るように、壁１１０の部分から引き剥がされる可能性が低いからである。

仕上プロセスは、モルタル仕上コート５０により、繊維製品１０および繊維アンカー３０を覆うことである。繊維製品２０が天気により損傷を受けない、またはたるまないように、モルタル仕上コート５０は繊維製品２０を覆う。モルタル５０は、繊維製品２０の織組織の開口を通過して、壁１１０の元の表面に接触および接着し、繊維製品２０を組み込み、および例えば地震または風などからの如何なる大きい横方向の力も拡散するのを支援する。モルタル５０は、壁１１０の近くの所定位置において、機械的に繊維製品２０を保持するが、繊維アンカー３０のような柔軟な接続手段に全体として代わることはできない。

モルタル仕上コート５０は、主として、強化された壁１１０のために均一に織り目加工されたおよび色付けられた表面を作るためである。従来のエポキシおよびガラス繊維の繊維製品の強化は、典型的には、構造物に、より滑らかな質感およびわずかにかすんだ着色を与える。エポキシは、他の仕上塗料により覆われ得るけれども、モルタルは、ガラス繊維の起こり得る劣化のために推奨されない。

モルタル仕上コート５０は、元のコンクリート、スタッコ、または石膏の壁１１０の外観を複製するのに良く機能する。付加的なモデリングおよび色付け加工により、モルタル仕上５０は、歴史的な石またはレンガの壁１１０の外観でさえ複製できる。

モルタル５０を、強化すべき構造物に適合するように誂える（またはカスタマイズされる、customized）。典型的には、モルタル５０は、柔軟なコンクリートのような硬化性ペーストのマトリックスに基づく。未硬化の柔軟なコンクリートは、スラリーと呼んでよく、すなわち、粒子が、長時間に亘って懸濁した状態で維持し、および液体またはペーストのように取り扱うことができる混合物を得るという充分な粘性または表面張力を有する、液体中に懸濁した固体粒子の混合物である。

柔軟なコンクリートは、典型的には、住宅、歴史的な建造物、または外観が重要であるが現代の「工業的な（industrial）」見た目は望まれない他の構造物のための仕上コートとして用いられない。しかしながら、柔軟なコンクリートは、強く、柔軟な材料であり、および標準的なコンクリートよりも、横方向の力に対して亀裂が生じる可能性が低い。

例えば、有機ポリマーまたは他の無機セメント質の材料のような他のマトリックス材料もまた、モルタル５０を作るのに用いることができる。

一般に、石、レンガ、および日干しレンガのような建造物材料は、必要以上に輸送されない。結果として、所定の国または地域における構造物は、独特の外観を有する傾向がある。モルタル５０を誂えるのに、構造物にもともと用いられているそれらと類似した鉱物材料を用いることは好ましい。

歴史的な建造物について、例えば、微視的な試験または化学分析によって、元の材料の構成要素を求めることはしばしば望ましい。

例えば、アメリカ中西部における多くのさらに古い公共建造物は、インディアナのライムストーンと呼ばれる日焼けした石（tan stone）である。アメリカ南西部では、多くの歴史的な建造物は、日干しレンガであり、その地方の土の鉄含有量に依存して色が変わる。

従って、中西部における構造物を強化するのに、強化された構造物上に、滑らかな日焼けした表面を形成するように、モルタル５０に地面のライムストーンを組み込むことは適切である。南西部では、日干しレンガまたは地面の砂石を、モルタル５０に添加して、それを目立ったレンガまたは石にすることができる。

地域的に得られた鉱物材料は、砂、土、砂利、地上（または粉末にされた、ground）石、または鉱物の着色剤を含んでよい。誂えたモルタル仕上コート５０に用いる鉱物は、地域的に得られると本明細書に記載されているけれども、鉱物材料は、好ましくは、元の構造物の材料と同じ源から得られることを理解されたい。例えば、インドネシアにおける歴史的な構造物が、もともと、輸入されたイタリアのマーブルから作られていた場合に、インドネシアにおける構造物を強化する際に、モルタル５０を誂えるのに、イタリアにおける同じ採石場から材料を得ることは審美的に望ましいこともある。

システム１０を強化する代替的な実施形態は、図３および４に示される。図３は、橋１２０のような構造物のエキスパンションジョイント１２２を強化するのに用いるような強化システム１０の上面図である。図４は、図３のエキスパンションジョイント１２２の線４−４に沿って切り出された断面図である。

エキスパンションジョイント１２２は、橋１２０の設計特徴である。それは、数インチの幅の隙間であり、橋材料の熱膨張を可能にするように、端１２０の部分の間に置かれる。エキスパンションジョイント１２２の隙間は、典型的には、運輸のために滑らかな表面をもたらすように充填される。

エキスパンションジョイント１２２の充填は、柔軟性がありおよびエキスパンションジョイント１２２の機能を妨害しない材料であることを必要とする。図３および４に示されるような強化システム１０の代替的な実施形態は、低コストでありおよびエキスパンションジョイント１２２を飾り付けるのに非常に効率的な方法であることが見出されている。

エキスパンションジョイント１２２は、滑らかな上側表面を提供するように充填される凹部１２５により作られている。本発明のシステム１０を用いるエキスパンションジョイント１２２を充填するのに、モルタル５０の第１層は、凹部１２５内に置かれ、適切に半分に凹部１２５を充填する。次に、上述したように、繊維製品２０のストリップをモルタル５０上に置く。モルタル５０の第２層を、繊維製品２０の上に注入または広げ、凹部１２５を所望のレベルまで充填する。モルタル５０は、所望のように織られてよく、または適用した状態で置かれてよい。繊維アンカー３０は、典型的には、システム１０のこの実施形態のために必要ではない。

例えば、建造物のような構造物を強化するために行われるような強化システム１０は、必要に応じて、エキスパンションジョイント１２２を充填する方法に類似して、取り付けることができることを留意されたい。すなわち、モルタル５０の第１層を、構造物の元の壁１１０上に広げてよく、従って、繊維製品２０を、モルタル５０の第１層上に取り付けることができる。繊維アンカー３０を、好ましくは、上述したように更に用いる。繊維アンカー３０を、好ましくは、モルタル５０の第１層の後に取り付ける。上述したように、モルタル５０の第２層を、繊維製品２０および繊維アンカー３０上に適用し、従って完成する。

本発明を行うこの方法は、脆い材料から作られている建造物、または天気、汚染による劣化、または地震によって弱められる建造物についてとりわけ有益である。脆い建造物について行われる別の予防措置は、繊維アンカー３０のための開孔を作ることであり、当該孔は、例えば、無傷のコンクリートのような強いマトリックスに普通に用いる孔よりも深い。

本発明の特定の実施形態は、示されおよび記載されるけれども、様々な変化は、本明細書において部分の形態、組成、構成および配置において任意のその利点を犠牲にせずに、なされてよい。従って、本明細書における全ての事柄は、説明するためであり、いかなる制限も意味しないと解釈され、およびそれは、本発明の真の精神および技術的範囲内に入るように、このような修正を添付の請求の範囲において含むことが意図されることを理解されたい。

Claims (16)

1. 構造物を強化する方法であって：
   耐アルカリ性繊維から成る繊維製品を、強化すべき構造物の表面に取り付ける工程；および
   硬化性スラリー層を、取り付けた繊維製品に広げて、スラリーが繊維製品を覆いおよび埋め込む工程
   を含み；
   スラリーが、構造物の元の表面に対して質感、色またはその両方が類似した鉱物粒子を含む、方法。
2. 繊維製品を取り付ける工程が：玄武岩繊維から成る布を構造物の表面上に広げ；および柔軟な取付手段により、布を表面に取り付ける副工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 柔軟な取付手段により、布を表面に取り付ける工程が：
   耐アルカリ性布を通過しおよび構造物内に入る孔を開ける副工程；
   自由末端が布の上に突出した状態で、所定長さの繊維ロービングを開孔内に挿入する副工程；
   適切な埋め戻し材料により、開孔を埋め戻す副工程；および
   適切な接着剤により、ロービングの自由末端を布に取り付ける副工程
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. 硬化性スラリー層を布に広げる工程が：セメント質またはポリマーのマトリックスを含むスラリーであって、修理すべき構造物に対して地理的に近い場所で切り出された鉱物材料を更に含むスラリーを広げることを含む、請求項１の方法。
5. 砂、地上岩または鉱物を含むスラリー層を広げる工程が：砂、地上岩または鉱物材料を含むスラリーを広げ、該スラリーが、構造物の元の表面と実質的に同じ色および質感の仕上外観をもたらすことを含む、請求項４に記載の方法。
6. 鉱物粒子を含む硬化性スラリーの底層を直接、構造物の表面上に広げる工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 構造物を強化する方法であって、方法が：
   鉱物材料を硬化性流体マトリックスと混合することによって、誂えた表面仕上モルタルを作る工程；
   誂えた表面仕上モルタルが、構造物の元の表面と実質的に同じ色および質感の仕上外観をもたらすように形成されており；
   耐アルカリ性繊維から成る布を、強化すべき構造物の表面上に広げる工程と；
   柔軟な取付手段によって、布を構造物に取り付ける工程；および
   誂えた表面仕上モルタルの層を、取り付けた布に広げる工程
   を含む、方法。
8. 誂えた表面仕上モルタルを作る工程が：構造物に対して地理的に近い源から鉱物材料を得ることを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 布を広げる工程が：耐アルカリ性繊維から成る布を、強化すべき構造物の１以上の表面上に広げることを含む、請求項７に記載の方法。
10. 誂えた表面仕上材料を作る工程が：セメント質のモルタル、柔軟なセメント、エポキシ、ポリウレタンまたはアクリルの群から、適切な硬化性流体マトリックスを得る副工程を含む、請求項７に記載の方法。
11. 強化すべき構造物が、強化された後にその元の外観を実質的に維持する必要がある歴史的な建造物である、請求項７に記載の方法。
12. 布を広げる工程が：玄武岩繊維から成る布を、強化すべき構造物の１以上の表面上に広げる工程を含む、請求項７に記載の方法。
13. 構造物を強化するシステムであって：、
    強化すべき構造物の構造的要素を実質的に覆っている耐アルカリ性繊維製品；
    前記繊維製品を構造的要素に接続するための柔軟な接続手段；および
    構造物の既存の色、質感またはその両方を適合させるように選択されている鉱物材料を含むモルタル
    を含む、システム。
14. 前記耐アルカリ性繊維製品が：玄武岩繊維から織られている布を含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記柔軟な接続手段が：複数の繊維アンカーを含む、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記鉱物材料が、強化すべき構造物に対して地理的に近くで得られる少なくとも１つの要素を含む、請求項１３に記載のシステム。

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