JP2014047510A - 構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】軸力を受ける構造体の圧縮靭性を向上させ、建物の地震に対する耐力および靭性能を向上させることを目的としている。
【解決手段】軸力を受ける構造体１０１であって、コンクリート造の躯体２の表面に樹脂製の補強塗膜３が被覆されてなり、前記補強塗膜３が、イソシアネートと、ポリオール及びアミンのうちの少なくとも一方からなる硬化剤と、の化学反応により形成された化合物からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸力を受ける構造体に関する。

柱等の耐震要素が層状に連なる部分の下層部に位置する構造体は、高軸力を受けるが、このような構造体は、地震時に高い軸圧縮力及び繰り返しのせん断力を受けるため、コンクリートが圧壊して脆性的な破壊が生じるおそれがある。このように上記した構造体が脆性破壊されると、上層部に位置する耐震要素の機能が発揮することができず、建物の地震に対する耐力が失われる。そこで、従来、高軸力を受ける構造体の脆性的な破壊を防止するために、例えば下記特許文献１に示されているように、鉄筋コンクリート造の柱（ＲＣ柱）の中に埋設される柱状のコア部材が提案されている。

特開平３−８１４４２号公報

しかしながら、上記した従来の技術は、柱状のコア部材を埋設できる程度の断面積を有する柱等には適用することができるが、例えば連層耐震壁などのような、柱等に比べて厚さが薄い構造体の場合には、柱状のコア部材を配設することが難しいため適用することができない。また、上記した従来の技術は、スパイラル筋の内側にコンクリートを充填してなるプレキャストコア部材を用意し、そのプレキャストコア部材をＲＣ柱のコンクリート打設前に柱内にセットする必要があるため、コストが嵩むと共に施工が非常に煩雑である。さらに、上記した従来の技術では、既存の構造体に対して適用することはできない。

本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、軸力を受ける構造体の圧縮靭性を向上させ、建物の地震に対する耐力および靭性能を向上させることを目的としている。

本発明に係る構造体は、軸力を受ける構造体であって、コンクリート造の躯体の表面に樹脂製の補強塗膜が被覆されてなり、前記補強塗膜は、イソシアネートと、ポリオール及びアミンのうちの少なくとも一方からなる硬化剤と、の化学反応により形成された化合物からなることを特徴としている。

本発明では、イソシアネートと、ポリオール及びアミンのうちの少なくとも一方からなる硬化剤と、の化学反応により形成された化合物からなる補強塗膜が、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂であり、例えば１０〜２５ＭＰａ程度の高強度と例えば２００％以上の大きな破断伸び（伸び変形性能）を有する。このため、躯体の変形が塑性域に達しても、補強塗膜が躯体の大変形に追従して伸び変形するので、補強塗膜によって躯体の変形に応じたエネルギー吸収性能が発揮される。したがって、高い軸圧縮力及び曲げ応力に対応することが可能な構造体を設けることができる。

仮に、高軸圧縮力及び曲げ応力を受けることにより躯体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、補強塗膜は伸びることはあっても破断せず、補強塗膜によって躯体の表面が被覆された状態が維持される。これにより、躯体のコンクリート片の散逸が防止され、また、躯体が転倒したり崩壊したりせずに自立した形状が保持される。例えば、躯体が耐震壁の場合において、大地震時に高軸圧縮力及び曲げ応力を受けることによって破壊が生じたコンクリート片が散乱して避難の障害となったり、そのコンクリート片が周囲に飛散したりするといった被害の増大を防止することができる。
しかも、補強塗膜は変形抵抗を有しているので、地震時に軸力を受ける構造体の躯体が撓み変形したときに、補強塗膜の変形抵抗力によって躯体を元の形状に戻す力が働く。その結果、躯体は、一旦大きく撓み変形した後に若干戻され、最終的な変形量が小さく抑えられる。

また、本発明の構造体によれば、躯体に補強塗膜を吹き付けや塗布することによって形成されるので、従来技術のように柱状のコア部材をＲＣ柱内に埋設する場合に比べて、容易に且つ安価に施工することができ、既設の躯体においても容易に施工できる。

また、本発明に係る構造体は、前記補強塗膜は、前記躯体のうち２面以上に設けられていることが好ましい。

これにより、躯体の２面以上が補強塗膜によって包み込まれた状態となり、その効果（ラッピング効果）により、上記した形状保持がより効果的に発揮される。

本発明に係る構造体によれば、軸力を受ける構造体の圧縮靭性を向上させることができ、それにより、建物の地震に対する耐力および靭性能を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態による構造体を具備する建物の概略構成を示す断面図である。 図１に示すＡ−Ａ間の断面図である。 図２に示すＢ−Ｂ間の断面図である。 本発明の第２の実施の形態による構造体を具備する建物の概略構成を示す平面図である。 図４に示すＣ−Ｃ間の断面図である。 ポリウレア樹脂の力学的特性を示すためのグラフであり、各材料の応力ひずみ関係を示すグラフである。 躯体の一部分を拡大した断面図である。 実施例１による試験結果を示す図である。 実施例２による試験結果を示す図である。 実施例３による試験結果を示す図である。 本発明の変形例を説明するための柱の斜視図であり、（ａ）は柱の一部に補強塗膜が設けられた構成を示し、（ｂ）は柱全体に補強塗膜が設けられた構成を示している。

以下、本発明に係る構造体の実施の形態について、図面に基いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１から図３を参照して、本発明に係る構造体の第１の実施の形態の構成を説明する。

図１及び図２に示す建物１００は、柱５と梁７とを備える鉄筋コンクリート造の構造体であり、特に、その（平面視における）中央位置に鉄筋コンクリート造のコア１０１を有する超高層ビルである。このコア１０１は、平面視矩形の略筒状の形状を呈しており、建物１０の平面視における中央領域に位置し、建物１００の基礎部１０２から建物１００の最上階まで立設されている。また、建物１００の各階のスラブ１０３は、コア１０１にそれぞれ接合されており、建物１００の荷重は、コア１０１で支持されている。また、コア１０１の内側にも、各階毎にスラブ１０４が設けられており、各スラブ１０４は、コア１０１で支持されている。

上記したコア１０１（構造体）は、高軸力を受ける構造体であり、コア壁１とコア柱４とコア梁６とによって構成されている。コア壁１は、地震時に建物１００に入力される水平力を支持する耐震壁である。ただし、コア壁１の厚さは、コア柱４の柱幅及びコア梁６の梁幅と同じであるため、コア壁１、コア柱４及びコア梁６は外観上区別することができない。

図３は、上記したコア１０１の縦断面を示している。なお、図３では図面を簡略化するために鉄筋の図示を省略している。
図３に示すように、下層階のコア１０１のコンクリート造の躯体２の表面には、樹脂製の補強塗膜３が被覆されている。この補強塗膜３は、コア１０１の躯体２の両側の面に、つまり、コア１０１の内部側の面２ａ及び外部側（居室側）の面２ｂにそれぞれ設けられている。また、補強塗膜３の上端部はスラブ１０３，１０４の下面に沿って屈曲した形状となっており、補強塗膜３の上端部はスラブ１０３，１０４の下面まで延びている。また、補強塗膜３の下端部はスラブ１０３，１０４の上面に沿って屈曲した形状となっており、補強塗膜３の下端部はスラブ１０３，１０４の上面まで延びている。さらに、補強塗膜３は、矩形筒状のコア１０１の外周面及び内周面において、コア１０１の全周に亘って設けられている。

［第２の実施の形態］
図４及び図５を参照して、本発明に係る構造体の第２の実施の形態の構成を説明する。

図４に示す建物２００は、鉄筋コンクリート造の建築物であり、柱２０１及び梁２０２（図５に示す）からなるラーメン構造で構成されている。また、この建物２００には、各階にそれぞれ、複数のスラブ２０３と連層耐震壁１０（構造体）とが設けられている。連層耐震壁１０は、最下階から最上階にかけて鉛直方向に連設されている耐震壁であり、高軸力を受ける構造体である。連層耐震壁１０は建物２００の短手方向に隣り合う柱２０１、２０１間に配設されており、それらの柱２０１、２０１に連層耐震壁１０の両側端がそれぞれ接合されている。

図５は、上記した建物２００の連層耐震壁１０廻りの縦断面を示している。なお、図５では図面を簡略化するために鉄筋の図示を省略している。
図５に示すように、下層階の連層耐震壁１０のコンクリート造の躯体２０の表面には、樹脂製の補強塗膜３０が被覆されている。この補強塗膜３０は、連層耐震壁１０の躯体２０の両側の面にそれぞれ設けられている。また、補強塗膜３０の上端部は、まず梁２０２の下面に沿って横向き屈曲した後、梁２０２の側面に沿って上向きに屈曲し、最後にさらにスラブ２０３の下面に沿って横向きに屈曲した形状となっており、補強塗膜３０の上端部は梁２０２の表面を経てスラブ２０３の下面まで延びている。つまり、補強塗膜３０によって梁２０２の下面及び両側の側面がそれぞれ被覆されている。また、補強塗膜３０の下端部はスラブ２０３の上面に沿って屈曲した形状となっており、補強塗膜３０の下端部はスラブ２０３の上面まで延びている。さらに、補強塗膜３０は、当該連層耐震壁１０の両側にある柱２０１，２０１の表面にまで延びており、好ましくは当該柱２０１，２０１の全周に亘って設けられている。

［補強塗膜］
上記した補強塗膜３，３０は、躯体２，２０の表面に吹き付けやローラーなどで塗布される樹脂製の塗膜であって、イソシアネートと、ポリオール及びアミンのうちの少なくとも一方からなる硬化剤との化学反応により形成された化合物からなる。例えば、補強塗膜３，３０としては、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物であるポリウレア樹脂を用いることができる。

補強塗膜３，３０は、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂からなり、例えばポリウレア樹脂の場合は、図６に示す応力ひずみ特性を有する。補強塗膜３，３０を構成する合成樹脂としては、例えば引張強度が鉄筋の十分の一程度の２０ＭＰａ程度（１０〜２５ＭＰａ）であって、破断伸びが２００％以上の物性を有する樹脂からなる。ポリウレア樹脂としては、例えば「スワエールＡＲ−１００（登録商標：三井化学産資株式会社製）」が用いられる。なお、補強塗膜３，３０の厚さ寸法Ｄは、２ｍｍ以上であることが好ましい。

ここで、躯体２，２０に補強塗膜３，３０を被覆する施工方法としては、塗布するコンクリート表面を十分に清掃して塵等を取り除いた後、プライマーを塗布し、その後、補強塗膜材料を躯体２，２０の表面に所定厚さだけ塗布する。これにより、躯体２，２０の表面に補強塗膜３，３０が形成される。なお、プライマーの塗布は省略することも可能であり、或いは、補強塗膜３，３０と躯体２，２０との付着性を高めるために躯体２，２０の表面を斫って凸凹に加工してもよい。

次に、上記した構成からなる構造体（コア１０１及び連層耐震壁１０）の作用について、具体的に説明する。
上述したように、本実施の形態では、補強塗膜３，３０が、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂であるため、躯体２，２０の変形が塑性域に達しても、補強塗膜３，３０が躯体２，２０の大変形に追従して伸び変形するので、補強塗膜３，３０によって躯体２，２０の変形に応じたエネルギー吸収性能が発揮される。したがって、高い軸圧縮力及び曲げ応力に対応することが可能なコア１０１或いは連層耐震壁１０を設けることができる。

仮に、高い軸圧縮力及び曲げ応力を受けることにより躯体２，２０の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、補強塗膜３，３０は伸びることはあっても破断せず、補強塗膜３，３０によって躯体２，２０の表面が被覆された状態が維持される。これにより、躯体２，２０のコンクリート片の散逸が防止され、また、躯体２，２０が転倒したり崩壊したりせずに自立した形状を保持される（形状保持）。例えば、躯体２，２０がコア１０１或いは連層耐震壁１０の場合において、大地震時に高い軸圧縮力及び曲げ応力を受けることによって破壊が生じたコンクリート片が散乱して避難の障害となったり、そのコンクリート片が周囲に飛散したりするといった被害の増大を防止することができる。

また、補強塗膜３，３０は変形抵抗を有しているので、地震時にコア１０１や連層耐震壁１０の躯体２，２０が撓み変形したときに、補強塗膜３，３０の変形抵抗力によって躯体２，２０を元の形状に戻す力が働く。その結果、躯体２，２０は、一旦大きく撓み変形した後に若干戻され、最終的な変形量が小さく抑えられる。

また、補強塗膜３，３０を躯体２，２０の表面に吹き付けたり塗布したりするだけなので、容易に且つ安価に施工することができ、既設の躯体２，２０に対しても容易に施工できる。

また、図７に示すように、躯体２（２０）にクラックC（ひび割れ）が生じても、補強塗膜３（３０）はその伸縮性によって破断しない。この場合、補強塗膜３（３０）は伸び変形しているので、補強塗膜３（３０）の弾性力によって戻る方向の力Ｅが作用する。この力は、クラックCの幅を拡げる力Ｓに抵抗する方向に作用するため、結果的に、クラックCの開き量ｄが小さく抑えられる。

また、本実施の形態のコア１０１及び連層耐震壁１０では、補強塗膜３，３０が躯体２，２０のうち２面以上に設けられているので、躯体２，２０が補強塗膜３，３０によって包み込まれた状態となり、そのようなラッピング効果により、上記した形状保持がより効果的に発揮される。

上述したように、本実施の形態のコア１０１及び連層耐震壁１０によれば、軸力を受けるコア１０１及び連層耐震壁１０の圧縮靭性を向上させることができる。これにより、建物１００，２００の上層階のコア１０１や連層耐震壁１０、又はその他の耐震要素の性能を最大限に発揮させ、高い靭性能を付与することができ、建物１００，２００の地震に対する耐力および靭性能を向上させることができる。

次に、上述した実施の形態によるコア１０１及び連層耐震壁１０の効果を裏付けるために行った試験例（実施例１、２、３）について以下説明する。

（実施例１）
実施例１では、矩形断面の鉄筋コンクリート製の梁材を試験体に使用し、その梁材の表面にポリウレア樹脂を塗布した試験体１、２、３と、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体４とに対して載荷装置を使用した衝撃曲げ試験を行い、ポリウレア樹脂の塗布状況を変えた試験体１〜４の変形状態（亀裂や剥離）を確認した。
各試験体１〜４の梁材は、縦１００ｍｍ×横１２０ｍｍで長さ寸法が１２００ｍｍの６面を有する構造体であり、４週強度で２５Ｎ／ｍｍ２のコンクリートを使用している。さらに、試験体１〜４の内部にＤ１３（芯被り３５ｍｍ）、せん断補強筋Ｄ６を使用している。そして、載荷条件としては、試験体１〜４を長さ方向を水平方向に向けて配置し、試験体１〜４の長さ方向の中心部に対して３０ｋＮの荷重を準静的な０．０００１ｍ／ｓの速度で載荷を付与した。

ここで、試験体１は梁材の６面に塗布厚４ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体２は梁材の６面に塗布厚２ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体３は梁材のうち長さ方向を水平方向に向けた状態で上面および下面の２面のみに塗布厚２ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したもの（４側面にポリウレア樹脂を塗布しない場合）であり、試験体４はポリウレア樹脂を施していないものである。

図８は、上記試験体１〜４において、横軸を載荷点の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸を荷重Ｐ（ｋＮ）とした曲げ試験結果を示している。
図８に示すように、試験体４の場合には、変形量δが略４０ｍｍで破壊し、その破壊箇所においてコンクリート片が生じた。
上下２面にポリウレア樹脂２ｍｍを塗布した試験体３の場合は、変形量δが略６０ｍｍで破壊しているが、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体４の場合よりはじん性が高い、つまり拘束効果（ラッピング効果）を有し、一定の形状保持効果があることが確認された。
また、梁材の表面全周（６面）にポリウレア樹脂を塗布した試験体１、２においては、降伏後（図８の降伏点Ｐ１より右側）でも３０ｋＮの荷重が維持されていることが確認できることから、ラッピング効果が大きく、形状保持効果が高いことがわかる。

（実施例２）
次に、実施例２では、上記実施例１における梁材の６面に塗布厚２ｍｍでポリウレア樹脂を塗布し、衝撃曲げ試験で載荷速度を変えた試験を行い、変形状態（亀裂や剥離）を確認した。
第１試験Ｔ１は４ｍ／ｓ（高速）の載荷速度とし、第２試験Ｔ２は０．５〜１ｍ／ｓ（中速）の載荷速度とし、第３試験Ｔ３は０．１〜０．５ｍ／ｓ（低速）の載荷速度とし、第４試験Ｔ４は０．０００１ｍ／ｓ（準静的速度）の載荷速度とした。

図９は、上記第１試験Ｔ１〜第４試験Ｔ４において、横軸を載荷点の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸を荷重Ｐ（ｋＮ）とした曲げ試験結果を示している。
図９に示すように、各試験Ｔ１〜Ｔ４ともに降伏後でも準静的最大荷重が維持されていることがわかる。このことから、ポリウレア樹脂を梁材の６面全体にわたって塗布する場合には、載荷速度にかかわらず、準静的最大荷重が維持されることを確認することができる。このとき、梁材の試験体は大きく変形し、約５度程度の角度で屈曲していたが、コンクリート片が生じることもなく、梁材としての形状が保持されていた。このように、ポリウレア樹脂を塗布した梁材は、衝撃や持続的な加力に対して有効であり、コンクリート片の発生を防ぐことができることが確認できた。

（実施例３）
実施例３では、矩形断面の鉄筋コンクリート製の梁材を試験体に使用し、その梁材の表面にポリウレア樹脂を塗布した試験体１´、２´と、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体３´とに対して載荷装置を使用した衝撃曲げ試験を行い、ポリウレア樹脂の塗布状況を変えた試験体１´〜３´の変形状態（亀裂や剥離）を確認した。
各試験体１´〜３´の梁材は、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍで長さ寸法が４５０ｍｍの６面を有する構造体であり、４週強度で２５Ｎ／ｍｍ２のコンクリートを使用している。さらに、試験体１´〜３´の内部にＤ１３（芯被り３５ｍｍ）、せん断補強筋Ｄ６を使用している。そして、載荷条件としては、試験体１´〜３´を長さ方向を水平方向に向けて配置し、試験体１´〜３´の長さ方向の中心部に対して３０ｋＮの荷重を準静的な０．０００１ｍ／ｓの速度で載荷を付与した。

ここで、試験体１´は梁材の６面に塗布厚４ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体２´は梁材の上面以外の５面に塗布厚４ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体３´はポリウレア樹脂を施していないものである。

図１０は、上記試験体１´〜３´において、横軸を載荷点の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸を荷重Ｐ（ｋＮ）とした曲げ試験結果を示している。
図１０に示すように、試験体３´の場合には、変形量δが略０．６５ｍｍで破壊し、その破壊箇所においてコンクリート片が生じた。
上面以外の５面にポリウレア樹脂４ｍｍを塗布した試験体２´の場合は、変形量δが略９ｍｍで破壊しているが、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体３´の場合よりはじん性が高い、つまり拘束効果（ラッピング効果）を有し、一定の形状保持効果があることが確認された。
また、梁材の表面全周（６面）にポリウレア樹脂を塗布した試験体１´においては、変形量δが略３０〜３５ｍｍで破壊しているが、５面にポリウレア樹脂を塗布した試験体２´の場合よりは更にじん性が高い、つまりラッピング効果が大きく、形状保持効果が高いことがわかる。

以上、本発明に係る構造体の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、本発明に係る構造体の一例としてコア１０１及び連層耐震壁１０について説明しているが、本発明は、コア１０１や連層耐震壁に限定されるものではない。具体的には、本発明に係る構造体は、柱であってもよく、或いは、軸力を受けるコアや連層耐震壁以外の壁であってもよい。例えば、本発明に係る構造体が柱である場合には、図１１（ａ）に示すように、補強塗膜３００が柱５の長さ方向の一部の区間にのみ、好ましくは柱５の端部（下端部）の躯体の表面にのみ設けられた構成であってもよい。若しくは、図１１（ｂ）に示すように、補強塗膜３００が柱５の全長に亘って設けられた構成であってもよい。なお、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示す構成では、補強塗膜３００が柱５の全周に亘って設けられているが、補強塗膜３００が柱５の躯体の表面のうちの３面だけを被覆した構成であってもよく、この場合でも、上記したラッピング効果を発揮することができる。さらに、補強塗膜３００が柱５の表面のうちの２面或いは１面だけを被覆している構成であってもよく、この場合であっても、上記したラッピング効果が発揮されないが、上記した形状保持の効果を奏することができる。

また、上記した実施の形態では、補強塗膜３，３０がコア１０１及び連層耐震壁１０の躯体２，２０の両側の面にそれぞれ被覆されているが、本発明は、躯体２，２０の片面にのみ補強塗膜３，３０が設けられた構成であってもよい。

さらに、補強塗膜３，３０において、例えばガラス片やガラス繊維、ガラスフリット等を分散させてなる不燃性を有する混入材を、ポリウレア樹脂に混入させることも可能である。あるいは混入材として、例えばコンクリート、煉瓦、瓦、石綿スレート、鉄鋼、アルミニウム、モルタル、漆喰等のガラス以外の不燃材料であっても良い。

また、上記した実施の形態では、補強塗膜３，３０として、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物からなるポリウレア樹脂が用いられているが、本発明は、イソシアネートとポリオールとの化学反応により形成された化合物からなるポリウレタン樹脂を補強塗膜として用いることも可能であり、また、イソシアネートとポリオールとアミンとの化学反応により形成された化合物からなる樹脂を補強塗膜として用いることも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１・・・コア壁
２，２０・・・躯体
３，３０・・・補強塗膜
４・・・コア柱
５・・・柱（構造体）
６・・・コア梁
７・・・梁
１０・・・ 連層耐震壁（構造体）
１０１・・・コア（構造体）

Claims (2)

1. 軸力を受ける構造体であって、
   コンクリート造の躯体の表面に樹脂製の補強塗膜が被覆されてなり、
   前記補強塗膜は、イソシアネートと、ポリオール及びアミンのうちの少なくとも一方からなる硬化剤と、の化学反応により形成された化合物からなることを特徴とする構造体。
2. 前記補強塗膜は、前記躯体のうち２面以上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の構造体。

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