JP2019049122A - 矩形マンホールの補強方法および補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】補強にかかる稼働および材料費の削減を図りつつ、埋設されたマンホールが受ける応力に対する十分な補強を施す。【解決手段】本発明に係る矩形マンホールの補強方法は、矩形マンホール１０の下床版１１にのみ、強化繊維製の帯状補強材２を設け、矩形マンホール１０の側壁長手側中央部において、側壁１２の上部と矩形マンホール１０の上床版１３、および、側壁１２の下部と下床版１１とをそれぞれ、補強部材３により固定する。また、本発明に係る矩形マンホールの補強構造は、矩形マンホール１０の下床版１１にのみ設けられた、強化繊維製の帯状補強材２と、矩形マンホール１０の側壁長手側中央部において、側壁１２と矩形マンホール１０の上床版１３、および、側壁１２と下床版１１とをそれぞれ固定する補強部材３と、を備える。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、矩形マンホールの補強方法および補強構造に関する。

外部環境に曝される設備は経年変化する。地中に埋設されたコンクリート構造物であるマンホールも例外ではない。そのため、マンホールの補強技術が必要とされている。

特許文献１には、下床版、側壁および上床版からなる函体の上床版に開口用の首部を接続したマンホールにおいて、側壁の４隅を含む隅角部に台形状のハンチブロックを横並びで配設するとともに、下床版、側壁および上床版の内面に繊維強化プラスチック製の帯状補強材を接着する技術が開示されている。

また、特許文献２には、矩形マンホールの側壁長手側中央部において、側壁の上部と上床版、および、側壁の下部と下床版とをそれぞれ、補強部材により固定する技術が開示されている。

特許第４２６４０９５号 特許第５３７７５６３号

マンホールの補強方法として上記の技術を活用することで、ある程度の補強効果を得ることができると考えられる。しかしながら、本願発明者らが検討した結果、材料、壁厚などが異なるマンホール、例えば、レジンマンホールの場合、地中に埋設された状態では、側壁には躯体上部からの負荷により、内側から外側方向に応力が生じることが見出された。上述した技術を単純に組み合わせるだけでは、上述したような内側から外側方向に生じる応力に対する適切な補強とは言えない。特に、マンホールの補強においては、補強にかかる稼働および材料費の削減を図ることが求められるが、このような観点からの補強については検討の余地があった。

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、補強にかかる稼働および材料費の削減を図りつつ、埋設されたマンホールが受ける応力に対する十分な補強を施すことができる補強方法および補強構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る矩形マンホールの補強方法は、前記矩形マンホールの下床版にのみ、強化繊維製の帯状補強材を設け、前記矩形マンホールの側壁長手側中央部において、前記側壁の上部と前記矩形マンホールの上床版、および、前記側壁の下部と前記下床版とをそれぞれ、補強部材により固定する。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る矩形マンホールの補強構造は、前記矩形マンホールの下床版にのみ設けられた、強化繊維製の帯状補強材と、前記矩形マンホールの側壁長手側中央部において、前記側壁と前記矩形マンホールの上床版、および、前記側壁と前記下床版とをそれぞれ固定する補強部材と、を備える。

本発明に係る矩形マンホールの補強方法および補強構造によれば、補強にかかる稼働および材料費の削減を図りつつ、埋設されたマンホールが受ける応力に対する十分な補強を施すことができる。

本発明の一実施形態に係る補強構造を示す斜視図である。 図１Ａに示す下床版を上床版側から見た図である。 載荷試験を行うための構造物試験機の構成を示す正面図である。 載荷試験を行うための構造物試験機の構成を示す右側面図である。 載荷試験における試験体への歪みゲージの取り付け位置について説明するための部分展開図である。 載荷試験後の試験体のひび割れ状況を示す図である。 載荷試験により試験体の側壁に生じたひずみ量を示すグラフである。 図１Ａに示す補強部材の構成の一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１Ａ，１Ｂは、本発明の一実施形態に係る補強構造１を示す図である。本実施形態に係る補強構造１は、下床版１１、側壁１２および上床版１３を有し、地中に埋設される矩形マンホール１０の補強を図るものである。図１Ａは、本実施形態に係る補強構造１を示す斜視図である。また、図１Ｂは、矩形マンホール１０の下床版１１を上床版１３側から見た図である。なお、矩形マンホール１０には、上床版１３に開口が設けられたり、下床版１１に排水などのための枡部が設けられたりすることがあるが、以下の図面では、図面の簡略化のため、これらについては記載を適宜省略する。

図１Ａ，１Ｂに示す補強構造１は、帯状補強材２と、補強部材３とを備える。なお、帯状補強材２および補強部材３は、矩形マンホール１０内に設けられるものであるが、図の明確化のため、図１Ａにおいては、帯状補強材２および補強部材３の一部を実線で示している。

帯状補強材２は、強化繊維製の帯状（シート状）の部材である。帯状補強材２は、矩形マンホール１０の下床版１１の内面に接着樹脂により接着して設けられる。図１Ａに示すように、帯状補強材２は、下床版１１にのみ設けられており、側壁１２および上床版１３には設けられていない。帯状補強材２としては、例えば、繊維強化プラスチック製の部材、炭素繊維製の部材など種々のものを用いることができる。

補強部材３は、側壁１２の長手側（下床版１１および上床版１３と接する側）中央部において、側壁１２の下部と下床版１１、および、側壁１２の上部と上床版１３とをそれぞれ固定する。下床版１１と側壁１２とを固定する補強部材３は、側壁１２の下部から、側壁１２と下床版１１とが交わる隅角部を経て下床版１１まで接するように設けられる。また、上床版１３と側壁１２とを固定する補強部材３は、側壁１２の上部から、側壁１２と上床版１３とが交わる隅角部を経て上床版１３まで接するように設けられる。補強部材３は、例えば、補強部材３を介してアンカーを矩形マンホール１０の壁部に打ち込むことによって固定される。

次に、本実施形態に係る矩形マンホール１０の補強方法について説明する。

まず、矩形マンホール１０の下床版１１に、帯状補強材２を接着する。ここで、上述したように、本実施形態においては、帯状補強材２は、下床版１１にのみ設けられ、側壁１２および上床版１３には設けられない。

次に、矩形マンホール１０の側壁長手側中央部において、側壁１２の上部と上床版１３、および、側壁１２の下部と下床版１１とをそれぞれ、補強部材３により固定する。なお、側壁１２と下床版１１とが交わる隅角部では、側壁１２および下床版１１に対して所定の角度（例えば、４５度）だけ傾いた斜面部が設けられる。そして、斜面部の一端に側壁１２が接続し、斜面部の他端に下床版１１が接続する。また、側壁１２と上床版１３との隅角部にも同様に、斜面部が設けられる。側壁１２の下部と下床版１１とを固定する補強部材３は、側壁１２の下部と、側壁１２と下床版１１との間の斜面部と、下床版１１とに接するように設けられる。また、側壁１２の上部と上床版１３とを固定する補強部材３は、側壁１２の上部と、側壁１２と上床版１３との間の斜面部と、上床版１３とに接するように設けられる。

次に、本実施形態に係る補強構造１による補強の効果について説明する。

本願発明者らは、本実施形態に係る補強構造１による補強の効果を確認するために、補強構造１を備える躯体の上部に荷重を負荷する載荷試験を行った。まず、図２Ａ，２Ｂを参照して、載荷試験を行うための構造物試験機１００の構成について説明する。図２Ａは、構造物試験機１００の構成を示す正面図である。また、図２Ｂは、構造物試験機１００の構成を示す右側面図である。

図２Ａ，２Ｂに示すように、構造物試験機１００は、鋼製の平板で形成され、試験体Ｔに荷重を負荷するための載荷板２０と、載荷板２０を押圧する油圧装置３０と、油圧装置３０による試験体Ｔの押圧による反力を支持する反力部材４０および反力支柱５０を備える。試験体Ｔは、例えば、マンホールなどのコンクリート構造物から切り出されたものである。試験体Ｔの上面には、発泡スチロール製の上板２０Ｔが配置されている。また、試験体Ｔの下面には、発泡スチロール製の下板２０Ｂが配置されている。なお、本明細書において、上方向とは、図２Ａにおいて、床Ｆから反力部材４０に向かう方向を指すものとする。また、下方向とは、反力部材４０から床Ｆに向かう方向を指すものとする。

構造物試験機１００は、例えば、ＪＩＳ Ａ １１０８に基づくコンクリートの圧縮強度試験方法を実施するための大型構造物試験機を用いることができる。試験体Ｔに圧縮荷重を負荷する油圧装置３０は、例えば、油圧シリンダの駆動により載荷板２０を所定の荷重で押圧可能な構成とすることができる。そして、油圧装置３０は、油圧シリンダへの流量を調整する流量調整バルブを制御することにより、加圧速度または変位速度を調整可能に構成することができる。なお、油圧装置３０に代えて、例えば、電気モータなどの油圧以外を用いた他の駆動装置により試験体Ｔを押圧するように構成してもよい。

構造物試験機１００の制御を行う制御回路は、図示は省略するが、作業者からの操作入力を受け付ける入力部、試験結果を記憶する記憶部、試験結果を表示する表示部、構造物試験機１００全体の動作を制御する制御部などを備える。制御部は、例えば、上述した流量調整バルブを制御することにより、油圧装置３０の加圧速度または変位速度を調整する。また、制御部は、試験体Ｔに貼付された歪みゲージからの出力を取得する。これにより、圧縮荷重値と試験体Ｔの歪みとの関係をデータ化することができる。

載荷板２０は、下面が平面である鋼製の平板であり、油圧装置３０からの押圧力を試験体Ｔに伝達する。載荷板２０は、図２Ａ，２Ｂに示すように、平面視で試験体Ｔよりもやや大きい投影面積を有している。載荷板２０により、試験体Ｔの上面の全領域に押圧力を加えることができる。なお、載荷板２０の厚みは、構造物試験機１００で想定される押圧力（圧縮力）を加えても、載荷板２０に曲げ変形が生じない程度の厚みを有していることが好ましい。

上板２０Ｔは、発泡スチロール（ＥＰＳ：Expanded Poly-Styrene）で形成されている。発泡スチロールとは、ポリスチレンを微細な泡で発泡させて硬化させた材料であり、軽量かつ弾性力があり、衝撃吸収性にも優れる。そして、発泡スチロールは、外力に対して気泡の大きさが変化することで変形し、外力を吸収することができる。したがって、図２Ａに示すように、載荷板２０が発泡スチロール製の上板２０Ｔを介して試験体Ｔを押圧するように構成すれば、荷重によって試験体Ｔが変形しても、上板２０Ｔが試験体Ｔの上面の変形に追従して変形するため、上板２０Ｔは常に、載荷板２０と試験体Ｔの上面との両方に広い面積で接触することができる。したがって、載荷板２０は、試験体Ｔが変形しても、試験体Ｔの上面の隅角部に偏ることなく、上面の全領域を押圧することができる。

下板２０Ｂは、上板２０Ｔと同様に、発泡スチロールで形成されている。床Ｆと試験体Ｔとの間に発泡スチロール製の下板２０Ｂを配置することにより、載荷板２０からの荷重などにより試験体Ｔが変形しても、下板２０Ｂが試験体Ｔの下面の変形に追従して変形するため、下板２０Ｂは常に、試験体Ｔの下面と床Ｆとの両方に広い面積で接触することができる。したがって、試験体Ｔは、載荷板２０からの押圧力に対する反力を、試験体Ｔの下面全体で受けることができる。

油圧装置３０が試験体Ｔを下方向に向けて押圧すると、床Ｆからの反力を受けて、油圧装置３０を支持する反力部材４０には上方向の力が作用する。この上方向の力は、反力部材４０の両側に形成された反力支柱５０に伝達される。

次に、構造物試験機１００による載荷試験について説明する。

まず、２種類の試験体Ｔを用意した。試験体Ｔは、サイズ：３０００×１４０５×１６９０［ｍｍ^３］であり、質量：３．２［ｔ］のレジンコンクリート構造体である。一方の試験体Ｔには、本実施形態に係る補強方法により補強を施した。他方の試験体Ｔには、補強を施さなかった。帯状補強材２としては、炭素繊維製の炭素繊維シートを用いた。

試験体Ｔには、歪みゲージを貼付した。図３は、試験体Ｔの部分展開図である。図３においては、試験体Ｔの上床版１３と接する側壁１２の長手方向の一方の端部から、下床版１１と接する側壁１２の長手方向の他方の端部に向かう方向をＸ方向とする。また、側壁１２の短手方向の一方の端部から他方の端部に向かう方向をＹ方向とする。歪みゲージは、側壁１２の長手方向の一方の端部からＸ方向に４４５ｍｍの位置（側壁１２の長手方向の他方の端部から１３０５ｍｍの位置）であって、側壁１２の短手方向の一方の端部から１４７５ｍｍの位置に貼付した。歪みゲージは、試験体Ｔに生じたＸ方向およびＹ方向の歪みを検出する。なお、図３においては、上床版１３には、試験体Ｔの内部空間に通じる開口６０が設けられ、下床版１１には、円筒形状の枡部７０が設けられている例を示している。

次に、用意した試験体Ｔを構造物試験機１００に設置した。構造物試験機１００として、ＪＦＥテクノリサーチ株式会社製の１０ＭＮ大型構造物試験機を採用した。また、床Ｆと試験体Ｔとの間、および、試験体Ｔと載荷板２０との間にはそれぞれ、発泡スチロール（積水化成工業株式会社製ＤＸ−３５板厚１００ｍｍ）を挿入した。そして、載荷板２０を、０．０１［ｍｍ／ｓｅｃ．］の速度で下方向に移動させて、試験体Ｔに対して、単調１軸の圧縮荷重を負荷した。

図４は、載荷試験後の補強なしの試験体Ｔおよび本実施形態に係る補強方法により補強を施した試験体Ｔ（補強ありの試験体Ｔ）に生じたひび割れ状況を示す図である。図４においては、補強なしの試験体Ｔおよび補強ありの試験体Ｔそれぞれについて、試験体Ｔ全体（全景）および下床版１１のひび割れ状況を示している。なお、載荷試験においては、破壊を進行させるため、補強ありの試験体Ｔに対して、補強なしの試験体Ｔよりも大きな荷重を負荷した。そのため、図４に示すように、補強ありの試験体Ｔの方が、補強なしの試験体Ｔよりも多くのひび割れが生じている。

図４に示すように、載荷試験後の試験体Ｔにおいては、補強の有無に関わらず、下床版１１および側壁１２でひび割れが生じていた。

上述したように、本実施形態においては、帯状補強材２を下床版１１のみに設け、側壁１２および上床版１３には設けていない。側壁１２のひび割れを抑制するために、従来技術のように、側壁１２にも帯状補強材２を設けることも考えられる。しかしながら、側壁１２に帯状補強材２を設けることは、以下の理由より、不要であると考えられる。

まず、レジンマンホールの場合、側壁１２に対して内側から外側方向に応力が生じるため、帯状補強材２を側壁１２に設けても、剛体として機能せず、補強効果が小さいという理由がある。

また、上述した載荷試験では、地中に埋設されたマンホールに負荷される外側から内側方向への土圧が生じておらず、側壁１２に対して過剰な応力が生じている。そのため、地中で生じる側壁１２への応力は、上述した載荷試験で得られた値よりも小さい。

また、本願発明者らが計測した結果、帯状補強材２を設けた下床版１１の方が、帯状補強材２を設けていない側壁１２よりも、大きな応力が負荷されていることが、変位量の大きさから確認された。そのため、側壁１２の補強は、下床版１１の更なる補強よりも優先度が低いと考えられる。

なお、下床版１１に設けた帯状補強材２は、下床版１１の外側から内側方向への応力に対して、剛体として機能するため、下床版１１に帯状補強材２を設けることで、補強部材３のみの補強より、高い耐力が得られると考えられる。

図５は、試験体Ｔ（躯体）の側壁１２の下部に生じたＸ方向およびＹ方向の歪み量の変化を示す図である。図５において、縦軸は、躯体に負荷された荷重（ｋＮ）を示している。また、横軸は、歪み量を示している。

図５に示すように、Ｘ方向については、躯体に載荷された直後は、補強なしの場合の方が、歪み量の変化が少ない。これは、載荷直後から、側壁１２が内側から外側に向かって張り出すものの、躯体全体が潰れることによる圧縮力が働くことで、歪み量の変化は少なかったものと推察される。

一方、Ｙ方向については、補強ありの場合の方が、載荷直後から歪み量が小さい。これは、Ｘ方向とは異なり、躯体が潰れることによる圧縮力が働かないため、補強ありの場合の方が、歪み量が小さくなったと考えられる。部材の歪みの変化量は、その部材が受けた外力に相当する。そのため、隅角部の部分補強（補強部材３による補強）により、躯体上部からの荷重により生じる内側から外側への外力を緩和することができることが実験的に確認された。また、帯状補強材２を下床版１１にのみ設けるので、帯状補強材２を側壁１２および上床版１３に設ける場合と比べて、補強に係る稼働および材料費を削減することもできる。

なお、補強部材３の形状は、側壁１２の上部と上床版１３、および、側壁１２の下部と下床版１１とをそれぞれ固定することができれば、特に限定されない。図６は、補強部材３の形状の一例を示す図である。補強部材３は、例えば、図６に示すように、複数連結して用いられることがある。この場合、補強部材３は、隣接して配置される補強部材３と噛み合わせ可能な凹凸部３ａを備えていてもよい。凹凸部３ａを設けることで、複数の補強部材３を並べて配置する際に、隣り合う補強部材３の凹凸部３ａ同士を噛み合わせることで、施工時の部材間の位置ずれが生じるのを防ぐことができる。

このように本実施形態に係る矩形マンホール１０の補強方法においては、矩形マンホール１０の下床版１１にのみ、強化繊維製の帯状補強材２を設け、矩形マンホール１０の側壁長手側中央部において、側壁１２の上部と矩形マンホール１０の上床版１３、および、側壁１２の下部と下床版１１とをそれぞれ、補強部材３により固定する。

下床版１１への帯状補強材２の接着と、補強部材３による側壁１２の上部と上床版１３、および、側壁１２の下部と下床版１１の固定とにより、躯体上部からの荷重により生じる内側から外側への外力を緩和することができる。また、下床版１１にのみ帯状補強材２を設け、側壁１２および上床版１３には帯状補強材２を設けないことで、補強に係る稼働および材料費を削減することもできる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。

１ 補強構造
２ 帯状補強材
３ 補強部材
３ａ 凹凸部
１０ 矩形マンホール
１１ 下床版
１２ 側壁
１３ 上床版
１００ 構造物試験機
２０ 載荷板
２０Ｔ 上板
２０Ｂ 下板
３０ 油圧装置
４０ 反力部材
５０ 反力支柱
６０ 開口
７０ 枡部

Claims (4)

1. 矩形マンホールの補強方法であって、
   前記矩形マンホールの下床版にのみ、強化繊維製の帯状補強材を設け、
   前記矩形マンホールの側壁長手側中央部において、前記側壁の上部と前記矩形マンホールの上床版、および、前記側壁の下部と前記下床版とをそれぞれ、補強部材により固定することを特徴とする補強方法。
2. 請求項１に記載に補強方法において、
   前記補強部材は、隣接して配置される補強部材と噛み合わせ可能な凹凸部を備えることを特徴とする補強方法。
3. 矩形マンホールの補強構造であって、
   前記矩形マンホールの下床版にのみ設けられた、強化繊維製の帯状補強材と、
   前記矩形マンホールの側壁長手側中央部において、前記側壁と前記矩形マンホールの上床版、および、前記側壁と前記下床版とをそれぞれ固定する補強部材と、を備えることを特徴とする補強構造。
4. 請求項３に記載の補強構造において、
   前記補強部材は、隣接して配置される補強部材と噛み合わせ可能な凹凸部を備えることを特徴とする補強構造。

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