JP2020029720A - 塔状構造物の制震構造 - Google Patents
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Abstract
Description
流水の水位制御手段として、水路構造物の適宜の位置に水門構造物を設置することが知られている。
水門構造物は縦長矩形を呈するコンクリート製の水門枠と、水門枠に昇降自在に配設されたゲートと、水門枠の天端に載置されたゲートの昇降機構とを具備していて、ゲートの昇降操作により流水の水位制御が可能である。
水門枠の躯体は上下流に位置させた水路構造物に隣接して構築されている。
そのため、現行の水門構造物の強度では巨大地震に耐えられず、水門枠が大きく横揺れした際に門柱の下部または側壁が破損して水門機能が喪失する危険がある。
特許文献1には、既設のコンクリート構造物(既設建物)の外側面に補強柱を構築し、この補強柱とコンクリート構造物の基礎の周りに新たに構築した補強基礎との間に複数の引張材をコンクリート構造物の外側面と平行に緊結したコンクリート構造物の耐震補強技術が示されている。
<1>水門構造物に従来のコンクリート構造物の一般的な耐震補強技術を適用した場合、水中に面した水門枠の下部の躯体を補強するとこになる。
この耐震補強工事を実施するには、工事期間に亘って水路全面を遮水するか、或いは水路の切廻しが必要となり、工事環境の整備に多くの時間を要して工期の長期化とコスト増の要因となる。
特に水門構造物の設置数が増えると耐震補強総費用が莫大となるため、経済的に実現できる水門構造物の対策技術の提案が喫緊の課題となっている。
<2>水門枠の頂版と頂版に搭載した昇降機構との間に免震支承体を介装する従来技術を適用すると、水門枠が揺れたときに免震支承体の塑性変形に伴いゲートの昇降が不能となって、水門機能を喪失する。
<3>水門構造物に特許文献1に記載の補強技術を適用しようとすると、門柱が極めて不経済で非現実的な断面形状となる恐れがあるだけでなく、補強基礎の構築のための用地取得に経済的な追加負担を強いられる。
<1>塔状構造物の躯体に追加の耐震補強工事をせずに、地震時における塔状構造物の変位を効果的に抑制すること。
<2>水路構造物に隣接した水門構造物の制震対策として活用できること。
前記塔状構造物は、例えば水門枠と昇降可能なゲートとゲートの昇降機構とを具備した水門構造物であり、前記第1および第2低層構造物は、例えばコンクリート製の水路構造物である。
本発明の他の形態において、塔状構造物と第1および第2低層構造物との間にそれぞれ張架される交差した引張材の両端部を、塔状構造物を中心とした点対称の位置に連結することが望ましい。
本発明の他の形態において、前記交差した単数または複数の引張材の一端が塔状構造物の上部に連結してある。
本発明の他の形態において、交差した複数の引張材の一端を塔状構造物に多段的に連結してもよい。
本発明の他の形態において、交差した複数の引張材の他端を第1および第2低層構造物の一部に集約して連結してもよいし、交差した複数の引張材の他端を第1および第2低層構造物の長手方向に沿って複数箇所に連結してもよい。
本発明の他の形態において、塔状構造物と第1および第2低層構造物との間に交差した補強用の引張材を追加して水平に張架してもよい。
<1>塔状構造物と第1および第2低層構造物との間に引張材を交差して張架すると共に、交差した引張材に予め均等な張力を導入しておくだけで、第1および第2低層構造物から反力を得て、地震時における塔状構造物の変位を効果的に抑制できる。
したがって、地震時において塔状構造物の躯体に過大な曲げやせん断応力等が作用しないので、塔状構造物の躯体を対象とした増厚補強、鉄板補強、炭素繊維補強、せん断筋の挿入補強等の耐震補強を施す必要がない。
<2>塔状構造物の両側にそれぞれ引張材を交差して配置したことで、塔状構造物の全方向へ向けた変位を規制することができる。
<3>既設の第1および第2低層構造物を反力部材として活用するので、独立した反力部材を新たに設置したり、新たな用地を確保したりする必要がない。
<4>複数の引張材を交差して張架した場合は、各引張材の張力負担を軽減できると共に、一部の引張材に損傷や張力低減が生じたときに塔状構造物に対するリダンダンシー(冗長性・余裕性)効果を期待することができる。
<5>水路構造物に隣接した水門構造物の制震対策として有効であり、水門構造物の躯体に耐震補強をせずに、地震時における水門構造物の変位を効果的に抑制することができる。
図1〜3を参照して説明すると、水門構造物10は水路構造物20の横断方向に向けて設置される塔状構造物であり、縦長矩形を呈する水門枠15と、水門枠15に昇降自在に配設されゲート16と、ゲート16を昇降する昇降機構17とを具備する。
水門枠15は、水路に面した下部側の側壁11と、側壁11上に形成された門柱12と、相対向する門柱12,12の上部間に形成された頂版13と、相対向する側壁11,11の下部間に形成された底版14とを有し、場所打ちコンクリートにより一体構造物として構築されている。
水門枠15は水路構造物20の横断方向に向けて配設され、水門枠15の側壁11と底版14の側端面が各水路構造物20の開口側端面と接合している。
水門枠15の左右一対の側壁11,11と底版14とにより断面溝型の水路を形成している。
水門枠15は一対の門柱12,12の間にゲート16を具備している。
鋼製またはコンクリート製のゲート16は、棒材、ロープ材、チェーン等の垂下材18に垂下されていて、昇降機構17による垂下材18の上下動操作に伴い、門柱12,12に沿ったゲート16の昇降が可能である。
水門枠15はその頂版13にゲート16を昇降するための公知の昇降機構17を搭載している。
昇降機構17は垂下材18の種類により異なるが、垂下材18を上下動するための例えば昇降機、昇降機駆動用モータ、減速機等の必要な機器を含んでいる。
ゲート16の昇降は動力を用いた操作だけでなく、手動による昇降操作も可能な構成になっている。
水路構造物20は矩形断面を呈するコンクリート製の溝渠であり、底版21と一対の側壁22,22とを有している。
水路構造物20は水路の全長に亘って敷設してもよいが、水門構造物10の上流側と下流側の限定区間に亘って敷設してもよい。
本発明では水門構造物10の制震手段として、水門構造物10と各水路構造物20,20との間に単数または複数の引張材30を平面視X状に交差して張架すると共に、交差した各引張材30に予め張力を導入しておく手法を採用した。
本発明では両構造物10,20の間に引張材30を上記のように張架しておくことで、水門構造物10に対して直接的な追加の耐震補強を行わずに、水路構造物20に反力を得て地震時における水門構造物10の揺動等の運動エネルギーを減衰しつつ、水門構造物10の変位を効果的に抑制することができる。
引張材30は高張力に耐え得るロープ材または棒材である。
引張材30の素材としては、例えば伸び率の小さな鋼製、繊維製のロープ材や、鋼棒、PC鋼棒等の棒材、または形鋼等の鋼材を使用でき、実用上はワイヤーロープが好適である。
交差する各引張材30の全長は均一であるが望ましいが、機能的に悪影響がでない範囲で各引張材30の全長に多少の差があってもよい。
水門構造物10を間に挟んで、水門構造物10の上流側と下流側の水路構造物20,20との間には引張材30が交差して配設されている。
本例では、水門構造物10と上流側の水路構造物20の間と、水門構造物10と下流側の水路構造物20との間にそれぞれ2本の引張材30,30を交差して配設し、合計4本の引張材30を使用する形態について説明する。
水門構造物10と上下流側にそれぞれ引張材30を交差して配置したのは、水門構造物10の全方向へ向けた変位を規制するためである。
各引張材30はその一端を水門枠15の上部に接続し、各引張材30の他端を水路構造物20の一部に接続している。
各引張材30を水路構造物20に接続することで水路構造物20を反力部材として活用するので、水門構造物10の周囲に独立した反力部材を新たに設置したり、そのために水門構造物10の周囲に新たな用地を確保したりする必要がない。
本例では各引張材30の一端を水門枠15の門柱12の上部に連結した形態について説明するが、各引張材30の一端を頂版13に連結してもよい。
また本例では各引張材30の他端を水路構造物20の側壁22の上部に連結する形態について説明するが、各引張材30の他端は側壁22の一部に連結してあればよい。
交差した全ての引張材30には張架時に均等な張力(プレロード)を導入する。
すなわち、水門構造物10の上流側に交差して張架した引張材30,30に均等な張力を導入すると共に、同様に門構造物10と下流側に交差して張架した引張材30,30にも均等な張力を導入する。
すべての引張材30に均等な張力を導入することで、水門構造物10を構成する水門枠15に対して捩じれや曲げ等が生じることを効果的に防止できる。
引張材30の導入張力は水門構造物10の全高等を考慮して適宜選択する。
本発明における「均等な張力」とは、同一の張力を意味するだけでなく、ほぼ同一の張力も含むものである。
引張材30の導入張力は均等な関係に限定されるものではなく、機能的に悪影響がでない範囲で各引張材30に多少の張力差があってもよい。
引張材30に所定の張力を導入するには、本例で図示するように引張材30の一部に介装した締付具31を用いて緊張してもよいし、PC工法で使用する公知の緊張ジャッキを用いて引張材30を緊張して端部を定着してもよい。
引張材30に介装する締付具31としては、例えば油圧式の小型ジャッキやねじ式のターンバックル等を適用できる。
このように流水を流したままの状態で引張材30に所定の張力を導入して張架できるので、引張材30の設置作業を行う際に水路の全面遮水や水路の切廻しが不要となる。
つぎに通常時と地震時における水門構造物10の挙動について説明する。
水門構造物10を構成する水門枠15は、その四隅に連結した引張材30を介して外方へ向けた緊張力が作用するだけでなく、水門枠15の全体に対して下向きの牽引力が作用している。
水門構造物10に対してこれらの外力が均等に作用しているので、水門構造物10に対して過大な捩じれ力や特定方向へ向けた曲げ応力等が生じることはない。
さらに各引張材30の張架方向が斜め方向であることから、引張材30の導入張力の鉛直成分が水門構造物10に対して軸力として作用するだけである。
したがって、引張材30に大きな張力が導入されていてもこの張力により水門構造物0を構成する水門枠15が座屈破損する心配はまったくない。
水門構造物10と水路構造物20は高低差があるため、引張材30が存在しなければ地震時に両構造物10,20の挙動は大きく異なり、重いゲート16を懸架した水門構造物10は1失点系の大きな揺れを示し、水路構造物20は周囲の地盤と一緒の挙動を示す。
水門構造物10は交差した引張材30を介して隣接する水路構造物20,20に連結されていて、両構造物10,20の間で力の伝達が可能な構造になっている。
そのため、水門構造物10に対して作用する前後左右方向へ向けた地震力は反力源である水路構造物20,20に支持されて、水門構造物10の自由な横揺れが規制される。
特に、引張材30が交差していることで、前後左右方向を含む全方向に対して水門構造物10の横揺れを抑制できる。
地震時に水門構造物10に対して鉛直方向へ向けた縦揺れが生じた場合も、交差した引張材30が既設の水路構造物20から反力を得て水門構造物10の自由な縦揺れを規制する。
水門構造物10に横揺れまたは縦揺れが生じると、揺れの抵抗方向に位置する引張材30の張力が増し、揺れ方向に位置する引張材30の張力が減少する。
各引張材30が斜めに張架されていることと、予め引張材30に張力が導入してあることで、水門構造物10に対する張力の増減変化の影響が少なくて済む。
そのため、水門構造物10に対して生じる曲げや捩じれ等の応力は極僅かであり、さらに水門構造物10に生じる軸力変化も少ないので、水門枠15の一部が曲げ、せん断、捩じれ等により破損したり、座屈したりする心配がない。
既述したように引張材30が存在しなければ、水門構造物10は水路構造物20から分離独立した挙動を示すことなる。
これに対して、両構造物10,20の間に引張材30を交差して張架することで、水門構造物10が水路構造物20に近い挙動を示すことになって、水門構造物10の挙動そのものを小さく抑えることができる。
したがって、水門構造物10を構成する水門枠15の地震動に対する荷重負担が小さくなるので、水門枠15の躯体そのものを耐震補強する必要はなく、既存のままで水門枠15の破損等を効果的に回避できる。
既存の水門構造物10は引張材30の張力導入を想定して構築されていないことから、水門枠15を構成する既存の頂版13や門柱12に強度不足が予想される場合がある。
このような場合には、必要に応じて水門枠15の露出部のみに従来の耐震補強工(躯体の増厚補強、鉄板補強、炭素繊維補強、せん断筋の挿入補強等)を行ってもよい。
このように、引張材30による耐震補強工と従来の耐震補強工とを組み合せることで、巨大地震に耐え得るように水門構造物10の耐震性能を格段に高めることができる。
以降に引張材30の他の設置例について説明する。以降の説明にあたり、引張材30を交差することと、各引張材30に予め張力を導入しておくことは既述した形態と同じである。
さらに既述した形態と同一の部位は同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。
図4は、水門構造物10を間に挟んで上流側の引張材30aと下流側の引張材30bの長さを異なる組み合わせとした他の形態を示している。
本例では水門構造物10と水路構造物20の現場状況に応じた長さの引張材30a,30bを設置できることができる。
図5は、単数の引張材30を交差させた形態において、水門構造物10の頂版13の中央と水路構造物20の間にV字状に補助引張材30cを追加配置した他の形態を示している。
図6は、単数の引張材30を交差させた形態において、水門構造物10の側壁11の頭部と水路構造物20との間に交差させた補強用の引張材30dを水平に向けて追加配置した他の形態を示している。
図7は、複数の引張材30を交差して張架した形態であって、複数の引張材30の一端を水門構造物10の水門枠15に多段的に分散して連結すると共に、複数の引張材30の他端を水路構造物20の側壁22の一箇所に集約して連結した他の形態を示している。
図8は複数の引張材30を交差して張架した形態であって、複数の引張材30の一端を水門枠15の上部一箇所に集約して連結すると共に、複数の引張材30の他端を水路構造物20の複数箇所に分散して連結した他の形態を示している。
図9は、複数の引張材30を交差して張架した形態であって、複数の引張材30の一端と他端をそれぞれ水門構造物10と水路構造物20の複数箇所に分散して連結した他の形態を示している。
図10は、水門構造物10を間に挟んで上流側の水路構造物20aと下流側の水路構造物20bとの交錯箇所に単数または複数の引張材30を交差させて張架した他の形態を示す。
本例では交差させた単数または複数の引張材30の一端を下流側の水路構造物20bの一方の側壁22に連結している。
下流側の水路構造物20bは上流側の水路構造物20aと同幅でもよいが、引込水路等のように上流側の水路構造物20aより狭い幅であってもよい。
既述した他の設置例1〜7を適宜組み合せることも可能である。
本発明では何れの設置例においても、地震時における水門構造物10の損傷を回避し得るように、引張材30の断面寸法、張架本数、全長、張架角度、導入張力、および取付け箇所等を適宜選択する点で共通する。
以上は塔状構造物を水門構造物10に適用した形態について説明したが、塔状構造物は水門構造物10に限定されるものではなく、公知の各種コンクリート構造物への適用が可能である。
11・・・側壁
12・・・門柱
13・・・頂版
15・・・水門枠
16・・・ゲート
17・・・ゲートの昇降機構
18・・・ゲートの垂下材
20・・・水路構造物(第1低層構造物と第2低層構造物)
21・・・底版
22・・・側壁
30・・・引張材
31・・・締付具
32・・・取付ブラケット
Claims (8)
- 引張材を用いて低層構造物に隣接した塔状構造物を制震する塔状構造物の制震構造であって、
前記塔状構造物の両側に第1低層構造物と第2低層構造物が隣接して位置し、
前記塔状構造物を間に挟んで塔状構造物の一部と第1および第2低層構造物との間に単数または複数の引張材が交差して張架され、
交差した引張材を介して第1および第2低層構造物に反力を得て、地震時における塔状構造物の挙動を抑制するように、前記交差した引張材に予め張力が導入されていることを特徴とする、
塔状構造物の制震構造。 - 塔状構造物と第1および第2低層構造物との間にそれぞれ張架される交差した引張材の両端部が塔状構造物を中心とした点対称の位置に連結されていることを特徴とする、請求項1に記載の塔状構造物の制震構造。
- 前記交差した単数または複数の引張材の一端が塔状構造物の上部に連結されていることを特徴とする、請求項1または2に記載の塔状構造物の制震構造。
- 交差した複数の引張材の一端が塔状構造物に多段的に連結されていることを特徴とする、請求項1乃至3の何れか一項に記載の塔状構造物の制震構造。
- 交差した複数の引張材の他端が第1および第2低層構造物の一部に集約して連結されていることを特徴とする、請求項4に記載の塔状構造物の制震構造。
- 交差した複数の引張材の他端が第1および第2低層構造物の長手方向に沿って複数箇所に連結されていることを特徴とする、請求項4に記載の塔状構造物の制震構造。
- 塔状構造物と第1および第2低層構造物との間に交差した補強用の引張材が追加して水平に張架されていることを特徴とする、請求項1乃至3の何れか一項に記載の塔状構造物の制震構造。
- 前記塔状構造物が水門枠と昇降可能なゲートとゲートの昇降機構とを具備した水門構造物であり、前記第1および第2低層構造物がコンクリート製の水路構造物であることを特徴とする、請求項1乃至7の何れか一項に記載の塔状構造物の制震構造。
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