JP2022063023A - 鉄骨構造物の耐震補強工法 - Google Patents

Abstract

【課題】既設の鉄骨構造物の耐震補強工事を安全で効率良く行うことができる工法を提供する。
【解決手段】鉛直方向に延びる複数の柱（２）と、複数の柱の間に亘って水平方向に延びる複数の梁（３）と、複数の柱と複数の梁との間で斜めに配置される複数のブレース（４）と、を備えた鉄骨構造物の耐震補強工法であって、ブレースを吊り部材（２０）で吊り上げる第１工程と、第１工程にて吊り上げられたブレースの長手方向における中央部（Ｂ）を溶断する第２工程と、第２工程にて溶断されたブレースを取り外し、新たなダンパ構造体を取り付ける第３工程と、を含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、鉄骨構造物の耐震補強工法に関する。

例えば火力発電プラントに設置されるボイラー鉄骨（鉄骨構造物）は、複数の柱と、複数の梁と、これら柱と梁との間に斜めに配置される複数のブレースとを備えて構成される。ブレースには、鉛直ブレースと水平ブレースがある。鉛直ブレースとは、鉛直面内に設置されたブレース、水平ブレースとは、水平面内に設置されたブレースをそれぞれ示す。以降、本明細書において「ブレース」とは、鉛直ブレースを示すことにする。ボイラー本体はボイラー鉄骨の天井梁に吊り下げられるため、ブレースには、ボイラー本体の重量が圧縮荷重として作用する。既設のボイラー鉄骨では、例えばＨ形鋼から成るブレースが取り付けられているが、近年、耐震補強工事の一環として、このブレースを新たなダンパ構造体（特許文献１参照）に交換する工事が行われている。ブレースは柱または梁にガセットプレートを介して複数のボルトで固定されているため、従来の耐震補強工事では、複数のボルトを外してブレースを取り除いた後に、新たなダンパ構造体を取り付けるという工法が用いられていた。

特許第５２１６０５０号公報

しかしながら、既設のボイラー鉄骨はボイラー本体が吊り下げられており、ブレースに大きな圧縮荷重が掛かっているため、ブレースを固定している複数のボルトを外すのが困難な場合が多い。また、一部のボルトが外されると、残りのボルトに大きな剪断力が掛かるため、ブレースの交換作業中に残りのボルトのうちの一部が破断する可能性も考えられる。そのため、従来の耐震補強工事では、作業の安全性を確保するための段取りが大掛かりとなり、作業効率が低下するといった課題がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、既設の鉄骨構造物の耐震補強工事を安全で効率良く行うことができる工法を提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、鉛直方向に延びる複数の柱と、前記複数の柱の間に亘って水平方向に延びる複数の梁と、前記複数の柱と前記複数の梁との間で斜めに配置される複数のブレースと、を備えた鉄骨構造物の耐震補強工法であって、前記ブレースを吊り部材で吊り上げる第１工程と、前記第１工程にて吊り上げられた前記ブレースの長手方向における中央部を溶断する第２工程と、前記第２工程にて溶断された前記ブレースを取り外し、新たなダンパ構造体を取り付ける第３工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、既設の鉄骨構造物の耐震補強工事を安全で効率良く行うことができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

ボイラー鉄骨の概略構成を示す斜視図。 図１のＡ部の詳細を示す図。 ブレースの溶断に伴う軸力の作用点の変化とブレースの変形量の推移を示すモデル図。 ブレースの詳細構造を示す斜視図。 図４のＶ－Ｖ断面図。 ボイラー鉄骨の耐震補強工事の手順を示すフローチャート。 ブレースの溶断準備段階を示す図。 ブレース（フランジ）の溶断手順を示す図。 ブレース（フランジ）の上半分を溶断した状態を示す図。 ブレース（フランジ）の切り口を溶断により開口する手順を示す図（ケース１）。 ブレース（フランジ）の切り口を溶断により開口する手順を示す図（ケース２）。 ブレース（ウェブ）の溶断手順を示す図（圧縮荷重が小さい場合）。 ブレース（ウェブ）の溶断手順を示す図（圧縮荷重が大きい場合）。 溶断機を２台用いてブレース（フランジ）を溶断する手順を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１はボイラー鉄骨１の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、ボイラー鉄骨（鉄骨構造物）１は、鉛直方向に延びる複数の柱２と、複数の柱２の間に亘って水平方向に延びる複数の梁３と、複数の柱２と複数の梁３との間に斜めに配置される複数のブレース４と、を備えた構造物である。ボイラー鉄骨１は、例えば火力発電プラントに設置されている。ボイラー鉄骨１には、図示しないボイラー本体が吊り下げられており、ボイラー本体の重量をボイラー鉄骨１の柱２、梁３、およびブレース４で支持している（図２参照）。

既設のボイラー鉄骨１では、Ｈ形鋼から成るブレース４が用いられており、ボイラー鉄骨１の耐震補強のため、このブレース４をダンパ構造体に交換する工事が行われる。この耐震補強工事において、本発明に係る耐震補強工法が用いられることとなる。なお、ダンパ構造体として、例えば特許文献１に記載の履歴型ダンパ構造体を用いることができる。

図２は図１のＡ部の詳細を示す図である。図２において、白抜き矢印は荷重の向きを示している。上記したように既設のボイラー鉄骨１にはボイラー本体が吊り下げられていることから、柱２やブレース４は白抜き矢印の向きに圧縮荷重を受ける。本実施形態では、ブレース４をダンパ構造体に交換する際に、ブレース４を溶断する工法が用いられる。なお、「溶断」とは、金属を加熱して切り離す切断技術のことであり、本実施形態では、ガス切断、アーク切断、ガソリン切断等を適用できる。

ブレース４を溶断すると、溶断に伴ってブレース４が曲げ変形する。これについて、図３を用いて詳細に説明する。図３は図２に示すブレース４ａの溶断に伴う軸力の作用点の変化とブレース４ａの変形量の推移を示すモデル図である。図３（ａ）は溶断前のブレース４ａを示している。図３（ａ）に示すように、ブレース４ａの長手方向における中央部（溶断位置Ｂ）には、白抜き矢印の向きに圧縮荷重が作用している。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すブレース４ａの左半分を取り出して拡大した図である。図３（ｂ）に示すように、ブレース４ａを溶断する前の状態では、圧縮荷重の作用点Ｐは、ブレース４ａの中心線ＣＬ上に位置している。

圧縮荷重はブレース４ａの断面中心に作用するため、図３（ｃ）に示すようにブレース４ａの溶断位置Ｂを上側から少し溶断すると、圧縮荷重の作用点Ｐはブレース４ａの中心線ＣＬから少し下側に移動する。その結果、ブレース４ａは下向きに曲げられて変形し、ブレース４ａの中心線は中心線ＣＬから中心線ＣＬ１に変形する。変形前の中心線ＣＬと変形後の中心線ＣＬ１との差がブレース４ａの変形量である。

さらにブレース４ａを溶断すると、図３（ｄ）に示すように、圧縮荷重の作用点Ｐがさらに下方に移動し、ブレース４ａの曲げ変形が大きくなる。仮に図３（ｅ）に示すように、ブレース４ａを上側からのみ溶断した場合には、圧縮荷重の作用点Ｐがブレース４ａの高さ方向の下端部まで移動するため、ブレース４ａの曲げ変形がさらに大きくなることが分かる。これに対して、図３（ｆ）に示すように、ブレース４ａを上側から高さ方向の半分まで溶断した後、下側から残り半分を溶断した場合には、圧縮荷重の作用点Ｐが最終的にブレース４ａの中心線ＣＬに戻るため、ブレース４ａの曲げ変形は図３（ｅ）に比べて小さくなる。

このように、ブレース４ａを溶断位置Ｂで溶断する場合、ブレース４ａの高さ方向の一方（上側）から半分まで溶断した後、他方（下側）から残り半分を溶断すると、ブレース４ａの溶断時における曲げ変形を抑えることができる。

次に、既設のボイラー鉄骨１に取り付けられたブレース４の構造について説明する。図４はブレースの詳細構造を示す斜視図、図５は図４のＶ－Ｖ断面図である。図４に示すように、ブレース４は、柱２と梁３との間に、ガセットプレート５を介して斜めに取り付けられている。また、図５に示すように、ブレース４は、一対のフランジ（第１フランジ１１、第２フランジ１２）と、一対のフランジ１１，１２を接続するウェブ１３と、を有するＨ形鋼から成る。ブレース４は、一対のフランジ１１，１２が柱２と梁３とによって形成される平面に対して平行になるように配置される。即ち、一対のフランジ１１，１２が起立した状態で取り付けられる。そして、ブレース４とガセットプレート５とは複数のボルト８によって固定されている。

ブレース４をガセットプレート５から取り外すためには、複数のボルト８を全て外す必要がある。しかし、上記したようにブレース４には大きな圧縮荷重が掛かっているため、ボルト８を外すのは容易ではない。そのため、本実施形態では、ブレース４を溶断した後に、ボルト８を外してブレース４を取り外す工法を採用している。

次に、本発明の実施形態に係る鉄骨構造物の耐震補強工法について説明する。図６はボイラー鉄骨１の耐震補強工事の手順を示すフローチャートである。

ボイラー鉄骨１の耐震補強工事を行うにあたって、まず、作業者は、ブレース４のウェブ１３にラグ７を溶接により取り付け、ブレース４の上方に位置する梁３にラグ６を溶接により取り付ける（作業１）。そして、作業者は、ラグ６，７を用いてチェーンブロック（吊り部材）２０を取り付け、ブレース４を吊り上げる（作業２／第１の工程）。図７は、これら作業１，２を行った状態を示している。即ち、図７はブレース４の溶断準備段階を示す図である。なお、ブレース４を吊り上げる部材（装置）は、チェーンブロック２０に限定されず、あらゆる吊り手段を用いて良い。

次に、作業者は、ブレース４を吊り上げた状態でブレース４の溶断位置Ｂを溶断する（作業３／第２の工程）。ブレース４の溶断手順について、図８～図１３を用いて詳しく説明する。まず、作業者は、ブレース４の第１フランジ１１の上半分１１ａを溶断する（図８（ａ））。

第１フランジ１１の上半分１１ａを下半分１１ｂより先に溶断するのは、次に述べる理由による。即ち、ブレース４を上側から溶断すると、図３（ｃ），（ｄ）に示すように、ブレース４は下方向に曲げ変形しようとする。しかし、図７に示すように、ブレース４はチェーンブロック２０で吊り上げられているため、ブレース４の下方向の曲げ変形が拘束される。そのため、ブレース４を上側から溶断すると、ブレース４の下方向の曲げ変形を抑えつつ、安全かつ効率良くブレース４の溶断を行うことができる。これが、第１フランジ１１の上半分１１ａを下半分１１ｂより先に溶断した方が好ましい理由である。

次いで、作業者は、第２フランジ１２の上半分１２ａを溶断する（図８（ｂ））。なお、図９は第１フランジ１１の上半分１１ａと第２フランジ１２の上半分１２ａを溶断した状態を示している。

ここで、火力発電プラントに設置されるボイラー鉄骨１は非常に大型であり、例えばブレース４の長さが１０ｍ程度以上である。そのため、図９に示すように溶断位置Ｂでフランジ１１（上半分１１ａ）、あるいは、フランジ１２（上半分１２ａ）を溶断すると、ブレース４に作用しているブレース軸方向の圧縮荷重により、切り口１５が閉じる場合があり得る。そこで、本実施形態では、フランジ１１，１２を溶断する際に、切り口１５が閉じないような溶断開口手法が用いられている。以下、フランジ１１，１２の切り口１５の溶断開口手法について、図１０および図１１を用いて、２つのケースを詳しく説明する。なお、図１１は図１０と別な手順を示す図である。

（ケース１）
図１０はブレース４（フランジ１１，１２）の切り口１５を溶断により開口する手順を示す図である。図１０（ａ）に示すように、まず、作業者はフランジ１１，１２に切り口１５ａを溶断にて形成する。次いで、図１０（ｂ）に示すように、作業者は切り口１５ａをブレース４の長手方向（図１０の左右方向）に必要な最大幅量拡大するように溶断し、切り口１５ｂを形成する。次いで、図１０（ｃ）に示すように、作業者は、切り口１５ａと同様に切り口１５ｃを溶断にて形成する。次いで、図１０（ｄ）に示すように、作業者は、切り口１５ｃをブレースの長手方向に拡大するように溶断し、切り口１５ｄを形成する。

この手順を繰り返して行うことで、図１０（ｅ）に示すような切り口１５ｅが形成される。なお、図１０は切り口の形状が逆三角形（▽）の形状であるが、逆台形の形状であっても良い。これにより、ブレース４に作用しているブレース軸方向の圧縮荷重により、切り口１５が閉じることが防止され、ブレース４の溶断作業を効率良く行うことができる。

（ケース２）
図１１はブレース４（フランジ１１，１２）の切り口１５を溶断により開口する手順を示す図である。図１１（ａ）に示すように、まず、作業者はフランジ１１，１２に逆台形形状の切り口１５ｋを溶断にて形成する。次いで、図１１（ｂ）に示すように、作業者は切り口１５ｋをブレース４の長手方向（図１１の左右方向）に拡大するように溶断し、切り口１５ｌを形成する。次いで、図１１（ｃ）に示すように、作業者は、さらに切り口１５ｌをブレース４の長手方向に拡大するように溶断し、切り口１５ｍを形成する。この手順を繰り返して行うことで、図１１（ｄ）に示すように大きな切り口１５ｎが形成される。これにより、ブレース４に作用しているブレース軸方向の圧縮荷重により、切り口１５が閉じることが防止され、ブレース４の溶断作業を効率良く行うことができる。

図８に戻って、作業者は、第１フランジ１１の下半分１１ｂを溶断し（図８（ｃ））、第２フランジ１２の下半分１２ｂを溶断する（図８（ｄ））。図８（ａ）～（ｄ）の作業により、フランジ１１，１２の溶断が完了する。なお、図８では第１フランジ１１の下半分１１ｂを溶断した後に、第２フランジ１２の下半分１２ｂを溶断したが、この順序は逆でも良い。即ち、フランジ１１，１２の上半分１１ａ，１２ａを先に溶断した後にフランジ１１，１２の下半分１１ｂ，１２ｂを溶断すれば、下半分１１ｂと下半分１２ｂとの溶断順序は問わない。

次に、ブレース４のウェブ１３を溶断する手順について説明する。図１２はウェブ１３の溶断手順を示す図である。ブレース４に作用する圧縮荷重がそれほど大きくない場合には、ウェブ１３の溶断に伴う変形が小さいため、図１２に示すように、ウェブ１３を幅方向における一方向のみから溶断することができる。即ち、図１２（ａ）～（ｅ）に示すように、ウェブ１３ａからウェブ１３ｄの順に、一方向（図１２における右側）から溶断していくと、最終的にウェブ１３を溶断することができる。

また、ブレース４に作用する圧縮荷重が大きい場合、ウェブ１３の溶断に伴う変形が大きくなる。そこで、図１３に示すような溶断手順でウェブ１３を溶断すれば良い。即ち、図１３（ａ）～（ｅ）に示すように、ウェブ１３を幅方向における一方向（図１３における右側）から半分（１３ａ，１３ｂ）ほど溶断し、次いで、ウェブ１３を他方向（図１３における左側）から残り半分（１３ｃ，１３ｄ）を溶断する。このように、ウェブ１３を幅方向において左右交互に溶断することで、ウェブ１３の変形を最小限に抑えることができるため、溶断作業を安全かつ効率良く行うことができる。

こうしてブレース４の溶断作業が完了すると、図６に示すように、作業者はガセットプレート５に固定されているボルト８を外して、略半分に分離されたブレース４を取り外す。そして、新たに用意したダンパ構造体をブレース４の代わりに取り付ければ、ボイラー鉄骨１の耐震補強工事が完了する（作業４／第３の工程）。ここで、ブレース４は溶断されており、ブレース４に作用する圧縮荷重は解放されているため、ボルト８を安全かつ容易に外すことができる。

以上説明したように、本実施形態に係る耐震補強工法によれば、ブレース４の長手方向の中央部（溶断位置Ｂ）を溶断するため、溶断作業を安全かつ効率良く行うことができる。仮に、ブレース４の長手方向の中央部以外を溶断すると、溶断に伴うブレース４の曲げ変形が大きくなって、溶断作業の作業性と安全性が損なわれるため、好ましくない。

また、本実施形態では、ブレース４をチェーンブロック２０で吊り上げた後、ブレース４のフランジ１１，１２の上半分１１ａ，１２ａを先に溶断する手順としているため、ブレース４の溶断に伴う曲げ変形が抑制される。その結果、溶断作業をより安全かつ効率良く行うことができる。

また、ブレース４の切り口１５が拡大するように溶断することで、ブレース４に作用しているブレース軸方向の圧縮荷重による、切り口１５が閉じるのを防止できる。これにより、溶断作業をより一層効率良く行える。

また、ブレース４に作用する圧縮荷重の大きさに応じて、ウェブ１３を一方向のみから溶断する場合と一方向と他方向とから交互に溶断する場合とを適宜使い分けることで、溶断作業をより一層効率良く行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

例えば、溶断機を２台用意することができれば、溶断作業をより効率良く行うことができる。図８で言えば、第１フランジ１１の上半分１１ａと第２フランジ１２の上半分１２ａを同時に溶断し、続いて下半分１１ｂ、下半分１２ｂを同時に溶断し、続いて図１３のようにウェブ１３を両側から溶断する方法である（１例目）。また、図１４は、２例目を示す溶断機を２台用いてフランジ１１，１２を溶断する手順を示したものである。図１４に示すように、２つの溶断機により、第１フランジ１１の上半分１１ａと下半分１１ｂを同時に溶断する（図１４（ａ））。第１フランジ１１を溶断した後、第２フランジ１２の上半分１２ａと下半分１２ｂとを同時に溶断する（図１４（ｂ））。そして、残されたウェブ１３を上記の方法で溶断する。この工法によっても、ブレース４の曲げ変形を抑えて安全かつ効率良く、ブレース４を溶断できる。しかも、この工法によれば、溶断機１台での作業に比べて作業工程が半分になるため、耐震補強工事の工期を短縮できる利点もある。

１ ボイラー鉄骨（鉄骨構造物）
２ 柱
３ 梁
４ ブレース
５ ガセットプレート
６，７ ラグ
８ ボルト
１１ 第１フランジ
１１ａ 第１フランジの上半分
１１ｂ 第１フランジの下半分
１２ 第２フランジ
１２ａ 第２フランジの上半分
１２ｂ 第２フランジの下半分
１３ ウェブ
１５ 切り口
２０ チェーンブロック（吊り部材）

Claims (8)

1. 鉛直方向に延びる複数の柱と、前記複数の柱の間に亘って水平方向に延びる複数の梁と、前記複数の柱と前記複数の梁との間で斜めに配置される複数のブレースと、を備えた鉄骨構造物の耐震補強工法であって、
   前記ブレースを吊り部材で吊り上げる第１工程と、
   前記第１工程にて吊り上げられた前記ブレースの長手方向における中央部を溶断する第２工程と、
   前記第２工程にて溶断された前記ブレースを取り外し、新たなダンパ構造体を取り付ける第３工程と、を含むことを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。
2. 請求項１に記載の鉄骨構造物の耐震補強工法において、
   前記ブレースは、第１フランジと第２フランジをウェブで接続したＨ形鋼から成り、前記柱と前記梁とによって形成される平面に対して前記第１フランジと前記第２フランジとが平行になるように配置されており、
   前記第２工程では、
   まず、前記第１フランジの前記ウェブより上半分を溶断し、
   次いで、前記第２フランジの前記ウェブより上半分を溶断し、
   次いで、前記第１フランジおよび前記第２フランジのうち一方の前記ウェブより下半分を溶断し、
   次いで、前記第１フランジおよび前記第２フランジのうち他方の前記ウェブより下半分を溶断することを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。
3. 請求項１に記載の鉄骨構造物の耐震補強工法において、
   前記ブレースは、第１フランジと第２フランジをウェブで接続したＨ形鋼から成り、前記柱と前記梁とによって形成される平面に対して前記第１フランジと前記第２フランジとが平行になるように配置されており、
   前記第２工程では、
   まず、前記第１および第２フランジの前記ウェブを挟んだ第１および第２フランジ上側を同時に溶断し、
   次いで前記第１および第２フランジの前記ウェブを挟んだ第１および第２フランジ下側を同時に溶断することを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。
4. 請求項１に記載の鉄骨構造物の耐震補強工法において、
   前記ブレースは、第１フランジと第２フランジをウェブで接続したＨ形鋼から成り、前記柱と前記梁とによって形成される平面に対して前記第１フランジと前記第２フランジとが平行になるように配置されており、
   前記第２工程では、
   まず、前記第１フランジの前記ウェブを挟んで上半分と下半分を同時に溶断し、
   次いで、前記第２フランジの前記ウェブを挟んで上半分と下半分を同時に溶断することを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。
5. 請求項２～４の何れか１項に記載の鉄骨構造物の耐震補強工法において、
   前記第２工程では、前記第１フランジおよび前記第２フランジの切り口が前記ブレースの長手方向に拡大するように前記第１フランジおよび前記第２フランジを溶断することを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。
6. 請求項２～５の何れか１項に記載の鉄骨構造物の耐震補強工法において、
   前記第２工程では、前記第１フランジおよび前記第２フランジを溶断した後に、前記ウェブを幅方向において一方向から溶断することを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。
7. 請求項２～５の何れか１項に記載の鉄骨構造物の耐震補強工法において、
   前記第２工程では、前記第１フランジおよび前記第２フランジを溶断した後に、前記ウェブを幅方向において一方向と他方向とから交互に溶断することを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。
8. 請求項１～７の何れか１項に記載の鉄骨構造物の耐震補強工法において、
   前記鉄骨構造物は、ボイラー本体を支持するためのボイラー鉄骨であり、
   前記第１工程、前記第２工程、および前記第３工程は、前記ボイラー本体が前記ボイラー鉄骨に吊り下げられた状態で行われることを特徴とする鉄骨構造物の耐震補強工法。

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