JP5076688B2 - コンクリート系防護柱構造及び防護柱構造物 - Google Patents

Description

本発明は、タンク施設や発電施設等の沿岸構造物、あるいは海や河川に設置される橋脚等の水上構造物を船舶などの漂流物から防護するコンクリート系防護柱構造及び防護柱構造物に関するものである。

世界有数の地震国であり、かつ、周囲を海に囲まれている我が国では、海底を震源とする規模の大きなプレート境界型地震が発生するたびに、大規模な津波による災害に見舞われてきた。津波時には、港湾内に係留されている船舶などが漂流物となり、津波と共に沿岸構造物に押し寄せることが考えられる。過去の大規模な津波災害でも、漂流物が沿岸構造物に衝突することにより、両者に著しい損傷が発生することが確認されている。我が国では、沿岸地域に、石油・ガスなどのタンク施設、プラント、火力・原子力による発電施設などが建設されており、津波時にそれらが漂流物により損傷することは、有害物質の流出、大規模火災などの二次災害に繋がると共に、災害後の速やかな復旧を困難とし、経済的な損失を拡大することになる。また、漂流物となる船舶等も沿岸構造物に衝突し、損傷することにより、災害後の復旧の遅延、経済的損失の拡大に繋がる。

従来技術としては、例えば特許文献１、２がある。

（1）特許文献１の発明は、津波による漂流物を捕捉する構造物であり、支柱と支柱間に配置したスクリーンにより構成される構造物で、津波そのものを阻止するものでなく、津波による漂流物を捕捉することを目的としている。スクリーンは、緩衝機能と捕捉機能、水を透過することが可能な透過機能を有している。

（2）特許文献２の発明は、漂流物が衝突した際の衝撃力を効果的に緩衝する水上緩衝構造物であり、水を透過させない膜材により有底の筒形状の内部に水を充填した状態で沿岸構造物の周囲に設置することにより、漂流物が衝突した際の緩衝材として機能させるものである。

特開２００６−８３６５９号公報 特開２００４−３６０３０４号公報

特許文献１の発明では、漂流物に対するスクリーンを複数の支柱間に張ったケーブルで支持する構造が採用されている。この場合、スクリーンにおける海水の透過率にもよるが、スクリーンに作用する波力、漂流物の衝突力が支柱およびケーブルに集中するため、支柱およびケーブルに必要とされる変形性能・耐力が大きくなる。特に２本の支柱とスクリーンによる構造の場合、支柱間のスクリーンに作用する力が２本の支柱に集約されるため、その断面規模が大きくなることが考えられる。一方、支柱とスクリーンを接続するケーブルにも大きな引張耐力が必要とされることから、太径のケーブルとなったり、本数が増えたりする可能性がある。ケーブルの径や本数が増えることは、定着部の増加に繋がり、施工性や経済性の観点からは得策ではない。また、沿岸地域におけるケーブルの腐食についても問題となる。

特許文献２の発明では、岸壁や護岸などの水中に面している構造物の表面にしか設置できないため、タンク等の常時は陸上にあり、津波時に水中に没するような沿岸構造物の表面には設置することができない。

本発明は、沿岸構造物や水上構造物を船舶などの漂流物から防護するコンクリート系防護柱において、フレキシブルで変形性能の高い柱部材により、船舶などの漂流物に損傷を与えることなく、かつ、柱部材も倒壊することなく、漂流物を捕捉することができ、また、比較的簡単な構造で施工性の良い防護柱を構築することができ、さらに、様々な大きさの漂流物をその損傷を抑制しつつ効果的に捕捉することができるコンクリート系防護柱構造及び防護柱構造物を提供するものである。

本発明の請求項１は、沿岸構造物（タンク施設や発電施設など）や水上構造物（海や河川内に設置された橋脚など）の手前の基礎上に立設されたコンクリート柱により沿岸構造物や水上構造物を漂流物から防護する防護柱構造であり、中空断面のコンクリート柱部材に高性能材料とアンボンドＰＣ鋼材を用いることにより、曲げ剛性・曲げ耐力を小さく、変形性能を大きくしたＰＣ柱（プレストレストコンクリート柱）を基礎に定着して構成されていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造である（図１、図３等参照）。

本発明は、フレキシブルかつ大きな変形性能を有するＰＣ柱で漂流物を捕捉するものである。その際、一つの漂流物に対して、複数のＰＣ柱が接するように配置間隔や列数などを設定し、ＰＣ柱一本に作用する衝突力が小さくなるようにする。

ＰＣ柱は、その曲げ剛性・曲げ耐力を対象とする漂流船舶等の耐力−変位関係（圧壊−凹みの関係等）よりも小さくする（図２参照）。これにより、漂流物が衝突した際の漂流物に作用する衝撃力を緩和し、その損傷を低減する。一方、ＰＣ柱の構造特性は、変形性能を大幅に向上させ、漂流物の衝突エネルギーをＰＣ柱の塑性変形エネルギーで吸収する。ＰＣ柱に導入されるプレストレスは、常時の剛性を高めるため、柱高さが高くなった場合でも振動などの問題や製作後の運搬において有利に作用する。

ＰＣ柱には、（1）断面中空のプレキャスト部材を用い、（2）高性能材料（超高強度繊維補強コンクリートＵＦＣ、あるいは、高じん性ＦＲＣのＥＣＣ等）を全体的に、あるいは基部のみ限定的に用い、（3）アンボンドＰＣ鋼材を用いることにより、後に詳述するように、曲げ剛性・曲げ耐力が小さくフレキシブルで、変形性能の大きいＰＣ柱による防護柱構造が得られる。プレキャスト部材を用いることで施工性等が向上する。なお、ＰＣ柱の最大耐力・剛性・変形能力は、対象とする船舶などの漂流物の規模（使用衝突力と損傷の関係など）に応じて設定し、断面の諸元、配置方法などを決定する。

本発明の請求項２は、請求項１に記載の防護柱構造において、ＰＣ柱の水平断面形状がＤ字状であり、その曲線部が漂流物側（海側など）に位置していることを特徴とするコンクリート系防護柱構造である（図１等参照）。

Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱を用い、その曲線部を漂流物に向けて配置することにより、後に詳述するように、津波等による波力の低減、漂流物への局所的な衝突力集中や損傷の低減、構造物側の直線部分を大きくすることによる変形性能の向上等が図られる。

本発明の請求項３は、請求項１または請求項２に記載の防護柱構造において、ＰＣ柱内に一端を定着したアンボンドＰＣ鋼材の他端が基礎内に定着されていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造である（図４参照）。

このようなアンボンドＰＣ鋼材を用いれば、後に詳述するように、曲げ変形によるひずみの平滑化、局所的なひずみの集中の抑制により、部材剛性が小さくフレキシブルで変形性能の高いＰＣ柱が得られる。さらに、Ｄ型の曲線部に海側から曲線状にアンボンドＰＣ鋼材を配置することで、海側から順番に降伏していくため、緩やかな剛性の低下が得られ、漂流物の衝突直後におけるＰＣ柱の変形量の瞬間的な増加を抑制することができる。

本発明の請求項４は、請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の防護柱構造において、ＰＣ柱の下部の圧縮側にＰＣ柱を漂流物衝突方向に回転自在に支持する回転装置（橋梁に用いられる回転支承など）が設けられていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造である（図４参照）。

柱の変形性能が足りない場合に回転装置を付加するものであり、後に詳述するように、その設置位置が回転中心となるため、安定して曲げ圧縮力を負担でき、アンボンドＰＣ鋼材の破断までＰＣ柱の水平耐力を安定して維持でき、また断面中心に近く配置されることで、ＰＣ柱の曲げ耐力・剛性を低下させ、変形性能を増加できる。

本発明の請求項５は、請求項１または請求項２に記載の防護柱構造において、ＰＣ柱の下部が基礎に形成された設置孔に差し込まれていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造である（図５参照）。

ＰＣ柱を差し込み式で設置する場合であり、差込設置後、空隙部に無収縮モルタルなどを充填して固定する。簡単に設置できると共に、基礎に強固に定着させることができる。後に詳述するように、ＰＣ柱の基部には、差し込み時の受け部材としてハンチ部を設け、曲げ変形時には、ハンチ部の上部で曲げ変形させることで、ＰＣ柱下部の差し込み部の損傷を防止する。

本発明の請求項６は、沿岸構造物や水上構造物の手前の基礎上に立設された複数本のコンクリート柱により沿岸構造物や水上構造物を漂流物から防護する防護柱構造物であり、請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載のＰＣ柱が沿岸構造物や水上構造物に沿って間隔をおいて配置されていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造物である（図１参照）。

複数のＰＣ柱を適宜の間隔で配置した列状構造物により船舶などの漂流物を効果的に捕捉することができる。また、１本のＰＣ柱に作用する力を軽減することができる。例えば、横向きの漂流物に対しては、平行配列の複数のＰＣ柱で抵抗することができる。縦や斜めの漂流物に対しては、進入する漂流形状に合わせてＰＣ柱が変形し、その後に複数のＰＣ柱で抵抗することができる。

本発明の請求項７は、請求項６に記載の防護柱構造物において、ＰＣ柱が複数列で配置され、各列で断面の大きさが異なることを特徴とするコンクリート系防護柱構造物である（図６参照）。

例えば、海側の最前列からＰＣ柱断面寸法（曲げ耐力・剛性、変形性能）を漸次大きくした数種類のＰＣ柱を複数列配置することにより、後に詳述するように、一連のＰＣ柱群で様々な大きさの漂流物に対応することができる。

また、ＰＣ柱を大きな間隔で１列配置し、柱間をワイヤーやＰＣ鋼より線等の線材で接続することによっても、様々な大きさの漂流物を捕捉することができる（図７参照）。

以上のような本発明において、一つの漂流物を複数のＰＣ柱で捕捉することにより、一本のＰＣ柱に作用する波力、漂流物の衝突力を緩和することができる。船舶等が横向きに漂流して衝突する場合には、一つの漂流物に複数のＰＣ柱が接することにより、一本のＰＣ柱に作用する力を軽減することができる。一方、船舶等が縦向きに漂流してくる場合には、ＰＣ柱の海側の断面が滑らかな曲線形状で、かつ、ＰＣ柱が大きく変形することにより、漂流物が複数のＰＣ柱に接する。また、ＰＣ柱の配列数を複数とすれば、仮に最前列の防護柱が倒壊した場合でも、２列目の柱が引き続き変形し、最前列で吸収しきれなかった衝突エネルギーを吸収できる。

漂流物の沿岸構造物に対する衝突を回避するためには、到達前にその運動エネルギーを消滅させる必要がある。本発明では、その運動エネルギーをＰＣ柱が変形する時に消費されるエネルギー量（塑性変形エネルギー、荷重−変位曲線が囲む面積に相当）で吸収する。このとき、一定の吸収エネルギー量（荷重−変位曲線が囲む面積）を確保するためには、衝突時のＰＣ柱の荷重を増加させるか、変形を許容する方法がある。荷重を増加させる方法では、ＰＣ柱の変形は小さくなるが、反力として漂流物へ作用する衝突力が大きくなり、漂流物の損傷が大きくなる可能性がある。

そこで、本発明では、ＰＣ柱の最大曲げ耐力・曲げ剛性を小さくし、変形性能を増加させることにより、衝突時にＰＣ柱が吸収できるエネルギー量を確保することを想定する。例えば、図２に示すように、ＰＣ柱の最大耐力や初期剛性を船舶等の衝突部分で許容される衝突力や剛性（凹み−衝突荷重の関係等）よりも小さくすれば、衝突時に漂流物の損傷が許容レベルよりも大きくなることは無い。また、ＰＣ柱の変形性能が、漂流物の許容損傷レベルにより決定した荷重に対して必要とされる変形量よりも大きければ、ＰＣ柱も倒壊することなく漂流物の捕捉を実現できる。漂流物への損傷の軽減は、災害復旧後の漂流物の使用性を確保する上で有意であり、本発明によれば、防護される沿岸構造物と漂流物の両方において、災害直後の使用性を確保することができる。

本発明の上記の性能を実現できる構造形式としては、高性能材料を限定的に用いたプレキャストＰＣ柱部材が好ましい。高性能材料とは、圧縮強度が高いコンクリート又はモルタル内に、鋼繊維、炭素繊維、ガラス繊維、あるいはビニロン繊維などが混入された材料である。このような高性能材料としては、高い圧縮強度だけではなく、曲げ強度・じん性も期待できる超高強度繊維補強コンクリート又はモルタル（圧縮強度が100〜250 Ｎ/mm^２、曲げ引張強度が10〜40 Ｎ/mm^２、引張強度が5〜15 Ｎ/mm^２のもの、以下ＵＦＣと称する）が好ましい。また、圧縮強度は普通コンクリートレベルであるが、伸び・曲げ変形性能が著しく高い、高じん性ＦＲＣ（曲げ引張強度が10〜40 Ｎ/mm^２、引張強度が5〜15 Ｎ/mm^２のもの、以下ＥＣＣと称する）などを用いることもできる。

ＰＣ柱の断面形状はＤ型中空断面で、アンボンドＰＣ鋼材によるポストテンション方式でプレストレスを導入したプレキャストＰＣ部材が好ましい。断面形状Ｄ型でその曲面を海側へ向けることにより、押し寄せる津波によりＰＣ柱に作用する波力を低減することができる。また、漂流物にＰＣ柱の角部が接触しないようにし、漂流物への局所的な衝突力の集中や損傷を抑制できる。さらに、Ｄ型の直線部分が陸側となることにより、津波により曲げ圧縮応力が作用する部分の面積を大きくすることができ、変形性能を高めることができる。内部は中空とすることにより、部材剛性を低減すると共に、後述するＵＦＣの使用量を低減して経済性を高めることができる。また、部材重量も軽減できるため、プレキャスト部材とした場合の施工性を向上させることができる。

一方、ＰＣ鋼材としてアンボンドＰＣ鋼材を用いれば、曲げ変形時にＰＣ柱基部における曲げ変形によるひずみが柱高さ方向に平滑化されるため、ＰＣ柱の変形が伸展した状態でも局所的なひずみの集中を抑制することができる。アンボンドＰＣ鋼材のひずみの平滑化は、部材の剛性を小さくしフレキシブルな柱部材を構築する上で有意であり、かつ、鋼材のひずみの局所化が防げるため、降伏・破断を遅らせ、ＰＣ柱の変形性能を高めることができる。また、Ｄ型断面の曲線部に最外縁から曲線状にＰＣ鋼材を配置することにより、最外縁から順番にＰＣ鋼材が降伏していくため、最外縁鋼材の降伏後も急激に剛性が失われること無く、漂流物の衝突直後におけるＰＣ柱の変形量の瞬間的な増加を抑制することができる。

ＰＣ部材の基部から部材軸方向に一定区間を構成する材料をＵＦＣ等の高性能材料とすることにより、小さな断面積で大きな圧縮力を負担できるため、断面の規模を小さくできると共に、圧縮側断面の圧壊を抑制して変形性能を増加させることができる。断面の規模を小さくすることは、ＰＣ柱の剛性を小さくし、フレキシブルな部材とする上で重要である。

この構造では、ＵＦＣ部が直接、曲げ圧縮応力を負担するが、中立軸が変形の増加と共に、圧縮軸側へ移動するため圧縮面積が小さくなり、同部分に作用する曲げ圧縮応力が大きくなる。ＵＦＣは圧縮強度や終局時の圧縮ひずみが大きい材料であるため、普通コンクリートに比べると、かなり大きな変形まで曲げ圧縮応力を負担することができるが、それでも要求される変形性能が足りない場合に回転装置の適用が有意となる。例えば、プレキャストＰＣ柱の圧縮縁の下部に、橋梁に回転支承に代表されるような回転装置を設置すれば、回転装置の設置位置が回転中心となり、中立軸の位置が移動しないため、安定して曲げ圧縮応力を負担することができる。そのため、圧縮力に耐え得る回転装置を適用すれば、アンボンドＰＣ鋼材の破断までＰＣ柱の水平耐力を安定して維持することができる。また、回転装置の設置位置をＰＣ柱の断面中心に近づければ、回転中心とアンボンドＰＣ鋼材との距離が小さくなるため、ＰＣ柱の曲げ耐力・剛性を低下させ、変形性能を増加することができる。但し、回転装置はコスト増に繋がる可能性があり、使用の是非については、要求される変形性能（ＰＣ柱の倒壊までの吸収エネルギー量）と経済性を考慮して決定するのが良い。

ＰＣ柱は、プレキャストＰＣ柱部材とし、２次製品の品質向上により柱部材全体を製作し、設置現場に運搬する。例えば、設置現場では、基礎に設置孔を設けておき、差し込み式でＰＣ柱を設置した後、空隙部に無収縮モルタルなどの充填材を充填する。ＰＣ柱には、ロケットの羽のようにハンチ部を設けておき、差込設置時における受けとして利用する。また、曲げ変形時には、ハンチ部の上部で曲げ変形するようにし、ＰＣ柱の差し込み部の損傷を防ぐ構造とすることができる。さらに、プレキャスト部材とすることにより、仮に部材が損傷した場合でも比較的容易に交換可能となる。

ＰＣ柱は、複数列配置することも想定される。この場合、海側となる最前列からＰＣ柱の断面寸法、即ち、曲げ耐力・剛性・変形性能を変えたものを複数種類配置することができれば、一連のＰＣ柱群で様々な漂流物に対応することができる。例えば、最前列に5tonクラスの漁船用、２列目に200GTクラスの船舶用、３列目に500GTクラスの船舶用のＰＣ柱を設置した場合、漁船が漂流してきた場合には、最前列で、500GTクラスのタンカーが漂流してきた場合には、１、２列目のＰＣ柱が倒壊するまでに吸収するエネルギーと、３列目のＰＣ柱の塑性変形エネルギーの和によって、衝突エネルギーを吸収することができる。即ち、１つのＰＣ柱群によって、何れの場合においても、漂流物の損傷を一定内に止めた上で、沿岸構造物への衝突を防護することができる。

また、一列にＰＣ柱を設置する場合でも、ＰＣ柱を大きな間隔で配置し、ＰＣ柱間をワイヤーやＰＣ鋼より線などの線材で接続することによっても、レベルの異なる漂流物を一連のＰＣ柱群で捕捉することができる。例えば、大型船舶用のＰＣ柱を中型・小型船舶の寸法より大きな間隔で配置し、ＰＣ柱間をワイヤー等の線材を張る。これにより、小型・中型船舶は、ワイヤー等で捕捉し、その塑性変形で衝突エネルギーを吸収する。一方、大型船舶は、直接、ＰＣ柱に衝突し、前述したメカニズムでその衝突エネルギーを吸収する。ワイヤーやＰＣ鋼より線の径（剛性）や降伏強度は、対象とする漂流物の規模により決定し、捕捉時に降伏しかつ破断しないレベルであることが望ましい。即ち、小型・中型船舶の捕捉時に船舶側に損傷を与えない程度の降伏強度・曲げ剛性を有し、衝突エネルギーを吸収できる程度の変形性能を有するものである。また、可能であれば、ＰＣ柱側の定着部にダンパー等を設置することができれば、より効率的な衝突エネルギーの吸収を実現することができる。また、常時においては、線材付きＰＣ柱は、ガードレールや転落防止構造物、電柱等として活用可能である。

本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。

（1）中空断面のコンクリート柱部材に高性能材料とアンボンドＰＣ鋼材を用いることで、曲げ剛性・曲げ耐力が小さく、変形性能の大きいＰＣ柱が得られ、フレキシブルで変形性能の高い防護柱により、船舶などの漂流物に損傷を与えることなく、かつ、防護柱も倒壊することなく、漂流物を捕捉することができる。

（2）断面中空のプレキャストＰＣ柱であり、比較的簡単な構造で施工性が良く、比較的低コストで性能の良好な防護柱を構築することができる。

（3）断面中空のプレキャストＰＣ柱を一列あるいは複数列で配置することにより、様々な大きさの漂流物をその損傷を抑制しつつ効果的に捕捉することができる。

（4）既存の重要沿岸構造物等を津波時等における漂流物から安全に防護することができる。

（5）防護柱は倒壊しないことから、災害後の沿岸構造物の早期機能復旧が可能となる。船舶などの漂流物への損傷が低減されることから、災害後における漂流物の早期使用復帰が可能となる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。この実施形態は、タンク施設等の沿岸構造物の防護柱に適用した例である。図１は、本発明のコンクリート系防護柱構造とその配置方法の一例を示す平面図である。

図１に示すように、防護設備となるコンクリート柱に、Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱１を用い、このＰＣ柱１を沿岸構造物Ａの海側の基礎Ｂ上に沿岸構造物Ａに沿って所定の間隔をおいて一列で配置する。Ｄ型の曲線部が海側に向くように設置する。

一つの漂流物（船舶）Ｃに対し、複数のＰＣ柱１が抵抗できる。横向きに漂流してくる漂流物Ｃに対しては、ＰＣ柱１の間隔を調節することにより、複数のＰＣ柱１で抵抗することができる。一方、縦または斜めに漂流してくる漂流物Ｃについては、最初に衝突したＰＣ柱１が変形することにより、漂流物Ｃが陸側にある程度進入し、ＰＣ柱１の抵抗力と漂流物Ｃの衝突力が釣り合った状態で捕捉するようにする。場合によっては、各ＰＣ柱１同士がケーブルで繋がれていても良い。この場合、ＰＣ柱−ケーブルで常時におけるガードレールの機能を付与することができる。

また、海中に、対応する船舶の規模に応じた断面を有するＰＣ柱群を設置することができれば、常時において航行する船舶の衝突防護設備としても活用できる。例えば、海や河川内に設置された橋脚や構造物の周囲に設置すれば、船舶の衝突事故に伴う損傷を防ぐことができる。また、Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱１は、曲げ耐力・剛性が小さく、変形性能の大きい柱部材であり、衝突した船舶の損傷も低減することができ、その機能を保護すると共に、乗員の安全をも確保することが可能となる。

衝突する漂流物の損傷も軽減するためには、ＰＣ柱の曲げ耐力・剛性を小さくすると共に、変形性能を増加させ、フレキシブルな部材とする必要がある。フレキシブルな部材とすることにより、漂流物に作用する衝撃的な反力が軽減し、その損傷を軽減することができる。

図２に示すように、Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱１の荷重−変位関係を漂流物Ｃの荷重変位関係よりも小さくすれば、衝突時に漂流物の損傷が許容レベルよりも大きくなることは無い。また、Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱１の変形性能が、漂流物の許容損傷レベルにより決定した荷重に対して必要とされる変形量よりも大きければ、ＰＣ柱も倒壊することなく漂流物の捕捉を実現できる。

津波時に漂流物を捕捉する防護柱には、前述したように以下のような特性が要求される。（1）衝突した漂流物が損傷しないように、曲げ耐力・剛性が低く、フレキシブルであること、（2）変形性能が高く、津波時に完全に倒壊せず、水中に没しないこと、（3）施工が簡易でコストが低いこと。

図３に示すように、高性能材料を限定的に適用したＤ型中空プレキャストＰＣ柱１を採用することにより、上記３要件を満たすことができる。即ち、中空断面のＵＦＣ製プレキャスト部材２とアンボンドＰＣ鋼材３を用いることで、曲げ耐力・剛性が小さく、高い変形性能を有する防護柱が得られる。津波時に漂流物が衝突しても倒壊せず、陸側に船舶等の漂流物Ｃを進入させない。また、衝突する漂流物Ｃの損傷も軽減される。

ＰＣ柱１の基部のみに中空断面のＵＦＣ製プレキャスト部材２を適用することで、ＵＦＣの限定的な使用によるコストの低減が図れる。また、塑性ヒンジ区間におけるＵＦＣの使用により変形性能が増加する。また、アンボンドＰＣ鋼材の破断まで変形可能となる。

Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱１は、海側の曲線部１ａと陸側の直線部１ｂから構成されている。津波による波力を受け流す形状の曲線部１ａにより、ＰＣ柱１に作用する波力を低減することができる。また、角部が無いことで漂流物への局所的な衝突力の集中や損傷を抑制できる。曲げ圧縮応力を負担する形状で厚い矩形断面の直線部１ｂにより、曲げ圧縮応力が作用する部分の面積を大きくすることができ、変形性能を高めることができる。

また、Ｄ型で内部が中空であるため、部材剛性が低減され、フレキシブルなＰＣ柱１が得られる。また、部材重量、ＵＦＣ使用量が低減され、施工性・経済性が向上する。

また、アンボンドＰＣ鋼材３を用いれば、曲げ変形によるひずみの平滑化、局所的なひずみの集中の抑制により、部材剛性が小さくフレキシブルで変形性能の高いＰＣ柱１が得られる。さらに、曲線部１ａに海側から曲線状にアンボンドＰＣ鋼材３を配置することにより、海側から順番にアンボンドＰＣ鋼材３が降伏していくため、緩やかな剛性の低下が得られ、漂流物Ｃの衝突直後におけるＰＣ柱１の変形量の瞬間的な増加を抑制することができる。

図４に示すように、アンボンドＰＣ鋼材３は、一端をＰＣ柱１の上部に定着し、他端が基礎Ｂの内部に定着される。漂流物の衝突力によるＰＣ柱１の曲げ・回転により、アンボンドＰＣ鋼材３が伸びる。伸び量をδＬ、アンボンド区間をＬとした場合、ひずみε＝δＬ／εであり、ε＞降伏ひずみεｙで降伏し、ε＞破断ひずみεｕで破断する。

ここで、ＰＣ柱１の曲げ圧縮応力は、ＵＦＣ製プレキャスト部材２が直接負担するが、中立軸が変形の増加と共に、圧縮軸側へ移動するため圧縮面積が小さくなり、同部分に作用する曲げ圧縮応力が大きくなる。ＵＦＣは圧縮強度や終局時の圧縮ひずみが大きい材料であるため、かなり大きな変形まで曲げ圧縮応力を負担することができるが、それでも要求される変形性能が足りない場合、図４に示すような回転装置１０を設置する。

回転装置１０は、橋梁の回転支承等を用い、ＰＣ柱１の陸側の下部に切欠き部を設け、この切欠き部に回転装置１０を配置し、基礎ＢとＰＣ柱１の下部を連結する。回転装置１０の設置位置が回転中心となり、中立軸の位置が移動しないため、安定して曲げ圧縮応力を負担することができ、圧縮力に耐え得る回転装置１０により、アンボンドＰＣ鋼材３の破断までＰＣ柱１の水平耐力を安定して維持することができる。回転装置１０の設置位置をＰＣ柱１の断面中心に近づければ、回転中心とアンボンドＰＣ鋼材３との距離が小さくなるため、ＰＣ柱１の曲げ耐力・剛性を低下させ、変形性能を増加することができる。

図５に示すように、Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱１は、差し込み式で基礎Ｂに設置することもできる。基礎Ｂには、1.0Ｄ（ＰＣ柱の外径）以上の深さの設置孔２０を設けておき、基部のＵＦＣ製プレキャスト部材２の下部を設置孔２０内に挿入し、空隙部に無収縮モルタル２１を充填して定着させる。このＤ型中空プレキャストＰＣ柱１の高さは、最大変形時でも、想定される津波に対して水中に没しない高さとする。

基部のＵＦＣ製プレキャスト部材２の中間部の外周には、基礎Ｂの天端に載置されるＵＦＣ製ハンチ部２２を設けておき、差込設置時における受けとして利用し、柱重量を保持させる。また、曲げ変形時には、ハンチ部２２の直上で曲げ変形させ、ＵＦＣ製プレキャスト部材２の差し込み部の損傷を避ける。回転装置１０を用いる場合には、ハンチ部２２とその上部を分離させる。

図６に示すように、Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱１は、規模の異なるもの（断面寸法、即ち、曲げ耐力・剛性・変形性能が異なるもの）を陸側に向かって断面が漸次大きくなるように複数列配置することもでき、規模の異なる漂流物Ｃに対して一連のＰＣ柱１による防護柱群で対応することができる。

漁船レベルでは、１列目のＰＣ柱１で捕捉し、小型ＰＣ柱群の塑性変形エネルギーで対応する。中型船舶では、２列目のＰＣ柱１で捕捉し、小型ＰＣ柱群の倒壊までの吸収エネルギーと、中型ＰＣ柱群の塑性変形エネルギーで対応する。大型船舶では、３列目のＰＣ柱１で捕捉し、小型ＰＣ柱群の倒壊までの吸収エネルギーと、中型ＰＣ柱群の倒壊までの吸収エネルギーと、大型ＰＣ柱群の塑性変形エネルギーで対応する。

また、図７に示すように、ＰＣ柱１を１列とした場合でも、適切な特性を有するワイヤーやＰＣ鋼より線などの線材３０で柱間を繋ぐ構造とすることもでき、異なる規模の漂流物Ｃを一連のＰＣ柱群で捕捉することができる。小型・中型船舶は、線材３０で捕捉し、線材３０の塑性変形に伴う吸収エネルギーで対応する。大型船舶は、直接、複数のＰＣ柱１で捕捉し、ＰＣ柱１の塑性変形に伴う吸収エネルギーで対応する。

線材３０の端部はＰＣ柱１の内部に配置した定着部３１に定着させる。この定着部３１に弾塑性ダンパー等のエネルギー吸収装置を設置すれば、より効率的な衝突エネルギーの吸収が可能となり、また小型・中型船舶の衝突後の部材交換が不要となる。

以下に、幾つかの種々の漂流物に対する本発明のＰＣ柱の具体的な適用例として、必要とされるＰＣ柱の本数と諸元を表１に示す。なお、表１の諸元は、以下の仮定に基づいて算出している（図８参照）。

（1）ＰＣ柱１の降伏時は、引張側の全てのアンボンドＰＣ鋼材３の降伏時とする。
（2）ＰＣ柱１の終局時は、最外縁（海側）のアンボンドＰＣ鋼材３の破断時とする。
（3）津波の速度（漂流物の速度）は、5ｍ／secとする。
（4）ＰＣ柱１の断面形状は、断面の半分から引張側が半円形、圧縮側が矩形断面とする。
（5）アンボンドＰＣ鋼材３は、引張側の半円形部分に３段に分かれて配置され、全区間にわたりアンボンド処理が施されている。

（6）ＰＣ柱１の最大曲げ耐力は、漂流船舶の許容衝突力の半分とする。
（7）ＰＣ柱１の塑性変形は、［漂流物の運動エネルギー＝衝突時の漂流物の変形により吸収されるエネルギー量＋ＰＣ柱の変形により吸収されるエネルギー量］の関係より算出する。
（8）ＰＣ柱１の高さは、［漂流物の高さ＋ＰＣ柱の根入れ深さ（3ｍ）］とする。
（9）ＰＣ柱１は、漂流物１隻に対し表１中のＮ本が一体となって漂流物に抵抗する。
なお、ＵＦＣ部の厚さは、断面高さｈ＝Ｄの10％程度とした。

図９に、３種類の船舶に対するＰＣ柱の１本当たりの性能と応答を示す。いずれの場合も、ＰＣ柱は大きく変位し、倒壊せず、これに比較して船舶の変位は小さく抑制され、損傷が低減されることがわかる。

なお、以上はタンク施設や発電施設などの沿岸構造物に適用した場合について例示したが、これに限らず、海や河川内に設置される橋脚やその他の構造物にも本発明を適用できる。また、本発明は図示例に限定されないことは言うまでもない。

本発明のコンクリート系防護柱構造とその配置方法の一例を示す平面図である。 本発明のＰＣ柱の構造特性を示すグラフである。 本発明のＰＣ柱の一実施形態であり、（ａ）は全体の鉛直断面図、（ｂ）はＰＣ柱の水平断面図である。 本発明のＰＣ柱の下部に回転装置を設置した実施形態の鉛直断面図である。 本発明のＰＣ柱の差し込み式の実施形態であり、（ａ）は鉛直断面図、（ｂ）は水平断面図、（ｃ）は変形例の鉛直断面図である。 本発明のＰＣ柱の複数列配置の実施形態を示す平面図である。 本発明のＰＣ柱に線材を用いた実施形態を示す平面図である。 本発明のＰＣ柱の具体的な適用例を示す水平断面図である。 図８のＰＣ柱の性能と応答を示すグラフである。

符号の説明

Ａ……沿岸構造物
Ｂ……基礎
Ｃ……漂流物
１……Ｄ型中空プレキャストＰＣ柱
１ａ…曲線部
１ｂ…直線部
２……ＵＦＣ製プレキャスト部材
３……アンボンドＰＣ鋼材
１０…回転装置
２０…設置孔
２１…無収縮モルタル
２２…ＵＦＣ製ハンチ部
３０…線材
３１…定着部

Claims (7)

1. 沿岸構造物や水上構造物の手前の基礎上に立設されたコンクリート柱により沿岸構造物や水上構造物を漂流物から防護する防護柱構造であり、
   中空断面のコンクリート柱部材に高性能材料とアンボンドＰＣ鋼材を用いることにより、曲げ剛性・曲げ耐力を小さく、変形性能を大きくしたＰＣ柱を基礎に定着して構成されていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造。
2. 請求項１に記載の防護柱構造において、ＰＣ柱の水平断面形状がＤ字状であり、その曲線部が漂流物側に位置していることを特徴とするコンクリート系防護柱構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の防護柱構造において、ＰＣ柱内に一端を定着したアンボンドＰＣ鋼材の他端が基礎内に定着されていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の防護柱構造において、ＰＣ柱の下部の圧縮側にＰＣ柱を漂流物衝突方向に回転自在に支持する回転装置が設けられていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造。
5. 請求項１または請求項２に記載の防護柱構造において、ＰＣ柱の下部が基礎に形成された設置孔に差し込まれていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造。
6. 沿岸構造物や水上構造物の手前の基礎上に立設された複数本のコンクリート柱により沿岸構造物や水上構造物を漂流物から防護する防護柱構造物であり、請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載のＰＣ柱が沿岸構造物や水上構造物に沿って間隔をおいて配置されていることを特徴とするコンクリート系防護柱構造物。
7. 請求項６に記載の防護柱構造物において、ＰＣ柱が複数列で配置され、各列で断面の大きさが異なることを特徴とするコンクリート系防護柱構造物。
   

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