JP5107562B2

JP5107562B2 - 建築物の衝撃緩和機構

Info

Publication number: JP5107562B2
Application number: JP2006318510A
Authority: JP
Inventors: 浩之中田; 彰文武田
Original assignee: Okumura Corp
Current assignee: Okumura Corp
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: JP2008133597A

Description

本発明は、地震時の水平力により浮き上がりが生じる建築物に対する、浮き上がり後の復元時に生じる着地の衝撃を緩和する建築物の衝撃緩和機構に関する。

アスペクト比（建築物の高さ／建築物の幅）の大きい直接基礎の建築物では、地震時の転倒モーメントによって建築物の基礎の一部が支持面から浮き上がる場合がある。建築物が浮き上がった場合、復元時の着地による建築物への衝撃が問題となる。このような着地時の衝撃を緩和する技術として、特許文献１に、中間階または最下階の鋼管柱の下部と、最下階部より下の柱または基礎と一体化した定着用凸部とを嵌め合わせ、その隙間にエネルギー吸収装置を設置し地震時のエネルギーを吸収しつつ落下衝撃の緩和を図る技術が示されている。
特開２００１−１１５６８３号公報

しかし、特許文献１に示された背景技術は、免震構造物を対象としているため、構造物の中間階又は最下階部分の鋼管柱下部とその下の柱または基礎と間の免震層を「浮き上がり境界面」として利用している。このため、免震構造物以外の建築物に適用すると構造体が「浮き上がり境界面」により分断されその一体性が損なわれしまう。また、特許文献１に示された背景技術の適用箇所は鋼管柱の下部に限られるため、鋼管柱を有しない建築物へは適用できない。さらに、鋼管柱に対して定着用凸部やエネルギー吸収装置を設ける構造は大がかりであり経済的でない。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、建築物の構造体の一体性を損なうことがなく、鋼管柱を有しない建築物にも適用できる汎用性を有し、構造が簡単な建築物の衝緩和機構を提供することを目的とする。

支持地盤上のラップルコンクリートによって直接基礎が支持されている建築物に設けられ、水平力により該直接基礎が該ラップルコンクリートから浮き上がった該建築物の復元時の衝撃を緩和する衝撃緩和機構であって、上記直接基礎に一端部を固定し、他端部を上記ラップルコンクリートに固定して、中間部が浮き上がりに伴う引張力により塑性変形し、復元時の圧縮力により変形することにより復元時の衝撃を緩和する衝撃緩和部材を設けると共に、該衝撃緩和部材に、これを摺動自在に挿通して当該衝撃緩和部材の座屈を防止する座屈防止部材を設けたことを特徴とする。

前記座屈防止部材は、前記ラップルコンクリートから前記直接基礎にわたり、当該直接基礎の浮き上がりに伴い該直接基礎内で摺動可能に設けたことを特徴とする。

前記座屈防止部材は、前記直接基礎から前記ラップルコンクリートにわたり、当該直接基礎の浮き上がりに伴い該ラップルコンクリート内で摺動可能に設けたことを特徴とする。

前記座屈防止部材の摺動可能な範囲の長さが前記直接基礎の浮き上がり量より長く設定されていることを特徴とする。

本発明にかかる建築物の衝撃緩和機構にあっては、建築物の構造体の一体性を損なうことがなく、鋼管柱を有しない建築物にも適用できる汎用性を有し、簡単な構造で、浮き上がりが生じた建築物の復元時の衝撃を緩和できる。具体的には、衝撃緩和部材の座屈を防止する座屈防止部材を設けているため、浮き上がり空間における衝撃緩和部材の座屈を防止でき、衝撃緩和部材の塑性変形を有効に利用して建築物の落下エネルギーを吸収できる。これにより、建築物の着地時の衝撃を効果的に緩和できる。

以下に、本発明にかかる建築物の衝撃緩和機構の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかる建築物の衝撃緩和機構は基本的には、図１から図３に示すように、支持地盤１０上のラップルコンクリート１によって直接基礎２が支持されている建築物に設けられ、水平力により直接基礎２がラップルコンクリート１から浮き上がった該建築物の復元時の衝撃を緩和する衝撃緩和機構であって、直接基礎２に上端部３ａを固定し、下端部３ｂをラップルコンクリート１に固定して、中間部３ｃが浮き上がりに伴う引張力により塑性変形し、復元時の圧縮力により変形することにより復元時の衝撃を緩和する衝撃緩和部材３と、ラップルコンクリート１から直接基礎２にわたり、直接基礎２の浮き上がりに伴い直接基礎２内で摺動可能に、衝撃緩和部材３の座屈を防止する座屈防止部材４が設けられている。

本実施形態の建築物はＸＹ方向に所定の間隔をもって柱５が配置されている。当該建築物の直接基礎２は、各柱５を結ぶ基礎梁７と、柱５および基礎梁７の下部のフーチング８とにより構成される。フーチング８はラップルコンクリート１により支持されている。ラップルコンクリート１の下部は支持地盤１０に達している。本実施形態におけるラップルコンクリート１は地盤改良の一種であり、建築物の直接基礎２の底面から支持地盤１０にわたり打設されたコンクリートである。ラップルコンクリート１は建築物の荷重を支持地盤１０（支持層）へ直接伝達する機能を有していれば良く、構造体としての強度は要求されない。このため本実施形態では貧調合コンクリートが用いられている。

直接基礎２の下部には衝撃緩和部材３が設けられている。衝撃緩和部材３は地震時の水平力で浮き上がりが生じ得る柱５および基礎梁７の下部に適宜間隔をもって配置されている。衝撃緩和部材３は、建築物の一部で直接基礎２がラップルコンクリート１から浮き上がった場合に、その浮き上がりに伴って伸び変形を生じる。その後建築物とともに直接基礎２が落下する際には、伸び変形した衝撃緩和部材３は圧縮力により変形して落下エネルギーを吸収し、直接基礎２がラップルコンクリート１へ着地する際の建築物への衝撃を緩和する。すなわち衝撃緩和部材３の作用は図７に示すように、直接基礎２の浮き上がり時の引張力により塑性変形し元の寸法よりも長くなり、次いで直接基礎２が復元する際の圧縮力により、浮き上がり時の塑性変形により長くなった分（残留ひずみ分）が圧縮変形されることで、落下時のエネルギーを吸収して、着地時の衝撃を緩和する機能を有している。圧縮力による衝撃緩和部材３の変形は、建築物の落下エネルギーの吸収に関与する塑性変形等の変形を意味する。

本実施形態における衝撃緩和部材３は異形ねじ鉄筋で構成されている。衝撃緩和部材３は、ラップルコンクリート１から直接基礎２にわたってほぼ垂直に配置されている。衝撃緩和部材３は、その下端部３ｂがラップルコンクリート１に定着され、上端部３ａが直接基礎２に定着されている。衝撃緩和部材３の上端部３ａおよび下端部３ｂの定着強度は、地震により直接基礎２の浮き上がりと復元が繰り返されても引き抜けないように設定されている。本実施形態において、衝撃緩和部材３の上端部３ａには異形ねじ鉄筋に螺合するナットが取り付けられ、下端部３ｂはフック状に加工され、直接基礎２およびラップルコンクリート１との定着強度が確保されている。

中間部３ｃの外周面には、直接基礎２が浮き上がる際の引張力による中間部３ｃの変形が容易となるよう、直接基礎２およびラップルコンクリート１との付着力を小さくするための付着防止処理が施されている。付着防止処理としては、例えば、中間部３ｃの外周面をテープ等で被覆する処理がある。中間部３ｃは、この付着防止処理により直接基礎２が浮き上がる際の変形が容易になる。ただし、付着防止処理を施さなくても直接基礎２等との付着力が小さく、変形が容易である中間部３ｃの部分には、当該処理を省略しても良い。例えば、後述する座屈防止部材４に覆われる部分である。中間部３ｃの長さは、直接基礎２の浮き上がり時に中間部３ｃで塑性変形が生じつつも破断には至らないように設定されている。衝撃緩和部材３は、建築物の構造部材とは別部材であるため、構造部材に要求される強度や配置等に制限されることなく、その強度、配置、寸法等を容易に設定できる。

本実施形態の建築物の衝撃緩和機構には、座屈防止部材４が設けられている。座屈防止部材４には衝撃緩和部材３が挿通されている。座屈防止部材４は衝撃緩和部材３の中間部３ｃの一部又は全部を覆うように配置されている。座屈防止部材４は衝撃緩和部材３の中間部３ｃの全部を覆うように配置しても良い。座屈防止部材４は、その内方で衝撃緩和部材３が摺動自在となるよう、衝撃緩和部材３の中間部３ｃとの固定はされない。座屈防止部材４は衝撃緩和部材３の上端部３ａ、下端部３ｂを覆わないためこれらの定着には影響を与えない。座屈防止部材４は、浮き上がりにより直接基礎２の底面とラップルコンクリート１の間に生じた浮き上がり空間Ｓにおける、衝撃緩和部材３の座屈による変形を拘束し、衝撃緩和部材３の塑性変形によるエネルギー吸収の効率を高める機能を有している。本実施形態において座屈防止部材４は鋼管で構成されている。該鋼管の内径は、衝撃緩和部材３の座屈を防止でき、かつその摺動を阻害しない大きさに設定されている。座屈防止部材４の上部４ａは、直接基礎２の浮き上がりの際に、直接基礎２内を摺動できるようにして、直接基礎２内に配置されている。そのため、座屈防止部材４の上部４ａの外周面には、衝撃緩和部材３の中間部３ｃに施したのと同様な付着防止処理が施されている。座屈防止部材４の直接基礎２内で摺動可能な範囲、すなわち上部４ａの長さは、建築物の浮き上がり量より長く設定されている。このため、座屈防止部材４は直接基礎２の浮き上がり時にも直接基礎２から抜けず位置が安定し、確実に衝撃緩和部材３の座屈を防止できる。座屈防止部材４の下部４ｂはラップルコンクリート１に埋設して固定されている。本実施形態では、座屈防止部材４の下部４ｂの外周面にはラップルコンクリート１との定着を補強するために突起部が設けられている。座屈防止部材４の下部４ｂの固定と、座屈防止部材４の上部４ａへの付着防止処理により、上部４ａの直接基礎２内における摺動性が確保される。なお、本実施形態における直接基礎２の浮き上がり量とは、建築物の衝撃緩和部材３の配置位置において、ラップルコンクリート１と直接基礎２の間に浮き上がりが生じた際の、ラップルコンクリート１の上面と直接基礎２の底面間の距離をいう。直接基礎２の浮き上がり量は、建築物の構造計算や地震力を入力して応答解析するシミュレーションにより算定される。直接基礎２の浮き上がり量は、各建築物の浮き上がりが生じ得る水平力のうち、各建築物で衝撃緩和のねらいとした水平力を基準として設定する。衝撃緩和部材３が破断しないように、ねらいとした水平力により生じる直接基礎２の最大の浮き上がり量で設定する。例えば、各建築物における建築基準法上の保有水平耐力時の浮き上がり量に設定できる。

以上説明した本実施形態にかかる建築物の衝撃緩和機構の作用について説明する。建築物に水平力が加わっていない状態（図３（ａ）参照）では、ラップルコンクリート１の上部に、基礎梁７とフーチング８で構成される直接基礎２が密着して配置されている。建築物に地震による水平力が作用した場合（図３（ｂ）参照）、ラップルコンクリート１と直接基礎２の間で浮き上がりが生じる。この浮き上がりにより、衝撃緩和部材３の上端部３ａは直接基礎２と共に上昇するが、下端部３ｂはラップルコンクリート１に定着しているため移動しない。このため、直接基礎２やラップルコンクリート１との付着力が弱い、衝撃緩和部材３の中間部３ｃに引張力による伸び変形が生じる。浮き上がりに伴って中間部３ｃの伸び変形は塑性域まで進む。一方、座屈防止部材４は、その上部４ａが直接基礎２内で摺動可能であり、下部４ｂがラップルコンクリート１に固定されているため、ラップルコンクリート１に残る。この際、座屈防止部材４の上部４ａは浮き上がり量より長く設定されているため、上部４ａが直接基礎２から完全に抜け出る状態にはならない。これにより浮き上がり空間Ｓには座屈防止部材４が上下端部を直接基礎２又はラップルコンクリート１内に位置させた状態で露出される。

浮き上がり段階で加わっていた水平力がなくなると建築物は復元を開始する。直接基礎２は建築物の重量により落下し、直接基礎２がラップルコンクリート１に着地して復元が終了する。この際、中間部３ｃが圧縮力により変形し建築物の落下エネルギーを吸収する。これにより、直接基礎２がラップルコンクリート１へ着地する際の建築物への衝撃が緩和される。衝撃緩和部材３の中間部３ｃが圧縮力により変形する際、浮き上がり空間Ｓに位置する中間部３ｃの部分は、座屈防止部材４によりその座屈が防止される。浮き上がり空間Ｓ以外に位置する中間部３ｃの部分は、その周囲の、直接基礎２、ラップルコンクリート１および座屈防止部材４により座屈が防止される。なお、地震動により建築物の両側が交互に浮き上がる場合は上記作用を繰り返す。

以上説明した本実施形態の建築物の衝撃緩和機構は、ラップルコンクリート１から直接基礎２にわたり、直接基礎２の浮き上がりに伴い直接基礎２内で摺動可能に、衝撃緩和部材３の座屈を防止する座屈防止部材４を設けているため、浮き上がり空間Ｓにおける衝撃緩和部材３の座屈を防止でき、衝撃緩和部材３の塑性変形を有効に利用して建築物の落下エネルギーを吸収できる。これにより、建築物の着地時の衝撃が効果的に緩和される。さらに、座屈防止部材４の直接基礎２内で摺動可能な範囲の長さが、建築物の浮き上がり量より長いため、直接基礎２が浮き上がった際も、座屈防止部材４の上部４ａが直接基礎２から完全に抜け出る状態にはならず、衝撃緩和部材３の座屈を確実に防止できる。

また、水平力により直接基礎２がラップルコンクリート１から浮き上がるため、ラップルコンクリート１と直接基礎２の間で浮き上がりが発生し、建築物の構造体には「浮き上がり境界面」が発生しない。このため建築物の構造体の一体性が確保できる。また、直接基礎２に上端部３ａを定着し、下端部３ｂをラップルコンクリート１に定着し、中間部３ｃが浮き上がりに伴う引張力により塑性変形し、復元時の圧縮力により変形することにより復元時の衝撃を緩和する衝撃緩和部材３を設けている。衝撃緩和部材３の取り付けにおいて、直接基礎２のみが建築物の構造体でありラップルコンクリート１は支持地盤の一種であるため、構造体への影響を少なくして衝撃緩和部材３を設置できる。さらに、衝撃緩和部材３は建築物の構造部材とは別部材であるため、建築物の構造体に関係なく、ＲＣ造、ＳＲＣ造、Ｓ造に幅広く適用できる。加えて、衝撃緩和部材３や座屈防止部材４に鉄筋や鋼管等の汎用材料を利用でき、構造も簡単になる。また、衝撃緩和部材３が地震力により、その塑性域で変形を繰り返すため地震による振動エネルギーも吸収できる。

本実施形態の変形例を図４から図６に示す。本変形例の衝撃緩和部材３は異形ねじ鉄筋で構成され、その上端部３ａはナットが取り付けられて直接基礎２に定着され、下端部３ｂはフック状に加工されてラップルコンクリート１に定着されている。衝撃緩和部材３の中間部３ｃは、直接基礎２の底面より下方に位置し、ラップルコンクリート１内に配置されている。衝撃緩和部材３の中間部３ｃの周面には前述の実施形態と同様の付着防止処理が施されている。衝撃緩和部材３の中間部３ｃの上側は座屈防止部材４に挿通されている。座屈防止部材４は、直接基礎２からラップルコンクリート１にわたり、ラップルコンクリート１内で摺動可能に取り付けられている。座屈防止部材４は、衝撃緩和部材３の座屈を防止でき、かつその摺動を阻害しない内径を有する鋼管で構成され、その上端面の外周部には鋼板製のツバ部４ｆが設けられている。ツバ部４ｆの上面にはアンカー４ｇが複数突設されている。座屈防止部材４のツバ部４ｆより下方の胴体部４ｈは、摺動補助部材２０に摺動自在に挿通されている。胴体部４ｈの長さ、すなわち摺動可能部分の長さは、建築物の浮き上がり量より長く設定されている。

摺動補助部材２０は、座屈防止部材４の胴体部４ｈ全体を覆って配置され、ラップルコンクリート１内に埋設されている。摺動補助部材２０は、ラップルコンクリート１と座屈防止部材４の胴体部４ｈとの付着を防止し、座屈防止部材４の摺動性を確保している。本変形例における摺動補助部材２０は、合成樹脂管で構成されている。摺動補助部材２０の長さは胴体部４ｈよりやや長く設定されている。座屈防止部材４はアンカー４ｇを直接基礎２に埋設し、ツバ部４ｆを直接基礎２の底面と面一にして直接基礎２に固定されている。胴体部４ｈは摺動補助部材２０に挿通された状態でラップルコンクリート１に配置され、その内方に衝撃緩和部材３が挿通され、衝撃緩和部材３の中間部３ｃ上側を覆っている。

本変形例において直接基礎２が浮き上がった場合（図６参照）、衝撃緩和部材３は中間部３ｃで伸び変形し塑性域に達する。この際、座屈防止部材４はその上端面ツバ部４ｆのアンカー４ｇで直接基礎２に固定され、胴体部４ｈが摺動補助部材２０によりラップルコンクリート１内で摺動自在であるため、座屈防止部材４は直接基礎２と共に上昇する。座屈防止部材４の胴体部４ｈは、建築物の浮き上がり量より長いため、胴体部４ｈがラップルコンクリート１から完全に抜け出る状態にはならず位置が安定している。座屈防止部材４の上昇時、摺動補助部材２０はラップコンクリート１との付着により、ラップルコンクリート１内に残る。直接基礎２の復元時には、衝撃緩和部材３が圧縮力により変形し、座屈防止部材４は衝撃緩和部材３の座屈を防止しながら直接基礎２と共に降下（落下）し摺動補助部材２０内部に再度収まる。

本変形例において、直接基礎２からラップルコンクリート１にわたり、摺動可能に、座屈防止部材４を設けているため、直接基礎２内での座屈防止部材４の摺動がなくなる。このため、直接基礎２内に座屈防止部材４の摺動による空間部が生じなくなり構造的に好ましくなる。さらに、直接基礎２内には、衝撃緩和部材３の中間部３ｃを配置していないため、直接基礎２内で動く部材がなくなり、構造的に好ましくなる。また、座屈防止部材４を、構造体としての強度を有する直接基礎２に固定するため、その固定強度が確保しやすく、その摺動が確実になる。座屈防止部材４の胴体部４ｈは摺動補助部材２０で包囲されてラップルコンクリート１内に配置されているため、ラップルコンクリート１と付着することがなく、その摺動が円滑になる。また、摺動補助部材２０により、座屈防止部材４周囲のラップルコンクリート１の面が保護され、座屈防止部材４が摺動した際のラップルコンクリート１の面の崩れ等を防止でき、座屈防止部材４の動きの円滑を確保できる。

以上の実施形態では直接基礎２の下部全体にラップルコンクリート１が設けられているが、一部の直接基礎２にラップルコンクリート１が存在する場合でも良い。さらに、衝撃緩和部材３の下端部３ｂを、建築物の浮き上がり時に定着させておくことができ、圧縮時に衝撃緩和部材３の中間部３ｃが変形できるものであれば、ラップルコンクリート１に限定されない。例えば定着用アンカー部を有する衝撃緩和部材３を支持地盤１０の必要箇所へ埋設してもよい。

本実施形態の直接基礎２は布基礎形式であるが、この形式に限定されない。杭を有さない直接基礎であれば、独立フーチング方式、べた基礎方式でも良い。

衝撃緩和部材３は、直接基礎２の復元時の圧縮力により変形し落下エネルギーを吸収できるものであればよい。例えば極軟鋼の板材や棒材を使用しても良い。また、衝撃緩和部材３の上下端部３ａ、３ｂの形状は定着が確保できれば形状は限定されない。衝撃緩和部材３は、上下端部３ａ、３ｂと中間部３ｃを別素材で構成しても良い。ただし、中間部３ｃを別部材で構成した場合であっても、ラップルコンクリート１が支持地盤１０から浮き上がらないように、衝撃緩和部材３の耐力を設定することは言うまでもない。

座屈防止部材４は筒体である必要はない。座屈防止部材４は、浮き上がり時に、直接基礎２内又はラップルコンクリート１内を摺動可能であり、かつその内方で衝撃緩和部材３が摺動自在であると同時に、浮き上がり空間Ｓで衝撃緩和部材３の座屈を防止できるものであれば良い。例えば、座屈防止部材４を格子筒状体としても良い。

変形例における、座屈防止部材４のツバ部４ｆ、アンカー４ｇの代わりに、先の実施形態における座屈防止部材４の上部４ａを適当な深さまで直接基礎２に埋設して固定しても良い。また、付着防止処理は、テープ等の被覆や合成樹脂管の摺動補助部材２０に限定されず、剥離剤等を塗布しても良い。

本発明に係る衝撃緩和機構を適用する建築物の基礎の一部を示す平面図である。図１における直接基礎の縦断面図である。図２に示す直接基礎に浮き上がりが生じる場合の状態を説明する縦断面図である。図２に示す衝撃緩和機構の変形例を示す直接基礎の縦断面図である。図４に示す衝撃緩和機構の座屈防止部材の取り付け状況を示す拡大縦断面図である。図４に示す直接基礎に浮き上がりが生じる場合の状態を説明する縦断面図である。本発明に係る衝撃緩和機構に適用する衝撃緩和部材についての応力とそれによる変形量および吸収するエネルギー量の関係を模式的に示すグラフ図である。

符号の説明

１ラップルコンクリート
２直接基礎
３衝撃緩和部材
４座屈防止部材

Claims

支持地盤上のラップルコンクリートによって直接基礎が支持されている建築物に設けられ、水平力により該直接基礎が該ラップルコンクリートから浮き上がった該建築物の復元時の衝撃を緩和する衝撃緩和機構であって、
上記直接基礎に一端部を固定し、他端部を上記ラップルコンクリートに固定して、中間部が浮き上がりに伴う引張力により塑性変形し、復元時の圧縮力により変形することにより復元時の衝撃を緩和する衝撃緩和部材を設けると共に、該衝撃緩和部材に、これを摺動自在に挿通して当該衝撃緩和部材の座屈を防止する座屈防止部材を設けたことを特徴とする建築物の衝撃緩和機構。
前記座屈防止部材は、前記ラップルコンクリートから前記直接基礎にわたり、当該直接基礎の浮き上がりに伴い該直接基礎内で摺動可能に設けたことを特徴とする請求項１に記載の建築物の衝撃緩和機構。
前記座屈防止部材は、前記直接基礎から前記ラップルコンクリートにわたり、当該直接基礎の浮き上がりに伴い該ラップルコンクリート内で摺動可能に設けたことを特徴とする請求項１に記載の建築物の衝撃緩和機構。
前記座屈防止部材の摺動可能な範囲の長さが前記直接基礎の浮き上がり量より長く設定されていることを特徴とする請求項１から３いずれかの項に記載の建築物の衝撃緩和機構。