JP5889239B2

JP5889239B2 - 計測システム

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Publication number: JP5889239B2
Application number: JP2013088931A
Authority: JP
Inventors: 龍大欄木; 藍子新居; 英志青野
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2033-04-19
Also published as: JP2014211399A

Description

本発明は、計測システムに関する。詳しくは、鉄筋材を用いた可撓仕口を有するＲＣ耐震壁の累積塑性変形倍率（損傷具合）を求める計測システムに関する。

従来より、超高層建築物の地震動対策として、可撓ＲＣ耐震壁を設けることが提案されている（非特許文献１、２参照）。この可撓ＲＣ耐震壁は、既存の上下の梁に所定間隔離れて一対の壁板を設け、これら上下の壁板同士を複数本の可撓鉄筋材で連結し、これら鉄筋をモルタル、吹付けロックウール、セラミック系耐火被覆材などの被覆材で覆った構造である。

この可撓ＲＣ耐震壁では、可撓鉄筋材が変形することで耐震壁の可撓性（変形能力）を高め、壁板のひび割れによる耐力低下を防止し、耐震壁の靱性を十分に確保することが可能である。また、可撓鉄筋材が曲げ変形によって降伏し、鋼材系の履歴ダンパとして機能することにより、建築物の振動エネルギを吸収することが可能である。

ところで、近年、設計時の想定を超えるような巨大地震の発生が危惧されている。大地震を受けた建築物の安全性を確認するためには、建築物の重要な耐震要素である可撓ＲＣ耐震壁の実際の損傷具合を正確に評価する必要がある。

可撓ＲＣ耐震壁の評価では、まず、予め、可撓鉄筋材の本数や材質に基づいて、耐震壁が吸収可能な最大のエネルギ量を求めておく。次に、可撓鉄筋材が実際に変形することで耐震壁が実際に吸収した地震動のエネルギ量を求めて、この求めた実際のエネルギ量が吸収可能な最大のエネルギ量以下であれば、可撓ＲＣ耐震壁が健全であると判断できる。

具体的には、可撓鉄筋材の累積塑性変形倍率を用いて、可撓ＲＣ耐震壁の安全性を判定する。累積塑性変形倍率とは、可撓鉄筋材の降伏後の変形の累積値である累積塑性変形を、可撓鉄筋材の降伏時の変形で除したものである。

すなわち、可撓鉄筋材の水平方向の変形およびこの変形により生じる復元力を計測し、これら変形および復元力に基づいて、可撓鉄筋材の累積塑性変形倍率を求める。また、耐震壁が吸収可能なエネルギ量の最大値を、可撓鉄筋材の保有する累積塑性変形倍率として算定する。そして、計測で求めた実際の累積塑性変形倍率が、可撓鉄筋材の保有する累積塑性変形倍率以下である場合には、耐震壁が安全であると判定する。

この場合、可撓鉄筋材の変形を計測することが必要になるため、例えば、以下のような疲労損傷監視装置を耐震壁に取り付けることが考えられる。この疲労損傷監視装置は、建築物に取り付けられ、変位センサで鋼材ダンパの変位を計測し、マイナー則に従って、この計測した変位に基づいて疲労損傷値を求める。そして、この疲労損傷値に基づいて建築物の健全性を判定する（特許文献１参照）。

小林理布、他２名、「鉄筋コンクリート耐震壁の可撓仕口に関する実験的研究（その３）」日本建築学会大会学術講演梗概集（北陸）、昭和４９年１０月、ｐ．１３８５−１３８６成原弘之、他５名、「鉄筋コンクリート耐震壁の可撓仕口に関する実験的研究（その４）低サイクル疲労実験」日本建築学会大会学術講演梗概集（東北）、２００９年８月、ｐ．８５１−８５２

特開２０１０−７８３７０号公報

しかしながら、上述の耐震壁では、可撓鉄筋材が被覆材に覆われるため、疲労損傷監視装置により可撓鉄筋材の変位を直接測定することは不可能である。

本発明は、耐震壁の累積塑性変形倍率を容易に求めることができる計測システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の計測システム（例えば、後述の計測システム１０）は、所定間隔離れて設けられた上下一対の壁部（例えば、後述の壁部２１Ａ、２１Ｂ）と、当該一対の壁部同士を連結する複数本の鋼材（例えば、後述の可撓鉄筋材２２）と、を備える耐震壁（例えば、後述の耐震壁２０）について、前記鋼材の累積塑性変形倍率を求める計測システムであって、前記一対の壁部の表面に沿って設けられて当該一対の壁部同士の相対変位を計測する変位計測装置（例えば、後述の変位計測装置３０）と、当該変位計測装置で計測した相対変位に基づいて、前記鋼材の累積塑性変形倍率を求める演算装置（例えば、後述の演算装置５０）と、を備え、前記変位計測装置は、前記一対の壁部の一方に設けられた変位計測装置本体（例えば、後述の変位計測装置本体３１）と、一端側が前記一対の壁部の他方に設けられ、他端側が当該変位計測装置本体の軸部に接続された棒状のロッド（例えば、後述のロッド３２）と、を備え、前記変位計測装置は、水平方向に対して傾斜して設けられ、かつ、前記一対の壁部の上下端から前記鋼材に向かうに従って壁面に接近して配置されることを特徴とする。

この発明によれば、変位計測装置を水平方向に対して傾斜して設けた。よって、この変位計測装置の計測値から水平方向の成分を取り出して、壁部同士の水平方向の相対変位として用いることで、鋼材の損傷具合の指標である累積塑性変形倍率を容易に求めることができる。

また、変位計測装置を水平方向に対して傾斜して設けたので、変位計測装置を水平に設置した場合に比べて、変位計測装置本体の軸部の測定範囲（ストローク）を広く確保できる。
また、変位計測装置を一対の壁部の壁面に直接取り付けたので、壁部に腕木を介して変位計測装置を取り付けた場合に比べて、変位計測装置を容易に取り付けできるうえに、壁部同士の変位を直接計測して精度を向上できる。

また、壁部の壁面のうち鋼材から離れた位置に変位計測装置を固定できるので、変位計測装置を壁部に取付ける際の振動が鋼材付近の被覆材に与える影響を小さくして、鋼材付近の被覆材の剥落を最小限に抑えることができる。
また、変位計測装置本体およびロッドを、一対の壁部の上下端から鋼材に向かうに従って壁面に接近するように配置したので、変位計測装置が常に壁面に向かって付勢されて安定するうえに、一対の壁部同士が壁面の面外方向に相対移動しても、この相対移動に追従するから、ロッドが損傷するのを防止できる。

請求項２に記載の計測システムは、前記演算装置は、前記相対変位に基づいて、予め設定したバイリニア特性に従って累積塑性変形倍率を求めることを特徴とする。

この発明によれば、相対変位に基づいて、予め設定したバイリニア特性に従い、累積塑性変形倍率を求めた。よって、復元力を測定することなく、鋼材の累積塑性変形倍率を容易に求めることができる。

請求項３に記載の計測システムは、前記演算装置は、前記累積塑性変形倍率が予め設定した鋼材の保有累積塑性変形倍率を超えた場合、前記累積塑性変形倍率が当該保有累積塑性変形倍率を超えている旨を報知することを特徴とする。

この発明によれば、累積塑性変形倍率が保有累積塑性変形倍率を超えている旨を報知するので、耐震壁の状態を建物の管理者に容易に認識させることができる。

本発明によれば、変位計測装置を水平方向に対して傾斜して設けた。よって、この変位計測装置の計測値から水平方向の成分を取り出して、壁部同士の水平方向の相対変位として用いることで、鋼材の損傷具合の指標である累積塑性変形倍率を容易に求めることができる。

本発明の一実施形態に係る計測システムが適用される高層建物の平面図である。前記実施形態に係る耐震壁の側面図である。図２のＡ−Ａ断面図である。前記実施形態に係る計測システムのブロック図である。前記実施形態に係る変位計測装置の平面図および側面図である。前記実施形態に係る変位計測装置を壁部に取り付けた状態を示す模式図である。前記実施形態に係る鋼材の変形と復元力との関係を示す復元力特性を示す図である。前記実施形態に係る計測システムの動作のフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る計測システム１０が適用される高層建物１の平面図である。

高層建物１には、各階のコア部を中心として、Ｘ方向およびＹ方向に延びる複数の耐震壁２０が設けられている。これら耐震壁２０は、上下階で同じ位置に設けられている。
また、特定の階の耐震壁２０には、変位計測装置３０が設置される。この変位計測装置３０は、耐震壁２０のうち、後述の累積塑性変形倍率が大きくなるものを選択して設けられている。
また、特定の階には、加速度計測装置４０が設置される。この加速度計測装置４０は、地震時に建物のねじれ変形が大きくなる高層建物１の周縁部に設置される。

図２は、耐震壁２０の側面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
耐震壁２０は、既存の上下の構造体としての梁３にそれぞれ接合されかつ所定間隔離れて設けられた上下一対の壁部２１Ａ、２１Ｂと、これら上下の壁部２１Ａ、２１Ｂ同士を連結する複数本の可撓鉄筋材２２と、を備える。
可撓鉄筋材２２は、一対の壁部２１Ａ、２１Ｂの互いに対向する面に、所定間隔おきに２列に設けられている。
壁部２１Ａ、２１Ｂ同士の隙間は、モルタル、吹付けロックウール、セラミック系耐火被覆材などの被覆材２３で覆われている。本実施形態では、被覆材２３としてモルタルを用いており、可撓鉄筋材２２はモルタルで覆われて埋め殺しとなっている。

図４は、計測システム１０のブロック図である。
計測システム１０は、地震動による耐震壁２０の累積塑性変形倍率を求めて、この累積塑性変形倍率に基づいて耐震壁２０の安全性を判定するものである。

計測システム１０は、耐震壁２０の一対の壁部２１Ａ、２１Ｂ同士の相対変位を計測する変位計測装置３０と、地震動の当階の加速度を計測する加速度計測装置４０と、加速度計測装置４０で計測した加速度に基づいて地震動の最大加速度、最大変位、震度を求めるとともに、変位計測装置３０で計測した相対変位に基づいて耐震壁２０の安全性を判定する演算装置５０と、この演算装置５０に接続されたモニタ６０と、演算装置にインターネットなどの有線回線あるいは無線回線を介して接続された外部機器７０と、を備える。

図５は、変位計測装置３０の平面図および側面図である。図６は、変位計測装置３０の設置状態を模式的に示す図である。
変位計測装置３０は、下側の壁部２１Ｂに設けられた変位計測装置本体３１と、一端側が上側の壁部２１Ａに設けられ、他端側が変位計測装置本体３１の軸部３１１に接続された棒状のロッド３２と、を備える。

変位計測装置３０は、一対の壁部２１Ａ、２１Ｂの表面に沿ってかつ水平方向に対して傾斜して設けられる。この変位計測装置３０の水平方向に対する角度をθとする（図２参照）。
また、この変位計測装置３０は、図６に示すように、一対の壁部２１Ａ、２１Ｂの上下端から可撓鉄筋材２２に向かうに従って壁面に接近して配置される。

変位計測装置本体３１は、軸部３１１の進退量を計測して出力するものであり、キャンバ３１２を挟んで、下側の壁部２１Ｂの壁面にあと施工アンカー３１３により固定されている。
このキャンバ３１２は、変位計測装置本体３１の下端側つまりロッド３２とは反対側の端部に介装されており、これにより、変位計測装置本体３１は、可撓鉄筋材２２から離れた位置で壁部２１Ｂに固定されている。
このキャンバ３１２により、変位計測装置本体３１は、壁部２１Ｂの下端から上方（可撓鉄筋材２２）に向かうに従って壁部２１Ｂの壁面に接近している。

また、ロッド３２は、キャンバ３２１を挟んで、上側の壁部２１Ａの壁面にあと施工アンカー３２２により固定されている。
このキャンバ３２１は、ロッド３２の上端側つまり変位計測装置本体３１とは反対側の端部に介装されており、これにより、ロッド３２は、可撓鉄筋材２２から離れた位置で壁部２１Ａに固定されている。
このキャンバ３２１により、ロッド３２は、壁部２１Ａの上端から下方（可撓鉄筋材２２）に向かうに従って壁部２１Ａの壁面に接近している。

また、ロッド３２の中間には、自在継手３２３が設けられており、このロッド３２は、これら自在継手３２３において折り曲げ可能となっている。また、ロッド３２は、自在継手３２４を介して変位計測装置本体３１の軸部３１１に接続されており、この自在継手３２４において折り曲げ可能となっている。

図４に戻って、演算装置５０は、記憶部５１、地震情報算定部５２、累積塑性変形倍率算定部５３、判定部５４、および出力部５５を備える。
記憶部５１は、予め、可撓鉄筋材２２のバイリニア特性や、耐震壁２０の保有累積塑性変形倍率を記憶する。

地震情報算定部５２は、加速度計測装置４０で計測した加速度に基づいて、地震情報を求める。地震情報とは、基準階に対する水平方向の相対加速度の時刻歴波形、最大加速度、基準階に対する水平方向の相対変位の時刻歴波形、最大変位、震度相当値などである。

具体的には、地震情報算定部５２は、まず、ＸＹＺ方向の成分毎の最大加速度を求めて、基準階（例えば地下階）に対する当該階の水平方向の相対加速度の時刻歴波形を求めるとともに、この相対加速度の最大値を最大加速度として求める。また、この水平方向の相対加速度の時刻歴波形に基づいて、当該階の震度相当値を求める。
次に、地震情報算定部５２は、この水平方向の相対加速度の時刻歴波形を二階積分して、基準階に対する水平方向の相対変位の時刻歴波形を求めるとともに、この相対変位の最大値を最大変位として求める。

累積塑性変形倍率算定部５３は、まず、変位計測装置本体３１で測定したロッド３２の変位計測装置本体３１に対する進退量に基づいて、一対の壁部２１Ａ、２１Ｂの長さ方向つまり水平方向の相対変位を算定する。具体的には、ロッド３２の進退量にｃｏｓθを乗じて、この進退量の水平方向の成分を取り出して、一対の壁部２１Ａ、２１Ｂ同士の水平方向の相対変位とする。

次に、累積塑性変形倍率算定部５３は、一対の壁部２１Ａ、２１Ｂ同士の水平方向の相対変位に基づいて、記憶部５１で予め記憶した可撓鉄筋材２２のバイリニア特性に従って、可撓鉄筋材２２の復元力および累積塑性変形倍率を算定する。

図７は、可撓鉄筋材２２の変形δと復元力Ｑとの関係を示す復元力特性を示す図である。
図７において、一対の壁部２１Ａ、２１Ｂ同士の水平方向の相対変位を、可撓鉄筋材２２の変形δとする。また、可撓鉄筋材２２の復元力をＱとする。

この復元力特性は、バイリニアモデルを用いている。すなわち、バイリニアモデルとは、弾性変形領域における１次剛性（１次勾配）をｋ１とし、塑性変形領域における２次剛性（２次勾配）をｋ２として、２種類の剛性で表現したモデルである。

累積塑性変形倍率算定部５３は、塑性変形領域における変形を累積して累積塑性変形として求め（図７中破線で囲んで示す）、この累積塑性変形を降伏変形δｙで除した値を、累積塑性変形倍率とする。

判定部５４は、可撓鉄筋材２２の累積塑性変形倍率が、予め設定して記憶部５１に記憶した、可撓鉄筋材２２が保有する保有累積塑性変形倍率を超えたか否かを判定する。

出力部５５は、地震情報算定部５２で算定した地震情報に加えて、累積塑性変形倍率算定部５３で算定した累積塑性変形倍率を、モニタ６０に表示するとともに建物管理者や設計者などの所定の登録メールアドレスを有する外部機器７０に送信する。
また、出力部５５は、判定部５４の判定がＹｅｓである場合、モニタ６０上に、可撓鉄筋材２２について累積塑性変形倍率が保有累積塑性変形倍率を超えている旨を強調表示して、警報を発する。

次に、計測システム１０の動作を、図８のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、地震動が発生すると、ステップＳ１では、地震情報算定部５２により地震情報を算定する。
ステップＳ２では、累積塑性変形倍率算定部５３により、可撓鉄筋材２２の累積塑性変形倍率を算定する。

ステップＳ３では、判定部５４により、算定した累積塑性変形倍率が可撓鉄筋材２２の保有累積塑性変形倍率を超えたか否かを判定する。この判定がＹｅｓである場合には、ステップＳ４に移り、この判定がＮｏである場合には、ステップＳ５に移る。

ステップＳ４では、出力部５５により、地震情報および累積塑性変形倍率を出力するとともに、累積塑性変形倍率が保有累積塑性変形倍率を超えている旨を報知する。
具体的には、出力部５５は、地震情報および累積塑性変形倍率を、モニタ６０に表示するとともに外部機器７０に送信する。さらに、出力部５５は、モニタ６０上に、可撓鉄筋材２２について累積塑性変形倍率が保有累積塑性変形倍率を超えている旨を強調表示するとともに、音声で警報を発して報知する。

ステップＳ５では、出力部５５により、地震情報および累積塑性変形倍率を出力する。具体的には、出力部５５は、地震情報および累積塑性変形倍率を、モニタ６０に表示するとともに外部機器７０に送信する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）直線状に延びる変位計測装置３０を水平方向に対して傾斜して設けた。よって、この変位計測装置３０の計測値から水平方向の成分を取り出して、壁部２１Ａ、２１Ｂ同士の水平方向の相対変位として用いることで、可撓鉄筋材２２の損傷具合の指標である累積塑性変形倍率を容易に求めることができる。

また、変位計測装置３０を水平方向に対して傾斜して設けたので、変位計測装置３０を水平に設置した場合に比べて、変位計測装置本体３１の軸部３１１の測定範囲（ストローク）を広く確保できる。
また、変位計測装置３０を壁部２１Ａ、２１Ｂの壁面に直接取り付けたので、壁部２１Ａ、２１Ｂに腕木を介して変位計測装置３０を取り付けた場合に比べて、変位計測装置３０を容易に取り付けできるうえに、壁部２１Ａ、２１Ｂ同士の変位を直接計測して精度を向上できる。

また、壁部２１Ａ、２１Ｂの壁面のうち可撓鉄筋材２２から離れた位置に、変位計測装置３０をあと施工アンカー３１３、３２２で固定したので、変位計測装置３０を壁部２１Ａ、２１Ｂに取付ける際の振動が可撓鉄筋材２２付近の被覆材２３に与える影響を小さくして、可撓鉄筋材２２付近の被覆材２３の剥落を最小限に抑えることができる。

また、変位計測装置本体３１およびロッド３２を、壁部２１Ａ、２１Ｂの上下端から可撓鉄筋材２２に向かうに従って壁面に接近するように配置したので、変位計測装置３０が常に壁部２１Ａ、２１Ｂの壁面に向かって付勢されて安定するうえに、壁部２１Ａ、２１Ｂ同士が壁面の面外方向（図６中矢印方向）に相対移動しても、この相対移動に追従するから、ロッド３２が損傷するのを防止できる。

（２）壁部２１Ａ、２１Ｂの相対変位に基づいて、予め設定したバイリニア特性に従い、累積塑性変形倍率を求めた。よって、復元力を測定することなく、可撓鉄筋材２２の累積塑性変形倍率を容易に求めることができる。

（３）累積塑性変形倍率が当該保有累積塑性変形倍率を超えている旨を報知するので、耐震壁２０の状態を、建物の管理者に容易に認識させることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

δ…変形
δｙ…降伏変形
θ…変位計測装置の水平方向に対する角度
Ｑ…復元力
１…高層建物
３…梁（構造体）
１０…計測システム
２０…耐震壁
２１Ａ、２１Ｂ…壁部
２２…可撓鉄筋材
２３…被覆材
３０…変位計測装置
３１…変位計測装置本体
３２…ロッド
４０…加速度計測装置
５０…演算装置
５１…記憶部
５２…地震情報算定部
５３…累積塑性変形倍率算定部
５４…判定部
５５…出力部
６０…モニタ
７０…外部機器
３１１…軸部
３１２…キャンバ
３１３…あと施工アンカー
３２１…キャンバ
３２２…あと施工アンカー
３２３、３２４…自在継手

Claims

所定間隔離れて設けられた上下一対の壁部と、当該一対の壁部同士を連結する複数本の鋼材と、を備える耐震壁について、当該鋼材の累積塑性変形倍率を求める計測システムであって、
前記一対の壁部の表面に沿って設けられて当該一対の壁部同士の相対変位を計測する変位計測装置と、
当該変位計測装置で計測した相対変位に基づいて、前記鋼材の累積塑性変形倍率を求める演算装置と、を備え、
前記変位計測装置は、前記一対の壁部の一方に設けられた変位計測装置本体と、一端側が前記一対の壁部の他方に設けられ、他端側が当該変位計測装置本体の軸部に接続された棒状のロッドと、を備え、
前記変位計測装置は、水平方向に対して傾斜して設けられ、かつ、前記一対の壁部の上下端から前記鋼材に向かうに従って壁面に接近して配置されることを特徴とする計測システム。
前記演算装置は、前記相対変位に基づいて、予め設定したバイリニア特性に従って累積塑性変形倍率を求めることを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
前記演算装置は、前記累積塑性変形倍率が予め設定した鋼材の保有累積塑性変形倍率を超えた場合、前記累積塑性変形倍率が当該保有累積塑性変形倍率を超えている旨を報知することを特徴とする請求項１または２に記載の計測システム。