JP6645770B2

JP6645770B2 - 耐震補強構造

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Publication number: JP6645770B2
Application number: JP2015165535A
Authority: JP
Inventors: 円山高; 星川　努; 努星川
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: JP2017043911A

Description

本発明は、骨組部材に斜材を取り付けて建造物を補強する耐震補強構造に関する。

以前より、骨組部材に斜材を取り付けて既存の建造物を耐震補強することが一般に行われている。例えば、柱と梁との間に斜材を取り付けることで水平力に対する建造物の耐力が向上する。
従来、柱等に溶接を行わずに斜材を取り付けて耐震補強を行う幾つかの提案がなされている（特許文献１〜特許文献４を参照）。特許文献１〜特許文献４では、建造物の設置された現場で溶接を行うには、大規模な養生が必要となりコストが高騰するという課題、或いは、現場の環境によっては溶接の品質が低下するという課題が指摘されている。

特開２０１３−０３２６８９号公報特開２０１３−０８３０４０号公報特開２０１３−１７７７９７号公報特開２０１４−１０１６５５号公報

鉄道の施設には、古レールを骨組部材に使用した建造物がある。例えば２本の古レールの互いの底面部同士が接合されて、１本の骨組部材として用いられている。古レールは含有炭素量が多く、溶接を施すと、粘りが小さくなるといった特性がある。このため、溶接が施された古レールを利用した骨組部材に、曲げモーメントを加えていくと、骨組部材が降伏して塑性化する前に、溶接個所の近傍が損傷する可能性がある。

このような特性から、骨組部材への斜材の取り付け方法に溶接を用いないことが望ましい。また、斜材あるいは骨組部材と斜材の接合部に粘りが大きい材料を用いて、粘りが小さい古レールを利用した骨組部材よりも先にいずれかが塑性化することが望ましいと考えられる。
本発明は、一般的な骨組部材を用いた建造物の耐震補強はもとより、古レールのように粘りの少ない特性を有する骨組部材を用いた建造物に対しても効果的な耐震補強を行うことのできる耐震補強構造を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、鋼製の骨組部材に金属製の斜材が取り付けられて補強される耐震補強構造であって、
前記骨組部材の一範囲を四方から囲い、且つ、前記斜材が直接または介在部材を介して接合される金属製の囲い板を備え、
前記囲い板は、板を曲げた形状を有し、前記骨組部材の外周の複数の角部に平らな板面が対向かつ近接する態様が含まれるように前記骨組部材の外周の複数個所に板面を対向かつ近接させ、前記骨組部材と剛接合されずに前記骨組部材を囲っていることを特徴としている。

この構成によれば、囲い板が骨組部材と剛接合されずに骨組部材を囲っている。よって、骨組部材と斜材とに水平方向の力が加わって、骨組部材と斜材との接合部位に比較的に大きな力が生じた場合、先ず、囲い板が変位または弾性変形しつつ骨組部材の一部を支える。これにより、骨組部材の斜材との接合部位に曲げ応力を過度に集中させることなく、骨組部材の剛性を向上させることができる。よって、粘りの少ない骨組部材であっても、接合部位に応力が集中して損傷するといった事態を防ぐことができ、斜材と囲い板とによって建造物の効果的な耐震補強を行うことができる。

好ましくは、前記囲い板は、板の曲り部分の内側に空間を開けて前記骨組部材を囲っているとよい。
この構成によれば、板の曲り部分の変形により、骨組部材の斜材との接合部位に曲げ応力が過度に集中することを、より確実に回避することができる。
好ましくは、前記囲い板の耐力は、前記骨組部材の降伏曲げ耐力よりも小さくなるように構成されるとよい。具体的には、前記骨組部材の所定の角度変化量に対する前記囲い板の降伏曲げモーメントが前記骨組部材の降伏曲げモーメントよりも小さくなるように設定されるとよい。
この構成によれば、骨組部材が降伏して曲がる以前に、前記斜材および囲い板が降伏して力を吸収する。よって、建造物の一部が降伏するような非常に大きな振動に対しても建造物の効果的な補強を図ることができる。

また好ましくは、前記囲い板は、
前記骨組部材の一側方を囲い、且つ、一端部と他端部とに一対のフランジ部を有する第１部分と、
前記骨組部材の他側方を囲い、且つ、一端部と他端部とに一対のフランジ部を有する第２部分とを有し、
前記第１部分の前記一対のフランジ部と前記第２部分の前記一対のフランジ部とが互いに接合されて前記囲い板が前記骨組部材を囲い、
前記第１部分のフランジ部と前記第２部分のフランジ部に前記介在部材の一部が接合され、
前記斜材が前記介在部材の他の部位に接合されるように構成するとよい。
このような構成によれば、既存の建造物に囲い板と斜材とを設ける場合に、施工を容易に行うことができる。

また好ましくは、前記骨組部材は、鉄道用の２本のレールを互いの底面部同士を接合して構成され、
前記囲い板は、骨組部材の長手方向に垂直な断面の内周が六角形状であり、前記六角形状の第１頂点を挟む２辺に対応する２つの面が、前記２本のレールのうち一方のレールの頭頂部の両縁部分にそれぞれ近接且つ対向し、前記六角形状の前記第１頂点の反対側の第２頂点を挟む２辺に対応する２つの面が、前記２本のレールのうち他方のレールの頭頂部の両縁部分にそれぞれ近接且つ対向しているとよい。
２本のレールを前記レールの底面部同士を接合して骨組部材とした場合、骨組部材の断面の寸法は、縦寸（一方のレールの頭頂部から他方のレールの頭頂部までの寸法）が横寸（レールの横方の寸法）よりも２倍程度長くなる。よって、骨組部材の囲い方によっては、囲い板が安定的に固定され難くなったり、或いは、囲い板の曲げ成形が行いにくくなったりする。しかしながら、上記構成によれば、囲い板を骨組部材へ安定的に固定でき、且つ、囲い板の曲げ成形も容易に行うことができる。

本発明の耐震補強構造によれば、一般的な骨組部材を使用した建造物の耐震補強はもとより、古レールのように粘りの少ない特性を有する骨組部材を用いた建造物に対しても効果的な耐震補強を行うことかできるという効果が得られる。

本発明の実施の形態に係る耐震補強構造を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る耐震補強構造を示す正面図である。実施の形態の柱と斜材の接合部の横断面を示すもので、（ａ）は図２の矢印Ａ−Ａ線断面図、（ｂ）は第１変形例の断面図、（ｃ）は第２変形例の断面図である。囲い板の耐力を説明するグラフである。柱と斜材とを囲い板を用いて接合した場合と剛接合した場合とを比較したグラフである。本発明の実施の形態に係る耐震補強構造の耐震実験の結果の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る耐震補強構造を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る耐震補強構造を示す正面図である。図３は、実施の形態の柱と斜材の接合部の横断面を示すもので、（ａ）は図２の矢印Ａ−Ａ線断面図、（ｂ）は第１変形例の断面図、（ｃ）は第２変形例の断面図である。
本発明の実施の形態に係る耐震補強構造は、骨組部材としての柱１００および梁２００の間に斜材３０を設けて建造物の耐震性を向上する構造である。この耐震補強構造は、既存の建造物に対して後から付加できるものである。

本実施の形態の耐震補強構造を有する建造物は、柱１００と、梁２００と、囲い板１０と、斜材３０と、接合板２１、２２とを備えている。一対の接合板２１、２１は、本発明に係る介在部材の一例に相当する。
柱１００は、鉄道の古レールを利用した構成であり、鉄道の２本のレール１０１、１０１の底面部ｂ、ｂ同士を接合して構成される。２本のレール１０１、１０１の頭頂部ｈ、ｈは、互いに逆向きに配置される。レール１０１の底面部ｂおよび頭頂部ｈは、レールが鉄道路線に敷設されているときの底面部および頭頂部を意味する。

囲い板１０は、柱１００と斜材３０とを結び付ける部材であり、鋼板を折り曲げ加工して構成される。囲い板１０は、柱１００の外周の複数の箇所に板面を対向かつ近接させ、柱１００と剛接合されずに柱１００の高さ方向の一範囲を四方から囲う。
また、囲い板１０は、特に制限されないが、板の曲り部分の内側に空間を設けて、柱１００の一範囲を囲うようにしてもよい。
ここで、剛接合とは、骨組に外力が加わり骨組が変形しても接合部が変形しない接合を意味し、溶接又はボルトによる剛接合、強固に引き締められた金属バンドによる接合などが含まれる。

以下、本実施の形態の柱１００に適した囲い板１０の具体的な一例について説明する。図３（ａ）に示すように、本実施の形態の囲い板１０の横断面の内周形状は六角形であり、六角形の第１頂点Ｐ１を挟む２つの面Ｓ１、Ｓ２が一方のレール１０１の頭頂部ｈの両縁部分Ｅ１、Ｅ２にそれぞれ近接且つ対向するように配置されている。また、第１頂点Ｐ１と反対の第２頂点Ｐ４を挟む２つの面Ｓ４、Ｓ５が他方のレール１０１の頭頂部ｈの両縁部分Ｅ３、Ｅ４にそれぞれ近接且つ対向するように配置されている。さらに、横断面内周の六角形の６つの頂点Ｐ１〜Ｐ６と柱１００の外周面とは離間しており、頂点Ｐ１〜Ｐ６の内側には空間が設けられている。また、残りの２つの面Ｓ３、Ｓ６（接合板２１の端面を含んでいてもよい）が、２つのレール１０１の底面部ｂ、ｂの両端部分Ｅ５、Ｅ６に対向かつ近接している。囲い板１０は、柱１００に対して溶接等の接合はなされておらず、斜材３０の接合、および、柱１００との接触により固定されている。
なお、２つのレール１０１と囲い板１０の内周面Ｓ１〜Ｓ６との近接は、わずかな隙間が設けられる近接であってもよいし、隙間のない接触した近接であってもよい。

なお、囲い板１０の横断面形状は、様々に変更可能である。例えば、図３（ｂ）に示すように、囲い板１０の横断面形状を片側台形形状としてもよい。図３（ｂ）の囲い板１０では、一方の台形の２つの斜辺に対応する２つの面Ｓ１１、Ｓ１２が、一方のレール１０１の頭頂部ｈの両縁部分Ｅ１、Ｅ２にそれぞれ近接且つ対向する。同様に他方の台形の２つの斜辺に対応する２つの面Ｓ１３、Ｓ１４が、他方のレール１０１の頭頂部ｈの両縁部分Ｅ３、Ｅ４にそれぞれ近接且つ対向する。このような形状でも、囲い板１０が柱１００を保持しつつ、囲い板１０の折れ曲がり部分Ｐ１１〜Ｐ１４の内側に空間が設けられる。
また、図３（ｃ）に示すように、囲い板１０の曲がり部分を、屈曲でなく、湾曲状に曲げた構成としてもよい。図３（ｃ）の囲い板１０では、一方の湾曲した面Ｓ２１が一方のレール１０１の頭頂部ｈの両縁部分Ｅ１、Ｅ２にそれぞれ近接且つ対向する。同様に他方の湾曲した面Ｓ２２が、他方のレール１０１の頭頂部ｈの両縁部分Ｅ３、Ｅ４にそれぞれ近接且つ対向する。このような形状でも、囲い板１０が柱１００を保持しつつ、囲い板１０の曲がり部分Ｐ２１、Ｐ２２の内側に空間が設けられる

囲い板１０は、２つに分離可能な第１部分１１と第２部分１２とをボルト等により接合して構成される。第１部分１１は、柱１００の一側方を囲い、且つ、柱１００の周方向の一端部と他端部とに一対のフランジ１３、１４を有する。第２部分１２は、柱１００の他側方を囲い、且つ、柱１００の周方向の一端部と他端部とに一対のフランジ１５、１６を有する。第１部分１１の一方のフランジ１３と、第２部分１２の一方のフランジ１５とは、１つの接合板２１を挟んでボルト等により接合されている。同様に、第１部分１１の他方のフランジ１４と、第２部分１２の他方のフランジ１６とは、１つの接合板２１を挟んでボルト等により共に接合されている。

接合板２１は、囲い板１０と斜材３０とを接合するための板状の部材である。２つの接合板２１は、各々の一部が囲い板１０に剛接合され、柱１００の鉛直方向の中心線を挟んで左右対称に配置されている。２つの接合板２１には、２本の斜材３０、３０の各端部がボルト等によりそれぞれ接合されている。

梁２００側の接合板２２は、梁２００と斜材３０とを接合するための板状の部材である。２つの接合板２２には２本の斜材３０、３０の各端部がボルト等によりそれぞれ剛接合されている。梁２００と斜材３０との接合方法は、特に制限されないが、例えば梁２００が古レールを利用した構成であれば、囲い板１０を用いた柱１００と斜材３０との接合方法と同様の接合方法を適用してもよい。或いは、梁２００が十分な耐性を有する場合には、梁２００と接合板２２とを剛接合してもよい。

＜囲い板の耐力＞
次に、囲い板１０の耐力について説明する。
図４は、囲い板１０の耐力を説明するグラフである。図４のグラフは、耐震補強構造に水平方向の力を付加したときの柱１００の角度変化量θと囲い板１０に生じる曲げモーメントＭとの関係を模式的に示している。図２に示すように、角度変化量θは、梁２００を固定して柱１００の一部に水平力を与えたときに、梁２００との接合点Ｏを中心とする柱１００の初期位置からの角度の変化量を示す。
図４のグラフにおいて、Ｍｕは耐震上の必要最小の水平力を建造物に加えたときの囲い板１０に生じる曲げモーメントを示している。ｃＭｙは柱１００が降伏するときの柱１００の曲げモーメントを示している。以下、これらを、必要最小曲げモーメントＭｕ、および、降伏曲げモーメントｃＭｙと呼ぶ。

必要最小曲げモーメントＭｕは、建造物の構造特性係数Ｄｓおよび形状特性係数Ｆｅｓと、層せん断力係数Ｃｏ＝１.０のときの地震層せん断力Ｑｉと、耐震性能を割り増す係数αと、柱１００の下端から斜材３０の接合部までの長さｈ１とから、例えば、次式（１）に示すように求めることができる。
Ｍｕ＝Ｄｓ×Ｆｅｓ×Ｑｉ×α×ｈ１／２・・・（１）
降伏曲げモーメントｃＭｙは、柱１００の降伏応力度σｙと、柱１００の断面係数Ｚとから、例えば、次式（２）に示すように求めることができる。
ｃＭｙ＝σｙ×Ｚ・・・（２）

また、図４のグラフにおいて、ｊＭ_１／５０は柱１００の角度変化量が１／５０のときの囲い板１０に生じる曲げモーメントを示し、以下ではθ１／５０時の囲い板曲げ耐力と呼ぶ。角度変化量「１/５０」は、建物の骨組に倒壊の危険があり建物の使用停止の判断基準となる値を示している。このため、曲げモーメントの特性線と、１／５０ｒａｄの角度変化量θのラインとの交点により、θ１／５０時の囲い板曲げ耐力ｊＭ_１／５０が表わされる。
囲い板１０は、柱１００が降伏する曲げモーメントより小さい曲げモーメントが柱１００に生じた段階で降伏変形するよう、耐力が設定されている。加えて、囲い板１０は、耐震上の必要最小の水平力が建造物に加わった場合でも降伏変形しないよう、耐力が設定されるとよい。このような条件は、次式（３）に示すように、各曲げモーメントとの関係式により表わすことができる。
Ｍｕ＜ｊＭ_１／５０＜ｃＭｙ・・・（３）

このような条件を満たす場合、図４のグラフに示すように、曲げモーメントの特性線は目標性能ラインＬ１とクロスすることになる。目標性能ラインＬ１は、角度変化量θが１／５０ｒａｄで、且つ、曲げモーメントが必要最小曲げモーメントＭｕから降伏曲げモーメントｃＭｙまでの範囲を示す。
囲い板１０は、高さ、厚さ、柱１００との隙間、材質、斜材３０の断面積など、によって耐力が変化する。よって、これらのパラメータの値を適宜選定することで、θ１／５０時の囲い板曲げ耐力ｊＭ_１／５０が式（３）の条件を満たすように、囲い板１０を構成することができる。

図５は、柱と斜材とを囲い板を用いて接合した場合と剛接合した場合とを比較したグラフである。
図５の剛接合の特性線に示すように、柱１００と斜材３０とを剛接合した場合、柱１００の曲げモーメントと角度変化量θとの関係は、目標性能ラインＬ１から大きく外れてしまう。このため、粘りの少ない特性を有する柱１００を用いた場合、柱１００の降伏曲げ耐力と比較して、接合部の耐力が非常に大きくなる。よって、このような構造の建造物に非常に大きな水平力が生じた場合、接合部が降伏するより前に、柱１００が降伏してしまう。図５の剛接合の特性線では、大きな曲げモーメントの範囲まで特性線が延びているが、このような大きな曲げモーメントが生じる前に、柱１００が降伏すると考えられる。

一方、図５の囲い板接合の特性線に示すように、囲い板１０を用いた接合では、柱１００と斜材３０との接合部に適宜な剛性が得られるので、特性線を目標性能のラインＬ１にクロスさせることができる。
図５には、囲い板１０と柱１００の頭頂部ｈの両縁部分Ｅ１〜Ｅ４とが接触している場合の特性線と、これらの部分に少しの隙間を有する場合の特性線とを示している。隙間を有する場合、隙間の分だけ、特性線がシフトするが、柱１００の変位により隙間がなくなると、柱１００に初めから接触している場合と同様の特性が得られることが分かる。

図６は、本発明の実施の形態に係る耐震補強構造の耐震実験の結果の一例を示すグラフである。
本実施の形態に係る耐震補強構造について、本発明者らが耐震実験を行ったところ、図６に示すような耐震挙動を示すことが明らかになった。この耐震実験は、梁２００または柱１００に大きな水平力を繰り返し加えて、梁２００に対する柱１００の相対変位を観察したものである。
図６に示すように、大きな水平力により柱１００と梁２００とが相対的に大きく揺れ動くと、先ず、囲い板１０の面外曲げと圧縮される側の斜材３０の曲がりとが進展する（図６の区間Ｔ１、Ｔ２を参照）。これにより、力の吸収が行われて、柱１００の降伏が避けられる。さらに、大きな水平力が繰り返されると、斜材３０が座屈し、その後、柱１００の変位が一方に大きくなって耐震実験の限界点に達する（図６の区間Ｔ３を参照）。このように、本実施の形態の耐震補強構造によれば、柱１００が降伏するより前に、囲い板１０と斜材３０とが降伏変形することにより振動の力が吸収され、これにより柱１００が先に降伏して塑性化したり、柱１００における囲い板１０の近傍が損傷するといった課題を回避できると考えられる。

以上のように、本実施の形態の耐震補強構造によれば、囲い板１０と柱１００とが剛接合されずに、囲い板１０が柱１００を囲っている。よって、建造物に揺れが生じて、柱１００と梁２００との間に相対的な水平力が生じた場合、先ず、囲い板１０が弾性変形しつつ、柱１００と斜材３０とを結び付ける。これにより、柱１００と斜材３０との接合部に過度に曲げ応力が集中することなく、柱１００と梁２００との剛性を向上させることができる。よって、粘りの少ない特性を有する柱１００を用いた建造物であっても、耐震性能を向上できる。
さらに、建造物の各要素が降伏するような非常に大きな揺れが生じた場合でも、柱１００が降伏するより先に、囲い板１０の変位又は変形と斜材３０の降伏とが生じ、これにより揺れの力を吸収することができる。よって、このような大きな揺れに対しても、効果的な耐震補強が実現される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限られるものではない。例えば、上記実施の形態では、骨組部材としてレールを利用した建造物に耐震補強を行う構成を示しているが、骨組部材は一般的な断面Ｈ型の鋼材を用いていてもよい。
また、上記実施の形態では、囲い板の横断面の内周形状について幾つかの例を示したが、囲い板の内周形状はこれらに限定されるものではない。例えば、骨組部材が、囲い板に対して、骨組部材の長手方向以外の方向に相対的に変位したとき、骨組部材が囲い板に接触して骨組部材から囲い板に力が伝わり、且つ、囲い板の内側の空間により囲い板が面外変形可能になっていれば、囲い板の断面の内周形状はどのような形状であってもよい。

また、上記実施の形態では、囲い板１０の横断面の内周形状の全ての頂点Ｐ１〜Ｐ６と柱１００の外周面との間に、空間が設けられている構成例を示したが、一部の頂点のみ、その内側に空間が設けられていればよい。また、上記実施の形態では、囲い板は折り曲げ加工により形成されると説明したが、予め曲げられた形状に成形してもよい。また、折り曲げ部分は湾曲状に曲がった形状としてもよい。
さらに、上記の実施の形態では、囲い板１０の曲り部分の内側に空間を設けた構成とした。しかしながら、このような空間を設けずに、囲い板１０と柱１００とを剛接合せずに、囲い板１０により柱１００を囲う構成にしてもよい。例えば、断面矩形の柱であれば、囲い板１０の内周面と柱の外面との間を離間させずに、囲い板１０が柱の高さ方向の一範囲を囲っている構成としてもよい。このような構成でも、実施の形態と同様の作用を得ることができる。
また、上記実施の形態では、斜材と囲い板とが接合板を介して接合された構成を示したが、直接に接合される構成を採用してもよい。
また、上記実施の形態では、建物の使用停止の判断基準となる柱の角度変化量を１／５０として、囲い板の耐力の設定値を計算する例を示した。しかしながら、この角度変化量１／５０は一例であり、建物の使用停止の判断基準となる値が別に定められる場合には、その値に基づいて同様に囲い板の耐力の設定値を計算すればよい。
また、上記実施の形態では、柱と斜材との接合に囲い板を用いた構成を一例として示したが、梁と斜材との接合、その他の骨組部材と斜材との接合に、本発明に係る構造を適用することができる。

１０囲い板
１３〜１６フランジ
２１、２２接合板
３０斜材
１００柱
１０１レール
２００梁
Ｐ１〜Ｐ６頂点
ｈ頭頂部
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４頭頂部の両縁部分
ｂ底面部

Claims

鋼製の骨組部材に金属製の斜材が取り付けられて補強される耐震補強構造であって、
前記骨組部材の一範囲を四方から囲い、且つ、前記斜材が直接または介在部材を介して接合される金属製の囲い板を有し、
前記囲い板は、板を曲げた形状を有し、前記骨組部材の外周の複数の角部に平らな板面が対向かつ近接するように、前記骨組部材と剛接合されずに前記骨組部材を囲っており、
前記骨組部材の所定の角度変化量に対する前記囲い板の降伏曲げモーメントが前記骨組部材の降伏曲げモーメントよりも小さくなるように設定されていることを特徴とする耐震補強構造。
前記囲い板は、板の曲り部分の内側に空間を開けて前記骨組部材を囲っていることを特徴とする請求項１記載の耐震補強構造。
前記囲い板は、
前記骨組部材の一側方を囲い、且つ、一端部と他端部とに一対のフランジ部を有する第１部分と、
前記骨組部材の他側方を囲い、且つ、一端部と他端部とに一対のフランジ部を有する第２部分とを有し、
前記第１部分の前記一対のフランジ部と前記第２部分の前記一対のフランジ部とが互いに接合されて前記囲い板が前記骨組部材を囲い、
前記第１部分のフランジ部と前記第２部分のフランジ部に前記介在部材の一部が接合され、
前記斜材が前記介在部材の他の部位に接合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐震補強構造。
前記骨組部材は、鉄道用の２本のレールを互いの底面部同士を接合して構成され、
前記囲い板は、骨組部材の長手方向に垂直な断面の内周が六角形状であり、前記六角形状の第１頂点を挟む２辺に対応する２つの面が、前記２本のレールのうち一方のレールの頭頂部の両縁部分にそれぞれ近接且つ対向し、前記六角形状の前記第１頂点の反対側の第２頂点を挟む２辺に対応する２つの面が、前記２本のレールのうち他方のレールの頭頂部の両縁部分にそれぞれ近接且つ対向していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐震補強構造。