JP6914135B2 - 柱状部材の耐震補強構造 - Google Patents
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Description
特許文献1に開示されたような構成では、補強層を柱状体の全長にわたって設けているため、補強層を設けるのに手間とコストがかかる。
特許文献2に開示されたような構成では、杭本体の杭頭部において、筒状部材によって覆われて補強がなされた区間と、筒状部材によって覆われておらずに杭本体が露出している区間との境界部において、強度が異なる。特に、杭本体の杭頭部をその上方の基礎や躯体と剛接合せず、地震時等に、杭頭部とその上方の基礎や躯体との間である程度の変位を許容する半剛接合とした場合、筒状部材によって覆われた区間と、杭本体が露出している区間との境界部に応力が集中しやすい。
特許文献3に開示されたような構成においても、杭体の杭頭部において、円筒形部材によって覆われた区間と、円筒形部材によって覆われておらずに杭体が露出している区間との境界部において、強度が異なる。このため、特に、地震時等に杭頭部とその上方の基礎や躯体との間である程度の変位を許容する半剛接合とした場合、円筒形部材によって覆われた区間と、杭体が露出している区間との境界部に応力が集中しやすい。
すなわち、本発明の柱状部材の耐震補強構造は、杭または柱を形成する柱状部材と、前記柱状部材の軸方向の端部の外周面に沿うよう設けられた鋼製の第一筒状補強部と、前記柱状部材の前記外周面が前記第一筒状補強部によって覆われた部分と、前記柱状部材の前記外周面が露出した部分との間において、前記柱状部材の前記外周面を覆うように設けられた鋼材または繊維強化樹脂からなる第二筒状補強部と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、鋼材または繊維強化樹脂からなる第二筒状補強部を設けることで、柱状部材の端部に設けられた鋼製の第一筒状補強部と、柱状部材の外周面が露出した部分との間で強度が大きく異なるのを抑える。これにより、地震時等に柱状部材の特定部分に応力が集中するのを抑えることができる。
このような構成によれば、第一筒状補強部と第二筒状補強部とを重ね合わせることで、第一筒状補強部と第二筒状補強部との境界部分への応力集中を抑えることができる。
このような構成によれば、第一筒状補強部や第二筒状補強部が外周側に設けられた柱状部材の端部の中空部にモルタルまたはコンクリートを充填することで、柱状部材の端部をさらに補強することができる。これにより、地震時等に柱状部材の特定部分に応力が集中するのを、より有効に抑えることができる。
このような構成によれば、柱状部材の端部を接合対象に半剛接合することで、地震時等において柱状部材の接合対象に対する回転拘束度が緩和され、柱状部材の耐力を高めることができる。このような構成において、第二筒状補強部を凹部の外部に設けることで、接合対象に半剛接合された柱状部材の端部に作用するモーメントが第二筒状補強部に影響するのを避けつつ、第一筒状補強部と、柱状部材の外周面が露出した部分との境界部分に応力が集中するのを有効に抑えることができる。
[第1の実施形態]
本発明の柱状部材の耐震補強構造を杭頭部に適用した杭の構成を示す断面図を図1に示す。図1のA−A矢視断面図を図2に示す。
図1に示されるように、杭1は、地盤中に構築され、その上端部の杭頭部1tが、建物の基礎を構成する基礎コンクリート(接合対象)2に形成された凹部3に半剛接合されている。杭1は、杭本体(柱状部材)11と、第一筒状補強部15と、第二筒状補強部20と、を備えている。
杭本体11は、工場でコンクリートを遠心成型して形成され、プレストレストコンクリート造、またはプレストレスト鉄筋コンクリート造からなる。杭本体11は、上下方向に延びる円筒状で、その内部には、軸方向Cに沿って連続する中空部12が形成されている。図2に示されるように、杭本体11をプレストレストコンクリート造とする場合、杭本体11を構成するコンクリート11cの内部にプレストレスを付与するPC(プレストレスト)鋼棒13が設けられ、プレストレスト鉄筋コンクリート造の場合、PC鋼棒13に加えて鉄筋(主筋14a及びせん断補強筋14b)が設けられている。
第二筒状補強部20は、鋼材、または繊維強化樹脂から形成されている。繊維強化樹脂としては、例えば、アラミド繊維やカーボン繊維等からなる繊維材料を第一筒状補強部15の筒状部17の外周面17f、および杭本体11の外周面11fに沿って周方向に巻き付け、樹脂を含浸させて固化させたものを用いることができる。繊維材料は、糸状であってもよいし、テープ状、シート状であってもよい。
第二筒状補強部20の軸方向Cの長さL1は、杭本体11の直径Dの1〜3倍程度に設定するのが好ましい。
充填材30の軸方向Cにおける区間の長さL2は、第二筒状補強部20の長さL1よりも、杭本体11の直径Dの1倍程度短くするのが好ましい。
半剛接合した杭の杭頭部の地震時における変位の様子を模式的に示した断面図を図3に示す。
図3に示されるように、このモーメントが大きくなると、杭頭部1tに設けられた端板16と基礎コンクリート2に形成された凹部3の底面3bとの間に隙間(ギャップ)を生じ、杭1の杭頭部1tにおける回転拘束度が緩和される。
端板16と凹部3の底面3bとの間に隙間(ギャップ)を生じるときには、端板16の径方向の一端16a側の引張縁において、凹部3の底面3bから浮き上がる一方で、端板16の径方向の他端16b側の圧縮縁においては、基礎コンクリート2から杭頭部1tに軸方向Cに沿った圧縮力が作用する。杭1の杭頭部1tにおいては、下方に向かって、第一筒状補強部15、第二筒状補強部20が順次設けられ、第一筒状補強部15の下端部15bと、杭本体11の外周面11fが露出した部分11rとの間の領域が第二筒状補強部20によって補強されている。これにより、第一筒状補強部15の下端部15bと杭本体11の外周面11fとの境界部分Kにおいて、杭頭部1tに作用する軸方向Cの圧縮力による応力の集中が緩和される。その結果、想定外の大きな圧縮力が作用した場合に、境界部分Kで杭本体11を構成するコンクリート11cの圧壊、杭本体11の座屈を防止する。
また、中空部12への充填材30の充填により、杭頭部1tに曲げ応力やせん断応力が作用した場合に、筒状の杭本体11と、その内側の充填材30が充填された部分とで、発生する応力差が発生するのを抑える。また、充填材30による杭頭部1tの実質的な断面積増大により、杭頭部1tに作用する軸方向Cの圧縮力による応力の集中を抑える。
このような構成によれば、鋼材または繊維強化樹脂からなる第二筒状補強部20を設けることで、杭頭部1tに設けられた鋼製の第一筒状補強部15と、杭本体11の外周面11fが露出した部分との間の境界部分Kで強度が大きく異なるのを抑える。これにより、地震時等に杭本体11の特定部分である境界部分Kに応力が集中するのを抑えることができる。その結果、基礎コンクリート2に半剛接合されることで高い回転性能を有した杭1において、高い耐力を確保し、杭1を備えた建物全体の耐震性能を向上させることが可能となる。また、第二筒状補強部20や充填材30は、杭本体11の全長ではなく、基礎コンクリート2の一部、具体的には応力が集中しやすい第一筒状補強部15と杭本体11の外周面11fとの境界部分Kを中心とした部分的な領域に設けるようにしたので、経済的な補強構造を実現することができる。
このような構成によれば、第一筒状補強部15や第二筒状補強部20が外周側に設けられた杭本体11の上端部において、中空部12にモルタルまたはコンクリートからなる充填材30を充填することで、杭1の杭頭部1tをさらに補強することができる。これにより、地震時等に杭1の特定部分に応力が集中するのを、より有効に抑えることができる。その結果、杭頭部1tにおけるひび割れの発生の抑制、充填材30による杭頭部1tの実質的な断面積増大による応力集中の抑制を図ることができる。
このような構成によれば、第二筒状補強部20を凹部3の外部に設けることで、基礎コンクリート2に半剛接合された杭頭部1tに作用するモーメントが第二筒状補強部20に直接影響するのを避けつつ、第一筒状補強部15と、杭本体11の外周面11fとの境界部分Kに応力が集中するのを有効に抑えることができる。
上記のような杭1の耐震補強構造の効果について確認したので、その結果を以下に示す。
杭1の耐震補強構造の効果を確認するために用いた試験体を示す断面図を図4に示す。
杭本体11としては、外形700mm、内径500mmのプレストレスト鉄筋コンクリート造のものを用いた。杭本体11のPC鋼棒13として、直径11.2mmのものを周方向に16本を配置し、主筋14aとして直径22.2mmのものを周方向に16本配置し、せん断補強筋14bとして直径4mmのものを70mmピッチで螺旋状に配置した。
このような杭1の杭頭部1tを、基礎コンクリート2の凹部3に130mm挿入し、杭頭部1tと凹部3との隙間に無収縮モルタルを充填し、基礎コンクリート2に半剛接合で接合した。
試験体T1として、上記の杭本体11の上端部に、鋼製で軸方向Cの長さが200mmの第一筒状補強部15と、炭素繊維を用いた繊維強化樹脂からなり、軸方向Cの長さL1=1500mmの第二筒状補強部20とを設けたものを用意した。
また、試験体T2として、杭頭部1tに、試験体T1と同様に鋼製の第一筒状補強部15と、シート状の炭素繊維を用いた繊維強化樹脂からなる第二筒状補強部20とを設け、さらに、杭本体11の上端部において、長さL2=1000mmの区間にわたって充填材30を充填したものを用いた。
さらに、比較のため、比較試験体T3として、杭頭部1tに第一筒状補強部15のみを設け、第二筒状補強部20および充填材30を備えないものを用意した。
図4に示されるように、上記のような試験体T1、T2、比較試験体T3を、基礎コンクリート2を下方にし、杭本体11を上方に向け、上方から軸力N=3800kNを導入した後、加力点で、変形角を1/800〜1/25に漸次増加しながら繰り返し与えた。
これに対し、第二筒状補強部20を備えた試験体T1、第二筒状補強部20および充填材30を備えた試験体T2は、試験終了時まで、加力での破壊には至らなかった。
また、試験体T1、T2において、上記試験の前後で、第二筒状補強部20を構成する炭素繊維の歪み量を、周方向複数個所で計測した。その結果、充填材30が充填されていない試験体T1よりも、充填材30が充填されている試験体T2の方が、炭素繊維の歪み量が小さかった。
本発明の柱状部材の耐震補強構造を柱脚部に適用した柱の構成を示す断面図を図5に示す。
この図5に示されるように、基礎コンクリート2上に設けられる柱6の柱脚部6dは、基礎コンクリート2の下面に形成された凹部7内に所定長が挿入されている。凹部7内において、第一筒状補強部15Bと凹部7との隙間には、モルタル等が充填されている。これにより、柱6の柱脚部6dと基礎コンクリート2とは半剛接合されている。
柱本体8は、杭本体11と同様、工場でコンクリートを遠心成型して形成された、プレストレストコンクリート造、またはプレストレスト鉄筋コンクリート造である。柱本体8は、上下方向に延びる円筒状で、その内部には、軸方向Cに沿って連続する中空部12Bが形成されている。
第二筒状補強部20Bは、鋼材、または繊維強化樹脂から形成されている。繊維強化樹脂としては、例えば、アラミド繊維やカーボン繊維等の繊維材料を柱本体8の外周面8fに沿って周方向に巻き付け、樹脂を含浸させて固化させたものを用いることができる。繊維材料は、糸状であってもよいし、テープ状、シート状であってもよい。
このような構成によれば、鋼材または繊維強化樹脂からなる第二筒状補強部20Bを設けることで、柱本体8の下端部に設けられた鋼製の第一筒状補強部15Bと、柱本体8の外周面8fが露出した部分8rとの間で強度が大きく異なるのを抑える。これにより、地震時等に柱本体8の特定部分に応力が集中するのを抑えることができる。その結果、柱6の高い耐力を確保し、柱6を備えた建物全体の耐震性能を向上させることが可能となる。
このような構成によれば、中空部12に充填材30を充填することで、柱6の柱脚部6dをさらに補強することができる。これにより、地震時等に柱本体8の特定部分に応力が集中するのを、より有効に抑えることができる。その結果、柱脚部6dにおける柱本体8へのひび割れの発生の抑制、充填材30による柱脚部6dの実質的な断面積増大による応力集中の抑制を図ることができる。
このような構成によれば、第二筒状補強部20Bを凹部7の外部に設けることで、基礎コンクリート2に半剛接合された柱脚部6dに作用するモーメントが第二筒状補強部20Bに直接影響するのを避けつつ、第一筒状補強部15Bと、柱本体8の外周面8fとの境界部分Kに応力が集中するのを有効に抑えることができる。
なお、本発明の柱状部材の耐震補強構造は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、第二筒状補強部20は、上端部20aから下端部20bまでを一様の厚さで補強してもよいが、第一筒状補強部15の下端部15bと杭本体11や柱本体8の外周面11f、8fとの境界部分Kを含む部分のみを、他の部分よりも厚くして、より強固に補強するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、杭本体11や柱本体8の中空部12、12Bに充填材30を充填するようにしたが、この充填材30を省略した構成とすることも可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
1t 杭頭部 11f 外周面
2 基礎コンクリート(接合対象) 11r 外周面が露出した部分
3、7 凹部 12、12B 中空部
6 柱 15、15B 第一筒状補強部
6d 柱脚部 20、20B 第二筒状補強部
8 柱本体(柱状部材) 30 充填材
8f 外周面 C 軸方向
8r 外周面が露出した部分 K 境界部分
Claims (3)
- 杭または柱を形成する柱状部材と、
前記柱状部材の軸方向の端部の外周面に沿うよう設けられた鋼製の第一筒状補強部と、
前記柱状部材の前記外周面が前記第一筒状補強部によって覆われた部分と、前記柱状部材の前記外周面が露出した部分との間において、前記柱状部材の前記外周面を覆うように設けられた鋼材または繊維強化樹脂からなる第二筒状補強部と、
を備え、
前記柱状部材の前記端部は、前記柱状部材の接合対象に形成された凹部に挿入されて前記接合対象に半剛接合され、
前記第二筒状補強部は、前記凹部の外部に設けられていることを特徴とする柱状部材の耐震補強構造。 - 前記第一筒状補強部と、前記第二筒状補強部とは、前記柱状部材の前記軸方向において、少なくともその一部が互いに重なるように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の柱状部材の耐震補強構造。
- 前記柱状部材は筒状をなし、
前記柱状部材の少なくとも前記端部の内側の中空部に、モルタルまたはコンクリートからなる充填材が充填されていることを特徴とする請求項1または2に記載の柱状部材の耐震補強構造。
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