(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1は、既存の鉄筋コンクリート(RC)製又は既存の鉄骨鉄筋コンクリート(SRC)製の柱梁架構の補強を対象としている。これらの柱梁架構は、地震時の変形が小さいため、接着接合でも接合状態が維持される可能性が高い。しかし、この構成を鋼製の柱梁架構に適用した場合、鋼製の柱梁架構は地震時の変形が大きいため、接着接合では接合部が剥離する可能性が高く、耐震補強強度を確保できない恐れがある。
本発明は、上記事実に鑑み、コンクリート床のはつり工事を伴わずに鋼製の柱梁架構を補強する、耐震補強構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1に記載の発明に係る耐震補強構造は、鋼製の柱梁架構と、前記梁上に設けられたコンクリート床と、前記柱梁架構の構面内へ配置され、下辺が前記コンクリート床に載置され、上辺が前記梁に
溶接された固定プレートに接合され、両側
辺が前記柱に
溶接された固定プレートに接合された鋼製壁と、を有することを特徴としている。
【0007】
請求項1に記載の発明によれば、鋼製壁の上辺は梁に接合され、両側辺は柱に接合されており、柱梁架構の変形が大きくなっても、せん断力が柱や梁から鋼製壁へ伝達される。また、鋼製壁とコンクリート床の間には強い摩擦力が働き、コンクリート床を介して力が伝達され、地震力に対して抵抗できる。即ち、コンクリート床をはつって、鋼製壁の下辺を梁に接合しないので、耐震補強する階の下階の仮設工事が不要となる。また、コンクリート床をはつらないので、低騒音、低振動、及び低粉塵で耐震補強工事ができる。
【0008】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の耐震補強構造において、前記壁体の下辺と前記コンクリート床は、接着剤又はアンカーで固定されていることを特徴としている。
これにより、鋼製壁とコンクリート床が一体化され、更に大きな地震力に抵抗することができる。
【0009】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の耐震補強構造において、前記柱はH形鋼であり、前記H形鋼のウェブに接合される縦プレートと、前記縦プレートと一体に成形され前記コンクリート床に固定される横プレートと、を備えたシアープレートを有していることを特徴としている。
鋼製柱の脚部分にシアープレートを設けることにより、鋼製柱に作用しているせん断力を、コンクリート床に効率よく伝達できるため、耐震効果を高めることができる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載の耐震補強構造において、前記鋼製壁の前記上辺及び前記両側辺は、前記固定プレートへボルト接合されている。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載の耐震補強構造において、前記鋼製壁は、軽量C型鋼を横方向及び縦方向へ複数枚組合わせて構成されている。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5の何れか1項に記載の耐震補強構造において、前記鋼製壁の下部には、前記コンクリート床と当接する当接プレートが設けられている。
【発明の効果】
【0010】
本発明は、上記構成としてあるので、コンクリート床のはつり工事を伴わずに鋼製の柱梁架構を補強する耐震補強構造を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
(第1実施形態)
図1〜
図7を用いて、第1実施形態に係る耐震補強構造について説明する。
図1(A)の正面図に示すように、耐震補強構造は、鋼製の柱梁架構16を有し、柱梁架構16の構面内に鋼製の補強壁20を嵌め込んで耐震架構10とする構成である。
柱梁架構16は、一対の柱12R、12L、上部梁14U、及び下部梁14DのいずれもH形鋼で構築されている。また、柱梁架構16の下部梁14Dは、コンクリート床18で覆われ、柱梁架構16の上部梁14U、上部梁14Uを支持する一対の柱12R、12L及びコンクリート床18に囲まれた空間(構面内)には、補強壁20が嵌め込まれている。
【0013】
補強壁20は、正面視が長方形の壁部材21を、横方向及び縦方向へ複数枚組み合わせ、1つの平板状の壁面を形成する構成とされている。
図1(B)の断面図に示すように、具体的には、壁部材21は、軽量C形鋼を所定の長さに切断して形成され、切断された壁部材21の長手方向を横方向に向けて、横方向へ並べられると共に、縦方向へ積み重ねられている。このとき、壁部材21の各ウェブで同一平面を形成するよう積み重ねられている。そして、隣接する壁部材21のフランジ同士は、重ね合わされた状態で、ボルト76で接合されている。
この構成とすることにより、人手による壁部材21の持ち運び、及びエレベータを利用した搬入が可能となる。更に、規格化された汎用品で壁部材21が形成でき、コストが低減される。
【0014】
図2(A)に示すように、補強壁20の両側面(外周辺)には、平板状の固定プレート24が取付けられ、両側面における壁部材21の一体化が図られると共に、補強壁20と、柱12R、12Lとの一体化が図られている。固定プレート24は、一端が柱12R、12Lと溶接接合され、他端が補強壁20とボルト76で固定されている。
また、
図2(B)に示すように、補強壁20の上部にも、平板状の固定プレート24が取付けられ、上部における壁部材21の一体化が図られると共に、補強壁20と、上部梁14Uとの一体化が図られている。固定プレート24は、一端が上部梁14Uと溶接接合され、他端が補強壁20とボルト76で固定されている。即ち、補強壁20の3辺(両側面、上面)が、柱12R、12L及び上部梁14Uと、溶接接合及びボルト接合されている。
【0015】
また、
図1(B)に示すように、補強壁20の下部には、コンクリート床18に当接させる平面部を備えたT字状の当接プレート22が設けられている。当接プレート22により、下部における壁部材21の一体化が図られている。当接プレート22は、コンクリート床18には固定されず、平面部でコンクリート床18の表面18Fと当接されている。
【0016】
以上説明したように、本実施形態は、鋼製の柱梁架構16と、下部梁14Dの上に設けられたコンクリート床18と、柱梁架構16の構面内へ配置され、下辺がコンクリート床18に載置され、上辺が上部梁14Uに接合され、両側辺が、一対の柱12R、12Lに接合された鋼製の補強壁20と、を有する構成とされている。
【0017】
本構成とすることにより、補強壁20と上部梁14U、柱12R、12Lが一体となって柱梁架構16に作用するせん断力に抵抗する。また、補強壁20とコンクリート床18の間には、当接プレート22を介して強い摩擦力が働き、コンクリート床18へ力が伝達される。この結果、柱梁架構16が耐震補強される。更に、補強壁20の下辺は、コンクリート床18へ載置して当接させるだけであり、はつり作業は必要なく低騒音、低振動及び低粉塵で耐震補強工事ができる。
【0018】
次に、補強壁20とコンクリート床18を当接させた耐震架構10のせん断耐力について説明する。
図3(A)、
図3(B)の模式図に示すように、補強壁20とコンクリート床18の間の摩擦力Qjfを考慮した、せん断耐力Qsuは下記(1)式で求めることができ、摩擦力Qjfは下記(2)式で求めることができる。
Qsu=Qu1+Qu2+Qjf …(1)
Qjf=μ×Nv
Nv =Qpy×hs/Ls
Qjf=μ×Qpy×hs/Ls …(2)
ここに
Qsu:摩擦力を考慮したせん断耐力(N/mm
2)
Qu1:引張側柱のせん断耐力(N/mm
2)
Qu2:圧縮側柱のせん断耐力(N/mm
2)
Pc :補強壁から柱梁架構に作用する圧縮力(N/mm
2)
Qjf:摩擦力(N/mm
2)
μ :摩擦係数
Nv :Pcの鉛直成分(N/mm
2)
Qpy:補強壁のせん断耐力(N/mm
2)
hs :補強壁の高さ(mm)
Ls :補強壁の幅(mm)
【0019】
なお、補強壁20とコンクリート床18の間の摩擦力Qjfは、補強壁20の高さと幅の比(hs/Ls)で異なる値となる。
図3(C)に示すように、例えば、補強壁20の高さと幅の比を異ならせた3種類のモデル(モデル1(hs/Ls=1.0)、モデル2(hs/Ls=0.67)、モデル3(hs/Ls=0.5))を考えた場合、摩擦力Qjfは、補強壁20の高さと幅の比(hs/Ls)が小さくなる程、小さくなる。即ち、モデル1>モデル2>モデル3となる。一方、補強壁20のせん断耐力Qsuは、補強壁20の高さと幅の比(hs/Ls)が小さくなる程、大きくなる。即ち、モデル1<モデル2<モデル3となる。
補強壁20の高さと幅の比(hs/Ls)を、実用上妥当と思われる範囲に設定し、モデル解析を行った。
【0020】
図4の斜視図はモデル解析に用いた解析モデル40を示している。解析モデル40は、柱梁架構42(柱46及び梁48)と、柱梁架構42の構面内に嵌め込んだ補強壁44をモデル化したものである。柱梁架構42は、左右方向が対称形のため、左右方向の半分のみをモデル化した、モデル解析は、補強壁44の補強効果、及び補強壁44のスパン方向の長さの影響を弾塑性FEM解析で検討した。
ここに、柱46はH形鋼(600×350×16×28)とし、梁48はH形鋼(600×300×14×23)とし、補強壁44は、複数の壁部材47を積み重ねて1枚の補強壁44(厚さ8mm)としている。壁部材47は、周囲に縦リブ45と横リブ43を設け、隣接する縦リブ45と横リブ43同士を固定した。床スラブ52は、幅700mm、厚さ130mmとした。
【0021】
補強壁44の上端部と両側面は、梁48と柱46のフランジに、それぞれ当接させて固定(溶接接合)し、補強壁44の下端部と床スラブ52との接合部には、当接用リブ51(厚さ4.5mm)を設け、当接用リブ51と床スラブ52の間にエポキシ樹脂の接着剤50を充填する構成とした。なお、補強壁44は、後述する補強壁44がない解析条件では省略した。また、接着剤50も、後述する補強壁44がない解析条件及び接着なしの解析条件では省略した。
【0022】
解析は公知の有限要素法CAEソフトウエアであるNASTRANによる弾塑性解析とし、左右の加力端部に等しい水平力を加える加重制御により解析を進めた。
図5(A)に解析条件を示す。解析に用いた材料特性を
図5(B)の材料特性表に、及び鋼材の応力−歪特性を
図5(C)、
図5(D)に示す。なお、
図5(C)は
図5(D)の部分拡大図である。
壁部材47は、いずれも弾塑性モデルのシェル要素とし,エポキシ樹脂(接着剤)およびスラブは弾性ソリッド要素としている。なお、本解析は、補強壁44の取付けの影響を確認することが主目的であること、座屈は考慮しないことから、軸力は無視することとした。
【0023】
図5(A)の補強壁の取付け条件の欄に示すように、補強壁44の補強効果を求めるため、補強壁44の取付け条件を下記3条件とした。
即ち、第1条件は、3辺を溶接接合、残りの1辺(スラブ面)を接着接合で固定し、第2条件は、3辺を溶接接合とし、残りの1辺(スラブ面)を接着接合なし(当接させたのみの状態)とし、第3条件は、補強壁44そのものがない条件とした。
また、
図5(A)のスパン方向の壁部材枚数の欄に示すように、スパン方向(補強壁の横幅方向)の壁部材47の枚数の影響については、以下の3条件について検討した。即ち、第1条件(短スパン)では、スパン方向に壁部材47を6枚並べ、第2条件(基準)では、スパン方向に壁部材47を8枚並べ、第3条件(長スパン)では、スパン方向に壁部材47を10枚並べる構成とした。
【0024】
壁部材47は、断面が420×75×4.5mm、長さ1225mmの軽量C形鋼を複数枚組み合わせた構成とした。基準スパンの解析モデルは、壁部材47を縦方向に5枚、横方向に4枚並べた大きさとし、横方向に3枚配置したものを短スパン、横方向に5枚配置したものを長スパンとして、スパン方向の壁部材47の枚数の影響を検討した。但し、解析上は壁の中央に入っているリブプレートの位置で分割しているので、解析上は横方向に6枚が短スパン、8枚が基準スパン、10枚が長スパンとなっている。
【0025】
図6(A)〜(C)の特性図に解析結果の一例を示す。
図6(A)〜(C)はいずれも、荷重−全体変形角関係図であり、
図6(A)はスパン方向の壁部材が6枚での特性を、
図6(B)はスパン方向の壁部材が8枚での特性を、
図6(C)はスパン方向の壁部材が10枚での特性を示している。また、いずれの図も、横軸は変形角(1/1000rad)であり、縦軸は水平荷重(kN)である。
また、いずれの図も、補強壁44の取付けが上述した第1条件の特性を実線で示し、第2条件の特性を一点鎖線で示し、第3条件の特性を破線で示している。
【0026】
結果から、初期剛性(図の原点から直線的に立ち上がっている部分の傾き)は、補強壁44のないモデル(破線で示す補強壁44のないモデルを以下フレームモデルと呼ぶ)と比較すると、接着接合の有無に関わらず、補強壁44を設けた実線、及び一点鎖線で示す水平荷重は優位に上昇し、補強壁44の効果が顕著に見られた。
一方、接着接合の有無の影響については、スパンが長いモデルほど効果が顕著であった。即ち、スパンが短い短スパンの
図6(A)では、実線と一点鎖線で示す水平荷重特性は、ほぼ一致しているが、スパンが長い長スパンの
図6(C)では、実線と一点鎖線で示す水平荷重特性は、離れており、接着接合しない解析モデルは、接着接合した解析モデルと比べて13〜27%程度、初期剛性が低くなる結果であった。
【0027】
せん断耐力(水平荷重)については、補強壁44のないフレームモデルと比較すると、接着接合の有無に関わらず、補強壁44の効果は顕著に見られた。
また、接着接合の有無の影響は、スパンが長いほど顕著に現れている。即ち、スパンが長い長スパンの
図6(C)において、接着接合しないモデル(一点鎖線で示す特性)では、接着層のあるモデル(実線で示す特性)と比べ、1/100rad時で比較すると、3〜11%、1/50rad時で比較すると、2〜9%程度耐力が低くなる結果であった。
【0028】
なお、補強壁44の3辺を溶接接合して、スラブ床との間を接着接合した場合の解析結果よりも、補強壁44の3辺を溶接接合し、下部を接着接合しない場合の解析結果の方が、初期剛性及びせん断耐力が低い理由としては、接着接合の場合は、接着面全面に亘り接着力が働くが、接着接合しない場合に床と当接している部分に働く摩擦力は、柱軸力が小さくなる引張側柱(
図3(A)の12L)付近では床面に働く鉛直力Nvが小さくなり、摩擦力も小さくなるからである。
【0029】
以上より,補強壁44の3辺を溶接接合すれば、初期剛性および耐力とも高くなる。また、接着層が無ければ、補強壁44の応力分布が不均一になるため、接着層がある場合と比較すると、初期剛性及びせん断耐力とも低くなる傾向であった。しかし、スパンを適切範囲内(例えば、補強壁20の高さと幅の比(hs/Ls)を1.0〜0.5の範囲内)に設定することで、初期剛性及び耐力低下を許容範囲に抑えることができるといえる。
【0030】
本構成とすることにより、従来の鉄骨造の補強工法の問題点であった、柱梁架構の構面内に補強部材を固定するための床はつりが不要となる。この結果、床はつりによる騒音・振動・粉塵の発生、更に、補強階直下の階の仮設工事が不要となる。このことから、常時稼働の要求が高い建物(例えば、ビジネスホテル、シティホテル、病院等)でも、騒音、振動、粉塵の発生が抑制され、補強が可能となる。
なお、本実施形態では、柱梁架構がH形鋼の場合について説明した。しかし、これに限定されることはなく、形鋼を用いた柱梁架構であれば、H形鋼以外でも良い。
【0031】
また、補強壁20については、正面視が長方形の壁部材21を、横方向及び縦方向へ複数枚組み合わせ、1つの平板状の壁面を形成する構成を説明した。しかし、これに限定されることは無く、縦方向のみ又は横方向のみの、どちらか1方向に複数枚組み合わせる方式で構成しても良いし、全く分割しない1枚板の補強壁でも良い。
また、補強壁20を構成する壁部材21は、断面形状が平板状のみに限定されることはなく、波型等の平板状以外の形状でも良い。
【0032】
(第2実施形態)
図7に示すように、第2実施形態に係る耐震補強構造の耐震架構60は、補強壁20の下部に設けられた当接プレート64の平板部64Pが、コンクリート床18とアンカー(例えば接着系アンカー)62でアンカー接合されている点において、第1実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。
図7(A)の正面図、
図7(B)の断面図に示すように、当接プレート64はT字状に形成され、当接プレート64の平板部64Pは、補強壁20を挟んで、両側でコンクリート床18とアンカー62でアンカー接合され、突出し部64Tは、補強壁20の下端部とボルト接合されている。
【0033】
本実施形態では、補強壁20とコンクリート床18がアンカー接合により一体化される。これにより、補強壁20とコンクリート床18を当接させただけの場合より、更に大きな地震力に抵抗させることができる。即ち、補強壁20とコンクリート床18の間で互いに伝達させる力を、両者を当接させただけの場合より大きくすることができる。この結果、柱梁架構16の変形を、補強壁20の剛性で強く抑制することができる。
【0034】
また、本実施形態は、補強部材である補強壁20の両面に、200mm程度のアンカー施工用の空間があれば適用可能な方法である。また、柱12L、12Rの種類は選ばず、全ての種類の鉄骨柱で使用可能である。また、アンカー62の本数は、耐力上必要なだけ配置することで対応できるため、補強効果が高い。
【0035】
なお、
図8に示すように、補強壁20とコンクリート床18の固定は、アンカー62を用いた接合に限定されない。例えば、アンカー62の代わりに、接着剤(例えばエポキシ系接着剤)68で当接プレート64をコンクリート床18の表面に接着しても良い。その場合、接着面全体に渡って、コンクリート床18の仕上げを撤去するコンクリート床18の下地処理が必要である。しかし、アンカー62を使用する場合よりも、工事の際の騒音、振動、粉塵を抑えることができる。
この構成とすることにより、当接プレート64とコンクリート床18の接着力によって、補強壁20に作用する地震力を、コンクリート床18の表面に伝達できる。他の構成は、第1実施形態に係る耐震補強構造と同一であり、説明は省略する。
【0036】
(第3実施形態)
図9に示すように、第3実施形態に係る耐震補強構造の耐震架構70は、柱梁架構16の一対の柱12R、12Lの少なくともいずれか一方に、コンクリート床18と柱12(
図9では12L)を固定する柱床接合部材としてのシアープレート74が設けられている点において、第1実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。
【0037】
図9(A)の正面図、
図9(B)の断面図に示すように、耐震架構70において、H形鋼の柱12Lは、柱脚に固定されたシアープレート74で、コンクリート床18に固定されている。
シアープレート74は、縦プレート74Aと、縦プレート74Aと一体に成形される横プレート74Bとを備えた構成である。シアープレート74は、縦プレート74Aが柱12Lのウェブに溶接接合され、横プレート74Bがコンクリート床に、1か所につき4本以上のアンカー72で固定されている。
これにより、柱12Lに作用する地震力を、シアープレート74を介してアンカー72で、スムーズにコンクリート床18に伝達し、補強効果を上げることができる。
【0038】
ここに、シアープレート74は、柱12R、12LがH型鋼の場合に使用可能である。H形鋼のウェブとフランジに囲まれたわずかな空間を有効に活用した工法である。第1実施形態、又は第2実施形態と組み合わせて実施しても良い。
本構成とすることにより、シアープレート74を介して、コンクリート床18と一対の柱12R、12Lの少なくともいずれか一方が固定される。この結果、コンクリート床18と柱12R、12Lの一体化が図れ、地震時に柱12R、12Lが受ける力を、シアープレート74を用いない場合に比べ、より多くコンクリート床18に伝達させることが可能となり(例えば、柱1か所につき、シアープレート74を2枚取付けた場合、柱のせん断耐力の約10〜15%を、シアープレート74を介してコンクリート床に伝達することができる。)、柱12R、12Lの変形が抑制される。
【0039】
また、アンカー72は、ダイヤモンドドリルを用いた低騒音、低振動タイプの接着系アンカーを使用することで、コンクリート床18のはつり工事が発生する従来の工法より、大幅に騒音、振動、粉塵の発生を低減することができる。更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得ることは言うまでもない。
他の構成は、第1実施形態に係る耐震補強構造と同一であり、説明は省略する。