JP6804736B2 - 既存建物の水平抵抗構造及び既存建物の水平抵抗構造の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、既存建物の水平抵抗構造及び既存建物の水平抵抗構造の構築方法に関するものである。

従来から、既存建物の基礎や中間階に免震層を設けて免震化する免震レトロフィット工事が行われている。例えば、既存建物の基礎の直下の地盤を掘削し、仮設の鋼管杭を複数打設して、鋼管杭で既存建物を仮支持しつつ、基礎の直下に免震装置を順次設置する施工方法が知られている（特許文献１参照）。

免震化の工事中には、地盤を掘削しているため、既存建物と地盤との間の摩擦による水平抵抗力が減少する。地震対策上、既存建物を基礎固定状態とする必要があり、掘削空間に鋼板壁やブレースを設置して、水平抵抗力を確保していることがある。

特開２０１６−１１５２０号公報

しかしながら、掘削空間に鋼板壁やブレースが設置されると、掘削した土砂の搬出や、免震装置等の工事資材の搬入等の妨げとなってしまうという問題点がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、工事資材等の搬入搬出の妨げとならない既存建物の水平抵抗構造及び既存建物の水平抵抗構造の構築方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る既存建物の水平抵抗構造は、既存建物の直下に形成された掘削空間に免震装置を設置する際に、前記既存建物を支持する水平抵抗構造であって、前記免震装置の近傍に配置され、地盤に支持され上方に延びる下側杭と、該下側杭と対向する上方に配置され、前記既存建物に支持され下方に延びる上側杭と、上下方向に延び、内部に前記下側杭の上部及び前記上側杭の下部が配置された接合鋼管と、前記接合鋼管の内部に充填されたモルタルと、を備えることを特徴とする。

このように構成された既存建物の水平抵抗構造では、下側杭の上部及び上側杭の下部の外部には、接合鋼管が配置されている。接合鋼管の内部には、モルタルが充填されている。よって、硬化したモルタルにより、地盤に支持され上方に延びる下側杭と既存建物に支持され下方に延びる上側杭とが連結されるため、既存建物の水平抵抗力を確保することができる。
下側杭と上側杭とを上下方向に連結する構成であり、掘削空間に、従来のように鋼板壁やブレース等が設置されないため、工事資材等の搬入搬出の妨げとならない。

また、本発明に係る既存建物の水平抵抗構造は、前記接合鋼管の内面には、内方に向かって突出する第一突出部が設けられていることが好ましい。

このように構成された既存建物の水平抵抗構造では、接合鋼管の内面には内方に向かって突出する第一突出部が設けられ、第一突出部がモルタル内に埋め込まれているため、接合鋼管が脱落することが抑制される。

また、本発明に係る既存建物の水平抵抗構造は、前記下側杭及び前記上側杭の少なくともいずれか一方の外面には、外方に向かって突出する第二突出部が設けられ、前記第一突出部は、前記第二突出部の上方に配置されていてもよい。

このように構成された既存建物の水平抵抗構造では、下側杭及び上側杭の少なくともいずれか一方の外面には、外方に向かって突出する第二突出部が設けられ、接合鋼管に設けられた第一突出部は第二突出部の上方に配置されている。よって、下側杭及び上側杭の少なくともいずれか一方に設けられた第二突出部が硬化したモルタルを支持し、接合鋼管の第一突出部はモルタルを介して、第二突出部から反力を受けるため、接合鋼管が脱落することが一層抑制される。

また、本発明に係る既存建物の水平抵抗構造では、前記接合鋼管と前記下側杭及び前記上側杭とのそれぞれの上下方向に重なっている部分の長さは、前記接合鋼管の直径の１／２以上であってもよい。

このように構成された既存建物の水平抵抗構造では、接合鋼管と下側杭及び上側杭とのそれぞれの上下方向に重なっている部分の長さは、接合鋼管の直径の１／２以上であるため、既存建物の水平抵抗力を確実に確保することができる。

また、本発明に係る既存建物の水平抵抗構造の構築方法は、既存建物の直下に免震装置を設置する際に、前記既存建物を支持する既存建物の水平抵抗構造の構築方法であって、既存建物の直下を掘削する掘削工程と、該掘削工程で形成した掘削空間に面した地盤に下側杭を打設する下側杭打設工程と、前記既存建物における前記下側杭と対向する位置に上側杭を設置する上側杭設置工程と、前記下側杭の上端部にジャッキを設置して、該ジャッキで前記上側杭の下端部を支持させるジャッキ設置工程と、前記掘削空間における前記下側杭及び前記上側杭の近傍に、免震装置を設置する免震装置設置工程と、前記ジャッキをダウンして、前記免震装置で前記既存建物を支持させる免震装置支持工程と、前記ジャッキを撤去するジャッキ撤去工程と、前記上側杭の下部及び前記下側杭の上部の外周に、前記上側杭の外面及び前記下側杭の外面と離間して接合鋼管を設置する接合鋼管設置工程と、前記接合鋼管の内部にモルタルを充填するモルタル充填工程と、を備えることを特徴とする。

このように構成された既存建物の水平抵抗構造の構築方法では、下側杭の上部及び上側杭の下部の外部には、接合鋼管が配置されている。接合鋼管の内部には、モルタルが充填されている。よって、硬化したモルタルにより、地盤に支持された下側杭と既存建物に設けられた上側杭とが連結されるため、既存建物の水平抵抗力を確保することができる。
下側杭と上側杭とを上下方向に連結する構成であり、掘削空間に、従来のように鋼板壁やブレース等が設置されないため、工事資材等の搬入搬出の妨げとならない。

また、本発明に係る既存建物の水平抵抗構造の構築方法は、予め前記接合鋼管を前記下側杭の外側に配置しておき、前記接合鋼管設置工程では、前記接合鋼管を引き上げて、内部に前記上側杭の下部及び前記下側杭の上部が配置される位置に設置することが好ましい。

このように構成された既存建物の水平抵抗構造の構築方法では、予め接合鋼管を下側杭の外側に配置しておき、接合鋼管を引き上げれば、内部に上側杭の下部及び下側杭の上部が配置される位置に設置されるため、施工性が良い。

本発明に係る既存建物の水平抵抗構造及び既存建物の水平抵抗構造の構築方法によれば、工事資材等の搬入搬出の妨げとならない。

本発明の一実施形態に係る既存建物の水平抵抗構造を示す鉛直断面図である。 図１のＸ部拡大図である。 本発明の一実施形態に係る既存建物の水平抵抗構造の構築方法を示す図であり、ジャッキ設置工程を示す図である。 本発明の一実施形態に係る既存建物の水平抵抗構造の構築方法を示す図であり、モルタル充填工程を示す図である。 本発明の一実施形態に係る既存建物の水平抵抗構造を用いて行った実験装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る既存建物の水平抵抗構造を用いて行った実験結果を示す図である。

本発明の一実施形態に係る既存建物の水平抵抗構造及び既存建物の水平抵抗構造の構築方法について、図面を用いて説明する。
まず、既存建物の水平抵抗構造について説明する。既存建物の水平抵抗構造は、既存建物の礎盤（基礎）の直下の地盤を掘削して免震装置を設置する例えば免震レトロフィット工事中に採用されるものである。
図１は、本発明の一実施形態に係る既存建物の水平抵抗構造を示す鉛直断面図である。図１において、上側杭及び下側杭は切断せず正面図として示している。
図１に示すように、既存建物Ａでは、礎盤Ｂから下方に掘削され、地盤Ｃに沿ってマットスラブＤが設置され、礎盤Ｂの下面に沿って補強スラブＥが設置されている。既存建物Ａの水平抵抗構造１００は、既存建物Ａの下方において、免震装置９の近傍に設置されている。本実施形態では、免震装置９を挟んで水平方向の両側に設置されている。

既存建物Ａの水平抵抗構造１００は、下側杭１と、上側杭２と、接合鋼管３と、接合鋼管３の内部に充填されたモルタル４と、を備えている。

下側杭１は、マットスラブＤ及び地盤Ｃに複数設置（打設）されている。換言すると、下側杭１は、マットスラブＤを貫通して、下端（不図示）が地盤Ｃにまで到達し、上端１ｕがマットスラブＤから上方に突出している。下側杭１は、複数の鋼管が接続されて構成されていてもよい。本実施形態では、下側杭１は、例えば直径４５７.２ｍｍ、厚さ１２.７ｍｍ、長さ１０００ｍｍ程度の円形鋼管（円筒状の鋼管）が不図示の機械式継手等で接続されている。

下側杭１の上端１ｕには、支持板１１が設けられている。本実施形態では、支持板１１は、例えば厚さ１２ｍｍ程度で形成されている。

上側杭２は、下側杭１の鉛直上方に対向配置されている。換言すると、上側杭２は、補強スラブＥを貫通して、下端２ｂが補強スラブＥから下方に突出している。本実施形態では、上側杭２は、例えば直径４５７.２ｍｍ、厚さ１２.７ｍｍ、長さ１０００ｍｍ程度の円形鋼管が採用されている。なお、下側杭１及び上側杭２は、円形鋼管に限られず、角管等であってもよい。

上側杭２の下端２ｂには、支持板２１が設けられている。本実施形態では、支持板２１は、例えば厚さ１２ｍｍ程度で形成されている。上側杭２の上端２ｕには、礎盤Ｂと固定される固定部２２が設けられている。

図２は、図１のＸ部拡大図である。
図２に示すように、上側杭２に設けられた支持板２１は、平面視円状をなし、上側杭２よりも径が大きい。換言すると、支持板２１の端部（第二突出部）２１ｅは、上側杭２の外面２ｅよりも径方向の外側に突出している。本実施形態では、支持板２１は、上側杭２よりも半径１０ｍｍ大きい円状をなしている。なお、下側杭１に設けられた支持板１１も、支持板１１と同様の構成をなし、平面視円状をなし、下側杭１よりも径が大きい。図１に示すように、下側杭１の支持板１１と上側杭２の支持板２１との間は、後述する仮受ジャッキ６（図３参照）が設置できる間隔（約３００ｍｍ）以上空けておけばよい。

接合鋼管３は、平面視において、下側杭１及び上側杭２よりも大きく形成されている。接合鋼管３は、上側杭２の下部から下側杭１の上部まで延び、上側杭２の下部及び下側杭１の上部を覆うように配置されている。本実施形態では、接合鋼管３は、例えば直径５５８．８ｍｍ、厚さ１２.７ｍｍ、長さ８５０ｍｍ程度の円形鋼管が採用されている。なお、接合鋼管３は、円形鋼管に限られず、角管であってもよい。また、一対の半円状の鋼管を上側杭２及び下側杭１の平面視一方側及び他方側で挟んで、互いに接合して円形鋼管とする構成であってもよい。

接合鋼管３と下側杭１及び上側杭２とのそれぞれの上下方向に重なっている部分の長さＬ１，Ｌ２は、接合鋼管３の直径Ｌ３の１／２以上であることが好ましい。本実施形態では、接合鋼管３の下端から下側杭１の支持板１１の上面までの長さ（接合鋼管３の上端から上側杭２の支持板２１の下面までの長さ）は、２７５ｍｍ程度である。

接合鋼管３は、下側杭１及び上側杭２と同心円状に配置されていることが好ましい。接合鋼管３の直径は、下側杭１及び上側杭２の直径よりも５０〜１００ｍｍ程度大きいことが好ましい。詳細については後述するが、接合鋼管３と下側杭１との隙間からモルタル４を注入するため、接合鋼管３の内面３ｉと下側杭１及び上側杭２の外面１ｅ，２ｅとの間の隙間は、１０ｍｍ以上あることが好ましい。

図２に示すように、接合鋼管３の内面３ｉにおいて、上端部には、径方向内側に向かって突出し、平面視環状に形成されたリブ（第一突出部）３１が形成されている。接合鋼管３の下端部にも、同様にリブ３１が形成されている。本実施形態では、上側のリブ３１は接合鋼管３の上端３ｕからわずかに下方に位置し、下側のリブ３１は下端からわずかの上方に位置している。本実施形態では、リブ３１は、接合鋼管３の内面３ｉから径方向の内側に６ｍｍ程度突出している。

図１に示すように、モルタル４は、接合鋼管３の内部に充填されている。換言すると、接合鋼管３の内面３ｉと上側杭２の外面２ｅとの間、接合鋼管３の内面３ｉと下側杭１の外面１ｉとの間、及び上側杭２の支持板２１と下側杭１の支持板１１との間は、モルタル４で充填されている。

次に、既存建物Ａの水平抵抗構造１００の構築方法について説明する。
既存建物Ａの外周を掘削して切梁（不図示）を設置した後に、既存建物Ａの直下を掘削する（掘削工程）。既存建物Ａの礎盤Ｂの下方に掘削空間Ｗを形成する。

次に、下側杭打設工程を行う。
図３は、既存建物Ａの水平抵抗構造１００の構築方法を示す図であり、ジャッキ設置工程を示す図である。
図３に示すように、既存建物Ａの柱の直下近傍等所望の箇所において、下側杭１を圧入する。礎盤Ｂの下面（既存建物Ａの底面）に油圧ジャッキ（不図示）を設置して、油圧ジャッキにより下側杭１を地盤Ｃに圧入する。この際に、接合鋼管３を下側杭１の上部の外側に通しておくことが好ましい。なお、礎盤Ｂの下面に、均しモルタルＢ１を設けてもよい。

次に、上側杭設置工程を行う。
下側杭１の圧入が進むと、礎盤Ｂの下面において、下側杭１と対向する位置に上側杭２を設置する。

次に、ジャッキ設置工程を行う。
下側杭１の支持板１１（図１参照）上に仮受ジャッキ６を設置して、仮受ジャッキ６で上側杭２を仮支持させる。

次に、免震装置設置工程を行う。
図４は、既存建物Ａの水平抵抗構造１００の構築方法を示す図であり、モルタル充填工程を示す図である。
図４に示すように、地盤Ｃ（図３参照）に沿って、マットスラブＤを設置する。また、礎盤Ｂの下面に沿って、補強スラブＥが設置する。下側杭１及び上側杭２の近傍において、マットスラブＤ上に下部基礎９１を設け、下部基礎上に免震装置９を設置し、免震装置９上に上部基礎９２を設ける。

次に、免震装置支持工程、及びジャッキ撤去工程を行う。
仮受ジャッキ６をダウンして、免震装置９で既存建物Ａを支持させた後、仮受ジャッキ６を撤去する。

次に、接合鋼管設置工程を行う。
上側杭２の下部及び下側杭１の上部を覆うように接合鋼管３を設置する。この際に、接合鋼管３の外面にリング状等の係止部３６を設けておいて、係止部３６にフック付チェーンブロック３７を係止させ、チェーンブロック３７を補強スラブＥに係止して、接合鋼管３を引き上げてもよい。
なお、平面視において、接合鋼管３の大きさが上側杭２及び下側杭１よりも大きくない場合には、接合鋼管３の内部に上側杭２及び下側杭１が配置できるまで、上側杭２及び下側杭１の外周を切断してもよい。

次に、モルタル充填工程を行う。
接合鋼管３の内部にモルタル４を充填する。
接合鋼管３の下端に、接合鋼管３の内面３ｉと下側杭１の外面１ｅとの間の隙間に対応した形状の型枠（不図示）を設置する。接合鋼管３の上端において、接合鋼管３の内面３ｉと上側杭２の外面２ｅとの間の隙間からモルタル４を注入する。モルタル４が硬化することで、上側杭２と下側杭１とがモルタル４を介して連結される。
全ての設置予定箇所に免震装置９を設置した後には、下側杭１及び上側杭２を切断する。

（実験例）
次に、上記に示す既存建物Ａの水平抵抗構造１００について行った実験例について説明する。
既存建物Ａの水平抵抗構造１００の水平抵抗力及び接合部耐力を確認するために、実大試験体を用いた接合部の加力実験を実施した。免震層に地震力が作用した場合を想定し、試験体に正負交番せん断力を加えて、力学的挙動について確認した。

図５は、既存建物Ａの水平抵抗構造１００を用いて行った実験装置を示す図である。
試験体の形状寸法及び加力装置を図５に示す。試験体は、補強スラブ、鋼管杭（上側杭２）、接合用鋼管（接合鋼管３）及び充填モルタル（モルタル４）の部分（接合部）をモデル化して、上下反転してセットしたものである。鋼管杭には３５５．６ｍｍ×９．５ｍｍ（ＳＴＫ４００）の断面視環状の鋼管を採用し、接合用鋼管には４５７．２ｍｍ×９．５ｍｍ（ＳＴＫ４００）の断面視環状の鋼管を採用した。接合用鋼管内には、プレミックスタイプのモルタル（Ｊ_１４ロート試験８±２秒、圧縮強度６０Ｎ／ｍｍ^２程度）を充填した。加力点は、上下の鋼管杭が剛接された場合に鋼管杭に発生するモーメント分布の反力点位置とした。

図６は、既存建物Ａの水平抵抗構造１００を用いて行った実験結果を示す図である。
実験の結果から得られた鋼管杭のせん断力と変形角の関係を図６に示す。試験体の最大耐力は鋼管杭の局部座屈で決定した。鋼管杭の埋込み端部には局部座屈が見られ、接合部内の充填モルタルは終局状態までひび割れ程度で健全であった。また、試験体の初期剛性は、上記に示す既存建物Ａの水平抵抗構造１００がないもとして、埋込み柱脚形式の鋼管杭として求めた計算値（鋼構造接合部設計指針参照）と良い対応を示している。図６に示した通り、施工中の地震時に発生する免震層の層間変形角を１／１００（０．１ｒａｄ）とした場合、上記に示す既存建物Ａの水平抵抗構造１００によって鋼管杭１本当たり４００ｋＮの水平抵抗力が得られることが確認できた。なお、水平抵抗力は鋼管杭の断面を上げることで向上させることができる。例えば、鋼管杭として４５７．２ｍｍ×１２．８ｍｍの円形鋼管を使用すれば、層間変形角を１／１００（０．１ｒａｄ）で鋼管杭１本当たり６５０ｋＮの水平抵抗力を確保できる。
実設計では、以下の手順によって水平抵抗力を計算する。（１）地震時に発生する免震層の層間変形角を設定する。（２）接合部を考慮せず、埋込み柱脚形式の鋼管杭として求めた鋼管杭の剛性を計算する。（３）計算剛性に基づき、上記に示す既存建物Ａの水平抵抗構造１００を適用した鋼管杭の本数分の水平抵抗力を合計する。

このように構成された既存建物Ａの水平抵抗構造１００及び既存建物Ａの水平抵抗構造１００の構築方法では、下側杭１の上部及び上側杭２の下部の外部には、接合鋼管３が配置されている。接合鋼管３の内部には、モルタル４が充填されている。よって、硬化したモルタル４により、地盤Ｃに支持され上方に延びる下側杭１と既存建物Ａに支持され下方に延びる上側杭２とが連結されるため、既存建物Ａの水平抵抗力を確保することができる。

また、下側杭１と上側杭２とを上下方向に連結する構成であり、従来のように鋼板壁やブレース等が設置されないため、工事資材等の搬入搬出の妨げとならない。

また、接合鋼管３の内面には内方に向かって突出するリブ３１が設けられ、リブ３１がモルタル４内に埋め込まれているため、接合鋼管３が脱落することが抑制される。

また、下側杭１及び上側杭２に設けられた支持板１１の端部、下側杭１及び上側杭２の外面よりも径方向の外側に突出し、接合鋼管３の上端部に設けられたリブ３１は支持板１１よりも上方に配置されている。よって、支持板１１の端部が硬化したモルタル４を支持し、接合鋼管３のリブ３１はモルタル４を介して、支持板１１の端部から反力を受けるため、接合鋼管３が脱落することが一層抑制される。

また、接合鋼管３と下側杭１及び上側杭２とのそれぞれの上下方向に重なっている部分の長さは、接合鋼管３の直径の１／２以上であるため、既存建物Ａの水平抵抗力を確実に確保することができる。

また、予め接合鋼管３を下側杭１の外周に配置しておいて、接合鋼管３を引き上げれば、内部に上側杭２の下部及び下側杭１の上部が配置される位置に設置されるため、施工性が良い。

また、上側杭２と下側杭１とが平面視で偏心している場合には、上側杭２と下側杭１とをボルト接合する構成では、上側杭２と下側杭１とをボルトで連結することが難しい。本発明では、上側杭２及び下側杭１を、上側杭２及び下側杭１よりも大きい接合鋼管３で覆い、接合鋼管３の内部にモルタル４を充填する構成であるため、上側杭２と下側杭１とが平面視で偏心していても接合鋼管３で覆える範囲内であれば、施工することができる。

なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記に示す実施形態では、接合鋼管３には第一突出部が設けられ、下側杭１及び上側杭２には第二突出部が設けられているが、本発明はこれに限られず、第一突出部及び第二突出部が設けられていなくてもよい。あるいは、第一突出部は、平面視環状に形成されているが、接合鋼管３の内面から内方に突出していればよく、周方向に不連続に形成されていてもよい。

１…下側杭
２…上側杭
３…接合鋼管
４…モルタル
９…免震装置
１１…支持板
２１…支持板
２１ｅ…支持板の端部（第二突出部）
２２…固定部
３１…リブ（第一突出部）
１００…水平抵抗構造
Ａ…既存建物
Ｂ…礎盤
Ｃ…地盤
Ｄ…マットスラブ
Ｅ…補強スラブ
Ｗ…掘削空間

Claims (6)

1. 既存建物の直下に免震装置を設置する際に、前記既存建物を支持する水平抵抗構造であって、
   前記免震装置の近傍に配置され、地盤に支持され上方に延びる下側杭と、
   該下側杭と対向する上方に配置され、前記既存建物に支持され下方に延びる上側杭と、
   上下方向に延び、内部に前記下側杭の上部及び前記上側杭の下部が配置された接合鋼管と、
   前記接合鋼管の内部に充填されたモルタルと、を備えることを特徴とする既存建物の水平抵抗構造。
2. 前記接合鋼管の内面には、内方に向かって突出する第一突出部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の既存建物の水平抵抗構造。
3. 前記下側杭及び前記上側杭の少なくともいずれか一方の外面には、外方に向かって突出する第二突出部が設けられ、
   前記第一突出部は、前記第二突出部の上方に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の既存建物の水平抵抗構造。
4. 前記接合鋼管と前記下側杭及び前記上側杭とのそれぞれの上下方向に重なっている部分の長さは、前記接合鋼管の直径の１／２以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の既存建物の水平抵抗構造。
5. 既存建物の直下に免震装置を設置する際に、前記既存建物を支持する既存建物の水平抵抗構造の構築方法であって、
   既存建物の直下を掘削する掘削工程と、
   該掘削工程で形成した掘削空間に面した地盤に下側杭を打設する下側杭打設工程と、
   前記既存建物における前記下側杭と対向する位置に上側杭を設置する上側杭設置工程と、
   前記下側杭の上端部にジャッキを設置して、該ジャッキで前記上側杭の下端部を支持させるジャッキ設置工程と、
   前記掘削空間における前記下側杭及び前記上側杭の近傍に、免震装置を設置する免震装置設置工程と、
   前記ジャッキをダウンして、前記免震装置で前記既存建物を支持させる免震装置支持工程と、
   前記ジャッキを撤去するジャッキ撤去工程と、
   前記上側杭の下部及び前記下側杭の上部の外周に、前記上側杭の外面及び前記下側杭の外面と離間して接合鋼管を設置する接合鋼管設置工程と、
   前記接合鋼管の内部にモルタルを充填するモルタル充填工程と、を備えることを特徴とする既存建物の水平抵抗構造の構築方法。
6. 予め前記接合鋼管を前記下側杭の外側に配置しておき、
   前記接合鋼管設置工程では、前記接合鋼管を引き上げて、内部に前記上側杭の下部及び前記下側杭の上部が配置される位置に設置することを特徴とする請求項５に記載の既存建物の水平抵抗構造の構築方法。

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