回転制御バネ機構付き免震装置、及び免震装置の回転量の制御方法
【課題】地震時に鋼管杭の杭頭部に発生する曲げモーメントを抑制して免震装置の回転を制御し、免震装置に有害な回転を発生させない回転制御バネ機構付き免震装置、および免震装置の回転量の制御方法を提供する。
【解決手段】積層ゴム免震装置２と、鋼管杭４相互を連結する扁平基礎梁５と、扁平基礎梁と接続し、積層ゴム免震装置を支持する免震装置支持ブロック１８と、免震装置支持ブロックを一組の定着筋７により鋼管杭４の杭頭部６に定着する支持ブロック定着部１９と、から構成されるパイルキャップ３と、を備え、パイルキャップは、接合される鋼管杭との調節された固定度により地震動により発生する杭頭曲げモーメントを低減し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗し、地震時の積層ゴム免震装置の回転量を許容回転量以内に制御する。
【解決手段】積層ゴム免震装置２と、鋼管杭４相互を連結する扁平基礎梁５と、扁平基礎梁と接続し、積層ゴム免震装置を支持する免震装置支持ブロック１８と、免震装置支持ブロックを一組の定着筋７により鋼管杭４の杭頭部６に定着する支持ブロック定着部１９と、から構成されるパイルキャップ３と、を備え、パイルキャップは、接合される鋼管杭との調節された固定度により地震動により発生する杭頭曲げモーメントを低減し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗し、地震時の積層ゴム免震装置の回転量を許容回転量以内に制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転制御バネ機構付き免震装置、及び免震装置の回転量の制御方法に係り、特に、地震時における免震装置の回転量を杭頭に設置されたパイルキャップの回転バネ機構により制御する回転制御バネ機構付き免震装置、及び地震時における免震装置の回転量を制御する免震装置の回転量の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
免震装置は、地盤から建物への地震動入力を低減させ、地震時の建物の構造安全性を高める。そのために、建物の重量を支えて安定させ、かつ水平方向に大きく変形してゆっくり動くという特性が要求される。これらの特性を満たす免震装置として、例えば、積層ゴム支承を用いた免震装置、或いはすべり支承を用いた免震装置などがある。本発明では、免震装置は積層ゴム支承を用いた免震装置を対象とするが、この積層ゴムには、例えば、天然ゴムを使用した天然ゴム系積層ゴム、中心部に鉛プラグを挿入した鉛入り積層ゴム、ゴム自体の添加物により減衰性をもたせた高減衰積層ゴムなどが用いられる。
【０００３】
これらの積層ゴム免震装置は、複数のゴムシートと鋼板とが交互に積層され、高温、高圧で接着した構造となっている。この積層ゴム免震装置は、内部に鋼板が有ることで鉛直方向に大きな剛性が得られ、鉛直方向の沈み込み量が極めて少なくなる。そして、地震時の水平方向の変形を積層された複数のゴムシートのせん断変形により吸収することができる。このように、積層ゴム支承は、地震時に鉛直方向の高い剛性で建物の重量を支えて安定させ、水平方向の大きなせん断変形により建物を地盤から免震（アイソレート）する。
【０００４】
これらの積層ゴム支承が機能するには、積層ゴム免震装置を支持する部分のフレーム自体に大きな曲げ変形による回転が生じないことが前提となる。非特許文献１には、「高減衰ゴム系積層ゴム支承の水平２方向加力時における限界性能に関する新たな知見について」と題し、高減衰ゴム系積層ゴム支承が２方向曲げ変形を受けた場合の限界性能について報告されている。ここでは、積層ゴム支承の曲げによる傾きが、例えば１／１００程度を越えると高減衰ゴムがはがれてしまい、積層ゴム支承として機能しなくなることが示されている。このように、地震時に地盤から建物への地震動入力を低減させる目的で設置される積層ゴム支承を用いた免震装置自体が機能しなくなることは重大な問題となる。
【０００５】
従来、積層ゴム免震装置を建物の基礎部に設置する場合には、杭の柱頭部に設けられた巨大なフーチング基礎などの上に免震装置を設置するのが一般的であった。これは、フーチング基礎は極めて曲げ剛性が高く、地震時に発生する杭頭曲げモーメントによる杭の変形の影響をほとんど受けないため、積層ゴム免震装置が支承としてとして機能しなくなる虞が極めて少なく安定的に免震効果を発揮できるからである。
【０００６】
図７に、積層ゴム免震装置１０２を建物の基礎部に設置する場合の従来構法の一つの実施例を示す。内部にコンクリートを充填した鋼管１１３による鋼管杭１０４の柱頭部１０６には鋼管杭１０４を保護するパイルキャップ１０３が設けられる。そして、パイルキャップ１０３上に積層ゴム免震装置１０２が設置され、積層ゴム免震装置１０２は、柱材などの上部構造１１１を支持する。パイルキャップ１０３には、隣接する鋼管杭１０４同士を繋ぐ基礎梁１０５及び基礎スラブ１１８が接続される。そして、鋼管杭１０４の主筋１１０はパイルキャップ１０３に連続して配筋され、パイルキャップ１０３と鋼管杭１０４の杭頭部１０６とは、ほとんど回転角を生じない剛接合となる。このように、鋼管杭１０４の杭頭部１０６はパイルキャップ１０３に対して剛接合とされるのが一般的である。従って、地震時にはこの基礎梁１０５に大きな曲げモーメントが発生し、基礎梁１０５は梁成が大きくなり曲げ剛性も大きくなる。そして、このような基礎梁１０５が接続されるパイルキャップ１０３自体も高い曲げ剛性を有する。
【０００７】
このように、フーチングやパイルキャップ１０３と、鋼管杭１０４の杭頭部１０６とは回転角を生じない剛接合であり、積層ゴム免震装置１０２が設置されるフーチングやパイルキャップ１０３の回転剛性が高いことから、地震時に積層ゴム免震装置１０２には、上述したような有害な回転が発生する虞は少なかった。しかし、地震時に発生する大きな杭頭曲げモーメントにより、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ１０３等の基礎構造が過大な部材断面となり、施工の工期がかかり工事費用が嵩むという問題が生じていた。
【０００８】
一方、「杭頭免震」と称され、例えば鋼管杭などの杭頭部にフーチング基礎や基礎梁を介さずに積層ゴム免震装置を直接接合する構造が採用されている。例えば、特許文献１には、建物基礎の施工手間や地盤掘削量を削減して短工期化およびコスト低減が図れる免震建物が開示されている。ここでは、免震装置を鋼管杭の杭頭部上に固定し、この免震装置上に上部構造であるフーチングや大梁が設置されている。また、鋼管杭の杭頭同士が基礎スラブ（連結部材）で連結されている。この基礎スラブ（連結部材）により、地震時に複数の鋼管杭がばらばらに水平変位することなく同一方向に変位することができる。また、鋼管杭の杭頭部を基礎スラブ（連結部材）から突出させることで地震時に発生する杭頭曲げモーメントを基礎スラブ（連結部材）にて抑え込むことができ、地震時に積層ゴム免震装置に有害な回転が発生する恐れは極めて少ない。このように、パイルキャップを省略し、簡易な基礎スラブ（連結部材）を設けることで、基礎梁や基礎フーチングに要する施工手間や地盤の掘削量が削減される。
【０００９】
特許文献２には、適正な杭頭回転を許容しつつ制御し、基礎と免震ピットを簡略化する「杭頭免震構造」が開示されている。ここでは、杭の杭頭部とその上部に設置する免震装置との間に、免震装置と杭頭部との間で軸力を伝達可能かつそれらの間に生じる相対的な杭頭回転を許容しつつ制御する杭頭デバイスを介装する。さらに、上部部材を杭頭部もしくは下部部材に対して連結する連結部材にダンパーとしての機能を持たせることが記載されている。
【００１０】
特許文献３には、地震時に杭頭部に発生する曲げモーメントに対して免震装置への負担を軽減した「柱頭免震構造」が開示されている。この柱頭免震構造は、建物の上部構造を基礎部において支持し、上部構造を地震動から免震する免震装置と、鋼管杭の杭頭部を相互に連結する基礎梁と、基礎梁が接続され、免震装置と鋼管杭の杭頭部とを接続するコンクリート充填鋼管からなる短柱から構成され、短柱は、免震装置に接続する第１短柱と、第１短柱と略同断面を有して上下方向に積層され、杭頭部を保持する第２短柱とからなり、第１短柱の下面に設けられた凹部と、第２短柱の上面に設けられた凸部とが係合する。このように、パイルキャップを省略し、簡易な基礎スラブ（連結部材）を設けることで、基礎梁や基礎フーチングに要する施工手間や地盤の掘削量が削減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許３８９９３５４号
【特許文献２】特開２００７-１５４５５８号公報
【特許文献３】特許４６７２８０５号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】高減衰ゴム系積層ゴム支承の水平２方向加力時における限界性能に関する新たな知見について 技術委員会免震部材部会他 ＭＥＮＳＨＩＮ Ｎｏ．８７ ２０１０．２
【非特許文献２】新技術調査「杭頭半剛接接合工法」の調査報告 （財）建設コスト管理システム研究会 新技術調査検討会 建設コスト研究 ２００８ＷＩＮＴＥＲ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
免震装置、特に積層ゴム免震装置は、建物の重量を支えて安定させ、かつ水平方向に大きくせん断変形してゆっくり動くという特性を利用して建物を免震させる装置である。従って、装置に発生する軸力及びせん断力には機能するが、曲げモーメントにより装置に発生する回転に対しては機能しない。従って、例えば地震時において鋼管杭などの杭頭に曲げモーメントが発生し、その曲げモーメントが免震装置に伝達すると免震装置に有害な回転が発生し、免震装置として機能しなくなる虞がある。
【００１４】
従来の積層ゴム免震装置を用いた実施例では、積層ゴム免震装置が設置されるフーチングやパイルキャップと、鋼管杭などの杭頭部とは回転を生じない剛接合となっていた。従って、フーチングやパイルキャップの回転剛性が高く、地震時に積層ゴム免震装置には上述したような有害な回転が発生する虞は少なかった。しかし、一方で、地震時に発生する大きな杭頭モーメントにより、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ等の基礎構造が過大な部材断面となり、施工の工期がかかり工事費用が嵩むという問題が生じていた。
【００１５】
そこで、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ等の基礎構造を経済的な設計にする構法が提案された。例えば、非特許文献２に示すように、杭頭半剛接接合やピン接合とし、杭頭曲げモーメントを低減する杭頭接合工法が提案されている。これらの構法により地震時の杭頭曲げモーメントが低減され、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ等の基礎構造が経済的な設計となる可能性が生じた。また、「杭頭免震構造」や「柱頭免震構造」などの構法の提案により経済的な基礎構造が可能となった。
【００１６】
しかし、これらの基礎構造に積層ゴム免震装置を設置する場合には、経済的な基礎構造とする場合には、上述した積層ゴム免震装置への有害な回転を回避する技術を検討しなければならない。また、地震時の地盤の液状化が発生した場合には、地盤による杭の水平抵抗が杭頭部において期待できなくなるため、積層ゴム免震装置に過大な回転が生じてしまう虞がある。
【００１７】
従って、経済的に設計された基礎構造に積層ゴム免震装置を設置する場合には、積層ゴム免震装置に有害な回転を発生させないように、地震時に積層ゴム免震装置の回転量を制御する機構を設けることが必要となる。そして、この制御機構は、地震動により地盤が液状化しても積層ゴム免震装置に有害な回転を発生させない信頼性の高い技術であることが要求される。
【００１８】
本願の目的は、かかる課題を解決し、地震時に鋼管杭の杭頭部に発生する曲げモーメントを抑制して免震装置の回転を制御し、免震装置に有害な回転を発生させない回転制御バネ機構付き免震装置、および免震装置の回転量の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置は、建物の上部構造を支持し、上部構造を地震動から免震する免震装置と、鋼管杭を支持点とする連続梁を構成し、鋼管杭相互を連結する扁平基礎梁と、扁平基礎梁と接続し、免震装置を支持する免震装置支持ブロックと、載置された免震装置支持ブロックを一組の定着筋により鋼管杭の杭頭部に定着する支持ブロック定着部と、から構成されるパイルキャップと、を備え、パイルキャップは、接合される鋼管杭との調節された固定度により地震動により発生する杭頭曲げモーメントを低減し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗し、地震時の免震装置の回転量を許容回転量以内に制御することを特徴とする。
【００２０】
上記構成により、回転制御バネ機構付き免震装置は、地震時において、鋼管杭の杭頭部に発生する杭頭曲げモーメントに対し、免震装置支持ブロック及び支持ブロック定着部から構成されるパイルキャップの回転バネにより抵抗し、地震時に免震装置に有害な回転を発生させないように制御することができる。すなわち、パイルキャップは、一組の定着筋により免震装置支持ブロックを支持ブロック定着部に定着させる。これにより、パイルキャップは、鋼管杭を支持点とする連続梁である扁平基礎梁の曲げ剛性を含む回転バネとして杭頭曲げモーメントに抵抗し、免震装置の回転量を低減する。また、一組の定着筋によりパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が調節され、これにより杭頭曲げモーメントが低減され、免震装置の回転量が制御可能となる。
【００２１】
また、上記構成により地震時の地盤の液状化が発生した場合には、鋼管杭が地盤から受ける水平反力が消滅するため、鋼管杭には大きな杭頭曲げモーメントが発生し、免震装置に有害な回転角が生じてしまう虞がある。しかし、本回転制御バネ機構付き免震装置によれば、予め地盤の液状化を想定し、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する回転バネとして機能するパイルキャップを設置し、パイルキャップに設けられた定着筋の位置により免震装置の回転量を制御することとした。従って、地震時の地盤の液状化が発生した場合であっても免震装置の回転量を許容回転量以内に制御することが可能となる。
【００２２】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、パイルキャップの免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部とが定着筋のみにより連結され、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が、鋼管杭の充填コンクリート幅と、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する方向の一組の定着筋相互の間隔とにより調節されることが好ましい。これにより、鋼管杭の充填コンクリート幅と、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する方向の一組の定着筋相互の間隔とによりパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が調節され、この固定度が低減されることにより杭頭曲げモーメントが低減され、免震装置の回転量が制御可能となる。
【００２３】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、パイルキャップが、鋼管杭を支持点とする連続梁を構成して接続される扁平基礎梁と協働し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗することが好ましい。これにより、扁平基礎梁が鋼管杭を支持点とする連続梁を構成してパイルキャップに接続され、鋼管杭と共にパイルキャップにおける回転バネ機構を構成し、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに安定的に抵抗することができる。
【００２４】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界には離間シート又は離間フィルムが敷設され、免震装置支持ブロックが支持ブロック定着部に対して離間可能に載置されることが好ましく、離間シートは、鋼板であり、離間フィルムは、ポリエチレンフィルムであることが好ましい。これにより、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部とが絶縁され、地震時に杭頭曲げモーメントを受けた場合のパイルキャップの力学的なモデルを実際の構成に合わせて引張コンクリートの影響を無視することができる。また、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度を低減するという調節が可能となる。
【００２５】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、定着筋が免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に配設されたシース管内を貫通することが好ましい。これにより、定着筋は、コンクリートによるせん断抵抗の影響を受けることなく引張筋として機能することができる。
【００２６】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、免震装置支持ブロックが少なくとも平面的に交差する２本の扁平基礎梁の交差部を含むことが好ましい。また、免震装置支持ブロックが扁平基礎梁のうち少なくとも鋼管杭の杭頭部の断面を覆う部分であることが好ましい。これにより、免震装置支持ブロックは、鋼管杭の杭頭部を保護し、建物の上部構造から伝達される重量を扁平基礎梁を介してスムーズに鋼管杭に伝達することができる。
【００２７】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、パイルキャップが地震時において免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との間に発生するせん断力を伝達させるせん断力伝達機構を有することが好ましい。これにより、地震時に杭頭部に発生するせん断力を簡易に扁平基礎梁に伝達させ、地震時の建物の構造安全性を高めることができる。
【００２８】
また、免震装置の回転量の制御方法は、パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を設定するステップと、充填コンクリート及び定着筋の仕様からパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度を算定するステップと、扁平基礎梁を含むパイルキャップの回転バネ剛性を算出するステップと、地震時に想定される杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対し、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度により低減された曲げモーメント（Ｍａ）を算出するステップと、扁平基礎梁が限界剛性に達する際に免震装置の回転角（Θａ）が許容回転量（Θｐ）近傍となるように、パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を調節するステップと、を備えることが好ましい。これにより、地震時において、鋼管杭の杭頭部に発生する杭頭曲げモーメントに対し、免震装置支持ブロック及び支持ブロック定着部から構成されるパイルキャップの回転バネにより抵抗し、地震時に免震装置に有害な回転を発生させないように制御することができる。すなわち、パイルキャップは、一組の定着筋により免震装置支持ブロックを支持ブロック定着部に定着させる。これにより、パイルキャップは、鋼管杭を支持点とする連続梁である扁平基礎梁の曲げ剛性を含む回転バネとして杭頭曲げモーメントに抵抗し、免震装置の回転量を低減する。また、一組の定着筋によりパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が調節され、これにより杭頭曲げモーメントが低減され、免震装置の回転量が制御可能となる。
【００２９】
さらに、免震装置の回転量の制御方法は、離間シート又は離間フィルムが免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に敷設されることにより、コンクリートの引張応力を無視して回転バネの曲げ剛性が算定されることが好ましい。これにより、パイルキャップの力学的なモデルと実際の構成がより整合し、精度の高い積層ゴム免震装置の回転量を算定することができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置によれば、地震時に鋼管杭の杭頭部に発生する曲げモーメントを抑制して免震装置の回転を制御し、免震装置に有害な回転を発生させない回転制御バネ機構付き免震装置、および免震装置の回転量の制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置の１つの実施形態の概略構成を示す一部断面図である。
【図２】図１に示す回転制御バネ機構付き免震装置のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図３】地震動により発生する杭頭曲げモーメントを受けた場合の定着筋７による抵抗モーメントを示す説明図であり、図３（ｂ）に、側面図である図３（ａ）のＣ−Ｃ断面における応力図を示す。
【図４】扁平基礎梁を含むパイルキャップの回転バネ剛性を示す説明図である。
【図５】免震装置の回転量を調節する方法を示すフローチャートである。
【図６】杭頭固定時の杭頭曲げモーメント、及び固定度を考慮した杭頭曲げモーメントを示す説明図である。
【図７】積層ゴム免震装置を建物の基礎部に設置する場合の従来構法の一つの実施例を示す一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（回転制御バネ機構付き免震装置）
以下に、図面を用いて本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置１の実施形態につき、詳細に説明する。図１に、回転制御バネ機構付き免震装置１の１つの実施形態の概略構成を示す。また、図２（ａ）に図１のＡ−Ａ断面図を、図２（ｂ）に図１のＢ−Ｂ断面図を示す。回転制御バネ機構付き免震装置１は、積層ゴム免震装置２、免震装置支持ブロック１８及び支持ブロック定着部１９から構成されるパイルキャップ３、鋼管杭４、及び扁平基礎梁５から構成される。
【００３３】
（回転制御バネ機構付き免震装置の構成）
本発明において免震装置は積層ゴム免震装置２である。積層ゴム免震装置２は、例えば、柱材や梁材などの建物の上部構造１１を支持し、上部構造１１からの自重を鋼管杭４に伝達する。そして、上部構造１１を鋼管杭４などの下部構造から絶縁（アイソレート）して上部構造１１を地震動から免震する。地震動を受けると積層ゴム免震装置２は、せん断変形することで絶縁（アイソレート）の効果を発揮する。そのために、積層ゴム免震装置２には、建物の重量を支えて安定させ、かつ水平方向に大きく変形してゆっくり動くという特性が要求される。これらの特性を満たす免震装置２として、例えば、積層ゴム支承を用いた免震装置２、或いはすべり支承を用いた免震装置などがある。本発明では、免震装置は積層ゴム支承を用いた免震装置２を対象とするが、この積層ゴムには、例えば、天然ゴムを使用した天然ゴム系積層ゴム、中心部に鉛プラグを挿入した鉛入り積層ゴム、ゴム自体の添加物により減衰性をもたせた高減衰積層ゴムなどが含まれる。
【００３４】
図２(ｂ)に示すように、本実施形態では建物の基礎構造として円形断面の鋼管杭４を用いるが、円形以外の断面、例えば、矩形断面であっても良い。鋼管杭４は、鋼管１３の内部に充填コンクリート１２が充填された杭形式であるが、鋼管杭４以外の杭形式、例えば、既製コンクリート杭などであっても良い。この鋼管杭４内部の充填コンクリート１２の断面には円周方向に主筋１０が配置される。また、この鋼管杭４の上部であってパイルキャップ３と接合する部分を杭頭部６と称する。
【００３５】
扁平基礎梁５は鋼管杭４相互を連結する。すなわち、地震時に、鋼管杭４の杭頭の変位がばらばらにならないように、杭頭を相互に連結して相互の間隔を保持させる。本実施形態では、従来の基礎梁と異なり、梁成の小さな扁平基礎梁５を採用する。これは、後述するように、パイルキャップ３と接合する鋼管杭４の固定度（α）を低減することにより、パイルキャップ３や基礎梁に発生する応力が低減されることによる。また、図２（ａ）に示すように、一般的に扁平基礎梁５は、平面的に交差するＸ方向扁平基礎梁５ａ及びＹ方向扁平基礎梁５ｂから構成され、格子状に配置される。そして、この扁平基礎梁５は、厚みが薄くて幅の広い平板に近い断面を有し、地震時に鋼管杭４の杭頭部６に発生するせん断力を伝達する。また、このＸ方向扁平基礎梁５ａ及びＹ方向扁平基礎梁５ｂは、鋼管杭４を支持点とする連続梁を構成する。このため、扁平基礎梁５は、鋼管杭４の支持点において曲げモーメントが発生する剛接合となる。
【００３６】
パイルキャップ３は、鋼管杭４の杭頭部６に設置されて杭頭部６を保護する。本発明では、パイルキャップ３は免震装置支持ブロック１８、及び支持ブロック定着部１９から構成される。図３（ａ）に、免震装置支持ブロック１８、及び支持ブロック定着部１９をそれぞれ斜線で示す。免震装置支持ブロック１８は、扁平基礎梁５の一部であって積層ゴム免震装置２を支持する。この免震装置支持ブロック１８は、少なくともこの２本の扁平基礎梁５ａ及び５ｂの交差部９を含むブロックである。これにより、免震装置支持ブロック１８は、建物の上部構造１１から伝達される自重を、扁平基礎梁５を介してスムーズに鋼管杭４に伝達することができる。また、扁平基礎梁５が平面的に１方向扁平基礎梁５ａ又は５ｂから構成される場合には、免震装置支持ブロック１８は、扁平基礎梁５ａ又は５ｂのうち少なくとも鋼管杭４の杭頭部６の断面を覆う部分である。
【００３７】
（免震装置の回転量制御機構）
図２（ｂ）に示すように、パイルキャップ３の支持ブロック定着部１９には、交差するＸ方向及びＹ方向に所定の水平間隔（ｄ１，ｄ２）を有して埋設される定着筋７が配置される。この定着筋７は、載置された免震装置支持ブロック１８に上部アンカー８ａを有し、鋼管杭４の杭頭部６の支持ブロック定着部１９に下部アンカー８ｂを有して定着する。従って、パイルキャップ３の支持ブロック定着部１９は、杭頭部６の先端の上部アンカー８ａから定着筋７の下部アンカー８ｂまでをいう。このように、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９とは定着筋７のみにより連結される。なお、図２（ｂ）では、定着筋７は、理論的な説明のために最少本数とし、交差するＸ方向及びＹ方向にそれぞれ２本としているが、この本数には限らず設計により必要な本数が選択される。また、定着筋７の配置は、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ配置されても良く、円形状に配置されても良い。
【００３８】
図３（ａ）に、地震動により発生する杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を受けた場合の定着筋７による抵抗モーメント（Ｍａ）を示す。図３（ｂ）には、図３（ａ）のＣ−Ｃ断面における定着筋７及び充填コンクリート１２の応力図を示す。Ｃ−Ｃ断面における定着筋７及び充填コンクリート１２には、長期荷重による軸力及び曲げモーメントが生じているが、地震時には、さらに短期荷重として図３（ｂ）に示す軸力及び曲げモーメントが発生して長期荷重に累積される。
【００３９】
図３（ｂ）に示すように、地震動による杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を受ける鋼管杭４の断面には圧縮側と引張側が発生し、その位置は中立軸（Ｘｎ）により表わされる。杭頭曲げモーメント（Ｍ０）により引張側となる定着筋７には、引張応力（Ｔ）が発生する。ここで、コンクリートの引張応力は無視する。また、杭頭曲げモーメント（Ｍ０）により圧縮側となるコンクリート面には、圧縮応力（Ｃ）が発生する。そして、引張応力（Ｔ）及び圧縮応力（Ｃ）それぞれに中立軸からの距離を乗じて足し合わせたのが抵抗モーメント（Ｍａ）となる。この抵抗モーメント（Ｍａ）は、定着筋７の水平間隔（ｄ）により増減し、水平間隔（ｄ）が大きくなると固定度（α）が上がり鋼管杭４の杭頭部６は剛接合に近づく。一方、水平間隔（ｄ）が小さくなると固定度（α）が下がり鋼管杭４の杭頭部６はピン接合に近くなる。また、中立軸（Ｘｎ）の位置、圧縮応力（Ｃ）、引張応力（Ｔ）などの値は、鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅により変動する。
【００４０】
（免震装置の回転バネ機構）
図４に、偏平基礎梁５を含むパイルキャップ３の回転バネ剛性を示す。パイルキャップ３は、地震動により杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が発生すると、杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を抑え込む回転バネとして抵抗する。その曲げ剛性（ＥＩ０）は、扁平基礎梁５ａ，５ｂそれぞれによる曲げ剛性（ＥＩｘ）、及び鋼管杭４による曲げ剛性（ＥＩｙ）から構成される。扁平基礎梁５ａ，５ｂによる曲げ剛性（ＥＩｘ）は、扁平基礎梁５ａ，５ｂが鋼管杭４を支持点とする連続梁を構成することから図４に示すような剛接合となり、杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対して抵抗モーメント（Ｍａ）が発生する。また、鋼管杭４による曲げ剛性（ＥＩｙ）は、充填コンクリート１２の幅や定着筋７の水平間隔（ｄ）により決まる固定度（α）による抵抗モーメント（Ｍａ）である。
【００４１】
鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅（Ｄ）、定着筋７の水平間隔（ｄ）を設定することで、積層ゴム免震装置２の回転量が制御される。つまり、鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅（Ｄ）、及びパイルキャップ３の定着筋７の水平間隔（ｄ）により、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との固定度（α）が決まる。具体的には、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）に対する低減の程度として固定度（α）が算出される。ここで、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）は、図２（ｂ）に杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が作用した場合の中立軸位置（Ｘｎ）、充填コンクリート１２の圧縮応力の分布及び引張鉄筋１０による抵抗モーメント（Ｍａ）として算出される。すなわち、図７に示すように、充填コンクリート１２の円周方向に設けられた一組の鉄筋１０が支持ブロック定着部１９から免震装置支持ブロック１８へと延びて杭頭固定となり、この鉄筋１０と充填コンクリート１２により杭頭固定時の抵抗モーメント（Ｍａ）が算出できる。そして、固定度（α）は、定着筋７による抵抗モーメント（Ｍａ）を鉄筋１０による抵抗（Ｍａ）で除した値として表される。この固定度（α）は、剛接合とピン接合の中間の値となる。この固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が算出される。そして接合部の曲げ剛性（ＥＩ０）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対する杭頭の回転量（Θａ）が決まり、この杭頭の回転量（Θａ）が積層ゴム免震装置２の回転量（Θａ）となる。このように、鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅（Ｄ）、定着筋７の水平間隔（ｄ）の調節により積層ゴム免震装置２の回転量を積層ゴム免震装置２の許容値内に制御することが可能となる。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との境界には、例えば鋼板からなる離間シート２０が敷設される。或いは、例えば、ポリエチレンフィルムからなる離間フィルム２１が敷設される。これらの離間シート２０又は離間フィルム２１は、鋼管杭４の充填コンクリート１２の表面部分を覆うように敷設される。これらの離間シート２０又は離間フィルム２１により免震装置支持ブロック１８が支持ブロック定着部１９に対して離間可能に載置される。これにより、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９とが絶縁され、地震時に杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を受けた場合のパイルキャップ３の力学的なモデルを実際の構成に合わせて引張コンクリートの影響を無視することができる。また、パイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）を低減するという調節が可能となる。
【００４３】
定着筋７は、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との境界に配設されたシース管１６内を貫通する。これにより、定着筋７は離間シート２０、或いは離間フィルム２１を貫通し、コンクリートの付着による影響を受けずに機能することができる。
【００４４】
図１に示すように、パイルキャップ３は、地震時において免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との間に発生するせん断力を伝達させるせん断力伝達機構であるシアキー１５を有する。本実施形態では、このシアキー１５は角型鋼管、円形鋼管などを輪切りにしたリング状の部材である。このシアキー１５は、施工時に免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との境界を跨って設置し、免震装置支持ブロック１８のコンクリート打設時、又は支持ブロック定着部１９のコンクリート打設時に鋼管内部にもコンクリートを打設する。これにより、地震時に杭頭に発生するせん断力を支持ブロック定着部１９と免震装置支持ブロック１８との間で伝達させることができる。なお、このシアキー１５は、回転制御バネ機構付き免震装置１における必須の構成要素ではなく、地震時に杭頭に発生するせん断力を他の手段で伝達可能な場合には、このシアキー１５は不要である。
【００４５】
（免震装置の回転量の制御方法）
図５に、積層ゴム免震装置２の回転量を制御する方法をフローチャートでステップごとに示す。本フローチャートでは、免震装置は積層ゴム免震装置２を用いた場合について示す。まず、予め積層ゴム免震装置２の地震時における許容回転量（Θｐ）を設定する（Ｓ１）。この数値は、例えば１／１００などの曲げモーメントにより発生する積層ゴム免震装置２の傾斜の勾配として設定される。次に、パイルキャップ３の充填コンクリート１２及び定着筋７の仕様を設定する（Ｓ２）。ここで、パイルキャップ３の充填コンクリート１２の仕様には、充填コンクリート１２の断面の幅（Ｄ）が含まれる。また、定着筋７の仕様には、パイルキャップ３に設けられる定着筋７の種別、径、水平間隔（ｄ）が含まれる。この水平間隔（ｄ）とは、地震動により発生する杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に抵抗する方向の一組の定着筋７相互の間隔をいう。
【００４６】
次に、充填コンクリート１２及び定着筋７の仕様からパイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）を算定する（Ｓ３）。すなわち、定着筋７の水平間隔（ｄ）などのパイルキャップ３の仕様から、図３（ｂ）に示すように、中立軸位置（Ｘｎ）、充填コンクリート１２の圧縮応力の分布及び引張鉄筋となる定着筋７の引張応力が算定される。そして、これらの応力分布から充填コンクリート１２の断面に生じる抵抗モーメント（Ｍａ）が算出される。そして、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）に対する低減の程度として固定度（α）が算出される。ここで、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）は、図２（ｂ）に杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が作用した場合の中立軸位置（Ｘｎ）、充填コンクリート１２の圧縮応力の分布及び引張鉄筋１０による抵抗モーメント（Ｍａ）として算出して良い。すなわち、図８に示すように、充填コンクリート１２の円周方向に設けられた一組の鉄筋１０が支持ブロック定着部１９から免震装置支持ブロック１８へと延びて杭頭固定となり、この鉄筋１０と充填コンクリート１２により杭頭固定時の抵抗モーメント（Ｍａ）が算出できる。そして、固定度（α）は、定着筋７による抵抗モーメント（Ｍａ）／鉄筋１０による抵抗モーメント（Ｍａ）として表される。具体的には、定着筋７相互の水平間隔（ｄ）の値が大きいと接合部の固定度（α）は固定（＝１）に近くなり、定着筋７相互の水平間隔（ｄ）の値が小さいと接合部の固定度（α）はピン（＝０）に近くなる。このようにして、例えば、０．１〜０．９といった１と０の間の数値により杭頭の固定度（α）が算出される。この固定度（α）は、定着筋７の水平間隔（ｄ）、パイルキャップ３の充填コンクリート１２の断面幅などの因子により変動する値である。
【００４７】
次に、地震時に想定される杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対し、パイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を算出する（Ｓ４）。図７に、杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）、及び固定度（α）を考慮した杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を示す。杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）は、パイルキャップ３に鋼管杭４が剛接接合すると仮定した場合に地震時に想定される杭頭曲げモーメント（Ｍ０）であり、一般的に杭に発生する曲げモーメントのうちこの固定端において最大の曲げモーメントとなる。これに対し、固定度（α）を考慮した杭頭曲げモーメント（Ｍ０）とは、パイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）である。すなわち、杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に、ステップ３において算出された杭頭の固定度（α）を乗じることでパイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が算出される。
【００４８】
次に、扁平基礎梁５を含むパイルキャップ３の曲げ剛性を算出する（Ｓ５）。パイルキャップ３には、鋼管杭４及び複数の扁平基礎梁５ａ，５ｂが接続されている。これらの部材の断面、及びパイルキャップ３に対する固定度（α）からパイルキャップ３の回転バネ剛性が算出される。そして、低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）による積層ゴム免震装置２の回転量（Θａ）を算出する（Ｓ６）。低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が作用した場合の接点回転角は、杭頭部６の曲げ剛性から算出できる。そして、この回転量（Θａ）が地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）となる。
【００４９】
算出された地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）とステップ１で算定した許容回転量（Θｐ）とを比較し、積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）が許容回転量（Θｐ）を越えないように、パイルキャップ３の充填コンクリート１２及び定着筋７の仕様を調節する（Ｓ７）。このステップを繰り返すことで、積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）が許容回転量（Θｐ）内に収まり、積層ゴム免震装置２に有害な回転を発生させないようにすることができる。
【００５０】
上述したように、滑りシート２０又は滑りフィルム２１が免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との充填コンクリート１２面の境界に敷設される。これにより、充填コンクリート１２の引張応力を無視して積層ゴム免震装置２の回転量を算出できる。すなわち、地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量を算出するため、「充填コンクリート１２の引張応力を無視する」という算定の前提について、滑りシート２０又は滑りフィルム２１を敷設することで実際のディテールの上でも引張応力が発生しないようにする。これにより、より精度の高い地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量の算出が可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 回転制御バネ機構付き免震装置、２，１０２ 積層ゴム免震装置、３，１０３ パイルキャップ、４，１０４ 鋼管杭、５，５ａ，５ｂ 扁平基礎梁、６，１０６ 杭頭部、７ 定着筋、８ アンカー、８ａ 上部アンカー、８ｂ 下部アンカー、９ 交差部、１０，１１０ 鉄筋（主筋）、１１，１１１ 上部構造（柱）、１２，１１２ 充填コンクリート、１３ 鋼管、１５ シアキー（せん断力伝達機構）、１６ シース管、１８ 免震装置支持ブロック、１９ 支持ブロック定着部、２０ 離間シート、２１ 離間フィルム、１０５ 基礎梁、１１８ 基礎スラブ、Ｄ 充填コンクリートの幅、ｄ 定着筋の水平間隔、Ｍ０ 杭頭曲げモーメント、Ｍａ 抵抗モーメント、α 固定度、Θａ 最大回転量、Θｐ 許容回転量。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転制御バネ機構付き免震装置、及び免震装置の回転量の制御方法に係り、特に、地震時における免震装置の回転量を杭頭に設置されたパイルキャップの回転バネ機構により制御する回転制御バネ機構付き免震装置、及び地震時における免震装置の回転量を制御する免震装置の回転量の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
免震装置は、地盤から建物への地震動入力を低減させ、地震時の建物の構造安全性を高める。そのために、建物の重量を支えて安定させ、かつ水平方向に大きく変形してゆっくり動くという特性が要求される。これらの特性を満たす免震装置として、例えば、積層ゴム支承を用いた免震装置、或いはすべり支承を用いた免震装置などがある。本発明では、免震装置は積層ゴム支承を用いた免震装置を対象とするが、この積層ゴムには、例えば、天然ゴムを使用した天然ゴム系積層ゴム、中心部に鉛プラグを挿入した鉛入り積層ゴム、ゴム自体の添加物により減衰性をもたせた高減衰積層ゴムなどが用いられる。
【０００３】
これらの積層ゴム免震装置は、複数のゴムシートと鋼板とが交互に積層され、高温、高圧で接着した構造となっている。この積層ゴム免震装置は、内部に鋼板が有ることで鉛直方向に大きな剛性が得られ、鉛直方向の沈み込み量が極めて少なくなる。そして、地震時の水平方向の変形を積層された複数のゴムシートのせん断変形により吸収することができる。このように、積層ゴム支承は、地震時に鉛直方向の高い剛性で建物の重量を支えて安定させ、水平方向の大きなせん断変形により建物を地盤から免震（アイソレート）する。
【０００４】
これらの積層ゴム支承が機能するには、積層ゴム免震装置を支持する部分のフレーム自体に大きな曲げ変形による回転が生じないことが前提となる。非特許文献１には、「高減衰ゴム系積層ゴム支承の水平２方向加力時における限界性能に関する新たな知見について」と題し、高減衰ゴム系積層ゴム支承が２方向曲げ変形を受けた場合の限界性能について報告されている。ここでは、積層ゴム支承の曲げによる傾きが、例えば１／１００程度を越えると高減衰ゴムがはがれてしまい、積層ゴム支承として機能しなくなることが示されている。このように、地震時に地盤から建物への地震動入力を低減させる目的で設置される積層ゴム支承を用いた免震装置自体が機能しなくなることは重大な問題となる。
【０００５】
従来、積層ゴム免震装置を建物の基礎部に設置する場合には、杭の柱頭部に設けられた巨大なフーチング基礎などの上に免震装置を設置するのが一般的であった。これは、フーチング基礎は極めて曲げ剛性が高く、地震時に発生する杭頭曲げモーメントによる杭の変形の影響をほとんど受けないため、積層ゴム免震装置が支承としてとして機能しなくなる虞が極めて少なく安定的に免震効果を発揮できるからである。
【０００６】
図７に、積層ゴム免震装置１０２を建物の基礎部に設置する場合の従来構法の一つの実施例を示す。内部にコンクリートを充填した鋼管１１３による鋼管杭１０４の柱頭部１０６には鋼管杭１０４を保護するパイルキャップ１０３が設けられる。そして、パイルキャップ１０３上に積層ゴム免震装置１０２が設置され、積層ゴム免震装置１０２は、柱材などの上部構造１１１を支持する。パイルキャップ１０３には、隣接する鋼管杭１０４同士を繋ぐ基礎梁１０５及び基礎スラブ１１８が接続される。そして、鋼管杭１０４の主筋１１０はパイルキャップ１０３に連続して配筋され、パイルキャップ１０３と鋼管杭１０４の杭頭部１０６とは、ほとんど回転角を生じない剛接合となる。このように、鋼管杭１０４の杭頭部１０６はパイルキャップ１０３に対して剛接合とされるのが一般的である。従って、地震時にはこの基礎梁１０５に大きな曲げモーメントが発生し、基礎梁１０５は梁成が大きくなり曲げ剛性も大きくなる。そして、このような基礎梁１０５が接続されるパイルキャップ１０３自体も高い曲げ剛性を有する。
【０００７】
このように、フーチングやパイルキャップ１０３と、鋼管杭１０４の杭頭部１０６とは回転角を生じない剛接合であり、積層ゴム免震装置１０２が設置されるフーチングやパイルキャップ１０３の回転剛性が高いことから、地震時に積層ゴム免震装置１０２には、上述したような有害な回転が発生する虞は少なかった。しかし、地震時に発生する大きな杭頭曲げモーメントにより、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ１０３等の基礎構造が過大な部材断面となり、施工の工期がかかり工事費用が嵩むという問題が生じていた。
【０００８】
一方、「杭頭免震」と称され、例えば鋼管杭などの杭頭部にフーチング基礎や基礎梁を介さずに積層ゴム免震装置を直接接合する構造が採用されている。例えば、特許文献１には、建物基礎の施工手間や地盤掘削量を削減して短工期化およびコスト低減が図れる免震建物が開示されている。ここでは、免震装置を鋼管杭の杭頭部上に固定し、この免震装置上に上部構造であるフーチングや大梁が設置されている。また、鋼管杭の杭頭同士が基礎スラブ（連結部材）で連結されている。この基礎スラブ（連結部材）により、地震時に複数の鋼管杭がばらばらに水平変位することなく同一方向に変位することができる。また、鋼管杭の杭頭部を基礎スラブ（連結部材）から突出させることで地震時に発生する杭頭曲げモーメントを基礎スラブ（連結部材）にて抑え込むことができ、地震時に積層ゴム免震装置に有害な回転が発生する恐れは極めて少ない。このように、パイルキャップを省略し、簡易な基礎スラブ（連結部材）を設けることで、基礎梁や基礎フーチングに要する施工手間や地盤の掘削量が削減される。
【０００９】
特許文献２には、適正な杭頭回転を許容しつつ制御し、基礎と免震ピットを簡略化する「杭頭免震構造」が開示されている。ここでは、杭の杭頭部とその上部に設置する免震装置との間に、免震装置と杭頭部との間で軸力を伝達可能かつそれらの間に生じる相対的な杭頭回転を許容しつつ制御する杭頭デバイスを介装する。さらに、上部部材を杭頭部もしくは下部部材に対して連結する連結部材にダンパーとしての機能を持たせることが記載されている。
【００１０】
特許文献３には、地震時に杭頭部に発生する曲げモーメントに対して免震装置への負担を軽減した「柱頭免震構造」が開示されている。この柱頭免震構造は、建物の上部構造を基礎部において支持し、上部構造を地震動から免震する免震装置と、鋼管杭の杭頭部を相互に連結する基礎梁と、基礎梁が接続され、免震装置と鋼管杭の杭頭部とを接続するコンクリート充填鋼管からなる短柱から構成され、短柱は、免震装置に接続する第１短柱と、第１短柱と略同断面を有して上下方向に積層され、杭頭部を保持する第２短柱とからなり、第１短柱の下面に設けられた凹部と、第２短柱の上面に設けられた凸部とが係合する。このように、パイルキャップを省略し、簡易な基礎スラブ（連結部材）を設けることで、基礎梁や基礎フーチングに要する施工手間や地盤の掘削量が削減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許３８９９３５４号
【特許文献２】特開２００７-１５４５５８号公報
【特許文献３】特許４６７２８０５号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】高減衰ゴム系積層ゴム支承の水平２方向加力時における限界性能に関する新たな知見について 技術委員会免震部材部会他 ＭＥＮＳＨＩＮ Ｎｏ．８７ ２０１０．２
【非特許文献２】新技術調査「杭頭半剛接接合工法」の調査報告 （財）建設コスト管理システム研究会 新技術調査検討会 建設コスト研究 ２００８ＷＩＮＴＥＲ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
免震装置、特に積層ゴム免震装置は、建物の重量を支えて安定させ、かつ水平方向に大きくせん断変形してゆっくり動くという特性を利用して建物を免震させる装置である。従って、装置に発生する軸力及びせん断力には機能するが、曲げモーメントにより装置に発生する回転に対しては機能しない。従って、例えば地震時において鋼管杭などの杭頭に曲げモーメントが発生し、その曲げモーメントが免震装置に伝達すると免震装置に有害な回転が発生し、免震装置として機能しなくなる虞がある。
【００１４】
従来の積層ゴム免震装置を用いた実施例では、積層ゴム免震装置が設置されるフーチングやパイルキャップと、鋼管杭などの杭頭部とは回転を生じない剛接合となっていた。従って、フーチングやパイルキャップの回転剛性が高く、地震時に積層ゴム免震装置には上述したような有害な回転が発生する虞は少なかった。しかし、一方で、地震時に発生する大きな杭頭モーメントにより、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ等の基礎構造が過大な部材断面となり、施工の工期がかかり工事費用が嵩むという問題が生じていた。
【００１５】
そこで、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ等の基礎構造を経済的な設計にする構法が提案された。例えば、非特許文献２に示すように、杭頭半剛接接合やピン接合とし、杭頭曲げモーメントを低減する杭頭接合工法が提案されている。これらの構法により地震時の杭頭曲げモーメントが低減され、鋼管杭、フーチング、基礎梁、パイルキャップ等の基礎構造が経済的な設計となる可能性が生じた。また、「杭頭免震構造」や「柱頭免震構造」などの構法の提案により経済的な基礎構造が可能となった。
【００１６】
しかし、これらの基礎構造に積層ゴム免震装置を設置する場合には、経済的な基礎構造とする場合には、上述した積層ゴム免震装置への有害な回転を回避する技術を検討しなければならない。また、地震時の地盤の液状化が発生した場合には、地盤による杭の水平抵抗が杭頭部において期待できなくなるため、積層ゴム免震装置に過大な回転が生じてしまう虞がある。
【００１７】
従って、経済的に設計された基礎構造に積層ゴム免震装置を設置する場合には、積層ゴム免震装置に有害な回転を発生させないように、地震時に積層ゴム免震装置の回転量を制御する機構を設けることが必要となる。そして、この制御機構は、地震動により地盤が液状化しても積層ゴム免震装置に有害な回転を発生させない信頼性の高い技術であることが要求される。
【００１８】
本願の目的は、かかる課題を解決し、地震時に鋼管杭の杭頭部に発生する曲げモーメントを抑制して免震装置の回転を制御し、免震装置に有害な回転を発生させない回転制御バネ機構付き免震装置、および免震装置の回転量の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置は、建物の上部構造を支持し、上部構造を地震動から免震する免震装置と、鋼管杭を支持点とする連続梁を構成し、鋼管杭相互を連結する扁平基礎梁と、扁平基礎梁と接続し、免震装置を支持する免震装置支持ブロックと、載置された免震装置支持ブロックを一組の定着筋により鋼管杭の杭頭部に定着する支持ブロック定着部と、から構成されるパイルキャップと、を備え、パイルキャップは、接合される鋼管杭との調節された固定度により地震動により発生する杭頭曲げモーメントを低減し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗し、地震時の免震装置の回転量を許容回転量以内に制御することを特徴とする。
【００２０】
上記構成により、回転制御バネ機構付き免震装置は、地震時において、鋼管杭の杭頭部に発生する杭頭曲げモーメントに対し、免震装置支持ブロック及び支持ブロック定着部から構成されるパイルキャップの回転バネにより抵抗し、地震時に免震装置に有害な回転を発生させないように制御することができる。すなわち、パイルキャップは、一組の定着筋により免震装置支持ブロックを支持ブロック定着部に定着させる。これにより、パイルキャップは、鋼管杭を支持点とする連続梁である扁平基礎梁の曲げ剛性を含む回転バネとして杭頭曲げモーメントに抵抗し、免震装置の回転量を低減する。また、一組の定着筋によりパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が調節され、これにより杭頭曲げモーメントが低減され、免震装置の回転量が制御可能となる。
【００２１】
また、上記構成により地震時の地盤の液状化が発生した場合には、鋼管杭が地盤から受ける水平反力が消滅するため、鋼管杭には大きな杭頭曲げモーメントが発生し、免震装置に有害な回転角が生じてしまう虞がある。しかし、本回転制御バネ機構付き免震装置によれば、予め地盤の液状化を想定し、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する回転バネとして機能するパイルキャップを設置し、パイルキャップに設けられた定着筋の位置により免震装置の回転量を制御することとした。従って、地震時の地盤の液状化が発生した場合であっても免震装置の回転量を許容回転量以内に制御することが可能となる。
【００２２】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、パイルキャップの免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部とが定着筋のみにより連結され、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が、鋼管杭の充填コンクリート幅と、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する方向の一組の定着筋相互の間隔とにより調節されることが好ましい。これにより、鋼管杭の充填コンクリート幅と、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する方向の一組の定着筋相互の間隔とによりパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が調節され、この固定度が低減されることにより杭頭曲げモーメントが低減され、免震装置の回転量が制御可能となる。
【００２３】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、パイルキャップが、鋼管杭を支持点とする連続梁を構成して接続される扁平基礎梁と協働し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗することが好ましい。これにより、扁平基礎梁が鋼管杭を支持点とする連続梁を構成してパイルキャップに接続され、鋼管杭と共にパイルキャップにおける回転バネ機構を構成し、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに安定的に抵抗することができる。
【００２４】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界には離間シート又は離間フィルムが敷設され、免震装置支持ブロックが支持ブロック定着部に対して離間可能に載置されることが好ましく、離間シートは、鋼板であり、離間フィルムは、ポリエチレンフィルムであることが好ましい。これにより、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部とが絶縁され、地震時に杭頭曲げモーメントを受けた場合のパイルキャップの力学的なモデルを実際の構成に合わせて引張コンクリートの影響を無視することができる。また、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度を低減するという調節が可能となる。
【００２５】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、定着筋が免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に配設されたシース管内を貫通することが好ましい。これにより、定着筋は、コンクリートによるせん断抵抗の影響を受けることなく引張筋として機能することができる。
【００２６】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、免震装置支持ブロックが少なくとも平面的に交差する２本の扁平基礎梁の交差部を含むことが好ましい。また、免震装置支持ブロックが扁平基礎梁のうち少なくとも鋼管杭の杭頭部の断面を覆う部分であることが好ましい。これにより、免震装置支持ブロックは、鋼管杭の杭頭部を保護し、建物の上部構造から伝達される重量を扁平基礎梁を介してスムーズに鋼管杭に伝達することができる。
【００２７】
また、回転制御バネ機構付き免震装置は、パイルキャップが地震時において免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との間に発生するせん断力を伝達させるせん断力伝達機構を有することが好ましい。これにより、地震時に杭頭部に発生するせん断力を簡易に扁平基礎梁に伝達させ、地震時の建物の構造安全性を高めることができる。
【００２８】
また、免震装置の回転量の制御方法は、パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を設定するステップと、充填コンクリート及び定着筋の仕様からパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度を算定するステップと、扁平基礎梁を含むパイルキャップの回転バネ剛性を算出するステップと、地震時に想定される杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対し、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度により低減された曲げモーメント（Ｍａ）を算出するステップと、扁平基礎梁が限界剛性に達する際に免震装置の回転角（Θａ）が許容回転量（Θｐ）近傍となるように、パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を調節するステップと、を備えることが好ましい。これにより、地震時において、鋼管杭の杭頭部に発生する杭頭曲げモーメントに対し、免震装置支持ブロック及び支持ブロック定着部から構成されるパイルキャップの回転バネにより抵抗し、地震時に免震装置に有害な回転を発生させないように制御することができる。すなわち、パイルキャップは、一組の定着筋により免震装置支持ブロックを支持ブロック定着部に定着させる。これにより、パイルキャップは、鋼管杭を支持点とする連続梁である扁平基礎梁の曲げ剛性を含む回転バネとして杭頭曲げモーメントに抵抗し、免震装置の回転量を低減する。また、一組の定着筋によりパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度が調節され、これにより杭頭曲げモーメントが低減され、免震装置の回転量が制御可能となる。
【００２９】
さらに、免震装置の回転量の制御方法は、離間シート又は離間フィルムが免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に敷設されることにより、コンクリートの引張応力を無視して回転バネの曲げ剛性が算定されることが好ましい。これにより、パイルキャップの力学的なモデルと実際の構成がより整合し、精度の高い積層ゴム免震装置の回転量を算定することができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置によれば、地震時に鋼管杭の杭頭部に発生する曲げモーメントを抑制して免震装置の回転を制御し、免震装置に有害な回転を発生させない回転制御バネ機構付き免震装置、および免震装置の回転量の制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置の１つの実施形態の概略構成を示す一部断面図である。
【図２】図１に示す回転制御バネ機構付き免震装置のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。
【図３】地震動により発生する杭頭曲げモーメントを受けた場合の定着筋７による抵抗モーメントを示す説明図であり、図３（ｂ）に、側面図である図３（ａ）のＣ−Ｃ断面における応力図を示す。
【図４】扁平基礎梁を含むパイルキャップの回転バネ剛性を示す説明図である。
【図５】免震装置の回転量を調節する方法を示すフローチャートである。
【図６】杭頭固定時の杭頭曲げモーメント、及び固定度を考慮した杭頭曲げモーメントを示す説明図である。
【図７】積層ゴム免震装置を建物の基礎部に設置する場合の従来構法の一つの実施例を示す一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
（回転制御バネ機構付き免震装置）
以下に、図面を用いて本発明に係る回転制御バネ機構付き免震装置１の実施形態につき、詳細に説明する。図１に、回転制御バネ機構付き免震装置１の１つの実施形態の概略構成を示す。また、図２（ａ）に図１のＡ−Ａ断面図を、図２（ｂ）に図１のＢ−Ｂ断面図を示す。回転制御バネ機構付き免震装置１は、積層ゴム免震装置２、免震装置支持ブロック１８及び支持ブロック定着部１９から構成されるパイルキャップ３、鋼管杭４、及び扁平基礎梁５から構成される。
【００３３】
（回転制御バネ機構付き免震装置の構成）
本発明において免震装置は積層ゴム免震装置２である。積層ゴム免震装置２は、例えば、柱材や梁材などの建物の上部構造１１を支持し、上部構造１１からの自重を鋼管杭４に伝達する。そして、上部構造１１を鋼管杭４などの下部構造から絶縁（アイソレート）して上部構造１１を地震動から免震する。地震動を受けると積層ゴム免震装置２は、せん断変形することで絶縁（アイソレート）の効果を発揮する。そのために、積層ゴム免震装置２には、建物の重量を支えて安定させ、かつ水平方向に大きく変形してゆっくり動くという特性が要求される。これらの特性を満たす免震装置２として、例えば、積層ゴム支承を用いた免震装置２、或いはすべり支承を用いた免震装置などがある。本発明では、免震装置は積層ゴム支承を用いた免震装置２を対象とするが、この積層ゴムには、例えば、天然ゴムを使用した天然ゴム系積層ゴム、中心部に鉛プラグを挿入した鉛入り積層ゴム、ゴム自体の添加物により減衰性をもたせた高減衰積層ゴムなどが含まれる。
【００３４】
図２(ｂ)に示すように、本実施形態では建物の基礎構造として円形断面の鋼管杭４を用いるが、円形以外の断面、例えば、矩形断面であっても良い。鋼管杭４は、鋼管１３の内部に充填コンクリート１２が充填された杭形式であるが、鋼管杭４以外の杭形式、例えば、既製コンクリート杭などであっても良い。この鋼管杭４内部の充填コンクリート１２の断面には円周方向に主筋１０が配置される。また、この鋼管杭４の上部であってパイルキャップ３と接合する部分を杭頭部６と称する。
【００３５】
扁平基礎梁５は鋼管杭４相互を連結する。すなわち、地震時に、鋼管杭４の杭頭の変位がばらばらにならないように、杭頭を相互に連結して相互の間隔を保持させる。本実施形態では、従来の基礎梁と異なり、梁成の小さな扁平基礎梁５を採用する。これは、後述するように、パイルキャップ３と接合する鋼管杭４の固定度（α）を低減することにより、パイルキャップ３や基礎梁に発生する応力が低減されることによる。また、図２（ａ）に示すように、一般的に扁平基礎梁５は、平面的に交差するＸ方向扁平基礎梁５ａ及びＹ方向扁平基礎梁５ｂから構成され、格子状に配置される。そして、この扁平基礎梁５は、厚みが薄くて幅の広い平板に近い断面を有し、地震時に鋼管杭４の杭頭部６に発生するせん断力を伝達する。また、このＸ方向扁平基礎梁５ａ及びＹ方向扁平基礎梁５ｂは、鋼管杭４を支持点とする連続梁を構成する。このため、扁平基礎梁５は、鋼管杭４の支持点において曲げモーメントが発生する剛接合となる。
【００３６】
パイルキャップ３は、鋼管杭４の杭頭部６に設置されて杭頭部６を保護する。本発明では、パイルキャップ３は免震装置支持ブロック１８、及び支持ブロック定着部１９から構成される。図３（ａ）に、免震装置支持ブロック１８、及び支持ブロック定着部１９をそれぞれ斜線で示す。免震装置支持ブロック１８は、扁平基礎梁５の一部であって積層ゴム免震装置２を支持する。この免震装置支持ブロック１８は、少なくともこの２本の扁平基礎梁５ａ及び５ｂの交差部９を含むブロックである。これにより、免震装置支持ブロック１８は、建物の上部構造１１から伝達される自重を、扁平基礎梁５を介してスムーズに鋼管杭４に伝達することができる。また、扁平基礎梁５が平面的に１方向扁平基礎梁５ａ又は５ｂから構成される場合には、免震装置支持ブロック１８は、扁平基礎梁５ａ又は５ｂのうち少なくとも鋼管杭４の杭頭部６の断面を覆う部分である。
【００３７】
（免震装置の回転量制御機構）
図２（ｂ）に示すように、パイルキャップ３の支持ブロック定着部１９には、交差するＸ方向及びＹ方向に所定の水平間隔（ｄ１，ｄ２）を有して埋設される定着筋７が配置される。この定着筋７は、載置された免震装置支持ブロック１８に上部アンカー８ａを有し、鋼管杭４の杭頭部６の支持ブロック定着部１９に下部アンカー８ｂを有して定着する。従って、パイルキャップ３の支持ブロック定着部１９は、杭頭部６の先端の上部アンカー８ａから定着筋７の下部アンカー８ｂまでをいう。このように、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９とは定着筋７のみにより連結される。なお、図２（ｂ）では、定着筋７は、理論的な説明のために最少本数とし、交差するＸ方向及びＹ方向にそれぞれ２本としているが、この本数には限らず設計により必要な本数が選択される。また、定着筋７の配置は、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ配置されても良く、円形状に配置されても良い。
【００３８】
図３（ａ）に、地震動により発生する杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を受けた場合の定着筋７による抵抗モーメント（Ｍａ）を示す。図３（ｂ）には、図３（ａ）のＣ−Ｃ断面における定着筋７及び充填コンクリート１２の応力図を示す。Ｃ−Ｃ断面における定着筋７及び充填コンクリート１２には、長期荷重による軸力及び曲げモーメントが生じているが、地震時には、さらに短期荷重として図３（ｂ）に示す軸力及び曲げモーメントが発生して長期荷重に累積される。
【００３９】
図３（ｂ）に示すように、地震動による杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を受ける鋼管杭４の断面には圧縮側と引張側が発生し、その位置は中立軸（Ｘｎ）により表わされる。杭頭曲げモーメント（Ｍ０）により引張側となる定着筋７には、引張応力（Ｔ）が発生する。ここで、コンクリートの引張応力は無視する。また、杭頭曲げモーメント（Ｍ０）により圧縮側となるコンクリート面には、圧縮応力（Ｃ）が発生する。そして、引張応力（Ｔ）及び圧縮応力（Ｃ）それぞれに中立軸からの距離を乗じて足し合わせたのが抵抗モーメント（Ｍａ）となる。この抵抗モーメント（Ｍａ）は、定着筋７の水平間隔（ｄ）により増減し、水平間隔（ｄ）が大きくなると固定度（α）が上がり鋼管杭４の杭頭部６は剛接合に近づく。一方、水平間隔（ｄ）が小さくなると固定度（α）が下がり鋼管杭４の杭頭部６はピン接合に近くなる。また、中立軸（Ｘｎ）の位置、圧縮応力（Ｃ）、引張応力（Ｔ）などの値は、鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅により変動する。
【００４０】
（免震装置の回転バネ機構）
図４に、偏平基礎梁５を含むパイルキャップ３の回転バネ剛性を示す。パイルキャップ３は、地震動により杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が発生すると、杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を抑え込む回転バネとして抵抗する。その曲げ剛性（ＥＩ０）は、扁平基礎梁５ａ，５ｂそれぞれによる曲げ剛性（ＥＩｘ）、及び鋼管杭４による曲げ剛性（ＥＩｙ）から構成される。扁平基礎梁５ａ，５ｂによる曲げ剛性（ＥＩｘ）は、扁平基礎梁５ａ，５ｂが鋼管杭４を支持点とする連続梁を構成することから図４に示すような剛接合となり、杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対して抵抗モーメント（Ｍａ）が発生する。また、鋼管杭４による曲げ剛性（ＥＩｙ）は、充填コンクリート１２の幅や定着筋７の水平間隔（ｄ）により決まる固定度（α）による抵抗モーメント（Ｍａ）である。
【００４１】
鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅（Ｄ）、定着筋７の水平間隔（ｄ）を設定することで、積層ゴム免震装置２の回転量が制御される。つまり、鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅（Ｄ）、及びパイルキャップ３の定着筋７の水平間隔（ｄ）により、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との固定度（α）が決まる。具体的には、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）に対する低減の程度として固定度（α）が算出される。ここで、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）は、図２（ｂ）に杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が作用した場合の中立軸位置（Ｘｎ）、充填コンクリート１２の圧縮応力の分布及び引張鉄筋１０による抵抗モーメント（Ｍａ）として算出される。すなわち、図７に示すように、充填コンクリート１２の円周方向に設けられた一組の鉄筋１０が支持ブロック定着部１９から免震装置支持ブロック１８へと延びて杭頭固定となり、この鉄筋１０と充填コンクリート１２により杭頭固定時の抵抗モーメント（Ｍａ）が算出できる。そして、固定度（α）は、定着筋７による抵抗モーメント（Ｍａ）を鉄筋１０による抵抗（Ｍａ）で除した値として表される。この固定度（α）は、剛接合とピン接合の中間の値となる。この固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が算出される。そして接合部の曲げ剛性（ＥＩ０）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対する杭頭の回転量（Θａ）が決まり、この杭頭の回転量（Θａ）が積層ゴム免震装置２の回転量（Θａ）となる。このように、鋼管杭４の充填コンクリート１２の幅（Ｄ）、定着筋７の水平間隔（ｄ）の調節により積層ゴム免震装置２の回転量を積層ゴム免震装置２の許容値内に制御することが可能となる。
【００４２】
図３（ａ）に示すように、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との境界には、例えば鋼板からなる離間シート２０が敷設される。或いは、例えば、ポリエチレンフィルムからなる離間フィルム２１が敷設される。これらの離間シート２０又は離間フィルム２１は、鋼管杭４の充填コンクリート１２の表面部分を覆うように敷設される。これらの離間シート２０又は離間フィルム２１により免震装置支持ブロック１８が支持ブロック定着部１９に対して離間可能に載置される。これにより、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９とが絶縁され、地震時に杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を受けた場合のパイルキャップ３の力学的なモデルを実際の構成に合わせて引張コンクリートの影響を無視することができる。また、パイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）を低減するという調節が可能となる。
【００４３】
定着筋７は、免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との境界に配設されたシース管１６内を貫通する。これにより、定着筋７は離間シート２０、或いは離間フィルム２１を貫通し、コンクリートの付着による影響を受けずに機能することができる。
【００４４】
図１に示すように、パイルキャップ３は、地震時において免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との間に発生するせん断力を伝達させるせん断力伝達機構であるシアキー１５を有する。本実施形態では、このシアキー１５は角型鋼管、円形鋼管などを輪切りにしたリング状の部材である。このシアキー１５は、施工時に免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との境界を跨って設置し、免震装置支持ブロック１８のコンクリート打設時、又は支持ブロック定着部１９のコンクリート打設時に鋼管内部にもコンクリートを打設する。これにより、地震時に杭頭に発生するせん断力を支持ブロック定着部１９と免震装置支持ブロック１８との間で伝達させることができる。なお、このシアキー１５は、回転制御バネ機構付き免震装置１における必須の構成要素ではなく、地震時に杭頭に発生するせん断力を他の手段で伝達可能な場合には、このシアキー１５は不要である。
【００４５】
（免震装置の回転量の制御方法）
図５に、積層ゴム免震装置２の回転量を制御する方法をフローチャートでステップごとに示す。本フローチャートでは、免震装置は積層ゴム免震装置２を用いた場合について示す。まず、予め積層ゴム免震装置２の地震時における許容回転量（Θｐ）を設定する（Ｓ１）。この数値は、例えば１／１００などの曲げモーメントにより発生する積層ゴム免震装置２の傾斜の勾配として設定される。次に、パイルキャップ３の充填コンクリート１２及び定着筋７の仕様を設定する（Ｓ２）。ここで、パイルキャップ３の充填コンクリート１２の仕様には、充填コンクリート１２の断面の幅（Ｄ）が含まれる。また、定着筋７の仕様には、パイルキャップ３に設けられる定着筋７の種別、径、水平間隔（ｄ）が含まれる。この水平間隔（ｄ）とは、地震動により発生する杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に抵抗する方向の一組の定着筋７相互の間隔をいう。
【００４６】
次に、充填コンクリート１２及び定着筋７の仕様からパイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）を算定する（Ｓ３）。すなわち、定着筋７の水平間隔（ｄ）などのパイルキャップ３の仕様から、図３（ｂ）に示すように、中立軸位置（Ｘｎ）、充填コンクリート１２の圧縮応力の分布及び引張鉄筋となる定着筋７の引張応力が算定される。そして、これらの応力分布から充填コンクリート１２の断面に生じる抵抗モーメント（Ｍａ）が算出される。そして、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）に対する低減の程度として固定度（α）が算出される。ここで、パイルキャップ３に対して鋼管杭４が剛接合である場合（すなわち、杭頭固定時）の抵抗モーメント（Ｍａ）は、図２（ｂ）に杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が作用した場合の中立軸位置（Ｘｎ）、充填コンクリート１２の圧縮応力の分布及び引張鉄筋１０による抵抗モーメント（Ｍａ）として算出して良い。すなわち、図８に示すように、充填コンクリート１２の円周方向に設けられた一組の鉄筋１０が支持ブロック定着部１９から免震装置支持ブロック１８へと延びて杭頭固定となり、この鉄筋１０と充填コンクリート１２により杭頭固定時の抵抗モーメント（Ｍａ）が算出できる。そして、固定度（α）は、定着筋７による抵抗モーメント（Ｍａ）／鉄筋１０による抵抗モーメント（Ｍａ）として表される。具体的には、定着筋７相互の水平間隔（ｄ）の値が大きいと接合部の固定度（α）は固定（＝１）に近くなり、定着筋７相互の水平間隔（ｄ）の値が小さいと接合部の固定度（α）はピン（＝０）に近くなる。このようにして、例えば、０．１〜０．９といった１と０の間の数値により杭頭の固定度（α）が算出される。この固定度（α）は、定着筋７の水平間隔（ｄ）、パイルキャップ３の充填コンクリート１２の断面幅などの因子により変動する値である。
【００４７】
次に、地震時に想定される杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対し、パイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を算出する（Ｓ４）。図７に、杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）、及び固定度（α）を考慮した杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を示す。杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）は、パイルキャップ３に鋼管杭４が剛接接合すると仮定した場合に地震時に想定される杭頭曲げモーメント（Ｍ０）であり、一般的に杭に発生する曲げモーメントのうちこの固定端において最大の曲げモーメントとなる。これに対し、固定度（α）を考慮した杭頭曲げモーメント（Ｍ０）とは、パイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）である。すなわち、杭頭固定時の杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に、ステップ３において算出された杭頭の固定度（α）を乗じることでパイルキャップ３に接合される鋼管杭４の固定度（α）により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が算出される。
【００４８】
次に、扁平基礎梁５を含むパイルキャップ３の曲げ剛性を算出する（Ｓ５）。パイルキャップ３には、鋼管杭４及び複数の扁平基礎梁５ａ，５ｂが接続されている。これらの部材の断面、及びパイルキャップ３に対する固定度（α）からパイルキャップ３の回転バネ剛性が算出される。そして、低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）による積層ゴム免震装置２の回転量（Θａ）を算出する（Ｓ６）。低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）が作用した場合の接点回転角は、杭頭部６の曲げ剛性から算出できる。そして、この回転量（Θａ）が地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）となる。
【００４９】
算出された地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）とステップ１で算定した許容回転量（Θｐ）とを比較し、積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）が許容回転量（Θｐ）を越えないように、パイルキャップ３の充填コンクリート１２及び定着筋７の仕様を調節する（Ｓ７）。このステップを繰り返すことで、積層ゴム免震装置２の最大回転量（Θａ）が許容回転量（Θｐ）内に収まり、積層ゴム免震装置２に有害な回転を発生させないようにすることができる。
【００５０】
上述したように、滑りシート２０又は滑りフィルム２１が免震装置支持ブロック１８と支持ブロック定着部１９との充填コンクリート１２面の境界に敷設される。これにより、充填コンクリート１２の引張応力を無視して積層ゴム免震装置２の回転量を算出できる。すなわち、地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量を算出するため、「充填コンクリート１２の引張応力を無視する」という算定の前提について、滑りシート２０又は滑りフィルム２１を敷設することで実際のディテールの上でも引張応力が発生しないようにする。これにより、より精度の高い地震時の積層ゴム免震装置２の最大回転量の算出が可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 回転制御バネ機構付き免震装置、２，１０２ 積層ゴム免震装置、３，１０３ パイルキャップ、４，１０４ 鋼管杭、５，５ａ，５ｂ 扁平基礎梁、６，１０６ 杭頭部、７ 定着筋、８ アンカー、８ａ 上部アンカー、８ｂ 下部アンカー、９ 交差部、１０，１１０ 鉄筋（主筋）、１１，１１１ 上部構造（柱）、１２，１１２ 充填コンクリート、１３ 鋼管、１５ シアキー（せん断力伝達機構）、１６ シース管、１８ 免震装置支持ブロック、１９ 支持ブロック定着部、２０ 離間シート、２１ 離間フィルム、１０５ 基礎梁、１１８ 基礎スラブ、Ｄ 充填コンクリートの幅、ｄ 定着筋の水平間隔、Ｍ０ 杭頭曲げモーメント、Ｍａ 抵抗モーメント、α 固定度、Θａ 最大回転量、Θｐ 許容回転量。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物の上部構造を支持し、上部構造を地震動から免震する免震装置と、
鋼管杭を支持点とする連続梁を構成し、鋼管杭相互を連結する扁平基礎梁と、
扁平基礎梁と接続し、免震装置を支持する免震装置支持ブロックと、載置された免震装置支持ブロックを一組の定着筋により鋼管杭の杭頭部に定着する支持ブロック定着部と、から構成されるパイルキャップと、を備え、
パイルキャップは、接合される鋼管杭との調節された固定度により地震動により発生する杭頭曲げモーメントを低減し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗し、地震時の免震装置の回転量を許容回転量以内に制御することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、パイルキャップの免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部とは、定着筋のみにより連結され、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度は、鋼管杭の充填コンクリート幅と、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する方向の一組の定着筋相互の間隔と、により調節されることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、パイルキャップは、鋼管杭を支持点とする連続梁を構成して接続される扁平基礎梁と協働し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項４】
請求項１乃至３項のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界には離間シート又は離間フィルムが敷設され、免震装置支持ブロックが支持ブロック定着部に対して離間可能に載置されることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項５】
請求項４に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、離間シートは、鋼板であり、離間フィルムは、ポリエチレンフィルムであることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、定着筋は、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に配設されたシース管内を貫通することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置支持ブロックは、少なくとも平面的に交差する２本の扁平基礎梁の交差部を含むことを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置支持ブロックは、扁平基礎梁のうち少なくとも鋼管杭の杭頭部の断面を覆う部分であることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、パイルキャップは、地震時において免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との間に発生するせん断力を伝達させるせん断力伝達機構を有することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置は、積層ゴム支承による免震装置であることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置における免震装置の回転量の制御方法であって、
パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を設定するステップと、
充填コンクリート及び定着筋の仕様からパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度を算定するステップと、
地震時に想定される杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対し、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を算出するステップと、
扁平基礎梁を含むパイルキャップの回転バネ剛性を算出し、低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）による免震装置の回転角（Θａ）を算出するステップと、
免震装置の回転角（Θａ）が許容回転量（Θｐ）を越えないように、パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を調節するステップと、
を備えることを特徴とする免震装置の回転量の制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の免震装置の回転量の制御方法であって、
離間シート又は離間フィルムが免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に敷設されることにより、コンクリートの引張応力を無視して回転バネの曲げ剛性が算定されることを特徴とする免震装置の回転量の制御方法。
【請求項１】
建物の上部構造を支持し、上部構造を地震動から免震する免震装置と、
鋼管杭を支持点とする連続梁を構成し、鋼管杭相互を連結する扁平基礎梁と、
扁平基礎梁と接続し、免震装置を支持する免震装置支持ブロックと、載置された免震装置支持ブロックを一組の定着筋により鋼管杭の杭頭部に定着する支持ブロック定着部と、から構成されるパイルキャップと、を備え、
パイルキャップは、接合される鋼管杭との調節された固定度により地震動により発生する杭頭曲げモーメントを低減し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗し、地震時の免震装置の回転量を許容回転量以内に制御することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項２】
請求項１に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、パイルキャップの免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部とは、定着筋のみにより連結され、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度は、鋼管杭の充填コンクリート幅と、地震動により発生する杭頭曲げモーメントに抵抗する方向の一組の定着筋相互の間隔と、により調節されることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、パイルキャップは、鋼管杭を支持点とする連続梁を構成して接続される扁平基礎梁と協働し、低減された杭頭曲げモーメントに対して回転バネとして抵抗することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項４】
請求項１乃至３項のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界には離間シート又は離間フィルムが敷設され、免震装置支持ブロックが支持ブロック定着部に対して離間可能に載置されることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項５】
請求項４に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、離間シートは、鋼板であり、離間フィルムは、ポリエチレンフィルムであることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、定着筋は、免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に配設されたシース管内を貫通することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置支持ブロックは、少なくとも平面的に交差する２本の扁平基礎梁の交差部を含むことを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置支持ブロックは、扁平基礎梁のうち少なくとも鋼管杭の杭頭部の断面を覆う部分であることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、パイルキャップは、地震時において免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との間に発生するせん断力を伝達させるせん断力伝達機構を有することを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置であって、免震装置は、積層ゴム支承による免震装置であることを特徴とする回転制御バネ機構付き免震装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転制御バネ機構付き免震装置における免震装置の回転量の制御方法であって、
パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を設定するステップと、
充填コンクリート及び定着筋の仕様からパイルキャップに接合される鋼管杭の固定度を算定するステップと、
地震時に想定される杭頭曲げモーメント（Ｍ０）に対し、パイルキャップに接合される鋼管杭の固定度により低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）を算出するステップと、
扁平基礎梁を含むパイルキャップの回転バネ剛性を算出し、低減された杭頭曲げモーメント（Ｍ０）による免震装置の回転角（Θａ）を算出するステップと、
免震装置の回転角（Θａ）が許容回転量（Θｐ）を越えないように、パイルキャップの充填コンクリート及び定着筋の仕様を調節するステップと、
を備えることを特徴とする免震装置の回転量の制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の免震装置の回転量の制御方法であって、
離間シート又は離間フィルムが免震装置支持ブロックと支持ブロック定着部との充填コンクリート面の境界に敷設されることにより、コンクリートの引張応力を無視して回転バネの曲げ剛性が算定されることを特徴とする免震装置の回転量の制御方法。
【図２】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−２０７０（Ｐ２０１３−２０７０Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３１９３５（Ｐ２０１１−１３１９３５）
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【特許番号】特許第４９３４７６９号（Ｐ４９３４７６９）
【特許公報発行日】平成２４年５月１６日（２０１２．５．１６）
【出願人】（５１１３０９４９２）ＧＬプロパティーズ株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【特許番号】特許第４９３４７６９号（Ｐ４９３４７６９）
【特許公報発行日】平成２４年５月１６日（２０１２．５．１６）
【出願人】（５１１３０９４９２）ＧＬプロパティーズ株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
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