耐震合成部材およびこれを備えた建造物

【課題】十分な減衰および必要な耐力を有する耐震合成部材を提供する。
【解決手段】本発明の耐震合成部材は、鋼管１１の内部空間の横断面全体にセメントアスファルト複合体１６が充填されていることを特徴とする。この耐震合成部材は建造物の柱または梁に適用すると好適である。セメントアスファルト複合体１６は、セメント、アスファルト、および砂等の骨材を主成分とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐震合成部材およびこれを備えた建造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材とコンクリートとを合成させたいわゆる鋼−コンクリート合成部材は、橋脚，鋼管杭，鉄骨建屋など土木、建築構造物に広く用いられている。その一例として、鋼管部材の内部にコンクリートを充填する形式の合成部材がある。
たとえば、図７に示す鉄骨建造物１の主要部材である柱２および梁３に、図８（ａ）に示すように、角形鋼管２ａの内部空間にコンクリート２ｂを充填した鋼−コンクリート合成部材、または図８（ｂ）に示すように、円形鋼管１２ａの内部空間にコンクリート１２ｂを充填した鋼−コンクリート合成部材を使用する。
これらの鋼−コンクリート合成構造は、部材の剛性を高めるとともに、内部のコンクリートが外側鋼板の局部座屈を拘束するため耐力を増加させる効果はあるが、その反面、構成材料の鋼およびコンクリートは、本来減衰能が小さく、この合成部材で構成された建造物では一般に振動が大きくなってしまう。したがって、大地震時のエネルギーを吸収して応答低減を図るためには、別途制振装置を設置したり、部材に早期降伏部を形成するなどの対策が必要となって、多大の装置費または部材加工費及び修復費が必要となる。
【０００３】
一方、改良案として、制振能のある部材を用いた建物が特許文献１に提案されている。図９は、その部材断面を示したもので、角鋼管２２ａの内表面に密着させて減衰材層２２ｃを形成し、その減衰材層２２ｃの内部空間にコンクリート２２ｂを充填した構成となっている。この部材では、図１０の部材応答線図に示すように、地震などの外力を受けて部材に曲げおよび軸力が作用した際に、減衰材層２２ｃに生ずるせん断ひずみ±γによって建物の揺れを減衰させる。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３０７１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載された部材では、減衰材層２２ｃが薄層となっており体積が小さいため、減衰力が小さく大外力には対応できないうえ、部材の耐力の向上とはならず、また施工も複雑であるという問題があった。
そこで、本発明は、十分な減衰を有するとともに耐力をも備えた耐震合成部材およびこれを備えた建造物を提供することを目的とする。
また、本発明は、施工が簡便な耐震合成部材およびこれを備えた建造物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】
上記課題を解決するために、本発明の耐震合成部材およびこれを備えた建造物は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる耐震合成部材は、管状部材の内部空間の横断面全体に、又は中空部を有しつつ横断面のほぼ全体に、粘弾性材料が充填されていることを特徴とする。
【０００７】
粘弾性材料が管状部材の内部空間の横断面全体に充填されているので、大きな体積の粘弾性材料が配置されることになる。管状部材に加わった歪は大きな体積の粘弾性材料に伝達されるので、粘弾性材料全体で歪エネルギーが消費され、これにより、大きな減衰効果が発揮される。なお、粘弾性材料が完全に横断面全体に充填されている必要はなく、中空部を有していても、横断面のほぼ全体に（間詰厚が厚い状態で）充填されていれば、歪エネルギーが消費される程度の体積が確保されているので問題ない。
管状部材としては、鋼管が好適である。鋼管の断面形状は特に限定されず、例えば、円形または角形が用いられる。
【０００８】
また、本発明にかかる耐震合成部材は、前記粘弾性材料の端部に、栓部材が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
粘弾性材料の端部をそのまま粘弾性材料の表面とすると、この表面が自由表面として挙動し、管状部材の歪が粘弾性材料の管状部材近傍だけにしか伝達されず、効果的な減衰が得られない恐れがある。そこで、粘弾性材料の他端に栓部材を設けて自由表面の挙動を排することとして、管状部材の歪を粘弾性材料の全体に与えることとした。
栓部材としては、粘弾性材料よりも剛性が高い材料が好ましく、例えば所定厚さだけ打設したコンクリートが好適である。また、鋼製のダイアフラムとしてもよい。なお、管状部材の歪をより効果的に伝達するために、栓部材は管状部材の内面に固定されていることが望ましい。
【００１０】
また、本発明にかかる耐震合成部材によれば、前記栓部材は、前記粘弾性材料内に設けられた鉄筋によって固定されていることを特徴とする。
【００１１】
栓部材が粘弾性材料に設けられた鉄筋によって固定されているので、粘弾性材料は、自由な変形を許容されることなく保持される。したがって、管状部材に曲げ変形が加わった場合には、その変形が粘弾性材料に余すところなく伝えられることとなり、より効果的な減衰を得ることができる。
鉄筋は一端が栓部材に固定されており、他方の固定端としては、例えば、管状部材が固定される相手側の部材、あるいは、粘弾性材料の他端部に設けた栓部材が挙げられる。
【００１２】
また、本発明にかかる耐震合成部材によれば、前記粘弾性材料は、セメント、アスファルト、および骨材を主成分とするセメントアスファルト複合体とされていることを特徴とする。
【００１３】
粘弾性材料としてセメントアスファルト複合体を用いることとしたので、従来のコンクリートのように簡便に充填することができる。具体的には、粘弾性材料のセメントアスファルト複合体として、アスファルト乳剤とセメント、骨材及び添加材を常温で混合固化させたものが好適である。
【００１４】
また、セメントおよび合成樹脂を主成分とした粘弾性材料を用いても良い。
また、前記粘弾性材料は、アスファルト乳剤、合成樹脂および骨材のうちの少なくとも２種類以上とセメントを主原料として用いても良い。
【００１５】
また、本発明の建造物は、上記耐震合成部材を梁または柱として用いていることを特徴とする。
建造物に用いられる耐震合成部材は、梁または柱の必要な箇所に適用される。したがって、全ての梁または柱に適用される必要はない。
建造物としては、例えば、橋梁、ビル等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の耐震合成部材およびこれを備えた建造物によれば、十分な減衰および必要な耐力を発揮することができる。
また、セメントアスファルト複合体を用いることとすれば、従来のコンクリートのように打設すればよいので、簡便な施工が実現される。

【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の耐震合成部材およびこれを備えた建造物にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の耐震合成部材を適用した橋梁の断面が示されている。
橋梁（建造物）Ｂは、下方に複数の杭基礎１３，１３…が固定されたフーチング１２と、フーチング１２上に立設された橋脚１０と、橋脚１０の上部に設けられた橋桁１４と、橋桁１４の上部に設けられた床板１５とを備えている。
フーチング１２及び杭基礎１３，１３…は、地中に埋め込まれている。
【００１８】
橋脚１０は、その下部となる柱状部分１０ａが耐震合成部材Ａとされている。橋脚１０の柱状部分１０ａの外形を構成する鋼管（管状部材）１１の内部空間にはセメントアスファルト複合体（粘弾性材料）１６が充填されている。セメントアスファルト複合体１６は、内部空間の横断面全体に、かつ、フーチング１２に固定された橋脚１０の下端（固定端）から所定間隔だけ離間した高さ位置まで充填されている。セメントアスファルト複合体１６は、鋼管１１の内周面に密着した状態で充填されている。セメントアスファルト複合体１６の充填領域は、最も応力が加わる位置とすればよく、本実施形態のように橋脚１０の根元近傍が好ましい。したがって、セメントアスファルト複合体１６が充填されていない領域は空洞となっている。
【００１９】
杭基礎１３も耐震合成部材Ａとされており、その外形を構成する鋼管（管状部材）１１の内部空間にはセメントアスファルト複合体１６が鋼管１１の内周面に密着した状態で充填されている。セメントアスファルト複合体１６は、内部空間の横断面全体に、かつ、フーチング１２に対して固定された杭基礎１３の上端（固定端）から所定間隔だけ離間した下方位置まで充填されている。セメントアスファルト複合体の充填領域は、最も応力が加わる位置とされる地表面（図において上方）近傍とすればよい（例えば杭基礎１３の長さの半分程度まで）。
【００２０】
セメントアスファルト複合体１６は、セメント、アスファルト，砂などの骨材を主成分とし、各成分の配合割合によって弾性，強度，粘性を設計条件に応じて制御することができる。具体的には、セメントと砂（骨材）を増やして強度を上げ、アスファルトを増やして粘性を上げる。
セメント（結合材）としては、超速硬セメント、普通ポルトランドセメント、あるいは普通ポルトランドセメントにフライアッシュを混合した混合セメントが用いられる。アスファルトは、アスファルト乳剤として用いられ、セメントおよび骨材と混合される。
セメントアスファルト複合体１６は、鋼管１１の側壁に充填用孔部を形成し、そこから内部空間に流し込むことによって鋼管１１内に充填される。
なお、粘弾性材料としては、セメントアスファルト複合体に代えて、セメントと合成樹脂との合成材その他の粘弾性材を用いることができる。
合成樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。
【００２１】
図２には、橋脚１０及び杭基礎１３に適用される耐震合成部材Ａの横断面が示されている。図２（ａ）に示すように、角鋼管１１ａの内部空間に、その内周面と密着させて粘弾性材料であるセメントアスファルト複合体１６を横断面全体に充填している。
あるいは、図２（ｂ）に示すように、円鋼管１１ｂの内部空間に、その内周面と密着させて同じくセメントアスファルト複合体１６を横断面全体に充填している。
なお、アスファルト複合体１６は、本実施形態のように横断面全体に完全に充填されている必要はなく、歪エネルギーを消費できる程度の体積を有していればよい。例えば、その中央に中空部を有しつつ横断面のほぼ全体にアスファルト複合体１６を充填するようにしてもよい。具体的には、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、鋼管１１ａ，ｂの内部空間に、その内周面と密着させ、かつ中空状態に粘弾性材料であるアスファルト複合体１６を充填しても良い。
【００２２】
図１に示す橋梁Ｂの基本部材としての橋脚１０および杭基礎１３に、耐震合成部材Ａを使用すると、この橋梁に地震などの外力が作用した場合、橋梁が振動して橋脚１０および杭基礎１３に曲げおよび軸方向変形が生ずる。すると、図３に示すように、その変形を部材内部に充填された粘弾性材料のセメントアスファルト複合体１６によりひずみ±εが生じ、このひずみ±εによって大きな減衰効果が発揮され、橋梁の振動は抑制され、減衰する。
なお、耐震合成部材に角鋼管１１ａを使用した場合（図２参照）または円鋼管１１ｂを使用した場合（図２参照）を問わず、同様の減衰効果を発揮することができる。
【００２３】
図４には、橋脚１０の鋼管１１内にセメントアスファルト複合体１６が充填された状態の縦断面が示されている。
図４（ａ）は、単にセメントアスファルト複合体１６を鋼管１１内に下方から充填した場合を示している。これでも十分は耐力および減衰を得ることができるが、場合によっては、セメントアスファルト複合体１６の上端部（端部）１６ａが自由表面とされているため、鋼管１１が変形しても自由表面が変形してしまい鋼管１１内表面近傍のセメントアスファルト複合体１６のみが変形するだけで、十分にセメントアスファルト複合体１６全体に歪が伝達されずに所望の減衰が得られないおそれがある。この対策として、図４（ｂ）〜（ｄ）の改良が考えられる。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、セメントアスファルト複合体１６の上端部１６ａに所定厚さのコンクリート栓（栓部材）１７を打設する。コンクリート栓１７は鋼管１１の内表面に密着した状態で合成されている。コンクリート栓１７は、セメントアスファルト複合体１６よりも剛性が高いので、鋼管１１の変形によって変形させられることがない。したがって、鋼管１１の歪をセメントアスファルト複合体１６全体に確実に伝達させることができる。
【００２５】
図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）のコンクリート栓１７に代えて、鋼製のダイアフラム１８としてもよい。このダイアフラム１８の外周縁は鋼管１１の内表面に対して溶接等によって固定されている。このダイアフラム１８によれば、セメントアスファルト複合体１６の上端部１６ａの変形を抑制することができるので、鋼管１１の歪をセメントアスファルト複合体１６全体に確実に伝達させることができる。
【００２６】
図４（ｄ）に示すように、セメントアスファルト複合体１６の上端部１６ａに設けたコンクリート栓１７（図４（ｂ）参照）と、鋼管１１の固定部２０との間に鉄筋１９，１９…を設けても良い。鉄筋１９は、セメントアスファルト複合体１６の長手方向に延在している。このように鉄筋１９を配筋することによって、コンクリート栓１７と固定部２０との間でセメントアスファルト複合体１６がより拘束されることになるので、鋼管１１の歪をセメントアスファルト複合体１６全体に確実に伝達させることができる。
【００２７】
なお、図１に示した橋梁Ｂの場合に限らず、他の建造物にも本発明の耐震合成部材Ａは適用可能である。
例えば、図５に示すように、上部構造物としては図１の橋梁Ｂに限られず、ビル等の上部構造物５０としても良い。この場合、杭基礎１３だけでなく、上部構造物５０の梁や柱にも耐震合成部材Ａが適用される。セメントアスファルト複合体１６の充填領域は、杭基礎１３の場合、最も応力が加わる位置とされる地表面（図において上方）近傍とすればよい（例えば杭基礎１３の長さの半分まで）。
【００２８】
また、図６に示すように、基礎３４上に建設された鉄骨建造物３０に耐震合成部材Ａを適用しても良い。この場合、鉄骨建造物３０の基本部材としての柱３２および梁３３が耐震合成部材Ａで構成されている。セメントアスファルト複合体１６の充填領域は、柱３２の場合、根元部分や梁３３との接続部分とすればよい。梁３３の場合では、最も曲げ変形が加わる中央部分にセメントアスファルト複合体１６を充填するとよい。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、橋脚１０や杭基礎１３、あるいは鉄骨建造物の基本部材としての柱および梁に対して、鋼管１１の横断面全体に粘弾性材料であるセメントアスファルト複合体１６を充填した耐震合成部材Ａを使用することとしたので、地震などの外力が作用した場合、特許文献１に示されたような従来例に比べて大きな体積のセメントアスファルト複合体１６全体にひずみを生じさせることができ、大きな減衰効果を発揮することができる。これにより、鉄骨建造物の振動をより効果的に減衰することができ、大外力に対応することができる。
また、充填したセメントアスファルト複合体１６の弾性と強度によって鋼管１１の局部座屈が拘束でき、部材の耐力が向上するので、修復費をほとんど必要とせず、あるいは修復費を大きく減少させることができる。
【００３０】
なお、上記実施形態において説明した耐震合成部材Ａは、既設の建造物に対しても適用することができる。
具体的には、既設の橋脚等の鋼管の側壁に充填用孔部を形成し、そこからセメントアスファルト複合体を内部空間に流し込むことによって耐震用合成部材を構成してもよい。既設の橋脚等の鋼管の内部にコンクリートが打設されている場合には、ウォータジェット等でコンクリートを除去した後に、セメントアスファルト複合体を充填すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の耐震合成部材を橋梁に適用した実施形態を示した断面図である。
【図２】耐震合成部材の横断面を示した断面図である。
【図３】本発明の耐震合成部材の減衰効果を説明するための耐震合成部材の縦断面図である。
【図４】セメントアスファルト複合体の充填形式を示した縦断面図である。
【図５】本発明の耐震合成部材の上部構造物への適用を示した断面図である。
【図６】本発明の耐震合成部材の鉄骨建造物への適用を示した断面図である。
【図７】従来の鉄骨建造物を示した断面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ及びＢ−Ｂにおける断面図である。
【図９】従来の耐震合成部材を示した横断面図である。
【図１０】図９の耐震合成部材の減衰効果を説明するための縦断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
Ａ耐震合成部材
Ｂ橋梁（建造物）
１０橋脚
１１鋼管（管状部材）
１６コンクリートアスファルト（粘弾性材料）
１７コンクリート栓（栓部材）
１８ダイアフラム（栓部材）
１９鉄筋

【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状部材の内部空間の横断面全体に、又は中空部を有しつつ横断面のほぼ全体に、粘弾性材料が充填されていることを特徴とする耐震合成部材。
【請求項２】
前記粘弾性材料の端部には、栓部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の耐震合成部材。
【請求項３】
前記栓部材は、前記粘弾性材料内に設けられた鉄筋によって固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の耐震合成部材。
【請求項４】
前記粘弾性材料は、セメント、アスファルト、および骨材を主成分とするセメントアスファルト複合体とされていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の耐震合成部材。
【請求項５】
前記粘弾性材料は、セメントおよび合成樹脂を主成分としていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の耐震合成部材。
【請求項６】
前記粘弾性材料は、アスファルト乳剤、合成樹脂および骨材のうちの少なくとも２種類以上とセメントを主原料として用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の耐震合性部材。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の耐震合成部材が、梁または柱とされていることを特徴とする建造物。

【図１】