(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を支持するため地盤中に構築された基礎杭の頭部と、前記構造物の下部とが、上下方向に相対移動可能に縁切りされ、前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、前記基礎杭と前記構造物とが上下方向に互いに離間して元に戻るときの衝撃を吸収する衝撃吸収材が介装されている基礎構造において、
前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、これらが上下方向に互いに接近する方向の復元力を発生させる上下方向に伸縮可能な復元部材が介装されていることを特徴とする基礎構造。
【請求項２】
構造物を支持するため地盤中に構築された基礎杭の頭部と、前記構造物の下部とが、上下方向に相対移動可能に縁切りされ、前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、前記基礎杭と前記構造物とが上下方向に互いに離間して元に戻るときの衝撃を吸収する衝撃吸収材が介装されている基礎構造において、
前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部のいずれか一方にはピンが設けられ、他方には前記ピンよりも所定寸法大径のピン孔が形成されていることを特徴とする基礎構造。
【請求項３】
請求項１または２記載の基礎構造において、前記基礎杭の頭部が、その径が漸次小さくなるテーパ形状とされていることを特徴とする基礎構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばビル等の構造物の基礎として用いて好適な基礎構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、ビル等の構造物の基礎として基礎杭を用いる場合、この基礎杭の頭部は、構造物の下部に一体に固定されているのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来一般的な、基礎杭の頭部と構造物の下部とが固定された基礎構造では、地震が発生した場合には、地盤の震動が構造物と杭とにそのまま入力される。
特に、強大な地震が発生したときには、このような場合においても杭は上下方向にも抵抗力を発揮するので、その過大な地震力が構造物にそのまま入力されてしまい、その結果、構造物には水平方向の大きな慣性力が発生し、構造物自体に被害が発生することもある。さらに、構造物で発生した大きな水平慣性力により、基礎には構造物の大きな転倒モーメントが作用し、基礎の一部には引抜力が発生して被害が及ぶこともありうる。このため、現状の基礎においては、このような引抜力が作用した場合にも基礎が浮き上がらないように対策を講じて設計されることが多く、これによるコストアップを招いている。
【０００４】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、基礎および構造物に入力される地震力を低減して被害の発生を抑えることができ、しかも経済的な基礎構造を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、構造物を支持するため地盤中に構築された基礎杭の頭部と、前記構造物の下部とが、上下方向に相対移動可能に縁切りされ、前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、前記基礎杭と前記構造物とが上下方向に互いに離間して元に戻るときの衝撃を吸収する衝撃吸収材が介装されている基礎構造において、前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、これらが上下方向に互いに接近する方向の復元力を発生させる上下方向に伸縮可能な復元部材が介装されていることを特徴としている。
【０００６】
請求項２に係る発明は、構造物を支持するため地盤中に構築された基礎杭の頭部と、前記構造物の下部とが、上下方向に相対移動可能に縁切りされ、前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、前記基礎杭と前記構造物とが上下方向に互いに離間して元に戻るときの衝撃を吸収する衝撃吸収材が介装されている基礎構造において、前記基礎杭の頭部と前記構造物の下部のいずれか一方にはピンが設けられ、他方には前記ピンよりも所定寸法大径のピン孔が形成されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の基礎構造において、前記基礎杭の頭部が、その径が漸次小さくなるテーパ形状とされていることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基礎構造の第一ないし第三の実施の形態について、図１ないし図６を参照して説明する。
【００１０】
［第一の実施の形態］
まず、ここでは、例えば基礎杭の頭部に復元部材を設ける場合の例を用いて説明する。
【００１１】
図１に示すように、建物（構造物）１は、その基礎として地盤Ｇ中に構築された所定本数の基礎杭２，２，…によって支持されている。
【００１２】
図２に示すように、各基礎杭２の頭部は、その所定長が、建物１の下部に形成されて基礎杭２と同一断面形状を有した凹部３に収められている。これら基礎杭２の頭部と凹部３とは一体化されずに縁切りされて、上下方向に相対移動可能となっている。
【００１３】
そして、基礎杭２の頭部と凹部３との間には、例えばゴムアスファルトからなる衝撃吸収材５が介装されている。
【００１４】
さらに、凹部３の中心部には、上方に向けて所定長の孔６が形成されている。そして、この孔６内には、上端部７ａが建物１の基礎部に一体に固定され、下端部７ｂが基礎杭２の頭部に一体に固定された、上下方向に伸縮可能なバネ等の復元部材７が設けられている。
【００１５】
このような基礎構造を有した建物１では、図１（ａ）に示したように、通常の地震発生時には、従来と同様、建物１のみ（特に上部）が水平方向に変位し、その重心Ｚの位置は水平方向に移動する。このとき、基礎杭２の頭部は所定長が凹部３内に挿入されているので、建物１が水平方向にずれることはない。
【００１６】
そして、図１（ｂ）に示したように、強大な地震が発生して、建物１が上方に跳ね上がったり、ロッキング振動が発生して建物１の片側が浮き上がったりした場合には、重心Ｚの位置は上方に変位する。このときには、図２に示したように、建物１の下部と各基礎杭２の頭部とが縁切りされているので、建物１の下部の凹部３が、基礎杭２の頭部から持ち上がって離間する。これによって基礎杭２には、これを引き抜く方向の力が作用せず、また建物１側にもその反力が作用しないようになっている。そして、基礎杭２の頭部から浮き上がった建物１は、その自重だけでなく、復元部材７の復元力によって下方に引き戻され、元の位置に戻ろうとする。建物１が元の位置に戻るときには、凹部３と基礎杭２の頭部とがぶつかり合うこととなるが、このときには、これらの間に衝撃吸収材５が介装されているので、これによって凹部３と基礎杭２の頭部との衝撃をやわらげるようになっている。
【００１７】
上述した基礎構造では、強大な地震が発生した場合には、建物１を、より積極的に基礎杭２の頭部から持ち上げて離間させ、上方に跳ね上げたりロッキング振動を生じさせることができるので、建物１や基礎杭２に作用する水平力をそれ以上増大させずに頭打ちにすることができる。そして基礎杭３には、これを引き抜く方向の力も作用せず、また建物１側にもその反力が作用しないようにして、入力される地震力を従来よりも大幅に低減することができる。したがって、強大な地震時においても、建物１や基礎杭２が損壊等の被害を受けるのを防止することができる。しかも、従来のように、引抜力が作用した場合に基礎が浮き上がらないよう対策を講じて設計する必要もなく、基礎杭２をより経済的に設計することが可能となる。
【００１８】
また、基礎杭２の頭部から浮き上がった建物１が元の位置に戻ろうとしたときには、衝撃吸収材５によって、建物１と基礎杭２とがぶつかり合うときの衝撃をやわらげることができ、これによっても建物１や基礎杭２の被害を抑えることができる。
【００１９】
さらに、基礎杭２の頭部と建物１の凹部３との間には復元部材７が介装されているので、建物１が基礎杭２の頭部から浮き上がったときにこれを元の位置に戻す方向の復元力を発揮することができ、建物１の転倒をより効果的に防止することができる。
【００２０】
なお、上記第一の実施の形態において、基礎杭２一本あたりに形成する凹部３の数や復元部材７の本数、また復元部材７の建物１や基礎杭２への固定構造等については、上記のものに限らず、適宜他の構成を採用しても良い。
【００２１】
［第二の実施の形態］
次に、例えば、基礎杭の頭部をテーパ形状とする場合の例を用いて説明する。以下に説明する第二の実施の形態において、前記第一の実施の形態と共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。また、この第二の実施の形態に、上記第一の実施の形態における復元部材７、および後述する第三の実施の形態におけるピン２４及びピン孔２５等を組み合わせて採用した構造とすることも可能である。
【００２２】
図３に示すように、建物１１はその下部に凹部１２が形成されており、基礎杭１３はその頭部の所定長が凹部１２内に収められ、かつ基礎杭１３の頭部と凹部１２とは互いに縁切りされている。さらに、これら基礎杭１３の頭部と凹部１２との間には衝撃吸収材５が介装された構成となっている。
【００２３】
そして、基礎杭１３の頭部１３ａは、上端面１３ｂが平面で、下方に行くにしたがいその外径が漸次大きくなるテーパ形状とされている。また、凹部１２の内面も、基礎杭１３の頭部１３ａに対応し、かつ基礎杭１３よりも所定寸法大径のテーパ形状となっている。
【００２４】
このような基礎構造を有した建物１１では、前記第一の実施の形態における建物１の基礎構造と同様、強大な地震が発生して、建物１１が上方に跳ね上がったり、ロッキング振動が発生して建物１１の片側が浮き上がったりした場合には、建物１１の下部と各基礎杭１３とが縁切りされているので、建物１１が基礎杭１３から持ち上がって離間する。これによって、基礎杭１３や建物１１に作用する水平力の増大を抑えるようになっており、また基礎杭１３には、これを引き抜く方向の力が作用せず、また建物１１側にもその反力が作用しないようになっている。そして、基礎杭１３から浮き上がった建物１１は、その自重によって元の位置に戻ろうとするが、このときには、基礎杭１３の頭部１３ａがテーパ形状となっているので、凹部１２が容易かつ確実に基礎杭１３の頭部１３ａにはまり込み、建物１１が水平方向にずれることなく確実に元の位置に戻るようになっている。さらに、凹部１２が基礎杭１３の頭部１３ａにはまり込むときには、凹部１２と基礎杭１３の頭部１３ａとの間には衝撃吸収材５が介装されているので、凹部１２と基礎杭１３とがぶつかるときの衝撃をやわらげるようになっている。
【００２５】
上述した基礎構造によれば、前記第一の実施の形態と同様、強大な地震時においても、建物１１と基礎杭１３に作用する水平力の増大を抑えるとともに、また基礎杭１３から浮き上がった建物１１が元の位置に戻ろうとしたときの衝撃をやわらげることができるので、建物１１や基礎杭１３が損壊等の被害を受けるのを防止することが可能となる。また、引抜力によって基礎が浮き上がらないように設計する必要もないので、基礎杭１３をより経済的に設計することが可能となる。
【００２６】
さらに、基礎杭１３の頭部１３ａがテーパ形状となっているので、建物１１を確実に元の位置に戻すことができる。
【００２７】
［第三の実施の形態］
次に、例えば、基礎杭の頭部に凹部を形成し、建物側にピンを設ける場合の例を用いて説明する。以下に説明する第三の実施の形態においては、前記第一および第二の実施の形態と共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
図４に示すように、建物２１はその下部に凹部２２が形成されており、基礎杭２３はその頭部の所定長が凹部２２内に収められ、かつ基礎杭２３の頭部と凹部２２とは互いに縁切りされている。
【００２９】
そして、凹部２２には、その基端部２４ａが建物２１に埋設されて一体に固定された例えば鋼管等からなるピン２４が下方に向けて所定長突出するよう設けられている。一方、基礎杭２３の頭部には、ピン２４に対応して、所定深さでかつピン２４よりも所定寸法大径のピン孔２５が形成されている。
【００３０】
さらに、これら基礎杭２３の頭部全体と、凹部２２およびピン２４との間には衝撃吸収材５が介装された構成となっている。
【００３１】
このような基礎構造を有した建物２１では、前記第一および第二の実施の形態における建物１，１１の基礎構造と同様、強大な地震が発生して、建物２１が上方に跳ね上がったり、ロッキング振動が発生して建物２１の片側が浮き上がったりした場合には、建物２１が基礎杭２３の頭部から持ち上がって離間する。これによって、建物２１および基礎杭２３に作用する水平力の増大を頭打ちにすることができ、また基礎杭２３には、これを引き抜く方向の力が作用せず、また建物２１側にもその反力が作用しないようになっている。そして、基礎杭２３の頭部から浮き上がった建物２１は、その自重によって元の位置に戻ろうとするが、このときには、凹部２２にはピン２４が形成され、基礎杭２３の頭部にはピン孔２５が形成されているので、ピン２４がピン孔２５にはまり込むことによって、建物２１が水平方向にずれることなく確実に元の位置に戻るようになっている。さらに、凹部２２が基礎杭２３の頭部にはまり込むときには、衝撃吸収材５によってその衝撃をやわらげるようになっている。
【００３２】
上述した基礎構造によれば、前記第一および第二の実施の形態と同様、強大な地震時においても、建物２１と基礎杭２３に作用する水平力の増大を抑えるとともに、また基礎杭２３の頭部から浮き上がった建物２１が元の位置に戻ろうとしたときの衝撃をやわらげることができるので、建物２１や基礎杭２３が損壊等の被害を受けるのを防止することが可能となる。また、引抜力によって基礎が浮き上がらないように設計する必要もないので、基礎杭２３をより経済的に設計することが可能となる。
【００３３】
さらに、建物２１の凹部２２にはピン２４が形成され、基礎杭２３の頭部にはピン孔２５が形成されているので、これらがはまり合うことによって、建物２１を確実に元の位置に戻すことができる。
【００３４】
なお、上記第三の実施の形態において、ピン２４を建物２１の凹部２２に形成し、基礎杭２３にピン孔２５を形成する構成としたが、これを例えば図５に示すように、基礎杭２３側にピン２４’を設け、建物２１の凹部２２にピン孔２５’を形成する構成としても良い。
【００３５】
ところで、上記第一ないし第三の実施の形態で示したような基礎構造において、建物１，１１，２１と基礎杭２，１３，２３とを縁切りし、建物１，１１，２１の浮き上がりを許容する構造とすると、▲１▼過大入力時に建物１，１１，２１が転倒する可能性があるのではないか、▲２▼３次元的な地震入力に対して問題は無いのか、という心配が生まれるが、これらの点について以下に検討してみる。
【００３６】
まず、▲１▼過大入力時の建物１，１１，２１の転倒の可能性であるが、大地震時の総入力エネルギーは、建物１，１１，２１の重力による位置エネルギーの形に変換されて蓄えられると考えられている。
図６に示すように、建物１，１１，２１が傾くと、重心Ｚの位置は上昇する。重心Ｚの上昇寸法を△Ｈ、建物１，１１，２１の重量をＷ、重力加速度をｇとすると、建物１，１１，２１の位置エネルギーＥｐは、
Ｅｐ＝Ｗ・ｇ・△Ｈ
となる。
ここで、地震時に建物１，１１，２１に入力されるエネルギーＥｉを、
Ｅｉ＝１／２・Ｗ・Ｖｅ2
とする（Ｖｅは等価速度）。
地震時に建物１，１１，２１に入力されるエネルギーＥｉが全て位置エネルギーＥｐに変換されたとすると、
Ｅｉ＝Ｅｐ
となるので、
１／２・Ｗ・Ｖｅ2＝Ｗ・ｇ・△Ｈ
という関係が成立し、この関係から、
△Ｈ＝Ｖｅ2／（２ｇ）
となる。
Ｖｅは、大地震時においても１００〜２００（ｃｍ／ｓ）程度であるから、
△Ｈ＝約５．１〜２０．４（ｃｍ）  ……（イ）
となる。
【００３７】
建物１，１１，２１が転倒に至る可能性が高まるのは、重心Ｚの位置が、建物１，１１，２１が傾いたときの支持点の鉛直上方位置よりも、建物１，１１，２１の外側に変位したときである。重心がこの位置に至ったときの△Ｈは、建物１，１１，２１の幅をＢ、高さをＨとすると、
△Ｈ＝｛（Ｂ／２）2＋（Ｈ／２）2｝0.5−Ｈ／２
であるから、ここで、Ｂ＝１０（ｍ）、Ｈ＝３０（ｍ）とすると、
△Ｈ＝約８１．１（ｃｍ）  ……（ロ）
となる。
【００３８】
上記（イ）と（ロ）の結果から明らかなように、前記（イ）の数値は常に（ロ）の数値よりも下回ることとなり、したがって、大地震時においても建物１，１１，２１は、転倒に至ることがないことがわかる。
しかも実際には、建物１，１１，２１の一端が浮き上がるまでには、建物１，１１，２１の歪みエネルギーとして蓄えられるエネルギーと、建物１，１１，２１や基礎杭２，１３，２３の各部で消費されるエネルギー等があるため、建物１，１１，２１の位置エネルギーに変換される分は、上記で検討したものよりもさらに小さい。したがって、建物１，１１，２１が転倒する可能性は、圧縮側の柱や基礎杭２，１３，２３の強度が確保されている限り、ゼロに限りなく近いと言える。
【００３９】
また、▲２▼の３次元的な地震入力に対しては、特に水平２方向の入力に対して、建物１，１１，２１が基礎杭２，１３，２３の頭部から浮き上がった場合にも、せん断力を杭頭で伝えられるような構造を採用すれば何ら問題は生じない。上記第一ないし第三の実施の形態においては、凹部３，１２，２２から基礎杭２，１３，２３が完全に抜けない限り、水平２方向の入力に対してはせん断力を杭頭で伝えることができる。
【００４０】
なお、上記第一ないし第三の実施の形態において、第一の実施の形態における復元部材７、第二の実施の形態における基礎杭１３のテーパ形状、第三の実施の形態におけるピン２４及びピン孔２５等を、適宜組み合わせて採用した構造とすることも可能である。
【００４１】
また、衝撃吸収材５については、建物１，１１，２１と基礎杭２，１３，２３との衝撃を吸収することができるのであれば、その材質を上記のものに何ら問うものではなく、適宜最適なものを採用すればよい。
【００４２】
さらに、基礎杭２，１３，２３の材質や構造、断面形状等については何ら問うものではない。加えて、建物１，１１，２１の構造や形態についても何ら問うものではなく、例えば塔状の構造物等、他の構造物にも同様に適用することが可能である。
これ以外にも、本願発明の主旨を逸脱しない範囲内であれば他の構成を適宜採用することが可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る基礎構造によれば、基礎杭の頭部と構造物の下部とが、上下方向に相対移動可能に縁切りされ、これらの間には衝撃吸収材が介装されており、基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、これらが上下方向に互いに接近する方向の復元力を発生させる上下方向に伸縮可能な復元部材が介装されている構成となっている。これにより、強大な地震が発生した場合には、構造物の下部が、基礎杭の頭部から持ち上がって離間し、構造物が上方に跳ね上がったりロッキング振動を生じ、構造物や杭に作用する水平力がそれ以上増大しないようにすることができる。そして基礎杭には、これを引き抜く方向の力も作用せず、また構造物側にもその反力が作用しないようにして、入力される地震力を従来よりも大幅に低減することができる。したがって、強大な地震時においても、構造物や基礎杭が損壊等の被害を受けるのを防止することができる。しかも、従来のように、引抜力が作用した場合に基礎が浮き上がらないよう対策を講じて設計する必要もなく、基礎をより経済的に設計することが可能となる。また、衝撃吸収材によって、基礎杭の頭部から浮き上がった構造物等が、自重や復元部材等による復元力等によって、元の位置に戻ろうとしたときには、構造物の下部と基礎杭の頭部とがぶつかり合うときの衝撃をやわらげることができ、これによっても基礎杭や構造物の被害を抑えることができる。
【００４４】
また、基礎杭の頭部と前記構造物の下部との間には、これらが上下方向に互いに接近する方向の復元力を発生させる上下方向に伸縮可能な復元部材が介装されている構成となっていることにより、構造物が、基礎杭の頭部から持ち上がって離間したときに、構造物の自重だけでなく、復元部材によってこれを元の位置に戻す方向の復元力を発揮することができる。したがって、構造物が上方に跳ね上がったりロッキング振動を生じたときに、構造物をより効果的に元の位置に戻すことができる。
【００４５】
請求項２に係る基礎構造によれば、基礎杭の頭部と構造物の下部とが、上下方向に相対移動可能に縁切りされ、これらの間には衝撃吸収材が介装されており、基礎杭の頭部と構造物の下部のいずれか一方にはピンが設けられ、他方にはピンよりも所定寸法大径のピン孔が形成された構成となっている。また、請求項３に係る基礎構造によれば、基礎杭の頭部が、その径が漸次小さくなるテーパ形状とされた構成となっている。これにより、基礎杭の頭部から浮き上がった構造物が元の位置に戻るときに、この構造物を確実に元の位置に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る基礎構造を適用した構造物の一例を示す図であって、前記構造物が地震により変位した状態を示す立面図である。
【図２】  前記基礎構造の第一の実施の形態を示す立断面図である。
【図３】  同基礎構造の第二の実施の形態を示す立断面図である。
【図４】  同基礎構造の第三の実施の形態を示す立断面図である。
【図５】  同基礎構造の第三の実施の形態の他の例を示す立断面図である。
【図６】  前記構造物が変位したときのエネルギー変位を検討するためのモデル図である。
【符号の説明】
１，１１，２１  建物（構造物）
２，１３，２３  基礎杭
５  衝撃吸収材
７  復元部材
２４，２４’  ピン
２５，２５’  ピン孔
【図１】
0003677702.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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