(57)【要約】【課題】中空鋼製柱の耐震補強構造1に関する。【解決手段】耐震補強構造１は、基礎面５に設置された中空鋼製柱３と、柱基部２に取り付けられた第１ダイヤフラム１１と、中空鋼製柱３の内部に、充填された第１コンクリート層２１と、第１コンクリート層２１の上面に施工された第１中間弱層３１と、第１中間弱層３１の上面から第１ダイヤフラム１１の下面まで充填された第２コンクリート層２３と、を有し、第１中間弱層３１の圧縮強度は、充填されたコンクリート層２１、２３より小さいことを特徴とする。よって、耐震補強構造１は、中空鋼製柱３の耐震設計値を超える地震を受けた場合、中空鋼製柱３の最大水平復元力の９０〜１００％の水平復元力を維持することで水平変位δを小さくして、地震エネルギーを塑性変形として吸収する変形機能を有する。この結果、中空鋼製柱３の倒壊および基礎構造７の損傷を防止することができる。【選択図】  図３
2019094663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎面に設置された中空鋼製柱と、
柱基部に取り付けられた第１ダイヤフラムと、
前記中空鋼製柱の内部に、充填された第１コンクリート層と、
前記第１コンクリート層の上面に施工された第１中間弱層と、
前記第１中間弱層の上面から前記第１ダイヤフラムの下面まで充填された第２コンクリート層と、を有し、
前記第１中間弱層の圧縮強度は、前記充填されたコンクリート層より小さいことを特徴とする中空鋼製柱の耐震補強構造。
【請求項２】
基礎面に設置された中空鋼製柱と、
前記中空鋼製柱の上部に取り付けられた天板と、
前記中空鋼製柱の内部に、充填された第１コンクリート層と、
前記第１コンクリート層の上面に施工された第１中間弱層と、
前記第１中間弱層の上面から天板の下面まで充填された第２コンクリート層と、を有し、
前記第１中間弱層の圧縮強度は、前記充填されたコンクリート層より小さいことを特徴とする中空鋼製柱の耐震補強構造。
【請求項３】
基礎面に設置された中空鋼製柱と、柱基部に取り付けられた第１ダイヤフラムと、前記中空鋼製柱の内部に、充填された第１コンクリート層と、前記第１コンクリート層の上面に施工された第１中間弱層と、前記第１中間弱層の上面から前記第１ダイヤフラムの下面まで充填された第２コンクリート層と、を有し、
前記中空鋼製柱は、板厚さが変化し、
ｎ個のダイヤフラムを有し、
前記各ダイヤフラムの中間部に中間弱層を有し、
前記第２コンクリート層は、繰り返し単位として、
前記第１ダイヤフラムを含み、第２中間弱層の下面まで充填され、
前記繰り返し単位にて、第ｎ＋１コンクリート層まで充填され、
前記第ｎ＋１コンクリート層は、第ｎダイヤフラムの下面まで充填され、
前記第１中間弱層から前記第ｎ中間弱層の圧縮強度は、前記充填されたコンクリート層より小さいことを特徴とする中空鋼製柱の耐震補強構造。
【請求項４】
前記中間弱層の圧縮強度は、前記充填されたコンクリート層の１〜８％であることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載する中空鋼製柱の耐震補強構造。
【請求項５】
前記第１中間弱層の中心線の基礎面からの高さＨｃ（ｍｍ）は、以下の式１または式２で計算し、前記第１中間弱層３１の厚みＴｃ（ｍｍ）は、以下の式３または式４で計算することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載する中空鋼製柱の耐震補強構造。
前記中空鋼製柱の断面形状が円形断面の場合は、式１で計算する。
【数１】
2019094663.tif 000005
ここに、Ｄ：柱基部２の外径、 Ｔｓ：柱基部２の鋼管板厚（ｍｍ）。
前記中空鋼製柱の断面形状が四角形（矩形）の場合は、式２で計算する。
Ｈｃ＝Ｈｄ/２．５〜Ｈｄ/２                        （２）
ここに、Ｈｄ：基礎面５から第１ダイヤフラム１１の下面までの高さ（ｍｍ）。
前記中空鋼製柱の断面形状が円形断面の場合は、式３で計算する。
Ｔｃ＝Ｄ/１００〜Ｄ/２０                          （３）
ここに、Ｄ：柱基部２の外径（ｍｍ）。
前記中空鋼製柱の断面形状が四角形（矩形）の場合は、式４で計算する。
Ｔｃ＝（Ｌｘ＋Ｌｙ）/２００〜（Ｌｘ＋Ｌｙ）/４０  （４）
ここに、Ｌｘ：四角形（矩形）の１辺の長さ（ｍｍ）、Ｌｘ：四角形（矩形）の他の１辺の長さ（ｍｍ）。
【請求項６】
前記中空鋼製柱の耐震設計値を超える地震を受けた場合、
前記中空鋼製柱の最大水平復元力Ｓ１の９０〜１００％の水平復元力で塑性変形をして地震エネルギーを吸収することを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載する中空鋼製柱の耐震補強構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空鋼製柱の耐震補強構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
土木構造物における橋梁等を支える橋脚などの柱として、中空の鋼製柱（以下、中空鋼製柱と記す）が用いられている。中空鋼製柱は、地震を受けると水平方向に大きな揺れが生じる。この水平方向の揺れに対する中空鋼製柱の水平復元力の最大値が地震作用に対する柱の強度の設計値として重要である。なお、柱の水平復元力とは地震作用に対して変位した柱が元に戻ろうとする力である。地震作用に対する柱に必要な水平復元力の最大値の設計値は耐震設計基準をもとに定められる（従来の基準）。柱が倒壊状態になければ水平復元力と地震力とはつり合っている。
【０００３】
ここで、想定（従来の基準）を超える極大地震が発生し、中空鋼製柱が設計値の水平復元力（最大水平復元力）を越える揺れを受けた場合、中空鋼製柱は最大水平復元力点到達後に、柱基部に顕著な局部座屈変形が生じ水平復元力が急激に低下する。よって、中空鋼製柱の最大水平復元力を超えた場合、局部座屈変形により水平復元力が急激に低下するので中空鋼製柱の変形性能は小さい。変形性能が小さいと柱は地震エネルギーを十分に吸収できないので倒壊に対する抵抗性が小さくなる。
【０００４】
このため、既設の中空鋼製柱が十分な変形性能を確保できない場合、設計地震動の強さを引き上げた新しい設計基準を既設の中空鋼製柱（橋脚等）が満足せず、引き上げられた設計地震動が作用した場合に倒壊してしまう危険性がある。このため、従来の基準を超える極大地震を想定した新たな基準に対して、耐震性能上に問題があると判断された既設の中空鋼製柱に対し何らかの耐震補強が実施される必要がある。
【０００５】
このような耐震補強における代表的な方法として、中空鋼製柱の中空の内部（柱基部含む）にコンクリートを充填する工法が挙げられる。鋼製柱にコンクリートが充填された鋼柱は、局部座屈変形が防止され水平復元力が急激に低下しないので変形性能が向上し耐震性は向上する。しかし、同時に最大水平復元力も上昇する。
【０００６】
しかし、コンクリートを充填された鋼柱の最大水平復元力が上昇すると、充填された鋼柱を支持する地中の基礎構造に作用する地震力も従来の設計で想定した値より増大する。その結果、増大した地震力が基礎構造に作用するので、従来の基準で設計された基礎構造が損傷する可能性がある。基礎構造が損傷すると、橋脚全体が倒壊する恐れもある。
【０００７】
ここで地中の基礎構造は、耐震補強を行うこと、または地震により損傷を受けた場合の補修は困難である。よって、コンクリート充填による柱の補強方法は、もとの基礎構造の強度が補強された柱の最大水平復元力より高い場合にしか適用されていないのが現状である。
【０００８】
特許文献１には、充填材料としてコンクリートの代わりに硬質発泡ポリウレタンを使うことが記載されている。この方法は充填材料の重量を軽くすることが主たる目的である。ここで、硬質発泡ウレタンは軽く、強度がコンクリートに強度の１０％程度と小さいので、最大水平復元力の増加も小さく基礎構造の損傷も回避できる可能性がある。しかし、局部座屈変形の発生は防げず、この結果中空鋼製柱の変形性能が増加する割合が小さいので耐震性能の向上効果は小さい。更に、耐火性、耐久性、コスト等に課題があり、施工・工事での使用実績は殆どない。
【０００９】
よって、中空鋼製柱に充填する材料はコンクリートであって、柱基部の顕著な局部座屈変形による中空鋼製柱の変形性能の低下を防止するとともに、柱の最大水平復元力の上昇を抑制して基礎構造の損傷を回避できる耐震補強構造が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−９７６０９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Timoshenko, S.P. and Gere, J. M. : Theory of Elastic Stability, McGraw-Hill, 1961.
【非特許文献２】長柱研究委員会編: 弾性安定要覧, コロナ社, 1969年8月
【非特許文献３】中村秀治: 鋼製円筒橋脚の動的弾塑性座屈解析, 土木学会論文集, No. 549/I-39, pp, 205-219, 1996.
【非特許文献４】石澤俊希，井浦 雅司：円形断面鋼製橋脚の簡易解析モデルに関する研究，構造工学論文集，Vol. 50A, pp. 477-486, 2004.3.
【非特許文献５】石澤俊希，井浦 雅司：鋼製箱形橋脚の簡易解析モデルに関する研究，土木学科論文集A, Vol.62, No.2, pp.288-299, 2006.
【非特許文献６】後藤芳顯, Ghosh Prosenjit Kumar, 川西直樹：充填コンクリートとの相互作用を考慮した円形断面鋼製橋脚の繰り返し挙動のFEM解析，土木学会論文集A，Vol.65, No.2, pp.487-504, 2009.
【非特許文献７】Goto, Y., Ghosh, P. K. and Kawanishi, N. : Nonlinear finite element analysis for hysteretic behavior of thin-walled circular steel columns with in-filled concrete, J. Struct. Engrg., ASCE, Vol.136, No.11, pp.1413-1422, 2010.
【非特許文献８】後藤芳顯，水野貢介，G. P. Kumar，藤井雄介：充填コンクリートとの相互作用を考慮した矩形断面鋼製橋脚の繰り返し挙動のFEM解析，土木学会論文集A，Vol.66，No.4，pp.816-835, 2010.
【非特許文献９】Goto, Y., Mizuno, K. and Kumar, G. P. : Nonlinear finite element analysis for cyclic behavior of thin-walled stiffened rectangular steel columns with in-filled concrete, J. Struct. Engrg., ASCE,, Vol.138, No.5, pp.571-584, 2012.
【非特許文献１０】後藤芳顯，関一優，海老澤健正，呂西林：地震動下のコンクリート充填円形断面鋼製橋脚における局部座屈変形の進展抑制機構と耐震性向上，土木学会論文集A1(構造・地震工学)，Vol.69, No.1, pp. 101-120,  2013.
【非特許文献１１】Goto, Y., Ebisawa, T. , Lu, X. : Local buckling restraining behavior of thin-walled circular CFT columns under seismic loads, J. Struct. Engrg., ASCE, 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000904, 04013105-1-14, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は上記のような従来の中空鋼製柱の耐震補強構造に関する問題を解決するのもので、柱内部の充填材料に主としてコンクリートを使用し、柱基部に局部座屈変形による変形性能の低下を防ぐことで柱の倒壊などを防止するとともに、柱の最大水平復元力の上昇を抑制して基礎構造の損傷を回避する中空鋼製柱の耐震補強構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
［１］基礎面に設置された中空鋼製柱と、柱基部に取り付けられた第１ダイヤフラムと、中空鋼製柱の内部に、充填された第１コンクリート層と、第１コンクリート層の上面に施工された第１中間弱層と、第１中間弱層の上面から第１ダイヤフラムの下面まで充填された第２コンクリート層と、を有し、第１中間弱層の圧縮強度は、充填されたコンクリート層より小さいことを特徴とする中空鋼製柱の耐震補強構造。
［２］基礎面に設置された中空鋼製柱と、中空鋼製柱の上部に取り付けられた天板と、中空鋼製柱の内部に、充填された第１コンクリート層と、第１コンクリート層の上面に施工された第１中間弱層と、第１中間弱層の上面から天板の下面まで充填された第２コンクリート層と、を有し、第１中間弱層の圧縮強度は、充填されたコンクリート層より小さいことを特徴とする中空鋼製柱の耐震補強構造。
［３］基礎面に設置された中空鋼製柱と、柱基部に取り付けられた第１ダイヤフラムと、
中空鋼製柱の内部に、充填された第１コンクリート層と、第１コンクリート層の上面に施工された第１中間弱層と、第１中間弱層の上面から第１ダイヤフラムの下面まで充填された第２コンクリート層と、を有し、中空鋼製柱は、板厚さが変化し、ｎ個のダイヤフラムを有し、各ダイヤフラムの中間部に中間弱層を有し、第２コンクリート層は、繰り返し単位として、第１ダイヤフラムを含み、第２中間弱層の下面まで充填され、繰り返し単位にて、第ｎ＋１コンクリート層まで充填され、第ｎ＋１コンクリート層は、第ｎダイヤフラムの下面まで充填され、第１中間弱層から第ｎ中間弱層の圧縮強度は、充填されたコンクリート層より小さいことを特徴とする中空鋼製柱の耐震補強構造。
［４］中間弱層の圧縮強度は、充填されたコンクリート層の１〜８％であることを特徴とする［１］乃至［３］の１つに記載する中空鋼製柱の耐震補強構造。
［５］第１中間弱層の中心線の基礎面からの高さＨｃ（ｍｍ）は、以下の式１または式２で計算し、第１中間弱層３１の厚みＴｃ（ｍｍ）は、以下の式３または式４で計算することを特徴とする［１］乃至［４］の１つに記載する中空鋼製柱の耐震補強構造。
中空鋼製柱の断面形状が円形断面の場合は、式１で計算する。
【数１】
2019094663.tif 000003
ここに、Ｄ：柱基部２の外径、 Ｔｓ：柱基部２の鋼管板厚（ｍｍ）。
中空鋼製柱の断面形状が四角形（矩形）の場合は、式２で計算する。
Ｈｃ＝Ｈｄ/２．５〜Ｈｄ/２                            （２）
ここに、Ｈｄ：基礎面５から第１ダイヤフラム１１の下面までの高さ（ｍｍ）。
中空鋼製柱の断面形状が円形断面の場合は式３で計算する。
Ｔｃ＝Ｄ/１００〜Ｄ/２０                              （３）
ここに、Ｄ：柱基部２の外径（ｍｍ）。
中空鋼製柱の断面形状が四角形（矩形）の場合は式４で計算する。
Ｔｃ＝（Ｌｘ＋Ｌｙ）/２００〜（Ｌｘ＋Ｌｙ）/４０      （４）
ここに、Ｌｘ：四角形（矩形）の１辺の長さ（ｍｍ）、Ｌｘ：四角形（矩形）の他の１辺の長さ（ｍｍ）。
［６］中空鋼製柱の耐震設計値を超える地震を受けた場合、中空鋼製柱の最大水平復元力Ｓ１の９０〜１００％の水平復元力で塑性変形をして地震エネルギーを吸収することを特徴とする［１］乃至［５］の１つに記載する中空鋼製柱の耐震補強構造。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の耐震補強構造は、局部座屈変形が生じ、更に、第１コンクリート層、中間弱層が圧壊された接触面、および第２コンクリート層が連続体として機械的強度を有しているので、中空鋼製柱の耐震設計値を超える地震を受けた場合、中空鋼製柱の最大水平復元力の９０〜１００％の水平復元力を維持することで応答する水平変位を小さくして、地震エネルギーを柱の塑性変形で吸収する変形機能を有する。この結果、中空鋼製柱の倒壊および基礎構造の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の原理を示す図
【図２】第１実施形態を示す図
【図３】第１実施形態の効果を示す図
【図４】第２実施形態を示す図
【図５】第３実施形態を示す図
【図６Ａ】従来技術１（中空鋼製柱）の全体を示す図
【図６Ｂ】従来技術１の局部座屈変形を示す図
【図７Ａ】従来技術２（中空鋼製柱内部にコンクリートを充填）の全体を示す図
【図７Ｂ】従来技術２（中空鋼製柱内部にコンクリートを充填）を示す図
【図７Ｃ】従来技術２による基礎構造への影響を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１７】
（従来技術１）
図６Ａに、従来技術１の耐震補強構造１０１の全体を示す。中空鋼製柱１０３の断面形状が四角形（矩形）を図６（ａ）、円形を図６（ｂ）に示す。中空鋼製柱１０３は、板厚Ｔｓ＝２０〜４０ｍｍの鋼板により溶接、ボルト等により機械的に締結されて作られている。高さＨｔ＝５０００から２００００ｍｍ程度である。
中空鋼製柱１０３には、常時橋梁等の垂直荷重Ｐ（自重）が付加されており、地震発生時には、橋軸方向の水平復元力Ｓｘ１、橋軸直角方向の水平復元力Ｓｙ1が発生する。中空鋼製柱１０３、基礎構造７（図７Ｃ（a）参照）は、上部構造に自重である垂直荷重Ｐと地震発生時の柱の水平復元力Ｓｘ１、Ｓｙ１に耐えられるように設計されている。
【００１８】
しかし、設計条件を超える地震が発生した場合、地震発生時の水平復元力Ｓｘ１、Ｓｙ１は、それぞれ水平復元力Ｓｘ２、Ｓｙ２に増加する。ここで、水平復元力Ｓ１はＳｘ１とＳｙ１の合成力、水平復元力Ｓ２はＳｘ２とＳｙ２の合成力である。水平復元力がＳ２に増加するので中空鋼製柱１０３の基礎面近くの曲げモーメントが大きくなり、中空鋼製柱１０３の柱基部１０２に局部座屈が発生する。図６Ｂに、従来技術１の中空鋼製柱１０３の柱基部１０２に発生した局部座屈変形１５１を示す。
【００１９】
（従来技術２）
従来技術２の耐震補強構造２０１は、中空の鋼柱内部にコンクリートを充填させた鋼製柱２０３である。図７Ａに、耐震補強構造２０１の全体を示す。中空鋼製柱２０３の断面形状が四角形（矩形）を図７（ａ）、円形を図７（ｂ）に示す。耐震補強構造２０１は、中空鋼製断面と充填コンクリート断面の合成効果により、柱としての強度・剛性が上昇し、中空鋼製柱２０３の柱基部２０２の局部座屈が防止される。よって、水平復元力が急激に低下しないので変形性能が向上し耐震性は向上する。しかし、同時に最大水平復元力も上昇する。
【００２０】
図７Ｂに、耐震補強構造２０１の例を示す。中空鋼製柱２０３の柱基部２０２内部の第１ダイヤフラム２１１に接するまでコンクリート層２２１が充填されている。従来技術１の局部座屈変形１５１は、基礎面５と第１ダイヤフラム２１１の間にあり局部座屈変形１５１の鋼板はコンクリート層２２１によって補強されている。よって、想定を超える地震が発生した場合に水平復元力Ｓ２が発生しても局部座屈変形１５１は生じないか、生じても小さい。
【００２１】
ここで、ダイヤフラムとは、中空鋼製柱の内部に柱の軸線に直角に配置される鋼板で鋼柱の断面形状が変化しないようにする機能を有する。
【００２２】
図７Ｃに、従来技術２による基礎構造への影響を示す。図７Ｃ（ａ）は、中空鋼製柱１０３に、地震が従来の基準内の場合、即ち設計値以内の水平復元力Ｓ１が作用した場合を示す。基礎構造７は設計値以内であるので損傷は発生しない。一方、図７Ｃ（ｂ）は、地震が従来の基準を超える場合、即ち中空の鋼柱内部にコンクリートを充填することで耐震補強した鋼製柱２０３に、中空鋼製柱１０３の設計値Ｓ１を超える水平復元力Ｓ２が作用した場合を示す。この場合、設計値以上の負荷が基礎構造に作用するので、基礎が補強できない場合、基礎構造７には損傷が発生する。
【００２３】
（発明の原理）
図１に、本発明の原理を示す。図１（ａ）は、中空鋼製柱３の力学モデル４に垂直荷重Ｐ、水平復元力Ｓが作用した場合の水平変位δと水平復元力Ｓの関係（以下、Ｓ−δ曲線という）を示す。
【００２４】
Ｓ−δ曲線ロは、従来技術１の中空鋼製柱１０３を示す。中空鋼製柱１０３の最大水平復元力に相当する水平変位δ１時の水平復元力をＳ１とする。即ち、地震時の設計水平復元力がＳ１である。最大水平復元力Ｓ１までは、水平変位δが増加すると水平復元力Ｓも単調に増加する。水平復元力Ｓ＝最大水平復元力Ｓ１となると、中空鋼製柱１０３には、局部の座屈である局部座屈変形１５１が生じ力学的に不安定になる。すると、局部座屈変形１５１で柱の剛性が低下する（曲がり易くなる）ので、中空鋼製柱１０３が支持できる水平復元力Ｓは小さくなる。即ち、局部座屈変形１５１の変形が発生すると、水平復元力が急激に低下するので中空鋼製柱の変形性能は小さくなる。よって余震などにより小さな水平復元力Ｓが作用しても中空鋼製柱１０３は水平に変位し、最悪の場合倒壊する。
【００２５】
Ｓ−δ曲線ハは、従来技術２である内部にコンクリートを充填した中空鋼製柱２０３を示す。中空鋼製柱１０３と比べコンクリートで補強されているので柱の最大水平復元力は、Ｓ１より大きいＳ２となる。水平復元力Ｓ２時の水平変位δ２である。よって、設計水平復元力Ｓ１よりも大きい地震による最大水平復元力Ｓ２が作用してもコンクリートを充填した鋼製柱２０３は損傷を受けることはない。しかし、基礎構造７は水平復元力Ｓ１で設計されている。よって、基礎が補強できない場合、水平復元力Ｓ１以上の水平復元力を受けると基礎構造７に損傷を来す（図７Ｃ（ｂ）参照）。
【００２６】
Ｓ−δ曲線イは、本発明の中空鋼製柱３に中間弱層を配置したコンクリートを充填した図３に示す耐震補強構造１の力学原理を示す。水平復元力Ｓ１にて水平変位δ１に達した後、局部の座屈である局部座屈変形５１は発生するが、力学的に安定しており，水平変位が増加しても、水平復元力はほぼ一定のＳ１を保持される。これにより、コンクリートを充填した鋼製柱２０１に水平復元力Ｓ２が作用する大きな地震動の場合も、耐震補強構造１では、水平復元力が荷重Ｓ１をほぼ維持して水平変位δが増加し塑性変形をする。耐震補強構造１の塑性変形は、大きな地震動の場合も地震による運動エネルギーを吸収することができるので、中空鋼製柱３は倒壊することはない。また、耐震補強構造１は、最大水平復元力＝Ｓ１、即ち中空鋼製柱３の設計値である水平復元力であるので、基礎構造７を損傷させることがない。
【００２７】
塑性変形によるエネルギーの吸収を、Ｓ−δ曲線イおよびＳ−δ曲線ハを用いて説明する。まずＳ−δ曲線ハにおいて、最大水平復元力Ｓ２、水平変位δ２の地震が発生した場合、本発明のＳ−δ曲線イでは、最大水平復元力Ｓ１、水平変位δ３となる。ここで、水平変位δ２とＳ−δ曲線ハとＳ−δ曲線イで表される面積ニのエネルギーが、水平変位δ２と水平変位δ３とＳ−δ曲線イで表される面積ホのエネルギーが等しくなる。
ここで、水平変位δ３は小さいほど、かつ基礎構造７を損傷させないために、最大水平復元力の上限値は、中空鋼製柱３の値であるＳ１（１００％）となる。また、最大水平復元力の下限値は、水平変位δ３が小さいほど良いので、Ｓ１の９０％以上が良い。
【００２８】
以上より、耐震補強構造１は、大きい地震により従来技術２の耐震補強構造２０１に最大水平復元力Ｓ２が作用する場合においても、最大水平復元力Ｓ１を、９０〜１００％で維持できる機能を有する。これは、充填するコンクリート層の間に、コンクリート層より圧縮強度を低下させた中間弱層を設ける耐震補強構造１とすることでなさせる。
【００２９】
従来技術２の耐震補強構造２０１に最大水平復元力Ｓ２が作用する大きい地震が発生した場合、耐震補強構造１は、中間弱層３１を圧壊させることで、中空鋼製柱３に局部座屈変形５１を発生させ、最大水平復元力を、Ｓ１の９０〜１００％とする。更に、圧壊された中間弱層を介して上下のコンクリート層を力学的に接触させ、局部座屈変形５１の発生前に鋼柱に作用していた圧縮力を支持させる（図３参照）。ここで、中間弱層３１の仕様、即ち使用する充填材料の圧縮強度をどれだけ小さくするか、中間弱層の層厚Ｔｃ（図２参照）をいくらにするか等は解析により設計的に決定される。
【００３０】
（第１実施形態）
図２に、第１実施形態の中空鋼製柱３の柱基部２を示す。図２（ａ）に構成要素の符号、図２８ｂ）に寸法記号を示す。図２（ｂ）において柱基部２の外径をＤ、柱基部２の鋼管板厚をＴｓ、基礎面５から第１ダイヤフラム１１の下面までの高さをＨｄ、基礎面５から第１中間弱層３１の中心線までの高さＨｃ、第１中間弱層３１の厚さをＴｃとする。図２（ａ）は、中空鋼製柱３における基礎面５と第１ダイヤフラム１１間の中空部分にコンクリートの充填による耐震補強構造１を示している。充填されたコンクリートは下から順に、基礎面５の上の第１コンクリート層２１、その上に第１中間弱層３１、その上に第２コンクリート層２３である。第２コンクリート層２３は、第１ダイヤフラム１１の下面に接している。また、中間弱層３１はコンクリートと異なる圧縮強度が小さい材料で構成されている。
【００３１】
図２（ａ）、図２（ｂ）は、地震力が作用する前の状態を示し、第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３は、第１中間弱層３１を介しているため直接的には接触していない。よって、第１中間弱層３１により充填されたコンクリートは、第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３の２つの領域に分割される。
【００３２】
第１中間弱層３１の施工後、その上に第２コンクリート層２３を第１ダイヤフラム１１の位置まで充填する。第１コンクリート層２１、第１中間弱層３１、および第２コンクリート層２３は、既設の中空鋼製柱１０３に追加施工してもよい。
【００３３】
第１中間弱層３１は、第１コンクリート層２１の充填後に中空鋼製柱３の内部に水平に設置される。第１中間弱層３１の中心高さＨｃは、中空鋼製柱３の局部座屈変形５１の発生が予測される位置とする。
第１中間弱層３１の中心高さＨｃは、中空鋼製柱３の局部座屈変形５１の基礎面５からの高さとする
中空鋼製柱３の断面形状が円形の場合、高さＨｃ（ｍｍ）は式１で計算する。
【数１】
2019094663.tif 000004
ここに、Ｄ：柱基部２の外径、 Ｔｓ：柱基部２の鋼管板厚（ｍｍ）。
式１は、非特許文献１、３、４、６、７、１０、１１に記載されている。
【００３４】
中空鋼製柱３の断面形状が四角形（矩形）の場合、高さＨｃは式２で計算できる。
Ｈｃ＝Ｈｄ/２．５〜Ｈｄ/２                          （２）
ここに、Ｈｄ：基礎面５から第１ダイヤフラム１１の下面までの高さ（ｍｍ）。
式２は、非特許文献２、５、８、９に記載されている。
【００３５】
次に、第１中間弱層３１の厚みＴｃ（ｍｍ）は、以下で計算する。
中空鋼製柱３の断面形状が円形の場合、厚みＴｃ（ｍｍ）は式３で計算する。
Ｔｃ＝Ｄ/１００〜Ｄ/２０                            （３）
ここに、Ｄ：柱基部２の外径（ｍｍ）。
式３は、非特許文献１０、１１に記載されている。
【００３６】
中空鋼製柱３の断面形状が四角形（矩形）の場合、厚みＴｃは式４で計算できる。
Ｔｃ＝（Ｌｘ＋Ｌｙ）/２００〜（Ｌｘ＋Ｌｙ）/４０    （４）
ここに、Ｌｘ：四角形（矩形）の１辺の長さ（ｍｍ）、Ｌｘ：四角形（矩形）の他の１辺の長さ（ｍｍ）。
式４は、非特許文献８、９に記載されている。
【００３７】
ここで、第１中間弱層３１の目的とする機能は、第２コンクリート層２３の上層部分の重量を支え、上下の充填コンクリート層間に必要な間隔を保持するとともに、中空鋼製柱３の鋼管断面と充填コンクリート断面の合成効果により過大な強度・剛性の増加により、柱としての最大水平復元力が上昇しないようにすることである。ここで、中空鋼製柱３の鋼管断面と充填コンクリート断面の合成効果とは、鋼柱断面と充填コンクリート断面が複合（合体）することで、個別の断面の効果を累加した以上の効果が相互作用により出てくることである。このため、第１中間弱層３１は、充填コンクリートの平均的な圧縮強度１８N/ｍｍ２を基準として以下のようになる。
【００３８】
第１中間弱層３１の圧縮強度は、第２コンクリート層２３の上層部分の重量を支え、上下の充填コンクリート層間に必要な間隔を保持する必要がある。コンクリートの単位重量２３ｋＮ/ｍ３である。
【００３９】
まず、圧縮強度の下限を図２の第１実施形態とする。第１中間弱層３１に作用する自重は、２３×(Ｈｄ−Ｈｃ)ｋＮ/ｍ２であり、標準的なＨｄ−Ｈｃ＝２．５ｍとすれば、第１中間弱層３１に作用する自重は、５７．５ｋＮ/ｍ２≒０．０６Ｎ/ｍｍ２となる。これは、充填コンクリートの平均的な圧縮強度（１８N/ｍｍ２）の０．３３％程度になる。したがって、第１中間弱層３１の圧縮強度は、下限として１％（安全率３）以上となる。
【００４０】
一方、圧縮強度の上限を図４の第２実施形態でとする。第１中間弱層３１に作用する自重は、２３×(Ｈｔ−Ｈｃ)ｋＮ/ｍ2となる。(Ｈｔ−Ｈｃ) ≦２０ｍより、Ｈｔ−Ｈｃ＝２０ｍとする。第１中間弱層３１に作用する自重は、最大４６０ｋＮ/ｍ２＝０．４６Ｎ/ｍｍ２となる。これは、充填コンクリートの平均的な圧縮強度（１８N/ｍｍ２）の２．６％程度になる。したがって、第１中間弱層３１の圧縮強度は、上限として８％（安全率３）以下となる。
【００４１】
以上より、第１中間弱層３１の圧縮強度は安全率３を見込むと充填コンクリートの圧縮強度の１%〜８％となる。尚、一般にコンクリートでの安全率は、２〜４が用いられている。
【００４２】
具体的には、第１中間弱層３１は、発砲スチロール、発泡ポリウレタン、ゴム材、低強度モルタルなどの材料またはこれらの材料の組み合わせが良い。
【００４３】
図３は図２の柱構造に上部構造の自重Ｐと水平地震力Ｓが作用した際の耐震補強構造１の変形状態と柱内の力の流れを示す模式図である。
図３（ａ）は柱に作用する地震力Ｓと水平復元力Ｓがつり合いながら最大水平復元力Ｓ１に到達する以前の耐震補強構造１である。この耐震補強構造１には局部座屈変形は生じていない。従って、第１中間弱層３１は圧壊しておらず上下の充填された第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３は、接触していない。
図３（ｂ）は水平復元力Ｓが最大水平復元力Ｓ１に到達後の耐震補強構造１柱の変形状態であり、中空鋼製柱３の鋼管に局部座屈変形５１が生じている。その結果、第１中間弱層３１は圧壊し、第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３は接触している。
図３（ｂ）は地震が収まった状態である。
【００４４】
図３（ａ）の柱の水平復元力Ｓが最大値Ｓ１に到達するまでは、第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３は接触しないため、中空鋼製柱３の頂部に作用する地震力は図３（ａ）の破線に示すように中空鋼製柱３の鋼管のみで力が基礎面５に伝達される。従って、第１実施形態によると、水平復元力Ｓの最大値である最大水平復元力Ｓ１は、ほぼ中空鋼製柱３の柱基部２のみにより定まるため、第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３の充填にかかわらず充填前の中空鋼製柱３の最大水平復元力とほぼ等しい。従って、基礎構造７に作用する地震力もコンクリート充填前と較べほとんど上昇しない。
【００４５】
図３（ｂ）の水平復元力Ｓが最大水平復元力Ｓ１到達後は、中空鋼製柱３の柱基部２に局部座屈変形５１が生じ、基礎面５とダイヤフラム１１間の中空鋼製柱３の圧縮側の長さが短くなる。その結果、第１中間弱層３１に圧壊現象が生じ、第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３は接触し、接触面２０が生じる。これにより、中空鋼製柱３の頂部に作用する地震力Ｓ１は、図３（ｂ）の破線に示すように、中空鋼製柱３から第１ダイヤフラム１１を介して第１コンクリート層２１に伝達し、次に、接触面２０を介して第２コンクリート層２３に伝達され、次に、第２コンクリート層２３から基礎面５に伝達されるようになる。これにより局部座屈変形５１の大きさは、図６Ｂに示す局部座屈変形１５１と比較して小さい。
【００４６】
ここで、接触面２０は、第１中間弱層３１が圧縮され破壊され層状になっている。基礎面５と第１ダイヤフラム１１により、第１コンクリート層２１と接触面２０と第２コンクリート層２３が圧縮され１つの連続体として機械的強度を有している。即ち、充填したコンクリートが力学的に有効に働き、鋼柱と充填コンクリートとの合成効果が発揮される。したがって、耐震補強構造１の水平復元力Ｓの最大値Ｓ１到達後においても、水平復元力Ｓの低下が抑制されるため中空鋼製柱１０３に比べ優れた変形性能を発揮する。
【００４７】
耐震補強構造１は、局部座屈変形５１が生じ、更に、第１コンクリート層２１、第１中間弱層３１が圧壊された接触面２０、および第２コンクリート層２３が連続体として機械的強度を有しているので、中空鋼製柱３の耐震設計値を超える地震を受けた場合、中空鋼製柱３の最大水平復元力の９０〜１００％の水平復元力を維持することで水平変位δを小さくして、地震エネルギーを柱の塑性変形で吸収する変形機能を有する。この結果、中空鋼製柱３の倒壊および基礎構造７の損傷を防止することができる。
【００４８】
耐震補強構造１の水平復元力を、中空鋼製柱３の最大水平復元力の９０〜１００％とするために、中間弱層３１の仕様、即ち使用する充填材料の圧縮強度をどれだけ小さくするか、中間弱層の層厚Ｔｃ（図２参照）をいくらにするか等は解析により設計的に決定される。
【００４９】
図３（ｃ）は、地震が収まった際の状況を示す。よって、地震力はなく水平復元力はＳ＝０である。上部構造の自重による荷重Ｐのみが作用している。地震時に繰り返し発生する正負方向の最大水平復元力Ｓ１により、局部座屈変形５１は、中空鋼製柱３の全周にドーナッツ状に発生している（提灯座屈変形）。第１中間弱層３１は、圧壊した状態の第１中間弱層３１ａとなっている。第１コンクリート層２１と第２コンクリート層２３は、外周部でドーナッツ状の接触面２０で接触している。荷重Ｐは、ドーナッツ状の局部座屈変形５１と接触面２０で支持されている。
【００５０】
（第２実施形態）
図４に、第２実施形態を示す。第２実施形態は、第１ダイヤフラム等の中間ダイヤフラムが存在しない中空鋼製柱３に対する耐震補強構造１である。中空鋼製柱３の高さは、Ｈｔであり、最上部に天板４１を有する。第１コンクリート層２１、第１中間弱層３１は、第１実施形態と同様に施工する。第２コンクリート層２３は、天板４１に接するまで充填する。
【００５１】
ここで、第２コンクリート層２３の高さは大きいので、第２コンクリート層２３の充填は、その自重で第１中間弱層３１が圧壊しないようにする必要がある。即ち、第２コンクリート層２３は、複数回に分けて充填する。即ち、１回目は第１中間弱層３１が圧壊しない高さまで充填し硬化させる。硬化後、２回目を第１中間弱層３１が圧壊しない高さまで充填し硬化させる。これを繰り返し、第２コンクリート層２３が、天板４１に接するまで充填する。
【００５２】
地震により、第１中間弱層３１は、圧縮され破壊された層状の接触面２０になる。ここで、基礎面５と天板４１により、第１コンクリート層２１と接触面２０と第２コンクリート層２３が圧縮され１つの連続体としての機械的強度を有している
【００５３】
（第３実施形態）
図５に、第３実施形態を示す。第３実施形態は、中空鋼製柱３の高さＨｔが高く、ダイヤフラムを複数有する場合の耐震補強構造１である。この中空鋼製柱３は、一般に中空鋼製柱３の鋼板厚さが変化する変断面鋼製柱となっている場合であり、鋼板厚さは上部に行くほど板厚が減少していることが多い。このような場合、鋼柱に生じる局部座屈の発生位置の特定が難しくなる。よって、局部座屈が発生する可能性がある個所全てに中間弱層を配置することで、耐力上昇を抑えつつ高い変形性能を発揮させる耐震補強構造１を提供する。
【００５４】
第３実施形態は、第１実施形態に加えて、各ダイヤフラムの間に、中間弱層を追加させた場合である。追加させる中間弱層は、各ダイヤフラムの中央部に設ける。中空鋼製柱３は、ダイヤフラムをｎ個有するとする。
【００５５】
第２コンクリート層は、第１ダイヤフラム１１を含み、第２中間弱層３３の下面まで充填する。第２中間弱層を施工後、第３コンクリート層２５を、第２ダイヤフラム１３を含み、第３中間弱層３５の下面まで充填する。これを繰り返し、最上部の第ｎダイヤフラムの下面に接するように第ｎコンクリート層２９を充填する。
【００５６】
ここで、第２コンクリート層２３から第ｎコンクリート層２９の充填は、その自重で下部にある第２中間弱層３３から第ｎ中間弱層３９が圧壊しないようにする必要がある。即ち、第２コンクリート層２３は、複数回に分けて充填する。即ち、１回目は第１中間弱層３１が圧壊しない高さまで充填し硬化させる。硬化後、２回目を第１中間弱層３１が圧壊しない高さまで充填し硬化させる。これを繰り返し、第２コンクリート層２３が、第２中間弱層３３に位置まで充填する。第３コンクリート層２５から第ｎコンクリート層２９までも同様に充填する。
【００５７】
ここで、地震により、第２中間弱層３３が圧縮され破壊された層状の接触面２０になったとする。この際、第１ダイヤフラム１１と第２ダイヤフラム１３により、その間の第２コンクリート層２３（第１ダイヤフラム１１の上部分）と接触面２０と第３コンクリート層２５（第２ダイヤフラム１３の下部分）が圧縮され１つの連続体として機械的強度を有している
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本実施形態の耐震補強構造１によれば、既設の中空鋼製柱３の耐震性向上を基礎構造７に影響を与えることなく実施できる。また、新設の中空鋼製柱３に提供すれば、基礎構造７を小さな荷重で設計できるので、低コストにできる。
【符号の説明】
【００５９】
１          耐震補強構造                    ２          柱基部
３          中空鋼製柱                      ４          力学モデル（中空鋼製柱）
５          基礎面                          ７          基礎構造
１１        第１ダイヤフラム                １３        第２ダイヤフラム
１５        第３ダイヤフラム                １９        第ｎダイヤフラム
２０        接触面                          ２１        第１コンクリート層
２３        第２コンクリート層              ２５        第３コンクリート層
２７        第４コンクリート層              ２９        第ｎコンクリート層
３１        第１中間弱層                    ３３        第２中間弱層
３４        第３中間弱層                    ３９        第ｎ中間弱層
４１        天板                            ５１        局部座屈変形
Ｐ        上部構造の自重（垂直方向荷重）    Ｓ         水平復元力
【図１】
2019094663.tif 000006
【図２】
2019094663.tif 000007
【図３】
2019094663.tif 000008
【図４】
2019094663.tif 000009
【図５】
2019094663.tif 000010
【図６Ａ】
2019094663.tif 000011
【図６Ｂ】
2019094663.tif 000012
【図７Ａ】
2019094663.tif 000013
【図７Ｂ】
2019094663.tif 000014
【図７Ｃ】
2019094663.tif 000015