2015 Fiscal Year Annual Research Report
大地震時における建物機能維持を目指した既存杭基礎への耐震補強法の開発
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25709049
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| Research Institution | Building Research Institute |
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Principal Investigator |
柏 尚稔 国立研究開発法人建築研究所, その他部局等, その他 (40550132)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 建築基礎構造 / 杭の水平抵抗 / 地盤改良 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、大地震に対する耐震性能が確保されていない既存の杭基礎建物に着目し、杭基礎の耐震性能向上を目指して、精度の高い耐震診断法の確立と、地盤改良を利用することにより地震に対して建物の安全性と機能維持性を向上させる耐震改修工法の提案を目的としている。今年度は主として、次の2つの課題を実施した。
①杭周囲地盤への地盤改良工法（以下、地盤改良併用杭基礎工法）の設計法を構築するため、杭周囲に地盤改良を設置した羽根つき鋼管杭の原位置水平載荷実験に対してシミュレーション解析を実施し、地盤改良が杭の水平抵抗に及ぼす影響について分析し、解析のモデル化手法について検討した。東大阪市の原地盤にφ190.7mmの羽根つき鋼管杭を設置し、その周囲1mの範囲を地盤改良した杭基礎に対して水平方向に載荷した実験に対して、汎用の非線形3D-FEM解析ソフトを用いてシミュレーションし、杭周地盤に地盤改良を施すことによって地盤反力係数が増大することを確認し、杭変位の増大による地盤反力係数の変化性状を明らかにした。さらに、3D-FEMから地盤反力係数を評価する手法について検討し、砂質土および粘性土のそれぞれに対するFEMモデル化方法と評価方法を提案した。
②既存の実大建物の杭基礎に対する耐震性能の明確化を目的として実施した外柱－杭－基礎梁接合部の部分架構の静的載荷実験の結果を参照して、杭基礎と上部構造の一体モデルに対する静的荷重増分解析を実施し、実大建物の限界状態を把握した。さらに、実大建物の周囲に地盤改良併用杭基礎を設置した場合に、既存の杭基礎の水平抵抗力がどのくらい増大するかを評価し、地盤改良併用杭基礎工法の効果を把握した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では目的達成のために、次に示す課題について取り組むことを計画している。
A)動的相互作用を考慮した地震応答解析による既存杭基礎建物の耐震性能評価 B)地盤改良を適用した杭基礎建物の模型振動実験 C)杭周囲地盤に地盤改良を適用した杭の原位置水平載荷実験および解析 D)既存杭基礎の保有性能を把握するための静的載荷実験 E)常時微動測定結果に基づいた杭基礎建物の健全性評価手法の構築 F)地盤改良を適用した実大建物の地震応答解析
このうち、H27年度では、課題C)、F)を実施した。
課題C)については、提案する地盤改良併用杭基礎を実際に設計する際に必要となる解析モデルの構築を目的として、原位置での地盤改良併用杭基礎に対する水平載荷実験のシミュレーションを実施し、実験を評価できることを明らかにした上で、設計でよく用いられるWinkler型梁ばねモデルのモデル化手法を提案しており、目標を達成できていると言える。
課題F)については、既存の実大建物に対して地盤改良併用杭基礎を適用した場合の有効性を実験および解析により評価しており、目標を達成できていると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は上記課題のうち、E)、F)、および研究の総括を実施する。
E) 前年度に引き続き、杭基礎の健全性評価法の構築に資する基礎データの収集のため、構造物－杭－地盤連成系の振動解析を実施する。前年度では、地震動を受けて杭頭接合部に被害が生じた杭基礎建物の簡略モデルを構築したが、限られた事例に対する分析に留まっている。今年度は、杭の損傷状態や地盤の非線形化の進展状態をパラメータとしたパラメトリックスタディを実施することにより、地盤・基礎の状態が上部構造の振動性状に及ぼす影響を評価する。
F) 課題A)で検討した既存杭基礎建物を対象として、実大建物において、杭周地盤に地盤改良を適用した場合の建物応答および杭応答の低減効果を確認し、耐震補強手法の構築に繋げる。前年度までは、上部構造と杭基礎を剛接合したケースのみを分析したが、今年度は、上部構造と杭基礎を絶縁する構造形式について分析する。この構造は、上部構造と杭を切り離し、基礎版直下の改良地盤と杭の両方で建物を支持する機構であり、今後の開発次第では既存建物にも利用できる可能性を持つものである。分析方法は実験と解析の両側面とする。実験では、建築研究所所有の振動台を用いて、模型地盤と杭頭絶縁基礎の振動実験を実施し、杭頭接合条件による上部構造の振動特性の変化を明らかにすると共に、上部構造を支持するための地盤条件（改良地盤の材料特性を含む）を明確にする。さらに、課題C)で検討した梁ばねモデルを用いて、杭頭絶縁基礎の実験をシミュレーション可能か検討し、追加するべき課題を抽出する。
研究の総括) 杭周囲に地盤改良を適用する杭基礎については、できるだけ簡便な設計が可能となるように、実験および解析結果を活用し、設計手法を提案する。
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| Causes of Carryover |
H27年度に地盤改良併用基礎の有効性についてを解析的に検討したが、検討ケースが限られているため、次年度に追加検討ケースを実施する必要がある。ただし、解析のみでは実証性に欠けるため、模型実験などの実証研究も追加で実施する必要がある。そのため、実験の実施費用として、次年度に補助金の仕様を先送りした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
模型実験は、建築研究所所有の中型振動台とせん断土槽を用いて実施する。杭と上部構造を完全に切り離す杭頭絶縁基礎に着目し、杭と上部構造の間に地盤改良を設置することによって、杭の鉛直支持性能を発揮させて上部構造の沈下を抑制するケースについて、模型実験を実施する。実験で着目するパラメータは、①小加速度振幅 vs. 大加速度振幅：地盤の非線形化による応答性状の変化を分析、②杭頭剛接合 vs. 杭頭絶縁：杭頭の接合条件による地震時杭応力および建物応答の比較とする。
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