JP4537997B2 - ワイヤボルト - Google Patents

Description

本発明は、概して構造物の建築用補強材に関し、さらに詳しくは、建築基準により、構造物の構造上の損傷を防ぐよう、及び／または居住者の生命を守るよう規定する地震地帯における構造物に関する。特に、本発明は、構造物を補強し、耐震性を向上させるワイヤボルトシステムに関する。ワイヤボルトシステムは、新設の構造物への設置、または既設の構造物への後付けが可能である。また、本発明は、既設の構造物の付加的補強材を提供するワイヤボルトシステムに関する。

長年にわたり、コンクリートや他の類似する物質が知られ、使用されてきた。しかし、コンクリートやコンクリートに類似する構造物の準備または設置に際し、如何に注意を払ってもさまざまな問題が原因となり、亀裂、間隙及び、ひびが生じうる。コンクリート構造物における亀裂またはジョイントの欠陥についての問題は悩みの種である。特に地震時のように、構造物が強大な力を受けると、大きな亀裂やさらには構造物の全壊の原因となりうる。

ビル、橋脚、支柱、橋等のようにコンクリートからなる既存の構造物について、板材を使用する補強であって、高強度繊維を樹脂または他の充填材で貼り付け、その後養生させることは一般的に知られている。
さらに、他の補強方法も知られている。例えば、Kintscherらの米国特許第6,308,478号には金属製補強バーの傍の構造にワイヤロープを埋設させ、隣接部品を接合する建築方法が記載されている。
Marshallの米国特許第6,634,830号にはコンクリート塊を補修するためのワイヤロープのポストテンション工法が記載されている。

地震地帯の構造物に関し、コンクリート部材と、コンクリート部材に取付けられた他の材料の取付部との接合は、構造設計において重要で新たな分野となった。本発明は新規に設置するか既設のコンクリート構造部材へ後付けする、先端取付部（end attachment）を備える、または備えないワイヤロープの使用に焦点をあてる。ワイヤボルトは振動の発生により損傷が生じたコンクリート部材の箇所に、付加水準の構造の冗長性を提供する。本発明は新しい設計や建設、また既設の構造物への後付けの双方に適用される。

ここで開示されるワイヤボルトは、現行の耐震設計方法とは別に、またはそれに加えて使用することができる。コンクリートが剥落し、鋼鉄筋の接合がはずれ、引張力やせん断応力が落ちた後、ワイヤボルトは接合されたまま残る。既存の設計や建築方法と比較して、ワイヤボルトは振動の発生中、弾性を残し、コンクリートとの接合を維持し、その構造物が充分な時間接合するよう設計されているので、少なくとも居住者の生命について遥かに高い安全性を提供する。

本発明の目的は、地震のような振動の発生による損壊に耐えうるよう構造物を補強する、新設の構造物に使用するワイヤボルトの提供にある。
本発明のさらなる目的は、建築物の完成後ワイヤボルトシステムを取付け可能にすることにある。
本発明の別の目的は、床や支持構造を補強するコンクリート建築用ワイヤボルトシステムの提供であり、それにより振動の発生中、損壊に対し、より大きな耐性を提供することにある。

図１には、本発明のワイヤボルトの設計図が示されている。概して１０で示されるようなワイヤボルトは、各端に硬質鋼製取付部１５，１６をかしめたワイヤロープ部１３からなる。図１に示すように、取付部１５，１６は、ワイヤロープ１３の各端に取付けられワイヤボルト１０を形成する、硬く平らな、またはねじ切られた短い鋼部でもよい。取付部１５，１６は、通常スエージングと呼ばれる本技術分野で周知の鋼の冷間成形によりワイヤロープに接合される。接合には他の方法が使用されてもよい。図１に示す実施態様では、１／２インチφのねじ切り取付部１５，１６を約４と１／２インチ長備えた、１／４インチφのワイヤロープ部１３を少なくとも１５インチ長含む。任意で、取付部１５，１６は、その上にねじ切られた適当な大きさのナット１８，１９を含んでもよい。好ましい実施態様では、当該部分がコンクリートと接合しないように、ワイヤロープ部１３は物質で覆われている。

ワイヤボルト１０は、図２，３及び４に示すように、様々な態様で使用することができる。ワイヤボルトは建設初期、屈曲により亀裂が生じうるコンクリート床板の底付近、または、せん断応力により亀裂が生じうる支柱付近等、損傷を受けやすい位置での取付けが可能である。ワイヤボルトは既設の構造物に後付けすることも可能である。後付けには、図３及び４に示すように、軸受がコンクリート梁または柱の外側から形成される。その軸受は損傷域を十分に超える深さに伸びなければならない。エポキシ、または他の適当な接着剤がその軸受に注入され、ワイヤボルトが挿入される。ワイヤボルトはその軸受の端に達する十分な長さが必要であり、他方、ねじ部はナットを取り付けるために、十分に露出させておく。本技術分野で知られるように、硬い座面を提供するために金属板をナットで取付けてもよい。そのような金属板はコンクリートの縁とぴったり重なるように設置することができる。その金属板はエポキシ等のような適当な接着剤で所定の位置に固定することができる。

表１に示すように、本発明で使用可能な標準のワイヤロープにはいくつかのサイズがある。ワイヤロープにはその弾性限界内に二種類の伸びがある。弾性伸び（elastic stretch）と構造伸び（constructional stretch）があり、双方が設計上考慮されなければならない。

弾性伸びは、荷重時に生じるワイヤロープの一時的な伸びである。ワイヤロープが最大破壊強度をその弾性限界の約６０％以下に保っていれば、ワイヤロープは標準の長さに戻る。
弾性伸びは、荷重とワイヤロープの長さの積に比例し、弾性係数と面積に反比例する。弾性伸びを計算するために使用される式は以下の通りである。

構造伸びはワイヤロープの永久的（permanent）な伸びである。この永久的な伸びは荷重されると直ちに始まる。これはストランドと、ストランドが巻かれている芯とのわずかな隙間にストランド自体が調整することにより生じる。構造伸びの標準的な長さは、荷重時でロープ長の概ね１／２％である。ワイヤの短い切片（short segment）における構造伸びはプレストレッチ及びポストテンションの２つの方法で排除することができる。プレストレッチする荷重は実際の荷重と等しいか、またはそれ以上であるべきだが、弾性限界を超えてはならない。ポストテンションは建設中のワイヤボルト取付け時に行われ、ワイヤロープ部をプレストレッチするためにワイヤボルトにおいてのみ使用され（used only in the wire bolt）、その後開放され、ポストテンションされる。

ここで説明するように、ワイヤボルトは新設または既設のコンクリートに様々な態様で取付けが可能である。埋設された取付部の作用は、埋設、縁からの距離及び埋設させた部材に応じた力を備え、接合されたまたはグラウトで固められたアンカーと同様の条件で作用する。鋼製の寸切りボルト（Ａ−３６）（Allthread(A-36)steel rods）の短い部分の取付部は、サイズと埋設に基づいた強度を備える。引張状態でねじ軸（threaded stud）を埋設させたエポキシの強度が検証され、多くの資料が記録に残されてきたが、コンクリート４０００psiの埋設については、平均して表２で示されるものとほぼ同様の性能である。

プレストレッチ（pres-stretch）されたワイヤボルトは、新設中にコンクリート内に埋設させることにより、または既設のコンクリートの予め空けられた穴のエポキシに埋設させることにより取付けることができる。そのようなワイヤボルトのワイヤロープ部の一部分は、地震の間、このワイヤの弾性特性が動作可能になるよう、コンクリートと接着しないように覆われていなければならない。

一の実施形態では、図２に示すように、ワイヤボルトはコンクリートの梁や、その支柱との接合箇所において、通常のせん断やたわみによる損傷箇所を交差するように設置される。
第二の実施形態では、図３に示すように、ワイヤボルトは主要な支持梁に接合するコンクリート床板に沿って取付けられる。
他の実施例では、図４に示すように、ワイヤボルトは床板をCMU壁（CMU wall）に締着させるために使用される。

一連の試験はワイヤボルトが、既設のコンクリートに後付けされた時（post installed）、振動の発生に付随した力に耐えうるか否かを判断するために行われた。図5に示す試験台が正負交番載荷（cyclic loading）を利用し、構造伸びが除去されるか、また、ワイヤボルトが通常または本来の位置に戻るか判断するために地震の影響についてのシミュレーションを行った。もしそうであれば、これにより、コンクリートと鋼材に平均的な損傷が生じた後、このワイヤボルトがコンクリートの２つの断面を保持する力を有すると証明することになる。

この試験は、もしあるとしたら、振動の発生によりどのような永久変形または伸びが生じるか判断するために実施された。図5に示す試験台を使用して、一端をコンクリート中に埋設し、他端を水圧試験用シリンダーに取付けて試験を実施した。2500lbs程度の荷重を適用し、その後６０回、ゼロに戻し、地震の正負交番載荷をシミュレーションした。変形は最大荷重の時にそれぞれ記録され、永久変形は、もしあるとすれば、０＃荷重に戻った後記録された。

試験１及び試験２の双方において、２５００psiの荷重を２回行ったのみで、ワイヤボルトの伸び率が８０％であった。３度目の荷重で伸び率は約９９％であった。弾性伸びは一回の荷重で０．４９”及び．４８”から約．３”になり、その後３度目の荷重後は平均してわずか．２５”であった。これはコンクリートや鋼材の損傷後、ワイヤボルトが各荷重の間、１／４”の間隙を許容するに過ぎないことを示す。また、この試験はワイヤボルトの大きさに対して２５００psiの正負交番載荷の下でも、エポキシ樹脂での接合が衰えないことを証明する。したがって、ワイヤボルトはプレストレッチし、初期の構造上の永久伸びを排除するべきである。

その要素全てがワイヤロープとねじ軸の長さ及び大きさの違いにより変化する。その結果は提示した方法に基づき予想しうる。

ワイヤボルトはコンクリート構造物に付加的冗長性の経路（additional redundant load path）を提供し、生命の犠牲回避に役立つ。この試験は、ワイヤボルトが永久変形した後、弾性伸びが得られ、各荷重後にゼロに戻ることを立証した。所定の位置に穴を開けエポキシ樹脂で接合することにより、新設の構造物及び後付けにより既設の構造物の双方において、これを使用することを提案する。

本発明についての上記及び他の特徴、観点、及び利点は、添付の図面で示されるように、下記実施形態の説明に関連して、より詳細にされる。
本発明によるワイヤボルトの実施形態を示す。 本発明によるコンクリート梁補強として使用されるワイヤボルトを示す。 本発明による床板補強を示す。 本発明による代替床板補強を示す。 本発明を検証するために使用された試験器具を示す。

Claims (12)

1. コンクリートの補強または補修用のワイヤボルトであって、
   第1の伸張された硬質取付部を含む第１の端部と、
   第２の伸張された硬質取付部を含む第２の端部と、
   第１端部及び第２端部を備えるワイヤロープの伸張部を含む中間部とを備え、
   第１の伸張された硬質取付部は、前記ワイヤロープの前記第１端部に接合され、
   第２の伸張された硬質取付部は、前記ワイヤロープの前記第２端部に接合され、
   前記ワイヤロープが前記コンクリートと結合しないように、少なくとも前記ワイヤロープ部が物質で覆われている、
   ワイヤボルト。
2. 前記ワイヤロープの前記伸張部がプレストレッチされている、請求項１に記載のワイヤボルト。
3. 少なくとも前記第１の伸張された硬質取付部がねじ切られている、請求項１に記載のワイヤボルト。
4. 前記第１の伸張された硬質取付部の前記ねじ切り部に接合されたナットをさらに含む、
   請求項３に記載のワイヤボルト。
5. 少なくとも前記第２の伸張された硬質取付部がねじ切られている、請求項１に記載のワイヤボルト。
6. 前記第２の伸張された硬質取付部の前記ねじ切り部に接合されたナットをさらに含む、
   請求項５に記載のワイヤボルト。
7. 前記第１の伸張された硬質取付部および第２の伸張された硬質取付部の少なくともいずれかが、冷間形成により前記ワイヤロープに接合される、請求項１に記載のワイヤボルト。
8. 第1の伸張された硬質取付部を含む第１の端部と、
   第２の伸張された硬質取付部を含む第２の端部と、
   第１端部及び第２端部を備えるワイヤロープの伸張部を含む中間部とを有し、
   第１の伸張された硬質取付部が前記ワイヤロープの前記第１端部に接合され、
   第２の伸張された硬質取付部が前記ワイヤロープの前記第２端部に接合された、ワイヤボルトを備えること、
   前記ワイヤロープが前記コンクリートと結合しないように、少なくとも前記ワイヤボルト部を物質で覆うこと、
   前記コンクリート内で適当な接着剤を使用して前記伸張された硬質取付部を埋設させること、及び、
   前記コンクリート内で前記接着剤の養生させること、
   を含むコンクリート補強方法。
9. 前記ワイヤロープの前記伸張部をプレストレッチすることをさらに含む、請求項８に記
   載の方法。
10. 前記第１の伸張された硬質取付部および第２の伸張された硬質取付部の少なくともいずれかが、少なくとも一部がねじ切られた、請求項８に記載の方法。
11. 前記コンクリート内に穴を開け軸受をつくること、
    前記軸受に前記接着剤を注入すること、
    少なくとも前記第２の取付部が露出したままになるように、前記接着剤に前記第１の取付部を埋設させること、及び、
    その露出したねじ切り部にナットを接合すること、
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
12. 前記接着剤の養生後、前記ワイヤボルトをポストテンションすることをさらに含む、請求項１１に記載の方法。

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