JP2006083545A - ＰＣａＰＣ架構 - Google Patents

Abstract

【課題】１００ｍ超のＰＣａＰＣ架構による超高層建築物を実現する。その課題は、建物の長周期化を避けること及び建物の変形エネルギーの消費を高めることである。
【解決手段】上下階の横梁５０間にＰＣ造の制震壁１０を装着し、制震壁１０と上下横梁５０間に制震材料１１および目地モルタル１２を介在させ、制震壁と上下階の横梁５０とを縦ＰＣ緊張材１３で結合する。制震材料は、一定の圧縮力を付与した状態で履歴曲線７１を描き、変形エネルギーを消費する材料とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＰＣａＰＣ（プレキャストプレストレストコンクリート）架構に関し、さらに詳しくは高さが６０ｍを超えるＰＣａＰＣ架構であって、制震壁を備えた架構に関するものである。

従来、鉄筋コンクリート構造の高層建築物では高さが１８０ｍ程度、鉄骨構造の高層建築物では、高さが２９０ｍ程度の建物がある。

これに対して、ＰＣａＰＣ造の建物としては、地上高さで７５ｍ程度のものが実現している。ＰＣ部材は同一断面のＲＣ（鉄筋コンクリート）部材に較べ、曲げ耐力を２倍程度に高めることができるため、スパンを大きくしたり断面を小さくすることができる。

高層型のＰＣａＰＣ架構の力学的特性は、一般に、高層型ＲＣ（鉄筋コンクリート）架構に較べて、復元力に富み架構にダメージが残りにくいが、構造全体の水平剛性が小さくなり、弾性周期は長くなる。

このため、地震時におけるＰＣ架構の応答せん断力は、一般にＲＣ架構に較べて幾らか低下するが、ＰＣａＰＣ部材自身がＲＣ部材に較べて、曲げせん断変形を受けたときの履歴エネルギーの消費が小さいことから、地震応答変形はいくらか大きくなる。

従来、このようなＰＣａＰＣ架構に効果的に付加剛性を与え、かつ、変形エネルギーを消費させるための有効な手段がなかった。

板状建築物の高層マンションを実現した技術がある（例えば、非特許文献１参照。）。その技術では地上高さで７４．５ｍ及び７６．６ｍの２棟の建築物が現実に建造されている。この建築物はＰＣａＰＣ架構に免震構法を採用したもので、高強度材料（圧縮強度Ｆｃ＝８０Ｎ／ｍｍ²級）の使用により高耐久化を達成すると共に、プレキャスト部材の採用による省力化を実現したものである。この免震構法によりＰＣａＰＣ架構による高層建物の対地震安全性が確立されている。

また、ＰＣａＰＣ架構と鉄骨架構を併用した構造方式で高さ１９２ｍの高層集合住宅が設計されている（例えば、非特許文献２参照。）。この建物におけるＰＣａＰＣ架構は純フレーム、鉄骨造架構はフレーム内に鋼板壁あるいは軸ブレースが設けられている。

また、ＰＣａＰＣ架構に制震ダンパーを設けた高さ８０ｍの高層集合住宅が設計されている（例えば、非特許文献３参照。）。この制震ダンパーは、弾塑性型ダンパーを使用しており大地震後取り替えが必要になってくる。

またＰＣａ梁と柱のＰＣ圧着接合構造において、梁の回転変形によって圧縮を受ける接合部の部位に、圧縮変形を吸収して梁の端部コンクリートの圧壊を防止する弾性体を介装した接合構造がある（例えば、特許文献１参照。）。この構造では、ゴムと高強度のガラス繊維などを積層して製造した物質など、梁コンクリートのヤング係数より小さいヤング係数を有する高強度、高弾性物質を用いる。

また、圧縮変形で減衰を生ずる複合材料として、例えば直径１ｍｍ程度のガラス繊維強化プラスチックロッドを立方体の対角４方向に配置して等方に組み合わせ、可撓性エポキシ樹脂で固めた複合材料がある（例えば、非特許文献４参照。）。
特開２００２−４４１７号公報（第２−６頁、図１） 「プレストレストコンクリート」 ＰＣａＰＣ超高層板状免震マンションヘの新たなＰＣ施工システム導入・実施報告−小田急海老名分譲マンション計画−，Ｊｕｌｙ ２００３，ｖｏｌ４５，Ｎｏ．４ ｐ５６−６２ 『日本建築学会大会学術講演梗概集』（北陸） 「ハイブリッドチューブ構造による高層集合住宅（その１計画概要）」 ２００２年８月 ｐ９８１−９８６ 『日本建築学会大会学術講演梗概集』（東海） 「ＰＣ圧着関節工法による損失制御設計に関する研究（その１柱・梁十字形骨組の実験概要）」２００３年９月 ｐ．９８７−９９８ 土木学会 耐震工学委員会『第１回免震・制震コロキウム講演論文集』（１９９６年１１月）「圧縮変形で減衰を生じる複合材料を用いた制震構造」ｐ．２４９〜２５５

本発明者らは以上の実情に鑑み、前記非特許文献１の技術によって実現した、高さが７５ｍに及ぶＰＣａＰＣ架構による高層建築の技術にさらに改善を加え、建物高さで１００ｍ超のＰＣａＰＣ架構による超高層建築物の実現に向けて技術開発を行い本発明に至った。

本発明が解決しようとする課題を列挙すると次の通りである。
（ａ）建物の長周期化を避けること
（ｂ）建物の変形エネルギーの消費を高めること

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、次の技術手段を講じたことを特徴とするＰＣａＰＣ架構である。すなわち、本発明は、高層ＰＣ架構において、１スパンを結合する上下階の横梁間にＲＣ造の壁を介装し、該壁と上下梁間に制震材料を介在させると共に、該壁と上下階の梁とを縦ＰＣ緊張材で結合したことを特徴とするＰＣａＰＣ架構である。

前記制震材料は、一定の圧縮力を付与した状態で、変形エネルギーを消費する材料とする。

前記ＲＣ造の壁は、制震材料および目地モルタルを介装して上下の梁間に取付け、上下梁及び壁体を上下に貫通するＰＣ鋼材を挿通緊張して上下梁間に圧着接合して一体化する。これによって、架構の水平剛性を高め、さらに構造物の水平変形により壁端の目地部が離間および閉鎖する際に、そこに介装されている制震材の伸縮によりエネルギーを消費させる。この時、効率よく変形エネルギーを消費させるために前記制震材料に初期圧縮力及び離間幅以上の初期変形を付与しておく。

本発明のＰＣａＰＣ架構は以上のように構成されているので、高さが１００ｍ以上にも及ぶ高層の建築物をＰＣａＰＣ架構のみで計画できるようになった。また、本発明では、地震による変形を受けても制震材料を取替える必要がない。

ＰＣａＰＣ高層架構の構造特性としては
（イ）高耐力で、大スパン架構が可能である。例えば、同一ＲＣ断面に較べ２倍強の曲げ耐力を付与できる。
（ロ）高品質で、耐久性に富む。
（ハ）架構が復元性に富み、地震動による変形対して残留変形が極めて小さい。
（ニ）部材の変形エネルギーの消費が小さい。
（ホ）地震動に対する応答変形がＲＣ構造に較べ幾らか大きい。
（ヘ）架構の周期が鉄骨ＲＣ構造に較べ長くなる。

ＰＣａＰＣ高層架構は高層化により、特に上記（ヘ）架構周期の長期化が顕著化する。そこで架構の長周期化の度合いを小さくする対策として、制震材料を介装した制震壁の採用により剛性を付加し長周期化を防止することとし、また上記（ニ）部材の変形エネルギー消費の対策としてこの制震壁の採用により、架構の変形エネルギーを消費させることとした。

本発明は、以上のように、耐震性能の高い高層のＰＣａＰＣ制震壁架構を成立させることを特徴とするもので、
（１）高層のＰＣａＰＣ架構を構成する上下梁の間に、制震材料および目地モルタルを介装して制震壁をＰＣ鋼材の緊張により圧着接合し、架構の水平剛性を高めることができる。
（２）架構の変形に伴う履歴エネルギーを制震壁の上下の目地部分に介装した制震材料により消費させ、ＰＣａＰＣ架構の応答変形を効率よく低減させることができる。

そこで、本発明は、一部の架構に最下階から適当な階まで剛性の高いＰＣａＰＣ制震壁を配置して架構の水平剛性を高め、かつ、ＰＣａＰＣ制震壁上下の圧着接合目地の両端近辺に制震材料を配置し、この制震材料により架構の変形エネルギーを消費させて建物の応答変形を小さくすることにより、高さが１００ｍを越えるＰＣａＰＣ架構を成立させようとするものである。

ＰＣａＰＣ制震壁を配置する架構は、全構面の一部でよく、また最下階から適当な階まで、例えば、概ね半分以上の階にＰＣａＰＣ制震壁を配置するとよい。

また本発明のＰＣａＰＣ架構では大きな地震動を受けた後においても架構とＰＣａＰＣ制震壁にダメージがほとんど残らず、そのまま再使用することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施例のＰＣａＰＣ架構１を示す全体斜視図、図２はその１つの階を示す斜視図である。

このＰＣａＰＣ架構１は、図２に示すように１方向が柱４０間に横梁５０を架設した１スパンをなしており、桁行方向には多数の柱４０間に桁５１、５２が架設されている。そして１スパンの上下の横梁５０の間に制震壁１０が介装されている。図１では桁行方向の３個所に位置する上下の横梁５０間に制震壁１０が設けられている。この制震壁１０はＰＣａＰＣ架構１の高さ方向には、基底部から架構１の全高さの６０％程度の高さまで設けられている。

図１ではＰＣａＰＣ架構１の柱４０は免震部材６０で支持し、地震時の架構の揺れやねじれを低減させるようにしている。

本発明に係る制震壁１０は、高層のＰＣａＰＣ架構において、架構の各上下階の梁間に制震効果のある目地材を介してＰＣａＰＣ制震壁を取付ける。この取付は制震壁に予め設けられたＰＣ鋼材通線用シースにＰＣ鋼材を通して、それを緊張することにより、各上下階の梁間にＰＣａＰＣ制震壁を圧着接合し、高層のＰＣａＰＣ制震壁構造を成立させるものである。

図３に、１スパンを結合する上下階の横梁５０間に介装したＰＣａＰＣ造の制震壁１０の正面図を示した。制震壁１０と上下梁５０との間の目地部の両端近辺に制震材料１１を介装し、さらにその他の目地部にモルタル１２を介在させる。この制震壁１０と上下階の横梁５０とを縦ＰＣ緊張材１３で結合する。

制震材料１１としては、例えば、前記非特許文献４に記載されている複合材料を用いるとよい。

制震材料１１は、変形消費エネルギーの大きい材料を用い、例えば図４に示す履歴曲線を描くような材料とする。図４は、予め一定の圧縮力と歪みとを与えた状態において変形履歴を付与した履歴曲線７１を示すものである。前記制震材料１１は、このような一定の圧縮力を付与した状態で履歴曲線を描き、変形エネルギーを消費する材料を用いるとよい。

図５はこのような制震材料のヒステリシス特性を模式的に示した履歴曲線７３を示す。

図６、図７は図５との比較のために、他の型式のダンパのヒステリシス特性を模式的に示したもので、図６は履歴型ダンパの履歴曲線７４、図７は粘性ダンパの履歴曲線７５を示している。図６、図７ではエネルギー消費は大きいが荷重をゼロに戻しても原位置に戻らず、残留歪を生じてしまう。

次に、図８は本発明の１実施例（３２階建のＰＣａＰＣ架構）のＹ方向上部構造の層間変形を同一条件の架構と同一の荷重条件の下で対比したグラフである。

図８中、
曲線７６……耐震構造で制震材のない場合
曲線７７……耐震構造で制震材がある場合
曲線７８……免震構造で制震材のない場合
曲線７９……免震構造で制震材がある場合
を示している。曲線７６は変形が大きく、これに対して、曲線７７は少し改善されている。曲線７６、７７に比べ、曲線７８は大幅に層間変形が減少しており、曲線７９はさらに優れた性能を示している。

実施例の架構の全体斜視図である。 実施例の架構の１つの階を示す斜視図である。 制震壁の取付を示す正面図である。 制震材料の特性を示すグラフである。 制震材料の特性履歴曲線を示す模式的グラフである。 比較例の特性履歴曲線を示す模式的グラフである。 比較例の特性履歴曲線を示す模式的グラフである。 本発明の効果を示すグラフである。

符号の説明

１ ＰＣａＰＣ架構
１０ 制震壁
１１ 制震材料
１２ 目地モルタル
１３ ＰＣ鋼材
２０ １、２階部分
３０ 基礎
４０ 柱
５０ 横梁
５１、５２ 桁
６０ 免震部材
７１〜７９ 曲線

Claims (5)

1. 高層ＰＣ架構において、１スパンを結合する上下階の横梁間にＲＣ造の壁を介装し、該壁と上下梁間に制震材料を介在させると共に、該壁と上下階の梁とを縦ＰＣ緊張材で結合したことを特徴とするＰＣａＰＣ架構。
2. 前記制震材料は、一定の圧縮力を付与した状態で履歴曲線を描き、変形エネルギーを消費する材料であることを特徴とする請求項１記載のＰＣａＰＣ架構。
3. 前記ＲＣ造の壁は、制震材料から成る目地材を介装して上下の梁間に取付け上下梁及び壁体を上下に貫通するＰＣ鋼材を挿通緊張して上下梁間に圧着接合したＰＣａ制震壁体であることを特徴とする請求項１又は２記載のＰＣａＰＣ架構。
4. 前記ＲＣ造の制震壁を前記ＰＣａＰＣ架構の基底部から全高さの５０〜７５％の高さまで設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のＰＣａＰＣ架構。
5. 前記制震材料に初期応力及び初期歪を付与しておくことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のＰＣａＰＣ架構。

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