JP2010242449A

JP2010242449A - 既存建物の制震改修構造および制震改修方法

Info

Publication number: JP2010242449A
Application number: JP2009095028A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hanzawa; 徹也半澤; Shinichi Sakamoto; 真一坂本
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】建物周囲に十分な空間的余裕がなくても、居ながらにして施工することが可能な既存建物の制震改修構造および制震改修方法を提供する。
【解決手段】建物頂部１２ａに設置された質量体１６と、建物外周１２ｂに設置され、質量体１６の重量を支える柱１４とを備え、質量体１６と建物頂部１２ａとの間に剛性機構１８および減衰機構２０を介装するようにする。この場合、質量体１６の重量を建物１２重量の１０％程度としてもよく、質量体１６を倉庫、居室または屋上緑化構造を含むように構成してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、既存建物の制震改修構造および制震改修方法に関し、特に、居ながらにして改修することが可能な既存建物の制震改修構造および制震改修方法に関するものである。

従来、耐震性能が十分ではない既存不適格建物の改修では、ブレースや耐震壁の増設による耐力の増加、あるいはＲＣ柱への鋼板巻き立てによる靭性の向上を図るのが一般的である。また、近年では、制震ダンパーの増設による振動減衰性能の向上を図る場合もある。

しかし、上記いずれの改修にしても既存建物の内部工事が必要なため、日常の営業や執務といった建物機能を制限しなければ施工することは困難であった。

これに対して、使用中の既存建物の外部から建物周囲に耐震部材を設置する、いわゆる“居ながら改修構法”がいくつか提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、既存建物の制震改修方法として、既存建物の頂部にエネルギー吸収部を備える上部構造を増築する方法や（例えば、特許文献２参照）、既存建物の周囲に外部フレームを設置するとともに、建物頂部に弾性体を介して付加質量体を設ける方法（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

特開２０００−１４５１６２号公報特開２００５−１７１６２４号公報特開平１１−２４７４６１号公報

しかしながら、建物周囲に相応の空間的余裕がなければ、上記の従来の特許文献１等の改修方法による工事を行うことは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、建物周囲に十分な空間的余裕がなくても、居ながらにして施工することが可能な既存建物の制震改修構造および制震改修方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係る既存建物の制震改修構造は、建物頂部に設置された質量体と、前記建物外周に設置され、前記質量体の重量を支える柱とを備え、前記質量体と前記建物頂部との間に剛性機構および減衰機構を介装したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る既存建物の制震改修構造は、上述した請求項１において、前記質量体の重量が前記建物重量の１０％程度であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る既存建物の制震改修構造は、上述した請求項１または２において、前記質量体を、倉庫、居室または屋上緑化構造を含むように構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る既存建物の制震改修構造は、上述した請求項１〜３のいずれか一つにおいて、前記柱を前記建物本体にローラまたはピン支持したことを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る既存建物の制震改修方法は、建物頂部に質量体を設置する一方で、前記質量体の重量を支える柱を前記建物外周に設置し、前記質量体と前記建物頂部との間に剛性機構および減衰機構を設置することを特徴とする。

本発明によれば、建物頂部に設置された質量体と、前記建物外周に設置され、前記質量体の重量を支える柱とを備え、前記質量体と前記建物頂部との間に剛性機構および減衰機構を介装したので、建物に作用する地震力の一部は剛性機構および減衰機構を介して建物頂部の質量体に伝わり、この質量体の振動によって建物本体の振動は減衰制御される。ここで、建物外周には、質量体の重量を支える柱を設置する空間があれば足り、建物内部での工事を必要としない。したがって、建物周囲に十分な空間的余裕がなくても、居ながらにして施工することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る既存建物の制震改修構造の実施例を示す正面図である。図２は、改修前の既存建物を示す正面図である。図３は、本発明に係る既存建物の制震改修構造の解析対象の建物を示す平面図である。図４は、本発明に係る既存建物の制震改修構造の解析モデル化を説明する図であり、（ａ）は解析対象の建物を示す正面図、（ｂ）は解析モデルを示す正面図である。

以下に、本発明に係る既存建物の制震改修構造および制震改修方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１および図２に示すように、本発明に係る既存建物の制震改修構造１０は、高層の既存建物１２の外周に増設した柱１４と、建物１２の建物頂部１２ａ（屋上）に付加した質量体１６と、この質量体１６と建物頂部１２ａとの間に介装した剛性機構としての複数の積層ゴム支承１８と、減衰機構としてのオイルダンパー２０とを備える。

このように、質量体１６と建物頂部１２ａとの間に積層ゴム支承１８およびオイルダンパー２０を設置することで、ＴＭＤ（同調減衰器：Tuned Mass Damper）を構成し、地震時の建物応答の改善を図っている。

質量体１６は、建物１２の重量の１０％程度の大重量のものである。質量体１６は、倉庫、居室、休憩室、展望室または屋上緑化等の設備構造を含むように構成することができる。

柱１４は、質量体１６の重量を支持するためのものであり、建物１２の両側部１２ｂを沿うように鉛直方向にそれぞれ延在している。柱１４の下方は地盤２に支持され、上方は建物頂部１２ａを跨ぐトラス構造の架台２２に接続してある。架台２２上には、複数の積層ゴム支承１８とオイルダンパー２０とを介して質量体１６が設置してある。柱１４は、座屈を防止するために、適宜、建物１２本体との間に設けた複数のローラ支承２４により建物１２に支持される。ローラ支承２４の代わりにピン支承を用いてもよい。

オイルダンパー２０は、質量体１６の下面中央に配置してあり、その一端は質量体１６の下面に接続され、他端は架台２２の上面に接続してある。

このように、本発明の既存建物の制震改修構造１０および制震改修方法では、建物側部１２ｂ周辺の外部工事は柱１４の増設だけである。そして、この増設柱１４が建物屋上１２ａに追加した質量体１６の重量を支える。増設柱１４には、従来の特許文献３のように特別な耐震要素を設ける必要がないので、建物１２周辺の外部工事に必要な空間的余裕は少なくて済む。

ＴＭＤは、建物１２（主架構）の固有振動数と質量体１６（付加系）の固有振動数とを適切に同調させることで、建物１２（主架構）の応答の低減を図る同調減衰器である。質量体１６による付加質量はある程度大きいほうが望ましいが、あまり大き過ぎると建物１２の荷重負担が大きくなるため、通常は、建物１２の有効質量の１％程度とするのが望ましい。しかし、上記の増設柱１４を備える構成であれば、建物１２に１％以上の質量を付加させることが可能であり、例えば、建物１２の有効質量の１０％程度の質量を付加させた場合には更なる応答低減を図ることができる。

次に、本発明による制震効果について例証した数値解析について説明する。

数値解析対象の建物の規模は、図３に示すように、平面３２ｍ×１９．２ｍの１０階建ての鉄骨造りとした。この建物の均し質量を０．８ｔ／ｍ²、階質量を４９２ｔと仮定すると、建物の全質量は４９２０ｔとなる。建物の有効質量を２／３と仮定して、３２８０ｔの一質点系としてモデル化する。そして、図４（ａ）に示す本発明の既存建物の制震改修構造１０を、図４（ｂ）に示すように、主系および付加系からなる質点系としてモデル化する。

建物の固有周期は１秒、１次振動モードに対する減衰定数は２％とする。また、付加系の付加質量は、主系有効質量の１％（質量比μ＝０．０１）、１０％（質量比μ＝０．１）の２通りとする。

表１に解析諸元を示す。表１には、比較対象としての主系のみ（ダンパ無し）で構成した場合と、本発明の実施の形態に相当する付加系（μ＝０．０１および０．１）を備える場合のそれぞれについて、解析諸元としての質量ｍ（ｋｇ）、剛性係数ｋ（Ｎ／ｍ）および減衰係数ｃ（Ｎ／ｍ／ｓ）が示してある。

入力地震動は、財団法人日本建築センター模擬波（ＢＣＪ２）、エルセントロＮＳ波、タフトＥＷ波、八戸ＮＳ波の４波とする（後者３波は５０ｋｉｎｅ相当である）。解析は弾性解析とする。

表２に、解析結果（応答最大値）を示す。表２には、各構成における最大応答水平変位Ｕｍａｘ（ｍｍ）、最大応答せん断力Ｑｍａｘ（×１０⁷Ｎ）、ベースシア係数（Base Shear）が示してある。

表３に、付加系を備える場合の最大応答水平変位を「主系のみ（ダンパ無し）」の場合の最大応答水平変位で割った応答低減率を示す。表４に、平均的な層間変形角を示す。この層間変形角は、応答変位値を建物の等価高さ（建物高さ４０ｍの２／３）で割った値で示してある。

表２〜表４に示すように、いずれの入力地震動の場合も、本発明に相当する構成（付加系（μ＝０．０１および０．１）を備える場合）は、「主系のみ（ダンパ無し）」の場合に比べて建物の振動応答が低減することがわかる。特に、質量比が１０％（μ＝０．１）の場合は、１％（μ＝０．０１）の場合に比べて、応答がより低減することがわかる。

このように、本発明の既存建物の制震改修構造および制震改修方法によれば、建物外周空間が比較的手狭な場合であっても、建物内部工事を必要としない制震改修を施工することが可能である。また、本発明によれば、１０％程度の大きな質量比の質量体を用いることが可能であることから、従来（例えば質量比１％）よりも顕著な振動応答低減を実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、建物頂部に設置された質量体と、前記建物外周に設置され、前記質量体の重量を支える柱とを備え、前記質量体と前記建物頂部との間に剛性機構および減衰機構を介装したので、建物に作用する地震力の一部は剛性機構および減衰機構を介して建物頂部の質量体に伝わり、この質量体の振動によって建物本体の振動は減衰制御される。ここで、建物外周には、質量体の重量を支える柱を設置する空間があれば足り、建物内部での工事を必要としない。したがって、建物周囲に十分な空間的余裕がなくても、居ながらにして施工することができるという効果を奏する。

以上のように、本発明に係る既存建物の制震改修構造および制震改修方法は、耐震性能が十分ではない既存不適格建物の改修に有用であり、特に、建物外周空間が比較的手狭な建物の改修を、居ながらにして施工する場合に適している。

２地盤
１０既存建物の制震改修構造
１２既存建物
１２ａ建物頂部
１２ｂ建物側部
１４柱
１６質量体
１８積層ゴム支承（剛性機構）
２０オイルダンパー（減衰機構）
２２架台
２４ローラ支承

Claims

建物頂部に設置された質量体と、前記建物外周に設置され、前記質量体の重量を支える柱とを備え、前記質量体と前記建物頂部との間に剛性機構および減衰機構を介装したことを特徴とする既存建物の制震改修構造。
前記質量体の重量が前記建物重量の１０％程度であることを特徴とする請求項１に記載の既存建物の制震改修構造。
前記質量体を、倉庫、居室または屋上緑化構造を含むように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の既存建物の制震改修構造。
前記柱を前記建物本体にローラまたはピン支持したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の既存建物の制震改修構造。
建物頂部に質量体を設置する一方で、前記質量体の重量を支える柱を前記建物外周に設置し、前記質量体と前記建物頂部との間に剛性機構および減衰機構を設置することを特徴とする既存建物の制震改修方法。