JP2011032863A - 建物の制震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】建物の平面計画の自由度を十分に確保し、建物を構成する部材の点数を減少させてコストを抑えることができるとともに、十分な制震性能を確保でき、かつ居住性を向上できる建物の制震構造を提供すること。
【解決手段】建物は、ラーメン架構１０と、ラーメン架構１０内に当該ラーメン架構１０から独立して設けられた連層耐震壁２０とを備える。ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とは、異なる振動特性を有するとともに、１箇所又は複数箇所で制震装置５０を介して連結される。連層耐震壁２０とラーメン架構１０との間には、連層耐震壁２０の面外方向の変位を拘束し、面内方向の変位を許容する支承５２、５３が設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、建物の制震構造に関し、特に、十分な制震性能を確保できるとともに、居住性を向上できる建物の制震構造に関する。

従来、高層建物では、地震力や風荷重による大きな水平力が入力されると、水平方向へ大きな変形が生じるため、柱や梁の本数を多くしたり、これらの断面を大きくする構成や、耐震要素としての連層耐震壁を架構内に設ける構成を採用することにより、水平力を負担している。しかしながら、このように柱や梁の本数を増やしたり、断面を大きくしたりすると、建物内の居室空間等が狭小となって、建物の平面計画や断面計画の障害になるという問題がある。また、大きな力を負担する連層の耐震壁を採用したとしても、耐震壁の断面が大きくなることにより、前述同様に、建物の平面計画や断面計画の障害となる。

これに対して、例えば特許文献１には、連層耐震壁を有するコアの頂部に連層耐震壁の曲げ変形を誘起するトップガーダーと呼ばれる巨大な梁を形成し、このトップガーダーの端部とコアの周囲に配置される外周壁の頂部とを制震装置を介して連結する構造が開示されている。このような構造によれば、地震等の外力が入力された際に、トップガーダーを含むコアが下層階では入力外力を負担しつつ、上層階では曲げ変形するものの、この上層階の曲げ変形を制震装置が吸収することにより建物の耐震性能を十分に確保できる上、コアが外力の多くを吸収するため、外周部分の柱や梁を比較的小さくできて、建物の平面計画の自由度を増すことができる。

特開平７−２６７８６号公報

しかしながら、このような構造では、コアを構成するトップガーダーや連層耐震壁の断面をかなり大きなものとしなければならず、コストが高くなるという問題がある。これに対して、本願発明者は、振動特性の異なる、架構と連層耐震壁とを備える建物において、架構と連層耐震壁とを制震装置を介して連結することを提案している（特願２００３−４２４５２５号）。このような建物によれば、架構と連層耐震壁とが互いに異なる変形モードを示すため、例えば、変形差が大きな箇所に制震装置を配置することにより、効率的に、建物の水平方向の変形を小さく抑えることができて、架構を構成する梁や柱等の寸法や本数を小さくできコストを抑えることができる。しかしながら、架構と連層耐震壁とが独立した構成となるため、強風等の風荷重によって架構が振動する場合があり、建物の居住性が必ずしも十分ではない。

本発明の目的は、建物の平面計画の自由度を十分に確保し、建物を構成する部材の点数を減少させてコストを抑えることができるとともに、十分な制震性能を確保でき、かつ居住性を向上できる建物の制震構造を提供することにある。

本発明は、建物の制震構造であって、
前記建物は、当該建物を構成する架構と、前記架構内に当該架構から独立して設けられた平板状の独立部材要素とを備え、
前記架構と前記独立部材要素とは、異なる振動特性を有するとともに、１箇所又は複数箇所で制震装置を介して連結され、
前記独立部材要素と前記架構との間には、前記独立部材要素の面外方向の変位を拘束し、面内方向の変位を許容する支承が設けられていることを特徴とする。

ここで、振動特性の異なる架構と独立部材要素には、例えば、以下の組み合わせが考えられる。すなわち、ラーメン架構と連層耐震壁との組み合わせ、鉄骨造と鉄筋コンクリート造または鉄骨鉄筋コンクリート造との組み合わせ、剛性の異なるラーメン架構同士の組み合わせ等である。また、鉄骨造とブレース架構または鋼板耐震壁架構との組み合わせも考えられる。また、減衰装置としては、粘性ダンパ、粘弾性ダンパ、摩擦ダンパ、履歴型ダンパ等や、これらを組み合わせたもの等を採用できる。

本発明によれば、振動特性の異なる架構と独立部材要素とを備える構成としたので、架構と独立部材要素とは、それぞれ互いに異なる変形モードを示すこととなる。このため、例えば、架構と独立部材要素との変形差が比較的大きくなる箇所に制震装置を配置して連結するだけの構成で、制震装置の数が少なくても効率的に制震効果を発揮でき、建物の水平方向の変形を小さく抑えることができる。つまり、建物には、十分な耐震性能を付与できる。このように比較的簡単な構成で十分な耐震性能を確保できるので、架構を構成する梁や柱等の寸法や本数を小さくできるから、建物の平面計画の自由度を十分に確保できるとともに、建物の建設に掛かるコストを抑えることができる。

本発明の建物の制震構造によれば、建物の平面計画の自由度を十分に確保できた上で、建物を構成する部材の点数を減少させてコストを抑えることができるとともに、十分な制震性能を確保でき、かつ居住性を向上できるという効果がある。

本発明の実施形態に係る建物の制震構造を模式的に示す縦断面図である。 前記建物の制震構造を模式的に示す横断面図である。 図２の破線で囲まれた部分を拡大して示す横断面図である。 ラーメン架構と連層耐震壁とが制震装置を介して結合された状態を示す縦断面図である。 建物に対して風荷重が作用した際における、風方向と水平な方向または垂直な方向への振動数（Hz）および加速度（gal）を示す図である。 本発明の変形例に係る制震装置を介して、ラーメン架構と本体部とが結合された状態を示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る建物の制震構造を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る建物の制震構造を模式的に示す縦断面図である。図２は、前記建物の制震構造を模式的に示す横断面図である。図３は、図２の破線で囲まれた部分Ｘを拡大して示す横断面図である。図１に示すように、建物１は、柱１１および梁１２で構成される架構としてのラーメン架構１０と、ラーメン架構１０内にラーメン架構１０から独立して設けられた独立部材要素としての連層耐震壁２０と、ラーメン架構１０および連層耐震壁２０を複数箇所で連結する制震装置５０とを備えている。

ラーメン架構１０は、連層耐震壁２０よりも低剛性に構成されている。すなわち、ラーメン架構１０は、従来の一般的なラーメン架構に比べて、柱１１や梁１２の寸法を小さく形成するとともに、これらの柱１１および梁１２の点数を少なくしている。これにより、ラーメン架構１０内に設けられる居室空間等の建物内空間を十分に確保し、空間設計の自由度の向上を図っている。また、図２に示すように、ラーメン架構１０において、隣接する柱１１および梁１２により形成される矩形平面１０Ａ内には、床板１３が設けられている。このように、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との剛性が異なるので、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とは、外力に対して異なる振動特性を有している。

図１に示すように、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とは、結合箇所４０において互いに直接結合されている。結合箇所４０は、建物１を建設する建設地で発生する可能性が高い地震動の周期に対して建物１が共振しないように、建物１の固有周期を調整する目的で設けられている。また、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との間には、制震装置５０が取り付けられている。制震装置５０は、結合箇所４０による固有周期の調整を考慮し、固有周期調整後の建物１において、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との変形差が最大となる箇所に設置されている。

図３に示すように、連層耐震壁２０は、ラーメン架構１０の内側にラーメン架構１０から切り離された独立した状態として構成され、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とは制震装置５０により部分的に結合されている。図４は、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とが制震装置５０を介して結合された状態を示す縦断面図である。図４に示すように、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との間には、結合されずに互いに独立した非結合箇所Ａと、制震装置５０を介して互いに結合された結合箇所Ｂとが設けらている。非結合箇所Ａにおいて、連層耐震壁２０には、その表裏面２１Ａ，２１Ｂからそれぞれ突出するような梁部２１Ｘが形成され、床板１３Ａは、梁部２１Ｘと離間した状態で、隣接する梁１２，１２間に架け渡された２本の小梁１４，１４によって支持されている。また、結合箇所Ｂにおいて、床板１３Ｂには、梁部１５が一体的に形成されている。

制震装置５０は、上側の床板１３Ｂに設けられた梁部１５と連層耐震壁２０の梁部２１Ｘとの間に配置される減衰装置としてのオイルダンパ５１と、連層耐震壁２０を介して、隣接する上側の床板１３Ｂ同士を連結するように設置される滑り支承５２と、連層耐震壁２０の表裏面２１Ａ，２１Ｂと梁部１５との間にそれぞれ配置される接続部材としての転がり支承５３とを備えている。

オイルダンパ５１は、鉛直方向に伸縮可能に構成され、地震力や風荷重等による振動を減衰させる機能を有している。滑り支承５２は、隣接する床板１３Ｂの上面にそれぞれ取り付けられる連結部材としてのアングル材５２１と、アングル材５２１の垂直部５２１Ａと連層耐震壁２０との間に配置される滑り材５２２と、連層耐震壁２０に形成された長孔を介して、連層耐震壁２０を挟んでアングル材５２１および滑り材５２２を締め付けるように付勢する付勢部材としての皿ばね５２３とを備えている。なお、長孔は図５の紙面に直交する方向に延びるように形成されている。皿ばね５２３は、締め付け力を適宜変更することにより、滑り材５２２での滑り耐力を適宜決定することができる。転がり支承５３は、連層耐震壁２０の表裏面２１Ａ，２１Ｂに沿って摺動可能であるとともに、表裏面２１Ａ，２１Ｂと直交する方向、すなわち、図４中の左右方向へは摺動せず、表裏面２１Ａ，２１Ｂと直交する方向に力を伝達できるように構成されている。

このような建物１に対して、風荷重等の小さな水平力が作用した場合には、予め皿ばね５２３による締め付け力を所望の通り設定しておくことにより、この設定した滑り耐力までの大きさの風荷重であれば、滑り材５２２が滑らず、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とが一体化して建物１の剛性が向上するため、建物１には微少な振動等がなく十分な居住性を確保できる。

一方、強風や地震力等の、皿ばね５２３による滑り耐力よりも大きな水平力が作用した場合には、滑り材５２２が滑りだすことにより、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とが分離独立したようにそれぞれ異なる変形モード（振動特性）で振動することとなる。つまり、ラーメン架構１０は、建物１が受けるせん断力に応じて水平方向変形が生じるため、低層部では大きな層間水平方向変形が生じ、高層部では水平方向の層間変形が小さくなる。一方、連層耐震壁２０は、低層部では層間変形が小さく、高層部では曲げ変形により大きな層間変形を生じる。ここで、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とを独立した構成としたので、連層耐震壁２０は、周囲のラーメン架構１０の影響を受けないから、連層耐震壁２０の高層部では、水平方向の層間変形がより一層大きくなる。また、振動特性の違いから、ラーメン架構１０が右側へと変形する場合には、連層耐震壁２０が左側に変形するような状態となる場合もある。

そして、このような変形差が大きい箇所にオイルダンパ５１が配置されていることにより、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との大きな変形差（変位量）に応じた減衰力をオイルダンパ５１が発生させるため、建物１の振動を効果的に減衰させることができ、建物１に十分な制震機能を付与できる。

また、連層耐震壁２０と床板１３Ｂの梁部１５との間にそれぞれ転がり支承５３を設置して、連層耐震壁２０を介して隣接する左右の床板１３Ｂを連結するように構成したので水平方向への力を確実に伝達できる。このため、滑り材５２２に作用する押し付け力を安定させることができ、建物１に対して設計通りの耐震性能を付与できる。

図５は、建物に対して風荷重が作用した際における、風方向と水平な方向または垂直な方向への振動数（Hz）および加速度（gal）を示す図であり、図中の□は建物１を示し、図中の○は建物１から滑り支承５２を取り外した比較対象を示している。図５に示すように、風方向と垂直な方向への風荷重では、建物１は、３．１galで居住性評価がＨ２なのに対し、比較対象が４．５galで居住性評価がＨ３となっている。また、風方向と平行な方向への風荷重では、建物１は、２．１５galで居住性評価がＨ１なのに対し、比較対象が３．２galで居住性評価がＨ２となっている。このため、いずれの方向の風荷重に対しても、建物１は十分な居住性を確保できることが分かる。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(１)ラーメン架構１０と連層耐震壁２０とを振動特性が異なるように構成したので、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０の変形モードを確実に異ならせることができる。この際、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との変形差が大きくなる箇所に制震装置５０のオイルダンパ５１を設置したので、少ない制震装置５０でも効率的な制震効果を発揮でき、建物１の変形を小さく抑えることができる。このように比較的簡単な構成で十分な耐震性能を確保できるので、ラーメン架構１０および連層耐震壁２０を構成する部材の使用点数や寸法を小さくできて、建物１の平面計画の自由度を十分に確保できるとともに、建物１の建設に掛かるコストを抑えることができる。

(２)ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との間に、滑り支承５２とオイルダンパ５１とを並列的に設置したので、風荷重等の小さな水平力に対しては滑り支承５２が作用し、地震力等の大きな水平力に対してはオイルダンパ５１が作用する。このため、風荷重に対する建物１の居住性を向上できるとともに、ラーメン架構１０に入力される地震力を十分に低減できる。

(３)連層耐震壁２０を構成する連層耐震壁２０の表裏面２１Ａ，２１Ｂと各床板１３Ｂとの間に転がり支承５３を設置したので、滑り支承５２に導入される力を略一定とすることができ、これにより、建物１の制震性能を設計通りに機能させることができる。

(４)建設地に発生する可能性が高い地震動の周期に対して建物１が共振しないように、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との間に結合箇所４０を適宜形成して接合したので、建物１に入力される外力を小さくできる。また、結合箇所４０を適宜設定することにより、ラーメン架構１０および連層耐震壁２０が負担する水平力の割合を自由に変更できるため、建物１の設計の自由度を向上できる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されない。例えば、前記実施形態では、制震装置５０にオイルダンパと滑り支承とを採用したが、これに限らず、例えば、粘性ダンパや、履歴型ダンパ、これらを組み合わせたもの等の制震装置を採用できる。また、前記実施形態では、架構と独立部材要素とをラーメン架構１０と連層耐震壁２０としたが、これには限定らず、例えば、鉄骨造と鉄筋コンクリート造もしくは鉄骨鉄筋コンクリート造とした構成や、低剛性のラーメン架構と高剛性のラーメン架構とした構成を採用できる。また、鉄骨造とブレース架構もしくは鋼板耐震壁架構とした構成としてもよい。また、前記実施形態において、ラーメン架構１０の底部に免震装置を設置してもよい。

また、図６に示すように、制震装置５０から転がり支承５３を取り除いたような構成の制震装置１００を採用してもよい。この制震装置１００は、オイルダンパ５１と、滑り支承１１０とを備えている。滑り支承１１０は、隣接する床板１３Ｂの上面にそれぞれ取り付けられるアングル材５２１と、アングル材５２１の水平部５２１Ｂと床板１３Ｂの上面との間に配置される滑り材５２２と、床板１３Ｂに形成された長孔を介して、アングル材５２１および滑り材５２２を締め付ける皿ばね５２３とを備えている。なお、長孔は図９の紙面に直交する方向に延びるように形成されている。皿ばね５２３は、締め付け力を適宜変更することにより、滑り材５２２での滑り耐力を適宜決定することができる。このような構成とすることにより、ラーメン架構１０と連層耐震壁２０との間に、オイルダンパ５１と滑り支承１１０とを並列的に設置できるため、前記実施形態の(２)と同様の効果を奏することができる。

１ 建物 ２ 制震構造
１０ ラーメン架構 １０Ａ 矩形平面
１１ 柱 １２ 梁
１３（１３Ａ，１３Ｂ） 床板 １４ 小梁
１５ 梁部 ２０ 連層耐震壁
２１Ａ，２１Ｂ 表裏面 ２１Ｘ 梁部
４０ 結合箇所 ５０ 制震装置
５１ オイルダンパ ５２ 滑り支承
５３ 支承
１００ 制震装置 １１０ 滑り支承
５２１ アングル材
５２１Ａ 垂直部 ５２１Ｂ 水平部
５２２ 滑り材
Ａ 非結合箇所 Ｂ 結合箇所

Claims (1)

1. 建物の制震構造であって、
   前記建物は、当該建物を構成する架構と、前記架構内に当該架構から独立して設けられた平板状の独立部材要素とを備え、
   前記架構と前記独立部材要素とは、異なる振動特性を有するとともに、１箇所又は複数箇所で制震装置を介して連結され、
   前記独立部材要素と前記架構との間には、前記独立部材要素の面外方向の変位を拘束し、面内方向の変位を許容する支承が設けられていることを特徴とする建物の制震構造。

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