JP2013504700A

JP2013504700A - 建物用構造防護システム

Info

Publication number: JP2013504700A
Application number: JP2012528315A
Authority: JP
Inventors: バルドゥッチ，アレッサンドロ
Original assignee: バルドゥッチ，アレッサンドロ
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2013-02-07
Also published as: EP2475829B1; US20140059951A1; WO2011029749A1; US20120167490A1; CN102498253A; CN102498253B; IT1395591B1; EP2475829A1; ITMC20090195A1

Abstract

建物の構造防護システムであって、建物（Ｅ）の少なくとも１つの壁に連結する少なくとも１つの支承構造（２）を有する構造防護システムである。支承構造（２）は建物（Ｅ）の壁に強固に連結し、支承構造（２）は、地震による支承構造の振動で生じたエネルギーを分散させるのに適合したエネルギー分散装置（１）を備える特殊構造である。
【選択図】図３

Description

産業上の発明に関する本特許出願は、建物の防震に対する構造システムに関する。本発明による構造システムは、重要な社会的役割を果たし戦略的建物（病院、学校、兵舎等）に分類される建物を特に参照すると、既存建物の防震に特に適しているほか、新規の建物にも適している。

図１は、先行技術による建物の防震に対する構造システムを示す。

複数の分散装置（１）が被防護建物（Ｅ）に設置され、地震による建物の振動で生じたエネルギーを分散するように設計されている。さまざまな技術により、前記分散装置（１）は建物（Ｅ）の内部または外部の壁に設置される。

建物（Ｅ）は、支承構造の骨組を備えている。骨組とは、複数の床部（Ｓ）および柱または支承壁などの鉛直部材（Ｐ）からなる架構で、複数の空間（Ｍ）を生成するためのもののことである。

少なくとも１つの分散装置（１）を前記骨組の各空間（Ｍ）に設置してブレース構成にし、好ましくは空間（Ｍ）に対して筋交いの方向に設置する。

各分散装置は、２つの剛性ロッド間に配置される分散手段（１ｃ）を備えている。

分散装置の第１のロッドの第１の端部（１ａ）が、空間の下方床部（Ｓ）と建物の第１の側壁との間の一角に結合している。

分散装置の第２のロッドの第２の端部（１ｂ）が、空間の上方床部（Ｓ）と建物の第２の中間壁との間の一角に結合している。

そのため、各分散装置（１）は自律的に働き、骨組の各空間（Ｍ）の壁を変形させる力を相殺する役割を果たす。

このような構造システムには、分散装置（１）を建物の内部に配置しなければならないために起きる一連の欠点により問題が生じる。

特開平９−２３５８９０（鹿島建設株式会社）には、既存の建物に対する補強および制振構造が開示されている。

特開平９−２３５８９０

本発明の目的は、地震による建物の振動に効率的かつ有効に対抗することができる構造システムを開示することにより、先行技術の欠点を解消することである。

本発明のもう一つの目的は、用途が広いと同時に製造、設置および維持管理が容易な建物の防震に対する構造システムを提供することである。

これらの目的は、独立請求項１で特許請求した特徴を持つ本発明に従って達成される。

有利な実施形態を従属請求項に開示している。

本発明によれば、被防震建物は、エネルギーの分散によって地震作用に対抗するように設計した特殊構造を併用するものである。

既存建物の場合、この特殊構造は、建物内部に一切手を加える必要なく外部の位置に簡単に設置することができる。

特殊構造は、適切な剛性を有する塔または架構または支柱からなり、通常各階に配置する２つのヒンジを有する剛性ロッド手段によって建物に連結させることができる。

以下の説明では、簡略化のため、塔で構成する特殊構造を常に参照する。

塔は、球形の接合部材またはヒンジのある基礎に連結する。そのため、塔はこの球形接合部材の周りをどのような方向に対しても自由に振動し、接合部材（回転の中心）で回転し、枢動する。

分散装置またはダンパを塔の基礎周囲に取り付けると、塔の回転および振動に強く対抗し、それによって動きが阻害され、ヒステリシスサイクルによってエネルギーが分散される。

分散装置の変位（移動：伸張および収縮）を増幅させるため、クランクを用いて操作する適切な機構を提供してもよい。

塔の基礎に集中する全体的な分散システムは、どのような種類のものであってもよい。

そのため、塔の主要機能は、包括型の分散装置（ダンパ）を設置する特別領域にエネルギーを分散させることにより、地震で発生する作用に対抗することである。

塔の再センタリング（バランシング）は、建物の構造の弾性によって達成されるほか、エネルギー分散手段に平行に連結させることができる弾性部材によっても達成される。

新規の建物では、耐震分散部材として作用する塔を建物内部に搭載することができる（例えば階段の吹き抜けやエレベータの領域）。

本発明の構造システムには、公知のシステムと比較していくつかの利点がある。

建物内部に作製され、構造に対する作業以外にも追加の作業を要する従来のシステムと比較して顕著なコスト削減が達成できる。

外部の耐震分散構造は空間タイプのもの（塔）であれば、利用に適した追加の容積ができ（増築）、この部分自体は目的ではなくなるため（構造タイプのもののみ）、地震への適応コストの発生率が低くなる。

このような耐震分散構造は、鉛直連結素子（階段、エレベータ）または非常階段とすることができる。頻繁に設置される公共建物の外側にある鋼鉄製の非常階段を参照すると、本発明の構造システムによって設計すればこれらも防震要素とすることができる。

分散装置の維持管理は、維持管理の作業中に建物の使用を妨げることなく実施することができるため、一時的に使用を中断することにより生じるコストが削減される。

特殊構造の設置は、被防護建物の通常の使用を妨げることなく実施することができる。

分散装置は、限定寸法の１箇所の特別領域に集中し（塔の基礎）、その結果、検査および維持管理が容易になる。超高層建物の場合、この特別分散領域は塔の基礎だけでなくさらに高い位置に設定してもよい。

本発明の分散システムは、本装置の利点を最大に活かして高効率を保証し、１箇所の特別領域に集中する耐震装置の高い有効性を保証するものであるが、それに対して建物に分布させた装置を用いる公知の方法による操作は、特に構造外素子（一般に壁など）の存在が原因で起こる建物全体の不確かな地震反応による影響を受けるものであった。

剛性ロッドを用いて連結した鉛直に広がる外部耐震構造（塔、架構、支柱）の剛性は、一般に不規則である地震に左右される建物の変形（水平床部の変位）を規則的にするものである。

内部作業の場合のように、建物に変化を一切加えないため、システムの完全な可逆性が保証される。

病院または学校の建物の場合、本発明の構造システムを建築の観点から正確に検証したとすると、追加構造（新たな空間やサービスなど）を使用して改善した設計および操作を提供することができる。これは、追加構造の形状は応用性が高いという理由から可能なことでもある（例えば、塔は正方形、長方形、多角形、円形などの形状にしたり、一定の高さにしたり、縦にテーパ状にしたりすることができる）。

本発明のその他の特徴は、添付の図面に示した以下の詳細な説明文から明らかになると思われるが、これは単なる例にすぎず、実施形態を限定するものではない。

先行技術による建物の防震に対する構造システムを示す鉛直面に沿った断面図である。本発明による建物の防震に対する構造システムの第１の実施形態を示す鉛直面に沿った断面図であり、エネルギー分散システムを有する特殊構造を示す図である。図２と同じ図であるが、本発明の構造システムの第２の実施形態を示し、基礎に集中するエネルギー分散システムを有する特殊構造を示す点が異なる。図３の構造システムの平面図である。図３の構造システムの斜視図である。図３と同じ図であるが、図３のエネルギー分散システムとは別のバージョンを示し、エネルギー分散装置の移動を増大させるレバー機構を備える点が異なる。図６の円（Ａ）内の詳細拡大図である。図６と同じ図であるが、地震の最中の図６の構造システムの振動を示す点が異なる。図７の円（Ａ）および（Α’）内の詳細拡大図である。本発明の構造システムの別のバーションを示す両側の立面図であり、特殊構造が平面架構の図である。本発明の構造システムの別のバーションを示す両側の立面図であり、特殊構造が平面架構の図である。図８および図９の構造システムの平面図である。建物内部の中心部分に配置した特殊構造を示す鉛直面に沿った断面図である。本発明の構造システムの別のバーションを示す両側の立面図であり、特殊構造が支柱の図である。本発明の構造システムの別のバーションを示す両側の立面図であり、特殊構造が支柱の図である。図１２の構造システムの平面図である。図２の構造システムの斜視図である。

次に、図２を参照すると、本発明による建物の防震に対する構造システムの第１の実施形態が開示されている。

被防護建物（Ｅ）は、水平面に沿って配置した床部（Ｓ）で画定した複数の階層を有する。本発明の構造システムは、建物（Ｅ）に強固に連結する少なくとも１つの支承構造（２）を有する。

支承構造（２）は、基本的に高さが建物（Ｅ）と同じであり、複数の剛性ロッド（３）を用いて建物に強固に連結する。ロッド（３）は、建物（Ｅ）の壁に結合する第１の端部（３ａ）と、支承構造（２）に結合する第２の端部（３ｂ）とを備える。

有利には、支承構造（２）は、建物（Ｅ）の床部（Ｓ）と同じ高さに配置する複数の水平補強材（Ｓ’）を備える。有利には、剛性ロッド（３）は、建物の床部（Ｓ）およびそれに対応する支承構造の補強材（Ｓ’）の位置に水平直線に沿って配置する。

支承構造（２）は、地震により支承構造（２）が起こす振動のエネルギーを分散するように適合したエネルギー分散システムを有する特殊構造になっている。

特殊構造（２）は、建物（Ｅ）に強固に連結していることに注意する必要がある。これによって特殊構造のエネルギー分散システムを相殺することができるとともに、衝撃が起きている間に建物（Ｅ）が引き起こす振動を減衰することができる。

図２の実施形態によれば、特殊構造（２）は、建物（Ｅ）外部に配置する塔であり、水平補強材はこの塔の床部（Ｓ’）であり、建物（Ｅ）に面する第１の鉛直壁（２ａ）とこの第１の鉛直壁（２ａ）の反対側にある第２の鉛直壁（２ｂ）との間に配置する。このようにすると、塔（２）内に平行六面体の空間（Ｖ）の鉛直列ができる。

塔（２）の各空間（Ｖ）に１つの分散装置（１）を筋交いに配置してブレース構成にし、特殊構造（２）のエネルギー分散システムを生成して特殊構造の高さ全体に沿って分布するようにする。

分散装置は、２つの剛性ロッド間に配置するエネルギー分散手段（１ｃ）を有する。エネルギー分散手段（１ｃ）は、例えば流体を含むチャンバである。弾性手段、ばね手段またはダンパなどの衝撃吸収部材は、エネルギー分散手段（１ｃ）と平行な位置に配置することができる。

各空間（Ｖ）にある分散装置（１）は、
− 空間（Ｖ）の下方床部（Ｓ’）と塔の第１の側壁（２ａ）との間の一角に結合する第１の端部（１ａ）と、
− 空間（Ｖ）の上方床部（Ｓ’）と塔の第２の側壁（２ｂ）との間の一角に結合する第２の端部（１ｂ）と
を有する。

以下の説明では、同一の部材またはすでに記載した部材と一致する部材には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

図３から図５は、本発明の構造システムの第２の実施形態を示すものであり、分散システムは塔（２）の基礎に集中している。

このような場合、塔の基礎（２）は、地面に固定した基礎（Ｂ）に取り付ける球形の接合部材またはヒンジ（４）に結合させる。塔（２）の鉛直軸は球形接合部材（４）の中心を通過する。

球形接合部材（４）の周囲の周辺位置に複数の分散装置（１）を配置する。各分散装置（１）は、基礎（Ｂ）に結合する第１の端部（１ａ）と、塔の基礎に結合する第２の端部（１ｂ）を備える。

塔（２）は、逆ピラミッド型の基礎（２０）を有し、このミラミッドの頂点が球形接合部材（４）に結合することが有利である。

図４に示すように、長方形の建物（Ｅ）を防護するには、２つの特殊構造（２）で十分であり、この両構造は、建物の長い方の両側面で建物の対角近辺に配置する。

塔（２）を建物（Ｅ）に連結するシステムは、各床部に４つの剛性ロッド（３）を有し、建物（Ｅ）に３つの連結ヒンジ（３ａ）および塔に２つの連結ヒンジ（３ｂ）を備えるＷ字型構成に配置する。

図５に示すように、各塔（２）は、塔の基礎の４つ角および塔の基礎の４側面の中央線に沿って配置する８つの分散装置（１）で制動する。

図６、６Ａ、７および７Ａには、エネルギー分散システムの別のバージョンを示している。

図６Ａに示すように、このバージョンでは、各分散装置（１）をレバー機構（５）に連結して分散装置（１）の移動、すなわち分散装置（１）の伸張・収縮を増大させて塔（２）の振動を相殺する。

レバー機構（５）は、２つのレバー（Ｌ１、Ｌ２）を有する。第１のレバー（Ｌ１）は、基礎（Ｂ）に結合したフランジ（５０）の突起部（５１）に対して中心点（Ｆ１）を中心に枢動する。第２のレバー（Ｌ２）は、塔の基礎（２０）に結合したフランジ（５２）の突起部で枢動する第１の端部（Ｌａ）と、第１のレバー（Ｌ１）の一方の端部で枢動する第２の端部（Ｌｂ）とを有する。

分散装置（１）は、塔の基礎（２０）に結合したフランジ（５２）の突起部で枢動する第１の端部（１ａ）と、第１のレバー（Ｌ１）のもう一方の端部で枢動する第２の端部（１ｂ）とを有する。

アイドル状態では、分散装置（１）は基本的に第２のレバー（Ｌ２）と同じ長さで、第２のレバー（Ｌ２）と平行であり、第１のレバー（Ｌ１）、第２のレバー（Ｌ２）、フランジ（５２）および分散装置（１）が支点（Ｆ１）の周りを振動することができる連結式の四角形を形成するようにする。

図７および７Ａのように、建物（Ｅ）が地震による振動を受けるとき、建物（Ｅ）に強固に結合している塔（２）も塔の頂上に水平変位（δ_Ｏ）が起きる。その結果、塔の基礎（２０）は鉛直変位（δ_Ｖ）が起き、この変位は分散装置（１）に制動、相殺される。

Ｌｉをアイドル状態にある分散装置の長さとし、Ｌｆを塔の振動による圧縮または伸張後の分散装置の長さとすると、分散装置の移動は次式で決定される。
δ_Ｄ＝｜Ｌｉ−Ｌｆ｜

分散装置の移動（δ_Ｄ）は、レバー機構（５）および塔の基礎の鉛直変位（δ_Ｖ）に関連している。

（ｂ１）は、第１のレバー（Ｌ１）の支点（Ｆ１）と、第２のレバー（Ｌ２）と第１のレバー（Ｌ１）との支点（Ｌｂ）との間の距離である。

（ｂ２）は、第１のレバー（Ｌ１）の支点（Ｆ１）と、分散装置（１）と第１のレバー（Ｌ１）との支点（１ｂ）との間の距離である。

図７Ａに示すように、分散装置の移動は、次式で決定される。
δ_Ｄ＝｜Ｌｉ−Ｌｆ｜＝δ_Ｖ*（１＋ｂ２／ｂ１）

支点（Ｆ１）が第１のレバー（Ｌ１）の中心、すなわち（ｂ１＝ｂ２）とすると、分散装置の移動は、
δ_Ｄ＝２*δ_Ｖ
となる。

分散装置（１）の伸張または収縮は、塔の基礎（２０）の鉛直変位（δ_Ｖ）の２倍になる。

図８、９および１０を参照すると、本発明の構造システムの別のバージョンが開示されているが、特殊構造は、例えば網状の骨組で構成される平面架構（１０２）である。

この場合も同じく、分散装置（１）は架構（１０２）の基礎に配置することができる。架構（１０２）は、球形接合部材の代わりに平面状のヒンジ（１０４）を用いて地面に結合している。

図１０に示すように、長方形の建物を防護するには、４つの骨組（１０２）が必要であり、この４つを建物の４側面に配置する。

図３、５、６、７、８および９は、５階の建物および特殊構造（２；１０２）を示し、この構造の基礎のみに集中したエネルギー分散システムを備えている。

しかし、これよりも高い建物の場合、各特殊構造は、中央のヒンジで互いに結合した複数の重複部分で作製し、このヒンジの周りに分散装置を配置してもよい。支承構造のさまざまな部分同士の連結は、支承構造の基礎を地面に連結する方法とまったく同じ方法で行う。

図１１のように、新規の建物（Ｅ）が建設された場合、特殊構造（２０２）を建物の中心、つまり建物の内壁に強固に連結した建物内部の塔とすることができる。

このような場合、塔（２０２）には前述の実施形態で説明したシステムのような特殊なエネルギー分散システムを備える。

図１２、１２Ａ、１３および１４を参照すると、本発明の構造システムの別のバージョンだが、特殊構造は支柱（３０２）である。

この場合も同じく、分散装置（１）は支柱（３０２）の基礎に配置することができる。支柱（３０２）は、球形接合部材（４）を用いて地面に固定する。

図１２Ａは、本発明の一実施形態を示し、支柱（３０２）の基礎は水平面であり、この水平面の下に分散装置（１）および適度に増大させるレバー機構（５）を取り付ける。

図１３および１４に示すように、長方形の建物を防護するには、５つの支柱（３０２）が必要であり、この支柱を建物の長い方の両側面で列にして配置する。支柱（３０２）は剛性ロッド（３０３）を用いて互いに連結する。

本発明の本実施形態には、その分野の専門家による多数の変形例および修正が可能だが、添付の特許請求の範囲で請求したように、本発明の範囲内とする。

Claims

前記建物（Ｅ）の少なくとも１つの壁に連結する少なくとも１つの支承構造（２、１０２、２０２、３０２）を有する建物の構造防護システムであって、
前記支承構造（２、１０２、２０２、３０２）は前記建物（Ｅ）の壁に強固に連結し、
前記支承構造（２、１０２、２０２、３０２）は、地震による支承構造の振動によって生じるエネルギーを分散するように適合したエネルギー分散システム（１）を有する特殊構造である構造システムにおいて、
前記支承構造（２、１０２、２０２、３０２）は基礎（２０）を有し、前記エネルギー分散システム（１）は地面と前記支承構造の前記基礎（２０）との間に設置し、前記支承構造の前記基礎（２０）は、少なくとも１つの球形接合部材（４）またはヒンジ（１０４）を用いて前記地面に結合し、
前記球形接合部材（４）またはヒンジ（１０４）は前記支承構造の前記鉛直軸に設置し、前記エネルギー分散装置（１）は前記球形接合部材（４）またはヒンジ（１０４）に対して周辺位置に設置することを特徴とする構造防護システム。
前記支承構造（２、１０２、２０２、３０２）は、前記建物の壁に連結する第１の端部（３ａ）と前記支承構造（２）に連結する第２の端部（３ｂ）とを有する剛性ロッド（３）を用いて、前記建物（Ｅ）の前記壁に強固に連結することを特徴とする、請求項１に記載の構造システム。
前記剛性ロッド（３）は、前記建物の前記床部（Ｓ）に対する水平面に沿って設置し、前記支承構造（２、１０２）は、前記建物の前記床部（Ｓ）に対する水平面に沿って設置した補強材（Ｓ’）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の構造システム。
前記エネルギー分散システムは、２つの剛性ロッド間に設置したエネルギー分散手段（１ｃ）を有する複数のエネルギー分散装置（１）で構成することを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の構造システム。
前記エネルギー分散装置（１）は、前記エネルギー分散手段（１ｃ）に対して平行位置に設置した衝撃吸収部材を備えることを特徴とする、請求項４に記載の構造システム。
前記エネルギー分散装置（１）は、地面に結合する第１の端部（１ａ）と、前記支承構造の前記基礎（２０）に結合する第２の端部（１ｂ）とを有することを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の構造システム。
前記エネルギー分散システムは、前記支承構造の振動中に前記エネルギー分散装置（１）の移動を増大させるように適合したレバー機構（５）を備えることを特徴とする、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の構造システム。
前記レバー機構（５）は、地面に結合するフランジで枢動する第１のレバー（Ｌ１）と、前記支承構造の前記基礎で枢動する端部（Ｌａ）および前記第１のレバー（Ｌ１）で枢動する第２の端部（Ｌｂ）を有する第２のレバー（Ｌ２）とを備え、前記エネルギー分散装置（１）は、前記支承構造の前記基礎で枢動する第１の端部（１ａ）と前記第１のレバー（Ｌ１）で枢動する第２の端部（１ｂ）とを有することを特徴とする、請求項７に記載の構造システム。
前記支承構造（２）は、前記建物（Ｅ）外部にある塔であることを特徴とする、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の構造システム。
前記支承構造（１０２）は、前記建物（Ｅ）外部にある平面架構であることを特徴とする、請求項１から８のうちいずれか一項に記載の構造システム。
前記支承構造（２０２）は、前記建物（Ｅ）内部に位置する塔であることを特徴とする、請求項１から８のうちいずれか一項に記載の構造システム。
前記支承構造（３０２）は支柱であることを特徴とする、請求項１から８のうちいずれか一項に記載の構造システム。
前記支承構造（２；１０２；２０２；３０２）は、中央のヒンジで互いに結合した複数の重複部分で構成し、該ヒンジの周りに前記エネルギー分散装置（１）を設置することを特徴とする、請求項１〜１２のうちいずれか一項に記載の構造システム。