JP2017125324A

JP2017125324A - 免震構造物

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Publication number: JP2017125324A
Application number: JP2016004498A
Authority: JP
Inventors: 杉本　浩一; Koichi Sugimoto; 浩一杉本
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-20

Abstract

【課題】耐震性能に優れた免震構造物を提供する。【解決手段】それぞれ免震装置３、４で支持され、自立して構築される一方の免震構造体１と他方の免震構造体２を備え、バネ要素５ａと減衰要素５ｂを備えてなる制振装置５で一方の免震構造体１と他方の免震構造体２を連結する。且つ、一方の免震構造体１と他方の免震構造体２のいずれかを支持する免震装置３を滑り支承とする。【選択図】図１

Description

本発明は、免震建物などの免震構造物に関する。

積層ゴム支承などの免震装置で支持することにより、免震性能を付与した免震建物（免震構造物）も１９９５年の兵庫県南部地震以降急激に増加しているが、長周期地震動や巨大地震が発生した際に免震装置（免震層）の変形が過大となると、擁壁に衝突したり、積層ゴム支承が破断する可能性がある。

ここで、免震層変位を低減するだけであれば、免震層に付加する減衰量を増加することで解決できるが、減衰量を増加するだけでは逆に加速度が増加し居住性が損なわれてしまう。すなわち、変位と加速度はトレードオフ関係にあり、加速度の増加を抑制しながら変位を低減できるようにすることが重要である。

これに対し、例えば、建物の固有周期をより長周期化させるために、積層ゴム支承だけでなく滑り支承を併用した免震建物や、共通の免震基礎上に複数の建物を構築し、これら建物同士を制振装置を備えた連結架構で連結する構造などが提案、実用化されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

また、ＴＭＤ（Tuned Mass Damper）と称する制振装置を建物の頂部側（屋上など）に設置し、建物の地震時応答を低減させることも実用化されている。

ＴＭＤは、例えば、付帯フレームに振り子（錘体（重錘））を取り付け、錘体が往復振動する１自由度振動系として構成されている。そして、建物の１次固有周期と同調させて、建物の振動と逆方向に錘体を振動させることにより、すなわち、錘体が振動することによる慣性抵抗力（慣性質量効果）を利用することにより、建物に作用した地震エネルギーを減衰させ、建物の応答を低減させることができる。

特開２０１３−１７７７４４号公報特開２０１０−２０３１９２号公報特開２００３−５６２０４号公報

ここで、ＴＭＤ機構を利用した制震構造は数多く提案され、多くの実建物にも適用されているが、上記の通り、建物頂部にＴＭＤを設置するのが一般的である。また、免震建物に対しては、現在においてＴＭＤ機構を採用したものは実存しない。

ちなみに、上記の特許文献１に開示された免震機構は、免震層に同調質量ダンパーを設置し、上部構造の２次モード以上の高次モードに同調させる機構であり、免震建物の主な応答である１次モードには同調していない。その理由は、１次モードに同調させるためには、より大きな質量が必要となることや接続するばね要素の剛性を小さくすることで錘自体の応答変位が大きくなる懸念があるからである。また、ＴＭＤとして使用する錘が錘のみの用途であり、建築用途として使用できる提案とはなっていない。

本発明は、上記事情に鑑み、耐震性能に優れた免震構造物を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の免震構造物は、それぞれ免震装置で支持され、自立して構築される一方の免震構造体と他方の免震構造体を備え、バネ要素と減衰要素を備えてなる制振装置で前記一方の免震構造体と前記他方の免震構造体が連結され、且つ、前記一方の免震構造体と前記他方の免震構造体のいずれかを支持する前記免震装置が滑り支承であることを特徴とする。

また、本発明の免震構造物においては、前記一方の免震構造体と前記他方の免震構造体のいずれかを支持する前記免震装置が傾斜滑り支承であることが望ましい。

本発明の免震構造物においては、一方の免震構造体と他方の免震構造体をそれぞれ免震装置で支持するとともに、これら一方の免震構造体と他方の免震構造体をバネ要素と減衰要素によって最適剛性、最適減衰で連結し、且ついずれかの免震装置として滑り支承を採用することにより、一方の免震構造体／他方の免震構造体の応答加速度の増加を抑制しながら応答変位を大きく低減することが可能になる。

また、滑り支承として復元機能を有する滑り支承（傾斜滑り支承）を適用することにより、復元機能を備えない滑り支承と同等の加速度応答の低減効果を発揮しつつ、残留変形をなくし、且つ一方の免震構造体と他方の免震構造体の相対変形を低減することが可能になる。

このように一方の免震構造体又は他方の免震構造体の残留変位をなくすことができることにより、一方の免震構造体と他方の免震構造体の相対変形も小さくなるため、建築計画の自由度を広げることができる。

また、免震構造物の一部（一方の免震構造体又は他方の免震構造体）をＴＭＤの錘として用いることにより、錘質量を大きくでき、多くの振動モードに同調させることが可能になる。

さらに、滑り支承／傾斜滑り支承のみで免震構造体を支持することにより、一方の免震構造体と他方の免震構造体ともに応答加速度を２００ｃｍ／ｓ^２以下に抑制することが可能になり、双方の免震構造体を居住空間として十分使用することができる。

本発明の第１実施形態に係る免震構造物を示す図である。図１のＸ１−Ｘ１線矢視図である。本発明の第１実施形態に係る免震構造物の解析モデルを示す図である。シミュレーションで用いた入力地震動の応答スペクトルを示す図である。シミュレーション結果であり、各ケースの建物周囲部（他方の免震構造体）の応答変位と応答加速度の比を示す図である。シミュレーション結果であり、建物周囲部（他方の免震構造体）の変位波形を示す図である。シミュレーション結果であり、建物中央部（一方の免震構造体）と建物周囲部（他方の免震構造体）の相対変形波形を示す図である。本発明の第２実施形態に係る免震構造物を示す図である。図８のＸ１−Ｘ１線矢視図である。本発明の第２実施形態に係る免震構造物の解析モデルを示す図である。シミュレーション結果であり、各ケースの他方の免震構造体の応答変位と応答加速度の比を示す図である。シミュレーション結果であり、他方の免震構造体の変位波形を示す図である。シミュレーション結果であり、一方の免震構造体と他方の免震構造体の相対変形波形を示す図である。

以下、図１から図７を参照し、本発明の第１実施形態に係る免震構造物について説明する。

本実施形態の免震構造物Ａは、免震建物であり、図１及び図２に示すように、それぞれ自立した建物中央部（中央コア部／一方の免震構造体）１と、建物中央部１を囲繞するように周囲に配設された建物周囲部（他方の免震構造体）２を備えている。

また、建物中央部１と建物周囲部２はそれぞれ下部に免震層を備え、本実施形態では、建物中央部１が滑り支承（免震装置）３、建物周囲部２が積層ゴム支承（免震装置）４にそれぞれ支持されて立設されている。

さらに、建物中央部１と建物周囲部２は、バネ要素５ａと減衰要素５ｂ（バネ要素５ａと減衰要素５ｂを備えた制振装置５）を介して連結されている。すなわち、１つの免震構造物Ａの中で、積層ゴム支承４で支持された建物周囲部２と滑り支承３で支持された建物中央部１の免震構造同士をバネ要素５ａと減衰要素５ｂで連結する構造としている。これにより、建物中央部１（建物中央部１と建物周囲部２の相互）がＴＭＤの錘要素として機能することになる。

このように構成することによって、本実施形態の免震構造物Ａは、通常の免震建物と比較し、建物周囲部２の免震層の応答加速度の増加を抑えながら応答変位を低減させることが可能になる。

より具体的に、本実施形態の免震構造物Ａは、建物の一部である建物中央部（一方の免震構造体）１をＴＭＤの錘として使用したものである。建物の一部をＴＭＤの錘として使用するため、比較的大きな質量（最大質量比１００％程度まで）とすることができ、建物周囲部（他方の免震構造体）２の１次モードを含む多くの振動モードに同調することが可能になる。これにより、別途新たに錘を設置する必要がない。ちなみに、一般的なＴＭＤの錘は建物重量の０．５〜１．０％程度である。

また、ＴＭＤの錘として機能する建物中央部１を滑り支承３で支持することにより、建物中央部１も居住空間として使用することが可能になる。

すなわち、建物中央部１に免震機能が付与されることで地震時に応答加速度が一定の大きさで打ち切られる。このため、建物中央部１に大きな加速度が伝達されることがなく、さらに、滑り支承３として傾斜滑り支承を用いればその傾斜による復元機能によって残留変形を少なくすることができ、且つ建物周囲部２との相対変形を小さくすることができる。このように建物中央部１の応答加速度を抑えることができることにより、錘としての用途だけでなく居住空間として使用することが可能になる。

なお、傾斜滑り支承３の摩擦係数μは０．０５〜０．１０程度、傾斜角は１／１００〜１／３０程度にすることが好ましい。

また、１つの建物の中で、積層ゴム支承４で支持された建物周囲部２と傾斜滑り支承３で支持された建物中央部１を連結、すなわち免震構造体同士をバネ要素５ａと減衰要素５ｂで連結する構造としたことにより、通常の免震建物と比較し、建物周囲部２の免震層の応答加速度の増加を抑えながら応答変位を低減させることが可能になる。

ここで、図３に示す１質点系連結モデルを用いて時刻歴応答解析を行うことにより、本実施形態の免震構造物Ａの応答低減効果を検証したシミュレーションについて説明する。

まず、解析モデルを次のように設定した。
建物周囲部（他方の免震構造体）２は積層ゴム支承４で支持された構造とし、ＴＭＤの錘に相当する建物中央部（一方の免震構造体）１は傾斜滑り支承３で支持された構造とした。また、建物周囲部２と建物中央部１は、ｋ_３とｃ_３のバネ要素５ａと減衰要素５ｂによって連結した。ｋ_３とｃ_３の諸元は、図３中に点線で囲んだ範囲において定点理論を適用して算出した。

表１に解析に使用した具体的な解析モデルの諸元を示す。なお、本シミュレーションで用いた解析諸元はあくまで一例である。

ＴＭＤとしての最適剛性ｋ_３と最適減衰係数ｃ_３は次のように設定した。建物周囲部２の固有周期をＴ_１、Ｍ_１’とｋ_３から構成される固有周期をＴ_２、建物周囲部２と建物中央部１の質量比をξとすると、下記の式（１）からＴ_２が算出され、最適剛性ｋ_３が求まる。
ここで、本シミュレーションでは、建物周囲部２の質量を１００００ｔ、建物中央部１の質量を５０００ｔに設定し、ξ＝０．５とした。

また、下記の式（２）から最適減衰定数ｈ_ｏｐｔを算出し、最適減衰係数ｃ_３が求められる。

そして、本シミュレーションにおいて、建物周囲部２は質量を１００００ｔ、免震周期４秒、減衰定数２０％の免震建物とし、積層ゴム支承が線形の天然ゴムであるものとしてモデル化した。

建物中央部１は建物周囲部２の半分の質量とし、傾斜滑り支承３によって支持されているものとした。傾斜滑り支承３の摩擦係数は０．０５とし、傾斜角度は１／７０とした。

建物周囲部２と建物中央部１はバネ要素ｋ_３と減衰要素ｃ_３によって連結し、これらの諸元は、前述の通り、定点理論（式（１）、式（２））により設定した。

また、本シミュレーションでは、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の３ケースを比較することによって、本発明に係る建物の優位性の検証を行った。
ここで、Ｃａｓｅ１は建物周囲部２のみで構成したものとした。
Ｃａｓｅ２は、建物中央部１をＴＭＤの錘とした時の最適同調したバネ要素５ａと減衰要素５ｂで建物周囲部２と建物中央部１を連結し、さらに建物中央部１に傾斜滑り支承３を用いて構成したものとした。
Ｃａｓｅ３は、Ｃａｓｅ２における傾斜滑り支承３の傾斜角をなくし、単純な滑り支承として構成したものとした。

次に、本シミュレーションの時刻歴応答解析に用いた入力地震動を表２に示す。また、図４は各地震動の加速度応答スペクトルと変位応答スペクトルを示している（減衰２０％時）。また、ＥＬＣＥＮＴＲＯ波と八戸波は５０ｃｍ／ｓ（Ｌｖ２相当）に基準化して入力した。

次に、解析結果について説明する。
表３は、Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ３の建物周囲部２の最大変位と最大加速度を示している。さらに、図４（ａ）と図４（ｂ）はそれぞれ、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ２のＣａｓｅ１に対する応答比率を示している。

まず、Ｃａｓｅ１とＣａｓｅ３を比較すると、Ｃａｓｅ３の建物周囲部２は、表３と図５（ａ）より、ＥＬＣＥＮＴＲＯを入力した場合に応答加速度が１３％増加しているが、その他の地震動においては加速度の増加を抑制しながら変位を低減できることが確認された。特に、八戸、３Ｂにおいては、加速度と変位の両方を低減することが可能であった。

また、表４から、建物中央部１の応答を見ると、Ｃａｓｅ３では滑り支承３により建物中央部１に伝達される力が小さくなり、全ての地震動において一般的な免震建物の応答目標とされる２００ｃｍ／ｓ^２以下に抑制できることが確認された。

一方、Ｃａｓｅ３は、免震装置に復元機能（傾斜角）がないため、残留変形（最大で１０．７ｃｍ）が生じることも確認された。

次に、傾斜角を付けた傾斜滑り支承３を採用したＣａｓｅ２の応答について説明する。

建物周囲部２の応答は、表３と図５（ｂ）のＣａｓｅ２のＣａｓｅ１に対する応答比から、免震装置に傾斜角がある分Ｃａｓｅ３よりも加速度が数％増加する地震動があるものの、変位の低減効果はＣａｓｅ３とほぼ同等であることが確認された。

一方、建物中央部１の応答加速度は、免震装置に傾斜がある場合であっても全ての地震動に対して２００ｃｍ／ｓ^２以下となることが確認された。また、表４から、残留変形がほとんど生じないことが確認された。

次に、Ｃａｓｅ２の建物周囲部２と建物中央部１の相対変形は、Ｃａｓｅ３と比較すると３Ｂで約２３％減少することが確認できたが、他の地震動では大きな差は認められなかった。

ここで、図６、図７に３Ｂを入力した際のＣａｓｅ２とＣａｓｅ３の建物中央部１の変位波形と、建物周囲部２と建物中央部１の相対変形波形を重ねて示す。
図６から、免震装置に傾斜があることによって建物中央部１の変位が減少し、残留が生じないことが確認された。また、図７から、相対変形もＣａｓｅ２の方がＣａｓｅ３よりも減少することが確認された。

したがって、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、建物周囲部２と建物中央部１をそれぞれ免震装置で支持するとともに最適剛性、最適減衰で連結し、且つ建物中央部１を支持する免震装置として滑り支承３を採用することにより、建物周囲部２の応答加速度の増加を抑制しながら応答変位を大きく低減することが可能になる。

また、滑り支承３として復元機能を有する滑り支承（傾斜滑り支承）を適用することにより、復元機能を備えない滑り支承と同等の加速度応答の低減効果を発揮しつつ、残留変形をなくし、且つ建物周囲部２との相対変形を低減することが可能になる。

このように建物中央部１の残留変位をなくすことができることにより、建物中央部１と建物周囲部２の相対変形も小さくなるため、建築計画の自由度を広げることができる。

また、建物の一部をＴＭＤの錘として用いることにより、錘質量を大きくでき、建物周囲部２の１次モードを含めた多くの振動モードに同調することが可能になる。

さらに、傾斜滑り支承３のみで建物中央部１を支持することにより、建物周囲部２、建物中央部１ともに応答加速度を２００ｃｍ／ｓ^２以下に抑制することができ、建物周囲部２だけでなく建物中央部１も居住空間として十分使用することが可能になる。

以上、本発明に係る免震構造物の第１実施形態について説明したが、本発明は上記の第１実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

次に、図８から図１３を参照し、本発明の第２実施形態に係る免震構造物について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ここで、本実施形態の免震構造物Ｂは、免震建物であり、図８及び図９に示すように、一方の免震構造体１と他方の免震構造体２を連結して構成したものである。

具体的に、本実施形態の免震構造物Ｂは、隣り合う一方の免震構造体１と他方の免震構造体２（複数の免震構造体）を制振装置５で連結して構成されている。

一方の免震構造体１は、下端部に免震層を備え、復元機能を持つ滑り支承（傾斜滑り支承：免震装置）３のみで支持され、自立して構築されている。

他方の免震構造体２は、同じく下端部に免震層を備え、積層ゴム支承（免震装置）４のみで支持され、自立して構築されている。

そして、これら隣り合う免震構造体１、２同士がバネ要素５ａと減衰要素５ｂを備えた制振装置５で連結されている。

このように構成した本実施形態の免震構造物Ｂにおいては、通常の免震建物と比較し、他方の免震構造体２の免震層の応答加速度の増加を抑えながら応答変位を低減させることが可能になる。

また、一方の免震構造体１に免震機能が付与され、応答加速度が一定の大きさで打ち切られるため、一方の免震構造体１に大きな加速度が伝達されることはなく、さらに傾斜による復元機能を有するため、残留変形を少なくでき、他方の免震構造体２との相対変形を小さくすることが可能になる。

ここで、第１実施形態と同様、図１０に示す１質点系連結モデルを用いて時刻歴応答解析を行うことにより、本実施形態の免震構造物Ｂの応答低減効果を検証したシミュレーションについて説明する。

まず、解析モデルを次のように設定した。
隣り合う一方の免震構造体１は傾斜滑り支承３で支持された構造とし、他方の免震構造体２は積層ゴム支承４で支持された構造とした。また、一方の免震構造体１と他方の免震構造体２はｋ_３とｃ_３のバネ要素５ａと減衰要素５ｂによって連結した。

解析に使用した解析モデルの諸元は前述の表１と同様である。なお、本シミュレーションで用いた解析諸元はあくまで一例である。

そして、本シミュレーションにおいて、他方の免震構造体２は質量を１００００ｔ、免震周期４秒、減衰定数２０％の免震建物とし、積層ゴム支承４が線形の天然ゴムであるものとしてモデル化した。

一方の免震構造体１は他方の免震構造体２の半分の質量とし、傾斜滑り支承３によって支持されているものとした。傾斜滑り支承３の摩擦係数は０．０５とし、傾斜角度は１／７０とした。

また、本シミュレーションでは、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３の３ケースを比較することによって、本発明に係る免震構造物Ｂの優位性の検証を行った。
ここで、Ｃａｓｅ１は他方の免震構造体２のみで構成したものとした。
Ｃａｓｅ２は、一方の免震構造体１と他方の免震構造体２をバネ要素５ａと減衰要素５ｂで連結し、さらに一方の免震構造体１に傾斜滑り支承３を用いて構成したものとした。
Ｃａｓｅ３は、Ｃａｓｅ２における傾斜滑り支承３の傾斜角をなくし、単純な滑り支承として構成したものとした。

次に、本シミュレーションの時刻歴応答解析に用いた入力地震動は、第１実施形態と同様である（表２、図４参照）。

次に、解析結果について説明する。
表５は、Ｃａｓｅ１〜Ｃａｓｅ３の他方の免震構造体２の最大変位と最大加速度を示している。さらに、図１１（ａ）と図１１（ｂ）はそれぞれ、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ２のＣａｓｅ１に対する応答比率を示している。また、表６は、Ｃａｓｅ３とＣａｓｅ２における一方の免震構造体１の応答変位と応答加速度、残留変形、他方の免震構造体２との相対変形を示している。

まず、Ｃａｓｅ１とＣａｓｅ３を比較すると、Ｃａｓｅ３の他方の免震構造体２は、表５と図１１（ａ）より、ＥＬＣＥＮＴＲＯを入力した場合に応答加速度が１３％増加しているが、その他の地震動においては加速度の増加を抑制しながら変位を低減できることが確認された。特に、八戸、３Ｂにおいては、加速度と変位の両方を低減することが可能であった。

また、表６から、一方の免震構造体１の応答を見ると、Ｃａｓｅ３では滑り支承３により一方の免震構造体１に伝達される力が小さくなり、全ての地震動において一般的な免震建物の応答目標とされる２００ｃｍ／ｓ^２以下に抑制できることが確認された。

他方の免震構造体２の応答は、表５と図１１（ｂ）のＣａｓｅ２のＣａｓｅ１に対する応答比から、免震装置に傾斜角がある分Ｃａｓｅ３よりも加速度が数％増加する地震動があるものの、変位の低減効果はＣａｓｅ３とほぼ同等であることが確認された。

一方の免震構造体１の応答は、免震装置に傾斜がある場合であっても全ての地震動に対して２００ｃｍ／ｓ^２以下となることが確認された。また、表６から、残留変形がほとんど生じないことが確認された。

次に、Ｃａｓｅ２の一方の免震構造体１と他方の免震構造体２の相対変形は、Ｃａｓｅ３と比較すると３Ｂで約２３％減少することが確認できたが、他の地震動では大きな差は認められなかった。

ここで、図１２、図１３に３Ｂを入力した際のＣａｓｅ２とＣａｓｅ３の他方の免震構造体の変位波形と、一方の免震構造体１と他方の免震構造体２の相対変形波形を重ねて示す。
図１２から、免震装置に傾斜があることによって一方の免震構造体１の変位が減少し、残留が生じないことが確認された。また、図１３から、相対変形もＣａｓｅ２の方がＣａｓｅ３よりも減少することが確認された。

したがって、本実施形態の免震構造物Ｂにおいては、一方の免震構造体１と他方の免震構造体２をそれぞれ免震装置で支持するとともにバネ要素５ａと減衰要素５ｂで連結することにより、他方の免震構造体２の応答加速度の増加を抑制しながら応答変位を大きく低減することが可能になる。

また、一方の免震構造体１を支持する滑り支承３として復元機能を有する滑り支承（傾斜滑り支承）を適用することにより、復元機能を備えない滑り支承と同等の加速度応答の低減効果を発揮しつつ、残留変形をなくし、且つ他方の免震構造体２との相対変形を低減することが可能になる。

このように一方の免震構造体１の残留変位をなくすことができることにより、他方の免震構造体２と一方の免震構造体１の相対変形も小さくなるため、建築計画の自由度を広げることができる。

さらに、傾斜滑り支承３のみで一方の免震構造体１を支持することにより、他方の免震構造体２、一方の免震構造体１ともに応答加速度を２００ｃｍ／ｓ^２以下に抑制することができ、居住空間として十分使用することが可能になる。

以上、本発明に係る免震構造物の第２実施形態について説明したが、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１一方の免震構造体
２他方の免震構造体
３滑り支承（免震装置）
４積層ゴム支承（免震装置）
５制振装置
５ａバネ要素
５ｂ減衰要素
Ａ免震構造物
Ｂ免震構造物

Claims

それぞれ免震装置で支持され、自立して構築される一方の免震構造体と他方の免震構造体を備え、
バネ要素と減衰要素を備えてなる制振装置で前記一方の免震構造体と前記他方の免震構造体が連結され、且つ、前記一方の免震構造体と前記他方の免震構造体のいずれかを支持する前記免震装置が滑り支承であることを特徴とする免震構造物。
請求項１記載の免震構造物において、
前記一方の免震構造体と前記他方の免震構造体のいずれかを支持する前記免震装置が傾斜滑り支承であることを特徴とする免震構造物。