JP2019210772A - 制震構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高さが高く縦横比が大きい構造物において、簡便な構造で地震時の応答を低減することができる制震構造を提供する。【解決手段】基礎部３と、基礎部３の上部に設けられた多層構造の本体部４と、を有する多層構造物２の制震構造において、本体部４は、基礎部３の上に設けられた高層棟４１と、基礎部３の上に高層棟４１と隣接して設けられ、高層棟４１よりも低層となる低層棟４２と、を有し、高層棟４１と低層棟４２とは、ばね装置５および減衰装置６を介して連結され、低層棟４２と基礎部３との間には免震層７が設けられ、低層棟４２と基礎部３とは水平方向に相対変位可能に構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、制震構造に関する。

構造物は、高さが高く縦横比が大きくなると、その固有周期が長くなり、地震時には全体曲げ変形が卓越することがある。これにより、構造物が免震構造の場合には、アイソレータに引抜力が生じて免震効果が低下する虞あるため、地震時に生じる引抜力に対応できるようにアイソレータを取り付け面に固定することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、構造物が制震構造の場合には、全体曲げ変形によって層間に設置したダンパーの制震効果が低下する虞があるため、ＴＭＤ（Ｔｕｎｅｄ Ｍａｓｓ Ｄａｍｐｅｒ）を適用したり、全体曲げ変形が生じるコア壁を制震化したりすることが行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５−１９０５８３号公報 特許第５４９１２５６号公報

しかしながら、免震構造が適さない場合や、屋上に十分なＴＭＤを設置できない場合、全体曲げ変形が生じるコア壁の制震化が困難な場合がある。

そこで、本発明は、高さが高く縦横比が大きい構造物において、簡便な構造で地震時の応答を低減することができる制震構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る制震構造は、基礎部と、前記基礎部の上部に設けられた多層構造の本体部と、を有する多層構造物の制震構造において、前記本体部は、前記基礎部の上に設けられた高層棟と、前記基礎部の上に前記高層棟と隣接して設けられ、前記高層棟よりも低層となる低層棟と、を有し、前記高層棟と前記低層棟とは、ばね装置および減衰装置を介して連結され、前記低層棟と前記基礎部との間には免震層が設けられ、前記低層棟と前記基礎部とは水平方向に相対変位可能に構成されていることを特徴とする。

本発明では、低層棟と基礎部との間に免震層が設けられ、低層棟と基礎部とは水平方向に相対変位可能に構成されているとともに、高層棟と低層棟とは、ばね装置および減衰装置を介して連結されている。これにより、地震が生じた際には、低層棟と高層棟とは異なる挙動となり、低層棟の慣性力をばね装置および減衰装置を介して高層棟に伝達させることができる。そして、高層棟に伝達された低層棟の慣性力を高層棟の震動の制御に使用することができ、多層構造物に生じる地震時の応答を低減させることができる。
このように、低層棟の慣性力を高層棟の振動を低減させるために使用できるため、高層棟の振動を低減させるための制震装置などを高層棟の上部側に設ける必要がなく、制震構造を簡便な構造とすることができる。

また、本発明に係る制震構造では、前記免震層には、慣性質量装置が設けられていてもよい。
このような構成とすることにより、低層棟の慣性質量が高層棟の制御に必要な値に不足する場合でも、慣性質量装置によって低層棟の慣性質量を高層棟の制御に必要な値とすることができる。

また、本発明に係る制震構造では、前記高層棟の下部側となる下層部分は、前記高層棟の上部側となる上層部分および前記低層棟よりも剛性が大きく設定されていてもよい。
このような構成とすることにより、低層棟の慣性力によって生じる高層棟の下層部分の変形を防止することができる。

また、本発明に係る制震構造では、前記高層棟の下部側となる下層部分には、制震装置が設けられていてもよい。
このような構成とすることにより、低層棟の慣性力によって生じる高層棟の下層部分の変形を防止することができる。

本発明によれば、簡便な構造で地震時の応答を低減することができる。

本発明の実施形態による制震構造の多層構造物の一例を示す縦断面図である。 下層部分の平面図である。 上層部分の平面図である。 （ａ）は非制震構造の多層構造物の縦断面図、（ｂ）は非制震構造の多層構造物の下層部分の平面図、（ｃ）は本実施形態による制震構造の多層構造物（Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３）の縦断面図、（ｄ）は本実施形態による制震構造の多層構造物の下層部分の平面図である。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３の緒元を示す図である。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３の最大加速度の分布を示すグラフである。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３の最大層間変形角の分布を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態による制震構造について、図１−図３に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態による制震構造１は、多数の階を有する多層構造物２の構造である。図１−図３に示すように、多層構造物２は、地盤に支持された基礎部３（図１参照）と、基礎部３の上に設けられた本体部４と、を有している。本体部４は、高層となる高層棟４１と、高層棟４１と隣接し高層棟４１よりも低い低層棟４２（図１および図２参照）と、を有している。
本実施形態では、高層棟４１が４０階建てに構築され、低層棟４２が８階建てに構築されている。低層棟４２は、高層棟４１を囲むように高層棟４１の全周に沿って設けられている。
多層構造物２は、平面視形状が長方形に構築されている。

図１に示すように、低層棟４２と高層棟４１とは、ばね装置５および減衰装置６（図１参照）を介して連結されている。低層棟４２と高層棟４１とは、エクスパンジョイント４５を介して隣接していて、ばね装置５および減衰装置６が設けられている部分以外は構造的に分離されている。ばね装置５および減衰装置６は、低層棟４２と、高層棟４１の下層部分４３（本実施形態では、１−８階部分）とを連結している。減衰装置６には、粘性ダンパーなどが用いられている。

低層棟４２と基礎部３との間には、免震層７が設けられている。免震層７にはリニアガイド７１が設けられていて、低層棟４２と基礎部３とが水平方向に相対変位可能に構成されている。低層棟４２の自重は、リニアガイド７１を介して基礎部３に伝達されている。本実施形態では、基礎部３に免震層７および低層棟４２の下端部近傍が配置されるピット３１が設けられている。ピット３１の内周面と低層棟４２の外周面との間にはクリアランスが設けられていて、低層棟４２と基礎部３とが水平方向に相対変位してもピット３１の内周面と低層棟４２の外周面とが干渉しないように構成されている。
高層棟４１と基礎部３との間には免震層が設けられておらず、高層棟４１と基礎部３とは連結されている。

本実施形態による制震構造１では、地震が生じると、高層棟４１には基礎部３から震動が伝達する。また、低層棟４２は、基礎部３との間に免震層７が設けられていることにより、低層棟４２は免震層７のリニアガイド７１に沿って基礎部３と水平方向に相対変位する。
低層棟４２の基礎部３との水平方向の相対変位による慣性力は、ばね装置５および減衰装置６を介して高層棟４１に伝達する。
本実施形態では、低層棟４２から高層棟４１に伝達される低層棟４２の慣性力によって、高層棟４１の震動を制御し、低減させるように構成されている。

低層棟４２の慣性力によって高層棟４１の震動を制御するために、低層棟４２は、高層棟４１の制御対象モードの有効質量に対し、高層棟４１を制御可能な慣性質量となるように設計されている。
しかしながら、低層棟４２の慣性質量が、高層棟４１を制御可能な慣性質量に満たない場合には、免震層７にリニアガイド７１とともに慣性質量装置を設け、低層棟４２に仮想的な質量を付加してもよい。

低層棟４２から高層棟４１にばね装置５および減衰装置６を介して伝達される慣性力は、主に高層棟４１の下層部分４３に伝達される。このため、高層棟４１の下層部分４３の変位応答は、寧ろ増加する傾向がある。
このため、高層棟４１の下層部分４３の変位応答が所望の値よりも過大となる場合には、高層棟４１の下層部分４３を補剛したり、高層棟４１の下層部分４３に制震装置を設置したりして、高層棟４１の下層部分４３の変位応答を低減させることが好ましい。
高層棟４１の下層部分４３を補剛するには、例えば、高層棟４１の下層部分４３にブレースや耐力壁を設置したり、柱、梁、床などの構造部材のサイズを割り増ししたりして、高層棟４１の下層部分４３の剛性を増大させる。このような場合は、高層棟４１の下層部分４３の剛性を、高層棟４１の上層部分４４および低層棟４２の剛性よりも大きく設定する。
高層棟４１の下層部分４３に設置する制震装置は、例えば、粘性ダンパーなどが挙げられる。

次に、上述した本実施形態による制震構造１の作用・効果について図面を用いて説明する。
上述した本実施形態による制震構造１では、低層棟４２と基礎部３との間に免震層７が設けられ、低層棟４２と基礎部３とは水平方向に相対変位可能に構成されているとともに、高層棟４１と低層棟４２とは、ばね装置５および減衰装置６を介して連結されている。これにより、地震が生じた際には、低層棟４２と高層棟４１とは異なる挙動となり、低層棟４２の慣性力をばね装置５および減衰装置６を介して高層棟４１に伝達させることができる。そして、高層棟４１に伝達された低層棟４２の慣性力を高層棟４１の震動の制御に使用することができ、多層構造物２に生じる地震時の応答を低減させることができる。
このように、低層棟４２の慣性力を高層棟４１の振動を低減させるために使用できるため、高層棟４１の振動を低減させるための制震装置などを高層棟の４１の上層部分４４に設ける必要がなく、制震構造１を簡便な構造とすることができる。

また、低層棟４２の慣性質量が高層棟４１の制御に必要な値に不足する場合に、免震層７に低層棟４２の慣性質量を仮想的に増大させる慣性質量装置を設けることにより、低層棟４２の慣性質量が高層棟４１の制御に必要な値に不足する場合でも、低層棟４２の慣性質量を高層棟４１の制御に必要な値とすることができる。

また、低層棟４２の慣性力によって生じる高層棟４１の下層部分４３に変形が生じる恐れがある場合に、高層棟４１の下層部分４３を高層棟４１の上層部分４４および低層棟４２よりも剛性を大きく設定することにより、低層棟４２の慣性力によって生じる高層棟４１の下層部分４３の変形を防止することができる。

また、低層棟４２の慣性力によって生じる高層棟４１の下層部分４３に変形が生じる恐れがある場合に、高層棟４１の下層部分４３に制震装置が設けることにより、低層棟４２の慣性力によって生じる高層棟４１の下層部分４３の変形を防止することができる。

続いて、本実施形態による制震構造による地震応答に対する効果を解析事例に基づいて説明する。
本実施形態による制震構造と非制震構造との比較を行う。
図４（ａ）には、非制震構造８の多層構造物８１の縦断面図を示し、（ｂ）には、非制震構造８の多層構造物８１の下層部分の平面図を示し、（ｃ）には、本実施形態による制震構造１の多層構造物２の縦断面図を示し（ｄ）には、本実施形態による制震構造１の多層構造物２の下層部分の平面図を示している。
以下の説明において、Ｃａｓｅ１は非制震構造８を示し、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３は本実施形態による制震構造１を示している。
図５に各Ｃａｓｅの諸元を示す。

Ｃａｓｅ１の非制震構造８の多層構造物８１は、高層棟８２と高層棟８２の周囲に隣接して設けられる低層棟８３とが一体に設けられている。高層棟８２は４０層（４０階）で、各階の階高を４ｍ、全高さを１６０ｍとし、１次固有周期がほぼ４０層×４ｍ×０．０２５＝４秒となるように剛性を定めた。
なお、各階剛性は最下層に対する最上層の剛性の比率が０．２５となるような台形分布とした。低層棟８３については、その固有周期を８層×４ｍ×０．０２５＝０．８秒となるように剛性を定めた。各層の剛性分布は台形分布とし、最下層に対する最上層の剛性の比率は０．６とした。その上でＣａｓｅ１では、高層棟８２と低層棟８３の質量、剛性を足し合わせた。減衰は初期剛性比例型で１次固有振動数に対して１．５％である。なお、Ｃａｓｅ１では、質量は８００ｋｇ／ｍ^２を想定した。

Ｃａｓｅ２の制震構造１の多層構造物２は、Ｃａｓｅ１に対して本実施形態による制震構造を適用したもので、高層棟４１と低層棟４２とを分離した。Ｃａｓｅ２では、高層棟４１の下層部分４３には、Ｃａｓｅ１における下層部分を分離した値に比べて１割増しの剛性を付与している。
Ｃａｓｅ３の制震構造１の多層構造物２は、Ｃａｓｅ１に対して本実施形態による制震構造を適用したもので、高層棟４１と低層棟４２に分離した。Ｃａｓｅ３では、高層棟４１の下層部分４３に、各層１方向に４台相当の制震装置（粘性ダンパー）９１を付加している。
Ｃａｓｅ２、３では、免震層７にリニアガイド７１（水平剛性なし）および慣性質量装置９２が設置され、低層棟４２の頂部の８階と高層棟４１の８階との間に、ばね装置５（ばね要素）と減衰装置６（粘性ダンパー）が設けられている。

入力地震動は、平滑な振動数特性を有し、超高層建物の設計で多用されてきたセンター波Ｌ２、解析時間は１２０秒である。
図６および図７に解析結果（最大加速度分布、最大層間変形角分布）を示す。最大加速度は、本提案のＣａｓｅ２、３では、各層とも非制震に比べて応答低減が認められる。最大層間変形角は、非制震構造８の場合、下層部分の応答は小さい（低層棟４２が基壇部を成すため）が、剛性・質量が変化する上層部の応答は１／１００以上と大きい。一方、本提案のＣａｓｅ２、３では、高層棟４１の上層部分４４の応答は、低減されている。低層棟４２の慣性力により，高層棟４１の下層部分４３の応答は大きくなっているものの、高層棟４１の下層部分４３の補剛や、高層棟４１の下層部分４３に粘性ダンパーを設置した効果により、応答の増加は通常の設計クライテリア（層間変形角１／１００ラジアン）まで低く抑えることが可能である。
以上より、本実施形態による制震構造１は、縦横比が大きく周期が長い超高層建物を有する複合施設などにおいて、高層棟４１を免震構造とすることなく、また高層棟４１の上層部分４４を制震化することなく、当該建物の地震時応答の低減を図る上で効果的である。

以上、本発明による制震構造１の実施形態について説明したが、本発明は上記の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。
例えば、上記の実施形態では、多層構造物２の平面視形状が長方形であるが、正方形など長方形以外であってもよいし、凹凸がある形状であってもよい。また、多層構造物２の階数は、適宜設定されてよく、高層棟４１および低層棟４２それぞれの階数も適宜設定されてよい。

１ 制震構造
２ 多層構造物
３ 基礎部
４ 本体部
５ ばね装置
６ 減衰装置
７ 免震層
４１ 高層棟
４２ 低層棟
４３ 下層部分
４４ 上層部分
９１ 制震装置
９２ 慣性質量装置

Claims (4)

1. 基礎部と、前記基礎部の上部に設けられた多層構造の本体部と、を有する多層構造物の制震構造において、
   前記本体部は、前記基礎部の上に設けられた高層棟と、
   前記基礎部の上に前記高層棟と隣接して設けられ、前記高層棟よりも低層となる低層棟と、を有し、
   前記高層棟と前記低層棟とは、ばね装置および減衰装置を介して連結され、
   前記低層棟と前記基礎部との間には免震層が設けられ、前記低層棟と前記基礎部とは水平方向に相対変位可能に構成されていることを特徴とする制震構造。
2. 前記免震層には、慣性質量装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の制震構造。
3. 前記高層棟の下部側となる下層部分は、前記高層棟の上部側となる上層部分および前記低層棟よりも剛性が大きく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制震構造。
4. 前記高層棟の下部側となる下層部分には、制震装置が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制震構造。

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