JP2022116682A - 連結制振構造 - Google Patents

Abstract

【課題】応答加速度を低減することができるとともに、設計自由度を高めることができる連結制振構造を提供する。【解決手段】複数層を有し、内部に内部空間２４を有する主構造体２と、内部空間２４それぞれに設けられる副構造体３と、を有し、主構造体２は、内部空間２４の下方に位置する床２３（底部）を有し、副構造体３は、床２３の上を滑動可能である。主構造体２と副構造体３とを連結する制振装置４を有する。主構造体２は、各層それぞれの内部に内部空間２４を有し、副構造体３は、主構造体２の各層の内部空間２４それぞれに設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、連結制振構造に関する。

揺れ方が異なる２棟の構造体を制振ダンパーなどの制振装置で連結する連結制振構造が知られている（例えば、特許文献１－３参照）。このような連結制振構造は、２棟の構造体の大きな変形差を利用した効率の良い制振構造であるため、例えば、超高層集合住宅や超高層オフィスなどに採用されることがある。特許文献１に開示された連結制振構造は、建物の外周に設けられた外周建物架構と、外周建物架構の内側の空間に設けられ外周建物架構よりも剛性の高い芯棒架構とを制振ダンパーで連結している。外周建物架構には、例えば集合住宅などが設けられ、芯棒架構には、例えばエレベーターやタワーパーキングが設けられている。

また、昨今では、応答加速度を低減するために免震構造と組み合わせた連結制振構造も知られている。特許文献２に開示された連結制振構造は、応答加速度を低減するために外周建物架構の下部に免震層を設けている。また、特許文献３に開示された連結制振構造では、耐震要素として作用するコアの外周に、数層毎にすべり支承で支持された多層免震構造の居住部を設け、コアと住居部とをばねやダンパーで連結している。

特開２００９－１９４７９号公報 特開２０１０－１１２０１３号公報 特開２００２－２１３０９９号公報

しかしながら、上記の連結制振構造は、内部に芯棒架構やコアを設け、その周囲に外周建物架構を設ける構造であるため、意匠的な制約が多くなる。また、応答加速度を低減するために免震構造を組み合わせた連結制振構造では、更に制約が多くなり、設計自由度が低くなるという問題がある。

そこで、本発明は、応答加速度を低減することができるとともに、設計自由度を高めることができる連結制振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、本発明に係る連結制振構造は、複数層を有し、内部に内部空間を有する主構造体と、前記内部空間に設けられる副構造体と、を有し、前記主構造体は、前記内部空間の下方に位置する底部を有し、前記副構造体は、前記底部の上を滑動可能である。

本発明では、地震により高層建物に水平力が作用し、副構造体に生じる慣性力が静止摩擦力を超過すると、主構造体と副構造体との間で相対すべりを生じる。これにより、副構造体に過度な加速度が生じることを防ぐことができ、応答加速度を低減することができる。主構造体の底部とは、主構造体の床や梁などを示している。また、建築平面計画を阻害する壁やブレース形態のダンパーを用いず、単に主構造体の底部を滑動する副構造体を主構造体の内部空間に設ける構造であるため、従来の連結制振構造と比べて設計自由度を高めることができる。

また、本発明に係る連結制振構造では、前記主構造体と前記副構造体とを連結する制振装置を有していてもよい。

このような構成とすることにより、主構造体と副構造体の間で相対すべりを生じると制振装置が作用するため、相対すべり変位が過大になるのを避けるとともに、副構造体の振動が主構造体に伝達されて、高層建物全体の層間変形や応答加速度、層せん断力を低減することができる。

また、本発明に係る連結制振構造では、前記主構造体は、各層それぞれの内部に内部空間を有し、前記副構造体は、前記主構造体の各層の前記内部空間それぞれに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、層ごとに副構造体の形態を設計することができ、設計自由度を高めることができる。さらに、層ごとに異なる形状の副構造体を設置したり、副構造体の配置を変えたりすることで、設計自由度をより高めることができる。

また、本発明に係る連結制振構造では、前記副構造体は、床、壁および天井を有するユニットであってもよい。

このような構成とすることにより、施工時には、ユニット化された副構造体を主構造体に設置することができ、施工を容易にすることができる。

また、本発明に係る連結制振構造では、前記主構造体には、外壁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、主構造体が風荷重を受け、副構造体には風荷重が作用しないようにすることができる。このため、副構造体に風荷重が作用することを考慮しないでよく、副構造体が主構造体の底部を滑動する際の摩擦係数を小さくすることができる。

また、本発明に係る連結制振構造では、前記副構造体と前記底部との間にはすべり支承が設けられ、前記副構造体は、前記すべり支承を介して前記底部の上を滑動可能であってもよい。

このような構成とすることにより、主構造体と副構造体との間で相対すべりが生じた際に、すべり支承による復元力によって残留変位を低減させることができる。

本発明によれば、応答加速度を低減することができるとともに、設計自由度を高めることができる。

本発明の実施形態による連結制振構造の縦断面図である。 高層部分の縦断面図である。 副構造体を説明する図である。 他の形態の副構造体を説明する図である。 解析モデルを示す図である。 解析モデルの接続要素を示す図である。 解析の諸元を示す表である。 各モデルの摩擦係数および減衰係数を示す表である。 入力地震動を示すグラフである。 （ａ）は主構造体の各層の層間変形角を示す図、（ｂ）は各層の副構造体の加速度を示す図、（ｃ）は主構造体の各層の加速度を示す図である。 （ａ）は各層の主構造体と副構造体との相対変位を示す図、（ｂ）は各層の副構造体の残留変位を示す図、（ｃ）は主構造体の最大層せん断力を示す図である。 傾斜すべり支承を示す斜視図である。 傾斜すべり復元力を示す図である。 （ａ）は傾斜すべり支承を採用した場合の主構造体の各層の層間変形角を示す図、（ｂ）は傾斜すべり支承を採用した場合の各層の副構造体の加速度を示す図、（ｃ）は傾斜すべり支承を採用した場合の主構造体の各層の加速度を示す図である。 （ａ）は傾斜すべり支承を採用した場合の各層の主構造体と副構造体との相対変位を示す図、（ｂ）は傾斜すべり支承を採用した場合の各層の副構造体の残留変位を示す図、（ｃ）は傾斜すべり支承を採用した場合の主構造体の最大層せん断力を示す図である。

以下、本発明の実施形態による連結制振構造について、図１－図１５に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態による連結制振構造１は、高層建物１１の高層部分１２に採用されている。高層建物１１は、高層部分１２がホテルとして使用され、高層部分１２よりも下側となる低層部分１３がオフィスとして使用される。高層部分１２は、複数の階（層）を有している。連結制振構造１は、主構造体２と、副構造体３と、主構造体２と副構造体３とを連結する制振装置４と、を有している。

主構造体２は、高層部分１２全体に設けられている。図２に示すように、主構造体２は、柱２１と、梁２２と、床２３（底部）とを有している。主構造体２の内部には、柱２１、梁２２および床２３に囲まれた空間（以下、内部空間２４とする）が形成されている。柱２１、梁２２、床２３は、それぞれ階ごとに設けられている。柱２１、梁２２、床２３は、上下方向から見た平面視において高層部分１２の全体にわたって設けられている。

図２では、副構造体３をドットで示している。副構造体３は、床３１と、壁３２と、天井３３と、を有している。副構造体３は、床３１、壁３２および天井３３が箱状に組み立てられたユニットである。本実施形態では、各階の内部空間それぞれに複数の副構造体３が設けられている。複数の副構造体３は、それぞれ主構造体２の床２３の上に設置されて、主構造体２の床２３の上を滑動可能に構成されている。

副構造体３が主構造体２の床２３の上を滑動する構造としては、以下のような構造がある。図３に示すように、主構造体２の床２３が、梁２２に支持されたデッキプレート２５およびデッキプレート２５の上に構築されたコンクリートの床スラブ２６からなり、床スラブ２６の上面に設置された副構造体３が床スラブ２６の上面２６１（すべり面）を滑動可能な構造である。この場合、床スラブ２６と、副構造体３との摩擦係数μは、例えば、μ＝０．２～０．５程度とすることが好ましい。

他の例としては、以下のような構造がある。図４に示すように、主構造体２の床２３が、梁２２に支持されたデッキプレート２５およびデッキプレート２５の上に設置されたエンボス鋼板などの主構造体鋼板２７からなる。副構造体３は、下部にコンクリート板３５がアンカーボルト３８などで固定される。コンクリート板３５の下面には、すべり板としてステンレスや鉄の副構造体鋼板３６が設けられる。そして、主構造体鋼板２７の上面に設置された副構造体３が主構造体鋼板２７の上面２７１（すべり面）を滑動可能な構造である。この場合、主構造体鋼板２７と、副構造体鋼板３６との摩擦を低減させるように、主構造体鋼板２７および副構造体鋼板３６に摩擦低減材が設けられていることが好ましい。主構造体鋼板２７と、副構造体鋼板３６（すべり板）との摩擦係数μは、副構造体鋼板３６の材質で調整可能である。例えば、μ＝０．０３程度や０．１程度の一般的な摩擦材が適用できる。

図２に戻り、制振装置４は、副構造体３と主構造体２とを連結している。複数の副構造体３は、それぞれ主構造体２と制振装置４によって連結されている。制振装置４は、副構造体３と主構造体２との水平方向の相対変位を低減可能に構成されている。制振装置４は、例えば、オイルダンパーや粘弾性体などである。副構造体３が主構造体２に対して相対変位すると、副構造体３と主構造体２との摩擦力および制振装置４を介して副構造体３の荷重が主構造体２に伝達するように構成されている。

上記の実施形態による連結制振構造１は、地震により高層建物１１に水平力が作用し、副構造体３に生じる慣性力が副構造体３と主構造体２の床２３との静止摩擦力を超過すると、主構造体２と副構造体３との間で相対すべりが生じる。この相対すべりにより、制振装置４が作用する。また、相対すべりが生じることで、副構造体３に過度な加速度が生じることが防止される。更に、制振装置４の作用で、相対すべり変位が過大になることが避けられるとともに、主構造体２に伝達される副構造体３の慣性力が減ることによって、高層建物１１全体の層間変形や応答加速度、層せん断力を低減させることができる。また、上記の実施形態による連結制振構造１は、建築平面計画を阻害する壁やブレース形態のダンパーを用いず、単に主構造体２の床２３を滑動する副構造体３を主構造体２の内部空間２４に設ける構造であるため、従来の連結制振構造と比べて設計自由度を高めることができる。

また、上記の実施形態による連結制振構造１では、主構造体２には、各層それぞれに内部空間２４が設けられ、各層の内部空間２４それぞれに副構造体３を設置する構造である。このため、層ごとに副構造体３の形態を任意に設計することができ、設計自由度を高めることができる。更に、層ごとに異なる形状の副構造体３を設置したり、副構造体３の配置を変えたりすることで、より設計自由度を高めることができる。

また、上記の実施形態による連結制振構造１では、副構造体３は、床２３、天井３３および壁３２を有するユニットである。このような構成とすることにより、施工時には、内装や付帯設備も含めユニット化された副構造体３を主構造体２に設置することができ、施工を容易にして工期を短縮することができる。

次に、本実施形態の連結制振構造の制振性能を検証する解析について説明する。図５に示す主構造体２（主構造体と表記することがある）と副構造体３（モジュールと表記することがある）とを有する１０層の鉄骨造建物１１Ａと、図６に示すような接続要素５を想定し、図７に示す諸元を設定した。接続要素５は、主構造体２と副構造体３とを接続する要素で、制振装置４（制振ダンパー）と摩擦要素５１と、を有している。

すべりなしモデルにおける１次固有周期は、１．２９秒である。入力地震動は２０１６年熊本地震の西原村観測波原波（最大入力加速度７７１ｇａｌ）（図９）とする。なお、解析は架構弾性とし、摩擦要素のみ非線形とした。図８に、検討モデルの摩擦係数および減衰係数の一覧を示す。比較のため、すべての層で剛結としたすべりなしモデルも作成した。減衰要素の減衰係数は制振装置４の最大変位が６０ｃｍ以下となるように設定した。

解析結果による最大応答値を図１０、１１に示す。ただし、層間変形角は主構造体の値を、加速度は副構造体・主構造体の値を、残留変位は「副構造体の変位」－「主構造体の変位」をそれぞれ示す。傾向として、以下のことが確認できる。

すべりなしモデルでは１／５０を超過する非常に大きな層間変形角となるが、提案手法を採用することで、主構造体の層間変形角を低減することが可能であり、もっとも効果の大きいモデル２では層間変形角１／１００程度以内に納めることが可能である。
すべりを生じさせる層が多いほど、また摩擦係数は小さいほど主構造体の層間変形角を小さくすることが可能である。
すべりを可能とした層の副構造体の加速度はすべりなしモデルと比較し大きく低減が可能であり、また剛結とした層も上層をすべらせることですべりなしモデルより副構造体の加速度を低減可能である。
残留変位は最大で２０ｃｍ程度生じた。残留変位を低減させるためには傾斜すべり機構が有効であることが先行特許（特開２０１４－２０１３８５号、特許６４３２７６３号、特許６５９０２１０号等）で明らかとなっている。傾斜すべり機構の有効性については後述する。
いずれのモデルも、主構造体の層せん断力の低減効果が大きく（１階の層せん断力は剛結時に比べ３６％～６０％低減）、モデル１や２のベースシア係数は０．４程度である。

以下では上記のモデル２（１～９層の摩擦係数μ＝０．１）を対象に、通常の水平すべりと傾斜すべりを比較する。図１２に傾斜すべり支承６（すべり支承）の構成を示す。傾斜すべり支承６は、Ｖ字形状の傾斜面６１１を有する上沓６１、逆Ｖ字形状の傾斜面６２１を有する下沓６２、上沓６１および下沓６２に沿って摺動可能な摺動子６３およびすべり材６４で構成されている。副構造体は、傾斜すべり支承６を介して床２３（底部）の上を滑動する。図１３に示すように、傾斜すべり支承の復元力は、摩擦による復元力と傾斜復元力の重ね合わせである。すなわち、傾斜すべり支承による復元力によって残留変位を低減させることができる。なお、解析では、傾斜面の傾斜角はθ＝１．５°とした。傾斜復元力はＷｔａｎθ＝０．０２６Ｗで、摩擦力０．１Ｗの２６％である。復元力が摩擦力よりかなり小さいが、この復元力により残留変位はほぼなくなる。また、副構造体は、球面をすべり面とするすべり支承を介して床２３の上を滑動するように構成されていてもよい。

図１４および図１５に傾斜すべりの場合の解析結果による最大応答値を示す。主構造体の層間変形角や副構造体と主構造体の加速度、主構造体と副構造体の相対変位、主構造体の層せん断力については、通常の水平すべりと傾斜すべりでほとんど変化がないが、残留変位は、傾斜すべりによると概ね０となった。

上記の制振性能を検証する解析より、本実施形態による連結制振構造では、従来の制振構造では実現することが困難な応答加速度の低減にも効果のある、非常に制振効果の高い工法であることがわかる。従来の制振構造では、熊本地震西原村観測波入力時のベースシア係数０．４を達成することは非常に困難である。このことからも、本実施形態による連結制振構造の制振効果の高さを確認できた。

副構造体のモジュール建築技術と併用することで、省人化・現場施工効率の向上も同時に達成が可能であり、かつ竣工後のモジュール更新や用途変更等にも対応することが容易である。

また、本実施形態による連結制振構造は、主構造体に対し副構造体を層ごとにすべらせる構成としているため、建物内に分散適用することが可能であり、大きな軸力を負担する高価なすべり支承を設ける必要はない。
本実施形態による連結制振構造は、部分的に適用した場合でも建物全部に適用した場合でも、すべらせる副構造体だけでなく、建物全体の地震応答（加速度・変位・層せん断力）を低減できる。また、適用する層数が多いほど応答低減効果が大きくなることがわかる。
実建物に適用する場合に問題となる、残留変位に対する対策として、傾斜すべり機構（傾斜すべり支承）が考えられる。本実施形態による連結制振構造は、傾斜すべり機構を適用することで制振効果をそのままにしつつ残留変位を殆ど０とすることも可能である。
主構造体に外壁を設置すれば、副構造体には風荷重が作用しないため、すべり摩擦係数をより小さくすることができる。

以上、本発明による連結制振構造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、副構造体は、主構造体２の床２３の上を滑動可能にように構成されているが、内部空間２４の下方に位置する底部であれば、床２３に代わって主構造体２の梁２２などの上を滑動可能に構成されていてもよい。

また、上記の実施形態では、副構造体３は、内部空間２４に複数設けられている。これに対し、１つの層の内部空間２４に１つの副構造体３が設けられていてもよい。

また、上記の実施形態では、副構造体３は、床２３、天井３３および壁３２を有するユニットである。これに対し、副構造体３は、床２３のみで構成されていたり、床２３と壁３２で構成されていたりしてもよい。また、副構造体３は、ユニット化されずに、内部空間２４において構築された構造であってもよい。

また、上記の実施形態では、主構造体２に外壁が設けられていないが、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、主構造体２が風荷重を受け、副構造体３には風荷重が作用しないようにすることができる。このため、副構造体３に風荷重が作用することを考慮しないでよく、副構造体３が主構造体２の床２３を滑動する際の摩擦係数を小さくすることができる。

また、上記の実施形態では、副構造体３は、高層部分１２の各階に設けられている。副構造体３は、１つの階に複数設けられていてもよいし、１つのみ設けられていてもよい。本実施形態では、副構造体３は、１つの階に複数設けられている。本実施形態では、各階に同じように複数の副構造体３が設けられている。なお、副構造体３は、各階において設置される数や形状が異なっていても、複数階にまたがる構造としてもよい。さらに、副構造体３を設置しない階があってもよい。また、低層部分１３についても、高層部分１２と同様に主構造体と副構造体とを有する構成としてもよい。

１ 連結制振構造
２ 主構造体
３ 副構造体
４ 制振装置
６ 傾斜すべり支承（すべり支承）
２２ 梁
２３ 床２３（底部）
２４ 内部空間
３１ 床
３２ 壁
３３ 天井

Claims (6)

1. 複数層を有し、内部に内部空間を有する主構造体と、
   前記内部空間に設けられる副構造体と、を有し、
   前記主構造体は、前記内部空間の下方に位置する底部を有し、
   前記副構造体は、前記底部の上を滑動可能である連結制振構造。
2. 前記主構造体と前記副構造体とを連結する制振装置を有する請求項１に記載の連結制振構造。
3. 前記主構造体は、各層それぞれの内部に内部空間を有し、
   前記副構造体は、前記主構造体の各層の前記内部空間それぞれに設けられている請求項１または２に記載の連結制振構造。
4. 前記副構造体は、床、壁および天井を有するユニットである請求項１から３のいずれか１項に記載の連結制振構造。
5. 前記主構造体には、外壁が設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の連結制振構造。
6. 前記副構造体と前記底部との間にはすべり支承が設けられ、
   前記副構造体は、前記すべり支承を介して前記底部の上を滑動可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の連結制振構造。

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