JP2022127169A

JP2022127169A - 免震構造

Info

Publication number: JP2022127169A
Application number: JP2021025153A
Authority: JP
Inventors: 克彦今井; Katsuhiko Imai; 宏佐藤; Hiroshi Sato; 伸也牛坂; Shinya Ushizaka
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-08-31
Anticipated expiration: 2041-02-19
Also published as: JP2024045483A; JP7440441B2

Abstract

【課題】高層部の応答加速度を低減させて居住性を向上させつつ、構造物全体の耐震性を向上させることができる免震構造を提供する。【解決手段】高層または超高層の構造物２における最上部分となる高層部４と、高層部４の下側の下層部３と、の間に免震層６が設けられ、下層部３は、下層コア部３１と、下層コア部３１に隣接する下層コア隣接部３２と、を有し、下層コア部３１は、下層コア隣接部３２よりも剛性が大きく設定され、高層部４は、下層部３よりも剛性が大きく設定され、固有周期が２秒以下かつ下層部３の固有周期の３０％以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、免震構造に関する。

免震構造では、免震装置によって地盤から構造物に入力される地震エネルギーを低減させることで振動応答を低減させるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。高層や超高層の構造物においても、免震構造を採用することで地震時の振動応答を効率的に低減させることができる。

特開２０２０－９４３９０号公報

免震構造の高層や超高層の構造物では、２次や３次といった高次モードの振動が生じると、下層部と比べて高層部では応答加速度が増大して揺れが増幅され、高層部が大きく揺れる所謂むち振り現象が生じることがある。このため、免震構造の高層や超高層の構造物では、高層部の居住性が良くないという問題がある。

そこで、本発明は、高層部の応答加速度を低減させて居住性を向上させつつ、構造物全体の耐震性を向上させることができる免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、本発明に係る免震構造は、高層または超高層の構造物における最上部分となる高層部と、前記高層部の下側の下層部と、の間に免震層が設けられ、前記下層部は、下層コア部と、前記下層コア部に隣接する下層コア隣接部と、を有し、前記下層コア部は、前記下層コア隣接部よりも剛性が大きく設定され、前記高層部は、前記下層部よりも剛性が大きく設定され、固有周期が２秒以下かつ前記下層部の固有周期の３０％以下である。

本発明では、下層部が下層コア部を有することにより、高剛性の心棒を有する構造となり、地震時の振動応答を低減させることができる。また、高層部と下層部との間に免震層が設けられていることにより、下層部から高層部に伝達される地震エネルギーを低減させることができ、高層部の振動応答を低減させることができるとともに、高層部をビルディングマスとすることができる。

そして、本発明では、高層部の剛性が下層部よりも大きく、高層部の固有周期が２秒以下かつ下層部の固有周期の３０％以下である。これにより、本発明では高層部が大きく揺れる所謂むち振り現象を低減させることができ、高層部の応答加速度を低減させて居住性を向上させることができるとともに、免震効果を向上させることができる。

また、本発明では、高層部の免震周期を下層部の周期に対して２０％以上ずらすことにより、高層部（ビルディングマス部分）を下層部に同調させない構造となっている。これにより、構造物の荷重の変動や剛性の変動を許容することができ、構造物のロバスト性を向上させることができる。また、ピンポイントで同調させる場合と比べて１次振動モードは大きくなるが、短周期の２次振動モードを下げることができる。その結果、一般に短周期の加速度成分が大きい地震動に対して、２次振動モードの共振を抑制することができ、ピンポイントで同調させる場合よりも、２次振動モードに起因した高層部のみならず下層部の応答加速度も低減できる。

また、本発明に係る免震構造では、前記高層部は、高層コア部と、前記高層コア部に隣接する高層コア隣接部と、を有し、前記高層コア部は、ＲＣ造のＲＣコアウォールが設けられ、前記高層コア隣接部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、高層部の剛性を大きくすることもでき、頂部のむち振りの抑制および免震効果を最大限発揮することができる。また、高層部の重量を大きくすることができ、構造物のビルディングマス効果を向上させることができる。

また、本発明に係る免震構造では、前記高層部には、ＡＭＤ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、ビルディングマス部分の動きをアクティブ系制振装置によりコントロールすることで、構造物全体の応答加速度をより低減させることができる。特に、風荷重による揺れや地震の後揺れなどが生じた際にＡＭＤを作用させることで、構造物全体の応答加速度および揺れを効率的に低減させることができる。

また、本発明に係る免震構造では、前記免震層の免震機能を拘束するロック機構を有していてもよい。

このような構成とすることにより、比較的小さい揺れに対しては、免震機能を拘束することにより、揺れを早く収束させることができる。特に、風荷重による揺れを拘束することができ、居住性の向上および免震エレベータの運行など建物機能を維持することができる。

また、本発明に係る免震構造では、前記高層部の重量は、構造物全体の重量の１５％以上であってもよい。

このような構成とすることにより、ビルディングマス効果を向上させることができ、ロバスト性も向上させることができる。

本発明によれば、高層部の応答加速度を低減させて居住性を向上させることができる。

本発明の実施形態による免震構造が設けられた構造物の側面図である。構造物の他の面の側面図である。下層部の平面図である。高層部の平面図である。免震層の変位と免震ＥＬＶおよびロック機構の稼働との関係を示す図である。本実施形態のビルディングマス案と制振案の層間変形角の比較を示すグラフである。本実施形態のビルディングマス案と制振案の応答加速度の比較を示すグラフである。固有周期と加速度応答倍率の関係を示すグラフである。ＡＭＤが設けられている場合と設けられていない場合のパルス波を入力した際の応答結果の比較を示すグラフである。建物全体重量に対するＢＭＤの重量が１５％、２５％の場合の各層の層間変形角の比較を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態による免震構造について、図１－図４に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、本実施形態による免震構造１は、超高層の構造物２に採用されている。本実施形態の構造物２は、下層階（下層部３とする）がオフィスとして使用され、高層階（高層部４とする）がホテルや住宅などとして使用されるように想定されている。下層部３と高層部４との間には免震層６が設けられている。

下層部３は、上下方向全体にわたってほぼ同じ外形に形成されている。図３に示すように、下層部３は、平面における中央部に位置する下層コア部３１と、下層コア部３１の周囲に隣接する下層コア隣接部３２と、を有している。本実施形態では、下層コア隣接部３２は、下層コア部３１を囲繞するように設けられている。下層コア部３１には、エレベータや階段などが設置され、下層コア隣接部３２には、店舗や執務室などが設置されている。

図１および図２に示すように、下層コア部３１には、所定の剛性を有するコアフレーム３３が設けられているとともに、制振ダンパーやオイルダンパーなどの制振装置３４が設けられている。下層コア部３１は、下層コア隣接部３２よりも剛性が大きく設定されている。下層コア部３１は、上の層よりも下の層のほうが平面視形状が大きく設計され、剛性が大きく設定されている。各層の下層コア部３１は、上下方向に連続するように配置されている。

高層部４は、上下方向全体にわたってほぼ同じ外形に形成されている。図４に示すように、高層部４は、平面視形における外形が短辺および長辺を有する長方形状である。この長方形の長辺が延びる水平方向を長辺方向（図の矢印Ｘの方向）とし、短辺が延びる水平方向を短辺方向（図の矢印Ｙの方向）とする。図１に示すように、高層部４は、平面視形状が下層部３よりも小さく形成されている。高層部４は、下層部３の平面視における中央部分の上部で、下層コア部３１の上部に配置されている。

図１、２および図４に示すように、高層部４は、平面における中央部に位置する高層コア部４１と、高層コア部４１の周囲に隣接する高層コア隣接部４２と、を有している。本実施形態では、高層コア隣接部４２は、高層コア部４１を囲繞するように設けられている。高層コア部４１には、エレベータや階段などが設置され、高層コア隣接部４２には、ホテルの客室や住宅などが設置されている。高層コア部４１は、ＲＣ造のＲＣコアウォール４３が設けられている。図４では、ＲＣコアウォール４３をハッチングで示している。高層コア隣接部４２は、鉄骨造で構築されている。高層コア部４１は、高層コア隣接部４２よりも剛性が大きく設定されている。各層の高層コア部４１は、上下方向に連続するように配置されている。本実施形態では、高層部４の屋上スラブ４４の上には、屋上庭園４５が設けられている。

高層部４は、免震層６により下層部３と相対変位可能に構成されていることにより、ビルディングマス（ＢＭＤ）として機能する。高層部４（ビルディングマス）は、構造物２全体の重量の１０～５０％の重量に設計されている。本実施形態の高層部４は、構造物２全体の重量の１５％程度以上の重量に設計されている。

高層部４には、３台のＡＭＤ５１，５２，５３（ＡｃｔｉｖｅＭａｓｓＤａｍｐｅｒ）が設けられている。本実施形態では、３台のＡＭＤ５１，５２，５３は、それぞれ高層部４の屋上スラブ４４の上に屋上庭園４５が設けられている。３台のＡＭＤ５１，５２，５３を第１ＡＭＤ５１、第２ＡＭＤ５２、第３ＡＭＤ５３とする。第１ＡＭＤ５１および第３ＡＭＤ５３は、短辺方向に振動可能に構成されている。第２ＡＭＤ５２は、長辺方向に振動可能に構成されている。第１ＡＭＤ５１は、高層部４の長辺方向の一方の端部における短辺方向の中間部に設けられている。第３ＡＭＤ５３は、高層部４の長辺方向の他方の端部における短辺方向の中間部に設けられている。第２ＡＭＤ５２は、高層部４の長辺方向の一方の端部における短辺方向の中間部に設けられている。短辺方向に振動可能なＡＭＤ（第１ＡＭＤ５１および第３ＡＭＤ５３）が長辺方向の両端部それぞれに設けられていることにより、高層部４がビルディングマスとして振動する際の偏心やねじれを防止することができる。

図１および図２に示すように、免震層６には、積層ゴムなどの免震装置６１と、免震装置６１の免震機能を拘束するロック機構６２と、が設けられている。ロック機構６２は、風速、加速度、下層部３に対する高層部４の変位量などに応じて免震装置６１の免震機能を拘束する。構造物２には、風速、加速度、下層部３に対する高層部４の変位量などを検知するセンサ（不図示）が設けられている。構造物２には、免震層６を貫通するエレベータ（以下、免震ＥＬＶ６３とする）が設けられている。免震ＥＬＶ６３は、免震層６の変位に応じて稼働条件が定められている。免震層の変位と、免震ＥＬＶ６３およびロック機構６２の稼働について図５に示す。

本実施形態による免震構造１では、高層部４によるビルディングマス（以下、ＢＭＤとする）と、ＡＭＤ５１，５２，５３（以下、ＡＭＤとする）と、ロック機構６２（以下、ロック機構とする）と、が相互に関係するように構成されている。

（地震時の制御）
（１）地震時は、最大限ＢＭＤを発揮させ高い耐震性能や居住性能を確保するため、免震層はロック機構によりロックせずフリーとする（図５参照）。

（２）頻発地震にて免震ＥＬＶが止まらないよう、免震層は、天然系積層ゴムおよびオイルダンパーに加え、鉛プラグ入り積層ゴムで構成し、免震層変位を免震ＥＬＶ可動条件となる変位以下に抑制する。ただし、鉛量は、大きな揺れが生じた際に、免震ＥＬＶ可動条件以下に免震層の残留変形が抑えられる量とする。
頻発地震とは、例えば東京都であれば、建設地近傍で過去２０年間（１９９９年から２０２０年）に観測された地震動のうち、２０１１年３月１１日に発生した東北地方太平洋沖地震を除く地震を示している。
免震層は、頻発地震における免震層変位が４０ｍｍ以下となるように設計する。さらに、鉛プラグによる残留変形が２０ｍｍを下回るように、鉛径とゴム径を調整する。

（３）上記により、特に小さな揺れや地震時後揺れ等に対するＢＭＤ効果が低減されないよう、ＡＭＤにてＢＭＤの動きをコントロールし、ＢＭＤ効果を向上させる。

（４）想定外の地震による過大な免震層の変形に対しては、フェールセーフとしてストッパーにより免震層の変形を制御し、免震装置の破断等、大きな被害を抑制する。
例えば、レベル３を超える地震に対するフェールセーフの考え方は、以下である。レベル３の入力地震動に対する免震層変位を６００ｍｍ以下としているが、それを超える地震動に対して、衝突緩衝材を用いたストッパーを免震層に設ける。
また、ストッパーがない場合、免震層変位が７５０ｍｍとなる地震動（レベル３の１．２５倍）に対して、ストッパーを設けることで、免震層変位を７００ｍｍ以下に留める。

（風荷重時の制御）
（５）一年再現や５０年再現期間の風に対しては、免震ＥＬＶを稼働させ、ＢＭＤ(例えば、ホテルや住宅）の居住性を確保するため、ロック機構により免震層をロックする（図５参照）。

（６）上記にてロックした状態に対し、ＡＭＤを設置し可動させることで、風揺れを抑制し居住性を向上させる。暴風時における居住性能を向上させるために、建物頂部にＡＭＤを設置する。居住性の目標値は、再現期間１年の暴風時にホテル階重心位置でＨ－３０、隅角部でＨ－５０とする。

上記の本実施形態による免震構造１では、下層部３が下層コア部３１を有することにより、高剛性の心棒を有する構造となり、地震時の振動応答を低減させることができる。また、高層部４と下層部３との間に免震層６が設けられていることにより、下層部３から高層部４に伝達される地震エネルギーを低減させることができ、高層部４の振動応答を低減させることができるとともに、高層部４をビルディングマスとすることができる。

そして、本実施形態では、高層部４の剛性が下層部３よりも大きく、高層部４の固有周期が２秒以下かつ下層部３の固有周期の３０％以下である。これにより、高層部４が大きく揺れる所謂むち振り現象を低減させることができ、高層部４の応答加速度を低減させて居住性を向上させることができるとともに、免震効果を向上させることができる。図６および図７に示すように、制振構造物（図６および図７の制振案の破線を参照）と、本実施形態の免震構造１の構造物２（図６および図７のビルディングマス案の実線を参照）を比較すると、本実施形態の免震構造の構造物２では、構造物２全体（高層部４および下層部３）の層間変形角および高層部４の応答加速度を低減できることがわかる。

更に、本実施形態では、高層部４の免震周期を下層部３の周期に対して２０％以上ずらしている。これにより、高層部４（ビルディングマス部分）が下層部３に同調させない構造とすることができ、構造物２の荷重の変動や剛性の変動を許容することができ、構造物２のロバスト性を向上させることができる。

また、図８に示すように、本実施形態の免震構造の場合（図８の本実施形態の一点鎖線を参照）、高層部４の固有周期をピンポイントで同調させた場合（図８の最適同調の破線を参照）と比べて１次振動モードは大きくなるが、短周期の２次振動モードを下げることができる。その結果、一般に短周期の加速度成分が大きい地震動に対して、２次振動モードの共振を抑制することができ、ピンポイントで同調させる場合よりも、２次振動モードに起因した高層部４のみならず下層部３の応答加速度も低減できる。

また、本実施形態による免震構造１では、高層部４は、高層コア部４１と、高層コア部４１に隣接する高層コア隣接部４２と、を有し、高層コア部４１は、ＲＣ造のＲＣコアウォール４３が設けられ、高層コア隣接部４２よりも剛性が大きく設定されている。このような構成とすることにより、高層部４の剛性を大きくすることもでき、頂部のむち振りの抑制および免震効果を最大限発揮することができる。また、高層部４の重量を大きくすることができ、構造物２のビルディングマス効果を向上させることができる。

また、本実施形態による免震構造１では、高層部４には、ＡＭＤ５１，５２，５３が設けられている。このような構成とすることにより、ビルディングマス部分の動きをアクティブ系制振装置によりコントロールすることができ、構造物２全体の応答加速度をより低減させることができる。特に、風荷重による揺れや地震の後揺れなどが生じた際にＡＭＤ５１，５２，５３を作用させることで、構造物２全体の応答加速度および揺れを効率的に低減させることができる。図９に、ＡＭＤが設けられている場合と設けられていない場合のパルス波を入力した際の応答結果を示す。図９に示すように、ＡＭＤを設けることにより、応答加速度を効果的に低減できることがわかる。

また、本実施形態による免震構造１では、免震層６の免震機能を拘束するロック機構６２を有している。このような構成とすることにより、比較的小さい揺れに対しては、免震機能を拘束することにより、揺れを早く収束させることができる。特に、風荷重による揺れを拘束することができ、居住性の向上および免震エレベータの運行など建物機能を維持することができる。

また、本実施形態による免震構造１では、高層部４の重量は、構造物２全体の重量の１５％程度以上である。このような構成とすることにより、ビルディングマス効果を向上させることができ、ロバスト性も向上させることができる。

以上、本発明による免震構造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、高層部４は、高層コア部４１と、高層コア部４１に隣接する高層コア隣接部４２と、を有し、高層コア部４１は、ＲＣ造のＲＣコアウォール４３が設けられている。これに対し、高層部４は、下層部３よりも剛性が大きく設定され、固有周期が２秒以下かつ下層部３の固有周期の３０％以下であれば、上記以外の構成であってもよく、ＲＣコアウォール４３が設けられていなくてもよい。

また、上記の実施形態では、高層部４には、ＡＭＤ５１，５２，５３が設けられているが、ＡＭＤ５１，５２，５３が設けられていなくてもよい。

また、上記の実施形態では、免震層６の免震機能を拘束するロック機構６２が設けられているが、このようなロック機構６２が設けられていなくてもよい。

また、本実施形態による免震構造１では、高層部４の重量は、構造物２全体の重量の１５％程度以上であるが、高層部４の構造物２に対する重量の比率は上記以外であってもよい。なお、高層部４の重量は、構造物２全体の重量の１５％～２５％程度としてもよい。図１０より、高層部４の重量（ＢＭＤの重量）を構造物２全体の重量（建物全体重量）の１５％～２５％程度とすることで応答低減効果があることがわかる。

１免震構造
２構造物
３下層部
４高層部
６免震層
３１下層コア部
３２下層コア隣接部
４１高層コア部
４２高層コア隣接部
４３ＲＣコアウォール
６２ロック機構

Claims

高層または超高層の構造物における最上部分となる高層部と、前記高層部の下側の下層部と、の間に免震層が設けられ、
前記下層部は、下層コア部と、前記下層コア部に隣接する下層コア隣接部と、を有し、
前記下層コア部は、前記下層コア隣接部よりも剛性が大きく設定され、
前記高層部は、前記下層部よりも剛性が大きく設定され、固有周期が２秒以下かつ前記下層部の固有周期の３０％以下である免震構造。
前記高層部は、高層コア部と、前記高層コア部に隣接する高層コア隣接部と、を有し、
前記高層コア部は、ＲＣ造のＲＣコアウォールが設けられ、前記高層コア隣接部よりも剛性が大きく設定されている請求項１に記載の免震構造。
前記高層部には、ＡＭＤが設けられている請求項１又は２に記載の免震構造。
前記免震層の免震機能を拘束するロック機構を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の免震構造。
前記高層部の重量は、構造物全体の重量の１５％以上である請求項１から４のいずれか一項に記載の免震構造。