JP3248684B2 - 制震構造物 - Google Patents

制震構造物

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】1995年の阪神淡路大震災およ
びその1年前の米国ノースリッジ地震において、それま
では安全性が高いと考えられていた鋼構造物の鉄骨柱が
脆性破断したり、柱・梁接合部に多くの亀裂や破断が発
見され、鋼構造物の耐震安全性にも大きな問題点が存在
することが明らかとなった。本発明は、上記問題を内包
する鋼構造が採用されることが多い中層ないし高層の建
築構造物および鉄塔などの搭状構造物・工作物等の耐震
安全性を飛躍的に高めることが可能な制震構造物の構成
方法を提案するものである。本発明は、中層以上の建築
構造物、特に高層・超高層建築物、各種の鉄塔やタワー
などの搭状構造物の耐震安全性向上に大きな効果があ
り、適用が推奨される。
【0002】
【従来技術】主として高層建築物の耐震・耐風安全性を
高める構造方法として、柱・梁、あるいはブレース等の
斜材等で構成される骨組み構造物に、鋼製ダンパーや粘
性ダンパーなど各種のエネルギー吸収装置を併用する制
震構造が開発・実用化されており、阪神大震災以降、高
層建築物に採用される事例が増加しつつある。
【0003】一方、より厳しい加速度応答に晒される中
低層建築物の耐震安全性向上対策としては、積層ゴム免
震装置を主とする各種の免震装置を用いる免震構造の採
用事例が増加しつつある。
【0004】免震構造は地盤と構造物の間に極端に水平
剛性の低い部分(免震層)を設けてそこに水平変形を集
中させて、構造物に投入される地震エネルギーを免震層
で集中的に吸収する方法であるのに対して、制震構造
は、建物内に投入された地震エネルギーを建物全体に分
散配置した減衰装置(エネルギー吸収装置)で分散吸収
する方法であり、構造物の減衰性能(=エネルギー吸収
性能)を高めることによって耐震安全を向上させようと
するものである。
【0005】また、制震構造を採用している設計者の中
には、従来の耐震設計思想における柱や梁の構造部材の
塑性変形による履歴エネルギー吸収を、より信頼性の高
いエネルギー吸収装置に置き換えようという考えの者も
いる。エネルギー吸収による損傷部位を特定部材に集中
させ、損傷をうけたエネルギー吸収部材を取り替えると
いう考え方である。これは、エネルギー吸収を柱・梁の
主構造骨組みから分離したという観点では前進である
が、主要な構造部材を交換しなければならないという点
では依然として大きな課題を残している制震構造である
と言わなければならない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】これまでに実用化され
ている制震構造は、在来耐震構造に比較すれば遙かに優
れた耐震性能を実現してはいるが、中低層建築物に採用
された場合には免震構造ほどの加速度抑制効果はでない
のが一般的である。また、高層・超高層建築物の場合に
はかなり優れた性能を実現できる可能性があるが、大き
な応答抑制効果を実現するためには、当然のことながら
多くの減衰装置を使用しなければならず、かなりのコス
ト負担を強いられることになる。また、上記の取り替え
を前提としている制震構造では、装置交換時には大きな
経済的支出が必要になる。
【0007】本発明は、これらの性能面およびコスト面
の両観点において課題の残されているこれまでの制震構
造物を更に優れたものにするために、より高い耐震安全
性能をより経済的に実現できる制震構造を実用化するも
のである。その為には、従来の制震構造に較べて、制震
構造のエネルギー吸収効率を飛躍的に高めることが本発
明の主たる課題である。
【0008】
【課題を解決するための手段】これまでの制震構造物で
は、エネルギー吸収部材(減衰装置)を多層構造物の各
層に配置している。従って、履歴エネルギー吸収型の減
衰装置では、その上下層間の相対変位(層間変位)に対
して抵抗力が発生し、エネルギー吸収を行う。また、粘
性型や粘弾性型の減衰装置は、その上下層間の相対速度
(層間速度差)に対して抵抗力が発生し、エネルギー吸
収を行う。これらの減衰装置は上下層間の相対運動の差
に対して効果が生じるものであり、この種の減衰機構は
内部(粘性)減衰機構と呼ばれるものである。
【0009】本発明は、これまでの制震構造がいずれも
内部(粘性)減衰の基本原理に則ったものであるのに対
して、外部(粘性)減衰機構の減衰メカニズムを実現し
ようとするものである。即ち、内部減衰が層間速度差や
層間変位に対して効果が発現するのに対して、外部減衰
は基礎もしくは地盤面と各層との相対変位もしくは相対
速度差に対して効果が発現するものである。従って、外
部減衰機構では、第1層の効果は同じであるが、第2層
以上、上層階になるほど基礎(地盤面)からの相対変位
や相対速度差が大きくなるので、上層階になるほど減衰
効果が飛躍的に高まることになる。
【0010】また、内部減衰機構では、減衰の発現効率
が構造物の変形モードに影響され、構造物が高層化する
に伴い水平変形に占める全体曲げ変形の割合が増えせん
断変形の割合が低下するために、せん断変形成分にしか
効果が発揮できない一般の減衰装置では高層建物になる
程効果が低下することが問題とされている。しかし、外
部粘性機構では基礎面に対するトータルの水平変位ある
いは水平速度差に対して効果が発現するので、建物内の
変形に占める曲げ変形成分やせん断変形成分の割合には
関係なく、遙かに高い減衰装置の抵抗力が発揮される。
【0011】外部減衰機構が実現されれば、各減衰装置
に発生する抵抗力が従来の内部減衰型よりも遙かに大き
くなるため、同一の減衰効果を得るための減衰装置は内
部減衰機構に較べてはるかに少ない減衰装置でよく、従
って低コストで大きな減衰性能が実現されることにな
る。
【0012】外部減衰機構を実現するためには、減衰装
置を地盤あるいは基礎と各階を連結することが必要であ
る。これは第1層では必然的に実現できるが、第2層以
上では通常簡単には実現できないため、これまでの制震
構造は内部減衰機構を当然の条件と考えてきた。
【0013】本発明は、この外部減衰機構を実現するた
めに、主たる構造体と分離された副構造体という概念を
導入する。即ち、減衰装置を第2層以上の高い床と地面
との間に配置することは極めて困難であるが、地面と同
じ動きをする副構造体を作り、各階床と同じ高さに疑似
地盤面を設けるのである。副構造体は建物構造体と分離
し、減衰装置から伝わる抵抗力によってあまり大きな変
形が発生しないだけの剛性と強度を付与する必要があ
る。そのためにも、副構造体を建物本体から分離してお
り、建物本体重量によって発生する地震慣性力が伝達さ
れないので、この剛性と強度の付与は容易に実現でき
る。
【0014】外部減衰機構が実現できると、建物内部に
は従来の内部減衰機構を設け、また建物低層部に外部減
衰機構を併用することが実現可能となり、内部減衰機構
と外部減衰機構の両機能を備えた全く新しい制震構造が
実現できる。これを本発明は、2重減衰機構=「ダブル
ダンピングシステム」もしくは「ダブルダンピングメカ
ニズム」と命名する。
【0015】本発明の外部減衰機構およびダブルダンピ
ングシステムは、中層・高層・超高層の建築構造物は勿
論、鉄塔やタワーなどの塔状構造物にも容易に適用する
ことができるし、更に建物上に設置される塔状構造物に
も適用可能であり、大きな効果を発揮させることができ
る。
【0016】
【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明の実施例
について説明する。
【0017】図1は、従来の耐震構造による中高層建物
の概念図を示したもので、(1)は柱と梁を剛接合した
骨組み構造物でわが国では純ラーメン構造と呼ばれる最
も一般的な構造形式である。(3)はこれに耐震要素と
してのブレース(斜材)を組み合わせたもので、ブレー
スや耐震壁を組み合わすことにより、建物全体の水平剛
性と水平耐力を高めることができる。(2)は、これら
従来の耐震構造物の振動特性を表現するために、建物各
階の重量を床位置の質点に、骨組み各階の剛性を各質点
を結ぶバネとして簡明に表現したもので、多質点系のマ
スバネモデルと呼ばれる振動解析モデルの一般的表現例
である。
【0018】このような従来の多層骨組み構造物の各階
に、各種のダンパーと呼ばれるエネルギー吸収装置を組
み込んで、建物の減衰性能を高めたものがこれまでに実
用化されている制震構造物あるいは制振構造物と呼ばれ
る構造方式であり、その代表的な例を図2に示す。
(1)は壁形状の粘性減衰装置「制震壁」を採用した例
で、(3)は鋼製ダンパーなどの履歴ダンパーや摩擦ダ
ンパーを取付用壁板を介して設置した例である。この他
にもブレース材を利用してダンパーを取り付けたものな
どいくつかの設置方法が実用化されている。(2)は、
その振動モデルの概念を示したもので耐震構造の振動モ
デルにダンパーを表現するエネルギー吸収要素(ダッシ
ュポット)が各質点間に配置されており、内部減衰機構
の制震構造であることを示している。
【0019】図3の(1)は、建物下層部の平面内にブ
レース等で剛性を高めた副構造体を構成し、この副構造
体と建物本体構造物間に減衰装置を配置している。
(3)は、副構造体を建物平面の外側に構成したを示
し、(2)は両者の振動解析モデルの概念を示したもの
である。副構造体は本体構造物に較べて比較的小さな質
量と高い剛性を有し、両者の質点間に減衰装置を表すダ
ッシュポットが配置されている。副構造体はその高い剛
性により地盤面とほぼ同じ動きをするため、両者を結ぶ
減衰装置は地盤面に連結されていると同じ効果を発揮
し、外部減衰機構を実現していることになる。
【0020】図4は、副構造体を建物平面の内部および
外部の両方に設ける場合の例を示したもので、(1)は
その断面図を、(2)はその振動解析モデルを示す。
【0021】図5は副構造体を建物平面内部に構成する
場合のを示したもので、副構造体の柱を本体構造物の
柱と同じ平面位置に設ける方法を示している。(1)は
その断面図である。同一平面位置に配置された柱の両構
造体の接合部分には相対変位が生じるので、その接合部
分には柱の鉛直荷重は伝達しながら水平変位を許容でき
る積層ゴム・すべり支承・ローラー支承などを介在させ
ている。(2)はその振動解析モデル。振動力学的には
図3〜図5はいずれも同一の概念である。
【0022】図6、図7はコアを有する建築構造物にお
けるを示している。図6は両サイドコア形式の建築物
の場合であり、(1)は建物平面全体を一体に構成する
従来の一般的構造方法を示している。これに対して、
(2)が本発明の要領を示しており、コア部分とその他
の本体骨組み部分を分離して構築し、両者の接合部に減
衰装置を組み込むことによってエネルギー吸収効率の高
い制震構造を実現するものである。
【0023】図7はセンターコア形式の場合の構成方法
を示しており、(1)が従来の一般的構成方法、(2)
がコア部とその他の部分を分離して構成する本発明であ
る。分離された両者の接合部分に減衰装置を介在させる
ことは図6と同様である。
【0024】図8は、請求項1〜4の発明を示したもの
である。これはコア部分とその他の本体部分を分離する
方式をより効率的に発展させたもので、本体部分から分
離するコア部分を下層部の複数階に限定し、それ以上の
階層はコア部とその他の部分を分離せず全体を一体に構
成する。分離された下層部のコア部とそれよりも上部の
コア部の間には相対変位が発生するので、その接合部分
には柱の鉛直荷重を伝達しながら水平変位を許容できる
積層ゴム・すべり支承・ローラー支承などを介在させ
る。下層部分のコア部と本体との分離部分には両者間に
減衰装置を配置する。上記の構造物に配置する減衰装置
に、粘性減衰壁、粘性減衰床、回転式粘性減衰装置、オ
イルダンパー等の粘性減衰装置、もしくは高減衰ゴム、
各種高分子材料で構成される粘弾性材料を主体とする粘
弾性減衰装置を採用できる。また、上記の構造物に配置
する減衰装置に、低降伏点鋼やその他の鋼材を主体とし
て構成した鋼製ダンパー、鉛を主たるエネルギー吸収材
料として用いた鉛ダンパー、摩擦を利用する摩擦ダンパ
ー等を採用できる。
【0025】この構成により、分離されたコア部分は
その高い剛性により地盤面とほぼ同じ動きをし地盤面を
各層の高さまで持ち上げたと同じ効果が生じると共に、
建物本体下層部は純ラーメン構造体となり剛性の低い
下層部分を容易に構成できる。また分離されていない
上層部分はコア部と一体となっているために剛性が高
く、下層部の低剛性層に変形を集中させることができ
る。この3つの相乗効果により本制震構造は極めて高い
エネルギー吸収効率を達成できる。
【0026】図9は、水平荷重によって大きな鉛直軸力
が生じる柱の近くに副構造体を構成し、両者の柱の間に
粘弾性体、粘性減衰装置あるいは摩擦ダンパーなどを設
けて鉛直方向変位もしくは鉛直方向相対速度に対する減
衰抵抗力を発揮させるものである。(1)は両サイドコ
アの建物の場合、(2)はセンターコア形式の建物の場
合のを示している。
【0027】以上の例により、外部減衰機構と従来の建
物内部の内部減衰機構の両者を組み合わせることによ
り、内部減衰機構と外部減衰機構の両機能を備えた全く
新しい制震構造物が実現できる。これを、2重減衰機構
=「ダブルダンピングシステム」もしくは「ダブルダン
ピングメカニズム」と命名し、これまでにない極めて高
性能の制震構造物が誕生する。(1)はその構成を示す
断面図の例で、(2)はその振動解析モデルの概念を示
している。
【0028】図11の(1)は、ダブルダンピングシス
テムの振動モデルの下層部分を示したもので、(2)は
その効果を説明したものである。建物本体から分離され
たコア部分は高い水平剛性を有するために地盤との相対
変位は極めて小さく、従ってコア部と建物本体とを繋ぐ
外部減衰装置は地盤からの相対変位もしくは相対速度差
に対して抵抗力が発生する。この図には従来の内部減衰
機構の抵抗力を発生させる建物各階の層間変位もしくは
層間速度差も示している。この両者の比較によって外部
減衰機構の効果発現が如何に大きく効率的であるかが一
目瞭然である。
【0029】本発明の外部減衰機構およびダブルダンピ
ングシステムは、中層・高層・超高層等の建築構造物の
みでなく、鉄塔やタワーなどの塔状構造物にも容易に適
用可能であり、適用方法を図12に示している。図12
の(1)は、搭状構造物に減衰装置装置を内部減衰型に
取り付けたもので、従来型の制震構造の適用方法であ
り、(2)がその振動解析モデルを示している。これに
対して(3)では塔体の下層部分に塔体本体とは分離さ
れた副構造物を構成し、塔体本体と副構造物間に減衰装
置を配置している。(4)も同様であるが、塔体がシリ
ンダー型の塔状構造物の場合を示しており、(5)は両
者の振動解析モデルの概念を示している。
【0030】更に建物上に設置される塔状構造物にも適
用可能である。図13がその例を示したもので、(1)
が従来の一般的構造体の構成方法で(2)がその振動解
析モデルを示している。このような建物上の塔体に上記
の例を適用するには(3)に示すように塔体下部付近に
塔体とは分離した副構造体を設け、これと塔体との間に
減衰装置を設置する。これらの塔状構造物では一般に全
体曲げ変形の割合が大きくなるため、従来の内部減衰型
の減衰装置配置ではあまり効果が発揮できないことが判
っている。しかし、本発明の外部減衰方式の減衰装置配
置を採用すれば、曲げ変形成分やせん断変形成分の内訳
には影響されないので、大きな制震効果を発揮させるこ
とができる。(4)はその振動解析モデルの概念を示し
ている。
【0031】
【0032】
【0033】
【発明の効果】これまでに実現されている制震構造物が
層間変位あるいは層間速度差に対して減衰抵抗力が発生
する内部減衰型の制震構造であったのに対して、本発明
により外部減衰型の制震構造および外部減衰と内部減衰
の両者を併せ持つダブルダンピング制震構造が実現可能
となった。その結果、この新しい制震構造では、従来の
制震構造に対して以下の諸点で全く新しい優れた制震効
果(減衰性能による応答抑制効果)を期待することがで
きる。
【0034】効果:外部減衰により減衰抵抗力の発現
効率が飛躍的に高まったため、大きな応答抑制効果が発
揮されると共に、より少ない減衰装置で大きな効果が得
られるため、従来の制震構造よりも遙かに経済的なシス
テムとなる。
【0035】効果:外部減衰型であるため、その効果
が構造物本体の水平変形モードに影響されず、従来の制
震構造では効果がでないとされていた曲げ変形成分の大
きい構造物にも確実に効果が発揮される。従って、高層
・超高層ビルは勿論、鉄塔やタワーなど各種の塔状構造
物にも大きな効果を発揮する。
【0036】効果:ダブルダンピングシステムでは、
外部減衰機構と内部減衰機構の両者を併せ持っているた
め、極めて大きな減衰効果が発揮されると共に、その効
果発現の信頼性も極めて高いものになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 在来耐震構造による建物構造体の構成方法 (1)純ラーメン構造骨組み (2)振動解析モデル概念図 (3)ブレース付きラーメン構造骨組み
【図2】 従来型制震構造建物の構成方法 (1)粘性減衰壁による制震構造の構成例 (2)従来型制震構造の振動解析モデル概念図 (3)履歴型ダンパーによる制震構造の構成例
【図3】 外部減衰型制震構造の構成方法(1) (1)副構造体を建物本体平面内の下層部分に設けた場
合 (2)外部減衰型制震構造の振動解析モデル概念図 (3)副構造体を建物本体平面外の下層部分に設けた場
【図4】 外部減衰型制震構造の構成方法(2) (1)副構造体を建物本体の平面内および平面外の下層
部分に設けた場合 (2)その振動解析モデル概念図
【図5】 外部減衰型制震構造の構成方法(3) (1)建物本体の平面内の下層部分に、建物本体の柱位
置を利用して副構造体を設けた場合 (2)その振動解析モデル概念図
【図6】 サイドコア形式の建物に適用する方法 (1)従来型建物の構成 (2)コア部とその他の建物本体部を分離することによ
って、上例を適用した場合。
【図7】 センターコア形式の建物に上例を適用する方
法 (1)従来型建物の構成 (2)コア部とその他の建物本体部を分離することによ
って、上例を適用した場合。
【図8】 コアを有する建物の下層部に本発明を適用
する方法 (1)サイドコア形式の建物の場合 (2)センターコア形式の建物の場合
【図9】 鉛直方向変位に対して減衰効果を発揮させる
方法 (1)サイドコア形式の建物の場合 (2)センターコア形式の建物の場合
【図10】 外部減衰機構と内部減衰機構の両者を持つ
ダブルダンピング制震構造 (1)ダブルダンピング建物の断面構成図 (2)その振動解析モデル概念図
【図11】 ダブルダンピングおよび外部減衰機構の効
果説明図 (1)ダブルダンピング建物の振動解析モデル拡大図 (2)外部減衰機構と内部減衰機構発現のもとになる相
対変位および相対速度差の説明図
【図12】 塔状構造物に上例を適用する方法 (1)塔状構造物の従来型の制震構造の構成方法 (2)その振動解析モデル概念図 (3)塔状構造物の制震構造の構成方法 (4)塔状構造物の制震構造の構成方法(シリンダー型
塔体の場合) (5)その振動解析モデル概念図
【図13】 建物上に設置される塔状構造物に参考例
適用する方法 (1)従来型の建物上塔状構造物の構成 (2)その振動解析モデル概念図 (3)建物上塔状構造物の制震構造の構成方法 (4)その振動解析モデル概念図
【符号の説明】
1:在来建物の柱 2:在来建物の床および梁 3:在来建物のブレース 4:在来建物モデルの質点 5:在来建物モデルのばね(構造体骨組みによる各階水
平剛性のモデル) 6:減衰装置をモデル化した内部減衰型ダッシュポット 7:減衰装置(粘性減衰壁) 8:減衰装置(履歴型ダンパー) 11:本体構造物の柱 12:本体構造物の床および梁 14:本体構造物モデルの質点 15:本体構造物モデルのバネ 20:副構造体として分離されたコア 21:副構造体の柱 22:副構造体の床および梁 23:副構造体のブレース 24:副構造体モデルの質点 25:副構造体モデルのバネ 26:本体構造物と副構造体間を繋ぐ減衰装置をモデル化
した外部減衰型ダッシュポット 27:本体構造物と副構造体間に配置される減衰装置(外
部減衰型) 28:本体構造物の柱と副構造体の柱間に配置される免震
装置 30:在来建物のコア 31:コア部を構成する耐震壁 47:本体構造物と副構造体間に配置される鉛直方向用減
衰装置 51:本体構造物各階質点の変位 52:副構造体各階質点の変位 53:従来の内部減衰型の減衰抵抗力を生じさせる層間変
位あるいは層間速度差 54:本発明の外部減衰型の減衰抵抗力を生じさせる相対
変位あるいは相対速度差 61:塔状構造物の柱 62:塔状構造物の梁 63:塔状構造物のブレース 64:塔状構造物モデルの質点 65:塔状構造物モデルのバネ 66:塔状構造物の従来の減衰装置をモデル化したダッシ
ュポット(内部減衰型) 67:塔状構造物の従来の減衰装置配置例(内部減衰型) 71:塔状構造物用副構造体の柱 72:塔状構造物用副構造体の梁 73:塔状構造物用副構造体のブレース 74:副構造体モデルの質点 75:副構造体モデルのバネ 76:塔状構造物と副構造体を繋ぐ減衰装置をモデル化し
たダッシュポット(外部減衰型) 77:塔状構造物と副構造体間に配置された減衰装置(外
部減衰型) 81:減衰装置取付用壁板 90:本体構造物とコア部の分離ゾーン 100:本体構造物とコア部の一体化ゾーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−235890(JP,A) 特開 平9−307010(JP,A) 特開 平9−203240(JP,A) 実開 昭52−65957(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) E04H 9/02 E04B 1/36

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2層以上を有する多層構造物であって、
    上層部は剛性が高く、下層部に変形しやすい低い剛性層
    を集中させた本体構造物と、 前記本体構造物の上層部と一体に構成された上部のコア
    部と、 前記本体構造物の下層部とは構造的に分離された下層部
    のコア部であって、地盤面とほぼ同じ動きをする高い剛
    性を持つものと、 前記本体構造物の下層部と前記下層部のコア部との分離
    部分に配置した減衰装置を備えたことを特徴とする制震
    構造物。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の制震構造物において、 前記上部のコア部と下層部のコア部は、本体構造物のサ
    イドに配置されていることを特徴とする制震構造物。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の制震構造物において、 前記上部のコア部と下層部のコア部は、本体構造物のセ
    ンターに配置されていることを特徴とする制震構造物。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の制震構造物において、 前記本体構造物の上層部と一体に構成された上部のコア
    部と、前記本体構造物の下層部と分離された下層部のコ
    ア部との接合部分には、前記本体構造物の荷重を伝達し
    ながら水平変位を許容する支承体を介在させたことを特
    徴とする制震構造物。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載の制震構造物において、 前記減衰装置は、 粘性減衰壁、粘性減衰床、回転式粘性減衰装置、オイル
    ダンパー、高減衰ゴム、もしくは高分子材料で構成され
    る粘弾性材料を主体とする粘弾性減衰装置からなること
    を特徴とする制震構造物。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の制震構造物において、 前記減衰装置は、 鋼材を主体として構成した鋼製ダンパー、鉛を主たるエ
    ネルギー吸収材料として用いた鉛ダンパー、摩擦を利用
    する摩擦ダンパーを主体とする粘弾性減衰装置からなる
    ことを特徴とする制震構造物。
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