JP3803169B2

JP3803169B2 - 制震装置

Info

Publication number: JP3803169B2
Application number: JP16725997A
Authority: JP
Inventors: 田達夫稲; 川一郎小
Original assignee: 株式会社三菱地所設計
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: JPH1113303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築構造物等、鉄骨を主体として構築される建物の制震装置に係り、特に建物構造体がダメージを被ることなく地震や強風による振動を制するための制震装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地震等による振動に対し、建物構造体の柱および柱間を結合する梁等の構成部材に塑性変形が生じる前に、強度の低い部分で集中的に振動エネルギーを吸収させて制震させるようにした制震装置が従来から提供されている（例えば特開平７−３１７３７０号公報）。
【０００３】
上記従来の技術は、柱と柱との間の上下階層の梁間に間柱を建込み、この間柱の上部および下部領域は一般構造用鋼材と同等の剛性を有する鋼材製とし、中間部領域は一般構造用鋼材に較べ強度の低いダンパ用鋼材製として、地震や強風等により建物構造体に加わる振動を前記間柱の中間部領域の鋼材が塑性変形を繰返すことにより吸収エネルギーとして該部で吸収させるようにすることを基本思想としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに上記従来の技術では、建物構造体の各階層の梁間に間柱を建込むため、柱間の開口に制約を受け、設計当初の建築計画、設備計画および将来における設備改修計画上の自由度を奪うことになっている。また、入力地震動の特性によっては、地震等による大きな振動エネルギーが建物構造体に加わったとき各階層間のダンパ用鋼材が均等に変形してその振動エネルギーを吸収すればよいが、実際にはいずれかの階層間のダンパ用鋼材に塑性変形が集中し、他の階層間のダンパ用鋼材が機能を果さなくなって上記変形が集中した階層の建物構造体に振動エネルギーが集中することになり、不効率な結果になる可能性もある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定の階層に歪が集中することを回避し、振動エネルギーを各階層に分散して局部的な破壊を防ぎ、かつ建物構造体の柱間の開口を妨げることのない制震装置を提供することを課題とする。
【０００６】
上記課題を解決する手段として本発明による制震装置は、建物とは独立して回動変位可能に設けられる芯柱と、建物側となる柱体間に結合される各階層の梁とを低強度材からなる制震ダンパ部材により結合したことを特徴とする。
【０００７】
制震効果を高めるうえにおいて、前記制震ダンパ部材による結合位置を建物側となる柱体間に結合される各階層の梁に対し所定距離上方または下方は若しくは双方に離間した位置とすることが好ましい。
【０００８】
上記制震ダンパ部材としては、建物構造材に比して低い降伏点を有する鋼板で構成することができ、好ましくは建物構造体側となる梁の中央位置の上部または下部若しくは双方に所要高さの架台を固設し、この架台の先端と芯柱とを前記制震ダンパ部材で結合するようにされる。
【０００９】
上記の構成により、芯柱と建物側の柱、梁フレームとの間に生じる相対変位がダンパ部材を剪断降伏させることにより地震入力エネルギーを消費し、これによって建物に生じる水平変位がダンパ部材を有しない場合に対し小さく抑えられる。またこの芯柱による抑え効果により、或る特定階の層間変位が突出して大きくなり、かつその階に損傷が集中するようなことが生じにくくなって、建物の致命的な損壊を防止する。
【００１０】
上記制震装置は、１本の芯柱とこの芯柱の四隅に位置する複数本（好ましくは４本）の柱体と、制震ダンパ部材とで構成し、建物の高さおよび面積に応じて上記制震装置を１〜数基用いることができる。複数基用いる場合には、芯柱の矩形状水平断面のＸ方向（広幅方向）、Ｙ方向（厚み方向）を互いに異ならせて配置するようにして使用する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態を参照して説明する。
図１は本発明による制震装置１の一実施形態の２層の階層分を示す部分斜視図であり、中央に位置する芯柱２と、この芯柱２をとり囲むように芯柱２に近接してその四隅部に立設される４本の柱体３，３，…（柱間距離２．５ｍ程度）とを有し、建物の階層部位において各柱体３，３，…がＨ型鋼からなる梁４，４，…により剛結されている。
【００１２】
図示の実施形態における前記芯柱２は、少くとも２基の制震装置１を使用することを意図した場合を示しているため、水平断面が矩形状とされ、ボックス構造の鋼材製とされている。そしてこの芯柱２は図２に示すような建物５の高さに相当する長さを有し、その上端が建物５の天井部位置でヒンジ結合により支持されるか、あるいは下端が基礎に支持されるかして、地震や強風により振動エネルギーが加わった際に前記芯柱２は前記支持点を中心として前記柱体３，３，…を含む建物構造体とは無関係に回動変位されるようになっている。
【００１３】
前記柱体３，３，…間に各階層の位置で剛結される梁４，４，…のうち、前記芯柱２の広幅の側面２ｘ（Ｘ方向側面とする）と平行に位置する梁４，４の長手方向中央位置と前記芯柱２の前記Ｘ方向側面２ｘとが制震ダンパ部材６，６により結合されている。
【００１４】
この制震ダンパ部材６は、図示の実施形態では梁４の上下にそれぞれ設けた場合を示している。
【００１５】
この制震ダンパ部材６の取付け構造は、前記梁４，４の長手方向中央位置の上面および下面に高さ１ｍ程度の架台７，７を固設し、この架台７，７の先端と前記芯柱２のＸ方向側面２ｘとに制震ダンパ部材６を溶接またはボルトにより取付けることによって芯柱２と架台７とが結合されている。
【００１６】
上記制震ダンパ部材６は、建物構造材よりも低い降伏点を有する所要板厚（ｔ＝１０〜２０mm程度）の鋼板が用いられている。
【００１７】
一般に建物に生じる水平変位には、柱の軸方向伸縮変形により建物が曲がることにより生じる曲げ変形成分と、柱、梁部材の剪断変形により生じる剪断変形成分があるが、芯柱２は曲げ変形成分が卓越し、柱、梁部材は剪断変形が卓越することから、図５にみられるように芯柱２と梁４に設けられる架台７との間には回転角αが生じることになる。この回転角αにより芯柱２と架台７との間には水平変位の差が生じ、この変位差がダンパ部材６の剪断変形となる。この場合、ダンパ部材６の取付位置を梁４から離間させるほど前記回転角αによる水平変位の差が大きくなるので、ダンパ部材６の剪断変形を大きくとれることになり、それだけエネルギーの吸収量も増大することになる。
【００１８】
図１において８，８は、芯柱２のＹ方向側面２ｙと対応する柱体３，３間に結合された補助制震ダンパ部材であり、Ｙ方向への振動を吸収させるように設けられたものであるが、本発明による制震装置１を複数基使用する場合には、芯柱２のＸ方向、Ｙ方向を互いに異ならせて使用することによって前記補助制震ダンパ部材８は必ずしも必要とするものではない。
【００１９】
図３は一つの建物５の水平断面を模式的に示すもので、この建物５の中心付近に４基の制震装置１，１，…を方形配置として組込んだ場合を例示したものである。この例では、建物５の居住空間以外の位置（エレベータホール、階段部分、機械設備室部分等）に制震装置１，１，…を設置している。上記の場合、図４に一部を示すように各制震装置１，１，…と各階層の床９，９，…とは縁が切られており、また各制震装置１，１，…の芯柱２の向きは、互いに向き合う２基の制震装置１ｘ，１ｘはＸ方向、他の２基の制震装置１ｙ，１ｙはＹ方向となるように配設され、いずれの方向への振動に対してもいずれかの制震装置１ｘ，１ｙ，…が関与するようになされている。
【００２０】
次に従来の層間の間柱にダンパ部材を設けた層間ダンパ方式と本発明による制震装置とが吸収し得るエネルギーの最大値（Ｅｓｐｍａｘ）につき４箇所にダンパ部材を設けた場合についての計算結果を示す。
【００２１】
図６は従来の間柱１０の中間領域にダンパ部材１１を結合したもので、この場合の最大吸収エネルギーＥｓｐｍａｘは、
【００２２】
【数１】

上記本発明による制震装置の場合は、図５に示すように、
【００２３】
【数２】

ここで従来の層間のダンパと本発明によるダンパとのＱｍａｘが等しいとする場合、ｈ_i（層高）＝４２０ｃｍ、Ｌ_H（ダンパ幅）＝３０ｃｍ、Ｌ_V（架台の高さ）＝１００ｃｍ、δｍａｘ（変形角）＝ｈ_i／１００とすると、
【００２４】
【数３】

したがって本発明の制震ダンパ部材による制震装置は従来の層間ダンパの約２．５枚分に相当し、またＬ_V＝１２０ｃｍとすると、α＝２．９９となり、上記関係は約３枚分に相当することになる。
【００２５】
超高層ビルにおいては、従来技術として示した層間ダンパ方式を採用した場合の各階層でのエネルギー配分は、例えば各階の弾性歪エネルギーあるいは各階の水平剛性に比例させることが合理的であると考えられるが、この場合、従来の層間ダンパ方式では下層に行くほどダンパの断面積を大きくするか、枚数を増すことになる。
【００２６】
これを分りやすくするため、制震ダンパで吸収する全体エネルギーを各階層の平均でとらえると、最大級の地震として入力エネルギーの等価速度を２２５ｃｍ／ｓｅｃとしたとき、例えば３０層モデルの場合１フロワ当りの必要層間ダンパ量としては一方向につきｔ１６ｍｍ×１２０ｃｍ×６０ｃｍ×１０枚程度必要となるが、本発明の制震装置によればＬ_V＝１００ｃｍの場合、１０／２．５＝４、すなわち４セット設ければよいことになる。
【００２７】
なお従来の層間ダンパを併用するについても、例えば本発明による制震装置を２セットと、層間ダンパ５枚の組合わせなど、建物の規模や用途等に応じて適宜選択することができる。
【００２８】
以下に従来の層間ダンパ方式と本発明によるものとの比較表を示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【表２】

したがって本発明による制震装置１基が有する１層当りの性能は従来の層間ダンパ方式による層間の間柱に設けるダンパ部材の２〜３枚分に相当し、制震機能を１箇所に集約した形となる。また、芯柱による損傷分散効果を考慮すれば、間柱ダンパ４枚分程度に相当すると考えられる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、建物とは独立して回動変位可能な芯柱を設け、この芯柱と建物側となる柱体間を結合する梁とを該梁から上下方向に離間した位置で制震ダンパ部材で結合し、地震や強風により振動する建物とこの建物の振動とは別個に回動変位する芯柱との間の制震ダンパ部材で制震するようにしたので、各階層において各制震ダンパ部材により均等に分担して振動エネルギーを吸収し、一部の階層に歪が集約されることを防ぐことができる。
【００３２】
また層間にダンパ部材を設けないので、柱間の開口を妨げることがなく、実質的な省スペース化を図ることができ、建築計画、設備計画上の自由度を大幅に向上することが可能となり、建物のライフサイクルを通しても、将来の設備改修要求に対して柔軟に対応することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制震装置の一実施形態を示す一部の斜視図。
【図２】建物と前記制震装置との位置関係を示す説明図。
【図３】建物に対し図１の制震装置の設置例を示す水平断面図。
【図４】図１の制震装置を４基設置した場合を示し、各制震装置と階層のフロアとの関係を示す一部の斜視図。
【図５】本発明による制震装置の制震ダンパ部材の吸収エネルギーの算出基礎を示す説明図。
【図６】従来の層間ダンパ方式の吸収エネルギーの算出基礎を示す説明図。
【符号の説明】
１制震装置
２芯柱
３柱体
４梁
５建物
６制震ダンパ部材
７架台
８補助ダンパ部材
９床

Claims

建物とは独立して回動変位可能に設けられる芯柱と、建物側となる柱体間に結合される各階層の梁とを低強度材からなる制震ダンパ部材により結合し、
前記制震ダンパ部材は、前記梁の中央位置の上部または下部若しくは双方に固設される架台の先端と前記芯柱の側面とを結合する鋼板で構成されている
ことを特徴とする制震装置。
建物とは独立して回動変位可能に設けられる芯柱と、建物側となる柱体間に結合される各階層の梁とを、該梁に対し所定距離上方または下方若しくは双方に離間した位置で低強度材からなる制震ダンパ部材により結合し、
前記制震ダンパ部材は、前記梁の中央位置の上部または下部若しくは双方に固設される架台の先端と前記芯柱の側面とを結合する鋼板で構成されている
ことを特徴とする制震装置。
前記芯柱は、建物の各階層を貫通して建物の略全高にわたり設けられている請求項１または２記載の制震装置。
前記芯柱の周辺直近位置に建物構造体の一部を構成する複数本の柱体を有し、これら柱体間を結合する梁と前記芯柱とが前記制震ダンパ部材により結合されている請求項１〜３のいずれか１項記載の制震装置。
前記芯柱は水平断面が矩形状とされ、この芯柱の広幅の側面と前記梁とが前記制震ダンパ部材により結合されている請求項１〜４のいずれか１項記載の制震装置。
前記制震ダンパ部材は交換可能に取付けられている請求項１〜５のいずれか１項記載の制震装置。
建物構造体に対し前記芯柱および柱体を複数基設け、各芯柱の広幅の側面の向きを互いに９０°異ならせて建物に建込まれるようにした請求項５記載の制震装置。