JP4092277B2 - 建物 - Google Patents

Description

本発明は、耐震性を備えた建物に関し、特に超大地震時にも対応できるようにした建物に関する。

戸建て住宅等において、上部構造体が免震支承装置によって地盤側（基礎）より免震支承（積層ゴム支承、転がり支承、滑り支承）された建物は、免震建物として既に知られており、特許文献１等に示されている。上述の免震建物では、上部構造体は基礎に対して相対的に水平方向に変位可能であり、上部構造体と基礎との水平方向の相対変位により、地震エネルギーを吸収し、地震エネルギーが上部構造体に作用することを回避できるようにしている。また、上述のような免震建物において、上部構造体の最下層（１階床下部）に補強架台を設け、免震支承される上部構造体を補強するようにしたものが、特許文献２に記載されている。
特開平１０−３０６８４１号公報 特開２００１−３０３７９３号公報

しかしながら、上記特許文献１，２記載のような従来技術にあっては、高価な免震支承装置を多数必要とし、さらに、特許文献２記載のものでは、がっちりした補強架台を設ける必要がある。このため、建物の建設費用が高価になり、建築工数も増えるという問題があった。また、建物の設計時の予測をはるかに越えるような規模の大きい超大地震時には、地盤の激しい動きによって建物の上部構造体に作用する水平方向の力（慣性力）が設計基準値（建築基準法によって定められた基準法値）をはるかに越えるような大きい数値となり、このため、地震エネルギーを吸収しきれず、過大の地震エネルギーが上部構造体に作用することを回避できないという問題があった。

本発明の課題は、免震支承装置のような高価な設備を備えていなくても、地震エネルギーを吸収して逃がすことのできる耐震性を備えた建物を提供することにある。

請求項１記載の発明は、地盤に設置した略平坦なベース基礎の上に、建物本体の少なくとも四隅を支持する複数の金属製架台を設けて構築した建物であって、
前記架台は、ベース基礎から鉛直方向に立設され建物本体の底面に接合される短柱状の架台本体と、架台本体をベース基礎に支える複数の互いに直交する支え材とからなり、各支え材はその下端部に減震手段を備え、地盤の動きにより建物本体に所定の基準値を越える水平力が作用するときに、この基準値を越える水平力は前記減震手段によって吸収可能になされていることを特長とする。

上記の請求項１記載の発明において、金属製架台としては、強度、剛性等の面から炭素鋼、ステンレス鋼等が好適に使用できる。この架台を構成する架台本体とその支え材の形状は、いずれであってもよいが、架台本体としては、中空の鋼管、Ｌ形鋼、Ｃ形鋼等の形鋼が好適であり、支え材としては、鋼板やＬ形鋼等が好適である。

また、上記の請求項１記載の発明において、建物本体に作用する水平力の所定の基準値としては、建築基準法等の基準法値としてもよい。この場合、水平力の基準値は、動加速度が４００Ｇａｌ以下の大地震までを想定しており、所定の基準値を越える水平力が作用したときとは、動加速度が４００Ｇａｌを越えるような超大地震時を想定したものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の建物において、前記減震手段は、ベース基礎の上に立設され前記支え材の下端部を形成する降伏点を備えた弾性金属体でなり、この弾性金属体は、所定の基準値を越える水平力が作用するときに、前記降伏点を越える塑性変形領域にて変形し、前記水平力を吸収することを特長とする。

上記の請求項２記載の発明において、弾性金属体としては、低降伏点鋼などで形成するのがよい。形状は、棒状、板状、中空形状等いずれでもよく、支え材の下端部にピン結合にて取り付けるとよい。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の建物において、前記減震手段は、基礎の内部に水平に埋設された弾性金属体と、上方を開口したベース基礎の切欠け部に設置された連結体とからなり、連結体の上端部は前記支え材の下端部と接続され、前記弾性金属体の一端はベース基礎の切欠け部内に突出させて連結体の下端部に連結固定され、前記弾性金属体には連結体との連結時に予め導入張力を与えておき、前記水平力が所定の基準値を越えるときには、弾性金属体に作用する水平力を導入張力と相殺させながら前記弾性金属体を弾性変形せしめることを特長とする。

上記の請求項３記載の発明において、弾性金属体としては、鋼製長尺ボルトで形成し、端部にナットを介在させて対向する２枚の固定板の間に固定するのがよい。すると、端部のナットを締め込むと、ボルトに導入張力を与えることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の建物において、複数個の建物ユニットを隣接配置して接合されたユニット建物であり、前記架台は建物ユニットの各柱脚部に設置されていることを特長とする。

請求項１記載の本発明の建物によると、建物本体の少なくとも四隅を支持する複数の金属製架台をベース基礎の上に設け、この架台は、短柱状の架台本体と、この架台本体を支える複数の支え材とからなり、各支え材はその下端部に減震手段を備えたものとした。従って、免震支承装置のような高価な設備を用いずに建物を構築したので、従来の免震建物に比べて建物の構築費用を安価にできるという効果がある。そして、地盤の動きにより建物本体に所定の基準値を越える水平力が作用するときに、この基準値を越える水平力は前記減震手段によって吸収可能になされているので、超大地震時等においても建物の耐震性を確保し、建物の倒壊を防止できる。

請求項２記載の発明は、さらに、前記減震手段は、ベース基礎の上に立設され前記支え材の下端部を形成する降伏点を備えた弾性金属体でなり、この弾性金属体は、所定の基準値を越える水平力が作用するときに、前記降伏点を越える塑性変形領域にて変形し、前記水平力を吸収する。従って、超大地震時等に上記弾性金属体の塑性変形（座屈等）によって水平力を吸収して逃がし、確実に減震効果を得る。超大地震時に塑性変形した弾性金属体は新品に取り替える。なお、水平力が基準値以内の場合、弾性金属体は弾性領域内にて変形するので、取り替える必要はない。

請求項３記載の発明によると、さらに、前記弾性金属体には連結体との連結時に予め導入張力を与えておき、前記水平力が所定の基準値を越えるときには、弾性金属体に作用する水平力を導入張力と相殺させながら前記弾性金属体を弾性変形せしめる。従って、超大地震時等にこの弾性金属体の弾性変形（弾性伸び）によって水平力を吸収して逃がし、確実に減震効果を得る。この際、超大地震時における弾性金属体の変形は弾性変形であるから、再利用可能である。

請求項４記載の発明によると、さらに、複数個の建物ユニットを隣接配置して接合されたユニット建物であり、前記架台は建物ユニットの各柱脚部に設置されているので、確実に減震効果を確保でき耐震性を備えた建物となり、超大地震時に対応できる。

（実施の形態１）
図１〜図７は、本発明の一実施形態であって、図１は、正面から見た建物の説明図である。図２は、図１のＡ部を拡大して示す断面図であり、図３は、架台を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は平面図である。図４は別の架台の平面図であり、図５は他の架台の平面図である。図６は、ベース基礎上の架台に建物ユニットを設置して構築する建物の施工方法を示す説明図である。図７は、応力−歪み線図である。

図１において、１は建物であり、２は建物ユニット、３は地盤、４はベース基礎、５は架台、６は架台本体、７は支え材、８は弾性金属体（減震手段）である。

本実施の形態１は、図１と図６に示すように、地盤３に設置した略平坦なベース基礎４（ベタ基礎）の上に金属製架台５，５Ａ，５Ｂを設け、この金属製架台５，５Ａ，５Ｂの上に建物ユニット２を設置して構築した２階建てのユニット建物１である。この際、ベース基礎４には、図６に示すように、予め墨出し線４１にて架台５等の設置位置を位置決めしておく。建物本体は、１階と２階のそれぞれに、各６個の建物ユニット２を隣接配置して構築され、１階部分を構成する各建物ユニット２の四隅の柱下端部（柱脚部）は、前記金属製架台５，５Ａ、５Ｂのいずれかによりにて支持される。建物ユニット２は、柱２１、梁２２とからなるボックスラーメン構造であるが、床パネルと壁パネルとからなる壁式工法であってもよい。

前記架台５は、建物本体の角部に配置されるものであって、図２と図３に示すように、ベース基礎４から鉛直方向に立設され建物ユニット２の柱２１底面にボルト等にて接合される短柱状の架台本体６と、架台本体６をベース基礎４に支える２本の互いに直交する支え材７，７とからなる。各支え材７，７は、架台本体６の上端部にピン接合され、この架台本体６の上端部から斜め下方に向かって垂下し、その下端部に減震手段を備えている。地盤の動きにより建物本体に所定の基準値を越える水平力が作用したときに、基準値を越える水平力は前記減震手段によって吸収可能になされている。

前記架台５Ａは、建物ユニット２の２つの角部が突き合わされる部分に跨がって配置されるものであり、前記架台５と同様の構成であるが、図４に示すように、架台本体６と、３本の互いに直交する支え材７，７，７とからなる。また、前記架台５Ｂは、建物ユニット２の４つの角部が突き合わされる部分に跨がって配置されるものであり、図５に示すように、架台本体６と、４本の互いに直交する支え材７，７，７，７とからなる。なお、架台５Ａ，５Ｂの代わりに、建物ユニットの各角部の状況に応じて、１，２または４個の独立した架台５を配置するようにしてもよい。

上記の架台５，５Ａ，５Ｂを構成する架台本体６は、共通部品であって、底板と天板付きの中空鋼管またはＬ形鋼で形成され、支え材７は平鋼または形鋼で形成される。なお、架台５，５Ａの外方は、外壁２３と同材質のスカート２４で覆われている。

上記本実施の形態１の建物１において、建物本体に作用する水平力の所定の基準値としては、建築基準法等の基準法値としている。この場合、水平力の基準法値以下とは、動加速度が４００Ｇａｌ以下の大地震までを想定しており、所定の基準法値を越える水平力が作用したときとは、動加速度が４００Ｇａｌを越えるような超大地震時を想定したものである。

前記減震手段は、具体的には、ベース基礎４の上に立設され前記支え材７の下端部を降伏点を備えた弾性金属体８で形成した。この弾性金属体８は、角板状の低降伏点鋼であって、その上端部が支え材７の下端部にピン結合され、その下端部はベース基礎４にアンカーボルトで固定されている。所定の基準値を越える水平力が作用したときに、図７に示すように、弾性金属体８は降伏点を越える塑性変形領域にて変形し、前記水平力を吸収する。

上記のような構成になされた本実施の形態の建物１によると、建物本体の少なくとも四隅を支持する複数の金属製架台５，５Ａ，５Ｂをベース基礎４の上に設け、この架台５，５Ａ，５Ｂは、短柱状の架台本体６と、この架台本体６を支える複数の支え材７とからなり、各支え材７はその下端部に減震手段を備えたものとした。従って、免震支承装置のような高価な設備を用いずに建物を構築したので、従来の免震建物に比べて建物の構築費用を安価にできるという効果がある。そして、地盤の動きにより建物本体に所定の基準値を越える水平力が作用したときに、この基準値を越える水平力は前記減震手段によって吸収可能になされているので、超大地震時における建物の耐震性を確保し、建物の倒壊を防止できる。なお、所定の基準値以下の水平力が作用したときには、建物本体は、架台本体６とこれを支える支え材７によって構成された架台５によって前記水平力に抗して支持されることは言うまでもない。

さらに、前記減震手段は、ベース基礎４の上に立設され前記支え材７の下端部を形成する降伏点を備えた弾性金属体８でなり、この弾性金属体８は、所定の基準値を越える水平力が作用したときに、前記降伏点を越える塑性変形領域にて変形し、前記水平力を吸収する。従って、超大地震時に上記弾性金属体８の塑性変形（座屈等）によって水平力を吸収して逃がし、確実に減震効果を得る。超大地震時に塑性変形した弾性金属体８は、新品に取り替える。なお、水平力が基準値以内の場合、弾性金属体８は弾性領域内にて変形するので、取り替える必要はない。

（実施の形態２）
図８〜図１０は、本発明の別の実施形態であって、図８は建物の下部構造を模式的に示す断面図であり、図９は図８の一部を拡大して示す断面図であり、図１０は応力−歪み線図である。図において、前記実施の形態１と同じものには同符号を付けて説明を省略し、異なるものだけ別符号を付けて説明する。建物１を構成する建物ユニット２、地盤３、基礎４、架台本体６、支え材７は、前記実施の形態１と同符号を付けているが、異なる点は架台５Ｄの構成にある。

本実施の形態２は、前記図１に示したと同様、地盤３に設置されたベース基礎４上に架台５Ｄを設け、この架台５Ｄの上に建物ユニット２を設置したユニット建物１である。前記架台５Ｄは、図８に示すように、ベース基礎４から鉛直方向に立設され建物ユニット２の柱２１底面に接合される短柱状の架台本体６と、架台本体６をベース基礎４に支える支え材７とからなる。架台５Ｄには、前記実施の形態１と同様、支え材７が、２本のもの、３本のもの、４本のものがある。各支え材７は、架台本体６の上端部にピン接合され、この架台本体６の上端部から斜め下方に向かって垂下し、その下端部に減震手段を備えている。地盤の動きにより建物本体に所定の基準値を越える水平力が作用したときに、基準値を越える水平力は前記減震手段によって吸収可能になされている。

前記減震手段は、ベース基礎４の内部に水平に埋設された弾性金属体８Ｄと、上方を開口したベース基礎４の切欠け部４２に設置された連結体９とからなり、連結体９の上端部は前記支え材７の下端部とピン接続され、前記弾性金属体８Ｄの一端はベース基礎４の切欠け部４２内に突出させて連結体９の下端部に連結固定される。前記弾性金属体８Ｄには、連結体９との連結時に予め導入張力Ｔを与えておき、前記水平力Ｐが所定の基準値を越えたときには、弾性金属体８Ｄに作用する水平力Ｎを導入張力Ｔと相殺させながら前記弾性金属体８Ｄを弾性変形せしめるようにしたものである。

上記の弾性金属体８Ｄとしては、サヤ管８１の中に挿入された鋼製長尺ボルトで形成し、端部にナット８３を介在させて対向する２枚の固定板８２，８２の間に固定し、端部のナット８３を締め込み、弾性金属体８Ｄ（ボルト）に導入張力Ｔを与えている。

上述した本実施の形態２の減震衰手段を、以下の実施例１，２において具体的な設計値を適用して説明する。

（実施例１）
図９において、弾性金属体８Ｄの軸芯から連結体９の下端部までの距離をａとし、上記軸芯から連結体９の上端部までの距離をｂ＋ｃとし、比ｘ＝（ａ＋ｂ＋ｃ）／ａとする。
本実施例１では、ａ＝３．０ｃｍ
ｂ＋ｃ＝２＋１９＝２１ｃｍ
ｘ＝（２１＋３）／３＝８
とした。
ここで、支え材７に作用する水平力Ｐと、弾性金属体８Ｄに作用する水平力Ｎとの間には、以下の関係がある。
Ｐ（ａ＋ｂ＋ｃ）＝Ｎ・ａ
従って、Ｎ＝Ｐ・ｘ＝８Ｐ

ここで、設計基準値としての水平力は、Ｐ₀ ＝０．５ｔｆ（重量トン）＝９．８×０．５ｋＮとし、超大地震時には、Ｐ＝２Ｐ₀ ＝１．０ｔｆ（重量トン）＝９．８ｋＮの水平力が作用したとする。すると、弾性金属体８Ｄには、Ｎ＝８Ｐ＝９．８×８ｋＮの水平力が作用することとなる。
一方、弾性金属体８Ｄとしては以下の設計値とした。
長さＬ＝６０ｃｍ、断面積Ａ＝０．５０２７ｃｍ² （ＰＣ鋼線８ｍｍ）とし、導入張力Ｔ＝４．０ｔｆ＝９．８×４．０ｋＮとした。

そこで、
（１）強風時、あるいは動加速度＝１００Ｇａｌ程度の中地震時、あるいは動加速度＝４００Ｇａｌの大地震時の場合、設計基準値である水平力Ｐ₀ 以下の水平力Ｐが作用する。従って、水平力Ｎ＜８Ｐ₀ ＝９．８×０．５ｋＮ×８＝９．８×４．０ｋＮ
つまり、水平力Ｎ＜Ｔとなり、導入張力Ｔと相殺されるので、図６の応力−歪み線図に示すように、弾性金属体８Ｄの水平移動は殆どない。
（２）動加速度が４００Ｇａｌを越え、６００，８００，１０００，１５００，２０００Ｇａｌ，・・・のような超大地震の場合、設計基準値としての水平力Ｐ₀ を越える水平力Ｐが作用する。ここでは、設計基準値としての水平力Ｐ₀ の２倍以上の水平力Ｐが作用するものとした。
従って、水平力Ｎ＞Ｔとなり、図１０の応力−歪み線図に示すように、水平力Ｎと導入張力Ｔとが相殺し、その差だけの張力が作用し、弾性金属体８Ｄは弾性変形する。
この際、弾性金属体８Ｄの伸び量ΔＬは下記の式で求められる。
ΔＬ＝（Ｎ−Ｔ）・Ｌ／Ｅ・Ａ
Ｅは弾性係数であり、ここではＥ＝２１００×９．８ｋＮであり、
（Ｎ−Ｔ）＝（８−４）×９．８ｋＮ、長さＬ＝６０ｃｍ、断面積Ａ＝０．５０２７ｃｍ² （ＰＣ鋼線８ｍｍ）としたから、
ΔＬ＝９．８（８−４）×６０／２１００×９．８×０．５０２７
＝２４０／２１００×０．５０２７
＝０．２２７（ｃｍ）
従って、水平移動Ｈ＝ΔＬ・ｘ
＝０．２２７×８
＝１．８１（ｃｍ）
となる。

（実施例２）
本実施例２では、ａ＝３．０ｃｍ
ｂ＋ｃ＝２＋２５＝２７ｃｍ
ｘ＝（２７＋３）／３＝１０
とした。
設計基準値としての水平力Ｐ₀ ＝０．５ｔｆ（重量トン）
＝９．８×０．５ｋＮ
とし、
超大地震時には、 水平力Ｐ＝２Ｐ₀
＝１．０ｔｆ（重量トン）
＝９．８ｋＮ
が作用したとする。
すると、弾性金属体８Ｄには、Ｎ＝１０Ｐ＝９．８×１０ｋＮの水平力が作用することとなる。
一方、弾性金属体８Ｄとしては以下の設計値とした。
長さＬ＝６０ｃｍ、断面積Ａ＝０．６３６２ｃｍ² （ＰＣ鋼線９ｍｍ）とし、
導入張力Ｔ＝５．０ｔｆ＝９．８×５．０ｋＮとした。

そこで、
（１）強風時、動加速度＝１００Ｇａｌ程度の中地震、あるいは動加速度＝４００Ｇａｌの大地震の場合、設計基準値である水平力Ｐ₀ 以下の水平力Ｐが作用する。
従って、水平力Ｎ＜１０Ｐ₀ ＝９．８×０．５ｋＮ×１０＝９．８×５．０ｋＮ
つまり、水平力Ｎ＜Ｔとなり、導入張力Ｔと相殺されるので、図６の応力−歪み線図に示すように、弾性金属体８Ｄの水平移動は殆どない。
（２）動加速度が４００Ｇａｌを越え、６００，８００，１０００，１５００，２０００Ｇａｌ，・・・のような超大地震の場合、設計基準値としての水平力Ｐ₀ を越える水平力Ｐが作用する。ここでは、設計基準値としての水平力Ｐ₀ の２倍以上の水平力Ｐが作用するものとした。
従って、水平力Ｎ＞Ｔとなり、図６の応力−歪み線図に示すように、水平力Ｎと導入張力Ｔとが相殺し、その差だけの張力が作用し、弾性金属体８Ｄは弾性変形する。
この際、弾性金属体８Ｄの伸び量ΔＬは下記の式で求められる。
ΔＬ＝（Ｎ−Ｔ）・Ｌ／Ｅ・Ａ
Ｅは弾性係数であり、ここではＥ＝２１００×９．８ｋＮであり、
（Ｎ−Ｔ）＝（１０−５）×９．８ｋＮ、長さＬ＝６０ｃｍ、断面積Ａ＝０．６３６２ｃｍ² （ＰＣ鋼線９ｍｍ）としたから、
ΔＬ＝９．８（１０−５）×６０／２１００×９．８×０．６３６２
＝３００／２１００×０．６３６２
＝０．２２４（ｃｍ）
従って、水平移動Ｈ＝ΔＬ・ｘ
＝０．２２４×１０
＝２．２４（ｃｍ）
となる。

本実施の形態２の建物１によると、前記実施の形態１と同様、免震支承装置のような高価な設備を用いずに建物を構築したので、従来の免震建物に比べて建物の構築費用を安価にできるという効果がある。そして、さらに、前記弾性金属体８Ｄには連結体９との連結時に予め導入張力Ｔを与えておき、前記水平力Ｐが所定の基準値を越えたときには、弾性金属体８Ｄに作用する水平力Ｎを導入張力Ｔと相殺させながら前記弾性金属体８Ｄを弾性変形せしめる。従って、超大地震時にこの弾性金属体８Ｄの弾性変形（弾性伸び）によって水平力を吸収して逃がし、確実に減震効果を得る。この際、超大地震時における弾性金属体８Ｄの変形は弾性変形であるから、再利用可能である。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。本実施の形態では、建物を建物ユニットを隣接して配置した２階建てのユニット建物としたが、例えば、３階建て以上のユニット建物であってもよいし、ユニット建物に代えて鉄骨造りのプレハブ住宅、パネル工法の住宅、ツーバイフォー工法の住宅、在来工法の木造住宅や鉄筋コンクリート住宅等であってもよい。

超大地震時の地震エネルギーを吸収して逃がすことができるので、居住者の安全を超大地震から守ることのでき、しかも、安価な耐震住宅として利用できる。

本発明の一実施形態であって、正面から見た建物の説明図である。 図１のＡ部を拡大して示す断面図である。 架台を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は平面図である。 別の架台の平面図である。 他の架台の平面図である。 ベース基礎上の架台に建物ユニットを設置して構築する建物の施工方法を示す説明図である。 図７は、応力−歪み線図である。 本発明の別の実施形態であって、建物の下部構造を模式的に示す断面図である。 図８の一部を拡大して示す断面図である。 応力−歪み線図である。

符号の説明

１ 建物
２ 建物ユニット
３ 地盤
４ ベース基礎
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｄ 架台
６ 架台本体
７ 支え材
８，８Ｄ 弾性金属体（減震手段）
９ 連結体

Claims (4)

1. 地盤に設置した略平坦なベース基礎の上に、建物本体の少なくとも四隅を支持する複数の金属製架台を設けて構築した建物であって、
   前記架台は、ベース基礎から鉛直方向に立設され建物本体の底面に接合される短柱状の架台本体と、架台本体をベース基礎に支える複数の互いに直交する支え材とからなり、各支え材はその下端部に減震手段を備え、地盤の動きにより建物本体に所定の基準値を越える水平力が作用するときに、この基準値を越える水平力は前記減震手段によって吸収可能になされていることを特長とする建物。
2. 前記減震手段は、ベース基礎の上に立設され前記支え材の下端部を形成する降伏点を備えた弾性金属体でなり、この弾性金属体は、所定の基準値を越える水平力が作用するときに、前記降伏点を越える塑性変形領域にて変形し、前記水平力を吸収することを特長とする請求項１記載の建物。
3. 前記減震手段は、基礎の内部に水平に埋設された弾性金属体と、上方を開口したベース基礎の切欠け部に設置された連結体とからなり、連結体の上端部は前記支え材の下端部と接続され、前記弾性金属体の一端はベース基礎の切欠け部内に突出させて連結体の下端部に連結固定され、前記弾性金属体には連結体との連結時に予め導入張力を与えておき、前記水平力が所定の基準値を越えるときには、弾性金属体に作用する水平力を導入張力と相殺させながら前記弾性金属体を弾性変形せしめることを特長とする請求項１記載の建物。
4. 複数個の建物ユニットを隣接配置して接合されたユニット建物であり、前記架台は建物ユニットの各柱脚部に設置されていることを特長とする請求項１〜３のいずれか１項記載の建物。

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