JP4297282B2 - ソフトファーストストーリー建築物 - Google Patents
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Description
地震や風のような動的外乱によって建築物に生じる振動を抑制するためには、建築物に適切な減衰特性を持たせることが有効である。ところが、地震荷重に対して有効に作用する減衰定数と風荷重に対して有効に作用する減衰定数は同じではない。
すなわち、地震時は建築物が大変形することが前提となるので大変形時に極めて大きなエネルギー吸収を行う減衰機構が必要とされるのに対し、地震荷重に比較すればはるかに小さい風荷重に対しては、小変形時に有効にエネルギー吸収を行う減衰機構が必要である。地震時のエネルギー吸収に対して最適化された減衰機構は、風荷重に対しては硬すぎ(つまり減衰係数が大きすぎ)て変形を拘束する結果ほとんどエネルギー吸収を行わない。逆に、風荷重に対して最適化された減衰機構は、地震時には柔らかすぎ(つまり減衰係数が小さすぎ)てエネルギー吸収が極めて不十分である。
換言すれば、地震と風の両方に対して適合した減衰機構は存在しないのが現状である。
ソフトファーストストーリー形式は、横幅に対して高さが低い(アスペクト比が小さい)建築物に適用した場合にはその効果が明瞭で顕著であるが(図1)、横幅に対して高さが高い(アスペクト比が大きい)建築物に適用した場合には転倒モーメントの問題を生じるため(図2)に実際の設計は困難になる場合が多い。
図1は、アスペクト比が小さい建築物にソフトファーストストーリーを適用した場合の地震応答の様子を模式的に示したものである。地震時の変形は1階部分10に集中しており、2階以上の階12の変形は非常に小さく押えられる。これに対して、図2に示すようにアスペクトが大きいた建築物にソフトファーストストーリーを適用した場合には、1階の柱20には、大きな水平変形と同時に大きな軸力(圧縮又は引張)22が加わっており、1階の柱は水平方向の大変形を許容すると同時に大きな軸力を負担しなければならない。
ソフトファーストストーリーは低層階の水平剛性を小さくすることが前提なので、低い水平剛性を実現するために低層階の柱の断面積は小さくなる。一方、大きな軸力を保持するには大きな断面積が必要である。
本出願の第1の請求項に記載された発明によれば、複数の階を有する建築物において、低層階の水平剛性を上層階の水平剛性よりも小さくするとともに、当該低層階にハードニング型粘性ダンパーを設けた建築物によって上記の課題を解決する。
前記密実断面を有する鋼材は、高弾性鋼であるのが望ましい。
v=hω1/200
つまり、ハードニング型粘性ダンパーは風荷重による振動に相当する比較的小さな変形速度に対しては減衰定数が小さい緩やかなダンパーとして作用し、地震時(特に大地震時)の大変形速度に対しては減衰定数が大きい強力なダンパーとして作用する。したがって、本発明にかかる建築物は風荷重に対する振動を有効に抑制してゆれの無い快適な空間を提供すると共に、地震時(特に大地震時)の大変形に際しては振動のエネルギーを有効に吸収して安全性を確保する。
本発明にかかる建築物のは風荷重や地震力を受けた際には、低層階が水平変形し上層階はほぼ水平移動することが好ましい。そのためには低層階の荷重支持部材は、水平方向剛性が小さいと同時に鉛直方向剛性が大きいことが望ましい。鉛直方向剛性が小さいと、荷重支持部材の軸方向変形に起因して建築物全体のロッキング変形が大きくなるからである。
一方、柱の剛性は、水平方向の支配的な変形である曲げ変形に対する剛性(曲げ剛性)については、断面二次モーメントと称する断面形状によって規定される値に比例しており、同一断面積であれば、ボックス等の中空断面、あるいは、I型、H型、C型等の凹部を有する断面形状は断面二次モーメントが大きい。一般に、柱、梁等の構造部材は、少ない材料によって最大の断面二次モーメントを得ることが要求されており、ボックス、I型等の断面形状はその目的に適合する形状である。
前記密実断面形状の鋼材が高弾性鋼であれば、低層階の水平剛性の低減と鉛直荷重に対する剛性および強度の確保に有利である。
また、低層階が1階であれば、建築物の全体に対して本発明の効果を期待することができる。
図4Aは、1スパン×1スパンの平面形状を有し、10層からなる建築物図4Bの1階部分の骨組みを示すものである。高さ48m、1スパン7mなのでアスペクト比は約7である。図示しない2階以上の骨組みは、ソフトファーストストーリーによって地震時の荷重が低減されている点以外は通常どおりのラーメン構造であり、例えば柱はH型鋼、梁にはI型鋼が使用される。通常の構造と特に違いは無いので、ここでは図示を省略する。ブレースは有っても良いが必須ではない。
この結果は、通常の設計を行った建築物に比較して本発明にかかる建築物の地震応答が顕著に低減され、2階以上について耐震設計尤度が増大し、構造部材の断面を小さくすることができることを意味している。
この結果は、地震応答加速度の低減に関して、本発明が従来の粘性ダンパーを用いたソフトファーストストーリー建築物よりも優位であることを示している。
ここでは地震応答に関する本発明の優位性を示したが、従来の建築物の場合には、地震時の応答加速度を低減するように最適化された粘性ダンパーを用いると、風荷重に対して有効にエネルギー吸収を行わないという問題があるが、本発明の建築物についてはそのような問題が軽減されていることは既に述べた通りである。
したがって、想定外の巨大な地震力が入力されたような場合にも建築物の倒壊を阻止することができる。
Claims (3)
- 複数の階を有する、アスペクト比の大きな建築物において、1階の水平剛性をそれより上層階の水平剛性よりも小さくするとともに、当該1階にハードニング型粘性ダンパーを設けて、鉛直荷重支持部材を密実断面形状の鋼材によって構成し、1次の固有振動モードにおける1階の水平変形がそれより上層階の水平変形よりも大きくなるように設定した建築物。
- 1次の固有振動モードにおける低層階の水平変形が上層階の水平変形よりも大きくなるように設定したことを特徴とする請求項1に記載の建築物。
- 前記建築物は前記低層階から自立した構造体を有し、前記ハードニング型粘性ダンパーは、当該構造体と前記上層階とを水平方向に連結することを特徴とする請求項1または2に記載の建築物。
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JP2005142506A JP4297282B2 (ja) | 2005-05-16 | 2005-05-16 | ソフトファーストストーリー建築物 |
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