JP4423640B2

JP4423640B2 - 建物の構造

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Publication number: JP4423640B2
Application number: JP2004329056A
Authority: JP
Inventors: 信彦浜田; 小林　　芳樹; 博吉田; 安邦吉本; 佳久北村; 有成小林; 政宏浅井; 卓原田; 智貴濱
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: JP2006138127A

Description

本発明は、塔状の形態の高層ないし超高層の建物、特に集合住宅建物に適用して好適な構造に関する。

近年、この種の建物に好適な構造として従来一般の単なるラーメン構造に代わる様々な形式のものが模索されており、たとえば特許文献１や特許文献２にはいわゆるチューブ構造を基本とするものが提案されている。

特許文献１に示されるものは外周チューブ架構と内周チューブ架構とコアチューブ架構とによるトリプル（三重）チューブ架構によるものであり、特許文献２に示されるものはそれを基本としてコアチューブ架構に制震ダンパーとして機能する境界梁を設けたものである。このような構造によれば、通常のラーメン構造による場合に較べて室内への柱形や梁形の突出を無くすことができるし、住戸ゾーンを実質的に無柱無梁空間として確保して高度のフリープラン対応も可能である。
特開２００１−２８８９２１号公報特開２００４−２１１２８８号公報

しかし、特許文献１や特許文献２に示される構造ではいずれも外周チューブ架構を主たる耐震要素として設けることから、外周柱の断面や外周梁の梁成寸法をあまり小さくすることができず、また外周柱の設置間隔やその設置位置にも自ずと制約がある。したがってこのような構造による場合には外周部における開放性を必ずしも充分には確保できない場合があり、眺望性や採光性を犠牲にせざるを得ない場合も多い。

上記事情に鑑み、本発明は外周部の架構に対する耐震要素としての機能を省略ないし簡略化し、以て外周部での開放性を充分に確保し得る有効適切な構造形式を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、塔状の形態の高層ないし超高層の建物の構造であって、中心部に設けたコアウォール架構と、その外側に設けたコアチューブ架構とを主たる耐震要素とし、前記コアウォール架構を高剛性の鉄筋コンクリート造の連層耐震壁として構築するとともに、その要所には制震ダンパーとして機能する境界梁を組み込み、前記コアチューブ架構を密に配置したコア柱とコア梁とによる高耐力フレームとして構築し、コアウォール架構とコアチューブ架構の頂部どうしを頂部フレームにより連結し、この建物の外周部には、床荷重を支持する高軸力細柱と、その高軸力細柱よりも大断面とされてコアウォール架構およびコアチューブ架構の曲げ変形を頂部フレームを介して拘束する外周柱とを設け、かつ各階の外周部に設ける外周梁および該外周梁とコアチューブ架構とを連結する大梁としてスラブ内に内蔵した偏平梁を採用したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の建物の構造において、コアチューブ架構の要所に制震ダンパーを組み込んだことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明の建物の構造において、この建物の用途を集合住宅として、コアチューブ架構の外側を住戸ゾーンとし、かつコアチューブ架構の内側をコアゾーンとし、コアウォール架構の内側にエレベータを集約配置するとともに、コアウォール架構とコアチューブ架構との間に通路、階段室およびその付室、ダクトシャフトやパイプシャフト等の共用諸施設を配置したことを特徴とする。

請求項１記載の発明の構造によれば、建物の中心部にいずれも高剛性のコアウォール架構とコアチューブ架構とを近接して二重に設置したので、それらコアウォール架構とコアチューブ架構のみで地震力の大半を負担するに充分な高剛性を確保でき、しかもコアウォール架構に組み込んだ境界梁によって優れた制震性能が得られる。したがって本発明の構造によれば、外周部の架構には地震力を負担させる必要がなく、そのため外周部に大断面の柱や梁を設ける必要がなく、その結果、外周部の開放性を充分に確保できて優れた眺望性や採光性を確保することができる。

特に、コアウォール架構とコアチューブ架構の頂部どうしを頂部フレームを介して構造的に一体に連結したので、それらコアウォール架構とコアチューブ架構とによる耐震要素としての架構全体の剛性をより一層高めることができる。
さらに、外周部に床荷重を支持する高軸力細柱を設けるとともに、頂部フレームを介してコアウォール架構とコアチューブ架構の曲げ変形を拘束するための外周柱を設けたことにより、床荷重を支持し得るだけの小断面の高軸力柱により開放性を充分に確保しつつ、高軸力柱より大断面の少数の外周柱によりコアウォール架構とコアチューブ架構の全体の過大な曲げ変形を拘束して有効に防止し、構造安定性をより向上させることができる。
しかも、外周梁としてスラブ内に内蔵可能な偏平梁を採用したので、外周部における開放性を充分に確保できることはもとより、外周梁とコアチューブ架構と間に設ける大梁も同様の偏平梁を採用したので、コアチューブ架構の外側に実質的に無柱無梁の大空間を確保することができる。

請求項２記載の発明によれば、コアチューブ架構の要所に制震ダンパーを組み込むことでより優れた制震性能が得られる。

請求項３記載の発明によれば、この建物の用途を集合住宅としてコアチューブ架構の外側を住戸ゾーンとしたので、その住戸ゾーンでの高度のフリープラン対応が可能である。
また、コアチューブ架構の内側をコアゾーンとし、特にコアウォール架構の内側にエレベータを集約配置したので住戸へのエレベータ騒音や振動の悪影響が少なく、またコアウォール架構とコアチューブ架構との間に共用通路、階段室およびその付室、ダクトシャフトやパイプシャフト等の共用諸設備を配置したことで、コアゾーンでの合理的な動線計画や避難経路の確保が可能であるし設備関係の合理的な動線も確保することが可能であり、以上により居住性に優れた快適でハイグレードな集合住宅を実現することができる。

本発明の構造を高層ないし超高層集合住宅に適用した場合の好適な一実施形態を図面を参照して説明する。図１は本実施形態の建物の基準階の伏図、図２は頂部フレームを示す伏図、図３は架構全体の概要を示す立面図である。

本実施形態の建物は基準階の平面形状がほぼ正方形に近い矩形とされ、かつ高さが３０階建て以上の細長い塔状（タワー状）の形態とされたものであって、図１に示すようにその中心部に設けたコアウォール架構１と、そのコアウォール架構１の外側に若干の間隔をおいて同軸状態に近接配置したコアチューブ架構２とを主たる耐震要素とし、それらコアウォール架構１とコアチューブ架構２の双方によってこの建物全体の地震力の大半を負担するようにしたものである。

コアウォール架構１は、各階に４面のＬ状の鉄筋コンクリート造の耐震壁３をそれらの間に開口部を確保した状態で組み合わせて設け、かつ図３に示すように各階の耐震壁３を最下階から最上階まで連続させるとともに、各耐震壁３どうしを各階の開口部の上部に架設した短スパンの境界梁４によって接合することにより、全体としてこの建物の全高にわたる分割角筒状の高剛性の連層耐震壁として構築されたものである。上記の境界梁４は、地震時における各耐震壁３の相対変位を抑制し減衰させるための制震ダンパーとして機能するものである。

コアチューブ架構２は、密に配置されたコア柱５と、それらコア柱５間に架設された短スパンのコア梁６からなる鉄筋コンクリート造の角形チューブ状の高耐力フレームとして構築され、その要所（図示例では各階における両側の中央部の２スパン）には制震ダンパー７が組み込まれている。

そして、それらのコアウォール架構１とコアチューブ架構２とは、図３に示すようにそれらの下端部どうしが共通の基礎８を介して構造的に一体に連結されている他、それらの頂部どうしが頂部フレーム１０を介して構造的に一体に連結されている。頂部フレーム１０は、図２に示すように、コアチューブ架構２の直上位置に架設した頂部大梁１１を外周まで延長して井桁状に組み、その内側に頂部小梁１２および頂部孫梁１３をそれぞれコアウォール架構１の直上位置に架設し、さらに頂部大梁１１の先端部には頂部外周梁１４を架設したものである。それら頂部大梁１１、頂部小梁１２、頂部孫梁１３、頂部外周梁１４はいずれも梁成が１〜２階層分の高さに相当するような大断面の高剛性のものである。

以上のように、本実施形態の構造は建物の中心部にいずれも高剛性のコアウォール架構１とコアチューブ架構２を二重に近接配置し、しかもそれらの頂部どうしを頂部フレーム１０を介して構造的に一体に連結したことにより、それらコアウォール架構１とコアチューブ架構２のみで地震力の大半を負担するに充分な高剛性を確保でき、さらにコアウォール架構１に組み込んだ制震ダンパーとしての境界梁４と、コアチューブ架構２に組み込んだ制震ダンパー７とによって優れた制震効果も併せて得られるものとなっている。

したがって、本実施形態の構造によれば外周部の架構には地震力を負担させる必要がなく、そのため上述したような従来のチューブ構造においては不可欠である高剛性の外周チューブ架構を省略することが可能であり、外周部には床荷重を支持し得るだけの簡略な架構を設けることで充分である。そこで本実施形態の建物では、図３に示しているように外周部には床荷重を支持し得るだけの小断面の高軸力細柱１５を設け、かつ各階の外周部に設ける梁断面も充分に小さくすることが可能であることから外周梁１６としてはスラブ１７内に内蔵し得る偏平梁を採用し、これにより外周部の開放性を充分に確保できて優れた眺望性や採光性を確保できるものとなっている。

また、同様の理由により、図１に示すようにコアチューブ架構２と外周梁１６との間に設ける内部の大梁１８も必要最少限の位置に小断面のものを設けることで充分であり、その大梁１８も外周梁１６と同様にスラブ１７内に内蔵可能な偏平梁を採用可能であるから、コアチューブ架構２の外側には実質的に無柱無梁の大空間を確保することができ、そこに高度のフリープラン対応が可能な住戸ゾーンを設けることが可能である。

そして、コアチューブ架構２の内側にはエレベータや階段室、パイプシャフト等の共用諸施設を集約配置するためのコアゾーンを設けるのであるが、コアウォール架構１の内側やコアウォール架構１とコアチューブ架構２との間にはそこでの床荷重を支持できるだけの必要最少限の小梁１９を設けることで充分であるし、それら小梁１９の梁成も充分に小さなもので良いから、ここにコアゾーンを設けるうえでの平面計画上の制約は少ないし、有効階高も自ずと充分に確保できるから配管配線類を横引きするための動線確保も容易である。

なお、上記のように外周部には小断面の高軸力細柱１５を設けることに加えて、本実施形態ではコアウォール架構１とコアチューブ架構２の全体的な曲げ変形を拘束することを目的として、高軸力細柱１５よりもやや大断面の少数の外周柱２０を併せて設けることとしている。すなわち、そのような外周柱２０を基礎８と頂部フレーム１０における頂部外周梁１４との間に設けることにより、地震時に想定されるコアウォール架構１とコアチューブ架構２の頂部の変位が頂部フレーム１０を介して外周柱２０により拘束される効果が得られ、それによりコアウォール架構１とコアチューブ架構２の全体の過大な曲げ変形が有効に防止されて構造安定性をより向上させることができるものとなっている。なお、高軸力細柱１５のみで同様の効果を得る設計も考えられなくはないが、そのために高軸力細柱１５が断面が過大となったりその所要本数が増大するとすれば開放性の確保という本来の目的から逸脱するので好ましくなく、それよりも図示例のように充分に小断面の高軸力細柱１５を充分な間隔で配置したうえで高軸力細柱１５よりも大断面の必要最少限の外周柱２０を付加する方が現実的である。

以上で本発明の一実施形態を説明したが、以下に上記実施形態についての補足的な説明とその変形例や応用例について説明する。

建物全体の基本的な構造は鉄筋コンクリート造ないし鉄骨鉄筋コンクリート造とすることが現実的であるが、要所に他の構造を適宜組み合わせても良く、たとえばコアチューブ架構２を構成するコア柱５やコア梁６としてはＰＣａ部材の採用やコンクリート充填鋼管構造も好適に採用可能である。また、頂部フレーム１０は充分に簡略化することが可能であるし、コアウォール架構１やコアチューブ架構２の内側に設ける小梁１９は小断面の鉄骨小梁で充分であるし、コアゾーンに設ける階段も鉄骨階段で良く、外周部に設ける高軸力細柱１５としては所望の軸力が得られる場合には小径の鋼管柱も採用可能である。スラブ１７については在来工法によることでも勿論良いが、特に版厚の大きい各種の中空スラブ構造とすることが好ましく、その施工もハーフＰＣａ床板やフルＰＣａ床板を用いるプレキャスト工法の採用が好ましい。さらに、偏平梁とする外周梁１６や内部大梁１８にはプレストレスを導入するＰＣ工法も好適に採用可能である。

図４は本実施形態の架構の一部（図３におけるIV部）の具体的な構成例を示すものである。これは、外周梁１６および大梁１８にプレストレスを導入し、スラブ１７をハーフＰＣａ板２５上に後打ちコンクリート２６を打設することで形成（破線はフロアパネルの敷設による仕上げ床レベルを示す）し、コアチューブ架構２における短スパンのコア梁６として鋼管を用いたＲＣ梁を採用したものである。

すなわち、コアチューブ架構２におけるコア梁６は高度の曲げ耐力と剪断耐力が要求されることから、通常のＲＣ梁によることでは高強度鉄筋を用いたとしても配筋量が膨大になるし施工も容易ではないから、本例では短期剪断耐力を有する鋼管３０によってＲＣ梁を被覆する（換言すれば、短期剪断耐力を有する鋼管３０内に通常のＲＣ梁を組み込む）という構造を採用している。具体的には、図５に示すような角形断面の鋼管３０を採用してその内部に通常の主筋３１と剪断補強筋（スタラップ）３２を備えたＲＣ梁を形成することとして、鋼管３０に地震時の短期剪断力に対する剪断補強機能を持たせることにより、鋼管３０内の剪断補強筋３２には長期剪断力に対する耐力のみを有するような必要最少限の配筋を行うに留め、それによって所要配筋量を大幅に削減することを可能としている。この場合、鋼管３０の上面にコンクリート打設孔３３を形成しておくことによりその内部へのコンクリート充填を支障なく行うことができるし、鋼管３０の側部にブラケット３４を取り付けることでスラブ１７を形成するためのハーフＰＣａ床板２５やデッキプレート３５を支持できるので施工性にも優れ、後打ちコンクリート２６との一体性もスラブ接合筋３６によって支障なく確保することができる。

あるいはその変形例として、図６に示すように鋼管３０として上面が開放された角形溝形断面のもの採用すれば、その鋼管３０内への配筋作業やコンクリート充填作業をより容易に行うことができる。この場合、鋼管３０の開き止めが必要となる場合には、鋼管３０の左右両側面の上縁部にリップ部３７を設けてそこにスタッド３８を植設し、左右のスタッド３８間にフック付きの補強筋３９を配筋すれば、それらスタッド３８と補強筋３９とにより開き止め効果が得られると同時に鋼管３０と後打ちコンクリート２６との一体化も図れる。

なお、いずれの場合も鋼管３０に対して耐火被覆を施して火災時においても鋼管３０の長期剪断耐力を保証することにより、鋼管３０内の剪断補強筋３２を完全に省略することも可能である。さらに、上記のような鋼管３０によって剪断補強を行うことに代えて、あるいはそれに加えて、主筋３１をＸ形配筋とする（上主筋と下主筋とをＸ状に交差させる）ことによっても優れた剪断補強効果が得られる。

上記実施形態ではコアチューブ架構２の要所に制震ダンパー７を設けることとしたが、それは省略することも可能である。また、制震ダンパー７を設ける場合には、その形式は特に限定されるものではなく、オイルダンパーや粘弾性ダンパー、鋼材ダンパー等、適宜のものを任意に採用可能であるが、特にたとえば図７に示すようなブレースダンパー（特開２００３−３１４０８０号公報参照）が好適に採用可能である。これは、コアチューブ架構２におけるコア柱５とコア梁６とによる躯体フレーム内にブレースの形態で設置されるものであって、帯板状の鋼板からなるダンパー本体４０の外側にその座屈を防止するための拘束部材を装着し、地震時にはダンパー本体４０の座屈を防止しつつそれを軸方向に塑性変形させることで振動エネルギーを吸収して制震効果を得るようにしたものである。図示例のブレースダンパーにおける拘束部材は、ダンパー本体４０を両側から挟み込む左右一対のチャンネル鋼材４１と、それらチャンネル鋼材４１のフランジどうしを連結する上下一対のカバープレート４２からなり、（ｄ）に示すようにそれらを全体としてＨ形断面に組み立てることでダンパー本体４０の面外座屈を防止し、かつ（ｃ）に示すようにダンパー本体４０の中央部に幅狭部として形成した降伏部の両側に補剛材４３を設けることでダンパー本体４０の面内座屈を防止するようにしており、しかもチャンネル鋼材４１には補剛部材として縦リブ４４や横リブ４５を設けることで充分な座屈防止効果が得られるものとなっている。

本発明ではコアウォール架構１の要所に制震ダンパーとして機能する境界梁４を設ける必要があり、その境界梁４としては所望の剛性と所望の塑性変形性能を有するものとする限りにおいて様々な構造、形式のものを任意に採用可能であるが、たとえば上述の特許文献２（特開２００４−２１１２８８号公報）に示されているものが好適に採用可能である。これは、図８に示すように、Ｈ形断面の鉄骨材５０の両端部を鉄筋コンクリートからなる被覆材５１により被覆し、その被覆材５１を両側の耐震壁３に一体に接合したものであって、被覆材５１の間に露出している鉄骨材５０のウェブ５２を極軟鋼により形成することで、地震時における両側の耐震壁３の上下方向の相対変形によりウェブ５２を降伏させることで優れた制震効果が得られるものである。

あるいは、境界梁４としては図９に示すものも好適に採用可能である。これは、角形断面の鋼管５５を主体としてその内部の両側にのみコンクリート５６を充填し、コンクリートを充填していない鋼管５５の中央部の両側面を降伏させることで制震効果を得るものである。この場合、鋼管５５の上面に形成したコンクリート打設孔５７からその内部にコンクリート５６を充填すれば良いので型枠工事が不要であるし、コンクリート５６中に定着したアンカー筋５８により耐震壁３に対する接合強度も充分に確保することができる。また、鋼管５０の中央部の上下両面に開口部５９を設けてその位置や大きさを調整することで制震効果を容易に調整することも可能である。

本発明の構造は集合住宅に限らず様々な用途の建物に適用可能であり、用途や規模、平面プランに応じて各部の具体的な構成は様々に変更すれば良く、たとえばコアウォール架構１は上記実施形態のように４分割した形態で設けることに限らずさらに多分割としたりあるいは２分割するに留めることでも勿論良いし、コアチューブ架構２の平面的な形態やそのスパン割も任意である。

しかし、本発明は上記実施形態のようにコアチューブ架構２の外側に高度のフリープラン対応が可能な無柱無梁の住戸ゾーンを確保でき、コアチューブ架構２の内側には有効にコアゾーンが確保できることから、集合住宅に適用することが最も好適であるといえる。勿論、集合住宅に適用する場合も、基準階の平面プランや、住戸ゾーンに割り付ける住戸数、各住戸の平面プランは任意であり、たとえば図１０に示すように住戸ゾーンの所望位置に戸境壁６０を設けて所望戸数（図１０では８戸）の住戸を確保すれば良い。また、図示例のようにエレベータ６１をコアウォール架構１の内側に集約配置すれば住戸へのエレベータ騒音や振動の影響を無くすことができるし、コアウォール架構１内の残余のスペースにはたとえばゴミ置き場等の共用室６２を適宜設けることができる。

また、上記実施形態のようにコアウォール架構１を４面のＬ状の耐震壁３により平面的に４分割した形態としている場合には、各耐震壁３間の各開口部を利用してその内側にエレベータホールを兼ねる十字状の通路６３を確保するとともに、コアウォール架構１とコアチューブ架構２との間の環状の領域には各住戸へ通じる通路６４、階段室６５とその付室を兼ねる通路６６を設けることにより、各住戸への動線や避難経路を最短かつほぼ均等に設定することができる。さらに、コアウォール架構１とコアチューブ架構２との間の四隅部に排煙用のダクトシャフト６７やメインのパイプシャフト６８を配置するとともに、各住戸のエントランスの近傍にはメータボックスを兼ねる個別のパイプシャフト６９を分散配置することにより、設備関係の配管配線類の動線を合理的に計画できるし、将来的な更新性も確保することができる。

さらに、コアゾーンの平面プランや住戸ゾーンにおける住戸の割り付けパターンに応じて、たとえば図１１に示すように住戸数を多数（図１１では１４戸）とする場合等においては、コアチューブ架構２の外側にも回廊となるような通路７０を設け、その通路に面してパイプシャフト６９を設ければ良い。

なお、コアゾーン内に配置する諸施設の施工は高度にユニット化することが好ましく、たとえば鉄骨階段の両側にダクトシャフト６７およびメインのパイプシャフト６８を予め一体に組み付けておくとともに、各パイプシャフト６８，６９内には予めユニット配管を組み込んでおくというユニット工法の採用により、それらを一括して設置できるので施工性を大きく改善でき、工期短縮と工費削減を図ることができる。

本発明の構造の一実施形態を示すもので、本実施形態の構造による建物の基準階の伏図である。同、頂部フレームを示す伏図である。同、各架構の概要を示す立面図である。同、基準階の架構の要部（図３におけるIV部）拡大図である。同、コアチューブ架構におけるコア梁の一例を示す図（図４におけるV部の拡大図）である。同、コア梁の他の例を示す図（図４におけるVI部の拡大図）である。同、コアチューブ架構に組み込む制震ダンパーの一例であるブレースダンパーを示す図である。同、コアウォール架構に組み込む境界梁の一例を示す図（図３におけるVIII部の拡大図）である。同、境界梁の他の例を示す図（図３におけるIX部の拡大図）である。同、基準階の平面プランの一例を示す図である。同、基準階の平面プランの他の例を示す図である。

符号の説明

１コアウォール架構（連層耐震壁）
２コアチューブ架構（高耐力フレーム）
４境界梁
５コア柱
６コア梁
７制震ダンパー（ブレースダンパー）
１０頂部フレーム
１５高軸力柱
１６外周梁（偏平梁）
１８大梁（偏平梁）
２０外周柱
６０戸境壁
６１エレベータ
６２共用室
６３通路
６４通路
６５階段室
６６通路（付室）
６７ダクトシャフト
６８パイプシャフト
６９パイプシャフト
７０通路

Claims

塔状の形態の高層ないし超高層の建物の構造であって、
中心部に設けたコアウォール架構と、その外側に設けたコアチューブ架構とを主たる耐震要素とし、
前記コアウォール架構を高剛性の鉄筋コンクリート造の連層耐震壁として構築するとともに、その要所には制震ダンパーとして機能する境界梁を組み込み、
前記コアチューブ架構を密に配置したコア柱とコア梁とによる高耐力フレームとして構築し、
コアウォール架構とコアチューブ架構の頂部どうしを頂部フレームにより連結し、
この建物の外周部には、床荷重を支持する高軸力細柱と、その高軸力細柱よりも大断面とされてコアウォール架構およびコアチューブ架構の曲げ変形を頂部フレームを介して拘束する外周柱とを設け、
かつ各階の外周部に設ける外周梁および該外周梁とコアチューブ架構とを連結する大梁としてスラブ内に内蔵した偏平梁を採用したことを特徴とする建物の構造。
請求項１記載の建物の構造であって、
コアチューブ架構の要所に制震ダンパーを組み込んだことを特徴とする建物の構造。
請求項１または２記載の建物の構造であって、
この建物の用途を集合住宅として、コアチューブ架構の外側を住戸ゾーンとし、かつコアチューブ架構の内側をコアゾーンとし、
コアウォール架構の内側にエレベータを集約配置するとともに、コアウォール架構とコアチューブ架構との間に通路、階段室およびその付室、ダクトシャフトやパイプシャフト等の共用諸施設を配置したことを特徴とする建物の構造。