JP4804231B2 - ピロティ階における免震構造 - Google Patents

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本発明は、上層構造物と下部構造物の間にピロティ階を設けた建築物におけるピロティ階の免震構造に関する。
都市部において、建築物を複合用途に適用するために、例えば、複数階からなる上層階を居住等の比較的小区画の用途に適用する階とし、その下に位置する下層階として、事務所、店舗、駐車場、病院、高齢者施設などの比較的大区画の用途に適用するいわゆるピロティ階を設けることがしばしば行われている。
ピロティ階をもつ建物は地震動に弱いといわれており、有効な免震構造が求められている。地震時の揺れの大きさは個々の建築物がもつ固有周期により大きく左右されることが知られており、自重が大きく剛性が低いほど固有周期が長くゆっくりした揺れ方をする。通常、高層建築の方が低層建築より固有周期が長く、例えば、鉄筋コンクリート造では高さ30m程度の固有周期が約1秒程度と短く、高さ200m程度の超高層になると約5〜6秒と長くなる。巨大地震や軟弱地盤の場合は、長周期の地震動も発生することが指摘されており、固有周期の長い高層及び超高層の建築物にも大きな影響を与えると予想される。従って、ピロティ階を設ける場合には特に十分な免震構造を備えることが要望される。
建築物の免震手段としては、水平方向に柔軟な積層ゴム等が知られており、これにより建築物の固有周期を地震動の固有周期からずらすとともに、基礎から上層部分への地震動の伝達を抑制する。また、柔接合構造を利用することによっても、基礎から上層部分への地震動の伝達を抑制することができ、例えば以下のような免震構造が知られている。
特許文献1には、柱脚と基礎との間を連結したピン構造が記載されており、柱脚底面に設けた座板状ベースプレートと基礎との間に免震用マットを介在させこれらを貫通するアンカーボルトで固定するとともに、柱脚のベースプレートと接合した梁を隣り合う柱同士の間に渡架して剛接合により連結している。これにより、基礎から建築物に伝わる応力を全体が受けることで各構成部材のモーメントを低減し免震用マットの負担を軽減すると記載されている。
特許文献2には、プレキャストコンクリート柱の免震接合構造が記載されており、柱脚と基礎との間に受け座と球体部材とを介在させこれらの周囲に目地材を充填し、柔接合構造により柱脚と基礎とを連結している。また、基礎と柱とがPC鋼材で接合されプレストレスが付与されている。地震時の水平曲げ応力により柱脚が回転すると周囲の目地材を破壊することにより、柱や基礎の損傷を防止できると記載されている。
特許文献3には、上記特許文献2と同様にプレキャストコンクリート柱の柱脚と基礎とが柔接合構造により連結された構造が記載され、さらに柱とプレキャストコンクリート梁との間に所定の有効緊張力でPC鋼材が配線されて接合されており、中程度の地震荷重に対しては柱と梁とが剛接合ラーメンとして機能し、それ以上の地震荷重に対しては柱と梁とが回転可能な柔接合構造として機能すると記載されている。
特許第3150640号公報 特許第3676702号公報 特許第3527718号公報
特許文献1の免震構造は、柱脚に設ける周知の免震用マットの負担を軽減するために柱脚部分に梁を連結しているが、このような低位置に梁が存在する構造は、空間自由度を必要とするピロティ階の免震構造として不適である。
特許文献2及び3の免震構造では、地震時に目地材が破壊されることで柱等の損傷を防ぐが、このような免震構造は一度機能すると目地材の修理が必要となり、自動的には初期状態に復帰しないため、短期間に大きな地震動が繰り返される場合には対応できない。
ピロティ階においては、長期鉛直荷重(建築物自重や積載荷重等)および短期外部負荷力(風圧力や地震力等)を負担することができる高い免震機能を有することが要求されると同時に、特に空間自由度の確保が重要である。従って、ピロティ階内部における構造部材の配置に制約が少なくかつ各構造部材が可能な限りコンパクトであることが望ましいが、上記のいずれの特許文献の免震構造も、ピロティ階における構造部材の配置の自由度や各構造部材の寸法低減を考慮したものではない。
以上の現状に鑑み本発明は、長期鉛直荷重及び短期外部負荷力のいずれも効果的に負担できると同時に、ピロティ階の空間自由度を確保しかつ合理的なコストで実現可能な建築物のピロティ階における免震構造を提供することを課題とする。
上記の課題を解決するべく本発明は以下の構成を提供する(かっこ内の数字は、添付の図面中の符号である)。
(1)請求項1に係るピロティ階における免震構造は、上層構造物(20)と下部構造物(30)の間にピロティ階(10)を設けた建築物における前記ピロティ階の隅部にそれぞれ立設され各々の下端及び上端が前記下部構造物(30)及び該ピロティ階の上部梁(12)に対してそれぞれ剛接合する構造壁(11)と、
前記構造壁と剛接合した各部分における前記上部梁(12)の上端面と前記上層構造物(20)の下端面との間にそれぞれ設けた免震手段(17)と、
前記ピロティ階に1または複数立設され各々の下端及び上端が前記下部構造物(30)及び前記上層構造物(20)に対してそれぞれ柔接合手段により柔接合する構造中柱(13)とを有することを特徴とする。
(2)請求項2に係るピロティ階における免震構造は、請求項1における前記柔接合手段が、
前記構造中柱(13)の上端面に設けられた柱頭における凹曲面(13a)または凸曲面(13d)と、
前記柱頭における凹曲面または凸曲面に対向して前記上層構造物(20)の下端面に固定され前記柱頭における凹曲面または凸曲面が転動可能に当接する凸曲面または凹曲面を具備する柱頭における受け部材(50、70)と、
前記構造中柱(13)の下端面に設けられた柱脚における凹曲面(13b)または凸曲面(13e)と、
前記柱脚における凹曲面または凸曲面に対向して前記下部構造物(30)の上端面に固定され前記柱脚における凹曲面または凸曲面が転動可能に当接する凸曲面または凹曲面をもつ柱脚における受け部材(60、80)と、
前記柱脚における受け部材(60、80)、前記構造中柱(13)及び前記柱頭における受け部材(50、70)を貫通しその両端が前記下部構造物(30)及び前記上層構造物(20)にそれぞれ定着される緊張材(14)とを具備することを特徴とする。
(3)請求項3に係るピロティ階における免震構造は、請求項1または2において、前記構造中柱(13)と前記上部梁(12)との間の水平距離が、前記建築物の耐震強度の対象とする地震にて想定される前記上層構造物(20)と下部構造物(30)との最大相対水平変位より大きい。
(4)請求項4に係るピロティ階における免震構造は、請求項1〜3のいずれかにおいて、前記下部構造物(30)が基礎または地下構造物であることを特徴とする。
(5)請求項5に係るピロティ階における免震構造は、請求項1〜4のいずれかにおいて、前記構造中柱(13)が鉄骨製、プレキャストコンクリート製またはコンクリート充填鋼管製のいずれかであることを特徴とする。
(6)請求項6に係るピロティ階における免震構造は、請求項1〜5のいずれかにおいて、前記構造壁の横断面が三股形であることを特徴とする。
(7)請求項7に係るピロティ階における免震構造は、請求項1〜6のいずれかにおいて、前記構造壁の横断面が長方形、十字形またはL字形のいずれかであることを特徴とする。
(A)本発明によるピロティ階における免震構造では、剛接合構造と柔接合構造とを組合せている。剛接合構造として、ピロティ階の隅部に構造壁がそれぞれ立設され、構造壁の下端は下部構造物に剛接合され、上端はピロティ階の上部梁に剛接合されている。そして、構造壁と剛接合した上部梁の上端面と上層構造物との間に免震手段が配置されている。一方、柔接合構造として、ピロティ階に1または複数の構造中柱が立設され、各構造中柱の下端は下部構造物に対して柔接合手段を介して柔接合され、上端は上層構造物に対して柔接合手段により柔接合されている。
剛接合構造を形成する構造壁と上部梁は、長期鉛直荷重(建築物自重や積載荷重等)の一部と短期外部負荷力(風圧力や地震力等)を負担する。一方、柔接合構造を形成する構造中柱は、長期鉛直荷重の一部を負担する。このように、長期鉛直荷重の一部を構造中柱が負担するため、構造壁及び上部梁のみで負担する場合よりも構造壁及び/または上部梁の寸法を小さくできる。構造中柱もまた、短期外部負荷力は負担せず軸力のみを負担するため、一般ラーメン構造の柱に比べれば細いものでよい。よって、ピロティ階内部に大断面の柱を設置する必要がない。また、1または複数の構造中柱はピロティ階にバランスよく配置されていればよく、その配置に大きな制約はない。これによりピロティ階の空間自由度が確保でき、空間を有効活用できるとともに、部材の総量を低減できるためコスト削減できる。
また、長期鉛直荷重の一部を構造中柱が負担するため、平面外周部に配置される構造壁と上部梁とからなる垂直及び水平の剛性支持手段によって、長期鉛直荷重の一部と短期外部負荷力を集約的に十分負担できる。この結果、これら以外にピロティ階内部にブレースや耐震壁を設けることがほぼ不要となり、ピロティ階の空間を有効活用できる。
さらに、隅部に構造壁を設けその上端を上部梁により連結することで、平面外周部に構造壁と上部梁をバランスよく設けることができ、平面中央部に設ける場合に比べて短期外部負荷力に対して応力を分散できるという構造的利点もある。これによっても構造壁の総量を低減できる。
またさらに、構造中柱はその上下端が柔接合手段により柔接合されているため、水平変位追従性を有している。また、構造中柱の上端は、上部梁ではなく上層構造物に連結されている。従って、地震等の短期外部負荷力により下部構造物と上層構造物との間に相対水平変位を生じた場合、構造中柱は傾斜してその相対水平変位に追従することができる。これにより、上層構造物が相対水平変位した状態においても上層構造物からの鉛直荷重負荷を構造中柱を介して軸力として下部構造物へ伝達することができる。
これに対し、構造壁及び上部梁については、上層構造物との間に免震手段があるために上層構造物の変位には追従しない。この免震手段は、構造壁の立設された隅部にのみ設けられるため、その数を低減し集約的に設置できる。また平面外周部、特に隅部にバランスよく配置されるため、免震手段の性能を十分に発揮できる。言い換えるならば、数を低減しても同様の免震効果が得られることになる。さらに、集約的に設置することで大型の免震手段を用いることが可能となる。大型の免震手段は、例えば4秒を大きく超える長周期化を図ることができるため、大地震や長周期地震に対しても十分安定した免震効果を期待できる。加えて、この免震手段は、上層構造物の直下に存在することになるため上層構造物への地震力の伝達を削減することに非常に有効であり、上層構造物に配置される居住区画等の構造安定性を向上させる。
さらに、上部梁については、免震手段の設置される隅部において集中的に鉛直荷重を受けるが、その直下に構造壁が位置するため梁材そのものが圧縮力を受けるだけとなり曲げ応力は生じない。通常、梁材自体は圧縮力に対して強固であるので有利である。
加えて、上部梁は、そのスパン中間部では自重を除いて外力としての鉛直荷重を受けない。このことは、スパン中間部に鉛直荷重を受ける同一断面の梁に比べて長いスパンを支持できることを意味する。よって、ピロティ階の空間自由度をさらに向上させることができ、また構造安定性も向上させられる。
(B)本発明によるピロティ階における免震構造では、構造中柱の上下端を柔接合するための柔接合手段が、構造中柱の両端面にそれぞれ設けた凹曲面または凸曲面と、これらの曲面が当接して転動可能であるように対向する凸曲面または凹曲面を具備し上層構造物及び下部構造物にそれぞれ固定された受け部材とにより構成されている。さらに、上下の柔接合手段及び構造中柱を貫通して両端が上層構造物及び下部構造物にそれぞれ定着される緊張材を設けている。緊張材に付与されるポストテンションにより、構造中柱と上下の構造物とが強固に連結され、軸力を良好に伝達することができる。
そして、上層構造物と下部構造物とが相対水平変位したときは、構造中柱が傾斜してその上端が鉛直方向に沈み込む一方、免震手段もこの相対水平変位に追従して上端が鉛直方向に沈み込む。このときの構造中柱の沈み込みの度合いが免震手段の沈み込みの度合いより大きいと、構造中柱の両端の支点間距離が長くなる。このような場合に、仮に緊張材によるポストテンションがないとすれば構造中柱は支点間距離の延長分に対応できず、上層構造物からの鉛直荷重が構造中柱に十分伝わらなくなる。この結果、その部分における上層構造物の下端に鉛直荷重が集中的に負荷され、破壊される虞がある。
本発明では、構造中柱が傾斜した場合、その両端面に設けた凸または凹の曲面が受け部材の凹または凸の曲面に対して転動して支点が円滑に推移することができる。そして両端の支点の移動により支点間距離が長くなった場合、その延長分に対応して緊張材が伸びるとともに、ポストテンションの付加された構造中柱も伸びて上下の各構造物との良好な柔接合状態を維持する。これにより、上下の構造物が相対水平変位したときにも構造中柱を介して軸力を十分に伝達することができる。
さらに、緊張材が構造中柱を貫通して上下の各構造物にその両端を定着されることにより、上層構造物の浮き上がりによる引張応力に対抗する大きな効果を得ることができる。これにより、直下型地震における縦揺れ振動に対して浮き上がり防止効果を期待できる。
なお、柔接合手段を構成するべく対向して配置される部材の面は、一方を凹曲面とし他方を凸曲面とすることが好適である。曲面と平面の組合せの場合よりも隙間が狭く異物が侵入し難いことに加え、凹曲面が凸曲面を包み込む形態とすることで滑動することなく安定に転動することができる。
(C)本発明によるピロティ階における免震構造では、構造中柱と上部梁との間の水平距離を、建築物の耐震強度の対象とする地震にて想定される上層構造物と下部構造物との最大相対水平変位より大きくする。これにより、構造中柱の上端が上層構造物に追従して最大に水平変位した場合にも、構造中柱と上部梁とが衝突して破損する事態が避けられる。
(D)本発明によるピロティ階における免震構造では、下部構造物を基礎または地下構造物とする。これにより、下部構造物が地震動と同じ動きをするためピロティ階自体には大きな負荷がかからず、かつ上層構造物については免震手段及び構造中柱の柔接合構造による免震機構が働いて地震力が削減される。
(E)本発明によるピロティ階における免震構造では、構造中柱を鉄骨造、プレキャストコンクリート造またはコンクリート充填鋼管造のいずれかとすることにより、場所打ち工法に比べて細い柱とすることが可能で、さらに現場作業が軽減される。
(F)本発明によるピロティ階における免震構造では、構造壁の横断面を三股形とする。三股形は、外力負荷が軸力に変換されやすく下部構造物に効率的に伝達することができる。特に応力の集中する隅部には有効であり隅部の強度向上を図ることができる。
(G)本発明によるピロティ階における免震構造では、構造壁の横断面を長方形、十字形またはL字形のいずれかとする。これらの種々の形状を備えることにより、ピロティ階の空間利用設計を考慮した上で外力負荷を軸力に変換しやすいように効果的に配置することができる。
以下、図面に示した実施例を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明によるピロティ階の免震構造を設けた建築物1を概略的に示す分解斜視図である。図2は、図1のX断面図である。
図1に示すように、建築物1は、1または複数の階からなるピロティ階10を設けている。ピロティ階10の上方には、複数階からなり一般的に梁と柱で構成されるラーメン構造の上層構造物20が設けられ、ピロティ階10の下方には下部構造物30が設けられる。図1ではピロティ階10と上層構造物20の間を切り離して描いている。下部構造物30は、基礎、地下構造物、または下層構造物(地上階のもの)のいずれかである。免震構造という点では、下部構造物30が基礎または地下構造物であることが好適である。上層構造物20、ピロティ階10及び下部構造物30のいずれも複数階を含んでいてもよいが、図1では個々の階層の図示を省略している。
なお、上層構造物20の下端に設けられる構造部材21は、例えば、スラブ、梁または柱脚部分などである。下部構造物30の上端に設けられる構造部材31は、例えばスラブ、梁または柱頭(もしくは杭頭)部分などである。
本発明の適用対象は、好適には高層及び超高層建築物であるが、低層及び中層建築物にも適用可能であり階数は限定されない。また、上層構造物、ピロティ階及び下部構造物の構造種別は、それぞれ鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造、鉄骨造、コンクリート充填鋼管造等のいずれも可能である。また、プレキャストコンクリート造として予め工場生産することにより、現場作業を削減して短工期化を図ることもできる。
一般的に、上層構造物20は、集合住宅、SOHO、小規模事務所、ホテル、社員寮等の比較的小さい区画を必要とする用途に使用される。一方、ピロティ階10は、商業施設、大規模事務所、介護施設、病院、駐車場等の比較的大きい区画を必要とする用途に使用される。
ピロティ階10の平面形状は、図2に示すように四辺からなる正方形または長方形である矩形が構造上望ましいが、構造力学上許容できる限りにおいて他の形状(四辺以外の辺数の多角形、隅部が直角以外の多角形、凹部をもつ多角形等)であってもよい。
図1に示すピロティ階10は、隅部(図示の例では矩形平面形状の四隅)に構造壁11がそれぞれ立設されている。構造壁11は、3枚の壁部材を放射状に配置し中心軸で接合した形状であり、図2のX断面図に示すように横断面が三股形となっている。三股形の構造壁11を形成する3枚の壁部材のうちの1枚11aは、矩形平面形状の頂角10aの2等分線に沿って配置され、他の2枚11b、11cはその内方の端縁から二股に分かれるように配置されている。構造壁11の下端は、下部構造物30の上端の構造部材31に剛接合されている。
一方、構造壁11の上端は、ピロティ階10の上部梁12の下端に剛接合されている。上部梁12はピロティ階10の外周を囲むようにほぼ各辺に沿って延設されている。図2に示すように、上部梁12は必ずしも各辺に平行な直線状である必要はないが、外周部に沿ってバランスよく、対称的に配置されることが好適である。図示の例では、後述する構造中柱13を矩形平面形状の各辺中央部にそれぞれ1本ずつ配置したため、上部梁12は、構造中柱13との間に一定距離を確保するよう中央部12aを内側に折り曲げた形状とされている。
さらに、ピロティ階10の隅部において、上部梁12の上端面と上層構造物20の下端面との間には免震手段17がそれぞれ設けられている。つまり、免震手段17は、上部梁12において構造壁11が剛接合された下端面の反対側に当たる上端面に設置される。よって、上層構造物20からの長期鉛直荷重が、免震手段17及び上部梁12を介して構造壁11に伝達され、さらに構造壁11から下部構造物30へ伝達される。
免震手段17は、少なくとも水平剛性の低い絶縁装置(アイソレータ)の機能を具備する。低層建築物の場合はこれにより長周期化することで中小規模地震の地震動周期を回避することが可能となる。このような機能をもつ免震手段としては積層ゴムやローラー形免震装置があるが、同様の機能をもつものであればいずれも使用できる。さらに、免震手段17は、アイソレータ機能に加えてダンパー機能を具備してもよい。これにより地震動エネルギー吸収効果も得られる。このような免震手段として、例えば鋼棒ダンパーや鉛ダンパーなどがある。好適例は、鉛ダンパーをプラグとして積層ゴム内に封入した一体型のものであるが、同様の機能をもつものであればいずれも使用できる。
さらに、ピロティ階10には、1または複数の構造中柱13が立設される。構造中柱13の下端は下部構造物30に対して柔接合手段により柔接合(ピン接合)され、上端は上層構造物20に対して柔接合手段により柔接合される。このように、下端と上端を柔接合された構造中柱13は、上層構造物20からの長期鉛直荷重を下部構造物へ軸力として伝達する。そして、両端が柔接合されていることにより、下部構造物30が地震力による水平負荷を受けたとき、その水平負荷が構造中柱13へ伝達されない。同様に、上層構造物20が風圧力による水平負荷を受けたときも、その水平負荷が構造中柱13へ伝達されない。仮に構造中柱13の両端が剛接合されているとすれば、これらの水平負荷による曲げ応力が生じて損傷や破壊のおそれがあるが、柔接合とすることによりこのような損傷や破壊は避けられる。
そして、構造中柱13は、その両端が柔接合され、特に上端が上部梁12ではなく上層構造物20に接合されていることにより、下部構造物30と上層構造物20の間の相対水平変位に追従することができる。このような相対水平変位に追従した場合、構造中柱13は傾斜して斜柱の状態となる。そして、後述するように、斜柱の状態であっても上層構造物20からの鉛直荷重を軸力として下部構造物へ伝達することができる。
上記のように、本発明のピロティ階における免震構造では、剛接合構造を形成する構造壁11と上部梁12が、長期鉛直荷重(建築物自重や積載荷重等)の一部と短期外部負荷力(風圧力や地震力等)を負担する一方、柔接合構造を形成する構造中柱13が、長期鉛直荷重の一部を負担することができる。そして、長期鉛直荷重の一部を構造中柱13が負担するため、構造壁11及び上部梁12のみで負担する場合よりも構造壁11及び/または上部梁12の寸法を小さくできる。構造中柱13もまた、短期外部負荷力は負担せず軸力のみを負担するため、一般ラーメン構造の柱に比べれば細いものでよい。構造中柱13は、鉄骨製、プレキャストコンクリート製またはコンクリート充填鋼管製のいずれかが好適である。
なお、図2のX断面図に示すように、複数の構造中柱13をピロティ階10の内部にバランスよく、対称的に配置することが好適である。バランスよい配置であれば、個々の位置について大きな制約はないため自由度が大きい。また、構造中柱10が傾斜したときに上部梁12と衝突しないように、全ての構造中柱13が上部梁12との間に一定の水平距離a、b、cを確保して配置されている。一定の水平距離a、b、cは、想定される最大の相対水平変位より大きければよい。想定される最大の相対水平変位の特定は困難であるが、当該建築物の耐震強度の対象とする地震において想定される数値を目安とするのが適切である。一例であるが、水平距離a、b、cをいずれも500mm以上とする。
図3は、下部構造物30と上層構造物20の間の相対水平変位に対するピロティ階10の状態を模式的に示した側面図である。図3(a)は、相対水平変位が生じていない平常時の状態であり、構造中柱13は鉛直方向に立設されている。免震手段17も、水平方向には非変形の状態である。図3(b)は、大地震発生時の状態であり、下部構造部30と上層構造物20の間にΔdの相対水平変位が生じ、これに追随して構造中柱13の上端と下端が相対的に逆向きに水平方向にずれて傾斜した状態となる。免震手段17も水平方向に変形する。
図3に示すように、下部構造物30と上層構造物20が相対水平変位したとき、構造中柱13は傾斜することによりその上端が鉛直方向に沈み込む。一方、免震手段17も変形して上端が鉛直方向に沈み込む。このとき、構造中柱13の上端の沈み込みの度合いが免震手段17の上端の沈み込みの度合いより大きい場合には、構造中柱13の上端が上層構造物20の下端から外れる傾向となり、上層構造物20からの鉛直荷重が構造中柱13に十分伝わらなくなる。この結果、その部分における上層構造物20の下端に鉛直荷重が集中的に負荷され、破壊される虞がある。本発明では、構造中柱13が傾斜した場合にも上層構造物20及び下部構造物30との十分な柔接合状態を維持できる好適な柔接合手段を設けている。
図4は、本発明における構造中柱13の上端及び下端にそれぞれ設ける柔接合手段の実施例を示す鉛直方向に沿った断面図である。但し、構造中柱13の中間部分を省略し、柱頭及び柱脚の近傍のみを示している。図4(a)は平常時の状態を示しており、図4(b)は大地震発生時の状態を示している。
図4(a)に示すように、構造中柱13は鉛直方向に立設され、その上端面には凹曲面をもつ柱頭凹面部13aが設けられている。さらに、この柱頭凹面部13aに対向するように凸曲面をもつ上部凸面受け部材50が設けられ、上部凸面受け部材50は、上層構造物の構造部材21の下端面に固定されている。そして、構造中柱13の柱頭凹面部13aは、この上部凸面受け部材50に当接した状態で上部凸面受け部材50の凸曲面上を転動可能である。
同様に、構造中柱13の下端面にも曲面をもつ柱脚凹面部13bが設けられている。さらに、この柱脚凹面部13bに対向するように凸曲面をもつ下部凸面受け部材60が設けられ、下部凸面受け部材60は、下部構造物の構造部材31の上端面に固定されている。そして、構造中柱13の柱脚凹面部13bは、この下部凸面受け部材60に当接した状態で下部凸面受け部材60の凸曲面上を転動可能である
構造中柱13の両端における柔接合手段を形成する上記の凹曲面と凸曲面は、同一水平断面において、凹曲面の直径が凸曲面の直径より大きく設定される。双方を曲面とすることにより凹曲面が凸曲面を包み込む形態となるため、双方の面同士が滑ることなく転動することが確保される。凹曲面及び凸曲面は必ずしも球面でなくともよく、相対的に転動できる形状(例えば、楕円面、放物面等)であればよい。
さらに、1または複数本からなるPC鋼材である緊張材14が、下部凸面受け部材60、構造中柱13及び上部凸面受け部材50を貫通し、ポストテンションによるプレストレスを付加されてその両端を定着されている。緊張材14は、下部凸面受け部材60、構造中柱13および上部凸面受け部材50の中心軸上を通るように設けられる。なお、上部凸面受け部材50及び下部凸面受け部材60に設ける貫通孔51、61の径は、想定される構造中柱13の傾斜に対応して緊張材14が貫通孔51、61内で傾斜できる余裕をもった大きさとする。緊張材14の両端は、それぞれ上層構造物及び下部構造物の構造部材に公知の手段で定着されていればよい。ポストテンション方式であるので、構造中柱13および上下の受け部50、60を設置後、緊張ジャッキを用いて緊張材を緊張し、両端を定着具で固定する。図示の例では、緊張材14の上端が上層構造物の構造部材21を貫通して定着具15aにより定着され、下端が下部構造物の構造部材31を貫通して定着具15bにより定着されている。別の例として、緊張材14の両端をそれぞれ上層構造物及び下部構造物の構造部材の内部で定着してもよい。
上部凸面受け部材50の凸曲面部分の周囲の環状平坦部と、構造中柱13の上端面との間には、弾性的な環状パッキング材15が装着されている。同様に、下部凸面受け部材60の凸曲面部分の周囲の環状平坦部と、構造中柱13の下端面との間にも、弾性的な環状パッキング材16が装着されている。
平常時には、構造中柱13及び下部凸面受け部材60の中心軸は鉛直方向に平行である。従って、柱頭凹面部13aと上部凸面受け部材50の当接点である支点P1、並びに柱脚凹面部13bと下部凸面受け部材60の当接点である支点Q1は、鉛直線上に位置する。平常時の支点P1と支点Q1間の距離をAで示す。この支点間距離Aは、平常時の構造中柱13の長さに相当する。
図4(b)は、大地震発生時に下部構造物に対して上層構造物がΔdだけ相対水平変位した状態を示している。上部凸面受け部材50と下部凸面受け部材60は、それぞれ上層構造物と下部構造物に固定されているため、同様にΔdだけ相対水平変位する。これにより構造中柱13はその中心軸が鉛直方向に対して傾斜する(傾斜角θ)が、このとき、柱頭凹面部13aが上部凸面受け部材50の凸曲面上を転動して支点P1が支点P2に移動し、柱脚凹面部13bが下部凸面受け部材60の凸曲面上を転動して支点Q1が支点Q2に移動する。この傾斜状態での構造中柱13の長さに相当する支点間距離Bは、鉛直状態での支点間距離Aよりも2Cだけ長くなる(B=A+2C)。構造中柱13には、ポストテンションによるプレストレスが付加されているため延長分2Cだけ伸長することができる。緊張材14も同様に延長分2Cだけ伸長する。
構造中柱13に導入されるポストテンションの強度は、構造中柱13がその伸長状態においても上部凸面受け部材50および下部凸面受け部材60と十分当接できるように設定される。このことは、構造中柱13が傾斜した状態でも、上層構造物からの鉛直荷重を軸力として下部構造物へ伝達できることを意味する。
一例として、平常時の構造中柱13の長さAが8000mm、相対水平変位Δdが500mmの場合、構造中柱13の傾斜角θは4度程度、伸び2Cは16mm程度となる。
また、弾性をもつパッキング材16は緩衝材の役割を果たし、構造中柱13の上下端面の傾斜に応じて変形して構造中柱13の両端を支持する。パッキング材16は弾性材であるので、構造中柱13が鉛直状態に戻れば図4(a)の初期形状に復帰する。
図5(a)は、図4に示した下部凸面受け部材60およびパッキング材16を組み合わせた状態の外観斜視図であり、(b)は(a)の分解図であり、(c)は(a)の中心軸に沿った縦断面図である。下部凸面受け部材60は、中心軸について軸対称な形状であり、中央の突出部に凸曲面部分62が形成され、その周囲の環状平坦部はパッキング材16を載置する台座63となる。図示の例では、台座63に下部構造物に固定するためのボルト等を通す孔64を適宜設けている。中心軸上には緊張材を通すための貫通孔61が設けられている。下部凸面受け部材60は剛性材料であり、例えばステンレス鋼製とする。パッキング材16は、中央部分に下部凸面受け部材60の凸曲面部分62を貫通させる孔16aが設けられた環状平板部材である。パッキング材16は圧縮力に対して弾性変形可能な材料であり、例えばゴム、ゴムと金属の積層材、プラスチック等である。
なお、図4に示した上部凸面受け部材50は、下部凸面受け部材60と設置の向きが逆となるだけで同じ構造である。
図6は、図4に示した構造中柱13の外観斜視図である。構造中柱13の本体はプレキャストコンクリート製が好適であるが、その上下両端の凹面部13a、13bについてはプレキャストコンクリート製の部材自体に直接形成すると負荷により損傷・破壊のおそれがある。従って、例えばステンレス鋼などを所定の形状に成形した金属製部材13a1、13b1を嵌め込み接合することにより、両端の凹面部13a、13bを設けることが好適である。さらに、構造中柱13の中心軸上には緊張材を通すための貫通孔13cが設けられる。例えば、シースを埋設することにより貫通孔13cが設けられる。
図7は、本発明における構造中柱13の両端の柔接合手段の別の実施例を示す、図4と同様の断面図である。図7(a)は平常時の状態を示しており、図7(b)は大地震発生時の状態を示している。
図7の実施例における、図4の実施例との相違点は、構造中柱13の上下端面にそれぞれ凸曲面をもつ柱頭凸面部13dおよび柱脚凸面部13eが設けられる一方、上層構造物の構造部材21に凹曲面をもつ上部凹面受け部材70が固定され、そして下部構造物の構造部材31に凹曲面をもつ下部凹面受け部材80が固定される点である。柱頭凸面部13dは、上部凹面受け部材70に当接した状態で上部凹面受け部材70の凹曲面上を転動可能である。同様に、柱脚凸面部13eは、下部凹面受け部材80に当接した状態で下部凹面受け部材80の凹曲面上を転動可能である。このように、図4の実施例とは柔接合手段における凹曲面と凸曲面が逆になっているだけで、その他の構成および作用については、図4と同様である。
図示しないが、本発明における構造中柱13の両端の柔接合手段のさらに別の実施例として、構造中柱13の上端において図7に示した実施例の柔接合手段(すなわち柱頭凸面部13dと上部凹面受け部材70)を用い、構造中柱13の下端において図4に示した実施例の柔接合手段(すなわち柱脚凹面部13bと下部凸面受け部材60)を用いることもできる。この場合、いずれの端面においても、凸曲面が上向きに、凹曲面が下向きに設けられるため、水や異物が溜まり難いという利点がある。
さらに別の実施例として、構造中柱13の上端において図4に示した実施例の柔接合手段(すなわち柱頭凹面部13aと上部凸面受け部材50)を用い、構造中柱13の下端において図7に示した実施例の柔接合手段(すなわち柱脚凸面部13eと下部凸面受け部材80)を用いることもできる。
このように、本発明における構造中柱13の柔接合手段は、柱頭においては、構造中柱13の上端面に凹曲面または凸曲面を設ける一方、これらに対向する受け部材を上層構造物の下端面に固定し、この柱頭における受け部材は、構造中柱13の上端面の凹曲面または凸曲面が転動可能であるように当接する凸曲面または凹曲面を具備する。同様に、柱脚においては、構造中柱13の下端面に凹曲面または凸曲面を設ける一方、これらに対向する受け部材を下部構造物の上端面に固定し、この柱脚における受け部材は、構造中柱13の下端面の凹曲面または凸曲面が転動可能であるように当接する凸曲面または凹曲面を具備する。
図8(a)〜(d)はそれぞれ、ピロティ階の隅部に立設する構造壁11の種々の実施例を示している。上図は外観斜視図であり、下図は、図1のX断面と同じ断面における隅部のみを示した図である。下図における破線の円は、上部梁12の上端面に設置される免震手段17の位置を示している。免震手段17は、上層構造物からの鉛直荷重が上部梁12を介して構造壁11に確実に伝達される位置に設置される。
図8(a)の横断面が三股形の構造壁11は、全ての方向に外部負荷力をベクトル変換しやすい形状であり、応力バランスがよい。従って、(a)の構造壁11は、様々な外部負荷力による応力を下部構造物に効率的に伝達し構造安定性を確保できる。
図8(b)の横断面が十字形の構造壁11は、三股形よりさらに外部負荷力のベクトル変換対応性が大きく、構造安定性を十分確保できる。
図8(c)および(d)の横断面が長方形およびL形の構造壁11は、ピロティ階の設計を考慮して配置したり、他の形状の構造壁と組合せたりすることにより、外部負荷力のベクトル変換対応性を確保できる。
以上の本発明の構成において、ピロティ階の構造壁や上部梁をプレストレストコンクリート造とすることで、強度をさらに向上させることができ、また構造体の高耐久化を実現できる。従って、本発明は、構造躯体の長寿命化が特に重要となるSI(スケルトンインフィル)建築物に好適である。
本発明により、ピロティ階の様々な用途対応において大きなフレキシビリティが得られかつ十分かつ有効な免震機能を備えた建築物の構造体を実現できる。特に、構造中柱を細くできることから、ピロティ階の空間を有効活用できかつ経済合理性をもつ構造体となる。例えば、ピロティ階において自立した構造体を有するスラブを1または複数設けることにより、自由な施設のレイアウトや吹き抜け、階段、エレベーターまたはエスカレーターなどを設置可能となる。また、例えば、ピロティ階において、上層構造物の下端の構造部材からスラブを吊りこのスラブの下部には柱を設けない工法も可能であり、このスラブには免震機能も付加されることとなる。
本発明によるピロティ階の免震構造を設けた建築物を概略的に示す分解斜視図である。 図1のX断面図である。 下部構造物と上層構造物の間の相対水平変位に対するピロティ階の状態を模式的に示した側面図である。 本発明における構造中柱の上端及び下端にそれぞれ設ける柔接合手段の実施例を示す鉛直方向に沿った断面図である。(a)は平常時の状態を、図4(b)は大地震発生時の状態を示している。 (a)は図4に示した下部凸面受け部材およびパッキング材を組み合わせた状態の外観斜視図であり、(b)は(a)の分解図であり、(c)は(a)の中心軸に沿った縦断面図である。 図4に示した構造中柱の外観斜視図である。 本発明における構造中柱の両端の柔接合手段の別の実施例を示す、図4と同様の断面図である。(a)は平常時の状態を示しており、(b)は大地震発生時の状態を示している。 (a)〜(d)はそれぞれ、ピロティ階の隅部に立設する構造壁11の種々の実施例を示している。
符号の説明
1 建築物
10 ピロティ階
11 構造壁
12 上部梁
13 構造中柱
13a 柱頭凹面部
13b 柱脚凹面部
13d 柱頭凸面部
13e 柱脚凸面部
14 緊張材
15a、15b 定着具
16 パッキング材
17 免震装置
20 上層構造物
21 上層構造物の構造部材
30 下部構造物
31 下部構造物の構造部材
50 上部凸面受け部材
60 下部凸面受け部材
70 上部凹面受け部材
80 下部凹面受け部材

Claims (7)

  1. 上層構造物(20)と下部構造物(30)の間にピロティ階(10)を設けた建築物の前記ピロティ階における免震構造において、
    前記ピロティ階の隅部にそれぞれ立設され各々の下端及び上端が前記下部構造物(30)及び該ピロティ階の上部梁(12)に対してそれぞれ剛接合する構造壁(11)と、
    前記構造壁と剛接合した各部分における前記上部梁(12)の上端面と前記上層構造物(20)の下端面との間にそれぞれ設けた免震手段(17)と、
    前記ピロティ階に1または複数立設され各々の下端及び上端が前記下部構造物(30)及び前記上層構造物(20)に対してそれぞれ柔接合手段により柔接合する構造中柱(13)とを有することを特徴とする、ピロティ階における免震構造。
  2. 前記柔接合手段が、
    前記構造中柱(13)の上端面に設けられた柱頭における凹曲面(13a)または凸曲面(13d)と、
    前記柱頭における凹曲面または凸曲面に対向して前記上層構造物(20)の下端面に固定された受け部材であって前記柱頭における凹曲面または凸曲面が転動可能に当接する凸曲面または凹曲面を具備する柱頭における受け部材(50、70)と、
    前記構造中柱(13)の下端面に設けられた柱脚における凹曲面(13b)または凸曲面(13e)と、
    前記柱脚における凹曲面または凸曲面に対向して前記下部構造物(30)の上端面に固定された受け部材であって前記柱脚における凹曲面または凸曲面が転動可能に当接する凸曲面または凹曲面をもつ柱脚における受け部材(60、80)と、
    前記柱脚における受け部材(60、80)、前記構造中柱(13)及び前記柱頭における受け部材(50、70)を貫通しその両端が前記下部構造物(30)及び前記上層構造物(20)にそれぞれ定着される緊張材(14)とを具備することを特徴とする請求項1に記載のピロティ階における免震構造。
  3. 前記構造中柱(13)と前記上部梁(12)との間の水平距離が、前記建築物の耐震強度の対象とする地震にて想定される前記上層構造物(20)と下部構造物(30)との最大相対水平変位より大きいことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のピロティ階における免震構造。
  4. 前記下部構造物(30)が基礎または地下構造物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のピロティ階における免震構造。
  5. 前記構造中柱(13)が鉄骨製、プレキャストコンクリート製またはコンクリート充填鋼管製のいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のピロティ階における免震構造。
  6. 前記構造壁の横断面が三股形であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のピロティ階における免震構造。
  7. 前記構造壁の横断面が長方形、十字形またはL字形のいずれかであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のピロティ階における免震構造。
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