JP5146763B2

JP5146763B2 - 建物の浮き上がりを利用した耐震構造

Info

Publication number: JP5146763B2
Application number: JP2008298573A
Authority: JP
Inventors: 岳彦寺田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: JP2010121413A

Description

本発明は、建物の浮き上がりを利用した耐震構造に関する。

従来、地震時の耐震安全性を実現する建物の架構として、建物を剛強に造った耐震架構、基礎ないし建物中間に免震層を設けた免震架構、建物内部にエネルギーを吸収するデバイスを設けた制震架構などが提案され実用化されている。

こうした中、地震時にロッキング振動に伴う建物の脚部の浮き上がりを許容して、建物に作用する地震力を低減するようにした架構が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

また、図４に示すように、ロッキングボールによる免震装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この装置は、建物２の下部に建物重量Ｗを支持する略楕円形状のロッキングボール４を複数個設け、建物基部６から建物２に伝達される地震動をロッキングボール４の回転変形で低減するものであり、ロッキングボール４には、変形量ａと建物重量ＷによるモーメントＷａが作用する。

特開２００１−３３６３００号公報特開２００２−２７６１９２号公報 Kiyoo Matsushita and Masanori Izumi，Studies on Mechanisms to Decrease Earthquake Forces Applied to Buildings，Proceedings of the 4thWCEE，Vol II，1969．（松下清夫と和泉正哲のロッキングボール）秋山宏、建築物の耐震極限設計第２版、東京大学出版会１９８７．９

ところで、上記の建物の架構の耐震性は、全てエネルギーにより評価することができ、地震時の建物への総エネルギー入力をＥとし、建物が限界状態に達するまでに吸収できるエネルギーをＷｐとすれば、架構の耐震性は以下の（１）式により評価することができる（例えば、上記の非特許文献２参照）。

Ｗｐ＞Ｅ …（１）
耐震設計では、いかなる構造体であっても上記（１）式中のＷｐをいかに効率よく高めるかに帰着される。そこで、このＷｐを効率よく高め、建物の架構の耐震性を向上させることができる耐震構造の開発が望まれていた。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、建物が吸収できるエネルギーを効率よく高め、建物の耐震性を向上させることができる建物の浮き上がりを利用した耐震構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造は、建物を支持する支持部材を備える耐震構造であって、前記支持部材の鉛直断面形状は三角形であり、前記三角形の上方の頂点部は、建物の下部に回転自在に接合される一方、前記三角形の底面部は、建物の下の基部に接離可能に配置され、地震による所定以上の水平力が作用したときに、前記支持部材の底面部における一方の頂点部を支点として他方の頂点部が建物とともに前記基部から浮き上がるように回動することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造は、上述した請求項１において、前記支持部材を円錐体としたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造は、上述した請求項１または請求項２において、前記支持部材を水平方向に間隔をあけて複数個設けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造は、上述した請求項１〜３のいずれか一つにおいて、前記支持部材が浮き上がる際に前記支持部材に対して制動力を与えるダンパーを設けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造は、上述した請求項１〜４のいずれか一つにおいて、予め設定した最大浮き上がり量を超えないように、前記支持部材の浮き上がり量を制御するフェールセーフ手段を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、建物を支持する支持部材を備える耐震構造であって、前記支持部材の鉛直断面形状は三角形であり、前記三角形の上方の頂点部は、建物の下部に回転自在に接合される一方、前記三角形の底面部は、建物の下の基部に接離可能に配置され、地震による所定以上の水平力が作用したときに、前記支持部材の底面部における一方の頂点部を支点として他方の頂点部が建物とともに前記基部から浮き上がるように回動するので、地震による入力エネルギーの少なくとも一部は、支持部材の浮き上がりを介した建物全体の浮き上がりによって消費される。このため、建物が吸収できるエネルギーは効率よく高められる。したがって、建物の層間変形や建物各部で生じる応力を低下させ、建物の耐震性を向上させることができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造の一例を示す側断面図であり、（ａ）は平常時の側断面図、（ｂ）は地震時に水平力が作用して建物の一部が浮き上がった状況を示す側断面図である。

図１（ａ）に示すように、本発明に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造１０（以下、「耐震構造１０」という。）は、建物２の下部１２に、建物２を回転自在に支持する二等辺三角形状断面の支持部材１４を水平方向に間隔をあけて複数個備える。

支持部材１４の上方の頂点部１６は、建物下部１２に回転自在に接合してあり、三角形の底面となる支持部材１４の底面部１８は、建物基部６上に接離可能に配置してある。なお、支持部材１４は、図１では鉛直断面の形状が三角形である場合について説明しているが、地震による水平力が二軸であることを考慮すると円錐体状であることが好ましい。また、製作上の簡便さ等の理由で多角錐体状にしても、もちろん良い。

図１（ｂ）に示すように、地震が発生すると、図示しない地盤を介して建物基部６が振動する。建物基部６上に接離可能に配置された支持部材１４は、建物基部６の振動による水平力で底面部１８における一方の頂点部２０を支点として、他方の頂点部２２が建物基部６から浮き上がるように回動する。この結果、建物２は支持部材１４の上方の頂点部１６を介して斜め上方に浮き上がる。

こうすることで、地震による入力エネルギーの少なくとも一部は、支持部材１４の浮き上がりを介した建物２全体の浮き上がりによって消費される。このため、本発明の耐震構造１０によれば、建物２が吸収できるエネルギーは効率よく高められ、建物２の層間変形や建物２の各部で生じる応力を低下させ、建物２の耐震性を向上させることができる。

なお、上記の実施の形態において、浮き上がりが過大となって建物２が不安定になることを回避するため、図２に示すように、支持部材１４の底面部１８に上下変位可能な制振ダンパー２４を設け、支持部材１４が浮き上がる際に支持部材１４に対して制動力を付与することによって支持部材１４の浮き上がりをコントロールしてもよい。また、このダンパー２４の代わりに、所定の剛性を有するバネを設けることもできる。さらに、予め設定した最大浮き上がり量を超えないように、支持部材１４の浮き上がり量を制御するフェールセーフ手段としてチェーン等（不図示）を設けてもよい。

次に、本発明の効果について解析的に説明する。
まず、建物２への入力エネルギーＥは、エネルギー入力の等価速度Ｖ_Eを用いて以下の（２）式により表すことができる（例えば、非特許文献２参照）。
Ｅ＝ｍ・Ｖ_E ²／２ …（２）
ここに、ｍ：建物２の総質量

一方、建物２が浮き上がることによって生じるポテンシャルエネルギーＥｐは、以下の（３）式で表すことができる。
Ｅｐ＝ｍ・ｇ・ｈ …（３）
ここに、ｇ：重力加速度、ｈ：建物２の浮き上がり量

上記の（２）式と（３）式とが等価とすれば、エネルギー入力と建物２の浮き上がり量の関係が求まる。
ｍ・ｇ・ｈ＝ｍ・Ｖ_E ²／２ …（４）式
これをｈについて解くと、（５）式が得られる。
ｈ＝Ｖ_E ²／（２ｇ） …（５）式

なお、実際には、建物２への入力エネルギーは、建物２の１回の浮き上がりによって全て消費されるのではなく、繰り返しによる浮き上がりや、建物２の水平振動や元々の粘性減衰によっても消費される。建物２の浮き上がりによるエネルギー消費の割合は設計事項であるので、建物２の耐震設計において適宜所望の割合に設定すればよい。

また、図２に示すように、支持部材１４が回転することによって生じる水平変位と浮き上がり変位（鉛直変位）は、幾何学的な関係から以下の（６−１）および（６−２）式によって求めることができる。
δ_Ｖ＝Ｓ（ｓｉｎ（γ＋θ）−ｓｉｎ（γ）） …（６−１）式
δ_Ｈ＝Ｓ（ｃｏｓ（γ）−ｓｉｎ（γ＋θ）） …（６−２）式
ここに、Ｓ：支持部材１４の辺長、γ：支持部材１４の底角、θ：浮き上がり角、
δ_Ｈ：浮き上がりによって生じる頂点部１６の水平変位、δ_Ｖ：頂点部１６の鉛直変位

ところで、本発明の耐震構造１０においては、所定値以上の水平力が作用しなければ建物２は浮き上がらない。図３に示すように、支持部材１４の頂点部１６に建物の重量Ｗが載荷し、地震による水平力Ｑが作用する場合を考える。底面部１８の頂点部２０周りのモーメントの釣り合いを考慮すると、建物２の浮き上がりが生じるためには、以下の（７）式を満たす必要がある。
Ｑ・Ｓ・ｓｉｎ（γ）＞Ｗ・Ｓ・ｃｏｓ（γ） …（７）式
上記の（７）式を変形して、
Ｑ／Ｗ＞１／ｔａｎ（γ） …（８）式

ここで、上記の（８）式の左辺（Ｑ／Ｗ）はベースシヤー係数である。つまり、支持部材１４の底角γによって、浮き上がりを生じるベースシヤー係数を自由に設定することができる。例えば、所定の小規模の地震時には浮き上がらずに通常の建物として振る舞う一方で、ベースシヤー係数を超える規模の地震時には浮き上がりによってエネルギーを消費するような一種のフェールセーフ機能を耐震構造１０に具備させることも底角γの設定如何により可能である。

以上説明したように、本発明によれば、建物を支持する支持部材を備える耐震構造であって、前記支持部材の鉛直断面形状は三角形であり、前記三角形の上方の頂点部は、建物の下部に回転自在に接合される一方、前記三角形の底面部は、建物の下の基部に接離可能に配置され、地震による所定以上の水平力が作用したときに、前記支持部材の底面部における一方の頂点部を支点として他方の頂点部が建物とともに前記基部から浮き上がるように回動するので、地震による入力エネルギーの少なくとも一部は、支持部材の浮き上がりを介した建物全体の浮き上がりによって消費される。このため、建物が吸収できるエネルギーは効率よく高められる。したがって、建物の層間変形や建物各部で生じる応力を低下させ、建物の耐震性を向上させることができる。

本発明に係る建物の浮き上がりを利用した耐震構造の一例を示す側断面図であり、（ａ）は平常時の側断面図、（ｂ）は浮き上がり時の側断面図である。浮き上がり時の支持部材の側断面図である。浮き上がり時の支持部材における力の作用状況を説明する側断面図である。従来のロッキングボールによる免震装置の一例を示した側断面図である。

符号の説明

２建物
４ロッキングボール
６建物基部
１０建物の浮き上がりを利用した耐震構造
１２建物下部
１４支持部材
１６上方の頂点部
１８底面部
２０，２２頂点部
２４制振ダンパー

Claims

建物を支持する支持部材を備える耐震構造であって、前記支持部材の鉛直断面形状は三角形であり、前記三角形の上方の頂点部は、建物の下部に回転自在に接合される一方、前記三角形の底面部は、建物の下の基部に接離可能に配置され、地震による所定以上の水平力が作用したときに、前記支持部材の底面部における一方の頂点部を支点として他方の頂点部が建物とともに前記基部から浮き上がるように回動することを特徴とする建物の浮き上がりを利用した耐震構造。
前記支持部材を円錐体としたことを特徴とする請求項１に記載の建物の浮き上がりを利用した耐震構造。
前記支持部材を水平方向に間隔をあけて複数個設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の建物の浮き上がりを利用した耐震構造。
前記支持部材が浮き上がる際に前記支持部材に対して制動力を与えるダンパーを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の建物の浮き上がりを利用した耐震構造。
予め設定した最大浮き上がり量を超えないように、前記支持部材の浮き上がり量を制御するフェールセーフ手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の建物の浮き上がりを利用した耐震構造。