JP5468877B2 - エキスパンションスリット型制震構造物 - Google Patents

Description

本発明は構造的に分離し、互いに独立して振動可能な二つの構造体が独立して振動したときの、構造体間の衝突を回避するエキスパンションスリット型制震構造物に関するものである。

固有振動数の相違する二つの構造体（建物）を分離させ、エキスパンションジョイントとなる連結部材で連結した図３に示すような構造物では、両構造体は全層に亘って分離することで、それぞれの固有振動数に応じた振動（変形）が自由に発生する状態にある。エキスパンションジョイントは両構造体間に跨るものの、いずれか一方の構造体の振動を他方の構造体が拘束するように機能することはないため、振動発生後のある時点では図４に示すように対向する面（構面）間の距離が増大する反面、ある時点では互いに接近する状態になることが想定される。

この関係で、両構造体が接近したときに互いに衝突しないよう、両構造体の対向する面間には一定距離以上の間隔を確保しておくことが必要になる。変形前の状態からの相対変形量は上層階程、大きくなるが、両構造体を下層寄りにおいて接近させておきながら、上層に行くに従い、互いに遠ざけるような設計は現実的ではないため、両構造体が互いに接近する向きの相対変形を生じたときに上層階に確保しておくべき間隔から、両構造体間に確保されるべき距離が決定されることになる。

一方、上層階での相対変形量に応じて両構造体間の距離を決定することにすれば、構造体を必要以上に遠ざけることになり、建ぺい率の点で不利になることも考えられる。このことから、結局、固有振動数が極端に相違する構造体を併存させることは不合理であるから、二つの構造体を隣接させてエキスパンションジョイントで連結する場合には、両構造体の固有振動数が近いことが条件になる。

これに対し、互いに独立して振動可能な、隣接する二つの構造体間に、両構造体間の相対変形時に相対移動量に応じたエネルギ吸収効果を発揮するエネルギ吸収装置としてのダンパーを架設した構造物では、両構造体間の相対変形を積極的に利用することで、双方の振動を減衰させることが可能であるため（特許文献１、２参照）、両構造体の固有振動数を接近させることの制約はなくなる。

特許文献１、２では隣接する構造体がダンパーを有するエキスパンションジョイント（連結部材）によって連結されることで、両構造体が独自の振動数で振動しながらも、連結状態が維持され、互いに隣接する構造体の振動を拘束する関係が成立するため、衝突が回避される上、ダンパーによって両構造体の振動が早期に減衰させられる特徴がある。

只、特許文献１、２ではエキスパンションジョイントとダンパーを通じて隣接する構造体間で地震時の水平力（地震力）が伝達され、水平力の伝達時にはエキスパンションジョイントとダンパー間に相対移動が生ずることから、隣接する構造体間には必ずエキスパンションジョイントの長さ分以上の距離を確保することが不可欠になり、隣接する構造体を接近させて配置することには限界がある。

隣接する構造体中に、これらを水平方向に貫通する水平材を架設し、水平材を一方の構造体に固定すると共に、他方の構造体中に固定されているダンパーに連結することをすれば（特許文献３参照）、隣接する構造体間の距離を縮小させることが可能になると考えられる。

特許第２５７６２２１号公報（図２〜図７） 特開平４−１８５９３３号公報（請求項１、図１〜図５） 特開平８−１０９７６０号公報（請求項１、段落０００７〜００１２、図１〜図５）

特許文献３では隣接する構造体を貫通して水平方向に架設される水平材の一方の構造体側の端部をその構造体に固定し、他方の構造体側の端部をその構造体に固定されているダンパーに固定、あるいは連結することで、両構造体間の相対変位時に一方の構造体に追従する水平材が他方の構造体に対して相対移動し、その相対移動分の変形量をダンパーに与え、振動を減衰させることになる。

水平材は一方の構造体には固定されるものの、他方の構造体にはダンパーを介して相対移動可能な状態に接続されることから、他方の構造体は水平材に対して相対移動可能な範囲で一方の構造体に対しても相対移動可能な状態にある。この関係で、特許文献３においても隣接する構造体間には衝突を回避するために、両構造体間の相対移動可能な距離を超える大きさの間隔を確保しておくことが必要になる。

本発明は上記背景より、独自に振動する二つの構造体を接近させて配置しながらも、振動時の衝突を回避することが可能なエキスパンションスリット型制震構造物を提案するものである。

請求項１に記載の発明のエキスパンションスリット型制震構造物は、互いに独立して振動可能な、隣接する二つの構造体を有し、この二つの構造体が全層の内、下層寄りの一部の区間において互いに連結されずに分離し、上層寄りの一部の区間において互いに連結され、この連結された上層寄りの区間を介して前記二つの構造体が一体的に挙動する状態にあり、
前記二つの構造体の内、互いに対向する側に位置する構面の前記下層寄りの一部の区間に柱が存在し、この柱の内、少なくともいずれか一方の柱は前記上層寄りの区間にまで連続していないことを構成要件とする。

各構造体は地上に構築されることで、地震時等には地上に支持された片持ち梁として振動するから、水平方向の振幅は下層において小さく、上層に行く程、大きくなる。従って両構造体が上層寄りにおいて互いに連結されていれば、下層寄りにおいて互いに連結されていなくても、全層に亘って両構造体は一様に、すなわち同一向きに振動するため、全層に亘って構造体間の衝突は回避される。

例えば隣接する二つの構造体が下層寄りにおいて連結されたとしても、下層寄りの部分の変形量は小さいから、連結による一体化の効果が表れることはないが、二つの構造体が変形量の大きい上層寄りにおいて連結されることで、一体化の効果が顕著に表れるため、両構造体が全層に亘って同一向きに振動する状態が得られる。

二つの構造体は分離した状態では互いに独立して振動可能であるが、連結されることで、固有振動数の相違による振動開始時期のずれにより互いに力を及ぼし合い、一方の構造体の振動を他方の構造体が拘束するから、互いに拘束を受ける範囲で両構造体の自由な振動は制限される。

二つの構造体の互いに対向する面（構面）間の距離が一定であるとした場合、それぞれの構面は各構造体の振動時に一様に、対向する面間距離（水平距離）を一定に維持した状態で、変形する必要があるから、原則的に両構造体の構面は高さ方向（鉛直方向）に連続し、下層寄りで互いに分離し、上層寄りで連結される。

但し、両構造体が上層寄りの一部において互いに連結されたときに、下層寄りにおいて両構面間に一定の距離が確保されていれば、衝突の事態は回避されるから、対向する両構面は必ずしも鉛直方向に全層に亘って連続している必要はない。

両構造体が分離しているとしたときに、それぞれが固有振動数に従って振動可能でありながらも、制震構造物は上層寄りにおける連結によって全層に亘って一様に振動することが可能になる。一様に振動する結果として、衝突の事態が回避されることで、両構造体の対向する構面を互いに接近させることが可能になる。二つの構造体を接近させ、両構面間距離を縮小させながらも、両構造体間の衝突が回避されることで、一定面積の敷地内に高い建ぺい率で複数の構造体を配置することが可能になる。

また両構造体は下層寄りにおいて分離していることで、一方の構造体が発生する振動が構造体を構成する架構を通じて伝播する事態が回避されるか、軽減されるため、いずれか一方の構造体中に何らかの振動源が存在していても、他方の構造体内の居住性等に与える影響は回避、あるいは軽減される。

二つの構造体の上層寄りの区間は少なくともいずれか一方の構造体の梁やスラブ、エキスパンションジョイント用連結部材等、基本的に水平部材を介して互いに連結される（請求項２）が、例えば下層から上層にまで両構造体の対向する構面に柱が配置される場合に、その柱が上層寄りにおいて互いに連結され、下層寄りにおいて分離する場合もある。但し、両構造体の対向する構面における柱同士を上層寄りの区間で連結するとしたときには、両構造体が一体的に振動することが阻害されないよう、連結される柱同士は軸方向に相対移動自在になっている必要がある。

水平部材によって連結される場合には両構造体は高さ方向に部分的に連結されるが、柱によって連結される場合にも高さ方向には部分的に連結される。上層寄りの区間における連結箇所数は各構造体の剛性の差、すなわち各構造体の規模の差、固有振動数の差の他、アスペクト比等によって決められる。

両構造体の、連結されない下層寄りの区間においては、例えば二つの構造体の内、互いに対向する側に位置する構面の下層寄りの一部の区間に柱が存在し、この柱が上層寄りの区間にまで連続していない状態になる。両構造体の下層側の各構面位置に柱を配置することは、構造体の下層側の剛性を上げる効果があり、下層側の剛性が上がることで、上層側に変形を集中させ易くする作用がある。

特許文献３の図５−（ｂ）に示す構造物は一方の構造体が他方の構造体を跨ぐ形で組み合わせられ、両構造体を水平方向に貫通する水平材によって串刺しの状態になっていることから、両構造体は一体化しているようにも見える。しかしながら、水平材の一方の端部がその側の構造体には水平方向に相対移動可能な状態にあることで、一体化の程度は弱いため、両構造体が単一の構造物として挙動することはない。

これに対し、本発明では両構造体が上層寄りにおいて互いに連結され、下層寄りにおいて分離することで、二つの構造体から構成される制震構造物は見かけ上、図１に示すように一部が切り取られた形態（形状）を有する単一（一つ）の構造物になっているため、図２に示すように単一の構造物として挙動する。

両構造体が独立して振動することがないことで、両構造体間（対向する構面間）に全層に亘って確保されている間隔が振動に伴って縮小されることがないため、間隔の縮小による衝突の事態が回避される。

互いに独立して振動可能な二つの構造体の下層寄りの一部の区間を互いに連結せずに分離させ、上層寄りの一部の区間を互いに連結するため、分離状態ではそれぞれが固有振動数に従って振動可能でありながら、上層寄りにおける連結によって二つの構造体を全層に亘って一様に振動させることが可能になる。二つの構造体が一様に振動することで、両構造体間（対向する構面間）に確保されている間隔が振動に伴って縮小されることがないため、間隔の縮小による衝突の事態を回避することができる。

この結果、両構造体の対向する構面を互いに接近させることが可能になるため、二つの構造体を接近させながらも、両構造体間の衝突が回避されることで、一定面積の敷地内に高い建ぺい率で複数の構造体を配置することが可能になる。

また両構造体は下層寄りにおいて分離していることで、一方の構造体が発生する振動が構造体を構成する架構を通じて伝播する事態が回避されるか、軽減されるため、いずれか一方の構造体中に何らかの振動源が存在していても、他方の構造体内の居住性等に影響を与える事態を回避、あるいは軽減することができる。

二つの構造体が連結された本発明の制震構造物の静止状態を示した立面図である。 図１に示す制震構造物が変形したときの様子を示した立面図である。 二つの構造体がエキスパンションジョイントを挟んで隣接する従来の構造物を示した立面図である。 図３に示す構造物のエキスパンションジョイント部分が互いに離れる向きに相対移動したときの様子を示した立面図である。 図３に示す構造物が図４に示す変形を示したときの、各層における距離の差の程度を示した立面図である。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は互いに独立して振動可能な、隣接する二つの構造体２、３を有し、この二つの構造体２、３が全層の内、下層寄りの一部の区間において互いに連結されずに分離し、上層寄りの一部の区間において互いに連結され、二つの構造体２、３が一体的に挙動する状態にあるエキスパンションスリット型制震構造物（以下、制震構造物）１の構築例を示す。図２は図１に示す制震構造物１が地震等により振動を生じているときの様子を示す。

制震構造物１をモデル化して示している図１では下層が３階（３層）分を指し、上層が１階（１層）分を指し、両者間に位置する中間層が１階（１層）分を指しているが、上層と下層、及び中間層は便宜的な区分であり、各層は１階（１層）分から数階（数層）分を含む。

図１では両構造体２、３が柱２ａ、３ａと梁２ｂ、３ｂからなるラーメン構造のフレーム（架構）を構成している場合の例を示しているが、両構造体２、３の構造形式、層数、スパン数等は一切問われない。図１ではまた、一方の構造体２が３層分、吹き抜けの空間を有し、その上（上層）に２層分の柱２ａと梁２ｂからなるフレームが存在しているが、全層に亘って柱・梁のフレームからなる場合もある。図１では一方の構造体２の吹き抜けの空間に振動源が存在している場合を想定している。以下では主に、柱２ａは一方の構造体２の、他方の構造体３側の構面における柱を指し、柱３ａは他方の構造体３の、一方の構造体２側の構面における柱を指す。

上記一方の構造体２の、他方の構造体３側の構面には柱２ａが配置される（存在する）が、この柱２ａは原則として他方の構造体３の上層寄りの区間との連結のために、最下層から最上層に至るまで連続して立設される。一方の構造体２の他方の構造体３側の柱２ａは、上層寄りの区間において例えば他方の構造体３側に梁２ｂが張り出す等により他方の構造体３の梁３ｂ等と連結されることが可能であれば、他方の構造体３の柱３ａと同様に中間層から上層の区間において不連続になり、他方の構造体３に対して後退した位置に配置されることもある。

この一方の構造体２に隣接する他方の構造体３の、一方の構造体２側の構面における下層側には柱２ａに対向する、あるいは隣接する柱３ａが配置され（存在し）、その柱３ａは上層寄りの区間にまで連続することがなく、柱３ａの上端は最上層に至るまでの中途の層で止まっている。

柱２ａと柱３ａは下層寄りの区間において立面上、並列し、ダブルコラムを構成する。並列する柱２ａと柱３ａは各構造体２、３の対向する構面（紙面に垂直な方向）に沿って配列し、その構面が対向する方向（構面外方向：紙面に平行な方向）に並列する。並列する柱２ａと柱３ａは図２に示すように両構造体２、３が振動し、一様に変形を生じるときに、互いに一定の間隔を維持した状態で曲げ変形するため、変形時（変形後）の柱２ａ、３ａ間距離が格別変化することはないが、変形前の柱２ａ、３ａ間には変形後にも互いに接触しない程度の距離（間隔）が確保される。

一方の構造体２の上層寄りの一部の区間と他方の構造体３の上層寄りの一部の区間は原則として少なくともいずれか一方の水平部材４を介して連結され、この水平部材４によって両構造体２、３は一体構造化する。「原則として」とは、水平部材４以外の柱、もしくは柱状部材、あるいは壁等の鉛直部材で連結されることもある趣旨である。

水平部材４は両構造体２、３を一体的に挙動させる上で、両構造体２、３間に作用する引張力と圧縮力を双方に伝達する働きをする必要があるから、水平部材４には引張力と圧縮力に抵抗可能な梁２ｂ、３ｂとスラブの他、両構造体２、３間に架設される架設部材が使用される。

図１では一方の構造体２の、他方の構造体３側において下層区間から連続する柱２ａに、もしくは柱２ａから他方の構造体３側へ張り出す梁２ｂに他方の構造体３の梁３ｂを接続しているか、一方の構造体２の柱２ａから他方側へ張り出す梁２ｂに他方の構造体３の梁３ｂ、もしくはスラブを接続している。または一方の構造体２の梁２ｂに、または壁に他方の構造体３の梁３ｂ、もしくはスラブを接続している。上記のように一方の構造体２と他方の構造体３が連結される上層部分における双方の部位は問われず、両構造体２、３の柱同士、または壁同士で連結されることもある。

図１では一方の構造体２の、他方の構造体３側の下層寄りの柱２ａは最上層にまで連続しているのに対し、他方の構造体３の、一方の構造体２側の柱３ａは下層寄りの区間、または中層の区間で止まっている。このため、一方の構造体２と他方の構造体３の連結区間（連結層）においては、他方の構造体３の柱３ａが存在していない状態になっているが、この連結区間（連結層）において他方の構造体３に、下層寄りの柱３ａと同一の構面内に位置する柱が配置される（存在する）場合もある。但し、両構造体２、３が一体的に挙動する上で、両構造体２、３の剛性が極端に相違しないよう、双方の構造体２、３の柱２ａ、３ａと梁２ｂ、３ｂの配置は調整される。

両構造体２、３は下層寄りの区間においてそれぞれの柱２ａ、３ａが並列した状態で分離し、上層寄りの区間で互いに連結されるが、柱２ａ、３ａが並列する区間と連結される区間の中間に位置する区間（中間層）では他方の構造体３の柱３ａが不在になっている。

この関係で、他方の構造体３の、一方の構造体２側において柱３ａが不在になる区間（中間層）は見かけ上、梁３ｂ上、またはスラブ上に柱・梁のフレームが存在しない形態（立面）になり、制震構造物１は図１に示すように他方の構造体３の、一方の構造体２に面する一部の区間においてフレームが不在となった変則的な立面形状を有する。隣接する構造体２、３間の下層寄りの区間においては双方の柱２ａ、３ａが並列するだけで、両構造体２、３は分離しており、この並列する柱２ａ、３ａの上方に連続して他方の構造体３におけるフレームが不在の空間が形成されるため、両構造体２、３間には逆Ｌ字形状に近い形状の空隙となる空間が形成されている。

他方の構造体３の、フレームが不在となった層より上の層（連結層）においては他方の構造体３の梁３ｂ等が一方の構造体２の柱２ａ等に連結されることで、柱・梁のフレームが形成される。一方の構造体２の上層寄りの区間と他方の構造体３の上層寄りの区間が互いに連結されることで、両構造体２、３は一体構造化し、制震構造物１は振動時に図２に示すように単一の構造物として挙動する。

１……エキスパンションスリット型制震構造物、
２……一方の構造体、２ａ……柱、２ｂ……梁、
３……他方の構造体、３ａ……柱、３ｂ……梁、
４……水平部材。

Claims (2)

1. 互いに独立して振動可能な、隣接する二つの構造体を有し、この二つの構造体が全層の内、下層寄りの一部の区間において互いに連結されずに分離し、上層寄りの一部の区間において互いに連結され、この連結された上層寄りの区間を介して前記二つの構造体が一体的に挙動する状態にあり、
   前記二つの構造体の内、互いに対向する側に位置する構面の前記下層寄りの一部の区間に柱が存在し、この柱の内、少なくともいずれか一方の柱は前記上層寄りの区間にまで連続していないことを特徴とするエキスパンションスリット型制震構造物。
2. 前記二つの構造体の前記上層寄りの区間は少なくともいずれか一方の構造体の水平部材を介して互いに連結されていることを特徴とする請求項１に記載のエキスパンションスリット型制震構造物。

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