JP6143058B2

JP6143058B2 - 制振構造

Info

Publication number: JP6143058B2
Application number: JP2013027084A
Authority: JP
Inventors: 和彦森川
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-02-14
Also published as: JP2014156707A

Description

本発明は、多層建物に適用される制振構造に関する。

従来、建物内に地震エネルギーを吸収する制振ダンパーを設置して地震時の応答を低減し耐震性を向上させる「制振構造」が多くの高層建物に採用されている。制振構造は免震構造のような免震層やそのための免震ピットがないので変形に対応する特殊なディテールは不要となるが、地盤と絶縁されないので低層階での加速度低減効果が小さいうえ、各階に配置する制振ダンパーの設置場所を確保するのが建築計画上で難しい場合もある。

また、この種の制振構造として、下記特許文献１に示されるように、低層階での層剛性を低下させてそこに制振機構を集中配置することを基本としつつ、その制振機構を配置するうえで各諸元をより厳密に設定することで免震的な効果を充分に取り込むことのできる制振構造がある。

特許文献１には、免震構造のように挙動する有効適切な制振構造を実現するための構造であって、多層建物における低層階の複数層を上層階の各層よりも低剛性の柔層としてそれら柔層により上層階全体を支持し、各柔層にそれぞれ回転慣性質量ダンパーと付加減衰（オイルダンパー）を層剛性と並列に配置した構造において、例えば、各柔層の層剛性が上層階各層の層剛性の最大値の１／２以下とするなどの諸元を満足するように設定する構造ついて開示されている。

特開２０１０−０７７７２６号公報

しかしながら、従来の制振構造では、以下のような問題があった。
すなわち、特許文献１のような回転慣性質量ダンパーとオイルダンパーを低層階の柔層に設ける構造では、建築計画上、最下層にダンパーを設置できない場合があり、制振効果の低い建物にならざるを得ないという問題があった。
この場合の対応として、制振装置（ダンパー）を増やす必要があるが、コストがかかるうえ、施工にかかる時間や手間が増大するといった問題があった。

また、回転慣性質量ダンパーとオイルダンパーを上層階に配置するとともに、その上層階を柔層とする場合、それらの制震装置は微小変位から減衰効果をもたらすが、変位が小さい場合には減衰効果も小さい。従って、その部分での揺れを大きくするため単純に層剛性を小さくするだけだと、例えば風揺れの問題や中小規模の地震でも大きな揺れを引き起こし、居住者の不快感を増大させたり、構造的な損傷を起こすおそれがあることから、その点で改良の余地があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、多層建物の任意の階層に微小変位から減衰効果をもたらす制振装置を簡単に、かつ低コストで設置することを可能とし、中小規模から大規模の地震の揺れに対して効果的にダンパーを作用させることができる制振構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る制振構造では、多層建物を対象として該多層建物の要所に制振装置を設置してなる制振構造であって、多層建物の任意の階層に制振階を設定し、前記制振階が設定された階層を、他の各層の層剛性よりも低下させた柔層とし、前記制振階には、大規模の地震による大変形時に早期に降伏する鋼材ダンパーと、中小規模の地震に対して前記多層建物全体の応答を低減する、回転慣性質量ダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、及び摩擦ダンパーの少なくとも１つの制振装置と、を備えていることを特徴としている。
また、本発明に係る制振構造では、前記柔層の階層は、他の各層の層剛性の最大値の１／２以下に低下させたものであることが好ましい。

本発明では、柔層となる制振階に設置される制振装置に鋼材ダンパーを設けることで、中小規模の地震に対しては、回転慣性質量ダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、摩擦ダンパーの少なくとも１つによって多層建物全体の応答を低減することができる。また、大規模な地震による大変形時には、例えば軟鋼もしくは低降伏点鋼からなる鋼材ダンパーが早期に降伏して塑性変形することで制振階の剛性が低下して、回転慣性質量ダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、及び摩擦ダンパーの少なくとも１つがより効果的に地震エネルギーを吸収することができる。また、鋼材ダンパーが塑性変形することでももちろん地震エネルギーを吸収するため、さらに減衰効果を高くすることができる。

このように、従来は多層建物の上層階では回転慣性質量ダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、及び摩擦ダンパーの少なくとも１つからなる制振装置を設けても中小規模から大規模までの地震の応答を効果的に低減することが難しかったが、それら回転慣性質量ダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、及び摩擦ダンパーの少なくとも１つを備えた階の層剛性を低下させた上で同じ階層に鋼材ダンパーを設けることによって、低層階に限らず、あらゆる任意の階層に制振階を設定することが可能となる。したがって、例えば、建築計画上、最下層（低層階）に制振装置を設けることが難しい多層建物であっても、上層階に鋼材ダンパーを備えた制振装置を設けることで実現することができる。

また、層剛性を低下させた柔層に制振階を設定してそこに制振装置を集約して設置するので、地震時における建物の水平変形が制振階に集中して制振装置が効率的に作動して建物全体に対する優れた制振効果が得られることはもとより、通常の制振構造の場合のように多数の制振装置を各階に分散配置する必要はなく、また建物全体にわたって高剛性のコアを設ける必要もないので、平面計画上の制約が少なく、工費や工期の点でも有利であり、様々な用途、規模、形態の建物に広く適用可能である。

また、本発明に係る制振構造では、柔層は、多層建物の上層階に設けられていてもよい。

本発明の制振構造によれば、多層建物の任意の階層に微小変位から減衰効果をもたらす制振装置を簡単に、かつ低コストで設置することを可能とし、中小規模から大規模の地震の揺れに対して効果的にダンパーを作用させることができる。

本発明の実施の形態による制振構造の建物全体の概要を示す立面図である。図１に示す制振構造のモデルを示す図である。制振階の架構に設置される制振装置の構成を示す立面図である。

以下、本発明の実施の形態による制振構造について、図面に基づいて説明する。

図１及び図２に示すように、本実施の形態による制振構造は、鉄骨造の地上１５階建ての多層建物へ適用した一例であって、地上４階〜１５階の上層階１０Ａをとし、地上１階〜３階の低層階１０Ｂとし、上層階１０Ａのうち１階層（これを制振階Ｐといい、本実施の形態では建物の６階に設定されている）を他の各層よりも低剛性の柔層１０Ｃとしている。この柔層１０Ｃをなす制振階Ｐには、回転慣性質量ダンパー１、オイルダンパー（粘性ダンパー）２、及び鋼材ダンパー４を備えた制振装置Ｔを集約配置されている。

この場合、柔層１０Ｃの層剛性を他の層の層剛性よりも小さく（例えば、他の層の層剛性の最大値の１／２以下）、すなわち柔層１０Ｃの層間変位が他の層の層間変位よりも大きく（柔層１０Ｃの層剛性が他の層の１／２以下の場合、柔層１０Ｃの層間変位が他の層の最大値の２倍以上）なるように設定されている。なお、ここでの層間変位とは設計用地震力（静的な水平せん断力）に対する各階の層間変位を指し、例えば、全ての柔層１０Ｃの層間変位が他の層の層間変位が最大となる層（一般には低層階１０Ｂ）の２倍以上となるように設定する。設計用地震力については建築基準法に準拠して設定する。

なお、制振階Ｐとなる柔層１０Ｃの層剛性を他の層の層剛性よりも低下させるためには、図１に示すように、柔層１０Ｃの柱１ａの断面を他の層の柱１ｂの断面よりも小さくして水平方向の曲げ剛性を相対的に低下させればよい。または、柔層１０Ｃの図示しないブレースの一部を間引くなどすることによっても、曲げ剛性を低下することができる。
但し、柱断面を小さくしても少なくとも他の層と同等程度の軸剛性と靱性は当然に必要であるから、本実施の形態では制振階Ｐの柱１ａを高強度鋼を用いた高強度の鉄骨柱として形成することによって低曲げ剛性ではあっても十分なる高軸剛性かつ高靱性を確保することが行われる。

制振装置Ｔは、例えば制振階Ｐにおける４構面に設置されており、回転慣性質量ダンパー１とオイルダンパー２が制振階Ｐにおける柱１ａ及び上下の梁１ｃにより構成される架構フレームに鋼製フレーム１１及び鋼材ブレース３（取付部材）を介して設けられるとともに、同じ制振階Ｐの別の架構フレームに鋼材ダンパー４が設けられて構成されている。

すなわち、図３に示すように、制振装置Ｔを設置するべき架構フレームの下部中央位置に回転慣性質量ダンパー１を設置するとともに、架構フレームの上部両入隅部に対してＶ形状の鋼材ブレース３の上部両端部３ａ、３ｂをそれぞれ接合板１２を介して固定し、その鋼材ブレース３の中央下端部３ｃを取付台１３を介して回転慣性質量ダンパー１に連結し、かつ架構フレームの側部と取付台１３との間にオイルダンパー２を介装し、かつ別の架構フレームにおいて鋼材ダンパー４を接合板１２を介して上部両入隅部および下部に連結することにより、建物の水平振動（架構フレームの層間変形）が鋼材ブレース３、取付台１３を介して回転慣性質量ダンパー１とオイルダンパー２に伝達され、及び接合板１２を介して鋼材ダンパー４に伝達されてそれらが作動し、優れた制振効果が得られるものとなっている。なお、図３では、鋼材ダンパー４が配置される架構フレームの左右両側に架構フレームを有する図になっている。

鋼材ダンパー４は、例えば軟鋼あるいは低降伏点鋼からなるＶ字状の軸降伏型のブレースダンパーが採用されている。

次に、上述した制振構造の作用について、詳細に説明する。
本実施の形態では、図１に示すように、柔層１０Ｃとなる制振階Ｐに設置される制振装置Ｔに鋼材ダンパー４を設けることで、中小規模の地震に対しては、回転慣性質量ダンパー１とオイルダンパー２によって多層建物全体の応答を低減することができる。また、大規模な地震による大変形時には、低降伏点鋼などからなる鋼材ダンパー４が早期に降伏して塑性変形することで制振階Ｐの剛性が低下して、回転慣性質量ダンパー１とオイルダンパー２がより効果的に地震エネルギーを吸収することができる。また、鋼材ダンパー４が塑性変形することでももちろん地震エネルギーを吸収するため、さらに減衰効果を高くすることができる。

このように、従来は多層建物の上層階では回転慣性質量ダンパーと粘性ダンパーからなる制振装置を設けても中小規模から大規模までの地震の応答を効果的に低減することが難しかったが、それら回転慣性質量ダンパー１とオイルダンパー２とともに同じ階層に鋼材ダンパー４を設けることによって、低層階１０Ｂに限らず、あらゆる任意の階層に制振階Ｐを設定することが可能となる。したがって、例えば、建築計画上、最下層（低層階１０Ｂ）に制振装置Ｔを設けることが難しい多層建物であっても、上層階１０Ａに鋼材ダンパー４を備えた制振装置Ｔを設けることで実現することができる。

また、層剛性を低下させた柔層に制振階Ｐを設定してそこに制振装置Ｔを集約して設置するので、地震時における建物の水平変形が制振階Ｐに集中して制振装置Ｔが効率的に作動して建物全体に対する優れた制振効果が得られることはもとより、通常の制振構造の場合のように多数の制振装置を各階に分散配置する必要はなく、また建物全体にわたって高剛性のコアを設ける必要もないので、平面計画上の制約が少なく、工費や工期の点でも有利であり、様々な用途、規模、形態の建物に広く適用可能である。

上述のように本実施の形態による制振構造では、多層建物の任意の階層に微小変位から減衰効果をもたらす制振装置Ｔを簡単に、かつ低コストで設置することを可能とし、中小規模から大規模の地震の揺れに対して効果的にダンパーを作用させることができる。

以上、本発明による制振構造の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施の形態では、鋼材ダンパー４としてブレース型の形態を採用しているが、これに限定されることがなく、任意の形態が可能である。例えば、上下の梁同士の間に鋼材ダンパーを設ける構成、或いは上部梁と下部梁とを連結する間柱の軸方向の中間部分に鋼材ダンパーを設ける構成であっても良い。

また、本実施の形態では、鋼材ダンパー４以外のダンパーとして、回転慣性質量ダンパー１とオイルダンパー２を用いているが、微小変位から減衰効果を発揮するダンパーであれば、いずれも適用可能であり、例えば粘弾性ダンパーや摩擦ダンパーを用いることができる。さらに、鋼材ダンパー４以外のダンパーは、本実施の形態のように回転慣性質量ダンパー１とオイルダンパー２の２つの組み合わせであることに制限されることはなく、他の組み合わせとしても良いし、単独（１つ）であっても良い。要は、鋼材ダンパーの他に、回転慣性質量ダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、及び摩擦ダンパーの少なくとも１つの制振装置が制振階に集約配置されていればよいのである。

また、本実施の形態では鉄骨造の多層建物について説明したが、本発明は構造に制限されることはなく任意の構造が可能である。例えば、鉄筋コンクリート造の多層建物であっても良い。

また、本実施の形態では、制振階Ｐを多層建物の６階に設定しているが、階層の位置および階数であることに制限されることはなく、任意に設定することができる。
さらに、本実施の形態では、制振階Ｐ（柔層１０Ｃ）を例えば２〜３階（層）の多数階に配置しても良い。また、制振階Ｐ（柔層１０Ｃ）を上下に連続する層に設ける必要はなく、例えば６階と８階を制振階Ｐとして７階の剛な層（あるいは通常の層剛性をもつ層）を挟んで配置することも可能である。

１回転慣性質量ダンパー
２オイルダンパー（粘性ダンパー）
３鋼材ブレース
４鋼材ダンパー
１０Ａ上層階
１０Ｂ低層階
１０Ｃ柔層
Ｐ制振階
Ｔ制振装置

Claims

多層建物を対象として該多層建物の要所に制振装置を設置してなる制振構造であって、
多層建物の任意の階層に制振階を設定し、
前記制振階が設定された階層を、他の各層の層剛性よりも低下させた柔層とし、
前記制振階には、
大規模の地震による大変形時に早期に降伏する鋼材ダンパーと、
中小規模の地震に対して前記多層建物全体の応答を低減する、回転慣性質量ダンパー、粘性ダンパー、粘弾性ダンパー、及び摩擦ダンパーの少なくとも１つの制振装置と、
を備えていることを特徴とする制振構造。
前記柔層の階層は、他の各層の層剛性の最大値の１／２以下に低下させたものであることを特徴とする請求項１に記載の制振構造。
前記柔層は、多層建物の上層階に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制振構造。