JP6364225B2 - 連結制震構造 - Google Patents

Description

本発明は、連結制震構造に関する。

従来の連結制震構造は、構造体同士をダンパーで連結し、地震時の振動を減衰させている。構造体同士をダンパーで連結する技術には、例えば特許文献１がある。

特許文献１は、既存建物の隣に、免震装置で支持された新設建物を構築し、既存建物と新設建物をダンパーで連結する構成である。新設建物を免震装置で支持させることにより、新設建物の振動周期を長周期化して、既存建物の振動周期と相違させ、ダンパーを効率よく機能させて制震している。

特開２００２−２６６５１７号公報

しかし、特許文献１は、免震装置を必要とするため施工コストが上昇する。

本発明は、上記事実に鑑み、新設建物に免震装置を使用せずに、既存建物の振動を抑制できる連結制震構造を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る連結制震構造は、既存建物に隣接し、縦部材、横部材及び斜め部材で構成された立体架構と、前記縦部材と前記横部材の連結部又は前記縦部材と前記斜め部材の連結部と前記既存建物とを連結する連結部材と、前記連結部材に取り付けられたダンパーと、を備え、前記ダンパーが取り付けられた前記連結部材が連結された最下方の前記連結部より下方の立体架構部が他の立体架構部より低剛性とされていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、地震力を受けたとき、低剛性とされた立体架構部が変形して、低剛性とされた立体架構部の上の立体架構部が長周期で振動する。長周期化された立体架構部の連結部と、既存建物は第１エネルギー吸収手段で連結されており、第１エネルギー吸収手段により、振動周期差を利用して、第１エネルギー吸収手段を効率よく機能させて、既存建物の振動を抑制する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の連結制震構造において、前記他の立体架構部より低剛性とされた前記下方の立体架構部の外周部には、第２エネルギー吸収手段が設けられていることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、第２エネルギー吸収手段により、低剛性とされた立体架構部へ伝達された振動エネルギーが吸収される。第２エネルギー吸収手段は、低剛性とされた立体架構部の外周部に設けられているので、低剛性とされた立体架構部を変形させて、既存建物の振動を抑制する。

請求項３に記載の発明に係る連結制震構造は、既存建物に隣接し、縦部材、横部材及び斜め部材で構成された立体架構と、前記縦部材と前記横部材の連結部又は前記縦部材と前記斜め部材の連結部と、前記既存建物とを連結する第１エネルギー吸収手段と、を備え、前記第１エネルギー吸収手段が連結される最下方の前記連結部より下方の立体架構部が他の立体架構部より低剛性とされると共に、前記縦部材、前記横部材、及び前記斜め部材は鋼管で構成され、前記第１エネルギー吸収手段が連結された最下方の前記連結部より上方の前記立体架構部の前記鋼管の一部には、コンクリートが充填されていることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、第１エネルギー吸収手段が連結される最下方の連結部より上方の立体架構部の縦部材、横部材及び斜め部材を構成する鋼管の一部には、コンクリートが充填される。これにより、第１エネルギー吸収手段が連結される最下方の連結部より上方の立体架構部の剛性を高くし、低剛性とされた立体架構部の剛性を相対的に低くすることができる。また、コンクリートの充填位置を調整することで、立体架構の剛心及び重心位置を任意に調整することができる。

本発明は、上記構成としてあるので、新設建物に免震装置を使用せずに、既存建物の振動を抑制できる連結制震構造を提供することができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る連結制震構造の基本構成を模式的に示す正面図であり、（Ｂ）はＺ１−Ｚ１線位置における断面図である。 （Ａ）は本発明の第２実施形態に係る連結制震構造の基本構成を模式的に示す図１（Ａ）のＺ１−Ｚ１線位置における断面図であり、（Ｂ）は本発明の第３実施形態に係る連結制震構造を模式的に示す図１（Ａ）のＺ１−Ｚ１線位置における断面図である。 （Ａ）は本発明の第４実施形態に係る連結制震構造を模式的に示す図１（Ａ）のＺ１−Ｚ１線位置における断面図であり、（Ｂ）は本発明の第５実施形態に係る連結制震構造を模式的に示す図１（Ａ）のＺ１−Ｚ１線位置における断面図である。 本発明の第６実施形態に係る連結制震構造の基本構成を模式的に示す正面図である。

（第１実施形態）
図１を用いて、第１実施形態に係る連結制震構造について説明する。
連結制震構造は、中央フレーム（立体架構）１０を有し、中央フレーム１０は、耐震補強される既存建物１２に隣接して構築されている。中央フレーム１０は、耐震補強用の架構であり、地盤２０に自立する構成で構築され、既存建物１２の外側から既存建物１２を耐震補強する。既存建物１２は、広く一般的に構築されている構造物であり、その用途は問わない。

図１（Ａ）の正面図、図１（Ｂ）の断面図に示すように、中央フレーム１０は、柱（縦部材）１４、梁（横部材）１６、及びブレース（斜め部材）１８を組み合わせて構築され、平面視が四角形に形成されている。中央フレーム１０の既存建物１２と対向する側壁１０Ｓは、既存建物１２の側壁１２Ｓと所定の距離Ｌを開けて対向配置されている。
中央フレーム１０の最下部（地盤２０に最も近い部分）Ｗ１は、後述するように中央フレーム１０の他の部分より剛性の低い低剛性部とされている。

柱１４は、四角形とされた中央フレーム１０の角部の４か所、中央フレーム１０の周囲の４辺の中央部の４か所、及び中央フレーム１０の中央部の１か所の合計９か所に、それぞれ鉛直方向へ設けられている。
柱１４と柱１４との間には、梁１６が架け渡されている。梁１６は、既存建物１２の各階の梁４８とほぼ等しい高さに設けられている。柱１４と梁１６は、連結部Ｋ１で連結されている。連結部Ｋ１は、柱１４の高さ方向に複数設けられ、平面視において、梁１６で格子状に形成された角部にそれぞれ形成されている。

中央フレーム１０の外周部であり、対角位置にある連結部Ｋ１の間にはブレース１８が斜めに架け渡されている。ブレース１８の両端部は、柱１４と連結部Ｋ１で連結されている。
中央フレーム１０は、既存建物１２の補強部の高さに対応して積層され、補強部材として必要な高さまで構築されている。中央フレーム１０の下端部は地盤２０に固定され、地盤２０から立ち上げられ、自立している。

中央フレーム１０と既存建物１２の間には、連結部材３８が横方向に渡され、連結部材３８には、ダンパー（第１エネルギー吸収手段）２２が取り付けられている。
ダンパー２２が取り付けられた連結部材３８の一端は、中央フレーム１０の側壁１０Ｓの連結部Ｋ１と連結され、連結部材３８の他端は、既存建物１２の側壁１２Ｓの、柱４９と梁４８の連結部Ｋ２と連結されている。
ダンパー２２は、伸縮方向を連結部材３８の軸線方向と一致させて取り付けられており、連結部材３８に加えられた軸線方向の力を受けて伸縮する。

ダンパー２２は、２個を１セットとし、平面視でＶ字状に配置されている。即ち、１セットの２個のダンパー２２は、いずれも、中央フレーム１０の側壁１０Ｓと斜めに取付けられると共に、既存建物１２の側壁１２Ｓとも斜めに取付けられている。
これにより、地震時の横振動が、ＸＹ平面のいずれの方向であっても、ダンパー２２で既存建物１２の振動を減衰させることができる。

また、ダンパー２２は、最下段が、中央フレーム１０の最下部Ｗ１の直上の連結部Ｋ１に連結されている。最下段の上方のダンパー２２は、梁１６の１か所おきに連結されている。なお、ダンパー２２の位置はこれに限定されることはなく、上下方向に等間隔ではなく、中央フレーム１０の上部に多く配置してもよい。

中央フレーム１０の最下部Ｗ１のブレース１８には、ダンパー（第２エネルギー吸収手段）２４が取付けられている。ダンパー２４は、中央フレーム１０の外周部に設けられたブレース１８の全てに、中心部を囲んで設けられている。また、ダンパー２４の収縮開始の圧縮力は、ブレース１８の圧縮強度より小さくされている。
これにより、中央フレーム１０の最下部Ｗ１は、ダンパー２４を有さず、通常の剛性を備えたブレース１８で構築された上部Ｗ２より剛性が低くされている。

この結果、例えば、中央フレーム１０に、地震による振動エネルギーが作用したとき、既存建物１２と中央フレーム１０の重心位置の違いにより、中央フレーム１０に回転モーメントによるねじれ変形が生じる。このねじり変形を、最下部Ｗ１の低剛性部に集中させ、中央フレーム１０を回転させることができる。この結果、中央フレーム１０に生じた回転モーメントを、ダンパー２４に吸収させ、既存建物１２の振動を抑制することができる。また、低剛性部の大きな変形が抑制され、破損を抑制できる。中央フレーム１０に作用した振動エネルギーが吸収された後は、中央フレーム１０が復元される。

中央フレーム１０の柱１４、梁１６及びブレース１８はいずれも中空の鋼管で構成されている。
中央フレーム１０の最下部Ｗ１を除く、中央フレーム１０の上部Ｗ２の柱１４、梁１６及び斜め部材１８の一部には、内部にコンクリートが充填されている。
柱１４、梁１６及び斜め部材１８を、内部にコンクリートが充填されたコンクリート充填鋼管とすることにより、鋼管の剛性を高めることができる。これにより、最下部Ｗ１の剛性を相対的に低くすることができる。なお、鋼管の剛性を高める必要がない場合には、鋼管の内部にコンクリートを充填しなくてもよい。

更に、上部Ｗ２において、コンクリートの充填位置を制限することで、立体架構の剛心及び重心位置を任意に調整することができる。
例えば、中央フレーム１０の上部Ｗ２の、多くの鋼管の内部にコンクリートを充填し、上部Ｗ２の質量を大きくすることができる。これにより、中央フレーム１０の振動周期の長周期化が図れ、既存建物１２の制震効果を高めることができる。

なお、既存建物１２の制震方法には、中央フレーム１０の振動周期を長周期化させ、既存建物１２の振動周期と大きく離すことで、ダンパー２２を効率的に作用させて、ダンパー２２に振動を吸収させる方法と、中央フレーム１０の振動周期を、既存建物１２の振動周期に近づけ、必要ならチューニングにより一致させて、ダンパー２２を挟んで、中央フレーム１０を既存建物１２と逆位相で振動させ、ダンパー２２に振動を吸収させる方法がある。本、実施形態では、いずれの方法にも適用可能である。

更に、中央フレーム１０へのコンクリートの充填位置を、既存建物１２の近くの鋼管に集中させることもできる。これにより、中央フレーム１０の重心位置を、平面視における既存建物１２の重心位置に近づけることができる。この結果、地震時に、重心位置のずれ量に比例して発生する、中央フレーム１０の振動エネルギーによる変形を、小さくすることができる。

本実施形態によれば、地震力を受けたとき、中央フレーム１０の最下部Ｗ１に変形が集中され、中央フレーム１０の上部Ｗ２の振動周期が長周期化される。これにより、中央フレーム１０と既存建物１２に、振動周期差が発生する。この振動周期差を利用して、既存建物１２の連結部Ｋ２と、中央フレーム１０の上部Ｗ２の連結部Ｋ１を連結するダンパー２２により、既存建物１２と中央フレーム１０の上部Ｗ２の振動エネルギー（ねじりが生じる場合にはねじりエネルギー）が減衰され、既存建物１２の振動が抑制される。
これにより、免震装置を使用せずに、既存建物１２の振動を抑制することができる。

なお、本実施形態では、中央フレーム１０の最下部Ｗ１を低剛性とする構成で説明した。即ち、既存建物１２に隣接し、柱１４、梁１６、ブレース１８で構成された中央フレーム１０と、柱１４と梁１６の連結部Ｋ１、又は柱１４とブレース１８の連結部Ｋ１と既存建物１２とを連結するダンパー２２と、ダンパー２２が連結される最下部の連結部より下方の中央フレーム１０（中央フレーム１０の最下部Ｗ１）が、最下部Ｗ１より上方の中央フレーム１０より低剛性とされた構成である。

しかし、上記の構成に限定されることはなく、図示は省略するが、低剛性とする部位（低剛性部）は、中央フレーム１０の中間部でもよい。これにより、低剛性部の上部の中央フレーム１０の長周期化が図れ、低剛性部の上部と連結された既存建物１２の振動を抑制することができる。
ただし、低剛性部を中央フレーム１０の最上部とすることはできない。低剛性部の上部には、既存建物１２と連結される中央フレーム１０が存在しなくなるためである。

また、本実施形態では、中央フレーム１０を、柱１４、梁１６、及びブレース１８で組み合わせ、平面視で四角形に構築した構成とした。しかし、これに限定されることはなく、図示は省略するが、例えば、梁１６をなくし、梁１６の代わりにブレース１８を斜めに取り付け、ブレース１８を増加させた構成でもよい。また、平面視が四角形でなく、円形や八角形等であってもよい。

また、本実施形態では、ダンパー２２は、２個を１セットとし平面視でＶ字状に配置する構成とした。しかし、これに限定されることはなく、図示は省略するが、ダンパー２２を、１個ずつ任意の方向へ配置する構成でもよい。

また、本実施形態では、ダンパー２４は、中央フレーム１０の最下層の外周部にのみ配置する構成で説明した。しかし、これに限定されることはなく、図示は省略するが、ダンパー２４を中央フレーム１０の内部の梁１６に取付けてもよい。これにより、Ｘ−Ｙ平面に作用する外力を吸収させることができる。

（第２実施形態）
図２（Ａ）を用いて、第２実施形態に係る連結制震構造について説明する。
第２実施形態に係る連結制震構造は、耐震補強用の中央フレーム３０を有し、中央フレーム３０は、対向配置された２棟の既存建物１２、３２の間に構築されている点において、第１実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図２（Ａ）の平面図に示すように、２棟の既存建物１２、３２は、桁行方向をＹ軸方向に沿わせて構築され、Ｘ軸方向に所定の距離をあけて対向配置されている。中央フレーム３０は、第１側壁３０Ｓ１が耐震補強される既存建物１２と対向配置され、第２側壁３０Ｓ２が既存建物３２と対向配置されている。

既存建物１２と中央フレーム３０は、ダンパー３４が取付けられた連結部材３５の端部と、それぞれ連結され、既存建物３２と中央フレーム３０は、ダンパー３６が取付けられた連結部材３７の端部と、それぞれ連結されている。

これにより、地震時に、中央フレーム３０に作用する振動エネルギーによる変形を、最下部Ｗ１に集中させ、中央フレーム３０の上部Ｗ２を長周期化させ、既存建物１２、３２を中央フレーム３０で耐震補強することができる。
他の構成は、第１実施形態と同じであり説明は省略する。

（第３実施形態）
図２（Ｂ）を用いて、第３実施形態に係る連結制震構造について説明する。
第３実施形態に係る連結制震構造は、耐震補強用の中央フレーム４０を有している。中央フレーム４０は、平面視でＬ字状に構築された既存建物４２の、Ｌ字で挟まれた位置に構築されている点において、第１実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図２（Ｂ）の平面図に示すように、既存建物４２は、桁行方向をＸ軸方向に沿わせて構築された既存建物４２Ａと、Ｙ軸方向に沿わせて構築された既存建物４２ＢがＬ字状に交差して構築されている。
中央フレーム４０は、第１側壁４０Ｓ１が耐震補強される既存建物４２Ａと対向配置され、第２側壁４０Ｓ２が、既存建物４２Ｂと対向配置されている。

既存建物４２Ａと中央フレーム４０は、ダンパー４４が取付けられた連結部材４５の端部と、それぞれ連結され、既存建物４２Ｂと中央フレーム４０は、ダンパー４６が取付けられた連結部材４７の端部と、それぞれ連結されている。

これにより、地震時に、中央フレーム４０に作用する振動エネルギーによる変形を、最下部Ｗ１に集中させ、中央フレーム３０の上部Ｗ２を長周期化させ、既存建物４２Ａ、４２Ｂを中央フレーム４０で耐震補強することができる。
他の構成は、第１実施形態と同じであり説明は省略する。

（第４実施形態）
図３（Ａ）を用いて、第４実施形態に係る連結制震構造について説明する。
第４実施形態に係る連結制震構造は、耐震補強用の中央フレーム５０を有し、中央フレーム５０は、平面視がコ字状に配置された既存建物５２の、中央位置に構築されている点において、第１実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図３（Ａ）の平面図に示すように、既存建物５２は、桁行方向をＸ軸方向に沿わせて構築された中央部の既存建物５２Ｂを有している。既存建物５２Ｂの両端部には、桁行方向をＹ軸方向に沿わせて構築された既存建物５２Ａと、既存建物５２Ｃが、対向して延出された構成である。既存建物５２Ａと既存建物５２Ｃは、Ｘ軸方向に所定の距離をあけて対向配置されている。

中央フレーム５０は、第１側壁５０Ｓ１が耐震補強される既存建物５２Ａと対向配置され、第２側壁５０Ｓ２が、既存建物５２Ｂと対向配置され、第３側壁５０Ｓ３が、既存建物５２Ｃと対向配置されている。
既存建物５２Ａと中央フレーム５０は、ダンパー５４が取付けられた連結部材５５の端部とそれぞれ連結され、既存建物５２Ｂと中央フレーム５０は、ダンパー５６が取付けられた連結部材５７の端部とそれぞれ連結され、既存建物５２Ｃと中央フレーム５０は、ダンパー５８が取付けられた連結部材５９の端部とそれぞれ連結されている。

これにより、地震時に、中央フレーム５０に作用する振動エネルギーによる変形を、中央フレーム５０の最下部Ｗ１に集中させ、中央フレーム５０の上部Ｗ２を長周期化させ、既存建物５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを中央フレーム５０で耐震補強することができる。
他の構成は、第１実施形態と同じであり説明は省略する。

（第５実施形態）
図３（Ｂ）を用いて、第５実施形態に係る連結制震構造について説明する。
第５実施形態に係る連結制震構造は、耐震補強用の中央フレーム６０を有し、中央フレーム６０は、平面視が八角形に構成されている点において、第４実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図３（Ｂ）の平面図に示すように、既存建物５２は、桁行方向をＸ軸方向に沿わせて構築された中央部の既存建物５２Ｂを有している。既存建物５２Ｂの両端部には、桁行方向をＹ軸方向に沿わせて構築された既存建物５２Ａと、既存建物５２Ｃが、対向して延出された構成である。既存建物５２Ａと既存建物５２Ｃは、Ｘ軸方向に所定の距離をあけて対向配置されている。

中央フレーム６０は、平面視が八角形の柱状に形成され、第１側壁６０Ｓ１と第２側壁６０Ｓ２が耐震補強される既存建物５２Ａと対向配置され、第３側壁６０Ｓ３と第４側壁６０Ｓ４が、既存建物６２Ｂと対向配置され、第５側壁６０Ｓ５と第６側壁６０Ｓ６が、既存建物６２Ｃと対向配置されている。
既存建物５２Ａと中央フレーム６０は、ダンパー６４が取付けられた連結部材６５の端部とそれぞれ連結され、既存建物５２Ｂと中央フレーム６０は、ダンパー６６が取付けられた連結部材６７の端部とそれぞれ連結され、既存建物５２Ｃと中央フレーム６０は、ダンパー６８が取付けられた連結部材６９の端部とそれぞれ連結されている。

これにより、地震時に、中央フレーム６０に作用する振動エネルギーによる変形を、中央フレーム６０の最下部Ｗ１に集中させ、中央フレーム６０の上部Ｗ２を長周期化させ、既存建物５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを中央フレーム６０で耐震補強することができる。特に、振動エネルギーによる変形がねじり変形の場合、中央フレーム６０の中心部の回りに、スムーズにねじり変形を吸収できる。
他の構成は、第４実施形態と同じであり説明は省略する。

（第６実施形態）
図４を用いて、第６実施形態に係る連結制震構造について説明する。
第６実施形態に係る連結制震構造は、耐震補強用の中央フレーム７０を有し、中央フレーム７０は、低層の建物７２Ａの上に、既存建物７２Ｂが構築されている点において、第１実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図４の正面図に示すように、中央フレーム７０は、低層の建物７２Ａの上に構築され、低層の建物７２Ａの内部を上下方向に貫通する脚部７６で支持されている。脚部７６は、建物７２Ａの柱を補強して利用してもよい。
中央フレーム７０は、低層の建物７２Ａの上に架構部が構築されており、架構部の最下部Ｗ１が、上部Ｗ２より低剛性とされている。

既存建物７２Ｂは、中央フレーム７０と所定の距離をあけて対向配置されている。中央フレーム７０の第１側壁７０Ｓが、耐震補強される既存建物７２Ｂと対向配置されている。既存建物７２と中央フレーム７０の第１側壁７０Ｓは、ダンパー７４が取付けられた連結部材７５の端部とそれぞれ連結されている。

これにより、中央フレーム７０に作用する振動エネルギーによる変形を、中央フレーム７０の最下部Ｗ１に集中させ、ダンパー２４に吸収させることができる。即ち、最下部Ｗ１に設けられたダンパー２４により、中央フレーム７０に作用した振動エネルギーが吸収される。また、低層の建物７２Ａに設けた脚部７６により、低層の建物７２Ａの耐震強度を高めることができる。

また、ダンパー７４により、既存建物７２Ｂの振動エネルギーが吸収され、既存建物７２Ｂの振動低減が図られる。この結果、低層の建物７２Ａが負担すべき地震力が小さくなり、低層の建物７２Ａの補強の軽減、若しくは補強をなくすことができる。
他の構成は、第１実施形態と同じであり説明は省略する。

１０、３０、４０、５０、６０、７０ 中央フレーム（立体架構）
１２、３２、４２、７２、 既存建物
１４ 柱（縦部材）
１６ 梁（横部材）
１８ ブレース（斜め部材）
２２ ダンパー（第１エネルギー吸収手段）
２４ ダンパー（第２エネルギー吸収手段）
Ｋ１ 中央フレームの連結部
Ｋ２ 既存建物の連結部
Ｗ１ 下方の立体架構部
Ｗ２ 他の立体架構部

Claims (3)

1. 既存建物に隣接し、縦部材、横部材及び斜め部材で構成された立体架構と、
   前記縦部材と前記横部材の連結部又は前記縦部材と前記斜め部材の連結部と前記既存建物とを連結する連結部材と、
   前記連結部材に取り付けられたダンパーと、を備え、
   前記ダンパーが取り付けられた前記連結部材が連結された最下方の前記連結部より下方の立体架構部が他の立体架構部より低剛性とされた連結制震構造。
2. 前記他の立体架構部より低剛性とされた前記下方の立体架構部の外周部には、第２エネルギー吸収手段が設けられている請求項１に記載の連結制震構造。
3. 既存建物に隣接し、縦部材、横部材及び斜め部材で構成された立体架構と、
   前記縦部材と前記横部材の連結部又は前記縦部材と前記斜め部材の連結部と、前記既存建物とを連結する第１エネルギー吸収手段と、を備え、
   前記第１エネルギー吸収手段が連結された最下方の前記連結部より下方の立体架構部が他の立体架構部より低剛性とされると共に、
   前記縦部材、前記横部材、及び前記斜め部材は鋼管で構成され、前記第１エネルギー吸収手段が連結される最下方の前記連結部より上方の前記立体架構部の前記鋼管の一部には、コンクリートが充填されている連結制震構造。

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