JP6379607B2 - 制振建造物及び建造物の制振方法 - Google Patents

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本発明は、制振建造物及び建造物の制振方法に関する。
固有周期の異なる複数の建造物を制振ダンパーで連結した制振建造物が知られている(例えば、特許文献1参照)。この制振建造物では、複数の建造物に地震力が入力した際、建造物の変形モードの違いにより建造物間に変形差が生じることによって、制振ダンパーが変形して振動エネルギーを吸収する。
特開2013―47458号公報
上述の制振建造物では、建造物間の固有周期の比のみならず、建造物間の重量比(質量比)や各建造物の重量が制振効果に大きな影響を及ぼす。そのため、当該制振建造物においては各建造物の重量の設定が重要になり、設計が複雑化し、設計制約が大きくなる。また、複数の建造物の全てに地震力が直接入力されるため、これらの全ての建造物について、荷重を支え、地震時の水平力を負担する基礎が必要になり、基礎工事が大掛かりになる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、設計の複雑化・制約の増大や基礎の大規模化を抑えつつ、効果的に制振効果を発揮させる制振技術を提供することを課題とするものである。
本発明の制振建造物は、制振対象の建造物と、前記建造物の外周に面して配され、上部は前記建造物に固定され、下端は前記建造物の基礎に対して地震力が直接入力しないように縁が切られており、前記建造物よりも剛性が高い外部構造体と、前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパーとを備える。
また、本発明の制振建造物は、制振対象の建造物と、前記建造物の外周に面して配され、上部は前記建造物に固定されており、前記建造物よりも剛性が高い外部構造体と、前記外部構造体と前記建造物の基礎又はその周辺の地盤との間に配され、これらの縁を切る転がり支承又は滑り支承と、前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパーとを備える。
前記制振建造物において、前記外部構造体は、前記建造物の全周を囲うように構成され、前記建造物にその高さ方向の中央部よりも上層側において固定されてもよく、前記複数の制振ダンパーは、前記建造物と前記外部構造体との間に生じた水平方向の何れの方向の相対変位に対しても変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収してもよい。
また、本発明の建造物の制振方法は、制振対象の建造物よりも剛性が高い外部構造体を、前記建造物の外周に面して、前記建造物の基礎から地震力が直接入力しないように設けて、前記外部構造体の上部を前記建造物に固定し、複数の制振ダンパーにより前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記複数の制振ダンパーを前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形させて、前記複数の制振ダンパーに前記建造物の振動エネルギーを吸収させる。
また、本発明の建造物の制振方法は、制振対象の建造物よりも剛性が高い外部構造体を、前記建造物の外周に面して、前記建造物の基礎又はその周辺の地盤に転がり支承又は滑り支承を介して荷重が作用するように設けて、前記外部構造体の上部を前記建造物に固定し、複数の制振ダンパーにより前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記複数の制振ダンパーを前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形させて、前記複数の制振ダンパーに前記建造物の振動エネルギーを吸収させる。
本発明によれば、設計の複雑化・制約の増大や基礎の大規模化を抑えつつ、効果的に制振効果を発揮させる制振技術を提供できる。
一実施形態に係る制振建造物を示す立面図である。 一実施形態に係る制振建造物を示す平面図である。 図2の3−3断面図(立断面図)である。 図1の4−4断面図(平断面図)である。 一実施形態に係る制振建造物の作用を示す立断面図である。 他の実施形態に係る制振建造物を示す立面図である。 他の実施形態に係る制振建造物を示す平面図である。 他の実施形態に係る制振建造物の作用を示す立面図である。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態に係る制振建造物10を示す立面図であり、図2は、制振建造物10を示す平面図であり、図3は、図2の3−3断面図(立断面図)であり、図4は、図1の4−4断面図(平断面図)である。これらの図に示すように、制振建造物10は、建物20と、外部架構30と、これらの間に設けられた複数の制振ダンパー40(図4参照)とを備えている。建物20は、鉄骨造、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造等の既存のビル等である。
外部架構30は、建物20の全周を囲うように筒状に構成されたブレース架構32と、ブレース架構32の上端に結合された複数の垂直ブレース34及び水平ブレース35と、ブレース架構32の内周側に高さ方向に間隔を空けて設けられた複数の水平ブレース36とを備えている。ブレース架構32、垂直ブレース34、及び水平ブレース35、36は、鉄骨構造、鉄筋コンクリート構造、鉄骨鉄筋コンクリート構造、コンクリート充填鋼管構造等の骨組である。なお、水平ブレース35を屋上に設けることは必須ではなく、必要に応じて設ければよい。
ブレース架構32は、複数の垂直ブレース32Aが周方向に結合された構成であり、各垂直ブレース32Aは、建物20の外周20Aに対して平行に外周20Aから離間して設けられている。また、各垂直ブレース32Aは、建物20の下層階から屋上階まで延びており、各垂直ブレース32Aの下端は、建物20を支持する基礎1から離間している。
複数の垂直ブレース34は、建物20の屋上階に格子状に、それぞれが垂直ブレース32Aに対して垂直となるように設けられており、複数の垂直ブレース32Aの上端を結合している。また、水平ブレース36は、環状に構成されており、ブレース架構32から内周側へ水平に張り出している。ここで、水平ブレース36は、建物20の数層おきに設けられており、建物20の外周20Aから離間している。
建物20の屋上階には、外部架構30を支持する複数の支持体38が設けられている。この複数の支持体38は、建物20の屋上に定着された鉄筋コンクリート造のブロック、鉄骨架台等の剛強な土台であり、直交する垂直ブレース34の交点と屋上の内周部との間、及び垂直ブレース34と屋上の外周部との間に設けられており、垂直ブレース34が、アンカーやボルト等により複数の支持体38に定着されている。即ち、外部架構30の最上部は、建物20の屋上階において建物20に相対的に水平方向に変位しないように結合(即ち、固定、緊結)されている。
制振ダンパー40は、オイルダンパー(油圧ダンパー)、鋼材ダンパー、粘弾性ダンパー等であり、建物20の数層おきに各層に複数ずつ配されている。各層の複数の制振ダンパー40は、水平ブレース36と建物20との間の空間に配されてこれらを連結しており、これらの水平方向の相対変位に応じて水平方向に変形して建物20の振動エネルギーを吸収する。ここで、各層の複数の制振ダンパー40は、水平ブレース36と建物20との360度のあらゆる方向の相対変位に応じて変形できるように構成されている。例えば、図中に示すように、建物20が直方体状で、外部架構30が矩形筒状の場合には、建物20の角部と外部架構30の隅部との間に一対の制振ダンパー40(オイルダンパー)が設けられ、一対の制振ダンパー40の一端が建物20の角部に垂直軸周りに回動可能に取り付けられ、一対の制振ダンパー40の他端が水平ブレース36の互いに直交する辺に回動可能に取り付けられる。
ここで、外部架構30全体の地震力に対する剛性は、建物20全体の地震力に対する剛性よりも高く設定されている。また、上述したように、外部架構30の上部が建物20に屋上階において緊結されている。さらに、外部架構30の下端は建物20を支持する基礎1から縁切りされており、基礎1から外部架構30に直接、地震力が入力しないようになっている。
このため、図5の立断面図に示すように、地震動により建物20が変形した際に、外部架構30の最上部の挙動は、建物20の最上部と同様になるのに対して、外部架構30及び建物20の最上部よりも下層側においては、外部架構30の変形が建物20の変形よりも小さくなり、これらの変形差ΔXは、下層に行くにつれて大きくなる。これにより、外部架構30と建物20とを数層おきに連結する制振ダンパー40は、下層に行くほど大きく変形して大きなエネルギーを吸収する。
ここで、上記構成の制振建造物10は、既存の建築物である建物20を使用しながら、その外部に外部架構30を構築してその上部を建物20の屋上に固定し、建物20と外部架構30とを複数の制振ダンパー40により複数層において連結することにより得られる。この際、外部架構30の下端と建物20の基礎1との間に、建物20への人の出入りを可能とする空間を形成する。
以上説明したように、本実施形態に係る制振建造物10は、制振対象の建物20と、建物20の外周20Aに面して配され、上部は建物20に固定され、下端は建物20の基礎1に対して地震力が直接入力しないように縁が切られており、建物20よりも剛性が高い外部架構30と、建物20と外部架構30とを複数層において連結し、建物20と外部架構30との相対変位に応じて変形して建物20の振動エネルギーを吸収する制振ダンパー40とを備える。この制振建造物10では、地震動により建物20が変形した際に、外部架構30と建物20との変形差ΔXが下層に行くにつれて大きくなることにより、外部架構30と建物20とを複数層において連結する制振ダンパー40が、下層に行くほど大きく変形して大きなエネルギーを吸収する(図5参照)。
即ち、本実施形態に係る制振建造物10によれば、建物20と外部架構30との固有周期の比や重量比(質量比)にかかわらず、制振ダンパー40に効果的に建物20の振動エネルギーを吸収させることができる。また、外部架構30の荷重を受けると共に水平力を負担する外部架構30の基礎が不要になる。従って、設計の複雑化・制約の増大や基礎1の大規模化を抑えつつ、効果的に制振効果を発揮できる。
また、本実施形態に係る制振建造物10によれば、建物20の内部に耐震補強を施したり制振装置を設置したりすることなく、効果的に制振効果を発揮できる。また、外部架構30の下端と建物20の基礎1との間に、建物20に出入りする通路を確保できる。従って、既存の建物20を使用しながらの耐震改修、即ち居ながら施工による耐震改修を実施できる。また、層間に制振装置を設置する制振構造では、風や小中地震等の小さい揺れに対しては制振効果が少ないが、本実施形態に係る制振建造物10では、各層の変形の累積した変形が制振ダンパー40に加わるため、小さい揺れでも大きな制振効果を得ることができる。
また、本実施形態に係る制振建造物10では、外部架構30が、建物20の外周を囲うように構成され、建物20に屋上階において固定されており、複数の制振ダンパー40が、建物20と外部架構30との間に生じた水平方向の何れの方向の相対変位に対しても変形して建物20の振動エネルギーを吸収する。これにより、建物20の屋上階から下層までに生じる水平方向の何れの方向の変形も抑えることができる。
図6は、他の実施形態に係る制振建造物100を示す立面図であり、図7は、該制振建造物100を示す平面図である。これらの図に示すように、本実施形態に係る制振建造物100は、建物120と、外部架構130と、これらの間に設けられた複数の制振ダンパー40と、外部架構130と基礎1との間に設けられた転がり支承150とを備えている。建物120は、鉄骨造、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造等の新設のビル等である。この建物120の中間階(高さ方向の中央部)よりも上層側の所定階では、その全周で、梁122(図7参照)の先端が外周120Aから突出している。
外部架構130は、建物120の外周を囲うように筒状に構成されたチューブ架構である。この外部架構130は、建物120の周りに間隔を空けて配された複数の柱132と、該複数の柱132を結合する環状のスラブ134とを備えている。柱132は、鉄骨造、鉄筋コンクリート構造、鉄骨鉄筋コンクリート構造、コンクリート充填鋼管構造等であり、スラブ134は、鉄骨造、鉄筋コンクリート構造等である。
柱132は、建物120の外周120Aに対して平行に外周120Aから離間して設けられている。また、柱132は、建物120の下層階から梁122まで延びており、柱132の下端は、建物120の基礎1に転がり支承150を介して支持され、柱132の上端は、梁122の先端に相対的に変位しないように結合(固定、緊結)されている。ここで、柱132の下端と基礎1とは、転がり支承150により360°のあらゆる方向に相対移動できるように縁が切られている。
また、スラブ134は、柱132から内周側へ張り出している。ここで、スラブ134は、建物120の数層おきに設けられており、建物120の外周120Aから離間している。
図示は省略するが、梁122の先端には支持体38が定着され、最上段のスラブ134がアンカーやボルト等により支持体38に定着されている。即ち、外部架構130の最上部は、建物120の高さ方向中央部より上層側の所定階において建物120に相対的に水平方向に変位しないように結合(即ち、固定、緊結)されている。
複数の制振ダンパー40は、建物120の数層おきに各層に複数ずつ配されている。各層の複数の制振ダンパー40は、スラブ134と建物120との間に配されており、スラブ134と建物120とを水平方向に連結している。ここで、各層の複数の制振ダンパー40は、建物120とスラブ134との360度のあらゆる方向への相対変位に応じて変形して建物120の振動エネルギーを吸収できるように構成されている。
ここで、外部架構130全体の地震力に対する剛性は、建物120全体の地震力に対する剛性よりも高く設定されている。また、上述したように、外部架構130の上部が建物120に高さ方向中央部よりも上層側において緊結されている。さらに、外部架構130の下端と建物120の基礎1とは転がり支承150により縁切りされており、基礎1から外部架構130に地震力が伝わり難いようになっている。
このため、図8の立面図に示すように、地震動により建物120が変形した際に、外部架構130の最上部の挙動は、建物120の高さ方向中央部よりも上層側の緊結階と同様になるのに対して、外部架構130及び建物120の緊結階よりも下層側においては、外部架構130の変形が建物120の変形よりも小さくなり、これらの変形差は、下層に行くにつれて大きくなる。これにより、外部架構130と建物120とを数層おきに連結する複数の制振ダンパー40は、下層に行くほど大きく変形して大きなエネルギーを吸収する。
以上説明したように、本実施形態に係る制振建造物100は、制振対象の建物120と、建物120の外周120Aに面して配され、上部は建物120に固定され、下端は建物120の基礎1から離されており、建物120よりも剛性が高い外部架構130と、外部架構130と基礎1との間に配され、これらの縁を切る転がり支承150と、建物120と外部架構130とを複数層において連結し、建物120と外部架構130との相対変位に応じて変形して建物120の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパー40とを備える。この制振建造物100では、地震動により建物120が変形した際に、外部架構130と建物120との変形差が下層に行くにつれて大きくなることにより、外部架構130と建物120の外周120Aとの間に配された制振ダンパー40が、下層に行くほど大きく変形して大きなエネルギーを吸収する。
本実施形態に係る制振建造物100によれば、建物120と外部架構130との固有周期の比や重量比(質量比)にかかわらず、制振ダンパー40に効果的に建物120の振動エネルギーを吸収させることができる。また、転がり支承150により外部架構130と基礎1との縁が切られていることにより、地震時の水平力を負担するような外部架構130の基礎が不要になる。従って、設計の複雑化・制約の増大や基礎1の大規模化を抑えつつ、効果的に制振効果を発揮できる。また、外部架構130の荷重を基礎1で受けることにより、建物120に作用する外部架構130の荷重を減らすことができ、建物120の支持能力にかかわらず、外部架構130の重量を増やすことができる。
なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、制振対象の建造物を、ビルなどの建物(建築物あるいは現住建造物)としたが、建築物の定義に該当しない建造物や、非現住建造物等としてもよい。また、外部構造体を、柱梁架構やチューブ架構としたが、壁状構造体等としてもよい。
また、制振ダンパー40を建物20(120)と外部架構30(130)との間に数層おきに設けたが、制振ダンパー40を何層おきに設けるかは、必要な減衰量に応じて決めればよく、制振ダンパー40を全層に設けてもよい。また、外部架構30(130)を、建物20(120)の外周の全周を囲うように構成したが、外部架構30(130)は、建物20(120)の外周の周方向の一部に面して設けられていればよい。
さらに、上述の実施形態に係る制振建造物100では、外部架構130の下端と基礎1との間に転がり支承150を設けることにより、外部架構130と基礎1との縁を切ったが、転がり支承150に替えて滑り支承を設けてもよく、あるいは、転がり支承又は滑り支承を外部架構130の下端と基礎1の周辺の地盤との間に設けることにより、これらの縁を切ってもよい。
1 基礎、10 制振建造物、20 建物、20A 外周、30 外部架構、32 ブレース架構、32A 垂直ブレース、34 垂直ブレース、35、36 水平ブレース、38 支持体、40 制振ダンパー、100 制振建造物、120 建物、120A 外周、122 梁、130 外部架構、132 柱、134 スラブ、150 転がり支承

Claims (5)

  1. 制振対象の建造物と、
    前記建造物の外周に面して配され、上部は前記建造物に固定され、下端は前記建造物の基礎に対して地震力が直接入力しないように縁が切られており、前記建造物よりも剛性が高い外部構造体と、
    前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパーと
    を備える制振建造物。
  2. 制振対象の建造物と、
    前記建造物の外周に面して配され、上部は前記建造物に固定されており、前記建造物よりも剛性が高い外部構造体と、
    前記外部構造体と前記建造物の基礎又はその周辺の地盤との間に配され、これらの縁を切る転がり支承又は滑り支承と、
    前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパーと
    を備える制振建造物。
  3. 前記外部構造体は、前記建造物の外周を囲うように構成され、前記建造物にその高さ方向の中央部よりも上層側において固定されており、
    前記複数の制振ダンパーは、前記建造物と前記外部構造体との間に生じた水平方向の何れの方向の相対変位に対しても変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収する請求項1又は請求項2に記載の制振建造物。
  4. 制振対象の建造物よりも剛性が高い外部構造体を、前記建造物の外周に面して、前記建造物の基礎から地震力が直接入力しないように設けて、前記外部構造体の上部を前記建造物に固定し、
    複数の制振ダンパーにより前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記複数の制振ダンパーを前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形させて、前記複数の制振ダンパーに前記建造物の振動エネルギーを吸収させる建造物の制振方法。
  5. 制振対象の建造物よりも剛性が高い外部構造体を、前記建造物の外周に面して、前記建造物の基礎又はその周辺の地盤に転がり支承又は滑り支承を介して荷重が作用するように設けて、前記外部構造体の上部を前記建造物に固定し、
    複数の制振ダンパーにより前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記複数の制振ダンパーを前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形させて、前記複数の制振ダンパーに前記建造物の振動エネルギーを吸収させる建造物の制振方法。
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