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

Description

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。