JP6709600B2

JP6709600B2 - 多層免震構造物

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Publication number: JP6709600B2
Application number: JP2015198015A
Authority: JP
Inventors: 祥江小槻; 杉本　浩一; 浩一杉本
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2015-10-05
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2035-10-05
Also published as: JP2017071908A

Description

本発明は、ビルのような多層階の建物に用いられる多層免震構造物に関する。

従来から、建物には免震装置を組み込んだものが存在している。この免震装置を組み込んだ建物は、地震によって建物に伝達される振動力を低減することができる。すなわち、免震装置は、地震時の建物の応答加速度を大きく低減できることから、被災直後も建物の機能を維持することができ、事業等を継続できる特長を有している。このように免震装置を組み込んだ建物は、耐地震性に優れているので、災害時の拠点としての働きを要求される建物に多く採用されている。

また、建物の高層化に伴い、免震架構の高層建物も提案されている。特許文献１には、建物がビルのような場合の多層免震構造物が開示されている。
特許文献１には、建物を層方向に分断して複数の単位構造物を形成し、形成された単位構造物と単位構造物の間に積層ゴムなどの免震装置を介在させた多層階の建物について記載されている。また、特許文献２にも、特許文献１と同様の多層免震構造物が開示されている。

建物の振動抑制技術としては、特許文献３に示されるようにＴＭＤ（同調質量ダンパ（ＴｕｎｅｄＭａｓｓＤａｍｐｅｒ））を利用した免震架構が知られている。
特許文献３には、多層階建物の底面側及び天面側の両面に免震機能を付加した建物の免震工法が開示されていて、天面側の免震機能はＴＭＤで構成されている。また、建物の上部の一部をＴＭＤとする技術も実用化されている。

特開平７−１３９２１８号公報特開２０１３−２３４４２５号公報特開２０１３−２２４５５９号公報

しかしながら、従来の免震装置を有する建物では、以下のような問題があった。
すなわち、上述した特許文献１及び特許文献２では、多層階を層方向に複数の単位構造物に区分し、その区分された上下間に免震装置を介在させているので、多くの免震装置を必要となっていた。そのため、コストが増大するとともに、免震装置が増加する分だけ保守点検作業が増えて手間がかかるという欠点があった。

また、特許文献３は、天面側の免震機能を果たすＴＭＤは、建物の屋上に錘用容体等からなる物体を設けて構成しなければならず、構造が複雑になる欠点があった。
一般に、従来のＴＭＤによる制振は、主に風応答や中小地震を対象に、居住性の向上を目的に用いられている。これはＴＭＤを建物に設置する場合、錘の質量や駆動範囲が制約されるため、主構造に対する質量比は、０．５〜１０％程度であり、比較的小さな振動にしか対応できないという欠点があった。

また、一般的な制振構造建物の性能目標は、レベル２地震動に対して層間変形角が１／１００以下、応答加速度はおおよそ２００Ｇａｌ以下である。超高層や免震等の長周期建物を対象として建物周期が３〜６秒とした場合、加速度２００Ｇａｌでは震度は５強と行動に支障を感じるレベルの揺れとなるが、加速度が５０〜１００Ｇａｌの場合は震度４程度であり行動への支障は少ない。このため、大地震があっても在館者の行動に支障をきたさないレベルまで建物の揺れ、主に「加速度」を抑えることを性能目標とした多層免震構造物が求められていた。

さらに、長周期長時間地震動に対する超高層建物の応答について、建物の機能を維持しつつ、室内の被害を減少でき、さらに在館者に恐怖心を与えない程度に揺れを減少させることのできることが求められており、その点で改善の余地があった。

そこで、本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、超高層建物に地震が発生したときに、効果的に応答加速度の低減を図ることができる多層免震構造物を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る多層免震構造物は、多層階に形成される建物に用いられる多層免震構造物であって、前記建物の下部の基礎側に設けられる基礎免震層と、前記建物の多層階を所定階数で区分されて形成された前記基礎側の主構造部、及び該主構造部の上側に形成されたＴＭＤ部の間に設けられる中間免震層と、を備え、前記基礎免震層と前記中間免震層を有する前記建物を等価な２質点モデルに置き換えて、減衰系に対するＨ∞最適化の近似解より剛性と減衰とを設定することにより、前記中間免震層の特性が設定され、かつ、想定入力地震動が１秒以下の短周期成分が卓越するような場合は２次モードを同調対象とし、前記想定入力地震動が１秒より長い長周期成分を多く含むような場合は１次モードを同調対象として応答加速度を抑制することにより、前記中間免震層の特性が設定されていることを特徴としている。

本発明では、建物の下部に設けられる基礎免震層と、主構造部及びＴＭＤ部の間に設けられる中間免震層とによって免震機構が多層免震化され、さらに建物の上層部がＴＭＤ部として利用されることにより、従来の基礎免震層のみの場合と比較して全体的に応答加速度を低減することができる。
また、本発明では、中間免震層より上層のＴＭＤ部は、応答加速度を抑えることができるので、地震の揺れによる行動への支障が少ない範囲まで応答を低減することが可能となる。さらに、中間免震層の変形も低減できるから、エレベータなどの貫通要素に対しては、適切にクリアランスをとることで対応することが可能となる。

また、本発明では、基礎免震層と、主構造部及びＴＭＤ部の間に設けられる中間免震層とによって免震機構が多層免震化される簡単な構造となることから、複数の単位構造物に区分した上下間に免震装置を介在させる場合に比べて、使用する免震装置を減らすことが可能となるので、メンテナンスにかかる手間や時間を低減させることができる。
また、本発明の多層免震構造物によれば、主構造部に対する質量比が１０％以上となる大容量化が可能となるので、従来のような中小地震を対象にしたＴＭＤを設置した建物に比べて大きな振動に対応することができる。
したがって、本発明では、長周期長時間地震動に対する超高層建物の応答について、建物の機能を維持しつつ、室内の被害を減少でき、さらに在館者に恐怖心を与えない程度に揺れを減少させることができる。

また、本発明の多層免震構造物では、前記基礎免震層は、積層ゴムからなる免震支承で構成されていてもよい。

この場合には、基礎免震層が積層ゴムからなる免震支承（ＬＲＢ）で構成されるから、容易に実施することができる。

そして、本発明に係る多層免震構造物は、前記中間免震層は、慣性質量ダンパを有していることを特徴とする。

この場合には、中間免震層が慣性質量ダンパを含んで構成されるから、質量比の調整を比較的容易に行うことができる。

本発明の多層免震構造物によれば、超高層建物に地震が発生したときに、効果的に応答加速度の低減を図ることができる。

本発明の一実施の形態による多層免震構造物を適用した建物の概略構成図である。２質点モデルを示す図である。（ａ）は主構造部とＴＭＤ部との質量比μが０．０５の場合の主構造部の加速度応答を示し、（ｂ）はその質量比μが０．０５の場合のＴＭＤ部の加速度応答を示す図である。（ａ）は主構造部とＴＭＤ部との質量比μが１．０の場合の主構造部の加速度応答を示し、（ｂ）はその質量比μが１．０の場合のＴＭＤ部の加速度応答を示す図である。多質点の解析モデルを示す図である。（ａ）はｈ＝５％の各入力地震動の加速度応答スペクトルを示す図、（ｂ）はｈ＝２０％の各入力地震動の加速度応答スペクトルを示す図である。（ａ）はＨ∞最適化の近似解による最適値の質量比による最適同調の変化図、（ｂ）は最適減衰の変化図である。（ａ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部とした場合で中間免震層より上部を無視した場合の固有モードを示す図、（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部とした場合で中間免震層より上部を無視した場合の固有モードを示す図である。（ａ）はＥＬＣＥＮＴＲＯＮＳ波５０ｃｍ／ｓの入力の場合で、２２Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答加速度を示す図、（ｂ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答変位を示す図である。（ａ）はＥＬＣＥＮＴＲＯＮＳ波５０ｃｍ／ｓの入力の場合で、１５Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答加速度を示す図、（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答変位を示す図である。（ａ）は告示波の入力の場合で、２２Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答加速度を示す図、（ｂ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答変位を示す図である。（ａ）は告示波入力の場合で、１５Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答加速度を示す図、（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答変位を示す図である。（ａ）は三の丸波入力の場合で、２２Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答加速度を示す図、（ｂ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答変位を示す図である。（ａ）は三の丸波入力の場合で、１５Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答加速度を示す図、（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部とする場合の最大応答変位を示す図である。

以下、本発明による多層免震構造物の一実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る多層免震構造物を適用した建物Ｂの概略構成図である。この建物Ｂは、いわゆる超高層建物からなり、ここでは２９階建てとして示されている。なお、説明及び図面では、「階」は「Ｆ」として示されている。

建物Ｂは、図示しない地中に打ち込まれた複数の杭の上端部に設けられている基礎コンクリート１及びその基礎コンクリート１上に打設されている捨コンクリート基礎層２上に設けられている。そして、この建物Ｂは、基礎コンクリート１側の所定階数分が主構造部１０とされ、その主構造部１０の上側の所定階数分がＴＭＤ部１１とされている。
主構造部１０の階数分とＴＭＤ部１１の階数分の例については詳しくは後述するが、ＴＭＤ部１１の容量が主構造部１０に対して１０％以上の大容量、かつ大質量となっている。つまり、従来の一般的なＴＭＤにおいて主構造に対する質量比が０．５〜１０％であるので、本実施の形態のＴＭＤ部１１は、従来のＴＭＤとは異なったＴＭＤをなしている。

基礎コンクリート１上の捨コンクリート基礎層２と主構造部１０との間には、基礎免震層２０が介在されている。基礎免震層２０は、ＬＲＢ（鉛プラグ入り積層ゴム支承）等の積層ゴム型免震支承等の周知の免震装置で構成されている。

主構造部１０とＴＭＤ部１１との間には、中間免震層３０が介在されている。中間免震層３０は、基礎免震層２０と同様の周知の免震装置を用いることができる。さらにここでは、中間免震層３０には慣性質量ダンパ（図示省略）が併用されている。慣性質量ダンパを用いることにより、質量比の調整を容易に行うことができる効果が得られる。
慣性質量ダンパとしては、回転錘、ボールネジ及びボールナットを含んで構成されるダイナミックスクリュー（登録商標）等の周知のものを用いることができる。

上述のように、建物Ｂに占めるＴＭＤ部１１の容量は、主構造部１０に対して大容量とされている。このことに関して、図２〜図４を用いてさらに説明する。
図２は、主構造部１０の質量をｍ_１、ＴＭＤ部１１の質量をｍ_２とした２質点モデルを示す図である。ここで、ｘは絶対変位、ａは加速度、Ｋは剛性、ｈは減衰定数、ｗは振動数を表している。なお、図３及び図４中のμは、質量比（ｍ_１／ｍ_２）を表している。

図３（ａ）は、主構造部１０とＴＭＤ部１１との質量比μが０．０５の場合の主構造部１０の加速度応答を示し、図３（ｂ）は、その質量比μが０．０５の場合のＴＭＤ部１１の加速度応答を示している。
そして、図４（ａ）は、主構造部１０とＴＭＤ部１１との質量比μが１．０の場合の主構造部１０の加速度応答を示し、図４（ｂ）は、その質量比μが１．０の場合のＴＭＤ部１１の加速度応答を示している。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、主構造部１０及びＴＭＤ部１１の加速度応答倍率は、質量比μが大きくなると低下することから、ＴＭＤ部１１の主構造部１０に対する質量比を十分に大きくとることで、ＴＭＤ部１１の応答も過大にはならない。そのため、ＴＭＤ部１１も建物として有効活用できることがいえる。

以上のように、建物Ｂは、下部を主構造部１０とし、その主構造部１０の上側が中間免震層３０を介在させて大容量、かつ大質量のＴＭＤ部１１としている。これにより、地震による建物Ｂの応答加速度を効果的に低減することが可能となる。
そして、中間免震層３０の特性を設定する際には、以下の（１）〜（５）の事項が考慮される。

（１）中間免震層３０より上層部（ＴＭＤ部１１）を無視した場合の基礎免震建物（主構造部１０）の１次モードまたは２次モード（免震層はせん断ひずみ１００％時の等価剛性）を同調対象とすること。
（２）基礎免震層２０と中間免震層３０を有する建物を等価な２質点モデルに置き換えて、減衰系に対するＨ∞最適化の近似解より中間免震層３０の剛性と減衰を設定すること。
（３）等価２質点モデルに置き換える際、下部質点の振動特性には、ＴＭＤ部１１の同調対象とする振動モードの特性を用いること。
（４）想定される入力地震動が、１秒以下の短周期成分が卓越するような地震動の場合、２次モードを同調対象とすることで建物全体の応答加速度を抑制できること。
（５）想定される入力地震動が、１秒より長い長周期成分を多く含むような地震動の場合、１次モードを同調対象とすることで建物全体の応答加速度を抑制できること。

以下、建物Ｂの上部を大質量、大容量のＴＭＤ部１１としたとき、地震による建物Ｂの応答加速度の低減が図れることの効果検証について、図５〜図１４を用いて説明する。この効果検証は、多質点モデルによる時刻歴応答解析により実施されている。

図５は、効果検証のための解析モデルであって、２９Ｆの建物Ｂに対応させて２９質点の多質点モデルとして示されている。ここにおける基本建物モデルは、建物ＢはＲＣ造の超高層免震モデル、２９質点曲げせん断モデルであり、せん断は武田モデルで曲げは線形であり、基礎固定時固有周期は１次モードで２．６３ｓｅｃ、２次モードで０．８２ｓｅｃであり、基礎免震層２０はＬＲＢ（１００％等価周期３．７５ｓｅｃ）である。

そして、中間免震層３０の設置位置とＴＭＤ部１１の同調条件をパラメータとして、表１に示される７つのケースの解析を実施した。

この表において、質量比は、（中間免震層３０より上部の質量）／（中間免震層３０より下部の質量）、振動数比は、建物Ｂ（多層免震構造物）を等価な２質点モデルに置き換えた場合の上部質点の下部質点に対する固有振動数の比を表している。

解析で用いる入力地震動は、異なる特徴を有する地震動としてエルセントロ（ＥＬＣＥＮＴＲＯＮＳ波）、告示波、名古屋三の丸波（以下、「三の丸波」）の三波が用いられている。図６（ａ）は、ｈ＝５％の各入力地震動の加速度応答スペクトル、図６（ｂ）は、ｈ＝２０％の各入力地震動の加速度応答スペクトルが示されている。図６（ａ）、（ｂ）は、周期（ｓｅｃ）と加速度（Ｇａｌ）の関係を示すスペクトルである。この加速度応答スペクトルからＥＬＣＥＮＴＲＯＮＳ波は１秒以下の短周期成分を多く含み、三の丸波は１秒以上の長周期成分を多く含み、そして告示波は、その中間的な特性で１秒前後に山が続いていることが確認された。

中間免震層３０の特性に関しては、基礎免震層２０と中間免震層３０を有する建物Ｂ（多層免震構造物）を等価な２質点モデルに置き換えて、減衰系に対するＨ∞最適化の近似解より中間免震層３０の剛性と減衰が設定される。最適値は、建物Ｂを等価２質点モデルに置き換えたときの下部の基礎免震建物（主構造部１０）の減衰と、中間免震層３０より上部の質量の下部の質量に対する比（質量比：ｍ_２／ｍ_１）により算出される。図７には、Ｈ∞最適化の近似解による最適値の質量比による変化が示されている。ここでは、下部の基礎免震建物の減衰定数を０．１５と設定して最適値が算出されていて、図７（ａ）には質量比に対する最適同調ｗ_２／ｗ_１が示され、図７（ｂ）には最適減衰ｈ_２ｏｐｔが示されている。

図８には、中間免震層３０より上部（ＴＭＤ部１１）を無視した場合の固有モードであって、刺激関数と高さ（ｍ）の関係を示している。図８（ａ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部１１とした場合、図８（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部１１とした場合を示している。

次に、各入力地震動による解析結果について説明する。
図９はＥＬＣＥＮＴＲＯＮＳ波５０ｃｍ／ｓ入力の場合で、図９（ａ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答加速度（Ｇａｌ）、図９（ｂ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答変位（ｃｍ）を示している。
また、図１０（ａ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答加速度（ｇａｌ）、図１０（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答変位（ｃｍ）を示している。

このＥＬＣＥＮＴＲＯＮＳ波５０ｃｍ／ｓ入力の場合は、同調なしや免震１次同調の場合、１次モードの影響により基礎免震層２０の直上と中間免震層２０の直下の加速度が大きいことが分かる。
また、免震２次同調により、中間免震層３０の下部の加速度も大きくならず、中間免震層３０の上部の加速度が免震のみよりも抑えられ、また、中間免震層３０の変位も小さいことが分かる。これにより、２次同調が効果的であることが確認された。

図１１は告示波Ｌ２入力の場合で、図１１（ａ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答加速度（Ｇａｌ）、図１１（ｂ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答変位（ｃｍ）を示している。
また、図１２（ａ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答加速度（Ｇａｌ）、図１２（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答変位（ｃｍ）を示している。

この告示波Ｌ２入力の場合は、免震１次同調、免震２次同調とも、免震のみや同調なしよりも加速度が抑えられていることが分かる。したがって、１次同調、２次同調とも効果的であることが分かる。

図１３は三の丸波入力の場合で、図１３（ａ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答加速度（Ｇａｌ）、図１３（ｂ）は２２Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答変位（ｃｍ）を示している。
また、図１４（ａ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答加速度（Ｇａｌ）、図１４（ｂ）は１５Ｆ以上をＴＭＤ部１１とする場合の最大応答変位（ｃｍ）を示している。

この三の丸波入力の場合は、免震２次同調は、免震のみによりも加速度を抑えられているが、その差は小さいことが分かる。また、免震１次同調は、中間免震層３０直下の加速度がやや上昇するが、その他の層は免震のみよりも加速度を抑えられていることが分かる。したがって、１次同調が効果的であることが分かる。

上述の解析結果から、想定される入力地震動や、建物用途から設定される目標性能により同調対象を設定することによって、効果的な応答低減を図ることが可能であることが分かる。すなわち、本実施の形態による建物Ｂは、その建物Ｂの下部の基礎部分に基礎免震層２０を設けるとともに、その建物Ｂを所定の層階で区分して形成された基礎側の主構造部１０及びその主構造部１０の上側のＴＭＤ部１１間に中間免震層３０を設けているので、免震機構が多層免震化され、さらに建物Ｂの上層部のＴＭＤ部１１としての利用により、基礎免震層２０のみの場合と比較して全体的に応答加速度を低減することができる。

また、中間免震層３０より上層は、応答加速度が１００Ｇａｌ以下に抑えられるので、地震の揺れによる行動への支障が少ない範囲まで応答を低減することが可能となる。さらに、中間免震層３０の変形も１０〜３０ｃｍ程度であるから、エレベータなどの貫通要素に対しては、適切にクリアランスをとることで対応することが可能となる。

また、本実施の形態では、基礎免震層２０と、主構造部１０及びＴＭＤ部１１の間に設けられる中間免震層３０とによって免震機構が多層免震化される簡単な構造となることから、複数の単位構造物に区分した上下間に免震装置を介在させる場合に比べて、使用する免震装置を減らすことが可能となるので、メンテナンスにかかる手間や時間を低減させることができる。

また、本実施の形態の多層免震構造物からなる建物Ｂによれば、主構造部１０に対する質量比が１０％以上となる大容量化が可能となるので、従来のような中小地震を対象にしたＴＭＤを設置した建物に比べて大きな振動に対応することができる。
したがって、本実施の形態では、長周期長時間地震動に対する超高層建物の応答について、建物Ｂの機能を維持しつつ、室内の被害を減少でき、さらに在館者に恐怖心を与えない程度に揺れを減少させることができる。

このように本実施の形態の多層免震構造物によれば、超高層建物に地震が発生したときに、効果的に応答加速度の低減を図ることができる。

以上、本発明による多層免震構造物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。

Ｂ建物（多層免震構造物）
１基礎コンクリート
２捨コンクリート基礎層
１０主構造部
１１ＴＭＤ部
２０基礎免震層
３０中間免震層

Claims

多層階に形成される建物に用いられる多層免震構造物であって、
前記建物の下部の基礎側に設けられる基礎免震層と、
前記建物の多層階を所定階数で区分されて形成された前記基礎側の主構造部、及び該主構造部の上側に形成されたＴＭＤ部の間に設けられる中間免震層と、
を備え、
前記基礎免震層と前記中間免震層を有する前記建物を等価な２質点モデルに置き換えて、減衰系に対するＨ∞最適化の近似解より剛性と減衰とを設定することにより、前記中間免震層の特性が設定され、
かつ、想定入力地震動が１秒以下の短周期成分が卓越するような場合は２次モードを同調対象とし、前記想定入力地震動が１秒より長い長周期成分を多く含むような場合は１次モードを同調対象として応答加速度を抑制することにより、前記中間免震層の特性が設定されていることを特徴とする多層免震構造物。
前記基礎免震層は、積層ゴムからなる免震支承で構成されることを特徴とする請求項１に記載の多層免震構造物。
前記中間免震層は、慣性質量ダンパを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の多層免震構造物。