JP6979805B2 - 免震構造物 - Google Patents

Description

本発明は、免震構造物に関する。

免震構造は、固有周期を長周期化することによる地震動入力の低減と、免震層に変形を集中させて地震エネルギーの効率的な吸収を両立するシステムであり、近年、このような免震構造を備えた免震構造物は、庁舎や病院、本社機能を有する拠点施設だけでなく、オフィスビルや集合住宅、学校建築など、用途を問わず採用されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特開２００９−０１９４７９号公報 特開平１１−２４１５２４号公報 特開２００２−２６６５１７号公報

一方、東北地方太平洋沖地震を契機に、様々な地震動を想定し、従来よりもレベルの大きな地震動を考慮して構造物を設計することが求められ、これに伴い、免震層変位が想定よりも過大になる場合を考慮する必要性が生じている。

すなわち、地震対策や事業継続に対する社会的ニーズが飛躍的に高まり、一般の建築物に対しても免震／制震技術が積極的に採用され、防災拠点施設や都心の超高層建物においては従来よりも高耐震の構造性能が求められている。

しかしながら、免震構造は建物全体の耐震性能が免震層によって決定づけられているため、高耐震化の手法として免震層に何らかの対応を施すことが第一に考えられるが、高い余裕度を求めて免震クリアランスを大きくする対策は床面積の減少に直結し、建築計画的な犠牲が大きい。また、最大級の地震を考慮し、免震層変位を抑えるべく免震層剛性を高めたり、ダンパーを大量に設置し高減衰化すると、かえって上部構造の加速度が大きくなり、免震効果が低減してしまう。

本発明は、上記事情に鑑み、より高性能な免震性能を備え、より大きな地震動に対応可能な免震構造物を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の免震構造物は、コア部と、該コア部に隣接する建物主要部とを備えるとともに、前記コア部と前記建物主要部の少なくとも前記建物主要部の下部に設けられた基礎免震層と、前記建物主要部の中間部に設けられた中間免震層とからなる複層免震構造、及び前記コア部と、前記建物主要部とを制振装置で連結してなる連結制振構造を備えて構成されていることを特徴とする。

また、本発明の免震構造物においては、前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が一体形成され、前記中間免震層より下層の前記コア部と前記建物主要部が前記制振装置で連結され、且つ前記コア部の下部が基礎免震層であることが望ましい。

本発明の免震構造物においては、前記中間免震層より下層の前記コア部と前記建物主要部が一体形成され、前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が前記制振装置で連結されていてもよい。

本発明の免震構造物においては、前記コア部と前記建物主要部がそれぞれ独立して立設され、前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が前記制振装置で連結されていてもよい。

本発明の免震構造物は、コア部と、該コア部に隣接する物主要部とを備えるとともに、前記コア部と前記建物主要部の少なくとも前記建物主要部の下部に設けられた基礎免震層と、前記建物主要部の中間部に設けられた中間免震層とからなる複層免震構造を備え、前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が一体形成され、且つ前記中間免震層に制震装置を設けて構成されていることを特徴とする。

また、本発明の免震構造物においては、前記中間免震層及び前記基礎免震層に設置する免震層剛性ｋと減衰ｃの諸元を、下記の式（１）から式（４）を満たすように設定することが望ましい。

ここで、Ｍ_Ａが中間免震層よりも上方の上部構造物の質量、Ｍ_Ｂが下部構造物の質量であり、ｋ_１、ｋ_２はそれぞれ基礎免震層と中間層免震層の免震層剛性、ｋ_３はコアウォール下の層剛性であり、ｃ_１、ｃ_３はそれぞれ基礎免震層とコア下部支承部分に設置する減衰、ｃ_２は中間層免震層のみではなく、コアウォールと下部構造物を連結する連結制震の減衰を含み、固有ベクトル｛ｒ_１，ｒ_２｝は、最大値を１として基準化した上部構造物と下部構造物の質点の固有ベクトルである。

本発明の免震構造物においては、複層免震化によって超長周期化を実現でき、従来の免震構造物と比較して応答加速度を半減することができる。また、剛強なコアによる上部架構の高剛性化によって頂部加速度の増大（むちふり応答）を抑制することが可能になる。さらに、コア下部の制震部材に変形を効果的に集中させることで、単純な複層免震を超える制震効果を発揮させ、加速度低減効果と変位抑制効果を大幅に向上することができる。

よって、本発明の免震構造物によれば、より高性能な免震性能を備え、より大きな地震動に対応することが可能になる。

本発明の第１実施形態（及び第３実施形態）に係る免震構造物を示す図であり、（ａ）が縦断面図、（ｂ）が平断面図（（ａ）のＸ１−Ｘ１線矢視図）である。 時刻歴応答解析で用いた振動モデルを示す図である。 第１実施形態における時刻歴応答解析の結果を示す図である。 第１実施形態における時刻歴応答解析の結果を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る免震構造物の変位−加速度関係の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る免震構造物を示す図である。 時刻歴応答解析で用いた振動モデルを示す図である。 第２実施形態における時刻歴応答解析の結果を示す図である。 第２実施形態における時刻歴応答解析の結果を示す図である。 第２実施形態における時刻歴応答解析の結果を示す図である。 第３実施形態の免震構造物の解析モデルと各諸元の定義を示す図である。 第３実施形態の免震構造物の解析モデルと１次の振動モードの一例を示す図である。 μ＝１．０のときのαとβの関係を示すとともに、本発明の免震構造物の好適な適用範囲を示す図である。 μ＝０．５のときのαとβの関係を示すとともに、本発明の免震構造物の好適な適用範囲を示す図である。 解析で用いた（ａ）従来の免震構造物と、（ｂ）従来の複層免震構造物と、（ｃ）本発明の免震構造物を示す図である。 比較条件（１）で行った解析結果を示す図である。 比較条件（２）で行った解析結果を示す図である。 比較条件（３）で行った解析結果を示す図である。 入力地震動の疑似速度応答スペクトルを示す図である。 比較条件（１）で行った解析結果（ａ）〜（ｅ）、及び各入力地震動の入力加速度（ｆ）を示す図である。 （ａ）従来の免震構造物と、（ｂ）従来の複層免震構造物と、（ｃ）本発明の免震構造物の多質点系解析モデルを示す図である。 ２質点系に集約した諸元についての設計パラメータμ、α、β、γを示す図である。 解析結果を示す図であり、最大応答加速度分布を示す図である。 解析結果を示す図であり、最大層間変形角分布を示す図である。 解析結果を示す図であり、免震層の変形量を示す図である。

以下、図１から図５を参照し、本発明の第１実施形態に係る免震構造物について説明する。

本実施形態の免震構造物は、剛強なコアを複数の免震層を有する複層免震建物の内部に貫通させ、相互を制震装置で連結した複層連結免震構造とし、従来の免震構造では不可能な超長周期化による加速度低減を実現しながらクリアランスやコア下部に設置した連結制震が単なる複層免震では不可能な制震効果を発揮して変位制御を両立するように構成されている。

具体的に、本実施形態の免震構造物Ａは、免震建物であり、図１に示すように、建物中央にコアウォールを備えてなる平面視方形状で最下層から最上層まで上下方向に連続的に延設された剛強なコア部（建物中央部）１と、コア部１に隣接し、コア部１を囲繞するように配設されて建物周囲を形成する建物主要部（建物周囲部）２とを備えている。なお、図１では、コア部１が中央コアとしているが、偏心コアや両端コアを備えた構造物であっても勿論構わない。

コア部１と建物主要部２はそれぞれ下部に基礎免震層３を備えており、この基礎免震層３には任意の免震支承（免震装置）と減衰装置が設けられている。例えば、免震支承としては積層ゴム、すべり支承、リニアスライダーのいずれか、もしくは複数を併用し、減衰装置としてはオイルダンパー、鉛ダンパー（積層ゴムに内包するＬＲＢを含む)、鋼材ダンパー、摩擦ダンパーのいずれか、もしくは複数を併用できる。

さらに、本実施形態の免震構造物Ａは所定の階層に中間免震層４を備えており、中間免震層４よりも上層はコア部１と建物主要部２が一体形成され、中間免震層４から下層は建物主要部２がコア部１との間に所定の空間を設け、それぞれ独立して立設するように形成されている。中間免震層４には基礎免震層３と同様に任意の免震支承（免震装置）が設けられ、この免震支承によって中間免震層４を境に上層の建物主要部２が支持されている。

また、中間免震層４よりも下層のそれぞれ独立して立設された建物主要部２とコア部１は、制振装置（連結ダンパー、減衰要素）５を介して連結されている。なお、制振装置５としてバネ要素と減衰要素を適用してもよく、この場合には、コア部１と建物主要部２（コア部１と建物主要部２の相互）をＴＭＤの錘要素のように機能させることも可能になる。

そして、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、基礎免震層３と中間免震層４を有する複層免震構造としたことで、固有周期の超長周期化を実現することができる。

また、剛強なコア部１を建物全層にわたって貫通させ、構造的、機能的な心棒とし、さらに中間免震層４よりも下層の建物主要部２（基壇架構）とコア部１を接続した連結制震構造としたことによって、応答制御を効率的に行うことが可能になる。

さらに、コア部１を免震層３で支持することで、地震時に免震層３に設置した減衰装置を積極的に変形させてエネルギー吸収を効率化することが可能になる。なお、中間免震層４の位置は用途の境界等の建築計画的な観点から自由に決定できる。

また、上記のように構成することによって、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、加速度−変位の関係における従来のコア付き免震、複層免震の対象領域以外の領域の免震性能を担うことが可能になる。

ここで、本実施形態の免震構造物Ａの効果を検証するために、本実施形態の免震構造物Ａの振動モデルを用いて時刻歴応答解析による検討（シミュレーション）を行った。また、比較のため、複層免震構造と、コアを有する中間層免震モデルについても応答解析を実施した。

まず、解析モデルを次のように設定した。
図２（ａ）は、建物内に２層の免震層を持つ複層免震モデルであり、図２（ｂ）は、コアを有する中間層免震構造を模擬したモデルである。図２（ｃ）は、本実施形態の免震構造物Ａであり、コアを有する複層免震モデルである。

また、建物主要部は３０質点のせん断モデルであり、コア部は３０質点の曲げせん断モデルである。建物主要部は、免震層以外はＳ造を想定した線形特性を用いている。コア部はＲＣ造を想定した曲げとせん断の線形特性を用いている。

各々のモデルは、基礎免震層、中間免震層を有し、図２（ｂ）、図２（ｃ）のモデルは、中間免震層より上層の建物主要部とコア部を剛梁で剛結している。また、図２（ｃ）の本実施形態の免震構造物Ａのモデルにおいては、中間免震層より下層の建物主要部とコア部をダンパーで連結している。

表１は、上記の解析で使用した各振動モデルの諸元を示している。
この表１に示す通り、図２（ｂ）のコア付き免震の免震層は、複層免震の基礎免震層剛性と減衰を建物主要部とコア部の質量比に応じて分配した。図２（ｃ）のコア付き複層免震の連結ダンパーは、基礎免震層の上の１〜４層に１．０Ｅ＋０７ｋＮ／（ｍ／ｓ）ずつ設置した。また、コア付き複層免震のダンパー総量は、連結ダンパーも含めて複層免震のダンパー総量と同量である。

そして、表１に示した通り、まず、免震ありの固有周期を３つのモデルで比較すると、コア付き免震モデルは５．０５秒と、一般的な免震建物の固有周期と同等であるが、複層免震およびコア付き複層免震は、それぞれ７．１４秒、６．０８秒と、一般的な免震建物よりも長く、複層免震によって超長周期化が実現できることが確認された。

次に、時刻歴応答解析には、ＥＬ ＣＥＮＴＲＯ、告示ＫＯＢＥ、ＯＳ２を入力地震動として用いた。
ＥＬ ＣＥＮＴＲＯは、１秒以下の周期帯の加速度応答が大きく、告示ＫＯＢＥは１秒以下から長周期領域にかけてフラットな速度応答スペクトルをもつのが特徴である。ＯＳ２は、５〜８秒という長周期領域で大きな速度応答スペクトルを示すのが特徴である。

図３にＥＬ ＣＥＮＴＲＯを入力地震動としたときの時刻歴応答解析結果の建物主要部とコア部の加速度、変位、層間変形角の最大値分布を示す。
なお、告示ＫＯＢＥ、ＯＳ２を入力地震動とした場合もほぼ同様の傾向を示している。

まず、加速度応答について評価すると、コア付き免震は、建物主要部の中間免震層より上層、及びコア部は一般的な免震構造と同等の加速度低減効果が得られているが、下層部分は耐震であることから応答加速度を低減できない。

複層免震とコア付き複層免震の建物主要部は、複層免震による超長周期化により、全層にわたって大きな加速度低減効果が得られている。

ただし、複層免震は中間免震層直下と建物頂部の加速度が増幅する傾向にあり、ＥＬ ＣＥＮＴＲＯ（と告示ＫＯＢＥ）入力の場合に１００Ｇａｌを超える層があるが、コア付き複層免震は、連結制振とコアの効果により中間免震層直下と建物頂部の加速度増幅を抑制でき、全層でおおよそ１００Ｇａｌ以下を実現できる。

次に、応答変位を評価すると、コア付き複層免震の基礎および中間の免震層変位は、複層免震の各免震層変位よりも小さく抑えられ、最も応答変位の大きいＯＳ２においては、複層免震に対して頂部の最大変位を３０％以上低減することが確認された。複層免震モデルとコア付き複層免震モデルのダンパー総量は同じであることから、コア付き複層免震の方がダンパーの制震効果を効率的に発揮させ、加速度低減と変位制御の両立に寄与していることが確認された。

図４に、コア付き免震とコア付き複層免震の各解析ケースにおける建物主要部とコア部の棟間の変位の最大値分布を示す。どのケースにおいても、コア付き複層免震の方が棟間変位を小さく抑えられている。その変位は１３０ｍｍ〜３５０ｍｍであることから、連結ダンパーのストロークとしては４００ｍｍ程度を確保すればよく、既存の免震用のダンパーで対応可能である。

以上より、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、複層免震化による大幅な加速度応答の低減と、連結制震による免震層の変位制御を両立できる効果的な構造を実現できることが実証された。

したがって、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、複層免震化によって超長周期化を実現でき、従来の免震構造物と比較して応答加速度を半減することができる。また、剛強なコア部１による上部架構の高剛性化によって頂部加速度の増大（むちふり応答）を抑制することが可能になる。さらに、中間免震層４よりも下層のコア部１と建物主要部２を減衰装置で連結した連結制震によって、単純な複層免震を超える加速度低減効果と変位抑制効果の両立を実現することが可能になる。

また、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、コア下部のダンパーが高層階の地震エネルギーを吸収し、構造物全体の変位を効率的に低減することができる。複層免震化により、免震層の変形が分散されるため、従来の免震構造物に比べて免震層の最大応答変位を低減することが可能になる。免震層変位を抑制できるため、耐震余裕度が向上し、最大級の設計用地震動に対応することが可能になる。

さらに、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、ダンパーの設置箇所が基礎免震層３、中間免震層４、連結部（連結ダンパー部）、コア下部の４か所で計画でき、任意の制震装置、台数を組み合わせることが可能である。このため、制震システムとしての選択肢が多く、要求性能に応じたチューニングが可能になる。すなわち、加速度低減重視、変位制御重視、両者のバランス等、設計者が適宜選択、判断することが可能になる。

また、ダンパーの設置可能な場所が多く、これに伴い、従来の免震構造や複層免震構造に比べて構造物全体の減衰性能を大幅に向上できる。

さらに、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、複層免震化により建物主要部２の居室に作用する地震力が低減され、水平力の大部分をコア部１が負担する構造を実現できる。このため、柱、梁のスリム化やロングスパン化による建築計画の自由度向上が可能になる。

また、複層免震でありながらコア部１は高さ方向に建物を貫いているため、エレベーターや設備等の縦シャフトが免震層に分断されない計画が可能になる。さらに、高層階でコア部１が居室がある建物主要部２と一体になっているため、連結制震によって基準階のレンタブル比が低下しない計画が可能になる。

また、各免震層の剛性バランスを調整し変形を制御することで、建物外周に必要な免震クリアランスを一般免震に対して半減させ、敷地の有効活用も可能になる。

また、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、想定を上回る地震動が入力され、免震層の変位が増大した場合でも、建物を貫くコア部１が芯棒として機能することで上部構造物と基壇構造物が相互に脱落しない。これにより、信頼性が高く安全な複層免震構造を実現できる。

よって、本実施形態の免震構造物Ａによれば、より高性能な免震性能を備え、より大きな地震動に対応することが可能になる。

また、本実施形態の免震構造物Ａによれば、図５に示すように、従来のコア付き免震（図２（ｂ）参照）、従来の複層免震（図２（ａ）参照）と異なる変位−加速度領域の免震性能を付与することが可能になる。

以上、本発明に係る免震構造物の第１実施形態について説明したが、本発明は上記の第１実施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、本実施形態と同様、所定の階層に中間免震層４を備え、中間免震層４よりも上層はコア部１と建物主要部２を一体形成し、中間免震層４から下層の建物主要部２とコア部１の間に所定の空間を設けた場合に、必ずしも本実施形態のように中間免震層４よりも下層の建物主要部２とコア部１を制振装置（連結ダンパー、減衰要素）５で連結しなくてもよい。この場合には、例えば、中間免震層４に任意の免震支承（免震装置）とともに制震装置５を中間免震層４に設けることにより（ダンパーを中間免震層４に集中配置することにより）、本実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である。

次に、図６から図１０を参照し、本発明の第２実施形態に係る免震構造物について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の免震構造物Ｂは、免震建物であり、図６（ａ）に示すように、それぞれ自立したコア部（建物中央部、一方の免震構造体）１と、コア部１に隣接し、コア部１を囲繞するように配設された建物主要部（他方の免震構造体）２を備えている。なお、コア部１が中央コアとしているが、偏心コアや両端コアを備えた構造物であっても勿論構わない。

また、建物主要部２は下部に基礎免震層３を備えており、この基礎免震層３には任意の免震支承（免震装置）と減衰装置が設けられている。第１実施形態と同様、例えば、免震支承としては積層ゴム、すべり支承、リニアスライダーのいずれか、もしくは複数を併用し、減衰装置としてはオイルダンパー、鉛ダンパー（積層ゴムに内包するＬＲＢを含む)、鋼材ダンパー、摩擦ダンパーのいずれか、もしくは複数を併用する。

さらに、コア部１と独立して立設された建物主要部２には、所定の階層に中間免震層４が設けられている。この中間免震層４には基礎免震層３と同様に任意の免震支承（免震装置）が設けられ、免震支承によって中間免震層４を境に上層の建物主要部が支持されている。

さらに、中間免震層４よりも上層で、それぞれ独立して立設された建物主要部２とコア部１が制振装置（連結ダンパー、減衰要素）５を介して連結されている。なお、制振装置５としてバネ要素と減衰要素を適用してもよく、この場合には、コア部１と建物主要部２（コア部１と建物主要部２の相互）をＴＭＤの錘要素のように機能させることも可能になる。

なお、本実施形態の免震構造物Ｂにおいては、図６（ｂ）に示すように、中間免震層４よりも下層のコア部１と建物主要部２を一体形成し、コア部１と建物主要部２の下部に基礎免震層３を設けるようにしてもよい。

上記のように構成した本実施形態の免震構造物Ｂにおいては、通常の免震建物と比較し、建物主要部２の免震層の応答加速度の増加を抑えながら応答変位を低減させることが可能になる。

すなわち、本実施形態の免震構造物Ｂにおいては、建物の基礎部と中間部に免震層を設けて複層免震構造とし、さらに異なる振動特性を持つ建物主要部２とコア部１を連結する連結制震構造を備えるようにしたことで、コア部１と建物主要部２の両者の地震時応答を効果的に低減させることが可能になる。

なお、図６（ａ）のようにコア部１を耐震構造とする場合、建物主要部２は建物の基礎部と中間部に免震層を設け、コア部１と建物主要部２を任意の高さ位置でダンパーにより連結すればよい。

一方、図６（ｂ）のようにコア部１を基礎免震構造とする場合、建物主要部２はコア部１の基壇架構上の中間免震層４に支持された免震構造とし、コア部１と建物主要部２をダンパー５で連結する。このとき、ダンパー５の高さ方向の連結位置は、中間免震層４より上層の任意の位置とする。

また、加速度応答を効果的に低減させるため、中間免震層４は建物の中層から低層に設けることが望ましい。

ここで、本実施形態の免震構造物Ａの効果を検証するために、図７に示す本実施形態の免震構造物Ｂの振動モデルを用いて時刻歴応答解析による検討（シミュレーション）を行った。

まず、解析モデルを次のように設定した。
図７に示すように、建物主要部２は３０質点のせん断モデルであり、コア部１は３０質点の曲げせん断モデルである。建物主要部２は最下層と７層目に免震層を持つ複層免震であり免震層以外はＳ造を想定した線形特性を備えるものとした。

コア部１は基礎固定の耐震構造であり、各層はＲＣ造を想定した曲げとせん断の線形特性を備えるものとした。

表２に、解析に使用した振動モデルの諸元を示す。
連結ダンパー５を中間免震層４の直上層に設置した。また、連結ダンパー５を中間免震層４の直上層及び２０階に設置した。連結用のダンパー５は、１台あたり１０００ｋＮ／（ｍ／ｓ）の減衰係数の線形オイルダンパーとした。

時刻歴応答解析には、１秒以下から長周期領域にかけて略フラットな速度応答スペクトルをもつ入力地震動を使用した。

図８に、免震層直上層に連結ダンパー５を設置した場合の最大応答値分布を示す。
図中、「連結なし」は建物主要部２とコア部１を連結するダンパー５がないケース、「ＯＤ連結(１０台)」は１０台のオイルダンパー５で連結したケース、「ＯＤ連結（２０台）」は２０台のオイルダンパー５で連結したケースである。

まず「連結なし」の場合、建物主要部２の加速度は複層免震の効果により最大応答加速度が１００Ｇａｌ以下に低減しており、従来の免震構造を超える加速度低減効果が確認された。基礎、中間部の免震層の最大変位は各々３０〜４０ｃｍ程度であり、従来の免震構造とさほど変わらない大きさであった。

さらに、「ＯＤ連結（１０台）」、「ＯＤ連結（２０台）」のように建物主要部２とコア部１をダンパー５で連結すると、加速度応答をほとんど上昇させず、基礎及び中間部の免震層変位が大幅に低減することが確認された。これは、免震層の余裕度が大幅に向上したことを意味する。また、コア部１についてもダンパー５で連結することで各応答値が低減されている。

図９に、免震層直上層及び２０階に連結ダンパー５を設置した場合の最大応答値分布を示す。
図中、「連結なし」は建物主要部２とコア部１を連結するダンパー５がないケース、「ＯＤ連結（１０台＋１０台）」は中間免震層直上で１０台、２０階で１０台の計２０台のオイルダンパー５によって連結したケースである。

図８と同様に、連結ダンパー５の設置により加速度をほとんど上昇させずに基礎及び中間部の免震層変位を抑制できることが確認され、コア部１の応答低減効果も確認された。建物頂部の地表に対する相対変位は、建物主要部２、コア部１ともに半減しており、高い変形抑制効果が確認された。また、「ＯＤ連結（１０台＋１０台）」は、図８に示す「ＯＤ連結（２０台）」のケースとほぼ同等の応答低減効果となった。

これにより、連結ダンパー５の高さ方向の設置位置は任意に設定でき、ダンパー量が同量であれば、設置位置に関わらず同等の応答低減効果が得られ、建築計画に合わせてダンパー５を任意に配置できることが確認された。

図１０に、図８、図９の解析ケースにおける建物主要部２とコア部１の棟間の変位の最大値分布を示す。図１０（ａ）の中間免震層直上の棟間変位が約４０ｃｍ、図１０（ｂ）の中間免震層より上の変位も約４０ｃｍであった。これにより、ダンパー５のストロークは４０ｃｍ程度であり、既存の免震用のダンパーで十分に対応できることが確認された。

以上より、本実施形態の免震構造物は、複層免震化による大幅な加速度応答の低減と、連結制震による免震層の変位制御を両立できることが実証された。

したがって、本実施形態の免震構造物Ｂにおいては、複層免震化によって超長周期化を実現でき、従来の免震構造物と比較して応答加速度を半減することができる。また、コア部１との連結制震により高層部の応答制御が可能であり、建物主要部２の剛性が小さい場合でもむち振り応答を低減できる。

また、複層免震化により、免震層の変形が分散されるため、従来の免震に比べて免震層の最大応答変位を低減することが可能になる。さらに、連結制震により、応答加速度を抑制したまま免震層の変形を大幅に低減できる。

また、ダンパー５の設置箇所が基礎免震層３、中間免震層４、連結部の３か所で計画でき、任意の制震装置を組み合わせることが可能であるため、制震システムとしての選択肢が多い。

ダンパー５の設置可能場所が多く、従来の免震構造や複層免震構造に比べて構造物全体の減衰性能を大幅に向上できる。

さらに、建物主要部２は複層免震化により地震力が低減され、水平力は連結制震を介してコア部１に負担させることができる。このため、柱、梁のスリム化やロングスパン化による建築計画の自由度向上が可能になる。

また、複層免震でありながらコア部１は高さ方向に建物を貫いているため、エレベーターや設備等の縦シャフトが免震層に分断されない計画が可能になる。

連結制震により免震層変位を制御し、免震クリアランスを小さく抑える計画も可能になる。

想定を上回る地震動が入力され、免震層の変位が増大した場合でも、建物を貫くコア部１がストッパー機能を果たし、上部構造物が脱落しない機構となっているため、信頼性が高く安全な複層免震構造を実現できる。

よって、本実施形態の免震構造物Ｂによれば、より高性能な免震性能を備え、より大きな地震動に対応することが可能になる。

以上、本発明に係る免震構造物の第２実施形態について説明したが、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、第１実施形態を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

次に、図１、図１１から図２５を参照し、本発明の第３実施形態に係る免震構造物について説明する。なお、本実施形態では、第１、第２実施形態と同様の構成に対して同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

はじめに、本実施形態では、ｉ）免震層変位を従来の免震構造と同等に抑えつつ、従来の免震構造では達成できなかった大幅な加速度低減を実現できるようにし、且つ、ｉｉ）複数の免震層を有する複層免震構造と同等の加速度低減効果を持ちながら、従来の複層免震では達成できなかった大幅な免震層の変位抑制を実現できるようにするための各免震層剛性や設置する減衰量など、最適な免震諸元の適用範囲について説明を行う。

具体的に、本実施形態では、図１（ａ）、図１（ｂ）に示した免震構造物Ａ（第１実施形態と同様の免震構造物Ａ）を一例として説明を行う。なお、図１では、コア部１が中央コアとしているが、偏心コアや両端コアを備えた構造物であっても勿論構わない。

そして、図１に示した免震構造物Ａに対して、下記の１）〜５）の事項を実現できる免震諸元の適用範囲を設定する手法を以下に説明する。

（１） 基礎免震と中間層免震を有する複層免震構造とし、固有周期の超長周期化を実現する。
（２） 剛強なコアウォールを建物全層にわたって貫通させ、構造的・機能的な心棒としている（一般的な複層免震ではコアウォールは中間免震層で分断されている）。
（３） 基壇架構とコアウォールを接続した連結制震構造とし、応答制御を効率的に行う。
（４） コアウォール下も免震層で支持し、これを積極的に変形させてエネルギー吸収を効率化する。
（５） 中間層免震の位置は、用途の境界等の建築計画的な観点から決定できる。

ここで、図１の振動モデルは図１１のように表すことができる。
Ｍ_Ａが中間免震層４よりも上方の上部構造物の質量、Ｍ_Ｂが下部構造物の質量であり、ｋ_１、ｋ_２はそれぞれ基礎免震層３と中間層免震層４の免震層剛性、ｋ_３はコアウォール下の免震層剛性である。免震層３の剛性に比して一般部の層剛性は桁違いに大きいので、上部・下部とも層剛性を∞の剛体とする（但し、建物剛性を含めた多質点系の検討についても後述する）。また、ｃ_１、ｃ_３はそれぞれ基礎免震層３とコア下部支承部分に設置する減衰である。ｃ_２は中間層免震層４のみではなく、コアウォールと下部構造物を連結する連結制震の減衰も含んでいる。図１１中の固有ベクトル｛ｒ_１，ｒ_２｝は、最大値を１として基準化した質点Ａと質点Ｂの固有ベクトルである。

これらに関して、応答低減効果が見込める適用範囲を以下に示す。

そして、本実施形態では、免震層３に設置する諸元の適用範囲を下記の式（５）〜式（８）のように設定する。

そして、本実施形態では、の複層連結の免震構造物Ａに対し、免震層３、４に設置する支承とダンパーの諸元（ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３とｃ_１、ｃ_２、ｃ_３の諸元）の適用範囲、すなわち、応答低減効果が見込める適用範囲を下記の式（５）、式（６）、式（７）、式（８）のように設定する。ここで、各諸元の単位は質量Ｍ（ｔ）、剛性ｋ（ｋＮ／ｍ）、減衰ｃ（ｋＮ／ｃｍ／ｓ）である。

次に、最適範囲を導出するために、まず非減衰振動時における固有値問題（式（９））より、式（１０）、式（１１）を導出する。

そして、式（１０）、式（１１）、α、βを用いて、式（１２）、式（１３）を導き出す。

次に、式（１２）、式（１３）から式（１４）を求め、さらに、αを用いると、式（１４）は式（１５）となる。

ここで、図１２に本実施形態の免震構造物Ａの１次の振動モード例を示す。
図１２（ｂ）は上下の免震層３、４の変位を揃えた場合の振動モードであり、図１２（ｃ）は下部の免震層３の剛性を比較的柔らかくすることで、下部の免震層３の変位を大きくした場合の振動モードである。

事前の解析から、本実施形態の免震構造物Ａはコア部１の下にも免震層３を設けているため、免震層３の剛性を比較的柔らかくして減衰を付加し、下層部でエネルギーを吸収させることにより、中間免震層４より下方の下部構造の加速度応答値を増加させることなく建物応答の低減効果を高めることが可能である。

この事前解析結果より、γの上限値は理想的には２．５〜３．０以下とすることが望ましいが、免震装置（例えば積層ゴム）のばらつきを考慮し、１．０＜γ＜４．０と適用範囲を設定した。

なお、実設計では、１）建物の１次固有周期を決定し、２）建築計画において上層部と下層部の質量比（μ）が決定される。つまり、ω_１とμが既知となることが多い。

ここで、図１３、図１４は、式（１４）に既知であるμを代入し、事前解析より設定したγの上下限の範囲内でαとβの関係を求めた結果を示している。図１３はμ＝１．０、図１４はμ＝０．５の場合を示している。なお、μには制約を設定していない。

図１３で示した範囲内が応答低減効果を見込められる適用範囲であり、求めるｋ_１、ｋ_２、ｋ_３の剛性比である。

次に、ｃ_１〜ｃ_３の粘性減衰量に関する適用範囲を示す。
ｃ_１、ｃ_２の上限値は剛性比例型の減衰として全体の２次の固有周期に対して過減衰にならないように１００％未満とする。また、ｃ_１の下限値は事前解析結果より１次の固有周期に対して５％以上とした。ｃ_２は事前解析では減衰量０の場合でも本実施形態の免震構造物Ａの応答低減効果は確認されたため、０以上とした。

これをまとめると、式（１６）で表され、この式（１６）から式（１７）が求まる。ここで、_ｋ１ｈ_２は２次の減衰定数である。

同様に、式（１８）から式（１９）が求まる。ここで、_ｋ２ｈ_２は２次の減衰定数である。

ｃ_３については、必ず減衰を付加するという条件であり、式（２０）となる。

なお、上記の範囲は粘性減衰の適用範囲であり、摩擦ダンパーやＬＲＢなどの履歴系ダンパーに関しては範囲無く付加可能である。

次に、上記の諸元の範囲における応答低減効果を確認した結果について説明する。

＜応答倍率曲線＞
はじめに、図１５（ａ）は従来の免震構造物、図１５（ｂ）は従来の単純な複層免震構造物、図１５（ｃ）は本発明に係る免震構造物の概略的な架構図を示す。

このうち従来の複層免震構造物と本発明に係る免震構造物について、以下に示す（１）〜（３）の比較条件のもと、質点Ａと質点Ｂのそれぞれの変位の応答倍率曲線、及び加速度の応答倍率曲線について比較を行った（図１６〜図１８）。

表３に設定した解析モデルの諸元を示す。
このとき、複層免震（１）〜（３）の諸元はρ（＝Ｔ_Ａ／Ｔ_Ｂ）＝１．０となるように剛性ｋを決定し、減衰ｃは剛性比例で付与した。

一方、本発明に係る免震構造物の例（１）〜（３）は固有ベクトル比γが１．０＜γ＜４．０を満足する剛性比αで剛性ｋを与え、減衰ｃも適用範囲を満足させた上で減衰係数の総和が複層免震のそれと等しくなるようにして、ｃ_３の減衰を設定した。

比較条件（１）：周期（Ｔ）＝７秒 質量比（μ）＝１．０
比較条件（２）：周期（Ｔ）＝７秒 質量比（μ）＝０．５
比較条件（３）：周期（Ｔ）＝６秒 質量比（μ）＝１．０

図１６〜図１８から、どの比較条件においても本発明の免震構造物の例の方が質点Ａの応答変位と応答加速度を大幅に低減できており、さらに質点Ｂの変位と加速度のピーク値を低減できていることが分かる。つまり、本発明の免震構造物によれば、図１５（ｂ）に示した従来の複層免震構造よりも、上層部、下層部ともに変位と加速度の両方を低減できる。

＜地震応答解析＞
次に、図１２に示した２質点系モデルに対し、前述の比較条件（１）について時刻歴応答解析を行った結果を示す。

入力地震動はＬｖ２に基準化した観測波（エルセントロＮＳ、タフトＥＷ、八戸ＥＷ）の３波、告示波（神戸ＮＳ位相、関東ＥＷ位相、ランダム位相）の３波、及び南海トラフの地震動（ＯＳ１）とした（図２０（ｆ）参照）。これらの擬似速度応答スペクトル（ｈ＝５％）を図１９に示す。

そして、図２０（ａ）〜図２０（ｅ）に示す解析結果の通り、質点Ａの応答加速度は、従来の複層免震構造の例（１）と比べ、本発明の例（１）の方がいずれの地震動においても同等かそれ以下となっている。質点Ｂの応答加速度についても同様に低減している。

質点Ａの層間変形については、本発明の例（１）の低減効果が顕著に表れており、従来の複層免震の例（１）に対しておおよそ半減している。質点Ｂの層間変形はほぼ同等である。従って、時刻歴応答解析においても、本発明の例（１）の有効性が確認できる。

次に、等価せん断型の多質点系解析モデルについて検討した結果について説明する。
ここでは、図２１（ａ）に示した従来の免震構造物、図２１（ｂ）に示した従来の複層免震構造物、及び図２１（ｃ）に示した本発明の免震構造物の３ケースについて、それぞれモデル化を行い時刻歴応答解析した結果を比較した。
なお、入力地震動は前述と同様、エルセントロＮＳ、タフトＥＷ、告示神戸ＮＳ、告示ランダム、南海トラフの地震動（ＯＳ１）の５波とした（図２０（ｆ）参照）。

ここで、従来の免震構造物の復元力は鉛プラグ入り積層ゴムまたは鋼材系ダンパーと天然ゴム系積層ゴムを併用したバイリニア型の復元力特性とし、免震層歪２００％時に１次周期が５秒となるようにした。従来の複層免震構造物、本発明の免震構造物の復元力は天然ゴム系積層ゴムのみとし、実固有値解析で１次周期が約７．５秒となるように設定した。

さらに、複層免震層はγが２．０となるように免震層の剛性を決めた。
また、構造減衰として免震層を除く各層に剛性比例で２％の減衰を付与し、加えて、従来の免震構造物では等価線形化して得られる履歴減衰を含めた１次の減衰定数がおよそ１２％となるように、従来の複層免震構造物では１次の減衰定数がおよそ１２％となるように剛性比例で免震層の減衰係数を与えた。一方、本発明の免震構造物では免震層の減衰を、適用範囲を満足させた上で複層免震と付与する減衰係数の総和が等しくなるようにして与えた。なお、いずれも、粘性減衰はリリーフ速度０．３２ｍ／ｓとするバイリニア型とし、リリーフ後の減衰係数はその０．０６７８倍とした。

このときの解析諸元と複素固有値解析で求めた固有周期および減衰定数を表４に示す。

また、本発明のシステムについての適用範囲を確認するため、２質点系に集約した諸元（表５）についての設計パラメータμ、及びα、β、γを図２２に示す。γは１．７５であり、１．０＜γ＜４．０を満足する。

図２３から図２５に、従来の免震構造物と、従来の複層免震構造物と、本発明の免震構造物の応答加速度、層間変形角及び免震層変形を比較した結果を示す。

いずれも従来免震に対して本発明の免震構造物は大きく応答低減しており、２質点系で解析した結果と傾向は概ね一致する。さらに、従来の複層免震構造物に対しても応答加速度は同程度でありながら免震層変形が大きく低減できている。したがって、本発明の免震構造物の優位性が実証され、且つ適用範囲で設定した各設計パラメータが多質点系においても適用可能であることが実証された。

以上の結果から、本実施形態の免震構造物Ａにおいては、本実施形態で示した各諸元（減衰量や剛性比）の適用範囲内で設計することにより、以下の効果を得ることが可能になる。

一般免震を凌駕した加速度低減効果が実現でき、現在設計で用いられている地震動に対し全層に渡り１００ｃｍ／ｓ^２以下の応答加速度となる。それにより、大地震時においてもエレベーターが停止しないなどの利点がある。

より詳細に、複層免震化による超長周期化により、通常の免震に対して応答加速度を半減することができる。また、剛強なコアによる上部架構の高剛性化により頂部加速度（むちふり応答）を低減することができる。コア部１との連結制震及び各免震層３、４の理想的な剛性比の設定により、従来の単純な複層免震構造物では応答加速度が増加する中間免震層直下の応答加速度も抑制可能になる。さらに、理想的な減衰配分により、高次が過減衰となって応答加速度が増加するのを抑制することが可能になる。

また、一般免震を凌駕した免震層変位の低減効果が実現でき、現在設計で用いられている地震動に対し約７割程度の変形に抑えることが可能である。

すなわち、コア下部のダンパーが高層階の地震エネルギーを吸収し、建物全体の変位を効率的に低減することができる。また、複層免震化により、免震層の変形が分散されるため、従来の免震に比べて免震層の最大応答変位が低減可能である。さらに、免震層変位を抑制でき、耐震余裕度を向上させることができる。

以上、本発明に係る免震構造物の第３実施形態について説明したが、本発明は上記の第３実施形態に限定されるものではなく、第１、第２実施形態を含め、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ コア部
２ 建物主要部
３ 基礎免震層
４ 中間免震層
５ 制振装置
Ａ 免震構造物
Ｂ 免震構造物

Claims (5)

1. コア部と、該コア部に隣接する建物主要部とを備えるとともに、
   前記コア部と前記建物主要部の少なくとも前記建物主要部の下部に設けられた基礎免震層と、前記建物主要部の中間部に設けられた中間免震層とからなる複層免震構造、及び前記コア部と、前記建物主要部とを制振装置で連結してなる連結制振構造を備えて構成され、
   前記中間免震層及び前記基礎免震層に設置する免震層剛性ｋと減衰ｃの諸元を、下記の式（１）から式（４）を満たすように設定することを特徴とする免震構造物。
   

   

   

   

   

   ここで、Ｍ _Ａ が中間免震層よりも上方の上部構造物の質量、Ｍ _Ｂ が下部構造物の質量であり、ｋ _１ 、ｋ _２ はそれぞれ基礎免震層と中間層免震層の免震層剛性、ｋ _３ はコアウォール下の層剛性であり、ｃ _１ 、ｃ _３ はそれぞれ基礎免震層とコア下部支承部分に設置する減衰、ｃ _２ は中間層免震層のみではなく、コアウォールと下部構造物を連結する連結制震の減衰を含み、固有ベクトル｛ｒ _１ ，ｒ _２ ｝は、最大値を１として基準化した上部構造物と下部構造物の質点の固有ベクトルであり、ω _１ 、ω _２ はそれぞれ建物の１次、２次固有振動数である。
2. 請求項１記載の免震構造物において、
   前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が一体形成され、
   前記中間免震層より下層の前記コア部と前記建物主要部が前記制振装置で連結され、且つ前記コア部の下部が基礎免震層であることを特徴とする免震構造物。
3. 請求項１記載の免震構造物において、
   前記中間免震層より下層の前記コア部と前記建物主要部が一体形成され、
   前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が前記制振装置で連結されていることを特徴とする免震構造物。
4. 請求項１記載の免震構造物において、
   前記コア部と前記建物主要部がそれぞれ独立して立設され、
   前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が前記制振装置で連結されていることを特徴とする免震構造物。
5. コア部と、該コア部に隣接する建物主要部とを備えるとともに、
   前記コア部と前記建物主要部の少なくとも前記建物主要部の下部に設けられた基礎免震層と、前記建物主要部の中間部に設けられた中間免震層とからなる複層免震構造を備え、
   前記中間免震層より上層の前記コア部と前記建物主要部が一体形成され、
   且つ前記中間免震層に制震装置を設けて構成され、
   前記中間免震層及び前記基礎免震層に設置する免震層剛性ｋと減衰ｃの諸元を、下記の式（１）から式（４）を満たすように設定することを特徴とする免震構造物。
   

   

   

   

   

   ここで、Ｍ _Ａ が中間免震層よりも上方の上部構造物の質量、Ｍ _Ｂ が下部構造物の質量であり、ｋ _１ 、ｋ _２ はそれぞれ基礎免震層と中間層免震層の免震層剛性、ｋ _３ はコアウォール下の層剛性であり、ｃ _１ 、ｃ _３ はそれぞれ基礎免震層とコア下部支承部分に設置する減衰、ｃ _２ は中間層免震層のみではなく、コアウォールと下部構造物を連結する連結制震の減衰を含み、固有ベクトル｛ｒ _１ ，ｒ _２ ｝は、最大値を１として基準化した上部構造物と下部構造物の質点の固有ベクトルであり、ω _１ 、ω _２ はそれぞれ建物の１次、２次固有振動数である。

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