JP7257139B2 - 免震建物の水平変位抑制構造 - Google Patents

Description

本発明は免震層を有する免震建物の水平変位抑制構造に関する。

従来、建物内に免震装置が設けられた免震建物では、想定外の入力地震動（最大級の地震）が発生した場合、免震層が大きく変形し、基礎免震の場合は、基礎上に設置された擁壁への衝突が生じ、中間免震構造の場合は、免震装置からの脱落、または隣接建物等への衝突が生じていた。その際、いずれの場合においても建物に大きな衝撃力が発生し、建物に大きなダメージを受けることが避けられない状況であった。このような状況に対応するために、免震装置に水平変位抑制構造を付加することにより、衝突することよりも安全に建物の水平変位を抑制することで、建物へのダメージを最小限にすることができる。

このような状況に対応するためではないが、地震時に免震装置に大きな転倒モーメントが作用した場合に、積層ゴムに過大な引張カが働かないようにするため、複数本のワイヤーストランドを積層ゴム支承の内部または外部に取り付けた免震装置が提案されている（特許文献１）。

また、免震装置を介した上層側構造と下層側構造との相対変位に対応するために、ダンパーと紐材とからなる連結部材で上層側構造と下層側構造を連結し、減衰力を付与することにより、軸線周りに回転するようにねじれた場合に対応可能な免震構造も提案されている。（特許文献２）。

特開昭６４－６６３３４号公報 特開２０１６－２１７４１８

特許文献１に開示された発明では、ワイヤーストランドをあらかじめ躯体に埋め込んで定着させておく必要があったり、免震建物が変形した際に、ワイヤーストランドが取付け部で曲がり、躯体と接触するため、躯体およびワイヤーストランド自体を損傷させ、所定の引張り耐力が発現できないおそれがある。また、この機構は水平力を抑止することを目的としていないため、地震時の水平力に十分耐え得るようにワイヤーストランドの本数が増加しており、施工性が悪いという問題もある。

特許文献２に開示された発明は、変形抑制のために複数のダンパーを必要とするため、装置コストが高くなる。またダンパーを上層側構造部にヒンジを介して吊持させたり、下層側構造部にヒンジを介して立てて保持させる必要があるため、設置時の施工性が悪いという問題がある。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、免震建物の基礎免震層あるいは中間免震層の水平変位が許容値を超えた際に、コストが安く、施工性がよい鋼棒の引張抵抗で変形を抑制し、建物の転倒や崩壊を抑えるようにした免震建物の水平変位抑制構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の免震建物の水平変位抑制構造は、建物上層階からなる上部構造と建物下層階からなる下部構造との間に中間免震層を有する免震建物の前記中間免震層内に備えられた水平変位抑制構造であって、上端が前記上部構造の下端梁のスパン方向中央位置の下側フランジ上に取り付けられた上部球面座に前記下側フランジに形成された開口を貫通するようにして保持され、前記免震建物の高さ方向に沿って吊持される引張抵抗部材を備え、該引張抵抗部材は、常時ないし前記上部構造の水平変位が所定水平変位量以下であるような地震力作用時において、下端が前記上部球面座位置に相対した前記下部構造の上端梁の上側フランジ上に設けられた下部球面座に対して、前記下部球面座の保持板に形成された開口を貫通して軸方向に所定の隙間をあけて保持され、さらなる地震力の作用によって生じる前記上部構造の水平変位に応じて前記引張抵抗部材が水平変位して追従し、前記所定水平変位量に達した時に前記引張抵抗部材の下端が前記下部球面座に接触して直接保持され、以後前記引張抵抗部材の伸び変形により前記上部構造の水平変位が緩やかに抑制されることを特徴とする。

また、前記引張抵抗部材は、上端に取り付けられた連結部材を介して前記上部球面座に沿って回転自在に着座保持されるとともに、下端に取り付けられた連結部材を介して、前記隙間をあけて前記下部球面座に保持されることが好ましい。

前記引張抵抗部材は、ネジ鋼棒であることが好ましい。

前記連結部材は、ボールジョイントであることが好ましい。

前記所定水平変位量は、前記中間免震層における設計許容変位量であることが好ましい。

前記上部球面座と前記下部球面座とは同一形状の球面座部材であって、該球面座部材を上下反転させ、前記上部構造及び前記下部構造にそれぞれ取り付けることが好ましい。

本発明の一実施形態の水平変位抑制構造を免震建物の中間免震層に設置した状態を示した部分立面図、部分平面図。 図１に示した水平変位抑制構造（常時、地震時）と免震装置とを拡大して示した部分拡大図。 本発明の一実施形態の水平変位抑制構造の常時の設置状態、地震時の変位状態を示した状態説明図。 本発明の水平変位抑制構造の球面回転座を構成するボールジョイント、球面座金を示した平面図、側面図（側断面図）、及び球面回転座の動作状態を示した状態説明図。 本発明の水平変位抑制構造の地震時の変位状態を示した模式説明図。 本発明の水平変位抑制構造の引張抵抗材が負担する水平抵抗力と上部建物の水平変位量との関係を模式的に示した説明図。

以下、本発明の免震建物の水平変位抑制構造の実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態として、免震建物１の下部構造としての下部建物２と、上部構造としての上部建物３との間に設けられた中間免震層４を部分的に示している。同図（ｂ）は中間免震層４に設置された水平変位抑制構造１０の平面配置を示している。本実施形態における免震建物１の中間免震層４には、図１（ａ）に示したように、免震装置として平面的に所定間隔をあけて複数台の積層ゴム支承５が設置されている。また、積層ゴム支承５の設置されている梁２ａ、３ａのスパン中央には本発明の水平変位抑制構造１０が設置されている。水平変位抑制構造１０は、同図（ｂ）に示したように、上部建物３の下端梁３ａと下部建物２の上端梁２ａとの間を連結するように、梁方向に４本、梁幅方向に２列に配置された８本のタイバー１１と、タイバー１１の上端を保持する球面回転座２０と、下端にクリアランスを設けてタイバー１１を保持する球面回転座３０とで構成されている。
なお、下部構造を建物基礎として取り扱えば、水平変位抑制構造１０が設置される中間免震層４と同等の構造からなる基礎免震層を、上部構造としての建物躯体全体を支持する建物基礎部上に構築することができる。

積層ゴム支承５は、図２（ａ）に示したように、下部建物２の上端梁２ａ上に設けられた下部基礎架台６上に図示しないアンカーボルトで固定され、積層ゴム支承５の上側フランジ５ａと上部建物３との間には上部基礎ブロック７が設けられている。このようにして上部建物３は中間免震層４の所定位置に配置された下部基礎架台６、積層ゴム支承５、上部基礎ブロック７によって上部建物３と下部建物２との間に固定保持されている。なお、積層ゴム支承５には、建物規模に対応した所定の耐荷重性能、変形性能を有する公知の積層ゴムアイソレータが使用されている。

本実施形態の水平変位抑制構造１０の構成について説明する。水平変位抑制構造１０の全体構成は、図１各図、図２（ａ）に示したように、隣接位置に配置された免震装置間に架設された上部建物３の下端梁３ａと、免震装置が設置された下部建物２の上端梁２ａとの間を連結するように、上部建物３の下端梁３ａのほぼ中央位置において、梁方向に４本、梁幅方向に２列に配設され、その上下端が同一形状で上下反転させて取り付けられた球面回転座２０，３０で保持された８本のタイバー１１とから構成されている。

本実施形態のタイバー１１は、図１（ａ）、図２（ａ）、図３（ａ）に示したように、上端側が上部建物３の下端梁３ａの下部フランジ上に位置する上側球面回転座２０に保持され、下端側が下部建物２の上端梁２ａの上部フランジ上に取り付けられた箱状ブラケット９の上面板９ａの下面側に設けられた下側球面回転座３０に保持されている。本実施形態では、タイバー１１としてネジ鋼棒（Ｄ４１（ＳＤ４９０））が使用されている。なお、後述するように、タイバー１１は上部建物３の下部建物２に対する相対水平変位（以下、単に水平変位と記す。）に対して水平方向に全成分を負担（抵抗）するのではなく、常時に鉛直方向（建物高さ方向）をなして設置された状態から一定以上の水平変位によって傾いた状態における軸方向引張力を負担するように構成されている。タイバー１１は、ネジ鋼棒に限られず、タイバー１１の両端に球面回転座２０（以下、上下を区別しないで表示する場合には、符号２０のみを付す。）を保持できるようにねじ切りされた各種丸鋼や、球面回転座２０を保持可能な定着部を有するＰＣ鋼棒、自立性のあるＰＣ鋼撚り線等を使用することもできる。

本実施形態の球面回転座２０は、外周面の一部が球面状をなす連結部材としてのボールジョイント２５（符号２０と同様）と球面座金２１（符号２０と同様）の２部品から構成されている（図４（ａ－１）～（ｂ－２））。ボールジョイント２５は、図４（ａ－１）、（ａ－２）に示したように、本実施形態ではφ１５０ｍｍの鋼製球体（Ｓ４５Ｃ）を約３／５の高さで切断され、タイバー１１が貫通する円孔２２が設けられた截頭球状体からなる。球面座金２１は、図４（ｂ－１）、（ｂ－２）に示したように、本実施の形態では一辺２５ｃｍ、厚さ６ｃｍの鋼板（建築構造用圧延鋼板：ＳＮ４９０Ｂ）で、一方の面が凹状球面座２１ａ、他方の面が円錐台状のテーパ面２１ｂを構成する円孔２３が形成されている。凹状球面座２１ａの内径は、ボールジョイント２５の外径に等しく、凹状球面座２１ａにボールジョイント２５が収容された状態で、ボールジョイント２５の球面状の外周面が球座面２１ａに密着するように製作されている。また、テーパ面２１ｂの傾き角度は、図４（ｃ－２）に示したように、タイバー１１が後述するように、所定の傾きをなした際にもタイバー１１が球面座金２１と干渉しない角度に設定されている。

球面回転座２０によるタイバー１１の、上部建物３の下端梁３ａと下部建物２の上端梁２ａとの間への取り付け状態について、図３（ａ）を参照して説明する。同図に示したように、上部建物３の下端梁３ａのフランジには所定直径の円孔８が形成されており、この円孔８の中心と、上側回転球面座２０を構成する球面座金２１の円孔２２とが同軸で、凹状球面座２１ａが上面になるように球面座金２１がフランジ上に固着されている。一方、下部建物２の上端梁２ａ上に取り付けられた箱状ブラケット９の上面板９ａの下面側には、下側球面回転座３０を構成する球面座金３１が、上述と同様に円孔８との関係を保持して凹状球面座３１ａが下方を向くように固着されている。

タイバー１１は、図３（ａ）に示したように、上端にボールジョイント２５が取り付けられ、タイバー１１に螺着されたプレートナット２６によって保持位置が確保されている。そしてボールジョイント２５の球面を球面座金２１に着座させるようにして、タイバー１１は円孔８を貫通して、ほぼ鉛直状態をなして球面座金２１部分で吊持されている。一方、タイバー１１の下端側にもボールジョイント３５がプレートナット３６によって取付保持されている。このときのボールジョイント３５の位置は、図３（ａ）に示したように、箱状ブラケット９の上面板９ａの下面から所定のクリアランスＣ分だけ球面座金３１の凹状球面座３１ａから離れた位置にある。本実施形態において、タイバー１１の上下位置に取り付けられた２個のボールジョイント２５，３５間の距離は、Ｌ₀＋Ｃに設定されている（Ｌ₀：たとえば上部建物３の下端梁３ａ上面と下部建物２の箱状ブラケット９の上面板９ａの下面間の距離、Ｃ：クリアランス）。よって、水平変位抑制構造１０としてのタイバー１１は常時では上部の球面回転座２０のみで円孔８内を通るようにほぼ鉛直に吊持され、ボールジョイント３５は球面座金３１に触れない状態にある。

ここで、本発明の水平変位抑制構造１０の地震時における変位挙動について、図２（ｂ）、図３（ｂ）、図５（ａ）～（ｅ）を参照して説明する。図２（ｂ）は、図２（ａ）の常時に対応する地震時における中間免震層４での免震装置、水平変位抑制構造１０の変位状態を示している。図３（ｂ）は、上部建物３の相対変位量が設計許容変位量（δ₂）に達した時の水平変位抑制構造１０の変位状態を示している。図５各図は、簡略モデル化した水平変位抑制構造１０における大きさの異なる地震時の変位挙動（（ａ）～（ｃ）：設計許容変位量（δ₂）以下の変位状態、（ｄ）：設計許容変位量（δ₂：極めて稀に発生する地震力（レベル２）相当）、（ｅ）：想定外の地震力（レベル３（最大級地震）相当））を示している。

地震力が水平変位抑制構造１０が組み込まれた免震建物１に作用すると、図２（ｂ）に示したように、中間免震層４において、免震装置としての積層ゴム支承５には上部建物３と下部建物２との間に生じる相対水平変位に追従する水平変形が生じる。この積層ゴム支承５は設計許容変位（δ₂）（図３（ｂ））まで所定の耐荷重性能、変形性能に沿って水平せん断変形する。上部建物３の相対変位量が設計許容変位量より小さい状態（図５（ａ）～（ｃ））では、タイバー１１も上側球面回転座２０のボールジョイント２５が上部球面座金２１の内面に沿って摺動して所定角度だけ回転することで、上部建物３の水平変位に応じた傾角で傾く。このときの水平変位量に対応するタイバー１１の軸方向の変位量は、常時の設置時にタイバー１１に設けられたクリアランスＣより小さいため、タイバー１１の下端を保持するボールジョイント３５は、球面座金３１に接しないフリーの状態にある。よって、上部建物３の相対変位量が設計許容変位量より小さい状態では、タイバー１１には引張力が作用せず、タイバー１１は上側球面回転座２０で上端が保持され吊持された状態で、ボールジョイント２５の上部球面座金２１内での回転の度合いに応じて傾きが増すように変位するのみで、中間免震層４の水平変位抑制構造としては作用しない。

図３（ｂ）、図５（ｄ）はともに、地震時の水平変位量が設計許容変位（δ₂）に達し、水平変位量のタイバー１１の軸方向の変位量がクリアランスＣに等しくなり、タイバー１１の下端を保持するボールジョイント３５が球面座金３１の凹状球面座３１ａに沿って回転して凹状球面座３１ａに密着した状態を示している。この状態よりさらに上部建物３の水平変位量が大きくなると、タイバー１１がわずかずつ傾きを増しながら、水平作用力のタイバー１１の軸方向成分がタイバー１１に引張力として作用する。この状態でタイバー１１の両端は球面回転座２０，３０で保持されているため、タイバー１１は以後、水平変位に対する引張抵抗材として機能する。すなわち、上部建物３の水平変位量が設計許容変位量（δ₂）を越えた以後（一例として図５（ｄ）～（ｅ））は、水平方向作用力（地震力）は水平変位抑制構造として設けられた引張抵抗材としてのタイバー１１によって負担される。このときタイバー１１はほぼ鉛直方向に配置された引張抵抗材であるため、生じた水平変位量に対して引張抵抗材が水平方向に配置された場合に比べ、図６に示したように、水平変位量が設計許容変位量（δ₂）を越えた以後においても、上部建物に影響が小さくなるように、水平抵抗力Ｐが水平変位δに対して緩やかに増加するように機能させることができる。

地震時の水平変位量が設計許容変位（δ₂）を越えた以後のタイバー１１の変形挙動について、図３（ａ）、（ｂ）に付加した線図、図５（ｄ）を参照して、具体的な数値を例示して説明する。図３（ｂ）は、水平変位量が設計許容変位（δ₂）に達したときのタイバー１１の変位状態を示している。このときのタイバー１１の上下位置に取り付けられた２個のボールジョイントの距離Ｌ₂は、常時におけるＬ₀にクリアランスＣを加えた長さに等しい。本実施形態では、設計許容変位（δ₂）は３５０ｍｍに設定され、
Ｌ₂＝Ｌ₀＋Ｃ＝１，２００＋５０＝１，２５０ｍｍ
となる。このときのタイバー１１にはまだ引張力は作用しておらず、以後水平変形が進行するのに応じて作用する軸方向引張力に応じた伸び変形を示す。本発明は、さらにレベル３クラスの想定外の過大な水平変位（δ₃：５００ｍｍ）が生じるような大地震に遭遇した場合（図５（ｅ））にも、水平変位抑制構造１０のタイバー１１の軸方向成分で抵抗することができるので、タイバー１１は、Ｌ₃＝１，３００ｍｍ程度の伸び変形に留めることができる。なお、これらの数値は対象となる免震建物、免震装置、水平変位抑制構造の規模と設計許容変位に応じて変動することは言うまでもない。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 免震建物
２ 下部建物
３ 上部建物
４ 中間免震層
５ 積層ゴム支承
１０ 水平変位抑制構造
１１ タイバー
２０ 上側球面回転座
２１，３１ 球面座金
２５，３５ ボールジョイント
３０ 下側球面回転座

Claims (6)

1. 建物上層階からなる上部構造と建物下層階からなる下部構造との間に中間免震層を有する免震建物の前記中間免震層内に備えられた水平変位抑制構造であって、
   上端が前記上部構造の下端梁のスパン方向中央位置の下側フランジ上に取り付けられた上部球面座に前記下側フランジに形成された開口を貫通するようにして保持され、前記免震建物の高さ方向に沿って吊持される引張抵抗部材を備え、
   該引張抵抗部材は、常時ないし前記上部構造の水平変位が所定水平変位量以下であるような地震力作用時において、下端が前記上部球面座位置に相対した前記下部構造の上端梁の上側フランジ上に設けられた下部球面座に対して、前記下部球面座の保持板に形成された開口を貫通して軸方向に所定の隙間をあけて保持され、
   さらなる地震力の作用によって生じる前記上部構造の水平変位に応じて前記引張抵抗部材が水平変位して追従し、前記所定水平変位量に達した時に前記引張抵抗部材の下端が前記下部球面座に接触して直接保持され、以後前記引張抵抗部材の伸び変形により前記上部構造の水平変位が緩やかに抑制されることを特徴とする免震建物の水平変位抑制構造。
2. 前記引張抵抗部材は、上端に取り付けられた連結部材を介して前記上部球面座に沿って回転自在に着座保持されるとともに、下端に取り付けられた連結部材を介して、前記隙間をあけて前記下部球面座に保持される請求項１に記載の免震建物の水平変位抑制構造。
3. 前記引張抵抗部材は、伸び変形するネジ鋼棒である請求項１に記載の免震建物の水平変位抑制構造。
4. 前記連結部材は、ボールジョイントである請求項２に記載の免震建物の水平変位抑制構造。
5. 前記所定水平変位量は、前記中間免震層における設計許容変位量である請求項１に記載の免震建物の水平変位抑制構造。
6. 前記上部球面座と前記下部球面座とは同一形状の球面座部材であって、該球面座部材を上下反転させ、前記上部構造及び前記下部構造にそれぞれ取り付けた請求項１に記載の免震建物の水平変位抑制構造。

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