JP7257747B2 - 制震構造 - Google Patents

Description

本発明は、制震構造に関する。

地震応答の低減に有効な構造形式として、多層構造物の各層にダンパーなどの制震装置を設置した制震構造が知られている。このような制震構造では、制震装置として、例えばブレース型のダンパーや壁型のダンパーなどが採用されるが、いずれのダンパーであっても柱・梁よりなる開口部を閉塞するように設けられている。このため、制震構造では、建築計画上の自由度が制限され、制震装置の設置スペースが多層構造物のコア部の周りなどに限定，制約される場合がある。
これに対し、制震装置の設置台数を少なくし、建築計画上の自由度を向上させた制震構造も知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－０１９３６８号公報

制震装置の設置台数を少なくするためには、制震装置の減衰力を効率的に作用させる必要がある。

そこで、本発明は、制震装置の減衰力を多層構造物に効率的に作用させ、制震装置の設置台数を少なくすることができる制震構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る制震構造は、基礎部と、前記基礎部の上部に設けられた多層構造の本体部と、を有する多層構造物の制震構造において、前記本体部の下部側となる下層部分は、ブレースを備えたコア部と、前記コア部の周囲に設けられた周辺架構部と、を有し、前記コア部と前記周辺架構部との間には、クリアランスが形成され、前記コア部と前記基礎部との間にのみ、前記コア部と前記基礎部との水平方向の相対変位を低減させる制震装置が設けられ、前記周辺架構部と前記基礎部とは連結され、水平方向に相対変位しないように構成されていることを特徴とする。

本発明では、多層構造物の下層部分のコア部は、周辺架構部に囲まれていて、多層構造物の内側に配置されている。そして、コア部と基礎部との間に制震装置が設けられていることにより、制震装置による減衰力を多層構造物の内側に直接作用させることができる。その結果、地震によって多層構造物が振動した際に、制震装置による減衰力が多層構造物の内側に直接作用するため、多層構造物全体の振動を抑制することができる。
このように、本発明では、制震装置の減衰力を効率的に作用させることができるため、制震装置の設置台数を少なくすることができる。

また、本発明に係る制震構造では、前記コア部は、平面視において前記多層構造物の図心を中心として設けられていてもよい。
このような構成とすることにより、制震装置の減衰力を多層構造物の図心を中心として作用させることができる。

また、本発明に係る制震構造では、前記制震装置は、慣性質量装置と、粘性ダンパーとを有し、前記慣性質量装置と、前記粘性ダンパーとが並列配置されていてもよい。
このような構成とすることにより、コア部と基礎部との水平方向の相対変位を効率よく低減させることができる。

本発明によれば、制震装置の減衰力を多層構造物に効率的に作用させ、制震装置の設置台数を少なくすることができる。

本発明の実施形態による制震構造物の一例を示す縦断面図である。 下層部分の平面図である。 上層部分の平面図である。 制震装置を説明する図である。 （ａ）は非制震構造の多層構造物の下層部分の平面図、（ｂ）は非制震構造の多層構造物の縦断面図、（ｃ）は本実施形態による制震構造の多層構造物（Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３）の下層部分の平面図、（ｄ）は本実施形態による制震構造の多層構造物（Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ３）の縦断面図である。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３の緒元を示す図である。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３の最大加速度の分布を示すグラフである。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３の最大層間変形角の分布を示すグラフである。 （ａ）はコア部と周辺架構部との相対変位で，クリアランス寸法の下限を示す図、（ｂ）は制震装置の最大反力と設置台数を示す図である。 （ａ）はコア部が多層構造物の図心と外れた位置に設けられた本実施形態における制震構造の解析モデル、（ｂ）は下層階の平面図である。 各層の回転慣性モーメント、および柱位置での水平剛性の諸元を示す図である。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ４の重心位置での加速度を示す図である。 Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ４の重心位置での層間変形角を示す図である。 Ｃａｓｅ４における重心位置、コア部側およびその反対側の構面の層間変形角を示す図である。

以下、本発明の実施形態による制震構造について、図１乃至図４に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態による制震構造１は、多層構造物２に採用されている。図２および図３に示すように、多層構造物２は、平面視形状が正方形に構築されている。多層構造物２の平面形状の正方形の辺が延びる方向をＸ方向、Ｙ方向とする。
多層構造物２は、基礎部３と、基礎部３の上に設けられた多層構造の本体部７と、を有している。本体部７のうちの下部側を下層部分７１とし、上部側を上層部分７２とする。本実施形態では、下層部分７１は、１階から６階までの６層の部分とし、上層部分７２は、７階以上の部分とする。
下層部分７１は、コア部４と周辺架構部５とを有している。
コア部４は、多層構造物２の平面形状をＸ方向およびＹ方向それぞれに等しい寸法の３つずつ９分割した中央部に設けられている。周辺架構部５は、コア部４の周囲全体に設けられている。コア部４は、多層構造物２の図心２１を中心とするように設けられている。

コア部４には、例えば、エレベーターシャフトやパイプシャフトなどが設けられている。このため、上層部分７２にも下層部分７１のコア部４の直上に連続するようにコア部が設けられていてもよい。

図１および図２に示すように、コア部４とその周囲の周辺架構部５との間には、クリアランス４３が設けられている。図１および図３に示すように、上層部分７２は、中央部分とその周辺部分との間にクリアランスが設けられた構造ではない。
図４に示すように、コア部４と基礎部３とは、水平方向に相対変位可能に構成されている。本実施形態では、基礎部３にコア部４の下端部近傍が配置されるピット３１が設けられていて、ピット３１の内周面とコア部４とが離間している。

コア部４と基礎部３との間には、コア部４と基礎部３との水平方向の相対変位を減衰させる制震装置６が設けられている。制震装置６には、粘性ダンパーのみ採用してもよいし、慣性質量装置と粘性ダンパーとを並列配置した形態としてもよい。
周辺架構部５と基礎部３とは、連結され水平方向に相対変位しないように構成され、間に制震装置６は設けられていない。

次に、上述した本実施形態による制震構造１の作用・効果について図面を用いて説明する。
上述した本実施形態による制震構造１では、下層部分７１のコア部４が周辺架構部５に囲まれていることにより、コア部４は多層構造物２の内側に配置されている。そして、コア部４と基礎部３との間に制震装置６が設けられていることにより、制震装置６による減衰力を多層構造物２の内側に直接作用させることができる。その結果、地震によって多層構造物２が振動した際に、制震装置６による減衰力が多層構造物２の内側に直接作用するため、多層構造物２全体の振動を抑制することができる。
このように、本実施形態による制震構造１では、制震装置６の減衰力を効率的に作用させることができるため、制震装置６の設置台数を少なくすることができる。

また、コア部４は、平面視において多層構造物２の図心２１を中心として設けられていることにより、制震装置６の減衰力を多層構造物２の図心２１を中心として作用させることができる。

続いて、本実施形態による制震構造による地震応答に対する効果を解析事例に基づいて説明する。
非制震構造および、本実施形態による制震構造について比較を行う。
図５（ａ）には、非制震構造の下層階の平面図を示し、（ｂ）には、非制震構造の縦断面図を示し、（ｃ）には、本実施形態による制震構造１の下層階の平面図を示し、（ｄ）には、本実施形態による制震構造１の縦断面図を示している。
以下の説明において、Ｃａｓｅ１は非制震構造８を示し、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３は本実施形態による制震構造１を示している。
Ｃａｓｅ２は、制震装置６（ダンパー）として慣性質量装置と粘性ダンパーとを並列配置した制震構造１であり、Ｃａｓｅ３は、制震装置６（ダンパー）として粘性ダンパーを設置した制震構造１である。慣性質量装置および粘性ダンパーは、現実的な使用に想定される慣性質量装置および粘性ダンパーであるものとする。
Ｃａｓｅ２とＣａｓｅ３とは、制震装置６以外は同じ形態であるものとする。

図６に各Ｃａｓｅの諸元を示す。各Ｃａｓｅとも２０層で、各階の階高が４ｍに設定されている。図６では、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３における上層部分７２および下層部分７１の周辺架構部５を主架構と表記している。
上記の実施形態と同様に、Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３では、多層構造物２の１階から６階までが下層部分７１となり、コア部４および周辺架構部５が設けられ、多層構造物２の７階以上が上層部分７２となっている。コア部４と周辺架構部５とは、間にクリアランス４３が設けられ離間している。
コア部４、周辺架構部５の質量は、その面積に比例して分配されている。
Ｃａｓｅ２およびＣａｓｅ３におけるコア部４、周辺架構部５および上層部分７２の剛性は、その面積に応じて配分され、コア部４についてはブレースを設置するなどして、剛性が割り増しされている。つまり、コア部４の面積に対するコア部４の剛性は、その周辺部の面積に対する周辺部の剛性に比べて割増しされている。

Ｃａｓｅ１は、１次固有周期がほぼ２０層×４ｍ（階高）×０．０３＝２．４秒となるように剛性を定めた。各層の剛性分布は台形分布とし、最下層に対する最上層の剛性の比率は０．３とした。
減衰装置の減衰は、初期剛性比例型で１次固有振動数に対して２％に設定されている。
入力地震動は、超高層建物の設計で多用されてきたセンター波Ｌ２、解析時間は１２０秒とする。

解析結果として、図７にＣａｓｅ１－Ｃａｓｅ３の最大加速度の分布を示し、図８にＣａｓｅ１－Ｃａｓｅ３の最大層間変形角の分布を示す。また、図９（ａ）にＣａｓｅ２、Ｃａｓｅ３のコア部４と周辺架構部５との相対変位量を示し、図９（ｂ）にＣａｓｅ２、Ｃａｓｅ３のダンパー（制震装置６）の反力を示す。
図７および図８から、Ｃａｓｅ２、３は、ともにＣａｓｅ１に比べて応答低減が認められることがわかる。また、図９から、ダンパーの台数や、コア部４と周辺架構部５とのクリアランス４３の寸法が現実的な数値に収まっていることがわかる。

次に、本実施形態による制震構造１のＣａｓｅ４として、コア部４が多層構造物２の図心２１から外れた位置に設けられたＣａｓｅを設定する。Ｃａｓｅ４では、コア部４の位置以外は、Ｃａｓｅ２と同様の緒元であるものとする。
図１０には、Ｃａｓｅ４の解析モデルの概要を示す。コア部４は、Ｘ方向の一方の端部近傍でＹ方向の中央部に設けられている。
図１１には、各階の回転慣性モーメント、および柱位置での水平剛性の諸元を示す。
Ｃａｓｅ４の解析モデルには、Ｃａｓｅ２の並進質量に加え、各階の各床の回転慣性モーメントを多層構造物２の図心２１に設定した。また、Ｃａｓｅ４の解析モデルでは、Ｃａｓｅ２の水平剛性を柱位置（コア部４は４本、周辺架構部５は１６本）に均等配分し、水平２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）のばねを定義した。地震波の入力方向はＹ方向とする。

解析結果として、図１２にＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ４の重心位置での加速度を示し、図１３にＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２、Ｃａｓｅ４の重心位置での層間変形角を示す。また、図１４にＣａｓｅ４における重心位置、コア部４側およびその反対側の構面の層間変形角を示す。
Ｃａｓｅ４では，コア部４が多層構造物２の図心２１からずれた位置に配置されていることにより上層階に捩れが生じ，外構面の層間変形はＣａｓｅ２に比べて増減するが，その差は１割程度に留まることが分かる。
以上より、本実施形態による制震構造１は、建物の建築計画の自由度の確保、制震装置６（ダンパー）の台数に配慮しながら、地震応答の低減を図る上で効果的であることがわかる。また，本実施形態による制震構造１は、コア部４が本体部７の図心２１からずれて多層構造物２に対してある程度偏在していても有効であることがわかる。

以上、本発明による制震構造の実施形態について説明したが、本発明は上記の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、上記の実施形態では、多層構造物２の平面視形状が正方形であるが、正方形以外の長方形や、凹凸のある形状であってもよい。また、多層構造物２の階数は、適宜設定されてよく、コア部４が設けられる下層部分７１の層数（階数）も適宜設定されてよい。
また、上記の実施形態では、コア部４の全周に周辺架構部５が設けられているが、コア部４の周囲の少なくとも一部に周辺架構部５が配置されていればよい。
また、上記の実施形態では、コア部４は、多層構造物２の図心２１を中心として設けられているが、多層構造物２の図心２１とずれた位置に設けられていてもよい。

１ 制震構造
２ 多層構造物
３ 基礎部
４ コア部
５ 周辺架構部
６ 制震装置
７ 本体部
２１ 図心
４３ クリアランス
７１ 下層部分
７２ 上層部分

Claims (3)

1. 基礎部と、前記基礎部の上部に設けられた多層構造の本体部と、を有する多層構造物の制震構造において、
   前記本体部の下部側となる下層部分は、ブレースを備えたコア部と、
   前記コア部の周囲に設けられた周辺架構部と、を有し、
   前記コア部と前記周辺架構部との間には、クリアランスが形成され、
   前記コア部と前記基礎部との間にのみ、前記コア部と前記基礎部との水平方向の相対変位を低減させる制震装置が設けられ、
   前記周辺架構部と前記基礎部とは連結され、水平方向に相対変位しないように構成されていることを特徴とする制震構造。
2. 前記コア部は、平面視において前記多層構造物の図心を中心として設けられていることを特徴とする請求項１に記載の制震構造。
3. 前記制震装置は、慣性質量装置と、粘性ダンパーとを有し、
   前記慣性質量装置と、前記粘性ダンパーとが並列配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の制震構造。

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