JP7374694B2

JP7374694B2 - 免震建物群の設計方法

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Publication number: JP7374694B2
Application number: JP2019185907A
Authority: JP
Inventors: 徹也半澤
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2023-11-07
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: JP2021059939A

Description

本発明は、免震建物群の設計方法に関するものである。

従来から、都市の耐震化の手段として、都市に建築される個々の建物の耐震化が図られてきた。耐震化の手段として、剛強な耐震構造、地震により生じる建物の振動エネルギーを吸収する制震構造、長周期化と高減衰化により地震力の低減を図る免震構造等がある。特に、免震構造は大地震時においても、建物の被害を著しく抑制するための手段として有効とされている。

近年、長周期地震動と呼ばれる地震動が観測され、免震構造物が従来の設計想定を超えた地震動に見舞われる事態が懸念されている。

これに対して、免震層の変形が想定以上になる際にその過大な変形を抑制する方法等が提案されている（例えば、下記の特許文献１，２参照）。

特開２０１５－３１０９８号公報特開２０１８－７１６５１号公報

しかしながら、上記の特許文献１，２に記載の方法は、個々の建物へ免震構造等を適用することを意図したものであり、また、免震層に生じる変形の急激な抑制は、上部の架構の応答の増大を招く虞がある。一方、個々の建物の構造的被害が抑制されても、常時活発な経済活動を担う都市部の建物の地震被害は甚大な経済的損失を生じさせるため、被災後に早期に修復することが望まれている。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、低層から高層建物が密集した都市内の街区を対象として、巨大地震に対し倒壊等の致命的な被害を抑制し、修復可能な応答レベルに止める高い耐震性を有する免震建物群の設計方法を提供する。

本発明に係る免震建物群の設計方法は、第１地盤上に設置された第１免震部材と、該第１免震部材に支持された第２地盤と、該第２地盤上に設置された第２免震部材と、該第２免震部材に支持された複数の建物と、を備えることを特徴とする免震建物群の設計方法であって、応答スペクトルで定義された地震から、第１免震部材及び第２免震部材の性能の１．６倍程度を限度として、目標の周期と減衰定数を決定し、複数の建物の質量を集約し１質点とみなし、第２地盤の質量と２質点系を構成し、１次振動モードの振幅が等しく、目標の周期と減衰を与えるように剛性と減衰を調整し、調整された前記建物の剛性と減衰を、各前記建物の質量に比例させて配分することで、第１免震部材が配置される免震層及び第２免震部材が配置される免震層の諸元を決定することを特徴とする。
また、前記建物は、耐震構造及び制振構造のいずれかであってもよい。

このように構成された免震建物群の設計方法では、地震の際には、第１免震部材が配置される免震層（第２地盤の直下の免震層）と、第２免震部材が配置される免震層（各建物直下の免震層）が概ね同位相で、同程度変形することにより、各層の第１免震部材及び第２免震部材の変形・速度の許容範囲を超えることなく、巨大地震に対処することができる。よって、低層から高層建物が密集した都市内の街区を対象として、巨大地震に対し倒壊等の致命的な被害を抑制し、修復可能な応答レベルに止める高い耐震性を有することができる。

本発明に係る免震建物群の設計方法によれば、低層から高層建物が密集した都市内の街区を対象として、巨大地震に対し倒壊等の致命的な被害を抑制し、修復可能な応答レベルに止める高い耐震性を有することができる。

本発明の一実施形態に係る免震建物群を示す模式的な図であり、（ａ）立面図であり、（ｂ）平面図である。本発明の一実施形態に係る免震建物群の耐震性の検証の対象を示し、（ａ）立面図であり、（ｂ）平面図である。本発明の一実施形態に係る免震建物群の耐震性の検証における応答スペクトルを示す図であり、（ａ）ｐｅｒｉｏｄ（ｓｅｃ）とＳａ（ｇａｌ）との関係を示し、（ｂ）ｐｅｒｉｏｄ（ｓｅｃ）とＳｖ（ｃｍ／ｓｅｃ）との関係を示し、（ｃ）ｐｅｒｉｏｄ（ｓｅｃ）とＳｄ（ｃｍ）との関係を示す。本発明の一実施形態に係る免震建物群の耐震性の検証における設計方法を示す図であり、（ａ）１－２質点による諸元設定を示し、（ｂ）免震諸元の各棟分割を示し、（ｃ）各棟を多質点系に戻す際の諸元設定を示す。本発明の一実施形態に係る免震建物群の耐震性の検証の解析結果であり、（ａ）２質点系の固有ベクトルを示し、（ｂ）７質点系の固有ベクトルを示す。本発明の一実施形態に係る免震建物群の耐震性の検証の解析結果であり、（ａ）Ｌ_２入力の場合の層間変形角を示し、（ｂ）Ｌ_２入力の場合の最大加速度を示す。本発明の一実施形態に係る免震建物群の耐震性の検証の解析結果であり、（ａ）Ｌ_３入力の場合の層間変形角を示し、（ｂ）Ｌ_３入力の場合の最大加速度を示す。

本発明の一実施形態に係る免震建物群及び免震建物群の設計方法について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る免震建物群を示す模式的な図であり、（ａ）立面図であり、（ｂ）平面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る免震建物群１０は、第１免震層１と、人工地盤（第２地盤）２と、第２免震層３と、複数の建物４と、を備えている。

第１免震層１は、地盤（第１地盤）Ｇ上に配置されている。第１免震層１は、複数の第１免震部材１１が設置されて構成されている。第１免震部材１１として、オイルダンパー等を採用することができる。

人工地盤２は、第１免震層１に支持されている。人工地盤２は、第１免震層１の上側に配置されている。人工地盤２は、複数の建物４の下方に一体的に配置されている。換言すると、平面視で、人工地盤２は、複数の建物４と重なって配置されている。

第２免震層３は、人工地盤２上に配置されている。第２免震層３は、複数の第２免震部材３１が設置されて構成されている。第２免震部材３１として、オイルダンパー等を採用することができる。

複数の建物４は、第２免震層３に支持されている。建物４は、第２免震層３の上側に配置されている。各建物４には、複数の第２免震部材３１が配置されている。建物４は、耐震構造、または振動エネルギーを吸収する制震ダンパーが設置された制振構造であってもよい。建物４は、鉄骨造（Ｓ造）、鉄筋コンクリート造（ＲＣ造）等であってもよい。

次に、免震建物群１０の設計方法について説明する。
応答スペクトルで定義された地震から、第１免震部材１１及び第２免震部材３１の性能の１．６倍程度を限度（１．６倍以下）として、目標の周期と減衰定数を決定する。複数の建物４の質量を集約し１質点とみなし、人工地盤２の質量と２質点系を構成し、１次振動モードの振幅が等しく、目標の周期と減衰を与えるように剛性と減衰を調整する。調整された建物４の剛性と減衰を、各建物４の質量に比例させて配分することで、第１免震層１及び第２免震層３の諸元を決定する。具体的には、以下の通りである。

具体的な諸元を設定し、上記の免震建物群１０の耐震性を検証する。耐震クライテリアは以下のように設定する。

一般的な設計用地震動を超える地震動として、日本建築センターのレベル２のＢＣＪ－Ｌ_２の２倍の地震動を対象とする。第１免震部材１１及び第２免震部材３１の許容変位を±１ｍとする（現状、実施されている免震用オイルダンパーの最大級のストロークである）。なお、その最大速度は１５０ｃｍ／ｓｅｃ以下とする（現状、実施されている免震用オイルダンパーの許容最大速度である）。上部建物（建物４）の設計目標は、修復可能な変形レベルとする。本例では鋼構造であれば最大層間変形角１／７５以下で、残留層間変形角１／９０以下、全体残留層間変形角１／２００と設定する。壁付きフレームのＲＣ造であれば修復限界Ｉ（最大層間変形角１／１５０以下、全体層間変形角１／１８０以下）、あるいは修復限界ＩＩ（最大層間変形角１／１００以下、全体層間変形角１／１３０以下）に留めるものとする。（参考：「鋼構造性能設計ガイドライン」日本建築学会、２００５、「鉄筋コンクリート造建物の耐震性能評価指針(案)・同解説」日本建築学会、２００４）

図２に示す免震建物群１０を対象とする。都市空間における１街区を想定する。その規模は１５０ｍ×２００ｍ、１０階～４２階建ての６棟の免震構造物からなる。各建物４の想定を表１に示す。

建物４の解析モデル諸元については、剛性分布を台形分布(最上層の剛性：最下層の剛性＝０．３：１)とした剪断棒モデルとし、剛性値を固有周期により決定する。非線形特性は学術文献（杉野ほか：大振幅地震動に対する超高層建物の応答、シンポジウム大振幅地震動に対する設計と地震対策の最新動向、日本建築学会近畿支部、２０１７）を参考に設定にする。免震基礎を含む階の質量は基準階の２倍としている。上部建物（建物４）の総質量は２．０９５×１０^５ｔｏｎ、基礎部の総質量は１．２×１０^５ｔｏｎである。

入力地震動はセンター波ＢＣＪ－Ｌ_２の原波及び原波×２倍（Ｌ_３）を用いるものとする。その応答スペクトルを図３に示す。なお、ｈは減衰（減衰定数）を表している。

設計方法は、図４に示すとおりであり、以下の手続きとする。各上層建物（建物４）を６つの１質点、下部架構（人工地盤２）を１質点とした場合の諸元を表２に示す。上層建物（建物４）の多質点系の諸元は省略する。

免震層の設定では、図４（ａ）に示すように、上部建物（建物４）の総質量を１点にまとめ（ｍ_２＝２．１ｅ５ｔｏｎ）、下部架構（人工地盤２）を１点（ｍ_１＝１．２ｅ５ｔｏｎ）とした２質点系を想定する。上部建物（建物４）でもっとも周期の長い２．８６秒を免震化した場合を想定して、３秒を加えて５．８６秒を、当該２質点系の1次固有周期Ｔとする。２質点系の各層の１次モードベクトルが、ｕ_２＝２×ｕ_１となるように（ただし、ｕ_２：２階の振幅、ｕ_１：１階の振幅）、各層の剛性を設定する。剛性は下式（１）による。

式（１）において、Ｋ１は下部架構の剛性であり、Ｋ２は上部建物の剛性である。

なお、上式（１）はモードベクトルを指定した際の層剛性の陽な表現（辻ほか：複数の免震層を有する多段免震構造の地震応答特性、日本建築学会構造系論文集Ｎｏ７０５、２０１４）を参考にした。

２質点系の１層の変位は１質点系の変位の６割程度、１層の免震層の許容変位を１ｍとすれば、変位応答スペクトルは１ｍ／０．６＝１．６ｍ（１．６倍）まで許容できる。図３（ｃ）によると、周期５．９秒、減衰２０％の変位応答スペクトルは約５２ｃｍ、Ｌ_３には１０４ｃｍ程度となり、１６０ｃｍを十分下回る。

同様に、１層の免震層の許容速度を１５０ｃｍ／ｓｅｃとすれば、速度応答スペクトルは１５０ｃｍ／ｓｅｃ／０．６＝２５０ｃｍ／ｓｅｃ（１．６倍）まで許容できる。図３（ｂ）によると、最大速度周期５．９秒、減衰２０％の速度応答スペクトルは約８３ｃｍ／ｓｅｃ、Ｌ_３時には１６６ｃｍ／ｓｅｃ程度となり、２５０ｃｍ／ｓｅｃを十分下回る。

同様に、図３（ａ）によると周期５．９秒、減衰２０％の加速度応答スペクトルは約６５ｃｍ／ｓｅｃ^２（ｇａｌ）、Ｌ_３時には１３０ｃｍ／ｓｅｃ^２（ｇａｌ）程度となる。これは上部構造全体を一質点と見なしたときのベースシアが０．１３であること、実際は多質点系であり、各棟のベースシアはこれを上回る可能性があることを意味する。このことから、表1に示したとおり、ＲＣ造のＤ棟とＦ棟を剛強な壁付きフレームとしている。

以上より、減衰をｈ＝２０％に設定する。免震層の減衰は１層の場合の減衰係数を、2層に分ける際には剛性に比例させて与える。すなわち、下式（２）になる。

式（２）において、Ｃ１は下部架構の減衰係数であり、Ｃ２は上部建物の減衰係数である。

図４（ｂ）に示すように、上部１点に設定された免震層の諸元を、６棟の建物４に質量に比例させて配分する。さらに、図４（ｃ）に示すように、６棟の建物４を多質点系に置き換える。

解析結果については、以下の通りである。
１.固有ベクトル
２質点系及び７質点系（人工地盤２と１質点系の各建物４）の１次固有ベクトルを図５に示す。各層の振幅は一致しており、基礎免震の場合の免震層の変形を、ほぼ等分に２層に分割できている。

表３は、Ｌ_２入力の場合の免震層変位である。表４は、Ｌ_３入力の場合の免震層変位である。

２．地震応答解析
・Ｌ_２入力の場合、表３に示すように、下層の免震層の変位が３３ｃｍ、上層建物（建物４）の免震層の変位が２９ｃｍ～３１ｃｍとなっている。図６に示すように、上層建物（建物４）の層間変形角は１／２００以下である。
・Ｌ_３入力の場合、表４に示すように、下層の免震層の変位が６５ｃｍ、上層建物の免震層の変位が５７ｃｍ～６３ｃｍ、最大速度は１００ｋｉｎｅ程度となっており、従来の免震部材の性能許容値以内である。
・Ｌ_３入力の場合、図７に示すように、建物４の層間変形角はＥ棟（Ｓ造）で１／１５０、Ｄ棟、Ｆ棟（壁付きＲＣラーメン）で１／１８６で、設計目標を満足している。

以上、本実施形態によれば、低層から高層建物が密集した都市空間に対して、巨大地震に対し倒壊などの致命的な被害を防止し、巨大地震に対しても修復可能な高い耐震性を付与することができることが分かる。

このように構成された免震建物群１０では、地震の際には、第１免震層１と、第２免震層３を概ね同位相で、同程度変形させるように、上記の設計方法を用いて調整する。これにより、各層の第１免震部材１１及び第２免震部材３１の変形・速度の許容範囲を超えることなく、巨大地震に対処することができる。よって、低層から高層建物が密集した都市内の街区を対象として、巨大地震に対し倒壊等の致命的な被害を抑制し、修復可能な応答レベルに止める高い耐震性を有することができる。

また、建物４を耐震構造及び制振構造のいずれかとすれば、建物４の耐震性、制振性を高めることができる。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…第１免震層
２…人工地盤（第２地盤）
３…第２免震層
４…建物
１０…免震建物群
１１…第１免震部材
３１…第２免震部材

Claims

第１地盤上に設置された第１免震部材と、該第１免震部材に支持された第２地盤と、該第２地盤上に設置された第２免震部材と、該第２免震部材に支持された複数の建物と、を備えることを特徴とする免震建物群の設計方法であって、
応答スペクトルで定義された地震から、前記第１免震部材及び前記第２免震部材の性能の１．６倍程度を限度として、目標の周期と減衰定数を決定し、
前記複数の建物の質量を集約し１質点とみなし、前記第２地盤の質量と２質点系を構成し、１次振動モードの振幅が等しく、目標の周期と減衰を与えるように剛性と減衰を調整し、
調整された前記建物の剛性と減衰を、各前記建物の質量に比例させて配分することで、前記第１免震部材が配置される免震層及び前記第２免震部材が配置される免震層の諸元を決定することを特徴とする免震建物群の設計方法。
前記建物は、耐震構造及び制振構造のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の免震建物群の設計方法。