JP2010281171A - 制振補強構造を有する建物および制振補強方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 地震時の振動エネルギーを有効に吸収し、同時に柱の軸圧縮力を過大にしない
【解決方法】 左右の柱と上下の梁からなるフレームにおいて、一端が前記上下の梁の一方に支持され他端が他方の梁方向に伸びるブレースを設け、該ブレースの他端と前記他方の梁との間にダンパーを介在させて前記上下の梁の相対水平変位によってダンパーを作動させる制振補強構造を有する建物であって、前記ダンパーは所定以上の変形領域においては、変形増大する方向の速度に対する反力が変形が減少する方向の速度に対する反力よりも小さいことを特徴とする建物。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制振補強構造を有する建物および制振補強方法に関するものであり、より詳細には、左右の柱と上下の梁からなるフレームにおいて、一端が前記上下の梁の一方に支持され他端が他方の梁方向に伸びるブレースを設け、地震時の揺れ（建物の変形）を低減すると同時に既存柱梁の補強を必要としないよう、該ブレースの他端と前記他方の梁との間にダンパーを介在させた制振補強構造を有する建物および当該制振補強構造を用いた制振補強方法に関するものである。

特開２００４−２０４４５４号公報（特許文献１）は、特に柱を太くしなくても、風などによりラーメンに作用する周波数の比較的低い振動を抑制可能な制振方法および制振装置を提供し、ラーメンを採用する構造物の建設コストを向上することを目的として、任意の１つ以上のラーメン毎に、１つ以上の所定のクラッキング圧で開放動作するリリーフ弁のみを備えたダンパと、１つ以上のピストン速度に依存する減衰力を発生するダンパを配設して構造物の振動を抑制する方法を開示するものである。当該発明によれば、風荷重に対してはブレースそのもののように高い剛性を発揮し、地震荷重に対しては通常のオイルダンパーと同じように減衰力を発揮する旨が主張されている。しかしながら、特許文献１に記載された発明によった場合には、地震時に大きな減衰効果を期待すると、ダンパ反力によって既存の柱に大きな軸圧縮力が作用することになり、既存の柱に作用する軸圧縮力を低減しようとすると十分な減衰力を期待することができないという課題がある。

特開２００６−１８３２５０号公報（特許文献２）は、各層の既存柱の部材断面補強することなく、既存骨組構造体を制震装置によって耐震補強することができる建物および建物に制震構造部を配設する耐震補強方法を提供することを目的とする。そのために特許文献２は、既存骨組構造体に制震構造部を配設する耐震補強構造を有する多層の建物であって、耐震補強構造は、既存骨組構造体の相対向する既存柱とこれらの既存柱間に横架される上下の既存梁とによって囲まれた開口部に制震構造部を配設して構成され、制震構造部は、ダンパを備えた補強骨組部によって構成され、ダンパは、所定の減衰力・減少開始変形点とストロ−クエンドとの間の変形領域において、変形が増加するにつれて減衰力が所定の減衰力・減少勾配で漸減するダンパ復元力を構成し、制震構造部が連結している既存柱に作用する柱付加軸力を軽減することによって、既存柱は、補強後においても、無・柱耐力補強構造を構成する構造物を提案する。しかし、特許文献２によった場合、ブレースの取り付け位置については格別な配慮が払われておらず、ブレースの端部は柱梁接合部に接続されることが前提とされている。この方法によった場合には、ブレースの取り付け部近傍の詳細が複雑になり、かつ、既存建物に対しする制振補強としてブレースを取り付ける場合には、柱と梁それぞれの躯体を覆う床、耐火被覆や仕上げ材を取り除く工事が必要になるという問題がある。

特開２００７−１２６８３０号公報（特許文献３）は、既存のスラブ・デッキを取り除く必要が無く、施工が容易であるとともに、溶接作業やそれに起因する付帯作業を無くすことが可能になる鉄骨造の既存建物への間柱の設置構造を提供するものである。特許文献３によれば、間柱の上下端部にベースプレートを一体的に設け、上下の梁の上下部フランジ間に複数本の補強部材を介装するとともに、上端側のベースプレートの孔部と、上階の間柱の下端側ベースプレートの孔部とにスラブに穿設した孔部を通して緊張材を挿通して定着具により固定し、かつ下端側のベースプレートの孔部と下階の間柱の上端側ベースプレートの孔部とにスラブに穿設した孔部を通して緊張材を挿通して定着具により固定する構造を開示している。特許文献３においては、その構造上ブレースを用いることはできないのみならず、ダンパーの反力特性が既存柱の軸力および建物の地震応答に与える影響については全く開示も示唆もされていない。

特開２００４−２０４４５４号公報 特開２００６−１８３２５０号公報 特開２００７−１２６８３０号公報

本発明は、従来技術が有する上記の課題を解決することを目的としたものであって、地震時の建物変形を有効に低減することができ、かつ、既存建物にも容易に提供することができる制振構造を有する建物あるいは制振構造を提供することを課題とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、左右の柱と上下の梁からなるフレームにおいて、一端が前記上下の梁の一方に支持され他端が他方の梁方向に伸びるブレースを設け、該ブレースの他端と前記他方の梁との間にダンパーを介在させて前記上下の梁の相対水平変位によってダンパーを作動させる制振補強構造を有する建物であって、
前記ダンパーは所定以上の変形領域においては、変形増大する方向の速度に対する反力が変形が減少する方向の速度に対する反力よりも小さいことを特徴とする建物を提供する。

本明細書においてブレースとは、斜め方向に伸びる部材を有する構造を指すものとする。所定の変形領域以下ではダンパーの反力は変形が増大する方向であっても減少する方向であっても相違は無く、基本的に変形速度に比例するが（ただし、比例とは数学的に厳密な意味で比例する場合だけでなく、建物の動的挙動を理解するうえでダンパー反力が変形速度に比例すると単純化して差し支えない場合を広く含むものとする）、所定以上の変形領域では、ダンパーの反力は、速度の絶対値が同じであっても、変形が増大する方向の速度と変形が減少する方向の速度とでは異なり、前者の反力は後者の反力よりも小さい。

このような反力特性のダンパーを用いることによって、地震時に既存の柱に加わる軸方向力が過大にならないよう（柱の軸力が許容軸圧縮力を超えないよう）にすると同時に、大きな減衰力を確保することができる。すなわち、変位が増大している時点のダンパー反力は、地震荷重として大きな軸圧縮荷重を受けている柱に対してさらに軸圧縮力を付加する方向に作用するため、地震荷重による柱軸圧縮力とダンパー反力による柱軸圧縮力との合計が柱の許容圧縮力を超えない必要が有るのに対して、変位が減少している時点のダンパー反力は、地震荷重として大きな軸圧縮荷重を受けている柱に対して軸圧縮力を相殺する方向に作用するため、大きなダンパー反力が発生することは柱の軸圧縮力の観点から何ら障害にならないからである。

前記ダンパーは、所定の速度未満における反力−速度の係数Ｃ１が、当該所定の速度以上における反力−速度の係数Ｃ２よりも大きいバイリニアであることが好ましい。

本明細書に置いて反力−速度の係数とは、反力の速度微分値、換言すれば、反力（縦軸）−速度（横軸）グラフにおける勾配である。所定の速度未満における反力−速度の係数Ｃ１が、当該所定の速度以上における反力−速度の係数Ｃ２よりも大きいバイリニアであることによって、風荷重のようなゆっくりとした荷重および変形に対して大きな減衰を有し、地震荷重のような大きく速度の大きい荷重に対しては反力が過大にならない建物を実現することができる。

ブレースは上端が上の梁の下部に固定され、下端が下の梁近傍に位置するＶ字状のブレースであり、前記ダンパーは本体がブレース下端部に固定され、ピストンが下の梁に設けられた直立部材に固定されたオイルダンパーであるのが好ましい。

ブレースの上端を梁の下部に固定するには、前記梁の上下に設けられ、梁を上下方向から押圧するように相互にボルトとナットで締め付けられた上下のベースプレートを介して行うことができる。ボルトとナットは、梁のフランジの近傍、外側でベースプレーをと梁に押圧力するものであるのがよいが、ボルトはフランジを貫通してもよい。その際、梁の上面には１枚のベースプレートを当て、下端にはＶ字状ブレースの上端部それぞれにやや小さめのベースプレートを当てるようにすれば、梁が中央部付近でつなぎ目があったとしても、これと干渉せずにブレースを設けることができる。

前記建物が超高層建物である場合、前記制振補強は平面視において同一の位置に、建物の上下に連続して設けるのが好ましい。特に、地震時に励起される変形モードにおいて層間変位が大きくなる階（複数階）に制振補強を連続して上下に設けるのが有効である。

また、本発明は、左右の柱と上下の梁からなるフレームにおいて、一端が前記上下の梁の一方に支持され他端が他方の梁方向に伸びるブレースを設け、該ブレースの他端と前記他方の梁との間にダンパーを介在させて前記上下の梁の相対水平変位によってダンパーを作動させる制振補強を設ける既存建物の制振補強方法であって、
前記ダンパーは所定以上の変形領域においては、変形拡大する方向の速度に対する反力が変形が減少する方向の速度に対する反力よりも小さいことを特徴とする方法を提案する。

さらに、前記ダンパーは、所定の速度未満における反力−速度の係数Ｃ１が、当該所定の速度以上における反力−速度の係数Ｃ２よりも大きいバイリニアであることが好ましい点は前記建物について記載した通りである。

本方法においても、前記ブレースは上端が上の梁の下部に固定され、下端が下の梁近傍に位置するＶ字状のブレースであり、前記ダンパーは本体がブレース下端部に固定され、ピストンが下の梁に設けられた直立部材に固定されたオイルダンパーであるのが好ましい。

また、建物は超高層建物である場合に、前記制振補強は平面視において同一の位置に、建物の上下に連続して設けるのが好ましい。

図１は、本発明に基づく制振補強構造を含む建物の柱梁躯体を示す模式図である。 図２は、ダンパーの速度反力特性（バイリニア特性）を模式的に示す図である。 図３は、ダンパーの変位反力特性を模式的に示す図である。 図４は、高層建物における制振補強構造の配置を示す立面図である。 図５は、本発明に基づく建物の地震応答解析結果を示すグラフである。

以下に、実施例に基づいて本発明の具体的な態様を説明するが、実施例は発明の理解を助けるために記載するに過ぎないものであるから、本発明は以下に記載する実施例に限定されるものではないことはいうまでも無い。

図１は、本発明に基づく制振補強構造を含む建物の柱梁躯体を示す模式図である。Ｖ字状のブレース５０の上端部は、梁の上下フランジの近傍、外側で上下のベースプレート４０を貫通するボルト３０によって、梁下面に設けたベースプレート４０と共に、梁に固定されている。梁２０の上面にはコンクリートスラブが設けられており、ボルト３０の上端部は、コンクリートスラブの上面に載置されたベースプレートを介してコンクリートスラブに固定されている。ブレース５０の下端部には垂直方向に伸びるダンパー支持板６０が接合され、これにオイルダンパー９０の胴部が固定されている。オイルダンパーオイルダンパー９０のピストンロッドはコンクリートスラブの上面に載置されたベースプレート８０に固定されたダンパー支持板７０に固定されている。すなわち、上部の梁２０と下部の梁との間の水平方向の層間変位が、オイルダンパー９０のピストンロッドを動かす構造である。

図１に示した構造では、上下の梁が、中央位置で継ぎ手によって継がれている。図１に示した構造の場合、Ｖ字状のブレースを用いているので、Λ字状のブレースの場合とは異なり、梁の継ぎ手部分と制振補強構造との干渉を避けることができる。すなわち、Ｖ字状のブレースの上端部は、左右それぞれのベースプレート４０を介して上梁に取り付けられているために梁の継ぎ手部とは干渉しない。Ｖ字状のブレースの下端部近傍に設けられたベースプレート８０は、柱と柱の間にわたってほぼ幅一杯に延びているが、当該ベースプレート８０と下梁との間にはコンクリートスラブが存在するために、ベースプレート８０と梁の継ぎ手は干渉しない。

ダンパー９０の本体（胴部）はブレースの下端部に設けられたダンパー指示板６０に固定され、ダンパーのピストンロッドの先端は、ベースプレート８０に固定されたダンパー支持板７０に固定されている。

図２は、ダンパー９０の変形速度と反力（荷重）の関係を模式的に示す図である。反力−速度の係数は、速度がＶｒ未満ではＣ１であり、速度がＶｒ以上ではＣ２である。Ｃ１＞Ｃ２の関係を有するバイリニアである。ダンパー９０は、速度が小さい範囲での反力は、速度の割りに大きく、速度が大きい範囲での反力は速度の割りに小さい。
表１は、このようなダンパー特性の一例を示すものである。

図３は、一定振幅で振動する、時間の関数としては正弦波状の変形を与えた場合のダンパーの反力を模式的に示す図である。変形が小さい範囲では、反力Ｆがほぼ一定である。変形が大きい範囲では、変形が増大する方向と変形が減少する方向で、反力の大きさが顕著に異なるのが特徴的である。すなわち、ダンパーの反力特性は、基本的には（変形が小さい範囲では）速度に比例するが、変形が大きい範囲では、同一の変形速度であっても、変形が増大する方向に速度を有する際のダンパー反力は、変形が減少する方向に速度を有する差異のダンパー反力よりも顕著に小さい。ダンパーのこのような反力特性は、例えば、ピストンが摺動する胴部内面の、変形が大きい範囲に相当する位置に溝を設けて大変形時の粘性抵抗を低減し、あわせて、一方向バルブを用いることで、変形が増大する方向にある際には上記溝を通るオイルの流れを許容するが、変形が減少する方向にある際には当該溝を通るオイルの流れを遮断する構造によって実現することができる。

図４は、本発明に係る制振補強構造を超高層建物（本明細書では、３０階または１００ｍを越える建物を超高層建物と称することにする）に適用した場合の、制振補強構造の配置位置を示す立面図である。１階から３０階まで全階に制振補強構造が設けられている。本発明に基づく制振補強構造は、変形が大きくなる位置に設けてもよいし、層間変位が大きくなる階を中心に上下に連続して設けてもよい。もちろん、本発明に基づく制振補強構造は３階から１０階および１５階から２２階のように２つまたは３つ以上の連続階に分けて設けてもよいことは言うまでもない。

制振補強構造の超高層建物内の配置は、構造的にバランスよくは位置されていれば特に特定の位置である必要は無く、平面視で長手方向または短手方向あるいは両方向に配置することができることはいうまでもない。

図８は、本発明に係る制振補強構造を設けた建物と当該制振補強構造を有しない建物の地震応答（最大層間変形角）を示すものである。グラフにおいて最も右側の線が制振補強構造を有しない場合であり、右から２番目の線が制振補強構造を設けた建物の地震応答である。図から明らかなように、本発明に係る制振補強構造を設けることによって、地震時の最大層間変形角が低減される。

１０ 柱
２０ 梁
３０ ボルト
４０ ベースプレート
５０ ブレース
６０ ダンパー支持板
７０ ダンパー支持板
８０ ベースプレート
９０ オイルダンパーオイルダンパー

Claims (5)

1. 左右の柱と上下の梁からなるフレームにおいて、一端が前記上下の梁の一方に支持され他端が他方の梁方向に伸びるブレースを設け、該ブレースの他端と前記他方の梁との間にダンパーを介在させて前記上下の梁の相対水平変位によってダンパーを作動させる制振補強構造を有する建物であって、
   前記ダンパーは所定以上の変形領域においては、変形増大する方向の速度に対する反力が変形が減少する方向の速度に対する反力よりも小さいことを特徴とする建物。
2. さらに、前記ダンパーは、所定の速度未満における反力−速度の係数Ｃ１が、当該所定の速度以上における反力−速度の係数Ｃ２よりも大きいバイリニアであることを特徴とする請求項１に記載の建物。
3. 前記梁の上下に設けられ、梁を上下方向から押圧するように相互にボルトとナットで締め付けられた上下のベースプレートを備え、
   前記ブレースは、前記ベースプレートを介して梁に支持された、前記請求項１または２に記載の建物。
4. 左右の柱と上下の梁からなるフレームにおいて、一端が前記上下の梁の一方に支持され他端が他方の梁方向に伸びるブレースを設け、該ブレースの他端と前記他方の梁との間にダンパーを介在させて前記上下の梁の相対水平変位によってダンパーを作動させる制振補強を設ける既存建物の制振補強方法であって、
   前記ダンパーは所定以上の変形領域においては、変形拡大する方向の速度に対する反力が変形が減少する方向の速度に対する反力よりも小さいことを特徴とする方法。
5. さらに、前記ダンパーは、所定の速度未満における反力−速度の係数Ｃ１が、当該所定の速度以上における反力−速度の係数Ｃ２よりも大きいバイリニアであることを特徴とする請求項４に記載の方法。

Images