JP5234432B2 - 制振構造 - Google Patents
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Description
このため、1階部分に耐震性能を確保させるためのブレースや耐震壁を追加したり、柱断面を増加することが行われるが、その場合はピロティ形式本来の利点が損なわれるし、建築計画を阻害する要因となり意匠性も損なうものとなり、好ましくない。
また、既存のピロティ形式の建物に対する耐震補強策としても同様にブレースや耐震壁を増設することが一般的であり、耐震性は向上するものの使い勝手を低下させてしまうという問題を生じる。
そのため、ピロティ形式の建物の長所を損なうことなくその耐震性を充分に確保し得る有効適切な構造が求められている。
特に、付加ラーメン架構による付加バネと慣性質量ダンパーとによる付加質量とによりTMD機構として機能する応答低減機構を構成するので、大きな慣性質量を軽量な回転錘で実現でき、構造体への負荷を軽減でき、風や交通振動のような小振幅だけでなく大地震時の応答低減にも効果的となる。
すなわち、1階の柱1aの内側には若干の間隔をおいて付加柱2aが設置され、それら付加柱2aの上端間には2階の梁1bの下方にそれとは若干の間隔をおいて付加梁2bが横架されている。この付加ラーメン架構2は主体構造1としてのラーメン架構に対して構造的には独立していてそれらは異なる振動特性により独立に挙動するものであり、したがってそれらの間には水平方向の相対変位および相対振動が生じるものとされている。
すなわち、図1(b)に振動モデルとして示すように、上記の制振機構3は慣性質量ダンパー4と付加減衰要素5とが並列に設置された構成とされており、また上記の付加ラーメン架構2は制振機構3に対して直列に設置された付加バネとして機能するものであり、これらにより構成される付加振動系の固有振動数を主振動系としての主体構造1の1次固有振動数に同調させるように各諸元を設定することによって、この付加振動系がTMD
(Tuned Mass Damper)機構と同様の応答低減機構として機能して主振動系としての主体構造1(すなわちこの建物全体)の振動を有効を低減させ得るものとなっている。
また、上記の制振機構3における付加減衰要素5としてはオイルダンパーや粘弾性ダンパー、あるいは鋼材ダンパーや摩擦ダンパー等、任意の形式のものが採用可能であるが、中小地震から制振機能を発揮するためには特に粘性系ダンパー(オイルダンパーや粘弾性ダンパー)が好適に採用可能である。
また、制振機構3としては上記実施形態のように適宜の慣性質量ダンパー4と適宜の付加減衰要素5とを並列に組み合わせて構成すれば良いが、あるいは慣性質量ダンパー4として減衰コマ等の減衰要素を備えた形式のものを用いる(つまり慣性質量ダンパー4自体が付加減衰要素5の機能も兼ね備える)ことでも良く、その場合には他に格別の付加減衰要素5を設けることはない。また、付加減衰要素5を省略可能な場合には制振機構3を慣性質量ダンパー4のみで構成することでも良い。
図2に示すRC造、地上10階建(地上高さ31.2m)、1階がピロティ階、1次固有周期が0.98秒の集合住宅建物を対象とし、そのピロティ階である1階(層剛性1000kN/mm)に対して、図1に示したような付加ラーメン架構2および制振機構3を桁行方向に設置する場合について、図3に示す4ケースの比較検討を行う。
解析は構造物の非線形性を無視した線形応答解析とし、減衰は1次に対して5%の振動数比例型(弾性)とする。
検討用の地震動は高層評定で一般的に使用されている建築センター波L2(356gal)と、El Centro-NSを50kineに基準化した地震波(510gal)の2つとする。
〈Case-1〉従来型の耐震構造:ダンパーなし。
〈Case-2〉従来型の制振構造:1階にブレース10と直列したオイルダンパー11を設置し、そのオイルダンパー11の減衰係数c0=800kN/kineとする(1台あたり100kN/kineを8台設置)。
〈Case-3〉本発明の制振構造:1階に付加ラーメン架構2および制振機構3を設置する(ブレースや耐震壁なし)。付加ラーメン架構2の水平剛性(付加バネ)k0=200kN/mm(1階の層剛性k(k1)の0.2倍=20%)、 慣性質量ダンパー4による慣性質量Ψ=4000ton(負担力を3MN/台として、Ψ=500ton/台のものを8台設置)、付加減衰要素5としてオイルダンパーを設置し、その減衰係数c0=60kN/kine(負担力を3MN/台として、c0=30kN/kine/台のものを2台設置)とする。
〈Case-4〉比較例:Case-3の付加ラーメン架構2に対し、制振架構3に代えてCase-2のオイルダンパー11(c0=800kN/kine)を設置する(Case-2におけるブレース10をCase-3の付加ラーメン架構2に変更したものに相当する)。
図4に示すように、本発明の制振構造(Case-3)では、ブレースや耐震壁を設けずに比較的柔(主体構造の層剛性の20%)な付加ラーメン架構を設けるだけであり、しかも減衰係数が従来の制振構造(Case-2)の場合の1/10以下(Case-2の場合の800kN/kineに対して、Case-3では60kN/kine)にもかかわらず、それと同等の性能を発揮している。
一方、ブレースおよび慣性質量ダンパーを用いない比較例の場合(Case-4)では、本発明の制振構造(Case-3)の10倍以上の減衰を付与しても大きな応答低減効果が望めないことがわかる。
したがって、本発明の制振構造によれば、建築計画を阻害するブレースや耐震壁を用いずとも耐震性能を確保した軽快なピロティ形式を構築できる。
図5に示すように、本発明の制振構造(Case-3)では、ブレースや耐震壁がなく、しかも減衰係数が従来の制振構造(Case-2)の場合の1/10以下にも拘わらず、それと同等の性能を発揮している。
また、1階(ピロティ階)だけに制振機構を設置しているにもかかわらず、各階の応答が3〜4割低減しており、柔層となるピロティ階の層間変形角も1/100程度以下に納まっている。
なお、オイルダンパーの負担力はCase-2で22MN、Case-3で5MNなので、1台当たりの負担力は3MN以内となり、設定した台数で充分である。
ダンパーのストロークはCase-2で38mm、Case-3で130mmなので、通常の制振・免震用のダンパーで充分対応できる範囲である。
(1)ピロティ階に建築計画や使用勝手を阻害するブレースや耐震壁を設けずとも、耐震性能を充分に確保した軽快なピロティ形式の建物を構築できる。
(2)付加ラーメン架構と制振機構により応答低減機構としての付加振動系を構成し、かつその付加振動系が慣性質量ダンパーを用いたTMD機構を構成するので、大きな慣性質量(付加質量)を軽量な回転錘で実現でき、構造体への負荷を軽減できる。従来のTMD機構では錘質量を構造物の1〜2%程度しか与えることが現実的にできなかったが、本発明によれば10%以上でも比較的容易に実現できる。そのため、風や交通振動のような小振幅だけでなく大地震時の応答低減にも効果的となる。また、従来一般のTMD機構と比較して錘質量を大きくできるため応答低減する振動数範囲は広く、正確な同調がなされていなくても応答低減効果を保持できるため同調はラフでよい(ロバスト性が高い)。
すなわち、ピロティ階に耐震壁やブレースを設けることは意匠性を損なうため耐震壁やブレースに代えてラーメン架構による耐震要素を追加することが好ましいが、単なるラーメン架構は耐震壁やブレースに比較して剛性を確保し難いので、それにダンパーを設けてもラーメン架構の変形によるロスが生じて層間変位の一部しかダンパーに作用せず、したがって充分なる制振効果を期待できない場合が多い。
それに対し、本発明はラーメン架構の変形ロスを積極的に活用してそれを付加バネとして機能させるものであり、付加ラーメン架構の水平剛性を慣性質量ダンパーによる慣性質量と関連づけて適正に設定することによってそれらの協働作用によって優れた制振効果を得るものであるといえる。
(5)従来一般のピロティ構造は柱梁に充分な耐力を付与することで耐震性を確保していたが、その場合には大きな応答加速度や変位を免れない。本発明は剛性の小さいピロティ階に応答低減機構を組み込むことで効果的に大きな減衰性能を付与し、建物の応答を低下させるものであるから、地震時の応答加速度や応答変位を低下でき、居住性を向上させることができる(建物内で揺れが小さくなり、家具や設備の転倒落下が軽減し、居住者の恐怖心も減る)。
(6)慣性質量効果を利用した応答低減機構であるので、制振ダンパーとして一般的な鋼材ダンパーのように鋼材が降伏してから効果を発揮するものとは異なり、微小振幅から効果を発揮できる。
(7)構造物の共振による応答増大を防止する構造であり、共振点近傍での応答変位・反力を大きく低減することができ、地下基礎部の負担軽減や浮き上がり防止にも効果的である。
(8)通常の粘性系や履歴系の制振ダンパーと併用することも可能であり、それにより応答低減効果を更に高めることが可能である。
これは付加ラーメン架構2を上記実施形態とは天地を逆にして2階の梁1bから吊り下げた形態で設置して主体構造1と一体に挙動させることにより、ピロティ階の床面に対して独立に挙動するようにしたうえで付加ラーメン架構2の付加梁2bとピロティ階の床面(実質的には基礎を介して地盤)との間に制振機構3を介装するものであり、これによっても上記実施形態と同様の効果が得られる。
これは付加ラーメン架構2を主体構造1の架構の内側(構面内)に設置せずにそれら相互の間に設置し、制振機構3を上階の小梁(ないし床)との間に設置するようにしたものであり、この場合には付加柱2bの間隔を柱1bの間隔と同等に確保できるから、開口幅が主体柱の内のり寸法となる。このように付加ラーメン架構はピロティ階の平面計画や使用勝手を考慮して最適配置すれば良い。
1a 柱
1b 梁
2 付加ラーメン架構
2a 付加柱
2b 付加梁
3 制振機構
4 慣性質量ダンパー
5 付加減衰要素
Claims (4)
- ピロティ形式の建物を対象とする制振構造であって、
当該建物の主体構造に対して独立に挙動して付加バネとして機能する付加ラーメン架構をピロティ階の床面上に設置して、該付加ラーメン架構と主体構造との間に慣性質量ダンパーを備えた制振機構を介装することにより、それら付加ラーメン架構と慣性質量ダンパーとによって応答低減機構として機能する付加振動系を構成し、
前記付加ラーメン架構の水平剛性k0と前記慣性質量ダンパーの慣性質量Ψとにより定まる付加振動系の固有振動数f0を、主振動系としての主体構造の1次固有振動数f1に同調させたことを特徴とする制振構造。 - ピロティ形式の建物を対象とする制振構造であって、
当該建物の主体構造と一体に挙動するとともにピロティ階の床面に対して独立に挙動して付加バネとして機能する付加ラーメン架構をピロティ階に設置して、該付加ラーメン架構とピロティ階の床面との間に慣性質量ダンパーを備えた制振機構を介装することにより、それら付加ラーメン架構と慣性質量ダンパーとによって応答低減機構として機能する付加振動系を構成し、
前記付加ラーメン架構の水平剛性k0と前記慣性質量ダンパーの慣性質量Ψとにより定まる付加振動系の固有振動数f0を、主振動系としての主体構造の1次固有振動数f1に同調させたことを特徴とする制振構造。 - 請求項1または2記載の制振構造であって、
前記制振機構に前記慣性質量ダンパーと並列に付加減衰要素を備えたことを特徴とする制振構造。 - 請求項1,2または3記載の制振構造であって、
前記付加ラーメン架構の水平剛性k0を、主体構造のピロティ階の層剛性k1の0.05〜0.30倍の範囲に設定したことを特徴とする制振構造。
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