JP5316850B2

JP5316850B2 - 免震構造

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Publication number: JP5316850B2
Application number: JP2008236408A
Authority: JP
Inventors: 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2010070909A

Description

本発明は、免震層に設置した免震装置によって上部構造体を免震支持する免震構造に関する。

周知のように、免震構造はたとえば特許文献１に示されているように免震ピットに設置した積層ゴム等の免震装置によって上部構造体の全体を免震支持する構造であって、建物の耐震性能を大きく向上させることができるものである。
この種の免震構造では免震層における水平変形が50cm程度とかなり大きなものとなることから、特許文献１においては過大な水平変位を拘束するための装置を設置しているが、いずれにしても水平変位に対応するために免震ピットに大きな免震クリアランスを確保する必要があるし、配管類に変形対応のジョイントを設ける必要もある。また、地面や隣接建物と接続する部分（渡り廊下やエキスパンションジョイント）においては免震層の変形に対応したディテールが求められ、そのためにかなりのコストアップの要因となるし、敷地いっぱいに建物を構築する場合にも免震クリアランスを確保する分だけ建物をセットバックする必要がある。以上のことが新築建物に対する免震構造の採用や既存建物に対する免震化の採用を阻む大きな要因となっており、必ずしも広く普及するに至っていない。

このような免震構造においては免震層における減衰を大きくすることで水平変位を抑制できることが知られており、そのようないわゆる変位抑制型免震構造の例として、免震層に慣性質量を利用したＤＭダンパー（慣性接続要素）を免震装置と並列に設置する構造が非特許文献１〜２において発表されている。
特開平９−１０５２４７号公報秦ほか「ＤＭ効果を利用した免震システムに関する基礎的研究（その１ＤＭＶダンパーの性能試験）」日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）2007年8月 p.1041〜1042 秦ほか「ＤＭ効果を利用した免震システムに関する研究（その２ＤＭを有する免震システムの開発）」日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）2007年8月 p.1043〜1044

しかし、免震層における減衰を単に大きくするという従来の変位抑制型免震構造、たとえば免震層に対してＤＭダンパーを単に設置するという非特許文献１〜２に示されているような免震システムにおいては、非特許文献２における試験結果から明らかなように応答変位は小さくなるものの応答加速度は逆に大きくなってしまってその点では逆効果となるという問題があった。
つまり、従来の免震構造では、加速度を充分に低減すると変位が大きくなってしまい、変位を抑制すると加速度が増大してしまうという裏腹の関係にあって、加速度と変位の双方を同時に抑制することができないものであった。

上記事情に鑑み、本発明は加速度と変位の双方を同時に抑制することを可能とする有効適切な免震構造を提供することを目的とする。

本発明は、免震層に設置した免震装置により上部構造体を免震支持する免震構造において、前記上部構造体の低層部に、該上部構造体の他の層の層剛性よりも低剛性、かつ前記免震層の層剛性よりも高剛性の柔層を配置し、前記免震層に前記免震装置と並列に回転慣性質量ダンパーと付加減衰を設置し、前記柔層に該柔層の層剛性と並列に回転慣性質量ダンパーと付加減衰を設置したことを特徴とする。

本発明においては、前記柔層の層剛性を、前記上部構造体の他の層の層剛性の１／２以下、かつ前記免震層の層剛性の５倍以上とすることが好適である。

本発明においては、前記免震層に設置する回転慣性質量ダンパーの慣性質量ψ_１を、前記免震装置により免震支持する上部構造体の質量Ｍの０．２〜１．０倍とすることが好適である。

本発明においては、前記免震層に設置する付加減衰の減衰係数ｃ₁を、前記上部構造体の質量Ｍと、該上部構造体が前記免震装置により免震支持されることで定まる固有１次振動数ｆ_１に基づき、それら質量Ｍと固有１次振動数ｆ_１の積ｆ_１Ｍに対して５〜２０倍とすることが好適である。

本発明においては、前記柔層に設置する回転慣性質量ダンパーの慣性質量ψ_２を、前記免震層に設置する回転慣性質量ダンパーの慣性質量ψ_１の０．５〜１．０倍とすることが好適である。

本発明においては、前記柔層に設置する付加減衰の減衰係数ｃ_２を、前記免震層に設置する付加減衰ｃ_１の１〜３倍とすることが好適である。

本発明の免震構造は、免震層において専ら変位を抑制するとともに、上部構造体の低層部にいわばバッファとなる柔層を設けてそこで専ら加速度を抑制するシステムであって、変位と加速度の双方をいずれも低減することが可能である。
したがって本発明によれば、居住性に大きく影響する上部構造体の加速度を従来一般の免震構造と同等にしながら、免震クリアランスに大きく影響する免震層の変位を大幅に低減することが可能であり、また免震層のせん断力も従来一般の免震構造と同等に維持することができるという格別顕著な効果を奏する。

図１は本発明の免震構造の概略構成を示すものである。これは、免震ピット１内に設置した免震装置２（積層ゴムあるいはすべり支承が好適に採用可能である）によって上部構造体３の全体を免震支持するものであるが、免震ピット１には免震装置２と並列に回転慣性質量ダンパー４と付加減衰５とを設置して、それらの全体により構成される免震層６における減衰を従来一般の免震構造（以下、従来型免震構造という）の場合に較べて充分に大きくしたものであり、したがってこれは基本的には免震層６に大きな減衰を持たせることで上部構造体３の変位を抑制するようにしたいわゆる変位抑制型の免震構造（以下、従来型の変位抑制型免震構造という）の範疇に属するものである。

しかし、上述したように従来型の変位抑制型免震構造では、非特許文献１〜２に示される免震システムと同様に、上部構造体３の変位は抑制できても加速度が逆に増大して免震効果が損なわれてしまうことから、本実施形態では上部構造体３の低層部に比較的低剛性の柔層７を設けてそこにも回転慣性質量ダンパー８と付加減衰９を設置し、それにより上部構造体３の加速度の増大を防止しつつ変位を抑制できるものとなっている。
すなわち、本発明では免震層６において専ら変位を抑制するとともに、上部構造体３の低層部にいわばバッファとなる柔層７をさらに設けてそこで専ら加速度を抑制するシステムであり、それにより変位と加速度の双方をいずれもほどよく低減できるものである。

以下、上記各要素の諸元について詳細に説明する。
柔層７の層剛性は免震層６よりは充分に高剛性であるが上部構造体３の他の層の層剛性よりは低剛性とし、具体的には免震層６の層剛性の５倍以上（１０倍程度までとすることが現実的である）とし、上部構造体３の他の層の層剛性の１／２以下とすることが好適である。これにより、柔層７における層間変位は上層階の他の層の層間変位と比較して充分に大きくなる（換言すると上層階の他の層の層間変位は全層にわたり柔層７の層間変位に比較して小さくなる）。
なお、柔層７は上部構造体３の低層部に設ければ良く、したがって柔層７を免震層６の直上に設けることでも良いが、図示例のように地下１階建ての建物では免震層６を地下１階の下部に設け、地下１階を充分に高剛性としたうえで地上１階を柔層７にしても良い。

免震層６に設置する回転慣性質量ダンパー４の慣性質量ψ₁は大きいほど免震層６の応答変位を抑制できるが、過度に大きくすると上部構造体３の応答加速度が高振動数域で増大してしまうから、上部構造体３の質量Ｍ（より厳密には免震層６で支持する質量＝免震層６の上部にある全質量）の０．２〜１．０倍程度、すなわち
ψ₁＝(0.2〜1.0)M
とすることが好適である。

免震層６に設置する付加減衰５の減衰係数c₁は、上部構造体３の質量Ｍと、上部構造体３が免震装置２により免震支持されることで定まる固有１次振動数ｆ_１に基づき、それら質量Ｍと固有１次振動数ｆ_１の積ｆ_１Ｍに対して５〜２０倍、すなわち
c₁＝2h(2πf₁)M＝4πhf₁M＝(5〜20)f₁M
として設定することが好適である。
従来一般の免震構造では減衰定数h＝0.15〜0.2程度とすることが一般的であるが、本実施形態では上記のように設定することによりその数倍の減衰となる。

柔層７に設置する回転慣性質量ダンパー８の慣性質量ψ₂は大きいほど柔層７の層間変位を抑制できるが、過度に大きくするとこれより上部の応答加速度が高振動数域で増大してしまうから、免震層６に設ける回転慣性質量ダンパー４の慣性質量ψ₁と同程度以下としてその０．５〜１．０倍程度、すなわち
ψ₂＝(0.5〜1.0)ψ₁
とすることが好適である。

柔層７に設置する付加減衰９の減衰係数c₂は、層間変位が免震層６の数分の一になることから、免震層６に設置した付加減衰５の減衰係数c₁の１〜３倍程度、すなわち
c₂＝(１〜３)c₁
とすることが好適である。

なお、回転慣性質量ダンパー４，８としては、ボールねじと回転錘（フライホイール）を組み合わせた構成のものが好適に採用可能であり、それにより回転錘の実際の質量の数百倍の慣性質量効果を得ることができる。
また、付加減衰５，９としてはオイルダンパーが好適に採用可能であり、それには負担力が過大にならないようにリリーフ機構（リリーフ弁によりピストン内圧力を頭打ちにしてダンパーの負担力をリリーフ荷重で頭打ちにする機能）を設けることが好ましい。いずれにしても、従来型免震構造においてオイルダンパーを設置する場合にはそのストロークは500〜600mm程度は必要であるが、本実施形態の免震構造では従来型免震構造と比較して変形量が極めて小さいのでオイルダンパーのストロークは200mm程度で済む。

以下、上記実施形態の免震構造の具体的な設計例を示す。
上部構造体３の質量M＝10,000ton、柔層７よりも下層（図示例のような地下階もしくは基礎）の質量m＝1,000ton、免震装置２としての積層ゴムの剛性k＝48kN/mm、柔層７の層剛性K＝240kN/mmの場合において、免震層６に設ける回転慣性質量ダンパー４の慣性質量ψ₁＝5,000ton、免震層６に設ける付加減衰５の減衰係数c₁＝420kN/kine、柔層７に設ける回転慣性質量ダンパー８の慣性質量ψ₂＝5,000ton、柔層７に設ける付加減衰９の減衰係数c₂＝920kN/kine（14MNでリリーフ）とする。この場合の１次固有周期はf₁＝3.78秒である。

上記設計例の免震構造に対する時刻例応答解析の結果を以下に示す。
解析モデルは基礎固定で等価せん断型の振動モデルとし、入力地震動は
(A)建築センター波L2を1.5倍したもの（最大加速度356×1.5＝534gal。継続時間120秒）
(B)HACHINOHE NS を75kineに基準化したもの（最大加速度495gal。継続時間40秒）
の２波とする。
応答解析は架構の非線形を無視した弾性応答解析とする。

上記設計例の他、それとの比較のために、回転慣性質量ダンパー４，８と付加減衰９を省略して付加減衰５のみを有してその減衰係数c₁＝90kN/kineとした従来型免震構造（比較例１）と、同じく回転慣性質量ダンパー４，８と付加減衰９を省略して付加減衰５のみを有してその減衰係数c₁＝420kN/kineとした従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）を併せて示す。これら比較例１，２における１次固有周期は3.0秒である。

図２に入力地震動（A）に対する応答結果を示し、図３に入力地震動（B）に対する応答結果を示す。いずれも(ａ)は最大応答変位、（ｂ）は最大応答加速度、（ｃ）は免震層のせん断力を示す。
なお、図中では、従来型免震構造（比較例１）と従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）に対し、本発明による上記設計例の免震構造を「柔層積層型免震構造」として示している。
また、縦軸の1FLは免震層６の上部基礎レベルを示し、2FLは柔層７の床レベルを示す（柔層のない比較例１，２においては両者は実質的に同レベルである）。
また、免震構造の性能において、免震クリアランスに大きく影響するのは免震層（1FL）の変位であり、居住性に大きく影響するのは上部構造体（2FL）の加速度であり、免震層に作用する力は免震層（1FL）のせん断力であるので、各図にはそれらの比較対象部を破線で囲んで示してある。

図２〜図３に示されている解析結果から、以下のことが分かる。
・従来型免震構造（比較例１）では、（ｂ）に示すように加速度低減効果は大きいものの（ａ）に示すように免震層の変位が大きく出てしまう。
・従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）では、（ａ）に示すように従来型免震構造に較べて変位を大幅に低減できるが、（ｂ），（ｃ）に示すように加速度および免震層のせん断力が大きくなり、免震効果が低減してしまう。
・それに対し、本発明の柔層積層型免震構造では、従来型免震構造における加速度低減効果と、従来型の変位抑制型免震構造における変位低減効果の双方が得られる。
すなわち、免震クリアランスに大きく影響する免震層（1FL）の変位は（ａ）に示すように従来型免震構造（比較例１）に較べて大きく低下して、従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）と同等である。
居住性に大きく影響する上部構造体（2FL）の加速度は（ｂ）に示すように従来型免震構造（比較例１）と同等であって、従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）のように上部構造体における加速度が増大しない。
免震層のせん断力も（ｃ）に示すように従来型免震構造（比較例１）と同等であって、従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）のようにせん断力が増大しない。
なお、2FLでの変位と1FLでの加速度は従来型の変位抑制型免震構造よりも若干増大するが、免震クリアランスや居住性には大きく影響しないので特に問題にはならない。

図４に上記設計例の振動数特性（加速度および層間変位）を伝達関数で示し、そのうち、居住性に大きく影響する２FL（柔層床レベル）の加速度と、免震クリアランスに大きく影響する１FL（免震層上部基礎レベル）の層間変位を、図５（ａ）,（ｂ）に比較例１，２と併せて示す。
図５（ａ）に示されるように、２FL加速度については、本発明では共振域（0.26Hz近傍で0.4Hz以下）において従来型免震構造（比較例１）よりも充分に低減できるし、従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）よりもさらに低減でき、したがって長周期成分が卓越する地震動では加速度特性が従来型のいずれの免震構造より優れることが分かる。なお、短周期成分が卓越する地震動では従来型免震構造よりも加速度が大きくなってしまうが、従来型の変位抑制型免震構造よりは優位である。
図５（ｂ）に示されるように、１FL層間変位については、本発明ではほぼ全振動数域において従来型免震構造（比較例１）および従来型の変位抑制型免震構造（比較例２）のいずれに対しても優位であることが分かる。変位に大きく影響するのは低振動数成分（長周期成分）であるが、この領域では従来型の変位抑制型免震構造とほぼ同程度なので、長周期成分が卓越する地震動では少なくともそれと同程度ないしやや優位である。

本発明によれば、以下に列挙するような優れた効果が得られる。
(1)居住性に大きく影響する上部構造体の加速度は従来型免震構造と同等にしながら、免震クリアランスに大きく影響する免震層の変位を従来型免震構造の場合と比較して1/2〜1/3と大幅に低減できる。従来型の変位抑制型免震構造では免震層の変位を抑制できるが上部構造体の加速度は逆に従来型免震構造より大幅に大きくなってしまうが、本発明によればそのような問題はなく、変位と加速度の双方を同時に低減できる。
また、免震層の変位を従来型の変位抑制型免震構造と同等に低減しつつ、免震層のせん断力を従来型免震構造と同等にすることができるので、基礎や杭の設計が容易になる。
以上のことから本発明の免震構造は、従来型免震構造と従来型の変位抑制型免震構造の双方の「いいとこどり」ができるものであるといえる。

(2)免震層の変位が小さくなるので免震クリアランスも小さく設定できる。免震クリアランスは建築計画上で利用できない空間（デッドスペース）となるため、これを小さくすることは建物の有効スペース拡大に繋がる。
(3)免震層の応答変位が小さくなるので、建物に接続される設備配管類の稼働しろも小さくて良い。フレキシブルジョイントのコストは可動寸法が大きいほど高くなるので、従来よりローコストに調達できる。また、免震建物と地面などを接続するエクスパンションジョイントについてもローコスト化が図れる。
(4)免震層の応答変位が小さいので、ここに設置されるダンパーのストロークも小さくでき、付加減衰として設置するダンパーのコストを低減できる。
(5）柔層の層間変位は充分に小さくでき、そこでの層間変形角も充分に小さくできる。たとえば階高5mで層間変位が5cm以下の場合、層間変形角は1/100以下である。これは、上部構造体の各層よりも層間変位は大きいものの極大地震時の変形としては問題ないレベルであり、内外装や設備配管類やエレベータ等も追随できる範囲内である。なお、層間変形角1/100というのは高層評定建物のレベル２地震時の設計目標性能として用いられているものであり、これをクリアできれば変位の問題はないといえる。

(6）回転慣性質量ダンパーや付加減衰としてのダンパーにリリーフ機構を設けることで過大な負担力を防止するフェールセーフ機構となる。但し、リリーフ機構が作動すると、ダンパー設置階より上階での加速度増加が抑制されるものの当該階での層間変位は増加する傾向となるから、リリーフ荷重の設定に際してはダンパーおよび取付部（構造躯体）への付加となる荷重の上限と層間変位の許容値の双方（トレードオフ関係にある）を考慮する必要がある。
(7）本発明は建物全体の免震構造としてではなく、建物内の一部（たとえば免震床やラック倉庫）を免震化する部分免震にも適用でき、そこに設置する対象物の加速度と変位をともに低減できる。これにより建物内の柱や壁などとの間に確保するべき空き寸法（免震クリアランス）を小さくでき、それが制限される狭小な空間にも設置することが可能となる。

本発明の実施形態である免震構造の概略構成を示す図である。同、応答解析結果を示す図である。同、応答解析結果を示す図である。同、応答解析結果を示す図である。同、応答解析結果を示す図である。

符号の説明

１免震ピット
２免震装置
３上部構造体
４回転慣性質量ダンパー
５付加減衰
６免震層
７柔層
８回転慣性質量ダンパー
９付加減衰

Claims

免震層に設置した免震装置により上部構造体を免震支持する免震構造において、
前記上部構造体の低層部に、該上部構造体の他の層の層剛性よりも低剛性、かつ前記免震層の層剛性よりも高剛性の柔層を配置し、
前記免震層に前記免震装置と並列に回転慣性質量ダンパーと付加減衰を設置し、
前記柔層に該柔層の層剛性と並列に回転慣性質量ダンパーと付加減衰を設置したことを特徴とする免震構造。
請求項１記載の免震構造において、
前記柔層の層剛性を、前記上部構造体の他の層の層剛性の１／２以下、かつ前記免震層の層剛性の５倍以上としたことを特徴とする免震構造。
請求項１または２記載の免震構造において、
前記免震層に設置する回転慣性質量ダンパーの慣性質量ψ_１を、前記免震装置により免震支持する上部構造体の質量Ｍの０．２〜１．０倍としたことを特徴とする免震構造。
請求項１，２または３記載の免震構造において、
前記免震層に設置する付加減衰の減衰係数ｃ₁を、前記上部構造体の質量Ｍと、該上部構造体が前記免震装置により免震支持されることで定まる固有１次振動数ｆ_１に基づき、それら質量Ｍと固有１次振動数ｆ_１の積ｆ_１Ｍに対して５〜２０倍としたことを特徴とする免震構造。
請求項１，２，３または４記載の免震構造において、
前記柔層に設置する回転慣性質量ダンパーの慣性質量ψ_２を、前記免震層に設置する回転慣性質量ダンパーの慣性質量ψ_１の０．５〜１．０倍としたことを特徴とする免震構造。
請求項１，２，３，４または５記載の免震構造において、
前記柔層に設置する付加減衰の減衰係数ｃ_２を、前記免震層に設置する付加減衰ｃ_１の１〜３倍としたことを特徴とする免震構造。