JP6379608B2 - 制振建造物及び建造物の制振方法 - Google Patents

Description

本発明は、制振建造物及び建造物の制振方法に関する。

ビル等の建造物の制振技術として、マスダンパー型の制振システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のマスダンパー型の制振システムでは、建物の下層階部と上層階部との間に免震装置を設け、地震発生時に、上層階部をチューンド・マス・ダンパーとして機能させようとしている。

特開平７―２５２９６７号公報

一般に、マスダンパー型の制振システムは、マスダンパーの固有周期と建造物の１次固有周期とを同調させて共振状態を生じさせるものであるため、１次モードの振動に対しては効果を発揮するものの、高次の振動モードに対しては効果が乏しいという課題がある。そこで、本発明は、１次モードの振動のみならず、高次の振動モードに対しても制振効果を発揮するマスダンパー型の制振システムを提供することを課題とする。

本発明の制振建造物は、制振対象の建造物と、前記建造物の外周に面して配され、上部は前記建造物に水平方向への復元力がある支承を介して水平方向に相対変位可能に支持され、下端は前記建造物の基礎に対して地震力が直接入力しないように縁が切られており、前記建造物が１次モードの振動を生じた際にマスダンパーとして機能するよう、１次モードの固有周期が前記建造物と同等に設定される外部構造体と、前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記建造物が高次モードの振動を生じた際に前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形して、前記建造物の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパーと、を備える。

また、本発明の制振建造物は、前記外部構造体と前記建造物の基礎又はその周辺の地盤との間に、これらの縁を切る転がり支承又は滑り支承が配される。

前記制振建造物において、前記外部構造体は、前記建造物の外周を囲うように構成され、前記建造物にその高さ方向の中央部よりも上層側において前記支承を介して支持されてもよく、前記複数の制振ダンパーは、前記建造物と前記外部構造体との間に生じた水平方向の何れの方向の相対変位に対しても変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収してもよい。

また、本発明の建造物の制振方法は、制振対象の建造物と１次モードの振動を同等に設定した外部構造体を、前記建造物の外周に面して、前記建造物の基礎から地震力が直接入力しないように設けて、前記外部構造体の上部を前記建造物に水平方向への復元力がある支承を介して水平方向に相対変位可能に支持し、複数の制振ダンパーにより前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記建造物が１次モードの振動を生じた際に、前記外部構造体を制振対象である前記建造物に対してマスダンパーとして機能させ、前記建造物が高次モードの振動を生じた際に、前記複数の制振ダンパーを前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形させ、制振対象である前記建造物の振動エネルギーを吸収させる。

また、本発明の建造物の制振方法は、前記外部構造体を、前記建造物の基礎又はその周辺の地盤に転がり支承又は滑り支承を介して荷重が作用するように設ける。

本発明によれば、１次モードの振動のみならず、高次の振動モードに対しても制振効果を発揮するマスダンパー型の制振システムを提供できる。

一実施形態に係る制振建造物を示す立面図である。 一実施形態に係る制振建造物を示す平面図である。 図２の３−３断面図（立断面図）である。 図１の４−４断面図（平断面図）である。 一実施形態に係る制振建造物の作用を示す立断面図である。 他の実施形態に係る制振建造物を示す立面図である。 他の実施形態に係る制振建造物を示す平面図である。 他の実施形態に係る制振建造物の作用を示す立断面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る制振建造物１０を示す立面図であり、図２は、制振建造物１０を示す平面図であり、図３は、図２の３−３断面図（立断面図）であり、図４は、図１の４−４断面図（平断面図）である。これらの図に示すように、制振建造物１０は、建物２０と、外部架構３０と、これらの間に設けられた複数の制振ダンパー４０（図４参照）とを備えている。建物２０は、鉄骨造、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造等の既存のビル等である。

外部架構３０は、建物２０の外周を囲うように筒状に構成されたブレース架構３２と、ブレース架構３２の上端に結合された複数の垂直ブレース３４及び水平ブレース３５と、ブレース架構３２の内周側に高さ方向に間隔を空けて設けられた複数の水平ブレース３６とを備えている。ブレース架構３２、垂直ブレース３４、及び水平ブレース３５、３６は、鉄骨構造、鉄筋コンクリート構造、鉄骨鉄筋コンクリート構造、コンクリート充填鋼管構造等の骨組である。なお、水平ブレース３５を屋上に設けることは必須ではなく、必要に応じて設ければよい。

ブレース架構３２は、複数の垂直ブレース３２Ａが周方向に結合された構成であり、各垂直ブレース３２Ａは、建物２０の外周２０Ａに対して平行に外周２０Ａから離間して設けられている。また、各垂直ブレース３２Ａは、建物２０の下層階から屋上階まで延びており、各垂直ブレース３２Ａの下端は、建物２０を支持する基礎１から離間している。

複数の垂直ブレース３４は、建物２０の屋上階に格子状に、それぞれが垂直ブレース３２Ａに対して垂直となるように設けられており、複数の垂直ブレース３２Ａの上端を結合している。また、水平ブレース３６は、環状に構成されており、ブレース架構３２から内周側へ水平に張り出している。ここで、水平ブレース３６は、建物２０の数層おきに設けられており、建物２０の外周２０Ａから離間している。

建物２０の屋上階には、外部架構３０を支持する複数の支承５０が設けられている。この複数の支承５０は、積層ゴム免震装置、積層ゴムと滑り支承とを組み合わせた免震装置、滑り支承や転がり支承とバネとを組み合わせた免震装置等の水平方向への復元力が有る支承であり、直交する垂直ブレース３４の交点と屋上の内周部との間、及び、垂直ブレース３４と屋上の外周部との間に設けられている。即ち、外部架構３０の最上部は、建物２０にその屋上階において相対的に水平方向に変位でき、元の位置に復帰できるように支持されている。

制振ダンパー４０は、オイルダンパー（油圧ダンパー）、鋼材ダンパー、粘弾性ダンパー等であり、建物２０の数層おきに各層に複数ずつ配されている。各層の複数の制振ダンパー４０は、水平ブレース３６と建物２０との間の空間に配されてこれらを連結しており、これらの水平方向の相対変位に応じて水平方向に変形して建物２０の振動エネルギーを吸収する。ここで、各層の複数の制振ダンパー４０は、水平ブレース３６と建物２０との３６０度のあらゆる方向の相対変位に応じて変形できるように構成されている。例えば、図中に示すように、建物２０が直方体状で、外部架構３０が矩形筒状の場合には、建物２０の角部と外部架構３０の隅部との間に一対の制振ダンパー４０（オイルダンパー）が設けられ、一対の制振ダンパー４０の一端が建物２０の角部に垂直軸周りに回動可能に取り付けられ、一対の制振ダンパー４０の他端が水平ブレース３６の互いに直交する辺に回動可能に取り付けられる。

ここで、建物２０の１次固有周期と外部架構３０の１次固有周期とは同等に設定されている。また、上述したように、外部架構３０の上部が建物２０に屋上階において相対的に水平方向に変位でき、且つ、元の位置に復帰できるように支持されている。さらに、外部架構３０の下端は建物２０を支持する基礎１から縁切りされており、基礎１から外部架構３０に直接、地震力が入力しないようになっている。これにより、図５の立断面図に矢印Ａで示すように、建物２０に１次モードの振動による変形が生じた際に、外部架構３０が、建物２０の固有周期に同調して建物２０とは逆方向（図中矢印Ｂ方向）に変位する（即ち建物２０に対してマスダンパーとして機能する）。

一方で、建物２０に高次モードの振動が生じた際には、建物２０の固有周期と外部架構３０の固有周期とが不一致となることから、外部架構３０のマスダンパーとしての機能は低下する。しかしながら、建物２０と外部架構３０とに水平方向への相対変位が生じることから、建物２０と外部架構３０とを数層おきに連結する制振ダンパー４０が、変形すると共に建物２０に対して変形方向とは逆方向（図中矢印Ｃ方向）への力を作用させることにより建物２０の変形を抑える。

ここで、上記構成の制振建造物１０は、既存の建築物である建物２０を使用しながら、その外部に外部架構３０を構築してその上部を建物２０の屋上に支承５０を介して接続し、建物２０と外部架構３０とを複数の制振ダンパー４０により複数層において連結することにより得られる。この際、外部架構３０の下端と建物２０の基礎１との間に、建物２０への人の出入りを可能とする空間を形成する。

以上説明したように、本実施形態に係る制振建造物１０は、制振対象の建物２０と、建物２０の外周２０Ａに面して配され、上部は建物２０に水平方向への復元力がある支承５０を介して水平方向に相対変位可能に支持され、下端は建物２０の基礎１に対して地震力が直接入力しないように縁が切られており、建物２０に対してマスダンパーとして機能する外部架構３０と、建物２０と外部架構３０とを複数層において連結し、建物２０と外部架構３０との相対変位に応じて変形して建物２０の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパー４０とを備える。この制振建造物１０では、高次モードの振動が建物２０に生じた際に、外部架構３０と建物２０とを複数層において連結する制振ダンパー４０が、変形して建物２０の振動エネルギーを吸収する（図５参照）。

即ち、本実施形態に係るマスダンパー型の制振建造物１０では、１次の振動モードに対しては外部架構３０がマスダンパーとして機能することにより制振効果が発揮されるのに対して、高次の振動モードに対しては、制振ダンパー４０が変形して建物２０の振動エネルギーを吸収することにより、制振効果が発揮される。また、外部架構３０の荷重を受けると共に水平力を負担する外部架構３０の基礎が不要になる。従って、基礎１の大規模化を抑えつつ、１次の振動モードのみならず、高次の振動モードに対しても効果的に制振効果を発揮できる。

また、本実施形態に係る制振建造物１０によれば、建物２０の内部に耐震補強を施したり制振装置を設置したりすることなく、効果的に制振効果を発揮できる。また、外部架構３０の下端と建物２０の基礎１との間に、建物２０に出入りする通路を確保できる。従って、既存の建物２０を使用しながらの耐震改修、即ち居ながら施工による耐震改修を実施できる。

また、本実施形態に係る制振建造物１０では、外部架構３０が、建物２０の外周を囲うように構成され、建物２０に屋上階において支承５０を介して支持されており、複数の制振ダンパー４０が、建物２０と外部架構３０との間に生じた水平方向の何れの方向の相対変位に対しても変形して建物２０の振動エネルギーを吸収する。これにより、建物２０の屋上階から下層までに生じる水平方向の何れの方向の変形も抑えることができる。

図６は、他の実施形態に係る制振建造物１００を示す立面図であり、図７は、該制振建造物１００を示す平面図である。これらの図に示すように、本実施形態に係る制振建造物１００は、建物１２０と、外部架構１３０と、これらの間に設けられた複数の制振ダンパー４０と、建物１２０の上層階に設けられた複数の支承５０と、外部架構１３０と基礎１との間に設けられた転がり支承１６０とを備えている。建物１２０は、鉄骨造、鉄筋コンクリート造、鉄骨鉄筋コンクリート造等の新設のビル等である。この建物１２０の中間階（高さ方向の中央部）よりも上層側の所定階では、その全周で、梁１２２（図７参照）の先端が外周１２０Ａから突出している。

外部架構１３０は、建物１２０の外周を囲うように筒状に構成されたチューブ架構である。この外部架構１３０は、建物１２０の周りに間隔を空けて配された複数の柱１３２と、該複数の柱１３２を結合する環状のスラブ１３４とを備えている。柱１３２は、鉄骨造、鉄筋コンクリート構造、鉄骨鉄筋コンクリート構造、コンクリート充填鋼管構造等であり、スラブ１３４は、鉄骨造、鉄筋コンクリート構造等である。

柱１３２は、建物１２０の外周１２０Ａに対して平行に外周１２０Ａから離間して設けられている。また、柱１３２は、建物１２０の下層階から梁１２２まで延びており、柱１３２の下端は、建物１２０の基礎１に転がり支承１６０を介して支持され、柱１３２の上端は、梁１２２の先端に支承５０を介して支持されている。ここで、柱１３２の下端と基礎１とは、転がり支承１６０により３６０°のあらゆる方向に相対移動できるように縁が切られている。

また、スラブ１３４は、柱１３２から内周側へ張り出している。ここで、スラブ１３４は、建物１２０の数層おきに設けられており、建物１２０の外周１２０Ａから離間している。

梁１２２の先端と最上層のスラブ１３４との間には支承５０が設けられている。即ち、外部架構１３０の最上部は、建物１２０の高さ方向中央部より上層側の所定階において建物１２０に相対的に水平方向に変位可能、且つ、元の位置に復帰可能に支持されている。

複数の制振ダンパー４０は、建物１２０の数層おきに各層に複数ずつ配されている。各層の複数の制振ダンパー４０は、スラブ１３４と建物１２０との間の空間に配されており、スラブ１３４と建物１２０とを水平方向に連結している。ここで、各層の複数の制振ダンパー４０は、３６０度のあらゆる方向から建物１２０に入力する地震力を吸収できるように配されている。

ここで、建物１２０の１次固有周期と外部架構１３０の１次固有周期とは同等に設定されている。また、上述したように、外部架構１３０の上部が建物１２０に高さ方向中央部よりも上層側において相対的に水平方向に変位でき、且つ、元の位置に復帰できるように支持されている。さらに、外部架構１３０の下端と建物１２０の基礎１とは転がり支承１６０により縁切りされており、基礎１から外部架構１３０に地震力が伝わり難いようになっている。これにより、図８の立断面図に矢印Ａで示すように、建物１２０に１次モードの振動による変形が生じた際に、外部架構１３０が、建物１２０の固有周期に同調して建物１２０とは逆方向（図中矢印Ｂ方向）に変位する（即ち建物１２０に対してマスダンパーとして機能する）。

一方で、建物１２０に高次モードの振動が生じた際には、建物１２０の固有周期と外部架構１３０の固有周期とが不一致となることから、外部架構１３０のマスダンパーとしての機能は低下する。しかしながら、建物１２０と外部架構１３０とに水平方向への相対変位が生じることから、建物１２０と外部架構１３０とを数層おきに連結する制振ダンパー４０が、変形すると共に建物１２０に対して変形方向とは逆方向（図中矢印Ｃ方向）への力を作用させることにより建物１２０の変形を抑える。

以上説明したように、本実施形態に係る制振建造物１００は、制振対象の建物１２０と、建物１２０の外周１２０Ａに面して配され、上部は建物１２０に水平方向への復元力がある支承５０を介して水平方向に相対変位可能に支持され、建物１２０に対してマスダンパーとして機能する外部架構１３０と、外部架構１３０と建物１２０の基礎１との間に配され、これらの縁を切る転がり支承１６０と、建物１２０と外部架構１３０とを複数層において連結し、建物１２０と外部架構１３０との相対変位に応じて変形して建物１２０の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパー４０とを備える。この制振建造物１００では、高次モードの振動が建物１２０に生じた際に、外部架構１３０と建物１２０とを複数層において連結する制振ダンパー４０が、変形して建物１２０の振動エネルギーを吸収する（図８参照）。

即ち、本実施形態に係るマスダンパー型の制振建造物１００では、１次の振動モードに対しては外部架構１３０がマスダンパーとして機能することにより制振効果が発揮されるのに対して、高次の振動モードに対しては、制振ダンパー４０が変形して建物１２０の振動エネルギーを吸収することにより、制振効果が発揮される。また、転がり支承１６０により外部架構１３０と基礎１との縁が切られていることにより、地震時の水平力を負担するような外部架構１３０の基礎が不要になる。従って、基礎１の大規模化を抑えつつ、１次の振動モードのみならず、高次の振動モードに対しても効果的に制振効果を発揮できる。また、外部架構１３０の荷重を基礎１で受けることにより、建物１２０に作用する外部架構１３０の荷重を減らすことができ、建物１２０の支持能力にかかわらず、外部架構１３０の重量を増やすことができる。

なお、上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、上述の実施形態では、制振対象の建造物を、ビルなどの建物（建築物あるいは現住建造物）としたが、建築物の定義に該当しない建造物や、非現住建造物等としてもよい。また、外部構造体を、柱梁架構やチューブ架構としたが、壁状構造体等としてもよい。

また、制振ダンパー４０を建物２０（１２０）と外部架構３０（１３０）との間に数層おきに設けたが、制振ダンパー４０を何層おきに設けるかは、必要な減衰量に応じて決めればよく、制振ダンパー４０を全層に設けてもよい。また、外部架構３０（１３０）を、建物２０（１２０）の外周の全周を囲うように構成したが、外部架構３０（１３０）は、建物２０（１２０）の外周の周方向の一部に面して設けられていればよい。

さらに、上述の実施形態に係る制振建造物１００では、外部架構１３０の下端と基礎１との間に転がり支承１６０を設けることにより、外部架構１３０と基礎１との縁を切ったが、転がり支承１６０に替えて滑り支承を設けてもよく、あるいは、転がり支承又は滑り支承を外部架構１３０の下端と基礎１の周辺の地盤との間に設けることにより、これらの縁を切ってもよい。

１ 基礎、１０ 制振建造物、２０ 建物、２０Ａ 外周、３０ 外部架構、３２ ブレース架構、３２Ａ 垂直ブレース、３４ 垂直ブレース、３５、３６ 水平ブレース、４０ 制振ダンパー、５０ 支承、１００ 制振建造物、１２０ 建物、１２０Ａ 外周、１２２ 梁、１３０ 外部架構、１３２ 柱、１３４ スラブ、１６０ 転がり支承

Claims (5)

1. 制振対象の建造物と、
   前記建造物の外周に面して配され、上部は前記建造物に水平方向への復元力がある支承を介して水平方向に相対変位可能に支持され、下端は前記建造物の基礎に対して地震力が直接入力しないように縁が切られており、前記建造物が１次モードの振動を生じた際にマスダンパーとして機能するよう、１次モードの固有周期が前記建造物と同等に設定される外部構造体と、
   前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、前記建造物が高次モードの振動を生じた際に前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形して、前記建造物の振動エネルギーを吸収する複数の制振ダンパーと、
   を備えることを特徴とする制振建造物。
2. 請求項１に記載の制振構造物において、
   前記外部構造体と前記建造物の基礎又はその周辺の地盤との間に、これらの縁を切る転がり支承又は滑り支承が配されることを特徴とする制振建造物。
3. 請求項１または２に記載の制振建造物において、
   前記外部構造体は、前記建造物の外周を囲うように構成され、前記建造物にその高さ方向の中央部よりも上層側において前記支承を介して支持されており、
   前記複数の制振ダンパーは、前記建造物と前記外部構造体との間に生じた水平方向の何れの方向の相対変位に対しても変形して前記建造物の振動エネルギーを吸収することを特徴とする制振建造物。
4. 制振対象の建造物と１次モードの振動を同等に設定した外部構造体を、前記建造物の外周に面して、前記建造物の基礎から地震力が直接入力しないように設けて、前記外部構造体の上部を前記建造物に水平方向への復元力がある支承を介して水平方向に相対変位可能に支持し、
   複数の制振ダンパーにより前記建造物と前記外部構造体とを複数層において連結し、
   前記建造物が１次モードの振動を生じた際に、前記外部構造体を制振対象である前記建造物に対してマスダンパーとして機能させ、
   前記建造物が高次モードの振動を生じた際に、前記複数の制振ダンパーを前記建造物と前記外部構造体との相対変位に応じて変形させ、制振対象である前記建造物の振動エネルギーを吸収させる建造物の制振方法。
5. 請求項４に記載の建造物の制振方法において、
   前記外部構造体を、前記建造物の基礎又はその周辺の地盤に転がり支承又は滑り支承を介して荷重が作用するように設けることを特徴とする建造物の制振方法。