JP6749081B2 - 制振構造 - Google Patents

Description

本発明は、建物の制振構造に関する。

建物の制振構造として、上の層と下の層との間にダンパーを設けて、ダンパーの変形により地震等のエネルギーを吸収させる層間ダンパーが採用される場合がある。

また、特許文献１等には、下端部が下部構造体に対してピン支承された連層耐震壁を設けることにより、地震等による水平力が作用した際にエネルギーを吸収する制振構造が開示されている。

特許第４１６７６２４号公報

高層建物に層間ダンパー型の制振構造を採用すると、曲げ変形成分によりダンパーに生じる変位が小さくなるため、効率が悪く、多数のダンパーを設置しても大きな制振効果を期待することができなかった。

また、高層建物に特許文献１に記載の制振構造を採用した場合、連層耐震壁のアスペクト比が大きくなり、連層耐震壁が曲げ剛性の小さな材となる。そのためピン支承された連層耐震壁の変形角（回転角度）が大きくならず（ピン支承に変形が集中せず）、ダンパーの効率が悪く、大きな制振効果を期待することができない場合があった。

このような観点から、本発明は、建物の耐震性能の向上を図ることが可能な制振構造を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の制振構造は、建物の低層部の平面視中央部に設けられた一対の連層袖壁付き柱と、前記建物の平面視外周囲または前記連層袖壁付き柱の上方において前記建物の高層部に設けられた柱と、前記柱同士の間および前記柱と前記連層袖壁付き柱との間に横架された梁と、前記連層袖壁付き柱の袖壁の側縁に接続されたエネルギー吸収部材とを備える制振構造であって、前記柱同士の間に横架された梁は、当該柱に剛結されており、前記柱と前記連層袖壁付き柱との間に横架された梁の端部は、ピン接合または半剛接合されており、前記連層袖壁付き柱の頭部および／または脚部は、前記建物に対してピン接合または半剛接合されていて、前記エネルギー吸収部材は、隣り合う一対の前記連層袖壁付き柱の袖壁の間に鉛直方向に複数設置され、一対の前記連層袖壁付き柱を連結していることを特徴としている。

かかる制振構造によれば、強風時や地震時等の力が作用した際に、複数階にまたがる連層袖壁付き柱が傾倒するのでエネルギー吸収部材（ダンパー等）に大きな変形を生じさせることが可能となる。そのため、少量のエネルギー吸収部材で建物の耐震性能を向上させることができる。
また、連層袖壁付き柱は、柱のみの場合によりも剛性が大きく、接合部の回転以外では大きく変形しないため、低層部の特定層に変形が集中することを防ぎ、全体として高い変形性能を発揮する。

また、連層袖壁付き柱の設置を低層部のみにすることで、アスペクト比が大きくなることを防止し、連層袖壁付き柱の曲げ剛性が相対的に大きくなる。そのため、連層袖壁付き柱の接合部（ピン接合部または半剛接合部）に変形を集中させることができる。

前記低層部を前記建物の高層部よりも低剛性にすることで、地震時等の加速度を低減させることができる。

また、前記連層袖壁付き柱の脚部に固定された免震支承と、前記免震支承の下面と前記建物との間に介設された緩衝材とを備えていれば、連層袖付き柱の脚部に浮き上がりが生じたとしても、当該脚部が接地する際の衝撃を緩和させることができる。
なお、本発明の制振構造は、前記免震支承が積層ゴムと前記積層ゴムの上下に配設された上フランジおよび下フランジとを備えていて、前記下フランジの少なくとも一部が挿入された凹部が形成された受け鋼板が前記建物に固定されたものであってもよい。このとき、前記緩衝材は前記凹部の底面に設けるものとする。
かかる制振構造によれば、地震時等の水平力が建物に作用した際に下フランジが凹部の縁に引っ掛かるので、緩衝材の損傷を防ぎつつ、建物に作用する水平力を支持することが可能となる。

本発明の制振構造によれば、建物の制振性能の向上を図ることが可能となる。

第一の実施形態に係る建物を模式的に示す立面図である。 図１に示す建物の低層部の平断面図である。 連層袖壁付き柱のピン支承を示す部分拡大図である。 （ａ）は連層袖壁付き柱と小梁との接合部を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第二の実施形態に係る建物を模式的に示す立面図である。 （ａ）は連層袖壁付き柱の脚部を示す部分拡大図、（ｂ）は（ａ）の脚部の浮き上がり時を示す部分拡大図である。

＜第一の実施形態＞
第一の実施形態の建物１は、図１および図２に示すように、連層袖壁付き柱２と、柱３と、梁４とを備えている。
本実施形態では、建物１の高さ方向中央から上側を高層部１１、同下側を低層部１２と称する。なお、高層部１１および低層部１２の境界の高さ位置は限定されない。また、建物１の階層数も限定されない。

建物１の高層部１１は、図１に示すように、柱３と梁４とが剛結されていることにより躯体が形成されている。
柱３は、高層部１１の全高に跨って配設されたいわゆる連層柱である。本実施形態では、建物１の外周に沿って設けられた柱３が、連層柱により構成されている。

なお、高層部１１の柱３および梁４の構成（配置や本数等を含む）は、限定されるものではなく、適宜設計すればよい。例えば、建物１の外周に設けられた柱３の全てが連層柱である必要はない。

建物１の低層部１２は、図１および図２に示すように、連層袖壁付き柱２と、柱３および梁４により躯体が形成されている。
低層部１２の外周は、柱３と梁４とが剛結された架構により形成されている。

低層部１２の平面視中央部には、図２に示すように、一対の連層袖壁付き柱２，２が二組配設されているとともに、一対の柱３１，３１が一組配設されている。

連層袖壁付き柱２は、図１に示すように、柱部２１と柱部２１の側面から延設された袖壁２２とを備えており、建物１の低層部１２において複数階にまたがって配設されている。

本実施形態の連層袖壁付き柱２は、柱部２１が低層部１２の全高に跨って配設されている。すなわち、柱部２１の上端が高層部１１の下端に当接しているとともに、柱部２１の下端が下部構造物（基礎）Ｂに当接している。なお、連層袖壁付き柱２は、必ずしも低層部１２の全高に跨っている必要はなく、低層部１２の一部分において複数階に跨って配設されていればよい。

柱部２１は、四角柱状に形成されている。図１に示すように、袖壁２２は、先端に向かうに従って壁高が小さくなるように、上端と下端にテーパーを有している。すなわち、袖壁２２は、側面視台形状を呈している。なお、柱部２１に断面形状は限定されるものではなく、例えば円形であってもよい。また、袖壁２２のテーパーの角度は限定されない。

図２に示すように、本実施形態では、１本の柱部２１から１つの袖壁２２が延設された第一の連層袖壁付き柱２ａと、１本の柱部２１から２つの袖壁２２ａ，２２ｂが平面視Ｌ字状に延設された第二の連層袖壁付き柱２ｂとを備えている。

第一の連層袖壁付き柱２ａの袖壁２２は、図２に示すように、隣接する他の第一の連層袖壁付き柱２ａの袖壁２２と隙間をあけて対向している。
袖壁２２，２２の先端同士の隙間には、エネルギー吸収部材５が介設されている。エネルギー吸収部材５は、袖壁２２の先端（側縁）に接続されている。すなわち、隣り合う一対の連層袖壁付き柱２ａ，２ａは、エネルギー吸収部材５を介して連結されている。

本実施形態では、エネルギー吸収部材５としてダンパーを採用するが、エネルギー吸収部材５は、例えば低降伏点鋼からなる梁などであってもよく、ダンパーに限定されない。また、図１に示すように、本実施形態では、高さ方向に３つのダンパーを並設しているが、袖壁２２同士の間に介設されるダンパーの数は限定されない。なお、ダンパーは限定されるものではないが、例えば、オイルダンパー、粘弾性ダンパー、粘性ダンパー、弾塑性ダンパー、塑性ダンパー等を使用すればよい。

第二の連層袖壁付き柱２ｂの一方の袖壁２２ａは、図２に示すように、隣接する他の第二の連層袖壁付き柱２ｂの一方の袖壁２２ａと隙間をあけて対向している。
一方の袖壁２２ａの先端同士の隙間には、エネルギー吸収部材５が介設されている。エネルギー吸収部材５は、一方の袖壁２２ａの先端（側縁）に接続されている。すなわち、隣り合う一対の連層袖壁付き柱２ｂ，２ｂは、エネルギー吸収部材５を介して連結されている。

また、第二の連層袖壁付き柱２ｂの他方の袖壁２２ｂは、エネルギー吸収部材５を介して、柱３１に連結されている。
柱３１は、第一の連層袖壁付き柱２ａと第二の連層袖壁付き柱２ｂとの間に配設されている。本実施形態では、柱３１が両連層袖壁付き柱２ａ，２ｂの中間付近に配設されているが、柱３１は、一方の連層袖壁付き柱２に寄っていてもよい。なお、連層袖壁付き柱２および柱３１の配置や本数は限定されない。

第二の連層袖壁付き柱２ｂ，２ｂの間および第二の連層袖壁付き柱２ｂと柱３１との間に配設されるエネルギー吸収部材５の構成は、第一の連層袖壁付き柱２ａ，２ａの間に配設されるエネルギー吸収部材５と同様である。

連層袖壁付き柱２の頭部および脚部は、建物１に対してピン接合されている。
本実施形態では、図３に示すように、柱部２１の上端および下端（図３では下端のみ表示）に、ピン支承６が形成されている。

ピン支承６は、柱部２１の下端部（上端部）に一体化された支承部材６１と、支承部材６１に対応する位置に配置された支持部材６２と、この支持部材６２に埋設されたアンカーボルト６３とから構成されている。支持部材６２は、本実施形態では下部構造物Ｂと一体に構築された鉄筋コンクリート造の部材であり、下部構造物Ｂの上面から突出している。なお、支持部材６２は、建物１の自重等の上載される荷重に対して十分な耐力を発現する部材であれば、鉄筋コンクリート造に限定されるものではない。

支承部材６１は、鋼製部材であって、支持部材６２と当接する水平面部６１ａと、水平面部６１ａの両側部から上方向に傾斜するテーパー部６１ｂ，６１ｂとを備えている。水平面部６１ａの幅（面積）は、柱部２１の下端部の幅（断面積）よりも小さい。なお、支承部材６１は、鋼製部材に限定されるものではなく、例えばプレキャストコンクリート部材や柱部２１から連続する鉄筋コンクリート造部材により構成するなど、建物１の自重等による応力や、連層袖壁付き柱２の回転変形時に作用する応力に対して十分な耐力を有した部材であればよい。

地震や強風による水平力が作用すると、支承部材６１は、水平面部６１ａの一部が浮き上がり一方のテーパー部６１ｂと支持部材６２との隙間が狭まるように回転し、連層袖壁付き柱２の傾動を許容する。一方、水平方向のせん断力に対しては、アンカーボルト６３のせん断耐力で抵抗する。すなわち、連層袖壁付き柱２と下部構造物Ｂとの接合構造は、アンカーボルト６３の断面積を増加させることにより、曲げ剛性に対してせん断剛性を十分に大きくすることが可能であり、ピン支承構造として機能する。

図１および図２に示すように、第二の連層袖壁付き柱２ｂは、梁４１を介して建物１の外周の柱３に連結されている。
梁４１は、両端にピン支承４２，４２が形成されていて、第二の連層袖壁付き柱２ｂおよび柱３に対してピン接合されている。なお、梁４１の接合部は、ピン接合に限定されるものではなく、例えば、半剛接合や剛接合であってもよい。

本実施形態では、図２に示すように、スラブ７受け用の小梁４３が、袖壁２２に沿って隣り合う柱部２１同士または柱部２１と柱３１との間に横架されている。
小梁４３は、図４の（ａ）および（ｂ）に示すように、スラブ７が袖壁２２の回転を阻害することがないように、袖壁２２の手前でスラブ７を支持している。すなわち、本実施形態では、スラブ７を小梁４３により支持することで、スラブ７と袖壁２２との間に隙間を設けている。

なお、本実施形態のスラブ７は、小梁なしでワイドスパンが可能な、ＥＰＳボイド型枠を用いたハーフプレキャスト工法によるボイドスラブとした。なお、スラブ７の構成や形成方法は限定されない。

小梁４３の両端は、図４の（ａ）に示すように、柱部２１または柱３１に取付部材４３ａを介してピン接合されている。
また、本実施形態では、第一の連層袖付き柱２ａと柱３１との間にも、両端がピン接合された状態で、小梁４３が横架されている。
なお、小梁４３の柱部２１または柱３１への接合は、ピン接合に限定されるものではなく、例えば半剛接合されていてもよい。

本実施形態の建物１は、建物１の低層部１２（本実施形態では、連層袖壁付き柱２が設けられた層）は、建物１に対してピン接合された連層袖壁付き柱２およびエネルギー吸収部材５により構成された制振構造が配設されているため、高い耐震性能を有している。

建物１の低層部１２は、その内部に形成された制振構造により、高層部１１（その他の層）に比較して低剛性である。そのため、強風時や地震時等による横方向の力が作用した場合には、剛性が低い低層部１２において変形が大きくなるが、上端と下端とがピン接合された連層袖壁付き柱２が傾倒することで、エネルギー吸収部材５に大きな変形が生じ、エネルギーが吸収される（加速度を低減できる）。このように、本実施形態の制振構造によれば、少量のダンパーにより建物１の耐震性能を向上させることができる。

また、連層袖壁付き柱２は、柱部２１と袖壁２２とが一体に形成されているため、剛性が大きく、ピン支承６の回転以外では大きく変形しないため、低層部１２の特定層に座屈や変形が集中することを防止し、全体として高い変形性能を発揮する。

また、低層部１２に連層袖壁付き柱２を形成することで、相対的に連層袖壁付き柱２の剛性が大きくなり、変形をピン支承６に集中させることができる。
なお、連層袖壁付き柱２に接続する梁４１は、ピン支承４２を介して接続しているため、連層袖壁付き柱２の変形を拘束することがない。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態の建物１は、図５に示すように、連層袖壁付き柱２と、柱３と、梁４とを備えている。
本実施形態では、建物１の高さ方向中央から上側を高層部１１、同下側を低層部１２と称する。なお、高層部１１および低層部１２の境界の高さ位置は限定されない。また、建物１の階層数も限定されない。

建物１の高層部１１の詳細は、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。
建物１の低層部１２は、図５に示すように、連層袖壁付き柱２、柱３および梁４により躯体が形成されている。

連層袖壁付き柱２は、柱部２１と柱部２１の側面から延設された袖壁２２とを備えており、建物１の低層部１２において複数階にまたがって配設されている。
柱部２１は、低層部１２の全高に跨って配設されている。すなわち、柱部２１の上端が高層部１１の下端に当接しているとともに、柱部２１の下端が免震支承（図６参照）を介して下部構造物（基礎）Ｂに当接している。なお、連層袖壁付き柱２は、必ずしも低層部１２の全高に跨っている必要はなく、低層部１２の一部分において複数階に跨って配設されていればよい。

柱部２１は、四角柱状に形成されている。なお、柱部２１の断面形状は限定されるものではなく、例えば円形であってもよい。
袖壁２２は、先端に向かうに従って壁高が小さくなるように、下端にテーパーを有している。すなわち、袖壁２２は、上端が高層部１１の下端に当接しているとともに、下端は下部構造物Ｂとの間に隙間を有している。なお、袖壁２２のテーパーの角度は限定されない。また、袖壁２２は、必ずしも下端にテーパーを有している必要はない。

対向する連層袖壁付き柱２，２の袖壁２２，２２の先端同士の隙間には、エネルギー吸収部材５が介設されている。エネルギー吸収部材５は、袖壁２２の先端（側縁）に接続されている。すなわち、隣り合う一対の連層袖壁付き柱２，２は、エネルギー吸収部材５を介して連結されている。なお、エネルギー吸収部材５の詳細は、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

連層袖壁付き柱２の脚部は、建物１に対して浮き上がり可能（離間可能）に半剛接合されている。なお、連層袖壁付き柱２の脚部は、浮き上がり可能にピン接合されていてもよい。
本実施形態では、図６（ａ）に示すように、柱部２１の下端（脚部）に、免震支承６ａが固定されている。

本実施形態の免震支承６ａは、積層ゴム６４と、積層ゴム６４の上下に配設された上フランジ６５および下フランジ６６とを備えた、いわゆる積層ゴム支承である。なお、免震支承６ａの構成は限定されるものではない。
上フランジ６５は、柱部２１の下端に固定されていて、下フランジ６６は、受け鋼板８に上載されている。

受け鋼板８は、免震支承６ａの位置に対応して下部構造物（建物）Ｂに固定されている。なお、受け鋼板８は、必要に応じて設置すればよい。
受け鋼板８は、上面に凹部８１が形成されていることで、断面視凹字状を呈している。凹部８１は、下フランジ６６の平面形状と同等以上の面積を有していて、かつ、下フランジ６６の少なくとも一部を挿入可能な深さを有している。
凹部８１の底面には、上面が開口した有底の緩衝材用穴８２が形成されている。なお、緩衝材用穴８２の数や配置は限定されるものではなく、適宜設定すればよい。

緩衝材用穴８２には、緩衝材９が配設されている。すなわち、免震支承６ａの下面と下部構造物Ｂとの間には、緩衝材９が介設されている。
本実施形態の緩衝材９は、図６（ｂ）に示すように、緩衝材用穴８２から上部から突出するドーム形状を有した弾性体により構成されている。なお、緩衝材９を構成する材料は限定されるものではないが、例えば、合成ゴム発泡体、ウレタン系ゴム、ポリエチレン系ゴム等を採用すればよい。また、緩衝材９の形状は限定されるものではなく、例えば、柱状であってもよい。

なお、受け鋼板８には、緩衝材用穴８２に代えて緩衝材９を設置するための溝が形成されていてもよい。この場合には、緩衝材９には、板状の弾性体を使用すればよい。また、受け鋼板８を省略する場合には、緩衝材９は下部構造物Ｂの上面もしくは下フランジ６６の下面に設置すればよい。
この他の第二の実施形態に係る建物１（制振構造）の詳細は、第一の実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。

地震や強風による水平力が建物１に作用すると、免震支承６ａの積層ゴム６４により水平力が吸収される。このとき、下フランジ６６の外縁が凹部８１の縁に係止された状態となる。そのため、大きな水平力が作用した場合であっても、緩衝材９に破損が生じることがない。

また、建物１に作用した水平力により、連層袖壁付き柱２が脚部を中心として回転変形すると、袖壁２２の先端に設けられたダンパー５が大きく変形する。ダンパー５の反力は、柱部２１の脚部に集中するが、長期負担軸力を超える反力が作用する場合には、図６（ｂ）に示すように、脚部に浮き上がりが生じる。浮き上がり以降は、梁４によりダンパー５の反力を負担するため、ダンパー５に生じる変形が著しく低下することはなく、制振性能も低下することもない。

緩衝材９を脚部に介設することにより、力−変位の関係の勾配が滑らかになり、脚部の浮き上がり後、当該脚部が接地する際の衝撃が緩和される。

緩衝材９は、緩衝材用穴８２に配設されているため、緩衝材９が緩衝材用穴８２内に納まる変形をした後の荷重は、受け鋼板８により支持される。すなわち、連層袖壁付き柱２の荷重は、その一部を緩衝材９により支持し、残りを受け鋼板８により支持する。そのため、緩衝材９の設計の自由度を高めることができる。

このように、本実施形態の建物１（制振構造）では、引張力に対しては連層袖壁付き柱２の浮き上がりを許容し、圧縮力や水平力に対しては緩衝材９に作用する力を制限することで、下向きの鉛直荷重を下部構造物Ｂで支持しつつ、連層袖壁付き柱２のスムーズな回転を可能としている。
この他の第二の実施形態の建物１の作用効果は、第一の実施形態の建物１と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

例えば、制振構造を設置する建物１は、複層階構造であればよく、建物１の使用目的、規模、形状等は限定されるものではない。
また、制振構造の配置は、建物１の中央部に限定されるものではない。

前記第一の実施形態では、連層袖壁付き柱２の頭部および脚部が建物１に対してピン接合されている場合について説明したが、連層袖壁付き柱２の頭部および脚部は建物１に対して半剛接合されていてもよい。また、連層袖壁付き柱２は、頭部および脚部の一方がピン接合されていて、他方が半剛接合されていてもよい。さらに、連層袖壁付き柱２の頭部または脚部いずれか一方のみが建物１に対してピン接合あるいは半剛接合されていてもよい。

本発明の制振構造は、頭部および脚部が建物に対してピン接合または半剛接合された柱と組み合わせて使用してもよい。
隣り合う連層袖壁付き柱２同士は、必ずしもエネルギー吸収部材５を介して連結されている必要はない。

前記実施形態の建物１の角部には、図示しない片持ち梁が柱３から延設されているが、建物１の角部の構造は限定されるものではなく、柱と梁を設けてもよい。
前記実施形態では、ハーフＰＣスラブを採用することで小梁の突出部分を減らした空間を形成するものとしたが、スラブ７の構成は限定されるものではない。

１ 建物
１１ 高層部
１２ 低層部
２ 連層袖壁付き柱
２１ 柱
２２ 袖壁
３ 柱
４ 梁
５ ダンパー（エネルギー吸収部材）
６ ピン支承
６ａ 免震支承
６４ 積層ゴム
６５ 上フランジ
６６ 下フランジ
８ 受け鋼板
８１ 凹部
９ 緩衝材

Claims (2)

1. 建物の低層部の平面視中央部に設けられた一対の連層袖壁付き柱と、
   前記建物の平面視外周囲または前記連層袖壁付き柱の上方において前記建物の高層部に設けられた柱と、
   前記柱同士の間および前記柱と前記連層袖壁付き柱との間に横架された梁と、
   前記連層袖壁付き柱の袖壁の側縁に接続されたエネルギー吸収部材と、を備える制振構造であって、
   前記柱同士の間に横架された梁は、当該柱に剛結されており、
   前記柱と前記連層袖壁付き柱との間に横架された梁の端部は、ピン接合または半剛接合されており、
   前記連層袖壁付き柱の頭部および／または脚部は、前記建物に対してピン接合または半剛接合されていて、
   前記エネルギー吸収部材は、隣り合う一対の前記連層袖壁付き柱の袖壁の間に鉛直方向に複数設置され、一対の前記連層袖壁付き柱を連結していることを特徴とする、制振構造。
2. 前記低層部が、前記建物の高層部よりも低剛性であり、
   前記連層袖壁付き柱の脚部に固定された免震支承と、
   前記免震支承の下面と前記建物との間に介設された緩衝材と、を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の制振構造。

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