JP5794528B2

JP5794528B2 - 免制震構造

Info

Publication number: JP5794528B2
Application number: JP2011177431A
Authority: JP
Inventors: 慎太朗堂本; 浩史田村
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2031-08-15
Also published as: JP2013040479A

Description

本発明は高層ないし超高層建物を対象とする免制震構造（免震構造と制震構造とを併用した免震・制震併用構造）に関する。

周知のように、免震構造は建物を積層ゴム等の免震装置により免震支持することにより地面と建物とを縁切りして地震エネルギーの建物への入力を低減するものであり、制震構造は建物内に制震装置（ダンパー）を設置して地震エネルギーを吸入し振動応答を低減させるものである。

また、特許文献１に示すように免震構造と制震構造を併用して免震機能と制震機能の双方を発揮する免震・制震併用構造（つまり免制震構造）についての提案もなされている。

特開平１１−２４１５２４号公報

従来一般の免震構造や免制震構造では、免震装置を建物の基礎部（基礎免震の場合）あるいは下層部における中間階（中間階免震の場合）に設置しているため、地震エネルギーを必ずしも効率的に吸収できない。
すなわち、一般的には層間せん断変形角は下層階や上層階よりも中層階において大きくなるのであるが、従来の免震構造では下層階に設置した免震装置のみで地震時の建物全体の地震エネルギーを吸収しているため、中層階から上層階での層間せん断変形角の分布に見合った効率的なエネルギー吸収はできないものである。

また、従来の免震構造では転倒モーメントによる引き抜き力が免震装置に作用するので免震装置にはそれに対する耐力を必要とするし、万一の転倒を防止するためのフェールセイフ機構も必要とされ、建物全体の浮き上がりや変形を抑制するために柱・梁を充分に増強する必要もある。

さらに、近年の高層ないし超高層建物の構造としては、巨大地震時における建物の変位を可及的に小さくするばかりでなく、後揺れを短時間で収束させて建物を速やかに静止させ得るものであることも強く望まれている。

上記事情に鑑み、本発明は優れた免震効果と制震効果を発揮して地震エネルギーを有効に吸収し、巨大地震時においても変位と後揺れとを十分に抑制可能な有効適切な免制震構造を提供することを目的とする。

本発明は高層ないし超高層の建物を対象とする免制震構造であって、当該建物をチューブ架構による平面視環状の本体部と該本体部とは独立にその中心位置に構築するコア部とにより構成して、それら本体部とコア部との間に水平方向の相対振動を許容するためのクリアランスを確保し、前記本体部を基礎構造体上に底部免震装置により免震支持して設置し、前記コア部を前記本体部よりも相対的に高剛性として前記基礎構造体に剛結して自立状態で設置するとともに、該コア部の頂部と前記本体部との間に頂部免震装置を介装し、前記本体部の高さ方向中間部と前記コア部との間に中間部制震装置としての可変剛性ダンパーを上下方向に間隔をおいて多段に介装し、前記本体部の底部と前記基礎構造体との間および前記本体部の頂部と前記コア部との間に、それらの間で生じる水平方向の相対変位を検知する変位センサーをそれぞれ設置して、前記変位センサーの検知結果に基づいて前記中間部制震装置としての可変剛性ダンパーの剛性を制御可能に構成してなることを特徴とする。

本発明によれば、本体部全体を底部免震装置により免震支持して設置しているので本体部に対して通常の免震構造と同様に優れた免震効果が得られるばかりでなく、本体部とは独立に構築したコア部の頂部と本体部との間に設置した頂部免震装置により本体部を上部からも免震支持しているので、本体部とコア部の双方の転倒や曲げ変形を有効に抑制可能である。
また、本体部とコア部との間の水平方向の相対振動をクリアランスの範囲内で許容したうえでそれらの間に中間部制震装置を多段に設けているので、地震時や強風時には中間部制震装置が効率的に作動して地震エネルギーを有効に吸収し優れた制震効果が得られる。
しかも、中間部制震装置として可変剛性ダンパーを用いて、変位センサーにより検知される本体部の振動状況に応じて可変剛性ダンパーの剛性を最適制御することにより、本体部の中間部をそれら中間部制震装置を介してコア部により支持して変位を有効に拘束し後揺れを速やかに収束させることができる。

本発明の免制震構造の基本構成を示す模式図である。本発明の実施形態である免制震構造による建物の具体例を示す立断面図である。同、底部の平面図である。同、頂部の平面図である。同、中間部の平面図である。同、他の具体例を示す図である。同、さらに他の具体例を示す図である。本発明の免制震構造の他の基本構成を示す模式図である。

本発明の免制震構造の基本構成を図１を参照して説明する。
図１は本発明の免制震構造による高層ないし超高層の建物の立断面を模式的に示すもので、符号１は基礎底盤、１ａは杭、２は基礎底盤１に剛結して自立状態で構築したコア部、３はコア部２を取り囲んでその周囲に構築した平面視環状の本体部である。

コア部２は、コアウォールやトラス構造体により構築された高剛性の構造体であって、その頂部には本体部３の上方に張り出すハットトラス等の高剛性の頂部構造体２ａが一体に設けられている。コア部２の内部はエレベータや階段等の共用諸設備の設置スペースとして利用され、あるいはタワーパーキングの設置スペースとしても利用可能である。

本体部３は構造的にはコア部２とは独立に構築されてこの建物の主たる居住スペースとされるものであって、外周チューブ架構と内周チューブ架構とが各階の梁により連結されることによってコア部２を取り囲む環状のチューブ構造によるものとされている。
この本体部３は構造的にはコア部２に比較して相対的に低剛性とされ（換言すると、コア部２は本体部３に比較してより高剛性とされる）、したがって本体部３とコア部２とは異なる振動特性を呈するものであって地震時にはそれらの間で水平方向の相対振動が生じるようになっており、その相対振動を許容するためのクリアランス４がコア部２と本体部３との間に全周にわたって確保されている。
また、コア部２は基礎底盤１上に剛結された状態で自立状態で設置されているのに対し、本体部３はその全体が基礎底盤１上に積層ゴム等の底部免震装置５により免震支持されて設置され、また本体部３の頂部とコア部２の頂部構造体２ａとの間にも同じく積層ゴム等の頂部免震装置６が介装されている。

これにより、本体部３はその上下が頂部免震装置６と底部免震装置５により免震支持されたものとなっていて、地震時には本体部３の全体がコア部２に対して水平方向にスライドするような水平変位や、本体部３が上下の支持点の間で図示例のように側方に湾曲するような曲げ変形が生じ、それによる水平振動が上記のクリアランス４の範囲内で許容されるようになっている。

さらに、本体部３の高さ方向の中間部にはコア部２との間にダンパーとして機能する複数の中間部制震装置７が多段（図１では６段）に介装されていて、本体部３とコア部２との間で上記のような水平方向の相対振動が生じた際にはそれら中間部制震装置７が作動して地震エネルギーを効率的に吸収するものとされている。

上記の中間部制震装置７としては、ダンパーとしての剛性を調整可能な可変剛性ダンパー、具体的にはたとえば公知の可変摩擦ダンパーや可変減衰ダンパー、各種のアクチュエータが採用されていて、地震時にはそれら中間部制震装置７の剛性を適正に制御することが可能とされている。
そして、そのような制御を行うために、本体部３の底部と基礎底盤１との間および本体部３の頂部とコア部２の頂部構造体２ａとの間には、それぞれ変位センサー８，９が設置されていて、それら変位センサー８，９により検知される本体部３の振動状況に応じて上記の各中間部制震装置７の剛性が刻々と最適に制御されるようになっている。

すなわち、変位センサー８，９は地震時における本体部３の底部と頂部の水平変位（基礎底盤１およびコア部２に対する相対変位）をリアルタイムで検知して、その検知結果を制御装置（図示略）に出力するようになっており、それに基づいて制御装置が所定の中間部制震装置７の剛性を最適に調整するように制御することにより、地震時における本体部３の揺れを有効に抑制しかつ後揺れを速やかに収束せしめるようになっている。
具体的には、上記の制御装置にはこの建物全体の地震動数学モデルが予め入力されていて、変位センサー８，９からの入力信号により検知される本体部３の揺れの方向と強さに応じて本体部３全体の振動状況を刻々と演算処理し、それに基づき各中間部制震装置７に制御信号を出力することにより、それぞれの中間部制震装置７をそれぞれに作用する変位に対して反対方向に最適な摩擦力や反力を発生させるようにそれぞれの剛性を最適に調整し、以て本体部３全体の振動を最も効果的に抑制するように構成されている。
これにより、たとえば巨大地震発生により中間部制震装置７に大きな変位が生じる際には、各中間部制震装置７の剛性を小さくしてそれらを確実に作動せしめて振動エネルギーを十分に吸収し、振動が収束段階となったら所定の中間部制震装置７の剛性を段階的に高めていって本体部３の変位を拘束するといった制御を行うことにより、本体部３の振動を速やかに低減させて後揺れが長く続くことを防止することが可能である。

以上で説明した本実施形態の免制震構造によれば、基本的には通常の免震構造と同様に本体部３の全体が底部免震装置５により免震支持されているので、本体部３に対して優れた免震効果が得られる。
また、本体部３とは独立に構築したコア部２の頂部から頂部免震装置６を介して本体部３の頂部も免震支持することによって本体部３を上方からも押さえ込むような構造であり、さらに本体部３の中間部も多段の中間部制震装置７（可変剛性ダンパー）を介してコア部２により支持可能であるので、本体部３およびコア部２の双方に作用する転倒モーメントは底部免震装置５、頂部免震装置６、中間部制震装置７を介して相互に伝達されてそれらが相互に支持し合ってそれらの全体が自ずと転倒し難いものとなり、したがって建物全体が充分に安定な構造となって、底部免震装置５に対する引き抜き耐力や転倒防止のためのフェイルセーフ機構を省略ないし軽減することも可能である。

また、本体部３はクリアランス４の範囲内でコア部２に対して水平方向の相対振動が生じるが、その相対振動によって中間部制震装置７が作動して地震エネルギーを効率的に吸収し、本体部３への地震入力が低減されて優れた制震効果が得られる。
この場合、中間部制震装置７は層間せん断変形角の大きい中層階の範囲に集約して設置しているので、それら中間部制震装置７は下層階や上層階に設置される場合に比べて効率的に作動して地震エネルギーを充分に吸収でき、その結果、本体部３への地震力を最小限としてその躯体の所要断面を充分に軽減することができる。
しかも、中間部制震装置７として可変剛性ダンパーを用いてそれらの剛性を変位センサー８，９により検知される本体部３の振動状況に応じて刻々と最適制御することにより、本体部３の変位を十分に抑制できるし後揺れを速やかに収束させることができる。

なお、地震時にはコア部２が逆さ振り子のように振動するような曲げ変形が生じることも想定されるが、そのようなコア部２の曲げ変形は本体部３から頂部免震装置６を介して垂直方向上方の反力を受けることにより充分に拘束されることになる。

図２〜図５は本発明の免制震構造による建物の具体的な設計例を示す。
これは、本体部３を外周チューブ架構１０と内周チューブ架構１１とを各階の繋ぎ梁１２により連結したダブルチューブ架構により構成し、内周チューブ架構１１の内側に全周にわたる回廊１３を設け、その内側にコア部２との間にクリアランス４を確保したものである。
また、コア部２は高剛性のコアウォールあるいはトラス構造体により構成し、その頂部に一体に設ける頂部構造体２ａを本体部３の上方に張り出す高剛性の大断面ハットトラスとしたものである。

そして、本体部３の底部（外周チューブ架構１０と内周チューブ架構１１の底部）と基礎底盤１との間に図３に示すように底部免震装置５を介装して本体部３を基礎底盤１上に免震支持するとともに、本体部３の頂部（外周チューブ架構１０と内周チューブ架構１１の頂部）とコア部２の頂部構造体２ａとの間に図４に示すように頂部構造体６を介装している。
また、本体部３の中間部には複数階おき（図示例では５階おき）に中間部制震装置７としての可変剛性ダンパーを設置している。その中間部制震装置７は、図５（ｂ）に示すように内周チューブ架構１１とコア部２の各四隅部に対して水平２方向を向くように２本ずつ（したがって各段に８台ずつ）設置されている。
さらに、図２に示すように、本体部３の底部と基礎底盤１との間には変位センサー８が設置され、本体部３の頂部とコア部２の頂部構造体２ａとの間には変位センサー９が設置されている。

図６は他の設計例を示す。これはコア部２の頂部構造体２ａの本体部３の上方への張り出し長さを小さくして、頂部免震装置６を内周チューブ架構１１の頂部との間にのみ設置し、そこに変位センサー９を設置したものである。この場合は上記設計例の場合よりも少数の頂部免震装置６で本体部３を上方から支持することになるが、頂部免震装置６の仕様を適切に設定することで同等の効果が得られる。

図７はさらに他の設計例を示す。これはコア部２が建物の頂部までは達しておらずその上部をボイド空間１６としたものであり、コア部２の頂部に設けた設置台１７と内周チューブ架構１１の内側の四隅部に張り出して設けた設置台１８との間に頂部免震装置６を介装し、そこに変位センサー９を設置したものであって、これによっても同等の効果が得られる。

なお、本発明は上記各設計例のような基礎免震の形態とすることに限らず、図８に示すように上記各設計例における本体部３を低層部建物２０上に設置して中間階免震の形態とすることも可能である。

１基礎底盤（基礎構造体）
１ａ杭
２コア部
２ａ頂部構造体
３本体部
４クリアランス
５底部免震装置
６頂部免震装置
７中間部制震装置（可変剛性ダンパー）
８，９変位センサー
１０外周チューブ架構
１１内周チューブ架構
１２繋ぎ梁
１３回廊
１６ボイド空間
１７，１８設置台
２０低層部建物

Claims

高層ないし超高層の建物を対象とする免制震構造であって、
当該建物をチューブ架構による平面視環状の本体部と該本体部とは独立にその中心位置に構築するコア部とにより構成して、それら本体部とコア部との間に水平方向の相対振動を許容するためのクリアランスを確保し、
前記本体部を基礎構造体上に底部免震装置により免震支持して設置し、
前記コア部を前記本体部よりも相対的に高剛性として前記基礎構造体に剛結して自立状態で設置するとともに、該コア部の頂部と前記本体部との間に頂部免震装置を介装し、
前記本体部の高さ方向中間部と前記コア部との間に中間部制震装置としての可変剛性ダンパーを上下方向に間隔をおいて多段に介装し、
前記本体部の底部と前記基礎構造体との間、および前記本体部の頂部と前記コア部との間に、それらの間で生じる水平方向の相対変位を検知する変位センサーをそれぞれ設置して、前記変位センサーの検知結果に基づいて前記中間部制震装置としての可変剛性ダンパーの剛性を制御可能に構成してなることを特徴とする免制震構造。