(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物を建設する地盤の振動レベルを測定して周波数毎の振動レベル解析を行うと共に、該地盤上に建設される建物の固有振動数として予想される振動数の範囲を想定し、この想定した範囲の建物の固有振動数すべての値に対する建物の振動レベルを予め算出しておくことにより建物として連続した周波数帯域で予測した想定される固有振動数毎の建物の振動レベルと、建設する建物の骨組みに２次部材を考慮した建物の構造から算出した該建物の固有振動数とから得られたこの地盤上に建設される建物の振動レベルを判定することを特徴とする建物の振動レベル予測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の建物の振動レベル予測方法により得られた建物の振動レベルの予測値が許容値を越える場合には建物の構造骨組み、或いは建物の構造骨組みに付加される２次部材の種類、配置位置、或いは制振装置の種類、配置位置の建物設計を修正することを特徴とする建物の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は建物の振動レベル予測方法及びこれを用いた建物の設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、住宅やオフィス等の建物は建物自体の構造設計を行った後、予定の立地場所に建築される。立地場所によっては交通振動等による微小振動の影響が建物の居住性に深く関わることが多い。しかしながら、従来では交通振動等による微小振動の影響を考慮して個々の立地条件に合わせた設計を事前に行うことは一般的にはなされていないのが現状であった。
【０００３】
例えば、建物の構造計算から交通振動等による微小振動の影響を推測する方法も考えられるが、微小振動レベルにおける中低層鉄骨建物の剛性は構造躯体の骨組のみならず、帳壁や間仕切壁等の２次部材等も建物の剛性に寄与する場合があるため、建物の微小振動レベルの挙動については通常の構造計算で得られる結果とは異なることが多く、実際の建物の振動レベルの予測が困難であった。
【０００４】
また、特開平11-194048号公報には、鉄骨系２階建ての建物、鉄骨系３階建ての建物、木造系２階建ての建物、木造系３階建ての建物等建物の種類毎に既存の建物の振動特性を求めておき、実際の建築現場で地盤の振動特性を測定した後、この地盤の振動特性と、そこに建築しようとする建物の種類毎の振動特性とをパーソナルコンピュータにより演算することによって、そこの建築現場に所定の種類の建物を建築した場合の建築後の振動特性の予測値を算出し、これが許容範囲であるか否かを判定する技術が提案されている。
【０００５】
また、本発明者等は、特開平11-140967号に開示したように、予め得られた建物の固有振動数と該固有振動数に対する入力振動レベルの増幅量の関係から建設される建物の入力振動レベルの増幅量を演算し、該演算値に交通振動等による地盤の微小振動レベル測定値を上乗せして建物における振動レベルを予測することで快適な居住性を確保した建物の設計を可能にする技術を提案している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術においても全く問題がない訳ではなく、地盤の振動レベル測定値は、その振動の周波数に関係なく振動振幅の最大値を採用して建物における振動レベルを予測し、建物の建設の可否を判定していたため場合によっては過剰設計になり不経済であるという問題が発生していた。
【０００７】
即ち、建物の固有振動数と地盤振動の主要周波数が比較的近い場合には共振振動レベルにおいて建物の建設の可否を判定することになるため上記技術での振動レベルの予測も効果的であるが、建物の固有振動数と地盤振動の主要周波数が離れていて共振振動が発生しない場合の周波数帯域では上記技術において不合格となった場合でも合格として取り扱って良い場合が少なくないことが判明した。
【０００８】
また、特開平11-194048号公報に開示された技術では、所定の種類の建物を建築した場合の建築後の振動特性の予測値を算出出来るとしているが、鉄骨系２階建ての建物、鉄骨系３階建ての建物、木造系２階建ての建物、木造系３階建ての建物等、建物構造の種類毎でパターン化した骨組みの大まかな振動特性のデータは持ち合わせていても、その骨組みに追加される外壁や、間仕切り壁等の２次部材のデータが不足しており、更には不合格になった時の修正手段を備えていないため施工を断念するか、骨組みの種類を変更しなければならない。ところが、鉄骨系から木造系或いはその逆に骨組みを変更したり、２階建てから３階建て或いはその逆に階数を変更することを薦められても施工主には受け入れ難く、実用的ではない。
【０００９】
本発明は前記課題を解決するものであり、その目的とするところは、建物の固有振動数毎の振動レベルを予測し得る建物の振動レベル予測方法を提供すると共に、その予測値が許容値を越える場合には建物設計を修正することで、建物の固有振動数と地盤振動の主要周波数が離れていて共振振動が発生しない場合の周波数帯域でも過剰設計にならず、経済的で快適な居住性を確保し得る建物の設計方法を提供せんとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明に係る建物の振動レベル予測方法は、建物を建設する地盤の振動レベルを測定して周波数毎の振動レベル解析を行うと共に、該地盤上に建設される建物の固有振動数として予想される振動数の範囲を想定し、この想定した範囲の建物の固有振動数すべての値に対する建物の振動レベルを予め算出しておくことにより建物として連続した周波数帯域で予測した想定される固有振動数毎の建物の振動レベルと、建設する建物の骨組みに２次部材を考慮した建物の構造から算出した該建物の固有振動数とから得られたこの地盤上に建設される建物の振動レベルを判定することを特徴とする。
【００１１】
即ち、建築現場で地盤振動データを測定し、例えば、パーソナルコンピュータにより周波数分析を行い、その後、その現場に建築が想定される範囲内の建物の固有振動数すべての値に対して建物の応答計算も建築現場で行う。測定結果は一覧表やグラフ等の紙の形式で設計者に渡す。
【００１２】
設計者はグラフを使って建物の固有振動数から応答予測を行う。これにより、建物個別に応答が予測出来る。
【００１３】
また、本発明に係る建物の設計方法は、前記建物の振動レベル予測方法により得られた建物の振動レベルの予測値が許容値を越える場合には建物の構造骨組み、或いは建物の構造骨組みに付加される２次部材の種類、配置位置、或いは制振装置の種類、配置位置の建物設計を修正することを特徴とする。
【００１４】
上記構成により、予測される実際の建物の固有振動数に対する振動レベル、或いは建物として想定される固有振動数毎の建物の振動レベルに対応して建物設計を修正することで、建物の固有振動数と地盤振動の主要周波数が離れていて共振振動が発生しない場合の周波数帯域でも過剰設計にならず、経済的で快適な居住性を確保した建物の設計が容易に出来る。
【００１５】
また、前記建物設計の修正は建物の構造骨組みの変更、或いは建物の構造骨組みに付加される２次部材の変更、或いは制振装置の検討を行って、建物の振動レベルの予測値が許容値内に納まるように設計出来る。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図により本発明に係る建物の振動レベル予測方法及びこれを用いた建物の設計方法の一実施形態を具体的に説明する。図１は本発明に係る建物の振動レベル予測方法及びこれを用いた建物の設計方法の第１実施形態を示すフローチャート、図２は地盤の周波数毎の振動レベルに建物の固有振動数に対する入力振動レベルの増幅量を上乗せして建物の振動数毎の振動レベルを予測した様子を示す図、図３は建物の固有振動数毎の振動レベルを判定する様子を示す図、図４は３階建て住宅の建物設計の修正前の状態を示す間取り平面図、図５は図４の建物設計修正後の状態を示す間取り平面図である。
【００１７】
先ず、図１〜図５を用いて本発明に係る建物の振動レベル予測方法及びこれを用いた建物の設計方法の第１実施形態について説明する。
【００１８】
建物の最終的な揺れの大きさは、地盤の微小振動レベル(dB)と、それによって建物の振動レベルが増幅されて揺れる入力振動レベルの増幅量(dB)との相乗効果であり、建物内に居住する人間の感じる揺れは前記地盤の微小振動レベル(dB)と入力振動レベルの増幅量(dB)とを加算することで求めることが出来る。
【００１９】
図１において、先ず、建設する建物の躯体情報として柱や梁等による骨組みの構造計算を行い（ステップＳ１）、骨組みに取り付けられるＡＬＣパネル等からなる外壁や、間仕切り壁等の２次部材の追加入力を行う（ステップＳ２）。
【００２０】
その後、骨組みに２次部材を考慮した建物の構造から該建物の固有振動数を算出する固有値解析を行う（ステップＳ３）。建物の固有振動数は建物の構造及び２次部材を考慮した建物の剛性と質量により算出される。
【００２１】
一方、建設する建物の地盤情報として交通振動等による該建物の立地場所の地盤の微小振動レベルを測定し、周波数毎の振動レベル解析を行う（ステップＳ４）。そして、その地盤の微小振動レベルの周波数分析結果に以下の(1)式で求められる建物の入力振動レベルの増幅量τを上乗せして、想定される範囲内の建物の固有振動数すべての値に対して建物の固有振動数毎の振動レベルを算出する（ステップＳ５）。
【００２２】
尚、ステップＳ４，Ｓ５は、その地盤上に建設されると想定されるすべての建物に対して計算を行うことで、実際に建設される建物の振動特性に関わる情報がなくても建築現場の現地で実施出来る。
【００２３】
地盤の微小振動により建物の基礎に強制変位が作用する場合、周波数毎の地盤（基礎）の振動レベルＹ0 に対する建物の振動レベルＹは以下の(1)式で求められる。尚、ｆ0 は建物の固有振動数（Hz）、ｆは地盤（基礎）の振動数（Hz）、ｈは減衰定数（％）であり、地盤（基礎）の振動数ｆ及び地盤（基礎）の振動レベルＹ0 は現地で測定されるものである。
【００２４】
【数１】
0003571619.tif 000002
【００２５】
図２は各周波数成分における地盤（基礎）及び建物の振動レベルをデシベル(dB)表示したものの一例である。図２において破線は現地で測定された地盤（基礎）の周波数毎の振動レベルを示し、実線は前記(1)式を用いて破線で示す地盤（基礎）の振動レベルに建物の入力振動レベルの増幅量τを上乗せして推定された建物の振動数毎の振動レベルを示す。
【００２６】
また、図２中の○は図１のステップＳ４で現地で測定された各振動数毎の振動レベルの合計値を示し、●は各振動数毎の振動レベルの増幅量を上乗せして推定された建物の振動レベルの合計値を示す。建物の各固有振動数毎に●を計算してグラフ化すれば図３に示すように連続した周波数帯域で建物の振動レベルの予測値を得る。
【００２７】
ここで、予め連続する周波数帯域のうち、中低層建物の一般的な固有振動数帯域を任意の周波数刻みで振動加速度レベルの予測値(dB)を夫々算出しておき、グラフ化して中間値を補完する等して予め建設される建物の固有振動数を想定される範囲内で連続的に変化させて振動加速度レベルの予測値(dB)を算出しておくことで、個々の建物毎にグラフを作成する必要がなく、異なる建物設計で図３を共通して利用することが出来る。
【００２８】
次に図１のステップＳ６において、その建設地に建設される建物の振動レベルを判定する。図３は各固有振動数毎の建物の振動レベル予測値の一例を示すものである。
【００２９】
また、判定曲線ａ，ｂ，ｃは振動レベルを判定するための指標となる曲線であり、例えばISO-2631の規格に準じて作成される。建物内に居住する人間の感じる揺れは建物の振動周波数が上昇するにつれて緩和されることが知られており、判定曲線ａ，ｂ，ｃは周波数の上昇につれて図３の右上がりに設定されている。
【００３０】
図１において、先ず、建設する建物の躯体情報として柱や梁等による骨組みの構造計算を行い（ステップＳ１）、骨組みに取り付けられるＡＬＣパネル等からなる外壁や、間仕切り壁等の２次部材の追加入力を行う（ステップＳ２）。
【００３１】
その後、骨組みに２次部材を考慮した建物の構造から該建物の固有振動数を算出する固有値解析を行う（ステップＳ３）。建物の固有振動数は建物の構造及び２次部材を考慮した剛性と質量により算出される。
【００３２】
ここで、図３に示す判定曲線ａ，ｂ，ｃを用いて、建物の固有振動数毎の振動レベルを判定する一例を示す。先ず、図１のステップＳ３において図４に示す３階建て住宅の固有振動数を算出し、３．３（Hz）という値を得る。
【００３３】
次に、この地盤上に建設される建物の固有振動数毎の振動レベルを判定するが、図３に示すように、３．３（Hz）の建物では判定曲線ｂとｃとの間に位置してＢランクで不合格と判定され、ステップＳ７において、対策検討が実施される。一方、図３において、４．３（Hz）の建物では判定曲線ａよりも下側に位置してＡランクで合格と判定されることが分かる。
【００３４】
そこで、Ｂ，Ｃランクとなって不合格と判定された建物の固有振動数を向上するためにステップＳ８において建物の設計における壁量、壁配置、２次部材の見直し、剛性の見直しを行い、例えば、図４の状態から図５に示すようにブレースや耐力壁等の耐震要素１を各階の（図４及び図５の左右方向）に配置して建物の剛性を高めることで建物の固有振動数を向上させる。尚、図５の２階では間仕切り２を追加した後、更に耐震要素１を配置した一例である。
【００３５】
そして、ステップＳ９において、これ等の修正した箇所の修正情報を入力し、再度前記ステップＳ３に戻って修正後の２次部材を考慮した新たな建物の構造から該建物の固有振動数を算出する固有値解析を行う。
【００３６】
図５に示すように建物設計を修正したことで、図３において建物の固有振動数が従前の３．３（Hz）から４．３（Hz）に向上し、判定曲線ａよりも下方に位置するＡランクで合格と判定され（ステップＳ６）、建設可能としてフローを終了する。
【００３７】
上記例のように前記ステップＳ６において、建物の固有振動数毎の振動レベルの判定を行い、例えば、前記ステップＳ３において算出された建物の固有振動数毎の振動レベルが図３の判定曲線ａよりも下方であればＡランクで合格であると判断し、フローを終了して建設する建物の設計がその立地条件に適合したものであるとする。
【００３８】
また、例えば、前記ステップＳ３において算出された建物の固有振動数での振動レベルが図３の判定曲線ａとｃとの間に位置すればＢランクで不合格であると判断し、同じく建物の固有振動数での振動レベルが判定曲線ｃよりも上方であればＣランクで不合格であると判断し、両者の場合にはステップＳ８において建物の設計における壁量、壁配置、２次部材の見直し、剛性の見直しを行った後、修正した箇所の修正情報を入力する（ステップＳ９）。
【００３９】
そして、再度前記ステップＳ３に戻って修正後の２次部材を考慮した新たな建物の固有振動数を算出する固有値解析を行い、建物の振動レベルがＡランクとなるような固有振動数となるように設計する。そして、Ａランクで合格であると判断し、フローを終了する。
【００４０】
前記２回目のステップＳ３において算出された新たな建物の固有振動数が目標値をクリア出来ず、図３の判定曲線ａよりも下方側に低減されない場合で、建物の振動レベルが図３の判定曲線ａとｃとの間に位置すればＢランクで不合格であると判断して、再度ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ３，Ｓ６を繰り返す。
【００４１】
また、前記２回目以降のステップＳ３において算出された新たな建物の固有振動数での振動レベルが判定曲線ａと判定曲線ｃとの間であればＢランクで不合格であると判断し、判定曲線ｃよりも上方であればＣランクで不合格であると判断した後、ステップＳ10において建物の設計における柱や梁等による構造骨組みの見直しを行った後、修正した構造骨組みでの構造計算を行う（ステップＳ11）。
【００４２】
そして、ステップＳ12において建物の設計における壁量、壁配置、２次部材の見直し、剛性の見直しを行い、修正した箇所の修正情報を入力する（ステップＳ９）。そして、再度前記ステップＳ３に戻って修正後の骨組み及び２次部材を考慮した新たな建物の構造から該建物の固有振動数を算出する固有値解析を行い、建物の振動レベルがＡランクとなるような固有振動数となるように設計する。そして、Ａランクで合格であると判断し、フローを終了する。
【００４３】
尚、前記各実施形態において、建物設計の修正を建物の構造骨組みの変更により行った場合には建物の構造計算を新たに行い、更に地震時の安全性評価等も再度見直す必要があるので修正作業に手間がかかるという問題があるが、建物の構造骨組みに付加される２次部材の変更により建物設計の修正を行った場合には建物の構造計算や地震時の安全性評価の再考を省略することが出来るため修正作業が容易に出来る。
【００４４】
また、例えば、前記ステップＳ６において算出された建物の固有振動数毎の振動レベルが図３の判定曲線ａとｃとの間に位置すればＢランクで不合格であると判断し、同じく建物の固有振動数毎の振動レベルが判定曲線ｃよりも上方であればＣランクで不合格であると判断し、両者の場合にはステップＳ13において建物の構造にＴＭＤ（同調振動系型）、ＡＭＤ（制振力型）、ブレースダンパー等の制振装置を追加して設け、ステップＳ14において、制振装置を考慮した建物の振動レベルを算出する。
【００４５】
制振装置を付加した場合の振動レベルの算出は、ステップＳ３で算出した建物の固有振動数での振動レベルから追加した制振装置による振動減衰値を差し引いて新たな建物の振動レベルを算出する。
【００４６】
ステップＳ13，Ｓ14では、繰り返し制振装置の検討を行い、制振装置の種類、配置位置等を適宜変更して建物の振動レベルの予測値が許容値内に納まるように設計する。
【００４７】
そして、ステップＳ15において、再度、新たな建物の固有振動数での振動レベルを判定し、推定された新たな建物の固有振動数での振動レベルが図３の判定曲線ａよりも下方であればＡランクで合格であると判断し、フローを終了する。
【００４８】
また、前記ステップＳ14において算出された新たな建物の固有振動数での振動レベルが判定曲線ａとｃとの間に位置すればＢランクで不合格であると判断し、判定曲線ｃよりも上方であればＣランクで不合格であると判断した後、建設不可と判定する。
【００４９】
上記構成によれば、地盤の振動レベルを測定して周波数毎の振動レベルを解析し、建物の固有振動数毎の振動レベルを予測出来るので立地条件に則した実際の建物の固有振動数毎の振動レベルの予測が容易に且つ正確に出来る。
【００５０】
従って、この建物の振動レベル予測方法を用いて、周波数毎の振動レベルマップを予め作成しておくことで、一件毎に建築現場の地盤振動レベルを測定する作業を省略することが出来る。
【００５１】
また、予測される実際の建物の固有振動数毎の振動レベルに対応して建物設計を修正することで、建物の固有振動数と地盤振動の主要周波数が離れていて共振振動が発生しない場合の周波数帯域でも過剰設計にならず、経済的で快適な居住性を確保した建物の設計が容易に出来る。
【００５２】
また、建築現場で行った測定結果は、一覧表やグラフ等の紙の形式で設計者に渡すことが出来るため、測定結果をファクシミリ等を利用して手軽に設計者に渡すことが出来る。また、グラフを読むだけで特別な計算が必要なく、グラフを読み取って必要な固有振動数を予測出来る。また、建物の設計変更を行う度に応答計算を繰り返す必要がない。
【００５３】
また、通常、地盤情報の測定者と建物設計者とは別業者で行われるため、応答計算を行うための特殊なプログラムは地盤情報の測定者側で持っていれば良く、多人数の設計者に配布する必要がないので、プログラムのメンテナンスが容易である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、上述の如き構成と作用とを有するので、必要とされる固有振動数毎の建物の振動レベルを予測し得る建物の振動レベル予測方法を提供すると共に、その予測値が許容値を越える場合には建物設計を修正することで、建物の固有振動数と地盤振動の主要周波数が離れていて共振振動が発生しない場合の周波数帯域でも過剰設計にならず、経済的で快適な居住性を確保した建物の設計を可能にすることが出来る。
【００５５】
また、個々の建物毎に対して地盤の周波数分析結果と、建物の固有振動数から建物の振動レベルを個々に算出することが省略出来、同一の地域に建物を建築する場合に予め連続した周波数帯域で求められた振動レベルを共通して利用出来るので建物設計が容易に出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る建物の振動レベル予測方法及びこれを用いた建物の設計方法の第１実施形態を示すフローチャートである。
【図２】地盤の周波数毎の振動レベルに建物の固有振動数に対する入力振動レベルの増幅量を上乗せして建物の振動数毎の振動レベルを予測した様子を示す図である。
【図３】建物の固有振動数毎の振動レベルを判定する様子を示す図である。
【図４】３階建て住宅の建物設計の修正前の状態を示す間取り平面図である。
【図５】図４の建物設計修正後の状態を示す間取り平面図である。
【符号の説明】
１…耐震要素
２…間仕切り
【図１】
0003571619.tif 000003
【図２】
0003571619.tif 000004
【図３】
0003571619.tif 000005
【図４】
0003571619.tif 000006
【図５】
0003571619.tif 000007