(57)【要約】【課題】五重塔の制振機構を利用して、建造物全体を支える免震装置や重錘を駆動する制振装置のような大掛かりな設備を用いずに建造物を耐震化することをその課題とした。【解決手段】耐震化の対象とする建造物内部に設置するエレベータ装置及び乗降ロビー部分をこれら以外の部分と構造的に切り離して独立させ、一体化して柱状構造物とする。これをエレベータコアと定義する。また、エレベータコア以外の部分を外郭部分と定義する。エレベータコアが一箇所の場合はこれをなるべく耐震化の対象とする建造物の中心近くに設ける。エレベータコアの固有振動数と外郭部分の固有振動数との差を出来る限り大きくし、エレベータコアと外郭部分とをオイルダンパのような緩衝装置を介して接続する。これにより建造物が地震波に共振してゆれの振幅が拡大する現象を阻止し建造物を耐震化することが出来る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐震化の対象とする建造物内部に設置するエレベータ装置及び乗降ロビー部分をこれら以外の部分と構造的に切り離して独立させて一体化して柱状構造物となしたものをエレベータコアと定義し、該建造物のエレベータコア以外の部分を外郭部分と定義したエレベータコア及び外郭部分に関して、該エレベータコアの固有振動数と該外郭部分の固有振動数との差を出来る限り大きくし、該エレベータコアと該外郭部分とを緩衝装置を介して接続することにより建造物を耐震化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建造物を耐震化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、高層建造物に対する長周期振動の影響が注目されるに至っている。先の東日本大震災の際にも東北地方で発生した地震が大阪の高層建造物に大きな被害をもたらせたことが注目されている。これは地震の周期と高層建造物の固有周期とが等しくなり共振によって振幅が拡大したためであるといわれている。
地震に対する対策として〔特許文献１〕その他において建造物全体を積層ゴムを用いた免震装置で支える方法が開示されているが、この方法では莫大な重量を有する建造物を免震装置で支えることになることから、免震装置に対する要求は極めて厳しいものにならざるを得ず非常に高価なものになることや、ゴムの劣化により性能が低下して行くことが考えられる。
【０００３】
上記の問題点以外にもこの方法は周期の短い地震に対してはその揺れを吸収できても周期の長い地震に対してはその揺れを吸収することは困難であるとおもわれ、建造物の耐震化方法、殊に長周期地震に対する耐震化方法としてはそれほど有効なものではないと考えられる。
【０００４】
別の方法として重錘をリニアモータで駆動して制振する方法が〔特許文献２〕に開示されている。しかし、地震の揺れは常にリニアモータの駆動方向と一致しているわけではないため、地震による高層建造物の揺れを打ち消すには２台の装置を駆動方向が直交するように設置しこれらを地震による動きを打ち消すように駆動する必要があるが、地震波の位相や振動方向を読み誤ると逆に振幅を増大させかねないことになる。さらに、大きな高層建造物では相当重量がある重錘を用いる必要があるが、このような余分な重量物を高層建造物の上部に設けることはその分高層建造物の強度に悪影響を及ぼすことが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０５−０１０３８６号公報
【特許文献２】特開平０８−２２６２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
建造物全体を支える免震装置や建造物のゆれを打ち消すために重錘を駆動する制振装置のような大掛かりな設備を用いることなく、建造物が地震波に共振することによって揺れの振幅が拡大することを阻止する方法を開発することをその課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
古くからある五重塔の制震機構を高層建造物のエレベータ部分に応用することによって比較的簡単な方法で高層建造物の耐震化を図るようにした。この技術を活用することで高層建造物の耐震化が極めて安価に実施できるものと考える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によって高層建造物の耐震化に必要であった大掛かりな装置が必要でなくなり、エレベータという高層建造物に不可欠な設備を利用しこの設計を少し変更することで長周期地震に対する被害を回避することが可能になった。この方法は高層建造物に限らずエレベータを有する建造物であればもっと低い建造物についても適用することができるものである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明になる耐震化手段の詳細な実施形態及び実施する上での問題点や注意点について説明する。
古くからある高層建造物の代表的なものとして五重塔があるが、この五重塔はこれまで地震で倒壊したことがなくその耐震性能が注目されているところである。五重塔が地震に対して強い理由を私は次のように推定する。
【００１０】
他の建造物に見られない五重塔独自の特徴は、塔の中心に塔の外郭部分から独立した心柱が置かれている点である。五重塔の外郭部分と心柱の部分では形状や剛性が異なるため振動する場合の固有振動数も当然異なったものとなる。もし塔の外郭部分の固有振動数と同じかそれに近い振動数の地震波が来て塔の外郭部分が共振し揺れが大きくなりだした場合でも、その地震波の振動数は心柱の固有振動数から外れることになり心柱が共振することはなくその揺れはそれほど大きくなることはない。このため塔の外郭部分が更に大きく揺れようとしても中心の心柱に当りそれ以上の振幅の拡大が阻止されることになる。
【００１１】
一方心柱についても同じことがいえ、もし心柱の固有振動数と同じかそれに近い振動数の地震波が来て心柱が共振し揺れが大きくなりだした場合でも、その地震波の振動数は塔の外郭部分の固有振動数から外れることになり塔の外郭部分が共振することはなくその揺れはそれほど大きくなることはない。このため心柱が更に大きく揺れようとしても塔の外郭部分に当りそれ以上の振幅の拡大が阻止されることになる。このようにいずれの固有振動数と同じかそれに近い振動数の地震波が来た場合でもお互いが干渉し合い振幅の拡大が阻止され五重塔が被害を受けることはないわけである。
【００１２】
ただ、五重塔の場合は内部で生活するわけでなく中心に心柱があってもそれほど邪魔になることはないが、通常の高層建造物の場合にはこの中で人間が生活し或いは活動することを目的として造るものであり中心に心柱を設けると利用の妨げとなり心柱を設けることが出来ないのが一般的である。したがって五重塔の耐震機構をそのままの形では高層建造物に応用することが出来ないことになる。本発明者は如何にすれば高層建造物の利用を妨げることなく比較的安価に耐震化できるかという点について種々調査研究を重ね本発明を完成したものである。
【００１３】
高層建造物は一端が固定された巨大な振動片と見ることができるが、その固有振動数は音叉のような小さなものと比べると非常に小さく周期が長いものである。ところが長周期地震の場合にはその周期が高層建造物の固有振動数の周期と一致することがあり、高層建造物の揺れが共振によって時間と共に増大しついには高層建造物を破壊するに至る場合があることが判明しその対策が現在研究されているところである。高層建造物の鉄骨を増量して構造を強固なものにすることで耐震性は増大するが、単に鉄骨を増量し構造を強固なものにするだけではコストの増大が大きく実用的な対策とはいいがたいものである。
【００１４】
通常の高層建造物は全体が一体化したものとして作られている。このように高層建造物が一体化されている場合には高層建造物が全体として一個の固有振動数を持つわけであるが、その固有振動数と一致した周期の地震波が来た場合には前述のように共振によって大きな被害を受けることとなる。この対策として五重塔の制振原理を採り入れようとすると高層建造物の中心に大きな心柱を設けることが必要になるが、前述のように高層建造物の中心に大きな心柱を設けることは用途上或いは用地上の制約から許されないのが実情といえる。そこで高層建造物において特別な面積を占有することなく心柱に代わりこれと同じ働きをするものをいかにして確保するかという点が本発明において最も苦労したところである。
【００１５】
次に本発明について、その内容及びそれを実施する具体的な方法や注意事項について説明する。
既に述べているように本発明は五重塔の心柱による制振作用を応用したものであるが、五重塔の心柱に相当するものとして高層建造物には不可欠なものとして設けられているエレベータを活用し、コストをそれほど上げることなく耐震性の向上を図ることが出来るようにしたものである。
【００１６】
通常、エレベータや乗降ロビーは建物の一部として他の部分と切り離すことなく一体のものとして造られている。これに対し本発明では昇降路を含むエレベータ装置と乗降ロビーとを構造的に切り離して独立させてこの部分だけを一体化し、これを五重塔の心柱の代わりとして使用するものである。ここで言うエレベータ装置とは、エレベータの駆動装置、かごやかご枠、照明設備、通信設備、換気設備、その他かごに付随する装置類、かごが上下する昇降路、ガイドレール、滑車、ワイヤーロープ、電気ケーブル、非常停止装置，緩衝器等、正常運転時及び非常時に必要な装備や関係機器を指すものである。
【００１７】
これらのエレベータ装置と乗降ロビーの部分を他の部分と構造的に切り離して独立させて一体化し縦に細長い一個の柱状構造物とするわけである。乗降ロビーを含めるのは底面積を広くして安定化を図るためである。
このように一体化されたエレベータ装置と乗降ロビーからなる柱状構造物をエレベータコア、建造物のエレベータコア以外の部分を外郭部分と定義し、今後このように呼ぶものとする。
いろいろと制約はあると思われるが、このエレベータコアは心柱の代わりとして使用するものである関係上、一箇所だけの場合には出来るだけ建造物の中央近くに設けることが望ましいといえる。どうしても建造物の中央近くに設けることが困難な場合には端部に設けるのもやむをえないが、その場合は制振効果が若干低くなる。
【００１８】
釣合い錘が付属しているエレベータにあってはこの釣合い錘及び錘用のガイドレールや緩衝器もエレベータコアの一部として一体化するようにする。
エレベータの駆動装置は原則的にはエレベータコアの一部として一体化するが、段落番号〔００２３〕のところで説明するように構造上一体化することが困難な場合には無理にエレベータコアに含める必要はない。
２台以上のエレベータが併設されている場合はこれら複数台のエレベータと乗降ロビーをまとめて一体化すればよい。また広い建物で２箇所以上の離れた場所にエレベータが設けられている場合には、それぞれのエレベータの設置場所ごとに独立させて一体化したエレベータコアとしこれを複数個つくればよい。このほうが１箇所だけの場合より耐震性は向上する。
【００１９】
スカイロビー方式のように途中でエレベータが途切れ別のエレベータに乗り継ぐようになっている場合には乗り継ぐエレベータを同じ乗降ロビーに設けるようにして乗降ロビー部分とエレベータ部分とを下から上まで一体化する。どうしてもまとめて一体化できない場合にはエレベータ部分をできるだけ長くして出来る範囲で一体化すれば最善とはいえなくともそれなりの効果を得る事が出来る。
【００２０】
エレベータコアと外郭部分とは構造的に切り離されているが、エレベータコアと外郭部分の基礎は共通にすればよく基礎まで切り離す必要はない。この理由は基礎を切り離すと基礎の強度が弱くなることと、固有振動数が異なる２個の振動片を共通の台に取り付けて振動させても共振するのは固有振動数が一致した方だけであることから分かるように、基礎の部分は共振に影響しないためである。
【００２１】
エレベータコアと外郭部分とは構造的に切り離されているためエレベータコアと外郭部分との間には間隙が出来るが、この間隙の上を人が通行することになるので人や物が落ち込むことがないようふさいでおく必要がある。間隙をふさぐ際の注意としては間隙に軽く蓋をする程度にとどめることで、間隙をふさぐことによってエレベータコアと外郭部分とが強度的に強く結合されることがないようにしなければならない。勿論、この蓋が外れて落下したり破損したりすることがないように処置されていなければならないことは言うまでもないことである。また、エレベータコア内の水道やガスの配管、電線管（コンジットパイプ）、空調ダクト等の配管類は外郭部分と接続する必要があるが、これらは出来るだけ相互に力を及ぼさないようにするためフレキシブルジョイントを使って接続することが望まれる。
【００２２】
エレベータコアは五重塔の心柱に相当するものであり、その固有振動数は外郭部分の固有振動数より高くする必要がありその差は出来る限り大きくする方が良い。固有振動数を高くするためにはエレベータコアを軽量且つ強靭なものにすることが必要である。エレベータコアを軽量且つ強靭にすることで固有振動数が高くなり外郭部分の固有振動数との差を大きくすることが出来るようになる。このためには、コスト面の制約があるとは思うがエレベータ装置自体を出来る限り強固なものにすると共に、乗降ロビー部分の柱や梁は鉄骨を通常より太くし高強度のコンクリートを使用することが有効である。このようにエレベータコアを強固なものにすることは、地震の際、エレベータのかごやかご枠、ガイドレール等が変形して動かなくなり階の途中でエレベータのかごの中に取り残されるという缶詰事故が発生する危険性が小さくなるという意味でも望ましいことである。
【００２３】
固有振動数を高くするという意味ではエレベータを駆動するモータやギア等の重量物を上に置く上部機械室方式より重量物を下に置く下部機械室方式の方が有利であるが、用地やその他との関係もあり上部機械室方式にせざるを得ない場合もあると思われる。耐震効果の面からは望ましいことではないがやむをえないものと考える。
下部機械室方式とする場合もこの部分は昇降路に隣接して設けられるものであり容易にエレベータコア内部に組み込むことが出来るものと考えるが、どうしても困難な場合には機械室を外郭部分に納めても良い。エレベータコアと外郭部分とがワイヤーロープでつながることになり厳密には独立しているといえないが、その力は建造物に働く重力や慣性力に比べると小さくその影響は無視することが出来る。
【００２４】
既に説明したように構造的に独立させ固有振動数が異なるように作られたエレベータコアと外郭部分とは、共通の基礎の上に構築されていても双方が同時に基本モードで共振するということは起こり得ないわけである。この共振は開放端の共振であるため、外郭部分の固有振動数に対してエレベータコアの固有振動数が３倍、５倍等、奇数倍になった場合にはエレベータコアと外郭部分の双方に共振が起こる可能性はあるが、固有振動数の波に対する共振に比べると奇数倍モードの共振はその振幅が小さくなる。このような理由で地震発生時に一方が共振して大きく揺れても他方の揺れは小さいものとなり、双方が共に共振して大きな揺れが発生するということはない。
エレベータコアと外郭部分の固有振動数が等しく双方とも共振した場合には両者の間隔は一定のまま両者とも同じように大きく揺れることになり、両者を紐で結んでも紐に作用する力は弱く両者を強く干渉させることは出来ないが、固有振動数が異なると一方が大きく揺れても他方の揺れはそれ程でもないことになり、両者の間隔は広がったり狭まったりして時間的に変化し、紐は伸びたり縮んだりして場合によっては切れることになる。このように固有振動数が異なると両者を強く干渉させることが出来る。本発明はこのように揺れ方が異なるエレベータコアと外郭部分とを干渉させることによって、高層建造物の揺れが持つエネルギを吸収して熱に変え振幅の成長を阻止させて耐震性を高めようとするものである。
【００２５】
干渉させる方法としては単純に衝突させる方法が最も簡単であるが、コンクリートが主体の通常の高層建造物においては衝突によりコンクリートが破損する恐れがあることや、干渉が衝突した瞬間しか起こらないことから余り推奨できるものではない。穏やかに干渉させてコンクリートの破損を回避し効果的に高層建造物の揺れが持つエネルギを吸収して制振する方法として、両者を緩衝装置を介して接続することが有効であり本発明ではこの方式を採用する。
この緩衝装置は地震によって揺れている建物が持つエネルギを吸収して熱に変える事によって揺れを抑えるためのものである。緩衝装置としてはいろいろなものが考えられる。板と板をかみ合わせて両者が動く際に発生する摩擦力を利用するようなものでも効果はあるが摩擦力の調整が難しいためあまりよい方法とはいえない。スプリングは単独ではエネルギを熱に変える能力が殆どなくこの目的には適当でない。一般的に使用されているピストンシリンダ式のオイルダンパ（ダッシュポット）が緩衝装置としての性能が安定しており確実に作動する信頼性の高いものとして推奨できる。勿論、オイルの代わりに他の液体たとえば水のようなもの、あるいはグリコールやグリセリン等のアルコール類を使用したものでも良く、使用する液体は粘性や安定性から適切なものを選定すればよい。
【００２６】
エレベータコアと外郭部分とをオイルダンパによって接続する場合、地震の振動が、上下、前後、左右いずれの方向に生じても対応できるように、オイルダンパの両端には通常のブラケットではなくユニバーサルジョイント或いはボールジョイントのように接続部分が自由に動くものを取り付けることが望ましい。ユニバーサルジョイント或いはボールジョイントの旋回運動とオイルダンパの伸縮運動で上下、前後、左右いずれの方向に生ずる動きにも対応できるようにするためである。
【００２７】
ユニバーサルジョイントは可動部の摩擦を出来る限り小さくして動力の損失を避けるようにするのが一般的であるが、ユニバーサルジョイントの可動部にある程度摩擦を持たせて地震のエネルギを吸収するようにしたほうが揺れの吸収に対して効果的である。但し、さび付いてロックしたのでは逆効果になるのでその意味では通常の摩擦の少ないユニバーサルジョイントの方が良いともいえる。
【００２８】
エレベータコアの断面の形状は一般的には四角形になると考えられる。振動を吸収するための緩衝装置は最も振幅が大きくなるエレベータコアの上部の各辺の両端近くに設ければよいが、エレベータコアが大きく辺の長さが長い場合にはこれだけでは緩衝能力が不足するのでその長さに応じて緩衝装置の数を増すことになる。
【００２９】
緩衝装置をエレベータコアの上部だけでなく下から３分の１の高さのところにも設けることも有効である。これは基本振動数の３倍の振動数で共振する振動を吸収することが出来るからである。ただ前述したように基本振動数の３倍の振動数で共振する場合の振幅はそれほど大きなものではなく、上部の緩衝装置の能力を補うという意味の方が強いともいえる。勿論これら以外の場所、たとえば各階ごとに設ける等して緩衝装置を多く取り付けることは経済的負担は増大するが性能的には望ましいことである。但し、その数が多くなりすぎてエレベータコアと緩衝装置によって接続される外郭部分との結合力が強くなり双方が一体化して揺れるようなことがないように注意しなければならない。
【００３０】
以上述べた方法により高層建造物の耐震化が利便性を損なうことなく極めて安価に実施できるものとなる。この方法は高層建造物に限らずエレベータを有する建造物であればもっと低い建造物についても適用することができるものである。この場合には建造物やエレベータコアは高さが低くなるため固有振動数は高くなり、高層建造物の場合に比べて短い周期の地震波に共振する揺れを防ぐことになる。