(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の中間層において全ての柱を上下に分断してそこに積層ゴムを介装することによりこの中間層の水平剛性を他の層よりも低下せしめて、この中間層を地震時に変形が集中して大変形を生じる変形集中層として設定し、当該変形集中層とその直上層との間に地震エネルギーを吸収する制震ダンパーを介装することによって、該制震ダンパーにより建物全体としての減衰性能を確保して建物全体に対する制震効果を得る構造の制震構造建物において、
変形集中層の外周構面の外側にこの変形集中層とその直上層に跨る矩形枠状の高剛性のフレーム体を設け、そのフレーム体と変形集中層およびその直上層の少なくともいずれか一方との間に、変形集中層において生じる層間変形によるフレーム体と変形集中層またはその直上層との間の相対変位により作動する制震ダンパーとしての鋼材ダンパーを介装してなることを特徴とする制震構造建物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は優れた耐震性能を有し被災後の復旧も容易な制震構造建物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般の耐震設計法では、建物の各層の地震損傷が均等になるようにすることを目的として、地震被害の実績等に基づいて設計地震力を決定している。建物の耐力分布は設計地震力に比例したものとなるが、鉄筋コンクリート造では最小配筋規定等の構造規定があり、建物の最上層近くでは設計で仮定した耐力よりも余裕を持つ場合が多い。この結果、通常の耐震構造では建物の中間層に地震被害が生じやすいという傾向がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、建物におけるそのような特性を逆に利用して、建物全体に対して優れた制震効果を得ることのできる有効な制震構造建物を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、特定の中間層において全ての柱を上下に分断してそこに積層ゴムを介装することによりこの中間層の水平剛性を他の層よりも低下せしめて、この中間層を地震時に変形が集中して大変形を生じる変形集中層として設定し、当該変形集中層とその直上層との間に地震エネルギーを吸収する制震ダンパーを介装することによって、該制震ダンパーにより建物全体としての減衰性能を確保して建物全体に対する制震効果を得る構造の制震構造建物において、変形集中層の外周構面の外側にこの変形集中層とその直上層に跨る矩形枠状の高剛性のフレーム体を設け、そのフレーム体と変形集中層およびその直上層の少なくともいずれか一方との間に、変形集中層において生じる層間変形によるフレーム体と変形集中層またはその直上層との間の相対変位により作動する制震ダンパーとしての鋼材ダンパーを介装してなることを特徴とする。
【０００５】
本発明の制震構造建物は、地震時に建物全体に入力される地震エネルギーが通常のように各層に均等に分散されるのではなく、その大半が特定の中間層のみで消費されるような特性を与える。そのためには、特定の中間層において柱を分断してそこに積層ゴムを介装し、その層の水平剛性を他の層よりも低下させることとする。その結果、地震エネルギーの大半はその層つまり変形集中層のみに集中してそこでは大変形が許容されるが他の層での変形は抑制される。そして、変形集中層に設置した制震ダンパーとしての鋼材ダンパーが効率的に作動して地震エネルギーを有効に吸収し、建物全体としての減衰性能が確保され、建物全体の耐震性能が確保される。また、本発明の制震構造建物で想定される地震被害は変形集中層に設置した制震ダンパー（鋼材ダンパー）の損壊のみであり、それは補修あるいは交換により容易に復旧することができる。
【０００７】
特に、本発明では矩形枠状のフレーム体を外周構面の外側に設置することで外周構面が塞がれてしまうようなことを回避でき、かつ制震ダンパー（鋼材ダンパー）の復旧を外部からの作業のみで行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図４〜図５を参照して説明するが、それに先立ち、図１〜図３を参照して参考例について説明する。なお、以下の説明では図１〜図３に示す参考例を便宜的に第１〜第３実施形態と称し、図４〜図５に示す本来の実施形態を第４〜第５実施形態と称する。図６に示すシミューレーションは第１実施形態として説明する参考例についてのものである。
以下の各実施形態は、いずれも耐震性能が十分ではない既存不適格建物を対象として本発明の制震構造建物に改修する場合の例である。改修対象の既存不適格建物としては、たとえば地上１１階建て程度の鉄筋コンクリート造の建物を想定している。
【０００９】
図１は第１実施形態を示す。図１は改修後の免震構造建物の中間層の一構面のみを示すもので、既存建物の特定の中間層（たとえば３階部分）の柱１を上下に分断してそこに積層ゴム２を介装することにより、この層の水平剛性を他の層よりも低下させてこの層を大変形を許容せしめる変形集中層３として設定し、この変形集中層３と直上層４との間の層間変形により作動する制震ダンパーを設置するようにしたものである。
【００１０】
本第１実施形態では、制震ダンパーとして一対二本のアンボンドブレースダンパー５を採用し、それを柱１と梁６とにより形成されている所定の構面内に取付用鋼材７および継手板８を介していわゆるＫ型に設置している。アンボンドブレースダンパー５は、低降伏点鋼等の帯鋼からなるダンパー本体５ａの周囲に、その軸方向変形を許容しつつ面外方向の変形を拘束して座屈を防止する拘束部材５ｂを装着したもので、変形集中層３とその直上層４との間で層間変形が生じた際にダンパー本体５ａが軸方向に伸縮して降伏し、その際の履歴吸収エネルギーにより制震効果が得られるものである。
【００１１】
変形集中層３の特性は次のように設定することが好ましい。
・変形集中層の位置
質量比ｍ／Ｍ≧０．７となるように変形集中層の位置を設定する。
Ｍ：建物全体質量
ｍ：変形集中層から上層の建物質量
・変形集中層の固有周期とバネ定数
Ｔ＝２π（ｍ／ｋ）1/2＝２〜４（秒）
Ｔ：変形集中層の固有周期
ｋ：変形集中層のバネ定数
・制震ダンパーの耐力
建物全体質量Ｍに対して４〜６％に等しい耐力を有する。
【００１２】
本第１実施形態の制震構造建物では、特定の中間層に積層ゴム２を設置することでその層の水平剛性を低下せしめた変形集中層３を設定し、そこに制震ダンパーとしてのアンボンドブレースダンパー５を設置するのみで、地震エネルギーの大半（８０％程度以上）がそこに集中してアンボンドブレースダンパー５により有効に吸収せしめることができ、したがって変形集中層３以外の層に対しては一切の改修や補強を必要とすることなく、建物全体に対して優れた制震効果が得られる。そして、変形集中層３において大変形が生じてもアンボンドブレースダンパー５が損壊を受けるだけで建物自体には被害が及ぶことはなく、その際にはアンボンドブレースダンパー５を補修あるいは交換することのみで容易に復旧させることができる。
【００１３】
以上で第１実施形態を説明したが、以下に他の実施形態を列挙する。以下の実施形態はいずれも制震ダンパーの形式とその設置形態を変更した以外は第１実施形態と共通しており、同様の効果を奏するものである。
【００１４】
図２は第２実施形態を示すもので、これは制震ダンパーとして低降伏点鋼からなるせん断形のパネルダンパー１０を採用し、これを上下の梁６の間にブレース１１を介して設置することで、変形集中層３とその直上層４との間の層間変形によりパネルダンパー１０がせん断変形を受けて降伏し、その際の履歴吸収エネルギーにより優れた制震効果が得られるものである。
【００１５】
図３は第３実施形態を示すもので、鋼材を二等辺三角形状に組んでなる高剛性のフレーム体１２を構面内に配して上下の梁６に対してピン１２ａにより揺動可能な状態で設置し、そのフレーム体１２の左右両端部と柱１との間に第２実施形態のものと同様の低降伏点鋼からなるせん断形のパネルダンパー１０を設けたものである。これは、（ｂ）に示すように変形集中層３とその直上層４との間の層間変形がフレーム体１２の揺動に変換され、その揺動によりパネルダンパー１０がせん断変形を受けて降伏して制震効果が得られるものである。これによれば、階高とスパンとの比に応じて層間変形が拡大されてパネルダンパー１０に作用する（たとえば階高３．８ｍ、スパン８．４ｍの場合は水平方向の層間変形が２．２倍に拡大されてパネルダンパー１０に対して上下方向の変形として作用することになる）ので、微小変形に対してもパネルダンパー１０が有効に作動することになり、より効果的である。
【００１６】
以上で説明した参考例としての第１〜第３実施形態は制震ダンパーを構面内に設置したものであるが、本発明の本来の実施形態である図４に示す第４実施形態と、図５に示す第５実施形態は、変形集中層３の外周構面の外側に、柱１に添う縦鋼材１３ａと梁６に添う横鋼材１３ｂとを矩形枠状に組んでなる高剛性のフレーム体１３を設け、そのフレーム体１３と梁６あるいは柱１との間に制震ダンパーとしての鋼材ダンパー１７を介装し、その鋼材ダンパー１７を、変形集中層に生じる層間変形によるフレーム体１６と変形集中層３またはその直上層４との間の相対変位によって作動するようにしたものである。
【００１７】
図４に示す第４実施形態は、（ｃ）に示すように下側の梁６に対して下側の横鋼材１３ｂをスタッド１４、アンカー１５および充填モルタル１６を用いて固定し、（ｂ）に示すように上側の梁６と上側の横鋼材１３ｂとの間に低降伏点鋼からなる帯鋼状の鋼材ダンパー１７を介装し、層間変形による上側の梁６とフレーム体１３との間の相対変位により鋼材ダンパー１７がせん断および捻れ変形を受けて降伏することで制震効果が得られる。
【００１８】
図５に示す第５実施形態は、（ｃ）に示すようにフレーム体１３の横鋼材１３ｂの中央部をそれぞれ上下の梁６に対してピン１８により揺動可能に軸支し、（ｂ）に示すように縦鋼材１３ａと柱１との間に低降伏点鋼からなる帯鋼状の鋼材ダンパー１７を介装し、（ｄ）に示すように層間変形によりフレーム体１３が建物に対して相対回転することで鋼材ダンパー１７が捻れ変形を生じて降伏することで制震効果が得られる。
【００１９】
これら第４実施形態および第５実施形態によれば、矩形枠状のフレーム体１３を外周構面の外側に設置するので、外周構面に窓等の開口部を支障なく確保することができるし、鋼材ダンパー１７が損壊を受けた際の補修や交換を建物の外部からの作業のみで行うことが可能である。
【００２０】
以上で本発明の実施形態を説明したが、以下に本発明の有効性を実証するための具体的なシミュレーションとその結果を図６に示す。
【００２１】
本シミュレーションが対象としている既存不適格建物（原建物）は鉄筋コンクリート造の地上１１階建ての事務所であり、桁行方向１３スパン、梁間方向６スパン、延床面積６７，５２２ｍ2の規模のもので、そのままでは想定規模の地震により８〜１１階部分に大きな損傷を受けることが想定されるものである。本シミュレーションではその原建物の第３層に変形集中層を設定し、質量比ｍ／Ｍ＝０．７９に設定した。変形集中層の各柱に直径７５ｃｍの積層ゴム（面圧１１０ｋｇｆ／ｃｍ2≒１１ＭＮ／ｍ2）を設置し、変形集中層の固有周期Ｔを２秒に設定した。変形集中層に設置する制震ダンパーとしてはアンボンドブレースダンパーを採用し、そのダンパー本体として極低降伏点鋼（ＬＹＰ１００）による３６×２５０ｍｍの断面のものを用い、これをＫ形ブレースの形態で１１構面に２台ずつ（全２２台）設置して、建物全体質量Ｍの４％に相当する耐力を有するものとした。想定地震規模はレベル２相当（地震最大速度を５０kineに基準化）とし、地震波はElCentro1940NSを用いた。
【００２２】
また、比較例として、変形集中層を設けることなく建物全体にアンボンドブレースダンパーを分散配置した場合についてもあわせて検討し、図６に「各層制震補強」として示した。その場合、アンボンドブレースダンパーと建物耐力の累積耐力がＡｉ分布となり、ベースシャ係数で０．２５となるように各層の５〜１３構面に２台ずつ（建物全体では１８６台）分散配置した。
【００２３】
図６（ａ）は各層のエネルギー分布を示すものであり、第３層を変形集中層（第３層弱層）としたことでそこに地震入力エネルギーの８４％が集中していることがわかる。比較例（各層制震補強）では建物の弾塑性履歴によるエネルギーは原建物より低減するものの、アンボンドブレースダンパー（制震装置）の消費エネルギーを加えると原建物を越える層もあることがわかる。この結果、（ｂ）および（ｃ）に示すように、比較例のように建物全体にアンボンドブレースダンパーを分散配置した場合には層剪断力および層間変形が原建物を越えてしまう層もあり、好ましくないことがわかる。
【００２４】
一方、本発明のように変形集中層を設定した場合には、その変形集中層（第３層弱層）以外の層でのエネルギー消費が著しく減少し、変形集中層を除いて応答は建物各層に耐力に至っていないことがわかる。
【００２５】
また、（ｄ）に示すように本発明によれば変形集中層を除いて塑性率μ＜１とすることが可能であり、耐力はあるものの変形能力が小さい原建物の耐震性を十分に向上させることが可能である。そして、比較例として示した各層制震補強の場合にはダンパーの所要台数が１８６台にもなるのに対し、本発明ではわずか２２台で済むので、本発明では耐震補強に要する費用と工期を格段に軽減することが可能である。
【００２６】
なお、本発明は上記のように既存不適格建物に対する耐震補強の手法として採用するばかりでなく、新築建物として適用することも可能であることは言うまでもない。本発明を新築建物に適用する場合には、レベル１地震に対してはベースシャ係数を０．１ないしそれ以下の設計が可能であるし、地震による損壊を受ける層が明確になるので建物の耐震設計手法として好ましいものである。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明の制震構造建物は、特定の中間層において全ての柱を上下に分断してそこに積層ゴムを介装することによりこの中間層の水平剛性を他の層よりも低下せしめて、この中間層を地震時に変形が集中して大変形を生じる変形集中層として設定し、当該変形集中層とその直上層との間に地震エネルギーを吸収する制震ダンパーとしての鋼材ダンパーを介装したものであるので、地震エネルギーの大半を変形集中層に集中させてそこに設置した鋼材ダンパーにより地震エネルギーを有効に吸収し、以て建物全体の耐震性能を確保することができることはもとより、想定される地震被害は変形集中層に設置した鋼材ダンパーの損壊のみであるのでその復旧は容易であり、新築建物に適用するばかりでなく既存建物の耐震補強手法としても好適である。
【００２９】
特に、本発明は、変形集中層の外周構面の外側にこの変形集中層とその直上層に跨る矩形枠状の高剛性のフレーム体を設け、そのフレーム体と変形集中層およびその直上層の少なくともいずれか一方との間に、変形集中層において生じる層間変形によるフレーム体と変形集中層またはその直上層との間の相対変位により作動する制震ダンパーとしての鋼材ダンパーを介装したものであるから、制震ダンパーを設置することで外周構面が塞がれてしまうようなことを回避でき、かつ制震ダンパー（鋼材ダンパー）の復旧を外部からの作業のみで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態（参考例）を示す図である。
【図２】  本発明の第２実施形態（参考例）を示す図である。
【図３】  本発明の第３実施形態（参考例）を示す図である。
【図４】  本発明の第４実施形態（本来の実施形態）を示す図である。
【図５】  本発明の第５実施形態（本来の実施形態）を示す図である。
【図６】  本発明の解析例を示す図である。
【符号の説明】
１  柱
２  積層ゴム
３  変形集中層
４  直上層
５  アンボンドブレースダンパー（制震ダンパー）
６  梁
１０  パネルダンパー（制震ダンパー）
１３  フレーム体
１７  鋼材ダンパー（制震ダンパー）
【図１】
0003845834.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003845834.tif 000004
【図４】
0003845834.tif 000005
【図５】
0003845834.tif 000006
【図６】
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