(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物中心部に設けた高剛性のコアシャフトと、該コアシャフトの頂部を支点として該コアシャフトの周囲において揺動可能に支持された主構造体からなり、該主構造体は、前記コアシャフトの頂部に揺動支持装置を介して支持された高剛性の頂部構造体より多層階の建物本体部を前記コアシャフトの周囲に吊り支持してなり、該主構造体を地震時には前記コアシャフトに支持されつつその周囲において揺動可能な振り子として応答せしめ、かつ該主構造体の振り子としての固有周期を、想定される地震動周期よりも十分に長周期に設定し、
前記揺動支持装置は、それぞれが仮想の中心を向くように傾斜状態で設置されて前記主構造体を前記中心回りに揺動可能に支持する複数の免震装置の集合体であり、
前記コアシャフトの頂部と前記頂部構造体との間に揺動支持構造体を介装し、該揺動支持構造体の上下に前記揺動支持装置としての免震装置の集合体をそれぞれ配設してなることを特徴とする耐震建物の構造。
【請求項２】
前記建物本体部と前記コアシャフトまたは地盤との間に、通常時においてそれらを連結して前記主構造体の揺動を拘束するとともに地震時には開放されて主構造体の揺動を許容するフューズ機構を介装してなることを特徴とする請求項１記載の耐震建物の構造。
【請求項３】
前記建物本体部と前記コアシャフトまたは地盤との間に振動エネルギーを吸収するダンパーを介装してなることを特徴とする請求項１または２記載の耐震建物の構造。
【請求項４】
前記建物本体部の柱を吊り材として各層のスラブを吊り支持し、かつ該建物本体部の各層には層間変位を拘束する補剛手段を設けてなることを特徴とする請求項１，２または３記載の耐震建物の構造。
【請求項５】
前記頂部構造体の中心部に上方に突出する支柱を設け、該支柱より前記頂部構造体の周縁部を引張材により吊り支持してなることを特徴とする請求項１，２，３または４記載の耐震建物の構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐震性に優れる建物の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、建物の耐震性を向上させるための構造としては、剛性を高めて耐力を向上させるという耐力構造、免震装置により建物の固有周期を長周期化して地震入力を低減せしめるという免震構造、建物の要所に各種ダンパー等の制振装置を設置して振動を制御しエネルギーを吸収するという制振構造等があり、それぞれ種々の方式のものが提案され実用化されている。特に、建物全体を積層ゴム等の免震装置により支持して長周期化する免震構造が有効とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来型の免震装置を用いて一定規模以上の建物を４〜５秒以上の長周期化しようとすると、設計が困難であったり、コスト高となるといった問題があった。また、積層ゴムに代えてすべり型の免震装置を用いることも考えられるが、この場合は地震終了時に建物を原位置に戻す装置が必要となるので好ましくない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記事情に鑑み、本発明は建物の固有周期を十分に長周期化することを可能とするもので、請求項１の発明は、建物中心部に設けた高剛性のコアシャフトと、該コアシャフトの頂部を支点として該コアシャフトの周囲において揺動可能に支持された主構造体からなり、該主構造体は、前記コアシャフトの頂部に揺動支持装置を介して支持された高剛性の頂部構造体より多層階の建物本体部を前記コアシャフトの周囲に吊り支持してなり、該主構造体を地震時には前記コアシャフトに支持されつつその周囲において揺動可能な振り子として応答せしめ、かつ該主構造体の振り子としての固有周期を、想定される地震動周期よりも十分に長周期に設定し、前記揺動支持装置として、それぞれが仮想の中心を向くように傾斜状態で設置されて前記主構造体を前記中心回りに揺動可能に支持する複数の免震装置の集合体を採用し、前記コアシャフトの頂部と前記頂部構造体との間に揺動支持構造体を介装し、該揺動支持構造体の上下に前記揺動支持装置としての免震装置の集合体をそれぞれ配設してなるものである。
【０００８】
請求項２の発明は、前記建物本体部と前記コアシャフトまたは地盤との間に、通常時においてそれらを連結して前記主構造体の揺動を拘束するとともに地震時には開放されて主構造体の揺動を許容するフューズ機構を介装してなるものである。
【０００９】
請求項３の発明は、前記建物本体部と前記コアシャフトまたは地盤との間に、振動エネルギーを吸収するダンパーを介装してなるものである。
【００１０】
請求項４の発明は、前記建物本体部の柱を吊り材として各層のスラブを吊り支持し、かつ該建物本体部の各層には層間変位を拘束する補剛手段を設けてなるものである。
【００１１】
請求項５の発明は、前記頂部構造体の中心部に上方に突出する支柱を設け、該支柱より前記頂部構造体の周縁部を引張材により吊り支持してなるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図７〜図８を参照して説明するが、それに先立ち本発明に関連する参考例について図１〜図６を参照して説明する。なお、以下の説明では図１〜図６に示す参考例についても、便宜的に「本発明の実施形態」と称している。
図１および図２は本発明の実施形態である耐震建物の概要を示すもので、図１は立断面図、図２は基準階平面図である。本実施形態の耐震建物は、図１に示されるように、建物中心部に設けた高剛性のコアシャフト１と、そのコアシャフト１の頂部を支点としてその周囲において全方向に揺動可能に支持された主構造体２からなる。主構造体２は、コアシャフト１の頂部に揺動支持装置としての単一の球座３を介して支持された高剛性の頂部構造体４と、その頂部構造体４より吊り支持された多層階の建物本体部５からなる。
【００１３】
コアシャフト１は建物全体の全鉛直荷重（自重）および地震時における全水平荷重を支持し得る高軸剛性かつ高曲げ剛性を有する鉄筋コンクリート造の構造体であって、本実施形態では図２に示すように水平断面形状がほぼ正方形とされてその内部がエレベータや階段室等の共用スペースとして、すなわちこの建物全体のセンターコアとして利用されている。そして、コアシャフト１の頂部中心位置には鋳鋼製の球座３が設けられ、この球座３により主構造体２を全方向に揺動可能な状態で支持するものとなっている。
【００１４】
主構造体２を構成している頂部構造体４は、建物本体部５の全重量を吊り支持可能な高剛性のもので、本実施形態では鉄骨からなる大規模なトラス（いわゆるハットトラス）により構成されている。この頂部構造体４はコアシャフト１の外周側に張り出す大きさの平面視正方形状とされて、その中心が上記の球座３を介してコアシャフト１によりただ１点で全方向に揺動可能な状態で支持されている。なお、頂部構造体４の中心部には上方へ突出する支柱６が設けられ、その支柱６から頂部構造体４の周縁部を吊り支持するための引張材７が架設され、これにより頂部構造体４の剛性を確保しつつその構造を簡略化でき、建物本体部５を安定に支持し得るものとなっている。
【００１５】
また、建物本体部５は、柱８、梁９、スラブ１０からなる通常の多層建物と同様の形態のものであるが、これは頂部構造体４から吊り下げられて地表より浮いた状態でコアシャフト１の周囲に設置されている。そして、この建物本体部５の内周とコアシャフト１との間、および建物本体部５の下端と地表との間にはクリアランス１１，１２が確保され、したがって建物本体部５は頂部構造体４と一体となって全方向に揺動可能とされている。なお、建物本体部５とコアシャフト１の間には各層に通路１３が設けられるが、それら通路１３は建物本体部５の揺動を拘束しないようにエキスパンションジョイントを介して設けられている。
【００１６】
上記構造の耐震建物は、図３にモデル化して示すように、主構造体２がコアシャフト１の頂部の球座３に支持されつつその周囲においてヤジロベーの如く全方向に揺動可能な振り子として応答するものとなる。したがって主構造体２の振り子としての固有周期を、想定される地震動周期よりも十分に長周期に設定することにより、主構造体２の地震入力に対する共振をほぼ完全に防止することができる。シミュレーションによれば、上記の構造からなる２０階建て程度の建物では主構造体２の固有周期は１３秒以上にもなり、長周期型の地震動周期に比較してもはるかに長周期となる。
【００１７】
以上のように、上記構造によれば、居住空間である建物本体部５の長周期化ないし超長周期化を実現でき、したがって地震時においても建物本体部５は殆ど振動することがなく、そのため如何なる地震動に対しても、また如何なる地域や地盤に設置される建物であっても、地震に対する安全性と居住性を十分に確保できるものである。
【００１８】
そして、上記構造によれば、建物本体部５は頂部構造体４から吊り支持されて地表面から浮いた状態で設置されるので、その柱８には圧縮耐力が必要とされず単なる吊り材であれば良い。したがって建物本体部５の構造は図４に別のモデルとして示すように吊り材としての柱８によって各層のスラブ１０を吊り支持するものであれば良く、その柱８としては所望の引張耐力を確保できるだけの最小断面の鋼材を採用可能であり、あるいはパラレルストランドケーブルを柱８として採用することも不可能ではない。また、同様の理由により柱８の所要本数も少なくて済むので建物本体部５の内部空間を無柱とすることも可能であるし、建物本体部５が地表より浮いているので敷地が広く開放されて有効利用を図ることができる利点もある。ただし、建物本体部５が全体として一体化した振り子として揺動することが好ましく、そのため各層にはたとえば図４に示すようにブレース等の補剛手段１４を設けることで各層の層間変位を拘束することが好ましい。
【００１９】
また、コアシャフト１は建物全体の全自重を常時鉛直荷重として受けているので、地震時の応力変動を考慮してもコアシャフト１に生じる引張応力は殆ど無視することが可能であり、したがってコアシャフト１および基礎は構造的に単純かつ明快であってその設計は容易であり、通常の鉄筋コンクリート造の構造体で十分に対応可能である。ただし、コアシャフト１自体の固有周期は自ずと短いものとなるので短周期型の地震時には共振することも想定される。そこで、コアシャフト１の振動が球座３を介して主構造体２へ伝達されることが懸念される場合には、支承部に免震装置や制振装置を介装することでコアシャフト１から主構造体２への振動伝達を制御することができる。
【００２０】
なお、上記の構造では風荷重により主構造体２に揺動が惹起されることが想定されるので、風荷重による揺動によって居住性が損なわれることが懸念される場合には、それを防止するべく、たとえば図４に示すように建物本体部５とコアシャフト１や地盤との間に、通常時においては主構造体２の揺動を拘束し地震時においては開放されて揺動を許容せしめるフューズ機構１５を設けることが好ましい。ただし、数十年に一度程度の確立で発生する巨大台風時のように、暴風により建物の損傷が懸念されるような場合には、地震時と同様にフューズ機構１５を開放して主構造体２の揺動を許容せしめた方が良い場合もある。フューズ機構１５としては、地震力を受けて機械的に作動するもの、あるいはセンサにより地震を感知して強制的に作動させるもの等が好適に採用可能であり、通常時の揺動を拘束するうえではフューズ機構１５を建物本体部５の最下部に設置することが有効である。
【００２１】
また、同じく建物本体部５の下端部とコアシャフト１や地盤との間に、地震時に主構造体２が揺動した際に作動してその振動エネルギーを吸収する各種のダンパー１６を設けることにより、主構造体２の揺動を抑制しかつ速やかに減衰させることが可能である。そのダンパー１６は図４に示すようにフューズ機構１５に組み込んだり、フューズ機構１５自体にダンパー１６としての機能を備えることも考えられる。また、このようなダンパー１６をコアシャフト１と建物本体部５との間に多数設けることで、先に述べた地震時におけるコアシャフト１の振動をこれらのダンパー１６で抑制し減衰させることもできる。
【００２２】
以上で本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく適宜の設計的変更を自由に行い得るものである。
【００２３】
たとえば、上記実施形態では主構造体２を揺動可能に支持するための揺動支持装置として単一の球座３を採用したが、それに代えて、図５に示すようにそれぞれが仮想の中心Ｏを向くように傾斜状態で設置されて主構造体２をその中心Ｏの回りに揺動可能に支持する複数の免震装置２０の集合体を揺動支持装置として採用し、各免震装置２０を仮想の半径Ｒを有する仮想の曲面Ｓの接線方向に沿って作動させるように構成することも可能である。それら免震装置２０としては図示例のような積層ゴムのみならず、ベアリング支承や滑り支承等も採用可能である。上記の仮想の曲面Ｓとしては、建物の形態等に応じて球面あるいは円筒面を設定することが考えられ、球面の場合は全方向の揺動が可能であり、円筒面の場合はその円筒面の周方向への揺動が可能である。また、この場合、各免震装置２０が中心Ｏを共通としてその回りの回転運動が可能であれば良いのであり、その限りにおいて（ａ）に示すように単一の仮想曲面Ｓを設定することに限らず、（ｂ）あるいは（ｃ）に模式的に示すように、個々の免震装置２０に対して、あるいは免震装置２０を任意のグループに区分して各グループ毎に、所望回転半径Ｒ（Ｒ１，Ｒ２）の仮想曲面Ｓ（Ｓ１，Ｓ２）を設定すれば良い。
【００２４】
そのような複数の免震装置２０による揺動支持装置を採用した場合、コアシャフト１に対する主構造体２の揺動は並進運動と回転運動の双方が同時に生じるものとなり、仮想の曲面Ｓの仮想の半径Ｒに応じてそれら並進運動と回転運動の比率が変化する。すなわち、理論的に仮想の半径Ｒが無限大であれば各免震装置２０は水平方向のみの動作となって主構造体２は並進運動のみとなり、仮想の半径Ｒがゼロであれば上述したような単一の球座３を用いた場合と同様に主構造体２は回転運動のみとなる。したがって半径Ｒを任意の有限値に設定することで並進運動と回転運動の比率を自由にかつ最適に設定することができ、それにより所望の固有周期と免震効果を得ることが可能である。なお、図６に示すように、各免震装置２０の傾きを図５の場合とは逆にして、仮想の回転中心Ｏを各免震装置２０の下方に設定し仮想曲面Ｓを上に凸としても良く、その場合にはコアシャフト１の頂部の揺れを主構造体２に対してより伝え難いものとなる。
【００２５】
以上で本発明に関連する参考例を説明したが、以下に本発明の本来の実施形態について図７〜図８を参照して説明する。本実施形態は、図５や図６に示した免震装置２０の集合体からなる揺動支持装置を揺動支持構造体２１の上下に設置するようにしたものである。すなわち、本実施形態は、図７に示すように、コアシャフト１の頂部と頂部構造体４との間に（ｂ）に示すような環状の高剛性フレームからなる揺動支持構造体２１を介装して、その上下にそれぞれ揺動支持装置としての免震装置２０を配設したものであり、上段側の免震装置２０の集合体の仮想の回転中心Ｏ１をそれらの上方に設定（仮想の回転半径Ｒ１）し、下段側の免震装置２０の集合体の仮想の回転中心Ｏ２をそれらの下方に設定（仮想の回転半径Ｒ２）したものである。これによれば、通常時には図８（ａ）に示す状態で安定しているが、（ｂ）に示すような振動モードでは主として上段側の免震装置２０の集合体が作動して図５に示したものと同様に主構造体２が確実に振り子として挙動し、（ｃ）に示すようにコアシャフト１全体が曲げ変形するような振動モードでは主として下段側の免震装置２０の集合体が作動してコアシャフト１から主構造体２への振動伝播を遮断し、（ｄ）に示すように主構造体２が並進運動するような振動モードでは双方の免震装置２０の集合体が同時に逆方向に作動し、いずれの場合も優れた免震効果が得られる。なお、図７に示した例とは逆に、上段側の免震装置２０の集合体の仮想の回転中心Ｏ１を下方に設定し、下段側の免震装置２０の集合体の仮想の回転中心Ｏ２を上方に設定しても同様である。
【００２６】
さらに、上記実施形態ではコアシャフト１の内部をセンターコアとして利用するようにし、そのようにすることが好適かつ現実的ではあるが、それに限るものではなく、コアシャフト１としては単なる芯柱を採用することも可能である。また、頂部構造体４も上記のようにトラスを引張材７により吊り支持する構成のものが現実的であるが、建物本体部５を安定に吊り支持可能でありかつ揺動支持装置により揺動可能なものとする限りにおいてその形態や構造は任意である。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、コアシャフトの頂部に揺動支持装置を介して主構造体を揺動可能に支持することにより地震時には主構造体をヤジロベーの如き振り子として応答せしめる構造として、主構造体の固有周期を地震動周期よりも充分に長周期化することが可能なものであるから、地震時においても主構造体が殆ど振動することがなく優れた耐震安全性と居住性を確保することができる。また、コアシャフトは圧縮力を受けるのみであるから基礎を含めて単純にして明快な構造設計が可能であるし、主構造体は建物本体部を頂部構造体から吊り支持する構成であるので建物本体部の柱の所要断面と本数を十分に削減することが可能である。さらに、建物本体部を地表に浮かせた状態とすることが可能であるので敷地を開放して有効活用を図ることも可能である。
【００２９】
特に請求項１の発明は、揺動支持装置として、それぞれが仮想の中心を向くように傾斜状態で設置されて主構造体をその中心回りに揺動可能に支持する複数の免震装置の集合体を採用したので、主構造体の揺動は回転運動と並進運動が同時に生じるものとなり、主構造体の回転曲率の設定によってそれら双方の運動の比率を調節することにより最適な固有周期と免震効果を得ることが可能である。
【００３０】
しかも、請求項１の発明は、コアシャフトの頂部と頂部構造体との間に揺動支持構造体を介装して、その上下に揺動支持装置としての免震装置の集合体をそれぞれ配設したので、様々な振動モードに対して各段の揺動支持装置が適正に作動し、より優れた免震効果が得られる。
【００３１】
請求項２の発明は、建物本体部の下端部とコアシャフトまたは地盤との間に、地震時には開放されるフューズ機構を介装したので、通常時の風荷重による主構造体の揺動を防止することができる。
【００３２】
請求項３の発明は、建物本体部とコアシャフトまたは地盤との間にダンパーを介装したので、主構造体の揺動を抑制し減衰させることができる。特にダンパーを建物本体部とコアシャフトとの間に介装することにより、コアシャフトに対する振動抑制効果と振動減衰効果も得られる。
【００３３】
請求項４の発明は、建物本体部の柱を吊り材として各層のスラブを吊り支持するとともに各層には層間変位を拘束する補剛手段を設けたので、柱として最小断面の鋼材やケーブルを採用することも可能であり、かつ補剛手段により建物本体部を全体として一体化した振り子として揺動させることができる。
【００３４】
請求項５の発明は、頂部構造体の中心部に上方に突出する支柱を設けてその支柱より頂部構造体の周縁部を引張材により吊り支持したので、頂部構造体の剛性を確保しつつその構造を簡略化でき、建物本体部を安定に支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に関連する参考例である耐震建物の概要を示す立断面図である。
【図２】  同、基準階平面図である。
【図３】  同耐震建物をモデル化した図である。
【図４】  同耐震建物を別のモデルとして示した図である。
【図５】  本発明に関連する他の参考例である耐震建物をモデル化して示す図である。
【図６】  同、変形例を示す図である。
【図７】  本発明の実施形態である耐震建物の要部概要図である。
【図８】  同、地震時の挙動をモデル化して示した図である。
【符号の説明】
１  コアシャフト
２  主構造体
３  球座（揺動支持装置）
４  頂部構造体
５  建物本体部
６  支柱
７  引張材
８  柱
１０  スラブ
１４  補剛手段
１５  フューズ機構
１６  ダンパー
２０  免震装置（揺動支持装置）
２１  揺動支持構造体
Ｏ  仮想の中心
【図１】
0003799199.tif 000002
【図２】
0003799199.tif 000003
【図３】
0003799199.tif 000004
【図４】
0003799199.tif 000005
【図５】
0003799199.tif 000006
【図６】
0003799199.tif 000007
【図７】
0003799199.tif 000008
【図８】
0003799199.tif 000009