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技術 免制震高層建物

出願人 清水建設株式会社
発明者 手塚武仁
出願日 1999年12月22日 (21年0ヶ月経過) 出願番号 1999-365594
公開日 2001年7月6日 (19年5ヶ月経過) 公開番号 2001-182357
状態 拒絶査定
技術分野 異常な外部の影響に耐えるための建築物
主要キーワード 降伏限界 建設工事費 減衰エネルギー 評価水 主体構造 応答量 プレストレス構造 オープンスペース
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年7月6日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

建物上層部での免震効果の低減を防ぎ、建物全体耐震性の向上を図る。

解決手段

建物全体を免震装置により支持した高層建物において、免震効果が低減する建物上層階非居住区域に、地震エネルギー減衰可能な制震デバイスを配置し、下層階は免震効果により、上層階は制震効果により地震応答を低減して、地震時の建物の被災を軽減し、建物の長寿命化を実現した。

概要

背景

一般的な建物は、地震時に、最悪の状態であっても人命を損なうことがないように、倒壊しないことを前提として設計されており、主体構造塑性変形能力に期待して耐震性を確保する構造になっている。

ところで、建物を数百年という長期間に亘って使用するために長寿命化計画した場合、建物の使用期間中に数回の大地震を受けることを当然計算に入れておかなくてはならない。この点、建物の塑性変形能力に期待した従来の耐震設計では、被災するたびに新たな耐震補強工事費用が発生する上、被災後には著しい耐震性能の低下が懸念される。このため、長寿命化を計画した建物では、塑性変形能力に期待した極限状態の地震入力回避では不十分であり、主体構造は極限地震に対しても弾性状態に保たれることが必要である。

耐震性能を著しく向上させる構造として、一般に免震構造が提案され、ここ数年の間に実施工事例も多くなってきている。

概要

建物上層部での免震効果の低減を防ぎ、建物全体の耐震性の向上を図る。

建物全体を免震装置により支持した高層建物において、免震効果が低減する建物上層階非居住区域に、地震エネルギー減衰可能な制震デバイスを配置し、下層階は免震効果により、上層階は制震効果により地震応答を低減して、地震時の建物の被災を軽減し、建物の長寿命化を実現した。

目的

本発明は、上記事情を考慮し、建物上層部での免震効果の低減を防ぎ、建物全体の耐震性の向上を図った免制震高層建物を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

建物全体免震装置を介して支持した高層建物において、建物上層階地震エネルギー減衰する制震デバイスを配置したことを特徴とする免制震高層建物。

請求項2

前記制震デバイスを非居住区域に配置したことを特徴とする請求項1記載の免制震高層建物。

請求項3

前記制震デバイスの減衰性能を調節可能としたことを特徴とする請求項1または2に記載の免制震高層建物。

技術分野

0001

本発明は、耐震性の向上により長寿命化を図った免制高層建物に関する。

背景技術

0002

一般的な建物は、地震時に、最悪の状態であっても人命を損なうことがないように、倒壊しないことを前提として設計されており、主体構造塑性変形能力に期待して耐震性を確保する構造になっている。

0003

ところで、建物を数百年という長期間に亘って使用するために長寿命化を計画した場合、建物の使用期間中に数回の大地震を受けることを当然計算に入れておかなくてはならない。この点、建物の塑性変形能力に期待した従来の耐震設計では、被災するたびに新たな耐震補強工事費用が発生する上、被災後には著しい耐震性能の低下が懸念される。このため、長寿命化を計画した建物では、塑性変形能力に期待した極限状態の地震入力回避では不十分であり、主体構造は極限地震に対しても弾性状態に保たれることが必要である。

0004

耐震性能を著しく向上させる構造として、一般に免震構造が提案され、ここ数年の間に実施工事例も多くなってきている。

発明が解決しようとする課題

0005

しかし、免震構造は、建物の固有周期が短い場合(一般的には低層建物)には著しい効果が得られるものの、超高層建物などのように固有周期が長くなると効果が低減する。

0006

多層建物縮約した計算モデルによりその点を解説する。計算は、建物の重量をWsとし、免震層の重量をWiとした2質点系に縮約したモデルについて行い、以下の条件により地震応答を求めた。
(1)重量比をWs:Wi=5:1とする。
(2)建物Wsのバネは、O.2Wsの荷重降伏限界であるTri-Linear型復元力特性をもつ。
(3)免震層のバネは、弾性周期が1.O(秒)、降伏変位が1.2cm、降伏後の周期が5.0(秒)となる特性もつ。
(4)東京都内の第一種地盤建設されるとして、極限地震(最大地震速度を75kineに基準化)を受けるものと想定する。

0007

地震応答の計算結果図6に示す。図6の上のグラフにおいて、横軸は建物の弾性固有周期であり、縦軸は建物の層間変位Xbと免震層の変位Xiの比α=Xb/Xiを示している。図6の下の図は、当モデルを図式化して示している。

0008

図6のグラフから分かるように、建物が超高層となり、つまり固有周期が1(秒)を超えるような構造になると、免震層の変位Xiに比較して建物の層間変位Xbが大きくなる(α→大)。即ち、免震効果が著しく低減してしまうことが理解できる。逆に、固有周期が短い場合(0.5秒以下)には、免震層の変位Xiより建物の層間変位Xbが著しく小さくなり(α→小)、免震効果が高いことが理解できる。

0009

このように、免震構造は耐震性を著しく向上させる構造であるが、超高層建物の耐震性を向上させる目的で免震構造を採用した場合には、建物上層部での免震効果の低減を防ぐ構造が必要であることが分かる。

0010

本発明は、上記事情を考慮し、建物上層部での免震効果の低減を防ぎ、建物全体の耐震性の向上を図った免制震高層建物を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

請求項1の発明は、建物全体を免震装置を介して支持した高層建物において、建物上層階地震エネルギー減衰する制震デバイスを配置したことを特徴としている。

0012

この発明では、免震装置による免震効果が低減する建物の上層階に制震デバイスを配置しているので、図6に示したように、超高層建物の免震構造の弱点である上層階部分で変形が大きくなることを逆に利用して、建物の層間変位に比例する制震効果を得ることができ、上層階の耐震性を著しく改善することができる。従って、建物の下層階部分は免震装置による免震効果により、建物上層階部分はは制震デバイスによる制震効果により、地震応答の低減を実現することができ、免震装置と制震デバイスの組み合わせにより、極限地震に対しても建物全体を弾性状態に保持することができ、建物の寿命延ばすことができる。

0013

具体的に解説すると、建物の地震時のエネルギー釣り合いは、以下の式で表すことができる。
U=Ue+Ud+Up
ここで、U :地震による入力エネルギー
Ue:建物の弾性エネルギー
Ud:減衰要素消費エネルギー
Up:建物の塑性変形能力による消費エネルギー
である。

0014

通常の耐震構造では、塑性変形能力により「Up」に相当するエネルギーを消費して、地震時の安全性を確保するようにしている。

0015

一方、免震構造では、免震層という特定部位剛性の小さい層を設けて固有周期を長くすることで、建物本体に作用する地震入力を小さくしている。また、免震層に発生する変位に対してエネルギーを消費するデバイスを取り付け、そこで地震入力に相当する「Up」を消費することで、建物部分の安全性を確保するようにしている。

0016

ところが、超高層建物になると、建物自体の固有周期が長くなることから、このような免震効果が低減してしまう。そこで、建物に特定の減衰装置(制震デバイス)を取り付け、エネルギー「Ud」を消費するようにすれば、建物の損傷は減少する。これが本発明の要点であり、本発明の高層建物においては、免震装置のエネルギー消費と、制震デバイスの減衰エネルギー消費により、建物の地震時の安全性を高めている。

0017

また、建物が数百年という期間に亘り建て替えずに使用できるためには、主体構造自体が大地震に対しても被災しないことが前提であるが、居住性を損なうようなエレベーター使用不能仕上げ材の著しい損傷も防ぐ必要がある。

0018

そこで、請求項2の発明では、建物に代わって地震エネルギーを消費する制震デバイスを非居住区域に配置することで、被災時にも居住性を損なわないようにしている。また、このように非居住区域に制震デバイスを配置したことにより、被災後の制震デバイスの更新などの構造のリニューアル化も容易にできるようになる。

0019

また、請求項3の発明では、制震デバイスの減衰性能を調節可能としたことを特徴としている。このように、制震デバイスの減衰性能を調整可能とした場合には、全地震エネルギーに対する「Ud」の値を調整できることになり、免震効果と併せ、居住性を損なわずに、主体構造を弾性状態に維持することができる。

発明を実施するための最良の形態

0020

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、高層集合住宅として計画されたコンクリート系超高層建物を示す。(a)は同建物のある階の平面図、(b)は上層階部分における(a)図のIb−Ib矢視断面図である。

0021

コンクリート系超高層集合住宅は、以下の理由から、長寿命化が特に必要とされる建物であるということができる。
(1)所有者資産であり、長寿命化は資産の目減りを少なくする。
(2)居住者全員の賛同がない限り、集合住宅の建て替えは困難である。
(3)超高層建物は、解体すると大量の廃棄物が出て環境問題を引き起こす。
(4)わが国は高齢化社会に向かい、個人では建て替え費用の負担が難しくなる。

0022

ここで対象とした建物は、平面が50mX50mの20階建てであり、高さは100m(標準階高4m)とする。この建物は、全体が地盤上に免震装置(図示略)を介して支持されている。各住戸Aは、建物の外周部の10mスパン部に配置しており、耐震壁など将来の住み方の変更に支障となるような構造材はなく、階高も4mという余裕度の大きい構造になっている。

0023

建物平面の中央部には、エレベーターや階段設備など縦方向動線Cが集約され、各住戸Aと縦方向の動線Cとが桟橋部2で繋がった構造になっている。桟橋部2はオープンスペース(非居住区域)Bになっており、ここに制震デバイス1が配置されている。従って、リニューアル時には、このオープンスペースBを利用して制震デバイス1の更新等が可能である。

0024

ここでは、具体的な検討を行うために、建物上層階の4層の範囲FRにのみ制震デバイス1を配置している。それ以下の階層FBは、制震デバイスのない通常構造になっている。制震デバイス1としては、200(t)オイルダンパーを各層8台程度を配置した。この場合、制震デバイス1は、その減衰性能(減衰力)を調整可能に構成されている。

0025

図2に地震応答の結果を示す。この図には、通常の耐震構造の場合と、免震構造のみを採用した場合と、本発明の構造(免震装置と制震デバイスを組み合わせた構造)の場合とを比較して示す。ここでは、東京都内の第一種地盤にべ基礎形式で建物が建設され、直下型地震を受けたと仮定して、観測地震記録波(ELCENTR01940NS)の最大速度を75kineに基準化して計算した。また、計算した層間変形角γを基に、次のような3種類の評価水準Rにより耐震性を比較した。

0026

主体構造の安全性に関して評価水準Rの内容を述べると、各層の層間変形角γがγ=1/δy(δy:降伏層間変形)に達したときが評価水準がR=1であり、γ=1/80に達したとき(建物への立ち入りが制限される時に相当)がR=0となる。

0027

評価水準と耐震性の評価点は以下の通りである。
(1)使用性構造体ひび割れなどが発生する限界から、外装材などが剥離を発生する限界までの範囲の耐震性
(2)復旧性:使用性を越え、降伏を越えない応答から、残留変形で決まる限界までの範囲の耐震性
(3)安全性:構造体が降伏する応答量から、構造体が終局限界に達し立ち入りが制限される限界までの耐震性

0028

地震応答の結果に基づく評価水準Rを図3に示す。図2図3(a)に示すように、免制震を採用しない通常の耐震構造では、エレベーターの使用は建物全階で不能となり、建物1階で立ち入りが制限され、崩壊に至るような被害が生じると考えられ、建て替えが必要になると思われる。

0029

図2図3(b)に示すように、免震構造とした場合は、16層以下の耐震性は改善するものの、17層以上の層ではエレベーターの使用が不能となるような被害が生じると推定される。これにより、超高層建物では、免震効果のみでは耐震性を十分に確保できないことが理解できる。

0030

図2図3(c)に示すように、本発明の提案する免制震構造の場合は、復旧性および安全性は建物全層でR=1となり、使用性に関する被害が発生する程度に留めることができる。

0031

この建物の場合、制震デバイス1であるオイルダンパーが被災しても、桟橋部2のオープンスペースBを利用して更新することができる。また、制震デバイス1の減衰力の調整により、所要の耐震性を得ることが可能である。制震デバイス1は桟橋部2のオープンスペースBに設置されており、構造リニューアルが容易であるから、制震デバイス1が被災した場合でも容易に更新することができる。また、所要の耐震性能を確保するように減衰力を調整した上で制震デバイス1を設置すれば、免震効果と併せ、主体構造を弾性状態に維持することができる。

0032

なお、本発明の建物における経済性を検討すると以下のようになる。通常の耐震構造の建設工事費内訳はおおよそ次のとおりである。
基礎土工事5%
躯体工事18%
仕上げ工事44%
設備工事17%
仮設工事経費16%

0033

このような耐震構造の場合の費用内訳に対して、免震構造のコスト増を5%、制震構造のコスト増を2%、主体構造のコンクリート中性化防止に高強度コンクリートを使うことや、大スパン化に対応してプレストレス構造を採用することなどを考慮して、主体構造のコスト増を5%とする。

0034

新規建設工事費は、耐震構造を100%とした場合、本発明の免制震構造は112%となる。しかし、極限地震を受けた後には、耐震構造では建て替えが必要になると考えられ、建て替え後には200%の工事費が必要となる(被災建物の解体工事費は無視)。

0035

一方、本発明の場合には、被災の程度を表す評価水準RがR=Oに達したときには、初期建設工事費に相当する改修工事費が必要になる(使用性がR=0のときに設備工事に相当する17%、復旧性がR=0のときに仕上げ工事に相当する44%、安全性がR=0のときに躯体工事に相当する18%、仮設工事・経費は一律8%が必要になる)と仮定して、改修工事費を求める。

0036

前記地震応答の結果から改修工事費の総計を求めると、11.9%となり、建設工事費と改修工事費の総計は124%となる。従って、極限地震を受けた後、耐震構造では建て替えたと仮定して本発明の場合と経済性を比較すると、耐震構造:本発明=200:124=1:O.6となり、建て替える場合に比較してはるかに経済的であると共に、極限地震時の居住性は比較にならないと言える。

0037

なお、上記実施形態の高層建物では、20階建てであることから、上層階の4層分にのみ制震デバイス1を配置したが、より高層の建物の場合は、より広い範囲に制震デバイスを配置するのが望ましい。

0038

図4は1ブロック12層とした超高層建物における上階層における略1ブロック分の構造を示す側断面図、図5は同建物の上階層複数ブロック分概略構成を部分的にカットして示す斜視図である。建物平面は図1(a)と同じである。

0039

この建物では、各ブロック12層の最上層に、建物を縦に貫くオープンスペースBに対して光や風Hを送り込むための空中庭園11が設けられている。また、建物全体の上層階部分の各層のオープンスペースBに、地震エネルギーを減衰させる制震デバイス1が配置されている。

0040

この建物において、制震デバイス1を更新する場合には、屋上にクレーン12を設置し、このクレーン12により、オープンスペースBを利用して機材の運搬を行うことができるので、被災後の制震デバイス1の更新を容易に行える。

発明の効果

0041

以上説明したように、請求項1の発明によれば、免震層にて地震エネルギーを消費する免震構造(免震装置)と、建物の層間変形に比例して制震効果を発揮する制震構造(制震デバイス)を併用しているので、両構造の長所を併せ持つ耐震構造を実現することができ、極限地震に対しても主体構造を弾性状態に保持することができて、建物の長寿命化を図ることができる。また、通常の耐震構造を被災後に建て替えて住むと仮定した場合と比較して、本発明は、免制震デバイスの費用や改修工事費を含めても、約60%の費用で済むため、経済的である。

0042

また、請求項2の発明のように非居住区域に制震デバイスを配置した場合は、被災時にも居住性に関して制約を受けないようにすることができる上、制震デバイスのリニューアル時にも、非居住区域であるが故に更新が容易である。また、請求項3の発明のように制震デバイスの減衰性能を調節可能とした場合は、適当に調節することで、免震効果と併せ、居住性を損なわずに、主体構造を弾性状態に維持することも可能になる。

図面の簡単な説明

0043

図1本発明の実施形態の高層建物の概略構成図で、(a)は同建物のある階の平面図、(b)は上層階における(a)のIb−Ib矢視断面図である。
図2同高層建物における地震応答の結果を示す図である。
図3耐震評価水準を示す図で、(a)は通常の耐震構造の場合、(b)は免震構造の場合、(c)は本発明の実施形態の場合を示す図である。
図4本発明をより超高層の建物に適用した場合の上層階部分の構成を示す側断面図である。
図5同建物における制震デバイスの更新方法の説明図である。
図6建物の固有周期と免震効果の関係を示す図である。

--

0044

A住戸
Bオープンスペース(非居住空間
1制震デバイス
FR 上層階

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