JP2006016911A - 免震構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】 振り子型の大規模な免震構造物を実現する。
【解決手段】 地盤上に複数基の塔状構造体１を立設し、それらの頂部にそれぞれ免震機構３を介して吊り支持構造体４を設け、吊り支持構造体から複数層の板状構造体２を吊り支持して塔状構造体の周囲に配置する。各層の板状構造体には塔状構造体が貫通する開口部を設けて免震クリアランスを確保し、最下層の板状構造体を地表面上に浮かせて配置する。各層の板状構造体を人工地盤として設ける。板状構造体の面外方向へのねじれ変形を拘束する補剛機構を設ける。板状構造体の外周部に吊り材１１とブレース１２を集約して配置する。免震機構としては、揺動支持構造体の上下に複数の免震装置をそれぞれ仮想の回転中心を向くように傾斜状態で配置するものが好適である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、固有周期を長周期化ないし超長周期化することで地震時の振動を大幅に抑制し地震被害を回避することのできる免震構造物に関する。

この種の免震構造物として特許文献１に振り子型の耐震建物が提案されている。これは、建物の中心部に設けた高剛性のコアシャフトの頂部を支点として、その周囲に多層階の建物本体部を吊り支持して設けることにより、地震時には建物本体部を全方向に揺動可能な振り子として応答せしめるというものである。このような構造によれば、建物本体部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であり、それにより地震時にもほとんど振動しないような建物を実現できるとされている。
特開２００１−９０３７４号公報

上記のような免震構造は極めて有効であると考えられるが、未だ着想段階にあって現時点で実現するに至っていない。特に、この種の免震構造は大規模な構造物への適用が期待されるのであるが、特許文献１に示されているように建物本体部を単にコアシャフトの頂部から全方向に揺動可能に吊り支持するという形態では大規模化には自ずと限界があり、したがってこの種の免震構造の実用化と普及を図るためにはその点での有効な改善策の開発が不可欠とされていた。

上記事情に鑑み、本発明の免震構造物は、地盤上に複数基の塔状構造体を立設し、それら塔状構造体の頂部にそれぞれ免震機構を介して吊り支持構造体を設け、それら吊り支持構造体から複数層の板状構造体を吊り支持して塔状構造体の周囲に配置し、各層の板状構造体には塔状構造体が貫通する開口部を設けてその開口部内縁と塔状構造体の間に免震クリアランスを確保するとともに、最下層の板状構造体を地表面上に浮かせて配置することにより、複数層の板状構造体の全体を複数基の塔状構造体の頂部から免震機構および吊り支持構造体を介して揺動可能に吊り支持したことを特徴とする。

本発明の免震構造物においては、各層の板状構造体を各種の建物や施設を構築するための人工地盤、いわば空中大地として設けることが可能である。また、各層の板状構造体に形成されている開口部内縁と塔状構造体との間の免震クリアランスには、塔状構造体に対する板状構造体の水平変位を許容しつつ板状構造体の面外方向へのねじれ変形を拘束する補剛機構を設けることが好ましい。また、各層の板状構造体の外周部には、それら板状構造体を吊り支持するための吊り材と、それら板状構造体どうしを一体に連結して層間変位を拘束するためのブレースを設けることが好ましい。さらに、免震機構としては、揺動支持構造体と、その揺動支持構造体の上下においてそれぞれ仮想の回転中心を向くように傾斜状態で配置した複数の免震装置の集合体とによる構成のものが好適に採用可能である。

本発明の免震構造物は、複数基の塔状構造体を分散設置してそれら複数基の塔状構造体により複数層の板状構造体の全体を吊り支持することにより、それら板状構造体の全体の固有周期を充分に長周期化できて優れた免震効果が得られることはもとより、板状構造体の規模に応じて塔状構造体の設置基数とそれらの位置を設定することによって大規模な板状構造体であっても安定に吊り支持することが可能であり、それによりこの免震構造物全体の大規模化を支障なく実現することができる。

また、最下層の板状構造体を地表面上に浮かせて設けることで地表面には開放空間を確保できるから、既存のインフラストラクチャーの上方を跨ぐようにして板状構造体を設置したり、あるいは板状構造体の下方の地表面に自然環境をそのまま残すようなことも可能となる。したがって本発明では、塔状構造体および板状構造体を大規模なメガストラクチャーとして設けることで、各層の板状構造体自体をたとえば街区となるような大規模な人工地盤として機能せしめることが可能であり、その場合には各層の板状構造体をいわば空中大地としてそこには各種の独立した建物や施設をインフィルとして自由に設置することが可能であり、しかもその空中大地は充分な免震効果が得られるものであるからそこに設置する建物や施設には耐震要素が不要である。

また、各層の板状構造体を吊り支持するための吊り材は一般の構造物における柱に相当するものではあるがそれは引っ張り耐力を有する小断面のもので良いし、また各層の板状構造体どうしをブレースにより一体に連結することで各層の層間変位を有効に防止でき、しかも、それら吊り材とブレースをいずれも板状構造体の外周部に集約配置することにより板状構造体の内部には塔状構造体が分散配置されているだけで実質的に無柱の大空間を確保することができ、インフィルとしての建物や施設を設置するためのフレキシブルなスケルトンの構造として好適である。

また、板状構造体に形成した開口部の内側に塔状構造体を配置してそれらの間に免震クリアランスを確保するので、板状構造体の揺動を支障なく許容できることはもとより、その免震クリアランスには板状構造体のねじれ変形を拘束する補剛機構を設けることにより、板状構造体の大規模化によるねじれ剛性の低下を補剛機構により補償でき、風力等により想定される板状構造体のねじれ変形を有効に防止することができる。

さらに、免震機構として、揺動支持構造体の上下に複数の免震装置の集合体を設置し、それら免震装置をそれぞれ仮想の回転中心を向くように傾斜状態で配置した構成のものを採用することにより、充分な長周期化を実現できるばかりでなく、様々な振動モードに対して有効に免震効果を発揮することができる。

本発明の免震構造物の一実施形態を図１〜図７に示す。本実施形態の免震構造物は、２基の塔状構造体１の頂部から全５層の板状構造体２を免震機構３、吊り支持構造体４を介して吊り支持したものとなっており、地震時には板状構造体２の全体が振り子として応答することでその固有周期が超長周期化されたものとなっており、それにより優れた免震効果が得られるものとなっている。

塔状構造体１は地盤から自立状態で立設された高軸剛性かつ高曲げ剛性の鉄筋コンクリート造のもので、それら２基の塔状構造体１によってこの免震構造物全体の全鉛直荷重および地震時における全水平荷重を支持し得るものとなっている。本実施形態における塔状構造体１は、図４および図７（ａ）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（すなわち一般の建物におけるコア部として）利用されているが、内部に通じる開口部を除いては実質的に無開口の頑強な筒状の壁体として構築されている

図５に示すように、塔状構造体１の頂部には吊り支持構造体４が免震機構３を介して設けられている。吊り支持構造体４は鉄骨材からなる４本の柱材５を梁材６およびブレース材７により連結してフレーム状に組んだ高剛性のもので、塔状構造体１の頂部に免震機構３を介して揺動可能かつ水平変位可能に設置されたものである。免震機構４は、矩形フレーム状の揺動支持構造体８の上下４隅部にそれぞれ４基ずつの積層ゴム等の免震装置９を図５に示すように仮想の回転中心（仮想の球面ないし円筒面の中心）Ｏ_１，Ｏ_２を向くように傾斜状態で固定したもので、下段の４基の免震装置９が塔状構造体１の頂部に対して固定され、上段の４基の免震装置９上に上記の吊り支持構造体４の４本の柱材５が固定されている。

そして、その吊り支持構造体４から全５層の板状構造体２が吊り支持されることで塔状構造体１の周囲に設置されている。すなわち、図３に示すように、吊り支持構造体４から主吊り材１０を介して最上層の板状構造体２が吊り支持され、その最上層の板状構造体２から他の４層の板状構造体２が所定間隔をおいて多数の吊り材１１によって吊り支持され、最下層の板状構造体２は地表面の上方に浮いた位置に配置されている。各層の板状構造体２を吊り支持している上記の吊り材１１は各板状構造体２の外周部に集約して設けられ、同じく外周部には各層の板状構造体２どうしを連結するブレース１２が設けられていて、それらブレース１２により全５層の板状構造体２は層間変位が拘束された状態で一体化して全体として水平剛性が確保され、その全体が主吊り材１０を介して吊り支持されることで地震時には一体に挙動するものとなっている。なお、各板状構造体２はたとえば鉄骨梁とコンクリートスラブとにより形成することができ、主吊り材１０および吊り材１１、ブレース１２としては引っ張り強度に優れた鋼材やケーブル材を採用すれば良い。

上記のような免震機構３を介して板状構造体２の全体を吊り支持するという構造により、本実施形態の免震構造物では様々な振動モードに対して有効に免震効果を発揮できるものである。すなわち、地震時における板状構造体２全体の振動モードとしては、図６（ａ）に示すように板状構造体２の全体が振り子として揺動するような揺動モード（スイング）、（ｂ）に示すように板状構造体２の全体が塔状構造体１に対して水平方向に変位するような水平振動モード（スウェイ）、さらには塔状構造体１の曲げ変形によりその頂部が左右に振られるような振動モード（ロッキング）が生じるが、本実施形態の免震機構３はそのような振動モードの全てに対して有効に免震効果を発揮でき、それら各モードの振動を充分に抑制し速やかに減衰させることができるものとなっている。なお、板状構造体２に対する吊り支持点が２基の塔状構造体１により２点となっていることから、長辺方向については図６（ａ）に示すような揺動モードは生じ難く、（ｂ）および（ｃ）に示すような振動モードが卓越することになるが、いずれにしても免震装置９を揺動支持構造体８を介して上下２段に設けていることから板状構造体２全体としての固有周期を８〜１０秒程度にまで超長周期化でき（在来の免震構造による長周期化は３秒程度が限界である）、それにより地震力から事実上解放されて大地震時にも殆ど揺れることがなく、したがって地震被害とは実質的に無縁の免震構造物が実現される。

また、図７に示しているように、各板状構造体２には上記の塔状構造体１が貫通し得る開口部１３が形成されていて、それら開口部１３の内側に免震クリアランス１４を確保して塔状構造体１が配置され、そこには塔状構造体１の内部への通路１５がエキスパンションジョイントを介して設けられているとともに、その免震クリアランス１４には各層の板状構造体２の水平変位を許容しつつねじれ変形を拘束するための補剛機構２０が設けられている。

補剛機構２０はパンタグラフ式に面内変形が可能なものであるが面外方向には変形が生じないような面外剛性を有するものであって、図７（ｂ）に示すように塔状構造体１または板状構造体２に対して固定される対の固定部材２１の両端間に、２対４本の連結部材２２および中間部材２３をピ２４によりそれぞれ回転可能に連結して、その全体が常に２つの平行四辺形を維持しながら水平面内において変形可能としたものである。したがってこのような補剛機構２０を免震クリアランス１４に設置することにより、塔状構造体１に対する板状構造体２の水平方向の変位は支障なく許容されつつ鉛直方向の相対変位は拘束され、それにより地震時や暴風時における板状構造体２のねじれ変形が有効に拘束されるものとなっている。なお、このような補剛機構２０としてはたとえば特開２００４−１４３６９４号公報に示されるものが好適に採用可能である。

本実施形態の免震構造物によれば、図３に示すように板状構造体２全体の全鉛直荷重が吊り材１１、ブレース１２、主吊り材１２の引っ張り力として吊り支持構造体４に伝達され、それから免震機構３を介して塔状構造体１に伝達され、塔状構造体１から圧縮力として地盤に伝達され、それにより板状構造体２の全体が安定に吊り支持されるものである。そして、免震機構４により板状構造体２全体の固有周期を充分に長周期化できて優れた免震効果が得られることはもとより、２基の塔状構造体１を分散設置してそれら塔状構造体１から板状構造体２の全体を吊り支持するという構造の採用により板状構造体２を充分に大規模化することができるものであり、したがって塔状構造体１および板状構造体２を大規模なメガストラクチャーとして設けることでたとえば図２に示すように各層の板状構造体２を街区となるような大規模な人工地盤として機能せしめることが可能である。その場合には各層の板状構造体２が地震のない新しい大地いわば空中大地となり、それをスケルトンとしてそこに各種の独立した建物や構造物、公園等の施設をインフィルとして自由に設置したり更新することが可能であり、しかもその空中大地は地震が発生することがないのでそこに設置する建物や施設には耐震性を考慮する必要がなく簡単な構造のもので充分となる。

また、最下層の板状構造体２は地表面上に浮いた状態で設けられるから、地表面には自ずと開放空間を確保でき、したがって既存のインフラストラクチャーの上方を跨ぐようにして板状構造体２を設置したり、あるいは板状構造体２の下方の地表面に豊かな自然環境を確保して自然と調和した新しい都市機能、都市景観を創造することができ、したがってこれは都市再開発の手法としても好適なものである。

また、各層の板状構造体２を吊り支持するための吊り材１１や各層の板状構造体２を一体化するためのブレース１２としては小断面の引っ張り材で充分であるし、それら吊り材１１とブレース１２をいずれも板状構造体２の外周部に集約配置していることにより、板状構造体２の内部には２カ所に塔状構造体１が配置されているだけで実質的に無柱の大空間を確保することができ、インフィルとしての建物や施設を設置し更新するためのフレキシブルなスケルトンの構造として好適である。勿論、この免震構造物は強度と耐久性に優れた鋼材やコンクリートを主体として構築することでこれ自身の耐久性は充分に確保でき、充分に長寿命なものとすることができる。

以上で本発明の一実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されることなくたとえば以下に列挙するような様々な応用や変形が可能である。

上記実施形態は２基の塔状構造体１により５層の板状構造体２を吊り支持するものとしたが、全体の規模によっては塔状構造体１の設置基数を多数とすれば良いし、板状構造体２の層数も適宜増減して良い。板状構造体２の平面形状や面積も各層ごとに自由に設定することが可能であり、たとえば上層ほど平面積を小さくすることも考えられる。また、たとえば図８（ａ），（ｂ）に示すように上記実施形態の免震構造物を１ユニットとしてそれを前後あるいは左右、さらにはその双方に連結した形態で設置して、全体としてより大規模の免震構造物を構成することも可能である（図８では板状構造体２の層数を４層としている）。

風荷重により板状構造体２の揺動が想定される場合には、板状構造体２の揺動を通常時には拘束しておき、地震時においては速やかに解放されて揺動を許容するようなフューズ機構を要所に設けておくと良い。また、板状構造体２の振動をより速やかに減衰させるためのダンパーを要所に設けることも考えられ、たとえば図３に示しているように、最下層の板状構造体２の開口部１３と塔状構造体１との間に水平方向および鉛直方向の双方に作動する形式のダンパー２５を設けることが好ましい。

上記実施形態では各層の板状構造体２を人工地盤として設けることを想定したが、それに限らず、板状構造体２を各階の床とし外周部に外壁を設けることで大規模な免震建物として使用することも勿論可能である。免震機構３や吊り支持構造体４の具体的な構成についても、全体の規模や形態に応じて様々な設計的変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態である免震構造物の全体概略構成を示す外観図である。 同、立面図である。 同、立断面図である。 同、平断面図である。 同、免震機構の概要を示す図である。 同、免震機構の地震時の動作を示す説明図である 同、補剛機構の概要を示す図である。 同、他の例を示す図である。

符号の説明

１ 塔状構造体
２ 板状構造体
３ 免震機構
４ 吊り支持構造体
８ 揺動支持構造体
９ 免震装置
１０ 主吊り材
１１ 吊り材
１２ ブレース
１３ 開口部
１４ 免震クリアランス
２０ 補剛機構
２５ ダンパー

Claims (5)

1. 地盤上に複数基の塔状構造体を立設し、それら塔状構造体の頂部にそれぞれ免震機構を介して吊り支持構造体を設け、それら吊り支持構造体から複数層の板状構造体を吊り支持して塔状構造体の周囲に配置し、各層の板状構造体には塔状構造体が貫通する開口部を設けてその開口部内縁と塔状構造体の間に免震クリアランスを確保するとともに、最下層の板状構造体を地表面上に浮かせて配置することにより、複数層の板状構造体の全体を複数基の塔状構造体の頂部から免震機構および吊り支持構造体を介して揺動可能に吊り支持したことを特徴とする免震構造物。
2. 請求項１記載の免震構造物であって、板状構造体を各種の建物や施設を構築するための人工地盤として設けたことを特徴とする免震構造物。
3. 請求項１または２記載の免震構造物であって、各層の板状構造体に形成されている開口部内縁と塔状構造体との間の免震クリアランスには、塔状構造体に対する板状構造体の水平変位を許容しつつ板状構造体の面外方向へのねじれ変形を拘束する補剛機構を設けたことを特徴とする免震構造物。
4. 請求項１，２または３記載の免震構造物であって、各層の板状構造体の外周部に、それら板状構造体を吊り支持するための吊り材と、それら板状構造体どうしを一体に連結して層間変位を拘束するためのブレースを設けたことを特徴とする免震構造物。
5. 請求項１，２，３または４記載の免震構造物であって、免震機構を、揺動支持構造体と、その揺動支持構造体の上下においてそれぞれ仮想の回転中心を向くように傾斜状態で配置した複数の免震装置の集合体とにより構成したことを特徴とする免震構造物。

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