JP2025042260A - 制震架構 - Google Patents

Abstract

【課題】主構造の地震力負担を好適に軽減できる制震架構等を提供する。
【解決手段】制震架構１は、主構造１０、吊り床構造２０、および吊り床構造２０の振動を減衰させるための振動減衰機構を有する。主構造１０は、鉛直部１１と、鉛直部１１に支持される横架部１２と、を含む。吊り床構造２０は、横架部１２から下方に延びる接続材２１と、当該接続材２１によって吊り支持される振動床部２２とを含み、水平方向に振動可能である。振動床部２２と鉛直部１１の間にはクリアランスが設けられ、吊り床構造２０の固有周期は、主構造１０の固有周期以上とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、制震架構等に関する。

既存建物などの障害物を避けて、その上部空間のみに新たな建物を構築したい、というニーズがある。例えば、既存建物が歴史的建造物で保存対象となる場合や、最終的には既存建物も解体するが運用上、増築完了まで既存建物を継続使用したい場合等である。その他、下部空間をホールやピロティなどの大空間とした新たな建物を構築したい場合もある。

これらの場合、新たな建物を構築しようとしても、通常の柱梁架構では障害物やホール、ピロティ空間など（障害物等という）に干渉してしまう。そのため、図８に示すように、障害物１１０等を挟むように建てた構造柱１０１の間にスパンをとばした大梁１０２をかけた主構造を構築し、大梁１０２からＨ形鋼等の吊材１０３を介して上部空間の床１０４等を支持することが考えられる。

図８のような架構であれば、建物の下部に無柱空間を容易に形成でき、障害物１１０との干渉回避、ホールやピロティ空間としての活用など、機能的な優位性を実現することができる。また吊材１０３は引張材となり圧縮は考慮しなくてよいため断面サイズが小さくなり、床１０４上の空間を有効利用できる。さらに、基礎１０５の構築範囲を構造柱１０１の周辺に集約することができる。

また特許文献１には、柱や梁などからなる主構造体の内部で床等を含む副構造体を吊り支持し、主構造体の固有周期を長くして構造物に入力される振動エネルギーを小さくすることが記載されている。

特開２００１－７３５８４号公報

図８の架構では、すべての地震力を主構造で負担する必要があるため、構造柱１０１やその基礎１０５の設計が過大となり、断面サイズが大きくなる。そのため、床１０４上の空間容積の減少や、躯体数量の増加によるコスト増といった問題が生じる。

また特許文献１では、主構造体の固有周期を長くすることで主構造体の変形が大きくなるため、主構造体に外装材を取り付けることが難しく、設計が制限される。実際、特許文献１では、主構造体ではなく、その内部の副構造体に外装材を取り付けるという特殊な構成となっている。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、主構造の地震力負担を好適に軽減できる制震架構等を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための本発明は、鉛直部と、前記鉛直部に支持される横架部と、を含む主構造と、前記横架部から下方に延びる接続材と、当該接続材によって吊り支持される振動床部とを含む、水平方向に振動可能な吊り床構造と、前記吊り床構造の振動を減衰させるための振動減衰機構と、を有し、前記振動床部と前記鉛直部の間にクリアランスが設けられ、前記吊り床構造の固有周期が、前記主構造の固有周期以上であることを特徴とする制震架構である。

本発明では、主構造から吊り床構造を振り子のように水平振動可能に吊り支持して吊り床構造の固有周期を主構造の固有周期以上とし、吊り床構造の振動を減衰させるための振動減衰機構を設けることで、吊り床構造をTMD（Tuned Mass Damper）として機能させることができ、主構造に作用する地震力を低減できる。そのため、主構造の鉛直部やその基礎の断面サイズを低減し、床上の空間容積の確保が容易になり、躯体数量の減少によってコストを低減できる。また振動床部を中空で吊り支持できるので、その下方に無柱空間を形成できる。また主構造の固有周期が短くて済むので、主構造に外装材を取り付けることも可能になる。

前記振動床部の下方に、前記鉛直部に固定される固定床部が設けられ、前記接続材が前記固定床部に接続されることが望ましい。あるいは、前記振動床部の上方に、前記鉛直部に固定される固定床部が設けられ、前記接続材が前記固定床部に接続されることが望ましい。また上下複数段の前記振動床部が固定され、一体となって振動することが望ましい。
これらの構成により、振り子の実質的な長さを短くし、吊り床構造の固有周期を短縮し主構造の固有周期に近付けてTMD効果を高めることができる。

前記接続材は、前記鉛直部の下部に当たる高さには配置されず、当該下部の上方においてのみ配置されることが望ましい。
これにより、建物下部に無柱空間を形成でき、既存建物等の障害物を避けての建物の新築や、ホールやピロティなどの大空間としての利用が可能になる。

また、前記振動床部と前記鉛直部の間に弾性体が設けられることが望ましい。
これによっても、振動床部の固有周期を短縮してTMD効果を高めることができる。

本発明により、主構造の地震力負担を好適に軽減できる制震架構等を提供することができる。

制震架構１を示す図。 振動床部２２の平面を示す図。 制震架構１ａ、１ｂ、１ｃを示す図。 制震架構１ｄを示す図。 弾性体２４を示す図。 制震架構１ｅを示す図。 制震架構１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃを示す図。 大梁１０２から吊材１０３を介して床１０４等を支持する架構の例。

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る制震架構１を示す図である。本実施形態の制震架構１は、主構造１０と、吊り床構造２０を有する建物であり、さらに、吊り床構造２０の振動を減衰させるための振動減衰機構３０が設けられる。

主構造１０は、鉛直部１１と、鉛直部１１に支持される横架部１２とを含む。

鉛直部１１は、建物の外周部に設けられる柱状の部材であり、例えば構造柱であるが、これに限ることはない。例えばエレベータシャフトや階段室等の縦動線を内部に有するコアであってもよい。鉛直部１１は地中の基礎１３に剛結して固定される。

横架部１２は、建物の両側に位置する鉛直部１１の間に架け渡される部材であり、例えば大梁であるが、これに限ることはない。

鉛直部１１と横架部１２は、S（鉄骨）造でもRC（鉄筋コンクリート）造でも良い。また鉛直部１１や横架部１２をS造とする場合、単一部材で構成してもよく、トラス柱やトラス梁のように複数部材から構成しても良い。

吊り床構造２０は、横架部１２から下方に延びる接続材２１と、当該接続材２１によって吊り支持される振動床部２２とを含む。接続材２１は、鉛直部１１の下部に当たる高さには配置されず、当該下部の上方においてのみ配置される。

接続材２１にはＨ形鋼等の鋼材が用いられる。しかしながら接続材２１はこれに限らず、例えば鋼製のワイヤーを用いてもよい。また接続材２１は連続する１本の部材でもよいし、複数の鋼材等を連結したものでもよい。さらに、横架部１２と接続材２１との接合形式も特に問わないが、横架部１２に対する接続材２１の剛性比が小さければピン接合に使い挙動になり、剛性比が大きければ剛接合に近い挙動となる。

図２は、振動床部２２の平面を示す図である。振動床部２２は、鉛直部１１から水平方向のクリアランスＣを空けて設けられ、水平方向に振り子状に振動可能である。振動床部２２はRC造によるスラブとするが、必ずしもこれに限ることはなく、木造床等であっても良い。いずれの場合でも、接続材２１に図示しない小梁や根太を取りつけ、その上に振動床部２２を配置する構成とできる。場合によっては小梁や根太が省略されることもある。

振動減衰機構３０は、振動床部２２と鉛直部１１の間に設けられ、吊り床構造２０の振動を減衰させる。振動減衰機構３０は例えばオイルダンパであるが、これに限ることはなく、摩擦ダンパ、鋼材ダンパ、粘弾性ダンパ等を用いてもよい。振動床部２２の上部を居住空間としても、ダンパにはフリクション（摩擦）があるため、振動床部２２が日常的にフラフラと揺れ動いて居住者の体感に影響を与える懸念はない。

本実施形態では、吊り床構造２０の固有周期が、主構造１０の固有周期と同じかそれより大きく、振動床部２２と鉛直部１１とを振動減衰機構３０で接続することで、吊り床構造２０自体をTMD(チューンド・マス・ダンパー)として挙動させ、地震等による振動を低減できる。吊り床構造２０の固有周期は、接続材２１と振動床部２２からなる系の剛性と質量から算出でき、主構造１０の固有周期は、鉛直部１１と横架部１２からなる系の剛性と質量から算出できる。

前記のクリアランスＣの大きさは特に限定されないが、床材の納まりを考慮した合理的な値として5cm程度とすることができる。クリアランスＣの上部は、振動床部２２の変位に追従可能なカバー（不図示）で覆われる。また建物の外装材（不図示）は外側の主構造１０にも内側の吊り床構造２０にも取り付け可能であるが、内側の吊り床構造２０に外装材を取付ける場合には、雨仕舞も振動床部２２の変位に追従可能なディテールとする必要があり、いわゆるロッキング機構やスライド機構等を適用することができる。

また制震架構１を適用する建物は、例えば60m未満の高さの中層のものとする。高層になると吊り床構造２０の固有周期が長くなり、その振幅を合理的なクリアランスＣ内に抑えることが難しいためである。また制震架構１が２層程度の低層のものであると、本発明を適用するメリットが小さくなる。

以上説明したように、本実施形態では、主構造１０から吊り床構造２０を振り子のように水平振動可能に吊り支持して吊り床構造２０の固有周期を主構造１０の固有周期以上とし、吊り床構造２０の振動を減衰させるための振動減衰機構３０を設けることで、吊り床構造２０をTMD（Tuned Mass Damper）として機能させることができ、主構造１０に作用する地震力を低減できる。そのため、主構造１０の鉛直部１１やその基礎１３の断面サイズを低減し、床上の空間容積の確保が容易になり、躯体数量の減少によりコストを低減できる。また振動床部２２を中空で吊り支持できるので、振動床部２２の下方の建物下部に無柱空間を形成でき、既存建物等の障害物を避けての建物の新築や、ホールやピロティなどの大空間としての利用が可能になる。また主構造１０の固有周期が短くて済むので、主構造１０に外装材を取り付けることも可能になる。

しかしながら、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、図３（ａ）の制震架構１ａの吊り床構造２０ａに示すように、建物下部の床だけを振動床部２２とし、その上方の床は鉛直部１１に固定される（振動しない）固定床部４０とし、固定床部４０に接続材２１が接続される構成としてもよい。

振り子状に揺れる吊り床構造２０の固有周期は主構造１０の固有周期よりも大きくなりやすいが、上記のように、建物上部の床は鉛直部１１に固定し、建物下部の床を鉛直部１１から分離して振動可能とすることで、振り子の実質的な長さＬを短くし、吊り床構造２０ａの固有周期を短縮して主構造１０の固有周期に近付け、TMD効果を高めることが出来る。

また建物の一部の床だけを振動床部２２とするのは上記と同様であるが、図３（ｂ）の制震架構１ｂの吊り床構造２０ｂに示すように、建物下部の床を固定床部４０とし、その上方の床を振動床部２２とし、接続材２１が固定床部４０に接続される構成としてもよい。この場合も、振り子の実質的な長さＬを短くすることで、上記と同様、TMD効果を高めることができる。

また図３（ｂ）の場合、図３（ａ）の例と比較し、接続材２１の下部が固定床部４０で固定されることで振動床部２２を支持する接続材２１の張力が大きくなり、振動床部２２の固有周期をより短縮することが出来る。また建物上部の床を振動床部２２とする場合、TMDの質量比も大きく確保しやすい。さらに、図３（ａ）の制震架構１ａは、最下層の振動床部２２の無柱空間に対する雨仕舞が必要になるが、図３（ｂ）の制震架構１ｂではそのような雨仕舞が不要あるいは軽減できるというメリットも存在する。

また図３（ｃ）の制震架構１ｃの吊り床構造２０ｃに示すように、上下複数段の振動床部２２をブレース等の構造部材２３で連結し、これらの振動床部２２が一体となって振動するようにしてもよい。これによっても、振り子の実質的な長さＬを短くすることでTMD効果を高めることができる。ただし、制震架構１ｃでは振動床部２２上の空間に構造部材２３が入ってしまうため、振動床部２２上の空間の有効利用の点では、前記の制震架構１ａ、１ｂのほうが好ましい。

また本実施形態では鉛直部１１の上端部の横架部１２から接続材２１によって振動床部２２を支持しているが、図４の制震架構１ｄの主構造１０ｄに示すように、鉛直部１１の高さ方向の中間部に横架部１２を追加し、複数の横架部１２のそれぞれから接続材２１によって振動床部２２を吊り支持し、複数層の吊り床構造２０を形成してもよい。

また吊り床構造２０のTMD効果をより高めるためには、前記の振動減衰機構３０に追加して、図５（ａ）に示すように、鉛直部１１と振動床部２２の間に積層ゴムによる弾性体２４を配置してもよい。図５（ａ）は、振動床部２２の厚さ方向の断面を、振動床部２２の振動方向（図５（ａ）の左右方向に対応する）に沿って示したものである。

この場合、弾性体２４が有する剛性により吊り床構造２０の固有周期を短縮してTMD効果を高めることができる。また弾性体２４により振動床部２２の日常的な微振動を抑制し、床上の空間をより快適に利用することもできる。

なお図５（ａ）の例では、振動床部２２の自重を鉛直部１１に預けるため、鉛直部１１から突出する突出片１１１上に振動床部２２を配置して滑らせるような納まりになっている。弾性体２４は、振動床部２２と突出片１１１の間に挟んで配置することができる。

なお、弾性体２４は積層ゴムに限らない。例えば図５（ｂ）は弾性体２４ａとしてコイルばねを用いる例であり、コイルばねの伸縮方向を振動床部２２の振動方向とし、その両端部を、突出片１１１に設けた上方への突起部１１２と、振動床部２２に設けた下方への突起部２２１に接続している。

また本実施形態では主構造１０の鉛直部１１が建物の外周部に設けられるが、図６（ａ）の制震架構１ｅの主構造１０ｅに示すように、建物の内部に鉛直部１１が設けられても良い。横架部１２は、鉛直部１１から側方に張り出すように配置される。なお図６（ａ）の符号１４は、建物の外周部に設けられるカーテンウォール等の外装材である。

また図６（ｂ）は制震架構１ｅの吊り床構造２０ｅの振動床部２２の平面を示す図であり、この例では振動床部２２の中央の開口２２２の縁部と鉛直部１１の間にクリアランスＣが設けられる。

その他、図７（ａ）の制震架構１００に示すように、建物上部に無柱空間を確保するため、前記の吊り床構造２０に代えて、主構造１０内の最上層部分より下方の振動床部２２をポスト柱２１ａで支持した床支持構造２００を適用してもよい。前記と同様、振動床部２２と鉛直部１１の間にはクリアランスが設けられ、また振動床部２２の振動を減衰させるための振動減衰機構３０も前記と同様に設けられる。ポスト柱２１ａは水平力を負担しないため、断面サイズを小さくすることができる。

図７（ｂ）～図７（ｄ）の制震架構１００ａ～１００ｃに示すように、前記の図３（ａ）～図３（ｃ）で説明した構成は、床支持構造２００ａ～２００ｃにおいても適用できる。すなわち、図７（ｂ）の制震架構１００ａの床支持構造２００ａは、建物下部の床を振動床部２２とし、その上方の床を固定床部４０とし、ポスト柱２１ａを固定床部４０に接続したものである。また図７（ｃ）の制震架構１００ｂの床支持構造２００ｂは、建物上部の床を振動床部２２とし、その下方の床を固定床部４０とし、ポスト柱２１ａを固定床部４０に接続したものである。また図７（ｄ）の制震架構１００ｃの床支持構造２００ｃは、上下複数段の振動床部２２を構造部材２３で一体化したものである。

以上、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ：制震架構
１０、１０ｄ、１０ｅ：主構造
１１：鉛直部
１２：横架部
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｅ：吊り床構造
２１：接続材
２１ａ：ポスト柱
２２：振動床部
２３：構造部材
２４、２４ａ：弾性体
３０：振動減衰機構
４０：固定床部
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ：床支持構造

Claims (6)

1. 鉛直部と、前記鉛直部に支持される横架部と、を含む主構造と、
   前記横架部から下方に延びる接続材と、当該接続材によって吊り支持される振動床部とを含む、水平方向に振動可能な吊り床構造と、
   前記吊り床構造の振動を減衰させるための振動減衰機構と、
   を有し、
   前記振動床部と前記鉛直部の間にクリアランスが設けられ、
   前記吊り床構造の固有周期が、前記主構造の固有周期以上であることを特徴とする制震架構。
2. 前記振動床部の下方に、前記鉛直部に固定される固定床部が設けられ、
   前記接続材が前記固定床部に接続されることを特徴とする請求項１記載の制震架構。
3. 前記振動床部の上方に、前記鉛直部に固定される固定床部が設けられ、
   前記接続材が前記固定床部に接続されることを特徴とする請求項１記載の制震架構。
4. 上下複数段の前記振動床部が固定され、一体となって振動することを特徴とする請求項１記載の制震架構。
5. 前記接続材は、前記鉛直部の下部に当たる高さには配置されず、当該下部の上方においてのみ配置されることを特徴とする請求項１記載の制震架構。
6. 前記振動床部と前記鉛直部の間に弾性体が設けられることを特徴とする請求項１記載の制震架構。

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