JP2017014772A - 免震構造の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設計効率の向上を図る。
【解決手段】上部構造と下部構造との間に免震装置を備え、上部構造又は下部構造の一方に属する壁体と、上部構造又は下部構造の他方とが、水平方向に所定距離をもって離間している免震構造において、上部構造又は下部構造の他方と壁体との衝突を想定して免震構造を評価する免震構造の評価方法であって、上部構造の質量Ｍと、壁体の剛性Ｋｗとの比をパラメーターとして免震構造の衝突応答解析を行い、免震構造の衝突による応答値を評価する。
【選択図】図８

Description

本発明は、免震構造の評価方法に関する。

鉛直方向に並ぶ上部構造（例えば建物）と下部構造（例えば基礎）との間に免震装置（例えば積層ゴム）を備えた免震構造が知られている。このような免震構造において、例えば下部構造の外周部に壁体（例えば擁壁）を設け、上部構造と下部構造との水平方向の相対変位が過大となる場合に上部構造を壁体に衝突させて変位を抑制するようにしたものも知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、過大な地震動に対する対応として、上部構造と壁体との衝突を想定した設計も行われている。

特開２０１４−７７２２９号公報

免震建物と壁体との衝突を想定した設計を行うには、適切な壁体の剛性を想定する必要がある。しかしながら、現状では、壁体剛性を容易に想定できず、各建物毎に衝突応答解析を行い、設計可能な壁体剛性をポイントで探しているため効率が悪いという問題があった。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その主な目的は、壁体剛性を容易に想定できるようにし、衝突を想定した設計効率の向上を図ることにある。

かかる目的を達成するために本発明の免震構造の評価方法は、上部構造と下部構造との間に免震装置を備え、前記上部構造又は前記下部構造の一方に属する壁体と、前記上部構造又は前記下部構造の他方とが、水平方向に所定距離をもって離間している免震構造において、前記上部構造又は前記下部構造の他方と前記壁体との衝突を想定して前記免震構造を評価する免震構造の評価方法であって、前記上部構造の質量Ｍと、前記壁体の剛性Ｋｗとの比をパラメーターとして前記免震構造の衝突応答解析を行い、前記免震構造の衝突による応答値を評価することを特徴とする。
このような免震構造の評価方法によれば、壁体の剛性Ｋｗを容易に想定することができ、衝突を想定した設計効率の向上を図ることができる。

かかる免震構造の評価方法法であって、前記応答値は、前記衝突による前記上部構造の応答値であってもよい。
このような免震構造の評価方法法によれば、上部構造に過大な損傷や倒壊・崩壊が生じないように設計することができる。

かかる免震構造の評価方法法であって、前記応答値は、前記衝突による前記壁体の変形量であってもよい。
このような免震構造の評価方法法によれば、免震装置が破断したり、軸力、支持能力を失ったりしないように設計することができる。

かかる免震構造の評価方法法であって、前記上部構造の質量Ｍと、前記壁体の剛性Ｋｗとの比Ｋｗ／Ｍを横軸とし、前記衝突の衝突速度又は入力地震動の大きさを縦軸として、前記衝突による前記上部構造の応答値と、前記衝突による前記壁体の変形量とをプロットし、前記上部構造の応答値が同値となる第一ラインと、前記壁体の変形量が同値となる第二ラインとを作成することが望ましい。
このような免震構造の評価方法法によれば、上部構造の応答値のクライテリアと、壁体の変形量のクライテリアとの関係が明確になる。

かかる免震構造の評価方法法であって、前記衝突速度又は前記入力地震動の大きさが所定値のときの前記第一ラインの第一Ｋｗ／Ｍ、及び、前記第二ラインの第二Ｋｗ／Ｍを算出することが望ましい。
このような免震構造の評価方法法によれば、２本のラインによるクライテリアをともに満足する領域（設計可能領域）を推測することができる。

かかる免震構造の評価方法法であって、前記第一Ｋｗ／Ｍと前記第二Ｋｗ／Ｍの間を設計可能領域とすることが望ましい。
このような免震構造の評価方法法によれば、設計可能な壁体剛性Ｋｗの範囲を容易に想定することができる。

本発明によれば、衝突を想定した設計効率の向上を図ることができる。

衝突応答解析モデル及び免震建物の諸元を示す図である。 入力地震動レベル毎の最大応答層間変形角の増加率を示す図である。 入力地震動レベル毎の１階最大応答層せん断力の増幅率を示す図である。 入力地震動レベル毎の免震擁壁の最大応答変形を示す図である。 入力地震動レベル毎の各階最大応答層間変形角を示す図である。 衝突速度と上部構造の応答増幅率との関係を示す図である。 衝突速度と免震擁壁変形量との関係を示す図である。 上部構造と擁壁との衝突を用いた設計の概念図である。

＝＝＝実施形態＝＝＝
＜＜免震構造について＞＞
本実施形態の免震構造は、鉛直方向に並ぶ上部構造（免震建物）と下部構造（基礎）との間に免震装置（積層ゴムなど）を備えて構成されたものである。また、下部構造の外周部には上部構造の過大変位を抑制するための免震擁壁（壁体に相当）が設けられており、当該免震擁壁と上部構造との間には水平方向に所定のクリアランスが形成されている（換言すると、免震擁壁は下部構造に属し、免震擁壁と上部構造とは水平方向に所定距離をもって離間している）。

本実施形態では、このような免震構造において、上部構造と免震擁壁（以下、単に擁壁ともいう）との衝突を想定した設計を行う。ここで、衝突を想定した設計を行う場合、免震構造として致命的な以下の事象を防止するように設計する必要がある。

事象１）衝突による衝撃力で上部構造に生じる水平力、変形が増大し、過大な損傷や倒壊・崩壊が生じる。

事象２）衝突後の擁壁の変形により、免震装置が限界変形を超えて破断したり、軸力、支持能力を失ったりする。

この事象１及び事象２を防止する設計を合理的に行うためには、適切な擁壁剛性を想定する必要がある。仮に、各建物毎に衝突応答解析を行い、設計可能な擁壁剛性を探るようにした場合、効率が悪く合理的でない。そこで、本実施形態では、事象１、事象２を防止できる擁壁剛性を容易に想定できるようにし、上部構造と擁壁との衝突を想定した設計を行う場合の効率の向上を図っている。

＜＜衝突応答解析について＞＞
＜衝突応答解析モデル＞
図１は、衝突応答解析モデル及び免震建物の諸元を示す図である。上部構造は各階を一質点とした多質点等価せん断型モデルとしており、図１に示すモデルの黒丸（●）は建物の一層分についての質量を示している。また、各層の復元力特性は、弾塑性立体骨組モデルを用いた静的漸増荷重解析から得られるＱ‐σ曲線をTri-Linearにモデル化している。

下部構造と上部構造との間には免震層が設けられている。この免震層には、免震装置として、天然ゴム系積層ゴム支承体（ＮＲＢ）、弾性すべり支承、及び、オイルダンパーが設けられている。

また、下部構造には免震擁壁が設けられており、上部構造と免震擁壁との間には水平方向に所定のクリアランスが設けられている、なお、擁壁の外側は地盤であり、免震擁壁の剛性には、この地盤の剛性（以下、背面土剛性ともいう）も含まれる。

図１中には上部構造の履歴特性および内部粘性減衰、免震装置の復元力特性（内部粘性減衰はゼロとする）を示している。また、免震擁壁は弾性とし減衰はゼロとする。免震層クリアランス（上部構造と免震擁壁と間の水平距離）は、入力地震動レベル２応答時の免震層変形に設定している。

このようなモデルを用いて、図１に示す２つの免震建物（実施例１及び実施例２）の衝突応答解析を行った。

＜衝突応答解析＞
擁壁との衝突を想定し、上部構造の応答増幅および免震層の応答変形を評価する場合、免震擁壁剛性（背面土剛性含む）と、建物（上部構造）質量と、衝突速度との関係は重要な影響因子と考えられる。そこで、Ｋｗ／Ｍ（免震擁壁剛性／建物質量）をパラメーターとして免震建物の衝突応答解析を行い、上部構造の応答増幅および免震層の応答変形を評価した。ここで、応答増幅とは、基準法で定められている入力地震動による変形（応答値）に対し、それより大きい地震が発生したときにどれだけ変形するかを示す値である。本実施例では入力地震動の大きさをレベル２告示スペクトル（解放工学的基盤、乱数位相）適合波の１．０〜１．５倍（加速度倍率）とし、衝突による上部構造の応答増幅率を、レベル２地震動による応答値を基準（１．０）として評価した。

＜解析結果＞
以下、図面を参照しつつ、解析結果について説明する。なお、以下の図において、縦軸の値が大きくなる側を上側とし、反対側を下側とする。また、横軸の値が大きくなる側を右側とし、反対側を左側とする。また、免震擁壁剛性Ｋｗは擁壁剛性（片持ち壁剛性）＋背面土剛性として算出している。

図２は、入力地震動レベル毎の最大応答層間変形角の増幅率を示す図であり、図３は、入力地震動レベル毎の１階最大応答層せん断力の増幅率を示す図である。ここで、最大応答層間変形角とは、各階の層間変形角のうちの最大値のことである、図の横軸はＫｗ／Ｍ（免震擁壁剛性／建物質量）であり、縦軸は増幅率（応答増幅）である。

図２、図３より、最大応答層間変形角、１階最大応答層せん断力とも、Ｋｗ／Ｍが同じである場合、入力地震動レベル（地震動倍率）が大きいほど、増幅率（応答増幅）が大きくなっている。また、Ｋｗ／Ｍがある程度の値までは、Ｋｗ／Ｍが大きくなるにつれて増幅率（応答値）は増加しているが、Ｋｗ／Ｍがある程度の値以上になるとほぼ増幅率は変わらない。なお、図中太い縦線は検討建物（実施例１、実施例２）の実際のＫｗ／Ｍを示している。

図４は、入力地震動レベル毎の免震擁壁の最大応答変形を示す図である。図の横軸はＫｗ／Ｍ（免震擁壁剛性／建物質量）であり、縦軸は衝突後の免震擁壁変形量である。なお、免震擁壁の変形量は、免震層変形量からクリアランスの値を減算することによって求められる（つまり、免震擁壁の変形量＝免震層変形量−クリアランス）。図４より、Ｋｗ／Ｍが同じである場合、入力地震動レベル（地震動倍率）が大きいほど、擁壁変形量が大きくなっている。また、各入力地震動レベルにおいて、免震擁壁の最大応答変形はＫｗ／Ｍが大きくなるにつれて減少している。

図５は、入力地震動レベル毎の各階最大応答層間変形角を示す図である。図の横軸は層間変形角であり、縦軸は上部構造（免震建物）における階である。図より、最大応答層間変形角の高さ方向の分布はレベル２応答時と似たものとなるが、応答層せん断力が降伏層せん断力を超えるとその階に変形が集中している。例えば、実施例１では２階に集中し、実施例２では１階に集中している。

＜＜擁壁剛性について＞＞
擁壁との衝突を想定した合理的な設計を行うためには、前述した事象１及び事象２を防止するように設計する必要がある。すなわち、上部構造が倒壊しないように応答増幅を或るクライテリア以下に抑え、かつ、免震層の応答変形が限界変形以下となるような免震擁壁剛性を設定する必要がある。以下、これらについて検討する。

図６は、衝突速度（入力地震動レベル）と上部構造の応答増幅率との関係を示す図である。図６の横軸はＫｗ／Ｍ（免震擁壁剛性／建物質量）である。また図６の縦軸は免震層の衝突時速度であり、入力地震動の大きさに対応している。例えば、図中のＬ１〜Ｌ６は、入力地震動レベルを示している。具体的には、Ｌ１はレベル２×１．０５倍、Ｌ２はレベル２×１．１０倍、Ｌ３はレベル２×１．２０倍、Ｌ４はレベル２×１．３０倍、Ｌ５はレベル２×１．４０倍、及び、Ｌ６はレベル２×１．５０倍の入力地震動をそれぞれ示している。

この図６は、図２のデータからＫｗ／Ｍを横軸とし、衝突の衝突速度を縦軸として、衝突による上部構造の応答増幅率をプロットし、上部構造の応答増幅率が同値となるライン（第一ラインに相当）を作成した図である。

図６に示すように、実施例１、実施例２とも良く似た形となっている。図６の右下がりのラインは、上部構造の最大応答層間変形角のクライテリアを示すラインである。例えば、上部構造の最大応答層間変形角を２．０以下に設計したい場合、黒四角（■）を結ぶラインよりも下側（応答増幅率が小さい側）にすればよい。これにより、上部構造に過大な損傷や倒壊・崩壊が生じること（事象１）を抑制できる。

また、図７は、衝突速度（入力地震動レベル）と免震擁壁変形量との関係を示す図である。図７の縦軸及び横軸は図６と同じである。

この図７は図４のデータからＫｗ／Ｍを横軸とし、衝突の衝突速度を縦軸として、衝突による免震擁壁の変形量をプロットし、免震擁壁の変形量が同値となるライン（第二ラインに相当）を作成した図である。

図７においても、実施例１、実施例２とも良く似た形となっている。図７の右上がりのラインは免震擁壁（換言すると免震層）の変形量のクライテリアを示している。例えば、免震擁壁の最大変形を２０ｍｍ以下（免震層の変形量を２０ｍｍ＋クリアランス以下）に設計したい場合、黒四角（■）を結ぶラインよりも下側（変形量が小さい側）にすればよい。これにより、免震装置が破断したり、軸力、支持能力を失ったりすること（事象２）を抑制できる。

図８は、上部構造と擁壁との衝突を用いた設計の概念図である。この図８は、図６の右下がりのライン（第一ライン）と図７の右上がりのライン（第二ライン）との２本のラインを組み合わせた図である。前述したように、右下がりのラインは、上部構造の最大応答層間変形角のクライテリア（例えば、レベル２応答層間変形角×１．５）を示しており、また、右上がりのラインは、免震層の最大応答変形のクライテリア（例えば、積層ゴムの限界変形量）を示している。これにより、上部構造の最大応答層間変形角のクライテリアと、免震層の最大応答変形のクライテリアとの関係が明確になる。

この２本のラインによるクライテリアをともに満足する領域（２つのラインのそれぞれ下側の領域）が設計可能領域であり、入力地震動レベルを設定すれば、設計可能なＫｗ／Ｍの範囲を容易に推測することができる。すなわち、図８に示すように、設定した入力地震動レベルのとき（換言すると、衝突速度が所定値のとき）の右上がりのラインのＫｗ／Ｍ値（第一Ｋｗ／Ｍに相当）と、右上がりのラインのＫｗ／Ｍ値（第二Ｋｗ／Ｍに相当）との間の領域が設計可能領域となる。上部構造の質量Ｍは既知であるので、上記２つのＫｗ／Ｍを算出することにより擁壁剛性Ｋｗの範囲は容易に算出できる。よって、前述した事象１及び事象２を防止できる擁壁剛性Ｋｗの範囲を容易に求めることができる。

以上説明したように、本実施形態では、上部構造と下部構造に属する免震擁壁との衝突を想定した設計をする際に、上部構造の質量Ｍと、免震擁壁の剛性Ｋｗとの比（Ｋｗ／Ｍ）をパラメーターとして免震構造の衝突応答解析を行い、免震構造の衝突による応答値（上部構造の応答増幅率、免震擁壁の変形量）を評価している。この評価結果により、免震擁壁の剛性Ｋｗを容易に想定することができ、衝突を想定した設計効率の向上を図ることができる。

＝＝＝その他の実施形態について＝＝＝
上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはいうまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

前述の実施形態では、基礎（下部構造）と建物（上部構造）との間に免震層を設けており、下部構造の外周部に上部構造の過大変位を抑制するための免震擁壁を設けていたが、これには限らない。例えば、構造物を上下に分割した場合における上層部分と下層部分の間に免震層を設置してもよい。この場合、免震層よりも下側の構造体に壁（壁体）を設けてもよいし、免震層よりも上側の構造体に壁（壁体）を設けてもよい。なお、この場合、壁体の剛性には背面土剛性は含まれない。

また、前述の実施形態では、２本のライン（上部構造の最大応答層間変形角のクライテリアを示すライン、及び、免震層の最大応答変形のクライテリアを示すライン）から免震擁壁の剛性Ｋｗの範囲を想定していたがこれには限らない。例えば、免震擁壁の剛性Ｋｗの最大値又は最小値が予め定まっているような場合、何れか一本のラインから免震擁壁の剛性Ｋｗの範囲を想定してもよい。

また、前述の実施形態では、上部構造の応答値として応答増幅率を評価していたがこれには限られない。例えば、応答値そのものを評価してもよい。

また、図６〜図８では、縦軸を衝突速度にしていたが、縦軸を入力地震動レベルにしてもよい。

Claims (6)

1. 上部構造と下部構造との間に免震装置を備え、前記上部構造又は前記下部構造の一方に属する壁体と、前記上部構造又は前記下部構造の他方とが、水平方向に所定距離をもって離間している免震構造において、前記上部構造又は前記下部構造の他方と前記壁体との衝突を想定して前記免震構造を評価する免震構造の評価方法であって、
   前記上部構造の質量Ｍと、前記壁体の剛性Ｋｗとの比をパラメーターとして前記免震構造の衝突応答解析を行い、前記免震構造の衝突による応答値を評価することを特徴とする免震構造の評価方法。
2. 請求項１に記載の免震構造の評価方法であって、
   前記応答値は、前記衝突による前記上部構造の応答値である
   ことを特徴とする免震構造の評価方法。
3. 請求項１に記載の免震構造の評価方法であって、
   前記応答値は、前記衝突による前記壁体の変形量である
   ことを特徴とする免震構造の評価方法。
4. 請求項１に記載の免震装置の評価方法であって、
   前記上部構造の質量Ｍと、前記壁体の剛性Ｋｗとの比Ｋｗ／Ｍを横軸とし、前記衝突の衝突速度又は入力地震動の大きさを縦軸として、前記衝突による前記上部構造の応答値と、前記衝突による前記壁体の変形量とをプロットし、前記上部構造の応答値が同値となる第一ラインと、前記壁体の変形量が同値となる第二ラインとを作成する
   ことを特徴とする免震構造の評価方法。
5. 請求項４に記載の免震装置の評価方法であって、
   前記衝突速度又は前記入力地震動の大きさが所定値のときの前記第一ラインの第一Ｋｗ／Ｍ、及び、前記第二ラインの第二Ｋｗ／Ｍを算出する
   ことを特徴とする免震構造の評価方法。
6. 請求項５に記載の免震装置の評価方法であって、
   前記第一Ｋｗ／Ｍと前記第二Ｋｗ／Ｍの間を設計可能領域とする
   ことを特徴とする免震構造の評価方法。

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